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차례 |
제 1장 |
제 2장 |
제 3장 |
제 4장 |
제 5장 |
제 6장 |
제 7장 | | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 자원과 환경: 지구의 선물, 그 빛과 그림자 - 제 2장 광물과 암석 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
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2-1. 광물 2-2. 암석 2-3. 광물로 인한 환경 문제 2-4. 광상 2-5. 광해 2-6. 방사능과 환경 2-보충 학습 2-참고문헌 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
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2-2. 암석 우리 주변에는 다양한 암석들이 있다. 명승지에 솟아 있는 기암괴석과 명산의 봉우리를 이루는 장엄한 바위들. 초현대식 건물의 깔끔한 외장과 화려한 내부를 이루는 암석들, 불멸의 예술품과 찬란한 문화 유적에 사용된 암석들. 이런 암석들은 무엇이고, 어떻게 만들어진 것일까? 2-2-1. 암석의 정의와 종류 암석(rock)은 지구 구성 물질이 모여 단단하게 고화된 것이다. 그렇다면, 극지방에 있는 얼음은 암석일까? 얼음은 암석이라고 부르지는 않는다. 암석이라고 부르는 것들은 광물이 주가 되어 굳어진 것이다. 그런데 암석에는 광물들만 있는 것은 아니다. 암석 내에는 비정질도 있을 수 있고, 유기물도 있을 수 있고, 일부 물도 있을 수 있다. 그렇기 때문에 광물이 주가 되어 굳어진 것이라 하는 것이다. 특수한 경우 광물이 아닌 유리질 화산재 같은 것이 굳어져 만들어진 암석도 있다. 이 경우 주 구성 물질이 광물이 아니고 유리질 물질이다. 하지만 유리질 또한 광물들과 비슷한 조성을 갖기 때문에 광물질이 모여 굳어진 것도 암석에 포함시킨다. 주변에서 종종 영양제, 건강식품보조제, 음료, 또는 식품 같은 것들의 홍보에 “미네랄이 풍부하다”는 표현을 사용한다. 우리는 이미 광물 즉 미네랄을 자연산 결정질 고체라고 정의하였다. 우리가 섭취하는 것에 이렇게 결정질 고체가 들어있다는 뜻일까? 이는 아마도 미네랄 성분, 즉 무기질이 들어있다는 뜻일 것이다. 비슷한 의미로 위에서 광물질이란 바로 광물을 구성하는 성분을 갖는 물질이라는 뜻이다. 이 세상에는 정말 많은 종류의 암석이 있다. 그 암석들을 여러 가지 기준에 의해 분류하는데, 그 중 첫 번째 분류 기준이 ‘암석이 어떻게 만들어졌는가’ 하는 것다. 이것을 성인에 의한 분류라고 하는데, 이에 따르면 암석은 화성암(igneous rocks), 퇴적암(sedimentary rocks), 변성암(metamorphic rocks) 이렇게 세 종류로 나뉜다(표 2-2-1).
표 2-2-1. 암석의 성인에 의한 분류.
화성암은 마그마(magma)라고 불리는 암석 성분과 휘발 성분의 혼합 용융체로부터 굳어진 암석을 말한다. 화성암의 화성이 바로 불에서 만들어진다는 한자말인데,
불이란 매우 뜨거운 것 즉 마그마를 말한다. 앞에서 지구의 탄생과 진화에 대해 설명할 때 이미 부분 용융에 의해 마그마가 만들어짐을 이야기하였다.
