호상철광층
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1. 개요
호상철광층은 얇은 철 산화물 층과 철 성분이 적은 처트 층이 반복되는 형태를 보이는 퇴적암으로, 대부분 시생대와 고원생대에 형성되었으며, 현재 채굴되는 대부분의 철광석을 제공한다. 지구 대기 산소 농도 변화와 관련된 대산소화 사건, 스노우볼 지구 가설 등 지구 환경 변화 연구에 중요한 단서를 제공하며, 전 세계적으로 다양한 유형과 분포를 보인다. 슈페리어형과 알고마형으로 분류되며, 경제적으로 매우 중요한 자원이다.
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| 호상철광층 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 퇴적암 |
| 주성분 | 산화 철, 처트 |
| 부성분 | 기타 |
| 생성 시기 | 선캄브리아 시대 |
| 학술 용어 | |
| 영어 | Banded Iron Formation |
2. 역사적 배경
호상철광층은 주로 선캄브리아 시대, 특히 시생누대와 원생누대에 걸쳐 형성된 독특한 퇴적암이다.[3] 이 암석의 형성은 지구 초기 대기와 해양 환경의 변화, 특히 산소 농도의 변화와 밀접한 관련이 있는 것으로 여겨진다. 주요 형성 이론으로는 대산소화 사건과 관련된 설명과 후기 신원생대의 스노우볼 지구 가설 등이 있다.
2. 1. 클라우드의 가설과 대산소화 사건
후기 시생누대에 띠 모양 철광층 퇴적이 최고조에 달했다가 오로시리아기에 퇴적이 멈춘 것은 대산소화 사건의 중요한 증거로 해석된다. 약 24억 5천만 년 전 이전에는 황의 높은 질량 독립 분별(MIF-S) 현상이 관찰되는데, 이는 당시 지구 대기에 산소가 거의 없었음을 보여준다. 띠 모양 철광층 퇴적이 정점에 달했던 시기는 이러한 MIF-S 신호가 사라지는 시기와 일치한다. 이는 24억 1천만 년에서 23억 5천만 년 사이에 대기 중에 산소가 영구적으로 나타나기 시작했음을 의미한다. 이 시기에는 바다 깊은 곳은 여전히 산소가 없었지만, 얕은 곳은 산화된 상태인 층상 구조의 바다가 만들어졌다. 이후 약 18억 5천만 년 전에 띠 모양 철광층의 퇴적이 멈추게 되는데, 이는 깊은 바다까지 산소가 공급되어 산화되었기 때문으로 여겨진다.[30]
2. 2. 스노우볼 지구 가설
1992년 이전까지는[55] 드물게 발견되는 후기(신 원생대) 호상철광층(BIF)이 국소적으로 산소가 부족했던 특수한 환경에서 형성된 것으로 여겨졌다. 철분이 풍부한 물이 고립된 상태로 존재하다가 나중에 산소가 포함된 물과 만나 철이 침전되었다는 설명이었다. 그러나 1992년 제안된 스노우볼 지구(Snowball Earth) 가설은 이러한 후기 호상철광층 형성에 대한 새로운 설명을 제공했다.[72]스노우볼 지구 가설에 따르면, 약 7억 5천만 년 전부터 5억 8천만 년 전 사이의 극심한 빙하기 동안 지구 표면 대부분이 얼음으로 덮였다. 이로 인해 대기와 해양 사이의 가스 교환이 차단되고, 두꺼운 얼음 아래에서는 광합성이 거의 일어나지 않아 해수 속 산소가 거의 고갈되었다.[5][4][72] 산소가 없는 환경에서는 환원 상태의 철(Fe2+) 이온이 안정적으로 물에 녹을 수 있게 되어, 해저 열수공 등에서 공급된 철이 해수 중에 다량 축적되었다.[56][72] 이후 스노우볼 지구가 끝나고 해빙이 진행되면서 대기로부터 산소가 다시 해양에 공급되자, 녹아있던 철 이온이 산화되어 산화철 형태로 해저에 광범위하게 침전하면서 거대한 호상철광층을 형성했다는 것이다.[5][4][72] 이 시기의 호상철광층 형성은 특히 스터트 빙하기와 밀접한 관련이 있는 것으로 보인다.[57][11]
한편, 스노우볼 지구 시대의 호상철광층 형성에 대한 또 다른 설명도 존재한다. 이 설명은 빙하의 영향으로 해수의 열적 순환이 변하면서, 열수 활동이 활발한 열곡대 주변의 금속이 풍부한 염수가 침전하여 호상철광층을 형성했다는 가설이다.[58] 이 가설은 해당 시기 호상철광층이 빙하 퇴적물에 비해 제한적으로 분포하고, 화산 활동과 연관성을 보이며, 두께 변화가 심하다는 관찰 결과를 근거로 제시한다.[58] 이 메커니즘은 반드시 전 지구적인 해양 무산소 상태를 가정하지 않으며, 스노우볼 지구 모델뿐만 아니라 해양이 완전히 얼지 않았다는 슬러시볼 지구(Slushball Earth) 모델과도 부합할 수 있다.[59][11]
3. 특징
호상철광층(en: Banded Iron Formation, BIF)은 철(Fe) 성분이 풍부한 퇴적암의 일종으로, 주로 철 산화물이 풍부한 층과 규산염(주로 처트)이 풍부한 층이 수 밀리미터에서 수 센티미터 두께로 번갈아 쌓여 나타나는 독특한 줄무늬(호상) 구조를 특징적으로 보여준다.[1][2][3][4][71] 이 암석은 정의상 15% 이상의 철을 함유해야 하지만, 대부분은 무게 기준으로 약 30% 내외의 높은 철 함량을 가진다.[5][6]
물리적으로 매우 단단하고 밀도가 높으며 풍화와 침식에 강한 특성을 지닌다.[2] 이러한 특성 때문에 오래된 지층이 남아있는 지역에서 잘 보존된 형태로 발견되는 경우가 많다. 호상철광층은 대부분 선캄브리아 시대, 특히 시생대와 고원생대(약 38억 년 전 ~ 19억 년 전)의 해저 환경에서 광범위하게 형성된 것으로 알려져 있다.[72] 일부는 신원생대에도 형성되었다.[12][13][9]
호상철광층은 전 세계 철광석 매장량의 대부분을 차지하는 매우 중요한 자원이다.[71] 북아메리카, 오스트레일리아, 남아프리카 공화국, 브라질, 러시아, 우크라이나, 중국 등 세계 여러 지역에 걸쳐 두께 수백 미터, 길이 수백 킬로미터 이상에 달하는 거대한 규모로 분포한다.[5][71] 이러한 대규모 광상은 노천 채굴 방식으로 개발되는 경우가 많다.[71]
호상철광층은 그 구성 광물, 퇴적 환경, 형성 시기 등에 따라 다양한 세부 유형으로 분류되기도 하며, 이는 하위 섹션에서 더 자세히 설명된다.
