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오피오라이트

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목차

1. 개요

오피오라이트는 1813년 알렉상드르 브롱냐르가 사문암을 지칭하기 위해 처음 사용한 용어로, 이후 구스타프 슈타인만에 의해 해저 확장과 판 구조론 연구에 기여하는 새로운 정의가 내려졌다. 1972년 미국지질학회 펜로즈 회의에서 오피오라이트는 초고철질 구조암, 층상 화성암 복합체, 고철질 판상암맥, 화산암, 퇴적암 등으로 이루어진 암석 계열로 정의되었다. 오피오라이트는 중앙 해령에서 발생하는 암석권 형성 과정과 유사한 층서적 배열을 보이며, 판상 암맥, 반려암, 페리도타이트 등으로 구성된다. 오피오라이트는 하쯔버자이트 오피오라이트(HOT)와 러졸라이트 오피오라이트(LOT)로 구분되며, 해령, 도호, 전호분지 등 다양한 환경에서 생성될 수 있다. 오피오라이트는 크롬철광 광상과 연계되어 나타나기도 하며, 오만의 세마일 오피오라이트, 키프로스의 트로도스 오피오라이트 등이 대표적인 예시이다.

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오피오라이트
개요
오피올라이트의 전형적인 층서
오피올라이트의 전형적인 층서
어원고대 그리스어 "ὄφις" (뱀) + "λίθος" (돌)
정의상승 및 노출된 해양 지각과 상부 맨틀의 단면
구성심해 퇴적물
현무암질 해저 화산암 (베개 용암)
판상형 복합체 (다이크 떼)
등방성 섬록암 및 반려암
층상 반려암
맨틀 감람암 (사문암화)
형성 과정
해령 확장해령에서 생성된 해양 지각이 밀려서 섭입대로 이동하는 과정에서 일부가 융기되어 형성됨.
섭입대섭입대에서 해양 지각이 대륙 지각 아래로 섭입하는 과정에서, 전호 분지에서 확장 작용이 일어나 해양 지각이 융기되어 형성될 수 있음.
변환 단층변환 단층을 따라 해양 지각이 이동하는 과정에서 일부가 융기되어 형성될 수 있음.
중요성
지질학적 증거판 구조론의 증거를 제공하며, 고대 해양 지각의 성분과 구조를 연구하는 데 중요한 자료를 제공함.
광물 자원크롬철석, 석면, 활석, 니켈 등 중요한 광물 자원의 공급원이 될 수 있음.
분포
주요 지역키프로스 트로오도스 산맥
오만 세마일 오피올라이트
캘리포니아 클레어몬트 마인
뉴펀들랜드 섬
이탈리아 알프스 산맥
일본 히다 산맥
대한민국 (경상남도 하동군)

2. 정의

오피오라이트라는 용어는 1813년 프랑스의 광물학자 알렉상드르 브롱냐르(Alexandre Brongniart)가 처음 사용했으며, 당시에는 멜란지 속의 사문암을 가리키는 말이었다. 이후 1827년 그는 이 용어를 다시 정의하여 이탈리아 아펜니노산맥에서 발견되는 반려암, 휘록암, 화산암의 조합을 지칭하는 것으로 확장했다. 1927년에는 구스타프 스타인만(Gustav Steinmann)이 오피오라이트를 지향사 축을 따라 관입한 염기성-초염기성 화성암 계열로 새롭게 정의하며, 페리도타이트, 반려암, 휘록암, 화산암과 그 위에 놓인 심해저퇴적물의 연관성에 주목했다[29].

여러 학자들이 오피오라이트에 대해 연구했지만 통일된 정의는 오랫동안 확립되지 못하다가, 1972년 미국지질학회의 펜로즈 회의(Penrose Conference)에서 현대적인 정의가 내려졌다. 이 회의에서 합의된 오피오라이트의 정의는 다음과 같다.

'''아래에서부터 위로, 초고철질 구조암, 고철질-초고철질의 층상 화성암 복합체, 일부 섬록암과 화강암, 고철질 판상암맥, 그리고 고철질 화산암을 포함하며 연계되어 위에 얹혀있는 퇴적암과 크롬철광 광상으로 이루어지는 암석의 계열[30].'''

이 정의는 오피오라이트에서 관찰되는 특징적인 암석의 층서적 배열이 중앙 해령에서 암석권이 형성되는 과정과 유사하다는 점에 기반한다. 하지만 이 1972년 정의는 이후 통합해양시추계획 등을 통해 실제 해양 지각의 구조가 매우 다양하며, 일부 지역에서는 펜로즈 회의 정의와 다른 암석 조합이 발견됨에 따라 지속적인 논의의 대상이 되고 있다[1].

2. 1. 초기 정의

오피오라이트라는 용어는 1813년 프랑스의 광물학자 알렉상드르 브롱냐르(Alexandre Brongniart)가 처음 사용했다. 그는 당시 멜란지라고 불리는 대규모 각력암 속에서 발견되는 사문암을 지칭하기 위해 이 용어를 사용했다.[15][16] 이후 1827년 (또는 1821년[16]) 그는 이 용어의 정의를 확장하여 이탈리아의 아펜니노산맥에서 나타나는 반려암, 휘록암(다이아베이스), 초고철질암, 화산암과 같은 다양한 화성암의 조합을 가리키는 것으로 정의했다.[16] 이로써 오피오라이트는 알프스산맥과 아펜니노 산맥에서 잘 알려진 암석 조합의 이름이 되었다.[16]

1927년, 구스타프 슈타인만(Gustav Steinmann)은 오피오라이트에 대한 새로운 정의를 제시했다. 그는 오피오라이트를 지향사 축을 따라 관입한, 서로 연관된 염기성-초염기성 화성암 계열로 보았다. 특히 그는 오피오라이트에서 나타나는 페리도타이트, 반려암, 휘록암, 화산암과 그 위에 놓인 심해저퇴적물에 주목했다.[29] 슈타인만은 이후 '슈타인만 삼위일체'로 알려지게 된 사문암, 휘록암-스필라이트, 처트의 조합을 정의했는데,[16] 이는 훗날 해저 확장과 판 구조론 이론 발전에 기여했다.[17] 슈타인만은 오피오라이트가 심해 환경을 나타내는 퇴적암과 함께 나타난다는 점을 중요하게 생각했으며,[16] 지향사 개념을 이용해 이를 해석했다.[18] 그는 알프스의 오피오라이트가 지향사의 활동적인 측면을 따라 해저에서 분출한 것이라고 주장했다.[19] 반면, 페루 안데스 산맥에 오피오라이트가 없는 것은 안데스가 얕은 지향사였거나 지향사의 가장자리에 해당하기 때문이라고 설명했다.[18] 한스 슈틸레(Hans Stille)의 모델에서는 특정 유형의 지향사(유게오신클라인)가 오피오라이트 마그마 활동에 해당하는 '초기 마그마 작용'을 일으키는 특징을 보인다고 설명했다.[18]

