화성암의 특성과 분류

목차

• 화성암이란?
• 화성암의 주요 유형
• 화성암의 분류 방법
  • 조직(텍스처) 기반 분류
  • 화학적·광물학적 분류
• 마그마의 기원과 진화
• 마그마 진화 과정
• 관련 지역 및 응용
• 추가 자료 및 참고 문헌

화성암이란?

화성암(Igneous rock)은 고온 상태의 액체 암석(마그마 또는 용암)이 냉각·결정화되어 만들어진 암석이다. 화성암은 암석의 3대 분류(퇴적암·변성암과 구분) 중 하나로, 지구 내부의 마그마 기원과 분출 과정을 보여주는 중요 자료다. 용암(data origin)과 비슷한 ‘불(ignis)’에서 이름이 유래했으며, “고온의 용융질 암석이 결정화·고화될 때 생긴 암석”으로 정의된다 (www.usgs.gov). 실제로 지하 깊은 곳(판 엽-판 경계나 열점 등)에서 형성된 마그마가 지표로 상승하여 굳어 화성암이 된다 (www.usgs.gov).

지질학적 관점에서 화성암은 지구의 암석권(암석 지각) 구성에 광범위하게 관여한다. 예를 들어, 해양저(중양분지)는 주로 현무암질 용암으로 덮여 있어, 지구 표면의 대부분을 차지하는 해저지각은 현무암으로 이루어져 있다 (geo.libretexts.org). 반면 대륙지각에는 화강암과 같은 심성암이 널리 분포한다. 실제로 화강암은 대륙 지각의 밀도와 조성을 잘 대표하는 암석으로 알려져 있다 (geo.libretexts.org). 요약하면, 화성암은 지표와 지하 깊은 곳에서 모두 만들어지며, 지구의 다양한 암석 형성과 지질 역사를 이해하는 핵심 열쇠가 된다.

화성암의 주요 유형

화성암은 굳어지는 위치와 속도에 따라 크게 두 가지로 나뉜다. 심성암(Plutonic, Intrusive)은 지하 깊은 곳에서 마그마가 매우 천천히 냉각되며 형성된다. 냉각 속도가 느리므로 광물 결정이 크게 성장하여 조립질(phaneritic) 조직을 갖게 된다 (www.usgs.gov). 대표적인 심성암으로 화강암(granite), 섬록암(diorite), 사문암(gabbro) 등이 있으며, 결정 크기가 커서 육안으로도 쉽게 식별된다 (www.usgs.gov). 한편, 화산암(Volcanic, Extrusive)은 마그마가 분출하여 지표나 지표 가까이에서 급속히 냉각되면서 만들어진다. 용암(lava)으로 벌어지면 주변 기온과 접촉하여 순식간에 굳기 때문에 결정들이 미세하거나 유리질(glassy) 상태가 된다 (www.usgs.gov). 이로 인해 조립질이 아닌 치밀질(aphanitic)이나 유리질 조직을 보인다. 대표적인 화산암에는 현무암(basalt), 안산암(basaltic andesite), 유문암(rhyolite), 흑요석(obsidian) 등이 있다 (www.usgs.gov). 예를 들어 현무암과 안산암은 현장에서 거의 결정이 안 보일 만큼 미세한 조직이고, 때로는 유리처럼 검게 광택이 나는 것이 특징이다 (www.usgs.gov) (geo.libretexts.org).

또한, 폭발적 화산활동에 의해 발생한 파편암(rexferred to pyroclastic rocks)들도 화산암의 한 종류로 볼 수 있다. 화산 폭발이 일어나면 화산재와 암석 조각이 공중으로 날아가 가라앉아 굳는데, 이러한 암편과 재가 쌓여 만들어진 것이 응회암(tuff)과 화산쇄설암이다 (geo.libretexts.org). 예를 들어, 화산이 폭발하면서 뿜어낸 유리질 조각과 암편들이 땅에 쌓여 형성된 응회암은 화산 폭발의 흔적을 고스란히 담고 있다 (geo.libretexts.org).

결국 화성암은 심성암(두텁고 굵은 결정) 대 화산암(미세·유리질 또는 파편)이라는 두 가지 큰 유형으로 구분된다. 일반적으로 화강암·섬록암 같은 심성암은 산맥을 이루거나 화강암 단괴로 출현하고, 현무암·흑요석 등 화산암은 화산체나 용암대지, 화산재층 등으로 나타난다.

