| 화성암 | |||
| 구분 | 고철질 ↔ 규장질 (어두움 ↔ 밝음) | ||
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1. 개요
玄武巖 / Basalt화산 활동으로 생성된 암석의 일종으로 거무스름한 색과 기공이 특징적이다. 다공질 암석이라는 점 때문에 밀도가 높지 않을 것 같다는 느낌과는 달리 밀도가 높은 편이다.[1]
상징은 "단단하다, 탄탄하다"을 의미하고 그리스어 βασανίτης [λίθος] (매우 단단한 돌)에서 나왔다.
한글 명칭인 '현무암'의 유래는 1884년에 일본의 지질학자인 고토 분지로(小藤文次郞)가 Basalt의 일역명을 지을 때 일본 효고현 토요오카시에 있는 '겐부도(玄武洞/현무동)' 동굴에서 이름을 따와 지은 이름이 시초로 일제강점기를 통해 국내에 명칭이 전파되면서 현재에 이른다. 어떻게 보면 일제의 잔재인지라 명칭을 새로 바꾸자는 의견이 심심찮게 나온다. 다만 중국어권에서도 별도의 명칭을 만들지는 않고, 일본의 용어를 그대로 들여와 현무암[2]이라고 부르고 있다.
2. 정의
학술적으로는 다음 세 조건을 만족하는 암석을 가리킨다.- 1) 미정질: 암석을 구성하는 광물의 입자가 매우 작음 (보통 눈으로 구분하기 어려운 정도를 의미).
- 2) 화성암: 마그마(쉽게 말해 녹은 암석)가 굳어서 만들어짐.
- 3) 필수광물(essential mineral)이 칼슘사장석(calcic plagioclase)과 보통휘석(augite)일 것[3]
다만 미정질 암석의 필수광물의 비율(modal percentage)을 알아내는 것은 매우 어렵다. 따라서 미정질의 화성암, 즉 화산암(volcanic rocks)의 경우, 전암(全巖, whole rock)의 알칼리 성분(나트륨과 칼륨)과 규소 함량의 비율을 통해 정의하기도 한다. 이 때는 총알칼리도표(Total Alkali versus Silica diagram, TAS diagram)가 유용하게 사용된다. 이에 따르면 현무암은 45 ~ 52%의 이산화규소 함량을 가지며 알칼리 함량은 약 5wt% (무게비) 이하인 화산암으로 정의된다.
이렇게 정의가 2가지로 나뉘는 것은, 첫번째 정의는 모든 암석에 일반적으로 통용할 수 있는 잣대를 적용한 것이며, 두번째 정의는 그 정의를 활용할 자료를 실제로 얻어내기가 현무암에 대해서는 어렵기 때문이다. 실제 화산을 연구할 때는 두번째 정의가 더 많이 사용된다. 하지만 두 정의가 서로 어긋나는 것은 아니다.
암석학의 가장 기본적인 방침은 "암석의 형성 과정에 대한 정보 없이 암석의 이름을 붙일 수 있어야 한다"는 것이다. 인간의 수명이 한 몇억년은 돼서 마그마가 암석이 될 때까지 죽치고 관찰할 수 없는 이상, 인간이 '알' 수 있는 암석의 형성과정은 증거가 아무리 탄탄해도 불확실성이 있기 때문이다. 즉, 야외에서 암석을 보고 혹은 암석을 지금 분석해서 얻을 수 있는 정보에 의해서 암석의 이름이 붙여질 수 있어야 한다. 따라서 현무암의 정의에는 "지표로 분출됨"과 같이 형성 과정을 지시하는 정보는 가능한 제외하는 것이 옳다. 실제로 현무암이라고 해서 항상 지표로 분출된 것은 아니며, 지하에서 형성되기도 한다.
위와 같이 필수광물을 통한 정의는 현실적으로 어렵기에, 야외에서 현무암을 구분하는 기준은 조금 다르다. 야외에서 정확한 이름을 붙여줄 수 있는 암석은 생각보다 많지 않다. 야외에서는, 다른 근거가 부족할 때, 암석이 미정질이고 새카맣고 감람석이 함께 발견되면 현무암이라 주장할 수 있다. 물론 실제로 분석해보면 현무암이라 생각되는 암석이 엄밀히는 다른 이름이 붙을 수도 있으므로 주의가 필요하다.