여러 학자들이 오피오라이트를 기술했지만, 통일된 정의는 오랫동안 확립되지 못했다. 이후 1972년 미국지질학회의 펜로즈 회의(Penrose Conference)에서 오피오라이트에 대한 현대적인 정의가 내려졌는데, 그 내용은 다음과 같다.

'''아래에서부터 위로, 초고철질 구조암, 고철질-초고철질의 층상 화성암 복합체, 일부 섬록암과 화강암, 고철질 판상암맥, 그리고 고철질 화산암을 포함하며 연계되어 위에 얹혀있는 퇴적암과 크롬철광 광상으로 이루어지는 암석의 계열[30].'''

판 구조론이 지질학의 주류 이론으로 자리 잡으면서[1] 지향사 이론은 점차 사용되지 않게 되었고,[20] 오피오라이트는 새로운 틀 안에서 재해석되었다.[1] 오피오라이트는 해양 암석권의 파편으로 인식되었으며, 판상암맥군은 해령에서의 확장성 구조 운동의 결과로,[1][21] 심성암은 과거 마그마 방의 잔해로 이해되었다.[1]

1973년, 미야시로 아키호(Akiho Miyashiro)는 키프로스의 유명한 트로도스 오피오라이트가 호상 열도에서 기원했을 가능성을 제기하며 오피오라이트에 대한 기존의 이해에 도전했다. 그는 트로도스 오피오라이트의 많은 용암과 암맥이 칼크-알칼리성 화학 조성을 가진다는 점을 근거로 들었다.[22]

2. 2. 1972년 펜로즈 회의 정의

오피오라이트라는 용어는 1813년 프랑스의 광물학자 알렉산드르 브롱니아(Alexandre Brongniart)가 처음 사용했으며, 이후 1827년에는 아펜니노산맥에서 발견되는 반려암, 휘록암, 화산암 계열을 지칭하는 것으로 재정의되었다. 1927년 구스타프 스타인만(Gustav Steinmann)은 이를 지향사 축을 따라 관입한 염기성-초염기성 화성암 계열로 정의하며, 페리도타이트, 반려암, 휘록암, 화산암 및 심해저 퇴적물의 연관성에 주목했다[29].

여러 학자들이 오피오라이트를 기술했지만, 명확한 정의는 1972년 미국지질학회의 펜로즈 회의(Penrose Conference)에서 확립되었다. 이 회의에서 정의된 내용은 다음과 같다.

'''아래에서부터 위로, 초고철질 구조암, 고철질-초고철질의 층상 화성암 복합체, 일부 섬록암과 화강암, 고철질 판상암맥, 그리고 고철질 화산암을 포함하며 연계되어 위에 얹혀있는 퇴적암과 크롬철광 광상으로 이루어지는 암석의 계열[30].'''

오피오라이트의 층서적 배열


이 정의에 따른 오피오라이트의 일반적인 층서적 배열은 중앙 해령에서 암석권이 형성되는 과정과 유사하며, 아래에서 위로 다음과 같은 층으로 구성된다.

  • 변형된 페리도타이트: 하르츠부르가이트/럴졸라이트가 풍부한 맨틀 암석.
  • 누적 페리도타이트: 마그마 챔버에서 침전된 광물로 이루어진 두나이트가 풍부한 층.
  • 층상 반려암: 마그마 챔버에서 광물이 침전되어 생성된 층.
  • 고준위 관입암: 등방성 반려암으로, 분별된 마그마 챔버를 나타낸다.
  • 판상 암맥 복합체: 상부의 용암을 공급하는 수직적이고 평행한 암맥.
  • 분출 시퀀스: 현무암 베개 용암으로, 마그마와 해수의 접촉을 보여준다.
  • 원양성 퇴적물: 주로 규질 연니, 석회질 연니 및 적색 점토로, 지각이 형성된 이후 퇴적된 층.


1972년 펜로즈 회의 정의는 오피오라이트의 나머지 부분과 별개로 형성된 퇴적층까지 포함하여 위의 모든 층을 포괄한다[1].

3. 구성

오피오라이트는 특징적인 초고철질암-고철질암 화성암들의 층상 구조로 이루어져 있으며, 이를 위층서(僞層序, pseudostratigraphy)라고 부른다. 이 위층서는 일반적으로 상부의 심해저 퇴적물 아래로 화산암, 판상암맥, 반려암, 초고철질암 순서로 나타나지만, 모든 오피오라이트에서 이 구조가 완전하게 발견되는 것은 아니다. 오피오라이트는 암석학적 모호면과 지진파로 감지되는 모호면이 다르게 나타나는 특징을 가지며, 생성 환경의 부분용융 정도에 따라 하쯔버자이트 오피오라이트(HOT)와 러졸라이트 오피오라이트(LOT) 유형으로 구분되기도 한다.

3. 1. 위층서

오피오라이트는 초고철질-고철질 화성암들이 층상으로 쌓여 있는 독특한 구조를 가지며, 이를 위층서(僞層序, pseudostratigraphy)라고 부른다. 이는 일반적인 퇴적암의 층서와는 다르지만, 유사한 층상 구조를 보이기 때문에 붙여진 이름이다. 오피오라이트의 위층서는 일반적으로 상부에서 하부로 다음과 같은 순서를 보인다.

