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주상절리

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목차

1. 개요

주상절리는 용암이 식으면서 기둥 모양으로 굳어진 지형으로, 기둥의 단면은 4~6각형의 다양한 형태를 보인다. 용암이 급격히 냉각될 때 부피 변화와 수축으로 인해 육각형 기둥 모양으로 굳는 경향이 있으며, 균열이 수직으로 발달하여 수천 개의 기둥으로 나뉘게 된다. 주상절리는 용암의 두께와 냉각 속도에 따라 높이와 지름이 다르게 나타나며, 세계적으로 데블스 타워(미국), 자이언츠 코즈웨이(영국), 가르니 협곡(아르메니아) 등 다양한 지역에서 발견된다. 한국에서는 제주도, 경주, 포항, 울릉도, 무등산 등에서 주상절리를 관찰할 수 있다.

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주상절리
개요
데빌스 타워의 기둥 모양 현무암
데빌스 타워의 기둥 모양 현무암
정의화성암 암맥이나 용암원반, 응회암에서 냉각 과정 동안 수축 응력으로 인해 형성되는 기하학적 패턴의 절리
특징단면이 다각형인 긴 기둥 모양으로 나타남
형성 과정냉각 중심으로부터 균등한 속도로 냉각될 때 발생
응력이 일정하게 분포되어 규칙적인 균열 패턴 형성
일반적인 형태육각형 기둥 (가장 일반적)
사각형, 오각형 기둥 등도 존재
형성 장소
화성암 암맥지하에서 마그마가 식어 형성된 암맥
용암원반지표면으로 분출된 용암이 식어 형성된 지형
응회암화산재가 굳어져 형성된 퇴적암
추가 정보
유사한 구조퇴적암에서도 유사한 구조가 발견될 수 있음 (석회암, 사암 등)
생성 요인냉각 속도
암석의 조성
불순물의 존재 등
참고 자료
관련 연구Velázquez, Victor F., et al. "Columnar joints in the Patiño Formation sandstones, Eastern Paraguay: a dynamic interaction between dyke intrusion, quartz dissolution and cooling-induced fractures." Episodes 31.3 (2008): 302-308.
Long, Philip E., and Bernard J. Wood. "Structures, textures, and cooling histories of Columbia River basalt flows." Geological Society of America Bulletin 97.9 (1986): 1144-1155.
외부 링크오리건 주립 대학교 - 주상절리

2. 형성 과정

주상절리는 뜨거운 용암, 특히 유동성이 큰 현무암질 용암이 지표 근처에서 빠르게 식으면서 형성된다.[23] 용암이 식으면서 부피가 줄어들고(수축), 이 과정에서 암석 내부에 인장력이 발생한다. 이 인장력을 해소하기 위해 암석 표면에서부터 내부로 균열이 생기기 시작한다.

이러한 균열은 냉각이 진행됨에 따라 점차 아래쪽으로 발달하는데, 이때 에너지를 효율적으로 분산시키는 과정에서 주로 4각형에서 6각형 모양의 단면을 가진 기둥 형태로 갈라지게 된다. 마치 가뭄에 논바닥이 갈라지는 흙갈라짐 현상과 유사하게, 용암 표면에 여러 개의 수축 중심점이 생기고 이 점들을 중심으로 균열이 방사상으로 뻗어 나가 서로 만나면서 다각형 모양의 경계를 형성하는 것이다.

균열이 수직 방향으로 깊어지면서 결과적으로 수많은 기둥 모양의 암석 덩어리가 만들어지는데, 이것이 바로 주상절리이다. 지하수와의 접촉 여부나 냉각 속도 등 다양한 요인이 균열의 발달과 형태에 영향을 미친다.[4] 주상절리 기둥의 크기, 즉 높이나 지름은 원래 용암의 두께나 냉각 조건 등에 따라 수십 미터에서 수십 센티미터까지 다양하게 나타난다.[23]

2. 1. 물리적 원리

주상절리는 용암이 식으면서 기둥 모양으로 굳은 것을 말한다.[23] 기둥의 단면은 4각형에서 6각형까지 다양한 모습을 보인다. 유동성이 큰 현무암질 용암류가 급격히 냉각되면 큰 부피 변화와 함께 수축하게 된다. 이때 용암이 식으면서 최소한의 변의 길이와 최대의 넓이를 가지는 육각형 기둥 모양으로 굳는 경향을 보인다. 이는 원이 같은 길이 대비 다른 도형보다 넓이가 크지만, 빈틈 없이 조밀한 구조를 만들 수 없기 때문이다.

