1. 개요
마그마(magma)는 행성 내부에서 자연적인 과정으로 발생한, 완전히 혹은 부분적으로 암석이 녹은 물질이다.[1] 가스 및 결정이 포함될 수 있으며 관입 혹은 분출을 야기할 수 있을 정도로 용융물의 함량비가 높아야 한다. '두껍게 바른 연고'를 뜻하는 고전 그리스어 단어인 'μάγμα'에서 이름을 따왔다.2. 지구에서의 마그마 형성
맨틀 상부와 지각에서는 특정 조건에서 암석이 부분적으로 녹게 된다. 이를 부분용융(partial melting)이라고 하는데, (1) 감압(decompression), (2) 수화(hydration) (3) 가열(heating) 세 가지 경우에 의해 가능해진다.(1) 감압의 경우. 모종의 이유로[2] 암석이 놓인 곳의 압력이 낮아지면, 단열 곡선을 따르게 되고 이 때 조건이 맞다면 고상선(solidus)을 지나치게 된다. 이렇게 압력이 낮아지면서 녹는 경우를 감압 용융(decompression melting)이라고 한다.
(2) 수화의 경우. 암석에 물이 들어가면 보통 용융점이 내려가게 된다. 이는 열역학적으로 물과 용융물의 혼합체의 깁스 에너지가 고체와 물의 혼합체보다 더 큰 폭으로 하락하기 때문인데, 달리 말하면 물와 용융물의 엔트로피가 더 크기 때문이다. 물 뿐만 아니라 다른 휘발성 물질로도 용융점 강하를 일으킬 수 있으며, 지구 내부에서는 이산화 탄소가 물 다음으로 강한 효과를 가진다. 그러나 이산화 탄소의 함량은 보통 물에 비해 사소한 것이기에, 보통 이러한 방식의 용융은 물이 전담하고 있다.
(3) 가열의 경우. 당연하게도 암석을 단순히 가열하여도 녹일 수 있다.[3] 지구 내부에서는 고온의 열원이 근처에 접근하거나, 암석이 더 깊은 곳으로 들어가면서 암석이 가열될 수 있다. 예컨대, 충돌대에서는 암석이 지하 깊은 곳으로 파묻히면서 가열되고, 이때 용융점이 낮은 암석이 부분적으로 녹을 수 있다.
부분 용융에서 중요한 특징 중 하나는, 마그마의 성분은 녹기 전 암석과 성분이 다르다는 것이다. 예컨대 초염기성암에서 마그마가 만들어지면 염기성암이 되며, 염기성암이 부분용융되면 중성암이 만들어진다. 이는 규산염 함량이 더 낮은 광물이 부분 용융 과정에서 상대적으로 녹지 않으려 하기 때문이다. 맨틀의 경우, 휘석(SiO2=45-50 wt.%)과 감람석(SiO2=40-45 wt.%) 중 휘석은 감람석에 비해 훨씬 잘 녹는다.
어떤 방식으로든, 암석이 조금 녹게 되면 그 녹은 액체 성분이 광물 사이사이를 따라 고이다가 흐르고 결국 뭉치게 되는데, 이 뭉친 덩어리가 하나의 큰 굄을 구축하면 이를 마그마라고 부른다. 많은 마그마가 맨틀암이 녹은 것으로부터 출발한다고 생각되나, 지각 물질이 직접 녹은 경우도 있다.[4] 보통 맨틀에서 마그마가 형성되면, 온도는 1000~1400도 정도이며, 지각이 용융된 경우에는 화강암질 마그마가 만들어지고 이때 온도는 약 700~900도 정도로 생각하면 된다. 다만, 지구상의 거의 모든 화산 활동과 심성암체 성분 변화는 현무암으로부터 시작하기 때문에, 지구의 대부분의 마그마는 맨틀로부터 유래된 것으로 생각된다.
