섬전암

1. 개요

섬전암은 번개가 지면을 강타할 때 광물 입자가 용융되어 생성되는 광물유사물이다. 르샤틀리에라이트와 같은 비정질 실리카 유리가 주성분이며, 번개 채널의 고온과 압력으로 인해 충격석영과 같은 다형성을 나타내기도 한다. 섬전암의 크기, 색상, 질감은 번개의 강도, 표면의 구성, 수분 함량에 따라 다르며, I형(모래)부터 V형(방울)까지 다양한 유형으로 분류된다. 섬전암은 과거 번개 빈도와 지역 기후를 추정하는 데 사용되며, 핵무기 실험 등 극한 환경에서 형성되는 고압, 고온 물질을 포함하고 있어 과학적 가치가 높다.

2. 생성 과정 및 특징

섬전암은 지면을 강타한 번개에 의해 광물 입자가 용융되고 유리화되어 생성된다. 일반적인 튜브형 섬전암의 주요 SiO₂ 상은 르샤틀리에라이트라는 비정질 실리카 유리이다. 많은 섬전암은 결정화의 증거를 보이며, 유리에 더해 부분적으로 원시 결정질 또는 미세 결정질을 나타내기도 한다. 섬전암은 광물유사물로 분류되며, 번개 채널 내의 최고 온도는 30,000 K를 초과하고, SiO₂에서 평면 변형 특징을 생성할 만큼 충분한 압력이 가해져 충격석영이라고도 불리는 일종의 다형성을 생성한다.

섬전암의 물질 특성은 번개의 크기와 번개가 친 표면의 구성 및 수분 함량에 따라 달라진다. 대부분의 자연 섬전암은 흰색에서 검은색까지의 색상 스펙트럼을 보이며, 철과 같은 불순물은 짙은 갈색-녹색을 띨 수 있다. 끊어진 고전압 전력선에 의해 생성된 섬전암과 유사한 밝은 색상의 르샤틀리에라이트는 대개 인공적이며, 인공 재료의 혼입을 반영한다. 그러나 번개가 인공적인 물체를 쳐서 유색 섬전암을 생성할 수도 있다.

I형(모래) 섬전암의 내부는 일반적으로 매끄럽거나 미세한 기포로 덮여 있으며, 외부에는 거친 퇴적 입자나 작은 암석이 코팅되어 있다. 분지형 섬전암은 프랙탈과 같은 자기 유사성과 구조적 스케일 불변성을 보인다. 섬전암은 일반적으로 깨지기 쉬워, 현장에서 큰 표본을 채집하기가 어렵다.

섬전암은 지름이 20센티미터를 초과할 수 있으며, 토양 깊숙이 침투할 수 있고, 때로는 표면 아래 15m까지 나타나기도 한다. 플로리다 북부에서 발견된 가장 긴 섬전암 중 하나는 길이가 4.9m를 조금 넘었다. 예일 대학교 피바디 자연사 박물관에는 약 4m 길이의 섬전암이 전시되어 있다. 찰스 다윈은 비글호 항해기에서 영국 컴벌랜드주 드리그에서 발견된 튜브가 9.1m 길이에 달했다고 기록했다. 미시간주 리빙스턴 군의 위난스 호수 섬전암은 30m 범위에 걸쳐 불연속적으로 뻗어 있었으며, 가장 큰 부분은 길이가 약 4.88m, 지름이 30cm였다.

2.1. 생성 과정

2.2. 특징

섬전암의 크기, 색상, 질감은 번개의 강도, 토양이 있는경우 토양의 성분 및 수분 함량에 따라 달라진다. 일반적인 섬전암은 흰색에서 검은색을 띠며, 철 불순물은 짙은 갈색-녹색을 나타낼 수 있다. 섬전암 내부와 외부를 살펴보면, I형(모래) 섬전암의 내부는 일반적으로 매끄럽거나 미세한 기포로 덮여 있으며, 외부에는 거친 퇴적 입자 또는 작은 암석이 코팅되어 있다. 다른 유형의 섬전암은 보통 소포성이며, 열린 중앙 튜브가 없을 수 있으며, 외부가 다공성이거나 매끄러울 수 있다.