수축이 진행되면서 냉각 중인 용암 표면에는 수축이 일어나는 중심점들이 생긴다. 이 점들이 고르게 분포하면서 그 점을 중심으로 냉각과 수축이 진행되면 다각형의 규칙적인 균열이 발생한다. 이러한 균열들이 수직 방향으로 발달하면서 현무암층은 수천 개의 기둥으로 나뉘게 된다. 이 기둥들은 용암의 두께나 냉각 속도 등에 따라 높이 수십 m, 지름 수십 cm의 다양한 모습으로 발달한다.

용암이 현무암으로 냉각될 때 내부에 많은 열이 남아있는데, 더욱 냉각되면서 현무암은 수축하고 이 과정에서 쌓인 인장 에너지를 방출하기 위해 균열이 형성된다. 이후 지하수가 끓고 다시 유입되는 과정에서 냉각이 더욱 가속된다.

균열이 처음 표면에 형성될 때는 개별적으로 만들어지기 때문에, 마치 흙갈라짐처럼 T자형 교차점이 주로 나타난다. 하나의 균열이 형성되어 표면을 가로질러 이동하다가 이전에 만들어진 다른 균열과 만나 T자형 교차점을 형성하는 것이다.

이후 균열은 표면에 평행하고 대략 평면 형태인 이동 전선을 따라 아래쪽으로 확장된다. 균열 패턴은 이동하면서 어닐링 과정을 거쳐 에너지가 더 낮은 상태로 안정화되는 경향을 보인다. 전선이 이동하는 속도 ''v''는 지하수의 유속에 의해 결정된다. 전선이 몇 미터 깊이까지 이동하고 나면, 균열 패턴은 대체로 비슷한 너비 ''L''을 가진 육각형 격자 형태로 발전한다. 이 너비 ''L''은 현무암의 재료 특성과 전선 이동 속도 ''v''에 따라 결정된다.[4]

페클레 수 Pe = \frac{Lv}{D} (여기서 D는 재료의 열확산율)를 정의할 수 있는데, 모든 주상절리에서 ''Pe'' 값은 약 0.2로 비슷하게 나타난다. 이는 스케일링(크기 조정)을 하면 모든 주상절리의 모양과 형성 속도가 유사하다는 것을 의미한다. 축척 모형 실험으로 1cm 두께의 옥수수 전분을 건조시키면 폭이 약 1mm인 기둥이 만들어지는 것을 관찰할 수 있다.

현무암의 경우 Pe \approx 0.35이고, 옥수수 전분의 경우 Pe \approx 0.1이다.[4]

2. 2. 규모

주상절리는 용암의 두께, 냉각 속도 등에 따라 높이 수십 m, 지름 수십 cm까지 다양한 크기로 발달한다.[23] 주상절리의 크기와 형태는 페클레 수 Pe = \frac{Lv}{D}를 통해 설명할 수 있는데, 여기서 D는 재료의 열확산율이다. 모든 주상절리의 경우, ''Pe''의 값은 약 0.2로 나타나며, 이는 크기가 다른 주상절리라도 스케일링 후에는 모양과 형성 속도가 유사하다는 것을 의미한다.[4] 실제로 1cm 두께의 옥수수 전분을 건조시키는 축척 모형 실험을 통해 폭이 약 1mm인 기둥을 만들어 주상절리 형성 과정을 재현할 수 있다.[4] 참고로 현무암의 페클레 수는 Pe \approx 0.35이고, 옥수수 전분의 페클레 수는 Pe \approx 0.1이다.[4]

3. 세계의 주상절리

세계 곳곳에서 다양한 형태와 규모의 주상절리를 찾아볼 수 있다. 미국의 유명한 주상절리 지역으로는 와이오밍주의 데블스 타워, 캘리포니아주의 데블스 포스트파일 국립기념물, 그리고 오리건주, 워싱턴주, 아이다호주의 컬럼비아 강 홍수 현무암 지대 등이 있다.

다른 유명한 장소로는 북아일랜드의 자이언츠 코즈웨이(Clochán An Aifirgle), 스코틀랜드 스타파 섬의 핑갈의 동굴, 그리고 아이슬란드의 스투들라길 협곡 등이 있다.[5][15]

이 외에도 일본 홋카이도의 소운쿄 협곡, 인도 데칸 트랩의 세인트 메리스 제도[19], 홍콩 사이쿵 반도 인근의 하이 아일랜드 저수지, 이스라엘 네게브 사막 마크테쉬 라몬의 '하민사라', 파라과이 아레과의 Cerro Kõi|세로 코이spa, 오스트레일리아 뉴사우스웨일스주의 쏜 록스(Sawn Rocks)[22], 멕시코 이달고주의 산타 마리아 레글라의 현무암 기둥, 말레이시아 타와우의 캄풍 발룽 코코스 등 세계 여러 지역에서 독특한 주상절리 지형이 발견된다.

