남극 세종기지의 기후 환경을 모사한 암석의 동결-융해 풍화 시험
박지환1)· 현창욱1)· 박형동1)*
Freeze-Thaw Cycle Test on Rocks for the Simulated Environment of the King Sejong Station, Antarctica
Ji-Hwan Park, Chang-Uk Hyun and Hyeong-Dong Park
*Abstract : Physical weathering caused by freeze-thaw action in cold regions such as polar regions and high altitude regions was simulated with artificial weathering simulator in laboratory. Diorite, basalt and tuff specimens were prepared, which are the same as the rock type around Sejong Station, Antarctica. Temperature conditions were set up with the consideration of air and ground temperatures around Sejong Station, Antarctica. The test was carried out under two conditions: dried conditions at room temperature and saturated conditions. Uniaxial compression tests were conducted for the specimens which were separately weathered in dried and saturated conditions. Scanning electron microscopy (SEM) photographs of diorite, basalt and tuff were also acquired to investigate the role of water in physical weathering processes. In uniaxial compression test, the strength of the specimens which were weathered in saturated conditions was measured to have lower strength than in dried conditions. In SEM photographs, it was observed that water develops microcracks in rock specimens.
Key words : Artificial weathering, Physical weathering, Freeze-thaw test, Uniaxial compression test, SEM 요 약 : 극지환경이나 고지대 환경 등 저온환경에서 발생되는 동결-융해에 의한 물리적 풍화작용을 실내 인공 풍화 장치를 이용해 실험적으로 재현하였다. 이를 위해 남극 세종기지 주변의 암종인 섬록암과 현무암, 응회암을 실험 대상으로 선정하였다. 온도 조건은 남극 세종기지 주변의 기온과 지중온도를 고려하였고, 수분 조건은 상온건조상태와 완전포화상태에서 실험을 수행하였다. 건조 및 포화시료에 대한 일축압축시험을 수행하고 주사 전자현미경(SEM) 영상을 취득하여 암석의 동결-융해 풍화작용에 수분이 미치는 영향을 조사하였다. 일축압축시 험 결과 포화시료의 강도가 더 낮게 측정되었고, 주사전자현미경 영상을 통해 수분이 미세균열의 발달에 영향을 미치는 것이 관찰되었다.
주요어 : 인공풍화, 물리적 풍화, 동결-융해 시험, 일축압축시험, 주사전자현미경
2010년 8월 2일 접수, 2010년 9월 20일 채택 1) 서울대학교 에너지시스템공학부
*Corresponding Author(박형동) E-mail; [email protected]
Address; Department of Energy Systems Engineering, Seoul National University
서 론
대한민국의 남극기지인 세종과학기지는 서남극 남쉐 틀랜드 군도(South Shetland Islands)의 킹조지섬(King George Island)에 위치하고 있다. 남쉐틀랜드 군도는 남 극반도에서 북서쪽으로 약 120 km 떨어져 있으며 이 군 도의 가운데에 킹조지섬이 위치하고 있다. 남극 세종과 학기지의 경위도는 62°13'S, 58°47'W이다. 세종기지는 킹조지섬의 남서쪽에 있는 바튼반도(Barton Peninsula)
의 북서쪽 해안에 있으며, 1988년에 건설되어 현재까지 대한민국의 극지연구에 중요한 역할을 수행하고 있다.
세종기지의 건설 이후 점차 극지연구에 대한 영역이 확 대되었고 실제로 빙하, 대기 및 기상, 생물자원, 지질 등 다양한 분야에서 활발한 연구활동이 이루어지고 있다.
정부의 지원도 점점 증가하여 2009년 대한민국 최초의 쇄빙연구선인 아라온호를 진수하였고, 2014년 남극대륙 본토에 위치한 테라노바 만(Terra Nova bay)에 제2남극 기지를 건설완료할 예정이다.
