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석회암 동굴

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목차

1. 개요

석회암 동굴은 지하수에 녹는 석회암 지형에서 형성되는 동굴로, 탄산 칼슘 구조물인 종유석, 석순 등을 특징으로 한다. 석회암은 빗물이나 지하수에 포함된 탄산에 의해 용해되며, 황산에 의한 용해로 형성되기도 한다. 동굴 내부에는 다양한 동굴 생성물과 동굴 생물이 서식하며, 한국에는 태백산 분지를 중심으로 많은 석회암 동굴이 분포한다. 세계적으로도 다양한 석회암 동굴이 존재하며, 많은 동굴이 관광 자원 또는 자연 유산으로 보호받고 있다.

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  • 동굴 - 종유석
    종유석은 동굴 천장에서 물이 증발하며 탄산 칼슘이 침전되어 자라나는 고드름 모양의 광물 덩어리이며, 석회암, 용암, 얼음, 콘크리트 등 다양한 종류가 있다.
  • 동굴 - 석순
    석순은 석회암 동굴에서 주로 발견되는 동굴 생성물로, 탄산 칼슘 등의 퇴적 작용으로 형성되어 종유석과 함께 석주를 만들기도 하며, 석회암 외에도 용암, 얼음, 콘크리트 등 다양한 환경에서 만들어지는 종류가 있다.
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석회암 동굴

2. 형성 과정

석회암 동굴은 탄산과 황산에 의한 용해 작용으로 형성된다. 석회암은 탄산 칼슘을 주성분으로 하는 암석으로, 산성 용액에 녹는 성질을 가지고 있다. 용해 동굴 중 지하수면 아래에 있는 부분은 물에 잠겨 있다.[2]

이처럼 동굴 내부가 장식된 동굴을 종유석 동굴이라고 한다. 용암 종유가 발달한 용암 동굴도 넓은 의미에서 종유석 동굴의 일종이다.

2. 1. 탄산에 의한 용해 (Carbonic acid dissolution)

기반암은 지하수에 있는 자연 산에 의해 용해되며, 이는 지층면, 단층, 절리 등을 통해 스며든다. 지질 시대에 걸쳐 이러한 틈새는 벽이 용해되면서 동굴 또는 동굴 시스템으로 확장된다.[2]

석회암은 H2CO3 (탄산)와 자연적으로 발생하는 유기산을 함유한 빗물 및 지하수의 작용으로 용해된다. 용해 과정은 "카르스트"로 알려진 독특한 지형을 생성하며, 이는 돌리네와 지하 배수로 특징지어진다. 이러한 지형에서 용해 작용으로 형성된 동굴은 종종 카르스트 동굴이라고 불린다.

산호초 등이 발달하는 따뜻한 바다에서 석회질 껍질이나 골격을 가진 생물의 유해가 해저에 두껍게 퇴적되어 석회암 지층이 형성된다. 주성분이 탄산 칼슘으로 이루어진 석회암은 산성 용액에 녹는 화학적 성질을 가진다. 석회암이 지각 변동에 의해 지상으로 융기하면 이산화 탄소를 포함한 약산성 빗물이나 지하수에 의한 침식(용식)이 시작된다.

이러한 침식(용식)으로 석회암체 내부에 많은 공동(동굴)이 생긴다. 석회암 속 미세한 틈새 등을 채운 지하수(탄산 칼슘이 다량 용해되어 있음)가 동굴 내로 스며들면 이산화 탄소를 포함한 물과 탄산 칼슘 간의 화학 반응이 가역적이므로 반대로 탄산 칼슘이 방해석으로 결정화되기 시작하여 침전되어 종유석 등의 동굴 생성물이 발달한다.

2. 2. 황산에 의한 용해 (Sulfuric acid dissolution)

뉴멕시코의 레추기야 동굴과 칼스배드 동굴은 다른 유형의 용식 동굴의 예시로 여겨진다. 이 동굴들은 석유 저장고에서 유황 훈증을 방출할 때 아래에서 올라오는 H2S (황화 수소) 가스에 의해 형성되었다. 이 가스는 지하수와 섞여 H2SO4 (황산)을 형성한다. 그런 다음 산성수는 표면으로 스며들어가 석회암을 위에서가 아닌 아래에서 용해시킨다.[2]

2. 3. 용식 형태 (일본)

동굴의 천장이나 벽면에는 석회암의 용식으로 생긴 특징적인 미지형(용식 형태)을 볼 수 있다. 이것들은 나중에 생긴 동굴 생성물에 의해 덮여 관찰할 수 없는 경우도 많다. 흔히 볼 수 있는 대표적인 것에는 다음과 같은 것들이 있다.