화성암의 분류 방법

조직(텍스처) 기반 분류

화성암은 암석 내부 광물 결정의 조직(텍스처)에 따라 분류할 수 있다. 조직은 결정의 크기, 형태, 배열 등을 말하며, 마그마가 냉각된 속도와 환경을 반영한다 (geo.libretexts.org) (geo.libretexts.org). 주요 조직 분류는 다음과 같다:

• 조립질(Phaneritic): 심성암에서 나타나는 조직으로, 냉각 속도가 느려 결정이 크게 성장하여 육안으로도 식별된다 (geo.libretexts.org). 예를 들어 화강암은 조립질을 띤 대표적 암석이다.
• 치밀질(Aphanitic): 화산암에서 보이는 조직으로, 냉각이 빠르게 일어나 결정이 매우 미세하거나 맨눈으로 보이지 않는다 (geo.libretexts.org). 예컨대 현무암 표본은 대부분 아주 미세한 광물로 이루어져 있다.
• 유리질(Glassy): 용암이 급랭하여 광물 결정이 전혀 형성되지 않는 조직이다 (geo.libretexts.org). 검은색 유리처럼 보이는 흑요석(obsidian)이 대표적이다.
• 포로피리틱(Porphyritic): 큰 결정(포로필라스트, phenocryst)과 이를 둘러싼 미세결정(지반, groundmass)으로 구성된 혼합 조직이다 (geo.libretexts.org). 마그마가 심부에서 천천히, 이후에 급격히 냉각된 이중 냉각 이력을 나타낸다. 예를 들어, 큰 장석 결정(phenocryst)이 실리카성 용암 안에 박혀 있는 리오라이트가 이에 속한다.
• 공극질(Vesicular): 용암 중 가스 방울이 빠져나가면서 생긴 구멍(vesicle)이 많은 조직이다 (geo.libretexts.org). 가스 대량 함유 용암이 뿜어내진 뒤 굳어 생긴 스코리아(scoria)와 같은 현무암질 암석이 대표적이며, 동일한 현상이 더욱 뚜렷하게 나타난 것이 저밀도로 공중에 뜰 정도로 기공이 큰 부석(pumice)이다 (geo.libretexts.org) (geo.libretexts.org).
• 응회질(Pyroclastic): 폭발적 분출에 의해 산출된 화산쇄설물(화산재, lapilli, 화산탄 등)이 쌓여 굳은 조직이다 (geo.libretexts.org). 여러 크기의 암편이나 유리편이 뒤섞여 있으며, 이런 퇴적물이 고결된 것이 응회암이다 (geo.libretexts.org).

예를 들어, 거대한 운석 크기의 가스방울이 발포된 스코리아나 휘어 플라스크 같은 부석은 분화구 주변에서 흔히 볼 수 있는 화산암이며, 대형 결정이 듬성듬성 박힌 포로피리틱 암석은 심부에서 마그마가 서서히 굳다가 분출 구름에 얼어붙는 이중 과정을 거쳤음을 시사한다. 이처럼 조직 분류는 냉각 속도와 환경을 반영하여 화성암이 지표에서 형성되었는지, 지하 깊이에서 형성되었는지, 또는 폭발적으로 분출되었는지 등을 알려준다.

화학적·광물학적 분류

화성암은 화학 조성, 특히 규산(SiO₂) 함량 비율에 따라 구분하기도 한다. 규산 함량이 많은 순서대로 장석질(felsic)→중간(intermediate)→철장석질(mafic)→극철장석질(ultramafic) 네 그룹으로 분류한다 (geo.libretexts.org) (geo.libretexts.org). 각 그룹은 주요 광물 및 평균 SiO₂ 함량 범위로 정의되는데, 예를 들어:

• 장석질(Felsic): 주요 광물은 백운모·흑운모·석영·장석 등 밝은 광물이다. SiO₂ 함량이 약 65–75%로 높으며, 알칼리장석과 석영을 다량 함유한다 (geo.libretexts.org). 화강암(granite), 유문암(rhyolite) 등이 여기에 속한다.
• 중간(Intermediate): 밝은 광물과 암석질 광물이 거의 비슷하게 혼합되어 있고, 중간규산으로 55–60% 정도를 갖는다 (geo.libretexts.org). 디오라이트(diorite), 안산암(andesite)이 이 범주에 속한다.
• 철장석질(Mafic): 흑운모·녹니석·휘석 등 암석질 광물이 풍부하여 짙은색을 띤다. SiO₂ 함량이 약 45–50%로 낮고 Mg, Fe가 풍부하다 (geo.libretexts.org). 현무암(basalt)과 감람암(gabbro)이 대표적이다.
• 극철장석질(Ultramafic): 규산 함량이 40% 이하로 매우 낮으며 거의 올리빈·휘석 등으로 구성된다 (geo.libretexts.org). 지구 맨틀 암석인 감람암(peridotite)이 여기에 속한다.

