라테라이트
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1. 개요
라테라이트는 1807년 프랜시스 뷰캐넌-해밀턴이 명명한 세스키옥사이드가 풍부한 토양층으로, 건축용 벽돌로 사용하기 쉽도록 쉽게 잘라낼 수 있는 물리적 특징을 가진다. 열대 지방의 화학적 풍화 작용으로 형성되며, 우기와 건기의 반복적인 기후 조건에서 주로 철과 알루미늄과 같은 불용성 이온이 남아서 생성된다. 라테라이트는 농업, 건축 자재, 도로 포장재, 수자원 공급, 폐수 처리, 그리고 보크사이트, 철, 니켈과 같은 광물 자원 채취 등 다양한 용도로 활용된다.
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2. 정의 및 물리적 특징
이브 타르디(툴루즈 국립 이공대학, 국립 과학 연구 센터)의 연구에 따르면, 라테라이트는 지구 육지 면적의 약 3분의 1을 덮고 있다.[16] 라테라이트 토양은 적도 부근의 숲, 습한 열대 지역의 사바나, 그리고 사헬 지대 스텝의 하부토에서 주로 발견된다.[16] 분포 지역은 주로 북회귀선과 남회귀선 사이의 열대 및 아열대 지역이다. 그러나 이 위도 내에서도 남아메리카의 극서부, 아프리카의 남서부, 아프리카 중북부의 사막 지역, 아라비아 반도, 오스트레일리아 내륙 등 일부 지역에서는 발견되지 않는다.[16]
라테라이트라는 이름은 1807년 인도 남부에서 이 지층을 처음 기술한 프랜시스 뷰캐넌-해밀턴이 라틴어로 벽돌을 의미하는 ''later''에서 따와 명명했다.[4] 이는 라테라이트가 굳으면 단단해지지만, 축축할 때는 비교적 부드러워 벽돌 모양으로 쉽게 잘라 건축 자재로 사용할 수 있었기 때문이다.[4][16]
프랜시스 뷰캐넌-해밀턴은 1807년 인도 남부에서 라테라이트 지층을 처음으로 기술하고 명명했다.[4] 그는 벽돌을 의미하는 라틴어 단어 later|라테르la에서 이름을 따왔는데, 이는 단단하게 굳은 라테라이트 토양을 건축용 벽돌 모양으로 쉽게 잘라낼 수 있었기 때문이다.[4] 라테라이트라는 용어는 세스키옥사이드가 풍부한 토양층을 가리키는 데 사용되어 왔다.[5] 세스키옥사이드는 산소 원자 3개와 금속 원자 2개가 결합한 산화물을 말한다. 또한, 지구 표면 가까이에 있는 붉은색 토양을 지칭하는 데 쓰이기도 한다.[5]
라테라이트는 에티오피아 서부 순상지, 남아메리카 판의 순상지, 호주 순상지와 같이 지질학적으로 안정된 지역에 두껍게 형성되어 있다.[16] 예를 들어 인도의 마디아프라데시 고원에서는 라테라이트 층의 두께가 30m에 달하기도 한다.[6] 라테라이트는 상태가 다양하여, 부드러워서 쉽게 부스러지기도 하고 매우 단단하여 물리적 힘에 잘 견디기도 한다.[16] 라테라이트 층 아래의 기반암은 두꺼운 풍화층에 덮여 있어 지표면에 거의 드러나지 않는다.[16] 일반적으로 라테라이트 토양은 라테라이트 층의 가장 윗부분을 이룬다. 어떤 지역에서는 라테라이트가 피솔라이트(콩알 모양의 광물 집합체)나 철반토(철 성분이 단단하게 굳은 층)를 포함하기도 하며, 지형 반전 현상으로 인해 주변보다 높은 곳에서 발견되기도 한다.[7]
한편, 지리학자 클리프 올리어는 '라테라이트'라는 용어가 연구자마다 다른 의미(예: 철반토, 열대 지역의 붉은 토양, 특정 단면 구조를 가진 토양 전체 등)로 사용되고 있어 그 유용성에 의문을 제기하기도 했다.[8] 그는 특히 "라테라이트 심층 풍화"와 같은 개념 사용에 신중해야 한다고 지적했다.[8]
3. 형성
열대 풍화 작용, 즉 라테라이트화는 화학적 풍화 작용이 오랜 기간 진행되어 만들어지는 과정으로, 그 결과 두께, 등급, 화학 성분, 광물학적 특징이 매우 다양한 토양이 생성된다.[32] 풍화 작용의 초기 생성물은 기본적으로 사프로라이트라고 불리는 백토화된 암석이다.[9] 라테라이트화가 활발했던 시기는 대략 신생대 중기부터 제4기 중기(약 3,500만 년 전 ~ 150만 년 전)까지로 추정된다.[32] 통계 분석에 따르면, 홍적세 중기에 지구 전체의 기온이 갑작스럽게 냉각되었음을 시사하는 증거들이 나타난다.[10] 이러한 급격한 지구 냉각화로 인해 라테라이트화 속도가 감소했을 것으로 보이며, 열대 기후에서의 풍화 작용은 오늘날까지도 감소된 속도로 계속되고 있다.[32]
