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동굴생성물

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목차

1. 개요

동굴생성물은 동굴 내에서 생성되는 다양한 형태의 2차 광물 침전물을 의미한다. 주로 탄산 칼슘으로 구성되며, 석회암 지대 동굴에서 외부 환경, 동굴 내부 환경 등의 영향을 받아 생성된다. 동굴 생성물의 종류는 물의 공급 방식에 따라 종유석, 석순, 유석 등으로 구분되며, 고기후 연구에 활용되기도 한다. 또한, 동굴 외부의 인공 구조물에서 생성되는 칼세마이트도 동굴생성물과 유사한 형태를 가질 수 있다.

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동굴생성물
정의
정의동굴 내에서 물에 의해 용해된 광물질이 침전되어 형성된 구조물
형성 과정
형성 과정물에 녹아 있던 탄산 칼슘이 동굴 내부의 조건 변화(이산화탄소 감소 등)로 인해 침전되어 형성됨
종류
종류종유석
석순
석주
커튼
동굴 팝콘
동굴 방패
휴석
림스톤 댐
구성 광물
구성 광물주로 방해석(탄산 칼슘)으로 구성되지만, 때로는 아라고나이트, 석고, 할로사이트 등으로 구성되기도 함
활용
고기후 연구동굴 생성물의 성장 속도와 화학적 조성을 분석하여 과거 기후 변화를 추정하는 데 활용됨
연대 측정우라늄-토륨 연대 측정법 등을 이용하여 동굴 생성물의 형성 시기를 파악하여 과거 환경 변화 연구에 기여함
주의사항
보존동굴 생성물은 오랜 시간에 걸쳐 형성되므로 훼손되지 않도록 주의해야 함. 만지거나 파손하는 행위는 삼가야 함

2. 화학적, 물리적 특성

동굴 생성물은 300가지가 넘는 변종이 확인되었다.[2] 대부분의 동굴 생성물은 탄산 칼슘(CaCO3) 광물(방해석 또는 아라고나이트)로 구성된 석회질이다. 드물게 동굴 생성물은 황산 칼슘(석고 또는 미라빌라이트) 또는 오팔로 만들어진다.[2] 순수한 탄산 칼슘 또는 황산 칼슘으로 된 동굴 생성물은 반투명하고 무색이다. 산화철 또는 구리의 존재는 적갈색을 띤다. 산화 망간이 있으면 검은색이나 짙은 갈색과 같은 더 어두운 색상을 낼 수 있다. 동굴 생성물은 진흙과 실트의 존재로 인해 갈색을 띠기도 한다.[2]

동굴 생성물의 모양과 색상에 영향을 미치는 요인은 암석과 물의 화학 성분, 물의 침투율, 물의 흐름 방향, 동굴 온도, 동굴 습도, 기류, 지상 기후, 지상 식생 피복 등 다양하다. 약한 흐름과 짧은 이동 거리는 더 좁은 종유석을 형성하는 반면, 더 강한 흐름과 더 큰 낙차는 더 넓은 종유석을 형성하는 경향이 있다.

3. 생성 과정

동굴생성물은 외부 환경(온도, 강수량, 토양 등)과 동굴 내부 환경(온도, 모암, 상대습도, 대기 순환 등)에 따라 다르게 형성된다.[14][15][16] 석회암 지대의 동굴은 동굴생성물이 자라기 좋은 환경을 제공한다.[14]

대부분의 동굴 화학 작용은 석회암이나 백운암 같은 탄산 칼슘(CaCO3)을 포함하는 암석과 관련이 있다. 여기에는 방해석이나 아라고나이트 같은 광물이 포함된다. 탄산염 광물은 이산화 탄소(CO2) 농도가 높고 온도가 낮을 때 더 잘 녹는다. 석회질 동굴생성물은 탄산염 용해 반응을 통해 만들어진다. 빗물은 토양의 CO2와 반응하여 약산성 물을 만든다.[3]

:H2O + CO2 → H2CO3

이 산성 물이 표면에서 동굴 천장까지 탄산 칼슘 기반암을 통과하면서 기반암을 녹인다.

