이그님브라이트
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1. 개요
이그님브라이트는 화산쇄설류가 퇴적되어 형성된 암석으로, 일반적으로 용결 응회암을 포함한다. 대규모 분화 시 고온의 분출물이 화산 주변에 퍼져 퇴적되며, 퇴적물의 온도와 압력에 따라 용결이 발생하여 밀도가 높아진다. 이그님브라이트는 주로 화산재 기질로 구성되며, 다양한 암석 파편과 광물을 포함한다. 퇴적 모델로는 일괄 퇴적 모델과 점진적 누적 모델이 있으며, 유동 구조는 퇴적 후 재이동 또는 후기 점성 유동의 결과일 수 있다. 이그님브라이트는 침식에 의해 다양한 지형을 형성하며, 제주도의 주상절리와 산방산, 일본의 소운쿄 등에서 관찰된다. 석재로 가공하거나 도로 포장, 핵 폐기물 저장 시설 등에 활용되며, 제주도에서는 건축 자재로도 사용된다.
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- 테프라 - 화산재
화산재는 화산 유리, 광물 결정, 암석 파편 등으로 이루어진 직경 2mm 이하의 입자로, 응회암을 형성하고 지층 시기 특정의 지표가 되며 인체, 사회 기반 시설, 농업, 항공 등 다양한 분야에 영향을 미친다. - 테프라 - 응회암
응회암은 화산 폭발로 분출된 화산재가 굳어져 만들어진 퇴적암으로, 화산재 구성 성분과 입자 크기, 화학적 조성에 따라 다양한 종류로 분류되며 건축 자재나 시간층서학적 지표로 사용되고 대한민국 구산동 응회암이 대표적인 예시이다. - 화산암 - 흑요석
흑요석은 빠르게 냉각된 용암에서 형성되는 자연 발생 유리로, 석기 시대부터 도구 제작에 사용되었으며, 현대에는 외과 수술용 메스로도 활용된다. - 화산암 - 안산암
안산암은 중간 정도의 실리카 함량과 낮은 알칼리 금속 함량을 가진 화성암으로, 섭입대와 관련된 부가적인 판 연변부에서 생성되며 건축 자재 등 다양한 용도로 활용된다. - 화성암 - 용암
용암은 화산 활동으로 지표면에 분출된 액체 상태의 녹은 암석 물질이거나 굳어져 형성된 암석을 뜻하며, 마그마에서 휘발성분이 빠져나온 것으로, 규산염이 주성분이고 온도와 조성에 따라 점성이 달라지며, 파호이호이 용암, 아아 용암 등의 형태가 있다. - 화성암 - 불국사 화강암
불국사 화강암은 경주 불국사의 석조 건축물에 사용된 화강암으로, 불국사의 건축적 아름다움과 역사적 가치에 중요한 역할을 하며 채석지와 종류에 대한 추가 연구가 필요하다.
