사암
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1. 개요
사암은 주로 석영, 장석 등의 광물 입자로 구성된 쇄설성 퇴적암의 일종이다. 모래 크기의 입자들이 다이아제네시스 과정을 거쳐 생성되며, 구성 성분, 조직, 기질 함량 등에 따라 다양한 유형으로 분류된다. 사암은 건축 자재, 예술 작품, 석유 및 천연가스 저류암 등 다방면으로 활용되며, 우리나라에서는 조선 누층군, 평안 누층군, 경상 누층군 등 다양한 지층에서 발견된다.
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| 사암 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 종류 | 퇴적암 |
| 주요 구성 광물 | 일반적으로 석영과 장석 암편 또한 흔함 특히 성숙한 사암에서는 다른 광물도 발견될 수 있음 |
| 사암의 다른 이름 | 砂岩 |
| 구성 성분 | |
| 주성분 | 모래 |
| 추가 정보 | |
| 학술 용어 | 학술 용어집 지학편, 118쪽 참고 |
| 위치 정보 | 좌표: 37°40′01.5″N 129°03′18.0″E |
2. 사암의 광물 조성
사암은 주로 석영, 장석 등의 광물로 구성된다. 석영은 쇄설성 퇴적암에서 가장 많이 나타나는 광물로, 사암에는 평균 65% 정도 함유되어 있다.[41]
2. 1. 석영
사암의 석영은 주로 화강암, 편마암, 편암 등 결정질 암석에서 유래하며 산소와 규소의 강한 결합에 의해 모스 굳기계 7로 단단하여 여러 번의 암석 순환에서도 살아남는다. 석영 입자의 형태를 관찰하면 그 기원암을 알 수 있으며 퇴적암에서 기원한 석영의 경우 과성장(過成長, Overgrowth)한 모습을 보인다.[41]2. 2. 장석
사암의 장석은 칼륨을 함유하는 칼륨장석(K-장석), 나트륨과 칼슘을 함유하는 사장석, 칼륨장석과 사장석을 함유하는 퍼사이트(perthite) 3종류로 구분된다. 장석은 풍화에 비교적 약해 사암에 장석의 양이 적으면 심한 풍화작용을 받았거나 운반 과정에서 제거된 것으로 추정할 수 있다. 칼륨장석은 정장석, 미사장석, 새니딘(Sanidine)으로, 사장석은 조장석(Albite, 알바이트), 올리고클레이스(oligoclase), 안데신(andesine), 래브라도라이트(labradorite), 바이토우나이트(bytownite), 회장석(anorthite, 아노사이트)으로 구분된다.[41]흔히 나타나는 장석의 변질 작용은 다음과 같다.[41]
- 기포화 작용 : 장석 내의 틈을 따라 물이 침투하여 생성된 유체 포유물에 의해 장석이 흰색이나 희미한 색을 띠게 되는 것이다.
- 견운모화 작용(Sericitization) : 칼륨이 풍부한 장석이 견운모로 변하는 것이다.
- 몬모릴로나이트화 작용(Montmorillonitization) : 장석이 변질되어 점토광물인 몬모릴로나이트(Montmorillonite)가 생성되는 작용이며 주로 사장석에서 나타난다.
- 카올리나이트화 작용(Kaolinitization) : 칼륨장석이나 사장석이 변질되어 고령석(카올리나이트, Al2Si2O5(OH)4)가 생성되는 작용이며 위 2개 작용보다 변질과정이 더 심하다.
- 알바이트화 작용(Albitization) : 사장석의 칼슘 성분이 나트륨 성분으로 교대되어 조장석(Albite)이 생성되는 작용이다. 국내에서는 경상북도 봉화군의 묘곡층과 강원특별자치도 정선군 고한읍 지역의 평안 누층군 고한층과 동고층 사암 내 장석의 많은 부분이 알바이트로 구성되어 있음이 밝혀졌다.[42]
3. 사암의 유형
사암은 구성 성분, 조직, 기질 함량 등에 따라 다양하게 분류된다. 사암은 일반적으로 박편을 이용하여 가찌-디킨슨 방법과 같은 방법으로 점 계수를 통해 분류된다. 이를 통해 석영, 장석 및 암편의 상대적인 비율과 점토 기질의 양을 얻을 수 있다. 사암의 조성은 ''Q''uartz, ''F''eldspar, ''L''ithic fragment (QFL) 다이어그램과 함께 사용될 때 퇴적물의 기원에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있다. 그러나 지질학자들은 QFL 삼각도의 영역을 구분하는 경계에 대해 합의를 보지 못했다.[1]
기질이 15% 미만인 사암은 '''아레나이트'''(arenite영어), 15% 이상인 사암은 '''와케'''(wacke영어)라고 한다.