이처럼 대한민국 내에서 극지연구에 대한 관심과 지원 이 높아지고 있지만 현재까지 국내 연구 중 극지환경에 서의 암석물성에 대한 연구는 매우 드물다. 현재 극지연 구 선진국에서는 남극의 암석물성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고, 새로운 건물의 건설, 자원탐사, 시추조사 연구논문
Table 1. Previous investigations of the artificial freeze-thaw test
Matsuoka, 1990 Chen et al., 2004 Yavuz et al., 2006 김성수 외, 1999 박연준 외, 2003 박진동 외, 2003
Rock type
Tuff, Sandstone,
Andesite
Tuff
Marble, Limestone,
Travertine
Granite Granite-Gneiss, Granite
Limestone, Marble, Basalt,
Granite Temperature
range -20～20℃ -18～5℃ -20～20℃ -20～20℃ -25～70℃ -20～20℃
No. of cycle Max. 1000 1 20 25,50,75 100 10,20,30
Porosity 9 9 9 - 9 9
Degree of
Saturation 9 9 - - 9 9
Density 9 9 9 9 - 9
P-wave
velocity 9 9 9 9 9 9
UCS - 9 9 9 9 9
Schmidt
hardness - - 9 - - -
9 : measured - : not measured
등 다양한 연구분야에 적용되고 있다. 대한민국도 향후 극지연구의 영역을 확대하기 위해서 저온환경에서 암석 과 지반의 물성에 대한 이해가 필수적일 것이다.
암석의 풍화는 지구상의 모든 곳에서 일어나고 있으 며, 남극을 포함한 극지지역도 예외는 아니다. 풍화작용 이란 지표면 가까이 또는 지표면에 노출된 암석이 제자 리에서 물리적으로 붕괴되거나 화학적으로 분해되는 모 든 과정을 표현하는 용어로 물리적 풍화작용 및 화학적 풍화작용, 생물학적 풍화작용으로 구분된다(Irfan, 1996).
물리적 풍화작용은 화학적 변화없이 암석의 분리를 초래 하는 모든 과정을 의미하고, 화학적 풍화작용은 화학적 반응에 의해 암석의 구성성분이 2차 광물로 변하는 과정 을 의미한다(Lee, 1993). 생물학적 풍화작용은 동물이나 식물, 미생물 등 생물체에 의한 암석의 물리적 혹은 화학 적 파괴를 의미한다(Dearman, 1974).
연평균 기온이 영하로 유지되는 극지 또는 고지대 환 경에서는 화학반응이 활발하지 않아 화학적 풍화작용이 약하게 발생한다. 또한 서식하는 생물의 대부분이 지의 류이고 개체수도 많지 않아 생물학적 풍화작용도 거의 발생하지 않으므로 물리적 풍화작용이 가장 우세하다.
물리적 풍화작용은 물리적인 힘이 암석을 잘게 쪼개지만 암석 본래의 화학조성은 그대로 유지되는 것으로, 그 원 인으로는 압력의 감소(unloading), 결빙작용, 광물 간 열 팽창률 차이, 염풍화작용 등이 있다(Waltham, 2002). 극
지 또는 고지대 등 저온 환경에서는 이 중에서도 결빙작 용, 광물 간 열팽창률 차이에 의한 풍화작용이 가장 우세 하다.
결빙작용에 의한 풍화는 물의 동결작용으로 인해 균열 이 발생되는 것이다. 암석의 공극이나 갈라진 틈에 내재 된 물이 얼게 되면 부피가 약 9% 증가하며, - 22℃일 때 최대 207 MPa의 압력을 주변에 가한다. 기온이 영상과 영하를 오르내리며 동결과 융해가 반복적으로 발생하게 되면 암석이 쪼개지는 얼음쐐기(frost wedging) 작용이 발생한다(Bland and Rolls, 1998).
열에 의한 팽창과 수축에 의한 풍화는 조암광물의 팽 창률 차이로 인해 발생한다. 낮과 밤 또는 계절의 변화에 따라 기온의 차이가 발생하고 이에 따라 암석의 온도도 변화하게 된다. 이 때 조암광물 사이의 서로 다른 팽창률 차이로 인해 풍화가 일어나게 된다. 조암광물의 팽창률 차이로 인한 풍화는 사막과 같이 일교차가 극심한 지역 에서 주로 발생한다. 극지 환경에서는 조암광물의 팽창 률 차이로 인한 풍화보다 결빙작용에 의한 풍화가 더 우 세하다.