지금도 지각 깊은 곳, 또는 맨틀의 상부에서 부분 용융이 일어나고, 마그마가 만들어지며, 이 마그마가 굳어져 화성암이 만들어진다
. 퇴적암은 알갱이가 쌓여 만들어지는 암석을 말한다. 퇴적암의 퇴적은 높이 쌓다 또는 두껍게 쌓는다는 뜻이다. 알갱이는 다양한 방식으로 만들어질 수 있는데, 이미 존재하던 암석이 물, 바람, 얼음 등에 의해 깨지고 갈려서 만들어질 수도 있고, 생물의 단단한 부분이 떨어져서 생길 수도 있으며, 화학 반응에 의한 침전물이 만들어져서 생길 수도 있다. 변성암은 기존의 암석이 열 또는 압력(힘) 또는 이 둘 모두를 받아 그 성질이 변한 암석을 말한다. 변성암의 변성이란 그 구성이 변했다는 뜻이다. 열이나 압력은 지구상의 다양한 환경을 통해 변할 수 있는데, 이렇게 되면 암석의 조직/구조가 바뀌거나 전혀 새로운 광물이 생성되면서 이전과는 다른 암석이 된다.< 지금까지 암석의 큰 분류를 다시 정리해보면, 마그마가 굳어서 만들어진 화성암, 알갱이 쌓여서 만들어진 퇴적암, 그리고 기존의 암석이 변해서 만들어진 변성암 이렇게 세 종류의 암석이 있다. 이제 이들 각 암석에 대해 조금 더 자세히 살펴보도록 하자. 2-2-2. 화성암 화성암은 마그마가 지표로 분출하여 굳은 분출암(extrusive rocks), 지하에서 굳어진 관입암(intrusive rocks)으로 나눌 수 있다(그림 2-2-1). 관입은 뚫고 들어온다는 뜻인데, 부분 용융에 의해 마그마가 생기면, 마그마의 밀도가 주변보다 낮기 때문에 부력으로 상승하면서 기존 암석을 뚫고 들어가서 붙여진 이름이다. 깨진 틈이나 화도가 있어 마그마가 충분히 뚫고 올라와 지표로 분출하면 분출암이 되는 것이고, 그렇지 못하고 중간에 멈추면 관입암이 된다. 마그마의 성질에 따라 마그마의 분출 양상이 매우 다를 수 있다. 마그마 내에 칼슘, 마그네슘 및 철분의 성분 함량이 높고 규소의 함량이 상대적으로 낮으면 마그마의 점성이 낮아 분출된 마그마가 조용히 흘러나오고, 이를 통해 용암 대지나 넓고 경사가 완만한 화산인 순상화산(shield volcano)을 이룬다. 순상이란 방패모양이란 뜻이다. 산이 방패를 엎어 놓은 것처럼 넓적하고 경사가 완만하기 때문이다. 이 반면에 마그마 내에 소디움, 포타슘 성분의 함량이 높고 규소 및 알루미늄의 함량이 상대적으로 높으면 마그마의 점성이 높아 분출이 격렬하고 높은 산을 이루게 된다. 전자의 조성을 갖는 마그마를 전문용어로 고철질(mafic) 마그마라 하고, 후자의 조성을 갖는 마그마를 규장질(felsic) 마그마라고 한다. 고철질의 고는 마그네슘을 뜻한다. 규장질의 규는 규석(silica), 장은 장석(feldspar)를 의미한다. 규석은 규소(Si)로 되어있고, 장석은 K, Na, Si 및 Al으로 주로 구성되어 있다. 마그마의 성분이 다르면 당연히 그로부터 만들어진 암석도 다르다. 고철질 마그마가 분출한 용암이 굳어지면 현무암이 만들어지고, 규장질 마그마가 분출한 용암이 굳어서 유문암을 만든다. 때로 분출이 일어날 때 화구를 통해 많은 가스와 함께 화산탄 및 화산재를 뿜어내기도 하는데, 이 화산탄 및 화산재와 같은 화산 분출 부스러기들을 통틀어 화산쇄설물이라고 한다. 