안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
석회동굴의 형성과 그 내부에서 일어나는 종유석, 석순의 생성은 이산화탄소와 탄산칼슘 사이의 가역적인 화학 평형 이동이 빚어낸 자연의 예술입니다. 이 과정은 크게 석회암이 녹는 용해 과정과 다시 고체로 굳는 침전 과정으로 나눌 수 있습니다.
먼저 석회암의 용해 과정입니다. 빗물이 지표면을 통과하거나 지하로 흐를 때 공기 중이나 토양 속의 이산화탄소를 흡수하면 약산성인 탄산수가 됩니다. 이 탄산수가 주성분이 탄산칼슘인 석회암 지대를 지나면 화학 반응이 일어나며 물에 잘 녹지 않던 탄산칼슘이 수용성인 탄산수소칼슘으로 변하게 됩니다. 이 과정에서 석회암이 깎여 나가며 거대한 동굴이 형성됩니다.
여기서 핵심은 탄산수소칼슘의 용해도와 이산화탄소 농도의 관계입니다. 지하수에 이산화탄소가 많이 녹아 있을수록 평형은 탄산수소칼슘을 생성하는 쪽으로 이동하여 더 많은 석회암을 녹입니다.
반대로 석회동굴 내부에서 종유석이나 석순이 만들어지는 과정은 평형이 역방향으로 이동하는 현상입니다. 탄산수소칼슘이 녹아 있는 지하수가 동굴 천장에 맺히거나 바닥으로 떨어질 때, 상대적으로 이산화탄소 농도가 낮은 동굴 내부 공기 중으로 이산화탄소가 빠져나가게 됩니다.
이때 르 샤틀리에의 원리에 의해 화학 평형은 감소한 이산화탄소를 보충하려는 역반향으로 이동합니다. 결과적으로 수용액 상태였던 탄산수소칼슘이 다시 물에 녹지 않는 고체 상태인 탄산칼슘으로 석출되면서 침전물이 쌓이게 됩니다. 천장에서 굳으면 종유석, 바닥에서 굳으면 석순이 되며, 이들은 수만 년에 걸쳐 조금씩 자라나 동굴의 장관을 이룹니다. 결국 석회동굴은 이산화탄소의 농도 변화에 따른 용해도 차이가 만들어낸 거대한 화학 평형의 실험장이라 할 수 있습니다.