실내 시험을 이용한 단층 주변 암석의 풍화 특성 분석
박지환1)· 서장원2)· 이상호1)· 박창신3)· 박형동1)*
Analysis of Rock Weathering Characterization around Fault using Laboratory Tests
Jihwan Park, Jangwon Suh, Sangho Lee, Changshin Park and Hyeong-Dong Park* (Received 14 July 2014; Final version Received 21 August 2014; Accepted 16 October 2014)
Abstract : Rock samples were collected on faults and 2∼3 m away from faults at 4 sites in Korea and China, and weathering and alteration were analysed using laboratory tests and polarization microscope. Point load strength and slake durability index were measured to analyse weathering character of rock samples. The strength and slake durability of rock samples on faults were weaker than those of rock samples 2∼3 m away from faults. Polarization microscope was also used to analyse the alteration and weathering of rock samples. Minerals of rock samples on faults were more altered and weathered than those of rock samples 2∼3 m away from faults. The correlation between physical and mineralogical properties were analysed synthetically. The results of the study can be used as basic data of geological investigation and construction in fault sites.
Key words : Fault, Weathering, Slake-durability, Strength, Polarization microscope
요 약 : 생성 시기와 풍화 양상이 다른 국내외 4개 단층 지역의 단층면과 단층면에서 2∼3 m 이격된 암반에서 암석 시료를 채취하고, 실내시험과 편광현미경을 이용해 풍화 및 변질 특성을 분석하였다. 점하중강도와 슬레이 크 내구성을 측정한 결과 단층면에서 이격된 암반의 암석 시료에 비해 단층면에서 채취한 암석시료의 강도 및 슬레이크 내구성 지수가 상대적으로 낮게 측정되었다. 또한 편경현미경 관찰 결과 단층면 시료에서 변질 및 풍화 작용을 받은 광물이 상대적으로 더 많이 발견되었고, 광물 내 또는 광물 간 내부균열이 다수 관찰되었다.
시험 측정 및 관찰 결과를 토대로 다양한 암석시료의 물리적-광물학적 특성을 다양한 관점에서 종합적으로 분석 하여 그 상관관계를 분석하였다. 본 연구결과는 향후 단층대 주변의 지질 조사 또는 건설 활동을 위한 기초자료 로 이용될 수 있을 것으로 기대한다.
주요어 : 단층, 풍화, 슬레이크 내구성, 강도, 편광현미경
1) 서울대학교 에너지시스템공학부 2) 서울대학교 에너지자원신기술연구소 3) 삼성엔지니어링
*Corresponding Author(박형동) E-mail; [email protected]
Address; Dept. of Energy Systems Engineering, Seoul National University, Seoul, Korea
ISSN 2288-2790(online) Vol. 51, No. 5 (2014) pp. 668-677, http://dx.doi.org/10.12972/ksmer.2014.51.5.668
서 론
터널공사 중에 발생하는 지반 붕괴사례 중 약 84%는 공 사의 최전방부인 막장에서 발생하고 있으며, 붕괴 원인으 로는 단층, 절리, 균열 등 지질학적 요인에 의한 붕괴가 사 고의 89%를 차지하고 있다(Kim et al., 2006). 이와 같이 터 널시공 현장에서의 지질환경은 매우 중요한 인자로 여겨지 고 있으며, 건설 활동의 안정성 확보와 사고 방지를 위해서 는 지질 환경에 대한 면밀한 조사와 정확한 평가가 선행되
어야 한다. 단층 지대는 지층의 운동으로 인해 일차적으로 암반이 파쇄되어 기반암의 강도가 약할 뿐만 아니라 단층 발생 이후 암석의 풍화 및 변질에 의해 점토 광물이 생성되 면서 안정성의 저하가 유발된다. 특히 단층 지대에서는 암 반 사이의 간극을 따라 흐르는 물에 의하여 암반의 풍화가 가속되므로 단층 주변에 위치한 암석의 풍화 정도를 파악 하는 것은 지하 환경에서의 공학적 안정성 확보 측면에서 매우 중요하다.