3. 1. 형태 및 구성
전형적인 호상철광층(Banded Iron Formation, BIF)은 은색에서 검은색을 띠는 철 산화물 층과 철 성분이 적은 처트 층이 반복적으로 쌓여있는 모습을 보인다. 철 산화물 층은 주로 자철광(Fe3O4) 또는 적철광(Fe2O3)으로 이루어져 있으며, 각 층의 두께는 수 밀리미터에서 수 센티미터 정도이다. 처트 층 역시 비슷한 두께를 가지며 종종 붉은색을 띤다.[1][2][3][4] 하나의 호상철광층 암체는 두께가 수백 미터에 달하고, 수평적으로는 수백 킬로미터까지 넓게 분포하기도 한다.[5]호상철광층은 화학적으로 침전된 퇴적암으로, 철(Fe) 함량이 15% 이상인 암석으로 정의된다. 하지만 대부분의 호상철광층은 이보다 훨씬 높은 철 함량을 가지며, 일반적으로 무게 기준으로 약 30% 정도의 철을 포함한다. 이는 암석의 약 절반이 철 산화물이고 나머지 절반이 실리카(SiO2)임을 의미한다.[5][6] 호상철광층 내 철은 산화된 상태인 Fe(III)와 환원된 상태인 Fe(II)가 거의 비슷한 비율로 존재하며, Fe(III)/Fe(II+III) 비율은 보통 0.3에서 0.6 사이이다. 이는 자철광(비율 0.67)이 우세하게 나타나는 경향을 반영하며, 적철광의 비율은 1이다.[4] 철 산화물 외에도 철이 풍부한 탄산염 광물인 능철석(FeCO3)과 앵커라이트(Ca(Fe,Mg,Mn)(CO3)2), 또는 철이 풍부한 규산염 광물인 민네소타이트 및 그리날라이트를 포함하기도 한다. 대부분의 호상철광층은 화학적으로 단순하여 철 산화물, 실리카, 소량의 탄산염만으로 구성되는 경우가 많다.[5] 일부는 상당량의 칼슘(Ca)과 마그네슘(Mg)을 함유하기도 하는데, 산화물 형태로 각각 최대 9%와 6.7%까지 보고된 바 있다.[8][12]
성분에 따라 호상철광층은 크게 세 가지 암상(facies)으로 분류되기도 한다. 모든 암상은 수 cm 이하 두께의 철이 풍부한 층과 철이 적은 규산염 광물 위주의 층이 반복되는 줄무늬 구조를 보인다.[73]
단수형 '호상철광층'은 위에서 설명한 특정 암석의 종류(암상)를 지칭하는 용어이다.[1] 반면, 복수형 '호상철광층들'은 주로 이러한 암석으로 구성된 지층 단위(층서 단위)를 비공식적으로 부를 때 사용된다.[7]
잘 보존된 호상철광층은 일반적으로 두께가 수 미터에 달하는 '거대 층'(macroband)으로 구성되며, 이 거대 층들은 얇은 셰일 층에 의해 분리된다. 각 거대 층은 다시 수 밀리미터에서 수 센티미터 두께의 처트와 철 산화물이 교대로 나타나는 특징적인 '중간 층'(mesoband)으로 이루어진다. 많은 처트 중간 층 안에는 두께 1mm 미만의 철 산화물 '미세 층'(microband)이 포함되어 있기도 하다. 반면, 철 중간 층은 상대적으로 내부 구조가 뚜렷하지 않다. 호상철광층은 매우 단단하고 밀도가 높아 침식에 강하며, 멀리서도 층리 구조의 세부적인 모습을 잘 보여준다. 이는 파도나 조류의 영향이 없는 비교적 깊고 잔잔한, 즉 매우 낮은 에너지의 퇴적 환경에서 형성되었음을 시사한다.[2] 또한 호상철광층은 다른 종류의 암석과 거의 섞이지 않고 뚜렷한 경계를 가지며 독립적인 단위로 나타나는 경향이 있다.[5]
thumb에서 채취한 호상철광층 표본의 확대 사진]]
오대호 지역과 서부 호주의 프레르 형성(Frere Formation)에서 발견되는 호상철광층은 전형적인 모습과 다소 차이가 있어 '과립형 철 형성'(Granular Iron Formation, GIF)으로 불리기도 한다.[8][5] 이들의 철 퇴적물은 모래알 같은 과립질 또는 알갱이(oolitic) 형태를 띠며, 직경 약 1mm 정도의 개별 입자로 구성된다. 또한 처트 중간 층에 미세 층이 없고, 중간 층 자체가 더 불규칙하며 멀리까지 연속적으로 이어지지 않는다. 물결 자국(ripple mark)과 같은 퇴적 구조가 관찰되기도 하며, 종종 조립질(굵은 입자)에서 중립질(중간 크기 입자)의 화산쇄설성 퇴적물(암석 풍화로 생성된 퇴적물)과 함께 나타난다. 이러한 특징들은 파도의 움직임에 의해 퇴적물이 교란되는 얕은 물에서의 더 높은 에너지 퇴적 환경을 나타내는 것으로 해석된다. 하지만 다른 특징들은 일반적인 호상철광층과 유사하다.[8]
대부분의 호상철광층은 시생대나 고원생대에 형성되었지만, 일부는 신원생대에도 형성되었다. 신원생대 호상철광층은 종종 빙하 퇴적물과 함께 발견되며[12][13][9] (항상 그런 것은 아님[10]), 빙하에 의해 운반된 암석 조각인 낙석(dropstone)을 포함하기도 한다.[12] 또한, 자철광보다 적철광이 우세하여 더 높은 수준의 산화를 보이며,[13] 일반적으로 무게 기준으로 약 1% 정도의 소량의 인산(P2O5)을 함유하는 특징이 있다.[13] 중간 층 구조는 종종 불량하거나 아예 없으며,[11] 퇴적물이 굳기 전에 변형된 연성 퇴적 변형 구조가 흔하게 나타난다. 이는 매우 빠른 속도로 퇴적되었음을 시사한다.[14] 이러한 차이점에도 불구하고 신원생대 지층에서 발견되는 이러한 철 퇴적물 역시 널리 호상철광층으로 분류된다.[12][13][14][4][15][16]
호상철광층은 대부분의 현생대 철암(ironstone)과는 구별된다. 현생대 철암은 비교적 드물게 나타나며, 해양 무산소 사건 동안 퇴적 분지에 자유 산소가 고갈되었을 때 형성된 것으로 여겨진다. 이들은 상당한 양의 인(P)을 함유하지만, 호상철광층의 특징인 처트 층은 거의 없고 주로 철 규산염과 산화물로 구성된다.[9]
호상철광층을 분류하는 통일된 체계는 아직 완전히 정립되지 않았다.[5] 초기 분류 시도 중 하나는 1954년 해롤드 로이드 제임스(Harold Lloyd James)가 제안한 것으로, 퇴적 깊이에 따라 산화물상, 탄산염상, 규산염상, 황화물상의 네 가지 암상으로 나누었으나,[1] 이 모델은 널리 받아들여지지 않았다.[5] 1980년 고든 A. 그로스(Gordon A. Gross)는 퇴적 분지의 특성에 따라 호상철광층을 알고마(Algoma) 유형과 수피리어 호(Lake Superior) 유형으로 나누는 분류법을 제안했는데, 이는 비교적 널리 사용되고 있다.[17]
| 구분 | 특징 | 관련 암석 | 추정 환경 |
|---|---|---|---|
| 알고마 유형 | 비교적 작은 분지, 광상 범위 수 km | 회색사암, 화산암 | 화산 중심부 근처의 해저 환경 |
| 수피리어 호 유형 | 더 큰 분지, 대규모 광상 | 검은 셰일, 석영암, 백운석, 소량의 응회암 | 안정적인 대륙붕 환경 |
- 알고마 유형: 회색사암 및 기타 화산암과 함께 비교적 작은 분지에서 발견되며, 화산 중심과 관련된 것으로 추정된다. 수피리어 호 유형보다 오래된 시대에 형성된 것으로 보이며, 광상 규모가 수 km 정도로 작고 분포도 적다. 주변에 화산 유래 암석이 많아 화산 활동의 영향을 받은 것으로 여겨지며,[74] 칼슘과 망간 함량이 비교적 높아, 초기에는 탄산염암 형태로 침전되었다가 이후 변성 작용을 거쳐 산화철 광물로 변했을 가능성도 제기된다.[75]
- 수피리어 호 유형: 검은 셰일, 석영암, 백운석 등과 함께 더 큰 분지에서 발견되며, 비교적 소량의 응회암이나 기타 화산암을 포함한다. 안정적인 대륙붕 환경에서 형성된 것으로 추정된다. 대부분의 호상철광층은 이 유형에 속하며, 미국의 슈피리어호 북쪽 광상이나 오스트레일리아, 남아프리카 공화국 등의 대규모 광상이 해당한다. 시아노박테리아의 광합성 활동으로 인한 산소 공급이 형성 원인으로 추정된다.
이 분류는 호상철광층 자체의 암석학적 특징보다는 퇴적 분지의 환경에 초점을 맞추고 있다는 점에서 비판도 제기되어 폐기를 주장하는 학자들도 있다.[2][18] 그럼에도 불구하고 알고마 유형과 수피리어 호 유형 구분은 여전히 사용되고 있다.[19][20]
호상철광층의 특징적인 줄무늬 구조가 형성된 정확한 원인에 대해서는 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 해양 조건의 계절적 변화 등이 원인으로 추정되지만 확실하지 않다. 또한, 철 산화물이 단순히 화학적으로 침전된 것인지, 아니면 생물이 관여하는 생물 광화 작용(biomineralization)의 결과인지에 대해서도 논의가 진행 중이다.[81] 알고마 유형의 구체적인 생성 메커니즘 역시 아직 불분명한 부분이 많다.
