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석회암
석회암(石灰岩, limestone)은 주로 탄산칼슘 성분으로 이루어진 퇴적암이다. 석회석(石灰石)이라고도 한다. 한국에서는 조선 누층군에서 다량 산출된다.
목차
개요
석회암은 퇴적암의 종류 중 하나로, 탄산염을 다량 함유한 생물들의 유해가 오랜 시간 쌓여 형성된다. 비교적 흔한 퇴적암이다. 백색, 회색, 암회색, 흑색 등을 띠며, 일반적으로 세립(細粒)·괴상(massiveness)의 무구조 암석이다. 산호초 같은 괴상 또는 돔(dome) 상의 암체를 이루는 경우와 지층 사이에 끼워져 층상(stratiform)을 이루는 경우가 많다. 육지로부터 공급되는 쇄설물(碎屑物)이 적고, 비교적 pH가 높은 곳에서, 탄산석회질의 껍데기를 분비하는 생물에 의하여 유기적으로 침전되거나, 바닷물에서 직접적으로 무기적 화학작용에 의하여 침전하여 생성된 것으로 추정되지만, 그 작용의 과정이나 대량 침전이 왜 이루어졌는지에 대해서는 확실히 알려져 있지 않다.
이 밖에 석회질 쇄설물 및 화석의 파편으로 된 것도 있으며, 입도(粒度)에 따라 석회질 루다이트(지름 2mm 이상), 석회질 아레나이트(1~2/16mm), 석회질 루타이트(1/16mm 이하)로 분류된다. 지질시대 전반을 통하여 보면, 석회암은 고생대의 오르도비스기(紀)에서 실루리아기까지, 석탄기에서 페름기 전기까지, 중생대에서는 쥐라기에서 백악기에 걸쳐 잘 발달되어 있다. 화석은 유공충·석회조(石灰藻)·바다나리·산호 등 탄산칼슘의 껍데기를 가진 것이 많아서 지질시대를 결정하는 데 사용된다. 퇴적 당시의 고환경이나 생물계의 모습을 암시하므로 지사학(地史學)적으로나 고생물학적으로 중요하다.
석회암은 또한 지형학적으로도 중요한데, 석회암의 주성분인 탄산칼슘(CaCO₃)이 물, 특히 탄산가스를 포함한 빗물에 잘 녹는 성질 때문이다. 따라서 석회암 지대에는 기반암인 석회암이 빗물에 녹아 형성된 독특한 모양의 지형들이 잘 발달된 곳이 많다. 예를 들면, 석회동굴과 그 안의 종유석, 석순, 석주 등 기묘한 지형들 및 돌리네(doline), 우발레(uvale), 라피에(lapiés), 탑카르스트(tower karst) 등 경관이 특이하여 관광지로 유명한 곳들이 많다. 이렇게 석회암이 빗물에 녹아서 형성된 다양한 지형들을 카르스트 지형(Karst)이라고 한다. 세계의 절경으로 손꼽히는 중국 구이린(桂林)의 독특한 산 모양이나, 베트남 하롱베이의 해안 암석 절경 등이 여기에 속한다.
또한 석회암은 인간 생활에도 유용한 자원으로 사용된다. 대표적으로 석회성분을 이용한 시멘트 공업의 원료로 이용되거나, 그밖에 제철공업, 비료, 석재, 카바이드 등 많은 산업의 원료로도 활용된다.
용도
건축 자재로서 활용되며, 암석 그 자체 뿐 아니라 석회암에 포함되어 있는 산화칼슘(CaO)이 여러 가지 용도로 쓰이기 때문에 세계적으로 채광을 활발하게 하는 편이다. 한국에서도 고생대 지층이 분포하는 강원 남부(동해, 삼척, 태백, 정선, 평창, 영월 등)와 경북 북부(문경), 충청북도 북동부 지역(제천, 단양 등)을 중심으로 현재도 활발하게 채광하고 있다. 석회석은 자원 빈국인 한국에서 가채 연수가 천년이 넘어가는 거의 유일한 광물이다. 여담으로 이들 지역에서 석회암 지형인 카르스트 지형을 볼 수 있다. 또한 이 지역들은 손꼽히는 석회동굴 밀집 지대이기도 하다.
석회암이 가장 많이 쓰이는 곳은 시멘트를 만드는 곳과 철광석을 제련하는 곳이다. 다만 이 과정에서 어마어마한 양의 탄소가 배출된다. 사실상 탄소배출 및 지구온난화의 주범.
그 외에는 폐수 정화에 쓰이며, 사건사고 현장의 혈흔 등을 없애기 위해 석회암 가루를 뿌려 놓기도 한다. 닭 모이를 줄 때 섞어 넣어 달걀 껍데기를 단단하게 하는 데에도 쓰인다. 또한 보기에 아름다운 석회암은 조각하기 쉬운 특성이 있어 조각용 석재로도 쓰이고, 하얀색을 띠는 석회암은 표백제로서 종이를 하얗게 만들어주는 데나 분필의 재료로 쓰인다.
