퇴적암

3. 퇴적암의 분류

퇴적암은 형성 과정에 따라 크게 쇄설성 퇴적암, 생물학적(생성적) 퇴적암, 화학적 퇴적암, 기타 퇴적암으로 분류할 수 있다.

생물학적 퇴적암과 화학적 퇴적암은 특정 화학 물질이 침전된다는 공통점을 갖는다. 하지만 그 과정이 주로 생물에 의해 일어나는지, 아니면 무기적인 과정인지에 따라 구분된다.

3. 1. 쇄설성 퇴적암

• '''물리적 풍화''': 화학적 성분의 변화 없이 암석이 부서지는 작용으로, 암석에 스며들어간 물의 동결융해작용과 열팽창과 수축의 반복이 주요한 원인이 된다.
• '''화학적 풍화''': 암석이 화학반응을 통해 성분이 바뀌면서 삭고 닳아가는 것이다. 화학적 풍화에서도 물은 중요하게 작용하는 물질이다. 화성암이나 변성암을 이루는 광물들은 화학적 풍화를 통해서 점토광물이나 수용성 이온으로 분해된다.

• 셰일: 대부분 점토광물로 이루어져있고, 층리와 성분을 통해 세분한다.
• 사암: 성분에 따라 사암, 아코즈(석영+장석), 그레이와케(석영+장석+점토광물+암석조각; 저탁암) 등으로 나눌 수 있다.
• 역암: 알갱이가 둥근가 각져있는가에 따라서 역암과 각력암으로 구분한다. 알갱이 크기가 263mm보다 큰 역암은 같은 기준으로 볼더와 블록이라고 명명한다.

• 자갈(직경 >2 mm)
• 모래(직경 1/16~2 mm)
• 진흙(직경 <1/16 mm)
• 실트(직경 1/16~1/256 mm)
• 점토(직경 <1/256 mm)

• 역암과 각력암: 대부분 자갈로 만들어진다.
• 사암: 대부분 모래로 만들어진다.
• 이암: 대부분 진흙으로 만들어진다.

• 사암(siltstone): 실트 크기의 입자를 주로 구성
• 이암(mudstone): 실트 및 점토 크기의 입자가 거의 같은 비율로 혼합
• 점토암(claystone): 점토 크기의 입자를 대부분 구성

• '''규질쇄설성 퇴적암''': 주로 규산염 광물로 구성. 퇴적물은 하상하중, 부유하중 또는 퇴적물 중력류에 의해 운반. 역암, 각력암, 사암, 및 이암으로 세분.
• '''탄산염 퇴적암''': 방해석(능면체), 아라고나이트(사방정계), 돌로마이트, 및 이온을 기반으로 하는 다른 탄산염 광물로 구성. 일반적인 예로는 석회암과 돌로마이트 암석.
• '''증발암 퇴적암''': 물의 증발로 형성된 광물로 구성. 가장 일반적인 증발암 광물은 탄산염(방해석 및 기반), 염화물(할라이트 및 기반), 및 황산염(석고 및 기반). 증발암에는 일반적으로 풍부한 할라이트(암염), 석고, 및 무수석고가 포함.
• '''유기물이 풍부한 퇴적암''': 상당량의 유기물을 함유(일반적으로 3% 이상의 총 유기 탄소). 일반적인 예로는 석탄, 오일 셰일 및 석유와 천연가스의 원암이 있다.
• '''규질 퇴적암''': 거의 전적으로 이산화규소()로 구성되며, 일반적으로 처트, 오팔, 칼세도니 또는 기타 미정질 형태.
• '''철이 풍부한 퇴적암''': 15% 이상의 철로 구성되며, 가장 일반적인 형태는 縞状鉄鉱層과 철암.^[4]
• '''인산염 퇴적암''': 인산염 광물로 구성되며 6.5% 이상의 인을 함유. 예를 들어 인산염 결핵, 뼈층 및 인산염 이암.^[5]
• 쇄설암: 화산 이외의 성분(쇄설물)이 퇴적된 것. 퇴적된 장소에 따라 육성쇄설암, 해성쇄설암으로 나눈다.
• 역암·각력암
• 사암
• 이암(사암(실트암), 점토암 포함), 셰일, 슬레이트

