종유석
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1. 개요
종유석은 동굴 천장에서 아래로 자라나는 고드름 모양의 광물 덩어리이다. 석회암 동굴에서 탄산 칼슘이 함유된 물이 동굴 천장에서 증발하며 탄산 칼슘이 침전되어 형성되는 석회암 종유석이 가장 흔하며, 용암 동굴에서 용암이 굳어 형성되는 용암 종유석, 물이 얼어붙어 형성되는 얼음 종유석, 콘크리트 구조물에서 형성되는 콘크리트 종유석 등 다양한 종류가 있다. 종유석은 석순과 함께 석주를 이루기도 하며, 유석, 동굴 진주 등 다양한 형태로 나타난다.
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- 동굴 - 석순
석순은 석회암 동굴에서 주로 발견되는 동굴 생성물로, 탄산 칼슘 등의 퇴적 작용으로 형성되어 종유석과 함께 석주를 만들기도 하며, 석회암 외에도 용암, 얼음, 콘크리트 등 다양한 환경에서 만들어지는 종류가 있다. - 동굴 - 석회암 동굴
석회암 동굴은 석회암 지형이 지하수에 용해되어 형성되며, 종유석과 석순 등의 탄산 칼슘 구조물을 특징으로 하고, 다양한 동굴 생성물과 생물이 서식하며 관광 자원 또는 자연 유산으로 보호받는다. - 글로벌세계대백과를 인용한 문서/{{{분류3 - 공 (악기)
공은 금속으로 제작된 타악기로, 다양한 문화권에서 의식, 신호, 음악 연주 등에 사용되며, 형태와 용도에 따라 여러 종류로 나뉜다. - 글로벌세계대백과를 인용한 문서/{{{분류3 - 국무회의
국무회의는 대한민국 대통령을 의장으로, 예산, 법률안, 외교, 군사 등 국정 현안을 심의하는 중요한 기관이며, 대통령, 국무총리, 국무위원으로 구성되고, 정례회의는 매주 1회, 임시회의는 필요에 따라 소집된다. - 글로벌세계대백과를 인용한 문서/{{{분류 - 공 (악기)
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2. 형성 과정
종유석은 석회암, 용암, 얼음, 콘크리트 등 다양한 환경에서 형성될 수 있다.
가장 흔한 것은 석회암 동굴에서 발견되는 석회암 종유석이다. 탄산 칼슘이 주성분이며, 빗물에 녹은 이산화 탄소가 석회암을 용해시켜 탄산 수소 칼슘 용액을 만든다. 이 용액이 동굴 천장에 도달하여 공기와 만나면 화학 반응이 역전되어 탄산 칼슘이 침전되면서 만들어진다.
용암 동굴에서 형성되는 용암 종유석은 용융된 물질이 동굴 천장에 떨어져 퇴적되어 만들어진다. 석회암 종유석은 수천 년이 걸리는 반면, 용암 종유석은 몇 시간, 며칠, 몇 주 만에 매우 빠르게 형성될 수 있다.
얼음 종유석은 고드름이라고도 불리며, 물이 침투하여 동굴로 들어가 온도가 어는점 이하일 때 물이 얼면서 만들어진다. 수증기가 얼면서 형성될 수도 있다. 얼음 종유석은 몇 시간 또는 며칠 안에 매우 빠르게 형성되지만, 물과 온도가 적합하면 다시 자랄 수 있다.
콘크리트나 물이 천천히 새는 배관에서도 종유석이 만들어지기도 한다. 석회화퇴적물(calthemite)이라고 불리는 콘크리트 종유석은 자연 동굴 환경보다 훨씬 더 빠르게 형성된다. 콘크리트에 종유석이 형성되는 방식은 시멘트에 산화 칼슘이 존재하기 때문으로, 석회암 동굴에서 자연적으로 형성되는 종유석과는 다른 화학 작용에 의한 것이다.
2. 1. 석회암 종유석
석회암 종유석은 석회암 동굴에서 가장 흔하게 발견되는 형태로, 광물질이 녹아 있는 물이 침전되면서 형성된다. 특히 탄산 칼슘이 주성분이며, 빗물에 녹은 이산화 탄소가 석회암을 용해시켜 탄산 수소 칼슘 용액을 만든다.[5] 이 용액이 동굴 천장에 도달하여 공기와 만나면 화학 반응이 역전되어 탄산 칼슘이 침전된다.[14]화학 반응식은 다음과 같다:[14]
:(s) + (l) + (aq) →
: → + +
석회암 종유석의 평균 성장 속도는 연간 0.13mm이다. 그러나 탄산 칼슘과 이산화 탄소가 풍부한 물이 지속적으로 공급되면 연간 3mm까지 빠르게 성장할 수 있다.[6][7] 물방울이 떨어지는 속도는 이산화탄소가 빠져나가고 탄산칼슘이 침전될 수 있을 만큼 느려야 한다.
