Assessment Technique of Deterioration of Granite Using Reflectance Spectroscopy

(1)

서 론

석조문화재의 부재나 건설재료로서 사용되는 암석들 은 야외의 노출된 환경에서 존재하는 경우가 많다 따라. 서 온도 습도 이물질의 탈부착 등으로 인해 표면에서, , 물리적 화학적 생물학적 풍화가 복합적으로 발생한다, , .

암석 자체의 구조적 안정성 평가나 문화재로서의 심미적 가치를 보존하기 위해 표면에서 지속적으로 발생되어 온 풍화 현상을 정밀 진단하고 보존 보강 처리 여부 및 기･ 법 선정에 대한 의사 결정을 내리는 것이 필요하다 기존. 의 암석 표면 풍화훼손도 평가 기법은 돋보기 등을 이용 한 판독자의 육안 관찰에 의존하는 정성적 방법과 구성, 광물의 화학 분석과 현미경을 통한 관찰 등 평가 대상 시료를 가공하거나 손상시키는 실험법이 주를 이루어왔 다 박경립 등( , 1996; 이상헌 등, 1997;이명성 등, 2005).

광물 조성을 분석하여 풍화도를 평가하기 위해서는 분석 대상에서 이미 탈락된 상태의 조각이나 분석 대상과 동 일한 암종 암석을 사용하여 지구화학적 정량 분석을 실･

화강암 풍화도의 반사 분광학적 진단 기법 연구

현창욱¹⁾· 박형동¹⁾*

Assessment Technique of Deterioration of Granite Using Reflectance Spectroscopy

Chang-Uk Hyun and Hyeong-Dong Park

*

Abstract : The surface deterioration of stone monuments or rocks for construction has been assessed by visual interpretation or chemical analysis as an indirect method for the specimen of similar rocks as those of stone monuments because sampling on the stone monument is not possible due to damages during sampling processes.

Quantitative deterioration assessments using reflectance spectroscopy was performed as a possible improvement of conventional qualitative deterioration assessment. Clay minerals and iron oxides, products of deterioration and standard materials for deterioration assessment, are detected on Mt. Gwanak granite, Hongje-dong granite and granite block used in Hwaseong fortress. Continua are removed from reflectance curves to compare deterioration rate quantitatively and relative degradation degree maps of weathering products are produced. Finally, workflow process based on the existing procedure for measuring spectral reflectances of minerals in laboratory and anomaly detecting technique of remote sensing field is proposed for the deterioration assessment using reflectance spectroscopy.

Key words :Granite, Weathering, Clay minerals, Iron oxides, Spectral reflectance

요 약: 직접적인 시료 채취가 불가능한 석조문화재나 보존의 필요성이 있는 암석 표면에서의 풍화도 평가는

육안에 의한 관찰이나 동일 암종의 화학적 분석을 통한 간접적인 방법으로 수행되어 왔다 기존의 정성적인.

풍화도 진단 평가 방법의 한계를 극복하기 위해 반사 분광학적 분광특성 측정 기법을 적용하여 국내 석조문화재 의 구성 부재 및 건설 재료로서 대중적으로 사용되는 화강암 표면에서 풍화 검출과 풍화도의 정량적 비교를 수행하였다 화강암 구성 광물 및 풍화 산물들에 대한 개별적인 분광반사특성을 기준으로 관악산 홍제동 화강암. , 과 수원 화성 구성 화강암의 분광반사특성을 측정하였다 측정된 분광 반사 곡선상에서 화강암의 풍화 산물이며. 풍화도 산정 지표로 사용될 수 있는 점토 광물과 철산화물 고유의 흡광 특성을 이용하여 풍화를 검출하였고, 분광반사곡선에서 배경 분광 특성 제거를 통해 풍화도의 정량적 비교를 수행하였고 풍화 산물들의 상대적 분포 정도 지도를 작성하였다 마지막으로 일련의 실험 과정과 실험 결과를 바탕으로 기존의 광물 분광반사특성 분석. 실험과정과 원격탐사 기법을 결합한 풍화훼손도 진단 평가 기법의 작업 흐름도를 제안하였다.