농업 목적으로 활용되는 것은 토양이 비료나 농약 등으로 토양이 산성화가 되거나 양분이 부족하면 이를 중화시키고 영양분을 보충하는 목적으로 사용된다. 그러나 너무 많이 사용되면 토양에 무리를 일으키기 때문에, 보통은 농촌진흥청 예하 농업지도소에서 토양을 분석하여 이에 따라 기성품을 맞춰서 사용하는 경우가 대부분이다.
전통사회에서는 지혈제로도 많이 쓰였다. 칼슘 성분이 지혈 과정에서 여러모로 작용하는 성분이기 때문. 무협물에서 자주 볼 수 있는 금창약, 즉 날붙이에 다친 상처에 쓰는 약의 주성분도 바로 석회. 고정 성분인 석회에 몇 가지 약초를 섞으면 금창약이 되는데 이는 이 약의 주목적이 상처의 지혈에 있었기 때문.
공학에서는 탄산나트륨를 만드는 공정에서 쓰인다. 탄산나트륨 제조 과정은 르블랑 공정과 솔베이 공정 등이 있는데, 지금은 거의 솔베이 공정만 쓰인다. 솔베이 공정은 염화나트륨(소금)과 탄산칼슘으로 탄산나트륨을 만들고, 그 이전에 나온 르블랑 공정은 염화나트륨, 황산, 숯, 탄산칼슘으로 탄산나트륨을 만든다. 이렇게 만든 탄산나트륨은 유리 제조 등에 쓰인다.
생성
석회암은 주로 얕은 바다에서 생물에 의해 생성된다. 현생 환경에서 탄산칼슘을 만드는 대표적인 생물로는 조개, 산호, 유공충 등이 있으며, 이들은 아라고나이트나 방해석의 형태로 자신의 껍질을 생성한다. 이들의 껍질이 충분히 모여 암석이 되면 석회암이 퇴적될 수 있다. 석회암의 퇴적은 주로 이러한 생물들이 많이 사는 열대 지방의 얕은 바다에서 일어나나, 깊은 바다 또는 추운 지방에서도 느리지만 석회암의 퇴적이 일어날 수 있다.
이외에도 석회암은 특수한 환경에서 생길 수 있는데, 증발암이나 트래버틴이 대표적인 예이다. 바닷물이 증발할 경우 바닷물 속에 용해되어 있던 탄산염이 침전되어 생기는 암석을 증발암이라고 하며, 트래버틴은 많은 양의 탄산염을 함유한 지하수가 온천의 형태로 지표로 분출하며 그 주위에 탄산염이 침전되어 생긴 암석을 뜻한다.
석회암의 구성 요소
석회암을 구성하는 요소는 크게 세 가지로, 입자(grain), 기질(matrix), 고결물(cement)이다.
석회암에서 관찰할 수 있는 입자는 생물쇄설물, 어란상 입자, 온코이드, 펠로이드, 석회암편 등 크게 다섯 종류가 있다.
- 생물쇄설물(bioclast): 탄산칼슘으로 이루어진 생물의 껍질을 뜻한다. 이들이 고화되어 암석이 되면 화석이라고 칭할 수 있다.
- 어란상 입자(ooid): 모래 크기의 구형 입자로, 핵을 중심으로 탄산칼슘이 침전되어 동심원상으로 엽층을 이루거나 방사상의 구조를 만든다. 주로 화학적으로 탄산칼슘이 침전되어 만들어지며, 미생물이 관여하는 경우도 있다.
- 온코이드(oncoid): 보통 자갈 크기를 갖는 타원형 입자로, 핵을 중심으로 미생물이 성장하여 탄산칼슘이 침전되어 생성된다. 핵을 중심으로 얇은 엽리가 나타나나, 이 엽리가 동심원을 이루지 않으며 이어지지 않아 어란상 입자와는 그 내부 구조가 다르다.
- 펠로이드(peloid): 모래 또는 그보다 작은 크기의 구형에서 타원형 또는 불규칙한 형태를 띄는 입자로, 미크라이트로 이루어져 있으며 규칙적인 내부 구조가 존재하지 않는다. 다양한 원인에 의해 생성되며, 기존의 입자가 미크라이트로 치환되거나 동물의 배설물 등이 석회화되는 등의 과정을 거쳐 생성된다.
- 석회암편/내생쇄설물(intraclast): 기존에 형성되어 부분적으로 고화된 석회암이 침식되어 형성된 암편을 말한다.
석회암의 기질은 입자들 사이에 존재하는 미세한 입자로, 미크라이트로 대표된다.
- 미크라이트(micrite): 진흙 크기(<30 μm)의 탄산염 퇴적물로 조류(algae)의 파편 또는 해수에서 화학적으로 침전된 탄산염 광물로 이루어져 있다.
석회암에서 나타나는 고결물은 입자들이 퇴적된 후 입자들 사이에 형성된 탄산염 광물을 뜻한다.
- 고결물(cement/sparite): 석회암이 퇴적되어 묻힌 후 석회암을 구성하는 입자들 사이의 빈 공간(공극)에 탄산염을 다량 함유한 지하수가 흐르며 탄산염이 직접 정출되어 형성된 광물을 뜻한다. 이들은 매우 천천히 형성되기 때문에 결정이 크게 나타난다.