3. 2. 화학적 퇴적암

해양 환경에서는 탄산칼슘이 침전되어 석회암이 무기적 과정으로 생성될 수 있다. 증발이 강하게 일어나는 고립된 호수에서는 암염이나 칼리암염 같은 할로겐 광물, 석고나 중정석 같은 황산염 광물 등이 침전되어 암석화될 수 있다. 이러한 경우들은 특별히 생물의 작용에 의하지 않으므로 화학적 퇴적암으로 분류할 수 있다.

일반적인 화학적 퇴적암으로는 둥근 알갱이 석회암(Oolite)과 암염(halite)(rock salt), 실바이트(sylvite), 중정석(baryte), 석고(gypsum)와 같은 증발암(evaporite) 광물로 구성된 암석이 있다. 증발에 의해 생긴 퇴적암을 특별히 증발암이라 부르기도 한다.

화학적 퇴적암의 종류는 다음과 같다.

• 석회암
• 돌로마이트
• 처트
• 증발암
• 암염
• 석고

3. 3. 생물학적 퇴적암 (유기적 퇴적암)

생물학적 퇴적암은 화학적 퇴적암과 마찬가지로 특정 화학 물질이 침전되어 만들어진다는 공통점이 있다. 하지만 그 과정이 주로 생물에 의해 일어나는지, 아니면 무기적인 과정에 의해 일어나는지에 따라 구분된다.

바다 속에서 탄산칼슘을 고정시키는 생물에는 산호, 연체동물, 유공충 등이 있다. 산호는 군집 생활을 하며 리프라는 큰 구조물을 만든다. 연체동물이나 유공충의 사체는 해저에 쌓여 방해석(일부 생물은 아라고나이트) 층을 만드는데, 이것이 열과 압력을 받으면 석회암이 된다. 다른 예로는 스트로마톨라이트가 있는데, 이들은 백악(초크), 석탄, 오일셰일 안에 플린트의 노듈(nodule; 단괴)을 만든다. 일부 생물들은 규산염질 껍질을 만드는데, 이들의 사체가 깊은 바다에 침전된 후 암석화되면 처트라고 불리는 미정질 퇴적암이 된다.^[1]

생화학적 퇴적암은 생물이 공기나 물에 녹아 있는 물질을 이용하여 조직을 형성할 때 생성된다.^[1] 예를 들면 다음과 같다.

• 대부분의 석회암은 산호, 연체동물, 유공충과 같은 생물의 석회질 골격으로부터 형성된다.
• 석탄은 대기 중에서 탄소를 제거하고 다른 원소와 결합하여 조직을 형성한 식물로부터 형성된다.
• 처트 퇴적물은 방산충과 규조류와 같은 미세한 생물의 규질 골격이 축적되어 형성된다.

4. 퇴적암의 특징

퇴적암은 다른 암석들과 구별되는 특징으로 층리와 화석을 가진다. 또한 퇴적 당시의 환경이 기록된 '''퇴적구조'''를 가지는 경우가 있다.

퇴적암은 공기, 얼음, 바람, 중력, 또는 입자를 현탁 상태로 운반하는 물의 흐름으로부터 퇴적물이 퇴적될 때 형성된다. 이러한 퇴적물은 종종 풍화와 침식이 원암을 느슨한 물질로 분해하는 원산지에서 형성되며, 이후 원산지에서 퇴적 지역으로 수송된다. 수송되는 퇴적물의 종류는 배후지(퇴적물의 원산지)의 지질에 따라 달라진다. 그러나 증발암과 같은 일부 퇴적암은 퇴적 장소에서 형성되는 물질로 구성되기 때문에, 퇴적암의 특성은 퇴적물 공급뿐만 아니라 형성된 퇴적 환경에도 따라 달라진다.

