석회동굴의 생성과정(카르스트 지형에 기반한)-어셔어학원 정소리 / 강남토플학원

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작성일 : 13-10-22 22:34

석회동굴의 생성과정(카르스트 지형에 기반한)

글쓴이 : 정소리 (1.♡.246.108)

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석회암 용식현상과 동굴의 발달
대지각변동으로 인하여 전 세계 어디에서나 석회암을 볼 수 있으므로 카르스트지형 또한 모든 기후대 및 극지나 사막, 고산지대, 평야를 가릴 것 없이 접할 수 있는 가장 보편적인 지형으로 등장하였다. 석회암은 지구상의 기후대나 식생대에 구애됨이 없이 특색은 서로 다르지만 카르스트지형을 발달시키고 있다. 그러나 사람들은 이 아름답고 독특한 경관을 연출하는 카르스트지형을 찬양하고 관광을 즐기지만 대부분 카르스트지형의 생성원리나 그 특징적 형태에 대해서는 거의 무관심한 실정이다.

특히 동굴에 관해서는 동굴탐험가, 사진작가, 학문적 기초가 없는 작가들에 의해 오도되는 사례가 많다. 또한 전문가라는 사람조차도 종유동굴과 응회암동굴을 구분하지 못하는 경우도 있다. 이는 석회암의 생성원리뿐만 아니라 응회암의 생성원리도 이해하지 못한 것이며, 종유동굴 내의 중탄산칼슘용액에서 calcite(방해석)가 재침적, 재생산된다는 원리를 이해하지 못함이다.

calcite를 주성분으로 하는 카르스트지형의 생성원리를 간단한 화학식으로 나타내면 다음과 같다.

이 화학식에서 CaCO3는 탄산칼슘을 주성분으로 하는 석회암이며 H2O는 순수한 물, CO2는 대기를 말한다. 대기 중에서 빗물은 탄산가스를 화합하고, 지표의 토양 속에서 유기질의 분해로 발생한 탄산가스를 더욱 얻게 된다. 그리하여 탄산가스를 용존한 약한 산성을 띤 빗물이 석회암지대의 땅속에서 탄산가스를 추가하여 석회암을 녹인 상태, 즉 이온상태의 중탄산칼슘용액(Ca(HCO3)2)을 만들게 된다.

화살표⇄는 중탄산칼슘용액 상태에서 언제든지 물은 증발하고 탄산가스는 대기 속으로 사라져 CaCO3를 주성분으로 한 calcite만이 재침적되어 종유석과 석순을 만드는 과정을 설명한 것이다. 예를 들어 speleothem(동굴퇴적물)은 마치 염전에서 바닷물이 증발하여 소금의 결정체를 남기듯이 이온상태의 중탄산칼슘용액에서 CaCO3가 재생산된 것이다. 탄산가스는 동굴 공기와 접하게 되면 뚜껑을 연 탄산음료와도 같이 신속하게 기화되고 칼사이트를 침적하게 된다.

