클라크 수

1. 개요

클라크 수는 지질학적 대상에서 화학 원소의 상대적 존재비를 나타내는 용어로, 1930년대 소련의 지구화학자 알렉산더 페르스만이 제안했다. 이는 프랭크 위글스워스 클라크의 연구를 기리기 위한 것으로, 클라크는 1889년부터 1924년까지 지구 지각의 화학 조성을 추정하는 데 기여했다. 클라크 수는 '무게 클라크'와 '원자 수 클라크'로 구분되며, 지각 내 원소 존재량을 추정하는 데 사용되었으나, 정의의 모호성으로 인해 1980년대 이후에는 사용이 감소했다. 지각에는 산소, 규소, 알루미늄, 철, 칼슘 등이 많이 존재하며, 클라크 농축은 특정 광석 내 원소 농도와 지각 내 농도 간의 비율을 나타낸다.

2. 역사

1930년대 소련의 지구화학자 알렉산더 페르스만은 지질학적 대상에서 화학 원소의 상대적 존재비를 퍼센트로 나타낸 것을 klarki/кларки^러시아어라고 정의했다. 이는 미국의 지구화학자 프랭크 위글스워스 클라크가 1889년부터 1924년까지 수많은 암석 샘플에 대한 광범위한 화학 분석을 기반으로 지구 지각의 화학 조성을 추정하는 데 선구적인 역할을 한 것을 기리기 위한 것이었다.

페르스만은 '무게 클라크'와 '원자 수 클라크'의 개념을 제시했다. 무게 클라크는 행성 전체 질량에서 특정 원소의 질량이 차지하는 비율을, 원자 수 클라크는 암석 전체 원자 수에서 특정 원소의 원자 수가 차지하는 비율을 의미한다. 페르스만은 "지구 지각의 클라크"를 16km 두께의 지권, 수권, 대기권을 포함한 지구 표면으로 정의했다.

프랭크 위글스워스 클라크 등은 지각 내 원소 존재량을 추정하면서, 지각을 해수면 아래 약 16km까지로 추정하고, 암석권, 수권, 대기권의 값을 합산했다. 또한 암석권은 95%의 화성암, 4%의 셰일, 0.75%의 사암, 0.25%의 석회암으로 구성된다고 가정했다. 클라크는 1889년부터 여러 차례 수치를 개정했으며, 1924년판에서는 화성암의 평균 조성을 5,159개의 시료 분석값의 평균으로부터 추정했다.

일본에서는 적어도 1931년까지 "클라크 수"라는 용어가 사용되기 시작했다. 그러나 일본에서 1938년부터 1990년대까지 "클라크 수"라고 칭하며 자주 사용된 수치는 클라크나 페르스만의 수치와는 다른, 기무라 겐지로에 의한 일본 특유의 수치였다.

원래 페르스만의 용어 "클라크"는 단순히 "원소의 상대 존재량"이라는 의미였으며, 대상물은 규정하지 않았다. 그러나 "클라크 수"라는 용어는 화자에 따라 정의가 제각각이 될 수 있어 혼란이 발생했고, 1980년대 이후에는 사용을 피하고 있다.

2.1. 클라크 수의 제안과 발전

1930년대 소련의 지구화학자 알렉산더 페르스만은 지질학적 대상에서 화학 원소의 상대적 존재비를 퍼센트로 나타낸 것을 klarki/кларки^러시아어라고 정의했다. 이는 미국의 지구화학자 프랭크 위글스워스 클라크가 1889년부터 1924년까지 수많은 암석 샘플에 대한 광범위한 화학 분석을 기반으로 지구 지각의 화학 조성을 추정하는 데 선구적인 역할을 한 것을 기리기 위한 것이었다.

페르스만은 '무게 클라크'와 '원자 수 클라크'의 개념을 제시했다. 무게 클라크는 행성 전체 질량에서 특정 원소의 질량이 차지하는 비율을, 원자 수 클라크는 암석 전체 원자 수에서 특정 원소의 원자 수가 차지하는 비율을 의미한다. 페르스만은 "지구 지각의 클라크"를 16km 두께의 지권, 수권, 대기권을 포함한 지구 표면으로 정의했다.

프랭크 위글스워스 클라크 등은 지각 내 원소 존재량을 추정하면서, 지각을 해수면 아래 약 16km까지로 추정하고, 암석권, 수권, 대기권의 값을 합산했다. 또한 암석권은 95%의 화성암, 4%의 셰일, 0.75%의 사암, 0.25%의 석회암으로 구성된다고 가정했다. 클라크는 1889년부터 여러 차례 수치를 개정했으며, 1924년판에서는 화성암의 평균 조성을 5,159개의 시료 분석값의 평균으로부터 추정했다.

일본에서는 적어도 1931년까지 "클라크 수"라는 용어가 사용되기 시작했다. 그러나 일본에서 1938년부터 1990년대까지 "클라크 수"라고 칭하며 자주 사용된 수치는 클라크나 페르스만의 수치와는 다른, 기무라 겐지로에 의한 일본 특유의 수치였다.