현무암으로 흔히 연상되는 기공(vesicle)은 현무암질 용암류에서 잘 발견되긴 하지만, 정의와는 무관하며 기공이 전혀 없는 현무암도 무척 흔하다. 기공은 화산암류에서 널리 발견되는 특징으로, 용암이 흐를 때 용암으로부터 용출된 가스 성분이 방울을 이루다 미처 빠져나가지 못하고 굳어버린 것이다. 현무암질 용암류가 지표에서 흐르는 경우에는 압력이 낮아서 용암으로부터 기체가 분리되기 쉬운 조건이기 때문에 방울이 많이 만들어진다. 방울은 가벼워서 천천히 용암류의 위쪽에 모이며, 따라서 한 매의 용암류에서도 위쪽은 거품 덩어리처럼 기공이 풍부한 현무암이 생기는 반면, 중앙부에는 기공이 거의 없는 괴상의 현무암이 나타나곤 한다. 반면, 물 속 깊은 곳에서 현무암이 분출하면[4], 물이 가하는 압력이 높아서 기체가 용출되지 못하므로 기공이 발달하지 못한다. 베개 용암은 이러한 이유로 기공이 거의 발견되지 않는다.
3. 산출
현무암은 매우 흔한 화산암(화성암)이다. 세립질 암석이라 주변과 온도차이가 상당해야 하기 때문에 지표에 분출해서 굳은 현무암이 많지만 그러나 상부지각의 암맥으로도 흔하다. 현무암이 가장 많이 산출하는 곳은 해령이다. 해령에서는 매년 20 km3씩 현무암을 쏟아내는데 전체 화산암의 60%를 넘는 양이다.현무암질 마그마는 대체로 가스 함량이 적어 우당탕 폭발하지 않고 조용히 분출한다고 하며 맨틀 암석이 부분용융되면 만들어진다. 보통 작게는 10% 미만, 크게는 25% 이상 용융되어 현무암질 마그마가 만들어진다. 보통 현무암질 마그마는 마그마가 만들어진 이후 겪는 동화작용(Assimilation)과 분별결정작용(Fractional crystallization)[5], 마그마 혼합 등이 가장 조금 진행되어 있다. 따라서 마그마가 만들어지는 환경 연구를 진행할 때 가장 선호되는 암석이다.
지표에서 사실 현무암은 여기저기 깔렸지만, 굳이 유명한 곳을 꼽자면 다음과 같다.
국외: 콜롬비아강 현무암 지대, 하와이 제도, 데칸 고원, 동아프리카 열곡대, 라인(Rhine) 지구대, 아이슬란드 등
국내: 제주도[6][7], 철원-연천-파주의 한탄강-임진강 수계 주변[8], 아산, 평택, 간성, 포항, 울릉도[9], 백령도 등
달의 바다 지역의 월석이 바로 현무암이다.
4. 조직(texture) 및 육안상의 특징
대부분의 현무암은 화산작용에 의해 마그마가 지상으로 분출할 때 생성된다. 분출 당시 비교적 빠르게 식어 결정 형성이 빠르게 이루어져서 입자의 크기가 작은 편이며 바탕이 단단하다. 송송 뚫린 구멍은 일명 기공(氣孔)이라고도 하는데 용암이 식을 때 가스가 빠져나온 흔적이다. 성분에 따라 반정 종류는 조금씩 달라지지만 장석이 많은 경우가 있고[10], 감람석이 박혀있기도 하다. 휘석이 같이 산출하는 것도 이상하지 않다. 각섬석은 흔하지 않으나 알칼리 함량이 무척 높으면 가능하다. 석기(groundmass)는 유리질이거나 미세한 광물결정(microlite)이 산재해 있어 일반적으로 새카맣다. 반정이 거의 없는 현무암도 상당히 많은데 이를 Aphyric basalt라 한다.급격하게 식으면 주상절리(柱狀節理)라 하여 육각형으로 굳은 절리 구조를 만들 때도 있다. 현무암이라는 이름도 일본의 지질학자 고토 분지로가 겐부동굴이라는 동굴의 이 육각형 지형을 보고 거북이[11]와 비슷하다 하여 현무암이라 붙였다고 한다. 한국에서는 제주도 돌하르방으로 유명하다.
