반사분광학을 이용한 응회암 석조문화재의 풍화도 평가
현창욱1)· 박형동2)*
Weathering Degree Assessment of Tuff Stone Monument Using Reflectance Spectroscopy
Chang-Uk Hyun and Hyeong-Dong Park
*Abstract : Weathering degree assessment of rocks has been conducted with naked-eyes of geologists, microscopic analysis and X-ray analysis methods. Those conventional methods have limitations to produce subjective and biased judgment, destroy of objects and time-consuming procedures, and cannot conduct quantitative, non-destructive and in-situ experiments. To overcome the above mentioned limitations, new non-destructive weathering degree assessment method was developed from the spectral reflectances including the intrinsic and diagnostic absorption features of minerals with the wavelength ranges from visible to near infrared. The non-destructive assessment method was applied to the tuff sculpture and pagoda in Unjusa temple, Hwasun County, Jeollanam-do, Korea, and the weathering degrees were measured on the surface of the monuments. The map of weathering degree corresponded with the trends of the wind directions and rain. The weathering degree assessment method can be applied to the stone monuments composed of various rock types with the advantages of non-destructive and areal measurement.
Key words : Tuff, Stone monument, Reflectance spectroscopy, Spectrometer
요 약 : 암석의 풍화도는 지질 전문가에 의한 육안분석, 현미경 관찰, X-선 응용 기법을 통해 평가가 이루어졌 으나 이러한 방법은 주관적 해석에 의한 오차 발생, 시료가공으로 인한 대상 손상, 실험실 실험을 위한 시간 소모 등 정량 분석, 비파괴 분석, 현장 적용성의 측면에서 제한이 있다. 본 연구에서는 가시광과 근적외선 파장영 역에서 구성 광물의 고유한 에너지 흡수특성을 나타내는 분광반사특성을 기반으로 암석의 상대적 풍화도를 산정할 수 있는 비파괴 평가기법을 개발하여 기존 기법들의 제한 요소들을 극복하고자 하였다. 본 기법을 전라남 도 화순군 운주사에 있는 응회암 기반의 마애불과 석탑을 대상으로 적용하여 측정 지점별 풍화 정도를 산정하고 풍화 지도를 작성한 결과, 강우 및 풍향에 따른 풍화특성과 일치함을 확인할 수 있었다. 본 기법의 비파괴적 특징 및 대상 영역 전체에 대한 풍화 정도 파악이 가능하다는 장점은 향후 다양한 암종의 석조문화재에 대한 풍화도 평가기법으로 적용이 가능할 것으로 기대된다.
주요어 : 응회암, 석조문화재, 반사분광학, 분광계
2010년 7월 7일 접수, 2010년 7월 23일 채택 1) 서울대학교 공학연구소
2) 서울대학교 에너지시스템공학부
*Corresponding Author(박형동) E-mail; [email protected]
Address; Department of Energy Systems Engineering, Seoul National University
서 론
석조문화재는 일반적으로 야외의 비･바람에 노출된 환경에서 존재하기 때문에 풍화가 발생한다. 최근에는 산업활동으로 인해 대기가 오염되고 이로부터 발생되는 산성비로 인해 풍화가 가속화되고 있다. 이러한 풍화는
석조문화재에 암석 조각이나 광물 입자의 탈락･박락 현 상, 개별 구성 부재의 강도 저하, 구조적 안정성 저하 (Irfan, 1996; Lee and de Freitas, 1989) 등 물리적 손상 이나 표면 변색으로 인한 문화재적 가치 훼손의 문제를 발생시킨다(Lee et al., 2005; Lee and Yi, 2007).
암석의 풍화 정도를 평가하기 위해 다양한 평가 기법 들이 개발되고 개선이 이루어져왔다(Lee et al., 2006).