순수한 칼사이트층과 진흙층이 교대로 퇴적된 충식석회암의 표본
순수한 칼사이트층과 진흙층이 교대로 퇴적된 충식석회암의 표본
순수한 칼사이트층과 진흙층이 교대로 퇴적된 충식석회암의 표본으로, 차별용식(선택용식)에 의해 칼사이트질은 현저하게 용식되고 진흙질은 용식에 저항하여 마치 벌레 먹은 것 같은 용식면을 보여 준다. 1976.
오키나와(沖繩) 동쪽 난다이(南大) 섬의 교쿠치(玉置)동굴
오키나와(沖繩) 동쪽 난다이(南大) 섬의 교쿠치(玉置)동굴
오키나와(沖繩) 본섬 동쪽으로 360㎞ 거리에 있는 다이토(大東)제도의 난다이(南大) 섬은 동서가 5.8㎞, 남북이 6.5㎞로 규모가 작다. 하지만 두께가 무려 1,000m에 달하는 산호초 석회암으로 구성되어 있으며, 14개의 훌륭한 석회암동굴이 발달하고 있다. 섬의 북동부에 있는 교쿠치(玉置)동굴은 조수간만의 영향을 받는 일종의 기수동굴(brackish cave)인데 수위가 낮아져 바닥이 대기 중에 노출되었을 때 자리를 잡은 석순이 점차 성장하여 물 위로 모습을 드러내게 되면 정상적인 석순으로 성장한다. 下謝名松栄著『島の自然と鍾乳洞』(1976).
중국 윈구이(雲貴)고원의 캄브로-오르도비스계(cambro-ordovician system)의 석회암
중국 윈구이(雲貴)고원의 캄브로-오르도비스계(cambro-ordovician system)의 석회암
중국의 저명한 카르스트 지역 중 하나인 윈난(雲南) 성과 구이저우(貴州) 성에 걸쳐 발달한 윈구이(雲貴)고원에는 고생계 전기에 해당하는 캄브로-오르도비스계(cambro-ordovician system)의 석회암이 넓게 분포하며 다양한 카르스트지형이 발달하고 있다. 1988.
돌리네의 배수공인 sink
돌리네의 배수공인 sink
삼척시 미로면 상거로리 윗옷바위 일대에 펼쳐진 접시형 돌리네(pan shaped doline) 군집지에서는 돌리네의 배수공인 sink를 흔히 볼 수 있다. 이 지역의 지질은 대석회암통 상부인 막동석회암층이다. 1996.
문경시 호계면 부곡리 일대에 발달한 돌리네
문경시 호계면 부곡리 일대에 발달한 돌리네
문경시 호계면 부곡리 일대에 발달한 돌리네이며 와지 주변지역에는 많은 석회암동굴도 발달한다. 지질은 조선계 대석회암통에 해당되는 부곡리층으로 지질시대는 오르도비스계에 해당한다. 1986.
석회암의 수평층이 용식을 받아 만들어진 천연의 동구
석회암의 수평층이 용식을 받아 만들어진 천연의 동구
석회암의 수평층이 용식을 받아 만들어진 천연의 동구 모습. 이와 같이 거대한 동구의 생성은 화학적 용식과 기계적 침식이 함께 작용하여 만든 결과라고 추리할 수 있다. Kashima 교수 제공, 1976.
우리나라 5대 구덩이마을 중 하나인 평창군 미탄면 창리 산정 부근의 돈너미 마을
우리나라 5대 구덩이마을 중 하나인 평창군 미탄면 창리 산정 부근의 돈너미 마을
평창군 미탄면 창리 산정 부근의 돈너미 마을로, 우리나라에서는 부근에 있는 고마루와 정선군 남면의 발구덕 그리고 삼척시 노곡면 여삼리와 단양군 어상천면 무두리 와지와 더불어 5대 구덩이마을로 알려져 있다. 1995.
이제 카르스트지형이 어떻게 발달해 가는가를 살펴보자.

19세기 말에서 20세기 초에 걸쳐 미국의 지리학자 W. M. Davis는 지형윤회란 기발한 학설을 들고 나와 지리학계에 큰 바람을 불러일으켰다. Davis의 지형진화이론은 다음과 같이 가정되었다.

마치 인간의 일생에 비유하여, 지각변동으로 바다 밑에서 육지 표면으로 올라온 초생적 지형을 원지형, 지형진화에 따라 대지 위에 물길이 만들어지고 작은 하곡이 생기는 시기를 유년기라고 하였다. 골짜기가 깊어지고 산세가 높아지면 장년기, 지형 발달이 더욱 진행되어 골짜기가 메워지고 산정이 삭마되어 둥글게 되면 노년기라고 하고, 마지막에는 거의 평탄한 지형면에 침식에 저항한 작은 언덕(잔구)들이 남는 준평원이 된다. 이렇게 하여 지형의 1윤회가 마감되며 이와 같은 과정이 끊임없이 되풀이된다는 이론이 지형윤회설(geomorphic cycle theory)이다.

