마그마의 생성 — 암석을 녹이는 세 가지 방법

화산이 터지는 장면을 보면 땅속 어딘가에 뜨거운 마그마 바다가 넘실대고 있을 것 같습니다. 그런데 지진파가 알려 주는 지구 내부는 그렇지 않습니다. 맨틀은 위에서 아래까지 거의 전부 고체입니다. 고체인 맨틀에서 마그마는 대체 어떻게 생기는 걸까요.

맨틀은 고체입니다

지진의 S파는 고체만 지나갑니다. 그 파동이 맨틀을 가로질러 반대편 관측소에 닿으니, 맨틀은 고체입니다. 연약권도 마찬가지입니다. 아주 오랜 시간에 걸쳐 천천히 흐를 뿐, 손에 쥘 수 있다면 단단한 암석입니다. 맨틀 대류를 다룬 판 구조론에서도 흐르는 것은 고체입니다.

그러니 마그마는 늘 거기 있는 것이 아니라 특별한 조건에서 만들어지는 것입니다. 그 조건은 그래프 한 장으로 정리됩니다.

녹는 온도는 깊이가 정합니다

암석이 녹기 시작하는 온도를 용융 곡선이라고 합니다. 이 온도는 하나로 정해져 있지 않습니다. 깊이 들어갈수록 높아집니다. 압력이 원자들을 눌러 붙이고 있으니, 그 틀을 풀고 액체가 되려면 더 큰 열이 필요하기 때문입니다.

땅속 온도가 깊이에 따라 어떻게 변하는지를 나타낸 것은 지온 상승 곡선입니다. 얕은 곳에서는 가파르게 오르다가 깊어질수록 완만해집니다.

두 곡선을 한 그래프에 겹치면 답이 보입니다. 평소 지온 곡선은 용융 곡선보다 왼쪽, 곧 더 낮은 온도 쪽에 있습니다. 그래서 맨틀은 녹지 않습니다. 어떤 이유로든 지온 곡선이 용융 곡선의 오른쪽으로 넘어가는 순간 암석이 녹기 시작합니다.

넘어가게 하는 길은 셋뿐입니다. 온도를 올리거나, 압력을 낮추거나, 용융 곡선 자체를 왼쪽으로 끌어오는 것입니다.

첫째, 온도를 올린다

가장 단순한 방법입니다. 주변보다 뜨거운 물질이 다가오면 그 열이 암석을 데웁니다.

그런데 이 방법만으로 맨틀을 녹이기는 어렵습니다. 맨틀을 데울 만큼 뜨거운 것이 맨틀 말고는 없기 때문입니다. 대신 이 방법은 대륙 지각 아래에서 힘을 씁니다. 맨틀에서 올라온 뜨거운 마그마가 지각 밑에 고이면, 그 열로 위쪽 대륙 지각이 녹습니다. 지각은 맨틀보다 낮은 온도에서 녹기 때문에 이 방식이 통합니다. 그래프의 온도 상승 화살표가 물이 있는 화강암의 용융 곡선에서 멈추는 것이 그 뜻입니다. 마른 맨틀의 곡선까지 가려면 몇백 도를 더 데워야 합니다.

둘째, 압력을 낮춘다

맨틀 물질이 위로 올라오면 어떻게 될까요. 주변과 열을 주고받을 틈이 없어 온도는 거의 그대로인데, 위로 갈수록 누르는 압력은 빠르게 줄어듭니다. 그러면 녹는 온도가 뚝 떨어져, 아까와 같은 온도인데도 암석이 녹기 시작합니다. 이것이 감압 용융입니다.

해령에서 이 일이 일어납니다. 두 판이 벌어지면 그 빈자리를 메우려고 아래에서 맨틀이 솟아오르고, 올라오는 동안 압력이 낮아져 녹습니다. 해령을 따라 끊임없이 마그마가 나오는 이유입니다.

열점도 같습니다. 맨틀 깊은 곳에서 뜨거운 기둥이 곧게 올라와 얕은 곳에 이르면 감압 용융이 일어납니다. 판이 그 위를 천천히 지나가며 화산섬이 줄지어 만들어집니다.

셋째, 물을 넣는다

세 번째 방법은 결이 다릅니다. 지온 곡선을 옮기는 것이 아니라 용융 곡선을 옮깁니다.

물이 섞이면 규산염 광물의 결합이 끊어지기 쉬워져, 암석이 훨씬 낮은 온도에서도 녹기 시작합니다. 물은 녹은 암석 속에 녹아 들어가면서 규소와 산소가 이어진 그물을 끊고, 그러면서 녹은 것의 부피를 오히려 줄입니다. 그래서 얕은 곳에서는 압력이 높아질수록 녹는 온도가 내려가는 구간이 생기고, 곡선이 왼쪽으로 크게 꺾입니다. 몇십 도가 아니라 몇백 도 차이입니다. 지온 곡선은 그대로인데 두 곡선이 만나게 됩니다.