# 원양성 퇴적물: 지각이 형성된 후 쌓인 퇴적물로, 주로 차트, 규질 연니, 석회질 연니, 원양성 적점토 등으로 구성된다.

# 고철질 화산암 복합체 (분출암): 주로 현무암 베개 용암 형태로 나타나며, 마그마가 해수와 직접 접촉하여 형성되었음을 보여준다.

# 고철질 판상암맥 복합체: 상부의 용암을 공급했던 수직적이고 평행한 암맥들로, 주로 휘록암(다이아베이스)으로 이루어져 있다.

# 반려암 복합체: 마그마 챔버에서 정출된 암석으로, 상부는 층 구조가 없는 등방성 반려암(고준위 관입암), 하부는 마그마 챔버 바닥에 광물이 가라앉아 형성된 층상 반려암으로 나뉜다.

# 초고철질암 (누적암): 마그마 챔버에서 초기에 정출되어 가라앉은 광물들로 이루어진 암석으로, 두나이트나 페리도타이트가 풍부하다.

# 변형된 초고철질암 (텍토나이트): 맨틀의 일부였던 암석으로, 맨틀 유동에 의한 구조 변형의 흔적을 가지고 있다. 주로 하쯔버자이트, 러졸라이트, 던나이트 등으로 구성되며, 사문암화 되어 있는 경우도 많다.

그러나 모든 오피오라이트에서 이 모든 층서가 뚜렷하게 나타나는 것은 아니며, 일부 층이 없거나 부분적으로만 나타나는 경우도 흔하다.

오피오라이트에서는 모호면이 두 가지 형태로 나타날 수 있다. 하나는 실제 암석의 경계인 암석학적 모호면이고, 다른 하나는 지진파 속도 변화로 감지되는 지진파 모호면이다. 이는 해양지각 하부(누적 초고철질암)와 그 아래의 맨틀 암석(변형된 초고철질암)이 모두 초고철질암으로 구성되어 밀도 차이가 거의 없기 때문에 발생한다. 지진파는 밀도가 비슷한 두 암석층을 잘 구분하지 못하므로, 지진파 모호면은 실제 맨틀 경계보다 위쪽인 고철질암(반려암)과 초고철질암의 경계에서 나타나는 경향이 있다. 실제 모호면은 암석학적 모호면으로, 누적 초고철질암과 변형된 맨틀 초고철질암 사이의 경계를 의미한다.

오피오라이트의 층상 구조는 생성 환경에 따라 다르게 나타날 수 있으며, 크게 하쯔버자이트 오피오라이트(Harzburgite Ophiolite Type, HOT)와 러졸라이트 오피오라이트(Lherzolite Ophiolite Type, LOT) 두 종류로 나뉜다. HOT는 부분용융이 활발하게 일어난 환경(예: 빠른 확장 속도의 중앙 해령)에서, LOT는 부분용융이 상대적으로 약한 환경(예: 느린 확장 속도의 중앙 해령, 대륙 주변부)에서 형성되는 것으로 여겨진다. 두 유형의 주요 차이는 다음과 같다.

구분하쯔버자이트 오피오라이트 (HOT)러졸라이트 오피오라이트 (LOT)
위층의 퇴적층심해저퇴적물과 화산 분출물심해저퇴적물, 화산 분출물, 천해성퇴적물, 오피오라이트 조각을 포함한 각력암 등 다양함
기반암변성된 해양 지각 하부변성된 해양 지각 또는 대륙 지각 하부
고철질암 층 두께2km ~ 7km (평균 2-3 km)0km ~ 3km (평균 0-1 km 또는 2-3 km)
층상 반려암두껍고 연속적으로 발달얇고 불연속적이거나 없는 경우도 있음
관입암드물게 휘록암 암맥, 웰라이트 암체수많은 휘록암 층상암맥
현무암 화학 조성쏠레아이트질알칼리질 또는 쏠레아이트질
Fe-Ti/Mg 반려암 비율작음큼
저온 소성 변형드묾흔함
초고철질암 구성하쯔버자이트, 던나이트사장석 러졸라이트
고온 소성 변형 구조평탄한 엽리, 국부적으로 수직인 선리급경사의 엽리, 완경사의 선리
네오블라스트(neoblast) 크기약 4mm약 0.5mm
크롬철광 광체존재 가능거의 없음
휘록암드묾상부에 흔함
사문암화리자다이트(lizardite)리자다이트, 안티고라이트(antigorite), 오피칼사이트(ophicalcite)



1972년 미국 지질학회 펜로즈 컨퍼런스에서는 '오피오라이트'라는 용어를 위에 설명된 모든 암석층(퇴적층 포함)을 포괄하는 것으로 정의했다.[1] 하지만 이후 통합해양시추계획(IODP) 등을 통한 해양 지각 연구 결과, 실제 현장의 해양 지각 두께와 구성이 매우 다양하며, 어떤 곳에서는 반려암층 없이 판상 암맥이 직접 페리도타이트 위에 놓여 있다는 사실이 밝혀지면서 기존의 정의에 대한 논의가 계속되고 있다.

3. 2. 모호면

오피오라이트에서는 모호면이 두 가지 형태로 나타난다. 하나는 암석학적 모호면이고 다른 하나는 지진파 모호면이다. 이는 해양지각의 하부와 맨틀 상부가 모두 초고철질암으로 구성되어 있기 때문에 발생하는 현상이다. 즉, 두 부분의 암석 밀도가 거의 비슷하여 지진파로는 이 둘을 명확히 구분하기 어렵다.

따라서 지진파의 속도 변화로 감지되는 지진파 모호면은 실제 맨틀과의 경계가 아닌, 상부의 고철질암과 하부의 초고철질암 사이의 경계에서 나타난다. 반면, 실제 맨틀과의 경계는 암석학적 구성의 차이를 기준으로 하는 암석학적 모호면이며, 이는 초고철질 누적암과 그 아래의 맨틀 구조암(tectonite) 사이의 경계를 의미한다.

3. 3. HOT와 LOT

오피오라이트의 층상 구조는 그 종류에 따라 다르게 나타날 수 있다. 오피오라이트는 크게 하쯔버자이트 오피오라이트(Harzburgite Ophiolite Type, HOT)와 러졸라이트 오피오라이트(Lherzolite Ophiolite Type, LOT) 두 가지 유형으로 나뉜다. 이는 맨틀 암석의 부분용융 정도에 따라 구분되는데, HOT는 부분용융이 활발했던 환경에서, LOT는 부분용융이 약했던 환경에서 형성된 것으로 여겨진다.