3. 2. 화학 조성
호상철광층은 화학적으로 침전된 퇴적암으로, 철(Fe) 함량이 15% 이상인 암석으로 정의된다.[5] 그러나 대부분의 호상철광층은 이보다 더 높은 철 함량을 가지며, 일반적으로 무게 기준으로 약 30%에 달한다. 이는 암석의 약 절반이 철 산화물이고 나머지 절반은 실리카임을 의미한다.[5][6]호상철광층의 철은 산화된 철(III)(Fe(III)) 형태와 환원된 철(II)(Fe(II)) 형태로 거의 균등하게 나뉘어 존재한다. Fe(III)과 Fe(II+III)의 비율은 보통 0.3에서 0.6 사이이며, 이는 자철광(Fe3O4)이 우세함을 시사한다 (자철광의 비율은 0.67, 적철광 Fe2O3의 비율은 1).[4] 주요 철 산화물인 적철광과 자철광 외에도, 철 퇴적물에는 철이 풍부한 탄산염 광물인 능철석(FeCO3)과 앵커라이트, 또는 철이 풍부한 규산염 광물인 민네소타이트 및 그리날라이트가 포함될 수 있다.[5][73] 대부분의 호상철광층은 화학적으로 단순하여 철 산화물, 실리카, 그리고 소량의 탄산염만 함유하고 있다.[5] 일부 호상철광층은 상당한 양의 칼슘(Ca)과 마그네슘(Mg)을 포함하기도 하는데, 산화물 형태로 각각 최대 9%와 6.7%까지 함유할 수 있다.[8][12]
호상철광층은 그 성분에 따라 세 가지 주요 암상으로 분류될 수 있다. 모든 암상은 수 cm 이하 두께의 철이 풍부한 층과 철이 적은 규산염 광물 위주의 층이 반복되는 특징적인 줄무늬 구조를 보인다.[73]
- 산화철상: 철 함량이 30~35%로 가장 높아 철광석으로서 중요하다. 광물 조성은 적철광(Fe2O3) 위주, 자철광(Fe3O4) 위주, 또는 두 광물의 혼합물로 이루어진다.[73]
- 탄산염상: 철 함량이 25~30% 정도로 상대적으로 낮다. 주요 함철 광물은 탄산염인 능철광(FeCO3)이다.[73]
- 규산염상: 철 함량이 25~30% 정도이다. 철과 규산염의 복합 화합물인 철사문석(Fe6Si4O10(OH)8) 등을 포함한다.[73]
신원생대에 형성된 일부 호상철광층은 몇 가지 화학적 특징에서 차이를 보인다. 이들은 시생대나 고원생대의 호상철광층보다 더 높은 산화 수준을 나타내며, 자철광보다 적철광이 우세한 경향이 있다.[13] 또한, 일반적으로 무게 기준 약 1% 정도의 소량의 인산(P2O5)을 포함하는 특징이 있다.[13] 이는 대부분의 현생대 철암과도 구별되는 점인데, 현생대 철암은 인 함량이 높고 호상철광층의 특징인 처트가 거의 없는 반면, 호상철광층은 인 함량이 낮고 처트가 풍부하다.[9]
3. 3. 유형
호상철광층은 그 구성 성분, 퇴적 환경, 형성 시기 등에 따라 여러 유형으로 나눌 수 있다. 명확하게 합의된 분류 체계는 아직 없으나[5], 일반적으로 암상이나 퇴적 분지의 특성을 기준으로 분류한다.암상에 따른 분류호상철광층은 주로 어떤 철 함유 광물로 이루어져 있는지에 따라 분류될 수 있다. 1954년 해롤드 로이드 제임스(Harold Lloyd James)는 산화물상, 탄산염상, 규산염상, 황화물상의 네 가지 암상으로 분류할 것을 제안했으나[1], 이 분류가 퇴적 깊이를 반영한다는 그의 가정은 현재 유효하지 않은 것으로 여겨진다.[5] 그럼에도 암상에 따른 구분은 여전히 사용된다.
- 산화철상: 철(Fe) 함량이 30~35%로 가장 높으며, 철광석으로서의 가치가 높다. 주로 적철광(Fe2O3)이나 자철광(Fe3O4), 또는 이 둘의 혼합물로 구성된다.[73] 대부분의 호상철광층은 철 산화물과 실리카(주로 처트)가 주를 이루며, 철 함량은 일반적으로 무게 기준 약 30%이다.[5][6] 철은 산화된 Fe(III)과 환원된 Fe(II) 형태로 거의 비슷하게 존재하며, 이는 자철광이 우세함을 시사한다.[4]
- 탄산염상: 철 함량은 25~30% 정도이다. 주요 철 함유 광물로 탄산염인 능철광(FeCO3)이나 앵커라이트를 주로 포함한다.[5][73]
- 규산염상: 철 함량은 25~30% 정도이다. 주요 철 함유 광물로 철이 풍부한 규산염인 민네소타이트, 그리날라이트, 철사문석(Fe6Si4O10(OH)8) 등을 포함한다.[5][73]
- 황화물상: 주로 황철석을 포함하며, 다른 유형에 비해 드물게 나타난다.
대부분의 호상철광층은 화학적으로 단순하여 철 산화물, 실리카, 소량의 탄산염만 포함하지만[5], 일부는 상당량의 칼슘과 마그네슘을 함유하기도 한다.[8][12]
퇴적 분지 특성에 따른 분류 (그로스, 1980)1980년 고든 A. 그로스(Gordon A. Gross)는 퇴적 분지의 지질학적 환경에 따라 호상철광층을 크게 두 가지 유형으로 나누었다.[17] 이 분류는 널리 받아들여졌지만, 호상철광층 자체의 암상이 아닌 퇴적 분지의 특성에 기반한다는 점에서 비판도 있다.[2][18] 그럼에도 이 분류는 계속 사용되고 있다.[19][20]
- 알고마(Algoma) 유형:
- -
- 주로 시생대의 그린스톤 벨트 내에서 발견된다.
- 회색사암이나 화산암, 화산쇄설물과 함께 나타나며, 화산 활동과 관련이 깊은 것으로 추정된다.[17][82]
- 비교적 작은 규모의 분지(두께 약 100m, 면적 수십 제곱킬로미터 이하)에서 형성된다.[82]
- 탄산염상과 황화물상이 잘 발달하며, 수평적인 암상 변화가 심하고 호상 구조는 수피리어 유형보다 불분명한 경우가 많다.[82]
- 금 광화 작용이 함께 관찰되기도 한다.[82]
- 철과 실리카의 기원을 화산 분출물[82] 또는 해저 열수 분출공에서 유래한 것으로 보는 견해가 있다.[82]
- 수피리어 호(Lake Superior) 유형:
- 주로 고원생대에 형성되었으며, 북아메리카 슈피리어호 주변, 오스트레일리아, 남아프리카 공화국 등의 대규모 광상이 이 유형에 해당한다.[71]
- 검은 셰일, 석영암, 백운석 등과 함께 발견되며, 비교적 안정된 대륙붕 환경에서 퇴적된 것으로 추정된다.[17]
- 알고마 유형보다 훨씬 큰 규모의 분지(두께 수백 미터, 길이 수백 킬로미터 이상)에서 나타난다.[5][71]
- 산화철상, 탄산염상, 규산염상을 주체로 한다.[71]
- 형성 원인은 주로 시아노박테리아의 광합성 활동으로 인한 산소 공급 증가와 관련된 것으로 여겨진다.[71]
특징적인 기타 유형
- 과립형 철 형성 (Granular Iron Formation, GIF): 미국 오대호 지역과 서부 호주의 프레르 형성(Frere Formation) 등에서 나타나는 유형이다.[8][5] 철 퇴적물이 모래알 크기(직경 약 1mm)의 과립 또는 알갱이(oolitic) 형태를 띠며, 처트 중간층에 미세한 철 산화물 층이 없는 것이 특징이다. 물결 자국 등 퇴적 구조가 나타나고 층의 연속성이 짧으며, 굵은 입자의 화산쇄설성 퇴적물과 함께 발견되는 경우가 많다. 이는 파도의 영향을 받는 얕은 물의 고에너지 환경에서 퇴적되었음을 시사한다.[8]
- 신원생대 호상철광층: 대부분의 호상철광층이 시생대나 고원생대에 형성된 것과 달리, 약 7억 년 전 신원생대에 형성된 소수의 호상철광층도 존재한다.[12][13][9][72] 이들은 종종 스노우볼 지구 가설과 관련된 빙하 퇴적물과 함께 발견되며, 빙하에 의해 운반된 낙석(dropstone)을 포함하기도 한다.[12][10] 적철광이 자철광보다 우세하여 더 높은 산화 상태를 보이며[13], 소량(약 1%)의 인산을 함유하는 특징이 있다.[13] 층상 구조가 불량하거나 없고[11], 퇴적물이 굳기 전에 변형된 연성 퇴적 변형 구조가 흔하게 나타나는데, 이는 매우 빠른 퇴적 속도를 시사한다.[14]
현생대 철암과의 차이호상철광층은 대부분의 현생대 철암과는 구별된다. 현생대의 철암은 비교적 드물며, 해양 무산소 사건 때 산소가 부족한 환경에서 퇴적된 것으로 여겨진다. 이들은 상당량의 인을 포함하고 처트가 거의 없다는 점에서 호상철광층과 다르다.[9]
갤러리
4. 분포
호상철광층은 거의 선캄브리아대에만 존재하며, 대부분의 퇴적층은 후기 시생대(28억–25억 년 전)에 해당한다. 고원생대 오로시리아기(18억 5천만 년 전)에 2차적인 퇴적 집중기가 있었으며, 초기 시생대와 신원생대(7억 5천만 년 전)에도 소량이 퇴적되었다.[5][4] 가장 젊은 호상철광층은 서부 중국의 초기 캄브리아기 지층에서 발견된다.[16] 호상철광층의 형성은 초기 지질 시대에 국한된 과정으로 보이며, 선캄브리아 시대 세계의 특수한 조건을 반영할 수 있어 지질학자들의 주요 연구 대상이 되어왔다.[5][4]
