▲ 심성암의 대표격으로 볼 수 있는 화강암(위)과 반려암(아래). 눈으로도 구별할 수 있는 광물의 크기가 핵심이다.
1. 개요
深 成 岩, Plutonic Rocks화성암 중에서 조립질[1]로 구성된 암석을 이르는 말이다. 이에 속하는 암석들은 대부분 지하 깊은 곳에서 형성되어,마그마가 천천히 식어 결정이 크며, 흔히 볼 수 있는 심성암체들은 보통 석영, 장석, 운모, 각섬석, 휘석, 감람석 등으로 구성되어 있다.
2. 특징
▲ 반려암의 박편(thin section) 사진. (교차니콜) 광물 하나 크기가 약 수 밀리미터 정도 된다.
심성암의 가장 기본적인 특징은 조립질이라는 것이다. 광물이 충분히 크게 자라서 눈으로 구별이 가는 것을 의미하는데, 이는 화산암과 가장 큰 차이이다. 또한 특별한 경우[2]가 아니면 대부분 광물이 서로 얽혀 자라고(interlocking texture), 광물의 배열에 방향성이 특별히 없이 괴상(massive)이고 균질(homogenous)하다. 육안[3]으로 광물을 식별할 수 있기 때문에 야외에서 어떤 암석인지 판별하는 것이 비교적 쉽다.
3. 형성 원리
▲ 광물 성장(crystal growth)과 광물핵생성(nucleation)이 과냉각도(delta_T)에 따라 강도가 어떻게 달라지는 지 나타낸 그래프.
광물 크기 차이에 대한 원리는, 화산암과 그 형성원리를 공유하기 때문에, 아래 문단은 해당 항목의 설명.
광물 결정의 크기와 이에 따른 조직을 결정하는 것은, 용융체와 주변 환경의 온도 차이이다. 좀 더 엄밀히 말하면 과냉각 정도(ΔT)에 의해 결정된다. 광물은 용융점에 도달했다하여 곧바로 결정화되는 것이 아니라, 실제 온도가 광물의 용융점보다 어느 정도 이상 떨어져야 비로소 만들어지게 된다. 이는 광물이 성장하기 위한 씨앗, 즉 결정핵이 표면적이 부피에 비해 매우 크기 때문에 표면에너지가 매우 높아 불안정하기 때문이다. 따라서 어느 정도 이상 과냉각이 되어야만 이 불안정 영역을 넘어서서 안정적으로 결정을 쌓아올리게 된다. 한편 광물의 성장은 새로운 물질이 곧잘 공급되어 결정이 자라날 때 영양결핍이 되지 않도록 유지해줘야한다. 이는 확산이 잘 일어나야함을 의미하는데 확산은 보통 온도가 높으면 더 잘 일어나는 경향이 있다. 따라서 과냉각도가 낮으면, 확산을 통한 광물 성장은 잘 일어나지만 온도가 높아서 결정핵이 불안정하게 된다. 그래서 마그마에서는 결정핵을 새롭게 형성시키는 것보다 기존에 자라던 광물이 더 자라는 환경을 조성한다. 그런데 과냉각도가 커지게되면 확산은 점점 억제되는 반면에 결정핵은 쉽게 안정화되기 때문에 결정핵은 많이 만들어지는 반면에 이들이 다른 곳에 이동하여 광물을 덧자라게 해주지는 못한다.
따라서 심성암의 경우에는, 과냉각도가 낮은 환경에서 성장했기 때문에, 결정핵의 개수는 적고, 결정 성장은 활발했고, 그에 따라 크기가 큰 적은 수의 결정을 가지는 조직이 형성되는 것이다. 따라서 심성암은 과냉각도가 적은 환경에서 만들어질 수 있으며, 이 환경은 지표가 아닌 지하이다. 이 때문에 이름이 심성암(깊은 곳에서 만들어진 돌)이 되는 것이다. 광물 성장이 큼직큼직하게 일어나기 때문에, 박편 상의 조직을 살펴 어떤 광물이 먼저 자랐는 지 순서를 파악하는 것도 가능하다. 또한 마그마에서 광물이 정출될 때, 광물이 침전되면서 심성암에 가라앉은 광물이 각각 암석을 만들어 층을 이루는 경우가 있다. 특히 고철질 암석들에서 이것이 잘 관찰되며, 그린란드에서 발견된 Skaegaard 관입암체는 교과서적인 광물 정출 순서를 그대로 보존하고 있다.
4. 분류
화산암과 달리, 심성암은 광물의 부피비를 실제로 측정할 수 있기 때문에, 암석명은 광물 부피비를 기준으로 정하게 된다.[4]▲ 심성암 분류 체계 중 하나. QAPF 도표라고 말한다.
규장질 심성암의 경우에는 보통 석영, 장석, 준장석 광물이 들어있기 마련이므로, 이들의 상대비를 기준으로 분류하게 된다. 보통 QAP(F) 삼각도표를 이용하게 된다. 준장석과 석영은 동시에 존재할 수 없기 때문에 QAP 삼각형과 FAP 삼각형이 붙어있는 형식인데, 보통은 석영이 존재하므로 QAP 도표라고 흔히 말하게 된다. 이 정의에는 화강암, 몬조니암, 섬장암 등이 들어가 있다. QAPF 도표는 고철질 광물( 각섬석, 휘석, 감람석, 흑운모 등)이 90% 이상 들어 있으면 사용할 수 없게 되어 있다. 또한 석영, 장석 중에서 사장석이 절대적으로 많은 경우에는 QAPF 도표는 별 효력이 없다. 암석의 SiO2 질량함량비가 60% 이상되는 심성암에는 QAPF가 꽤 효과적일 지 모르나 그 이하의 중성, 고철질 암석[5]에는 보통 정장석이 포함되지 않고 사장석만 있어 의미가 없다. 따라서, 세부 분류가 중요해지는 반려암의 경우에는 따로 도표가 만들어진다. 또한 초고철질 암석[6]의 경우에도 분류표가 별도로 존재하게 된다.
이외의 분류법에 대해서는 화성암 문서에 있는 링크를 참고하라.
[1]
광물의 크기가 육안으로 식별 가능할 정도로 큼.
[2]
염기성 심성암에서 간혹 발달하는 층상의 집적암이나 관입에서 발달하는 국부적인 반정 배열 등
[3]
휴대용 확대경(루페)을 포함
[4]
이 문장에 대한 보충 설명은
화성암 항목의 광물 비율에 관한 항목을 참고할 것.
[5]
섬록암,
반려암 계통
[6]
예컨대
감람암