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사암
사암(砂岩, sandstone)은 지름이 0.064~2mm인 모래 크기의 입자들이 쌓여 고화(固化)된 암석이다. 셰일 다음으로 흔한 퇴적암이다. 석영이 고결(固結; 엉겨 굳어짐)되어 생기는 사암이 대부분이지만, 장석이 대다수를 차지하는 경우도 있다. 장석질 사암은 아코즈(Arkose)라고 한다.
목차
개요
사암은 쇄설성퇴적암의 일종으로 사립(砂粒)이 모여 굳어진 암석. 사립의 지름은 1/16~2mm이며, 일반적으로 석영, 장석, 운모, 각섬석 등의 광물 및 암석편으로 이루어져 있다. 각 입자는 풍화되고 운반되는 과정에서 마멸, 도태되어 여러 가지 형태나 입경(粒徑)을 가지게 된다. 그 입도(粒度)에 따라 극조립(極粗粒:1~2mm), 조립(1/2~1mm), 중립(中粒:1/4~1/2mm), 세립(細粒:1/8~1/4mm), 극세립(1/16~1/8mm)으로 나누어진다.
일반적으로 각 사립 사이에는 탄산석회, 규산, 산화철 등의 교결(膠結)물질이 채워져 있다. 또한 화산쇄설물과 섞여 응회질(凝灰質)로 되는 것도 있다. 입자의 종류 및 교결물질의 차이에 따라 여러 가지 외관 및 비중을 나타낸다. 모든 지질시대의 퇴적암 중에 지층으로 존재하며, 사층리(斜層理)나 균립성층(均粒成層)을 나타낸다. 다른 쇄설암이나 응회암 등과 호층(互層)을 이루어, 퇴적 때의 특이한 변형을 남기기도 한다. 사암의 산상(産狀) 및 성질은 화석상(化石相)과 함께 퇴적환경 해석이나 고지리 복원 등에 중요한 실마리가 된다. 퇴적한 장소에 따라 해성(海成)사암, 하성(河成)사암, 사막사암 등으로 나누기도 한다.
사암의 구성성분 및 조직은 공급지의 지질, 운반매질, 광물 및 조직의 성숙도, 조구운동, 퇴적방식, 기후, 풍화작용, 속성작용 등에 의해 나뉜다. 보통, 사암은 기질량(基質量)과 광물 조성에 의하여 분류된다. 사암의 광물 조성을 규정하는 것은, 사립을 공급한 지역의 지질(모암의 성질)과 조구(造構)운동에 있다고 보아 기질량과는 관계없이 주성분인 석영, 장석, 암석편의 비율로 분류하고 명명한다.
준평원(準平原) 시대에는 정규암(正硅岩), 지향사시대에는 철고토질(鐵苦土質) 광물이나 암석편이 많은 그레이와케(graywacke), 후조산기(後造山期)에는 석영과 장석이 많은 장석질사암(arkose) 등의 사암이 형성되는 등 대응관계가 있음을 알 수 있다.
그러나 퇴적물의 연구가 진전됨에 따라 이 분류 방법은 수정되었다. 밀도를 나타내는 것으로 중요시하기도 한다. 기질량, 즉 점토질물이 많아서 도태가 나쁜 것과 점토질물이 적어서 도태가 좋은 것으로 구별하고, 다시 석영, 장석, 암석편이 많고 적음에 따라 석영질, 장석질, 석질로 분류한다. 점토질물이 많은 것은 왜커 또는 유사사암이라 한다. 점토질물이 적은 것은 사암(arenite)이라 하는 경우와 장석질사암, 아(亞)그레이와케, 프로토규암 등을 함유한 경우가 있다.
사암의 광물조성
사암의 주요 광물조성은 석영, 장석, 암편이다. 퇴적암은 이미 존재하는 암석들이 풍화를 겪어 생성된 입자들이 운반과 퇴적 과정을 통해 생성되므로, 결정질 암석에서 서로 공존할 수 없는 광물들도 퇴적암에서는 같이 나타난다. 사암의 광물조성은 주로 퇴적물을 공급한 기원지의 특성과 암석화되는 동안 겪은 속성작용에 의해 결정된다.
