감람암

1. 개요

감람암은 마그네슘과 철이 풍부한 광물이 90% 이상을 차지하는 조립질 화성암인 초염기성암의 일종이다. 감람석, 사방휘석, 단사휘석, 각섬석의 비율에 따라 듀나이트, 킴벌라이트, 휘석 감람암, 각섬석 감람암 등으로 분류된다. 감람암은 지구 맨틀의 주요 구성 암석이며, 오피올라이트, 현무암, 킴벌라이트 등에서 발견된다. 감람암은 탄소 포집 및 저장에 활용될 수 있으며, 감람석이라는 보석의 원석이기도 하다. 또한 니켈, 백금족 원소, 크롬 등의 광물 자원을 포함하고 있다.

2. 분류

마그네슘과 철이 풍부한 마그마성암 광물이 암석 부피의 90% 이상을 차지하는 조립질 화성암은 초염기성암으로 분류된다. 초염기성암은 실리카 함량이 일반적으로 45% 미만이며, 감람석, 사방휘석, 단사휘석, 각섬석의 상대적 비율에 따라 세분된다. 감람암은 이 네 가지 광물 중 감람석이 40% 이상을 차지하는 조립질 초염기성암으로 정의된다.

감람암은 포함된 광물의 양에 따라 듀나이트, 하르츠버자이트, 웨를라이트, 레르졸라이트 등으로 더 세분화된다.

2.1. 감람암의 종류

* 듀나이트: 90% 이상이 감람석으로 구성되어 있다. 오피올라이트의 감람암층에서 맥으로 발견되며, 층상 관입암체에서 집적암으로도 나타난다. 듀나이트는 부성분 광물인 크롬철석을 거의 항상 포함한다.

* 킴벌라이트: 화산관에서 형성된 감람암의 각력암화된 변종으로, 다이아몬드의 모암으로 알려져 있다.

* 휘석 감람암: 감람석 40~90%, 각섬석 5% 미만
* 하르츠부르자이트: 단사휘석 5% 미만. 오피올라이트 감람암층의 대부분을 구성하며, 현무암질 마그마가 추출된 고갈된 맨틀 암석으로 해석된다.
* 베를라이트: 사방휘석 5% 미만. 오피올라이트의 감람암층과 상부의 반려암층 사이의 전이대 일부를 구성한다.
* 러졸라이트: 단사휘석과 사방휘석의 중간 함량. 상부 맨틀의 대부분을 구성하는 것으로 여겨진다.

* 각섬석 감람암: 감람석 40~90%, 휘석 5% 미만. 섭입대 상부의 안산암에서 드물게 제노리스로 발견된다.

* 휘석 각섬석 감람암: 휘석 감람암과 각섬석 감람암의 중간. 폴란드 남서부 빌차구라와 같이 드물게 제노리스로 발견된다.

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3. 구성 광물

감람암은 주로 감람석, 휘석, 각섬석으로 구성되며, 부성분으로 크롬철석, 스피넬, 석류석, 흑운모, 자철석 등이 포함될 수 있다.

* 감람석: 모든 감람암에서 발견되는 필수 광물이다. 마그네슘이 풍부하며, 올리브색을 띤다.
* 휘석: 사슬 구조의 규산염 광물이다. 직교휘석(사방휘석)과 단사휘석으로 나뉜다. 휘석의 비율이 60%를 초과하는 초염기성암은 휘록암으로 분류된다.
* 각섬석: 각섬석류 광물로, 휘석과 유사하지만 물을 포함하는 이중 사슬 구조를 가지고 있다. 주로 수성 유체에 의한 변질 작용의 결과로 존재한다.

부성분 광물의 종류에 따라 감람암의 생성 깊이를 추정할 수 있다. 예를 들어, 감람암의 알루미늄은 약 20km보다 얕은 깊이에서는 사장석으로 존재하고, 20km와 60km 사이에서는 스피넬로, 60km 아래에서는 석류석으로 존재한다.

포함된 광물의 양에 따라, 감람암은 다음 4가지로 분류된다.