두 유형은 상부에 쌓인 퇴적물의 종류부터 내부 층상 구조의 구성까지 다양한 차이를 보인다. 예를 들어, HOT 위에는 주로 심해 환경에서 쌓인 퇴적물이 발견되지만, LOT 위에는 심해 퇴적물 외에도 천해 환경 퇴적물이나 오피오라이트 조각을 포함한 각력암 등이 나타나기도 한다. 고철질암 부분의 두께는 LOT보다 HOT에서 더 두껍게 나타나며, 반려암 계열 암석도 HOT에서 더 뚜렷하게 발달하는 경향이 있다. 초고철질암 부분의 구성에서도 차이가 있는데, HOT는 주로 하쯔버자이트와 던나이트로 이루어져 있는 반면, LOT는 러졸라이트가 주를 이룬다. 두 유형의 주요 특징은 아래 표와 같이 요약할 수 있다.

구분HOT (하쯔버자이트 오피오라이트)LOT (러졸라이트 오피오라이트)
상부 퇴적층심해 퇴적물과 화산 분출물심해 퇴적물, 화산 분출물, 각력암 등 다양
기반암변성된 해양 지각 하부변성된 해양 지각 또는 대륙 지각 하부
고철질암 층 두께2km~7km0km~3km
층상 반려암두껍고 연속적으로 발달얇고 불연속적이거나 없는 경우도 있음
관입암드물게 휘록암 암맥, 웰라이트 암체다수의 휘록암 층상암맥
현무암 화학 조성쏠레아이트질알칼리/쏠레아이트질
Fe-Ti/Mg 반려암 비율작음큼
저온 소성 변형드묾흔함
초고철질암 구성하쯔버자이트, 던나이트사장석 러졸라이트
고온 소성 변형 구조평탄한 엽리, 국부적으로 수직 방향 선리급경사의 엽리와 완경사의 선리
네오블라스트(neoblast) 크기약 4mm약 0.5mm
크롬철광 광체존재없음
휘록암드묾상부에서 흔함
사문암화리자다이트리자다이트, 안티고라이트, 오피칼사이트


4. 형성과 지체구조

판구조론이 확립되기 전에는 오피오라이트를 지향사 축에서 분출한 초염기성-염기성 암장으로 생각했다. 판구조론이 확립된 이후에는 오피오라이트가 주로 중앙 해령에서 생성된다는 의견이 지배적이었다.

그러나 1973년 일본의 지질학자 미야시로 아키호가 키프로스의 투르도스 오피오라이트 연구를 통해 도호(Island arc) 환경에서 생성될 수 있다는 주장을 제기한 이후[31], 오피오라이트의 생성 환경에 대한 이해는 더욱 넓어졌다. 현재는 오피오라이트가 중앙 해령이나 도호뿐만 아니라 전호분지(forearc basin), 배호분지(backarc basin)와 같은 다양한 지질 구조 환경에서도 생성될 수 있음이 알려져 있다.

오피오라이트는 전 세계 대부분의 조산대에서 확인된다.[2] 오피오라이트 연구의 주요 쟁점은 두 가지로 나뉜다. 첫째는 오피오라이트가 어떻게 형성되었는지(기원)이며, 둘째는 상대적으로 밀도가 높은 해양 지각 조각인 오피오라이트가 어떻게 밀도가 낮은 대륙 지각 위로 올라와 자리 잡게 되었는지(배치 메커니즘)이다.[3]

4. 1. 미야시로 아키호의 도호 환경 기원설

판구조론이 확립된 이후, 오피오라이트는 주로 중앙 해령에서 생성된다는 견해가 지배적이었다. 그러나 1973년, 일본의 지질학자 미야시로 아키호는 이러한 통념에 도전하는 새로운 주장을 내놓았다. 그는 키프로스에 위치한 투르도스(Troodos) 오피오라이트를 지화학적으로 분석했는데, 이 오피오라이트의 용암이 일본의 이즈-보닌 제도 화산암과 주요 원소 구성 등 지화학적 특성이 유사하다는 점에 주목했다. 이를 근거로 미야시로는 투르도스 오피오라이트가 중앙 해령이 아닌 도호 환경에서 생성되었을 가능성을 처음으로 제시했다.[31][22]

미야시로의 주장은 처음에는 반론에 부딪히기도 했다. 예를 들어 무어(Moores)는 "주요 원소는 암석이 변질되는 과정에서 그 양이 변할 수 있으므로, 이를 근거로 생성 환경을 판단하는 것은 신뢰하기 어렵다"고 지적했다.[32] 하지만 이후 변질 과정에서도 잘 변하지 않는 비유동성 원소를 이용한 후속 연구들이 진행되면서, 투르도스 오피오라이트가 실제로 도호 환경에서 생성되었다는 미야시로의 견해가 점차 힘을 얻게 되었다.

현재 학계에서는 오피오라이트가 중앙 해령이나 도호뿐만 아니라, 전호분지나 배호분지와 같은 다양한 판구조 환경에서도 생성될 수 있다고 본다. 미야시로의 연구는 오피오라이트의 생성 환경에 대한 이해를 넓히는 중요한 계기가 되었다.

4. 2. 다양한 생성 환경

판구조론이 확립되기 이전에는 오피오라이트를 지향사 축에서 분출한 초염기성-염기성 암장으로 생각했으나, 판구조론 확립 이후에는 중앙 해령에서 생성된다는 의견이 지배적이었다. 그러나 1973년 일본의 지질학자 미야시로 아키호(都城秋穂)는 새로운 의견을 제시했다. 미야시로는 키프로스의 투르도스(Troodos) 오피오라이트를 지화학적으로 연구하여, 일본의 이즈-보닌 제도 화산암과 투르도스 용암이 주요 원소 화학 구성에서 유사하다는 점에 주목했다. 이를 바탕으로 투르도스 오피오라이트가 중앙 해령이 아닌 도호(Island arc) 환경에서 생성되었음을 주장했다.[31] 이 주장은 초기에 무어(Moores) 등에 의해 "주요 원소는 변질 과정에서 양이 변할 수 있어 신뢰하기 어렵다"[32]는 비판을 받기도 했으나, 이후 비유동성 원소를 이용한 지화학 연구를 통해 미야시로의 주장대로 투르도스 오피오라이트가 도호 환경에서 생성되었음이 밝혀졌다. 현재는 오피오라이트가 해령과 도호뿐만 아니라 전호분지(forearc basin), 배호분지(backarc basin) 등 다양한 환경에서 생성될 수 있음이 알려져 있다.