주요어 :화강암 풍화 점토광물 철산화물 분광반사특성, , , ,

년 월 일 접수 년 월 일 채택

2006 11 30 , 2007 12 24 서울대학교 공과대학 에너지지스템공학부 1)

*Corresponding Author 박형동( ) E-mail; [email protected]

Address; Department of Energy Systems Engineering, Seoul National University, Shinlim-dong, Gwanak-gu, Seoul 151-744, Korea

연구논문

(2)

시하거나 X선 회절분석 기법을 통한 조암광물의 분석 및X선 형광분석 기법을 사용하여 주성분 원소를 분석 한다.

전문가의 육안 관찰은 문화재 자체에서 이루어질 수 있지만 판독자의 주관이 개입될 여지가 많고 관련 지식, 의 보유 정도에 따라서도 오차 발생 가능성이 커질 수 있다 분석 대상의 손상을 피하기 위해 대상 자체에서 시. 편을 채취하지 않고 동일 종류의 암석이나 유사 암종의 시편을 사용하는 간접적 분석 방법은 분석의 정확도 측 면에서 한계가 있다 이와같이 석조 문화재 및 일반 암석. 에 적용 가능하며 보존적 가치를 훼손하지 않으며 정량 적이고 정확한 분석 결과를 보여주는 새로운 분석 방법 론이 필요한 상황에서 반사 분광학(reflectance spectro- 의 응용을 풍화도 평가의 대안 기법으로 사용할 scopy)

수 있다 반사 분광 특성 측정은 광물 단종의 구분 및 분. 석을 위한 실내 실험으로서 실시되어 오다가 최근 원격 탐사 기법 및 분석 알고리즘과 휴대가 가능한 분광계 센 서 장치가 결합되어 거의 실시간으로 신속하고 정량적, 인 측정 결과를 획득할 수 있다 특히 점토질 광물의 유. 무 및 분포량 탐지에 민감하기 때문에(Chabrillat et al., 화강암 표면에서 발생하는 화학적 풍화현상에 의 2002)

한 차 점토 광물 생성 정2 도를 시료 채취 등의 손상 파･ 괴 과정 없이 문화재 표면에서 직접 측정할 수 있다는 장점이 있다 새로운 측정 기법의 효율적 응용 및 실용화. 를 위해 지금까지 별도의 영역에서 통상적으로 이루어진 실험실에서의 광물 분광반사특성 측정 과정(Fig. 1)과 원격탐사 기법 중 광물 분광반사특성 자료를 이용한 대 상물 탐지 방법(Fig. 2)을 융합한 새로운 분석 과정의 정 립이 필요하다.

본 연구에서는 국내 석조문화재 구성 부재 및 건설재 료로서 대중적으로 사용되어 온 화강암을 대상으로 화강 암 구성 조암광물 및 풍화 산물인 점토 광물 철산화물의, 분광 반사 스펙트럼을 측정하고 이들의 흡광 특성을 분 석하였다 사용된 화강암은 관악산 화강암 홍제동 화강. , 암 수원 화성 구성 화강암으로 풍화 정도에 따른 부위별, 분광 반사 스펙트럼을 측정 비교하고 풍화 산물인 점토･ , 질 광물 및 철산화물의 존재를 측정하여 풍화도 평가에 적용하였다 마지막으로 기존 실내 실험법과 원격탐사. 기법을 결합하여 암석의 분광반사특성을 이용한 풍화훼 손도 평가에 적합한 신공정을 제안하였다.

화강암 조암 광물의 분광반사특성

암석 표면에 빛이 입사하면 암석을 이루는 구성 광물 별로 구분되는 특정 파장 영역에서의 흡광과 전파장영역 에서의 반사가 동시에 나타난다 흡광 파장 영역은 흡광. 현상을 발생시키는 광물을 구성하는 원소의 종류와 암석 내 광물 조합에 따라 다양한 양상을 보인다 광물 분석에. 사용되는 파장 영역은 가시광 영역(0.4-0.7 ㎛) 뿐만 아 니라 근적외선 영역(0.7-3 ㎛) 이상으로 확장 가능하기 때문에 기존의 가시광 영역 내에서만 가능했던 육안 관찰 보다 양적으로 증대된 정보의 확보와 더불어 객관적인 측 정이 가능하다 흡광 현상은 크게 전자에 의한 흡광과 분. 자 진동에 의한 흡광으로 구분할 수 있다(Clark, 1999).