호상철광층은 전 세계 모든 대륙의 모든 대륙 순상지에서 발견된다. 가장 오래된 호상철광층은 녹색암 벨트와 관련 있으며, 알려진 가장 오래된 이수아 녹색암 벨트의 호상철광층(추정 연령 37억~38억 년)을 포함한다.[5][21] 캐나다의 테마가미 녹색암 벨트[22]에 있는 호상철광층은 27억 3600만 년 전부터 26억 8700만 년 전 사이의 5천만 년에 걸쳐 형성되었으며, 두께는 60m에 달한다.[23] 초기 시생대 호상철광층의 다른 예로는 아비티비 녹색암 벨트, 윌가른 및 필바라 크레이턴의 녹색암 벨트, 발트 순상지, 그리고 아마존, 중국 북부, 남부 아프리카, 서부 아프리카의 크레이턴 등에서 발견된다.[5]
가장 광범위한 호상철광층은 후기 시생대에 속하며 녹색암 벨트와는 관련이 없는, 소위 '대 곤드와나 호상철광층'으로 불리는 것들이다. 이들은 상대적으로 변형되지 않았으며, 서호주의 해머슬리 산맥처럼 광범위한 지형 고원을 형성한다.[2] 해머슬리 산맥의 호상철광층은 24억 7천만 년 전에서 24억 5천만 년 전에 퇴적되었으며, 세계에서 가장 두껍고 광범위한 규모를 자랑하며[4][26] 최대 두께는 900m를 초과한다.[8] 유사한 대규모 호상철광층은 아마존 크레이턴의 카라자스 지층, 상프란시스쿠 크레이턴의 카우에 이타비리테, 남아프리카의 쿠루만 철 형성 및 펨지 철 형성, 그리고 인도 순상지의 물라이응기리 지층 등에서도 발견된다.[5]
고원생대 호상철광층은 북미의 아이언 레인지와 캐나다 순상지의 다른 지역에서 발견된다.[5] 아이언 레인지는 메사비 산맥, 버밀리온 산맥, 건플린트 산맥, 그리고 쿠유나 산맥의 네 주요 퇴적층으로 구성되며, 모두 애니미키 그룹의 일부로 25억 년 전에서 18억 년 전 사이에 퇴적되었다.[27] 이 시기의 호상철광층은 주로 과립상 철 형성(eng)의 특징을 보인다.[5]
신원생대 호상철광층은 브라질의 우루쿰, 유콘의 라피탄, 남아프리카의 다마라 벨트 등에서 발견된다.[5] 이들은 상대적으로 규모가 작아 수평적 범위가 수십 킬로미터를 넘지 않고 두께도 약 10m 정도이다.[13] 이들은 "스노우볼 지구" 가설과 관련된 특이한 무산소 해양 조건에서 퇴적된 것으로 널리 여겨진다.[2]
호상철광층은 선캄브리아 시대의 해저에 퇴적된 산화철을 주성분으로 하는 퇴적 광상이다. 북아메리카나 오스트레일리아에는 두께가 수백 미터, 길이가 수백 킬로미터 이상에 달하는 대규모 광상이 존재하며, 전 세계 철광석 매장량(약 1500억 톤)의 대부분을 차지한다. 또한 기계화된 대규모 채굴이 가능하여 현재 세계 철광석 수요(연간 약 6억 톤)의 대부분을 충당하고 있다. '호상철광층'이라는 이름은 철 성분이 풍부한 층과 주로 규산염 광물로 이루어진 층이 각각 두께 0.5~3cm 정도로 번갈아 나타나며 세밀한 줄무늬(호층) 구조를 이루는 데서 유래했다.[71]
주요 산출 시기는 38억 년 전부터 19억 년 전까지이며, 그 이후로는 약 7억 년 전의 한 시기에만 퇴적되었다. 특히 27억 년 전부터 19억 년 전 사이에 매우 큰 규모의 광상이 형성되었다.[72] 예를 들어, 북아메리카 대륙 캐나다 동부의 래브라도에서 퀘벡에 걸쳐 있는 철광상은 길이가 1000km에 달하며, 간헐적으로 이어져 미국의 오대호 주변까지 약 2000km 이상 뻗어 있다. 그 외에도 오스트레일리아(해머슬리), 구 소련(쿠르스크 및 크리비 리), 남아메리카, 인도, 중국(지린성), 남아프리카 공화국, 북유럽(스웨덴 키루나 등)에 대규모 광상이 분포한다.
이러한 광산에서는 대규모 노천 채굴이 이루어지며, 내륙 광산에서 항구까지는 긴 화물 열차로 운반된다. 예를 들어 남아프리카 공화국에서는 전장 2660m, 총 중량 2만 톤 규모의 화물 열차가 운행되기도 한다.
호상철광층은 그 성분에 따라 크게 세 가지 암상으로 분류된다. 모든 암상은 수 cm 이하 두께의 철분이 풍부한 층과 철분이 적은 규산염 광물 위주의 층이 반복되어 줄무늬 구조를 보인다. 철(Fe) 함량이 가장 높고(30~35%) 철광석으로서 중요한 것은 "산화철상"이다. 이는 적철광(Fe2O3) 또는 자철광(Fe3O4)이 주성분이거나 두 광물이 혼합된 형태이다. 그 외에 철 함량이 25~30% 정도로 낮아 철광석으로서의 가치가 상대적으로 떨어지는 "탄산염상"과 "규산염상"이 있다. 탄산염상은 능철광(FeCO3)을 주요 함철 광물로 포함하며, 규산염상은 철사문석(Fe6Si4O10(OH)8)과 같은 복잡한 철-규산염 화합물을 포함한다.[73]
또한 산출 상태에 따라 "슈피리어형(eng)"과 "알고마형(eng)"으로 분류하기도 한다. 대부분의 호상철광층은 슈피리어형으로 산출된다. 이는 미국의 슈피리어호 북쪽 광상이나 오스트레일리아, 남아프리카 공화국 등의 대규모 광상에 해당하며, 시아노박테리아의 활동에 의한 산소 공급과 관련하여 생성된 것으로 여겨진다. 성분은 주로 산화철상, 탄산염상, 규산염상이다. 반면 알고마형은 슈피리어형보다 오래된 시대에 무산소 환경 하에서 생성된 광상으로, 광상의 범위는 수 km 정도로 슈피리어형보다 훨씬 작고 분포 빈도도 낮다. 알고마형은 주변에서 화산 활동의 증거인 암석이 발견되는 경우가 많아 화산 활동의 영향을 받은 것으로 보며,[74] 칼슘과 망간 함량이 비교적 높아 탄산염암으로 침전된 후 퇴적 과정에서 산화철 광물로 변성된 것으로 추정하기도 한다.[75]
아래는 전 세계 주요 호상철광층 분포 지역의 예시이다.
| 지역 | 유형 (추정 시대) | 관련 링크 |
|---|---|---|
| 리샤르-몰라르산 | 시생대 | 리샤르-몰라르산 |
| 펨지 | 시생대 (대 곤드와나) | 펨지 |
| 카프발 크레이턴 | 시생대 | 카프발 크레이턴 |
| 그리퀄랜드 웨스트 | 시생대 | 그리퀄랜드 웨스트 |
| 크리비 리 | 시생대 (대 곤드와나) | 크리비 리 |
| 쿠르스크 | 시생대 | 쿠르스크 |
| 코스토무크샤 광산 | 시생대 | 코스토무크샤 광산 |
| 바바 부단 기리 | 시생대 | 바바 부단 기리 |
| 오디샤 | 시생대 | 오디샤 |
| 필바라 | 시생대 | 필바라 |
| 해머슬리 산맥 | 시생대 (대 곤드와나) | 해머슬리 산맥 |
| 윌가른 크레이턴 | 시생대 | 윌가른 크레이턴 |
| 프레르 지층 | 과립상 철 형성 (고원생대) | 프레르 지층 |
| 미들백 산맥 | 시생대 | 미들백 산맥 |
| 안산 | 시생대 | 안산 |
| 유콘 지역 | 스노우볼 지구 (신원생대) | 유콘 |
| 이수아 철광산 | 시생대 (가장 오래됨) | 이수아 철광산 |
| 아비티비 금광대 | 시생대 | 아비티비 금광대 |
| 래브라도 | 과립상 철 형성 (고원생대) | 래브라도 |
| 아이언 레인지 | 과립상 철 형성 (고원생대) | 아이언 레인지 |
| 베네수엘라 | 시생대 | 베네수엘라 |
| 카라자스 광산 | 시생대 (대 곤드와나) | 카라자스 광산 |
| 코룸바 | 스노우볼 지구 (신원생대) | 코룸바 |
| 미나스제라이스 | 시생대 | 미나스제라이스 |
5. 형성 과정
호상철광층(BIF)은 주로 선캄브리아 시대의 해저에 퇴적된 산화철을 주성분으로 하는 퇴적 광상이다. 이 광상의 형성은 지구 초기 환경의 극적인 변화, 특히 해양과 대기의 산소 농도 변화와 밀접하게 연관되어 있다. 호상철광층이라는 이름은 철이 풍부한 층과 규산염 광물이 풍부한 층이 번갈아 나타나는 특징적인 줄무늬 구조에서 유래했다.[71]
형성 과정은 크게 세 단계로 나누어 볼 수 있다. 첫째, 당시 산소가 거의 없던 바닷물에는 화산 활동이나 열수 분출공 등을 통해 공급된 철 이온(주로 Fe2+)이 다량 용해되어 있었다(*초기 조건*). 둘째, 시아노박테리아와 같은 미생물의 광합성 활동 등으로 산소가 발생하면서, 이 산소가 철 이온을 산화시켜 물에 녹지 않는 형태로 침전시켰다(*산화 및 침전*). 셋째, 이렇게 침전된 철 성분과 규산염 성분이 쌓이고 굳어져 오늘날의 호상철광층 암석이 되었다(*속성 작용*).
