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고회암

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목차

1. 개요

백운암은 50% 이상의 백운석으로 구성된 퇴적 탄산염암이다. 18세기 프랑스 광물학자의 이름에서 유래되었으며, 마그네슘과 칼슘의 1:1 화학 양론비를 갖는 백운석 결정 구조가 특징이다. 백운암은 석회암과 함께 발견되며, 해수면이 높았던 시기에 주로 형성되었고, 석회암의 치환 작용에 의해 생성되기도 한다. 백운암의 형성은 고염분 모델, 혼합수 모델, 조수 펌핑 모델 등 다양한 가설로 설명되며, 다공성 증가로 인해 유류 저장소에 활용된다. 백운석 결정의 핵생성에 대한 높은 활성화 에너지 때문에, 현대 해양 환경에서 침전되는 것은 관찰되지 않는다. 건축 골재, 농업, 화학 공정 등 다양한 분야에 사용되며, 동굴 생성물 형성에도 관여한다.

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고회암
개요
종류퇴적암
구성 광물돌로마이트
성분(이론적)
주성분탄산염 광물
화학적 구성
칼슘 탄산염 (CaCO3)54.35%
마그네슘 탄산염 (MgCO3)45.65%
특징
설명돌로마이트가 풍부한 퇴적 탄산염암
형성방해석이 풍부한 석회암이 돌로마이트화되어 형성됨
색상흰색에서 회색, 노란색
결정 크기다양함
조직종종 조립질
분포 및 활용
분포전 세계
활용건축 자재
도로 건설 골재
마그네슘 공급원
토양 중화제
추가 정보
문제점실험실에서 저온 형성이 어려움 ("돌로마이트 문제")
형성 메커니즘미생물 촉매 작용이 가능한 메커니즘으로 제안됨

2. 명칭

백운암(Dolomite)이라는 명칭은 18세기 프랑스의 광물학자 데오다 그라테 드 돌로미외(1750–1801)의 이름을 따서 명명되었다.[8][9]

"돌로마이트"는 칼슘-마그네슘 탄산염 광물과 이 광물이 주로 형성된 퇴적암을 모두 지칭한다. 이 둘 사이의 혼동을 피하기 위해 1948년에 "돌로스톤"이라는 용어가 도입되었다. 그러나 "돌로스톤"이라는 용어의 사용은 논쟁의 여지가 있는데, 그 이유는 "돌로마이트"라는 이름이 18세기 후반에 암석에 처음 적용되었고, 따라서 기술적인 우선순위를 갖기 때문이다. 미국 지질학 연구소(American Geological Institute)에서 발행한 ''지질학 용어집''에서는 "돌로스톤"이라는 용어의 사용을 권장하지 않았다.[10]

과거 USGS(미국 지질조사국) 출판물에서는 돌로마이트를 "마그네슘 석회암"이라고 지칭했는데, 이 용어는 현재 마그네슘이 부족한 돌로마이트 또는 마그네슘이 풍부한 석회암에 사용된다.

3. 특징

백운암은 50% 이상의 백운석 광물(CaMg(CO3)2)을 포함하는 퇴적 탄산염암이다.[11] 백운석 광물은 칼슘과 마그네슘이 거의 1:1 비율로 규칙적으로 배열된 결정 구조를 갖는다.[11]

현장 조사에서 석회암은 묽은 염산에 강하게 반응하는 반면, 백운암은 약하게 반응하며 풍화되면 특징적인 황갈색을 띤다.[12]

현미경으로 관찰하면, 백운암은 잘 형성된 능면체 결정을 나타내며, 석회암보다 다공성이 높아 석유 및 천연가스 저장소 역할을 하기도 한다.[11]

4. 산출 및 기원

백운암(돌로마이트)은 석회암만큼 흔하지는 않지만, 널리 분포하며, 주로 석회암이나 증발암 지층과 함께 발견된다. 석회암과 층상(interbedded)으로 나타나는 경우가 많다.[2] 백운암은 주로 해수면이 높았던 시기에 형성된 것으로 보이며, 신생대 지층(6,500만 년 미만의 지층)에서는 거의 발견되지 않는다.[3] 해수면이 높았던 시기는 온실 지구 경향을 보이는데, 이는 온실 조건이 백운암 형성을 유발하는 요인일 수 있음을 시사한다.[4]

대부분의 백운암은 석회암이 마그네슘이 풍부한 물과 반응하여 치환되는 돌로마이트화작용을 통해 형성된다. 이 과정은 아직 명확히 밝혀지지 않았지만, 다음과 같은 반응식으로 나타낼 수 있다.[5]

:

이 반응은 열역학적으로 유리하며, 일반적인 해수는 백운암화작용을 일으키기에 충분한 용존 마그네슘을 함유하고 있다. 그러나 일반적인 온도에서 반응 속도가 매우 느리기 때문에, 방해석의 용해와 백운암의 결정화가 동시에 일어나야 한다. 이를 위해서는 백운암화되는 석회암의 기공 공간을 통해 다량의 마그네슘 함유 유체가 흘러야 한다.[6]

백운암화작용에 대한 다양한 모델이 제시되고 있다.


