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범람 현무암

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목차

1. 개요

범람 현무암은 대륙 열곡 작용과 맨틀 플룸 상승으로 대량의 현무암질 마그마가 분출하여 형성되는 지형이다. 낮은 점성과 빠른 분출 속도로 넓은 지역을 덮으며, 판 구조론적 관점에서 맨틀에서 기원한 용암이 지각의 균열을 통해 분출된 것으로 여겨진다. 범람 현무암은 반복적인 분화로 고원이나 대지를 형성하며, 암석학적으로 미정질 조직과 다양한 화학 조성을 보인다. 대규모 화성암 지역의 대륙 표현인 대륙 범람 현무암은 지구 환경에 큰 영향을 미치며, 대량 멸종과 연관되기도 한다. 태양계의 다른 천체에서도 발견되며, 건설 골재로 활용되기도 한다.

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범람 현무암
정의
설명광대한 면적을 현무암 용암이 덮고 있는 화산 지형이다.
특징
발생맨틀 플룸의 머리가 처음 지구 표면에 도달할 때 발생한다.
규모알려진 가장 큰 범람 현무암은 온통자바 해대이다.
육상 범람 현무암은 시베리아 트랩, 데칸 고원, 컬럼비아 강 현무암 군, 카루-페라스 현무암 등이 있다.
환경 영향대규모 멸종과 관련이 있을 수 있다.
이산화탄소 배출과거 환경 위기의 심각성은 화산 이산화탄소 배출량과 관련이 있다.
트라이아스기-쥐라기 멸종 사건은 중앙 대서양 마그마 지방의 화산 활동으로 인한 이산화탄소 배출과 관련이 있다.
원인일부 연구에서는 충격 사건과 관련이 있다고 제안한다.
예시: 인도 뭄바이 근처의 해안에서 발생한 K-T 경계의 볼리드 충돌이 데칸 화산 활동을 촉발했을 가능성이 있다.

2. 형성

범람 현무암은 대륙이 갈라지면서 발생한 틈을 통해 대량의 현무암질 마그마가 분출하여 형성된다. 이때 맨틀 플룸이 상승하여 감압 용융을 일으키면서 마그마 생성을 돕는다. 생성된 마그마는 점성이 낮아 넓게 퍼져 흐르기 때문에 높은 화산체를 형성하는 대신 넓은 고원 지대를 이룬다.

판 구조론 관점에서 보면, 대륙 지각은 주로 가볍고 실리카 성분이 풍부한 화강암질 암석으로 이루어져 있어 밀도가 높은 현무암질 마그마가 대량으로 생성되기 어렵다. 따라서 범람 현무암을 형성하는 마그마는 지각 아래의 맨틀에서 유래한 것으로 추정된다.

범람 현무암 분출은 대륙 분열과 같은 지각 변동으로 인해 발생한 균열을 따라 일어난다. 예를 들어, 대서양을 사이에 두고 있는 카루 현무암과 파라나 현무암은 아메리카 대륙과 아프리카 대륙이 분리될 때 발생한 균열을 따라 동시에 분출한 것으로 보인다. 컬럼비아 강 고원의 경우, 인근 화산 활동으로 인해 지각에 인장 응력이 가해져 균열이 발생하면서 범람 현무암이 분출한 것으로 추정된다.

범람 현무암은 한 번의 분출로 형성되는 것이 아니라, 수백 회 이상 반복되는 분화로 형성된다. 각 분출 시기마다 용암 성분은 조금씩 다를 수 있으며, 이는 맨틀을 구성하는 광물과는 다른 성분의 용암이 발견되는 이유를 설명해준다.

범람 현무암 형성은 해양 지각이 맨틀로 침강하면서 시작된다. 침강한 해양 지각은 핫 플룸 상승에 의해 지각 아래까지 올라오고, 압력이 낮아지면서 용융되어 대량의 마그마를 생성한다. 이 마그마가 지표로 분출하여 범람 현무암을 형성한다.

2. 1. 형성 과정

범람 현무암은 대륙 열곡 작용으로 인한 감압 용융과 맨틀 플룸의 상승이 결합하여 생성되는 막대한 양의 소레아이트질 현무암 마그마로부터 형성된다. 이 마그마는 점성이 매우 낮아 넓게 퍼져나가기 때문에, 높은 화산 대신 고원 형태의 지형을 형성하게 된다.[7]

범람 현무암 형성에 대한 또 다른 설명으로는, 오랜 기간 동안 맨틀에 축적되어 온 용융물이 짧은 기간에 걸쳐 방출되면서 형성된다는 가설이 있다.

범람 현무암의 형성과 효과는 대륙의 배열과 고도, 양, 속도, 분화의 지속시간, 유형, 주변환경(대륙 vs 해양), 이전의 기후 상태 그리고 생물군 회복력의 변화에 영향을 받는다.

인도 중앙의 데칸 용암 대지, 시베리아 용암 대지, 북서 아메리카의 컬럼비아 강 고원은 선사 시대 범람 현무암으로 덮여 있다. 캐나다의 중기 원생대 메켄지 거대 화성암 지역은 머스칵스 중첩 침투와 관련된 코퍼마인 강 범람 현무암을 포함한다. 달의 바다는 훨씬 더 넓은 범람 현무암이다. 해저의 범람 현무암은 해저 대지를 형성한다.

한 번의 분출로 덮일 수 있는 면적은 카루의 경우 200,000 km2, 시베리아 용암 대지의 경우 1,500,000 km2까지 다양하다. 두께는 데칸 용암 대지의 2000m에서 슈피리어 호의 12000m까지 다양하며, 이는 침식으로 인해 원래 양보다 줄어든 것이다.