철의 공급원이나 퇴적 환경의 차이에 따라 형성 시기와 특징이 다른 알고마형(Algoma-type)과 슈피리어형(Superior-type) 호상철광층으로 구분되기도 한다. 알고마형은 주로 시생누대에 형성되었으며 열수 분출공과 관련된 철 공급원의 특징을 보이는 반면, 슈피리어형은 주로 고원생대에 형성되었고 대륙 풍화로 인한 철 공급의 영향이 더 큰 것으로 해석된다.[4][12][42]
규칙적인 줄무늬 구조가 형성된 정확한 원인에 대해서는 해양 조건의 계절적 변화, 미생물 활동의 주기성 등 여러 가설이 존재하며[5][29][38][81], 철 침전 과정에서 생물의 직접적인 관여 여부(생물 광화 작용)에 대한 논의도 계속되고 있다.[81] 호상철광층 형성 과정의 각 단계에 대한 자세한 내용은 아래 하위 섹션에서 설명한다.
5. 1. 초기 조건
호상철광층(BIF)이 쌓이기 위해서는 몇 가지 조건이 먼저 갖춰져야 했다.[11]# 퇴적되는 분지에 철 성분이 풍부한 물이 포함되어 있어야 한다.
# 물속에 녹아있는 산소(용존 산소)가 거의 없는 무산소 상태여야 한다. 산소가 있으면 제1철(Fe2+)이 쉽게 제2철(Fe3+)로 산화되어 버려, 많은 양의 철이 퇴적 장소까지 운반되기 어렵기 때문이다.
# 물속에 황화수소(H2S)가 풍부한 유황 상태여서는 안 된다. 황화수소가 있으면 제1철 이온이 황철석(FeS2)으로 가라앉아 버린다.
# 퇴적 분지 안에서 제1철 이온을 꾸준히 제2철 이온으로 바꾸는 산화 작용이 일어나야 한다.
퇴적 분지에는 환원된 철(주로 제1철 이온)이 풍부하게 공급되어야 했다.[5] 철의 공급원으로는 해령의 열수 분출공, 바람에 날려 온 먼지, 강이나 빙하를 통해 운반된 물질, 대륙 가장자리에서의 침투 등이 있었을 것으로 추정된다.[11]
이러한 철 공급원의 중요성은 시대에 따라 달랐을 것으로 보이는데, 이는 호상철광층을 알고마형(Algoma-type)과 레이크 슈페리어형(Lake Superior-type)으로 나누는 기준이 되기도 한다.[39][40][41] 주로 시생대에 형성된 알고마형 BIF는 열수 분출공에서 유래한 철의 특징인 긍정적인 유로퓸 이상을 보이는 경우가 많다.[4] 반면, 주로 고원생대에 형성된 레이크 슈페리어형 BIF는 이러한 유로퓸 이상이 뚜렷하지 않아, 대륙의 풍화 작용으로 육지에서 공급된 철의 비중이 더 컸음을 시사한다.[12][42][4]
당시 바다가 무산소 상태이면서도 황화수소가 없는 비유황 상태였던 이유는, 바다로 황이 적게 유입되었거나, 또는 미생물이 황산염을 황화수소로 바꾸는 이화적 황산염 환원(DSR) 활동이 활발하지 않았기 때문일 수 있다. 황화수소가 많으면 철 이온이 황철석으로 가라앉아 버리기 때문에 BIF 형성에 불리하다.[30]
약 18억 년 전에 BIF 퇴적이 거의 멈춘 이유에 대해서는 두 가지 주요 설명 모델이 있다. 하나는 홀랜드 해양(Holland Ocean) 모델로, 당시 심해에 산소가 공급되기 시작하면서 환원된 철의 이동이 어려워졌다는 것이다. 하인리히 홀랜드(Heinrich Holland)는 이 시기 망가니즈 퇴적물이 거의 없는 것을 그 증거로 제시했다. 다른 하나는 캔필드 해양(Canfield Ocean) 모델로, 심해가 황화수소가 풍부한 유황 상태로 변하면서 철이 황철석으로 침전되어 BIF 형성이 중단되었다고 설명한다.[30]
BIF 퇴적 중단과 관련하여 소행성 충돌의 영향도 제기된다. 미국 미네소타 북부의 BIF 위에는 서드베리 분지 충돌 때 발생한 두꺼운 분출물 층이 덮여 있다. 약 10km 크기의 소행성이 18억 4900만 년 전, BIF 퇴적이 멈추던 시기와 비슷하게 약 1000m 깊이의 바다에 충돌했다. 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 이 충돌은 충돌 지점에서 최소 1000m, 약 3000km 떨어진 곳에서도 100m 높이의 거대한 쓰나미를 일으켰을 것으로 추정된다. 이 충돌로 인한 거대한 파도와 대규모 수중 산사태가 당시 층을 이루고 있던 바닷물을 뒤섞어 심해에 산소를 공급했고, 이것이 BIF 퇴적을 갑자기 멈추게 했을 가능성이 있다.[35]
5. 2. 산화 및 침전
호상철광층(BIF)이 퇴적되기 위해서는 몇 가지 전제 조건이 충족되어야 한다.[11]# 퇴적 분지에는 철(Fe)이 풍부한 물이 있어야 한다.
# 물은 무산소 상태여야 한다. 용존 산소가 있으면 제1철(Fe2+)이 몇 시간 또는 며칠 내에 제2철(Fe3+)로 산화되어, 많은 양의 철이 공급원에서 퇴적 분지로 운반되기 어렵다.
# 물은 유신(황화수소가 풍부한 상태) 상태가 아니어야 한다. 그렇지 않으면 제1철이 황철석(FeS2)으로 침전된다.
# 퇴적 분지 내에서 제1철을 꾸준히 제2철로 변환하는 산화 메커니즘이 활성화되어야 한다.
퇴적 분지에는 자유롭게 순환할 수 있는 풍부한 환원철(Fe2+) 공급원이 필요하다.[5] 철의 가능한 공급원으로는 해령을 따라 있는 열수 분출공, 바람에 날린 먼지, 강, 빙하 얼음, 대륙 가장자리에서의 침투 등이 있다.[11] 환원철 공급원의 중요성은 지질 시대에 따라 변화했으며, 이는 BIF를 알고마형과 레이크 슈페리어형으로 구분하는 데 반영된다.[39][40][41] 주로 시생누대에 형성된 알고마형 BIF는 철의 열수 분출공 공급원과 일치하는 긍정적인 유로퓸 이상을 보이는 경향이 있다.[4] 반면, 주로 고원생대에 형성된 레이크 슈페리어형 BIF는 유로퓸 이상이 없어 대륙에서 풍화된 철의 유입이 훨씬 많았음을 시사한다.[12][42][4]
무산소 해양 환경에서 황화 수소(H2S)가 없었던 이유는 심해로의 황 유입 감소 또는 미생물이 황산을 이용해 호흡하는 이화 황산염 환원(DSR)의 부재로 설명될 수 있다. DSR의 생성물인 황화 수소는 용액에서 철을 쉽게 황철석으로 침전시킨다.[30] BIF 퇴적에 무산소 환경은 필요하지만 유황 환경은 필요하지 않다는 점은 18억 년 전 BIF 퇴적이 종료된 이유를 설명하는 두 가지 모델, 즉 "홀랜드 해양" 모델(심해 산소 공급 증가)과 "캔필드 해양" 모델(심해 유황 환경화)로 이어진다.[30] 미국 미네소타 북부의 BIF는 약 18억 4900만 년 전 서드베리 분지 충돌로 인한 두꺼운 사출물 층에 덮여 있다. 이 충돌로 발생한 거대한 쓰나미와 수중 산사태가 해양을 혼합시켜 심해에 산소를 공급했고, 이것이 BIF 퇴적을 종결시켰을 가능성도 제기되었다.[35]
철 산화의 정확한 메커니즘은 논쟁 중이다. 프레스턴 클라우드는 스트로마톨라이트 내 미생물 활동, 특히 초기 남세균(시아노박테리아)에 의한 산소 발생 광합성이 중요하다고 주장했다.[29] 시아노박테리아의 광합성은 수중에 빛이 충분히 도달하는 얕은 곳에서 이루어지며, 발생한 산소 분자(O2)는 해수에 용해되어 Fe2+를 산화시켜 Fe3+로 만든다. Fe3+는 물에 잘 녹지 않아 수산화 제이철(Fe(OH)3) 형태로 침전하고, 탈수되면 적철광(Fe2O3)이 된다. 이러한 과정은 육지에서 멀지 않은 대륙붕이나 대륙사면의 넓은 범위에서 진행된 것으로 추정된다.[71] 무산소성 광합성의 역할이나 비생물학적 과정도 제안되고 있다.