* 단사이트(dunite, [[던かんらん岩|던사이트]]): 감람석이 전체의 90% 이상을 차지하는 암석.
* 하르츠버자이트(harzburgite, [[斜方輝石かんらん岩|하르츠버자이트]]): 감람석을 50% 이상 포함하는 암석 중에서, 사방휘석이 풍부한 암석.
* 웨를라이트(wehrlite, [[単斜輝石かんらん岩|웨를라이트]]): 감람석을 50% 이상 포함하는 암석 중에서, 단사휘석이 풍부한 암석.
* 레르졸라이트(lherzolite, [[レルゾライト|레르졸라이트]]): 감람석을 50% 이상 포함하는 암석 중에서, 사방휘석과 단사휘석이 모두 포함되는 암석. 레르졸라이트가 부분 용융하여 현무암질 마그마를 생성하는 것으로 생각된다.

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4. 산출지 및 분포

퍼리도타이트는 지구 맨틀의 약 400km 깊이 위에서 우세한 암석이다. 그 깊이 아래에서는 감람석이 더 높은 압력의 광물인 와즐리석으로 변환된다.

해양판은 두께 약 100km의 퍼리도타이트에 얇은 지각이 덮여 있는 형태이다. 일반적으로 두께 약 6km인 지각은 현무암, 반려암 및 소량의 퇴적암으로 구성된다. 해양 지각 아래의 퍼리도타이트인 "심해 퍼리도타이트"는 심해저의 열곡 벽에서 발견된다. 해양판은 섭입대에서 맨틀로 다시 섭입되지만, 일부는 섭입이라는 과정을 통해 대륙 지각에 들어가거나 겹쳐지기도 한다. 이러한 삽입은 대륙과 대륙 또는 호상열도와의 충돌과 같이 조산운동 중에 발생할 수 있다. 대륙 지각 내에 삽입된 해양판 조각을 오피올라이트라고 하며, 전형적인 오피올라이트는 대부분 퍼리도타이트와 반려암, 베개용암, 디아베이스 암맥-관입 복합체 및 적색 처트와 같은 관련 암석으로 구성된다.

퍼리도타이트는 맨틀에서 마그마에 의해 운반되는 포획암으로도 산출된다. 퍼리도타이트 포획암을 일반적으로 포함하는 암석에는 현무암과 킴벌라이트가 있으며, 이러한 포획암은 최대 200km 이상의 깊이에서 유래한다.

퍼리도타이트의 화산 상당물은 코마티아이트이며, 대부분 지구 역사 초기에 분출되었고 시생대 이후 암석에서는 드물다. 소량의 퍼리도타이트는 달 각력암에서 발견되었다.

4.1. 한국의 감람암

아포이산은 홋카이도 히다카 산맥에 있으며, 감람암이 노출된 산으로 알려져 있다. 2015년 유네스코 세계 지오파크로 인증되었다.

5. 생성

감람암은 크게 두 가지 기원을 갖는다. 하나는 지구의 부가와 분화 과정에서 형성된 맨틀 암석이고, 다른 하나는 현무암질 또는 초염기성 마그마로부터 감람석 ± 휘석이 침전되어 형성된 누적암이다. 이러한 마그마는 궁극적으로 상부 맨틀의 감람암 부분 용융으로부터 유래한다.

맨틀 감람암은 충돌 산맥의 오피올라이트, 현무암 또는 킴벌라이트의 크세놀리스, 또는 심해저 감람암(해저에서 채취)으로 채취된다. 이러한 암석은 비옥한 맨틀(레르졸라이트) 또는 부분적으로 고갈된 맨틀(하르츠버자이트, 듀나이트)을 나타낸다. 알프스 감람암은 오피올라이트와 관련이 있고 해양 분지 아래 최상부 맨틀을 나타내거나, 산맥의 역단층을 따라 놓인 대륙 하부 맨틀 덩어리일 수 있다.

층상 감람암은 화성 퇴적암이며, 고밀도 감람석 결정의 기계적 축적으로 형성된다. 이들은 현무암 조성과 같은 맨틀 유래 마그마로부터 형성된다. 알래스카형 초염기성 복합체와 관련된 감람암은 화산의 근원대에서 형성되었을 가능성이 높은 누적암이다. 누적 감람암은 코마티아이트 용암류에서도 형성된다.