3. 1. 주요 주상절리 지역

주상절리를 찾아볼 수 있는 미국의 유명한 장소로는 와이오밍주의 데블스 타워, 캘리포니아주의 데블스 포스트파일 국립기념물, 그리고 오리건주, 워싱턴주, 아이다호주의 컬럼비아 강 홍수 현무암 등이 있다.

와이오밍주 블랙힐스 국유림에 있는 침식된 라콜리스인 데블스 타워.


미국 와이오밍주에 있는 데블스 타워는 약 4천만 년 전에 형성되었으며, 높이는 382m이다.[13] 지질학자들은 데블스 타워를 형성하는 암석이 관입으로 굳어졌다는 데 동의하지만, 이 관입에서 나온 마그마가 지표면에 도달했는지는 아직 밝혀지지 않았다. 대부분의 기둥은 6각형이지만, 4각형, 5각형, 7각형도 발견될 수 있다.[16]

다른 유명한 장소로는 북아일랜드의 자이언츠 코즈웨이, 스코틀랜드 스타파 섬의 핑갈의 동굴, 그리고 아이슬란드의 스투들라길 협곡 등이 있다.[5][15]

북아일랜드 앤트림주 북부 해안에 위치한 자이언츠 코즈웨이(Clochán An Aifirga)는 6천만 년 전 화산 활동으로 형성되었으며 4만 개가 넘는 기둥으로 이루어져 있다.[13][7][17] 전설에 따르면 거인 핀 맥쿨이 스코틀랜드로 가는 둑길로 자이언츠 코즈웨이를 만들었다고 한다.[8][18]

일본 홋카이도 가미카와정의 소운쿄 협곡은 약 24km에 걸쳐 주상절리가 발달해 있으며, 이는 3만 년 전 다이세쓰산 화산군의 분화와 침식 결과로 생겨났다.

인도의 후기 백악기 데칸 트랩은 지구에서 가장 큰 화산 지역 중 하나이며, 주상절리의 예는 카르나타카주에 있는 세인트 메리스 제도에서 찾아볼 수 있다.[9][19]

하이 아일랜드 저수지 동쪽 댐의 육각형 화산 응회암


홍콩 사이쿵 반도 주변의 하이 아일랜드 저수지와 인근 섬에서는 백악기에 형성된 주상절리가 발견된다. 이 암석은 염기성 암석이 아닌, 산성 응회암이라는 점이 특징이다.

이스라엘 네게브 사막의 마크테쉬 라몬에 있는 '하민사라'(목공소)에서는 주상 절리 형태의 사암을 볼 수 있다.

파라과이 세로 코이의 사암 주상절리


파라과이 아순시온 광역 지역에도 주상절리 사암의 사례가 있다. 가장 잘 알려진 곳은 아레과에 있는 세로 코이(Cerro Kõi)이며, 루케에도 여러 채석장이 있다.

오스트레일리아 뉴사우스웨일스주 쏜 록스의 주상절리


오스트레일리아 뉴사우스웨일스주 내러브리 근처 마운트 카푸타 국립공원에 위치한 쏜 록스(Sawn Rocks)는 하천 위로 40m, 지표면 아래로 30m에 달하는 주상절리를 특징으로 한다.[12][22] 오스트레일리아 서부 댕트르카스토 국립공원의 블랙 포인트(Black Point) 역시 검은색 주상절리의 예이다.

멕시코 이달고주 우아스카 데 오캄포에 있는 산타 마리아 레글라의 현무암 기둥은 알렉산더 폰 훔볼트가 기록한 바 있다.

말레이시아 타와우의 캄풍 발룽 코코스에서는 강이 주상절리 지역을 통과하여 흐른다. 일부 기둥은 강둑 위로 수직으로 솟아 있으며, 다른 부분은 강둑에 수평으로 놓여 있기도 하다.

아이슬란드 에일스타디르 서쪽 약 약 72.42km 지점에 위치한 스투들라길 협곡(Stuðlagil)은 주상절리 현무암 암석 지형과 그 사이로 흐르는 청록색 물이 특징이다.

아르메니아의 가르니 협곡


아르메니아 예레반에서 동쪽으로 23km 떨어진 가르니 협곡은 같은 이름의 마을 바로 아래에 위치하며, 특히 "돌의 교향곡"이라고 불리는 구간이 유명하다. 협곡 위의 곶에는 서기 1세기의 가르니 신전이 있다.