20세기 후반부터 동결-융해 인공풍화에 대한 연구가 활발히 진행되었다(Table 1). Hall은 함수율과 암종이 암 석의 동결-융해 풍화에 미치는 영향(Hall, 1986a) 및 동 결-융해 풍화과정에 따른 암석강도의 변화(Hall, 1986b, 1987) 등을 연구하였고, 동결-융해 풍화과정을 실내에서
Table 2. Specification of the specimens Sample
ID
Rock type
Rock-forming
minerals Sampling site Length (cm)
Diameter (cm)
No. of linear pore set GD-1
Diorite
Plagioclase, olivine, micas, quartz,
microcline
Goheung County, Jeollanam-do
13.6 5.4 0
GD-2 13.3 5.4 0
GD-3 13.6 5.4 0
GD-4 13.2 5.4 0
GD-5 14.0 5.4 0
CB-1
Basalt
Plagioclase, olivine, quartz, micas,
pyroxene
Cherwon County, Gangwon-do
13.9 5.4 1
CB-2 12.8 5.4 1
CB-3 13.8 5.4 0
CB-4 13.5 5.4 0
CB-5 13.9 5.4 2
모사할 때 사용되는 인공풍화장치의 기준을 제시하였다 (Hall, 1988, Hall et al., 1989). Matsuoka(1990)는 동결- 융해 반복 사이클을 최대 1,000회까지 수행하여, 포화도 가 클수록 동결-융해에 의한 풍화가 더 활발하게 발생하 는 것을 확인하였고, 암석이 동결될 때 암석의 부피가 증 가하고 융해될 때 암석의 부피가 감소하는 것을 규명하 였다. 또한 사이클을 반복할수록 P파 속도가 감소하는 것 을 확인하였다. Chen et al.(2004)은 용결응회암(welded tuff)을 대상으로 -18～5℃에서 인공풍화를 수행하여, 초 기 포화도가 높을수록 일축압축강도, P파 속도가 감소하 고, 공극률, 최대 균열크기는 증가하는 것을 확인하였다.
Yavuz et al.(2006)은 대리석 및 석회석, 트래버틴(travertine) 등 12종의 탄산염 암석을 대상으로 온도 범위를 -20～20℃
로 설정하여 20회의 반복 사이클을 적용한 후 탄성파 전 달속도와 일축압축강도, 슈미트 해머 경도를 측정하였 다. 이를 통해 사이클이 증가함에 따라 탄성파 전달속도, 일축압축강도가 낮아지는 것을 확인하였다.
국내에서도 동결-융해 풍화작용의 모사에 대한 연구가 이루어졌다. 김성수와 박형동(1999)은 화강암을 대상으 로 온도의 범위를 -20～20℃로 설정하고 98%의 상대습 도를 유지시켜 실험을 수행하였다. 온도 유지시간을 각 3시간으로 하여, 한 사이클을 6시간으로 설정한 후, 25, 50, 75사이클의 인공풍화 실험을 수행한 시료에 대한 밀 도, 탄성파 전달속도 측정, 일축압축강도 측정시험, 압열 인장강도 측정시험을 수행하였다. 동결-융해 풍화 실험 후 밀도와 탄성파 전달속도는 감소하고, 일축압축강도과 압열인장강도는 불규칙한 것을 확인하였다. 박진동과 민 경원(2003)은 김성수와 박형동(1999)과 유사하게 10, 20, 30사이클의 인공풍화 실험을 수행한 시료에 대한 겉보
기 비중과 공극율, 흡수율, 탄성파속도를 측정하였고, 30 사이클 후에는 일축압축강도를 측정하였다. 실험결과, 겉보기 비중은 변화가 없고 공극율과 흡수율은 증가하며 일축압축강도는 소폭 감소하는 것을 확인하였다. 박연준 외(2003)는 화강암과 편마암 시료를 -25℃에서 8시간 동 결시킨 후 70 ± 5℃에서 8시간 유지하는 동결-융해 사이 클을 설정하여 실험을 수행하였다. 100사이클을 수행한 결과 무게의 변화는 매우 작고, 탄성파 속도는 감소하며 암석의 강도와 탄성계수는 최대 50%까지 감소하였다.
이 연구에서는 극지환경에서 암석의 물리적 특성을 암 석의 풍화의 관점에서 파악하기 위하여 완전 포화상태와 건조상태의 현무암과 섬록암 시료를 동결-융해 인공풍 화시킨 후, 일축압축강도의 비교를 통해 인공풍화에 있 어서 수분의 영향을 알아보고자 하였다. 또한 완전 포화 상태와 건조상태에서 동결-융해 인공풍화 과정을 거친 섬록암, 현무암, 응회암 시료의 주사전자현미경 영상을 비교하여 수분의 동결이 미세균열에 미치는 영향을 알아 보고자 한다.
연구대상 암석시료
남극에서 직접 시료를 채취할 경우 많은 제약이 따른 다. 마드리드 환경보호의정서와 남극조약체제(The Antarctic Treaty System)를 포함한 여러 국제협정에 따라 평화적 인 목적의 과학조사의 자유가 보장되지만, 각국이 국내 법으로 당사국 국민들의 남극활동에 대한 일정한 허가요 건을 마련하고 있고 대한민국의 경우 외교통상부장관에 게 남극활동 개시 예정일의 60일 전까지 남극활동허가 신청서를 제출해야 한다(The Antarctic Treaty, 1959; 남
Fig. 1. Photos of the diorite specimens.