라테라이트는 다양한 종류의 모암, 예를 들어 퇴적암(사암, 점토, 석회암), 변성암(편암, 편마암, 혼성암), 화성암(화강암, 현무암, 섬록암, 감람암) 및 광물화된 원광 등이 용탈되면서 형성된다. 이 과정에서 철이나 알루미늄과 같이 상대적으로 녹기 어려운 이온들이 남게 된다. 용탈 메커니즘은 산성 용액이 모암 광물의 격자를 녹이는 과정을 포함하며, 이후 습윤한 아열대 몬순 기후의 고온 조건에서 철, 알루미늄, 실리카의 불용성 산화물 및 황산염이 가수분해되고 침전되는 과정이 뒤따른다.[13][31]
라테라이트 형성에 필수적인 환경 조건은 우기와 건기가 반복되는 것이다.[11] 우기에는 암석이 침투하는 빗물에 의해 용탈되고, 건기에는 용탈된 이온을 포함한 용액이 모세관 현상에 의해 지표면으로 이동한다.[11] 이 이온들은 표면에서 건조되면서 용해성 염 화합물을 형성하며, 이 염들은 다음 우기에 씻겨 내려간다.[11] 라테라이트 형성은 지표면 침식을 막아주는 완만한 능선이나 고원과 같이 지형 기복이 낮은 곳에서 더 잘 일어난다.[32] 물과 암석이 접촉하는 반응 영역에서는 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘과 같이 쉽게 용탈되는 이온들이 점차 고갈된다.[11] 이 과정에서 용액의 pH 조건에 따라 실리콘 산화물이 알루미늄 산화물이나 철 산화물보다 우선적으로 용해되어 제거될 수 있다.[11]
라테라이트의 광물학적 및 화학적 조성은 모암의 종류에 따라 달라진다.[16] 라테라이트는 주로 석영, 지르콘, 그리고 풍화 과정에서 잔류하는 티타늄, 철, 주석, 알루미늄, 망가니즈의 산화물로 구성된다.[16] 이 중 석영은 모암에서 유래한 가장 풍부한 잔류 광물이다.[16] 라테라이트는 위치, 기후, 깊이에 따라서도 그 특성이 크게 달라진다.[13] 예를 들어, 철 산화물은 고철질 화성암이나 철이 풍부한 다른 암석에서 유래하며, 보크사이트는 화강암질 화성암이나 철이 적은 암석에서 유래한다.[11] 니켈 라테라이트는 감람석, 휘석, 각섬석과 같이 철-마그네슘 광물을 함유한 초고철질암이 오랜 기간 열대 풍화를 겪은 지역에서 발견된다.[32]
4. 분포
가장 오래되고 변형이 심한 라테라이트는 브라질과 오스트레일리아의 복잡한 선캄브리아기 순상지에서 화석 토양 형태로 발견된다.[32] 비교적 젊은 시기의 라테라이트는 지질 활동과 연관되어 나타나기도 한다. 알프스 조산운동과 관련된 관입암에서는 과테말라, 콜롬비아, 중앙 유럽, 인도, 버마 등지에서 라테라이트 단면이 형성되었다.[32] 또한 중생대의 섬 호나 대륙 충돌 지대의 대규모 단층면이 라테라이트화 작용을 겪은 예는 뉴칼레도니아, 쿠바, 인도네시아, 필리핀 등에서 찾아볼 수 있다.[32]
라테라이트는 과거의 풍화 작용 조건을 반영하기 때문에,[5] 현재 열대 지역이 아닌 곳에서 발견되는 라테라이트는 해당 지역이 과거 초대륙의 일부로서 적도 부근에 위치했음을 시사한다. 따라서 현재의 습한 열대 기후 지역 외에서 발견되는 라테라이트는 과거의 기후 변화, 대륙 이동 또는 이 두 가지 요인이 복합적으로 작용한 결과로 해석된다.[14] 인도에서는 라테라이트 토양이 약 240000km2의 면적을 차지한다.[1]
5. 용도
이처럼 건축용 석재로 사용되는 것 외에도 라테라이트는 다양한 용도로 활용된다. 캄보디아의 앙코르 와트와 같은 고대 건축물에도 사암과 함께 라테라이트가 사용되었다. 또한 물이 잘 통과하는 성질 때문에 스리랑카 등지에서는 지하수 함양과 관련이 있으며, 아일랜드에서는 하수 처리 시 인, 알루미늄, 철 성분을 흡착하는 재료로 사용되기도 한다.
