변성교대작용


변성작용에서는 화학조성이 거의 일정하며 소량의 용액만이 관여하였다. 또한 변성작용을 받는 암석의 공극이 적은 편이며, 변성반응에 관련된 광물들로부터 배출되는 H2O와 CO2 양도 한꺼번에 방출되는 것이 아니라 서서히 방출되므로 용액의 양도 적은 편이다. 지질학자들은 변성환경을 설명하기 위하여 "낮은 물-암석 비율" 이라는 특수한 용어를 사용한다. 지질학자들이 사용하는 이러한 용어는 용액과 암석의 무게비가 1:10이거나 그 이하라는 뜻이다. 이 정도의 용액이면 변성작용을 위해서는 충분하지만, 많은 암석을 용해하고 암석의 성분을 뚜렷하게 변화시키기에는 충분치 않다.
그러나, 물-암석 비율이 높은 경우도 있을 수 있다. 많은 양의 용액이 흐를 수 있는 큰 공간을 갖는 암석의 단열대가 한 예다. 이러한 경우에는 물-암석의 비율이 10:1 또는 100:1 까지 될 수 있으며, 새로운 이온이 첨가되거나 일부 물질이 용액에 의하여 제거되는 등의 작용에 의하여 단열대 주변의 암석 성분이 현저하게 변할 수 있다. 용액에 의하여 이온이 추가되거나 제거됨으로써 암석의 화학조성을 뚜렷하게 변화시키는 작용을 변성교대작용(metasomatism)이라 한다.

Fig.16 온도와 압력 조건에 따른 변성상. 곡선 A는 접촉 변성작용을 일으키는 화강암 관입체 주변의 지하 증온률. 곡선 B는 대륙지각의 평균적인 지하 증온률. 곡선C는 섭입대에서 볼 수 있는 지하 증온률. 불석상의 온도와 압력은 속성작용의 조건과 중복된다.

Fig.17 석회암으로부터 생성된 접촉 변성암.

변성교대작용은 특히 Fig.13에서 볼 수 있는 예와 같이 변성작용을 받는 암석이 석회암인 경우처럼 일반적으로 접촉 변성작용과 밀접한 관련이 있다. 냉각되는 마그마로부터 생성되는 변성교대용액은 접촉 변성작용을 받는 암석을 통해 밖으로 이동한다. 용액이 SiO2, Fe, Mg 등의 성분은 용액상태로 운반하므로 투과하는 용액 상태를 그대로 유지하기 어려울 정도로 마그마로부터 떨어져 있더라도 냉각되는 마그마 주변 석회암의 화학성분은 매우 뚜렷한 변화를 보여준다. Fig.17은 본래 석회암으로부터 생성된 접촉 변성암의 사진이다. 새로운 물질이 추가되지 않았다면 석회암으로부터 대리암이 생성되었을 것이지만, 변성 교대작용을 통하여 석회석은 석류석, 녹색 휘석의 일종인 투휘석 및 방해석 등을 포함하는 암석으로 변하였다. 변성교대유체는 귀중한 금속성분을 함유하게 되면 광상을 형성한다.

※ 열수 용액과 광상 ※
변성 교대작용을 유발시키는 대부분의 용액들은 H2O가 풍부하며 온도가 250℃이상으로 높은 편이다. 이러한 용액을 열수용액(hydrothermal solution)이라 부른다. 열수용액은 암석의 l갈라진 틈을 따라 흐르다가 석영이나 방해석과 같이 용해되어 있는 성분을 침전시킴으로써 광맥을 생성한다. FigB.3에서 볼 수 있는 것처럼 열수 용액은 이들이 투과하는 암석을 뚜렷하게 변질시킨다. 기존의 암석을 변질시키고 광맥을 생성시킴으로써 열수 용액은 여러 가지 중요한 광물의 광상을 생성하는 중요한 역할을 한다. 아마도 다른 어떤 방법보다도 열수 용액에 의하여 보다 많은 광상이 생성되었을 것이다. 그러나, 열수 용액에 의해 생성된 광상의 중요성에도 불구하고 많은 경우 열수 용액의 기원은 밝혀내기 어렵다. 용액에 의해 운반되어 이루어진 광물의 침전은 열수 용액의 기원에 관계없이 직접 관찰할 수 없는 지하 깊은 곳에서 일어난다. 광상이 침식에 의하여 지표에 노출될 때는 이를 생성시킨 열수 용액은 이제 존재하지 않는다. 그럼에도 불구하고 여러 단서들이 남아있기 마련이므로 광상을 생성시킨 과정에 관해서는 많은 사실들이 밝혀졌지만, 아직도 더욱 많은 연구가 필요하다.