여러 연구는 오피오라이트가 해양 암석권으로 형성되었다는 결론을 뒷받침한다. 지진파 속도 구조 연구는 해양 지각과 오피오라이트의 속도 구조가 동일함을 보여주었다.[4] 또한, 해저 암석과 변형되지 않은 오피오라이트 층은 주요 구성 요소부터 미량 원소까지 화학 조성이 유사하며, 둘 다 규산염 광물이 적고 나트륨 함량이 높으며 칼륨 함량이 낮다는 공통점을 가진다.[5] 오피오라이트의 베개 용암과 다이크에서 나타나는 변성 작용의 온도 구배는 오늘날 해령 아래에서 발견되는 것과 유사하다.[5] 오피오라이트 주변의 금속 광상과 산소 및 수소 동위원소 분석 결과는, 해령 근처에서 뜨거운 현무암을 통과한 해수가 원소를 용해시킨 후 차가운 해수와 만나 황화물로 침전시키는 과정이 열수 분출공 현상과 동일함을 시사한다.[5] 마지막으로, 오피오라이트의 베개 용암 위에 쌓인 퇴적물은 육지에서 멀리 떨어진 2km 이상 깊은 바다에서 형성되었다는 증거도 오피오라이트의 해양 기원을 지지한다.[5]

하지만 오피오라이트가 일반적인 해양 지각이라는 이론에는 모순점도 존재한다. 만약 오피오라이트가 일반 해양 지각처럼 생성되어 대륙에 부착되려면 전체 윌슨 주기를 거쳐야 하므로, 그 위에 놓인 조산 운동보다 훨씬 오래되고 차가운 상태여야 한다. 그러나 방사성 연대 측정과 층서학적 연대 측정 결과, 대부분의 오피오라이트는 생성된 지 5천만 년 미만으로, 젊고 뜨거울 때 현재 위치에 놓인 것으로 나타났다.[5][6] 따라서 오피오라이트는 전체 윌슨 주기를 따르지 않은, 전형적이지 않은 해양 지각으로 간주된다.

이러한 특징을 설명하기 위해 여러 가설이 제시되었다. 한 가설은 후열 분지에서의 생성을 제안한다.[8] 이 가설에 따르면, 불규칙한 모양의 대륙 연안부가 도호 복합체와 충돌할 때, 곶과 만입 같은 지형적 요인과 해구 롤백 현상으로 인해 후열 분지가 확장되면서 오피오라이트가 생성된다. 이후 압축 환경으로 바뀌면서 뜨겁고 부력이 큰 오피오라이트가 섭입되지 않고 도호 위로 충상된 후, 최종적으로 대륙 연안부에 배치된다는 것이다.[9] 스트론튬(Sr) 및 네오디뮴(Nd) 동위원소 분석 결과, 오피오라이트는 대양저 평원 현무암과 유사한 조성을 가지면서도 약간 높은 대이온성 리토파일 원소와 나이오븀(Nb) 고갈 특징을 보이는데, 이는 섭입대의 후열 분지 형성을 뒷받침하는 증거로 여겨진다.

다른 가설은 섭입의 위치와 극성 변화로 오피오라이트 생성을 설명한다. 캘리포니아와 바하 칼리포르니아 해안 산맥 오피오라이트 연구를 바탕으로 제시된 이 가설은[10], 대륙 가장자리에 부착된 해양 지각이 섬 호 밑으로 섭입하는 과정에서 배호 분지가 형성되고 오피오라이트가 생성된다고 본다. 이후 대륙과 섬 호의 충돌로 인해 기존과 반대 방향의 새로운 섭입대가 형성되면서, 오피오라이트가 새로운 섭입 전호의 끝부분이 되어 도피(obduction)와 압력에 의해 부착 쐐기 위로 융기된다는 설명이다.[10] 이러한 가설들은 오피오라이트의 다양한 생성 환경을 이해하는 데 도움을 주지만, 여전히 추가적인 연구를 통해 검증될 필요가 있다.

오피오라이트의 층서는 상부에서 하부 순서로 다음과 같다.

4. 3. 마그마방 이론

해양각이 형성되기 위한 마그마방의 이론에 대해서는 여러가지가 있는데, 아래와 같다.

# 날개형 마그마방 이론 (Wing-shaped magma chamber): 1972년 그린바움(Greenbaum)이 처음 제시한 모형이다. 이 모형에서는 누적암이 마그마방 바닥에서 형성되며, 분출 축에서는 생성되지 않고 마그마방 외곽으로 갈수록 두꺼워진다고 본다. 감람석과 크롬철광은 축에서 분출하는 마그마에서 가장 먼저 정출되어 축 가까이 아래쪽에 쌓이고, 사장석은 나중에 정출되며 밀도가 낮아 누적암의 위층을 차지한다. 이 모형은 오만의 오피오라이트를 기반으로 연구되었으나, 실제 오만 오피오라이트의 특징과 일치하지 않는 점들이 있다. 첫째, 실제로는 기저의 반려암이 아래의 초고철질암 및 그 안의 엽리 구조와 평행하다. 둘째, 층상 구조의 경사가 위층으로 갈수록 커진다. 마지막으로, 실제 오피오라이트에서는 층상 구조가 변형되어 있는데, 이 모형은 화성 활동에 의한 초기 층상 구조 형성만을 고려한다.

# 침강형 마그마방 이론 (Subsiding magma chamber): 1975년 슬립(Sleep)이 처음 제시한 모형이다. 맨틀 연약권이 마그마방 축을 따라 상승하여 약간 튀어나온 구조를 만들고, 이에 따라 누적암들이 침강한다고 본다. 연약권이 조금만 상승해도 누적암은 급경사를 이룬다. 이 모형은 실제 해령 아래 구조를 바탕으로 하여 실제 구조와 잘 맞고, 부분적으로 누적층 상부가 경사진 것을 설명할 수 있다. 그러나 이 모형에 따르면 누적암 하부와 초고철질 구조암 사이에 경사각이 있어야 하지만, 실제 오피오라이트에서는 관찰되지 않는다는 문제점이 있다.