석영
석영은 화학조성이 SiO₂로 전체 퇴적암을 이루는 쇄설성 입자의 33~50% 정도를 차지하며 주로 화강암과 화강편마암으로부터 유래한다. 석영은 조암광물 중에서 물리적인 풍화나 화학적인 풍화에 모두 강하기 때문에 풍화과정에서 거의 제거되지 않는다. 퇴적 이후 속성작용 동안 석영 입자는 다른 광물 (주로 탄산염 광물)에 의해 가장자리가 일부 부식되거나 압력용해를 겪기도 하며, 탄산염 광물에 의해 교대작용을 받기도 한다.
석영의 종류를 세분하여 고지리 정보를 얻을 수 있는데, 크게 두 가지 광학적 방법을 이용한다. 첫번째는 Krynine (1940)에 의해 고안된 방법으로 석영을 소광 상태, 포유물의 특성, 입자의 형태 등을 통해 석영을 생성한 환경에 따라 성인적으로 분류하는 방법 (genetic classification)이다. 이 방법은 기원지와 고지리를 해석하는 데에 유용하지만 서로 다른 성인의 석영이 중첩되거나 관찰자에 따라 주관적인 해석이 가능하다는 단점이 있다. 두 번째는 Folk (1968)의 실험관찰에 의한 분류법 (empirical classification)이다. 이 방법은 석영의 소광 상태와 포유물의 특성을 기초로 석영을 분류하여 성인적 분류법 보다는 객관성을 띠며 통계 처리를 통해 검증할 수 있는 장점이 있다. 이외에도 음극선발광영상 (cathodoluminescence)를 이용한 성인적 분류와 주사전자 현미경의 음극선발광영상을 이용한 성인적 분류방법도 있다.
장석
사암 내에 나타나는 대부분의 장석은 화강암과 편마암에서 유래하며, 정장석, 미사장석과 같은 칼륨장석, 올리고클레이스 (oligoclase)와 같이 나트륨 성분이 많은 사장석 등 결정질 암석에서 나타나는 모든 종류의 장석이 나타날 수 있다. 그러나 칼슘이 많은 사장석은 비교적 풍화에 약하기 때문에 대체로 칼륨장석 > 나트륨이 많은 사장석 > 칼슘이 많은 사장석의 순서로 많이 나타난다. 화산암에서 유래한 장석은 대체로 사장석이 칼륨장석보다 더 많이 나타나며, 사장석들은 조성별로 누대구조 (zoning)를 이루는 경우가 있고 칼륨장석은 새니딘 (sanidine)이 많다. 쇄설성 사장석의 가장 주된 기원암은 고철질과 중성암질 화성암이며, 변성암으로부터 유래하기도 한다. 장석은 석영과 달리 쌍정과 벽개면이 잘 발달하고 대부분 풍화작용과 속성작용에 의해 어느 정도 수화작용 (hydration)을 겪은 상태로 산출한다. 칼스바드 (Calsbad) 쌍정을 가진 장석은 쌍정면을 따라 쉽게 갈라지므로 칼스바드 쌍정을 가진 사장석은 퇴적물에서 비교적 드물게 나타난다.
