마그마(영어 : magma)는 땅속 깊은 곳에서 암석이 지열(地熱)로 녹아 반액체로 된 물질이다. 이것이 식어서 굳어져 생긴 것이 화성암이고, 지상(地上)으로 분출하여 형성된 것이 화산이다.[1]
마그마는 지구 내부에서 자연적으로 생성되는 것으로 암석이 용융 내지는 부분용융된 것이다. 마그마 속에는 가스와 고체 입자(광물 또는 암편)가 포함되어 있을 수 있으며 지표로 분출할 수도 있고 심부에서 고화될 수도 있다. 화성암(igneous rock)은 마그마의 고화작용과 관련되어 생성된 암석이다.
화산이 지하로 통하는 구멍을 화도(volcanic vent)라고 하며, 화도의 상단을 화구(crater)라고 한다. 마그마가 지하 깊은 곳에서 존재할 때는 마그마 속의 가스는 유리되어 있지 않고 마그마 속에 용해되어 있다. 그러나 마그마가 화도를 통하여 화구로 접근하면 기압이 떨어지게 되어 녹은 돌과 가스는 분리되기 시작할 것이다. 이렇게 가스를 분리하고 남은 부분이 용암(lava)이다. 그러므로 우리는 고압 상태의 마그마를 볼 수 없고 화산에서 분출되는 용암을 볼 수 있을 뿐이다.
마그마가 모여 있는 공간을 마그마 방(magma chamber)이라고 한다. 마그마 방은 화산으로 물질을 공급할 수도 있고 그대로 고화되어 관입암을 형성할 수도 있다. 마그마는 암맥(dyke)이나 암상(sill)의 형태로 주변 암석 속으로 관입할 수도 있다. 분출암은 흔히 현무암, 안산암, 유문암으로 세분한다. 화강암류는 가장 흔한 종류의 관입암이다.
마그마의 분출 온도는 대략 600~1300℃이다. 그러나 카보나타이트(carbonatite) 마그마의 경우는 600℃ 이하, 코마티아이트(komatiite) 마그마의 경우는 1600℃ 이상에 달하기도 한다. 대부분 마그마는 규산염 복합체이다. 마그마의 주성분은 SiO₂, Al₂O₃, MgO, FeO, CaO, Na₂O, K₂O 등이다. Si 원자는 규산염 광물에서처럼 산소와 사면체 구조를 형성하고 있으나 상대적으로 훨씬 단거리에서만 그 구조가 보존된다는 특성이 있다. 마그마의 물리적 특징은 이러한 원자결합구조 및 온도, 압력 내지는 화학성분과 관련되어 있다.
점성은 마그마의 행동을 이해함에 있어서 가장 주요한 특성이다. 실리카(SiO₂)가 많은 마그마일수록 중합도(polymerization)가 커서 점성이 커지게 된다. 반면, 물의 용해는 마그마의 중합도를 떨어뜨려 점성이 작아지게 한다. 한편 마그마의 온도가 높아질수록 점성은 작아진다. 일반적으로 고철질 마그마(예, 현무암)가 규장질 마그마(예, 유문암)보다 고온이며 점성은 낮은 편이다. 점성이 낮은 마그마는 점성이 큰 마그마에 비해 조용히 즉, 덜 폭발적으로 분출하는 경향이 있다. 마그마의 성분은 SiO₂ 함량에 따라 초고철질 (SiO₂ < 45%), 고철질(SiO₂ = 45~52%), 중성질(SiO₂ = 52~63%), 규장질(SiO₂ > 63%)로 나뉜다.