퇴적암의 색깔은 철의 영향을 받는데, 철은 산화철(II)과 산화철(III)이라는 두 가지 주요 산화물을 가진다. 산화철(II)(FeO)는 산소가 적은(무산소성) 환경에서만 생성되며 회색이나 녹색을 띤다. 산소가 풍부한 환경에서 생성되는 산화철(III)(Fe₂O₃)는 적철석의 형태로 자주 발견되며 붉은색에서 갈색을 띤다. 건조한 대륙성 기후에서는 암석이 대기와 직접 접촉하여 산화 작용이 중요해지고 붉은색이나 주황색을 띤다. 건조한 기후에서 형성된 붉은색 퇴적암의 두꺼운 지층을 적색층이라고 한다. 그러나 붉은색이 반드시 암석이 대륙 환경이나 건조한 기후에서 형성되었다는 것을 의미하지는 않는다.^[1]

유기물질은 암석에 검은색이나 회색을 낼 수 있다. 유기물질은 죽은 생물, 주로 식물에서 형성되며, 일반적으로 분해되어 산화 또는 박테리아 활동에 의해 사라진다. 그러나 무산소 환경에서는 유기물질이 분해될 수 없어 유기물질이 풍부한 어두운 퇴적물을 남긴다. 심해나 호수 바닥에서 이러한 현상이 발생할 수 있는데, 물의 혼합이 거의 일어나지 않아 표면수의 산소가 아래로 내려오지 않고, 퇴적된 퇴적물은 일반적으로 미세한 어두운 점토이기 때문이다. 따라서 유기물질이 풍부한 어두운 암석은 종종 셰일이다.^[2][3]

퇴적물에서 클라스트(원래 암석 조각)의 크기, 형태 및 방향을 조직(texture)이라고 한다. 조직은 암석의 소규모 특성이지만, 밀도, 공극률, 투수율과 같은 많은 대규모 특성을 결정한다.^[4] 클라스트의 3차원 방향은 암석의 구조(fabric)라고 한다. 클라스트의 크기와 형태는 퇴적 환경에서 클라스트를 원래 위치에서 이동시킨 흐름(current)의 속도와 방향을 결정하는 데 사용될 수 있다. 미세한 석회질 진흙(calcareous mud)은 고요한 물에서만 침전되지만, 자갈과 더 큰 클라스트는 빠르게 움직이는 물에 의해서만 이동된다.^[5][6] 암석의 입자 크기는 일반적으로 웬트워스 척도로 표현되지만, 때로는 다른 척도가 사용되기도 한다. 입자 크기는 직경 또는 부피로 표현될 수 있으며, 암석은 크기가 다른 클라스트로 구성되어 있으므로 항상 평균값이다. 입자 크기의 통계적 분포(statistical distribution)는 암석 유형에 따라 다르며, 암석의 분급(sorting)이라는 특성으로 설명된다. 모든 클라스트의 크기가 거의 동일하면 '잘 분류된(well-sorted)' 암석이라고 하고, 입자 크기에 큰 차이가 있으면 '잘 분류되지 않은(poorly sorted)' 암석이라고 한다.^[7][8]

• 표면 조직(Surface texture): 일반적인 형태에 영향을 미치기에는 너무 작은 입자 표면의 소규모 지형. (예: 소규모 균열로 덮인 '서리 낀 입자(frosted grains)'는 풍성 사암의 특징)^[11]
• 마멸(Rounding): 입자 모양의 일반적인 매끄러움.
• 구형도(Sphericity): 입자가 구(sphere)에 얼마나 근접하는지.
• 입자 형태(Grain form): 입자의 3차원 모양.