범람 현무암은 모든 분출 화성암 중 가장 부피가 크며,[8] 지질학적 기록 전반에 걸쳐 발견되는 거대한 현무암 암석 퇴적물을 형성한다.[9][10] 이는 지질학적으로 짧은 시간 간격 동안 분출되는 엄청난 양의 용암으로 다른 모든 형태의 화산 활동과 구별되는 매우 독특한 형태의 판 내부 화산 활동이다.[11]

단일 범람 현무암 지역은 백만 년 미만의 기간 동안 수십만 입방 킬로미터의 현무암이 분출될 수 있으며, 개별 사건은 각각 수백 입방 킬로미터의 현무암을 분출한다. 이 유동성이 높은 현무암 용암은 공급 화구에서 수백 킬로미터나 측면으로 퍼져나가, 수만 평방 킬로미터의 지역을 덮을 수 있다. 연속적인 분출은 넓은 지역에 걸쳐 빠르게 분출되는 두꺼운 거의 수평적인 흐름의 축적을 형성하여, 지역적 규모로 용암으로 지구 표면을 범람시킨다.[9]

이러한 방대한 범람 현무암의 축적은 대규모 화성암 지역을 구성하며, 고원 지형의 특징을 가지므로, 범람 현무암은 ''고원 현무암''으로도 불린다. 침식으로 인해 범람 현무암에 잘린 협곡은 계단과 같은 경사를 나타내며, 흐름의 낮은 부분은 절벽을 형성하고 흐름의 상부 또는 층상 퇴적물 층은 경사를 형성한다. 이는 네덜란드어로는 ''트랩(trap)'', 스웨덴어로는 ''트라파(trappa)''로 알려져 있으며, 영어에서는 채석 산업에서 특히 사용되는 용어인 ''트랩 암(trap rock)''으로 사용된다.

현무암 축적의 두께는 종종 1000m를 초과하며, 일반적으로 미터에서 수십 미터, 드물게 100m까지 두께가 다양한 매우 많은 얇은 흐름의 수를 반영한다. 때때로 매우 두꺼운 개별 흐름이 있는데, 세계에서 가장 두꺼운 현무암 흐름은 미국 미시간 주 키위나 반도의 그린스톤 흐름일 수 있으며, 두께가 600m이다. 이 흐름은 슈피리어 호 크기의 용암 호수의 일부였을 수 있다.

범람 현무암의 깊은 침식은 분출을 공급한 수많은 평행한 암맥을 노출시킨다. 컬럼비아 강 고원의 일부 개별 암맥은 길이가 100km 이상이다. 어떤 경우에는 침식으로 인해 수천 킬로미터의 지름을 가진 방사형 암맥 세트가 노출된다. 미국 뉴저지 주의 팰리세이즈 암상과 같이 범람 현무암 아래에 암상이 존재할 수도 있다. 범람 현무암 아래의 판상 관입(암맥 및 암상)은 일반적으로 덮고 있는 범람 현무암의 조성과 밀접하게 일치하는 다이아베이스이다. 어떤 경우에는 화학적 지문을 통해 개별 암맥을 개별 흐름과 연결할 수 있다.

범람 현무암 분출의 플룸 모델


범람 현무암 형성에 대한 이론은 막대한 양의 마그마가 짧은 시간 간격으로 생성되어 용암으로 분출될 수 있는지, 지질 시대에 걸쳐 분출된 범람 현무암의 유사한 조성 및 지체 구조 환경, 그리고 범람 현무암 용암이 고화되기 전에 분출 균열에서 먼 거리를 이동할 수 있는 능력을 설명해야 한다.

짧은 시간에 엄청난 양의 용융물을 생성하려면 막대한 양의 열이 필요하다. 이는 지구의 가장 바깥쪽 껍질인 지각의 기저부에 충돌하는 맨틀 플룸에 의해 공급된 것으로 알려져 있다.[15][16] 플룸은 지각 바로 아래의 연성층인 연약권의 비정상적으로 뜨거운 맨틀 암석으로 구성되어 있으며, 지구 내부 깊은 곳에서 위쪽으로 이동한다. 뜨거운 연약권은 플룸 위쪽의 지각을 열개시키고, 플룸 헤드의 감압 용융에 의해 생성된 마그마가 지표면으로 통하는 경로를 찾을 수 있게 한다.

범람 현무암의 깊은 침식으로 드러난 평행한 암맥 무리는 상당한 지각 연장이 발생했음을 보여준다. 서부 스코틀랜드와 아이슬란드의 암맥 무리는 최대 5%의 연장을 보여준다. 많은 범람 현무암은 열곡과 관련이 있으며, 수동적인 대륙판 경계에 위치하거나, 아울라코겐(대륙 열개 현상이 시작되는 삼중점의 실패한 팔)으로 확장된다. 대륙의 범람 현무암은 종종 해양 분지의 열점 화산 활동과 일치한다.

대서양 반대편인 남아메리카와 아프리카에 위치한 파라나 및 에텐데카 트랩은 약 1억 2천 5백만 년 전에 남아 대서양이 열리면서 형성되었으며, 북대서양이 열리면서 트라이아스기-쥐라기 경계 근처의 북아메리카 동부에서 두 번째 작은 범람 현무암 세트가 형성되었다. 그러나 북대서양 범람 현무암은 어떤 열점 흔적과도 연결되지 않으며, 전체 발산 경계를 따라 고르게 분포된 것으로 보인다.

