마그마

3. 마그마의 생성

지구 내부는 깊은 곳일수록 온도가 높고, 압력 또한 높다. 암석은 압력이 높으면 녹기 시작하는 온도도 높아지기 때문에 지하에서는 온도가 올라가도 암석은 좀처럼 녹지 않는다. 마그마의 대부분은 지하 수십 킬로미터에서 수백 킬로미터 깊이에서 발생하는 것으로 보인다. 그와 같은 깊은 부분은 상부 맨틀이라고 하는데, 지표에서 볼 수 있는 많은 암석과는 다른 조성을 가진 감람암(橄欖巖)이라는 암석으로 이루어져 있다. 그러나 감람암이 일부 녹아서 생기는 마그마는 원래의 감람암과는 다르며, 보통은 현무암질로 되어 있다. 온도가 충분히 높지 않기 때문에 감람암은 항상 일부분밖에 녹지 않으며, 그렇게 형성된 마그마는 조금씩 모여 서서히 상승한다.

지구 내부의 온도는 지열구배로 설명되는데, 이는 깊이에 따른 온도 변화율을 나타냅니다. 지열구배는 지구 내부의 방사성 붕괴를 통한 가열과 지표면으로의 열 손실 간의 균형에 의해 결정됩니다. 지구 상부 지각에서 지열구배는 평균 약 25 °C/km이지만, 해구와 섭입대에서는 5~10 °C/km로 낮고, 중앙해령이나 맨틀 플룸 근처에서는 30~80 °C/km로 지역에 따라 크게 다릅니다.^[32] 깊이가 깊어짐에 따라 구배는 완만해져 맨틀에서는 느린 대류가 열을 효율적으로 수송하기 때문에 단 0.25~0.3 °C/km로 떨어집니다. 평균 지열구배는 일반적으로 지각이나 상부 맨틀 어디에서도 암석을 녹는점까지 올릴 만큼 가파르지 않으므로, 마그마는 지열구배가 특이하게 가파르거나 암석의 녹는점이 특이하게 낮은 경우에만 생성됩니다. 그러나 이러한 환경에서 지표면을 향한 마그마의 상승은 지구 지각을 통한 열 수송에 가장 중요한 과정입니다.

암석은 압력 감소,^[33] 조성 변화(예: 물의 추가),^[34] 온도 증가,^[35] 또는 이러한 과정의 조합에 따라 녹을 수 있습니다. 운석 충돌로 인한 용융과 같은 다른 메커니즘은 오늘날에는 중요하지 않지만, 지구의 부가 과정 동안의 충돌은 광범위한 용융을 초래했으며, 초기 지구의 외곽 수백 킬로미터는 아마도 마그마 바다였을 것입니다.^[36] 지난 수억 년 동안의 큰 운석 충돌은 여러 대규모 화성암 지대의 광범위한 현무암 마그마티즘을 야기한 메커니즘 중 하나로 제안되었습니다.^[37]

마그마는 주변 지각에 존재하는 암석보다 고온이다. 이 고온은 지각 아래에 있는 맨틀에서 유래하지만, 맨틀은 고온이기는 하지만 높은 압력이 가해지는 지하에서는 고체 상태로 존재한다.

3. 1. 감압 용융

3. 2. 물과 이산화탄소의 영향

3. 3. 온도 상승

3. 4. 용융 과정

4. 마그마의 진화

대부분의 마그마는 역사의 일부분 동안에만 완전히 용융된 상태이다. 더 일반적으로, 마그마는 용융체와 결정, 그리고 때로는 기포의 혼합물이다.^[15] 용융체, 결정, 기포는 일반적으로 밀도가 다르므로 마그마가 진화함에 따라 분리될 수 있다.

마그마가 냉각됨에 따라 광물은 일반적으로 용융체에서 서로 다른 온도에서 결정화된다. 이것은 원래 용융 과정을 반대로 하는 것과 유사하다. 그러나 용융체는 일반적으로 원래의 원암에서 분리되어 더 얕은 깊이로 이동했기 때문에 결정화의 역과정은 정확히 동일하지 않다. 예를 들어, 용융체가 디옵사이드와 아노르사이트를 각각 50%씩 함유하고 있다면, 아노르사이트는 1274 °C의 공융 온도보다 다소 높은 온도에서 용융체에서 결정화되기 시작할 것이다. 이것은 남은 용융체를 디옵사이드 43%의 공융 조성으로 이동시킨다. 공융은 디옵사이드와 아노르사이트가 함께 결정화되기 시작하는 온도인 1274 °C에서 도달한다. 용융체가 디옵사이드 90%였다면, 디옵사이드는 공융에 도달할 때까지 먼저 결정화되기 시작할 것이다.

결정이 용융체에 현탁된 채로 남아 있다면, 결정화 과정은 용융체와 고체 광물의 전체 조성을 변화시키지 않을 것이다. 이 상황은 ''평형 결정화''로 설명된다. 그러나 1915년 논문 ''규산염 액체 내 결정화-분화''^[54]에서 절정에 달한 일련의 실험에서, 노먼 L. 보웬은 포스터라이트, 디옵사이드 및 실리카의 냉각 용융체에서 결정화된 감람석과 디옵사이드의 결정이 지질학적으로 관련된 시간 규모에서 용융체를 통해 가라앉을 것이라는 것을 입증했다. 지질학자들은 그 후 이러한 ''분별 결정 작용''에 대한 상당한 현장 증거를 발견했다.