  • 고염분 모델: 해수가 높은 증발률을 겪는 폐쇄된 분지에서 석고와 아라고나이트가 침전되어 염수의 마그네슘 대 칼슘 비율이 높아진다. 밀도가 높은 염수는 석회암 기공으로 가라앉아(''침투 재플럭션'') 백운암화를 일으킨다. 페름 분지가 대표적인 예이다.[7]
  • 사브카 환경: 모세관 유체의 증발에 의해 염수가 백운암화되는 석회암으로 빨려 들어가는 ''증발 펌핑'' 과정이 일어난다.[8]
  • 혼합수 모델: 대기수와 해수가 혼합되어 칼슘에 대한 마그네슘의 화학적 활동성이 증가하여 백운암화가 일어난다. 자메이카의 플라이스토세 백운암 산호초가 이 모델로 설명되지만, 많은 비판을 받고 있다.[9][10]
  • 조수 펌핑 모델: 조수 펌핑을 통해 정상적인 해수가 석회암을 통과하면서 백운암화를 일으킨다. 플로리다주 슈가로프 키와 해수면 상승 시기에 이 과정이 발생할 수 있다.[11]


백운암화작용은 100m 이하의 얕은 깊이에서 마그네슘이 풍부한 해수가 공급될 때, 또는 더 깊은 곳에서 마그네슘 함유 유체가 지층을 통해 흐를 수 있을 때 빠르게 진행될 수 있다.[13] 백운암화작용은 다공성을 증가시키고, 백운암 특유의 설탕 같은 질감을 만든다.[14]

4. 1. 돌로마이트 문제

백운석은 일반적인 해수에서 10배 이상 과포화 상태이지만, 바다에서는 백운석이 침전되는 것이 관찰되지 않는다. 지질학자들 또한 정상적인 온도와 압력에서 해수로부터 백운석을 실험실에서 침전시키는 데 성공하지 못했다. 이는 백운석 결정의 핵생성에 대한 매우 높은 활성화 에너지 때문일 가능성이 높다.[15]

마그네슘 이온은 비교적 작은 이온이며, 물에 녹으면 강하게 결합된 수화 껍질을 갖는다. 즉, 마그네슘 이온은 양전하에 강하게 끌리는 물 분자 덩어리로 둘러싸여 있다. 칼슘은 더 큰 이온이며, 수화 껍질의 결합 강도가 약하다. 따라서 칼슘 이온이 마그네슘 이온보다 수화 껍질을 벗고 성장하는 결정에 결합하는 것이 훨씬 더 쉽다. 또한, 무질서한 고마그네슘 방해석보다 정렬된 백운석의 씨앗 결정을 핵생성하는 것이 더 어렵다. 결과적으로 해수에서 백운석을 침전시키려는 시도는 고마그네슘 방해석을 대신 침전시킨다. 마그네슘보다 칼슘이 과도하게 많고 칼슘-마그네슘 정렬이 부족한 이 물질은 때때로 '원시 백운석'이라고 불린다.[15] 온도를 높이면 마그네슘이 수화 껍질을 벗기 쉬워지며, 60°C 이상의 온도에서 해수로부터 백운석을 침전시킬 수 있다.[16] 원시 백운석은 또한 250°C 이상의 온도에서 백운석으로 빠르게 변환된다.[17] 백운석 형성에 필요한 고온은 신생대 백운석이 드문 이유를 설명하는데, 신생대 해수 온도는 40°C를 넘는 경우가 드물기 때문이다.[15]

미생물이 1차 백운석을 침전시킬 수 있을 가능성이 있다.[7] 이는 브라질의 라고아 베르멜하에서 채취된 시료에서 황산염 환원 세균(`Desulfovibrio`)과 관련하여 처음 입증되었으며, 황산 이온이 백운석 핵생성을 억제한다는 가설로 이어졌다. 이후의 실험실 실험에서는 세균이 황산염 농도와 관계없이 백운석을 침전시킬 수 있음을 보여준다.[16] 시간이 지남에 따라 미생물 활동과 백운석 형성이 변조 및 생성에 미치는 역할에 대한 불일치에 다당류,[17] 망가니즈[18][19] 및 아연[20]의 상호 작용 경로가 추가되었다. 한편, 다른 연구자들은 미생물이 고마그네슘 방해석만을 침전시키지만, 이것이 백운석 침전으로 이어질 수 있는지에 대한 질문은 열려 있다는 반대 견해도 있다.[21]

4. 2. 탈백운암화

드물게, 백운암이 다시 석회암으로 변환되는 '탈백운암화' 현상이 관찰되기도 한다. 이는 방해석으로 대체된 광물 돌로마이트의 가상형 조직으로 나타난다. 탈백운암화 석회암은 일반적으로 석고나 산화된 황철석과 연관되며, 탈백운암화는 칼슘 대 마그네슘 비율이 매우 높은 표면수의 침투를 통해 매우 얕은 깊이에서 발생하는 것으로 생각된다.