이들 분류는 규산 함량에 따른 연속체를 이루는데, 상기 예를 들어 장석질 화강암과 유문암이 서로 짝을 이루고, 중간질 디오라이트-안산암, 철장석질 감람암-현무암처럼 심성암과 화산암 명칭이 쌍으로 존재한다 (geo.libretexts.org). 즉, 같은 화학 조성을 가질 때 지하에서 천천히 굳으면 화강암, 지표에서 빠르게 굳으면 유문암이라 부르는 식이다 (geo.libretexts.org). 이러한 조직·성분 기반 분류 체계는 화성암의 형성 환경과 조성을 종합적으로 파악하게 해 준다.

마그마의 기원과 진화

지구 내부에서 화성암의 원천인 마그마(magma)는 주로 기존 암석의 부분 용융에 의해 만들어진다 (opentextbc.ca). 암석을 구성하는 광물마다 녹는점이 다르기 때문에, 일부 광물만이 녹아 액체가 되어 상승한다. 실제 실험 예시로 양초(백랍)와 플라스틱을 섞어 가열하면, 먼저 온도가 낮은 백랍(融點 약 50°C)이 녹아 액체가 되고, 플라스틱은 고체로 남는다 (opentextbc.ca). 이와 유사하게 지하에서 마그마가 생성되면, 규산 함량이 높은 광물(예: 사장석, 석영 등)이 먼저 용융되어 액체가 형성되고, 이에 비해 녹는점이 높은 올리빈·휘석 같은 광물은 남는다 (opentextbc.ca) (opentextbc.ca). 그 결과 부분용융액은 원암보다 규산 함량이 높아지는 특징이 있다 (opentextbc.ca). 마그마는 용융된 암석보다 밀도가 낮아 위로 상승하며, 주변 암석을 가열하거나 녹여 편입할 수도 있다.

마그마 발생 조건에는 압력, 수분/화산가스(휘발분), 온도 등의 변화가 중요한 역할을 한다. 깊은 지각층이나 맨틀에서는 높은 압력 때문에 암석의 녹는점이 매우 높다. 예를 들어 지하 100km 지점에서는 맨틀암이 2300°C지만 압력에 의해 녹는점이 3800°C까지 상승한다 (opentextbc.ca). 이때 암석의 압력이 급격히 줄어들면(감압), 암석이 녹는 온도가 내려가 그 온도만으로도 부분 용융이 일어난다(감압 용융) (opentextbc.ca) (opentextbc.ca). 실제 판축이 펼쳐지며 해양지각이 갈라지는 중양분지나 리프트 지대, 맨틀플룸의 상승 등의 상황이 감압 용융을 유발한다 (opentextbc.ca) (opentextbc.ca). 한편, 휘발분(물, CO₂ 등)이 암석계에 첨가되면 녹는점이 낮아진다(플럭스 용융) (opentextbc.ca) (opentextbc.ca). 대표적으로 섭입대에서는 지하 깊은 곳에서 변형되어 나온 물이 맨틀 물질과 만나 용융이 일어난다 (opentextbc.ca) (opentextbc.ca). 마지막으로 단순한 열에 의한 용융도 있으며, 예를 들어 뜨겁게 가열되는 맨틀플룸이나 대규모 마그마 저체가 인접 암석을 가열하여 녹일 수도 있다 (opentextbc.ca).

이들 요인은 판구조론과 밀접히 연결된다. 지각이 벌어지며 압력이 낮아지는 확장 환경에서는 감압 용융이, 충돌·섭입 환경에서는 수분이 공급되며 플럭스 용융이 주로 발생한다 (opentextbc.ca) (opentextbc.ca). 즉, 마그마는 원래 존재하던 암석의 구성과 부분용융 정도, 그리고 판구조에 따른 압력·수분·열 조건이 조합되어 생성된다 (opentextbc.ca) (opentextbc.ca) (opentextbc.ca).

