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분류

2가지로 나누는 분류법에서는 교질물의 종류를 표시하기 위하여 크리트(-crete)라는 접미어를 화합물명에 붙이고 화학적 내용을 표시하기 위하여 크러스트(-crust)를 접미어로 붙였다. 실크러스트(silcrust)와 페리크러스트(ferricrust) 사이의 실용적인 구별에는 유용한 점도 있지만, 이분법은 결점을 갖고 있다. 보다 유용한 분류법은 아프리카 토양학자들에 의해 개발된 명명법을 채용하고 확장한 것이다. 고유의 듀리크러스트 안에 경계가 그어져도 그 경계는 점이적인 것으로 생각해야 한다.

가장 잘 보존된 곳에서의 듀리크러스트는 표에 열거된 것과 같이 가장 연속적이고 광범위한 형이다. 듀리크러스트는 풍화작용·삭박작용·토양형성의 최종 산물을 대표하며 이들은 주로 페디먼트와 같은 침식 대지나 하천 사이의 분수령을 이루는 잔류토로 산출된다. 듀리크러스트는 보통 깊이 풍화되어 두께가 120m에 달하는 단면의 일부를 형성하기도 하며 이외에도 보통 두드러진 곳보다 낮은 곳이나 그 가까이의 절벽과 급경사면의 기저부, 하안단구 또는 곡저에서 산출된다. 풍화되어 제거되거나 크러스트가 형성중인 말단부를 제외하면 그 두께는 0.5m에서 적어도 12m정도에 걸친다. 이는 특히 건조한 지역에서 다공질 풍화와 흔히 관련된 약 15㎝ 두께의 판상 풍화각과 대조된다.

분포

듀리크러스트는 열대지방에서 아열대지방에 집중되어 있으며 특히 남아프리카와 오스트레일리아에서는 열대지방 밖으로 상당히 멀리 퍼져나가 있다. 적도 우림에는 발달되지 않는 것이 정상이다. 많은 듀리크러스트는 과거의 기후적·생물적·지형적 환경과 관련성을 가졌다는 의미에서 화석 크러스트이며 이들 지방에서는 현재의 조건하에서는 형성되고 있지 않다(→ 화석의 기록).

오늘날의 건조기후대와 반드시 관련성이 있는 것은 아니지만 다른 종류의 크러스트는 건조기후 내지 아습윤기후와 관련성이 있다. 두께 4m까지의 탄산칼슘으로 구성된 칼크러스트(calccrust)와 황산칼슘으로 구성된 집크러스트(gypcrust)는 내륙 배수분지에 생성되는데 여기서 이들은 초기에 증발잔류암으로 형성되기 시작했다.

증발에 의해 형성되는 경우 이외에 칼크러스트는 칼슘이 풍부한 토양의 가장자리 근처에서 지표 또는 지하 토양층준이나 대(帶)로 형성된다. 사막이나 사막 가까운 토양에 흔히 있는 석고가 풍부한 층준은 집크러스트를 형성할 정도로 침식에 강하지는 못한 것으로 보인다. 칼크러스트나 다른 석회암 표부의 규화작용으로 형성된 칼크실리틱(calcsilitic) 크러스트에 관한 연구는 거의 없는 실정이다. 살크러스트(Salcrust : 암염각)는 사막 변두리나 염분을 포함한 지하수가 나오는 곳에서 형성되나 이들이 암염으로 결정화되지 않으면 침식에 대한 저항이 약하므로 곧 없어지기 쉽다.

오스트레일리아·인도·아프리카·남아메리카에서는 듀리크러스트로 된 넓은 지역이 다양한 개석 상태에 있는 페디먼트와 평원을 덮는 경향이 있으나 어떤 크러스트는 기복이 큰 지역의 계곡에 형성되기도 한다. 알리틱(allitic) 크러스트는 상업적 가치가 있는 보크사이트를 형성한다. 파편상 및 곡면의 듀리크러스트는 이들 모든 나라에서 산출되며 주로 잔류성 상부토양층 주변에 분포한다.이들 크러스트는 아프리카 서부의 망가니즈(망간)광과 오스트레일리아 남부의 규화된 단구력과 같이 경제적 가치가 있는 매장량을 지니고 있다. 풍화, 침식 및 듀리크러스트의 개석, 계속 이어지거나 멈췄다 재개되는 듀리크러스트 형성작용은 대단히 복잡하다. 이에 더하여 어떤 듀리크러스트는 현재 육성 퇴적물 아래에 묻혀 있다.

