일반명: 방사형 결정을 가지는 구상화강암 Orbicular Granite 230410-1

원산지: 서호주(Boogardie, Mount Magnet, Western Australia)

모암암석명: 흑운모 몬조화강암(biotite monzogranite)

나이: 구상화강암(Orbicular Granite) 약 26억 9200만년, 흑운모 몬조화강암(biotite monzogranite) 약27억년

조성: 구상은 방사성각섬석(radiating hornblende) 및 사장석(plagioclase)결정+ 모암은 흑운모 몬조화강암 모암(biotite monzogranite)으로 조성되었다.

[우리나라의 꽃 돌과 구상 화강암]

우리나라에서는 꽃 돌이라 해서 수집가들에게 인기가 있는 돌이 있는데 이것은 구과상유문암(Spherulitic rhyolite)으로 화성암 중에 지표면에 가까운 곳에서 생성되는 화산암에 속하는 암석이다. 이에 반해 구상화강암(Orbicular Granite)은 화성암 중에 마그마에 가까운 깊은 곳에서 만들어지는 심성암에 속하기 때문에 서로 매우 다른 모습과 특징을 가지고 있다.

꽃 돌인 구과상유문암(Spherulitic Rhyolite)은 경북 청송 주왕산과 부산 장산에서 발견되고 있으며 그 중 주왕산  꽃돌은 전세계적으로 유명하다. 구상화강암(Orbicular Granite)은 상주 운평리, 무주 오산리, 부산 전포동, 청송 판천리, 담양군 추월산등 5곳에서 발견되고 있으면 추로 천연기념물로 지정, 또는 지정예정에 있다.

[이 표본은 지질과 암석의 천연보고인 호주산 구상화강암]

호주에서 구상화강암(Orbicular Granite)은 2013년 3월 호주 지질학회(Geological Society of Australia)의 이달의 바위(Rock of the Month)에 지정되었으며, 캔버라의 호주지구과학(Geoscience Australia)에 국립 암석 정원(National Rock Garden)에 전시된 큰 블록이 있다. 또한, 스코틀랜드 국립 박물관(National Museum of Scotland)에는 대형표본이 전시되어 있으며 직경이 거의 150cm인 구상화강암의 구체가 서호주 퍼스시 중심가의 분수대에서 회전체로 전시되어 있다.

화강암은 이미 많이 알려져 있듯 우리나라 건물과 도로 등 많은 곳에서 볼 수가 있다. 화강암은 집안에서도 많은 사람들이 부엌 벤치 상판이나 입구 등 건물의 장식용 돌로 친숙한 암석이다. 대부분의 화강암은 크기가 수 밀리미터에서 약 2cm에 이르는 결정이 고르게 분포되어 있는 밝은 색상이다. 석영, 장석, 흑운모 및 각섬석은 암석을 구성하는 가장 일반적인 암석이다.

구상화강암은 전 세계 일부 지역에서만 발견되는 비교적 희귀한 화성암이다. 그것은 암구/구상(orbicules)라고 불리는 풍부한 아구형 내포물을 포함하는 매우 독특한 화강암 암석이다. 암구(orbicules)는 주로 방사상 각섬석과 장석 결정의 동심원 껍질로 구성되어 있으며 훨씬 더 큰 호스트 화강암 본체 내에 밀집되어 있다. 'Orbicular'는 다양한 암석 유형의 질감을 설명하는 용어이며 일반적으로 결절이나 구형 특징을 포함하는 것과 같이 '원형' 또는 '구형'을 의미하며 우리나라에서는 암구(돌로 만들어진 구)로 알려져 있다.

구상/구형 화강암은 상대적으로 드물지만 거의 모든 대륙에서 국지적으로 발견되는 사례가 있을 수 있다. 눈길을 끄는 질감이나 모양으로 알아볼 수 있지만, 그럼에도 불구하고 다양한 발생은 연령에 따라 크게 다르며 독특한 모양과 구성을 가지고 있다.

구상암 질감과 모양(The orbicule textures)

구형은 일반적으로 너비가 5-20cm이며 중간에서 거친 입자의 화강암 암석덩어리에서 생성된다. 암구(orbicules)는 일반적으로 최대 10cm 간격으로 화강암덩어리를 통해 상당히 고르게 분포되어 있다. 더 조밀하게 축적된 것으로 보이는 영역이 있으며 일부 암구(orbicules)는 다른 암구(orbicules)보다 변형되기도 한다.