:CaCO3 + H2CO3 → Ca2+ + 2 HCO3−

용액이 동굴에 도달하면 동굴 내의 낮은 이산화탄소 분압(pCO2) 때문에 CaCO3가 침전된다.

:Ca2+ + 2 HCO3− → CaCO3 + H2O + CO2

시간이 지나면서 이러한 침전물이 쌓여 석순, 종유석, 유석과 같은 동굴생성물이 만들어진다.

3. 1. 동굴 유입 및 탈기 작용

이 과정에서 획득된 Ca 이온은 반응에 참여한 물에 포함되며, 용액의 과포화 상태를 이룬다. 과포화된 용액은 동굴로 공급되어 동굴의 대기와 접촉하게 되는데, 지표에 비해 낮은 이산화탄소 분압을 가진 동굴 대기에 의해 동굴로 유입된 낙수의 이산화탄소가 탈기(Degassing)된다.

:{Ca^{2+}} + {2HCO_3^-} -> {CaCO_3}+{H_2O}+CO2

만일, 용액이 Ca에 대해 과포화상태가 아닌 불포화 상태라면 침전이 아닌 용해가 발생하게 되어, 동굴생성물의 성장 저해 요인으로 작용하게 된다.

용액이 동굴에 도달하면 동굴 내의 낮은 pCO2가 다음과 같은 반응을 통해 CaCO3의 침전을 유도한다.

:Ca2+ + 2 HCO3− → CaCO3 + H2O + CO2

시간이 지남에 따라 이러한 침전물의 축적이 물방울석(석순, 종유석)과 유석을 형성하며, 이는 주요한 종류의 동굴 생성물이다.[3]

3. 2. 동굴생성물의 성장 속도

동굴생성물의 성장 속도는 과포화 정도, 용액의 공급량, 이산화탄소 탈기 속도 등에 의해 조절된다.

4. 종류

동굴생성물은 침전을 위한 물의 공급 방식에 따라 구분된다.[12] 물이 떨어지거나, 스며들거나, 응축되거나, 흐르거나, 고이는지에 따라 다양한 형태를 취하며, 이들은 종종 인공물이나 자연물과 유사한 모양 때문에 이름이 붙여졌다.[11]

동굴 생성물은 크게 다음과 같이 분류할 수 있다.


  • 드립스톤(Dripstone): 종유석, 석순, 석주 형태로 나타난다.
  • 유석(Flowstone): 얇은 시트 모양이며 동굴 바닥과 벽에서 발견되는 유석, 주름, 커튼, 베이컨, 림스톤 댐, 돌 폭포 등이 있다.
  • 동굴 결정: 견치상 석회석, 프로스트워크, 문밀크, 앤토다이트, 저온 방해석 결정 등이 있다.
  • 기타: 동굴 팝콘, 동굴 진주, 스노타이트, 방해석 뗏목, 헬스 벨스, 용암 동굴 생성물 등이 있다.
  • 동굴 생성물: 기반암 제거로 생성되는 스캘럽, 본야드, 박스워크 등이 있다.

4. 1. 낙수에 의해 형성 (Drip water)

종유석은 동굴 천장에 매달려 아래로 뾰족하게 뻗어 있는 형태이다.[11] 빨대 종유석은 매우 얇지만 긴 종유석으로, 일반적인 종유석의 원뿔형보다 길쭉한 원통형을 띤다.[11] 헬릭타이트는 중력에 거스르는 것처럼 보이는 가지 모양 또는 나선형 돌기가 있는 중심 관을 가진 종유석이다.[11] 리본 헬릭타이트, 톱니, 막대, 나비, 손, 컬리 프라이, "벌레 덩어리"와 같은 형태를 포함한다. 샹들리에는 천장 장식의 복잡한 덩어리이다.[11] 리본 종유석은 그에 맞는 모양으로 형성된다.[11]