공학적인 목적으로 풍화 상태를 분류하기 위해 지질 전 문가에 의한 육안분석, 일축압축강도 측정, 투수계수 측 정, 초음파 측정 시험 등 현장 및 실험실내 물성시험과 X-선 회절분석, X-선 형광분석, 현미경 분석을 통한 화 학･광물 조성 분석 방법, 사진측량 방법이 사용되었다 연구논문
Table 1. Efficiency evaluation of compositional analysis methods for geomaterials Analysis method Real-time
assessment
Non-destructive analysis
In-situ
assessment Precision Investigation using
naked-eyes of geologist ◎ ◎ △ △
Microscopic analysis N.A. N.A. N.A. ○
X-ray diffraction analysis N.A. N.A. N.A. ◎
X-ray fluorescence analysis △ △ △ ◎
Schmidt hammer rebound test ○ △ ○ ○
Uniaxial compression test N.A. N.A. N.A. ◎
Microphotogrammetry ○ N.A. N.A. ◎
Reflectance spectroscopy ○ ◎ ◎ ○
◎: excellent ○: good △: available N.A.: not available
Table 2. Geologically significant regions in the electromagnetic spectrum (modified from Kruse, 1994)
Wavelength region Wavelength range (nm) Mineralogy Associated molecular feature VNIR
(visible and infrared) 400-1,100 Fe and Mn oxides, rare earths
Crystal field absorption, charge transfer absorption SWIR
(shortwave infrared) 1,100-2,500 Hydroxyls, carbonates, sulfates, micas, amphiboles
Al(OH)2, Fe(OH)2, Mg(OH)2, NH4, SO4 absorption, CO3
TIR (thermal infrared) 8,000-14,000 Carbonates, silicates Si-O bond distortion Fig. 1. Experimental process of reflectance spectroscopy.
(이효성과 박형동, 2004; Dearman, 1974; Dearman et al., 1978; Irfan, 1996; Kim and Park, 2003; Lee and de Freitas, 1989). 각 분석 방법에 따라 시간적 효율성, 현 장 적용성, 비파괴 평가조건의 관점에서 우수성과 제한성 을 판단할 수 있다(Table 1). 육안 분석의 경우 가장 기초 적으로 사용되는 방법이지만 분석자의 주관이 분석과정에 서 개입될 가능성이 있고, 육안으로 구분이 가능한 광물에 한정하여 평가가 가능한 제한이 있다. 현미경 분석을 위해 서는 시료를 채취한 후 박편 및 연마편의 제작이 필수적이 기 때문에 시료 전처리에 시간이 소요되며 현장적용과 비 파괴 평가를 수행할 수 없다. X-선 분석법의 경우 정확도 와 정밀도는 우수하지만 분석을 위해서는 일반적으로 대 상으로부터 시료 채취･가공 및 실험실 내 실험이 필요하 며, X-선 형광분석의 경우 최근 휴대가 가능한 기기가 개 발되어 적용 사례가 점차 증가하고 있는 추세이다.
반사분광학(reflectance spectroscopy)은 대상 물체의 표 면에서 산란 및 반사된 전자기파 에너지를 분광계(spectro- meter)를 이용하여 측정함으로써(Fig. 1) 물질별 고유한 에너지 흡수특성을 기준으로 구성물질을 규명할 수 있다 (Clark, 1999). 여기에 사용되는 에너지원은 야외에서 측 정을 할 경우 자연 태양광이 이용가능하며, 실험실 내에서 이루어지는 실험의 경우 측정 파장영역 전체에서 안정적
인 에너지 방출이 가능한 할로겐(halogen) 램프를 사용한 다. 암석이나 광물의 분석에 사용되는 파장영역은 가시광 영역(0.4-0.7 ㎛) 뿐만 아니라 근적외선 영역(0.7-3 ㎛) 이 상으로 확장 가능하기 때문에 기존의 가시광 영역 내에서 만 가능했던 육안 관찰보다 양적으로 증대된 정보의 확보 와 더불어 객관적인 측정이 가능하다. 입사된 전자기 에 너지는 분자를 구성하는 전자와(Burns, 1993) 분자 진동 (Farmer, 1974) 효과에 의해 특정 파장영역에서 에너지를
Table 3. Summary of spectral libraries related to rocks and minerals
Library Producer Reference Website
USGS Digital
Spectral Library 06 U.S. Geological Survey Clark et al., 2007 http://speclab.cr.usgs.gov/spectral.lib06/
Spectral Library of Land Surface (in Korean)
Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources
지광훈 외, 2007 N.A.
ASTER Spectral Library 2.0
Jet Propulsion Laboratory, California Institute of
Technology, USA
Baldridge et al., 2009 http://speclib.jpl.nasa.gov
MINEO Spectral Library BRGM, France N.A. http://www.brgm.fr/mineo/
SPECCHIO Online Spectral Database V2.0
A. Hueni, Remote Sensing Laboratories, Institute of Geography, University of
Zurich, SWISS
Hueni et al., 2009 http://www.specchio.ch
SPECMIN Spectral International Inc. N.A. http://www.pimausa.com/
Table 4. Type of the tuff stone monument in Korea (Jun et al., 2006)
Type No. of registered stone
monuments
Percentage of registered stone monuments for each type
Pagoda 2 1.1
Tombstone 4 5.9
Stone Buddha image 2 2.3
Sculpture of Buddha 1 2.7
Stupa 5 8.3
Stone bridge 1 8.3
흡수한다. 이러한 파장별 에너지 흡수특성은 Table 2와 같 이 광물을 구성하는 화학성분에 대한 정보를 제공한다.