Fig. 2. Photos of the basalt specimens.
극활동 및 환경보호에 관한 법률, 2008). 또한 남극에는 차량, 항공기 등 운송수단의 이용에 제한이 있으며, 수십 kg에 이르는 암석시료를 한국으로 운반하는데도 무리가 있고 적지 않은 시간적, 경제적 비용이 소요된다. 이처럼 남극에서 직접 시료를 채취하는 경우 절차가 까다롭고 현실적인 어려움이 있으므로 향후 남극에서 직접 채취한 시료를 이용하기에 앞서 국내에서 동일한 암종을 채취하 여 실험을 수행하였다.
남극 세종과학기지 주변의 우세한 암종은 화강암질 섬 록암 및 섬록암, 현무암, 라필리 응회암, 현무암질 안산
암이다(Davies, 1982; Kim et al., 2000; Lee et al., 2004;
Yeo et al., 2004; Fütterer et al., 2006).
본 연구는 이들 암종 중에서 섬록암과 현무암을 실험 대 상으로 하였으며 시편의 상세는 Table 2와 같다. 시료는 국 제암반공학회(International Society for Rock Mechanics) 에서 제안한 방법을 기준으로 가공하였다. 모든 시료는 원통형으로 직경 54 mm로 가공하였으며, 시료의 길이 가 직경의 2.5-3.0배가 되도록 하였다(Brown, 1981). 가 공된 시료의 사진은 Fig. 1, 2에 제시하였다.
Table 3. Instrumentations for artificial weathering experiments
Hall, 1986 김성수 외, 1999 박연준 외, 2003 Chen et al., 2004 Cycle
setup
Automatic 9
Unknown
Manuel 9 9
Temp. sensor location
Chamber 9 9 9
Specimen 9 9
Setup sensor value
Automatic 9 9 9
Manual 9
Accuracy ±0 .25℃ ± 0.3℃ Unknown ± 2℃
Humidity sensor 9 9 - -
Humidity control 9 9 - -
Temp. range -20～10℃ -20～20℃ -30～25℃ -30～25℃
Temp. rate control 9 9 9 9
9 : available - : not available
Table 4. Specification of the freeze-thaw simulator
Items Specifications
Chamber volume 100 L
Temperature range -20℃～150℃
Humidity range 55-95% RH (15℃), 40-95% RH (30℃),
30-95% RH (70℃), 30-95% RH (70-85℃)
Heating time 55 min (-15℃ → 120℃)
Cooling time 60 min (20℃ → -15℃)
Cooler Plate fin cooler
Temperature sensor Pt 100
Humidity sensor Electronic sensor
Air flow Sirocco fan
Water tank capacity 9 L
Interior Dimension (W × D × H, mm) 500 × 380 × 530
Exterior Dimension (W × D × H, mm) 650 × 1,000 × 1,030
Power consumption AC220V, 14.4A
Weight 130±5 kg
동결-융해 풍화시험법
남극 세종과학기지 주변에서는 기온이 영상일 때 암석 의 공극 또는 균열로 스며든 물이 기온이 영하로 내려가 면서 얼음으로 변하며 발생하는 기계적 풍화작용이 우세 하다. 이러한 동결-융해에 의한 풍화를 실험실에서 모사 하기 위한 다양한 기법들이 국내외에서 연구되었고, 인 공풍화 실험 장비들이 이용되었다(Table 3).
이를 토대로 본 연구에서의 인공풍화 실험장비의 기준 을 다음과 같이 설정하였다. 첫째, 정확한 동결-융해 반 복사이클 실행을 위해 주기설정을 자동적으로 할 수 있 어야 한다. 둘째, 챔버의 온도와 시료의 온도를 모두 측 정할 수 있어야 한다. 셋째, 동결-융해 사이클에서 센서 의 설정값을 미리 입력할 수 있어야 한다. 넷째, 온도범 위는 연구 대상지역은 남극 세종기지와 남극 본토의 기 후환경에 준하여 설정할 수 있어야 한다. 다섯째, 온도변
Table 5. Records of the air temperature at the Sejong Station, Antarctica (극지연구소, 2007) Month
Year JAN. FEB. MAR. APR. MAY JUN. JUL. AUG. SEP. OCT. NOV. DEC. Annual Avg.