5. 성분상의 분류
앞서 설명한 대로 현무암은 다양한 지역에서 산출하기 때문에 어떤 환경에서 어떻게 만들어졌냐에 따라 그 조성이 미묘하게 달라진다. 가장 변화폭이 좁고 전형적인 현무암은 역시 해령에서 산출하는 보통 중앙 해령 현무암(Normal mid-ocean ridge basalt, N-MORB)이다. 이 현무암은 쏠레아이틱 현무암으로서[12], 비호정성 원소가 상당히 결핍되어 있고 K2O, Al2O3, TiO2, MgO, P2O5 등의 주원소가 비교적 조금 들어있다는 것이 특징적이다. Sr, Nd, Pb 동위원소에서도 결핍 해령 맨틀(Depleted MOR Mantle)의 위치에 놓이는데, 이는 오랜 시간동안 마그마가 만들어지면서 기원 맨틀암석이 비호정성 성분이 탈탈 털렸다는 뜻이다.한편, 해양섬 현무암(Ocean Island Basalt, OIB)도 대규모 화성암 지대(LIP)를 포함하여 쏠레아이틱 현무암이 주류를 이루나 그 성분이 해령과는 미묘하게 다르다. 이들은 비호정성 원소가 상당히 풍부하고, 해령 현무암에서 비교적 적었던 TiO2, Al2O3, K2O, MgO, P2O5 등이 부화(enriched)되어 있다는 특징이 있다. 동위원소 상으로도 144Nd가 적고, 87Sr이 비교적 풍부하여 부화(enriched) 된 성질을 가지고 있다. 이 때문에 해양섬 마그마는 판구조 운동에 의해 지속적으로 비호정성 원소를 빼앗긴 상부맨틀이 아니라, 아직 많은 초기 성분을 갖고 있는 하부 맨틀에서 기원했을 것이라고 예상되고 있다. 그러나 해양섬 마그마가 쏠레아이틱 성분인 경우는 활발한 마그마 형성[13]이 유지될 때에 국한된다. 마그마의 공급원에서 그들의 공급이 영 시원찮아지게 되면 용융 정도가 떨어지게 되면서 점점 알칼리 현무암 계열로 변해가게 된다. 이들은 쏠레아이틱과 반정(phenocryst)에서 석기, 성분까지 상당한 차이를 보이는데, 가장 먼저 눈에 들어오는 것은 상당히 부화된 Na2O+K2O 성분이다. 이들은 상당량의 감람석을 반정으로 갖는 것이 특징적이다.[14]
한편, 화산호 현무암(Island Arc Basalt)은 보다 다양한 구성을 갖는데, 이는 화산호 현무암의 성분을 좌지우지하는 요소가 무척 다양하기 때문이다. 화산호가 젊은 시절에는 매우 결핍된 상부 맨틀이 재활용되면서 유체(fluid)에 잘 녹아드는 일부 부원소(trace elements)를 제외하면 무척이나 결핍된 양상을 보여준다. 초기에 물이나 이산화탄소가 들어가면서 유체에 잘 들어가는 성분만 부화되는 것. 이 때 현무암은 일종의 쏠레아이틱 성격을 보여준다. 그러나 안정적인 섭입대가 구축되면서 이들이 성숙해지게 되면 화산호의 전형적인 조성이라 할 수 있는 칼크-알칼리 현무암 계열이 나타나게 된다. 칼크-알칼리 현무암 계열은 비교적 고압환경에서 분별작용을 겪기에 장석의 성장이 억제되고 휘석이 먼저 형성되며 금속산화광물이 보다 일찍 관여하면서 지속적으로 마그마 밀도가 떨어지며 AFM 도표에서의 FeO 부화 경로가 최소화된다.