섬전암은 지름이 20센티미터를 초과할 수 있으며, 토양 깊숙이 침투할 수 있으며, 때로는 표면 아래 15m까지 나타나기도 한다. 현대에 발견된 가장 긴 섬전암 중 하나는 플로리다 북부에서 발견되었으며, 길이가 4.9m를 조금 넘었다. 예일 대학교 피바디 자연사 박물관에는 약 4m 길이의 보존된 가장 긴 섬전암 중 하나가 전시되어 있다. 찰스 다윈은 비글호 항해기에서 영국 컴벌랜드주 드리그에서 발견된 이러한 튜브가 9.1m 길이에 달했다고 기록했다. 미시간주 리빙스턴 군의 위난스 호수 섬전암은 30m 범위에 걸쳐 불연속적으로 뻗어 있었으며, 지금까지 회수되고 기술된 가장 큰 섬전암 덩어리를 포함하고 있다고 주장할 수 있다. 그 중 가장 큰 부분은 길이가 약 4.88m, 지름이 30cm였다.

3. 분류

섬전암은 섬전암이 형성된 퇴적물의 유형에 따라 다섯 가지 유형으로 분류된다.

* I형 – 관상 구조를 가진 모래 섬전암; 중심 축 방향의 빈 공간이 무너질 수 있음
* II형 – 토양 섬전암; 이들은 유리질이 풍부하며, 점토질 토양, 실트질 토양, 자갈질 토양, 뢰스를 포함한 다양한 퇴적물 조성에서 형성됨; 이들은 관상, 분지, 소포성, 불규칙/슬래그 형태일 수 있으며, 이러한 구조의 조합을 나타낼 수 있으며, 외생 섬전암(방울 섬전암)을 생성할 수 있음
* III형 – 두껍고, 종종 표면이 광택 처리된 과립 벽을 가지며, 칼슘이 풍부한 유리질 기질을 가지고 르샤틀리에라이트 유리가 거의 또는 전혀 없는 칼리쉬 또는 칼슘질 퇴적 섬전암; 모양은 다양하며, 여러 개의 좁은 중심 채널이 일반적이며, 섬전암 물체의 모든 형태적 및 구조적 변형 범위를 포함할 수 있음
* IV형 – 암석 섬전암, 최소한으로 변형된 암석의 껍질, 암석 내부의 터널링 네트워크, 소포가 방출된 암석 (종종 실리사이드가 풍부하고/또는 금속 산화물 껍질로 광택 처리됨), 또는 완전히 유리화되고 밀도가 높은 암석 물질 및 이러한 형태의 덩어리와 퇴적 기질이 거의 없음
* V형 – [방울] 섬전암(외생 섬전암), 분출 증거(예: 구형, 사상 또는 공기역학적)를 보임, II형 및 IV형 섬전암과 조성과 관련됨
* 식물 섬전암 – 번개에 의한 바이오매스(예: 풀, 지의류, 이끼, 나무)의 부분적 내지 완전한 변형으로 인한 물체로 제안됨, "구름에서 지상으로 떨어지는 번개에 의해 형성된 자연 유리"로 설명됨. 이들은 유리가 아니기 때문에 분류 체계에서 제외되었으며, 섬전암의 하위 집합으로 분류하는 것은 논쟁의 여지가 있음.

3.1. I형

I형 섬전암은 관 모양의 구조를 가지며, 중심 축 방향의 빈 공간이 무너질 수 있는 모래 섬전암이다.

3.2. II형

II형 섬전암은 토양 섬전암으로, 유리질이 풍부하며, 점토질 토양, 실트질 토양, 자갈질 토양, 뢰스를 포함한 다양한 퇴적물 조성에서 형성된다. 이들은 관상, 분지, 소포성, 불규칙/슬래그 형태일 수 있으며, 이러한 구조의 조합을 나타낼 수 있고, 외생 섬전암(방울 섬전암)을 생성할 수 있다.

3.3. III형

III형 섬전암은 칼리쉬 또는 칼슘질 퇴적 섬전암으로, 두껍고 광택 있는 과립 벽을 가지며, 여러 개의 좁은 중심 채널을 가질 수 있다. 르샤틀리에라이트 유리가 거의 또는 전혀 없는 칼슘이 풍부한 유리질 기질을 가지고 있다. 모양은 다양하며, 섬전암 물체의 모든 형태적 및 구조적 변형 범위를 포함할 수 있다.

3.4. IV형

IV형 섬전암은 암석 섬전암으로, 최소한으로 변형된 암석의 껍질을 가진다. 암석 내부에는 터널링 네트워크나 소포가 방출된 암석 형태를 띠며, 종종 실리사이드가 풍부하고 금속 산화물 껍질로 광택 처리되어 있기도 하다. 완전히 유리화되고 밀도가 높은 암석 물질 및 이러한 형태의 덩어리와 퇴적 기질이 거의 없는 형태로 나타나기도 한다.