관입암은 비교적 지하 깊은 곳에서 굳어진 심성암과 그보다 얕은 곳(지표 가까이에서) 굳어진 반심성암으로 구분한다. 이때 심은 깊다는 뜻의 한자말이다. 깊은 곳에서 서서히 굳을수록, 암석을 이루는 광물 알갱이 크다. 비교적 지하 얕은 곳에서 만들어진 반심성암의 광물 알갱이는 조금 미리 만들어진 더 굵은 알갱이와 급히 굳어 그 크기가 매우 작은 광물 알갱이가 섞여 있을 수 있는데, 이런 암석을 반암이라고 하고 좀 더 큰 결정을 반정이라고 한다. 또한 고철질의 마그마로 만들어진 심성암은 반려암, 규장질 마그마로부터 만들어진 심성암은 화강암이 된다. 마그마의 조성에 따라 분출 양상이 많이 달라진다는 점은 이미 언급하였다. 이와 함께 휘발성분의 함량 및 마그마의 규모 등 다양한 조건에 따라 화산의 모양과 분출 양태가 달라지는데, 이를 화산의 분출상이라고 한다. 그림 2-2-2가 보여주는 것은 그러한 다양한 화산 분출상 중 몇 개이다. 화산의 모양과 화산 분출, 그리고 이에 의한 재해에 대해서는 다음 단원인 지구내부에너지에서 좀 더 자세히 다룰 것이다. 그림 2-2-3은 설악산의 울산 바위이다. 이 울산 바위는 화강암으로 되어 있다. 이와 같이 우리나라 명산 중 인왕산, 금강산, 월악산 등 많은 산들이 화강암 산이다. 앞서 화강암은 규장질 마그마가 지하 깊은 곳에서 굳어 만들어진 심성암이라고 하였다. 그런데, 이 심성암인 화강암을 우리가 어떻게 지표에서 보고 있을까?  그림 2-2-3. 설악산 울산바위. http://sanondang.com/xe/247. 그림 2-2-4는 제주도 중문 대포의 현무암이다. 현무암에는 종종 주상절리를 관찰할 수 있습니다. 절리란 깨진 틈을 가리키는 말인데, 이 깨진 돌들이 주상, 즉 기둥모양을 이룬다 해서 주상절리이다. 주상절리는 분출한 용암이 식으면서 부피감소가 일어나 깨진 틈이 만들어지면서 생기는 것이다. 주상절리의 단면이 어떤 모양으로 생겼는지 관찰해보고, 그렇게 생긴 이유를 한번 생각해보자.  그림 2-2-4. 제주도 중문 대포 현무암 주상절리. http://en.wikipedia.org/wiki/File:Jungmun_Daepo_Columnar_Joints_with_waves_crashing.jpg. 2-2-3. 퇴적암 앞서 퇴적암은 알갱이가 쌓여 만들어진 암석이라고 했다. 이 알갱이가 어떻게 공급되는지에 따라 톼적암을 더욱 세분한다(표 2-2-2). 만일 기존의 암석의 부스러진 알갱이들이 쌓여 만들어지면 이를 쇄설성퇴적암(clastic sedimentary rocks)이라고 한다., 쇄설이란 깨진 부스러기란 뜻이다. 알갱이가 생물의 유해로부터 오면 생화학 또는 생쇄설(bioclastic) 퇴적암이라고 하며, 화학적 침전에 의해 알갱이가 공급되면 화학적(chemical) 퇴적암이라고 한다. 쇄설성퇴적암은 다시 알갱이의 크기에 따라 역암, 사암, 이암 등으로 더욱 세분된다. 여기서 역은 자갈, 사는 모래, 이는 점토를 뜻한다. 생쇄설퇴적암은 생쇄설물에 따라 석회암, 처트 등으로 나눈다. 석회암은 탄산칼슘, 처어트는 규석으로 되어 있다. 화학적 퇴적암도 침전물의 종류에 따라 구분하여 부르는데, 대표적인 것으로 암염과 석고가 있다.
표 2-2-2. 퇴적암의 분류.