지질매체의 구성 분석･분류를 위해서는 암석과 광물 에 대한 기준 분광반사특성이 필요하다. 분석 기준 분광 반사특성은 분석자가 대상 지질매체에 대해 라이브러리 를 직접 작성하여 이용할 수 있고, 국내외 연구자 및 연 구기관들에 의해 사전에 구축되어 제공되는 라이브러리 들(Table 3)에서 분석 대상에 적합한 분광반사특성을 선 택하는 방법도 가능하다.
반사분광학은 기기 휴대성이 우수하고, 또한 분석 대상 과 접촉하지 않고 원거리로 직접 측정이 가능한 장점이 있기 때문에(Clark, 1999) 실시간 분석, 현장 측정, 비파괴 분석에 대한 조건들을 모두 충족한다. 암석의 풍화 현상 과 관련된 연구 사례로 화강암 시편과 노두 표면에서 풍 화도 차이에 대한 분광반사특성을 측정한 연구(현창욱과 박형동, 2007), 항공탑재센서를 이용하여 화강암의 표면 풍화도 차이에 대한 분광반사특성을 측정한 연구(Riaza et
al., 2001)와 적외선 파장영역에서 현무암의 화학적 풍화 에 대한 연구(Michalski et al., 2006)가 있지만 풍화 정도 에 따라서 변화하는 분광반사도의 차이에 대한 측정이 주 요하고, 풍화로 인한 구성광물의 변질 및 풍화산물 생성 을 기반으로 기후환경 조건을 고려한 풍화도 평가나 실용 적인 풍화지도 작성에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 전라남도 화순군 운주사 일대에서 채취 한 불균질한 조직으로 구성되어있는 응회암 시편에 대해 X-선 분석기법과 반사분광학을 적용하여 주요 구성광물 에 대해 분석하고, 기본 조암광물을 기반으로 화학적 풍 화로 인한 광물 변질을 탐지할 수 있는 반사분광학적 평 가법을 적용하여 운주사 내의 마애여래좌상과 원형석탑 표면 풍화도의 비파괴 평가를 수행하고자 한다.
연구대상 석조문화재 상세
남한에는 2005년 기준으로 533개의 석조문화재가 국가
Fig. 3. Geological map of the study area.
(a) (b) (c)
Fig. 4. Rock specimens obtained from the region of the Unjusa temple, (a) ash tuff, (b) green lapilli tuff, and (c) red lapilli tuff.
Fig. 2. Location of the study area.
지정 문화재로 등록되어 있고 전체 문화재의 약 30%의 비율을 차지한다. 이 중에서 응회암으로 구성된 석조문화 재는 2005년 기준으로 16개로 등록문화재에서 약 3%의 비율을 차지하고(Jun et al., 2006) 종류는 석탑, 석비, 불 상, 마애불, 사리탑, 석교로 구성되어 있다(Table 4).
응회암은 화산재와 다양한 종류의 암편으로 이루어진
퇴적암이다. 분석 대상은 전라남도 화순군 도암면 대초리 의 천불산 일대(Fig. 2)에서 채취한 응회암이다. 이곳에는 신라시대에 창건된 것으로 알려진 운주사가 위치해있고 약 90여 개의 석탑과 석불 등 인근의 응회암을 이용하여 제작한 석조문화재가 분포하고 있다(전남대학교박물관, 1991). 천불산 일대의 응회암은 다도 응회암으로(Cheong
Table 5. Mineral composition of the tuff using XRD and microscopic analysis
Rock type Major minerals Minor minerals
Ash tuff Feldspar, quartz Chalcedony, calcite, dolomite, epidote, opaque minerals, basaltic clast
Green lapilli tuff Feldspar, quartz, muscovite
Calcite, chalcedony, sericite, chlorite, quartzite clast, basaltic clast
Red lapilli tuff Feldspar, quartz, muscovite
Chalcedony, sericite, limonite, quartzite clast, chlorite, zircon, basaltic clast
and Kim, 1966) 세립질의 화산회 응회암(ash tuff)과 역질 (lapilli tuff) 응회암으로 구분된다(Fig. 3). 현장조사 결과 지질조사 문헌에 기재된 것과 동일한 화산회 응회암과 역 질 응회암의 존재를 확인하였다. 역질 응회암은 화산회 기 질의 색에 따라서 녹색 역질 응회암(green lapilli tuff)과 붉 은색 역질 응회암(red lapilli tuff)으로 구분하였다(Fig. 4).