마그마 진화 과정

일단 형성된 마그마는 상승하거나 격리되는 동안 화학 조성이나 광물상이 변화할 수 있다. 이를 마그마(혹은 화성암) 분화(differentiation or differentiation process)라고 하며, 다양한 과정이 복합적으로 작용한다 (www2.tulane.edu) (www2.tulane.edu). 기본적으로, 마그마 분화란 “마그마 평형계의 어떤 과정이 마그마 조성을 변화시킬 때 일어나는 현상”으로 정의된다 (www2.tulane.edu). 대표적인 분화 메커니즘으로는 다음과 같은 것들이 있다 (www2.tulane.edu).

• 결정 분리(Crystal Fractionation): 마그마가 냉각되면서 고온에서 먼저 결정화된 광물 결정들이 침강하거나 배출되는 과정이다. 이는 잔류 용융액의 조성을 변화시킨다. 예를 들어, 보우엔 반응계(Bowen's reaction series)에 따르면 올리빈·휘석·각섬석처럼 고온에서 형성되는 암석광물이 먼저 결정되는데, 이들이 Mg, Fe 같은 성분을 가져가면서 남는 액체는 상대적으로 규산 함량이 높아진다 (geologyhub.com). 이렇게 광물이 단계적으로 결정되면서 마그마는 점차 분화하여 다양한 조성과 광물 조합의 암석을 만들 수 있다.
• 마그마 혼합(Magma Mixing): 서로 다른 조성과 온도의 두 마그마가 섞이면서 중간 정도의 조성을 갖는 새로운 마그마를 형성하는 과정이다. 화산체나 관입암체 내에서 두 개 이상의 마그마 주체가 만날 때 흔히 일어난다 (www2.tulane.edu).
• 동반석 용융(Due to Partial Melting of Wall Rock): 마그마가 상승하면서 주변 암석을 녹여 일부를 혼합하는 경우이다. 이른바 용암 동화(assimilation)로, 상부 맥체 주변의 정착암질 암석이 첨가되어 마그마 성분이 변화한다 (www2.tulane.edu).
• 부분 용융(Degree of Partial Melting): 원암의 부분 용융 정도가 달라질 경우도 분화를 일으킬 수 있다. 같은 암석이라도 어떤 단계에서 얼마나 용융되었느냐에 따라 마그마 조성에 변화를 준다 (www2.tulane.edu) (www2.tulane.edu).
• 액체 비렁성(Liquid Immiscibility): 드물지만, 마그마 내부에서 두 종류의 액체 상이 분리되어 서로 다른 조성의 암석을 형성하는 경우도 있다 (www2.tulane.edu).

일반적으로 경과하는 여러 과정이 복합적으로 작용하여 마그마는 연속적으로 조성 변화 과정을 겪는다. 그 결과 지하와 지표에서는 모두 한 번의 마그마 분출에도 다양한 조성을 갖는 암석이 만들어질 수 있다. 예를 들어, 한 화산체의 분출암 중에는 안산암류(중간질)와 유문암류(장석질)가 동시에 검출되기도 한다.

물리화학적 분화를 뒷받침하는 대표적 이론으로는 앞서 언급한 보우언 반응계가 있다 (geologyhub.com). 보우언은 실험을 통해 규산질 마그마가 냉각되면서 올리빈, 휘석, 각섬석, 흑운모 등이 순차적으로 결정되며, 각 단계에서 결정화된 광물이 마그마 속 특정 성분을 제거해 남은 용융부의 조성이 변화함을 관찰했다 (geologyhub.com). 실제로 마그마가 냉각됨에 따라 올리빈이 먼저 결정을 이루며 Mg·Fe를 고갈시키고, 나중엔 장석이나 석영이 결정화되며 SiO₂ 함량이 변동한다는 점이 실험적으로 확인되었다 (geologyhub.com). 이처럼 결정 분리는 마그마가 냉각되며 규산 함량이나 기타 화학 조성이 점진적으로 바뀌는 원리를 설명해 준다.

결론적으로 화성암 분화는 단일 마그마에서 여러 조성의 암석이 형성되는 근본 과정이다. 결정 분리나 마그마 혼합 등 여러 요인이 결합되어 화산과 관입암체 주변에서 매우 다양한 화성암이 생성된다 (www2.tulane.edu) (geologyhub.com).

관련 지역 및 응용

화성암은 지질학적 지형 뿐 아니라 산업적으로도 중요하다. 전 세계의 주요 화성암 산출지로는 화산 활동 지역이나 대규모 관입암체 지역이 꼽힌다. 예를 들어, 하와이·아이슬란드와 같은 현무암질 용암대지, 시에라네바다·안데스 산맥과 같은 거대한 화강암체, 백두산·제주도처럼 비교적 최근에 활발히 분출한 화산지대 등이 대표적이다.