전자에 의한 흡광은 광물 내 전이원소의 불포화된 전자껍 질이나 전하 전이에 의해 발생된다 분자나 결정격자 사. 이의 결합과 관련된 기본 진동수(fundamental frequency) 와 다양한 배음(overtone) 및 기본 진동수의 결합(com-

Fig. 1. The existing experimental process for rock deterio- ration assessment.

Fig. 2. Mineral detection process of remote sensing field using spectral reflectances of minerals.

(3)

에 의한 흡광 스펙트럼은 광물 암석의 고유한

bination) ･

구분 기준으로 사용할 수 있다(Clark et al., 2003).

화강암은 기본적으로 석영 장석류 운모류의 광물로, , 구성되어 있다 순수한 조암광물의 가시광 영역. (0.4-0.7 과 근적외선 영역 중 일부 에서 측정된 기

) (0.7-2.5 )

㎛㎛

존의 분광반사특성 라이브러리에 의하면 조장석 회장, 석 석영 정장석은 측정 파장 영역 전 구간에서 특징적, , 인 흡광 특성이 나타나지 않는다(Clark et al., 2003). 미 사장석의 경우1.9 ㎛부근에서H₂O에 의한 흡광 특성 이, 2.2 ㎛부근에서Al-OH결합에 의한 약한 흡광 특성 이 존재한다. H2O와OH는1.4 ㎛, 1.9㎛부근에서 흡광 특성을 보이는데 이는, 광물 내에서 다양한 형태로 분포 하는H2O의 분광 특성으로서 시편의 수분 함유 정도에, 따라서도 영향 받을 수 있는 인자이다 흑운모의 경우. 와 부근에서 약한 이중 흡광 특징을 볼 수 2.3 ㎛ 2.4㎛

있지만 스펙트럼 상의 흡광 정도가 작기 때문에 광물 분 류에서 구분적인 특징으로 사용하기 어렵다.

화강암에서 발생하는 화학적 풍화는 구성 광물에 따라 풍화 정도에 차이가 발생하는 차별 풍화 현상으로 나타 난다 석영은 강도가 크고 풍화에 안정적이다 장석류는. . 화강암에서 가장 많은 양이 풍화되고 풍화 산물로서 점 토 광물이 생성된다 흑운모의 경우 풍화 속도는 장석류. 보다 다소 느리지만 장석류와 동일하게 점토 광물을 생 성한다(Lee, 1993). 화강암의 풍화 산물인 점토광물 중 대표적인 캐올리나이트(kaolinite)와 일라이트(illite)를 분광반사특성의 분석 대상으로 선택하였다 캐올리나이. 트는2.2 ㎛부근에서 뚜렷한 중 흡광 특성을 보이고2 ,

에서 에 의한 흡광과 에서

1.4 ㎛ OH 1.9 ㎛ H₂O에 의한 흡광 특성이 탐지된다 일라이트는. 2.2㎛와2.3 ㎛, 2.4 부근에서 상대적으로 약한Al-OH에 의한 흡광 특성

㎛

을 볼 수 있다(Clark et al., 2003).점토 광물들의 분광 특성들을 종합하면2.2 ㎛부근에서 발견되는 뚜렷한 흡 광 패턴이 점토 광물 부화량 탐지 기준으로 사용될 수 있음을 알 수 있다.

철산화물은 화강암 표면에서 붉게 분포하는 현상으로 관찰된다 철산화물의 분광반사특성은 가시광 영역 중. 붉은색 파장에서 관찰되기도 하지만 다른 구성 물질과의 명확한 구분을 위해 적외선 영역 중0.9-1.0 ㎛의 파장에 서 존재하는 흡광 특성(Clark, 1999)을 철산화물 분포정 도 분석에 이용할 수 있다.