풍화도 평가 대상 문화재로 운주사 내에 위치하고 있 는 마애여래좌상과 원형석탑을 선정하였다.
풍화도 평가 방법
응회암의 광물학적 조성 분석
응회암의 기본적인 광물학적 조성을 알아내기 위해 천 불산 인근에서 채취한 화산회 응회암과 녹색 역질 응회 암, 붉은색 역질 응회암 시편에 대해 X-선 회절분석과 현미경 분석을 수행하였다.
응회암의 반사분광학적 분석
지름 2 cm의 원판 형태로 가공한 화산회 응회암, 녹색 역질 응회암, 붉은색 역질 응회암 시편에서 분광반사특 성을 측정하고, 광물조성 분석결과와 광물 분광반사특성 라이브러리를 조합하여 측정된 분광반사특성에서 나타 나는 흡광특성들에 대해 광물학적으로 분석하였다. 이를 통해 풍화산물의 종류와 흡광특성이 나타나는 파장영역 의 확인 및 조암광물들의 흡광특성과의 중복 여부에 대 한 사전정보를 획득할 수 있다.
분광반사특성 측정에는 미국 ASD사에서 제작한 FieldSpecⓇ3 분광계를 이용하였다. 분광계는 약 5 kg의 중량으로 휴 대가 용이하고, 충전 배터리로 전원을 공급하여 야외에 서도 운용이 가능하도록 개발되었다. 분광계 본체와 광 섬유로 연결된 탐침에서 대상으로부터 산란･반사된 전자 기 에너지를 받아들이고 분광계 내부에서 파장별로 에너 지를 분산시킨 후 상대적 반사도로 변환하는 과정이 이루 어진다. 측정 파장범위는 350 nm에서 2,500 nm로 가시 광부터 단파장 적외선(SWIR) 파장까지 포함된다. 측정 대상영역은 기본적으로는 원형으로 탐침의 측정각(FOV;
field of view)과 측정 대상 사이의 거리를 조절함으로써 면적을 결정할 수 있다.
측정 과정 중 기온･습도･전자기파 에너지의 강도 변화로 인한 오차 발생을 최소화하기 위해 10-15분마다 기기최적 화와 기준반사체의 반사도를 측정한다. 또한 30회 측정을 기본 단위로 하여 동일 지점에서 3-5회 측정을 반복 수행하 고, 분광반사곡선에서 측정오차로서 발생되는 계단현상이 발견되지 않는 최적 반사곡선을 선택하여 분석을 수행한다.
분광 반사 스펙트럼에서 구성광물들의 고유한 흡광 패 턴을 추출하고 분석하기 위해서는 배경 스펙트럼을 의미 하는 연속체(continuum) 성분을 제거해야 한다. 연속체 성분은 측정된 스펙트럼으로부터 추출한 외곽선으로, 이 러한 연속체 스펙트럼을 제거함으로써 측정 대상 물질의 고유한 특징적인 흡광패턴들을 추출할 수 있고, 흡광깊 이로부터 측정 지점별로 흡광특성을 나타내는 대상 물 질의 상대적 분포량을 비교할 수 있다(Clark and Roush, 1984). 흡광깊이는 파장별 측정 반사도(Rreflectance)와 연속체
성분(Rcontinuum)을 이용하여 다음과 같은 식으로 계산할
수 있다.
Absorption depth=1-Rreflectance/Rcontinuum
석조문화재 표면 풍화지도 작성
반사분광학을 이용한 암석의 풍화도 평가는 화학적 풍화 과정 중 구성 광물로부터 생성되는 풍화산물의 고유한 흡 광특성 추출을 통해 이루어진다(현창욱과 박형동, 2007).
응회암으로 구성된 석조문화재에 대해서도 시편의 광물 분석 결과에서 조암광물과 이로부터 생성되는 풍화산물 의 종류를 규명한 후, 조암광물과 구분되는 풍화산물의 흡광파장 영역을 추출하고 흡광깊이를 비교분석함으로 써 측정 지점별 상대적 풍화도에 대한 평가가 가능하다.