1988 2.9 2.3 -0.1 -1.1 -1.9 -7.3 -4.8 -8.4 -3.2 -2.6 -1.1 0.5 -2.1
1989 1.5 2.4 2.3 -4.8 -0.9 -2.0 -0.7 -2.1 -3.0 -0.6 0.2 1.4 -0.5
1990 2.3 2.7 1.1 -4.9 -4.9 -4.2 -5.4 -5.3 -2.7 -1.9 -0.8 0.7 -1.9
1991 2.2 0.8 -0.2 -2.4 -7.2 -8.8 -6.5 -6.6 -2.9 -3.5 -0.8 -0.2 -3.0
1992 1.8 0.9 -1.1 -0.7 -8.0 -7.7 -7.2 -4.2 -2.1 -2.5 -0.1 2.6 -2.4
1993 2.0 2.2 0.4 -0.8 -2.1 -3.6 -2.8 -3.2 -3.0 -1.4 0.2 0.8 -0.9
1994 2.2 1.6 1.1 -1.0 -3.6 -3.4 -10.3 -3.3 -2.9 -5.0 1.0 1.5 -1.8
1995 2.6 2.3 0.3 -1.2 -2.1 -6.2 -12.1 -10.3 -5.6 -0.9 -0.5 1.3 -2.7
1996 2.0 2.7 1.5 -1.0 -2.1 -4.8 -3.4 -3.6 -1.4 -1.3 -0.1 1.1 -0.9
1997 3.0 2.2 1.6 -1.3 -1.1 -4.4 -5.9 -4.4 -6.6 -3.0 -2.0 1.0 -1.7
1998 2.8 2.4 1.3 1.1 -1.4 -0.4 -4.9 -6.5 -7.3 -1.4 0.0 0.9 -1.1
1999 2.2 2.2 1.8 1.1 -0.3 -3.5 -3.1 -5.0 -5.0 -1.3 0.5 1.5 -0.7
2000 1.6 1.9 0.8 0.0 -1.5 -2.0 -3.0 -6.4 -5.8 -1.5 -0.5 0.6 -1.3
2001 1.8 0.7 0.2 -2.8 -0.9 -5.0 -6.1 -2.3 -2.0 -0.4 0.3 1.5 -1.3
2002 2.4 2.5 0.3 0.5 -6.0 -8.9 -6.5 -4.1 -2.6 -5.3 -0.7 1.0 -2.3
2003 2.1 2.1 -0.2 -0.6 -2.5 -7.7 -5.4 -1.9 -2.3 -2.1 -1.4 -0.7 -1.7
2004 1.7 1.7 1.0 -1.8 -2.2 -2.7 -3.3 -4.0 -3.6 -2.2 0.2 0.8 -1.2
2005 1.6 2.0 0.2 -1.3 -3.6 -7.5 -5.7 -3.9 -2.6 -0.1 -0.1 0.6 -1.8
2006 2.8 2.5 2.7 -0.4 -0.6 -3.9 -4.0 -8.3 -4.5 -8.0 -0.2 1.3 -1.7
Total 2.2 2.0 0.8 -1.2 -2.8 -4.9 -5.3 -4.9 -3.6 -2.4 -0.3 1.0 -1.6
화율은 시료 내외부의 온도가 같아지는데 소요되는 시간 을 고려하여 설정하며, 온도변화율을 통제할 수 있어야 한다. 이상의 다섯 가지의 기준을 모두 만족하는 인공풍 화 실험장비를 설치하였다. 실내인공풍화 장치의 상세 제원은 Table 4와 같다.
동결-융해 온도 및 수분 설정
남극 세종기지 기상연보(극지연구소, 2007)에 따르면 1988년부터 2006년까지 측정된 세종기지의 월평균 기 온을 분석한 결과 최저 온도는 7월의 평균 기온인 -5.3℃
이고 최고 온도는 1월의 평균 기온인 2.2℃이다(Table 5). 세종기지에서 측정된 지중온도의 경우 지하 20cm의 심도에서 약 -10～10℃에서 지온변화를 보이고 심도가 깊어질수록 지온변화는 작아진다(한욱 외, 2006). 이러 한 온도 측정기록을 기반으로 인공풍화실험을 위한 온도 변화범위는 -10～10℃로 설정하였다. 이 온도 범위는 남 극 세종기지 주변의 혹한기(cold period)와 해빙기(thawing period)의 온도 차이로 하루 중에 이러한 온도차이는 발생
하지 않는다. 하지만 1년 중 지온의 최소값과 최대값을 실험의 온도 변화 범위로 설정함으로써 인공풍화실험에 서 실제 환경보다 더 가속화된 풍화 결과를 얻을 수 있 도록 하였다.
