마그마의 생성과 화성암

화산 활동은 주로 판 경계에서 잘 일어나지만, 그렇지 않은 경우도 있다. 하와이섬을 비롯한 주변 섬들은 과거 화산 활동으로 형성되었으며, 현재 새롭게 활동을 시작하는 화산도 있다. 그런데 하와이섬은 판의 경계가 아닌 태평양 판의 중심부에 위치한다. 판 구조론이 기존의 가설과는 달리 이론으로 정립될 수 있었던 것은 판을 이동 시키는 원리를 설명했기 때문이다. 판 구조론은 판이 이동하는 원인을 맨틀 대류로 설명한다. 맨틀이 대류하면서 판을 이동시키고, 이 과정에서 지진이 일어나 거나 화산 활동이 많이 발생한다는 것이다. 맨틀 대류는 판을 어떻게 이동시키는 것일까? 맨틀은 고체 상태 물질이지만 지구 내부의 열과 압력의 영향으로 유동성을 가지고 있다. 이 때문에 그림 12와 같이 맨틀에서 일부 뜨거워져 가벼워진 물질은 상승하고, 이보다 상대적으로 차가워져 무거워진 물질은 아래로 가라 앉으면서 맨틀 대류가 발생한다. 이때 맨틀의 물질이 상승하는 곳에서는 판이 생성되면서 확장하고, 상대적으로 차가워진 물질이 가라앉는 곳에서는 판이 맨틀 속으로 섭입하여 소멸된다. 이러한 과정으로 판이 이동하며, 판의 경계에서는 지진이나 화산 활동 등이 일어나게 된다. 한편, 섭입대에서 침강하는 판이 연결된 판을 당기는 힘 역시 판을 이동시키는 역할을 한다. 냉각되어 밀도가 커진 해양판이 섭입하면 판의 무게 때문에 기존의 판을 당기는 힘이 작용하고, 이 힘으로 판은 당겨지면서 이동하게 된다. 판의 경계는 맨틀이 상승하거나 하강하는 곳과 대부분 일치하며, 이곳에서 지진이나 화산 활동이 활발하게 일어난다. 그러나 모든 화산 활동이 판의 경계에서만 활발한 것은 아니다. 하와이섬을 비롯한 태평양의 화산섬들은 화산 활동으로 형성된 곳이지만, 판의 경계가 아닌 태평양판의 중앙부에 위치하고있다. 이처럼 판의 중앙부에 나타나는 화산섬은 어떻게 형성되는 것일까? 판 경계가 아닌 곳에서 마그마가 상승하는 지점을 열점이라고 하는데, 열점은 암석권보다 깊은 지구 내부에 고정되어 있는 것으로 해석되고 있다. 이 때문에 열점의 상부에서 형성된 화산섬의 생성 시기와 위치를 조사하면 판의 이동 방향과 속력을 알 수 있다. 이러한 열점이 나타나는 까닭은 무엇일까? 지진파를 이용하여 지구 내부를 연구한 결과 지구 내부에는 상승하는 뜨거운 플룸과 하강하는 차가운 플룸이 있는 것으로 밝혀졌다. 뜨거운 플룸은 핵과 맨틀의 경계부에서 뜨거워진 물질이 원통형의 통로를 만들어 암석권까지 상승하는 것이다. 뜨거운 플룸이 지표 가까이까지 상승하면 마그마를 생성하고 화산 활동을 일으키는데, 이것이 바로 열점이다. 이 때문에 열점에서 일어나는 화산 활동은 판의 경계가 아닌 곳에서도 발생한다. 이와 반대로 하강하는 차가운 플룸도 여러 곳에 발달해 있다. 플룸의 상승과 하강은 상부 맨틀에서 판 운동과 직접적으로 관련되어 있는 맨틀 대류와는 다르게 맨틀 전체 규모의 대류 형태를 나타낸다. 마그마의 생성과 화성암의 유형은 어떻게 관련되어 있을까? 아이슬란드는 두 판이 서로 멀어지는 발산 경계에 있으며, 일본은 판이수렴하는 경계에 있다. 