4. 1. 분별 결정 작용

4. 2. 마그마 혼합

4. 3. 동화 작용

5. 마그마의 이동과 고결

마그마는 주위의 암석보다 가볍기 때문에 부력에 의해 상부 맨틀 안을 상승한다. 모호로비치치 불연속면을 통과하여 지각 속을 더욱 상승하면 지하 10km 깊이 정도에서 부력이 없어져 그곳에 고이게 된다. 이렇게 많은 양의 마그마가 모여 있는 부분을 마그마 덩어리라고 한다. 마그마 덩어리 안의 마그마는 주위의 암석보다도 온도가 높지만 열을 빼앗겨 점차 냉각되면서 결정체가 되어간다. 이때 액체 상태의 마그마 속에 용해되어 있는 가스 성분은 점점 농축되어 압력이 높아진다. 그리고 압력이 지나치게 높아지면 폭발적으로 분출한다. 이것이 화산 활동의 에너지 형식이다. 화산 밑에는 이와 같은 마그마 덩어리가 있는 경우가 많다고 볼 수 있는데, 때로는 훨씬 깊은 부분에서 마그마가 일시에 상승하여 지표에 분출하는 경우도 있다.

마그마는 지구의 맨틀이나 지각 내부에서 온도와 압력 조건이 용융 상태를 유지하는 데 유리한 곳에서 생성된다. 생성 후 마그마는 원암보다 밀도가 낮기 때문에 부력에 의해 지표면으로 상승한다. 마그마는 지각을 통과하는 동안 이동하며, 마그마 방에 모여 머무를 수 있다(하지만 최근 연구에 따르면 마그마는 주로 액체 마그마 방이 아닌 지각을 관통하는 결정이 풍부한 죽(mush) 지대에 저장될 수 있다고 제시한다.^[7]). 마그마는 관입암을 형성하도록 냉각되고 결정화될 때까지, 또는 화산으로 분출될 때까지, 또는 다른 마그마 방으로 이동할 때까지 방 안에 머물 수 있다.

5. 1. 플루토니즘 (심성 작용)

5. 2. 볼케이니즘 (화산 활동)

6. 마그마의 존재 위치

마그마는 판의 경계부와 판 내부의 특정 지역에서 주로 발생한다.

마그마가 존재하는 곳은 판의 활동에 기인하여 각 판의 주변부에서 발생하는 것과 판 내부에서 발생하는 것이 있다. 마그마의 생산량이 가장 많은 곳은 새로운 판이 생성되는 판 발산 경계, 특히 중앙해령으로, 여기서는 현무암질 마그마가 생성된다. 두 번째로 마그마 생산량이 많은 곳은 판 수렴 경계, 특히 해양판의 섭입대이며, 여기서는 현무암질 마그마에서 유문암질 마그마까지 다양한 마그마가 생성된다. 일본 열도도 이 영역에 해당한다.

판 내부에서 발생하는 것 중 해양성 유형은 하와이가 대표적이며, 주로 현무암질 마그마를 생성한다. 여기서는 맨틀 심부에서 비교적 고온의 상승류(맨틀 플룸)가 존재하는 핫스팟으로 생각된다. 대륙성 유형으로는 아프리카의 리프트 밸리가 있는데, 여기서는 일반적인 규산염 마그마뿐만 아니라 탄산염 마그마인 카보나타이트 등 다양한 마그마가 생성된다. 다이아몬드를 산출하는 킴벌라이트도 대륙 내부에 존재한다.^[71]

6. 1. 판 발산 경계 (중앙해령)

7. 과거 지구의 마그마

46억 년 전, 수많은 미행성과 원시행성이 충돌하고 합쳐져 지구가 형성될 때, 충돌 에너지로 인한 고온으로 지표면의 암석이 녹아 마그마 오션을 형성했을 것으로 생각된다.^[76] 원시지구와 다른 행성의 충돌을 달의 기원으로 보는 거대 충돌설에서는 충돌 직후 지구 전체가 고온이 되어 지구 전체를 덮는 마그마 오션이 형성되었다고 한다.

지구는 탄생 당시 온도가 가장 높았고 현재도 서서히 식고 있기 때문에, 20억 년 전 이전에는 현재의 어떤 마그마보다 고온(1600℃)이며 마그네슘을 많이 함유한 코마티아이트 마그마가 생성되었다.^[77]

7. 1. 마그마 오션

8. 마그마와 에너지 생산

아이슬란드 심부 시추 프로젝트(IDDP)는 화산암반의 열을 이용하기 위해 2009년 5,000m 깊이의 구멍 여러 개를 시추하던 중 2,100m 지점에서 마그마를 발견했다.^[63] 이는 기록상 세 번째로 마그마에 도달한 사례였으며, IDDP는 이 구멍에 투자하여 IDDP-1이라고 명명했다.^[63]

IDDP-1 구멍에는 마그마 근처 바닥에 천공된 시멘트 강철 케이싱이 설치되었다. 마그마 증기의 높은 온도와 압력을 이용하여 36MW의 전력을 생산하여, IDDP-1은 세계 최초의 마그마 증강 지열 시스템이 되었다.^[63]

참조

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