또한 동결-융해 풍화과정에서 수분이 미치는 영향을 알아보기 위해 상온에서 건조한 시료와 24시간 동안 침 수시켜 완전포화상태의 시료 두 가지에 대해 인공풍화 실험을 수행하였다. 완전포화상태의 시료는 연성 방수재 질의 비닐로 밀봉하여 동결-융해 반복 시 수분의 손실을 방지하였다.
동결-융해 주기 설정
직경 54 mm의 NX코어 암석시편의 중앙부에 직경 2 mm, 깊이 30 mm의 구멍을 뚫은 후 온도센서를 시편 내 부에 장착하고 시편의 표면에 또 하나의 온도센서를 장 착하여, 시편의 내부와 외부의 온도가 균질해지는데 소 요되는 시간을 측정한 결과 약 2시간이 소요되었다. 이 를 토대로 Fig. 3와 같은 동결-융해 인공풍화 사이클을
Fig. 3. Temperature variation in freeze-thaw cycle.
Table 6. Experimental conditions for the rock specimens Rock type
(sampling site) Sample ID No. of freeze-thaw cycle Water condition
Diorite
(Goheung County, Jeollanam-do)
GD-1 10 Saturated
GD-2 20 Saturated
GD-3 20 Dried
GD-4 40 Saturated
GD-5 40 Dried
Basalt
(Cherwon County, Gangwon-do)
CB-1 10 Saturated
CB-2 20 Saturated
CB-3 20 Dried
CB-4 40 Saturated
CB-5 40 Dried
설정하였다. 10℃에서 1시간 20분간 온도를 유지하고, -10℃로 40분간 온도를 하강시킨다. 그 후 -10℃에서 다 시 1시간 20분간 온도를 유지하고, 10℃로 40분간 온도 를 상승시키는 총 4시간이 소요되는 1주기로 구성된다.
일축압축강도 측정
Table 6과 같이 포화 또는 건조시료에 대해 10, 20, 40 회의 동결-융해 사이클을 반복 수행한 후, 국제암반공학 회에서 제안한 표준시험법을 이용하여 0.5-1.0 MPa/s의 속도로 일축압축강도 측정시험을 수행하였다(Brown, 1981).
이들의 비교를 통해 동결-융해 반복 횟수와 강도저하 사 이의 관계, 수분의 유무에 따른 강도변화를 알아보았다.
탄성계수 측정
Table 6과 같이 포화 또는 건조시료에 대해 10, 20, 40 회의 동결-융해 사이클을 반복 수행한 후 섬록암과 현무
암 각각의 시료에 대해 Fig. 6과 Fig. 7의 일축압축그래 프의 기울기를 이용하여 탄성계수(Young’s modulus)를 계산하였다. 압축강도의 50% 응력수준에서 축방향 변형 률 곡선의 접선기울기로 정의된 접선탄성계수를 이용하 였고, 이 값의 비교를 통해 동결-융해 반복 횟수와 수분 의 유무에 따른 변화를 알아보았다.
SEM을 이용한 동결-융해에 의한 물리적 풍화 관찰 섬록암 및 현무암, 응회암 시료에 대한 주사전자현미 경(Scanning Electron Microscopy, SEM)관찰을 실시하 였다. 완전포화시료와 건조시료에 -10～10℃ 동결-융해 사이클을 50회 반복 수행한 후 각각에 대한 SEM 영상 을 촬영하여 미세균열의 크기를 비교하였다.
실험결과 및 고찰
동결-융해 주기별 일축압축강도 변화
동결-융해 반복 사이클을 적용한 시료의 일축압축강도 의 변화를 Fig. 4과 Fig. 5에서 확인할 수 있다. 섬록암에 서 건조시료의 경우 일축압축강도가 더 크게 측정되었 고, 포화시료의 경우 일축압축강도가 더 낮게 측정되었 다. 신선한(fresh) 섬록암을 이용하였고 모든 시편에서 절리가 발견되지 않았으므로 비교적 신뢰할 수 있는 결 과라 생각된다. 현무암에서는 20사이클과 40사이클에서 건조시료의 일축압축강도가 오히려 더 낮게 측정되고 포 화시료의 일축압축강도가 더 높게 측정되었는데, 이는 동결-융해 풍화에 의한 것이 아니라 시료 내부의 비균질 한 공극분포와 절리에 기인한 것으로 추정된다. CB-1시 료와 CB-5시료의 경우 암석코어에 선형 공극분포가 크
Fig. 4. Changes of UCS of the diorite specimens after freeze-thaw cycle test.