  • 용식 노치(溶食ノッチ): 완만한 지하 강이나 지하호의 수면에 따라 벽면의 용식이 진행되어 생긴 수평으로 뻗은 선반 모양의 웅덩이. 웅덩이의 높이는 수십 cm - 수 m, 길이는 수 m - 수십 m 정도이다.
  • 협곡형 통로: 한때 높은 곳을 흐르던 지하 강이 바닥면을 점차 파내려가 만들어진 통로로, 천장의 높이에 비해 폭이 좁다. 여러 겹의 용식 노치가 벽면에 보일 수 있다.
  • 포켓: 천장에서 볼 수 있는 밥그릇 안쪽 같은 둥근 웅덩이. 여러 개가 뭉쳐서 생기는 경우도 있다. 수면 아래의 물의 흐름(와류)에 의해 형성된 것으로 생각된다. 지름은 수십 cm - 1 m 정도이다.
  • 펜던트: 동굴의 석회암이 용식되어 갈 때, 녹지 않고 남은 부분이 벽면이나 천장에서 여러 개 매달린 듯이 남은 것. 수중에서 모래나 점토에 매몰된 상태에서 석회암이 차별적으로 용식된 것으로 생각된다. 크기는 수십 cm - 수 m이다.
  • 스칼럽(スカラップ): 지하수의 흐름에 의한 용식으로 벽면에 생긴 물고기 비늘 모양의 움푹 들어간 곳이 모인 것. 표면을 손으로 좌우로 쓸어보면 저항 없이 미끄러지는 방향이 옛날의 물의 흐름 방향이다. 스칼럽은 가리비 조개를 뜻한다. 크기는 수 cm - 수십 cm이다.

3. 동굴 생성물

석회암 동굴은 종종 느린 침전을 통해 생성된 탄산 칼슘 구조물로 장식된다. 여기에는 유석, 종유석, 석순, 헬릭타이트, 석회 빨대, 방해석 뗏목 및 석주가 포함된다. 동굴 내 이러한 이차 광물 침전물을 "동굴 생성물"이라고 한다.[3]

백사동(승룡동의 일부, 오키노에라부섬)의 종유관


유현동(이와테현)의 "연화의 벽"이라고 불리는 플로우 스톤


동굴의 천장이나 벽에서 스며 나오는 지하수는 석회암을 용식하여 다량의 탄산 칼슘을 용해하고 있다. 이 물이 동굴 안의 공기에 닿으면, 방해석의 결정화가 일어나 다양한 동굴 생성물이 생긴다.

천장에서 물이 떨어지는 곳에서는 고드름처럼 방해석 침전물이 성장하는데, 이를 종유석(협의)이라 한다. 종유석이 생기기 시작할 때에는 천장에 매달린 물방울의 원주를 따라 방해석이 침전된다. 다음 물방울도 마찬가지로 방해석을 결정화시키기 때문에, 링 모양의 방해석 침전이 진행되어 스트로처럼 속이 빈 관이 뻗어 나간다. 이것을 일본에서는 종유관이라 부른다. 종유관 내부에 방해석 결정이 성장하여 내부로 물이 흐르지 않게 되면, 물은 바깥쪽을 흐르게 되고, 종유관은 차츰 굵어져 고드름처럼 성장한다.

물방울이 천장에서 동굴 바닥으로 떨어진 지점에서도 방해석의 결정화가 일어나는데, 그곳이 차츰 솟아올라 높이 성장한 것을 석순이라고 한다. 천장에서 성장한 종유석과 아래에서 솟아오른 석순이 연결되면 석주라고 부른다.

종유석의 성장 속도는 지역, 동굴, 동굴 내 장소, 수량, 수질, 성장 단계에 따라 크게 달라진다.[4][5]

완만한 동굴 바닥의 경사면에 소량의 물이 잔잔하게 흐르는 경우, 다랑논과 같은 외형의 웅덩이가 형성되기도 한다. 둑에 해당하는 곳을 림스톤(둑돌, 윤연석), 림스톤에 둘러싸여 생긴 웅덩이를 림스톤 풀(둑돌 웅덩이)이라고 한다. 구불구불하게 굽어져 특히 길게 뻗은 림스톤을 영어권에서는 Chinese Wall영어(만리장성)이라고 표현한다.

플로우 스톤(유화석)은 동굴의 벽이나 경사면 일면을 덮고 생기는 것으로, 부분적으로 보면 그 안에 작은 종유석 등을 포함하여 발달하고 있다.

종유석류는 육상의 공기 중에서 발달하는 것이다. 장소에 따라서는 수중에 있는 종유동이 발견되는 경우가 있지만, 그것들은 동굴 생성물이 발달한 후에, 지각 변동이나 기타 원인에 의해 수중에 침강한 것이다.

4. 동굴 생물

일반인이 동굴 내에서 생물을 마주치는 일은 대부분 드물다. 박쥐를 만나는 정도가 고작이다. 그러나 자세히 관찰하면 아주 작은 동물이 소수 발견되는 경우가 있다. 그것들은 동굴생물(동굴생물)이라고 불린다. 동굴생물은 대부분 부드럽고 흰색을 띠며, 눈이 없는 등 동굴 환경에 적응했다. 박쥐가 집단으로 생활하는 동굴에서는 예외적으로 박쥐 배설물(구아노)에 꼬이는 무수한 벌레가 서식하기도 한다.