3. 마그마의 이동과 성분 분화(differentiation)
부분 용융이 일어나면 용융물은 유동성이 더 크기 때문에 움직이게 된다. 그러면서 점점 뭉치게 되고, 이들은 차츰 맥을 따라 흐르게 된다(channel-flow). 용융물의 밀도는 주변 암석보다 낮기 때문에, 상승하는 흐름이 일반적이다. 그러다가 어느 깊이에 이르면 밀도 차이가 거의 없어지기에,상승류는 정체하게 되고 용융체가 뭉치게 되면서 고이는데, 이것이 보통 말하는 마그마 굄(magma chamber)이다.마그마가 상승하다가 다 식어버리고 고체가 되기도 하지만, 일부는 지표에 도달하여 분출하게 된다. 이를 화산 활동(volcanism)이라고 한다. 화산 활동은 분출 당시 마그마의 상태에 따라 다양하게 나타난다. 예컨대 마그마의 상승속도가 빠르면, 같은 성분의 마그마라도 마그마의 가스가 빠져나가는(degassing) 속도가 급진적이기 때문에 폭발적인 분출을 일으키기 쉽다.
마그마가 상승하게 되면 압력은 내려가겠지만, 지온구배(geotherm)에 따라 온도 역시 더 낮은 환경에 놓이게 된다. 따라서 상승하는 마그마는 열을 주변에 방출하게 된다. 즉, 위로 올라온 마그마는 필연적으로 식는다. 이에 따라 차츰 고체 성분이 만들어지게 되는데, 이들이 바로 광물 결정이다. 마그마 전체 성분과 만들어지는 광물의 성분은 다르기 때문에, 광물이 만들어지면 남는 마그마의 성분은 변하게 된다. 이를 분별결정작용(fractional crystallization)이라고 부른다. 한편, 주변 암석이 달궈지면서 성분 교환이 일어나는데, 이를 동화작용(assimilation 혹은 contamination)이라고 부른다. 뿐만 아니라 마그마와 마그마가 섞이면서 성분 변화를 겪기도 하는데 이는 혼합작용(mixing)이라고 한다. 이 세 가지 작용을 거치면서 마그마는 "분화(differentiation)"하게 된다.
지구는 핵을 제외하면 규산염 물질로 구성되어 있기 때문에, 대부분 마그마라고 하면 규산염질을 의미한다. 맨틀로부터 갓 만들어진 마그마는 낮은 규산염 함량(SiO2~45 wt.%)과 높은 마그네슘 함량(MgO=10~15 wt.%)이 특징적이다. 마그마의 형성 조건에 따라 알칼리 원소(Na, K)의 함량이 달라질 수 있으며 어떤 경우는 적지만, 어떤 경우는 매우 풍부할 수도 있다(Na2O+K2O>5 wt.%). 이 성분 범위는, 이 성분의 마그마를 그대로 급랭시키면 현무암질 암석이 되기 때문에 아울러 '현무암질(basaltic)'이라고 부른다.[5]
현무암질 마그마가 분화 과정을 겪으면 규산염 함량은 조금씩 올라가며, 최후에는 최대 약 SiO2=70 wt.%에 이르기도 한다. 분화 과정에 따라 차이가 있지만 일반적으로 철, 마그네슘, 칼슘은 분화하면서 줄어들고, 알칼리 원소 함량은 대체로 증가한다. 분화 과정을 거친 마그마는 밀도가 더 낮아 얕은 깊이까지 올라와 있을 수 있는데, 점성과 온도, 성분을 함께 고려할 때, 최상부에 놓인 분화된 마그마의 성분은 대체로 안산암, 석영안산암 내지는 조면암질이다. 안정적으로 마그마가 공급되는 경우는 이보다 더 분화하여 유문암이나 향암 성분까지 이른다. 이는 분화의 최종 산물로, 유문암이나 향암 성분보다 더 분화하는 마그마는 발견된 바 없다.