# 트로프 이론 (Trough model): 1981년 케세이(Casey)와 카슨(Karson)이 제시한 모형이다. 해령 아래의 연약권이 발산하면서 축을 따라 구유(trough) 모양의 마그마방을 만든다고 본다. 이 모형에서는 층상 반려암이 마그마방의 ''고인'' 벽면과 바닥면에서 누적된다. 이 모형은 베이 오브 아일랜즈(Bay of Islands) 오피오라이트에서 관찰된 층상 반려암의 회전을 설명할 수 있으며, 판상 암맥의 휘어진 모양으로도 추론할 수 있다. 그러나 이 모형은 지질학적 또는 지구물리학적 근거가 부족하다.

# 텐트형 마그마방 이론 (Tent-shaped magma chamber): 1986년 니콜라스(Nicolas) 등이 오만 오피오라이트를 구조지질학적으로 연구하여 발표한 모형이다. 초고철질 구조암과 층상 반려암 사이에 이어지는 구조적 연속성이 있고, 층상 반려암은 마그마 유동에 의해 변형되었으며, 상층의 반려암에서는 판상 암맥 방향과 평행하게 점차 회전한다는 구조적 특징에 기반한다. 이 모형에서는 마그마방이 평평하고 지붕은 좁으며, 마그마가 굳는 마그마방 벽면에 평행하게 층 구조가 형성된다고 본다.

이러한 마그마방 형성에 대해서는 수직적인 균열이 벌어져 마그마가 새어 나온다는 의견과, 지각 하부에 자리 잡은 암장이 점차 부풀어 오른다는 의견이 있다. 그러나 두 의견 모두 해양 지각에서는 균열을 따라 해수가 순환하며 냉각시키기 때문에 부분 용융이 일어나기 어렵다는 문제에 직면한다. 수직 균열의 경우 수백 미터 정도로 제한되며, 균열의 성장은 해양 지각 확장 속도에 의존한다.

과학자들은 두께가 6km~7km인 해양 지각을 약 1.5km 정도만 굴착했기 때문에, 해양 지각에 대한 이해는 주로 오피오라이트 구조를 실제 해양 지각의 지진 탐사 결과와 비교하는 데서 비롯된다. 해양 지각은 일반적으로 오피오라이트와 유사한 층상 암석 구조를 암시하는 속도 구조를 보인다. 그러나 세부적으로는 문제가 있다. 많은 오피오라이트는 해양 지각에서 추론되는 것보다 얇은 화성암 누적층을 보인다. 또한, 오피오라이트의 두꺼운 반려암층은 해령 아래에 큰 마그마방이 존재함을 시사하지만, 해령에 대한 지진 탐사에서는 해령 아래에서 몇 개의 매우 얇은 마그마방만이 발견되었다. 해양 지각에 대한 몇 개의 깊은 시추공에서 반려암이 발견되었지만, 오피오라이트의 반려암처럼 층을 이루지는 않았다.

4. 4. 판상암맥의 발생

오피오라이트에서 나타나는 특징 중 하나는 판상암맥(sheeted dykes)이다. 이러한 판상암맥은 주로 휘록암으로 이루어져 있으며, 현장에서는 암맥의 한쪽 방향으로만 냉각접촉부(chilled margin)가 배열된 것을 관찰할 수 있다. 이는 동일한 연약대를 따라 암장 활동이 진행되어 암맥이 형성된 후, 그 자리를 비집고 더 젊은 암맥이 들어와 기존 암맥을 자르면서 만들어지는 구조이다. 때때로 이 냉각접촉부의 배열 방향이 변하는 경우가 있는데, 이는 마그마 분출이 하나의 연약대에서 다른 연약대로 이동하며 발생하기 때문이다.

또한, 이 휘록암 판상암맥은 하부의 페리도타이트 및 층상반려암과 뚜렷한 경계를 이루는 경우가 많다. 이러한 특징은 특히 LOT(Lherzolite Ophiolite Type) 오피오라이트에서 흔하게 나타나며, HOT(Harzburgite Ophiolite Type) 오피오라이트에서는 상대적으로 드물다. 이는 지각 하부에서 용융된 마그마가 어떻게 공급되고 굳어가는지를 보여주는 단서가 된다. HOT 환경은 LOT보다 암장 활동이 더 활발하며, 페리도타이트의 온도가 식더라도 여전히 400°C~450°C 정도로 높은 편이다. 이 때문에 마그마가 천천히 식으면서 휘록암 대신 반려암을 형성하게 된다.

5. 압등(Obduction) 과정

오피오라이트의 압등(obduction) 과정, 즉 해양 지각이 대륙 지각 위로 올라타는 현상에 대해서는 여러 가지 모형이 제시되어 왔다.[33]


  • '''테티안 형'''(Tethyan-type): 수동성 대륙 연변부(passive continental margin) 위로 오피오라이트가 얹히는 경우이다. 대륙 지각의 가장자리가 해양 지각 아래로 섭입하다가, 밀도가 낮은 대륙 지각이 다시 떠오르면서 위에 있던 해양 지각을 끊고 그 위에 오피오라이트가 놓이는 모형이다. 이 경우 섭입(충돌)은 종료된다.
  • '''코딜러란 형'''(Cordilleran-type): 활동성 대륙 연변부(active continental margin) 위로 오피오라이트가 얹히는 경우이다. 해양 지각이 대륙 지각 아래로 섭입하는 과정에서, 기존에 존재하던 해양 지각 내의 단층이나 해령 축을 따라 섭입 방향과 반대 방향으로 스러스트 단층이 발생한다. 이 단층을 따라 해양 지각의 일부가 대륙 지각 위로 올라타게 된다.
  • '''중력미끄럼 모형'''(Gravity sliding model): 섭입하는 해양 지각 위의 맨틀이 물과 반응하여 사문암화되면 밀도가 낮아져 위로 떠오르고, 이 사문암화된 맨틀 물질이 중력에 의해 미끄러져 대륙 지각 위에 얹힌다는 모형이다. 그러나 이 모형은 현재 받아들여지지 않는다. 많은 오피오라이트 복합체들이 사문암화되지 않은 초고철질암을 포함하고 있어 실제 사문암화에 의한 밀도 변화만으로는 부상하기에 불충분하며, 대륙 지각 쪽으로 기울어진 경사가 있어야 한다는 문제점 때문에 폐기되었다.
  • 현재 가장 유력하게 받아들여지는 모형은 섭입대 뒤쪽(back-arc)에서 생성된 해양 지각이, 계속되는 섭입과 충돌로 인해 해양이 다시 닫히면서 압등된다는 이론이다.