분광반사특성 측정 및 데이터 처리 방법

분광반사특성 측정에 사용된 분광계는ASD(Analytical 사 에서 제작한 필드 분광계 Spectral Devices, Inc.) ( )社

인FieldSpec^Ⓡ3로서0.4~2.5 ㎛의 가시광과 근적외선 영 역을 포함하는 파장에서 분광 반사도 측정이 가능하다 측정은 기준 반사 시료를 이용하여 (Table 1). spectalon

측정 대상 물질의 상대적인 반사도를 획득하는 원리로 이루어진다 정밀한 측정을 위해서는 측정 과정에서 기. 준 반사 시료와 측정 센서 사이의 거리 및 측정각과 같 은 기하 조건을 측정 과정에서 일정한 상태로 유지해야 하며 야외 측정시 온도 습도 일조 조건 등의 변화에 영, , , 향을 받지 않도록10-15분 간격으로 기기최적화를 반복 수행해야 한다 실내 시험의 경우 측정에 사용되는 모든. 파장 영역에서 안정적인 광량 확보가 가능한 할로겐 램 프를 광원으로 사용한다 분광 특성 정보의 획득은 측정. 지점마다30회씩 측정하여 평균 반사도를 측정 지점의 분광 반사도로 저장하고 이러한 스펙트럼을 지점당, 3-5 개의 라이브러리로 구축하였다 본 논문의 실험은. 25°

시야각(field of view)의 탐침을 이용하여 수행하였다. 탐침과 측정대상 사이의 거리(d)와 시야각의 크기( )θ를 이용하여 측정영역의 반지름 을 결정할 수 있다 식(r) ( (1)).

r = d × tan (θ / 2) (1)

분광 반사 스펙트럼에서 구성 광물들의 고유한 흡광 패턴을 추출하고 분석하기 위해서는 배경 스펙트럼의 경 향성을 나타내고 수학식으로 표현 가능한 연속체(con- 성분을 제거하여야 한다 연속체 성분은 tinuum) (Fig. 3).

측정된 스펙트럼으로부터 생성된 외곽선(convex hull)으 로 이러한 연속체에서 본래의 스팩트럼을 제거함으로써, 특징적인 흡광 패턴들만이 보존된다(Clark and Roush, 1984; Kruse et al., 1985).

화강암 시편의 분광반사특성 측정 및 분석

본 연구에서는 관악산에서 채취된 화강암 시료 서울, Table 1. Specification of FieldSpec^®3 spectrometer (ASD Inc., 2006)

Product FieldSpec^®3

Spectral Range 350-2500 nm Spectral Resolution 3 nm @ 700 nm

10 nm @ 1400/2100 nm Scanning Time 100 milliseconds

Input 1.4m fiber optic

(25° Field of View)

Weight 5.2 kg

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홍제동에 위치한 구 채석장 지역의 화강암 노두 수원 화, 성 화서문 구성 부재 화강암을 대상으로 풍화된 지점과 상대적으로 신선한 지점의 반사 스펙트럼을 측정하였다.

먼저 관악산 화강암은 석영, K-장석 사장석 흑운모 석, , , 류석 등의 광물로 구성된 흑운모 화강암 또는 석류석 흑 운모 화강암이다(Kwon et al., 1995). 풍화된 화강암 시 편은 표면 일부에 갈색 혹은 붉은색을 띄는 물질로 덮여 있는데 이는 흑운모에서 유리된Fe성분의 점토 광물에 서의 흡착과 점토 광물 자체에 의한 것으로 판단된다 관. 악산 화강암의 풍화 유무에 따른 분광 반사도 측정 지점 을 선정하였고(Fig. 4) 0.4-2.5 ㎛ 파장 영역에서 분광반 사특성을 측정하였다. S1시료의 세 번째 측정 지점(S1_

의 지름은 이고 이 외의 측정 지점들의 지름은 003) 2 cm

로 한정하였다 측정

1cm . 결과는Fig. 5에 측정 지점별 로 분광 반사 곡선 및 연속체 성분이 제거된 곡선으로 도시하였다 측정된 스펙트럼들의 전체적인 반사도 차이.

는 측정시 광량변화 측정 지점 내 구성광물 입도 차이에, 기인한 것으로 생각할 수 있다 이러한 반사도 차이를 제. 거하고 흡광도를 정량적으로 비교하기 위해 연속체 성분 을 제거하였다 붉은색 변색으로 파악되는 (continuum) .