그림 2-2-5는 남서 유타지역에서 볼 수 있는 약 2억년 전인 중기 트라이아이스기 시대의 쇄설성 퇴적암의 모습이다. 쇄설성 퇴적암을
포함해서 대부분의 퇴적암이 갖는 특징적인 구조는 바로 층리이다. 층리란 층 모양의 구조라는 뜻인데, 사진에서 보면 암석에 거의
평행한 가로 줄이 보이는데, 이 것이 층리이다. 층리는 알갱이가 쌓일 때 어떤 것이든 변화가 일어나면 생긴다. 예를 들면 알갱이의
종류가 빠뀐다던가, 알갱이의 공급량이 변한다던가 하는 일이다. 알갱이가 쌓이는 것은 중력의 힘 때문이니까, 넓은 곳에서 퇴적암이
만들어지면 수평인 층리가 만들어져야 한다. 이것을 “수평퇴적의 원리(principles of original horizontality)”라고 한다. 사진의
층리가 거의 수평을 이루므로 원래 모습을 잘 간직하고 있다고 볼 수 있다.
 그림 2-2-5. 중기 트라이아이스기 해성퇴적층군, 남서 유타. http://en.wikipedia.org/wiki/File:Triassic_Utah.JPG. 그림 2-2-6의 퇴적암은 이란 북부 지역의 Chalous road라는 도로 가에서 찍은 것인데, 층리가 매우 급한 경사를 보이는 것을 알 수 있다. 수평퇴적의 원리에 따르면 이 퇴적층들은 원래 수평으로 쌓였을 것인데, 시간이 지나면서 다양한 힘을 받아 이렇게 기울어진 것이다. 그림 2-2-7은 그리스 크레타의 습곡된 석회암층과 처트층이다. 퇴적암이므로 원래는 수평으로 반듯이 쌓였을텐데 나중에 힘을 받아 이렇게 구불구불해졌다. 이렇게 지층이 구부러진 것을 전문용어로 습곡(fold)라고 한다. 매일 매일 평범한 일상을 살아가다보면 우리가 발을 디디고 있는 이 땅이 조용히 아무런 움직임도 없는 것이라는 착각에 빠진다. 그러나 이것은 사실이 아니다. 지구는 살아있다. 매일 지진이 일어나고, 화산이 폭발한다. 우리 눈앞에 드러난 화강암, 급히 기울어지고 휘어진 퇴적층들이 이 사실을 잘 말해준다.  그림 2-2-7. 그리스 크레타의 석회암-처트 층의 습곡. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Agiospavlos_DM_2004_IMG002_Felsenformation.JPG. 2-2-4. 변성암 변성암이야말로 지구가 살아있음을 보여주는 명백한 증거이다. 변성암은 소위 변성작용(metamorphism)이라고 부르는 다양한 작용에 의해 만들어진다. 그림 2-2-8은 지각에서 어떻게 다양한 변성 작용이 일어날 수 있는지를 보여준다. 우리는 아직 판구조론에 대해서 배우지 않았기 때문에 그냥 간단하게 변성 작용의 유형만을 언급하도록 하자.  그림 2-2-8. 변성작용의 유형. http://www.cms.fu-berlin.de/geo/fb/e-learning/geolearning/en/mountain_building/metamorphism/ 운석과 같은 것의 충돌은 거대한 압력과 열을 동반하며, 충돌변성작용을 일으킨다. 퇴적암이 두껍게 쌓인 곳에서는 암석의 무게와 지열 때문에 매몰변성작용이 일어난다. 상대적으로 넓은 지역에 걸쳐 열과 압력을 받는 곳에서는 광역변성작용이, 관입암과 접촉한 암석에서는 열에 의한 접촉 변성작용이, 단층이 일어나는 곳에서는 변형 변성작용이, 대양저의 해령에서는 해령변성작용이 일어난다. 각 변성 작용에 의해 만들어진 암석은 해당 변성 작용 뒤에 암이라 붙여 부르면 된다. 예를 들면 접촉 변성 작용에 의해 만들어진 암석은 접촉변성암이라 부른다. 