암구상 자체는 구성에서 각섬섬록암(hornblende diorite)으로 분류된다. 그들은 거의 전적으로 검은 각섬석과 흰색 사장석으로 구성되며 일부 흑운모와 매우 희귀한 티타나이트(titanite)는 가장 바깥 쪽 층에만 있다. 암구상을 둘러싸고 있는 화강암 땅 덩어리는 몬조나이트(monzogranite)에서 토날라이트(tonalite)까지 구성이 다양하다. 구상화강암이 발견되는 거대한 암괴는 몬조화강암~화강섬록암으로 구성되어 있다.

이러한 구성은 QAP 다이어그램이라고하는 화강암 암석의 분류 다이어그램에 나와 있다. 이 삼각형 그래프는 광물 석영/quartz (Q), 알칼리 장석/alkali feldspar (A) 및 사장석/plagioclase (P)의 상대적 비율에 따라 암석을 분류하는 데 사용할 수 있다. 다른 암구상의 내부 구조와 레이어링은 모두 중앙 코어를 중심으로 바깥쪽으로 자랐지 만 매우 다양하다. 가장 일반적인 유형의 코어는 방사상각섬석 및 사장석 결정의 작은 클러스터이다. 그러나 다른 코어는 오래된 암석 조각, 부서진 암구상 또는 미세한 방사상입상으로 구성된다.

일부 코어는 날카롭게 생성되며 밀리미터 두께의 세분화된 층으로 둘러싸여 있다. 코어 주변에서 대부분의 암구(orbiculars)는 5~7개로 구성되지만 경우에 따라 최대 12개의 잘 생성된 동심원 층 또는 다양한 두께의 쉘로 구성된다. 각 껍데기는 밑에 있는 껍데기의 표면에 직각을 이루고 있는 길쭉한 검은색 각섬석과 흰색 사장석 결정이 번갈아 가며 구성되어 있어 중앙에서 바깥쪽으로 방사되는 모양을 제공한다. 방사 결정의 껍질은 일반적으로 주로 사장석으로 구성된 세립 입상 층으로 분리된다. 가장 바깥 껍질은 중간에서 어두운 회색이며 일반적으로 주로 흑운모로 구성되며 두께는 수 밀리미터일 수 있다.

가장 일반적인 구상화강암 구조 중 일부

구상결정이 있는 방사형 배열을 가진 암구(orbicules) 모두 방향성이 있지만 구상주변의 석기는 훨씬 매우 고르고 등입상 질감(거의 같은 크기의 알갱이)을 보이며 결정에 명확한 방향이 없다. 흑운모가 풍부한 최외층은 매우 부드럽고 물에 의해 쉽게 분해될 수 있다. 풍화된 표면에서 암석은 때때로 더 부드러운 가장 바깥쪽 층이 시간이 지남에 따라 침식되고 구가 풍화되어 약해진 곳에서 검은색의 뾰족한 자국이 나타나는데 이것은 검은색이 좀더 풍화에 강하기 때문이다.

구형의 내부 구조 및 조직.

호주 구상화강암은 어떻게 만들어졌는가?

구상화강암이 어떻게 형성되고 왜 다소 희귀한지 이해하기 위해 꽤 많은 연구가 그간 수행되었다. 화강암은 일반적으로 지하 깊숙한 마그마 챔버에서 천천히 냉각된 마그마에서 형성되는 중간에서~거친 입자의 화성암이다. 일반적으로 마그마가 식으면서 광물이 핵 생성 부위 주변에서 결정화되기 시작한다. 상대적으로 느린 냉각 과정은 무작위로 배열된 결정의 상대적으로 고른 분포를 가진 암석 몸체로 궁극적으로 응고되는 일련의 다양한 광물의 꾸준한 침전을 허용한다. 핵 형성 부위는 단지 몇 개의 분자일 수 있지만 이들은 전체 결정화 과정을 '시작'하는 씨앗이 된다.

그러나 이 표본이 발견된 서호주에서는 약간 다른 일이 발생했다.

1. 정상적인 결정화가 지연되었는데 아마도 핵 생성 장소(site)가 없었기 때문일 것이다. 모암의 기반암인 몬조화강암(monzogranite)의 결정화 중에 방출된 물의 유입에 의해 핵 형성 사이트가 파괴되었을 가능성이 있다.