3. 2. 특이한 주상절리

주상절리는 대부분 현무암과 같은 염기성 암석에서 발견되지만, 다른 종류의 암석에서도 형성되는 특이한 사례들이 존재한다.

백악기에 형성된 주상절리 중 일부는 홍콩 사이쿵 반도 인근의 만이 저수지와 주변 섬에서 발견된다. 이 주상절리들은 일반적인 염기성 암석이 아닌, 산성 응회암으로 이루어져 있다는 점에서 독특하다.

사암으로 이루어진 주상절리도 존재한다. 이스라엘 네게브 사막에 위치한 마크테쉬 라몬의 침식 권곡 내 HaMinsara|하민사라heb(목공소) 지역에서 사암 주상절리를 볼 수 있다. 또한 파라과이의 아순시온 도시권에서도 사암 주상절리가 여러 곳에서 발견되는데, Areguá|아레과spa에 있는 Cerro Kõi|세로 코이spa가 가장 잘 알려져 있으며, 루케의 채석장들에서도 찾아볼 수 있다.

화성 마르테 발리스 지역의 한 분화구 벽에서 발견된 주상절리. (HiRISE 이미지)


지구뿐만 아니라 화성에서도 주상절리가 발견되었다. 화성 정찰 위성(MRO)에 탑재된 고해상도 영상 과학 실험(HiRISE) 카메라를 통해 마르테 발리스 지역을 포함한 여러 곳에서 주상절리 지형이 확인되었다.[10][11][20][21]

4. 한국의 주상절리

한국은 화산 활동으로 형성된 다양한 주상절리 지형을 보유하고 있으며, 학술적, 경관적 가치가 높다.

참조

[1] 논문 Columnar joints in the Patiño Formation sandstones, Eastern Paraguay: a dynamic interaction between dyke intrusion, quartz dissolution and cooling-induced fractures International Union of Geological Sciences 2008-09-01
[2] 논문 Structures, textures, and cooling histories of Columbia River basalt flows https://www.research[...] 1986-09-01
[3] 웹사이트 Oregon State University > Volcano World > ... > Columnar Jointing http://volcano.orego[...] 2013-12-29
[4] 논문 Cracking mud, freezing dirt, and breaking rocks https://pubs.aip.org[...] 2014-11-01
[5] 웹사이트 southernhebrides.com > Staffa - A Geological Marvel http://www.southernh[...] 2013-12-29
[6] 웹사이트 U.S. National Park Service > Devils Tower > Geologic Formations http://www.nps.gov/d[...] 2013-12-29
[7] 웹사이트 National Trust > Giant's Causeway http://www.nationalt[...] 2013-12-29
[8] 웹사이트 Causeway Coast & Glens > The Giant's Causeway > Folklore and Legend http://www.causewayc[...] 2013-12-29
[9] 웹사이트 Geological Survey of India > Columnar Basalt https://www.gsi.gov.[...] 2020-04-17
[10] 웹사이트 HiRISE | Columnar Jointing on Mars and Earth (ESP_029286_1885) https://www.uahirise[...]
[11] 논문 Discovery of columnar jointing on Mars https://pubs.geoscie[...] 2009
[12] 웹사이트 Sawn Rocks walking track, Mount Kaputar National Park https://www.national[...] NSW National Parks and Wildlife Service 2019-01-03
[13] 웹사이트 Columnar Jointing https://volcano.oreg[...] Oregon State University 2023-01-24
[14] 논문 Structures, textures, and cooling histories of Columbia River basalt flows
[15] 웹사이트 southernhebrides.com > Staffa - A Geological Marvel http://www.southernh[...] 2013-12-29
[16] 웹사이트 Devils Tower > Geologic Formations https://www.nps.gov/[...] U.S. National Park Service 2023-01-24
[17] 웹사이트 Giant's Causeway https://www.national[...] National Trust 2023-01-24
[18] 웹사이트 Causeway Coast & Glens > The Giant's Causeway > Folklore and Legend http://www.causewayc[...] Northern Ireland Tourist Board 2023-01-24
[19] 웹사이트 Columnar Basalt https://www.gsi.gov.[...] Geological Survey of India 2023-01-24
[20] 웹사이트 HiRISE | Columnar Jointing on Mars and Earth (ESP_029286_1885) https://www.uahirise[...] アリゾナ大学 2023-01-24
[21] 논문 Discovery of columnar jointing on Mars https://www.scienced[...] 2009
[22] 웹사이트 Sawn Rocks walking track, Mount Kaputar National Park https://www.national[...] NSW National Parks and Wildlife Service 2023-01-24
[23] 웹인용 우리나라 주상절리 http://jkess.org/jou[...] 한국지질학회지 2014-10-21

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