단층 생성 시 단층면에서는 강한 압력과 동시에 수반되 는 열에 의해 암석의 파쇄 및 변질이 발생하고, 단층면에서 멀어질수록 이러한 파쇄 및 변질 정도는 약해진다. 단층 발 생 후에도 단층면 근처의 파쇄대에서는 암석에 발생된 균 열 사이로 물이 유입되어 풍화가 가속되고, 풍화 산물인 점 토 및 단층 비지가 균열 사이에 충전된다. 이 때 암석의 물성 과 풍화 양상은 단층 주변에 위치한 암석의 종류와 구성 광 연구논문
Table 1. Rock types and geographical coordinates of 11 sampling points
Sample No. Rock Type Location Latitude Longitude
YM Granite -Gneiss Yangmoon, Shanxi, China
N 39° 11’ 11.66’’ (YM1) N 39° 11’ 54.73’’ (YM2) N 39° 11’ 44.68’’ (YM3,4)
E 112° 51' 34.68’’ (YM1) E 112° 50' 41.15’’’ (YM2) E 112° 50' 44.83’’ (YM3,4) UJ Granite -Gneiss Uljin-gun,
Gyeongsanbuk-do N 37° 04' 41.68’’ E 129° 22' 22.80’’
SC Andesite
Gagok mine, Samcheok-si, Gangwon-do
N 37° 06' 33.08’’ E 129° 06' 27.36’’
YS Andesite Yangsan-si,
Gyeongsangnam-do N 35° 22' 19.93’’ E 129° 09' 50.52’’
물, 입자 조직, 함유량 등에 의해 달라지며(Gupta and Ahmed, 2007; Shalabi et al., 2007; Ceryan et al., 2008), 암 석이 위치한 지역의 기후, 지질 등의 환경에 따라 풍화 양상 이 다르게 나타난다. 따라서 지하 환경의 안정성을 확보하 기 위해서는 대상 지역에 위치한 단층대 주변 암석의 물성 및 광물의 변질 양상에 대한 분석이 필요하다.
일반적으로 암석이 풍화되면 강도나 화학적 성분의 변화 가 발생하기 때문에 암석의 풍화 정도에 따른 물리·화학적 성질의 변화를 측정할 수 있다(Takahiro and Masahiro, 1999). Yokota와 Iwamatsu(2000)는 관입형 경도계를 이 용하여 암석의 표면부터 내부까지의 경도를 측정하고, 암 석에 포함된 점토광물의 양과 광물 입자의 크기 등의 관계 를 유추하여 풍화 정도를 측정하였다. 경도는 암석의 표면 에서 내부로 갈수록 증가하는 양상을 보였으며, 광물 입자 의 크기는 표면에 가까울수록 작아지고, 점토광물의 양은 많아져 표면에 가까울수록 풍화가 많이 발생하였다.
Arikan 등(2007)은 풍화 등급에 따라 채취한 암석의 일축 압축강도, 공극률, P파 속도 등을 측정하고 X선 회절 분석 을 수행하여 암석의 성분에 따른 풍화도 측정을 수행하였 다. 그 결과 풍화가 진행될수록 암석의 강도는 낮아지고, P 파 속도는 감소하며, 점토 광물의 함량이 늘어나는 것이 관 찰되었다. Guan 등(2001)의 연구에 따르면 풍화가 진행될 수록 암석의 H2O+의 양은 증가하고, Na2O, CaO는 감소하 는 반면 SiO2는 거의 변화가 없는 경향을 보인다. 암석의 표 면에 물이 접촉하게 되면 풍화가 가속되는데, 석회암의 경 우 산성인 물에 반응하여 방해석이 용출되고, 공극에 물이 유입되면 동결-융해에 의해 물리적 풍화 또한 가속된다 (Jung, 2009). 풍화로 생성된 점토광물은 물에 의해 슬레이 킹 현상을 일으켜 암석의 강도 저하를 유발한다(Dhakal et al., 2002). Gokceoğlu 등(2000)은 사암, 실트 등 점토가 풍 부한 연암을 대상으로 슬레이크 내구성 시험 후 드럼을 통 과하는 침전물의 분석을 통해 시험 횟수를 반복할수록 작
은 입자가 증가하고 석회질 및 점토광물이 많이 침전되는 점을 통해 암석의 광물 구성과 슬레이크 내구성과의 관계 를 유추하였다.
본 연구는 다양한 기반암과 생성 시기 및 노출 환경을 갖 는 국내 및 중국의 단층 주변에서 시료를 채취하고 실내시 험을 통해 그 풍화양상을 분석하는 것을 목적으로 한다. 이 를 위하여 생성 시기와 풍화 노출 형태가 다른 국내외 4개 단층 지역의 단층면 및 단층면 근처로부터 각기 풍화 정도 가 다른 동종의 암석 시료를 채취하였다. 점하중 강도 측정 시험을 통해 풍화 정도에 따른 암석 강도의 변화 양상을 파 악하고, 슬레이크 내구성 측정 시험을 통해 풍화 정도에 따 른 슬레이킹 현상에 대한 내구성을 평가한다. 또한, 편광현 미경 관찰을 수행하여 기반암의 구성 광물을 확인하고, 단 층대로부터의 거리에 따른 광물의 변질 및 풍화 양상을 파 악하였다. 이와 같은 세 가지의 실내 시험을 통해 획득한 결 과를 종합적으로 분석하여 단층 지대 암반의 풍화 양상을 평가하고자 한다.