| 이그님브라이트 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 분류 | 화산 쇄설암 |
| 구성 | 화산재 부석 암편 |
| 조직 | 유리질, 반상 조직 |
| 특징 | 용결 구조, 유상 구조 |
| 색상 | 다양 (회색, 분홍색, 갈색 등) |
| 성인 | |
| 형성 과정 | 화산 쇄설류 퇴적 및 용결 |
| 관련 화산 활동 | 플리니식 분출, 칼데라 형성 |
| 발견 장소 | 전 세계 화산 지대 |
| 물리적 성질 | |
| 밀도 | 낮음 (부석 함유로 인해) |
| 강도 | 다양 (용결 정도에 따라) |
| 다공성 | 높음 |
| 화학적 조성 | |
| 주 성분 | 이산화 규소(SiO2) 함량이 높은 화산 유리 |
| 기타 성분 | 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 산화철 |
| 조직 및 구조 | |
| 용결 구조 | 고온 상태에서 입자들이 서로 압착되어 유리처럼 융합된 구조 |
| 유상 구조 | 가스가 빠져나가면서 생긴 줄무늬 모양의 구조 |
| 피아메 | 납작하게 늘어진 부석 조각 |
| 형태 | 급랭각력암 응회암 |
| 활용 | |
| 용도 | 건축 자재, 단열재, 연마재 |
| 기타 | 고대 로마 시대 건축물 재료로 사용 |
| 추가 정보 | |
| 관련 용어 | 용결 응회암(welded tuff) 화산탄 화산재 |
2. 퇴적
칼데라 분화와 같은 대규모 분화로 화산쇄설류가 발생하면, 고온의 분출물이 화산 주변에 퍼져 쌓인다. 이 퇴적물이 일정 온도 이상이면, 성분 일부가 녹아 자체 무게로 압축되고, 기공이 줄어 밀도가 높아진다. 이러한 과정을 '''용결'''이라고 하며, 용결된 암석을 용결 응회암이라고 한다. 용결에는 대략 600°C영어 이상의 온도가 필요하며, 분출물이 높이 솟아오르면 냉각되어 용결이 어렵다. 드물게 화산쇄설류가 아닌 강하 부석층에서도 용결이 나타나기도 한다.
퇴적층 상부와 하부는 냉각되어 용결되지 않아, 용결부 위아래에 비용결부를 갖는 3층 구조를 이룬다. 용결층 하부일수록 압축이 강해져 밀도가 높아진다. 큰 부석 등은 압축되어 납작한 렌즈 모양 흑요석이 되고, 단면에서 줄무늬가 관찰된다. 기공 감소로 발생한 가스가 빠져나가는 '''가스 채널 파이프'''라는 분기공이 퇴적층 상부에 형성된다.
퇴적물 냉각 시 체적 감소로 지표면에 균열이 생기고, 이것이 땅속으로 이어지면 주상 절리라는 기둥 모양 구조가 된다. 용결 응회암 주상 절리는 보통 직경 수십 cm에서 2m 정도의 다각형 기둥 집합체이다.
화산쇄설류에 의한 이그님브라이트 퇴적은 일괄 퇴적 모델과 점진적 누적 모델로 설명된다.
2. 1. 일괄 퇴적 모델 (En masse model)
1976년 화산학자 스티븐 스파크스는 ''en masse'' 모델을 제안했다. 스파크스는 이그님브라이트의 불량한 분류가 입자가 매우 높은 농도로 존재하는 층상 흐름 때문이라고 설명했다. 화산쇄설류는 층상 흐름을 겪고 ''en masse''로 멈추는 토석류와 유사한 것으로 여겨졌다. 흐름은 플러그 흐름으로 이동하며, 본질적으로 변형되지 않는 덩어리가 얇은 전단대 위를 이동하고, 구동 응력이 특정 수준 이하로 떨어지면 ''en masse'' 고정이 발생한다. 이것은 역등급 기저부를 가진 거대한 단위를 생성한다.''en masse'' 모델에는 몇 가지 문제점이 있다. 이그님브라이트는 퇴적물이므로, 그 특성이 흐름을 완전히 나타낼 수 없으며, 퇴적물은 단지 퇴적 과정을 기록할 수 있다. 