2. 핵 형성 부위가 없다는 것은 마그마가 고체로의 결정화가 일어날 온도 이하로 냉각될 수 있다는 것을 의미한다. 이것을 과냉각이라고 하는데 이로 인해 정상적인 결정화가 진행되지 않았다.

※과냉각에 대한 아이디어는 맥주가 일반적으로 고체가 되는 온도, 즉 동결 온도보다 훨씬 낮은 온도에서도 맥주가 액체 상태를 유지할 수 있는 것으로 설명될 수 있다. 그러나 맥주병을 조리대에 두드려 열자마자 약간의 얼음 결정이 형성되기 시작하는데, 이 결정은 핵 형성 부위로 작용하여 맥주가 즉시 얼고 결정화되어 고체를 형성할 수 있다.

3. 결국, 조건이 '전형적인' 결정화 온도 아래의 임계값을 넘을 때 사장석과 각섬석이 암석 조각과 기타 '종자' 위치 주변에 형성되기 시작했을 것이다. 프로세스가 시작되면 고체에서 핵을 생성하는 데 필요한 에너지가 적기 때문에 훨씬 빠르고 쉬워진다.

4. 구형의 동심원 층이 코어 주위에 점진적으로 추가되었다. 질감형태와 구성의 변화는 다른 요소의 온도와 채도의 국지적 변화를 반영하는 것 같다. 또한 이 단계에서 구가 대류에 의해 구동되는 마그마 챔버 주위를 자유롭게 이동했을 가능성이 있다. 부분적으로 결정화된 구체는 유체 마그마를 통해 가라앉았을 수 있으며, 일부는 여전히 상대적으로 부드러운 상태에서 마그마 챔버의 바닥에 축적되었을 수 있다. 이것은 일부 암구(orbiculars)가 변형되거나 다른 암구(orbiculars)가 함께 결합되는 곳에서 볼 수 있다.

5. 마지막으로, 암구(orbiculars) 사이에 남아있는 용융물이 결정화되어 화강암 기반 덩어리를 형성하여 암구(orbiculars)를 제자리에 고정시켜 구상화강암이 완성되었다.

구상화강암 연대측정

대부분의 화성암중 화강암에는 정확하게 연대를 측정할 수 있는 광물 지르콘이 포함되어 있다. 지르콘에는 정확히 알려진 속도로 납으로 서서히 붕괴되는 미량의 우라늄이 포함되어 있다. 이러한 원소의 양 사이의 비율을 통해 우리는 각 지르콘 결정이 형성된 이후 얼마나 많은 시간이 경과했는지, 따라서 그것이 나온 암석의 연대를 계산할 수 있다.

먼저 암석을 부수고 고운 가루로 만든 다음 체질하고 세척하여 가장 고운 가루를 제거한다. 자성 광물은 강한 자석을 사용하여 제거되고 나머지 물질은 지르콘 결정이 바닥으로 가라앉는 고밀도 액체에 배치한다. 일단 분리되면 이 매우 작은 결정(길이 약 100~200미크론)을 에폭시 디스크에 장착하여 박편으로제작, 분석을 위해 연마한다.

연대측정은 터틴대학교(Curtin University) 연구소에 있는 민감한 고해상도 이온 마이크로프로브(SHRIMP)를 사용하였다. SHRIMP는 개별 지르콘 결정 내에서 우라늄과 납을 측정할 수 있도록 미세하게 집중된 산소 이온 빔을 사용하는 매우 큰 질량 분석기인데 전 세계에 이러한 기계가 몇 대밖에 없다. 여기에서 측정된 구상화강암(Orbicular Granite)의 나이가 26억 9200만 년임을 확인했다. 모암인 흑운모 몬조화강암은 약간 더 오래되었으며 연대는 약 27억 년으로 확인되었다.