철산화물의 분포 정도에 따라0.95 ㎛부근 파장 영역에 서 흡광도의 차이를 확연하게 구분할 수 있고 흡광 정도 를 수치화하여 정량비교가 가능하였다(Table 2).하지만 부근 파장 영역의 흡광 특성으로 파악할 수 있는 2.2 ㎛

점토 광물의 부화 정도는 붉은색의 분포 정도와 뚜렷한 상관성을 알 수 없었다 점토 광물이 장석과 운모로부터. 생성되기 때문에 측정 지점의 면적이 작은 경우 각각의 측정 지점 내의 장석과 운모의 면적 분포가 다르기 때문 에 풍화 정도에 비례한 흡광도가 측정되지 않았다고 판 단된다.

서울 홍제동에 위치한 구채석장의 화강암 노두에서 분 광반사특성 측정을 실시하였다 측정은. Fig. 6에 도시한

(a) (b) (c)

Fig. 3. Continuum removal procedures: (a) is raw spectral reflectance curve measured by field spectrometer. (b) is continuum component using convex hull modeling. (c) is continuum removed curve.

(a) (b) (c)

Fig. 4. Granite specimens from Mt. Gwanak, Seoul: (a) S1_001 is covered with reddish weathering products, especially iron oxides. S1_002 is not covered with weathering products. Some reddish spots located on S1_003. (b) S3_001 is not covered with weathered products. S3_002 is wholly covered with reddish weathering products. (c) S4_001 is covered with dark reddish weathering products. S4_002 is not covered with weathering products.

(5)

동일 노두상에 위치한 붉은색 풍화 생성물이 분포하는 지점과 상대적으로 흰색을 나타내는 두 지점에서 지름 의 원형 내부를 대상으로 실시하였고 측정 결과는

2 cm ,

과 같다 관악산 화강암을 이용한 실험 결과에서 Fig. 7 .

볼 수 있었던 철산화물과0.95 ㎛파장 영역의 흡광 특성

사이의 관계를 재검증하기 위해 사진에서 볼 수 있는 것 처럼 붉은색이 뚜렷하게 보이는 지점과 그렇지 않은 지 점에서 비교 측정을 실시하였다 측정 결과 관악산에서. 채취된 화강암을 이용한 실험과 마찬가지로 철산화물이 분포하지 않은 지점보다0.95 ㎛부근의 파장 영역에서

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Fig. 5. Spectral reflectances ((a), (c), (e)) and continuum removed curves ((b), (d), (f)) of granite specimens from Mt.

Gwanak, Seoul. Spectral absorption peak in the vicinity of 0.95 ㎛ wavelength means existence of reddish iron oxide coating on the spot. Spectral absorption peak in the vicinity of 2.2 ㎛wavelength means enrichment of clay minerals, such as kaolinite and illite.

Table 2. Maximum absorption depth comparison in the vicinity of 0.95 ㎛ wavelength of granite specimens from Mt.

Gwanak, Seoul.

target area

maximum absorption depth / wavelength

size of

target area weathering characteristics of target area

S1_001 0.069 / 0.946 ㎛ d = 1 cm Brown weathering products covered on the most of the target area.

S1_002 0.009 / 0.927 ㎛ d = 1 cm The target area is lightly covered with weathering products.

S1_003 0.023 / 0.933 ㎛ d = 2 cm Several vivid brown spots are scattered on the target area.

S3_002 0.112 / 0.931 ㎛ d = 1 cm Brown weathering products covered on the most of the target area.

S4_001 0.252 / 0.949 ㎛ d = 1 cm Vivid brown spots are scattered on the target area.

(6)

뚜렷한 흡광 특성이 탐지되었고 배경 스펙트럼 제거를 통해 흡광도를 정량 비교하였다(Table 3).

자연상태에 방치된 암석 조각이나 노두 형태의 암석뿐 만 아니라 야외에 노출된 형태로 존재하는 석조문화재에 서의 적용성을 평가하기 위해 화강암으로 이루어진 수원 화성의 화서문 부재에서 측정을 실시하였다 측정에 사. 용된 부재는Fig. 8에 도시된 것처럼 전체적으로 붉은색 풍화 산물이 분포하고 있고 특히 중앙부의 점토류의 분

(a) (b)

Fig. 7. Raw spectral reflectances (a) and continuum removed curves (b) of granite outcrop located in Hongje dong abandoned‐ quarry.