Fig. 5. Changes of UCS of the basalt specimens after freeze-thaw cycle test.
Fig. 6. UCS graphs of the diorite specimens.
Fig. 7. UCS graphs of the basalt specimens.
게 발달하여 다른 시료에 비해 훨씬 낮은 일축압축강도 를 가지는 것으로 측정되었다. 이상적인 시료가 존재한 다면 동결-융해 반복 사이클을 많이 수행할수록 암석강 도가 저하되고, 포화시료가 건조시료보다 암석강도가 더 많이 저하될 것이다.
이 실험은 남극에서 직접 채취한 시료를 이용하기 앞 서 수행한 예비실험으로 많은 수의 시료를 이용하지는 않았으나, 향후 실험에서는 추가적인 시료를 이용하여 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있을 것이다. 또한 파괴 실 험에 앞서 동일 시료에 대한 사이클 별 비파괴물성을 측 정하여 동결-융해 과정 반복에 의한 강도 저하를 도출할 수 있을 것이다.
일축압축강도 그래프 해석
Fig. 6에서 섬록암의 일축압축강도 그래프를 보면 일 반적인 암석의 파괴곡선과 유사하다. GD-3의 경우 75 MPa 부분의 곡선이 미끄러진 구간이 존재하고 있는데 이는 암석 내부에 존재하는 미세균열에서 소규모 파괴를 일으킨 것이다. 포화상태에서 동결-융해 풍화과정을 거
친 시료들은 109～115 MPa 부근에서 파괴가 일어났고, 건조상태에서 동결-융해 풍화과정을 거친 시료는 각각 128, 140 MPa에서 파괴가 일어났다.
Fig. 7에서 현무암의 일축압축강도 그래프를 보면 섬 록암의 일축압축강도 그래프에 비하여 흔들림이 많은 것 을 확인할 수 있다. 이는 현무암 내에 산재된 수많은 공 극이 소규모 파괴를 일으키며 발생된 것으로 판단된다.
동결-융해 주기별 탄성계수 변화
동결-융해 반복 사이클을 적용한 시료의 탄성계수의 변화를 Fig. 8과 Fig. 9에서 확인할 수 있다. 섬록암에서 포화시료의 경우 동결-융해를 반복함에 따라 탄성계수 가 점차 감소하였다. 신선한(fresh) 섬록암을 이용하였고 모든 시편에서 절리가 발견되지 않았으므로 비교적 신뢰 할 수 있는 결과라 생각된다. 하지만 동결-융해 사이클을 40회 반복한 시료인 GD-5의 경우 탄성계수가 가장 높게 측정되었는데 이는 시료의 불균질성에 기인한 것으로 추 정된다. 현무암에서는 CB-2의 탄성계수가 비정상적으로 높게 측정되었고, 모든 시료에서 동결-융해 반복 횟수와 탄성계수의 변화 간의 상관관계를 발견할 수 없었다. 이 는 시료 내부의 비균질한 공극분포와 절리에 기인한 것
Fig. 8. Changes of Young’s modulus of the diorite speci- mens after freeze-thaw cycle test.
Fig. 9. Changes of Young’s modulus of the basalt speci- mens after freeze-thaw cycle test.
(a)
(b)
Fig. 10. SEM photographs of the diorite samples: (a) weathered in dry condition, (b) weathered in wet condition.
으로 추정된다. 이상적인 시료가 존재한다면 동결-융해 반복 사이클을 많이 수행할수록 탄성계수가 감소하고, 포화시료의 경우 건조시료보다 탄성계수가 더 많이 감소 할 것이다.
SEM 영상을 이용한 동결-융해 풍화의 관찰
건조상태 또는 완전포화상태에서 동결-융해를 50회 반복한 섬록암, 현무암, 응회암 시료에 대한 SEM 영상 을 비교하였다. 섬록암의 경우(Fig. 10) 배율을 1,000배 로 하여 거의 비슷한 재질의 두 지점의 영상을 촬영하였 는데, 건조 시료의 경우 광물 사이의 결합이 치밀하지만, 포화시료의 경우 광물 입자 사이의 거리가 더 넓은 것을 확인할 수 있다. 또 건조시료 영상의 오른쪽에서 다른 광 물과의 경계가 치밀한 것을 알 수 있지만, 포화시료 영상 의 중심부를 보면 동결-융해에 의한 물리적 풍화로 인해 미세균열이 발달한 것을 확인할 수 있다.
