2019 심화교육 – 고체지구과학(지질2) 강의노트 3

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2019-09-28 경남과학고등학교 오유신 작성

#지표의 변화와 퇴적암

운반(Transportation) - 계속되는 내용들

운반 매체의 에너지와 중력이 퇴적물 입자 사이의 마찰과 응집력보다 커서 퇴적물이 경사면을 따라 대량으로 이동하는 경우를 퇴적물 중력류
(Sediment gravity flow)라 한다.

사막의 사구에서 모래가 중력에 의하여 아래쪽으로 흘러내리는 경우 공기가 윤활유의 역할을 하는데, 이를 입자류(Grain flow)라 한다. (안식각보다 입자가 쌓인 각들이 급할 때 공기가 윤활유의 역할(바람에 의한 현상))

홍수가 일어나 퇴적물 사이의 빈 공간이 물로 채워지면, 세립질 퇴적물 입자들이 슬러시 끈적거리는 상태와 같은 유체처럼 작용하여 조립질 퇴적물 입자를 이동시킨다. 산사태는 이러한 작용에 의하여 퇴적물이 이동하는 경우로, 이들을 암설류(Debris flow)라 한다. 암석 기록으로 많이 남아 있다.

암설류의 경우, 작은 퇴적물과 유체가 섞이면서 큰 돌덩어리들을 들어올릴 수 있는 힘이 생겨, 상당한 크기의 돌들도 암설류에 섞여 운반된다.

퇴적물 중력류 중 가장 암석 기록으로서 많이 남아 있는 경우는 저탁류(Turbidity current)이다.

운반 매체에 의하여 퇴적물 입자가 부유 상태가 되어 운반 매체의 밀도가 높아지면 중력에 의해 경사면을 따라 퇴적물이 이동하는 경우이다.

호수나 바다처럼 규모가 큰 퇴적 분지의 깊은 곳에서 저탁류가 주로 일어나고, 지진과 같은 갑작스러운 움직임에도 저탁류가 발생할 수 있다.

물보다 밀도가 높은 물질의 경우, 물보다 밀도가 낮으므로 계속 하부 표면을 따라 이동하는데, 이는 저탁류의 특징이다.
(Turbidity Current Demonstration을 확인해보라)

이 저탁류에 의해 점이층리(밑에 굵은 입자, 위에 가는 입자가 배열된 형태의 층리. 가벼운 입자들이 저탁류에 의해 확 일어나고 다시 쌓이면서 형성)의 발달이 일어나기도 하며, 저탁류에 의하여 침식, 운반, 퇴적 작용이 모두 일어난다.

침식, 운반, 퇴적

휼스트롬 곡선(Hjulstrom curve): 가로축은 입자의 크기, 세로축은 운반매체의 속도를 나타내어, 각 영역별로 침식, 운반, 퇴적 영역으로 나누어짐(실험결과임)

퇴적물 입자는 운반 매체 안에서 침식, 운반, 퇴적 작용을 받는다,

이러한 전 과정은 퇴적물 입자의 크기와 운반매체의 속도에 따라 다르게 나타난다.

입자가 커지면 침식, 운반에 필요한 운반 매체의 속도는 빨라진다.

점토 크기의 입자가 침식되기 위해 필요한 운반매체의 속도는 모래크기의 입자가 침식되기 위해 필요한 속도보다 크다. 이 휼스트롬 곡선에 따르면, 점토(Clay)는 속도가 아무리 증가해도 운반과 침식만 가능하지, 퇴적은 안된다(그러나 자연 상태에서는 퇴적이 된다)

모래에서 침식 속도가 가장 낮다(가볍고, 입자의 크기도 비교적 적당)

퇴적암에서는 침식을 받았는지, 얼마나 빨리 움직였는지를 나타내는 구조가 있음 -> 퇴적 구조

퇴적 구조(Sedimentary structure)

운반 매체에 일어나는 침식, 운반, 퇴적 작용에 퇴적물 입자가 반응하여 형성되는 구조를 퇴적 구조라고 한다.

침식(Erosional) 구조, 퇴적(Depositional) 구조, 후퇴적(퇴적이 된 이후)
(Post-depositional) 구조로 구분. (퇴적암의 형성에는 침식, 퇴적 모두 작용하니까...)