한국에서는 한반도 전역에 화강암과 현무암이 광범위하게 분포한다. 통계적으로 한국의 노상 깬돌(삽목석) 자원 중 약 25%는 화강암에서 채굴되며, 안산암(중석질화산암)이 약 10%를 차지한다고 보고된 바 있다 (www.kseeg.org). 이 중 화강암과 안산암 등 화성암이 주요 건설 재료로 쓰인다. 예컨대 서울·부산 등지의 도로 포장용 골재는 주로 화강암을 사용하며, 제주도에서는 지리적 여건상 현무암을 풍부하게 쓰고 있다 (www.mdpi.com). 실제 연구에 의하면 제주도는 해안지형의 대부분을 현무암으로 이루고 있어, 지방도로 건설에 현무암 골재가 활용되고 있다 (www.mdpi.com).

산업적으로는 화성암이 건축 석재나 공업용 자원으로 널리 이용된다. 고풍스러운 화강암 기념비나 건물 외벽, 주택의 카운터톱 등은 화강암으로 만든 것이 많다. 내화성·단열성이 좋은 현무암이나 유문암은 도로포장재, 분말유리, 단열재 등으로 사용된다. 다공질의 부석(pumice)은 건축용 경량 콘크리트나 토양 개량제로 활용되고 있다. 또한 보우언 반응계에서처럼 화성암 지질조사는 금속 광상의 위치 추적에도 쓰인다. 마그마에 동반된 구과상유문암 같은 특이한 암석이나 대형 관입암체는 동(銅)·금·니켈 등의 광상과 밀접한 연관이 알려져 있다.

학문적으로도 화성암 연구는 판구조론과 지구 진화 연구에 중요한 단서를 제공한다. 방사성 지르콘 연대측정을 통해 백두산 화산폭발 시기, 한반도 대보조산운동 시기 등 지질 사건들의 연대를 산출할 수 있다. 또한 광물 조성과 화학 조성 분석을 통해 마그마원류의 기원과 변화를 추정하는 연구가 활발히 진행된다. 이처럼 화성암은 지질구조·자원 탐사·지반공학 등 다양한 분야에서 핵심 역할을 한다.

추가 자료 및 참고 문헌

• 관련 학습 자료: 지질학 개론 교재(유문암, 현무암 등 화성암 총론), 한국지질자원연구원 웹사이트의 화산지질 및 암석정보, 플라스크 대실험(마그마 모의 실험) 등 대학 물리지질 온라인 콘텐츠.
• 참고 문헌: 연구 논문, 학회지, 교과서 등에서 화성암 분류와 형성 메커니즘에 관한 자료. 특히, Magma 분화와 마그마 생성 메커니즘에 대한 Karla Panchuk(2021) 『Physical Geology』, Stephen Nelson(학교 교재) 『Magmatic Differentiation』, USGS FAQ, 한국지질학회지의 화강암/현무암 분포 연구 등을 참고하면 심도 있는 이해에 도움이 된다.

참고 문헌
[1] 미국 지질조사국(U.S. Geological Survey), “What are igneous rocks?”, https://www.usgs.gov/faqs/what-are-igneous-rocks (검색일: 2025).
[2] LibreTexts 협회, “Classification of Igneous Rocks”, https://geo.libretexts.org/ (검색일: 2025).
[3] Karla Panchuk, “Physical Geology (H5P Edition)” (PhysicalGeologyH5P, 2021), https://opentextbc.ca/physicalgeologyh5p/.
[4] Tulane 대학 지구과학교재, Stephen A. Nelson, “Magmatic Differentiation”, https://www2.tulane.edu/~sanelson/eens212/magmadiff.htm (검색일: 2025).
[5] GeologyHub, “Bowen’s Reaction Series”, https://geologyhub.com/bowens-reaction-series/ (검색일: 2025).
[6] 경기대학교·KICT 연구팀, 할홍(Han, Baek et al.), “Evaluation of Properties of Asphalt Concrete Mixture Using Basalt Aggregate from Jeju Island”, Buildings 13(12):3119 (2023).
[7] 한국경제환경지질학회, 김세선 외, “Geology and Distribution of Crushed Aggregate Resources in Korea”, Econ. Environ. Geol. 37(5):555–568 (2004).