어떤 메커니즘이든, Fe2+가 Fe3+로 산화되면서 철은 수산화철 젤 형태로 침전하고, 규산염 성분은 수화 규산 젤로 침전했을 가능성이 높다.[5] 이 젤들이 BIF로 변환되는 것은 속성 작용의 예이다. 해머슬리 산맥 BIF의 화학적 균질성은 속성 작용이 조성을 크게 바꾸지 않고 원래 젤의 결정화 위주로 일어났음을 시사한다.[5] 오래된 BIF에서 탄소가 부족하고 자철광(Fe3O4)이 우세한 것은 탈탄산 작용 때문일 수 있다.[2] 신원생대 BIF의 비교적 높은 적철광 함량은 퇴적이 빠르게 일어났고, 적철광을 자철광으로 환원시킬 유기 탄소가 거의 없었음을 의미한다.[11]
그러나 BIF가 속성 작용 후기에 탄산염 암석[52]이나 열수성 진흙[53]에서 변형되었을 가능성도 있다. 2018년 연구는 BIF의 자철석이 탈탄산이 아닌, 능철광(사데라이트, FeCO3)의 열분해(3 FeCO3 + H2O → Fe3O4 + 3 CO2 + H2)로 형성되었을 수 있다고 제안했다.[54] 철이 원래 그리날라이트 같은 철 규산염으로 침전되었고, 이후 압축 과정에서 유체 흐름 경로가 생겨 자철석을 형성하는 능철광 풍부 밴드가 만들어졌다는 해석도 있다.[54]
BIF의 특징적인 줄무늬 구조, 즉 밴딩의 형성 원인에 대해서는 여러 가설이 존재한다. 규질층 내의 미세 밴드는 산소 생산량의 연간 변동에 의해 생성된 연변층일 가능성이 제기된다.[5] 중간 크기의 밴딩(수 cm)에 대해서는, 초기 남세균에 의한 자기 독성으로 환원철 공급이 주기적으로 고갈되었다는 설명(클라우드),[29] 퇴적물 압축 과정에서 생성된 2차 구조라는 설명,[5] 해령 활동의 주기적 변화로 환원철 가용성이 변했다는 설명,[38] 또는 얕은 물에서 파동 작용에 의한 퇴적물의 선별 결과라는 설명(과립형 철광층의 경우)[5] 등이 있다. 규칙적인 줄무늬가 생긴 명확한 이유는 아직 밝혀지지 않았으며, 해양 조건의 계절 변화 등이 고려되고 있다.[81] 또한 산화철의 해저 퇴적이 순수한 화학적 침전이었는지, 생물 광화 작용이 관여했는지에 대해서도 논의가 진행 중이다.[81]
5. 3. 속성 작용
철의 산화 메커니즘과 관계없이, 2가 철이 3가 철로 산화되면서 철은 수산화철 젤 형태로 침전되었을 가능성이 높다. 마찬가지로, 호상철광층의 규산염 성분은 수화 규산 젤 형태로 침전되었을 것으로 보인다.[5] 이렇게 형성된 수산화철과 규산 젤이 호상철광층이라는 단단한 암석으로 변환되는 과정을 속성 작용(變成作用, diagenesis)이라고 한다.호상철광층(BIF)이 오늘날 발견되는 것과 거의 동일한 화학 조성을 가진 퇴적물로부터 형성되었다는 증거도 있다. 예를 들어, 오스트레일리아 해머슬리 산맥의 BIF는 화학적으로 매우 균일하며 넓은 지역에 걸쳐 그 특성이 일정하게 나타난다. 이는 원래 퇴적된 수산화철과 규산 젤이 탈수 및 탈탄산 과정을 거치면서 단순히 결정화되었을 뿐, 속성 작용 과정에서 화학 조성이 크게 변하지 않았음을 시사한다.[5] 특히, 오래된 호상철광층에서 탄소가 부족하고 자철석이 풍부하게 나타나는 것은 탈탄산 작용으로 설명될 수 있다.[2] 반면, 신원생대 BIF에 적철석이 상대적으로 많이 포함된 것은 퇴적 속도가 매우 빠르고, 생물체 활동이 적어 적철석을 자철석으로 환원시킬 탄소가 부족했기 때문으로 해석된다.[11]
그러나 호상철광층이 속성 작용의 후기 단계에서 탄산염 암석[52]이나 열수 활동으로 생성된 진흙[53]으로부터 변형되었을 가능성도 제기된다. 2018년의 한 연구에서는 BIF의 자철석이 탈탄산 작용으로 형성되었다는 증거를 찾지 못했으며, 대신 사데라이트(siderite, FeCO3)가 열분해되어 형성되었을 수 있다고 제안했다.[54] 이 반응은 3분자의 능철석(FeCO3)과 1분자의 물(H2O)이 반응하여 자철석(Fe3O4), 3분자의 이산화탄소(CO2), 그리고 수소(H2)를 생성하는 과정이다.
또한, 철이 처음에는 그리날라이트(greenalite)나 다른 철 규산염 형태로 침전되었을 가능성도 있다. 이 경우, 호상철광층의 굵은 띠 구조는 원래의 철 규산염 진흙이 압축되면서 형성된 것으로 해석된다. 압축 과정에서 유체가 흐르는 통로가 만들어지고, 이 통로를 따라 사데라이트가 풍부한 층이 형성되어 이후 자철석으로 변환되었다는 설명이다.[54]
6. 기원 가설
호상철광층 퇴적은 2단계 초기에 최고조에 달하고 3단계 초기에 멈춘다.]]
호상철광층(BIF)은 주로 38억 년 전부터 18억 년 전 사이의 선캄브리아 시대 지층에서 발견되며, 특히 27억 년 전에서 19억 년 전 사이에 대규모로 형성되었다.[72] 이처럼 특정 시기에 집중적으로 형성되고 이후 거의 생성되지 않은 이유에 대해서는 여러 가설이 제시되었다.
가장 널리 알려진 가설은 1968년 프레스턴 클라우드(Preston Cloud)가 제안한 생물학적 산화 모델이다.[31][5][4] 이 가설은 초기 시아노박테리아가 광합성을 통해 산소를 방출했고, 이 산소가 당시 바닷물에 풍부하게 녹아 있던 환원 상태의 철 이온(Fe2+)을 산화시켜 불용성 산화철(Fe3+)로 만들어 해저에 침전시켰다고 설명한다.[31][29] 호상철광층의 형성은 약 24억 년 전 시작된 대산소화 사건과 밀접한 관련이 있으며, 이 사건의 중요한 증거로 여겨진다.[29][30] 호상철광층 퇴적의 정점은 대기 중 산소 농도가 증가하기 시작한 시기와 일치하며, 약 18억 5천만 년 전 퇴적이 거의 멈춘 것은 심해까지 산소가 확산된 결과로 해석된다.[30]
호상철광층 형성에 필요한 막대한 양의 철이 어디서 왔는지도 중요한 문제이다. 주요 철 공급원으로는 해령 주변의 열수 분출공, 대륙 지각의 풍화로 인한 강물 유입, 바람에 날린 먼지 등이 거론된다.[5][11] 철 공급원의 상대적 중요성은 시대에 따라 달랐을 것으로 보이며, 이는 호상철광층을 크게 두 가지 유형, 즉 알고마형과 슈피리어호형으로 구분하는 근거가 된다.[39][40][41] 주로 시생누대에 형성된 알고마형은 열수 분출공 기원의 특징(긍정적 유로퓸 이상)을 보이는 반면,[4] 주로 고원생대에 형성된 슈피리어호형은 대륙 풍화 기원의 철 유입이 더 많았음을 시사한다.[12][42][4]
알고마형 호상철광층의 경우, 주변에서 화산암이나 화산쇄설물이 함께 발견되는 경우가 많아 화산 활동과의 직접적인 연관성이 제기되기도 한다.[74][82] 이는 생물 활동 외에 비생물학적인 과정, 즉 화산 분출이나 열수 활동으로 공급된 철이 직접 침전되었을 가능성을 시사한다.[82]
한편, 약 18억 년 전 이후 호상철광층 퇴적이 거의 중단되었지만,[35] 예외적으로 약 7억 5천만 년 전(신원생대) 즈음에 다시 소규모로 형성된 기록이 있다.[37][72] 이는 스노우볼 지구 가설과 연관지어 설명되기도 한다. 전 지구가 얼음으로 덮였던 시기 동안 해양의 산소 농도가 급격히 낮아져 철 이온이 다시 축적되었고, 이후 해빙기에 산소가 공급되면서 철이 침전되었다는 것이다.[5][4][56]
호상철광층의 특징적인 줄무늬 구조가 형성된 정확한 원인에 대해서는 아직 명확히 밝혀지지 않았으며, 계절 변화나 생물 활동의 주기성 등 다양한 요인이 제안되고 있다.[81]
6. 1. 클라우드의 가설 (생물학적 산화)
줄무늬 철광층(BIF)은 약 24억 년 전에 일어난 대산소화 사건의 초기 증거를 제공한다.[29][30] 1968년, 프레스턴 클라우드(Preston Cloud)는 지구 초기 대기와 해양에 관한 논문을 통해[31] 줄무늬 철광층의 형성을 설명하는 일반적인 틀을 제시했으며, 이는 널리 받아들여지고 있다.[32][33][5][4]
클라우드는 줄무늬 철광층이 다음과 같은 과정으로 형성되었다고 설명했다.[31][29]
# 초기 해양 환경: 당시 깊은 바다는 산소가 없고 환원된 철 이온(Fe2+)이 풍부했다. 이 물이 광합성 유효층(햇빛이 도달하는 얕은 바다)으로 올라왔다.
# 시아노박테리아의 역할: 이 얕은 바다에는 산소를 만들어내는 광합성 능력을 진화시킨 시아노박테리아가 살고 있었다. 하지만 이들은 아직 산소가 풍부한 환경에서 자신을 보호할 효소(예: 초산화물 불균등화 효소)를 가지지 못했다.