이들은 옛날에 동굴 내로 침입한 작은 동물이 격리된 환경에서 독자적인 진화를 거쳐 특유의 동굴생물이 되었다고 일반적으로 설명된다. 실제로는 많은 소형 곤충이나 다족류 등의 주된 생활 영역이 토양 하부 얕은 층의 풍화된 암반대의 틈새라는 것이 밝혀졌으며, 거기에서 암반의 틈새를 통해 넓은 동굴 공간으로 길을 잃고 들어선 개체를 우리가 보게 되는 것이다.

동굴생물은 그 지역의 고유종인 경우가 많고, 일반적으로 소형이며 수가 적다. 이는 주로 영양분이 부족한 환경이기 때문으로 생각된다. 그중에는 대형인 것도 발견되며, 올름이나 멕시코눈먼고기처럼 오래전부터 신기한 동굴생물로 알려진 예도 있다.

5. 한국의 석회암 동굴

한국은 석회암 동굴이 발달하기 좋은 지질 조건을 갖추고 있다. 특히 태백산 분지 일대에는 고생대 초기에 형성된 조선 누층군이라는 석회암 지층이 넓게 분포하고 있어, 이 지역을 중심으로 많은 석회암 동굴이 발견된다. 평안북도 영변군의 동룡굴, 경상북도 울진군의 성류굴, 강원특별자치도 영월군의 영월 고씨굴, 충청북도 단양군의 단양 고수동굴 등이 대표적인 예이다.[1]

5. 1. 조선 누층군

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 지층인 '''조선 누층군'''의 풍촌 석회암층과 막골층, 정선 석회암층 3개 지층에 수많은 석회암 동굴이 발달한다.[1]

다음은 조선 누층군의 각 지층에 발달한 주요 석회암 동굴이다.

지층주요 석회암 동굴
막골층영월 고씨굴, 단양 고수동굴
풍촌 석회암층단양 천동동굴, 삼척 대이리 동굴지대
화절층삼척 대이리 동굴지대



경상 누층군 진주층 내에 협재된 석회암이 용식되어 발달한 합천배티세일동굴도 있다.[1]

5. 2. 주요 석회암 동굴

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 누층군'''의 풍촌 석회암층과 막골층, 정선 석회암층 3개 지층에 수많은 석회암 동굴이 발달한다.

6. 세계의 석회암 동굴


류센도

류가이와 동굴

시즈시 종유동

이쿠라 동굴

마키 동굴

라쇼몬

세이류굴

나나카마 종유동

큐센 동굴

호시노 동굴

이시가키지마 종유동

7. 보존 및 관리

오래전부터 동굴 내부의 특이한 풍경이 주목받아, 군마현 후지 동굴, 야마구치현 폭포 구멍·이와야 관음굴, 후쿠오카현 세이류굴, 오키나와현 닛슈 동굴·푸텐마구 동굴 등과 같이 관광과 신앙의 대상이 되어 온 종유동도 있다.

종유석류는 과거에 석약으로 채취되었다. 쇼소인의 보물 중 하나에 종유상이 있다.[6] 10세기의 "엔기시키" 권37 전약료 부록의 "와묘고이"와 14세기의 "고라이 혼조"에도 아키요시 다이나 아테츠 다이에서 채취된 종유상, 은얼(정확히는 나무에 자식), 공공얼의 산출에 대한 기술이 있다. 이것들은 종유석류를 나타내는 말이다. 아키요시 다이에서는 1843년과 1847년에 하기의 의학관 사람들이 종유석 채취를 위해 출장한 기록[7]이 있다. 일본에서는 성장에 상당한 시간이 걸리기 때문에 종유석류의 채취는 금지되어 있다.

종유석이나 석순의 모양이 유방이나 남성 성기처럼 보이기도 하여, 그 물을 마시면 젖이 잘 나온다거나, 자손을 얻게 된다는 토속적인 신앙이 전해지기도 한다.

근대에는 동굴 탐험이 스포츠로, 또 학술 연구와도 관련되어 이루어지고 있으며, 케이빙이라고 불리고 있지만, 과거에는 동굴 잠수 중 사망 사고 등도 발생하고 있다.

참조

[1] 웹사이트 Solution Caves - Caves and Karst https://www.nps.gov/[...]
[2] 웹사이트 Learning about caves; how caves are formed http://www.amazingca[...] Project Underground 2009-09-08
[3] 위키백과 Kolbinger Höhle
[4] 문서 日原鍾乳洞 東京都西多摩郡奥多摩町日原
[5] 서적 洞窟学入門 講談社ブルーバックス 1978
[6] 웹사이트 正倉院宝物検索 鍾乳床　大・小 http://shosoin.kunai[...] 宮内庁
[7] 간행물 秋芳町地方文化研究 秋芳町地方文化研究会 2010


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