오늘날 페리크러스트가 형성되는 대략적인 한계는 500~700㎜의 등강수량선에 있고 강수량이 이보다 적은 곳에서는 철분의 이동이 쉽지 않으며 1,200㎜ 이상이면 탈수작용에 이상이 생긴다. 또한 20~25℃ 정도의 높은 연평균기온이 필요하다. 표시된 한계를 벗어나는 곳에 분포하는 듀리크러스트는 대부분 화석(과거의 기후조건과 연관됨) 듀리크러스트이며 이들 범위 안에 있는 것도 화석으로 존재하는 것이 많다. 층서학적으로, 또는 방사성 동위원소법으로 측정된 바에 의하면 서아프리카의 것이 5,000만 년으로 오래된 것이며, 오스트레일리아의 것도 2,300만 년을 넘는다. 그러나 듀리크러스트는 오늘날에도 형성되고 있는 곳이 있다.

화석 듀리크러스트와 연관된 현상으로는 미국의 피드몬트 지역 남부와 유럽 서부 및 북서부에 있는 육괴에서 제3기(6,500만 년 전~250만 년 전)중에 일어난 심부 풍화를 들 수 있으며, 시베리아의 북위 65°에 있는 잔류성 보크사이트로 구성된 제3기층도 여기에 포함된다.

형성

듀리크러스트 형성 요인

듀리크러스트 형성에는 대량의 풍화물질이 제거되어야 한다.

일반적인 예로, 관입화성암(貫入火成岩)의 일종인 하석섬장암(霞石閃長岩)이 열대에서 풍화되면 신선한 암석에서는 55％의 실리카(SiO₂)가 감소되고 듀리크러스트에서는 5％ 정도가 감소된다. 반면 알루미나는 1％에서 45％로, 산화철은 5％에서 23％로, 결합수는 1％에서 25％로 각각 증가한다.

열대지방 삼림에서 일어나는 식물과 토양 사이의 영양소 순환과정을 보면, 식물은 영양분을 과도하게 흡수하고, 이는 심부에 이르는 풍화작용을 유발한다.

심부 풍화작용을 겪은 토양단면에서는 실트 크기의 물질이 분해되거나 다른 곳으로 용해·제거된다. 점토광물은 분산되며 아래로 이동하는 경향이 있는데, 특히 강수량이 많고 식물성장이 활발한 곳에서는 전해질의 농도가 낮아진다. 나머지 산화물들은 구형(球形)의 미구조물을 많이 가진 것으로 집합하는 경향이 있다.

지면을 덮은 토양이 제거되기 전, 제거되는 동안 또는 제거된 후에 페리크러스트의 탈수 및 고화작용을 촉진시킬 수 있는 메커니즘은 숲의 파괴와 지하수면의 하강을 수반하는데 이러한 일은 몇 가지 방식으로 일어날 수 있다.

예를 들어 산림파괴는 인간에 의한 산림개간을 제외하고도 기후의 변화 및 홍수에 의한 지면의 저하로 일어날 수 있다(대수층).

실크러스트 형성에는 실리카의 선택적 농집이 요구되며, 몇몇 전문가는 실크러스트가 페리크러스트 단면의 하부에 위치할 것으로 생각해 왔다. 그러나 페리크러스트와 실크러스트 사이의 분포차는 분명하며, 두 크러스트 사이의 점이성(漸移性)은 잘 연구되어 있다. 항상 그렇지는 않지만 실크러스트는 간혹 사암과 석영질 역암의 규화작용으로 형성된다.

그것은 페리크러스트가 생기는 지역보다 건조한 지역에 생긴다. 그러나 많은 화석적인 성질에 이들이 보통 속해 있는 심층풍화 단면을 합쳐서 생각해보면 이들이 습윤한 기후에서 형성되었음을 알 수 있으나 당시의 상황을 직접 참작하지는 못한다. 페리크러스트와 마찬가지로 실크러스트는 보통 지표 아래, 아마도 침식을 받기 쉬운 세립물질층(細粒物質層) 아래에서 형성된 것으로 여겨진다.

이온의 운동·이동·농집

철과 알루미늄의 산화물 및 어떤 경우에는 실리카를 선택적으로 농집시키는 토양화작용의 가장 중요한 요인은 이온 교환이다.

아직 완전히 이해되지는 않지만, 이는 전해질(토양수) 내의 다른 이온과 함께 음전하로 유지되어 있는 이온 교환을 포함한다. 이온 교환에는 광물의 결정구조에 이온이 적합한가의 여부가 영향을 미친다. 이와 관련된 과정은 수화작용(水化作用 : 물의 흡착)·수산화작용(H⁺과 OH^-의 흡착)·산화작용(풍화로 전자를 잃고 산소와 결합함)·환원작용(결합되어 있던 산소를 소실함)을 포함한다.