3.5. V형

V형 섬전암은 방울 섬전암(외생 섬전암)으로, 분출 증거를 보인다. II형 및 IV형 섬전암과 조성과 관련이 있다.

4. 역사

섬전암은 11세기 페르시아의 학자 아비센나와 알 비루니에 의해 처음 언급되었으나, 그 기원은 오랫동안 알려지지 않았다. 이후 수 세기 동안 섬전암은 지하 화재의 결과로 오해받았으며, 1711년 레온하르트 다비드 헤르만의 Maslographia에서는 섬전암에 치료력을 잘못 부여하기도 했다. 찰스 다윈, 오라스 베네딕트 드 소쉬르, 알렉산더 폰 훔볼트 등 여러 자연 과학자들도 섬전암을 연구했으나, 번개와의 관계를 발견하지는 못했다.

1805년, 농학자 헨첸과 광물학자이자 광산 기술자인 요한 카를 빌헬름 포이그트가 섬전암이 번개에 의해 형성된다는 사실을 밝혀냈다. 1817년 광물학자이자 광산 기술자인 카를 구스타프 피들러는 이 현상을 물리학 연보에 포괄적으로 문서화하여 발표했다.

5. 주요 발견 사례

뉴저지주사우스 앰보이에서 채취된 큰 표본은 길이가 거의 2.7m, 지표면 근처에서 직경 7.6cm이며, 점차 가늘어져 굴착된 최심부에서는 직경 5mm가 되었다. 그러나 섬전암은 매우 취약하기 때문에 전체를 그대로 굴착할 수 없으며, 최대 단편이라도 길이가 15.2cm에 불과하다.

"캐스케이드 산맥의 피뢰침"으로 알려진 실센 산에서는 특히 산정상 부근의 약 1.5~3m 지점에서 암석 표면에 갈록색 섬전암이 형성된다. 또한, 오대호 호반에서도 발견된다.

아마도 가장 깨끗한 표본은 필라델피아의 자연과학 아카데미에 전시되어 있을 것이다. 1940년에 발견되었다.

최대 크기는 예일 대학교피바디 자연사 박물관에 전시된 코네티컷주 북부의 Lake Congamond 호반에서 채취된 길이 4m의 표본이다. 이 섬전암은 1950년대부터 전시되었으며, 2006년 5월부터는 신설된 『광물·지구·우주』 홀에 전시되어 있다.

3m 이상인 표본이 런던 자연사 박물관에 전시되어 있다. 단편이 50cm 이상이다.

5.1. 해외 발견 사례

미국 뉴저지주 사우스 앰보이에서 발견된 섬전암은 길이가 약 2.7m에 달했다. 오대호 호반에서도 섬전암이 발견된다.

예일 대학교 피바디 자연사 박물관에는 코네티컷주 북부의 Lake Congamond 호반에서 채취된 약 4m 길이의 섬전암이 1950년대부터 전시되어 있다.

런던 자연사 박물관에는 3m 이상인 섬전암 표본이 전시되어 있다.

5.2. 대한민국 내 발견 사례

대한민국에서는 섬전암 발견 사례가 보고되지 않았다. 다만, 벼락돌, 번개돌 등 섬전암과 유사한 형태로 불리는 암석들이 민간에서 전해져 내려오고 있다.

6. 과학적 의의

섬전암이 존재하는 지역은 일정 기간 동안의 번개 빈도를 추정하는 데 사용될 수 있으며, 이는 과거 지역 기후를 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 고대 번개는 섬전암과 번개로 유도된 잔류 자화 신호 형태를 주로 사용하여 과거 번개 흔적의 다양한 지표를 연구하는 것이다.

많은 고압, 고온 물질이 섬전암에서 관찰되었다. 이러한 많은 광물과 화합물은 또한 핵무기 실험, 초고속 충돌 및 성간 공간과 같은 극한 환경에서 형성되는 것으로 알려져 있다. 충격 석영은 1980년에 섬전암에서 처음 기술되었다. 그 이후로 고도로 환원된 규소-금속 합금(규화물), 풀러렌 동소체 C₆₀ (벅민스터풀러렌) 및 C₇₀, 그리고 SiO₂의 고압 다형체 등 다른 물질도 섬전암에서 확인되었다. 인화물은 슈라이버사이트 ( 및 )와 인산 티타늄(III)의 형태로 섬전암에서 확인되었다. 이러한 환원 화합물은 지구 대기 중에 산소가 존재하여 산화 표면 조건을 만들기 때문에 지구에서는 희귀하다.