변성암은 얕은 깊이에서도 형성될 수 있다.

미디어위원회

2023-05-30

변성암은 얕은 깊이에서도 형성될 수 있다.

(Metamorphic rocks can form at shallow depths)

by Michael J. Oard

변성암(metamorphic rocks)이 다양한 압력과 온도에서 형성될 수 있다는 것을 보여주는 많은 실험적 증거들이 있다(그림 1). 변성암은 일반적으로 화성암 근처 및 화성암과의 접촉부와(접촉변성작용(contact metamorphism)과 혼성암(migmatites, 미그마타이트)), 넓은 지역에(광역변성작용, regional metamorphism) 노출되어있다. 표준 실험실 측정을 사용하여, 광물의 변성 등급(metamorphic grade)은 지층의 깊이를 평가하는데 사용될 수 있다.

초고압 광물의 발견

약 30년 전에 초고압 광물(ultrahigh-pressure minerals, UHPm)이 발견되었다.[1] 초고압 광물은 일반적으로 석류석(garnets), 지르콘(zircons), 및 기타 단단한 광물의 함유물로서, 100km 이상의 깊이에서 형성된 것으로 추정되고 있다. 초고압 광물에는 석영의 두 고압 광물 다형체인 희귀한 코에사이트(coesite, 그림 2)와 스티쇼바이트(stishovite), 그리고 마이크로 다이아몬드(microdiamonds) 등이 포함된다. 이들은 맨틀 암석으로 추정되는 고립된 조각 내에서, 그리고 초고압 지형(UHP terrains)이라고 불리는 지구의 20개 이상의 커다란 지역에서 발견된다.[2] 과학자들은 초고압 광물의 변성 등급을 단순히 매몰 깊이로 변환하여 사용한다.

그림 1. 다양한 변성 지층에 대한 온도-압력 다이어그램. 이 압력은 매장 깊이에 의해 원인된 정암압(lithostatic pressure)으로 간주된다.

과학자들은 지구 표면에서 초고압 광물이 발견되는 이유를 설명하는 것이 매우 어려웠다.[3] 가장 어려운 점은 거의 모든 초고압 광물이 대륙암(continental rocks)으로 믿어지고 있는 암석 내에 있다는 것이다. 이를 위해서는 대륙암이 100km 이상의 깊이로 강제로 내려간 다음, 믿고 있는 것처럼 그곳에서 고압 변성작용이 일어나고, 표면으로 '급속히' 올라와야 한다. 물론 이들이 말하는 '급속히'는 세속적 지질학적 시간으로 5~10cm/년의 섭입 속도를 의미한다.

경험적 데이터가 부족함에도, 일부 과학자들은 그들의 모델이 물리적 실제 상황을 보여준다고 믿게 되었다.

과학자들은 초고압 광물이 '대륙 충돌(continental collision)'로 인해 대륙 지각(crust)에서 형성되거나, 또는 지각 조각이 섭입대(subduction zone)에서 아래로 끌려 내려갔다가, 저압 광물 단계로 역행 변성되기 전에 어떻게든 빠르게 지표로 돌아올 때, 초고압 광물이 형성되었다고 제안했다. 그러나 대륙 지각은 해양 지각보다 밀도가 낮고, 그 아래의 맨틀보다 밀도가 낮다. 밀도가 낮은 암석이 어떻게 밀도가 높은 암석 아래로 밀려 내려갈 수 있을까? 이것이 바로 섭입에 대한 생각을 다시 하게 된 계기가 되었다. 한때 과학자들은 대륙 지각이 너무 가벼워서 섭입될 수 없다고 굳게 믿고 있었다. 그러나 이로 인해서 패러다임이 바뀌어, 이제는 일부 대륙 지각이 가라앉을 수 있다고 생각하게 되었다. 많은 컴퓨터 시뮬레이션은 이 과정이 이론적으로 일어날 수 있음을 보여주었다.[4] 경험적 데이터가 부족함에도, 일부 과학자들은 이제 그들의 모델이 물리적 실제 상황을 보여준다고 믿게 되었다.[5] 다른 과학자들은 이러한 모델의 결과를 성급한 결론으로 보고 있다 :

"수치 모델의 예측을 평가하기 위해서는 보다 상세하고 체계적인 현장 조사가 필요하며, 초고압 암층에서 얻어진 석유학, 구조학, 연대 데이터를 재현하고 설명하기 위해서는 보다 정교하고 현실적인 수치 모델이 필요하다."[6]

패러다임 변화에 있어서 균열

일부 과학자들은 섭입대에서 형성되는 초고압 광물보다 더 나은 가능성이 있다고 제안해왔다. 왜냐하면, 그들은 섭입대가 지구의 넓은 지역에 걸쳐 대륙암을 아래로 밀어내기가 얼마나 어려운지 깨달았기 때문이다. 물라스(Moulas) 등은 이렇게 말한다 : "그러나 그러한 암석의 발굴을 설명하는 메커니즘으로 섭입이 배제된 잘 알려진 사례가 있다... ".[7] 그들은 계속한다 :