같은 과정을 거친 현무암 시료에 대한 SEM 영상을 비 교하였다(Fig. 11). 섬록암과 같이 1,000배 확대하여 관 찰한 결과 건조시료의 경우 광물입자의 경계가 뚜렷하지
만, 포화시료의 경우 광물입자가 동결-융해 풍화과정을 거치며 잘게 부서져 경계가 뚜렷하지 않은 것을 알 수 있다. 또한 건조시료의 경우 포화시료보다 광물 입자의 평균적인 크기가 더 큰 것을 확인할 수 있다.
응회암 시료에 대해서도 SEM 영상을 비교하였다(Fig.
12). 응회암의 경우 광물입자의 크기가 섬록암과 현무암 에 비해 작기 때문에 배율을 3,000배로 확대하여 영상을 취득하였다. 건조시료의 경우 광물입자의 경계가 뚜렷하 지만, 포화시료의 경우 광물입자가 동결-융해 풍화과정 을 거치며 잘게 부서져 입자 사이의 경계가 뚜렷하지 않 은 것을 확인할 수 있다.
각각의 시료에서 동일한 지점에 대한 SEM 영상을 취 득하고자 하였으나, 반복적인 동결-융해 실험으로 인해
(a)
(b)
Fig. 11. SEM photographs of the basalt samples: (a) weathered in dry condition, (b) weathered in wet condition.
(a)
(b)
Fig. 12. SEM photographs of the tuff samples: (a) weathered in dry condition, (b) weathered in wet condition.
정확히 일치하는 지점을 찾는데 어려움이 있어 부득이하 게 가장 유사한 지점의 영상을 취득하게 되었다. 향후 실 험에서는 각각의 시료에서 동결-융해 반복 횟수에 따른 SEM 영상을 취득하여 그 변화를 분석할 예정이다.
결 론
세종기지 주변의 암종인 섬록암과 현무암을 대상으로 세종기지 주변의 기온을 모사한 동결-융해 인공풍화 시 험을 수행하였다. 시료의 수분조건을 다르게 설정하여 건조시료와 포화시료에 대한 -10～10℃ 반복사이클 후 의 일축압축강도의 변화를 측정하였다. 또한 건조시료와 포화시료를 -10～10℃ 사이클을 50회 반복한 후 SEM
영상을 취득하여 동결-융해 풍화과정에 수분이 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 실험 결과는 다음과 같다.
1. 섬록암 시료의 경우 동결-융해 반복 사이클을 많이 수행할수록 일축압축강도가 감소하지만, 현무암 시료의 경우 시편 간의 불균질성에 의해 그 상관관계를 파악할 수 없었다.
2. 섬록암 시료의 경우 물에 포화된 상태로 동결-융해 과정을 거친 암석이 건조상태로 동결-융해 과정을 거친 암석보다 강도가 더 저하되었다. 하지만 현무암 시료의 경우 시편 간의 불균질성에 의해 그 상관관계를 파악할 수 없었다.
3. 섬록암 포화 시료의 경우 동결-융해 반복 사이클을 많이 수행할수록 탄성계수가 감소하지만, 건조 시료의
경우 그 상관관계를 파악할 수 없었다.
4. 현무암 시료의 경우 시료 내부의 비균질한 공극분 포와 절리에 의해 탄성계수가 불규칙하게 변화하였다.
5. 광물 간에 치밀한 결합구조를 가지며 신선한 암석 인 섬록암의 경우 동결-융해에 의한 풍화를 알아볼 수 있었으나, 불규칙한 공극분포와 많은 절리를 포함하고 있는 현무암의 경우 동결-융해에 의한 풍화보다 본래 암 석의 물성에 큰 영향을 받았다.
6. 포화시료가 동결-융해 반복과정을 거쳤을 때 건조 시료의 경우보다 광물 입자 사이의 미세균열이 더 크게 관찰되었다.
7. 포화시료가 동결-융해 반복과정을 거쳤을 때 건조 시료의 경우보다 광물입자 가 더 작게 관찰되었다.
본 연구의 결과는 저온 지역에서의 동결-융해에 의한 암석의 물리적 풍화를 이해하는데 유용한 자료로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
사 사
본 연구는 한국연구재단의 극지 동결-융해 풍화과정에 노출된 암석의 물성변화 메카니즘과 측정연구(과제번호:
2009-0085129)와 2010년도 두뇌한국21 사업의 지원으 로 이루어졌으며 이에 감사한다. 또한 논문 작성은 서울 대학교 공학연구소의 지원으로 이루어졌다.
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