범람 현무암은 종종 적색층과 함께 층을 이룬다. 퇴적물의 퇴적은 최초의 범람 현무암 분출 전에 시작되므로, 침강과 지각 얇아짐은 범람 현무암 활동의 전조이다. 현무암이 분출함에 따라 지표면은 계속 침강하여, 더 오래된 지층이 종종 해수면 아래에서 발견된다. 깊이 있는 현무암 지층(''경사 반사체'')이 반사 지진파 탐사를 통해 수동 대륙 경계를 따라 발견되었다.

범람 현무암의 조성은 마그마가 표면에 도달하는 메커니즘을 반영할 수 있다. 상부 맨틀에서 형성된 원래의 용융물(''원시 용융물'')은 석영 톨레아이트의 조성을 가질 수 없다. 석영 톨레아이트는 범람 현무암의 가장 흔하고 일반적으로 덜 진화된 화산암인데, 석영 톨레아이트는 일반적인 맨틀 암석과의 평형 상태에서 형성되기에는 마그네슘에 비해 철이 너무 풍부하기 때문이다. 원시 용융물은 피크라이트 현무암의 조성을 가졌을 수 있지만, 피크라이트 현무암은 범람 현무암 지역에서는 흔하지 않다.

원시 용융물이 맨틀-지각 경계에 도달하면 '정체'될 수 있다. 이곳에서는 밀도가 낮은 지각 암석을 관통할 만큼 부력이 충분하지 않다. 톨레아이트 마그마가 분화될 때(고온 광물이 결정화되어 마그마에서 침전되면서 조성 변화) 밀도는 마그네슘 수가 약 60에서 최소값에 도달하며, 이는 범람 현무암과 유사하다. 이는 부력을 회복시키고 마그마가 표면으로의 여정을 완료하도록 하며, 범람 현무암이 주로 석영 톨레아이트인 이유를 설명한다. 원래 마그마의 절반 이상이 누적암으로 하부 지각에 남아 있으며, 이는 암맥과 암상 시스템에 존재한다.[17]

마그마가 상승함에 따라 압력 감소는 또한 액상선을 낮추는데, 이는 마그마가 완전히 액체 상태가 되는 온도이다. 이는 분출된 범람 현무암에서 반정질 결정이 없는 이유를 설명할 수 있다. 고체 감람석, 녹휘석, 사장석(반정질 결정으로 형성될 가능성이 높은 고온 광물) 혼합물의 '재흡수'(용융물로의 재용해)는 또한 조성을 석영 톨레아이트에 더 가깝게 만들고 부력을 유지하는 데 도움이 될 수 있다.

마그마가 표면에 도달하면 지형을 따라 빠르게 흘러 넘치면서 문자 그대로 지역 지형을 범람시킨다. 이는 부분적으로 분출 속도가 빠르고(균열 길이 1km당 하루에 1km³ 이상) 현무암 용암의 점성이 비교적 낮기 때문에 가능합니다. 그러나 개별 범람 현무암 흐름의 측면 범위는 이러한 양의 유동적인 용암에서도 놀랍습니다. 용암이 고체 절연 지각 아래로 이동하여 뜨겁고 움직이게 유지하는 ''팽창'' 과정에 의해 퍼지는 것으로 보인다.[18]

컬럼비아 강 평원의 은행나무 흐름(두께 30m)에 대한 연구에 따르면 용암의 온도는 500km 거리에서 단지 20°C만 떨어졌다. 이는 용암이 표면 지각에 의해 절연되었으며 흐름이 층상이어서 상부 지각 및 흐름 기저부와의 열 교환을 줄여야 함을 보여준다.[19] 은행나무 흐름은 6일 만에 500km 전진한 것으로 추정된다(약 3.5km/시의 전진 속도).[19]

범람 현무암 흐름의 측면 범위는 소스 근처에서 흐름 두께의 세제곱에 대략 비례한다. 따라서 소스에서 두께가 두 배인 흐름은 대략 8배 더 멀리 이동할 수 있다.

범람 현무암 흐름은 주로 파호이호이 흐름이며, 아아 흐름은 훨씬 덜 일반적이다.[20]

범람 현무암 지역의 분출은 간헐적이며 각 에피소드는 고유한 화학적 특징을 갖는다. 단일 분출 에피소드 내의 용암이 시간이 지남에 따라 더 많은 실리카를 함유하는 경향이 있지만, 에피소드 간에 일관된 추세는 없다.

'''컬럼비아 강 대지의 범람 현무암 분포''': 주로 표시된 오른쪽 녹색 부분에 분포한다. 컬럼비아 강 협곡(빨간색 표시) 부분에서 남북으로 뻗은 캐스케이드 산맥과 교차한다. ( 이 그림 참조 )
판 구조론의 관점에서, 대륙판의 지각은 실리카 성분이 풍부하고 밀도가 낮으며 가벼운 화강암질이 주를 이룬다. 그렇다면, 대륙의 지각 부분에서 밀도가 높고 무거운 현무암 용암이 대량으로 생성되는 것은 생각하기 어렵다. 이 때문에, 각지의 범람 현무암 중 광물 조사 결과 등으로부터, 범람 현무암을 형성한 용암은 지각 아래에 존재하는 맨틀로부터 유래되었다고 생각된다.

맨틀이 지표면에 노출되는 것은 극히 드물며, 범람 현무암의 분출은 대륙의 분열 등 지각이 찢어져 발생한 균열 등이 원인일 것이라고 생각된다.