"이러한 고려 사항에 근거하여, 암석에서 미세한 초고압 광물학적 지표(indicators)의 존재를 설명하고자 할 때, 매우 깊은 섭입 과정과, 엄청난 깊이에서부터의 매우 빠른 발굴을 포함하는 지구동역학적(geodynamic) 시나리오는 매우 신중해야 한다고 우리는 결론을 내린다."[8]

그림 2. 에클로자이트(eclogite)에 둘러싸여 있는, 중앙에 작은 휘석(pyroxene) 포유물이 있는 1mm 너비의 코에사이트 입자(coesite grain).

그러나 다소 쉬운 해결책이 있을 수 있다. 실험적 증거에 따르면, 코에사이트는 낮은 압력의 고응력(high-stress) 환경에서도 형성될 수 있었다.[9] 변성(metamorphism)과 변형(deformation)이 함께 발생하는 경우가 많고, 초고압 광물(UHPm)의 제안된 깊이가 너무 깊어 보이기 때문에, 슈말홀츠(Schmalholz), 포들라치코프(Podladchikov) 등은 '구조적 과압(tectonic overpressure)'을 제안했다.[10, 11] 구조적 과압은 판구조 운동(tectonic movement) 또는 암석 내 수렴력(convergent forces)으로 인한 응력이 추가된 것이다. 이 경우 예상 깊이의 절반에도 못 미치는 깊이, 즉 50km 미만의 깊이에서 초고압 광물이 형성될 가능성이 있다.[12]

많은 과학자들은 구조적 과압의 양이 너무 커서 현실적이지 않다고 생각하여, 구조적 과압의 개념을 거부한다.[13] 또한 지구의 응력은 일반적으로 모든 방향에서 동일하다고(등방성) 결론짓고 있었다.[14] 따라서 그들은 그들의 모델에 구조적 과압을 포함시키지 않는다. 지각력 및/또는 다공성 암석의 유체와 암석 압력 차이로 인해, 지구 지각과 상부 맨틀에서 차등응력(differential stress)은 다소 흔하기 때문에, 등방성은 잘못된 가정일 수도 있다.[15]

과학적 시사점

응력이 높은 환경에서 낮은 압력으로 코에사이트가 형성될 수 있다는 발견은 여러 시사점을 갖는다.

첫째, 구조적 과압의 가능성이 있다면, 변성 등급과 매장 깊이에 근거한 추론은 재평가되어야 한다:

"이것이 사실이라면, 휠러(Wheeler)의 결과는 지질학적 응용에 상당한 영향을 미치게 되는데, 일반적으로 변성 반응은 깊이와 직접적으로 관련될 수 있는 정암압(lithostatic pressure, 위에 놓여진 암석의 무게)에 의해 조절된다고 가정하기 때문이다... 광물이 최대 매장에 대한 신뢰할 수 있는 지표가 아닐 수 있다면, 변성암석학(metamorphic petrology)은 주요 응용 분야 중 하나를 잃을 수 있다. 그러나 구조적 압력과 차등응력이 실제로 변성 반응에 상당한 영향을 미칠 수 있다면, 새로운 응용 분야를 창출할 수도 있다."[11]

둘째, 저압 코에사이트의 발견은 우리가 여전히 지질학과 지구물리학의 많은 측면을 이해하지 못하고 있으며, 우리가 알고 있다고 생각했던 것들이 정확하지 않을 수 있음을 보여준다.

셋째, 이 예는 어떤 한 개념에 새로운 변수가 추가되면, 결과와 적용이 달라질 수 있음을 보여준다.[16] 따라서 암석, 화석, 지구물리학이 기초하고 있는 과거에 대한 동일과정설적 해석은 잠정적인 가설이라는 점을 인식해야 한다.

넷째, 과거 사건을 설명한다고 주장하는 모델에 회의적일 필요가 있다. 모델은 여러 가지 이유로 그 유용성이 미미하며, 입력되는 매개변수들과 가정들에 따라 달라진다.[17] 종종 변수와 그 상호 작용에 대한 지식이 부족하고, 비선형적인 경우가 많다. 또한 모든 변수들에 대한 모든 정보를 알고 있다고 하더라도, 소프트웨어의 복잡성 부족은 여전히 주요 제한 요인으로 작용한다. 이러한 어려움 때문에 많은 변수들이 추정되고 있다. 따라서 오류가 발생할 가능성이 높아진다. 초고압 광물을 설명하는 데 사용되었던 많은 모델들은 근본적으로 불확실할 수 있다.

격변적 홍수 모델은 오늘날 관찰되고 있는 느린 동일과정설적 속도에 국한되지 않기 때문에, 훨씬 더 큰 구조적 과압을 일으켰을 가능성이 있다.