마그마는 섭입대, 중앙해령, 열점, 대륙 열곡대(continental rift zone) 등에서 생성된다. 마그마는 맨틀 내지는 하부지각이 부분용융(partial melting)하여 생성된다. 이렇게 생성된 초기마그마는 분별정출작용(fractional crystallization), 지각의 동화작용(assimilation), 마그마 혼합(magma mixing) 등의 작용 때문에 분화한다. 지각과 맨틀은 고체 상태이다. 맨틀의 연약권(asthenosphere)은 거의 녹을 수 있는 온도에 접근해 있고, 때에 따라 부분용융되어 현무암질 마그마를 생성한다. 안산암질 마그마는 대개 섭입대에서 맨틀 웨지(mantle wedge)와 섭입하는 해양판 사이의 상호작용 때문에 생성된다. 화강암질 마그마는 대개 하부대륙지각 물질이 부분용융되어 생성된다. 현무암질 마그마는 대개 100~400km 깊이에서 생성되는 반면, 화강암질 마그마는 약 20~30km 깊이에서 생성된다. 마그마의 밀도는 현무암질의 경우 약 2.65~2.80 g/cm³, 안산암질의 경우 2.45~2.50 g/cm³, 유문암질의 경우 2.18~2.25 g/cm³ 이다.[2]
마그마방[편집]
마그마방은 마그마가 저장되어 있는 곳이다. 지각과 맨틀 상부에서 암석의 부분용융에 의해 마그마가 생성되면 주로 지각 내에서 저장되어 존재하는데, 지하 암석의 비중이 마그마의 비중과 비슷한 정도의 깊이에서 체류한다. 즉 마그마는 주성분이 액체이므로 주변의 암석보다 비중이 작아 부력에 의해 서서히 상승하게 되고, 지표 부근으로 상승하면서 주위 암석의 비중과 같은 정도가 되면 부력을 잃어 더 이상 상승하지 못하고 정체하게 된다. 이때 마그마가 정체되어 존재하는 곳을 마그마방이라고 한다.
지구 내부로 갈수록 온도와 압력이 증가한다. 압력이 증가하면 더 높은 온도로 온도 증가가 일어나야 암석이 녹을 수 있으나, 물이 포함된 암석은 용융점이 낮아져 훨씬 낮은 온도에서 녹을 수 있다. 해령 아래의 맨틀은 매우 낮은 수분함량을 가지고 있어 해령에서 생성되는 마그마는 온도가 매우 높으며 고철질의 성질을 가진다. 이 마그마는 맨틀 물질이 대류에 의해 상승하면서 압력이 낮아져 녹아서 생성된 것이다. 대륙지각(판) 아래로 해양지각(판)의 섭입으로 인해서도 마그마가 생성된다. 쐐기형 연약권 맨틀에 해양판에서 유래된 함수유체가 주입되어 암석을 녹여 마그마를 생성하므로 해령에서 생성되는 마그마에 비해 상대적으로 온도가 낮다.
이러한 과정을 통해 지하에서 마그마가 생성되면 마그마는 주변 암석보다 가벼워 부력에 의해 상승하게 되는데, 지하 약 10km 깊이 정도에 이르게 되면 부력을 잃게 되어 더 이상 상승하지 못하고 정체되어 고이게 되어 마그마방을 형성하게 된다. 마그마는 고온으로 주변 암석에 열을 점차 빼앗겨 점차 냉각되며, 액체 상태의 마그마 속에 용해되어 있는 가스 성분은 점차 농축되어 압력이 높아지게 된다. 이들의 기체압이 지나치게 높아지면 폭발적인 화산 분화로 연결될 수 있다.
지하에 존재하는 마그마방이 어떤 특성을 가지느냐에 따라 화산의 지표변위 양상이 달라지기 때문에 지하 마그마방의 역학적 특성을 파악하기 위한 모델들이 계발되어 왔다. 마그마방을 추론하는 모델에는 먼저 수학적 모델로 점 압력원에 의해 마그마방을 원형의 형태로 모델링할 수 있는 Mogi 모델(1958), 마그마가 지층면을 뚫고 관입하여 이루어졌을 때 형성되는 타원형의 마그마방을 모델링하는 Yang 모델(1988)과 Fialko 모델(2001)이 있다1. Yang 모델에 비해 Fialko 모델은 수평방항으로 긴 장축을 가지는 타원형 마그마방을 보여준다.