연구 방법
시료 채취
본 연구를 위해 생성 환경과 풍화 노출 정도가 다른 국내외 4개 단층 지역(중국 산서성 양문관, 강원도 삼척 시 가곡광산, 경상남도 양산시, 울진 등)에서 시료를 채 취하였다. 채취한 암석 시료의 좌표는 해당 지점에서 GPS(Global Positioning Systems) 기기로 측정하였으며, 시료별 좌표와 지도상 위치는 각각 Table 1, Fig. 1(a), (b)와 같다. 시료는 Fig. 1(c)와 같이 단층면의 암석과 단 층면에서 2∼3 m 떨어진 지점의 암석을 채취하여 단층 과의 거리에 따른 풍화도의 차이를 알아볼 수 있도록 하 였다. 층리가 확실히 구분되는 경우에는 동일 층의 암석 시료를 채취하되, 층리가 불분명한 경우 동일 선상의 암
Fig. 1. Descriptions of sampling. (a) location of YM sampling point, (b) location of UJ, SC and YS sampling point, (c) example of collecting samples (◯: fault plane, △: comparatively fresh rock), (d) detailed view of YM fault, (e) detailed view of UJ fault, (f) detailed view of SC fault, (g) detailed view of YS fault.
석 시료를 채취하였다.
중국 산서성 양문관 근처의 항산(Mt. Heng) 단층 지대 로부터는 화강편마암을 채취하였다(Fig. 1(d)). 본 지역 은 시생대부터 원생대의 지질이 드러나 있으며, 시생대 부터 강한 압력의 작용으로 크고 작은 단층이 광범위하 게 분포하고 있다(Kroner et al., 2005). 연평균 강우량은 500 mm 이하로 연중 내내 건조하나, 오랜 기간의 풍화 에 의해 시료 표면의 입자가 약한 힘에도 탈락될 정도로 강도가 저하되어 있다.
지하 환경에 존재하는 단층 시료는 강원도 삼척시에 위치한 가곡광산(구 제2연화광산) 갱내에서 채취하였다 (Fig. 1(e)). 본 광산은 과거 아연, 연 정광 등을 생산한 스카른 광산이며, 광체 주변에는 단층 작용과 화산암류 의 관입에 의해 석회암의 재결정화 또는 변성작용으로 다양한 석회암질이 존재한다(Choi et al., 2008). 본 시료 들은 광산 갱도 내부에 위치한 단층에서 채취했기 때문 에 GPS 수신이 불가능하여 좌표 정보를 획득할 수 없었 으며, 채취 좌표는 갱도 입구의 것을 기입하였다.
경상북도 울진군 북면 동해대로변에 노출된 단층 지역 에서도 화강편마암을 채취하였다(Fig. 1(f)). 해당 지역
은 대부분 화산암으로 덮여 있으며, 주로 선캄브리아기 에 생성된 화강편마암이 분포되어 있다. 이 부근의 단층 은 제 3기 에오세에 생성되었다(Jung et al., 2001).
경상남도 양산시 덕계동 덕명로 도로변에 노출된 암벽 단층에서는 안산암 시료를 채취하였다(Fig. 1(g)). 대상 지역에는 중생대 백악기에 생성된 역질 안산암이 넓게 분포하고 있으며, 동일시기에 생성된 염기성 암맥이 관 입하고 있다. 상부에는 같은 시기에 생성된 원효산 함각 력 안산반암, 흑운모 화강암 등의 화성암이 분포한다. 이 지역의 단층은 외부에 노출되어 있고 단층면에 물이 흐 르고 있으나, 도로 건설 공사로 인한 노출 후 50년이 지 나지 않아 풍화가 비교적 많이 진행되어 있지 않다.
대부분의 단층면 암석은 초기 단층 발생 시 받은 힘에 의해 많은 파괴가 일어난 상태이며, 단층면 사이로 물이 흘러 풍화가 진행됨에 따라 암석의 상태가 불량하였다.
시료명은 채취 지역의 이름을 본따 명명하되 단층대에서 채취한 시료에는 N, 단층대에서 2∼3 m 거리에서 채취 한 시료에는 F를 붙여 각기 구분하였다. 채취된 시료는 점하중 시험과 슬레이크 내구성 시험에 이용할 수 있도 록 적절한 크기로 가공하였다.