창조론적 시사점

구조적 과압은 비격변적인 판구조적 힘을 가정하는 동일과정설적 맥락에서 설명되고 있다. 그러나 격변적 홍수 모델은 오늘날 관찰되는 느린 동일과정설적 속도에 국한되지 않기 때문에, 훨씬 큰 구조적 과압을 일으킬 가능성이 있다. 격변적 판구조론(CPT, Catastrophic Plate Tectonics) 모델에서 초당 수 미터의 판 이동은 얕은 깊이에서 더 큰 구조적 압력을 생성할 수 있으며, 초고압 광물 지역에서 더 나은 설명을 제공할 수 있다. 운석 충돌, 맹렬한 화산 활동, 격변적 지판 이동, 급격한 지각의 상하운동 등은 동일과정설이 가정하는 것보다 지구에 더 많은 응력을 가할 수 있었을 것이다. 그 결과 우리는 50km보다 더 얕은 깊이에서, 초고압 광물이 어떻게 형성되었는지를 설명할 수 있는 더 나은 위치에 있다. 운석 충돌은 코에사이트, 스티쇼바이트(Stishovite), 마이크로 다이아몬드를 생성하는 것으로 잘 알려져 있다.[18] 추가 조사는 초고압광물과 홍수 모델에 대한 이해를 향상시킬 것이다. 홍수 모델은 아직 초기 단계에 있으며, 소프트웨어 성능과 알려지지 않은 변수들에 의해서 제한된다는 점을 기억하는 것이 중요하다.

References and notes

1. Hacker, B.R., Gerya, T.V. and Gilotti, J.A., Formation and exhumation of ultrahigh-pressure terranes, Elements 9:289–93, 2013.

2. Kylander-Clark, A.R.C., Hacker, B.R. and Mattinson, C.G., Size and exhumation rate of ultrahigh-pressure terranes linked to orogenic stage, Earth and Planetary Science Letters 321–322:115–120, 2012.

3. Oard, M.J., The uniformitarian challenge of ultrahigh-pressure minerals, J. Creation 20(1):5–6, 2006.

4. Hacker, B.R. and Gerya, T.V., Paradigms, new and old, for ultrahigh-pressure tectonism, Tectonophysics 603:79–88, 2013.

5. Butler, J.P., Beaumont, C. and Jamieson, R.A., The Alps 2: Controls on crustal subduction and (ultra)high-pressure rock exhumation in Alpine-type orogens, J. Geophysical Research 199(B7):5987–6022, 2014.

6. Hacker and Gerya, ref. 4, p. 79.

7. Moulas, E., Podladchikov, Y.Y., Aranovich, L.Y. and Kostopoulos, D., The problem of depth in geology: what pressure does not translate into depth, Petrology 21(6):535, 2013.

8. Moulas et al., ref. 7, p. 527.

9. Moulas et al., ref. 7, pp. 527–538.

10. Schmalholz, S.M. and Podladchikov, Y.Y., Tectonic overpressure in weak crustal-scale shear zones and implications for the exhumation of high-pressure rocks, Geophysical Research Letters 40:1984–1988, 2013.

11. Schmalholz, S.M. and Podladchikov, Y.Y., Metamorphism under stress: the problem of relating minerals to depth, Geology 42:733–734, 2014.

12. Schmalholz, S.M., Duretz, T., Schenker, F.L. and Podladchikov, Y.Y., Kinematics and dynamics of tectonic nappes: 2-D numerical modelling and implications for high and ultra-high pressure tectonism in the Western Alps, Tectonophysics 631:160–175, 2014.

13. Fletcher, R.C., Forum comment: Dramatic effects of stress on metamorphic reactions, Geology 43(1):e354, 2015.

14. Warren, C.J., Exhumation of (ultra)high-pressure terranes: concepts and mechanisms, Solid Earth 4:75–92, 2013.

15. Wheeler, J., Dramatic effects of stress on metamorphic reactions, Geology 42(8):647–650, 2014.

16. Tajčmanová, L., Podladchikov, Y.Y., Powell, R., Moulas, E., Vrijmoed, J.C. and Connolly, J.A.D., Grain-scale pressure variations and chemical equilibrium in high-grade metamorphic rocks, J. Metamorphic Geology 32:195–207, 2014.

17. Oreskes, N., Shrader-Frechette, K. and Belitz, K., Verification, validation, and confirmation of numerical models in the earth sciences, Science 263:641–646, 1994.

18. Ferrière, L. and Osinski, G.R., Shock metamorphism; in: Osinski, G.R. and Pierazzo, E. (Eds.), Impact Cratering: Processes and Products, Blackwell Publishing Ltd, Chichester, West Sussex, UK, pp. 106–124, 2013.

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*참조 : 초고압 광물들은 동일과정설에 이의를 제기한다.

https://creation.kr/Geology/?idx=1290537&bmode=view

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