해양 지각이 대륙 연안에 융기되는 과정, 즉 오피오라이트의 부착(emplacement) 역학에 대해서는 아직 완전히 합의된 설명이 없다. 이는 상대적으로 밀도가 낮은 대륙 지각 위로 밀도가 높은 해양 지각이 올라오는 현상이기 때문이다. 그럼에도 불구하고 모든 부착 과정은 일반적으로 다음과 같은 단계를 거치는 것으로 생각된다: 섭입 시작, 섭입대에서 오피오라이트가 대륙 연안이나 상위 판 위로 밀려 올라가는 단층 작용, 그리고 지표로 노출되어 공기와 접촉하는 단계이다.[7]

오피오라이트의 생성과 섭입은 섭입의 위치와 극성(polarity) 변화로 설명되기도 하는데, 이는 미국 캘리포니아와 멕시코 바하칼리포르니아 해안 산맥의 오피오라이트 연구에서 제시된 가설이다.[10] 이 가설에 따르면, 먼저 대륙 가장자리에 인접한 해양 지각이 섬 호(island arc) 밑으로 섭입한다. 이후 배호 분지(back-arc basin)에서 오피오라이트가 될 새로운 해양 지각이 생성된다. 시간이 흘러 대륙과 섬 호가 충돌하게 되면, 기존 섭입 방향과 반대로 기울어진 새로운 섭입대가 배호 분지 내에 형성된다. 이때 생성된 오피오라이트는 새로운 섭입대의 전호(forearc) 끝부분에 위치하게 되며, 박리(detachment)와 압축력에 의해 (부착 쐐기 위로) 융기된다.[10] 위에서 언급된 여러 가설들은 아직 추가적인 연구를 통해 검증이 필요한 상태이다.

6. 세계의 오피오라이트

오피오라이트는 주로 조산대와 같은 중생대 시대의 지각 변동 벨트에서 흔히 발견되며, 이는 고대 테티스 해의 폐쇄 과정과 관련이 깊다. 반면, 시생대나 고원생대 지층에서는 오피오라이트가 드물게 발견된다.[13]

세계의 오피오라이트는 크게 테티안(Tethyan)과 코딜레란(Cordilleran) 두 그룹으로 나눌 수 있다. 테티안 오피오라이트는 키프로스의 트로도스나 오만의 세마일 오피오라이트처럼 동부 지중해 및 중동 지역에 분포하며, 비교적 완전한 암석 구조를 보존한 채 수동적인 대륙 가장자리 위에 놓여 있는 경우가 많다. 코딜레란 오피오라이트는 북아메리카 서부의 산악 벨트(코딜레라)에서 주로 발견되며, 캘리포니아의 코스트 레인지 오피오라이트나 클라메스 산맥의 조세핀 오피오라이트, 안데스 산맥의 오피오라이트 등이 여기에 속한다. 이들은 주로 섭입대 부착 복합체 위에 놓여 있으며 수동적 대륙 가장자리와는 관련성이 적다. 형성 과정의 차이에도 불구하고 두 유형 모두 섭입대 상부(Supra-Subduction Zone, SSZ) 환경에서 기원한 것으로 본다.[14]

신원생대 오피오라이트의 경우, 중앙 해령 현무암(MORB) 유형과 SSZ 유형의 특징을 모두 보이는 경우가 있으며, 생성 시기에 따라 MORB 특징의 온전한 오피오라이트(MIO), 해체된 오피오라이트(DO), 호(arc)와 관련된 오피오라이트(AAO) 등으로 분류되기도 한다. 이집트의 중앙 동부 사막(CED)에서 발견되는 오피오라이트들은 MORB/후호 분지 현무암(BABB) 유형과 SSZ 유형이 함께 나타나지만, 공간적, 시간적으로 분리되어 있어 직접적인 암석학적 연관성은 낮을 것으로 추정된다. 이는 오피오라이트가 다양한 지질 환경에서 형성될 수 있으며, 시간이 지남에 따라 MORB 환경에서 SSZ 환경으로 변화하는 과정을 반영할 수 있음을 시사한다.

다음은 세계적으로 잘 알려져 있거나 연구에 중요한 영향을 미친 오피오라이트의 예시이다. 오피오라이트 목록 문서도 참고할 수 있다.

이름위치특징 및 비고
세마일 오피오라이트 | 오만, 아랍에미리트 | 세계에서 가장 크고 잘 보존된 오피오라이트 중 하나. 테티안 오피오라이트의 대표적 예시.
트로도스 오피오라이트 | 키프로스 트로도스 산맥 | 경제적 가치가 있는 구리 광산 포함. 테티안 오피오라이트의 예시.
캘리포니아 해안 산맥 오피오라이트 | 캘리포니아 (산타바바라 ~ 샌프란시스코) | 코딜레란 오피오라이트의 예시.
매쿼리 섬 오피오라이트 | 오스트레일리아 태즈메이니아 | 현재 형성 중이며 원래 지질 환경에 있는 유일한 예시로 알려짐. 유네스코 세계유산(1997).[23]
베이 오브 아일랜즈 오피오라이트 | 캐나다 뉴펀들랜드 (그로스 모른 국립공원) | 오피오라이트 구조가 잘 노출됨. 유네스코 세계유산(1987).
야쿠노, 호로카나이, 포로시리 오피오라이트 | 일본 | 완전한 오피오라이트 지층의 예시.
던 마운틴 오피오라이트 벨트 | 뉴질랜드 남섬 | 암석 종류 두나이트의 명칭 유래지.[24]
잠발레스 오피오라이트 복합체 | 필리핀 루손 | 약 4500만 년 전 형성[26], 루손 섬 호상 열도 복합체의 기반암.[25][27]
인도 북동부 | [28]
이집트 중앙 동부 사막(CED) | MORB/BABB 및 SSZ 유형 포함. (El Bahariya, 2018 참고)
니달, 셔골 (히말라야 산맥) | (Manas et al., 2021 참고)
클라메스 산맥 (캘리포니아, 오리건) | 코딜레란 오피오라이트의 예시.