특별한 경우 마그마는 규산염 성분이 아닐수도 있다. 특별한 조건의 마그마는 규산염질이 아닌 탄산염질(carbonate)이다. 탄산칼슘 성분으로 되어 있는 용암이 줄줄 흐르기도 하는데, 이런 탄산칼슘 성분이 주를 이루는 화성암을 '카보네타이트(carbonatite)'라고 부른다. 이 탄산염질 마그마의 성인에 대해서는 아직도 밝혀지지 않은 것이 많이 있다.
4. 마그마의 구조
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| 단순화한 현대적인 마그마 구조 모식도(출처) |
마그마를 포함하는 관입체(intrusive body)는 중심을 이루는 덩어리가 있고, 그 아래 마그마 물질을 공급하는 공급맥(feeder-dykes)이 발달해 있다. 마그마 덩어리 위로는 화산 활동 등을 일으키는 관입암맥이 발달해 있다. 보통 마그마는 한 깊이에 덩어리가 하나 존재하는 게 아니라, 여러 깊이에 여러 덩어리가 놓여 서로 연결된 구조를 보이고 있다고 생각되고 있다. 이 깊이 분포는 밀도와 관련이 있어, 마그마의 분화 정도에 따라 마그마 밀도가 다르므로 그 깊이 역시 나뉜다.
마그마의 중요한 특성은 흘러서 관입을 일으키거나 분출할 수 있는 잠재력이다. 그러나 마그마가 한번 고이게 되면, 주변으로 열을 잃으면서 내부구조는 균질해지지 못한다. 주변에는 끊임없이 지각 물질과 성분 교환이 일어나고 열이 발산되면서, 관입체 주변부 대부분은 용융물(melt)보다는 고체상의 광물이 더 많은 상태로 존재한다. 다양한 실험과 계산은 약 50-60%의 부피가 고체 결정으로 구성되면 급격한 점성 증가가 일어나 사실상 흐르지 못한다는 것을 보여주고 있다. 약 60% 이상의 광물 결정이 부피를 차지하면, 광물은 서로 얽히면서 일종의 망을 이루고 용융물은 이 간극(interstitial) 공간에 분포하는 구조로 변하게 된다. 따라서 이들은 더 이상 마그마가 아니며, 대신 '결정죽(crystal mush)'라고 부르게 된다. 결정죽은 후에 열을 더 잃게 되고 마침내 완전히 굳어 심성암이 된다. 결정죽보다 높은 온도를 가지고 광물 부피가 반 이하를 차지하고 있는 곳이 바로 마그마이다. 보통 이 마그마는 넓고 넓은 결정죽 속에 얇은 렌즈 형태로 존재하게 되며, 이 구조를 특히 용융물 렌즈(melt lens)라고 한다. 그러나 이 결정죽에 있는 용융물도 나름대로 흐르고 마그마와 접해있기에, 마그마와 성분 및 물질 교환을 활발히 하고 있다고 생각된다. 용융물만 반응하는 것이 아니라 결정죽으로부터 광물 결정이 마그마로 유입되거나 그 반대 역시 일어난다. 용융물 렌즈는 커다란 결정죽 덩어리 속에 여러 개가 놓여 있을 수도 있으며, 새롭게 유입된 현무암질 렌즈와 오랫동안 분화하여 상부에 머무르는 분화된 렌즈가 복합적으로 놓여 있는 것도 가능하다. 상부의 렌즈의 경우에는 마그마 속의 기체가 상분리되면서 상부에 기체가 뭉쳐 있는 층이 분리되어 존재할 수도 있는데, 이는 후에 화산 분출의 원동력이 되기도 한다.
그러므로, 지구물리 탐사에서 밝혀내는 커다란 저속도층은 그 전부가 마그마가 아니라, 사실은 결정죽과 마그마 모두가 포함된 하나의 덩어리이다. 결정죽의 부피는 마그마의 것보다 훨씬 커서, 수~수십배라고 생각되고 있다. 따라서, 지구물리 탐사를 통해 커다란 규모의 저속도층이 발견되어도, 대부분은 분출 가능성이 부족한 결정죽이고, 그 안에 훨씬 작은 규모의 마그마가 렌즈상으로 들어있게 된다. 이러한 이유로, 어떤 화산 아래에 마그마와 결정죽의 부피는 대체로 알 수 있지만, 그 안에 분출 가능한 용융물의 양은 쉽게 추산될 수 없다. 결정죽의 공극률 등의 구체적인 물리 정보는 정확하게 얻기 어렵기 때문이다.