종유석은 처음에는 종유관(소다 스트로우)이라고 불리는 가늘고 긴 관 모양으로 시작한다. 물방울이 떨어지면서 방해석 고리가 쌓여 만들어지며, 지름은 약 4~5mm 정도이다. 종유관은 매우 부서지기 쉽지만, 막히지 않으면 계속 길게 자랄 수 있다. 종유관이 막히거나 물의 양이 많아지면, 물이 바깥으로 흘러나와 더 많은 방해석을 침전시켜 원뿔 모양의 종유석이 된다.
석순은 종유석에서 떨어진 물방울이 동굴 바닥에 쌓여 만들어지는 죽순 모양의 생성물이다. 종유석과 석순이 만나면 석주라고 불리는 기둥 모양이 된다.[8]
드레이퍼리(Drapery)는 동굴 천장이나 벽면을 따라 물방울이 흘러내리면서 얇은 커튼 모양으로 성장한 종유석이다.
2. 2. 용암 종유석
용암 종유석은 용암이 용암 동굴 내부에서 활동하는 동안 형성된다.[9] 용융된 물질이 동굴 천장에 떨어져 퇴적되어 형성되지만, 석회암 종유석과 달리 매우 빠르게 형성된다. 석회암 종유석은 수천 년이 걸리는 반면, 용암 종유석은 몇 시간, 며칠, 몇 주 만에 형성될 수 있다. 용암의 흐름이 멈추면 용암 종유석의 성장도 멈추며, 부서지면 다시 자라지 않는다.[3]
''라바시클(lavacicle)''은 용암 종유석과 석주를 모두 포함하는 용어이며, 고드름이라는 단어에서 유래되었다.[3]
석회암 종유석처럼 용암 방울이 바닥에 떨어져 용암 석주를 형성하고, 이들이 융합하여 기둥을 형성하기도 한다.
상어 이빨 종유석은 넓고 뾰족한 형태를 띤다. 작은 용암 방울이 반고체 천장에서 떨어지며 시작되지만, 용암 동굴 내에서 용암 흐름이 오르내리면서 층을 이루며 성장한다. 길이는 수 밀리미터에서 1미터 이상까지 다양하다.[10]
용암이 관을 통해 흐르면서 천장으로 튀어 올라 굳어져 종유석이 되기도 한다. 이 종유석은 불규칙하고 늘어난 태피 사탕처럼 보인다. 원래 용암과는 다른 색을 띠는 경우도 있다.[10]
용암 동굴 천장이 식으면서 껍질이 형성되고, 갇힌 가스 팽창으로 용암이 작은 구멍을 통해 밀려 나와 속이 빈 관 모양 종유석을 만든다. 이는 동굴 생성물과 유사하다. 가장 긴 것은 길이가 2미터에 달한다. 하와이 용암 동굴에서 흔하며, 물방울 석순과 관련이 있다. 가스 압력 감소로 종유석의 녹아 있는 부분이 쪼그라들며 원위부 근처에서 관 모양이 무너지는 경우도 있다.
관 모양 종유석은 종종 용암 조각이 결정화되고 흐름이 바뀌면서 뒤틀리고 벌레 모양을 띤다. 기류의 영향으로 바람 부는 방향으로 향하기도 한다.[10]
2. 3. 얼음 종유석
많은 동굴에서 계절별 또는 연중 흔히 발견되는 종유석은 얼음 종유석으로, 특히 표면에서는 흔히 고드름이라고 불린다.[11] 표면에서 물이 침투하여 동굴로 들어가고, 온도가 어는점 이하이면 물이 종유석을 형성한다. 또한 수증기가 얼면서 형성될 수도 있다.[12] 용암 종유석과 마찬가지로, 얼음 종유석은 몇 시간 또는 며칠 안에 매우 빠르게 형성된다. 그러나 용암 종유석과 달리 물과 온도가 적합하면 다시 자랄 수 있다.
얼음 종유석은 또한 해빙 아래에서 염분이 있는 물이 바닷물에 유입될 때 형성될 수 있다. 이러한 특정 종유석은 브리니클이라고 불린다.