이온 교환은 양이온 교환 능력(CEC)에 지배되는데 CEC는 pH7에서 점토 100g당 교환가능한 양이온의 밀리 당량(當量)으로 표시된다. 고령토와 실제 또는 잠재적 듀리크러스트는 CEC가 낮은 것이 특징이다(캐올리나이트).

토양수는 반대 전하를 띤 H⁺와 OH^-로 분리되며, 대기중의 CO₂는 토양과 만나 용액 속에서 HCO₃^－와 유리된 H⁺를 만든다.

이들 이온은 몇몇 금속 양이온의 교대를 촉진하는데 특히 규산염광물의 이온들은 대부분 용액 중의 OH^-와 결합하고 있는 H⁺에 의해 교대된다. H⁺는 작지만, 크기에 비해 높은 전하를 가지고 있어서 많은 결정의 격자 내로 쉽게 들어갈 수 있다. OH^-는 작은 전하인 Na⁺와 K⁺ 및 큰 전하인 Ca⁺⁺와 Mg⁺⁺를 중화시킨다.

토양입자 중의 양전하(陽電荷)는 부분적으로 철·알루미늄·망가니즈(망간)의 수산화물과 관련이 있다. pH가 작아지면서 증가하는 부의 전하는 양이온들에 의해 중화되는데, 그중에서 Al(OH)₂⁺는 중요한 이온 중의 하나이다. 부의 전하를 가진 SiO₂ 콜로이드와 Al₂O₃ 콜로이드 및 양으로 전하된 Fe₂O₃는 아마도 고도로 농집된 H＋와 상호작용하여 점토광물을 만든다. 이들 중 가장 안정된 것은 1 : 1의 층상구조를 가진 규산염광물인 고령토군이며 여기서는 각각의 규소-산소층이 1개의 수산화알루미늄층으로 농축된다.

일부 이온 교환작용에는 생물과 유기물도 포함된다.

킬레이트화제, 복합 아미노산 및 동족화합물은 알루미늄이온과 철 이온을 비활성화하고 이들을 격자구조 내에 고정시킨다. 그렇게 되면 이온들은 산성도가 급격히 감소하여 재침전하게 되는 경우를 제외하고는 마치 그들이 존재하지 않는 것처럼 행동하게 된다. 망가니즈와 규소는 비슷하게 취급될 수 있다. 용해작용과 용탈작용(溶脫作用)의 조합 및 킬레이트화 작용과 용탈작용의 조합은 듀리크러스트 형성 전에 산화물이 풍부한 플린사이트(plinthite) 형성에 강력하게 작용하는 것으로 보인다.

유기산(有機酸)의 일반적인 형성에서처럼 철의 고정과 이동에는 박테리아가 또한 일부 역할을 담당한다. 어떤 것은 가용성 철을 형성하는 데 작용하고, 또 어떤 미생물은 가용성 제1철(Fe(OH)₂)을 산화시켜 불용성 제2철(Fe₂O₃)로 만든다. 박테리아를 포함해 토양 내의 미생물은 특히 여러 종류의 현저한 킬레이트화제를 형성하는 데 참여한다.

암석의 종류, 지형, 지하수면의 변화

듀리크러스트는 화강암·현무암·반려암·사질암 및 이질암을 포함한 화성암·변성암·퇴적암의 넓은 범위에서 생성된다.

듀리크러스트의 화학조성은 기반암(基盤岩)의 화학조성에 따라 다소 영향을 받는 것으로 생각되는데, 특히 하석섬장암이 풍화하여 알루미늄이 풍부한 알리틱크러스트가 형성되고, 염기성 화성암은 철이 풍부한 페리틱크러스트 내지 타이타늄(티탄)과 알루미늄이 풍부한 티알리틱크러스트를 형성한다. 어떤 지역에서는 사질암과 이질암이 실리카가 풍부한 실리틱크러스트를 형성하지만 비슷한 기후하에서도 듀리크러스트의 조성이 기반암의 화학조성과는 경미한 관련성이 있을 뿐이다.

페리틱크러스트는 알루미늄질 크러스트에 비하여 더 다양한 구조를 가지고 있는 반면 덜 강하게 수화되어 있다. 실리틱크러스트는 완두콩 크기의 단괴에서 큰 덩어리에 이르기까지 여러 가지가 있는데 큰 것은 지하에서 자연히 생긴 침식관을 가지며 이들 크러스트는 수분을 포함하지 않는다.

