분별결정작용 (Fractional Crystallization)

한 줄 정의: 마그마가 냉각되면서 먼저 정출된 결정이 침강이나 부착으로 잔류 용융체에서 물리적으로 분리되어, 남은 마그마의 화학 조성이 점진적으로 변화하는 마그마 분화 과정이다.

쉽게 풀면

마그마가 식으면서 결정이 하나둘 생기는데, 이 결정들이 마그마 바닥으로 가라앉거나 벽에 달라붙어 더 이상 남은 액체와 섞이지 않게 되면, 남은 액체의 성분은 빠져나간 결정만큼 달라집니다. 예를 들어 철·마그네슘이 풍부한 감람석이 먼저 빠져나가면 남은 마그마에는 규소와 알칼리가 상대적으로 많아집니다. 이 과정이 반복되어 한 종류의 마그마에서 여러 종류의 화성암이 생깁니다.

왜 중요한가

분별결정작용은 마그마가 다양한 조성으로 분화되는 가장 중요한 메커니즘으로, 화산암 계열의 화학 변화 경향(분화 경향)을 설명하고 대륙 지각 형성 모델을 세우는 데 핵심이 됩니다. 주원소·미량원소 농도 변화를 정량적으로 모델링하여 마그마 챔버의 진화 이력을 복원하는 연구에서 기본 가정으로 쓰입니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"하커 다이어그램에서 MgO 감소에 따른 SiO2 증가 경향은 감람석과 단사휘석의 분별결정작용으로 설명된다."

산화물 함량을 비교한 그래프에서 나타나는 조성 변화 추세를 특정 광물이 빠져나간 결과로 해석했다는 뜻이다.

"레일리 분별 모델로 계산한 미량원소 농도는 약 40%의 결정 분별이 일어났을 때 관측값과 가장 잘 일치하였다."

결정이 계속 제거된다고 가정하는 수식 모델로 계산해 보니 마그마의 약 40%가 결정으로 빠져나갔을 때 실제 측정값이 재현된다는 뜻이다.

조금 더 깊게 보면

정량 해석에는 레일리 분별 식 C_L = C_0·F^(D−1)이 흔히 쓰이는데, F는 잔류 액체 비율, D는 전체 분배계수입니다. 상용성 원소(D>1)는 잔류 액체에서 급격히 고갈되고 불상용성 원소(D<1)는 농집되므로, 미량원소 비율 변화가 분별결정과 부분용융을 구별하는 지표가 됩니다. 최근에는 닫힌계 분별 외에 마그마 재충전·동화·분별(RAFC)이 함께 일어나는 열린계 모델과, 결정 머시(mush) 내 간극 용융체 추출 모델이 활발히 논의되고 있습니다.

주의할 점

분별결정작용만으로 관측된 조성 변화를 설명할 수 없는 경우가 많으며, 지각 물질의 동화작용이나 마그마 혼합이 함께 작용했을 가능성을 동위원소 자료로 검토해야 한다. 또한 평형결정작용(결정이 액체와 계속 반응하는 경우)과 구별해서 써야 한다.