2019 심화교육 – 고체지구과학(지질2) 강의노트 1

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2019-09-28 경남과학고등학교 오유신 작성

#지표의 변화와 퇴적암

지표(Earth Surface)

지표는 기권 혹은 수권과 접하고 있는 암석권의 가장 외각면이며, 생물권의 일부를 포함한다.

> 기권과 수권과 접하고 있는 지표인 점이 매우 중요한데, 이는 지표의 대기와 유수에 의한 풍화, 침식, 퇴적 작용 등의 변화와 매우 밀접되어 있기 때문이다. 지표 상태를 바꾸는데는 수권이 매우 중요한 역할을 한다.

지표는 암석, 토양 혹은 퇴적물로 이루어져 있다.

암석권과 기권, 수권, 생물권과의 상호작용에 의하여 지표에서 끊임없는 변화가 일어난다.

생물권의 작용도, 토양의 형성 등에 있어서, 지표의 변화에 대해 매우 중요한 역할을 한다.

지구 하위 시스템 복습: 지오다이나모 시스템(geodynamo system, 외-내핵의 상호작용), 판구조운동 시스템(plate tectonic system, 암석권과 연약권), 기후 시스템mate system, 수권, 빙권(사실상 수권), 대기권, 생물권)

지질학과 해양학, 대기학, 천문학 각각의 분야에서 여러 연구가 진행되고 있음.

지구는 약 46억년 전에 형성, 중력에 의해, 가벼운 원소인 수소나 헬륨 기체는 날아가고, 상대적으로 무거운 수증기와 이산화탄소가 남음

암석은 과거에 일어났던 변화를 기록하고 있는 대상이므로, 여기에 기록된 지질학적 기록을 통해, 여기가 이전에 어떤 지형이었는지 파악할 수 있음.

> 퇴적암이 만들어지려면 퇴적 분지(퇴적물이 쌓이는 곳)의 존재가 필요함. 이러한 퇴적 분지가 과거에 존재하였는지를 알아내기 위해서는 과거 암석에 있는 지질학적 기록을 분석하는 것은 상당히 중요하다고 말할 수 있음.

> 과거 암석에 100% 과거의 기록이 남아 있는 것은 아니지만, 암석에 있는 기록을 분석하면 나머지 3개 분야의 변화와 이와 상호작용하는 지표의 변화를 이해할 수 있음.

퇴적암(Sedimentary rock)

지표에서 관찰되는 암석은 화성암과 변성암, 퇴적암으로 구분된다.

화성암과 변성암은 고온, 고압으로서 대표되는 저지하영역에서 만들어지나, 퇴적암은 비교적 지표에서 만들어지고, 이 두 장소의 온도와 압력의 조건은 매우 다름. 따라서 퇴적암을 분석하는 것은, 화성암과 변성암에 비해 다른 조건에서 발생이 일어났음을 유념해야 한다.

지표의 변화

지표에서 일어나는 지질학적인 과정은 풍화(Weathering), 침식(Erosion), 운반(Transportation), 퇴적(Deposition)이 있다. 이는 유체 등의 작용에 따라 진행되는 경우가 대다수이다.

퇴적은 항상 가장 멀리서 진행되는 것은 아니고, 운반, 풍화, 침식의 모든 과정에서 지속적으로 일어남에 유의

이러한 풍화, 침식, 운반, 퇴적이 오랜시간 동안 걸쳐 일어남으로서(수십억년의 지질 시대 동안) 현재 지구 표면의 모양, 즉 다양한 지형(Landform)을 형성하게 되었다.

현대 지구 표면의 모양은 궁극적으로 판 구조 운동 시스템에 의해 형성되었음. -> 커다란 규모에서는 깎이는 암석은 융기, 최종 퇴적 분지는 침강 혹은 섭입 등에 의하여 형성되는 경우가 대부분

퇴적은 퇴적 분지가 만들어져야 퇴적물이 쌓임.

퇴적 분지는 땅(지각)의 어떤 부분이 낮아져야 생성되는데, 해양 지각과 대륙 지각의 섭입부에서 발생하는 해구는, 가장 깊이가 깊은 퇴적 분지 중 하나이다.