6. 성질 및 특징

감람암은 지표면에서 불안정하며, 물과 반응하여 빠르게 변질된다. 대부분 녹색을 띠지만, 녹회색, 검은색, 연한 황록색 등 다양한 색상을 나타낼 수 있다. 지표에 노출되면 독특한 갈색 풍화층을 형성하고, 물속에서는 짙은 주황색을 띤다.

감람암은 괴상 형태를 띠거나 다양한 크기의 층상 구조를 가질 수 있다. 층상 감람암은 층상 관입암의 기저층을 형성할 수 있다. 감람암은 누적 조직, 포이킬리틱 조직, 잘 열처리된 조직, 파쇄 조직 등 다양한 조직을 보인다. 누적 조직은 거친 결정들이 미세한 결정 기질 내에 맞물린 형태를 띤다. 포이킬리틱 조직은 원래의 누적 결정을 덮고 감싸는 결정이 생성되는 것이다. 잘 열처리된 조직은 느린 냉각으로 인해 재결정화가 일어나면서 형성되며, 파쇄 조직은 지각 운동적 침입 방식과 관련된 변형으로 인해 나타난다.

6.1. 변성 작용

감람암은 변성 작용을 받기 쉽고, 지표에서 발견되는 경우에는 이산화탄소와 반응하여 사문암으로 변해 있는 경우가 대부분이다. 또한, 높은 압력을 받기 쉬운 판의 경계부 지하에서도 열수 등과 반응하여 사문암이 된다. 사문암은 부서지기 쉬운 활석을 포함하기 때문에 지진 발생 기구와의 관계가 시사된다.

7. 관련 암석

코마티아이트는 지표면 아래 깊은 곳에서 부분 용융된 고온의 퍼리도타이트로, 높은 정도의 부분 용융을 특징으로 한다.

현무암과 유사한 조성을 가진 에클로자이트는 주로 옴파사이트(나트륨이 풍부한 단사휘석)와 파이롭이 풍부한 석류석으로 구성된다. 에클로자이트는 제노리스 또는 섭입대와 관련된 과정에서 고압으로 변성된 암석에서 퍼리도타이트와 함께 발견된다.

8. 경제 지질

감람암은 기후 변화와 관련된 탄소 포집 및 저장(Carbon capture and storage)의 일환으로 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 저렴하고 안전하며 영구적으로 포집하고 저장하는 데 활용될 가능성이 연구되고 있다. 감람암이 CO₂와 반응하여 석회암이나 대리석 광물과 같은 고체 탄산염(Carbonate rock)을 형성한다는 사실은 이미 알려져 있으며, 이 과정은 간단한 시추(drilling)와 수압 파쇄(hydraulic fracturing)를 통해 지하 감람암 지층에 CO₂를 주입함으로써 백만 배 이상 가속화될 수 있다.

감람암은 보석인 감람석(peridot)에서 이름이 유래되었는데, 감람석은 원래 홍해의 자바르가드 섬(Zabargad Island, St. John's Island in the Red Sea)에서 채굴되었으며, 현재는 애리조나 주 산 카를로스 아파치 인디언 보호구역(San Carlos Apache Indian Reservation)에서 채굴되고 있다.

저온에서 수화된 감람암은 사문암(serpentinite)의 원암(protolith)이며, 크리소타일 석면(serpentine의 한 형태)과 활석(talc)을 포함할 수 있다.

집적 감람암이 있는 층상 관입암체는 일반적으로 황화물 또는 크롬철광 광석과 관련이 있다. 감람암과 관련된 황화물은 니켈 광석과 백금족 금속을 형성하는데, 오늘날 세계에서 사용되는 백금(platinum)의 대부분은 남아프리카 공화국의 부시벨트 암상 복합체(Bushveld Igneous Complex)와 짐바브웨의 그레이트 다이크(Great Dyke)에서 채굴된다. 감람암에서 발견되는 크롬철광 층은 세계 주요 크로뮴(chromium) 공급원이다.