대표적인 사암의 유형은 다음과 같다.
- 아르코스(arkose) 또는 아르코즈질 사암 : 장석 함량이 25% 이상이고 성분이 화강암과 유사하다.
- 석영질 사암 또는 석영사암 : 석영 함량이 90% 이상이다. 때로는 이런 사암을 "정규암"이라고도 부른다.
- 사질사암 : 점토와 실트를 상당량 포함한다. 예를 들어 그레이와케(greywacke) 또는 청색암(bluestone)이 있다.
3. 1. 도트(Dott)의 분류 체계
도트(Dott)의 분류 체계는 사암의 광물 조성(석영, 장석, 암편)과 기질의 양을 기준으로 한다.[1]- '''아레나이트(Arenite)'''arenite영어: 기질이 15% 미만인 사암[1]
- '''와케(Wacke)'''wacke영어: 기질이 15% 이상인 사암[1]
- '''아르코스(Arkose)'''arkose영어: 장석 함량이 25% 이상인 사암.[1] 화강암, 변성암 지형에서 빠르게 침식되어 생성된다.
- '''그레이와케(Graywacke)'''graywacke영어: 암편, 석영, 장석, 점토 광물 등으로 구성된 사암[1]
3. 2. 기타 유형
- 정규암(Orthoquartzite): 석영으로 고화된 석영 사암을 의미하며, 변성 작용을 받아 형성된 변성암인 규암과는 구별해야 한다.[41]
- 규암(Quartzite): 사암이 변성 작용을 받아 형성된 암석이다.
3. 3. 퇴적물 입자 크기 분류
Udden-Wentworth 규격에 따르면, 사암은 입자 크기에 따라 다음과 같이 분류된다.[1]| 미국 표준체 mesh | mm | 분류 |
|---|---|---|
| 12 14 16 18 | 1.68 1.41 1.19 1.00 | 극조립사암 (Very Coarse Sand) |
| 20 25 30 35 | 0.84mm 0.71mm 0.59mm 0.5mm | 조립사암 (Coarse Sand) |
| 40 45 50 60 | 0.42mm 0.35mm 0.3mm 0.25mm | 중립사암 (Medium Sand) |
| 70 80 100 120 | 0.21mm 0.177mm 0.149mm 0.125mm | 세립사암 (Fine Sand) |
| 140 170 200 230 | 0.105mm 0.088mm 0.074mm 0.0625mm | 극세립사암 (Very Fine Sand) |
4. 사암의 기원
사암은 쇄설성 퇴적암의 일종으로, 기반암이 물리적·화학적 풍화 작용을 거쳐 만들어진 모래 알갱이가 운반 및 퇴적되어 형성된다.[5][6] 화산호, 대륙 열곡, 조산대와 같이 지형이 높은 지역에서 풍화 작용과 침식이 활발하게 일어난다.[7]
4. 1. 퇴적 환경
사암은 강, 바람 등에 의해 운반되어 퇴적되며, 퇴적 환경에 따라 그 특성이 달라진다.[8] 전호 분지는 리식 입자와 사장석이 풍부한 모래가 축적되는 경향이 있다. 대륙 주변부의 대륙 내 분지와 지구대 또한 모래 퇴적의 일반적인 환경이다.[8]4. 2. 속성 작용
퇴적물이 계속 쌓이면 오래된 모래는 압축 작용과 암석화 작용을 겪는다.[9][10]압축 작용은 모래가 위쪽 퇴적물의 압력을 받아 일어난다. 모래 알갱이는 더 촘촘하게 배열되고, 운모 알갱이처럼 무른 알갱이는 변형되며, 빈 공간(공극)은 줄어든다. 압력 용해를 통해 화학적 압축도 일어날 수 있는데, 알갱이 접촉점은 큰 변형을 받아 용해성이 높아져 접촉점이 녹고 알갱이가 더 가까워진다.[10]
암석화 작용은 압축 작용과 밀접하게 관련되어 있다. 깊이에 따른 온도 상승이 알갱이를 결합하는 결합제 침전을 촉진하기 때문이다. 압력 용해는 변형된 접촉점에서 녹은 광물이 빈 공간에 다시 침전되어 결합에 기여한다.[10]
사암의 생성 과정은 세 단계로 나뉜다.[11]
- 생성기(Eogenesis): 얕은 깊이에서 발생하며, 생흔과 광물 변화가 특징이다. 약간의 압축만 일어난다. 적철석이 형성되어 붉은 적색층 사암이 만들어지기도 한다.[11][12][13]
- 중생성기(Mesogenesis): 깊은 곳에서 일어나며, 대부분의 압축과 암석화가 진행된다.[14] 기계적 압축은 주로 1000m 미만 깊이에서, 화학적 압축은 2000m 깊이까지 계속되며, 대부분의 결합은 2000m~5000m 깊이에서 일어난다.[15]
- 말기 생성기(Telogenesis): 침식으로 매몰 깊이가 얕아지면서 발생한다. 대기수에 노출되어 결합제가 녹아 2차 공극이 생기는 등 추가 변화가 일어난다.[10][11]
5. 사암의 구성 요소
사암은 골격 입자, 기질, 결합 물질, 공극의 네 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다.