이그님브라이트의 수직 화학적 구역화는 퇴적의 점진적 변화를 기록하는 것으로 해석되며, 구역화는 흐름 단위 경계와 거의 상관관계가 없으며 흐름 단위 내에서 발생할 수 있다. 화학적 변화는 시간이 지남에 따라 조성이 변하는 분화구로부터 흐름 기저부에서 점진적인 성장을 기록하고 있다고 가정되었다. 이것이 사실이 되려면 흐름의 기저부가 난류가 될 수 없다. 전체 물질 덩어리의 즉각적인 퇴적은 유체의 변위가 즉시 불가능하기 때문에 불가능하다. 유체의 변위는 흐름의 윗부분을 이동시키고 ''en masse'' 퇴적이 발생하지 않는다. 흐름의 즉각적인 중단은 국부적인 압축과 확장을 일으키며, 이는 인장 균열과 소규모 추력의 형태로 나타나는데, 이는 대부분의 이그님브라이트에서 관찰되지 않는다.[2]
''en masse'' 이론의 수정된 버전은 이그님브라이트가 지속적인 흐름으로부터 점진적인 성장을 기록하며, 이그님브라이트 사이와 이그님브라이트 내에서 관찰되는 차이는 그것을 퇴적시킨 흐름의 특성에 대한 시간적 변화의 결과라고 제안한다.[2]
2. 2. 점진적 누적 모델 (Rheomorphic flow model)
이그님브라이트는 지속적인 흐름으로부터 점진적으로 성장하며, 이그님브라이트 사이와 내부의 차이는 퇴적시킨 흐름 특성의 시간적 변화 결과라고 제안한다. 유동 구조는 고급 응회암에서만 관찰되며, 퇴적 후 재이동과 후기 점성 유동의 두 가지 유형이 있다. 현재 두 메커니즘의 상대적 중요성에 대한 논쟁이 있지만, 두 메커니즘 모두 영향을 미친다는 점에는 의견이 일치한다.[3] 구조 방향의 수직적 변화는 퇴적 후 재이동이 대부분의 구조를 담당한다는 주장에 대한 강력한 반증이며, 어떤 과정이 가장 일반적인지 알기 위해서는 대부분의 응회암에 이러한 수직적 변화가 있는지 추가 연구가 필요하다.3. 암석학
이그님브라이트는 주로 화산재(테프라) 기질로 구성되며, 화산 유리 조각, 파편, 경석 파편 및 결정으로 구성된다.[11] 결정 파편은 폭발적인 분출에 의해 부서지는 경우가 많다.[11] 대부분은 마그마에서 성장한 반정이지만, 다른 마그마나 암석에서 유래한 이물결정 등도 포함될 수 있다.
화산재 기질에는 완두콩 크기에서 자갈 크기에 이르는 다양한 암석 파편(암편 포획물)이 포함되어 있다. 암편 포획물은 대부분 오래된 화산 잔해 조각이지만, 드물게 마그마 챔버에서 온 물질도 있다.
3. 1. 용결 (Welding)
퇴적 시 온도가 충분히 높으면 이그님브라이트 입자가 서로 용결될 수 있으며, 퇴적물은 ''유탁상 라필리-응회암''으로 만들어진 '용결 이그님브라이트'로 변환된다. 이러한 일이 발생하면 경석 라필리는 일반적으로 평평해지며, 이는 암석 표면에 피암메라고 알려진 어두운 렌즈 모양으로 나타난다. 강하게 용결된 이그님브라이트는 기저부와 상단 근처에 유리질 구역이 있을 수 있으며, 이를 하부 및 상부 '비트로파이어'라고 부르지만, 중앙 부분은 미세 결정질('리소이드')이다.
용결은 이그님브라이트의 흔한 변질 형태이다. 용결에는 1차 용결과 2차 용결의 두 가지 유형이 있다. 밀도류가 충분히 뜨거우면 입자가 응집되어 퇴적 표면에서 용결되어 점성 유체를 형성하는데, 이것이 1차 용결이다. 수송 및 퇴적 중에 온도가 낮으면 입자는 응집되어 용결되지 않지만, 압축 또는 기타 요인으로 인해 최소 용결 온도가 유리 입자의 온도 이하로 떨어지면 나중에 용결이 발생할 수 있는데, 이것이 2차 용결이다. 이 2차 용결이 가장 흔하며 대부분의 화산쇄설류의 온도가 입자의 연화점보다 낮음을 시사한다.[5]
이그님브라이트가 1차 용결, 2차 용결 또는 용결이 없는지를 결정하는 요인에 대해서는 논쟁이 있다.
