화강암의 형성
이재만회장(지질학, 과학교육학), ACT뉴스 2017년 7월
알래스카를 제외하고 미국에서 가장 높은 산은 캘리포니아 주에 있다. 4421m에 이르는 휘트니 산(Mt. Whitney)이다. 이 산을 포함하며 남북으로 600km의 길이로 이어지는 산맥이 시에라 네바다(Sierra Nevada)이다. 창조과학탐사 중에 이곳에서 빙하시대에 대하여 다룬다. 요세미티와 세코이야 국립공원도 이 산맥에 위치한다. 시에라 네바다 산맥은 주로 화강암으로 구성되어 있다. 각 대륙마다 화강암은 수 십-수백 평방 킬로미터로 발견되며, 한국에서도 화강암은 가장 쉽게 관찰되는 암석 중에 하나다.
일반적으로 화강암은 마그마가 지하 깊은 곳에서 오랜 세월에 걸쳐 냉각되며 형성된 것이라고 여긴다. 이와 같이 마그마가 지하 깊은 곳에서 형성된 암석을 심성암이라고 하는데 화강암도 이들 중에 하나로 분류된다. 그러나 용암이 분출되어 지표에서 굳는 현무암 같은 화산암과는 달리 오늘날 화강암이 형성되는 것은 거의 관찰된 적이 없다. 또한 화강암은 고온 고압 조건을 갖추어야 하기 때문에 암석 형성에 대한 실험이 쉽지 않다. 그러므로 화강암 형성에 대한 논의는 거의 한 세기에 걸쳐 다양하게 이루어졌다. 대부분의 화성암(마그마에 의해서 형성되었을 것으로 여겨지는 암석)에 대한 책에는 ‘화강암 문제(granite problem)’ 라는 단원이 따로 있을 만큼 각 이론들마다 만족스럽지 않은 문제점을 안고 있다.
화강암 형성에 대한 궁금증은 기본적으로 아래와 같이 정리될 수 있다.
1) 화강암을 만드는 마그마가 얼마나 빨리 상승했는가?
2) 마그마가 어떤 과정으로 지금의 위치에 자리 잡았는가?
3) 마그마가 어떤 과정으로 얼마나 빨리 냉각되었는가?
위에 나열된 화강암 형성에 대하여는 거대한 마그마가 지하에서 천천히 상승하여 수백만 년의 오랜 세월동안 냉각되어 지금의 화강암이 형성되었을 것이라는 것이 지질학자들의 전통적인 생각이었다. 그러나 최근 들어 이런 기존의 자세는 지질학자들에게 계속해서 의심스럽다는 지적을 받아왔다. 오히려 “빠르고 역동적인 과정”에 의해 형성 가능하다는 이론이 대두되고 있다.
1) 마그마 상승
최근 마그마의 상승에 대한 실험은 마그마의 점성과 통로의 너비에 따라서 아주 빠르게 상승하는데 어떤 경우는 기존의 생각보다 백만 배가 빠르다는 것이 실험에 의한 결론이었다. 단지 이 실험뿐 아니라 최근 이루어진 실험들은 마그마가 상승해서 현재의 자리를 잡는데 그리 오래 걸리지 않는다는 것으로 귀결된다. 계산에 의하면 마그마는 하루에 800m 이상을 상승하는 것으로 나왔다. 기존에 수백만 년에 걸쳐 상승했다는 생각에서 큰 변화가 아닐 수 없다.
2) 마그마의 자리잡음
마그마가 상승하는 것과 함께 지금의 자리, 곧 퇴적암 속에 어떻게 자리를 잡게 되었을까 하는 추측은 화강암 형성에 아주 논란거리였다. 그 가운데 가장 어려운 문제로 지적되었던 것이 “공간 문제(space problem)”이었다. 즉 수십만 평방킬로미터의 부피를 가진 마그마가 기존 퇴적암 속으로 들어와서 자리를 잡으려면 퇴적암 속에 엄청난 공간이 있어야 하는데 그런 공간이 존재하는 것은 불가능하기 때문이다.
그러나 최근 현장에서의 연구는 마그마가 상승하며 여러 작은 판상의 형태로 기존 퇴적 지층 사이를 메꾸며 또 다른 마그마가 그 사이 공간을 또 뚫고 들어와 메꾸는 반복적인 과정을 통해 마그마가 자리를 잡았다는 모델에 일치함을 보여주었다. 즉 기존에 거대한 마그마가 천천히 상승하여 자리 잡은 것이 아닌, 여러 작은 부피의 마그마가 기존 균열된 틈새에 들어와서 메꾸는 식의 모델인 것이다. 이런 과정이 여러 번 반복됨으로 인해 마치 거대한 화강암체를 보는 듯한 모습을 보여주고 있는 것이다. 이런 최근의 여러 모델들은 거대한 화강암체가 형성된 데는 수백 년 안에 가능하다는 것을 보여주었다. 실제로 야외 조사 상에서 화강암 사이 사이에 퇴적암들이 끼어서 있는 것을 어렵지 않게 발견하게 되는데 이는 이 모델이 상당히 설득력 있음을 보여준다.