- 골격 입자: 사암의 대부분을 차지하며, 모래 크기(직경 0.0625mm~2mm)의 쇄설성 파편이다.[16][17] 석영, 장석 등 풍화에 강한 광물이 주를 이룬다.[18]
- 기질: 골격 입자 사이의 좁은 틈을 채우는 매우 미세한 물질이다.[1] 기질이 거의 없거나 적으면 아레나이트, 많으면 와케로 분류된다.
- 결합 물질: 사암 입자들을 서로 붙들어 주는 이차 광물이다.[1] 석영, 오팔 등의 규산염 광물이나 방해석과 같은 비규산염 광물이 이에 해당한다.
- 공극: 암석 내의 열린 공간을 의미하며, 공극률과 투수성에 직접적인 영향을 준다.[22]
5. 1. 골격 입자 (Framework grains)
골격 입자(Framework grains)는 사암의 대부분을 구성하는 모래 크기(직경 0.0625mm에서 2mm)의 쇄설성 파편이다.[16][17] 대부분의 골격 입자는 석영이나 장석으로 구성되는데, 이들은 지구 표면의 풍화 작용에 가장 강한 저항성을 보이는 일반적인 광물들이다. 이는 골디히 용해 계열(Goldich dissolution series)에서 확인할 수 있다.[18]- '''석영''' 골격 입자는 대부분의 쇄설성 퇴적암에서 우세한 광물이다. 이는 경도와 화학적 안정성과 같은 뛰어난 물리적 특성 때문이다.[1] 이러한 물리적 특성으로 인해 석영 입자는 여러 번의 재순환 과정을 거치면서도 어느 정도의 원마도를 보일 수 있다.[1] 석영 입자는 규장질 성분의 심성암에서 유래하며, 재순환된 오래된 사암에서도 유래한다.
::* 알칼리 장석(Alkali feldspar)은 화학적 조성이 KAlSi3O8에서 NaAlSi3O8까지 다양하다.[1]
::* 사장석(Plagioclase feldspar)은 조성이 NaAlSi3O8에서 CaAl2Si2O8까지 다양하다.[1]
- '''암편''' 골격 입자(암편 또는 암편 클라스트라고도 함)는 아직 개별 광물 입자로 풍화되지 않은 고대 모암의 조각이다.[1] 암편은 세립질 또는 조립질의 화성암, 변성암 또는 퇴적암일 수 있지만,[1] 퇴적암에서 가장 일반적으로 발견되는 암편은 화산암 클라스트이다.[1]
- '''부성분 광물'''은 사암의 다른 모든 광물 입자이다. 이러한 광물들은 일반적으로 사암 입자의 극히 일부만 차지한다. 일반적인 부성분 광물로는 운모(백운모와 흑운모), 감람석, 휘석, 강옥 등이 있다.[1][19] 이러한 부성분 입자 중 상당수는 암석의 대부분을 구성하는 규산염보다 밀도가 높다. 이러한 ''중광물''은 일반적으로 풍화에 강하며, ZTR 지수를 통해 사암의 성숙도를 나타내는 지표로 사용될 수 있다.[20] 일반적인 중광물로는 지르콘, 전기석, 루틸(따라서 ''ZTR''), 석류석, 자철석 또는 모암에서 유래된 기타 고밀도 내풍화성 광물이 있다.