- 서로 다른 화학적 조성은 점성을 낮추어 1차 용결을 가능하게 한다.[4]
- 1차 용결 및 2차 용결 이그님브라이트의 조성에 큰 요인이 될 만큼 큰 차이는 없다.[5]
- 수송 중 냉각은 무시할 수 있으므로 분출 온도가 충분히 높으면 1차 용결이 발생한다. 용결 정도의 측면 변화는 수송 중 냉각의 결과가 아니다.[13]
- 티리비 이그님브라이트가 두께가 가장 큰 곳에서 가장 조밀하게 용결되어 있기 때문에 정수압 하중이 용결 강도를 결정한다. 상관 관계가 완벽하지 않아 다른 요인이 영향을 미칠 수 있다.[14]
- 용결 강도를 결정하는 데 정수압 하중의 상대적 중요성이 낮다는 두 가지 증거가 있다. 두께에 관계없이 용결 정도의 측면 변화와 용결 정도가 화학적 구역화와 상관관계가 있는 경우이다. 용결은 조성 변화, 휘발성 성분, 온도, 입자 크기 분포 및 암석 성분을 포함한 여러 요인의 조합에 의해 결정된다.[2]
칼데라 분화 등 대규모 분화에 의해 화산쇄설류가 발생하면, 분출물이 고온을 유지한 채 화산 주변으로 퍼져 퇴적된다. 퇴적물이 일정 온도 이상을 유지하는 경우, 성분의 일부가 용융되어 퇴적물 자체의 무게에 의해 압축되고, 퇴적물에 포함된 기공이 감소하여 밀도가 높아진다. 이러한 과정을 '''용결'''(welding)이라고 부르며, 용결에 의해 형성된 암석을 용결 응회암이라고 한다. 용결에는 대략 600°C 이상의 온도가 필요하며, 분출물이 화구에서 높이 솟아오르면 냉각되기 때문에 용결이 일어나기 어렵다. 화산쇄설류에 의하지 않은 강하 부석층에서도 극히 드물게 용결이 일어나는 경우가 있다.
퇴적층의 상부 및 하부는 냉각이 진행되어 용결되지 않으므로, 용결부의 상하에 비용결부를 갖는 3층 구조가 되며, 용결층의 하부일수록 강하게 압축되어 용결이 진행되고 밀도가 높아지는 경향이 있다. 분출물에 포함된 비교적 큰 부석 등도 압축되어 변형되어 편평한 렌즈 모양의 흑요석이 되며, 단면에서 줄무늬가 관찰된다. 기공의 감소에 따라 가스가 발생하고, 이것이 지표로 빠져나가기 위한 '''가스 채널 파이프'''라고 불리는 분기공이 퇴적층의 상부에 형성된다.
퇴적물이 냉각될 때 체적이 감소하기 때문에 지표면에 귀갑 모양의 균열이 생기고, 이것이 지중으로 미치면 주상 절리라고 불리는 기둥 모양의 구조가 된다. 용결 응회암의 주상 절리는 일반적으로 직경 수십 cm에서 2m 정도의 다각형 기둥 집합체로 이루어져 있다.
4. 광물학
이그님브라이트의 광물 조성은 주로 기원 마그마의 화학 성분에 의해 결정된다.
이그님브라이트에서 전형적으로 나타나는 반정의 범위는 흑운모, 석영, 사니딘 또는 기타 알칼리 장석, 때때로 각섬석, 드물게 휘석이며, phonolite 응회암의 경우 네펠린과 백류석과 같은 장석류 광물이 나타난다.
대부분의 고철질 이그님브라이트에서는 석영의 다형체인 크리스토발라이트와 트리디마이트가 일반적으로 용결된 응회암과 각력암 내에서 발견된다. 대부분의 경우, 이러한 석영의 고온 다형체는 분출 후 일부 준안정적인 형태로 자생적 분출 후 변질의 일부로 발생한 것으로 보인다. 따라서 트리디마이트와 크리스토발라이트는 이그님브라이트에서 흔히 발견되는 광물이지만, 이는 일차적인 마그마 광물이 아닐 수 있다.