원래 페르스만의 용어 "클라크"는 단순히 "원소의 상대 존재량"이라는 의미였으며, 대상물은 규정하지 않았다. 그러나 "클라크 수"라는 용어는 화자에 따라 정의가 제각각이 될 수 있어 혼란이 발생했고, 1980년대 이후에는 사용을 피하고 있다.

2.2. 페르스만의 기여와 클라크 수의 정의

1930년대 소련의 지구화학자 알렉산더 페르스만은 지질학적 대상에서 화학 원소의 상대적 존재비를 퍼센트로 나타낸 것을 클라르케/кларки^러시아어라고 정의했다. 이는 미국의 지구화학자 프랭크 위글스워스 클라크가 1889년부터 1924년까지 암석 샘플에 대한 광범위한 화학 분석을 기반으로 지구 지각의 화학 조성을 추정하는 데 선구적인 역할을 한 것을 기리기 위한 것이었다.

페르스만은 행성 X 전체 질량이 $Mx$ 이고, 산소의 질량이 $Mo$ 일 때, 행성 X에서 산소의 무게 클라크는 $Km=\backslash frac\{Mo\}\{Mx\}$(무차원량)이며, 암석 Y 전체 원자 수가 $Ay$ 이고, 규소의 원자 수가 $As$ 일 때, 암석 Y에서 규소의 원자 수 클라크는 $Ka=\backslash frac\{As\}\{Ay\}$(무차원)이라고 정의했다.

클라크 등은 지각 내 원소 존재량(원소의 비율)을 추정하면서, 해수면 아래 16km까지를 지각으로, 암석권, 수권, 대기권의 질량 백분율을 합산하고, 암석권에서의 물질 비율을 가정하는 방법을 사용했다. 1889년부터 여러 차례 수치를 개정했으며, 1924년판에서는 화성암의 평균 조성(원소의 비율)을 5,159개의 시료 분석값의 평균으로부터 추정했다.

일본에서는 적어도 1931년까지 "클라크 수"라는 용어가 사용되기 시작했다. 그러나 미국 지질 조사소(USGS)에서는 "clarke"와 같은 이포님을 사용하지 않고, "relative abundance (of the elements)"라는 표현을 사용하고 있다.

일본에서 1938년부터 1990년대까지 "클라크 수"라고 칭하며 자주 사용된 수치는 암석권 16km + 수권 + 대기권의 합산 값이지만, 클라크, 페르스만의 수치와도 다르며, 기무라 겐지로에 의한 일본 특유의 수치이다.

원래 페르스만의 용어 "클라크"는 단순히 "원소의 상대 존재량"이라는 의미였으며, 대상물은 규정하지 않았다. "클라크 수"라는 용어는 화자에 따라 정의가 제각각이 될 수 있어 혼란이 발생했기 때문에 1980년대 이후에는 피하고 있다. 또한 "지각"을 지표면 아래 16km로 근사하는 과학적 의의가 옅어지고, 이 방법으로 얻은 수치도 사용되지 않게 되었다.

2.3. "클라크 수" 용어의 사용과 혼란

미국의 지구화학자 프랭크 위글스워스 클라크(Frank Wigglesworth Clarke, 1847년 - 1931년)는 지각 내 원소 존재량(원소의 비율)을 추정하면서, 지각, 암석권, 수권, 대기권의 구성 비율과 암석권 내 물질 비율(화성암, 셰일, 사암, 석회암)을 가정하는 방법을 사용했다. 1889년부터 여러 차례 수치를 개정했으며, 클라크 등의 최신판(1924년판)에서는 화성암의 평균 조성을 5,159개의 시료 분석값의 평균으로부터 추정했다.

소련의 지구화학자 알렉산드르 페르스만은 클라크의 업적을 기려 원소의 존재량(비율)을 "클라크"라고 부르도록 제안했다. 일본에서는 적어도 1931년까지 "클라크 수"라는 용어가 사용되기 시작했지만, 미국 지질 조사소(USGS)에서는 "clarke"와 같은 이포님을 사용하지 않고, "relative abundance (of the elements)"라는 표현을 사용했다.

일본어 학술 용어는 "클라크 '수'"이며, "클라크 '상수'"라는 용어는 없다. 수치는 추정 조건에 따라 다르므로 상수가 아니며, 클라크가 추정한 값과 다를 수도 있다. 1938년부터 1990년대까지 일본에서 "클라크 수"로 자주 사용된 수치는 기무라 겐지로에 의한 것으로, 암석권 16km + 수권 + 대기권의 합산 값이다. 이 값은 클라크의 어떤 판의 수치와도 다르고, 페르스만과도 다르며, 미국 지질 조사소가 편찬한 주요 추정치 목록에는 게재되지 않은 일본 특유의 수치이다.