5. 2. 기질 (Matrix)
기질(Matrix)은 골격 입자들 사이의 간극 공간에 존재하는 매우 미세한 물질이다.[1]간극 공간 내 기질의 특성에 따라 사암은 다음과 같이 두 가지로 분류된다.
- 아레나이트(Arenites): 기질이 거의 없거나 매우 적은, 조직적으로 '깨끗한' 사암이다.[19]
- 와케(Wackes): 상당량의 기질을 포함하는, 조직적으로 '더러운' 사암이다.[17]
5. 3. 결합 물질 (Cement)
사암 입자를 서로 결합시키는 것은 결합물질(Cement)이다. 결합물질은 사암이 퇴적된 후 매몰되는 과정에서 생성되는 이차 광물이다.[1] 이러한 결합물질은 규산염 광물 또는 방해석과 같은 비규산염 광물일 수 있다.[1]- 규산 결합물질(Silica cement)은 석영 또는 오팔 광물로 구성될 수 있다. 석영은 결합물질로 작용하는 가장 일반적인 규산염 광물이다. 규산 결합물질이 있는 사암에서는 석영 입자가 결합물질에 부착되어 석영 입자 주변에 과성장(overgrowth)이라는 테두리가 생성된다. 이 과성장은 결합되는 석영 골격 입자와 동일한 결정학적 연속성을 유지한다. 오팔 결합물질은 화산 기원 물질이 풍부한 사암에서 발견되며, 다른 사암에서는 매우 드물다.[1]
- 방해석 결합물질(Calcite cement)은 가장 일반적인 탄산염 결합물질이다. 방해석 결합물질은 더 작은 방해석 결정들의 집합체이다. 이 결합물질은 골격 입자에 달라붙어 골격 입자들을 서로 결합시킨다.[1]
- 그 외에도 적철석, 갈철석, 장석, 무수석고, 석고, 중정석, 점토광물, 그리고 제올라이트 광물 등이 결합물질로 작용한다.[1]
풍화 작용으로 결합물질이 제거된 사암은 점차 부서지기 쉽고 불안정해진다. 테트라에틸 오르토실리케이트(Si(OC2H5)4)를 사용하면 모래 입자 사이에 비정질 이산화규소가 침착되어 이 과정을 어느 정도 되돌릴 수 있다.[21] 반응식은 다음과 같다.
:Si(OC2H5)4 (l) + 2 H2O (l) → SiO2 (s) + 4 C2H5OH (g)
5. 4. 공극 (Pore space)
공극은 암석이나 토양 내의 열린 공간을 포함한다.[22] 암석의 공극은 공극률과 투수성과 직접적인 관계가 있다. 공극률과 투수성은 모래 알갱이가 뭉쳐진 방식에 의해 직접적으로 영향을 받는다.[1]- 공극률은 주어진 암석 내부의 간극(interstices)이 차지하는 전체 부피의 백분율이다.[22] 공극률은 크기가 같은 구형 알갱이가 느슨하게 쌓인 상태에서 가장 치밀하게 쌓인 상태로 재배열될 때 사암에서 직접적인 영향을 받는다.[1]
- 투수성은 물이나 다른 유체가 암석을 통과하는 속도이다. 지하수의 경우, 투수성은 단위 수리구배 하에서 1 평방피트 단면적을 통과하는 1gal/일로 측정될 수 있다.[22]
6. 한국의 사암
한국에서는 고생대 조선 누층군, 평안 누층군, 중생대 경상 누층군 등에서 사암이 널리 분포한다.
6. 1. 조선 누층군
강원특별자치도 정선군 화암면 몰운리에 있는 정선 소금강은 조선 누층군 장산 규암층으로 구성된다. 이곳의 장산층 사암(규암)은 석영으로만 구성되어 있어 화학적 풍화에 강해 절벽을 형성하고 있다.[1]
소금강을 따라 분포하는 암석은 주로 하부고생대의 퇴적암류인 사암(장산층)으로 이루어져 있다. 이 사암은 많은 열과 힘을 받아 거의 규암으로 변한 상태이다. 암석이 지표면에 나오게 되면 비가 내리고 식물이 자라서 토양(흙)으로 변한다. 이를 지질학자들은 화학적 풍화라 한다. 규암이나 사암은 대부분 석영(SiO2)으로 이루어져 있고 석영은 화학적 풍화를 받아도 다른 광물로 변하지 않아서 토양이 잘 만들어지지 않는다. 이 지역은 이렇게 석영으로만 이루어진 암석으로 되어 있어서 토양으로 변해 흘러내리지 않기 때문에 절벽을 이루고 있는 것이다.[1]
조선 누층군의 장산층과 동점층은 사암 및 사암이 변성된 규암으로 구성된다.