5. 지구화학
대부분의 이그님브라이트는 규장질이며, 일반적으로 65% 이상의 SiO2를 함유한다. 모든 고철질 암석과 마찬가지로, 이그님브라이트의 화학 성분과 그 안에 있는 반정의 광물 조성은 주로 나트륨, 칼륨, 칼슘의 다양한 함량, 그리고 소량의 철과 마그네슘과 관련이 있다.[12]
드물게 이그님브라이트는 안산암질이며, 휘발성 물질이 포화된 현무암에서도 형성될 수 있는데, 이 경우 이그님브라이트는 일반적인 현무암의 지구화학적 특성을 가질 것이다.
6. 변질
거대한 열적 이그님브라이트는 습한 토양을 덮고 수로와 강을 매몰하는 경향이 있어, 어떤 형태의 수열 활동을 만들어낼 수 있다. 이러한 기질에서 나온 물은 노바럽타 응회암 폭발 후와 같이, 수년이 걸릴 수 있는 과정을 거쳐 푸마롤과 간헐천 등과 같은 곳에서 이그님브라이트 덮개를 빠져나온다. 이 물이 끓어 없어지는 과정에서, 이그님브라이트 층은 변질될 수 있다. 이는 고령토로 변질된 암석의 굴뚝과 주머니를 형성하는 경향이 있다.
7. 지형
경화된 이그님브라이트가 침식되면 화강암 지형과 매우 유사한 모습을 띨 수 있다. 아르헨티나 라팜파 주의 시에라 데 리후엘 칼렐에서는 이그님브라이트에서 인젤베르크, 플레어 경사면, 돔, 너빈, 토르, 타포니, 그나마 등 화강암에서 흔히 볼 수 있는 다양한 지형을 관찰할 수 있다.[15] 이그님브라이트 지형은 화강암 지형과 마찬가지로 절리계의 영향을 받을 수 있다.[15]
비 용결 화산쇄설류 퇴적물은 침식되기 쉽고, 강 용결 화산쇄설류 퇴적물은 침식되기 어려워 깊은 계곡이나 폭포 등 특징적인 지형을 형성하기도 한다.
7. 1. 한국의 이그님브라이트 지형
비용결 화산쇄설류 퇴적물은 침식되기 쉽고, 강 용결 화산쇄설류 퇴적물은 침식되기 어려워, 종종 깊은 계곡이나 폭포 등 특징적인 지형을 형성한다.7. 1. 1. 일본의 이그님브라이트 지형
비용결 화산쇄설류 퇴적물은 침식되기 쉽고, 강 용결 화산쇄설류 퇴적물은 침식되기 어려워, 종종 깊은 계곡이나 폭포 등 특징적인 지형을 형성한다. 대표적인 예는 다음과 같다.8. 분포
이그님브라이트는 고실리카 함량의 마그마와 그로 인한 폭발적인 분출이 있는 화산 지대에서 전 세계적으로 발견된다.
오스트레일리아 뉴사우스웨일스주의 헌터 지역에서는 석탄기 시대(2억 8천만~3억 4천 5백만 년)의 화산 퇴적암인 이그님브라이트가 채석된다. 이는 매우 격렬한 분출로 생성되었으며, 완전히 식는 데 수년이 걸려 중간 밀도의 단단한 암석이 되었다.
뉴질랜드의 코로만델 지역에서도 이그님브라이트가 발견되며, 오렌지-갈색 절벽을 형성한다. 타우포 화산대는 플라이스토세와 홀로세 동안 칼데라 화산에서 분출된 이그님브라이트로 덮여 있다. 히누에라 (와이카토)의 이그님브라이트 절벽은 1,800년 전 타우포 분화(하테페 분화) 이전 고대 와이카토강의 가장자리를 나타낸다. 서쪽 절벽에서 채석되는 히누에라 스톤(Hinuera Stone)은 건물 외장재로 사용되는 용결된 이그님브라이트이다.
