온도와 용융
100여 년 전에 지질학자들은 암석이 일정 온도까지 완전히 용융되지 않는 현상을 확인함으로써 암석에 따라 서로 다른 온도에서 용융되기 때문에 단지 암석의 일부분만이 용융된다는 사실을 인지하게 되었습니다. 즉 광물의 종류에 따라 서로 다른 온도에서 용융현상이 나타나고 있으며, 고체 암석은 특정 온도에서 일부분만 녹는 상태를 나타내는 부분용융(partial melting)을 보입니다. 즉 온도상승에 일부 광물만이 녹는 반면 다른 광물은 고체 상태로 존재하고 있으며, 이는 특정 온도가 지속적으로 유지된 경우 고체 암석과 용융된 물질이 서로 혼합된 상태(마그마)로 존재한다는 것을 의미합니다. 부분용융은 초콜릿 쿠키에 초콜릿 칩이 녹을 정도로 열이 가해진 경우, 쿠키의 주요 부분은 고체 상태를 유지하는 유사한 상황을 생각해 볼 수 있습니다. 초콜릿 칩은 부분용융 또는 마그마를 나타냅니다.
지구내부에서 고체와 부분 잔류 액체 비율은 원암을 구성하고 있는 화학 및 광물조성과 함께 용융온도에 좌우되며, 이는 용융이 발생되는 지각이나 맨틀의 깊이에 따른 온도차이에 의존하는 것으로 추정되고 있습니다. 지하 심부에서 나타나는 용융비율의 최저 한계는 고체 상태의 원암 중 1% 미만의 부분용융비율로 추정되며, 나머지 암석 부분은 여전히 단단한 고체 상태를 유지하고 있습니다. 즉 용융된 액체는 주로 고체로 존재하고 있는 결정 사이의 미세한 공간을 따라 작은 물방울 정도 크기로 존재할 것입니다. 예를 들어 상부맨틀에서 발생한 현무암질 물질은 맨틀의 원암에 해당하는 감람암 중 단지 1~2%만이 부분용융되어 있습니다. 이에 대하 여, 중앙해령의 하부에서 발생되는 용융현상은 맨틀 감람암의 15 ~20%까지 부분용융된 현무암질 물질로 형성되어 있습니다. 암석 용융온도 범위의 최댓값 근처에서 암석의 대부분은 액체이고, 적은 양의 녹지 않은 결정들을 포함하고 있을 것입니다. 하와이와 같은 화산섬 하부에 위치한 현무암질 마그마 저장소를 그 예로 생각해 볼 수 있습니다. 지구내부의 다른 위치에서 서로 상이한 온도와 다양한 화학조성을 갖는 마그마가 어떻게 형성되는지 이해하기 위하여 부분용융이라는 새로운 개념이 적용되었습니다. 즉 가장 낮은 용융점의 광물이 부분용융된 화학조성은 완전하게 녹은 암석의 구성성분과는 완전하게 상이한 조성을 보입니다. 이는 맨틀깊이에 따라 발생하는 현무암질 마그마에서 미약하게 서로 다른 화학조성이 나타나고 있으며, 이러한 마그마의 조성 차이는 다양한 부분 용융의 비율로부터 유도된 것으로 해석됩니다.
압력과 용융
지구내부에서 나타나는 용융현상에 대한 전반적인 이해를 위하여 지표면으로부터 깊이에 따라 증가된 암석의 하중으로 야기된 압력변화를 고려할 필요가 있습니다. 지질학자들은 암석이 압력조건에 따라 용융온도가 변한다는 사실을 인식하였고, 높은 압력조건에서 용융온도가 높아지는 관계를 발견하였습니다. 이러한 사실은 지표면에서 녹는 암석이 동일한 온도조건하에서 지구 내부에서는 고체 상태로 존재할 가능성을 암시하고 있습니다. 즉 지표면에서는 1,000°C에 녹는 암석이 지하 심부인 수천 배에 해당하는 높은 압력조건에서는 용융온도가 상대적으로 높은 1,300°C에서 가능합니다. 지각과 맨틀에 존재하는 대부분의 암석이 왜 녹지 않고 고체 상태로 존재할 수 있는지에 대해서는 암석 하중에 의한 압력의 영향으로 설명됩니다.
압력의 증가가 암석을 단단하게 유지시켜 줄 수 있는 것처럼, 압력의 감소는 충분히 높은 온도가 주어진다면 암석을 용융시킬 수 있습니다. 맨틀에서는 대류 때문에 맨틀물질이 다소 일정한 온도를 유지하며 중앙해령에서 지표로 상승하고 있습니다. 물질이 상승하면서 압력이 임계점 아래로 감소하면, 고체 암석은 추가적인 열의 공급이 없어도 자발적으로 용융됩니다. 감압용융(decompression melting)으로 알려진 이 과정은 지구상에서 가장 큰 부피의 마그마를 생성합니다. 이것이 대부분의 현무암이 대양저에서 형성되는 과정입니다.
물과 용융
용융온도 및 부분용융에 대한 실험결과를 통하여 암석의 용융작용 시 물의 중요성을 인식하게 되었으며, 용암에 대한 야외조사 과정에서 일부 마그마에 물이 존재한다는 사실을 확인하였습니다. 이러한 증거자료를 통하여 암석의 용융실험 시 물을 첨가하는 실험을 실시하게 되었으며, 첨가된 물의 양적 차이에 따라 용융정도(부분용융 또는 완전용융)에 따른 조성 변화는 온도와 압력과 같은 물리적 요인뿐만 아니라, 반응계에 존재하는 물의 함유량에 따라 변화된다는 사실을 발견하였습니다.
예를 들어, 지표면의 낮은 압력조건에서 순수한 조장석(나트륨 사장석)의 용융현상과 물의 영향을 고려해 보면 단지 극소량의 물만이 존재할 경우 순수한 조장석은 1,000°C 이상의 온도까지 고체 상태로 남아있고 물은 기체(가스)로 존재하는 반면, 다량의 물이 존재할 경우 조장석의 용융온도는 800°C 정도로 낮아지는 경향을 보입니다. 이러한 용융기작은 특정 성분으로 구성된 조장석에 수증기가 첨가될 경우 조장석의 녹는점이 낮아지는 결과로 나타납니다. 이러한 원리는 얼음의 녹는점을 낮추기 위하여 일상생활에서 동결된 얼음길에 소금을 뿌리는 사실을 통하여 인식되고 있습니다. 모든 장석뿐만 아니라 기타 규산염광물에서도 다량의 수분이 함유된 경우 조장석과 같이 용융온도가 현저하게 낮아지며, 규산염의 용융온도는 규산염광물에 포함된 수분 함유량에 비례하여 낮아지는 경향을 보입니다.
물의 존재에 따라 용융점이 낮아지는 암석의 용융은 유체유발 용융(fluid-induced melting)이라 합니다. 수분 함량은 퇴적암의 용융에서 중요한 요소이며, 특히 퇴적암은 일반적으로 다공질 화성암이나 변성암에 비하여 다량의 수분을 함유하고 있습니다.