Table 3. Maximum absorption depth comparison in the vicinity of 0.95㎛wavelength of granite outcrop located in Hongje‐ dong abandoned quarry.

target area maximum absorption depth / wavelength

size of

target area weathering characteristics of target area

HJ_001R4 0.119 / 0.937 ㎛ d = 2 cm Brown weathering products covered on the most of the target area.

HJ_001W1 0.021 / 0.935 ㎛ d = 2 cm The target area is lightly covered with weathering products.

Fig. 6. Granite outcrop of Hongje dong abandoned quarry.‐

Fig. 8. Weathered granite block of Hwaseomun in Hwaseong Fortress, Suwon.

(7)

포가 두드러진 화강암 블록이 선정되었다 측정은 점토. 류가 육안으로 확인되는 부위와 확인되지 않는 부위 두 지점을 구분하여 지름 10 cm의 원형 내부를 대상으로 측정하였다. Fig. 9에 도시된 측정 결과로부터2.2 ㎛부 근 파장영역에서 점토류 광물의 부화 정도와 흡광도의 비례특성을 확인할 수 있었다 이전의 실험 사례보다 분. 광 곡선의 변이가 큰 이유는 측정이 수직한 벽면상에서 이루어졌기 때문에 이전까지의 수평면상에서의 측정보 다 태양광이 상대적으로 약하게 반사되었기 때문으로 판 단된다.

수원화성 화서문 벽면의 상대적 풍화상태의 파악과 풍

화지도 작성을 위해 총19개의 화강암 블록을 선정하여 가로 약 세로 약 의 영역에서 분광반 (Fig. 10) 4 m, 2 m

사특성을 측정하였다 측정은. Fig. 11과 같이 블록의 크 기 분포를 고려하여 지름20 cm의 원형을 기본 측정 단 위로 설정하여 총62개 지점으로 구성하였다 일련의 실. 험 결과에서 확인할 수 있었던 바와 같이0.95 ㎛부근의 흡광 깊이와2.2 ㎛파장영역 부근의 흡광 깊이를 계산 하여 각각 산화철과 점토 광물의 상대적 분포 정도로 환 산할 수 있었다 각각의 측정 지점별 흡광 깊이 수치와. 보간법을 이용하여 화강암 풍화 산물들의 상대적 분포 정도를 지도화 하였다(Fig. 12). Fig. 10에서도 확인할

(a) (b)

Fig. 9. Raw spectral reflectances (a) and continuum removed curves (b) of clay minerals covered granite block of Hwaseomun in Hwaseong Fortress, Suwon.

Table 4. Maximum absorption depth comparison in the vicinity of 0.95 ㎛wavelength of clay minerals covered granite block of Hwaseomun in Hwaseong Fortress, Suwon.

target area maximum absorption depth / wavelength

size of

target area weathering characteristics of target area SH_011 0.211 / 2.202 ㎛ d = 10 cm Clay minerals covered on the most of the target area.

SH_102 0.176 / 2.202 ㎛ d = 10 cm The target area is lightly covered with clay minerals.

SH_202 0.186 / 2.206 ㎛ d = 10 cm The target area is lightly covered with clay minerals.

Fig. 10. Study area for degradation degree mapping on Hwaseomun of Hwaseong Fortress and its block composition.

(8)

수 있고 실제로 육안 관찰에 의해 판단된 변색 및 풍화, 산물 분포 정도와 유사한 두 개의 대각선 경향이 풍화 산물들의 분포 정도를 지도화한 결과에서도 확인되었다.

반사 분광학을 이용한 암석 풍화도 진단 평가 공정 수립

본 연구에서 수행된 일련의 실험 과정과 실험 결과를 바탕으로 암석의 표면 분광반사특성을 이용한 풍화도 진 단 평가 기법의 작업 흐름도를 제안하였다(Fig. 13). 통 상적으로 사용되는 화학 분석법 기반의 암석 풍화훼손도 진단 평가 방법(Fig. 1)을 바탕으로 원격탐사 분야의 대 상 물질의 분광반사특성을 이용한 탐지 방법을 결합하였 다 분광반사특성을 획득하기 위한 측정 지점 선정 단계. 를 풍화도 진단 전략 수립 단계에 신설하고 분석법 기반 의 암석 풍화훼손도 진단 평가 방법에서 화학분석 단계 를 광물 분광반사특성의 획득으로 대체하였다 마지막으. 로 측정된 분광반사특성 분석 과정을 풍화도 진단 평가 단계에 포함시켰다.