퇴적물 내 장석의 함량은 퇴적물 기원지에서의 풍화작용과 밀접한 관계가 있다. 장석은 화학적 풍화에 약한 편이기 때문에 퇴적물 내에 장석이 많이 존재하면 기원지에서 화학적 풍화가 미약했거나 풍화된 후 퇴적된 장소로 운반된 거리와 시간이 짧았다는 것을 지시해준다. 풍화에 대한 주요 장석들의 안정도는 미사장석 > 정장석 > 나트륨 사장석 > 칼슘 사장석 순이다. 따라서 화강암이 풍화를 겪어 퇴적물을 공급할 경우 화강암의 평균 광물조성이 석영 30%, 사장석 30%, 칼륨장석 35%, 운모 등 기타성분 5%라고 할 때, 형성되는 퇴적물에는 석영과 정장석이 더 많이 나타나게 된다. 장석은 벽개와 쌍정면 때문에 석영보다 물리적 내구성 (mechanical durability)이 낮다. 그러므로 결정질 암석에서 공급된 장석이 비교적 오랫동안 멀리 운반되거나 마모작용을 받으면 모래 퇴적물 내 장석의 함량이 줄어들 것으로 예상할 수 있으나, 실제 하천 퇴적물에서 조사한 연구 결과로 뒷받침되지는 않는다.
Potter (1978)에 따르면 세계에서 가장 긴 강들의 퇴적물 내 장석 함유량은 0~53% (평균 10.7%)이며, 사장석과 정장석이 거의 비슷한 비율로 존재한다. 반면 심해저에 쌓인 퇴적물 내 장석 함유량은 지체구조 환경에 따라 다양하게 나타난다 (Maynard et al., 1982). 예를 들어 전(화산)호 분지 (forearc basin)에서는 평균 16%로 나타나며, 섭입대에서는 53%로 높게 나타난다. 전체 장석 중 사장석의 비율 또한 판의 발산 경계부 (passive margin/trailing edge)에서 약 0.31인 반면 전호분지에서는 0.9로 높은 비율을 보이는 등 다양하게 나타난다. 이렇듯 퇴적물 내 장석의 함량은 기원지 암석보다 퇴적물의 침식작용과 기후 조건에 더 많이 영향을 받으므로 퇴적 당시의 기후를 해석하는 데 유용하다. 건조한 기후에서는 주로 물리적 풍화작용이 일어나는데, 장석은 물리적 풍화작용에 의해서 쉽게 제거되지 않는다. 반면 습윤한 기후에서는 화학적 풍화작용이 심하게 일어나 장석이 선별적으로 제거된다. 그러나 습윤한 기후인 경우라도 기원지에서 침식작용이 빨리 일어나면 퇴적물은 화학적 풍화작용을 받는 시간이 짧아져 퇴적물에 장석이 다량 함유되기도 한다.
암편
암편(rock fragment)은 기원암이 광물 단위로 분해되지 않은 채 유입된 입자이기 때문에 퇴적물 기원암에 대한 직접적인 증거가 된다. 퇴적물 내에 존재하는 암편의 함량은 입자의 크기, 퇴적물의 성숙도와 암석의 생성 시기 등에 의해 매우 다양하게 나타나며, 이 중 입자의 크기가 가장 큰 영향을 미친다. 예를 들면 역암은 입자가 대부분 암편으로 구성되어 있는 반면 셰일은 거의 포함하지 않는다. 사암은 평균 10~15% 정도의 암편을 함유하나, 거의 암편으로만 구성된 사암도 있다.
기원지 암석이 조립질인 경우에는 구성 결정들이 크기 때문에 이들로부터 공급된 퇴적물 입자중 암편은 모래 크기 이상일 가능성이 높으며 모래 크기 입자는 단결정이 많을 것이다. 반면 세립질 암석으로부터 유래한 암편은 모래 크기의 입자로 주로 존재한다. 이와 같이 퇴적물 구성 입자의 크기에 따라 암편의 존재 유무와 함량의 차이가 다르기 때문에 기원지의 지질을 추정할 때에는 퇴적물 입자의 크기에 대하여 고려해야 한다.
사암의 유형
- 아르코스/알코스(arkose) 또는 아르코즈질/알코스질 사암 : 장석 함량이 높고 (>25%) 성분이 화강암과 유사하다.
- 석영질사암 또는 석영사암 : 높은 석영 함량 (>90%). 때로는 이런 사암을 "정규암"이라고도 부른다.
