교내 R&E 연흔 사전 조사 자료

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2019-09-30 경남과학고등학교 오유신 작성

#주제의 개요(Summary)

유수의 특징에 따른 연흔의 변화와, 이러한 연흔 구조로부터의 물의 흐름을 추정해보는 것이 내가 제시하는 주제이다.

동기: KESO 2차 통신과제 교육을 듣다가 연흔이 시간에 따라 변하고, 물의 흐름에 따라 변한다는 말이 있었는데, 이를 조금 더 자세히 연구해보면 좋겠다는 생각이 들었기 때문이다.

#배경 지식(Backgrounds)

※ 참고: 아래의 모든 배경 지식은 KESO 2차 통신과제 – 2019 심화교육_고체지구과학(지질2)의 강의를 참고하여, 본인이 재구성한 강의노트를 참고하였음.

#퇴적 구조(Sedimentary structures) 중에서의 퇴적 구조(Depositional structures)

앞의 퇴적 구조(Sedimentary structures)는 퇴적암(Sedimentary rocks)을 형성한다는 의미가 더 강하게 사용되었고, 뒤의 퇴적 구조(Sepositional structures)의 경우는, 앞의 퇴적 구조(Sedimentary structures)의 산하에 속하는 것으로서, 과정으로서의 퇴적의 의미가 더 강하게 사용되었다. -> 오해의 소지를 방지하기 위하여 사전에 명시해둔다.

퇴적 구조(Depositional structures)란 운반 매체에 의하여 퇴적물이 침식, 운반, 퇴적 작용을 받으면서 층면(Bed Surface, 퇴적물과 운반매체의 경계면)에 형성되는 구조를 층리형태(Bedforms)라 한다.

퇴적물의 입자 크기(입도), 유체의 속도, 유체의 깊이에 따라 형성되는 층리의 형태가 다르다. 또한, 운반 매체로서 작용하는 유체의 점성, 밀도, 입자의 밀도에도 층리형태는 영향을 받는다.

퇴적물의 입자 크기와 유체의 속도만을 변수로 한 수조 실험을 통하여, 일명 프루드 수(Froude number)를 기준으로, 그래프에 표시되는 영역을 상부 유체 영역(Upper Flow Regime, [eqn: F _{r} >1])과 하부 유체 영역(Lower Flow Regime, [eqn: F _{r} <1])로 구분한다.

일반적으로 수로 실험(Flume experiment, 말 그대로 수로를 만들어놓고 유체를 흘려보냄으로서 그 밑의 토양에 형성되는 퇴적구조를 관찰하는 실험이다)을 통하여 연흔 등의 퇴적 구조의 형성과 유체의 속도, 입자의 크기 사이의 상관 관계를 알아내는 편이다.

입도(입자의 크기)가 작으면 유속에 따라서, 작은 연흔 -> 큰 연흔 -> 평행층리 -> 역사구의 형태로서의 퇴적구조가 생기고, 더 높으면 퇴적보다는 침식 작용이 우세하게 작용하여 침식 구조가 형성된다.

#다양한 층리형태(Bedforms) 중, 연흔(Ripple)

- 연흔(Ripple)은 하도(河道)의 상류에서 침식된 퇴적물이 하류로 운반되면서 형성되는 언덕 형태의 퇴적 구조(Depositional structures)로서, 연흔이 만들어지는 유체의 유속보다 유속이 증가하면 모래파(sand wave), 그리고 사구(dune)가 속도가 증가할수록 순차적으로 발달하게 된다.

또한 연흔은 운반 매체에 의해 바닥을 따라 한 방향 혹은 여러 방향으로 움직이는 퇴적물이 그 바닥에 생성시키는 퇴적구조이다. 퇴적물 바닥에 형성되기 때문에 퇴적암에서는 층리의 윗면에서만 관찰되므로, 2차원적인 구조에 해당한다. 한 편, 연흔이 이동하여 중첩되거나 추가적으로 발달하여, 3차원상의 사층리를 만드는 경우도 많다.

연흔을 보고 물이 흐른 방향을 알 수 있고, 물이 한 쪽 방향으로만 흘렀는지, 왕복하여 흘렀는지의 여부 등을 판별할 수 있다.

일반적으로 연흔에서는 연흔의 경사가 덜 급한 쪽이 상류이다. 즉, 경사가 급한 쪽은 하류 방향을 지시한다. 다만, 참고로 역사구의 경우는 그 반대의 관계가 성립한다.