최종적인 흐름도를 살펴보면 작업 공정에 따라 첫번째 단계로 풍화산물이 다른 조암광물과 구분될 수 있는 특 징적인 흡광 패턴을 보유하는지 분석하는 예비조사를 수 행한다 예비 조사 후에는 조사 대상의 표면 특성 및 훼. 손 지점의 공간적 분포를 고려하여 분광반사도 측정 계 획을 작성하는 풍화도 진단 전략 수립을 거쳐 실제로 분 석 대상 표면에서 분광 반사도를 측정하는 분광반사특성 획득 단계로 이어진다 분광반사도는 실험실과 야외의. 실제 분석 대상 표면에서 모두 측정 가능하다 마지막으. 로 측정 결과로부터 정량적 풍화도를 추출하고 해석하는 풍화도 진단 평가 단계를 거쳐 풍화도 평가를 마칠 수 있다.

Fig. 11. Area splitting on the granite blocks of Hwaseomun for the measurement of spectral reflectances.

(a)

(b)

Fig. 12. Mapping degradation degree on the surface of granite blocks of Hwaseomun in Hwaseong Fortress, Suwon, Korea. (a) is relative degradation degree map of clay minerals and (b) is relative degradation map of iron oxides.

Fig. 13. Workflow process for assessment of rock surface deterioration using reflectance spectroscopy.

(9)

이러한 작업 공정을 적용하면 정량적인 평가 결과를 획득할 수 있어 풍화된 암석의 보존 공법 선정 및 보강, 여부에 대한 의사결정을 지원이 가능하다 따라서 추후. 연구에서는 화강암을 대상으로 암석 표면에서 점토 광물 과 철산화물의 부화량을 지시하는 분포 면적을 정량적으 로 계측하고 계측치와 분광 흡광도와의 상관관계를 분석 할 수 있으며 분광 반사 곡선으로부터 풍화 산물의 정량, 적 분포량를 해석해내고 이로부터 풍화 등급 및 풍화도, 지수를 산정할 수 있을 것으로 판단된다.

결 론

본 연구의 결론은 다음과 같다.

화강암을 구성하는 조암 광물의 분광반사특성을 조 1.

사한 결과 석영 조장석 회장석 정장석은 특징적인 흡, , , 광 패턴을 보이지 않으며 흑운모에서는, 2.3㎛- 2.4㎛ 부근에서 미사장석에서는, 2.2 ㎛부근 파장에서 약한 흡 광 특성을 관찰할 수 있다.

화강암의 풍화 산물인 점토 광물 중 캐올리나이트 2.

와 일라이트의 분광 반사 곡선 중2.2 ㎛파장 영역에서 특징적인 흡광 패턴이 존재하므로 이와같이 뚜렷한 흡광 특성을 이용하여 다른 화강암 조암 광물과 구별할 수 있다.

관악산에서 채취된 화강암 시료와 홍제동 화강암 3.

노두의 산화철 및 점토류가 분포하는 지점의 분광반사특 성을 측정하고 정량비교를 위해 연속체 성분이 제거된 곡선을 분석한 결과0.95 ㎛부근에서 관찰되는 특징적 인 흡광 패턴을 이용하여 다른 화강암 조암 광물과 구별 할 수 있음을 확인하였다.

점토 광물이 분포하는 수원 화성 화서문 구성 화강 4.

암 블록 상에서 분광 반사 스펙트럼을 측정하고 연속체 성분이 제거된 스펙트럼에서 정량적인 흡광도 수치를 통 해 비교한 결과2.2 ㎛파장 영역에서 점토 풍화 산물이 분포하는 지점이 그렇지 않은 지점보다 깊은 흡광도를 보이는 것으로 확인되었다.

수원화성 화서문 구성 화강암 부재 상에서 측정 지 5.

점별 풍화 산물별 흡광 특성을 측정하고 흡광 깊이로 정, 량화하여 상대적 풍화 산물 분포 지도를 작성하였다.

화강암의 종류에 따라 장석류와 운모류의 조성 비 6.