얼음 종유석은 또한 그 아래에 해당하는 석순을 형성할 수 있으며, 시간이 지남에 따라 함께 자라 얼음 기둥을 형성할 수 있다.
2. 4. 콘크리트 종유석
종유석은 콘크리트나 물이 천천히 새는 배관, 그리고 칼슘, 마그네슘 또는 기타 이온이 물 공급에 있는 곳에서도 형성될 수 있는데, 자연 동굴 환경보다 훨씬 더 빠르게 형성된다. 이러한 2차 퇴적물(종유석, 석순, 유석 등)은 "동굴" 환경 밖에서 콘크리트의 석회, 모르타르 또는 기타 석회질 물질에서 파생된 것이므로, "동굴 생성물"로 분류될 수 없다.[7] "석회화퇴적물(calthemite)"이라는 용어는 동굴 환경 밖에서 동굴 생성물의 모양과 형태를 모방하는 이러한 2차 퇴적물을 포괄하기 위해 사용된다.[13]콘크리트에 종유석이 형성되는 방식은 석회암 동굴에서 자연적으로 형성되는 종유석과는 다른 화학 작용에 의한 것으로, 시멘트에 산화 칼슘이 존재하기 때문이다. 콘크리트는 골재, 모래 및 시멘트로 만들어진다. 물을 혼합물에 첨가하면 시멘트의 산화 칼슘이 물과 반응하여 수산화 칼슘(Ca(OH)₂)을 형성한다. 이에 대한 화학식은 다음과 같다.[14]
:CaO(s) + H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq)
시간이 지남에 따라 굳어진 콘크리트의 틈새로 스며드는 빗물은 용액에 있는 모든 유리 수산화 칼슘을 콘크리트 가장자리로 운반한다. 종유석은 용액이 천장이나 보와 같이 공중에 매달린 콘크리트 구조물의 아래쪽에 나타날 때 형성될 수 있다. 용액이 콘크리트 구조물의 아래쪽에서 공기와 접촉하면 또 다른 화학 반응이 일어난다. 용액은 공기 중의 이산화 탄소와 반응하여 침전물 탄산 칼슘을 형성한다.[14]
:Ca(OH)₂(aq) + CO₂(g) → CaCO₃(s) + H₂O(l)
이 용액이 떨어지면 탄산 칼슘 입자를 남기고, 시간이 지남에 따라 이들이 종유석으로 형성된다. 일반적으로 길이가 몇 센티미터이고 직경이 약 4mm~5mm이다.[14] 종유석의 성장 속도는 Ca²⁺ 포화 용액의 공급 지속성과 물방울이 떨어지는 속도에 의해 크게 영향을 받는다. 콘크리트 구조 아래에 형성된 빨대 모양의 종유석은 물방울 사이의 간격이 약 11분일 때 하루에 최대 2mm까지 성장할 수 있다.[13] 침출액 용액 pH의 변화는 추가적인 화학 반응을 촉진할 수 있으며, 이는 또한 석회화퇴적물 종유석 성장 속도에 영향을 미칠 수 있다.[13]
종유석과 석순은 콘크리트 구조물의 천장이나 바닥면에도 형성된다. 이는 콘크리트 속의 시멘트가 석회 성분을 포함하고 있기 때문에 일어나는 현상으로, 백화 현상(에플로레센스)의 일종이다. 형성 속도는 자연 동굴 환경에서 만들어지는 것보다 콘크리트 구조물에서 만들어지는 것이 훨씬 빠르다. 슬로베니아의 포스토이나 동굴에서 1925년에 동굴 내에 만들어진 콘크리트 다리에 생긴 종유관은 1956년에는 약 46cm로 늘어났다. 그러나 같은 기간 동안 석회암 속 터널에 생긴 것은 1.3cm에 미치지 못했다.[30] 이 외에도 석회 동굴 종유관의 성장 속도는 연간 2.5mm~6mm이며, 콘크리트 종유관은 최대 연간 20cm이며, 후자의 생성 원인은 이산화탄소의 방출이 아니라 중화 반응에 의한 것이라는 연구도 있다.[31]
3. 화학적 조성
대부분의 동굴 생성물은 탄산칼슘(CaCO3)으로 이루어져 있으며, 방해석이나 아라고나이트 형태로 나타난다.[5] 그 외에 석고, 수산인회석, 갈철석, 규산, 얼음, 점토, 규조토 등으로 이루어진 종유석도 있다. 금속 광상 근처에서는 침철석, 공작석, 담반, 암염, 마노, 오팔, 석영 등으로 이루어진 종유석이 발견되기도 한다.[5]
석회암 동굴에서 탄산칼슘 종유석이 만들어지는 화학 반응식은 다음과 같다.[14]
:(s) + (l) + (aq) →
: → + +
빗물은 토양 속에서 이산화탄소를 흡수하여 약산성을 띠게 되고, 석회암의 주성분인 탄산칼슘을 용해한다. 이 지하수가 동굴 내로 스며들면 이산화탄소가 동굴 내 공기 중으로 흩어지면서 탄산칼슘이 다시 결정화되어 종유석이 생성된다.