6. 1. 오만 세마일(Semail) 오피오라이트

오만의 세마일(Semail) 오피오라이트는 잘 연구된 오피오라이트 중 하나로, 오피오라이트 이론 연구에 중요한 기여를 했다. 이는 세계에서 가장 큰 오피오라이트 복합체 중 하나로, 길이는 500km, 폭은 50km에서 100km, 두께는 약 15km에 달한다.

이 오피오라이트는 백악기 하세(백악기 전기)에 존재했던 신테티스 해(Neotethys ocean)의 일부였다. 약 1억 년 전(Ma)부터 북북동 방향의 해양각이 남남서 방향으로 충상단층을 따라 이동하며 형성되었다. 세마일 오피오라이트는 구성 요소 대부분이 잘 보존되어 있는 특징을 가진다.

6. 2. 알프스-지중해(Alpine-Mediterranean) 오피오라이트

알프스-지중해(Alpine-Mediterranean) 오피오라이트는 주로 테티스 해의 폐쇄와 관련된 중생대 조산대에서 발견된다. 이들은 '테티안 오피오라이트' 그룹으로 분류되기도 하며, 동부 지중해 지역이 주요 분포지이다. 오만의 세마일 오피오라이트가 해양 한가운데에서 생성된 것과 달리, 알프스-지중해 오피오라이트는 해양 지각의 가장자리(연변부)에서 기원한 것으로 여겨진다. 이후 대륙 충돌 과정에서 위로 밀려 올라와(압등) 현재의 위치에 놓이게 되었다.

구조적으로 세마일 오피오라이트보다 불완전한 경우가 많아, 여러 노두에서 반려암과 판상 암맥이 발견되지 않는 특징을 보인다.[34] 대표적인 예로는 키프로스의 트로도스 오피오라이트와 이탈리아 북부 아펜니노 산맥의 오피오라이트 지층을 들 수 있다.

이탈리아 북부 아펜니노 산맥 오피오라이트 지층에서 발견되는 베개 용암.

6. 3. 한반도의 오피오라이트

한반도에서는 고생대 페름기에 형성된 초염기성암 복합체인 청진암군과 그 위에 놓인 계룡산통의 현무암, 저탁암류, 분출퇴적암 등이 오피오라이트의 특징을 나타낸다는 연구 결과가 있다.[35][36]

7. 오피오라이트와 크롬철광 광상

오피오라이트에서는 크롬철광 광상이 함께 나타나는 경우가 많다. 이 광상들은 흔히 복잡한 관 모양이나 고구마 줄기 같은 모양(포디폼, podiform)을 띤다. 크롬철광 광상은 크롬철광 덩어리 형태로 나타나거나, 던나이트 안에 감람석, 사문석화된 감람석과 함께 크롬철광이 25% 이상을 차지하는 형태로 나타난다. 경제적으로 중요한 광상들은 대부분 하쯔버자이트 오피오라이트에서 발견되며, 이들은 암석학적 모호면 아래 500m에서 1000m 깊이에 모여 있다.

이러한 광상은 여러 차례에 걸친 마그마 분출로 형성된 것으로 이해되고 있다. 먼저, 원시 마그마가 위로 올라오면서 하쯔버자이트가 부분적으로 녹는다. 이렇게 녹은 마그마는 위로 뜨는데, 이 마그마는 감람석과 사방휘석과 평형을 이룬다. 부분적으로 녹고 남은 부분은 던나이트로 남게 된다. 이후 계속되는 분출로 새로운 원시 마그마가 위로 올라오면, 이전에 부분적으로 녹았던 마그마와 섞이게 된다. 이 과정에서 안정 상태가 크롬철광이 만들어지는 영역으로 이동하면서 크롬철광이 가라앉아 쌓인다. 이러한 작용이 반복되어 크롬철광 광체가 만들어지며, 이 광체들은 맨틀 유동의 영향을 받아 불규칙한 모양으로 변형된다[37].

참조

[1] 간행물
[2] 문서
[3] 문서
[4] 문서
[5] 문서
[6] 문서
[7] 문서
[8] 서적 Magmatic and tectonic history of Jurassic ophiolites and associated granitoids from the South Apuseni Mountains (Romania) http://worldcat.org/[...]
[9] 문서
[10] 문서
[11] 문서
[12] 문서
[13] 서적 Precambrian Geology of Finland https://archive.org/[...] Elsevier Science 2005
[14] 문서
[15] 문서
[16] 간행물
[17] 간행물 Gustav Steinmann (1856–1929): Ein deutscher Ordinarius der Kaiserzeit
[18] 문서
[19] 문서
[20] 문서
[21] 간행물
[22] 간행물
[23] 웹사이트 Macquarie Island World Heritage values http://www.environme[...] Australian Government Department of the Environment 2008-04-24
[24] 간행물 Nineteenth-century observations of the Dun Mountain Ophiolite Belt, Nelson, New Zealand and trans-Tasman correlations http://sp.lyellcolle[...]
[25] 간행물 Geology of the Zambales ophiolite, Luzon, Philippines
[26] 간행물 Zircon U-Pb geochronology of the Zambales and Angat Ophiolites, Luzon, Philippines: Evidence for an Eocene arc-back arc pair 1993-11-10
[27] 간행물 Multiple ophiolite generation preserved in the northern Philippines and the growth of an island arc complex 2004-11-08
[28] 간행물 The Naga Hills and Andaman ophiolite belt, their setting, nature and collisional emplacement history
[29] 서적 Ophiolite Concept and the Evolution of Geological Thought Geological Society of America
[30] 서적 Structure of Ophiolites and Dynamics of Oceanic Lithosphere Kluwer Academic Publishers
[31] 간행물 The Troodos Ophiolitic Complex was probably formed in an Island Arc
[32] 간행물 Discussion of "Origin of the Troodos and other ophiolites: a reply to Hynes" by Akiho Miyashiro
[33] 서적 Tectonics Freeman
[34] 서적 Plate Tectonics : Continental Drift and Mountain Building Springer
[35] 간행물 청진지구 계룡산통의 몇가지 오피오라이트적 특성에 대하여
[36] 서적 Geology of Korea Foreign Languages Books Publishing House 1996
[37] 서적 Ore Deposit Geology Cambridge 2013


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