두 지역 모두 화산 활동이 활발한데, 마그마의 생성 환경이 서로 다르므로 두 지역에서 만들어진 화성암은 서로 다른 특징을 보인다. 화성암은 마그마가 지하에서 식거나 또는 지표로 분출하여 식으면서 만들어진다. 마그마는 지각의 하부나 맨틀의 상부를 이루는 암석이 지구 내부의 높은 열과 압력으로 녹아서 생성된 물질이다. 따라서 지구 내부에서 마그마가 생성되기 위해서는 암석을 녹일 수 있는 높은 열과 압력의 조건이 필요하다. 지구 내부로 들어갈수록 온도와 압력은 증가한다. 그러나 지구 내부의 깊이에 따른 온도와 압력을 조사해 보면 맨틀이 녹아 마그마가 되기 위한 조건에는 부족하다. 따라서 맨틀이 녹아 마그마가 되기 위해서는 맨틀이 상승하여 압력이 낮아지거나 물이 공급되어 맨틀의 녹는 온도가 떨어져야 한다. 그리고 이렇게 만들어진 현무암질 마그마는 대륙 지각에 열을 공급하여 유문암질 또는 안산암질 마그마를 만든다. 이러한 조건은 맨틀이 상승하는 해령이나 맨틀에 물이 공급되는 섭입대와 같은 판의 경계부에서 충족된다. 대표적인 발산 경계인 해령 부근에서는 맨틀을 이루는 물질이 상승한다. 맨틀을 이루는 물질이 상승하면 압력이크게 감소하면서 용융이 일어나고, 이때 현무암질 마그마가 생성된다. 따라서 해양 지각을 이루는 암석은 맨틀을 이루는 물질과 유사하게 철과 마그네슘의 비율이 높다. 또한 해령과 비슷하게 맨틀의 물질이 상승하는 열점에서도 현무암질 마그마가 형성되어 하와이섬과 같은 화산섬을 만든다. 수렴 경계에서 섭입하는 해양 지각에는 물을 포함하고 있는 광물이 다량 존재 하는데, 이 광물이 온도가 높은 지하 깊은 곳에 도달하면 녹거나 깨지면서 물을 방출한다. 이렇게 방출한 물이 맨틀에 공급되면 맨틀을 이루는 물질의 용융점이 낮아지고, 이 때문에 물질이 용융되면서 현무암질 마그마가 생성된다. 한편, 현무암질 마그마가 상승하여 대륙 지각 아래에 고여 있는 경우, 마그마 자체가 방출하는 열에 의해 주변의 지각이 부분적으로 용융되어 유문암질 마그마가 생성될 수 있다. 이러한 유문암질 마그마는 현무암질 마그마보다 낮은 온도에서 생성되며 산소와 규소 성분이 풍부하게 포함되어 있다. 또한 현무암질 마그마와 유문암질 마그마가 서로 섞이거나 현무암질 마그마가 식어가는 과정에서 조성이 변하여 안산암질 마그마가 생성될 수 있다. 예를 들어 해양 지각과 대륙 지각이 만나는 수렴 경계의 경우에는 지표에서 안산암질 마그마가 우세하게 나타나는 경우가 있다. 맨틀이나 대륙 지각 하부에서 생성된 마그마는 지표의 약한 틈을 타고 상승하는데, 지각 내에서 식기도 하고 지표 위로 분출하기도 한다. 마그마가 지하 깊은 곳에서 천천히 식어 만들어진 화성암을 심성암, 지표 근처나 분출하면서 빨리 식어 만들어진 화성암을 화산암이라고 한다. 심성암은 마그마가 천천히 식어 형성되었기 때문에 결정이 성장할 시간이 충분하여 결정 크기가 큰 조립질 암석이다. 반면에 화산암은 마그마가 빠르게 식어 결정이 성장할 시간이 부족하여 결정이 보이지 않거나 아주 작은 세립질 암석이다.