퇴적 구조는 퇴적암의 조직(입자 형태, 크기, 원마도, 분급 등), 구성광물과 함께 퇴적환경을 알아내는 데 필수적인 데이터이다.

퇴적 구조는 현생 퇴적물에서도 관찰되고, 지질 시대의 퇴적암에서도 관찰(동일과정설 – 현재는 과거의 열쇠이다)

퇴적 구조는 퇴적암의 층리(Bed)의 윗면, 아랫면, 단면(Cross section)에서 관찰된다.

층리(Bed)

층리는 아래/위의 층리로부터 불연속면(discontinuity)에 의해 명확히 구분되는 3차원 퇴적암체로 두께가 1cm 이상일 경우이다.

층리의 두께는 다양하다. 그리고, 층리의 두께가 바로 퇴적 시간에 비례하는 것은 아니고, 층리의 두께는 수시간에서 수천년의 시간을 나타낼 수 있다.

여러 개의 층리가 쌓여 있는 경우 아래로부터 시간이 위로 가면서 시간이 흘렀기 때문에, 3차원의 층리는 사실 지층하부로부터 시간 축을 추가한 3+1차원의 관점에서 관찰할 필요가 있다(지층 누중의 법칙)

엽층(Lamina)는 두께가 1cm의 이하인 경우로, 층리는 수없이 많은 엽층으로 이루어져 있는 것이기도 함.

퇴적 구조 중에서 – 침식 구조(Erosional structures)

플루트 캐스트(Flute cast)는 퇴적물 입자가 이동하면서 고화되지 않는 퇴적물 바닥을 깎은 구조이다. - 물의 속도가 아주 따른 경우에 자주 형성

침식을 당해 움푹 들어간 부분이 나중에 쌓인 퇴적물로 채워져 보존되기 때문에 주로 층리의 아랫면에 볼록 튀어나온 형태로 관찰되어 캐스트(cast)라 부른다.

운반 매체의 상류 쪽이 경사가 깊게 파이기 때문에, 운반 매체가 어떤 방향으로 흘렀는지 알 수 있다.

위 그림의 좌하부는 지층이 역전된 경우로서, 그림의 우하부의 도식에서 윗면의 튀어나와 쌓인 부분이 역전되어 노출된 경우이다.

퇴적 구조 중에서 – 퇴적 구조(Depositional structures)

운반 매체에 의해 퇴적물이 침식, 운반, 퇴적되면서 층면(퇴적물과 운반매체의 경계면)에 형성되는 구조를 층리형태(Bedforms)라 한다.

퇴적물 입자 크기, 유체의 속도, 유체의 깊이에 따라 형성되는 층리의 형태가 다르다. 또한 유체의 점성, 밀도, 입자의 밀도에도 영향을 받는다.

퇴적물 입자의 크기와 유체의 속도만을 변수로 한 수조 실험을 통하여 프루드 수(Froude number)를 기준으로, 상부 유체 영역(Upper Flow Regime, Fr > 1)과 하부 유체 영역(Lower Flow Regime, Fr < 1)으로 구분한다.

수로 실험(Flume experiment)을 통하여 연흔 등의 퇴적 구조의 형성과 유체의 속도, 입자의 크기 사이의 상관관계를 알아낸다.

입자의 크기가 작으면 유속에 따라서 작은 연흔, 큰 연흔, 평행층리, 역사구의 형태의 퇴적 구조가 생기고, 더 높으면 침식구조.

다양한 층리 형태(Bedform)를 살펴보자.

> 연흔(Ripple): 상류에서 침식된 퇴적물이 하류로 운반되면서 형성되는 언덕 형태의 구조로서, 속도가 증가하면서 모래파(sand wave) 그리고 사구(dune)가 발달. 연흔의 경우, 경사가 덜 급한 쪽이 상류. 역사구의 경우는 그 반대가 된다. - 연흔도 발달에 따라 이동하며, 물의 흐름에 따라서 연흔이 바뀐다.