가장 중요한 용도 중 하나는 광물 자원으로서의 가치이다. 특히 알루미늄의 주요 원료인 보크사이트는 대부분 라테라이트 지대에 분포하며, 인도나 남아메리카 등지에서 대규모 광상을 형성하고 있다. 이 외에도 철, 니켈, 망가니즈 등의 금속 자원을 함유하고 있어 경제적으로 중요하다.[16]
5. 1. 농업
라테라이트 토양은 점토 함량이 높아 양이온 치환 능력이 높고 투수성은 낮으며, 모래 토양보다 소성 및 보수력이 좋다.[1] 이는 토양 입자가 매우 작아 물이 입자 사이에 잘 갇히기 때문이다. 비가 온 후 물은 천천히 토양으로 스며든다. 이러한 특성 덕분에 야자수와 같은 작물은 토양에 저장된 빗물 덕분에 가뭄에 덜 취약하다.[1]
그러나 심한 용탈 작용으로 인해 라테라이트 토양은 다른 토양에 비해 비옥하지 않다. 따라서 농업에 활용하기 위해서는 시비와 관개가 필요하며, 시비와 관개에 즉각적으로 반응하는 특징이 있다.[1] 기름야자, 차, 커피, 캐슈와 같은 플랜테이션 작물 재배에 적합하다.[1] 어떤 곳에서는 이러한 토양이 방목지와 관목림을 지원한다.[1]
라테라이트 토양의 구조가 악화될 경우, 표면에 단단한 껍질이 형성되어 물의 침투를 방해하고 묘목의 출현을 막으며 유출량을 증가시키는 문제가 발생할 수 있다.[1] 이러한 황폐화된 토양은 '황폐화된 토지의 생물 복원'이라는 시스템을 통해 복구할 수 있다. 이 방법에는 토착적인 물 수확 방법(식재 구덩이 및 참호 활용), 동식물 잔류물 투입, 가뭄에 강한 고부가가치 과일나무 및 토착 채소 작물 심기 등이 포함된다.[15] 국제 반건조 열대 작물 연구소(ICRISAT)는 이 시스템을 사용하여 니제르의 황폐화된 라테라이트 토양을 복구하고 영세 농가의 소득을 증대시켰다.[15]
5. 2. 건축 자재
라테라이트는 습할 때 삽으로 쉽게 잘라 정규 크기의 블록으로 만들 수 있다.[16] 라테라이트는 지하수면 아래에서 채굴되므로 젖고 부드럽다.[17] 공기에 노출되면 평평한 점토 입자 사이의 수분이 증발하고 더 큰 철염[11]이 단단한 격자 구조[17]로 굳어져 대기 조건에 저항하게 되면서 점차 경화된다.[16] 라테라이트 재료를 석조술로 채석하는 기술은 인도 아대륙에서 도입된 것으로 추정된다.[18] 이들은 공기에 노출되면 철처럼 굳어진다.[1]
서기 1000년 이후 앙코르 건축은 원형 또는 불규칙한 흙 벽에서 라테라이트, 벽돌 및 석조 구조의 직사각형 사원 울타리로 바뀌었다.[19] 지리 조사는 살아남지 못한 사원 부지의 기초일 수 있는 라테라이트 석재 정렬을 가진 지역을 보여준다.[19] 크메르족은 9세기에서 13세기 사이에 캄보디아와 태국에 널리 분포된 앙코르 기념물을 건설했다.[20] 사용된 석재 재료는 사암과 라테라이트였으며, 9세기와 10세기에 건설된 기념물에는 벽돌이 사용되었다.[20] 두 가지 유형의 라테라이트를 식별할 수 있으며, 두 유형 모두 카올리나이트, 석영, 적철광 및 녹철석 미네랄로 구성된다.[20] 두 라테라이트 사이에서 소량의 원소인 비소, 안티몬, 바나듐 및 스트론튬의 양의 차이가 측정되었다.[20]
현재 캄보디아에 위치한 앙코르 와트는 1112년부터 1152년까지 크메르 제국을 통치한 수르야바르만 2세가 건설한 가장 큰 종교 구조물이다.[21] 이곳은 세계 문화 유산이다.[21] 앙코르 와트 건축에 사용된 사암은 사원으로부터 약 40km 떨어진 프놈 쿨렌 산맥에서 채석된 중생대 사암이다.[22] 사원의 기초와 내부 부분에는 사암 표면 뒤에 라테라이트 블록이 포함되어 있다.[22] 석조는 조인트 모르타르 없이 놓였다.[22]