실험 결과 및 고찰
응회암 구성 광물 분석
대상 시료의 광물학적 조성을 알아내기 위해 X-선 회 절분석과 현미경 분석을 수행한 결과 주요 조암광물은
Fig. 5. Spectral reflectance curves of three types of the tuff obtained in Unjusa temple site.
(a)
(b)
Fig. 6. Spectral reflectance curves of powder of whole tuff, powder of the blocks in tuff, powder of matrix, powder of green and red matrix.
Fig. 7. Color comparison between green matrix of green lapilli tuff and red matrix of red lapilli tuff.
석영, 장석류, 백운모이고 옥수, 방해석, 석회석, 녹렴석, 녹니석, 견운모, 규암편, 갈철석, 저어콘, 현무암질 암편 이 일부 포함되어 있다(Table 5).
응회암 시편의 반사분광학적 분석
동일한 조명 조건에서 측정된 화산회 응회암, 녹색 역 질 응회암, 붉은색 역질 응회암의 분광반사특성은 Fig.
5와 같다. 화산회 응회암의 분광반사곡선과 역질 응회암 의 분광반사곡선은 가시광 영역과 근적외선 영역 모두에 서 뚜렷한 반사도 경향의 차이를 보인다.
역질 응회암의 경우 화산재로 이루어진 기질과 암편들 의 분광반사도 차이가 존재하는지 알아보기 위해 암석을 조분쇄하여 굵은 입자로 분리하였다. 분쇄하지 않은 응 회암, 조분쇄를 통해 분류한 암편, 화산재 기질, 화산재 기질 중 녹색･붉은색 기질을 구분하고, 입자의 불균질한 구성으로 인한 효과를 제거하기 위해 시료를 각각 미분 쇄 하여 분광반사도를 측정하였다(Fig. 6). 기질은 암편 에 비해 흡광특성이 뚜렷한데 이는 특징적인 흡광특성이 없는(Clark et al., 2007) 현무암질 암편에 비해 기질의 경우 장석과 운모류 등 흡광특성이 분명한 광물들로 구 성되었기 때문이다.
화산재 기질 중 육안으로 색 구분이 가능한 녹색과 붉 은색 기질 부분에 대한 측정결과를 가시광영역에서 붉은 색, 녹색, 파란색 파장을 구분하여 반사도를 비교하였다 (Fig. 7). 붉은색 파장영역에서 붉은색 기질이 상대적으 로 높은 반사도를 나타내며 녹색과 파란색 파장영역에서 는 녹색 기질이 상대적으로 높은 반사도를 나타내고 이 와 같은 반사도 차이로 인해 육안으로도 색 구분이 가능 하다.
Fig. 8. Disk-shaped polished section of ash tuff (AT), green lapilli tuff (GLT) and red lapilli tuff (RLT).
Table 6. Rock-forming minerals of ash tuff and their diagnostic absorption features (Clark et al., 2007)
Rock type
Rock-forming minerals
Diagnostic absorption features
Ash tuff
Feldspar No definite absorption features Quartz No definite absorption
features
Chalcedony 2.25 ㎛
Calcite 2.30 ㎛
Dolomite 2.30 ㎛
Epidote 1.1, 2.35 ㎛
Opaque minerals N.A.
Basaltic clast 1.1 ㎛
(a)
(b)
Fig. 9. Spectral reflectance curves of polished ash tuff sections (a), and continuum removed spectral reflectance curves of polished ash tuff sections with wavelengths range from 2,000 to 2,450 nm (b).
Table 7. Rock-forming minerals of green lapilli tuff and their diagnostic absorption features (Clark et al., 2007)
Rock type
Rock-forming
minerals Diagnostic absorption features
Green lapilli tuff
Feldspar No definite absorption features Quartz No definite absorption features Muscovite 2.2, 2.35, 2.4 ㎛
Calcite 2.30 ㎛
Chalcedony 2.25 ㎛
Sericite 2.2, 2.35, 2.4 ㎛ Chlorite 1.1, 2.2, 2.35 ㎛ Quartzite No definite absorption features
Basaltic clast 1.1 ㎛
(a)
(b)
Fig. 10. Spectral reflectance curves of polished green lapilli tuff sections (a), and continuum removed spectral reflectance curves of polished green lapilli tuff sections with the wavelength range from 2,000 to 2,450 nm (b).
