관악산이 섭입대에서 만들어졌다고?
자연대 홍보기자단 자:몽 6기 | 황세웅
본 기사에서는 서울대학교 학생들이라면 한 번쯤 등산해 보았을 관악산의 기원에 대해 다루고자 한다. 관악산(冠岳山)은 서울특별시 관악구, 금천구와 경기도 안양시, 과천시의 경계에 위치해 있는 해발 632 m의 화강암 산이다.
관악산을 포함한 서울 지역은 경기육괴로 불리는 큰 땅덩어리에 놓여 있다. 경기육괴의 절대연령은 약 8억 년에서 29억 년으로, 고생대 이전의 선캄브리아기에 형성되었고, 오랜 시간동안 변성을 받아온 흔적으로 편마암이 분포한다. 그러나 오늘날의 서울 지질도를 관찰하면 편마암과 화강암으로 구성되어 있음을 알 수 있다.
학창 시절에 지구과학을 접한 학생들이라면, ‘대보조산운동’이라 불리는 중생대 시기의 대규모 관입 사건에 대해 들어본 적이 있을 것이다. 이 시기에 경기육괴 역시 대규모 화강암체가 관입하였다. 관악산, 북한산, 아차산, 인왕산 등 서울 대부분의 산이 화강암으로 구성된 것이 그 증거이다.
그림 1 관악산의 포획암. (사진 = 지구환경과학부 이현우 교수님)
또한 그림 1과 같이 관악산의 곳곳에서 화강암(밝은 색)이 경기육괴의 편마암(어두운 색)을 둘러싸고 있는 포획암(xenoltih)이 관찰된다. 이런 증거들로 말미암아 과학자들은 관악산이 중생대 쥐라기의 관입 사건으로 형성되었다고 보며, 이 사건은 오늘날 관악산 기원의 정설로 여겨진다.
본 기사에서는 익히 알려진 관악산의 기원보다, 관악산을 이루고 있는 화강암의 성분이 어디에서 기원했는가에 대한 근본적인 질문을 던지고자 한다.
관악산의 화강암 성분을 지화학적으로 분석해 그 기원을 추정할 수 있다. 우리는 미량 원소의 부화(enrichment), 결핍(depletion) 정도를 이용할 것이다. 대표적인 미량원소인 희토류 원소(Rare Earth Element)는 마그마 상태에서 불호정성(incompatibility)을 갖고 있다.
지화학에서 ‘호정성’은 마그마보다 광물에 더 친화적인 특성을, 반대로 ‘불호정성’은 광물보다 마그마에 더 친화적인 특성을 말한다. 예를 들어 Ni 원소가 ‘감람석(Olivine)에 호정성’이란 말은, 마그마에서 감람석이 결정으로 빠져나가는 분별 결정이 발생할 때 함께 포함되어 마그마에서 빠져나간다는 말이다. 그러면 마그마에는 Ni 함량이 감소하게 된다.
반대로 어떤 원소가 불호정성이란 말은 마그마에 잔존하려는 습성이므로, 암석이 부분 용융을 겪을 때 마그마와 함께 빠져나가 암석에 남아있는 원소의 함량이 줄어들게 된다. 앞서 언급한 희토류 원소는 불호정성이므로, 암석을 녹였을 때 잘 빠져나가는 습성이 있다. 각 원소끼리의 불호정성도 비교할 수 있는데, A라는 원소가 B라는 원소에 비해 불호정성이라면 부분용융되어 형성된 마그마에서의 부화 정도가 A가 더 클 것이다.
부화 정도는 마그마의 부화 정도를 N-MORB라고 불리는 결핍 맨틀을 기준으로 표준화한 값을 이용한다. 그 이유는 마그마 생성 깊이에서의 주변 맨틀이 대부분 N-MORB 성분을 띠고 있기 때문이다.
그림 2 관악산 화강암의 예상 마그마 부화 정도. (사진 = 암석학 수업 자료)
관악산 암석의 부화 정도를 관찰하면 그림 2와 같은 결과를 얻을 것이다. 모든 미량 원소에 대해 N-MORB로 표준화한 값이 1이 넘는데, 이는 대체로 모든 원소가 부화되어 있음을 나타낸다. 그러나 파란색 원으로 표시한 원소들은 뚜렷하게 다른 특징(anomaly)을 보인다. Nb 원소는 상대적으로 결핍 정도가 심하고, Pb 원소는 부화 정도가 높다. 이것이 바로 관악산의 기원을 설명할 수 있는 시그니처이다.