> 하부 평면층(Lower plane bed): 퇴적물의 이동 속도가 느려서 평평한 층면을 형성하는 구조

> 상부 평면층(Upper plane bed): 밑짐과 뜬짐의 형태로 퇴적물 이동 속도가 빠른 경우 평평한 층면을 형성하는 구조

> 역사구(Antidune): 유속이 빠른 경우, 층면구조가 물의 파장과 일치하게 되고, 상류 쪽에 퇴적이 일어나면서 사구가 상류 쪽으로 이동함. 역사구의 이동으로 형성된 사층리는 상류 쪽으로 기울어져 있음. - 유수의 흐림이 너무 빠를 경우 발생 가능(단, 플루트 캐스트의 경우보다는 유속이 작음), 마치 물의 흐름이 거꾸로 흐르는 것처럼 보임.

> 웅덩이(Pool)와 급류(Chute): 침식만이 일어나는 구간에서 발달한다.

평행 층리(Paraell bed)는 층리 내 엽층이 층리의 위, 아랫면과 평행하게 발달하거나, 다른 암삭으로 이루어진 층이들이 평행하게 겹겹이 쌓여 있는 경우이다.

연흔(Ripple)은 운반 매체에 의해 바닥을 따라 한 방향 혹은 여러 방향으로 움직이는 퇴적물이 그 바닥에 생성하는 퇴적구조임. 퇴적물 바닥에 형성되기 때문에 퇴적암에서는 층리의 위면에서만 관찰되므로, 2차원적인 구조임. -> 연흔이 이동하면 3차원상의 사층리를 발달

연흔을 보고 물이 흐른 방향, 일방향행, 왕복의 여부를 판별 가능.

연흔은 층리 위면에서 관찰되는 형태와 단면상에서 관찰되는 형태에 따라 구분되며, 연흔의 단면으로부터 연흔의 파장과 진폭을 측정할 수 있다.

연흔에서 튀어나온 부분을 마루(Crest), 들어간 부분을 골(Trough)이라고 하며, 마루로부터 인접해있는 두 골짜기까지의 거리가 같으면 대칭(Symmetrical) 연흔이라고 하고, 그렇지 않으면 비대칭(Asymmetrical) 연흔이라고 한다.

유속이 증가할수록 마루의 형태가 직선(Straight)인 경우, 곡선이면서 이어져 있는 파형(Sinuous)인 경우, 곡선이면서 이어져 있지 않은 물결 형태(Linguoid)인 연흔이 생성 -> 이를 보고 유속을 판단 가능

위 그림의 우측하향의 간섭연흔(Interference)의 경우는, 흐름이 두 수직 방향으로 번갈아 흐르면서 연흔이 Box 내에 갇혀 있는 형태로서 발달하는 경우임. 암석과 현생 연흔에서도 충분히 관찰됨.

사층리(Cross-bedding)

사층리는 층리형태인 연흔이 이동하여 형성되는 3차원적 퇴적구조로서, 층리 위, 아래면에 층리 내의 엽층들이 동일 방향으로 경사를 이루며 배열되어 있음.

사층리의 위면에서는 연흔이 관찰됨. 사층리의 오목한 방향으로 물이 흘러감. -> 물이 흐른 방향을 알 수 있음.

연흔의 상류 사면에서 침식되어 운반된 퇴적물 입자들이 경사를 거슬러 유체에 의해 이동하여 하류 사면에 퇴적되면서 형성

유체의 에너지가 감소하여 연흔이 더 이상 이동하지 않다가 다시 유체의 에너지가 증가하거나 유체의 흐름이 바뀌면 먼저 생긴 사층리의 위쪽을 침식하면서 사층리가 다시 형성되는데, 이 두 층리 사이의 경계면을 재가동면(Reactivation surface)라 한다.

아래 그림에서 빨간 경계선(두 특징적인 사층리 사이)이 재가동면에 해당.

Answer!: 왜 사층리에서 오목한 부분의 방향으로 물이 흘렀는가? : 사층리가 형성되는 과정을 이해하면 답할 수 있다!

> 사층리는 기존의 연흔의 상류측 사면을 타고 퇴적물 입자가 올라갔다가, 반대쪽의 급한 경사면에서 또르르 굴러내리며 퇴적된다. 따라서, 퇴적되는 부분이 오목할 수밖에 없다.

https://wwnorton.com/college/geo/egeo2/content/animations/5_3.htm

http://people.maths.ox.ac.uk/zhongy/img/CrossBed.swf

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