앞의 다양한 변성작용 중 가장 대표적인 것은 광역변성작용, 접촉변성작용, 그리고 동력(변형)변성작용이다. 광역변성작용에 의해 만들어진 암석은 변성 작용에 의해 만들어진 구조(조직, 또는 모양)에 따라 또는 암석의 조성에 따라 더욱 세분된다. 여기에 해당하는 암석이 점판암(slate), 편암(schist), 편마암(gneiss), 대리암(marble), 규암(quartzite) 등이다(그림 2-2-9). 변성암에 대한 더욱 자세한 내용은 나중에 전문 서적 등을 통해 차차 알아가기로 하자. 경기 강원 지역의 암석은 변성암이 주를 이룬다. 강원도 춘천시 강촌면에 있는 구곡폭포는 많은 관광객들이 즐겨 찾는 명소이다. 이 폭포는 겨울이 되면 꽁꽁 얼어 빙벽 등반을 하는 사람들이 이곳을 자주 찾는다. 이 폭포를 이루는 깍아지른 듯한 암벽은 규암과 편마암으로 되어 있다(그림 2-2-10).  그림 2-2-10. 규암 및 편마암: 강원도 강촌 구곡폭포. http://click.tistory.com/2460986 지금까지 화성암, 퇴적암, 그리고 변성암에 대해 살펴보았다. 그런데 이 암석들이 순환(또는 윤회)한다는 걸 알고 있는가(그림 2-2-11)? 일단 화성암이 되고 나면 영원토록 화성암으로 남는 것이 아니라 풍화 침식을 받아 운반되어 퇴적암을 만들 수 있다. 이 퇴적암은 깊게 매몰되어 변성암이 될 수 있고, 이 변성암은 다시 지하 깊은 곳에서 용융되어 마그마를 만든 후 화성암이 된다. 이와 같이 암석은 시간이 지남에 따라 주 어진 환경에 의해 끊임없이 다른 암석으로 바뀐다. 사실 지구라는 시스템 자체가 매우 역동적이기 때문에 모든 물질은 순환한다. 우스갯소리로 우리 몸에 천재 과학자 뉴턴을 구성했던 탄소 몇 개씩은 다 들어있다는 말을 한다. 물질의 순환 때문이다. 많은 사람들이 화석에너지가 재생이 안된다고 한다. 우리 일생 정도 주기의 짧은 기간에는 그렇지만, 지구의 지질 시대 스케일에서는 그렇지 않다. 이 물질의 순환은 자원-환경 분야에서 매우 중요한 개념이다. 이에 대해서는 나중에 따로 시간이 있을 때 토론할 수 있기를 바란다. 2-2-5. 암석의 이용 암석은 광물로 구성되어 있으므로, 암석의 용도란 결국 구성 광물의 성질과 성분에 따른 용도와 겹친다고 볼 수 있다. 광물의 이용에 대해서는 이미 앞에서 다루었기 때문에 여기에서 다시 설명할 필요는 없을 것이다. 암석은 군집체이므로, 군집체 자체로서도 매우 유용하게 활용될 수 있다. 암석은 다양한 구조물의 건축, 도로 포장, 미술품, 건축 내외장재 및 특수 재료 등으로 사용된다(그림 2-2-12).
그림 2-1-3. 위 왼쪽부터 불국사(www.shinsegaetravel.com), 석굴암), 로렌조 바르톨리니(Lorenzo Bartolini, 이탈리아 1777-1850), la Table aux Amours, 뉴욕 메트로폴리탄박물관(https://en.wikipedia.org/wiki/Marble_sculpture) 아래 왼쪽부터 숲속의 돌길(by Wlodzimierz Poznansk),강원대학교 도서관 전경, 강원대학교 도서관 내부(http://www.kangwon.ac.kr) 2-3. 광물로 인한 환경 문제에 계속 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
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