연흔도 그 발달에 따라 이동하며, 물의 흐름에 따라서 연흔의 모양, 분포 형태 등이 바뀐다.

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

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

일반적으로 유속이 증가할수록 마루의 형태가 직선(Straight)인 연흔 -> 곡선이면서 이어져있는 파형(Sinuous)을 가진 연흔 -> 곡선이면서 이어져 있지 않은 물질 형태(Linguoid)인 연흔 순으로 생성된다. 따라서, 이러한 구조를 보고 연흔이 형성될 당시의 유속을 판단 가능하다.

위 그림의 우하향의 간섭연흔(Interference)의 경우는, 흐름이 두 수직 방향으로 번갈아 흐르면서 연흔이 박스 구조 내에 갇혀 있는 형태로서 발달하는 특징이 있고, 암석과 현생 연흔에서도 자주, 그리고 충분히 관찰된다.

#추가 개념 – 연흔이 중첩되어, 발달되어 형성되는 사층리(Cross-bedding)

사층리는 층리형태인 연흔(Ripple)이 이동하여 형성되는 3차원적인 퇴적구조로서(2차원적인 연흔과는 조금 다름) 층리의 윗면과 아랫면에 층리 내의 엽층들이 동일 방향으로서 경사를 이루어 배열되어 있는 특징이 있다.

사층리의 윗면에서는 일반적으로 연흔이 관찰된다. 일반적으로 사층리를 보고 유수가 어느 방향으로 흘렀는지 추정할 수 있는데, 사층리의 오목한 방향으로 유수가 흘러갔다고 해야 한다.

연흔의 상류 사면에서 침식되어 운반된 퇴적물 입자들이 경사를 거슬러 유체에 의해 이동하며 하류 사면에 퇴적되면서 사층리(Cross-bedding)가 형성된다.

유체의 에너지가 감소하여 연흔이 더 이상 이동하지 않다가 다시 유체의 에너지가 증가하거나(여기서 유체의 에너지는 유체의 유속에 따른 운반 능력으로서 이해하는 것이 옳을 것이다) 유체의 흐름이 바뀌면 먼저 생긴 사층리의 위쪽을 침식하면서 사층리가 다시 형성되는데, 이 두 층리 사이의 경계면을 재가동면(Reactivation surface)이라 한다.

위 그림에서 두 특징적인 사층리 사이의 Red 경계선이 재가동면(Reactivation surface)에 해당한다.

> 왜 사층리에서 오목한 부분의 방향으로 물이 흘렀는가? : 사층리가 형성되는 과정을 시뮬레이션이나 애니메이션으로 보면 쉽게 이해가능하다!

> 사층리는 기존 연흔의 상류측 사면(즉 경사가 낮은 사면)을 타고 퇴적물 입자가 경사를 역행하여 올라갔다가, 연흔 반대쪽, 즉 하류측 사면의 급한 경사면에서 굴러내리면서 되적된다. 따라서, 퇴적되는 부분은 사실상 안식각의 붕괴로서 형성되는 것과 다름없으므로 퇴적되는 부분이 오목하게 만들어질 수밖에 없는 것이다.

#우리가 탐구하면 좋을 것 같은 주제(My choose for R&E Target)

1. 수로 실험 등을 통한 유속에 따른 연흔의 경사 변화, 연흔 퇴적 구조의 발달을 상실하는 한계 유속의 결정

2. 다양한 하도의 상황에 따른 연흔의 방향, 배치 변화와 이를 역으로 연흔의 배치를 보고 당시 유수의 상태를 특정하는 것

3. 대칭 연흔과 비대칭 연흔의 발달에 있어서 생성 조건의 차이 비교

4. 간섭 연흔의 생성 과정과 이로부터 알 수 있는 사실들

5. 유속에 따른 직선형 -> 이어진 곡선형 -> 끊어진 곡선형으로서의 연흔 모양의 변화

6. 연흔을 이용한 One-way or 왕복의 유수 흐름의 결정에 관한 탐구

7. 사층리가 형성되는 유수의 조건 혹은 퇴적면 바닥의 조건, 또는 입자의 조건

8. 태풍 등, 유속에 영향을 줄 수 있는 기상 재해등이 발발하였을 때 연흔의 변화와 이를 이용한 고퇴적구조에서의 기상 재해 발생 여부의 종합 추정

9. 작은 연흔과 큰 연흔의 생성 조건 차이(입도, 유속에 있어서 등) -> 이 때의 프루드 수를 알면 더 좋음.