5. 마그마의 분포
맨틀 항목에도 조금 설명돼 있지만, 지구 내부는 (외핵을 제외하면) 모두 고체 상태인 것이 기본이다. 연약권의 부분 용융 상태라는 것도 기껏 녹아봐야 1%가 될까말까한다. 마그마 및 마그마 주변 구조는 오늘날 관찰된 가장 큰 규모라 해봤자 수 백 킬로미터 정도 되며,[6] 존재하는 깊이도 깊어봤자 상부 맨틀의 상부에 존재하는 것으로, 대부분의 마그마는 200 km보다 얕은 곳에 위치해 있다. 가끔 플룸구조론을 설명하면서 새빨간 덩어리나 흐름이 맨틀 깊은 곳에서 솟구치는 것 같은 묘사가 있는데, 여기서 말하는 흐름은 "고체의 흐름"이다. 뜨거운 플룸의 상승도 마그마 자체는 200~300 km 이내에서 관찰된다. 그러므로 지구 내부는 거의 전부 고체로 되어 있고, 마그마 덩어리(magma patches)가 간혹 박혀 있는 정도이다.6. 판 구조에서의 역할
마그마는 화성 활동 그 자체라 할 만 하다. 마그마의 형성과 이동, 정치(emplacement) 및 냉각은 지구가 오랜 시간에 걸쳐 층상화되는 데 가장 핵심적인 역할을 수행한다. 즉, 마그마가 만들어지고 분출하는 과정을 통해 대륙이 성장하고 섬이 만들어진다. 대기권 역시 지구 층상 구조의 일부로서, 지구 내부에 갇힌 기체상을 대기권으로 '분리'시키는 것 역시 마그마로 대변되는 화성 활동이다. 또한 다량의 열을 효과적으로 지표로 나르기 때문에, 지구가 식어가는 과정의 중요한 메커니즘이다. 뿐만 아니라, 섭입대에서 맨틀 속으로 침강하는 물질을 다시 지표로 운송하여 물질 순환을 일으키는 주요 경로로서 작용한다.굳은 마그마는 보통 응력장에 대해 단단하게 행동하기 때문에 경우에 따라서는 판의 결합(suture)에 중요한 역할을 하기도 한다. 실제로 판이 찢어질 때 화성암 덩어리가 많이 틀어박혀 있는 곳은 응력장에 대해 단단해져서 잘 찢어지지 않으려고 하는 성질을 갖는다. 동시에, 판이 찢어지는 곳, 즉 열곡이 일어나는 곳은 마그마가 만들어짐으로써 응력장을 확 낮춰 열곡대가 잘 벌어질 수 있게 도와준다.
7. 관련 용어
- 용암(lava): 마그마는 화산이 분출하기 이전에 지하에 놓여 있을 때의 상태를 지시한다. 반면, 용암은 마그마 물질이 지표로 분출되었을 때, 분출되는 양상에 따른 분출물의 종류이다. 자세한 설명은 용암을 참고.
- 부분 용융(partial melting): 암석이 고상선보다는 높은 조건에 있지만 액상선보다는 낮은 조건에 있어 온전히 녹지 않고 일부만 녹는 경우이다. 지구상에서는 암석은 액상선을 넘지 않기 때문에 용융이 일어나면 사실상 언제나 부분 용융이 일어나게 된다.
- 용융물(melt): 마그마는 고체나 기체상의 물질도 포함하나, 용융물은 그 중 액체상의 물질만을 지시한다. 완전 용융이 일어난다면, 용융물과 마그마는 같을 것이다. 용융물로서 이들은 결정(crystal)이 아닌 비정질(amorphous)이다.