물은 섭입대가 공급합니다. 바닷물과 오래 닿아 있던 해양 지각과 그 위의 퇴적물은 광물 속에 물을 품고 있습니다. 이 판이 맨틀 속으로 비스듬히 내려가 압력과 온도가 오르면 그 물을 내놓고, 물은 위쪽 맨틀로 올라가 그곳을 녹입니다.

그래서 섭입대의 화산은 해구 바로 위가 아니라 조금 안쪽에 줄지어 섭니다. 판이 물을 내놓을 만큼 깊이 내려간 자리가 거기이기 때문입니다.

그래프의 화강암 곡선은 왜 있을까

세 방법 가운데 온도 상승은 자리를 짚어 두어야 합니다. 맨틀은 스스로가 열원이라 "맨틀을 더 데워 녹인다" 는 일은 거의 없습니다. 실제로 일어나는 것은 해령이나 섭입대에서 생긴 현무암질 마그마가 대륙 지각 밑에 고여 지각을 데우는 일입니다. 물이 있는 화강암은 지각 깊이에서 700 ℃ 가 되기 전에 녹기 시작하므로, 지온 곡선에서 조금만 오른쪽으로 가도 화강암 곡선을 넘습니다. 그래서 온도 상승으로 나오는 것은 현무암질이 아니라 유문암질 마그마입니다.

교과서 그림은 두 가지가 있습니다. 예전 교육과정의 그림은 위처럼 물이 있는 화강암의 용융 곡선을 따로 두고 온도 상승 화살표를 거기서 끝냈습니다. 지금 교육과정의 그림은 맨틀의 용융 곡선 둘만 남기고 온도 상승 화살표를 물이 있는 맨틀의 곡선까지 긋습니다. 어느 그림이든 묻는 것은 같습니다. 온도 상승은 대륙 지각을 녹여 유문암질, 압력 감소와 물 공급은 맨틀을 녹여 현무암질입니다. 이 노트는 실제로 녹는 것이 무엇인지 보이도록 화강암 곡선을 남겼습니다.

마그마의 종류는 조성이 가릅니다

• 부분 용융 — 암석은 한 온도에서 통째로 녹지 않습니다. 광물마다 녹는 온도가 달라 낮은 것부터 조금씩 녹습니다. 그래서 만들어진 마그마의 조성은 원래 암석과 다릅니다.
• 현무암질 마그마 — 맨틀이 부분 용융해 생깁니다. $\mathrm{SiO_2}$ 가 적어 온도가 높고 묽습니다. 잘 흘러 넓게 퍼집니다.
• 유문암질 마그마 — 대륙 지각이 녹아 생깁니다. $\mathrm{SiO_2}$ 가 많아 온도가 낮고 끈끈합니다. 잘 흐르지 못해 가스가 갇히고, 그래서 폭발적으로 분출합니다.
• 안산암질 마그마 — 둘의 중간입니다. 두 마그마가 섞이거나, 결정이 먼저 굳어 빠져나가면서 만들어집니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 깊이·온도 그래프에서 화살표가 어떤 방법인지 짝짓기. 오른쪽으로 미는 것이 온도 상승, 위로 올리는 것이 압력 감소, 용융 곡선을 왼쪽으로 끌어오는 것이 물 공급입니다.
• 해령과 열점은 감압 용융, 섭입대는 물에 의한 용융. 이 대응을 묻는 문제가 가장 많습니다.
• 방법과 마그마의 짝. 온도 상승은 대륙 지각을 녹여 유문암질, 압력 감소와 물 공급은 맨틀을 녹여 현무암질. 화살표가 어느 곡선에서 끝나든 답은 같습니다.
• 물이 들어가면 녹는 온도가 낮아진다는 방향.
• 부분 용융이라는 것. 통째로 녹지 않습니다.
• 현무암질과 유문암질의 $\mathrm{SiO_2}$ 함량·온도·점성·분출 형태 비교.
• 섭입대의 화산이 해구에서 떨어져 줄지어 서는 이유.

자주 헷갈리는 것

• "맨틀은 액체다" — 고체입니다. 연약권도 고체이고, 아주 느리게 흐를 뿐입니다.
• "위로 올라오면 뜨거워져서 녹는다" — 올라오는 물질의 온도는 오히려 조금 내려갑니다. 녹는 것은 녹는 온도가 그보다 훨씬 빠르게 내려가기 때문입니다.
• "섭입대에서는 마찰열로 녹는다" — 마찰열이 아니라 판이 내놓은 물이 주된 원인입니다.
• "암석은 정해진 온도에서 통째로 녹는다" — 광물마다 다릅니다. 일부만 녹는 부분 용융이 보통입니다.

정리합니다. 맨틀은 고체이고, 마그마는 지온 곡선이 용융 곡선을 넘어설 때만 생깁니다. 넘어서는 길은 온도를 올리는 것, 압력을 낮추는 것, 물을 넣어 용융 곡선을 끌어내리는 것 셋입니다. 해령과 열점은 두 번째, 섭입대는 세 번째 길입니다.

그림 참고: [위키미디어 공용, Partial melting asthenosphere](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Partial_melting_asthenosphere_EN.svg) 의 도해 구도를 따라 다시 그렸습니다.