율이 다르기 때문에 장석류 및 운모류에서 생성되는 점 토 광물을 풍화 기준으로 사용하기 위해서는 동일 노두 나 동일 암석 부재로 측정 범위를 한정시킨 후 2.2 ㎛ 부근의 파장 영역에서 흡광도를 비교해야 한다.

일련의 실험 과정 및 결과를 바탕으로 기존의 암석 7.

화학분석에 기반한 풍화도 평가 기법과 원격탐사 분야의 광물 분광반사특성을 이용한 광물탐사법을 융합하여 분

광 반사도 측정 기법을 이용한 암석 표면 풍화도 진단 평가 공정을 제안하였다.

사 사

본 연구는 국립문화재연구소의 석조문화재 보존처리 를 위한 손상평가기술 개발 과제번호( 07B011Y-00140- 과제와 년도 단계 두뇌한국 사업의 지원 2007) 2007 2 21

을 받아 이루어졌으며 이에 감사한다 또한 논문 작성은. 서울대학교 공학연구소의 지원으로 이루어졌다.

참고문헌

박경립 이상헌 신종원, , , 1996, “보존을 위한 석조문화재의 특징과 암석에 대한 연구(I)”,보존과학회지,제 권 호5 , 1 , pp. 41-68.

이명성 이정은 표수희 송치영 이찬희, , , , , 2005, “논산 관촉

사 석등의 훼손도 진단 및 기원암의 성인적 해석”,보존

과학회지, 제 권17 , 1 , pp. 5-18.호

이상헌 신철균 최기주, , , 1997, “보존을 위한 석조문화재의 특징과 암석의 풍화 현상에 대한 연구(II)”,보존과학회 지, 제 권6 , 1 , pp. 31-60.호

Analytical Spectral Devices Inc., 2006, Product Speci- fications - FieldSpec^Ⓡ3, http://www.asdi.com/products_

specifications- FS3.asp (accessed 30 May 2006).

Chabrillat, S., Goetz, A. F. H., Krosley, L. and Olsen H.

W., 2002, “Use of hyperspectral images in the identi- fication and mapping of expansive clay soils and the role of spatial resolution,” Remote Sensing of Environment, Vol. 82, Issues 2-3, pp. 431-445.

Clark, R. N., and Roush, T. L., 1984, “Reflectance Spec- troscopy: Quantitative analysis techniques for remote sensing applications,” Journal of Geophysical Research, Vol. 89, pp. 6329-6340.

Clark, R. N., 1999, Chapter 1: Spectroscopy of Rocks and Minerals, and Principles of Spectroscopy, Manual of Remote Sensing, 3^rded., Vol. 3. Wiley, New York, pp.

3-58.

Clark, R. N., Swayze, G. A., Wise, R., Livo, K. E., Hoefen, T. M., Kokaly, R. F. and Sutley, S. J., 2003, USGS Digital Spectral Library splib05a, USGS Open File Report 03-395, http://pubs.usgs.gov/of/2003/ofr-03-395/ofr-03-395.

html (accessed 30 May 2006).

Kruse, F. A., Raines, G. L. and Watson, K., 1985, “Analy- tical techniques for extracting geologic information from multichannel airborne spectroradiometer and airborne imaging spectrometer data,” Proceedings of International Symposium on Remote Sensing of Environment, Thematic

(10)

Conference on Remote Sensing for Exploration Geology, 4^th, Environmental Research Institute of Michigan, Ann Arbor, April 1-4, pp. 309-324.

Kwon, S. T., Shin, K. B., Park, H. K. and Mertzman, S.

A., 1995, “Geochemistry of the Kwanaksan alkali feldspar

granite: A-type granite?,” The Korean Journal of Petro- leum Geology, Vol. 4, pp. 31-48.

Lee, S. G., 1993, “Weathering of Granite,” Journal of Geological Society of Korea, Vol. 29, No. 4, pp. 396-413.

현 창 욱 박 형 동

년 서울대학교 공과대학 지구환경 2003

시스템공학부 공학사

년 서울대학교 공과대학 지구환경 2005

시스템공학부 공학석사

현재 서울대학교 공과대학 에너지시스템공학부 부교수 (本學會誌第卷第号參照44 6 )