강하고 냉난방 비용을 절감할 수 있다는 점에서 가치를 인정받아 부르키나파소와 같은 지역에서 지역 건축 자재로 사용된다.[23]
5. 3. 도로 포장재
프랑스는 캄보디아, 태국, 베트남 지역의 도로 표면을 분쇄된 라테라이트, 돌 또는 자갈로 포장했다.[24] 1970년대 중반 케냐와 1980년대 중반 말라위에서는 아스팔트 표면의 저용량 도로 시험 구간을 건설할 때, 돌 대신 라테라이트를 도로의 기층(base course)으로 사용했다.[25] 당시 사용된 라테라이트는 공식적인 도로 건설 규격에는 맞지 않았지만, 돌이나 다른 안정화된 재료를 기층으로 사용한 인접 도로 구간과 비교했을 때 동일한 성능을 보였다.[25] 1984년 말라위에서는 이러한 방식으로 라테라이트를 사용하여 도로 1km당 4만달러를 절약하는 효과를 거두었다.[25] 또한 브라질에서도 라테라이트는 도로 건설에 널리 사용된다.[26]
5. 4. 수자원 공급
열대 지역의 기반암 위에 형성된 두꺼운 라테라이트층은 다공성이며 투수성이 있어 시골 지역에서 대수층 역할을 할 수 있다.[16] 대표적인 예로 스리랑카 남서부의 라테라이트(카북) 대수층을 들 수 있다.[27] 이 대수층은 스리랑카 남서부 경계에 위치하며, 해안 모래 위에 형성된 얕은 대수층으로 바다와 인접해 있다.[27] 지층의 깊이에 따라 상당한 양의 물을 저장할 수 있는 능력을 갖추고 있다.[27]
이 라테라이트 대수층은 매년 2~3월의 건기를 지나 4~5월의 우기에 빠르게 물이 채워지며, 이후 이어지는 몬순 우기를 통해 지속적으로 충전된다.[27] 지하수 수위는 시간이 지나면서 천천히 낮아지지만, 일 년 중 여러 차례 다시 채워지는 과정을 반복한다.[27] 인구 밀도가 높은 일부 교외 지역에서는 65일 이상 건조한 기간이 지속될 경우, 지하수위가 지표면 아래 15m까지 내려가기도 한다.[27] 카북 대수층의 라테라이트는 비교적 얕은 깊이에 지하수를 형성하고 있어, 우물을 통해 쉽게 물을 얻을 수 있다.[27]
5. 5. 폐수 처리
북아일랜드에서는 농업으로 인한 호수의 인(phosphorus) 영양 과다가 심각한 문제이다.[28] 현지에서 구할 수 있는 철과 알루미늄이 풍부한 저급 보크사이트인 라테라이트는 산성 용액에서 사용된 후 침전을 통해 여러 하수 처리 시설에서 인과 중금속을 제거하는 데 활용된다.[28] 인 제거에는 칼슘, 철, 알루미늄이 풍부한 고체 매체가 권장되는데, 라테라이트가 이러한 특성을 가진다.[28]
실험실 테스트와 파일럿 규모의 인공 습지 연구 모두에서 입상 라테라이트가 매립지 침출수의 인과 중금속 제거에 효과적임이 보고되었다.[28] 초기 실험실 연구 결과, 라테라이트는 용액에서 인을 99%까지 제거할 수 있었다.[28] 라테라이트를 사용한 파일럿 규모의 실험 시설에서는 인 제거율이 96%에 달했으며, 이는 다른 시스템보다 높은 수치이다.[28] 또한, 파일럿 규모 시설에서 알루미늄과 철의 초기 제거율은 각각 최대 85%와 98%였고, 라테라이트 침투 컬럼은 카드뮴, 크롬, 납과 같은 중금속을 검출할 수 없는 농도까지 제거했다.[28]
이러한 결과는 라테라이트를 활용한 시스템이 저비용, 저기술이면서도 효율적이며, 특히 오염원이 분산된 농촌 지역의 폐수 처리에 시각적으로 눈에 띄지 않게 적용될 수 있음을 보여준다.[28]
5. 6. 광물 자원
금속 성분은 라테라이트 내에서 농축되어 광석을 형성한다.[16] 주요 광물 자원으로는 알루미늄(주로 보크사이트 형태), 철과 망가니즈(주로 철분이 풍부한 경질 각피), 니켈과 구리(주로 붕괴된 암석), 금(주로 얼룩덜룩한 점토) 등이 있다.[16] 각 광물 자원에 대한 자세한 내용은 아래 문단에서 설명한다.