예를 들어, 대서양을 사이에 두고 존재하는 카루 현무암과 파라나 현무암에 대해서는, 아메리카 대륙과 아프리카 대륙이 분열될 때 다수 발생한 균열을 따라 시기를 같이하여 일시에 분출한 현무암으로 생각된다. 또한, 예를 들어 컬럼비아 강 대지의 경우, 그 활동 시기가 북서쪽에 존재했던 화산호 (일본의 화산대에 해당)의 활동 시기와 일치하며, 인근 화산 활동에 따라 지각에 인장 응력이 가해진 결과, 지각에 균열이 생겼다고 여겨진다.

홍수 현무암은 수백 회 이상으로 추정되는 반복적인 분화로 형성된 것으로 생각된다. 즉 유동성이 좋고 얇게 퍼지는 현무암질 용암이 여러 번 반복적으로 분화한 결과, 현재 볼 수 있는 거대한 대지나 고원을 만들었다는 시나리오이다.[45] 그 근거로, 홍수 현무암 내의 용암류를 한 층씩 분석하면, 각각이 반드시 동일한 성분은 아닌 경우가 많은 점을 들 수 있다. 또한 맨틀을 구성하는 광물군과는 상당히 다른 성분의 용암이 각지에서 검출되었다. 이것들을 종합적으로 고려하면, 홍수 현무암은 맨틀 자체가 용해된 마그마가 한 번에 분화하여 형성된 것은 아니라고 생각된다.

아마도, 판 운동으로 해구에서 맨틀로 침강한 해양 지각이, 맨틀의 핫 플룸 상승에 휘말려 지각 아래까지 상승하고, 거기서 압력 저하에 의해 용해된 결과, 대량의 마그마를 생성하여, 그것이 분출하여 홍수 현무암을 형성했다[46]라고 설명된다.

3. 암석학

범람 현무암은 주로 석영 톨레아이트질 현무암으로 구성되며, 감람석 톨레아이트나 드물게 알칼리 현무암도 나타난다. 미세한 규모에서 보면, 범람 현무암의 조직은 미정질이며 작은 상호 연결된 결정으로 구성되어 있다. 이러한 구조는 범람 현무암에 높은 인성과 내구성을 부여한다.[9] 사장석 결정은 휘석 결정에 둘러싸여 있거나 감싸여 있으며 무작위로 배열되어 있다. 이는 용암이 결정화되기 시작할 때 더 이상 빠르게 흐르지 않을 정도로 급격한 부착을 나타낸다.[9] 범람 현무암에는 다른 화산암에서 흔히 보이는 큰 반정이 거의 없는데, 반정은 용암을 표면으로 공급하는 암맥에 더 풍부하게 존재한다.[9]

유동은 매우 균질하며, 용암에 포함된 주변 암석의 파편인 제노리스나 용암에 용해된 가스가 적어 화산쇄설암은 극히 드물다. 유동이 호수로 들어가 베개 용암이 된 경우를 제외하고는, 유동은 대규모이다.[9] 때때로, 범람 현무암은 대규모 화성암 지대의 발달 후기에 형성되고 더욱 집중된 화산 활동으로의 변화를 나타내는 매우 적은 양의 데이사이트 또는 유문암과 관련되기도 한다.[9]

3. 1. 특징

범람 현무암은 모든 분출 화성암 중 가장 부피가 크며,[8] 지질학적 기록 전반에 걸쳐 발견되는 거대한 현무암 암석 퇴적물을 형성한다.[9][10] 이는 지질학적으로 짧은 시간 간격 동안 분출되는 엄청난 양의 용암으로 다른 모든 형태의 화산 활동과 구별되는 매우 독특한 형태의 판 내부 화산 활동이다.[11]

이러한 방대한 범람 현무암의 축적은 대규모 화성암 지역을 구성한다. 이들은 고원 지형의 특징을 가지므로, 범람 현무암은 ''고원 현무암''으로 묘사되기도 한다. 침식으로 인해 범람 현무암에 잘린 협곡은 계단과 같은 경사를 나타내며, 흐름의 낮은 부분은 절벽을 형성하고 흐름의 상부 또는 층상 퇴적물 층은 경사를 형성한다. 이는 네덜란드어로는 ''트랩(trap)'', 스웨덴어로는 ''트라파(trappa)''로 알려져 있으며, 영어에서는 채석 산업에서 특히 사용되는 용어인 ''트랩 암(trap rock)''으로 사용된다.[9][10]

범람 현무암에서는 일반적으로 암석이 용암에서 굳어진 후 냉각 및 수축되면서 형성되는 주상 절리가 나타난다. 암석은 열의 흐름 방향과 평행하게, 전형적으로 5~6개의 면을 가진 기둥으로 갈라진다. 흐름의 기저부에서 열의 흐름이 상부 표면에서보다 느리게 발생하기 때문에, 기둥은 흐름의 하부 3분의 1에서 더 규칙적이고 더 크다. 덮고 있는 암석의 무게로 인한 더 큰 정수압 또한 하부 기둥을 더 크게 만드는 데 기여한다. 그리스 사원 건축물에 비유하여, 더 규칙적인 하부 기둥은 ''열주''로, 더 불규칙한 상부 균열은 개별 흐름의 ''엔타블레이처''로 묘사된다.[9]

