석회암 동굴

석회암 동굴

석회암 동굴(石灰巖洞窟)이란 지하수가 석회암 지대를 용해하여 생긴 동굴이다. 석회암 동굴은 카르스트 지형의 하나로, 천장에 종유석이 달리고, 바닥에 떨어진 것이 석순을 만들어 경관을 이룬다.

내용

석회암 동굴은 석회암 지대에서 물에 의한 용식(溶蝕)으로 생기는 동굴이다. 석회동굴이나 종유동이라고도 한다. 석회암이 분포하는 지대에서 이산화탄소가 섞인 빗물이나 지표수가 석회석의 틈으로 침투하거나, 그 지대를 흐르는 지하수에 이산화탄소가 녹아 있으면, 석회암의 주성분인 탄산칼슘이 물과 물에 녹아 있는 이산화탄소와 반응하여 물에 잘 녹는 탄산수소칼슘이 되면서 석회암 지대에 침식이 일어나게 되며, 이 과정이 계속되어 물이 석회암 지대를 계속해서 침식하면서 석회암 동굴이 생기게 된다. 카르스트 지형에서 쉽게 볼 수 있는 지형 중의 하나이다.

석회암동굴에 생성되는 특이한 형태의 암석으로는 종유석, 석순, 석주 등이 있으며, 이들은 탄산수소칼슘 형태로 물에 용해되어 있는 탄산칼슘 성분이 석회암동굴이 생성될 때와 역방향의 반응을 일으켜 동굴벽에 석출되면서 만들어진다.

미국 켄터키주의 매머드 동굴은 세계에서 가장 큰 석회암동굴로, 그 길이가 약 300km, 너비가 최대 150km, 높이가 80m에 이른다. 한국에서는 태백산맥의 석회암 지대에 석회암 동굴이 많으며, 평안북도 영변군의 동룡굴, 경상북도 울진군의 성류굴, 강원도 영월군의 고씨동굴, 충청북도 단양군의 고수동굴 등이 유명하다.

카르스트 지형

카르스트 지형

카르스트 지형(독일어: Karst)이란 석회암 등의 물에 녹기 쉬운 암석으로 구성된 대지가 빗물 등에 의해서 용식되어서 생성된 지형이다.

암석은 극히 미량만 물에 용해되지만, 그 용해성은 암석의 화학 구조에 의해서 크게 다르다. 석회암은 탄산칼슘으로 되어있어 다른 암석에 비해 물에 대한 용해성이 높다. 거기서 물의 흐름에 의해서 침식되어, 바위가 조금씩 물에 녹아 돌리네, 종유동(석회동굴) 등의 특수한 지형이 형성되며, 이러한 특징적인 지형을 카르스트 지형이라고 한다.

카르스트(karst)라는 말은, 슬로베니아의 크라스(Kras) 지방의 독일어 명칭에 유래한다. 이 지방에는 중생대에 형성된 석회암이 두텁게 분포하여, 용식에 의한 지형을 많이 볼 수 있었기 때문에 연구가 최초로 진행되어, 후에 같은 종류의 지형을 나타내는 통칭으로서 카르스트가 유럽에서 널리 사용되게 되었다.

대한민국의 경우 고생대의 조선 누층군 석회암 지층에 집중적으로 분포하는데, 구체적으로 강원도 남부의 지형 중 삼척시, 영월군과 충청북도 단양, 경상북도 문경 등에 걸쳐 있다.

강원도 정선군 백복령의 카르스트 지형은 학술적 가치가 높아 천연기념물 제440호로 지정되었다.

형성

석회 동굴의 생성 원리

용식(溶蝕, solution)은 이산화탄소(CO₂)가 녹아있는 약산성의 물(H₂O)에 의하여 석회암(limestone), 돌로마이트(dolomite), 백악(chalk), 석고(gypsum) 등과 같은 용해성 암석들의 표면이 용해되어 침식되는 현상을 말한다.

용식의 기본적인 과정을 화학식으로 보면 다음과 같다. 석회암의 경우 그 주성분을 이루는 광물은 방해석(方解石, calcite)으로 화학식은 CaCO₃이다. 이 광물이 빗물이나 지하수를 만나면 CaCO₃ + H₂O + CO₂ = Ca(HCO₃)₂의 화학작용을 이룬다. 여기서 Ca(HCO₃)₂는 중탄산칼슘(탄산수소칼슘) 용액으로 물에 칼슘 성분을 녹여 있는 상태이며, 이 용액이 형성되는 곳은 기반암이 녹여진 만큼 빈 공간이 만들어진다. 이 공간이 지하에서 길게 만들어지게 되면 석회동굴로 발전하는 것이다. 동굴내로 물이 계속 공급이 되면 동굴과 동굴 미지형이 계속 발달하게 되며, 물의 공급이 끊어지면 성장이나 발달이 멈추게 된다.