6. 2. 평안 누층군
평안 누층군의 만항층, 요봉층, 금천층, 장성층, 함백산층은 일부 혹은 대부분이 사암으로 구성된다. 특히 함백산층은 평안 누층군의 대표적인 사암 지층으로 강원특별자치도 강릉시의 정동심곡바다부채길에서 사암 노두를 자세히 관찰할 수 있다.6. 3. 경상 누층군
경상 누층군에는 낙동층, 하산동층, 진주층, 일직층, 후평동층, 점곡층, 사곡층, 춘산층, 칠곡층, 함안층, 반야월층, 대구층, 진동층, 동화치층, 가송동층, 도계동층 등 대부분의 지층에 사암이 포함되어 있다.7. 사암의 활용
사암은 선사 시대부터 건축, 장식 예술 작품[32] 및 도구[33] 제작에 사용되어 왔다. 전 세계적으로 사원,[34] 교회,[34] 주택 및 기타 건물 건설에 널리 사용되었다.
90~95% 이상의 석영으로 구성된 순수 석영 사암의 일종인 오르토쿼츠아이트[38]는 세계유산 석재 자원으로 지정될 후보로 제안되었다.[39] 아르헨티나 일부 지역에서는 오르토쿼츠아이트 돌로 된 외벽이 마르 델 플라타 양식 방갈로의 주요 특징 중 하나이다.[39]
7. 1. 건축 및 토목
사암은 선사 시대부터 건축[30][31] 및 토목 공학[35]에 널리 사용되었다. 풍화에 대한 저항성은 다양하지만 가공이 용이하여 건축 및 포장 자재, 아스팔트 콘크리트 등 다양한 용도로 사용된다. 그러나 과거에 사용되었던 일부 유형은 장기적인 내후성이 좋지 않아 오래된 건물의 수리 및 교체가 필요하기도 하다.[36]개별 입자의 경도, 입도의 균일성 및 구조의 취성 때문에 일부 사암은 칼날 및 기타 도구를 연마하는 숫돌을 만드는 데 우수한 재료이다.[37] 취성이 아닌 사암은 곡물을 갈아내는 숫돌(예: 그릿스톤(Gritstone))을 만드는 데 사용될 수 있다.
다음은 산지별로 유명한 석종과 시공 사례를 제시한다.
| 산지 | 석종 | 시공 사례 |
|---|---|---|
| 인도 | 레드 샌드스톤 | 미쓰이 어반 호텔(도쿄도 주오구), 꽃의 전당(도쿄도 미나토구), 로보기 힐스(미술관. 도쿄도 미나토구) |
| 인도 | 화이트 샌드스톤 | 오차노미즈 스퀘어, 임피리얼 호텔(이상, 도쿄도 치요다구), 미나토구청 아자부 지소 청사(도쿄도 미나토구), 스미다 트리포니 홀(도쿄도 스미다구) |
| 오스트레일리아 | 오스트레일리아 샌드스톤 | 호텔 닛코 도쿄(외관. 도쿄도 미나토구) |
| 스페인 | 피에트라 아줄 | 투모로우랜드 에비스(도쿄도 시부야구) |
| 아르헨티나 | 아르헨티나 포르피도 | 마루노우치 나카도오리(도쿄도 치요다구) |
| 영국 | 버링턴 슬레이트 | NTT 본사 빌딩(도쿄도 신주쿠구), 도쿄 국제 포럼(도쿄도 치요다구) |
| 이탈리아 | 포르피도 | 미나토구청 아카사카 지소 청사(도쿄도 미나토구) |
| 독일 | 졸른호펜 | 다이바 아쿠아시티(도쿄도 미나토구) |
7. 2. 석유 및 천연가스 저류암
사암은 다공질이며 투수성이 높아 석유, 천연가스를 저장하는 저류암 중 가장 중요한 것으로, 세계 석유·천연가스 매장량의 9할 이상이 사암에서 발견되었다.[1]7. 3. 예술 작품
8. 사진
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서적
学術用語集 地学編
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서적
퇴적암의 이해 - 퇴적암을 통해서 지구의 역사를 이해해 보자
한국학술정보
2007-05
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논문
Albitization of feldspars in sandstones from the Gohan (Permian) and Donggo (Permo-Triassic) formations, Gohan area, Kangwondo, Korea
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1997-03
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