4. 1. 층리

4. 2. 화석

세 가지 주요 암석 유형 중에서 화석은 퇴적암에서 가장 흔하게 발견된다. 대부분의 화성암과 변성암과 달리, 퇴적암은 화석 잔해를 파괴하지 않는 온도와 압력에서 형성된다.^[1] 종종 이러한 화석들은 확대경을 통해서만 관찰될 수 있다.^[1]

자연에서 죽은 유기체는 일반적으로 청소동물, 세균, 부패 및 침식에 의해 빠르게 제거되지만, 예외적인 상황에서는 이러한 자연적 과정이 일어날 수 없어 화석화가 이루어진다. 퇴적 속도가 높을 때(시체가 빠르게 매몰될 때), 무산소성 환경(세균 활동이 거의 없는 곳) 또는 유기체가 특히 단단한 골격을 가지고 있을 때 화석화 가능성이 높아진다.^[2] 크고 잘 보존된 화석은 비교적 드물다.^[2]

화석은 유기체와 그 골격의 직접적인 유체 또는 각인 모두일 수 있다.^[3] 가장 일반적으로 보존되는 것은 뼈, 껍질 및 식물의 목질 조직과 같은 유기체의 더 단단한 부분이다. 연조직은 화석화될 가능성이 훨씬 적으며, 4천만 년 이상 된 동물의 연조직이 보존되는 것은 매우 드물다.^[3] 유기체가 살아 있을 때 만들어진 각인은 흔적 화석이라고 하며, 그 예로 굴, 발자국 등이 있다.^[3]

퇴적암의 일부로서, 화석은 모암과 동일한 다이아제네틱 과정을 겪는다.^[4] 예를 들어, 방해석으로 구성된 껍질은 용해될 수 있지만, 그 후 규소 시멘트가 공동을 채운다.^[4] 마찬가지로, 침전되는 광물은 이전에 혈관, 관다발 조직 또는 다른 연조직이 차지했던 공동을 채울 수 있다.^[4] 이것은 유기체의 형태를 보존하지만 화학적 조성을 변화시키는 과정으로, 침투화라고 한다.^[4] 침투화에 관여하는 가장 일반적인 광물은 다양한 형태의 비정질 실리카(칼세도니, 플린트, 처트), 탄산염(특히 방해석) 및 황철석이다.^[4]

높은 압력과 온도에서, 죽은 유기체의 유기물은 휘발성 물질(예: 물 및 이산화탄소)이 배출되는 화학 반응을 겪는다.^[5] 결국 화석은 순수한 탄소 또는 그 광물화된 형태인 흑연의 얇은 층으로 구성된다.^[5] 이러한 화석화 형태를 탄화라고 한다.^[5] 이것은 특히 식물 화석에 중요하다.^[5] 동일한 과정이 갈탄이나 석탄과 같은 화석 연료의 형성을 담당한다.^[5]

4. 3. 퇴적 구조

퇴적암에서는 퇴적 당시의 환경을 보여주는 '''퇴적구조'''라는 특별한 형태가 발견되는 경우가 많다. 사층리, 연흔, 건열 등이 대표적인 퇴적 구조이며, 이 외에도 많은 퇴적 구조들이 퇴적 당시의 상황을 알려준다.

퇴적암 내 구조는 퇴적 시 형성되는 '일차' 구조와 퇴적 후 형성되는 '이차' 구조로 나눌 수 있다. 구조는 조직과 달리 현장에서 쉽게 연구할 수 있는 대규모 특징을 가진다. 퇴적 구조는 퇴적 환경에 대한 정보를 제공하거나, 지각 변동으로 퇴적층이 기울어지거나 뒤집힌 경우 원래 어느 쪽이 위쪽이었는지 알려주는 역할을 할 수 있다.

퇴적암은 층으로 쌓이는데, 층은 균일한 암석학적 특징과 조직을 가진 암석 층이다. 퇴적암을 특징짓는 층의 순서는 층리라고 한다. 단일 층의 두께는 수 센티미터에서 수 미터에 이를 수 있다. 더 미세하고 덜 두드러진 층을 라미나(lamina)라고 하며, 암석에서 라미나가 형성하는 구조를 엽리라고 한다. 라미나는 일반적으로 수 센티미터 미만의 두께이다.^[2] 층리와 엽리는 종종 원래 수평이지만, 항상 그런 것은 아니다. 어떤 환경에서는 층이 작은 각도로 퇴적된다. 때로는 서로 다른 방향을 가진 여러 층의 세트가 동일한 암석에 존재하는데, 이러한 구조를 교차층리라고 한다. 교차층리는 유동 매체(바람이나 물)에 의한 퇴적의 특징이다.