석회암지형의 발달 모식도
석회암지형의 발달 모식도
오른쪽의 모식도는 이와 같은 데이비스의 지형윤회설에 기초하여 석회암 대상지(台狀地)의 지형진화와 동굴의 발달과정을 나타낸 것이다.

① 원지형은 지각변동으로 해저에 퇴적된 석회암이 육지로 밀어 올려져 높은 곳에 대지를 이루고 있는 상태이다.

② 비가 오고 물길이 생기면 자연스럽게 골짜기가 생겨 높은 곳은 침식 저하되고 낮은 곳을 메우는 풍화작용, 즉 균평화(均平化)작용이 진행된다. 곡지는 깊어지고 상대적으로 산지는 높아지며 지하수준면은 하천면을 따라 내려간다.

신선한 대지 위에는 용식와지인 돌리네가 생기며 비가 오면 돌리네 바닥의 흡입구(sink)를 통하여 지하로 들어가 자연스럽게 지하수에 합류한다. Davis의 동굴생성이론인 포화대에서 용식작용은 시작되며 공동을 만들어 나간다.

하곡은 깊이를 더하여 가며, 하곡을 따라 지하수준면이 아래로 내려간다. 비로소 포화대에서 만들어진 지하의 공동이 지하수준면 위로 부상하고, 통기대에서 지하수를 모아 침식과 용식을 병행하며 동굴 공간을 확대해 간다.

③ 동굴은 지난날의 지하수준면을 따라 층상구조를 이루며 상층의 동굴 안에서는 중탄산칼슘용액의 삼투와 점적(点滴) 현상이 일어나며 비로소 종유석과 석순이 나타난다. 이와 같은 2차생성물은 동굴 공간의 희생으로 확대된다.

지하수는 망상유로(網狀流路)를 취하며 석회암 지대는 지하에 수많은 공동을 만들며 용식과 침식을 병행한다. 벽면을 흐르는 삼투수는 유석을 만들고 점적수는 종유석, 석순, 석주 등 다양한 2차생성물을 만들어 나간다.

④ 높은 산지는 침식으로 낮아지며 곡지를 메워 가는 지표면의 평형(平衡)화 작용이 현저히 진행된다. 따라서 산지의 예리함과 V자곡지의 깊음이 사라지고, 범람원과 자유곡류천이 발달한 노년기의 둥글둥굴한 지형이 생성된다.

⑤ 드디어 해수면에 가까운 거의 평탄화된 종지형(終地形)인준평원이 생성되었으며 침식과 용식작용은 현저히 둔화되고 지형 진화는 거의 멈춘 상태로 Davis가 말하는 지형의 1윤회는 끝난다. Davis의 동굴 기원에 관한 2윤회이론(tow cycle theory)은 포화대에서 용식공동이 생기고 지하수면의 하강에 따라 통기대(通氣帶)로 부상한 동굴은 용식과 동굴류의 침식작용으로 확대되며 2차생성물을 생성한다는 이론이다.

카르스트지형과 동굴 연구 이미지
출처
카르스트지형과 동굴 연구, 2010.8.20
『카르스트지형과 동굴 연구』는 저자가 한 평생을 바친 카르스트지형과 석회암동굴 연구에 대하여 체계적으로 정리하였다. 또한 21세기 지표상에 남은 유일한 탐험공간인 지하의 암흑...자세히보기
저자
서무송
1927년 중국 길림성 안도현 명월진에서 출생하였다. 평양종합대학 지리학부와 경희대학교 대학원 지리학과를 졸업하였다. 건국대학교, 상지대학교, 공주대학교에서 지형학 강의를 하였으며 아주공과대학 전임교원을 지냈다. 한국동굴학회 창...자세히보기
제공처
푸른길 http://www.purungil.co.kr 푸른길 로고, 제공처의 다른 책보기
[네이버 지식백과] 석회암 용식현상과 동굴의 발달 (카르스트지형과 동굴 연구, 2010.8.20, 푸른길)

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