석회암의 분류
석회암은 크게 두 가지 방법을 사용하여 분류하는데, 포크(Folk)와 던햄(Dunham) 분류법이 그것이다.
포크 분류법(Folk classification)
포크 분류법은 암석 내에 포함된 입자들의 상대적인 양과 입자들 사이에 존재하는 기질의 종류에 따라 석회암을 분류하는 것으로, 1959년 Robert L. Folk에 의해 제안되었다. 입자의 종류에 따라 접두사를 설정하며, 기질/고결물의 종류에 따라 접미사를 설정한다. 예를 들어, 어란상 입자(ooid)를 포함하며 기질이 고결물(sparite)일 경우, 우스파라이트(oosparite)라 명명한다. 포크 분류법의 자세한 예시는 다음과 같다.
던햄 분류법(Dunham classification)
던햄 분류법은 Robert J. Dunham에 의해 1962년 제안된 분류법으로, 이후 Embry와 Klovan(1971)에 의해 보완되었다. 던햄 분류법은 포크 분류법과는 달리 입자를 종류별로 분류하는 대신, 석회암의 조직(texture)을 바탕으로 암석을 구분한다. 던햄 분류법에 따라 석회암을 구분할 경우 암석이 생성된 환경을 대략적으로 인지할 수 있다는 장점이 있다. 최근의 연구에 의하면 89%의 연구자들이 던햄 분류법을 선호하는 것으로 알려졌다(Lokier and Al Junaibi, 2016).
던햄 분류법에서 가장 기본적인 기준은 세 가지인데, 이는 다음과 같다.
- 퇴적물의 조직(입자 지지 또는 기질 지지)
- 진흙 크기의 퇴적물(<30 μm)의 유무
- 퇴적물이 생성될 때 생물에 의해 결합되었는지의 여부(예: 생물초)
이를 바탕으로 분류한 석회암의 분류법은 다음과 같다.
석회질 이암(lime mudstone): 미크라이트가 90% 이상인 석회암을 뜻한다.
와케스톤(wackestone): 입자가 10% 이상으로 어느 정도 존재하나, 기질이 더 많아 기질 지지(matrix supported) 구조를 보이는 경우를 말한다.
팩스톤(packstone): 입자들이 서로 맞닿아 있어 입자 지지(grain supported) 구조를 보이며, 입자 사이에 미크라이트가 존재하는 경우를 말한다.
그레인스톤(grainstone): 입자들이 서로 맞닿아 있어 입자 지지 구조를 보이며, 입자 사이에는 미크라이트가 존재하지 않고 대신 고결물만 존재하는 경우를 말한다.
바운드스톤(boundstone): 생물들이 서로 붙어 자라며 만들어지는 석회암으로, 생물초가 대표적인 예이다.
결정질 석회암(crystalline limestone): 재결정이나 교대작용에 의하여 퇴적 당시에 형성된 조직이 모두 사라지고 결정질 조직만 나타나는 경우를 말한다.
한국
대한민국의 석회암은 주로 옥천 습곡대에 분포하는 고생대 지층 조선 누층군 내의 석회암 지층인 풍촌 석회암층, 막동 석회암층, 두위봉층 중에서 산출된다. 고생대 석회암이 채굴되는 지역으로는 삼척시, 태백시, 영월군, 단양군 등이 있다. 한국의 경우에는 약 206억 톤이 매장(3000년 분이라고 한다.)되어 있어 시멘트를 만드는 데 많이 채광, 사용한다.
석회암 동굴
석회암 동굴은 석회암 지대에서 물에 의한 용식(溶蝕)으로 생기는 동굴이다. 석회동굴이나 종유동이라고도 한다. 석회암이 분포하는 지대에서 이산화 탄소가 섞인 빗물이나 지표수가 석회석의 틈으로 침투하거나, 그 지대를 흐르는 지하수에 이산화탄소가 녹아 있으면, 석회암의 주성분인 탄산칼슘이 물과 물에 녹아 있는 이산화 탄소와 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 태백산 분지의 조선 누층군 석회암 지대에 석회암 동굴이 많으며, 평안북도 영변군의 동룡굴, 경상북도 울진군의 성류굴, 강원특별자치도 영월군의 영월 고씨굴, 충청북도 단양군의 단양 고수동굴 등이 유명하다. 특히 대한민국에서는 고생대 초기에 형성된 퇴적암 지층 조선 누층군의 풍촌 석회암층과 막골층, 정선 석회암층 3개 지층에 수많은 석회암 동굴이 발달한다.
- 영월 고씨굴 - 조선 누층군 막골층에 발달
- 단양 고수동굴 - 조선 누층군 막골층에 발달
- 단양 천동동굴 - 조선 누층군 풍촌 석회암층에 발달
- 삼척 대이리 동굴지대 - 조선 누층군 풍촌 석회암층, 화절층에 발달
- 합천배티세일동굴 - 경상 누층군 진주층 내에 협재된 석회암이 용식되어 발달.
참고자료
같이 보기