멕시코 서부의 서부 시에라마드레 산맥의 많은 부분은 거대한 이그님브라이트 퇴적물로 구성되어 있다. 미국 서부에서는 분지 및 산맥 지방(주로 네바다주, 유타주, 애리조나주 남부, 뉴멕시코주 중북부 및 남부, 스네이크 강 평원)에 대규모 이그님브라이트 퇴적물이 발생한다. 분지 및 산맥 지방의 마그마 작용은 약 4천만 년 전에 시작되어 2천 5백만 년 전에 주로 끝났으며, 이그님브라이트의 대규모 분출을 포함했다. 이 마그마 작용은 라라미드 조산 운동이 끝난 후 발생했으며, 추가 분출은 약 1천 4백만 년 전까지 네바다에서 계속되었다. 개별 분출은 때로는 수천 입방 킬로미터에 달하는 거대한 규모로, 화산 폭발 지수 8을 나타냈다.
테네리페 섬과 그란 카나리아 섬의 침식 후 암석의 많은 부분도 이그님브라이트로 구성되어 있다.
9. 활용
이그님브라이트는 층상 구조를 가져 석재로 가공하기 용이하다. 편리하게 슬래브 형태로 쪼개져 판석이나 정원 조경용으로 쓰인다. 뉴사우스웨일스주 헌터 지역에서는 이그님브라이트를 도로 표면 처리 및 건설용 골재, 즉 "파란 쇄석"으로 활용한다.[1]
유카 산 폐기물 처리장은 사용후 핵연료를 비롯한 방사성 폐기물 처리를 위한 미국 에너지부의 최종 저장 시설인데, 이그님브라이트와 응회암 퇴적층에 자리잡고 있다.[2]
참조
[1]
서적
Igneous Rocks: A Classification and Glossary of Terms
https://archive.org/[...]
Cambridge University Press
2002
[2]
서적
Pyroclastic Density Currents and the Sedimentation of Ignimbrites
The Geological Society
2002
[3]
간행물
A large explosive silicic eruption in the British Palaeogene Igneous Province
2019-01-24
[4]
간행물
Laminar Viscous Flowage Structures in Ash-Flow Tuffs from Gran Canaria, Canary Islands
1967
[5]
간행물
Primary and secondary flow structures in ash-flow tuffs of the Gribbles Run paleovalley, central Colorado
1979
[6]
간행물
Compaction of the Bishop Tuff, California
1972
[7]
간행물
Rheomorphism of welded tuffs
1981
[8]
간행물
A reappraisal of ignimbrite emplacement: progressive aggradation and changes from particulate to non-particulate flow during emplacement of high-grade ignimbrite
1992
[9]
간행물
Sheathfolds in rheomorphic ignimbrites
2004
[10]
간행물
Deposition of rheomorphic ignimbrite D (Mogán Formation), Gran Canaria, Canary Islands, Spain
1999
[11]
간행물
Magma reservoir dynamics at Toba caldera, Indonesia, recorded by oxygen isotope zoning in quartz
2017-01-25
[12]
간행물
Magma Mixing and Crustal Recycling Recorded in Ternary Feldspar from Compositionally Zoned Peralkaline Ignimbrite 'A', Gran Canaria, Canary Islands
https://academic.oup[...]
2002-02-01
[13]
간행물
Formation of high-grade ignimbrites Part II. A pyroclastic suspension current model with implications also for low-grade ignimbrites
1999
[14]
간행물
The 322 ka Tiribí Tuff: stratigraphy, geochronology and mechanisms of deposition of the largest and most recent ignimbrite in the Valle Central, Costa Rica
2006
[15]
서적
Gondwana Landscapes in southern South America
Springer
2014
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