# 철의 산화와 침전: 시아노박테리아가 광합성을 통해 산소(O2)를 방출하면, 이 산소는 바닷물에 녹아 있는 철 이온(Fe2+)과 반응하여 산화시킨다. 산화된 철 이온(Fe3+)은 물에 잘 녹지 않는 산화철(녹) 형태로 바뀌어 해저에 가라앉아 쌓였다. 이 과정에서 시아노박테리아는 해수 중의 철 이온이 자신들에게 유독한 반응성 산소 종을 제거해주었기 때문에 생존할 수 있었다.
클라우드는 줄무늬가 나타나는 이유에 대해, 산소로 인한 DNA 손상 때문에 시아노박테리아 개체수가 주기적으로 변동했기 때문이라고 제안했다. 개체수가 많을 때는 산소 발생량이 많아 철 침전이 활발했고(붉은 층), 개체수가 줄면 산소 발생량이 줄어 철 침전이 멈추고 다른 퇴적물(규산염 등)이 쌓였다(흰색 또는 회색 층). 또한, 시생대 초기 퇴적물이 비교적 적었던 이유도 이 때문이라고 설명했다.[31][29]
시생대 말에 줄무늬 철광층 퇴적이 급증한 것은 시아노박테리아가 산소 환경에 적응하는 메커니즘(효소 등)을 진화시킨 결과로 보았다. 이로 인해 시아노박테리아는 더 이상 산소에 의해 죽지 않고 폭발적으로 번성하여 바닷속에 남아있던 철 이온을 빠르게 소모시켰고, 결국 대부분의 줄무늬 철광층 퇴적이 멈추게 되었다. 이후 남은 산소는 바다를 넘어 대기 중으로 축적되기 시작했다고 설명했다.[31][29]
클라우드의 가설 중 일부 세부 사항은 이후 연구를 통해 수정되었다. 예를 들어, 선캄브리아기 지층의 연대 측정이 더 정밀해지면서, 후기 시생대의 줄무늬 철광층 퇴적 최고조기가 산소 적응 메커니즘 진화 직후 짧은 기간에 집중된 것이 아니라, 수천만 년에 걸쳐 점진적으로 이루어졌음이 밝혀졌다.[2] 하지만 클라우드가 제시한 핵심 개념, 즉 환원된 철이 풍부한 심해수가 산소를 생성하는 얕은 바다로 올라와 혼합되면서 철이 산화되고 침전되었다는 기본적인 설명은 여전히 줄무늬 철광층의 기원을 이해하는 데 중요한 틀로 남아 있다.[5][34]
6. 2. 무산소성 광합성
호상철광층(BIF)은 약 24억 년 전에 발생한 대산소화 사건의 중요한 초기 증거를 제공한다.[29][30] 프레스턴 클라우드(Preston Cloud)는 1968년 발표한 논문에서[31] BIF의 퇴적 과정을 설명하는 기본적인 틀을 제시했으며, 이는 BIF의 기원을 이해하는 데 큰 영향을 미쳤다.[5][4]
클라우드는 BIF가 초기 시아노박테리아의 활동 결과로 형성되었다고 주장했다. 이들 시아노박테리아는 산소를 발생시키는 광합성 능력을 진화시켰지만, 당시에는 산소가 풍부한 환경에서 자신을 보호하는 효소(예: 초산화물 불균등화 효소)가 아직 발달하지 않은 상태였다.[31][29] 당시 해양에는 환원 상태의 철 이온(Fe2+)이 풍부하게 녹아 있었는데, 시아노박테리아가 광합성을 통해 방출한 산소는 이 Fe2+와 반응하여 산화시켰다. 산화된 철(Fe3+)은 물에 잘 녹지 않아 불용성 산화철 형태로 침전되어 해저에 쌓였다. 클라우드는 이 과정이 시아노박테리아를 자신이 생성한 산소, 즉 반응성 산소 종의 독성으로부터 보호하는 역할을 했을 것으로 보았다.[31][29]
클라우드는 BIF의 특징적인 줄무늬 구조가 산소 독성으로 인한 DNA 손상 등으로 시아노박테리아 개체수가 주기적으로 변동하면서 형성되었다고 제안했다. 또한, 시생대 말기에 BIF 퇴적이 크게 증가한 것은 시아노박테리아가 산소 환경에 적응하는 메커니즘을 진화시킨 결과라고 설명했다. 이로 인해 시아노박테리아의 개체수가 폭발적으로 증가하면서 바닷속에 녹아 있던 철 이온을 빠르게 소모했고, 결과적으로 대부분의 BIF 퇴적이 중단된 후 산소가 대기 중으로 축적되기 시작했다는 것이다.[31][29]
클라우드 모델의 일부 세부 사항, 예를 들어 BIF 퇴적이 집중된 시기의 정확한 기간 등은 후속 연구를 통해 수정되었다. 선캄브리아기 지층의 연대 측정 결과, 시생대 말 BIF 퇴적의 정점은 클라우드가 생각했던 것보다 훨씬 긴 수천만 년에 걸쳐 일어난 것으로 밝혀졌다.[2] 그럼에도 불구하고, 환원된 철이 풍부한 심해수가 산소가 있는 광합성 유효층으로 유입되어 철 침전을 일으켰다는 그의 기본적인 개념은 여전히 BIF 형성 기작을 설명하는 핵심적인 요소로 받아들여지고 있다.[5][34]
약 30억 년 이전의 지구 대기는 이산화탄소와 질소가 주성분이었고 산소는 거의 존재하지 않았다. 당시 바닷물에는 물에 잘 녹는 2가 철 이온(Fe2+)이 대량으로 용해되어 있었다.[76] 생명의 진화 과정에서 광합성 능력을 갖춘 시아노박테리아가 출현했으며, 이들의 활동 증거로 가장 오래된 것 중 하나는 서호주 27억 년 전 지층에서 발견된 스트로마톨라이트 화석이다.[77] 스트로마톨라이트는 시아노박테리아 군체가 층상으로 성장하며 만든 퇴적 구조물이다.
주로 빛이 잘 드는 얕은 바다에서 활동하는 시아노박테리아가 광합성을 통해 산소를 방출하자, 이 산소는 강력한 산화제로 작용하여 해수에 녹아 있던 Fe2+를 산화시켜 물에 거의 녹지 않는 3가 철 이온(Fe3+)으로 만들었다. 이 Fe3+는 수산화철(Fe(OH)3) 형태로 침전하고, 이후 탈수 과정을 거쳐 적철광(Fe2O3)이나 자철광(Fe3O4)과 같은 안정한 철 산화물이 되어 해저에 쌓였다. 이러한 철 산화물 침전은 주로 대륙붕이나 대륙 사면과 같이 육지에서 멀지 않은 넓은 범위에서 일어난 것으로 추정된다.
호상철광층의 이름 유래가 된 규칙적인 줄무늬(보통 0.5cm~3cm 폭)가 형성된 정확한 원인에 대해서는 해양 환경의 계절적 변화 등 여러 가설이 제시되었으나 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 또한, 철 산화물의 해저 퇴적이 순수한 화학적 침전 과정이었는지, 아니면 생물이 직접 관여하여 광물을 형성하는 생물 광화 작용(biomineralization)이 있었는지에 대해서도 현재 활발한 연구와 논의가 진행 중이다.[81]
6. 3. 비생물학적 산화
알고마형 호상철광층은 주로 시생대의 그린스톤 벨트에서 발견되며, 주변에 화산암이나 화산쇄설물이 함께 나타나는 경우가 많다.[82] 이는 수페리어호형 호상철광층과 비교했을 때 몇 가지 뚜렷한 차이점을 보인다. 알고마형은 수페리어형보다 층의 두께가 얇고 분포 범위도 좁아, 두께는 대개 100m 정도이고 면적은 수십 제곱 킬로미터 이하인 경우가 대부분이다. 또한, 탄산염상과 황화물상이 두드러지게 발달하며, 수평 방향으로 암상의 변화가 심하고, 호상 구조 자체도 수페리어형보다 불분명한 경향이 있다.[82]알고마형 호상철광층의 형성에 대해서는 비생물학적 요인이 중요하게 작용했을 가능성이 제기된다. 캐나다 순상지의 그린스톤 벨트를 연구한 Goodwin (1973) 등은 알고마형 철광층이 화산 활동에 의한 분출물로부터 기원했다고 보았다. 알고마형 철광층에서 금의 광화 작용이 관찰되는 점은 이러한 시생대 화성 활동과의 연관성을 시사하며, 이 견해와 일치한다.[82]
다른 한편으로는, 알고마형과 수페리어형 모두 유로퓸 함량에서 강한 양(+)의 이상을 보이고, 네오디뮴 동위원소 비율이 맨틀 물질(해령 현무암)의 값과 가깝다는 연구 결과도 있다. 이를 근거로 철과 실리카의 기원을 화성 활동보다는 열수 활동에 의한 분출물로 보는 설도 제기되었다.[82] 이 관점에 따르면, 시생대의 중앙 해령 등지에서 철분, 규산염, 탄산염 성분이 바닷물로 공급되고, 이후 산화와 환원 과정을 거쳐 퇴적되면서 호상철광층이 형성되었다는 것이다.[82] 이는 시아노박테리아와 같은 생물의 직접적인 광합성 작용 외에, 해저 열수 분출공과 같은 비생물학적 과정이 철의 공급과 침전에 중요한 역할을 했음을 시사한다.[5][11][4] 실제로 초기 생명의 발생 자체가 열수 분출공 환경과 관련이 깊다고 여겨지며, 스노우볼 지구 가설에서는 극한의 추위 속에서도 심해 열수 분출공 주변에서 생명체가 명맥을 유지했을 것으로 추정하기도 한다.