용액의 성분 - 열수 용액의 주 성분은 물이다. 물은 항상 순수한 성분이 아니므로 NaCl, KCl, CaSO4, CaCl2 등 용해된 염분을 포함하고 있다. 이들의 함량은 다양하여 대부분 용액들은 해수의 염도인 3.5‰에서 이것의 10배에 이르는 경우도 있다. 따라서 열수 용액은 순수한 물과는 달리 용해되기 어려울 것처럼 보이는 금, 황동석, 방연석, 섬아연석 등 광물들을 소량 용해할 수 있는 능력을 가지고 있다.

FigB.3 열수 용액에 의하여 석회질 실트암에 생성된 변성교대 작용을 나타내는 짙은 색의 변질대.

FigB.4 해수는 해저의 화산암을 침투한다. 해수는 마그마에 의하여 가열되어 열수 용액이 되어 변성 교대작용을 유발시키며, 해저 산맥에 열수 기둥으로 솟아오른다.

FigB.5 해저에 광상을 생성시키는 열수 용액. 수심 2,500m 깊이의 북위 21° 동태평양 해저 산맥에서 촬영한 흑색열수구. 열수구의 온도는 320℃에 이른다. 솟아 오르는 열수 용액은 실제로는 투명하지만, 솟아오르는 기둥이 해수와 접촉하여 냉각되면서 용액으로부터 침전되는 철황화물과 다른 광물 때문에 검정색으로 보인다. 굴뚝처럼 보이는 구조는 열수 기둥으로부터 침전된 황철석과 황동석 및 다른 광석광물들로 구성되어 있다.

용액의 기원 - 열수 용액의 기원은 다양하다. 이를 생성할 수 있는 방법의 하나로서 함수부분용융에 의해 생성된 마그마가 식으면서 열수 용액이 만들어진다. 함수부분용융에 관여되었던 물은 마그마가 고화 되면서 방출된다. 그러나 이물은 순수한 물이 아니라 석영이나 장석과 같은 광물에 이온치환하여 함유될 수 없는 NaCl과 Au, Ag, Cu, Pb, Zn, Hg, Mo 등 화학원소들이 용해되어 있다.
고온에서는 염수가 열수 광상을 생성할 수 있는 능력이 높아진다. 화산작용이 있는 곳은 온도가 높기 때문에, 많은 광상들이 빗물이나 해수로부터 생성되어 순환하는 물이 침투할 수 있는 화산암과 관련되어 생성되는 것은 당연하다. 또한 많은 광상들이 상부로 이동하는 열수 용액이 냉각되어 광석광물들이 침전할 수 있는 화산암의 상부에서 발견된다. FigB.4는 해수가 해양지각을 침투하여 열을 받게 되어 상부 쪽으로 순환하여 열수 용액이 생성되는 과정을 도식적으로 나타낸 그림이다. 가열된 해수는 투과한 주변의 암석과 반응하여 화학 및 광물성분을 변화시킨다. 광물이 변화하면서 이온치환을 이루었던 Cu나 Zn과 같은 미량의 금속들이 방출되어 뜨거운 해수에 농집된다.
해저에서 생성된 열수 용액은 매우 뜨거워짐으로써 파쇄면을 따라서 빠른 속도로 상승하여 차가운 해수에 급격하게 분출하는 열수 용액을 형성한다. FigB.5는 태평양에서 확장되는 판의 경계부인 위도 21°N의 동태평양 해지 산맥에서 발견된 해저 온천을 보여준다. 이러한 형태의 많은 분출지역이 중앙 해령에서 주로 발견된다. 분출된 열수 용액에서 냉각되면 광물들이 생성되어 분출구 주변의 넓은 지역에 쌓이게 된다.