5. 활용

백운암은 건축 골재를 비롯하여 석회암과 동일한 용도로 많이 사용된다. 농업에서는 토양 산성도를 중화하고 칼슘과 마그네슘을 공급하며, 이산화 탄소 공급원, 치수석, 비료 및 기타 제품의 충전재, 야금의 플럭스, 유리 제조 등에 사용된다. 탄산 나트륨 제조와 같이 고칼슘 석회암이 필요한 화학 공정에서는 석회암을 대체할 수 없다. 백운암은 엡솜염과 같은 마그네슘 화학 물질 생산에 사용되며, 마그네슘 보충제로도 사용된다.[22] 또한 내화 재료 제조에도 사용된다.[23]

1994년 백운암 채석. 사레마, 에스토니아.

6. 동굴 생성물

석회암 동굴과 마찬가지로, 백운암에서도 약한 탄산에 의한 용해 작용으로 자연 동굴과 용해 튜브가 형성될 수 있다.[24][25] 덜 흔하게는 황산에 의한 암석 용해를 통해 동굴이 형성될 수도 있다.[26] 탄산 칼슘 동굴 생성물 (2차 퇴적물)은 종유석, 석순, 유석 등의 형태로 백운암 동굴 내에서도 형성될 수 있다. 그러나 백운암은 흔한 암석 유형이지만, 동굴 생성물에서는 비교적 드물게 나타난다.[24]

백운암 암석이 용해될 때 칼슘과 마그네슘이 용액으로 녹아든다. 동굴 생성물 석출 순서는 방해석, Mg-방해석, 아라고나이트, 헌타이트, 수마그네사이트 순이다.[24][27] 따라서 백운암 카르스트 동굴 내에서 가장 흔한 동굴 생성물(이차 퇴적물)은 가장 안정적인 다형체 형태인 탄산칼슘, 즉 방해석이다. 백운암 성분이 포함된 것으로 알려진 동굴 생성물 유형에는 피막, 껍질, 문밀크, 유석, 산호상 결정, 가루, 스파, 뗏목 등이 있다.[24] 비록 전 세계 여러 동굴에서 백운암 동굴 생성물이 존재한다는 보고가 있지만, 일반적으로 비교적 소량이며 매우 미세한 입자로 형성된다.[24][27]

참조

[1] 서적 Dolomitization Hutchinson Ross
[2] 논문 Chapter 5 Diagenesis of Carbonate Rocks 1967
[3] 웹사이트 Dolomite. A sedimentary rock known as dolostone or dolomite rock http://geology.com/r[...] Geology.com 2014-06-20
[4] 웹사이트 Dolomite: the mineral that shouldn't exist - Scientists have never been able to make dolomite in the way the mineral forms naturally. Theories have come and gone, but the mystery of its origins remains https://www.newscien[...] 2021-05-31
[5] 논문 The dolomite problem; control of precipitation kinetics by temperature and saturation state 1999-04-01
[6] 논문 Microbial mediation as a possible mechanism for natural dolomite formation at low temperatures 1995
[7] 논문 Microbially catalyzed dolomite formation: From near-surface to burial 2017-08
[8] 논문 Dolomite Mountains and the origin of the dolomite rock of which they mainly consist: historical developments and new perspectives 2009-01
[9] 간행물 "Analyse de la dolomite" 1792
[10] 서적 Glossary of Geology American Geological Institute
[11] 서적 Principles of sedimentology and stratigraphy Pearson Prentice Hall 2006
[12] 서적 Origin of sedimentary rocks Prentice-Hall 1980
[13] 논문 Concepts and models of dolomitization: a critical reappraisal 2004
[14] 논문 Biogeochemical reappraisal of the freshwater–seawater mixing‐zone diagenetic model 2021-08
[15] 논문 Oxygen isotope composition of the Phanerozoic ocean and a possible solution to the dolomite problem 2018-06-11
[16] 논문 Presence of sulfate does not inhibit low-temperature dolomite precipitation 2009-07
[17] 논문 Polysaccharide-catalyzed nucleation and growth of disordered dolomite: A potential precursor of sedimentary dolomite 2012-04-01
[18] 논문 Formation of ordered dolomite in anaerobic photosynthetic biofilms 2019-06-01
[19] 논문 Effects of early diagenesis on Mg isotopes in dolomite: The roles of Mn(IV)-reduction and recrystallization 2019-04
[20] 논문 Acceleration of dolomitization by zinc in saline waters 2019-12
[21] 논문 Mineralogy, nucleation and growth of dolomite in the laboratory and sedimentary environment: A review 2015-10
[22] 논문 Uses of limestone and dolomite https://www.ideals.i[...] 2021-09-15
[23] 서적 Raw Materials for Refractories Conference John Wiley & Sons 2021-09-14
[24] 서적 Cave Minerals of the World National Speleological Society Inc. 1997
[25] 서적 Encyclopedia of Caves 2005
[26] 논문 By-product materials related to H2S-H2SO4-influenced speleogenesis of Carlsbad, Lechuguilla, and other caves of the Guadalupe Mountains, New Mexico https://www.research[...] 2020-04-04
[27] 서적 Encyclopedia of Caves 2005


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