관찰되는 부화 패턴은 섭입대에서 나타나는 패턴과 일치한다. 해양지각이 대륙지각 밑으로 섭입하는 섭입대 환경에서는 해양지각을 구성하는 함수 광물들과 해양퇴적물에서 유체가가 빠져나오는 ‘탈수’가 발생한다. 이 탈수 과정에서 해양지각 구성 암석인인 각섬암(amphibolite)에 포함된 원소들이 가볍다면 유체와 함께 빠져나가고, 무겁다면 그대로 각섬암에 잔존한다.
그림 3 유체에 대한 원소들의 유동성. (사진 = 암석학 수업 자료)
실제로 Nb은 유체에 대한 유동성이 적어 각섬암에 그대로 잔존하는 반면, Pb은 유체에 대한 유동성이 커 유체와 함께 해양지각 위에 있는 맨틀 쐐기(mantle wedge)에 공급된다. 일반적으로 마그마의 생성 깊이에서 맨틀의 녹는점은 1400도인데, 유체가 유입되면 암석의 녹는점이 낮아져 더 낮은 온도에서도 녹을 수 있다.
그림 4 섭입대에서의 마그마 생성 모식도
따라서 그림 4의 모식도와 같이 유체의 공급으로 맨틀 쐐기의 녹는점이 해당 깊이에서의 온도보다 낮아지게 되면, 마그마가 형성된다. 마그마가 부분용융으로 형성될 때 불호정성인 미량 원소들은 마그마에 대거 유입된다. 또한 마그마의 생성을 촉진한 유체에 Pb 함량이 매우 높으므로 마그마의 Pb 함량도 높게 나타난다. 반면, Nb은 부분용융에 관여하지 않고 각섬암에 잔존하였으므로 마그마에서는 Nb 함량이 낮게 나타난다.
관악산의 화강암에서 그림 2의 부화된 미량 원소 패턴은 맨틀의 부분용융으로 인한 마그마 형성의 결과임을 시사하며, Pb의 부화와 Nb의 결핍 시그니처는 관악산을 형성한 마그마가 섭입대에서 형성되었음을 보여준다. 이는 과거 한반도에 섭입대가 존재하였을 가능성을 암시한다. 대규모 화강암체의 분출에 앞서 화강암체를 형성한 마그마는 섭입대 위의 맨틀 쐐기에서 섭입대의 기작으로 형성되었을 것이다.
흥미롭게도, 관악산뿐만 아니라 대륙지각 역시 섭입대 기원 마그마에 의해 형성된다. 따라서 대륙지각의 암석들을 지화학적으로 분석한다면 섭입대 패턴과 비슷한 패턴을 얻을 수 있을 것이다.
이와 같이 지질학은 과거 지구에서 어떤 운동이 일어났는지를 연구하는 학문이다. 지구 내부를 직접 조사할 수는 없기 때문에 지질학자들은 지구 내부를 지진파로 투영하는 지구물리를 연구하거나 암석, 광물에 포함된 원소의 부화 정도, 동위원소 비율로 암석의 성인을 추정하는 지구화학을 연구한다.
본 기사의 목적은 독자들이 지질학의 연구 과정을 조금이나마 접할 수 있도록 하는 이었다. 인류가 보지 못한 지구의 과거를 현대 연구를 통해 추정할 수 있다는 것이 지질학의 묘미임을 깨달았다면 여러분은 지질학자의 자질을 갖고 있다.
인류는 자기가 살고 있는 행성을 연구함으로써 태양계의 행성, 먼 은하의 외계행성을 바라보고 있다. 우주 관점에서 작은 생명체에 불과한 이들의 무한한 호기심은 어디까지 확장될까.
참고자료
이현우. 암석학 수업자료. 서울대학교 지구환경과학부, 2025.
홍승호, 이병주, 황상기. 지질도폭 설명서: 서울 (1:50,000). 한국동력자원연구소, 1982.