Table 8. Rock-forming minerals of red lapilli tuff and their diagnostic absorption features (Clark et al., 2007)
Rock type
Rock-forming
minerals Diagnostic absorption features
Red lapilli
tuff
Feldspar No definite absorption features Quartz No definite absorption features Muscovite 2.2, 2.35, 2.4 ㎛
Limonite 0.9-1.0 ㎛
Chalcedony 2.25 ㎛
Sericite 2.2, 2.35, 2.4 ㎛ Chlorite 1.1, 2.2, 2.35 ㎛ Quartzite No definite absorption features
Zircon 2.3-2.4 ㎛
Basaltic clast 1.1 ㎛
(a)
(b)
Fig. 11. Spectral reflectance curves of polished red lapilli tuff sections (a), and continuum removed spectral reflectance curves of polished red lapilli tuff sections with the wave- length range from 2,000 to 2,450 nm (b).
세 종류의 응회암의 구성 광물별 분광반사특성을 구분 하기 위해 화산회 응회암(AT; ash tuff), 녹색 역질 응회 암(GLT; green lapilli tuff), 붉은색 역질 응회암(RLT;
red lapilli tuff)의 연마편을 제작하였다. 연마편은 지름 2 cm의 원형으로 각 응회암 종류별로 8개로 구성하였다 (Fig. 8).
화산회 응회암을 구성하는 광물들의 흡광 파장영역 (Table 6)을 기반으로 화산회 응회암 연마편의 분광반사 특성에서 조암광물들의 고유한 분광특성이 분포하는 단 파장 적외선 영역을 추출하고 연속체 성분을 제거한 후 도시하였다(Fig. 9). AT-8을 제외한 연마편에서 공통적 으로 나타나는 2,250 nm 부근의 흡광특성은 옥수에서 비롯되며 AT-6, 7, 8 연마편에서 두드러지게 나타나는 2,350 nm 부근의 흡광특성은 녹렴석에 의한 것으로 해 석할 수 있다.
녹색 역질 응회암에서도 암석을 구성하는 광물들의 고 유한 흡광 파장영역(Table 7)을 기반으로 연마편의 분광 반사특성에서 조암광물들의 고유한 분광특성이 분포하 는 단파장 적외선영역을 추출하고 연속체 성분을 제거한 후 도시하였다(Fig. 10). 화산회 응회암에 비해 모든 연 마편에서 동일한 경향의 분광반사특성을 보이며, 2,200 과 2,250 nm 사이의 강한 흡광특성은 녹니석과 옥수에 서 비롯되며 2,350 nm 부근의 흡광특성은 백운모, 견운 모, 녹니석에 의한 것으로 해석할 수 있다.
붉은색 역질 응회암에서도 암석을 구성하는 광물들의 고유한 흡광 파장영역(Table 8)을 기반으로 연마편의 분 광반사특성에서 조암광물들의 고유한 분광특성이 분포 하는 단파장 적외선영역을 추출하고 연속체 성분을 제거 한 후 도시하였다(Fig. 11). 녹색 역질 응회암과 유사한 흡광특성을 나타내고 화산회 응회암에 비해 모든 연마편 에서 동일한 경향의 분광반사특성을 보이며, 2,200과 2,250 nm 사이의 강한 흡광특성은 녹니석과 옥수에서 비롯되 며 2,350 nm 부근의 흡광특성은 백운모, 견운모, 녹니석 에 의한 것으로 해석할 수 있다.
운주사 응회암 석조문화재의 표면 풍화지도 작성 풍화도 평가 대상 문화재는 운주사 내에 위치하고 있 는 마애여래좌상과 원형 석탑이다. 먼저 마애여래좌상 표면에서 지름 50 cm의 원형 측정 지점을 69개 구성하 고(Fig. 12) 응회암의 주 구성광물인 장석류의 풍화산물 인 점토류 광물의 분광반사특성을 이용하여 상대적 풍화 지도를 작성하였다(Fig. 13). 마애여래좌상의 표면 중 목 과 복부 중심에서 뚜렷한 풍화가 발생하였고, 가슴 부위 를 중심으로 관찰자의 시각에서 왼쪽으로 기울어진 타원 형의 풍화특성이 나타난다. 풍화로 생성되는 점토류 광
Fig. 12. Experimental strategy for the spectral measurement on the sculpture of Buddha in Unjusa temple, Hwasun County, Korea.