- 사질사암 : 예를 들어 잡사암(greywacke, 그레이와케) 또는 청색암(bluestone). 이들은 상당한 양의 점토와 실트를 가진다.
입자의 크기에 의한 분류
흔히 Wentworth (1922)의 입도 등급에 의해 분류한다. 즉 극조립질 사암 (very coarse sandstone, 직경 2~1mm), 조립사암 (coarse sandstone, 1~1/2mm), 중립사암 (medium sandstone, 1/2~1/4mm), 세립사암 (fine sandstone, 1/4~1/8mm), 극세립사암 (very fine sandstone, 1/8~1/16mm). 모래 크기의 입자가 주를 이루며 자갈 입자 또는 모래보다 작은 입자들과 섞여 있으면 역질 사암, 실트질 사암, 점토질 사암으로 부른다. 이들은 서로의 양적 비가 바뀌면 사질 역암, 사질 실트스톤, 사질 셰일로 명칭이 바뀐다.
| 암석 | 미국표준체 mesh | mm | 분류 |
|---|---|---|---|
| 역암 | - | 4096 1024 256 |
거력 (巨礫, Boulder) |
| - | 64 | 왕자갈 (Cobble) | |
| 5 |
16 4 |
자갈 (Pebble) | |
| 6 7 8 10 |
3.36 2.83 2.38 2.00 |
알갱이 (Granule) | |
| 사암 | 12 14 16 18 |
1.68 1.41 1.19 1.00 |
극조립사암 (Very Coarse Sand) |
| 20 25 30 35 |
0.84 0.71 0.59 0.50 (1/2) |
조립사암 (Very) | |
| 40 45 50 60 |
0.42 0.35 0.30 0.25 (1/4) |
중립사암 (Medium) | |
| 70 80 100 120 |
0.210 0.177 0.149 0.125 (1/8) |
세립사암 (Fine Sand) | |
| 140 170 200 230 |
0.105 0.088 0.074 0.0625 (1/16) |
극세립사암 (Very Fine Sand) | |
| 머드 | 270 325 |
0.053 0.044 0.037 0.031 (1/32) |
조립실트 (Coarse Silt) |
| - | 0.0156 (1/64) | 중립실트 (Medium Silt) | |
| - | 0.0078 (1/128) | 세립실트 (Fine Silt) | |
| - | 0.0039 (1/256) | 극세립실트 (Very Fine Silt) | |
| - | 0.0020 이하 | 점토 (Clay) |
교질물에 의한 분류
이질 사암 (또는 점토질 사암), 석회질 사암, 규질 사암, 철질 사암, 탄질 사암, 역청질 사암, 응회질 사암으로 나눈다.
광물조성에 의한 분류
모래입자의 광물 성분에 따라 석영질, 장석질, 암편질로 나눈다. 흔히 처어트는 석영과 같이 취급되지만 암편으로 취급되어야 한다는 의견도 있다. 또한 교질물로서 점토가 많은 경우 (15% 또는 20% 이상)를 와케 (wacke), 교질물이 없거나 소량의 석회분이나 규산분을 포함하는 경우를 아레나이트 (arenite)로 2대분하기도 한다
한국의 사암
- 조선 누층군
조선 누층군 장산층과 동점층이 사암 및 사암이 변성된 규암으로 구성된다.
- 평안 누층군
평안 누층군 만항층, 요봉층, 금천층, 장성층, 함백산층은 일부 혹은 대부분이 사암으로 구성된다. 특히 함백산층은 평안 누층군의 대표적인 사암 지층으로 강원특별자치도 강릉시의 정동심곡바다부채길에서 사암의 노두를 자세히 관찰할 수 있다.
- 경상 누층군
경상 누층군 낙동층, 하산동층, 진주층, 일직층, 후평동층, 점곡층, 사곡층, 춘산층, 칠곡층, 함안층, 반야월층, 대구층, 진동층, 동화치층, 가송동층, 도계동층 등 대부분의 지층에 사암이 포함되어 있다.
참고자료
같이 보기