범람 현무암의 또 다른 일반적인 소규모 특징은 ''파이프 줄기 기포''이다. 범람 현무암 용암은 매우 천천히 냉각되어 용암에 용해된 가스가 기포(기포)로 용액에서 빠져나와 흐름의 상단으로 떠오를 시간이 있다. 나머지 흐름의 대부분은 덩어리지고 기포가 없다. 그러나 흐름의 기저부에 가까운 더 빠르게 냉각되는 용암은 유리질 암석의 얇은 냉각된 가장자리를 형성하고, 유리질 가장자리의 바로 위에서 더 빠르게 결정화된 암석에는 암석이 빠르게 결정화되면서 갇힌 기포가 포함된다. 이들은 점토 담뱃대 줄기와 유사한 독특한 모양을 가지고 있으며, 특히 기포가 일반적으로 주변의 어두운 현무암과 대조되는 방해석 또는 기타 밝은 색상의 광물로 채워지기 때문이다.[9]

아주 작은 규모에서, 범람 현무암의 조직은 미정질이며, 작은 상호 연결된 결정으로 구성된다. 이러한 상호 연결된 결정들은 트랩암(trap rock)에 엄청난 인성과 내구성을 부여한다.[9] 범람 현무암은 다른 화산암에서 흔히 나타나는, 표면으로 분출되기 전에 용암에 존재하는 큰 결정인 큰 반정이 거의 없다.[9]

범람 현무암은 가장 흔하게 석영 섬록암이다. 감람석 섬록암(대양 중앙 해령의 특징적인 암석[9])은 덜 흔하게 발생하며, 드물게 알칼리 현무암의 경우도 있다. 구성에 관계없이, 유동은 매우 균질하며 용암에 포함된 주변 암석(모암)의 파편인 제노리스를 거의 포함하지 않는다. 용암에 용해된 가스가 적기 때문에 화산쇄설암은 극히 드물다. 유동이 호수로 들어가 베개 용암이 된 경우를 제외하고는, 유동은 대규모(특징 없음)이다.[9]

3. 2. 화학 조성

범람 현무암은 대부분 석영 톨레아이트로 구성되어 있다.[12] 감람석 톨레아이트(해양 중앙 해령의 특징적인 암석[12])는 덜 흔하며, 드물게 알칼리 현무암도 나타난다. 주요 원소 화학 성분은 해양 지각 현무암(MORB)과 유사하며, 미량 원소, 특히 희토류 원소 화학 성분은 해양 섬 현무암과 유사하다.[12]

일반적으로 범람 현무암의 실리카 함량은 약 52%이다. 마그네슘 수(총 철과 마그네슘 함량 중 몰%)는 약 55%[12]로, 일반적인 MORB의 60%[12]보다 낮다. 희토류 원소는 원래(원시) 마그마가 가넷이 풍부하고 이전에 소량의 마그마가 추출된 "고갈되지 않은" 지구 맨틀의 암석에서 형성되었음을 보여주는 풍부도 패턴을 보인다. 범람 현무암의 사장석과 감람석의 화학적 성분은 마그마가 지구 지각의 용융된 암석에 의해 약간만 오염되었음을 시사하지만, 일부 고온 광물은 표면에 도달하기 전에 이미 암석에서 결정화되었다.[12] 즉, 범람 현무암은 적당히 마그마 분화되었다.[12] 그러나 용융물에서 소량의 사장석만 결정화된 것으로 보인다.[12]

화학적으로 균질한 그룹을 형성하는 것으로 간주되지만, 범람 현무암은 때때로 단일 지역 내에서도 상당한 화학적 다양성을 보인다. 예를 들어, 파라나 분지의 범람 현무암은 저인 및 티타늄 그룹(LPT)과 고인 및 티타늄 그룹(HPT)으로 나눌 수 있다. 이러한 차이는 상부 맨틀의 비균질성에 기인하지만,[13] 스트론튬 동위 원소 비율은 LPT 마그마가 더 많은 양의 용융 지각에 의해 오염될 수 있음을 시사한다.[14]

범람 현무암의 조성은 마그마가 표면에 도달하는 메커니즘을 반영할 수 있다. 상부 맨틀에서 형성된 원래의 용융물(''원시 용융물'')은 석영 톨레아이트의 조성을 가질 수 없다. 석영 톨레아이트는 범람 현무암의 가장 흔하고 일반적으로 덜 진화된 화산암인데, 석영 톨레아이트는 일반적인 맨틀 암석과의 평형 상태에서 형성되기에는 마그네슘에 비해 철이 너무 풍부하기 때문이다. 원시 용융물은 피크라이트 현무암의 조성을 가졌을 수 있지만, 피크라이트 현무암은 범람 현무암 지역에서는 흔하지 않다. 한 가지 가능성은 원시 용융물이 맨틀-지각 경계에 도달하면 '정체'된다는 것이다. 이곳에서는 밀도가 낮은 지각 암석을 관통할 만큼 부력이 충분하지 않다. 톨레아이트 마그마가 분화될 때(고온 광물이 결정화되어 마그마에서 침전되면서 조성 변화) 밀도는 마그네슘 수가 약 60에서 최소값에 도달하며, 이는 범람 현무암과 유사하다. 이는 부력을 회복시키고 마그마가 표면으로의 여정을 완료하도록 하며, 범람 현무암이 주로 석영 톨레아이트인 이유를 설명한다. 원래 마그마의 절반 이상이 누적암으로 하부 지각에 남아 있으며, 이는 암맥과 암상 시스템에 존재한다.[17]

마그마가 상승함에 따라 압력 감소는 또한 액상선을 낮추는데, 이는 마그마가 완전히 액체 상태가 되는 온도이다. 이는 분출된 범람 현무암에서 반정질 결정이 없는 이유를 설명할 수 있다. 고체 감람석, 녹휘석, 사장석(반정질 결정으로 형성될 가능성이 높은 고온 광물) 혼합물의 '재흡수'(용융물로의 재용해)는 또한 조성을 석영 톨레아이트에 더 가깝게 만들고 부력을 유지하는 데 도움이 될 수 있다.[12]

4. 대규모 화성암 지역 (LIP)

대규모 화성암 지역(LIP, Large Igneous Provinces)은 짧은 기간 동안 막대한 양의 현무암이 분출되는 지역으로, 해양 화산 고원과 대륙 범람 현무암을 포함한다. 해저의 범람 현무암은 해저 대지를 형성한다.