특히, 생물에 의한 광합성의 뚜렷한 증거가 나타나기 이전인 초기 시생대에도 호상철광층이 형성되었다는 사실은 비생물학적 과정을 통한 철 산화 및 침전 가능성을 뒷받침한다. 예를 들어 그린란드의 이스아 지역에서는 매우 오래된 호상철광층이 발견되는데, 이 시기에는 광합성 생물의 활동이 활발하지 않았을 것으로 추정된다. 이러한 초기 호상철광층은 규모는 후대의 것들에 비해 상당히 작지만, 비생물학적 메커니즘이 초기 지구 환경에서 철광층 형성에 기여했음을 보여주는 중요한 증거로 여겨진다.
6. 4. 스노우볼 지구 가설
1992년 이전까지는[55] 드물게 나타나는 후기(젊은) 호상철광층이 국소적으로 산소가 고갈된 특수한 환경에서 형성되었다고 여겨졌다. 즉, 철분이 풍부한 물이 고립된 상태로 만들어진 후, 산소가 포함된 물과 만나 철이 침전되었다는 설명이다. 하지만 눈덩이 지구 가설은 이러한 젊은 호상철광층의 형성에 대해 다른 설명을 제시했다. 이 가설에 따르면, 약 7억 5천만 년 전에서 5억 8천만 년 전 사이의 극심한 빙하기 동안 지구 전체 또는 대부분이 얼음으로 덮여 해양에는 자유 산소가 거의 없거나 완전히 고갈되었다. 이 산소 부족 상태의 바다에 열수 분출구 등으로부터 철 이온이 녹아 축적되었다.[56] 이후 지구가 녹으면서(해빙) 바다에 다시 산소가 공급되었고, 이때 녹아 있던 철 이온이 산화되어 침전하면서 호상철광층을 형성했다는 것이다.[5][4] 이 시기의 호상철광층은 주로 스터트 빙하기와 관련이 있는 것으로 보인다.[57][11]눈덩이 지구 시대의 호상철광층 형성에 대한 또 다른 설명도 있다. 빙하의 영향으로 해수가 깊은 곳까지 순환하는 열적 전복 현상이 일어나면서, 열수 활동이 활발한 열곡대 부근의 금속 성분이 풍부한 염수에서 철이 침전되었다는 가설이다.[58] 이 가설은 해당 시기 호상철광층이 빙하 퇴적물에 비해 분포 범위가 제한적이고, 화산 활동과 연관되어 있으며, 두께와 분포 양상이 다양하게 나타나는 특징들을 잘 설명해 준다. 이 방식은 반드시 전 지구적인 해양 무산소 상태를 필요로 하지 않으며, 눈덩이 지구 또는 슬러시볼 지구 모델과도 부합한다.[59][11]
눈덩이 지구 시대에 형성된 것으로 추정되는 주요 호상철광층 산지는 다음과 같다. 이 시기의 퇴적량은 이전 시대에 비해 적다.
산지 데이터는[83] 참고.
7. 경제적 중요성
호상철광층은 현재 채굴되는 대부분의 철광석을 공급한다.[6] 전 세계 철 매장량의 60% 이상이 호상철광층 형태로 존재하며, 주로 호주, 브라질, 캐나다, 인도, 러시아, 남아프리카 공화국, 우크라이나, 미국 등지에 분포한다.[39][40]
다양한 광산 지역에서는 호상철광층에 고유한 이름을 붙여 부르기도 한다. "호상철광층"이라는 용어는 미국 슈피리어호 주변의 철광 지역에서 처음 사용되었는데, 이곳의 메사비, 마켓, 큐유나, 고게빅, 메노미니 철광산의 광상은 "재스퍼", "재스필라이트", "철 함유 지층" 또는 타코나이트 등으로도 불린다. 브라질에서는 "이타바라이트", 남아프리카 공화국에서는 "철광석", 인도에서는 "BHQ"(Banded Hematite Quartzite|호상 적철석 규암영어) 등으로 불린다.[6]
호상철광층은 1844년 미국 미시간 북부에서 처음 발견되었으며, 이후 광산 개발은 찰스 R. 반 하이즈와 찰스 케네스 리스 같은 지질학자들의 초기 연구를 이끌었다.[5] 메사비 및 큐유나 산맥의 철광 채굴 작업은 거대한 노천 광산으로 발전하여, 증기 삽과 같은 산업 기계를 이용해 대량의 광석을 채굴했다. 초기에는 호상철광층에서 자연적으로 풍화된 적철석과 게테석 광상을 주로 이용했으며, 1980년까지 약 25억ton의 이 "천연 광석"이 채굴되었다.[60] 1956년부터는 미네소타주 배비트 근처의 피터 미첼 광산에서 호상철광층 자체에서 타코나이트의 대규모 상업 생산이 시작되었다.[61] 2016년 기준, 미네소타의 연간 생산량은 약 4000만ton의 광석 정광으로, 이는 미국 전체 생산량의 약 75%에 해당한다.[60] 자철석이 풍부한 호상철광층인 타코나이트는 분말로 분쇄된 후, 자력 선광을 통해 자철석이 분리되고 펠릿화되어 운송 및 제련에 사용된다.[62]
철광석은 제2차 세계 대전 이후 중요한 국제 교역 상품이 되었으며, 특히 1960년 호주가 철광석 수출 금지를 해제하면서 하멜리 산맥은 세계적인 주요 철광 지역으로 부상했다.[5][24][25][63] 이곳의 호상철광층은 세계에서 가장 두껍고 광범위하며,[4][26] 원래 면적은 약 150000km2에 달했으며, 약 3000억ton의 철을 함유하고 있는 것으로 추정된다.[26] 하멜리 산맥은 호주 전체 확인된 철광석 매장량의 80%를 보유하고 있으며,[64] 매년 1억ton 이상의 철광석이 이곳에서 채굴된다.[65]
브라질의 이타바라이트 호상철광층은 최소 80000km2 면적에 걸쳐 분포하며, 두께는 최대 600m에 이른다.[8] 이 광상들은 철 사변형(Quadrilátero Ferrífero)이라는 지역을 형성하며, 미국과 유사하게 호상철광층에서 풍화된 고품위 적철석을 주로 채굴한다.[66] 철 사변형의 막대한 생산량 덕분에 브라질은 호주에 이어 세계 2위의 철광석 생산국이며, 2007년 12월부터 2018년 5월까지 월평균 약 139299ton의 철광석을 수출했다.[67]
중국 북동부의 안산시에서는 1918년부터 호상철광층에서 철광석을 채굴하기 시작했다. 1931년 일본 제국이 만주를 점령하면서 안산의 제철소는 일본 소유의 독점 기업으로 전환되었고, 이 도시는 제2차 세계 대전 동안 일본의 중요한 전략적 산업 중심지가 되었다. 만주 지역의 철 생산량은 1931-1932년에 100만ton에 달했으며, 1942년까지 안산 쇼와 제철소의 연간 생산 능력은 360만ton에 이르러 세계 주요 철강 중심지 중 하나로 성장했다.[68] 1945년 소련의 만주 점령과 이후의 중국 국공 내전으로 생산이 크게 차질을 빚었으나, 1948년부터 2001년까지 안산 제철소는 2.9억ton의 강철, 2.84억ton의 선철, 1.92억ton의 압연 강재를 생산했다. 2006년 기준 연간 생산 능력은 선철 1000만ton, 강철 1000만ton, 압연 강재 950만ton이다. 중국 전체 철광석 매장량의 약 4분의 1에 해당하는 약 100억ton이 안산 지역에 매장되어 있다.[69]
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最新地球史がよくわかる本
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生命と地球の共進化
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