5. 6. 1. 보크사이트
보크사이트 광석은 알루미늄의 주요 원료이다.[4] 보크사이트는 라테라이트(잔류 퇴적암)의 일종이므로 정확한 화학식을 갖지 않는다.[29] 보크사이트는 새로운 열대 지역 퇴적물에서는 깁사이트 [Al(OH)3 또는 Al2O3·3H2O]와 같은 수화 알루미나 광물로 주로 구성되어 있다. 반면, 오래된 아열대, 온대 지역 퇴적물에서는 주요 광물이 뵈마이트 [γ-AlO(OH) 또는 Al2O3·H2O]와 일부 디아스포어 [α-AlO(OH) 또는 Al2O3·H2O]이다.[29]
보크사이트의 평균 화학 조성은 중량 기준으로 45~60% Al2O3이고 20~30% Fe2O3이다.[29] 나머지 중량은 실리카(석영, 옥수, 고령토), 탄산염(방해석, 마그네사이트, 백운석), 이산화 티타늄, 물 등으로 구성된다.[29] 경제적 가치가 있는 보크사이트는 고령토 함량이 낮아야 한다.[9]
라테라이트 보크사이트는 전 세계적으로 1억 4500만 년에서 200만 년 전의 백악기 및 제3기 해안 평원에서 형성된다.[30] 보크사이트 광상은 라테라이트가 가장 많이 이용되는 예이며, 인도나 남아메리카의 하부 제3기 해안선을 따라 수백 킬로미터에 달하는 길쭉한 띠 모양으로 분포하는 것이 특징이다. 이러한 분포는 모암의 특정 광물 조성과는 관련이 없다.[30] 많은 고위 보크사이트는 이후 현재 고도로 융기된 해안 평원에서 형성된다.[30]
5. 6. 2. 철
북아일랜드의 현무암질 라테라이트는 화산 활동 기간 동안 현무암이 광범위한 화학적 풍화 작용을 받아 형성된 것으로, 철 광석으로 활용된 대표적인 사례이다.[31] 이 라테라이트 층의 두께는 최대 30m에 달하며, 과거에는 주요 철 및 알루미늄 광석 공급원으로 중요한 역할을 했다.[31]
형성 과정은 빗물 등이 스며들면서 모암인 현무암을 분해하고, 물에 녹아 이동하는 과정에서 철과 알루미늄 성분이 선택적으로 남아 농축되는 방식으로 이루어진다.[31] 이 과정에서 원래 현무암을 구성하던 감람석, 사장석 장석, 단사휘석 등의 1차 광물들이 순차적으로 분해되고, 철 성분이 풍부한 적철석, 갈철석을 비롯하여 깁사이트, 아나타제, 할로이사이트, 고령토 등으로 구성된 새로운 광물 조합으로 변화하게 된다.[31]
5. 6. 3. 니켈
라테라이트 광석은 초창기 니켈의 주요 공급원이었다.[32] 뉴칼레도니아의 풍부한 라테라이트 매장지는 19세기 말부터 채굴되어 백금속을 생산하는 데 사용되었다.[32] 그러나 20세기 초 캐나다 서드베리 분지에서 황화물 매장지가 발견되면서 니켈 추출의 중심은 황화물 광물로 옮겨갔다.[32]
지구 육상 니켈 자원의 약 70%가 라테라이트에 포함되어 있으며, 현재 전 세계 니켈 생산량의 약 40%를 차지한다.[32] 라테라이트에서 생산되는 니켈의 비중은 점차 증가해왔는데, 1950년에는 전체 생산량의 10% 미만이었으나 2003년에는 42%를 차지했고, 2012년에는 51%에 달할 것으로 예상되었다.[32]
세계에서 니켈 라테라이트 자원이 가장 많은 주요 지역과 그 비중은 다음과 같다.[32]
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2020-08-18
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