범람 현무암 형성에 대한 가설은 다음과 같다.


  • 대륙 열곡과 감압 용융을 하는 맨틀 플룸에 의해 방대한 양의 소레아이트질 현무암 마그마(tholeiitic basaltic magma)가 생성되고, 이 마그마가 대륙 열곡으로 인한 감압 용융과 조합되어 범람 현무암이 형성되었다는 설명이다.
  • 오랜 기간 맨틀에 축적된 용융물이 짧은 기간에 걸쳐 방출되면서 형성되었다는 설명이다.


한 번의 분출로 덮일 수 있는 면적은 200000km2 (Karoo)부터 1500000km2 (시베리아 트랩)까지 다양하며, 두께는 2000m(데칸 트랩)부터 12000m (슈피리어 호)까지 다양하다. 이는 침식으로 인해 현재는 원래 양보다 작다.

범람 현무암이 깊게 침식되면 평행한 암맥 무리가 드러나는데, 이는 상당한 지각 연장이 발생했음을 보여준다. 서부 스코틀랜드와 아이슬란드의 암맥 무리는 최대 5%의 연장을 보인다. 많은 범람 현무암은 열곡과 관련이 있으며, 수동적인 대륙판 경계에 위치하거나 아울라코겐(대륙 열개 현상이 시작되는 삼중점의 실패한 팔)으로 확장된다. 대륙 범람 현무암은 종종 해양 분지의 열점 화산 활동과 일치한다.[15][16]

세계의 거대 화성암 암석구 (LIP, 지도 중 보라색) 분포도

4. 1. 대륙 범람 현무암 (CFB)

대규모 화성 활동 지역(LIP, Large Igneous Provinces)은 지질학적으로 매우 짧은 기간 동안 주로 현무암이 대량으로 분출되는 지역을 말한다. 대륙 범람 현무암(CFB, Continental flood basalts) 또는 고원 현무암은 이러한 대규모 화성 활동 지역이 대륙에서 나타나는 경우를 지칭한다.[21]

범람 현무암은 매우 낮은 점도를 가진 소레아이트질 현무암 마그마(tholeiitic basaltic magma)로 구성되어, 높은 화산을 형성하는 대신 옆으로 넓게 퍼지는 특징을 보인다.[9][10][11] 이러한 특징으로 인해 범람 현무암은 '고원 현무암'이라고도 불리며, 침식된 지역에서는 계단식 지형('트랩 암(trap rock)'이라고도 불림)을 나타낸다.

범람 현무암의 형성은 대륙 열곡과 감압 용융을 하는 맨틀 플룸의 조합으로 설명되기도 하고, 오랜 기간 맨틀에 축적된 용융물이 짧은 시간에 방출되어 형성되었다는 설명도 있다.[15][16]

대표적인 대륙 범람 현무암 지역으로는 인도 중앙의 데칸 트랩, 시베리아의 시베리아 트랩, 북서 아메리카의 컬럼비아 강 고원 등이 있다. 이들은 선사 시대에 범람 현무암으로 뒤덮였던 지역들이다. 캐나다의 중기 원생대 메켄지의 거대한 화성 지방은 머스칵스 중첩 침투와 연관된 코퍼마인 강 범람 현무암을 포함한다.

범람 현무암의 규모는 한 번의 분출로 덮일 수 있는 면적이 200000km2 (Karoo)에서 1500000km2 (시베리아 트랩)에 달하며, 두께는 2000m(데칸 트랩)에서 12000m (슈피리어 호)까지 다양하다.

범람 현무암의 깊은 침식은 분출을 공급한 수많은 평행한 암맥을 노출시킨다.[9] 컬럼비아 강 고원의 일부 개별 암맥은 길이가 100km 이상이다.[9] 어떤 경우에는 침식으로 인해 수천 킬로미터의 지름을 가진 방사형 암맥 세트가 노출된다.[9]

범람 현무암은 종종 적색층과 함께 층을 이룬다. 퇴적물의 퇴적은 최초의 범람 현무암 분출 전에 시작되므로, 침강과 지각 얇아짐은 범람 현무암 활동의 전조이다.[9] 깊이 있는 현무암 지층(''경사 반사체'')이 반사 지진파 탐사를 통해 수동 대륙 경계를 따라 발견되었다.