3) 마그마의 냉각 과정과 속도
화강암은 눈으로 볼 수 있을 정도로 큰 결정들로 이루어져 있다. 대부분의 사람들은 이런 큰 결정은 오랜 세월에 걸쳐야 형성 가능하다고 생각한다. 실제로 모든 고등학교 교과서, 심지어 대학교과서에서도 이와 같이 쓰여 있다. 그러나 이런 생각은 바른 개념에서 나온 것이 아니다. 실험실에서 짧은 시간에 이와 같은 큰 결정을 만들 수 있기 때문이다. 예를 들면, 한 시간 안에 5mm의 장석 결정을 만들 수 있다. 즉 큰 결정이 형성되는 것은 시간보다는 물의 함량에 따라 크게 좌우되는데, 특별히 물의 함량이 높을수록 마그마의 냉각 속도는 훨씬 빨라진다. 실제로 모든 화강암은 균열 사이에 열수(熱水, hydrothermal)의해 형성된 결정들을 보여주는데, 이는 마그마에 다량의 물이 함유되어 있음을 보여주는 것이다. 그러므로 화강암의 큰 결정은 오랜 시간의 냉각속도가 필요치 않음을 의미한다.
또한 기존의 냉각과정은 마그마의 전도(conduction)만 고려했으나, 실제로는 마그마가 고온의 액체이기 때문에 대류(convection)를 고려해야 한다. 이럴 경우 냉각 속도는 아주 빨라진다. 앞에 마그마가 자리잡는 과정에서 언급했듯이 거대한 마그마가 아닌 작은 마그마가 균열을 통해 올라왔다고 하면 그 냉각 시간은 훨씬 짧아진다.
화강암이 빠르게 냉각되었다는 것을 보여주는 흥미로운 증거는 화강암에서 관찰되는 폴로늄 방사능훈이다. 폴로늄은 방사성 원소로서, 붕괴를 할 때 방출되는 알파입자가 광물 결정에 동심원의 흔적을 남겨놓는다. 이 폴로늄은 그 반감기가 수 일에서 수 초까지 짧은 것도 있다. 그러나 만약 마그마가 느린 속도로 냉각되었다면 폴로늄은 짧은 반감기로 인해 결정 형성 이전에 모두 소멸되어야 한다. 왜냐하면 액체에는 그 흔적을 남겨놓을 수 없기 때문이다. 그러나 많은 화강암들은 폴로늄 방사능훈을 보여준다. 이는 폴로늄이 모두 붕괴되기 이전에 마그마가 모두 식고 결정들이 만들어졌음을 의미한다. 즉 마그마의 빠른 형성 없이는 그 흔적이 화강암에 남을 수 없다.
이와 같이 화강암에 대하여 수백만 년 걸렸다는 생각은 많은 부분에서 문제점이 있음에도 여전히 중고등학교, 심지어 대학교에서 화강암은 오랜 기간에 걸쳐 형성되었을 것으로 가르친다. 그리고 이로 인해 깊이 없는 지식만 갖고 창조과학자들의 사고를 쉽게 비판하기도 한다. 그러나 화강암이 오랜 세월에 걸쳐 형성되었을 것이란 추측은 대부분이 실험에 의한 것이 아닌 지구가 수 십억 년 되었다는 동일과정설적 패러다임의 산물이다. 오히려 화강암의 빠른 형성은 창조와 홍수 심판의 틀에서 이를 이해하는데 큰 도움이 된다.
위의 글은 아래 논문에서 발췌하여 요약한 것임. 자세한 문헌은 아래 논문을 참고 바람
-Snelling, Andrew A., Catastrophic Granite Formation: Rapid Melting of Source Rocks, and Rapid Magma Intrusion and Cooling. Answers Research Journal, 1–25, February 6, 2008.
-Snelling, Andrew A., “Rapid” Granite Formation? Journal of Creation 10, no 2: 175-177, August 1, 1996
-Snelling, Andrew A. and John Woodmorappe, Rapid Rocks: Granites … They Didn’t Need Millions of Years of Cooling, Journal of Creation, 21, no 1: 42-44., December 1, 1998