석순은 종유석의 "땅에서 올라온" 형태로, 종종 뭉툭한 둔덕 모양이다.[11] 빗자루 석순은 매우 키가 크고 가늘다.[11] 토템 기둥 석순도 키가 크고 이름과 같은 모양이다.[11] 계란 프라이 석순은 작고, 일반적으로 키보다 넓다.[11]

석주는 종유석과 석순이 만났을 때 또는 종유석이 동굴 바닥에 닿았을 때 생긴다.[11]

4. 2. 유수에 의해 형성 (Flow water)

유석은 얇은 시트 모양으로 동굴 바닥과 벽에서 발견된다.[11] 주름 또는 커튼은 아래로 매달린 얇고 물결 모양의 방해석 시트이다. 베이컨은 시트 내에 다양한 색상의 띠가 있는 주름이다. 림스톤 댐 또는 고르는 시냇물 물결에서 발생하며 물을 담을 수 있는 장벽을 형성한다. 돌 폭포 형성은 얼어붙은 폭포를 시뮬레이션한다.

4. 3. 기타

(A) 종유석 (B) 빨대 종유석 (C) 석순 (D) 원뿔형 석순 (E) 석주 (F) 주름 (G) 주름 (H) 곡석 (I) 문밀크 (J) 소결 연못, 림스톤 (K) 방해석 결정 (L) 소결 테라스 (M) 카르스트 (N) 수체 (O) 방패 (P) 동굴 구름 (Q) 동굴 진주 (R) 타워 원뿔 (S) 선반석 (T) 발다키노 캐노피 (U) 병솔 종유석 (V) 원추암 (W) 유석 (X) 트레이 (Y) 방해석 뗏목 (Z) 동굴 팝콘 또는 산호상 (AA) 프로스트워크 (AB) 유석 (AC) 스플래터마이트 (AD) 동굴지진 (AE) 박스워크 (AF) 방향성 종유석 (AG) 붕괴된 잔해]]

  • '''곡석''' (Helictite)
  • '''아라고나이트 석화''' (Anthodite)
  • '''석고 석화''' (Gypsum flower)
  • '''기타'''
  • * 동굴 팝콘'''은 "산호상" 또는 "동굴 산호"라고도 하며, 작은 방해석 덩어리이다.[11]
  • * 동굴 진주'''는 높은 곳에서 떨어지는 물이 작은 "씨앗" 결정을 너무 자주 회전시켜 거의 완벽한 구형의 탄산 칼슘으로 만드는 결과이다.[11]
  • * 스노타이트'''는 주로 황 산화 환원 박테리아의 집락이며 "콧물" 또는 점액과 같은 일관성을 갖는다.[11]
  • * 방해석 뗏목'''은 동굴 웅덩이 표면에 나타나는 얇은 방해석 축적물이다.[11]
  • * 헬스 벨스'''는 유카탄의 세노테인 엘 자포테에서 발견되는 특정한 동굴 생성물로, 물속에 잠긴 종 모양을 하고 있다.[11]
  • * 용암 동굴'''은 황산염, 미라빌라이트 또는 오팔로 구성된 동굴 생성물을 포함한다. 용암이 냉각되면 침전이 발생한다.[11]