다음은 대표적인 대륙 범람 현무암과 해양 평원(oceanic plateau)을 연대순으로 정리한 표이다.[27]

이름초기 또는 최대 활동
(Ma 전)		표면적
(1,000km2)		부피
(km3)		관련 사건
칠코틴 군10503,300
컬럼비아 강 현무암 군17160174,300옐로스톤 핫스팟[2][28]
에티오피아-예멘 대륙 범람 현무암31600350,000
북대서양 화성암 지역 (NAIP)56 (2단계)1,3006,600,000고-신생대 온난화[29]
데칸 트랩661,5003,000,000백악기-고생대 대량 절멸
카리브해 거대 화성암 지역95 (주요 단계)2,0004,000,000세노만-투로니아 경계 사건 (OAE 2)[29]
케르겔렌 고원1191,200압트 절멸[30]
온통자바 고원120 (1단계)2,00080,000,000셀리 사건 (OAE 1a)[29]
북극권 거대 화성암 지역 (HALIP)120-1301,000셀리 사건 (OAE 1a)[31]
파라나 및 에텐데카 트랩1321,5002,300,000
카루 및 페라르 지역1833,0002,500,000토르시안 절멸 사건[32]
중앙 대서양 마그마 지역20111,0002,000,000 – 3,000,000트라이아스기-쥐라기 대량 절멸[33]
시베리아 트랩2517,0004,000,000페름기-트라이아스기 대량 절멸[34]
에메이산 트랩265250300,000카피타니안 말기 절멸 사건[35]
빌류이 트랩373320후기 데본기 절멸[36]
사우스 오클라호마 아울라코겐54040250,000말기 에디아카리아기 사건[37]
아라비아-누비아 방패8502,700
매켄지 거대 화성암 지역12702,700500,000코퍼마인 강 범람 현무암을 포함하며, 이는 머스콕스 층상 관입과 관련이 있다.[39]



콜롬비아 강 고원의 홍수 현무암 풍경. 모세스 쿨리라고 불린다.


다음은 현재 지구상에서 관찰되는 범람 현무암의 대표적인 예시이다.

판 구조론의 관점에서 볼 때, 대륙 지각은 주로 가벼운 화강암질로 구성되어 있어, 밀도가 높은 현무암 용암이 대륙에서 대량으로 생성되는 것은 특이한 현상이다. 범람 현무암을 형성한 용암은 맨틀에서 유래된 것으로 추정되며, 대륙 분열과 같은 지각 균열이 발생했을 때 분출되는 것으로 생각된다.

예를 들어, 대서양을 사이에 둔 카루 현무암과 파라나 현무암은 아메리카 대륙과 아프리카 대륙이 분열될 때 발생한 균열을 따라 분출한 현무암으로 추정된다. 컬럼비아 강 고원의 경우, 인근 화산 활동으로 인해 지각에 인장 응력이 가해져 균열이 발생한 것으로 여겨진다.

5. 지구 환경에 대한 영향

범람 현무암 분출은 대량의 화산 가스 방출을 동반한다. 1783년 아이슬란드의 라키 화산 분화처럼 현무암질 용암 분화는 화산재를 적게 분출하지만, 대량의 화산 가스를 배출하여 지구 환경에 큰 영향을 미친다. 라키 화산 분화로 북반구는 수년간 한랭화되었고, 일본에서는 덴메이 대기근이 발생했다.[47] 범람 현무암 분출 시 화산 가스 분출량은 라키 화산 분화의 수십 배 이상으로 추정되어, 지구 환경에 심각한 영향을 미쳤을 가능성이 높다.

최대 규모의 시베리아 트랩 분화는 역사상 최대 규모의 대량 멸종인 P-T 경계와 일치하며, 대량 멸종의 원인 중 하나로 여겨진다. 해양 대량 분출인 온통자와 해산 형성은 해양 무산소 사변과 시기가 가깝고, 지구 표층 환경 변동 및 Aptian extinction|앱트절 멸종영어과 관련이 있다.[47]

시베리아 트랩 분출 시, 막대한 양의 이산화 탄소와 황 산화물이 방출되었고, 석유 저류층과 석탄층에서 추가적인 이산화 탄소와 메탄이 방출되었다. 방출된 가스는 6400개 이상의 다이어트림과 유사한 파이프를 생성했다. 타는 석탄층에서 나온 석탄재는 유독성 크롬, 비소, 수은, 납을 확산시켰다. 마그마에 의해 가열된 증발암 층은 염산, 염화 메틸, 브롬화 메틸을 방출하여 오존층을 손상시켰다. 다량의 이산화 황도 방출되었다. 이산화 탄소는 극심한 온실 효과를 일으켜 지구 평균 해수 온도가 최고 38°C까지 상승했다.

5. 1. 지각 형성

범람 현무암은 분출 화성암 중 가장 부피가 크며, 지질학적 기록 전반에 걸쳐 발견되는 거대한 현무암 암석 퇴적물을 형성한다.[9][10] 이는 지질학적으로 짧은 시간 간격 동안 엄청난 양의 용암이 분출되는 매우 독특한 형태의 판 내부 화산 활동이다.[11] 단일 범람 현무암 지역은 백만 년 미만의 기간 동안 수십만 입방 킬로미터의 현무암이 분출될 수 있으며, 개별 사건은 각각 수백 입방 킬로미터의 현무암을 분출한다. 이 유동성이 높은 현무암 용암은 공급 화구에서 수백 킬로미터나 측면으로 퍼져나가, 수만 평방 킬로미터의 지역을 덮을 수 있다. 연속적인 분출은 넓은 지역에 걸쳐 빠르게 분출되는 두꺼운 거의 수평적인 흐름의 축적을 형성하여, 지역적 규모로 용암으로 지구 표면을 범람시킨다.[9]

이러한 방대한 범람 현무암의 축적은 대규모 화성암 지역을 구성하며, 고원 지형의 특징을 가지므로 ''고원 현무암''으로도 불린다. 범람 현무암은 대륙 지각의 성장에 크게 기여한다. 홍수 현무암 분출은 평균적으로 해양 중앙 산맥에서 용암이 분출되는 속도와 비슷하며 열점에서의 분출 속도보다 훨씬 빠르다. 그러나 해양 중앙 산맥에서의 분출은 비교적 꾸준한 반면, 홍수 현무암 분출은 매우 간헐적이다. 홍수 현무암은 연간 0.1km3의 속도로 새로운 대륙 지각을 생성하는 반면, 해양 고원을 형성하는 분출은 연간 2km3의 지각을 생성한다.