- 결정죽(crystal mush): 마그마와 달리, 용융물(melt)에 대한 고체(광물 결정)의 부피비가 약 50-60%를 넘어 점성이 매우 높은 상태 혹은 그러한 부분. 결정 곤죽은 대체로 전체가 하나의 유체로서 작용하기보다는, 용융물이 결정 사이의 간극(interstitial), 즉 '공극'을 따라 흐른다.
- 휘발성 물질(volatiles): 지하 깊은 곳에서는 마그마에 용해되어 있지만 저압에서는 기체상(gas)이 되어 분리되려는[7] 성분들을 가리킨다. 마그마에서는 물, 이산화 탄소, 황, 염소, 불소, 질소 등이 대표적이다. 마그마에서는 조건에 따라 일부는 기체로 분리되지 않고 광물의 격자를 이룰 수도 있다.[8]
- 관입(intrusion): 암층에 균열을 열고 마그마가 진입하는 과정을 말한다.
8. 마그마와 연관이 있는 창작물
- 가면라이더 빌드 - 가면라이더 크로즈 마그마
- 닥터 스톤 - 마그마
- 던전 앤 드래곤 시리즈 - 파에톤
- 록맨 9 - 마그마맨
- 마블 코믹스 - 마그마
- 쿠키런: 오븐브레이크 - 마그마바위
- 신비아파트 시리즈 - 벨페고르
- 울트라맨 80 - 마그마괴수 고라
- 원피스 - 마그마그 열매
- 포켓몬스터 - 마그마, 마그카르고, 마그마단, 히드런
9. 관련 문서
[1] Glazner, A. F., J. M. Bartley, and D. S. Coleman (2016), We need a new definition for magma, Eos, 97, https://doi.org/10.1029/2016EO059741.[2] 보통 암석의 위에 놓인 암층이 사라지거나, 상승류가 발생하는 두 가지 경우가 있다.[3] 상술한 두 경우도 조건에 따라 암석이 녹기 쉬워진다 뿐이지 어쨌든 열의 조건을 피해갈수는 없다.[4] 예컨대 대륙 충돌대에서는 어마무시한 압력과 물의 함유로 인하여 지각 성분이 녹아서 마그마를 만들어내며 이 마그마는 곧 굳어서 화강암이 된다. 이런 식의 지각 용융을 특별히 'anatexis'라고 부르기도 한다. 그리고 그런 녹는 조직이나 녹은 결과가 혼합된 암석을 혼성암(migmatite)라고 부른다. SiO2 함량이 적은 암석과 많은 암석들이 같이 혼재되어 있다가 녹기 때문에 이리저리 섞이기 때문에 안산암질 마그마와 유문암질 마그마가 주를 이루기 때문.[5] 현무암질 암석이라는 용어는 현무암이라는 용어보다 넓은 성분을 포함한다. 현무암 이외에도 바사나이트, 테프라이트, 조면현무암 등이 현무암질 암석에 속한다.[6] 옐로스톤 칼데라 하부를 지탱하는 마그마 구조가 관찰된 것 중에는 가장 큰데, 총 직경 약 200~400 km 정도의 직경을 가지고 있는 것으로 추산된다. 다만, 지진파로 감지하기 어려운 주변 구조까지 합하면 조금 더 규모의 구조를 보유하고 있을 가능성이 있다. 물론, 이 구조의 대부분은 엄밀한 의미의 마그마가 아니며 고체 함량비가 높은 결정죽(crystal mush)에 해당한다.[7] 즉, 끓는 점이 낮다는 뜻이다.[8] 예컨대, 물은 수화 광물, 즉 각섬석에 격자 구조의 히드록시기로 분포할 수 있다. 그러나 이 경우도, 감압되면서 각섬석이 불안정해져 붕괴되고 물이 방출되는 상태가 선호된다.