Fig. 13. Relative weathering degree mapping using the spectral absorption feature of clay minerals on the sculpture of Buddha in Unjusa temple, Hwasun County, Korea.
Table 9. Absorption depths from the clay minerals measured on the sculpture of Buddha in Unjusa temple, Hwasun County, Korea
Absorption depth from clay minerals
No. of measurement areas
Percent of coverage (%)
0.1 - 0.2 8 11.6
0.2 - 0.3 13 18.8
0.3 - 0.4 10 14.5
0.4 - 0.5 14 20.3
0.5 - 0.6 13 18.8
0.6 - 0.7 8 11.6
0.7 - 0.8 2 2.9
0.8 - 0.9 1 1.4
Total 69 100.0
물의 상대적 분포량을 지시하는 2.2 ㎛ 부근의 파장 영 역에서의 흡광 깊이 분포(Table 9)에서 목과 복부 중심 과 같은 흡광 깊이 0.5 이상의 풍화 정도는 전체 마애여 래좌상의 표면적 중 34.8 %를 차지한다. 점토류 광물의 최대 흡광 파장영역의 위치에 대해 분석한 결과 2,200과 2,202 nm를 중심으로 흡광특성이 분포하는 것으로 분석
Fig. 14. Wavelength distribution of maximum absorption depths of the clay minerals measured on the sculpture of Buddha in Unjusa temple, Hwasun County, Korea.
Fig. 15. Experimental strategy for the spectral measurement on the pagoda in Unjusa temple, Hwasun County, Korea.
되었다(Fig. 14).
동일한 응회암으로 구성된 원형석탑에 대해서도 풍화도 평가를 실시하였다. 먼저 석탑 표면에서 방위와 부재 구성 을 고려하여 원형 측정지점을 설정하였다(Fig. 15). 응회암 의 주 구성광물인 장석류의 풍화산물인 점토류 광물의 분 광반사특성을 이용하여 상대적 풍화 지도를 작성하였다 (Fig. 16). 원형석탑을 구성하는 부재 중 1층과 3층의 탑신 이 과거에 보수의 목적으로 응회암이 아닌 다른 암종의 부 재로 교체되어 이 경우 풍화도 평가를 수행하지 않았다. 풍화산물들의 평균 흡광깊이를 기준으로 석탑의 북쪽 면에서 상대적으로 풍화가 가장 심하고 서쪽, 남쪽, 동쪽 면의 순서로 풍화가 발생됨을 알 수 있다. 방위에 대한 차별 풍화 경향의 원인을 규명하기 위해 풍화에 가장 큰 영향을 미치는 요인인 강수에 대해 방향성 분석을 수행 하였다. 운주사로부터 가장 근접한 기상 측정 지점은 전 남 화순군 화순읍 삼천리에 위치한 741번 기상자동관측
Fig. 16. Relative weathering degree mapping using the spectral absorption feature of clay minerals on the pagoda in Unjusa temple, Hwasun County, Korea.
Table 10. Record of the rainy days from the weather station no. 741 in 2003 (from the homepage of Korea Meteoro- logical Administration, http://www.kma.go.kr)
Records from weather station no. 741 in 2003 Month Rainy
(day)
Rainy and temperature below zero degree (day)
January 10 7
February 6 0
March 9 0
April 10 0
May 8 0
June 8 0
July 21 0
August 14 0
September 12 0
October 5 0
November 9 0
December 5 2
Total 117 9
지점으로 운주사에서 남서쪽으로 약 20 km 지점에 위치 하고 있다. 2003년 1년 동안의 매 시각 측정자료를 기반 으로 강수 발생일과 강수 발생 및 영하의 기온이 측정된 기록은 Table 10과 같다. 매 시각 강수 발생기록과 풍향 분포를 결합하여 도시한 결과(Fig. 17) 강수 발생 시각별 영상의 기온에서는 남서풍과 북서풍이, 영하의 기온에서 북서풍이 우세한 것으로 나타나 이러한 강수의 방향성이 석탑의 동쪽 면을 제외한 면에서의 풍화를 더 발생시킨 것으로 판단된다. 또한 우리나라 일조 특성상 동쪽과 남 쪽 방향으로부터 상대적으로 건조현상이 우세하게 발생 하고 이는 습도의 영향을 감소시켜서 풍화 현상 역시 저 감된 것으로 판단할 수 있다. 마애여래좌상의 경우와 동 일한 방법으로 점토류 광물의 최대 흡광 파장영역의 위 치에 대해 분석한 결과 2,200과 2,202 nm를 중심으로 흡광특성이 분포하는 것으로 분석되었다(Fig. 18).