방해석이 결정화되는 과정에서 물에 포함된 철 이온이나 토양 입자 등이 흡수되어 옅은 갈색을 띠는 경우가 많지만, 불순물이 없는 경우에는 흰색이나 투명한 종유석이 만들어지기도 한다.
4. 다양한 형태
종유석은 다양한 형태로 나타나며, 외관에 따라 석순, 석주, 벼랑돌(윤연석), 석회화단(석회화단), 유석(흐름돌), 석막(석회막), 종유관, 동굴 산호, 굽은 돌, 석화, 동굴 진주 등 여러 명칭으로 불린다.[19]
용암 동굴 내부에서 용융 상태의 용암이 떨어져 퇴적되면서 형성되는 용암 종유석도 있다.[9] 용암 종유석은 석회암 종유석과 달리 단 몇 시간, 며칠, 몇 주 만에 빠르게 형성되지만, 용암의 흐름이 멈추면 성장도 멈춘다.[3] 즉, 용암 종유석이 부서지면 다시 자라지 않는다.[3] ''라바시클(lavacicle)''은 용암 종유석과 석주를 모두 아우르는 말로, 고드름에서 유래되었다.[3] 석회암 종유석과 마찬가지로, 용암 방울이 바닥에 떨어져 용암 석주를 형성하고, 이들이 서로 만나 기둥을 형성하기도 한다.
4. 1. 유수에 의한 형성
; 유석(Flowstone)동굴 벽면이나 바닥면 등을 얇은 막처럼 흐르는 물에 의해 형성된 시트 형태의 종유석이다.[19]
; 유력붕(Clastic canopy)
동굴 내로 유입된 사력이 퇴적된 후, 그 표면에 유석이 형성되고, 더욱이 미고결된 사력층의 하부만 씻겨 내려가 표층만 판상으로 남겨진 종유석이다.[19]
4. 2. 정체된 수역에 의한 형성
둑돌은 동굴 바닥에 고인 물(웅덩이)에서 물이 넘쳐흐르는 부분에 방해석이 침전되어 둑처럼 형성된 종유석이다.[19] 선반석은 동굴 바닥에 고인 물(웅덩이)의 표면에 얇게 형성되는 종유석으로, 웅덩이 표면을 덮어 버리는 경우도 있다.[19] 동굴 진주는 동굴의 정체된 수역에서 보이는 진주와 같은 구형의 종유석이다.[19]4. 3. 침출수에 의한 형성
가장 흔한 종유석은 석회암 동굴에서 동굴 생성물 형태로 나타난다. 이들은 광물화된 물 용액에서 침전된 탄산 칼슘 및 기타 미네랄에 의해 형성된다. 석회암은 이산화 탄소를 함유한 물에 의해 용해되어 탄산 수소 칼슘 용액을 형성하는 주요 형태의 탄산 칼슘 암석이다.[5] 이 반응의 화학식은 다음과 같다:[14]:CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(aq) → Ca(HCO3)2(aq)
이 용액은 암석을 통과하여 가장자리에 도달하고, 만약 이것이 동굴 천장에 있다면 아래로 떨어진다. 용액이 공기와 접촉하면 이를 생성한 화학 반응이 역전되어 탄산 칼슘 입자가 침전된다. 역반응은 다음과 같다:[14]
:Ca(HCO3)2(aq) → CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(aq)
평균 성장 속도는 연간 0.13mm이다. 가장 빠르게 성장하는 종유석은 탄산 칼슘(CaCO3)과 이산화 탄소(CO2)가 풍부한 물이 지속적으로 천천히 떨어지면서 형성된 것으로, 연간 3mm로 성장할 수 있다.[6][7] 물방울 속도는 CO2가 용액에서 동굴 대기 중으로 빠져나가 CaCO3가 종유석에 침전될 수 있도록 충분히 느려야 한다. 물방울 속도가 너무 빠르면 CaCO3의 대부분을 여전히 운반하는 용액이 동굴 바닥으로 떨어져 탈기화가 일어나고 CaCO3가 석순으로 침전된다.