지표의 조건: 평균 온도(약 섭씨 15도 – 지질 시대에 따라 달랐음), 압력(1 대기압), H2O(고체(빙하), 액체(물), 기체(수증기)), 산소(중요, 산화작용. 지표에서 가장 활발한 반응 중 하나인 산화작용)

지하의 조건: 지표 조건보다 훨씬 높은 온도와 압력, 그리고 H2O 훨씬 적고 O2가 없음(O는 이온 상태로 존재, 산화 작용은 지표에 비하면 쨉도 안될 정도로 작음)

암석을 구성하는 광물이 형성되는 온도(예, 감람석: 섭씨 1900도)와 압력(예, 에클로자이트, 1.2GPa) -> 지표와 지하는 조건이 완전히 다름

지표의 변화에 의해 형성되는 퇴적암도 지표와는 다른 조건에서 암석이 되고, 형성된 암석이 판구조 운동에 의해 지표에 올라오게 되면 지표의 조건에서 변화된 조건에 맞추어 안정된 상태로 바뀌게 된다.

즉, 퇴적암은 변화된 조건(낮아진 압력과 온도)에 다시 안정한 상태로서 변화하는 것이라고도 할 수 있겠다.

대표적인 지하 깊은 곳에서 형성된 암석이 지표로 노출되었을 때 생기는 반응은, 상부 중량 제거(압력 감소)로 인한 틈이 생기는 것

풍화(Weathering)

풍화는 지표에 노출된 암석이 대기권, 수권, 생물권의 상호작용에 의해 그 자리에서 작은 크기로 부서지거나, 화학적으로 변화는 과정

기계적 풍화(Mechanical weathering): 작은 크기로 부서지는 것

화학적 풍화(Chemical weathering): 화학적으로 변하는 것

풍화는 풍화가 일어나는 지역의 지질(암상, 지질구조 등), 식생, 기후, 지형기복 등에 의해 영향을 받는데, 그 중에서도 기후가 가장 큰 영향을 미친다.

암상은 왜 중요하냐면, 서로 다른 깊이에서 생성된 암석이 동시에 지표로 올라온다면, 더 깊은 곳에서 형성된 암석이 지표와 생성 장소의 환경 차가 크므로, 더 불안정하여 반응이 잘 일어남(풍화가 더 잘 됨)

지형 기복이 미치는 영향으로 말하자면, 경사가 완만한 지역에서는 물에 대하여 유속이 작은 반면, 경사가 급한 지역에서는 유속이 빠른 경향이 있으므로, 풍화 등에 미치는 영향이 분명히 있다. 이는 기계적 풍화에 관한 설명이지만, 화학적 풍화에도 분명히 영향을 미친다.

기후(온도, 강수량)에 의해서 어떤 종류의 풍화가 일어날 것인지 결정된다.

- > 온도가 높고, 강수량이 높은 경우(춥고 건조한 지역)는 화학적인 풍화가 우세하며, 온도가 낮고, 강수량이 낮은 경우(덥고 습한 지역)는 기계적인 풍화가 우세하다.

기계적 풍화(Mechanical weathering)

기계적인 풍화는 암석이 원래의 크기보다 작게 부서지는 과정

지하에 있던 암석이 지표로 올라오면 팽창하면서 틈이 생기는데, 이를 절리라고 한다.

주상 절리가 절리의 대표적인 예로서, 이는 육각형이고, 이는 현무암의 결정 구조에 따라 육각형으로 벌어지는 것이 결정된 것이다.

절리(Joint)는 암석에 균열을 일으켜 기계적 풍화를 일으키는 주된 원인

화강암이 양파껍질처럼 벗겨지는 박리(Exfoliation)도 절리의 한 종류

박리는 원래 수직으로 발달하는 것이 일반적이나, 화강암(granite)의 경우는 수평 박리를 보이는 독특한 특징

물이 얼면서 부피가 팽창하거나, 식물의 뿌리가 성장하면서 기계적 풍화가 일어나기도 한다.

화학적 풍화(Chemical weathering)

화학적 풍화는 암석을 구성하는 광물의 화학성분이 변하는 과정으로서, 새로운 광물이 형성되기도 하고, 암석이 용해되어 사라지기도 한다.