측정 지점별 풍화산물의 상대적인 분포 정도를 반사분 광학적 측정기법을 적용하여 비파괴적으로 분석하였지 만 측정면적 내에 포함되는 광물의 구성비나 풍화산물의 분포량에 대한 분석은 이루어지지 않았다. 기존 풍화도
(a) (b)
Fig. 17. Wind directions in rainy hours from the weather station no. 741 in 2003, (a) above 0℃ and (b) below 0℃.
Fig. 18. Wavelength distribution of maximum absorption depths of the clay minerals measured the pagoda in Unjusa temple, Hwasun County, Korea.
평가법에 비해 현장적용성이나 비파괴특성은 우수한 수 준이지만 향후 자료분석기법의 개선을 통해 X-선 분석 기법과 같이 광물 종류 규명 및 정량적인 구성비에 대한 해석도 가능할 것으로 기대된다.
결 론
본 논문에서는 암석의 풍화도 평가를 위해 사용되어
온 지질 전문가에 의한 육안분석, 현미경 관찰, X-선 응 용 기법, 강도 물성 측정 등의 단점인 주관적 해석에 의 한 오차 발생, 시료 가공으로 인한 대상 손상, 실험실 시 험을 위한 시간 소모를 정량 분석, 비파괴 분석, 현장 적 용성의 측면에서 제한을 극복하고 개선하기 위해 반사분 광학적 기법을 도입하였다.
반사분광학을 이용하여 가시광과 근적외선 파장 영역 에서 구성 광물의 고유한 에너지 흡수특성을 나타내는 분 광반사도를 측정하고 분석하는 반정량적 현장 분석기법 을 전라남도 화순군의 운주사 인근에서 채취한 구성 광물 과 암편이 불균질한 조직으로 구성된 응회암을 대상으로 기본 조암광물 및 화학적 풍화로 인해 생성되는 풍화산물 인 점토류 광물의 반사분광학적 특성을 분석하였다.
개별 구성 광물 및 풍화산물의 분광반사특성을 기반으 로 한 반사분광학적 비파괴 평가기법을 운주사 내의 응회 암으로 구성된 마애여래좌상과 원형석탑에 적용하여 표 면 풍화도를 평가하고 풍화 지도를 작성하였다. 마애여래 좌상은 목과 복부 중심에서 뚜렷한 풍화가 발생하였고, 가슴 부위를 중심으로 관찰자의 시각에서 왼쪽으로 기울 어진 타원형의 풍화특성이 두드러졌다. 원형석탑의 경우 강수 발생일에 영상의 기온에서는 남서풍과 북서풍이, 1 월과 12월의 영하의 기온에서 북서풍이 우세한 것으로 나타나 이러한 강수의 방향성이 석탑의 동쪽 면을 제외한 면에서의 풍화현상을 심화시킨 것으로 분석하였다.
반사분광학을 적용한 풍화도 평가 기법은 기본적으로 면적에 대한 측정이 이루어지기 때문에 부분 샘플링이 아닌 넓은 대상에 대한 측정과 주기적인 모니터링이 모 두 가능한 장점이 있다. 또한 분석 대상암석의 기본 광물
조성에 대한 사전지식을 바탕으로 국내외의 다양한 암종 으로 구성된 석조문화재에도 적용이 가능한 평가 방법론 이라고 판단된다.
사 사
본 연구는 문화재청의 석조문화재 풍화도 평가기술 개 발 과제(과제번호: 09B011Y-00150-2009)와 2010년도 두뇌한국21 사업의 지원으로 이루어졌으며 이에 감사 한다. 또한 논문 작성은 서울대학교 공학연구소의 지원 으로 이루어졌다.
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현 창 욱
2003년 서울대학교 지구환경시스템공학 부 공학사
2010년 서울대학교 에너지시스템공학부 공학박사
현재 서울대학교 공학연구소 선임연구원 (E-mail; [email protected])
박 형 동
1988년 서울대학교 공과대학 자원공학 과, 공학사
1990년 서울대학교 대학원 자원공학과, 공학석사
1994년 영국 런던대학교 임페리얼 칼리 지 지질학과, 이학박사
현재 서울대학교 공과대학 에너지시스템공학부 교수 (E-mail; [email protected])