석회동굴은 지하수면 근처에서 특히 잘 만들어진다. 이것은 지하로 흐르는 물과 빗물들이 섞여서 물의 산도가 더 높아지기 때문이다. 물이 아래로 흘러서 지하수면 아래에서도 동굴이 형성된다. 동굴은 물의 흐름과 연관이 깊기 때문에 동굴은 수평과 수직, 경사진 면을 따라서 다양하게 만들어진다. 규모가 큰 동굴에서는 내부에 폭포, 하천, 호수 등이 형성된다. 석회동굴이 빗물과 지하수를 만나 처음 만들어져서 용식에 의해 계속 성장한다. 암석의 약한 부분을 따라 계속 흐르면서 동굴이 복잡해지는데, 부분적으로는 천장이나 벽이 무너져서 규모가 커지거나 형태가 변하기도 한다. 동굴의 천정이 완전히 무너져서 지표로 노출이 되기도 하며, 이 때 동굴이 처음 발견되기도 하고 입구의 기능을 한다.

일반적으로 중탄산칼슘 용액은 점적석(点滴石, dripstone, 물방울 형태로 용액이 공급되어 용존된 성분들이 침전되어 만들어진 재침전석)의 형태로 재침전되어 동굴 에 석주나 석순과 같은 다양한 형태의 미지형들을 만들어낸다. 이들 침전물이나 침전물에 의하여 만들어진 미지형을 총칭하여 스펠레오뎀(speleothem)이라고 한다. 이러한 스펠레오뎀의 대표적인 것으로 동굴의 천장에 붙어서 아래로 자라는 종유석(stalactites), 물방울이 동굴 바닥에 떨어져서 위로 자라는 석순(stalagmites), 종유석과 석순이 붙게 되면 석주(columms)가 된다. 그 외에도 석회화 단구(travertine terrace), 석화(石花, antholtites) 등이 있다.

미지형이란 지도상에서 표현되지 않는 아주 작은 기복이 있는 지형들을 지칭하는 용어로, 특히 석회동굴 내의 카르스트 미지형은 스펠레오뎀(speleothem)이라고도 부른다. 석회 동굴 안에서 탄산 칼슘이나 방해석이 녹아 있는 지하수가 동굴 천정에서 떨어지거나 벽을 따라 흘러내리는 과정에서 바닥에 가라앉거나 쌓이면서 형성된다. 종유관, 종유석, 석순, 석주, 동굴진주, 석회단구, 동굴커튼, 동굴산호, 동굴팝콘 등등 다양한 형태를 가진 지형지물이 관찰되는데, 이 같이 지상에서 흔히 볼 수 없는 지형 덕분에 관광 자원으로 활용되기도 한다.

현황

한반도의 석회동굴은 지질적으로 고생대 오도비스기의 조선누층군에 속하는 하부대석회암통과 캠브리아기 양덕통, 그리고 선캠브리아기의 상원층군, 연천층군, 마천령층군 등의 석회암지역에서 발달하고 있다. 주로 평안남도, 함경남도, 황해도, 강원도, 충청북도, 경상북도 등에서 주로 나타나고 있으며, 지표상의 함몰되어 발달하는 돌리네, 라피에, 우발라 등 다른 카르스트 지형들과 함께 나타난다. 남한에서는 특히 강원도의 삼척, 동해, 영월, 평창, 충북의 단양, 영춘, 매포, 그리고 경북의 문경, 점촌, 울진 등에서 잘 발달한다.

한국은 전형적인 산악형 카르스트 지형으로서 산지의 중턱이나 능선 주변에 잘 발달하는데, 이는 석회동굴의 형성 시기가 조선계 지층이 형성된 4∼5억 년까지 거슬러 올라가는 것을 의미하는 것은 아니며, 태백산맥의 융기와 신생대 제4기 빙하기 동안에 발생한 수차례 해수면 승강운동에 의한 하천의 작용과 연관이 있는 것으로 연구되고 있다.

유사석회동굴도 있다. 제주도의 협제굴, 황금굴, 당처물 동굴이 그 사례이다. 이들은 모두 용암동굴이지만 지표면에서 절리나 공극을 따라 지하로 내려온 지하수가 동굴 천정의 큼을 따라 내려와서 종유석, 석순, 석주 등 스펠레오뎀을 형성한 것이다. 이들은 해안에서 바람에 의해 불려온, 조개껍질이 주성분을 이루는 모래(패사)가 빗물에 녹아서 지하로 흘러들어서 석회동굴과 유사한 동굴 미지형을 만든 것이다.

참고자료

• 〈석회동굴〉, 《나무위키》
• 〈석회동굴〉, 《한국민족문화대백과사전》
• 대한민국 교육부, 〈석회 동굴은 어떻게 만들어질까?〉, 《교육부공식블로그》, 2015-09-01
• 〈석회암 동굴〉, 《네이버국어사전》
• 〈석회암 동굴〉, 《위키백과》
• 〈카르스트〉, 《위키백과》

같이 보기

• 물
• 동굴
• 지형
• 지하수
• 탄산칼슘
• 이산화탄소
• 단양 고수동굴

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