토양단면 배수계(排水系)는 매우 중요하다.

신속한 용탈작용과 알칼리성 내지 중성이라는 것은 실리카 제거와 알루미늄 및 타이타늄이 있다면 이들을 농축시키는 데 좋은 조건이 된다. 지하수면에 가까우면 철성분의 농집이 촉진되나, 배수가 불량하고 산성이면 실리카의 농집에 유리하다. 하지만 이미 알려져 있는 분포상태로 보아 페리크러스트와 실크러스트의 형성상 차이는 기반암에 의한 조절보다는 지리적인 차이임을 암시한다. 기반암의 조절은 점이대(漸移帶)에서만 효과를 나타낼 것으로 보인다.

듀리크러스트 형성을 위한 지형적 조건은 완만한 기울기 또는 지하수가 철 및 망가니즈의 산화물을 공급할 수 있는 상황을 포함한다.

최대 경사가 8~10°(평균은 2° 또는 그 이하)인 페디먼트나 평야에 생긴 잘 보존된 화석 크러스트는 지하수의 미약한 수평이동과 용탈작용에 의한 크러스트의 상대적인 부화작용(富化作用)을 암시한다. 이는 가파른 비탈 및 곡면 밑에서 크러스트가 절대적인 부화를 일으키게 하는 활발한 운반작용과는 대조를 이룬다. 또한 지하수의 작용을 시사하는 것은 깊이 풍화된 여러 토양단면에서 발견되는 담색대(淡色帶) 및 잡색대(雜色帶)이다.

이중 담색대는 환원환경에서의 고령토화작용의 결과 형성된 것으로 여겨지고, 잡색대는 지하수면의 계절적 변동에 의한 결과로 여겨진다. 이들 대가 여러 크러스트의 철분 함유량을 보충할 능력이 없음은 상대적인 부화를 확실히 해준다.

기후와 시간의 영향

칼크러스트·집크러스트·살크러스트는 건조한 기후의 산물로 볼 수 있으나 적어도 현재와 충적세(약 1만 년 전에 시작) 후기의 듀리크러스트만은 습윤한 열대기후하에서 생성된 것으로 보이며 아마도 계절적으로 건조한 때와 습하고 따뜻한 때가 있었고, 토양의 평균온도는 25~30℃였을 것이다(열대습윤건조 기후). 이러한 조건하에서는 원암 부피의 약 50％ 이상을 풍화되는 동안에 잃어버릴 수 있으나 일부 단면의 구조가 보존되어 있는 것은 전체적인 감량보다는 하부로의 농집을 시사한다.

건조한 철·알루미늄으로 구성된 점토가 같은 성분의 듀리크러스트로 전화하는 데는 30~50년 정도 걸린다.

그러나 이미 알려져 있는 값을 이용하여 추측한다면 실제로 깊이 풍화된 토양단면의 형성에는 1,500만 년까지 걸릴지 모른다. 그러나 이 기간은 제3기의 습윤열대삼림의 지속기간과 대비할 때 그 범위 안에 충분히 들어갈 것으로 보인다. 현재 연평균강수량이 1,200㎜ 이상인 적도지역에 듀리크러스트가 존재하는 데 영향을 준 것은 아마도 기후변화일 것이다.

칼라하리 사막이 현재의 한계를 넘어 1,600~3,000㎞까지 확장되어 있었다는 사실과 함께 과거에 아프리카의 건조한 기후가 북쪽으로 연장되어 있었다는 것은 이미 증명되어 있다.

마찬가지로 아마도 열대 밖에 있는 화석 크러스트의 생성과 제3기의 깊은 풍화 잔존물의 생성에는 현재의 습윤한 열대기후 이전의 과거의 기후가 영향을 미쳤다고 볼 수 있다. 이러한 기후는 극과 적도 사이의 기온경사도의 감소로 설명될 수 있다.

듀리크러스트의 탈수(脫水)와 경화(硬化)는 흔히 비가역적(非可逆的)인 것이라고 하지만, 오랜 시간을 통해 보면 이것은 사실이 아니다.

침식되는 크러스트 표층이 붕괴되는 것을 제외하고라도 잔류 페리크러스트는 새로운 토양화작용을 받을 수 있으며, 이는 철성분을 이동시키고 옛 분류법에서 '홍토질 포드졸'로 불리던 적황색 토양을 형성하게 한다.