[세계의 구상화강암]

캐나다 배핀 아일랜드(Baffin Island, Canada)

미국의 시에라네바다주(Sierra Nevada, USA)

칠래의 아타카마지역(Caldera, Atacama Region, Chile)

프랑스의 코르시카(Caldera, Atacama Region, Chile)

필란드의 캉가살라(Kangasala, Finland)

남아프리카공화국의 노던케이프주(Orbicule Hill, Northern Cape, South Africa)

중국 산둥성(Mengyin, Shangdong Province, China)

한국 상주(Unpyeong-ri, Sangju, Republic of Korea)

서호주 마운트마그넷(Boogardie, Mount Magnet, Western Australia)

뉴질랜드 카라메아(Karamea (South Island, New Zealand)

[한국의 구상화강암산지 5곳]

구상암(球狀岩)이란 공처럼 둥근 암석으로 특수한 환경조건에서 형성되며 대부분 화강암속에서 발견되는데, 전세계적으로 100여 곳에서만 발견되고 있으며, 우리나라에서는 5곳에서 구상암이 발견되고 있다.

5-1. 상주 운평리 구상화강암(尙州 云坪里 球狀花崗岩, 천연기념물 제069호)

상주 구상화강암은 지각 심부에서 마그마가 지각의 약한 곳을 뚫고 상승하면서 마그마의 관입 작용 동안 형성된 것으로 관입 도중 마그마로부터 부분적으로 정출된 결정들이 마그마를 순환하는 과정에서, 마그마 성분과 간입체 크기와 관련된 특수한 작용에 의하여 동심원상의 구조를 이루면서 형성된 특이한 암석이다.

핵과 각(껍질)으로 이루어진 구상암은 용액 상태인 마그마의 상부로 이동되어 이곳에 집적되거나 혹은 심성암의 모체에서 멀리 떨어진 암맥으로 이동되어 한 곳에 집적된 것이다. 구체 지름은 5∼13㎝이며, 완전한 원형의 단면을 보여 주는 것도 있으나 타원형인 것도 있고, 불규칙한 것도 있다.

구체의 단면은 주로 사장석으로 되어 있고, 이에 동심원으로 된 몇 개의 검은 원이 발견된다. 검은 부분은 흑운모로 된 층으로 대체로 구체의 표부에 여러 층이 겹쳐지는 경우가 많으나, 드물게는 내부에 한두 층의 동심원을 보이는 경우도 있다.

구체들 사이의 암석은 장석, 석영, 흑운모를 주성분으로 한 화강암이다. 보통의 화강암은 거의 비슷한 광물입자가 고르게 섞여 특유한 무늬를 보여주지 않는다.

그러나 구상화강암은 녹은 상태에서 굳어질 때 구체의 중심부에 어떤 핵을 중심으로 종류를 달리하는 광물을 침전시킴으로써 구상의 동심원상 구조를 여러 개 형성하게 된 것으로 보인다. 이러한 구조는 흔히 발견되지 않으므로 희귀한 암석으로 학술적 연구대상이 되어 있다.

5-2. 무주 오산리 구상화강편마암 (茂朱 吾山里 球狀花崗片麻岩, 천연기념물 249호)

이 지역의 지질은 소백산(小白山) 편마암 콤플렉스인데, 하부로부터 편암, 화강암질 편마암, 구상변정질(球狀變晶質)편마암, 혼성편마암, 고상(固狀)편마암 등으로 되어 있다. 구상편마암은 편암으로 둘러싸인 암질 편마암 속에 형성되어 있으며, 계곡의 밑바닥에 떨어져 나간 돌 다시 말해 전석(轉石)으로 산재한다. 전석의 크기는 일정하지 않으나 큰 것은 지름이 수 m에 이르는 것도 있으며, 0.5∼1 m인 것이 가장 많다. 육안으로 보기에는 화강암질 편마암이다.

구상은 모양과 크기가 다양하며 그 중의 어떤 것은 5.5×8.5 cm, 4.0×4.4 cm, 4.5×5.5 cm 등이다. 이들 구(球)를 에워싼 흰 테[輪部]의 두께는 대개 0.5∼1 cm, 2.0∼2.5 cm 등으로 측정된다. 구부도 육안으로 보기에는 편마암질이며 기질(基質)과 비슷하나 백색의 테는 장석질(長石質)이다.

구상 물질은 2차적인 변형을 거쳐 여러 가지 모형을 이루고 있으며 이들의 방향성을 암시하는 부분도 있다. 

5-3. 부산 전포동 구상반려암 (釜山 田浦洞 球狀斑糲岩, 천연기념물 제267호)

구상암(球狀岩)이란 공처럼 둥근 암석으로 특수한 환경 조건에서 형성되며, 대부분 화강암 속에서 발견된다. 그러나 부산 전포동의 구상 반려암은 길이 400m, 폭 300m에 달하는 반려암 속에 구상암이 들어있는 형태를 하고 있으며, 이는 아시아에서는 유일하게 기록된 희귀암석의 종류이다. 구상암의 지름은 작게는 1㎝ 이하인 것부터 크게는 5∼10㎝인 것도 있다. 색깔은 암록회색 내지는 연한 회색이다.