모든 석회암 종유석은 단 하나의 미네랄이 함유된 물방울로 시작한다. 물방울이 떨어지면 가장 얇은 방해석 고리가 침전된다. 그 후 형성되어 떨어지는 각 물방울은 또 다른 방해석 고리를 침전시킨다. 결국, 이 고리는 매우 좁은(≈4~5 mm 직경) 속이 빈 튜브를 형성하며, 이는 일반적으로 "빨대 종유석"이라고 알려져 있다. 빨대 종유석은 상당히 길게 자랄 수 있지만 매우 부서지기 쉽다. 만약 그들이 파편에 의해 막히면, 물이 외부로 흘러가기 시작하여 더 많은 방해석을 침전시켜 더 친숙한 원뿔 모양의 종유석을 만든다.
종유석 형성은 일반적으로 넓은 영역에서 시작되며, 광물이 풍부한 물이 흐를 수 있는 여러 경로가 있다. 한 채널에서 다른 경쟁 채널보다 약간 더 많은 미네랄이 용해됨에 따라, 지배적인 채널은 더 많은 가용 물을 끌어들이기 시작하여 성장을 가속화하고, 궁극적으로 다른 모든 채널이 막히게 된다. 이것이 형성물들이 서로 최소 거리를 가지는 경향이 있는 한 가지 이유이다. 형성물이 클수록 형성물 간의 거리가 더 커진다.
- 굴곡석(Helictite): 스며 나온 물이 구불구불한 상태로 성장하는 종유석이다.[19]
- 석순(Shield): 동굴 바닥 등의 갈라진 틈에서 모세관 현상으로 스며 나오는 물에 의해 2장의 평행한 타원~원형 평판으로 성장하는 종유석이다.[19]
- 중공구상 종유석(Blister): 동굴 천장부・벽면・종유석 표면에서 보이는 중공 종유석이다.[19]
- 박스워크(Boxwork): 동굴 천장부 등에 형성되는 밑면이 없는 상자 모양의 종유석이다.[19]
- 석화(Anthodite): 가느다란 바늘 모양의 결정이 방사상으로 모여 꽃 모양으로 형성되는 종유석이다.[19]
5. 세계 기록
세계에서 가장 긴 종유석은 브라질 미나스제라이스 주의 세치 라고아스|Sete Lagoaspt에 있는 그루타 레이 도 마투 동굴|Gruta Rei do Matopt (포르투갈어|Portuguêspt로 '숲의 왕의 동굴'이라는 뜻) 내의 살랑 다스 라리다데스|Salão das Raridadespt (포르투갈어|Portuguêspt로 '진귀한 방'이라는 뜻)에 있으며, 2개의 석주가 나란히 서 있는데, 둘 다 거의 지름이 25cm, 높이가 12m이다.[29]
일반인들이 볼 수 있는 가장 긴 종유석 중 하나는 아일랜드 클레어주 둘린 동굴(폴 안 이노나인)에 있으며, 버렌으로 알려진 카르스트 지역에 있다. 더욱 인상적인 점은 이 종유석이 0.3sqm 미만의 방해석 단면에 의해 유지된다는 것이다.[15]
레바논 제이타 동굴 상부 동굴의 화이트 챔버에는 8.2m 길이의 석회암 종유석이 있는데, 이는 세계에서 가장 긴 종유석이라고 주장된다. 그러나 동굴 탐험가들은 탐험 중에 더 긴 종유석을 자주 발견하며, 브라질 미나스제라이스주 세치 라고아스에 있는 그루타 레이 두 마투에 매달려 있는 20m 길이의 석회암 종유석도 가장 길다는 주장이 제기된다.[15]
6. 어원
"종유석"이라는 단어는 3세기 후한 말의 본초서 『신농본초경』 중권 옥석부 중품[20]에 ""이라고 기록되어 있으며[21], 쇼소인 소장의 나라 시대 석약 중 '종유상'이 있다.[22]
영어 stalactite는 그리스어로 "방울져 떨어지다"를 의미하는 stalasso (σταλάσσω)에서 유래했다. 영어의 dripstone(점적석, 적하석, 수적석, 적석)은 stalactite(종유석)뿐만 아니라, stalagmite(석순)이나 다른 유사물도 포함하는 넓은 의미의 용어이다.[23]
참조
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2021-08-01
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洞窟学雑誌
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