홍수 현무암 에피소드 동안 형성된 새로운 지각의 상당 부분은 언더플레이팅 형태로 나타나며, 원래 마그마의 절반 이상이 지각 기저부의 실에서 누적으로 결정화된다.[17]

5. 2. 대량 멸종과의 연관성

레드 스톤 호의 시베리아 트랩


범람 현무암의 분출은 대량 멸종과 연관되어 있다. 예를 들어, 데칸 트랩은 백악기-고생대 경계에서 분출되었으며, 비조류 공룡의 멸종에 기여했을 수 있다.[22] 마찬가지로, 페름기-트라이아스기 경계, 트라이아스기-쥐라기 경계, 그리고 쥐라기의 토아르기아 지질 시대에서 일어난 대량 멸종은 시베리아 트랩, 중앙 대서양 마그마 대지, 그리고 카루-페라르 범람 현무암의 시대와 일치한다.[9]

범람 현무암은 비교적 짧은 기간 동안 엄청난 양의 용암이 지표로 분출하여 형성된 것으로 생각된다. 그렇기 때문에 지구 환경에 급격한 변화를 일으키고, 중대한 영향을 미쳤을 것으로 여겨진다.

현무암질 용암 분화는 화산재 분출량이 적은 반면, 대량의 화산 가스를 배출하는 경우가 많다. 이러한 화산 가스는 지구 환경에 큰 영향을 미치는데, 1783년 아이슬란드의 라키 화산 분화가 대표적인 사례이다. 라키 화산 분화는 대규모 현무암질 용암 분화였으며, 이때 방출된 화산 가스로 인해 최소한 북반구는 수년간 한랭화되었다. 이는 일본의 덴메이 대기근으로도 나타났다.

범람 현무암 분출 시에도 화산 가스가 분출된다고 가정하면, 그 양은 라키 화산 분화의 수십 배 이상으로 추정된다. 따라서 범람 현무암 분출은 당시 지구 환경에 심각한 영향을 미쳤을 가능성이 높다. 실제로 최대 규모의 시베리아 트랩 분화 시기는 역사상 최대 규모의 대량 멸종이 일어난 P-T 경계와 일치하며, 이 시기 대량 멸종의 원인 중 하나로 여겨진다. 또한, 해양에서의 대량 분출이었던 온통자와 해산의 형성 시기는 해양 무산소 사변과 시기가 가깝고,[47] 지구 표층 환경 변동과 Aptian extinction|앱트절 멸종영어과의 연관성이 지적되고 있다.

시베리아 트랩 분출 동안, 약 500만km3의 마그마가 지각을 관통하여 미국 본토의 62%에 해당하는 500만km2 면적을 덮었다. 뜨거운 마그마에는 막대한 양의 이산화 탄소와 황 산화물이 포함되어 있었고, 이 지역의 깊은 석유 저류층과 석탄층에서 추가적인 이산화 탄소와 메탄을 방출했다. 방출된 가스는 6400개 이상의 다이어트림과 유사한 ''파이프''를 생성했는데,[24] 각각의 직경은 일반적으로 1.6km 이상이었다. 이 파이프는 최대 160조 톤의 이산화 탄소와 46조 톤의 메탄을 방출했다. 타는 석탄층에서 나온 석탄재는 유독성 크롬, 비소, 수은, 납을 캐나다 북부 전역으로 확산시켰다. 마그마에 의해 가열된 증발암 층은 염산, 염화 메틸, 브롬화 메틸을 방출하여 오존층을 손상시키고 자외선 차단을 최대 85%까지 감소시켰다. 5조ton 이상의 이산화 황도 방출되었다. 이산화 탄소는 극심한 온실 효과를 일으켰고, 지구 평균 해수 온도는 최고 38°C로 치솟았는데, 이는 지질학적 기록에서 관찰된 가장 높은 온도였다. 온도는 510만 년 동안 32°C 이하로 떨어지지 않았다. 이처럼 높은 온도는 대부분의 해양 생물에게 치명적이며, 육상 식물은 35°C 이상의 온도에서 광합성을 계속하는 데 어려움을 겪는다. 지구 적도 지역은 생명이 없는 구역이 되었다.[25]

그러나 모든 대규모 화성암 지대가 멸종 사건과 연결되는 것은 아니다.[9]

6. 태양계 내 다른 천체의 범람 현무암

달의 바다는 피크라이트 현무암으로 구성된 대규모 현무암으로 묘사되어 왔다.[41][42] 개별적인 분출 에피소드는 지구의 대규모 현무암과 부피가 비슷했을 가능성이 있지만, 훨씬 더 긴 휴지 기간으로 분리되었고 다른 메커니즘에 의해 생성되었을 가능성이 높다.[43]

화성의 대규모 현무암


화성에도 광범위한 대규모 현무암이 존재한다.[44]

대규모 현무암은 태양계의 다른 행성과 위성에서 마그마 작용의 지배적인 형태이다.[40]

7. 활용

범람 현무암은 모든 암석 유형 중에서 가장 내구성이 뛰어난 건설 골재이다. 그 이유는 서로 맞물린 결정들이 무작위로 배열되어 있기 때문이다.[1]

참조

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