부산 전포동의 구상 반려암은 암석의 생성과정을 연구하는데 매우 중요할 뿐만 아니라, 매우 희귀하고 특수한 암석으로서 지질학적 연구가치가 크다.

황령산 중턱에 분포되어 있으며, 지구생성과정 연구에 중요한 자료가 되는 암석군이다. 구상반려암은 세계적으로도 희귀하여 8개 국 14군데에서만 그 존재가 확인되었는데 동양에서는 황령산에서 최초로 발견되었다. 암석군이 형성될 제3기 초에는 한반도 남반부 일대가 지반 경계부 가까이에 있었음을 보여주는 중요한 자료이다. 또 판구조론(板構造論)의 이론 구성과 암석의 생성원인 연구에 세계적으로 중요한 자료가 된다. 구상구조가 확인되는 노두(露頭)는 여러 곳이며 총지표면적은 약 0.14㎢로 세계 최대규모이다. 이곳의 노두는 핵석노두를 포함한 암석군을 보이고, 탐스런 미관은 높이 평가된다. 보존이 잘 되어 있으며 다양한 종류의 암구를 갖추고 있다. 구상반려암은 약 8천 5백만년 전 지하 깊은 곳의 마그마가 그대로 굳어서 만들어진 심성암의 일종으로 광물들이 층을 이루면서 바위 표면에 양파, 또는 꽃 모양의 무늬를 그리고 있는데, 이것을 구상구조(球狀構造)라고 한다. 1980년 9월 3일 천연기념물 제267호로 지정되었다.

5-4. 파천 구상 화강암(巴川球狀花崗岩)

국내에서 보고된 구상암은 주로 변성암과 심성암 내에서 발견된다. 그러나 파천 구상 화강암은 화강암 내에 구상 구조가 형성된 것이다. 파천 구상 화강암을 구성하는 청송 화강암은 흑운모 화강암으로서, 복숭아꽃의 빛깔처럼 붉은색 장석을 특징적으로 포함하고 있다. 주요 구성 광물은 석영, 정장석, 미사장석, 사장석, 흑운모 등이며, 그 외에 소량으로 각섬석, 자철석 등이 산재한다. 

파천 구상 화강암은 화성 구조의 형성 과정을 잘 보여 준다. 또한, 이와 같은 구상 화강암은 매우 드물게 산출되며, 미관적으로 아름답고 학술적으로도 매우 높은 가치가 있다.

파천 구상 화강암은 청송 유네스코 세계지질공원의 지질명소 중 하나로, 기암 단애, 주방천 페퍼라이트, 급수대 주상절리, 법수 도석, 병암 화강암 단애, 나실 마그마 혼합대, 면봉산 칼데라, 수락리 주상절리, 청송 구과상유문암 등과 함께 화성명소에 속한다. 파천 구상 화강암이 있는 지점의 전면에는 청송양수발전소가 건설되어 있고, 부대시설로 하부 댐 외에 산책로, 홍보관, 지하 발전소 등이 자리 잡고 있다. 또한, 남서쪽 노래산에는 많은 등산객이 찾고 있다.

5-5. 화쇄류 퇴적 화산쇄설암 기원 추월산 구상암(秋月山 球狀巖)

담양군이 중생대 화산활동 흔적인 용면 추월산 구상암은 군에 따르면 국내에서 유일한 화쇄류에 의해 퇴적된 화산쇄설암이 기원으로, 세계적으로도 희귀한 암석인 추월산 구상암의 천연기념물 지정을 추진 중인 가운데 추월산 구상암의 학술적 가치 재규명을 통해 교육자원으로도 활용한다.

구상암(球狀巖)이란 열(熱) 변성 작용으로 결정질 암석 안에서 공 모양의 구조를 이룬 암석으로 무색 또는 유색의 광물이 핵을 이루고 흰색, 검은색, 초록색 따위의 광물 띠가 양파처럼 둘러져 있다.

참고:  https://storymaps.arcgis.com/stories/9b2b0a73c1f24a65bbe536d18ae487d5