리과 연표는 1925년 발행된 제1책부터 클라크 1922년판의 원소 존재량 수치를 게재했지만, "클라크 수"라는 호칭은 사용하지 않았다. 1936년 발행된 제13책에서 G.베르크의 수치(의 약간의 수정판)로 대체하면서 처음으로 "클라크 수표"라는 부제가 붙었으므로, "클라크 수표"에 클라크 자신의 수치가 게재된 적은 없다.

페르스만의 용어 "클라크"는 원래 "원소의 상대 존재량"을 의미하며, 대상, 착목량(질량비, 원자 개수비)을 규정하지 않았다. 따라서 "클라크 수"는 화자에 따라 정의가 달라질 수 있다. 예를 들어, 단순한 "원소의 상대 존재량"과 동의어로 사용하거나, 지각 내 원소의 존재량과 동의어로 간주하는 경우가 있다. 또한 "지각"의 개념, "지각"을 근사하는 방법, 암석권에 수권, 대기권을 포함하는지 여부, 기무라 겐지로 1938년판의 수치를 상수로 간주하는지 등에 따라 혼란이 발생했다. 이러한 혼란과 "지각"을 지표면 아래 10마일로 근사하는 과학적 의의가 옅어짐에 따라 1980년대 이후에는 "클라크 수"라는 용어는 잘 사용되지 않는다.

2.4. 용어 사용의 변화

일본에서는 "클라크"가 クラーク数/클라크 수^일본어로 번역된다. 아보가드로 수와 같은 과학 상수와 유사하게 보이기 위해 数/수^일본어라는 단어가 항상 추가된다. 이 용어는 페르스만의 용어보다 좁은 의미로 사용될 수 있으며, 지구 지각에만 해당되거나, 해수면으로부터 10마일 깊이의 층으로 근사화된 암석권에 한정될 수 있다. 또한 암석권(93.06%), 수권(0.91%), 대기(0.03%)의 세 층을 모두 포함해야 하며, 질량비만 해당되고 퍼센트로 표시된다는 제약이 있을 수 있다.

일본에서는 "연대기 과학 표"(RCST1939)와 같은 참고 문헌에 표로 정리된 데이터의 대중적인 버전이 존재하는데, 이는 화학자 木村健二郎/기무라 겐지로^일본어에 의해 고안되었다. 기무라 겐지로(1938)의 데이터는 종종 "클라크 수"로 인용되지만, 클라크와 워싱턴(1889–1924)의 버전이나 미국 지질 조사국(USGS) 편집과 같은 외국 자료와는 다르다.

"지구 지각"의 지질학적 정의가 변화하면서 "10마일 깊이" 근사치는 시대에 뒤떨어진 것으로 간주되었고, 일부에서는 "클라크 수"라는 용어 자체도 시대에 뒤떨어졌다고 생각했다. RCST1961(1961)에서는 "클라크 수" 표를 기무라(1938)에서 메이슨(1958) 기반으로 변경했고, RCST1963(1962)에서는 표에서 "클라크 수"라는 레이블이 제거되었다. IDPC(1981)는 이 용어가 대부분 폐기되었다고 언급했고, "클라크 수" 사전 항목은 IDPC(1998)에서 삭제되었다.

주요 참고 문헌에서 제거되었음에도 불구하고, 기무라(1938)의 데이터와 "철의 클라크 수는 4.70이다"와 같은 출처 불명의 구절은 2010년대에도 계속 유통되고 있다.

3. 주요 구성 원소

지각에 가장 많이 존재하는 원소는 산소이며 규소, 알루미늄, 철, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 마그네슘 등의 순서로 존재한다. 이들은 주로 규산염이나 산화물 형태로 존재한다.

클라크 & 워싱턴은 지구 외곽 부분(10마일 지각, 수권, 대기권)의 평균 조성을 추정했다. 그러나 "클라크 수", "지각", "암석권"의 정의는 저자마다 다르며, 실제 수치도 달라질 수 있다.

다음은 지구 지각에서 일부 원소의 상대적 풍부도에 대한 역사적 데이터를 나타낸 표이다.

4. 클라크 농축

농축 인자 (광물학)은 특정 광석이 얼마나 풍부한지를 측정하는 척도이다. 즉, 광석 내 화학 원소의 농도와 지구 전체 지각 내 농도(즉, "클라크") 간의 비율이다.

만약 광석 X 내 상품의 농도가 $Kx$ (ppm)이고, 해당 상품의 "클라크"가 $Ke$ (ppm)이라면, 해당 상품 X의 "집중 클라크"는 $Kk=\backslash frac\{Kx\}\{Ke\}$ (무차원)이다.

이 값은 자연 지구화학적 과정을 통해 지각 내 풍부도에서 광석으로 상품이 얼마나 농축되었는지를 나타내며, 해당 상품이 경제적으로 채굴될 수 있는지에 대한 단서가 된다.

5. 한국의 지구화학과 클라크 수

6. 같이 보기