5. 고기후 연구

동굴 생성물 단면은 빙하 코어나 연륜 연대기와 유사한 고기후 기록을 제공할 수 있다.[4] 느린 기하학적 성장과 방사성 원소의 통합으로 인해, 동굴 생성물은 동굴이 폐쇄 시스템이고 동굴 생성물이 재결정화(지질학)를 겪지 않은 경우 방사성 탄소 연대 측정과 우라늄-토륨 연대 측정을 통해 후기 제4기의 대부분에 걸쳐 정확하고 정밀하게 연대 측정이 가능하다.[5] 산소(18O)와 탄소(13C) 안정 동위원소는 지난 약 50만 년 동안 강우 온도, 강수량 및 식생 변화의 변동을 추적하는 데 사용된다.[6][7] Mg/Ca 프록시 역시 수분 지표로 사용되었지만, 고가습계로서의 신뢰성은 건기 동안의 동굴 환기에 의해 영향을 받을 수 있다.[8] 강수량의 변화는 동굴 생성물 링의 너비를 변화시킨다. 닫힌 링은 강우량이 적다는 것을, 더 넓은 간격은 더 많은 강우량을, 더 조밀한 링은 더 높은 습도를 나타낸다. 물방울의 낙하 속도 계수와 미량 원소 분석은 엘니뇨-남방 진동(ENSO) 기후 현상과 같은 단기 기후 변화를 기록한다.[9] 예외적으로, 2억 8900만 년 전으로 거슬러 올라가는 동굴 생성물에서 얻은 초기 페름기 시대의 기후 프록시 데이터는 오클라호마주 리처드 스퍼 지역의 채석으로 노출된 채워진 동굴에서 추출되었다.[10]

6. 칼세마이트 (Calthemite)

칼세마이트는 동굴 환경 외부 또는 인공 동굴(예: 광산, 터널)에서 콘크리트, 석회, 모르타르 또는 기타 석회질 물질(예: 석회암 및 백운암)에서 파생된 이차 광물 침전물이다. 이러한 이차 침전물은 동굴생성물과 유사한 모양과 형태를 가질 수 있다. 칼세마이트는 종종 콘크리트 열화 또는 침출에 의해 석회, 모르타르 또는 기타 석회질 물질과 관련된다.

참조

[1] 간행물 Speleothems https://www.scienced[...] 2019
[2] 간행물 Chemistry and karst 2016
[3] 서적 Speleothem science: from process to past environments https://www.worldcat[...] Wiley-Blackwell 2012
[4] 서적 Paleoclimatology: Reconstructing Climates of the Quaternary https://www.scienced[...] Academic Press 2015
[5] 간행물 Uranium-series Chronology and Environmental Applications of Speleothems 2003
[6] 간행물 Modification and preservation of environmental signals in speleothems http://pure-oai.bham[...] 2006
[7] 간행물 The isotopic geochemistry of speleothems–I. The calculation of the effects of different modes of formation on the isotopic composition of speleothems and their applicability as palaeoclimatic indicators 1971
[8] 간행물 Sensitivity of speleothem records in the Indian Summer Monsoon region to dry season infiltration 2019-03-25
[9] 간행물 The 2002–2003 El Niño recorded in Australian cave drip waters: Implications for reconstructing rainfall histories using stalagmites 2004
[10] 간행물 Speleothem climate records from deep time? Exploring the potential with an example from the Permian https://www.research[...] 2010-05-01
[11] 문서 Hill, C A, and Forti, P, (1997). Cave Minerals of the World, (2nd edition). [Huntsville, Alabama: National Speleological Society Inc.] pp. 217, 225
[12] 서적 Encyclopedia of Caves https://doi.org/10.1[...] Elsevier 2019
[13] 서적 Speleothems https://doi.org/10.1[...] Springer Netherlands 2011
[14] 서적 Speleothem Science: From Process to Past Environments https://onlinelibrar[...] Wiley 2012-04-13
[15] 웹인용 Growing Speleothems - Caves and Karst (U.S. National Park Service) https://www.nps.gov/[...] 2024-05-21
[16] 웹인용 How Stalactites and Stalagmites Form - Ozark National Scenic Riverways (U.S. National Park Service) https://www.nps.gov/[...] 2024-05-21
[17] 서적 Processes in Karst Systems https://link.springe[...]
[18] 저널 The kinetics of calcite dissolution in CO 2 -water systems at 5 degrees to 60 degrees C and 0.0 to 1.0 atm CO 2 https://ajsonline.or[...] 1978-02-01
[19] 저널 The kinetics of calcite dissolution and precipitation in geologically relevant situations of karst areas: 1. Open system https://www.scienced[...] 1985-03-25


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