석회암 조각상과 산성비의 반응(CaCO3, HCl의 반응)으로 조각상이 마모되는 것이 하나의 예가 될 수 있음.

화학적인 풍화에서, 풍화 받기 이전의 암석을 모암(Parent rock)이라 하고, 화학적 풍화에 의해 모암으로부터 마지막으로 형성된 광물을 잔류 광물이라고 하며, 풍화에 의해 모암으로부터 빠져 나와 유체에 녹아 있는 이온을 침출 이온이라고 한다.

화학적 풍화는 일반적으로 물(매우 중요, 화학적 풍화를 일으키는 매우 주된 원인)이나 물에 포함된 약산(탄산(대기 중의 이산화탄소가 물에 녹은 것), 아질산(대기 중의 질소가 번개 등에 의해 이온 상태로 바뀐 것이 물에 녹은 것), 황산(이산화황 등이 물에 녹은 것), 휴민산(유기물이 부패하면 나오는 산) 등)에 의해 일어난다.

기계적 풍화는 체적 대 표면적의 비를 늘려 화학적 풍화를 촉진한다. 또한, 그 기계적 풍화로 인해 생긴 더 많은 틈으로, 더 많은 물이 침투할 수 있으니, 화학적 풍화를 더욱 촉진

화학적인 풍화도 기계적인 풍화를 촉진하기도 함. 산에 약한 어떤 광물이 화학적 풍화에 의해 녹아나간다면, 그 주변에 있던 다른 광물들의 녹은 광물에 의한 지탱력을 상실하므로, 불안정해져 기계적 풍화가 일어나기 쉬워짐.

지표에서 안전한 광물의 순서:
철산화물(Fe2O3)과 알루미늄 산화물(Al(OH)3) - 지표에서 가장 안정(웬만해서는 지표에서 안바뀜) > 석영(흔하고, 안정) > 점토광물(점토는 입자의 크기를 말하는 것으로, 점토광물의 크기는 1/256mm 이하로, 눈으로 보이지 않음 – 대표적인 것이 고령토. 장석이 화학/기계적 풍화에 의해 형성) > 백운모 > K-장석 > 흑운모 > 각섬석 > 휘석 > 사장석 > 감람석 순.

감람석의 경우, 가장 고온고압의 조건에서 만들어지므로, 지표로 올라오면 환경차가 크므로 당연히 가장 안정하지 않음. 지표에서 관찰하기 힘든 것.

화학적인 풍화는 산화작용, 가수분해, 탈수작용, 용해작용에 의해 일어남.

모암이 화학적 풍화작용을 겪게 되면 잔류 광물과 침출이온이 남음. 여기서는 화강암, 현무암, 석회암을 살펴봄.

우선 화강암은.

> 장석의 경우 화학적 풍화의 결과 점토광물을 만들고(고령토의 형성), 실리카와 나트륨, 칼륨 이온이 침출 이온으로 나옴

> 운모의 경우는 점토광물을 만들고 칼륨 이온이 침출 이온으로 나옴

> 석영의 경우는 기계적 풍화로 작아지는 경우는 흔하나, 변성되는 경우는 거의 없음(안정)

> Fe-Me 광물(각섬석, 휘석, 감람석 등)은 점토광물 + 적철석과 침철석(철이 산화된 상태)의 잔류 광물이 남고, 실리카와 마그네슘이온이 침출 이온으로 빠져나감

현무암은

> 장석(보통 사장석)의 경우는 점토광물이 잔류 광물이며 침출이온으로 나트륨 이온과 칼슘 이온을 형성

> Fe-Mg 광물(각섬석, 휘석, 감람석 등)은 점토 광물을 만들고 마그네슘 이온을 침출 이온으로 만듬

자철석(어차피 Fe, O로 만들어짐)은 자석의 근본이 되는 암석인데, 잔류 광물로서 적철석과 침철석을 형성(산화됨) - 빠져나오는 양이온 없음

석회암은

> 방해석으로 구성(CaCO3). 약산이 작용하면 완전히 녹아나가므로, 잔류 광물이 없음. 얘네들은 이온 상태로 바뀌는 것(침출 이온이 칼슘 이온과 탄산 이온임) -> 방해석이 녹으면 자신들을 녹이는 물질(탄산 이온)을 또 만들어냄.