교차층리의 반대는 평행 엽리로, 모든 퇴적층이 평행을 이룬다. 엽리의 차이는 퇴적물 공급의 순환적 변화에 의해 발생하며, 강우, 온도 또는 생화학적 활동의 계절적 변화가 원인이 될 수 있다. 계절적 변화를 나타내는 라미나는 연흔이라고 한다. 밀리미터 또는 그보다 더 미세한 규모의 층으로 구성된 모든 퇴적암은 ''라미나이트''라고 한다. 퇴적암에 엽리가 전혀 없는 경우, 그 구조적 특징을 매시브 층리라고 한다.

사층리는 입자가 더 작은 층이 입자가 더 큰 층 위에 있는 구조이다. 이 구조는 빠르게 흐르는 물이 흐름을 멈출 때 형성된다. 현탁 상태의 더 크고 무거운 쇄설물이 먼저 침전되고, 그 다음에 더 작은 쇄설물이 침전된다. 사층리는 많은 다른 환경에서 형성될 수 있지만, 탁류의 특징이다.^[3]

특정 층의 표면, 즉 층상은 특정 퇴적 환경을 나타낼 수도 있다. 층상의 예로는 사구와 리플마크가 있다. 툴 마크와 플루트 캐스트와 같은 솔 표지는 표면에 침식된 홈으로, 재퇴적에 의해 보존된다. 이들은 종종 길쭉한 구조이며, 퇴적 시 유동 방향을 설정하는 데 사용할 수 있다.

리플마크는 흐르는 물에서도 형성된다. 대칭적이거나 비대칭적일 수 있다. 비대칭 리플은 강과 같이 해류가 한 방향으로 흐르는 환경에서 형성된다. 이러한 리플의 더 긴 측면은 해류의 상류 쪽에 있다. 대칭파 리플은 조간대와 같이 해류가 방향을 바꾸는 환경에서 발생한다.

건열은 때때로 수면 위로 올라오는 퇴적물의 탈수로 인해 발생하는 층상이다. 이러한 구조는 일반적으로 조간대 또는 강을 따라 있는 포인트 바에서 발견된다.

2차 퇴적 구조는 퇴적 후에 형성된 구조이다. 이러한 구조는 퇴적물 내에서 화학적, 물리적 및 생물학적 과정에 의해 형성된다. 이들은 퇴적 후 환경의 지표가 될 수 있으며, 일부는 상하 판단 기준으로 사용될 수 있다.

퇴적물 내 유기물질은 화석 이상의 흔적을 남길 수 있다. 보존된 발자국과 굴은 생흔 화석의 예이다.^[4] 이러한 흔적은 비교적 드물다. 대부분의 생흔 화석은 연체동물이나 절지동물의 굴이다. 퇴적학자들은 이러한 굴을 생흔 교란이라고 부른다. 이것은 퇴적물이 퇴적된 후 존재했던 생물학적 및 생태적 환경의 귀중한 지표가 될 수 있다. 반면에, 생물의 굴 파기 활동은 퇴적물 내 다른 (1차) 구조를 파괴하여 재구성을 더 어렵게 만들 수 있다.