이러한 마그마 저장소 즉 상부(천처) 마그마방은 주로 지표에서 1~10km 깊이에 존재한다. 마그마방 내에서 마그마는 분화작용을 일으켜 그 성분이 변화한다. 마그마가 생성되고 정체되면서 냉각되기 시작하면 고온에서 정출되는 광물부터 순서대로 정출되어 광물의 결정화 작용이 일어나게 되고, 결정이 정출되고 남은 잔류 마그마는 지속적으로 그 성분이 변화하게 된다. 고온의 고철질 현무암 마그마가 냉각되면 고온에서 먼저 정출되는 광물은 처음 마그마의 화학 조성에 비해 SiO₂ 함량이 낮고, Fe, Mg의 함량이 많아 마그마 잔액보다 비중이 커서 밑으로 가라앉게 된다. 잔류 마그마는 처음 현무암질 마그마보다 SiO₂ 함량이 높아져서 중성의 안산암질 마그마가 형성되고, 이러한 과정이 지속되면서 점차 잔류 마그마 속에는 SiO2, Na, K 함량이 높아져서 규장질의 유문암질 마그마가 형성될 수 있어 마그마방 내의 성분이 연속적으로 변화한다.[3]
백두산 천지 마그마[편집]
미국과 영국, 북한 전문가들로 구성된 국제 연구진은 2016년 4월 과학학술지 '사이언스 어드밴스'에 기고한 연구 결과를 통해, 백두산 천지 아래에 부분적으로 녹은 상태의 마그마가 존재한다고 밝혔다. 그러면서, 북한 영토에 있는 백두산의 지질구조가 밝혀진 것은 이번이 처음이라고 말했다.
북한 과학자 7명과 미국, 영국, 중국 과학자 4명 등 11명으로 구성된 연구진은 백두산 천지 반경 60km 지역에 광대역 지진계 6대를 설치해 2013년 8월부터 1년간 발생한 지진파 자료를 분석했다.
지진파는 지진의 진행 방향으로 진동하는 종파 (P파)와 진행 방향과 수직으로 진동하는 횡파 (S파)로 구성되며, 두 파가 지진계에 도달하는 시간 차이를 이용하면 땅 속 구조를 파악할 수 있다는 점을 이용한 것이다.
연구진의 분석 결과 천지에서 60km 떨어진 곳은 지각 두께가 35km로 두꺼웠고, 종파와 횡파 간 속도 비율도 1.76에서 1.79로 인근 지역과 큰 차이가 없었다.
그러나 백두산 천지 20km 이내 지역에서는 지각의 두께가 얇아졌고 종파와 횡파 간 속도 비율이 증가했으며, 특히, 천지 바로 아래 지역에서는 속도 비율이 1.87 이상을 기록했다.
연구진은 백두산 천지 20km 이내 지역의 지각이 화산 활동과 관계있는 마그마 활동으로 인해 변형됐음을 시사하는 것이라고 밝혔다.
특히 이 지역에서 종파와 횡파 간 속도 비율이 증가한 것은 이 지역의 지각 5km와 10㎞ 아래에 부분적 부분적으로 녹은 마그마가 존재하고 있음을 시사하는 것이라고 분석했다. 그러면서, 이 지역의 마그마는 2002년부터 2005년 사이 백두산 일대에서 목격된 불안정한 현상과 관련이 있을 수 있다고 추정했다.
화산 지대 아래에 녹은 상태의 마그마가 있다는 것은 그만큼 화산 활동 가능성이 크다는 것을 의미한다.
그러나 백두산 천지 지각 아래 마그마가 있다고 해서 곧 화산이 분출하는 것을 의미하는 것은 아니라고 말했다.
백두산은 고려 정종 때인 서기 946년과 947년 두 차례 대규모 폭발을 일으킨 뒤 휴지기 상태지만 2002년부터 2005년 사이에 지진 활동이 활발해지는 등 활동 재개 가능성이 제기돼 왔다.[4]
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참고자료[편집]
같이 보기[편집]
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