이외에도 현무암 혹은 현무암 계통의 암석들[15]이 많이 분포하는데, 이들은 킴벌라이트, 열곡대(혹은 지구대), 배호분지(back arc basin) 등에서 다양하게 산출하고 있다.
페리도트와 밀접한 관련이 있다. 현무암이 종종 감람석이 대부분을 차지하는 맨틀 암석(감람암)을 포획하고 있기 때문이다. 물론 대부분의 맨틀 암석에서 발견되는 감람석(페리도트)는 품질이 그리 좋지 않으므로 현무암을 뒤지지는 말자.
P-500 바잘트 대함 미사일의 '바잘트(Базальт)'가 현무암이라는 뜻이다. 여담으로 후속작인 P-700 그라니트(Гранит)의 뜻은 화강암.
6. 활용
현무암을 고온으로 녹여 섬유로 뽑아낸 것을 바잘트 파이버(Basalt Fiber) 라고 한다. 성상은 유리섬유와 유사하며 인장강도가 유리섬유보다는 높고 케블라(아라미드)보다는 낮다. 원재료인 현무암은 천지에 널렸기 때문에 카본섬유보다 생산단가가 싸다. 섬유 굵기가 5µm(마이크로미터) 이상이라서 석면을 대체하여 단열재로 많이 쓰인다. 1923년에 미국에서 처음 특허 출원과 함께 제조가 시도되었고, 2차대전을 거치면서 각국에서 군사용 및 항공우주용으로 연구되다가 1995년 기밀해제 이후 민간에서 활발히 사용되고 있다. 용도는 섬유 자체는 방화복[16]이나 우주항공 분야의 내열재로 쓰이며, 수지를 먹여 FRP 형태로도 쓰이는데 CNG 탱크가 보통 까만색인 이유가 BFRP로 만들었기 때문이다.지구온난화를 막기위해 이산화탄소를 현무암 지층에 매립하여 암석화하는 연구가 있는데 현무암은 공극이 많은 다공성이고 칼슘을 많이 함유하고 있어서 고압의 이산화탄소 기체를 주입하면 공극에 담고있다가 탄산염 칼슘 앙케라이트 형태로 흡수, 암석화할 수 있다.
맷돌의 주재료로 많이 쓰이며 변성되면 각섬암, 녹색편암이 된다.
[1] 해양지각의 주성분이 현무암이고 이는 대륙지각의 주요 구성성분인 화강암에 비해 밀도가 높아 대륙지각과 해양지각이 만날경우 해양지각이 침강하여 해구를 형성하는 원인이 된다.[2] 병음: xuánwǔyán[3] 후술하는 이유 때문에 실제론 augite 결정이 전혀 없어도 된다... 이는 여기서 정의내리는 Ca-Pl + Augite 조합이 대게 CIPW Norm calculation 기반이기 때문.[4] 해령과 같은 환경이 가장 쉬운 예이다.[5] 둘을 합하여 AFC라고 한다.[6] 화산암반수인 삼다수는 다공질인 현무암층을 통과하면서 자연 여과된 물로 유명하다.[7] 명실상부한 상징물인 돌하르방 석상도 현무암이다.[8] 궁예가 바윗돌이 좀먹어 구멍이 난 것을 보고 자신의 몰락을 예측했다는 설화로 유명하다.[9] 해안가에 국한됨[10] 이 경우 새카만 암석에 하얀 반점들이 무수히 박혀있게 된다.[11] 일단 보통 현무는 거북과 뱀의 키메라로 묘사한다.[12] 알칼리 함량이 비교적 낮은 준알칼리 마그마, 그 중에서도 장석이 먼저 정출되는 저압 환경의 분별 작용을 겪는 마그마 계통이다.[13] 즉 용융 정도가 높을 때[14] 감람석은 규소과포화 상태에서는 만들어지기 힘들기 때문.[15] 바사나이트, 테프라이트, 조면현무암, 피크라이트 등[16] 소방관들 방화복을 전용 세탁기에 세탁해야 하는 이유