2차 구조는 퇴적물이 수위 위에 노출될 때 다이아제네시스 또는 토양의 형성(토양 생성)에 의해서도 형성될 수 있다. 탄산염암에서 흔히 볼 수 있는 다이아제네시스 구조의 예로는 스타일로라이트가 있다. 스타일로라이트는 암석의 공극 유체에 물질이 용해된 불규칙적인 평면이다. 이것은 특정 화학 종의 침전을 초래하여 암석의 색깔과 얼룩을 생성하거나 콘크리션을 형성할 수 있다. 콘크리션은 모암과 조성이 다른 거의 동심원형의 덩어리이다. 이들의 형성은 화석 주변, 굴 내부 또는 식물 뿌리 주변과 같이 모암의 조성 또는 공극률의 미세한 차이로 인한 국부적인 침전의 결과일 수 있다.^[5] 석회암 또는 백악과 같은 탄산염암에서는 처트 또는 플린트 콘크리션이 흔하며, 육상 사암에는 때때로 철 콘크리션이 포함되어 있다. 각진 공동이나 균열을 포함하는 점토 내의 방해석 콘크리션을 세프타리아 콘크리션이라고 한다.

퇴적 후 물리적 과정은 퇴적물을 변형시켜 세 번째 종류의 2차 구조를 생성할 수 있다. 모래와 점토 사이와 같이 서로 다른 퇴적층 사이의 밀도 차이는 플레임 구조 또는 로드 캐스트를 생성할 수 있으며, 이는 역전된 다이아피리즘에 의해 형성된다. 쇄설성 층이 여전히 유체일 때, 다이아피리즘은 밀도가 더 높은 상층이 하층으로 가라앉게 할 수 있다. 때로는 암석 중 하나가 탈수될 때 밀도 대조가 발생하거나 강화된다. 점토는 탈수의 결과로 쉽게 압축될 수 있지만, 모래는 같은 부피를 유지하고 상대적으로 밀도가 낮아진다. 반면에 모래층의 공극수압이 임계점을 초과하면 모래는 상부 점토층을 뚫고 흐를 수 있으며, 퇴적 다이크라고 하는 불일치 퇴적암체를 형성한다. 동일한 과정이 상부층을 뚫고 나온 표면에서 머드 화산을 형성할 수 있다.

퇴적 다이크는 일 년 중 많은 시간 동안 토양이 영구적으로 얼어붙는 추운 기후에서도 형성될 수 있다. 동결 풍화는 토양에 균열을 형성하여 위에서부터 파편이 채워질 수 있다. 이러한 구조는 기후 지표이자 상하 판단 구조로 사용될 수 있다.

밀도 차이는 퇴적이 진행되는 동안에도 소규모 단층을 유발할 수 있다(동시 퇴적 단층). 이러한 단층은 삼각주의 전면 또는 대륙 사면과 같이 대량의 비암석화 퇴적물이 사면에 퇴적될 때도 발생할 수 있다. 이러한 퇴적물의 불안정성으로 인해 퇴적된 물질이 사면 붕괴되어 균열과 습곡을 생성할 수 있다. 암석에서 생성되는 구조는 동시 퇴적 습곡과 단층이며, 이는 암석화된 암석에 작용하는 지각력에 의해 형성된 습곡과 단층과 구별하기 어려울 수 있다.

5. 대한민국의 퇴적암 지층

대한민국의 퇴적암 지층으로는 조선 누층군(장산층, 면산층, 묘봉층, 풍촌 석회암층, 세송층, 화절층, 동점층, 두무골층, 막골층, 직운산층, 두위봉층)과 평안 누층군(만항층, 요봉층, 금천층, 장성층, 함백산층, 도사곡층, 고한층, 동고층), 옥천 누층군, 경상 누층군(낙동층, 하산동층, 진주층, 대구층, 반야월층, 자인층, 진동층, 고성층) 그리고 포항 분지의 연일층군 등이 있다. 이 외에도 음성 분지, 풍암 분지, 영동 분지, 와읍 분지 등 소규모 퇴적 분지에도 퇴적암 지층이 분포하고 있다.

참조

_[1] 논문
_[2] 논문
_[2] 논문
_[3] 논문
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_[4] 논문
_[4] 논문
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_[5] 논문
_[6] 논문
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_[7] 논문
_[8] 논문
_[9] 논문
_[10] 논문
_[10] 논문
_[11] 논문
_[11] 논문
_[12] 서적 학술용어집 지학편 일본학술진흥회