Fig. 2. Flowchart of the study.
Table 2. Gamble’s slake durability classification system (Gamble, 1971)
Classification Id1 Id2
Very High Durability > 99 > 98 High Durability 98∼99 95∼98 Medium High Durability 95∼98 85∼95 Medium Durability 85∼95 60∼85 Low Durability 60∼85 30∼60 Very Low Durability < 60 < 30 실내시험 설계
단층 지역에서 채취된 암석 시료의 풍화 정도에 따른 물리적 성질과 광물학적 특징을 비교하고 그 상관관계를 규명하기 위하여 총 3종류의 실내시험을 수행하였다. 먼 저 시료의 물리적 강도를 측정하기 위하여 점하중 강도 측정 시험을 수행하였고, 풍화 산물인 점토 광물에 의한 슬레이킹 현상을 분석하기 위해 슬레이크 내구성 측정 시험을 수행하였다. 또한 편광 현미경 관찰을 통해 풍화 가 진행된 광물과 그 특성을 분석하였다. 본 연구의 실험 절차는 Fig. 2와 같다.
점하중 강도 측정시험
점하중 강도 측정시험은 암석의 강도를 측정하는 가장 간단한 기법으로, 일축압축강도와의 상관성이 높게 나타 나기 때문에 현장에서 암석의 강도를 유추하는 데 주로 이용된다(Kolay and Kayabali, 2006). 본 연구에서는 일 축압축강도를 측정하기에는 시료의 양이 부족하였고, 특 히 단층대 주변 암석의 경우 내부 균열이 심하게 발달하 여 원통형 시료의 제작이 불가능하였다. 따라서 별도의 시료 가공 작업 없이 암석의 강도를 측정할 수 있는 점 하중강도 측정시험을 수행하였으며, 시험법은 한국암반공 학회에서 제안한 암석의 점하중강도 표준시험법(KSRM, 2005)을 따랐다. 현장에서 채취한 시료는 대부분 불규칙 한 형상을 띠고 있으므로, 파괴 시 접점축을 포함한 단면 의 면적을 구적기로 측정한 후 유효면적으로 환산하였 고, 시료 두께를 계산한 후 10회 이상 측정하여 최고값 과 최저값을 제외한 강도의 평균값을 구하였다. 그리고 기존에 제시된 일축압축강도와 점하중강도의 상관관계 식에 의해 점하중 값으로부터 암석의 평균 강도를 산출 하였다.
×
×
×
(1)
이 때 점하중 강도 지수(Is)는 파괴 시 강도(P)와 샘플의 유효 두께(De)로부터 정의되며, De는 파괴 시 생기는 파 괴면의 면적(A)으로부터 계산된다. Is는 De의 값에 의해 변하므로 De가 50 mm일 때의 값 Is(50)으로 보정하였으 며, F는 수정 계수이다.
(2)
암석의 일축압축강도와 점하중 강도와의 관계로부터 암 석의 강도지수를 산정하기 위하여 식 2를 사용하였다. K 는 다수의 연구자들에 의해 암종별로 다양한 값이 제시 된 바 있으며, 본 연구에서는 Is(50)의 변환에 가장 적합 한 것으로 평가된 24를 사용하였다(Bieniawski, 1975;
Al-Harthi, 2001).
슬레이크 내구성 측정시험
슬레이킹 현상은 암석이 반복적인 습윤과 건조과정을 거치며 본래의 고결력을 잃어 조직이 파괴되는 것을 의 미한다. 일반적으로 점토류 광물의 함량이 풍부할수록 이러한 현상이 쉽게 일어나므로, 슬레이크 내구성 지수 는 점토류 광물의 함량에 따른 암석의 공학적 성질을 나 타내는 중요한 지표를 제공한다(Gokceoğlu et al., 2000).
국제암반공학회와 한국암반공학회의 표준시험법에 따르 면 기본적으로 2회의 슬레이크 사이클을 권장하고 있으 나, 암석의 슬레이크 내구성 지수가 높게 나타날 때는 그 이상 반복하여 실험하는 것이 적합하므로(Ulusay et al., 1995) 본 연구에서는 4회의 슬레이크 사이클을 수행하 였다. 슬레이크 내구성 지수는 식 3과 같이 계산되며, 이 때 Idn은 n회의 사이클을 수행한 후 계산되는 슬레이크
Table 3. The results of point load test and slake durability test for 12 samples
Sample No. Is(50) (MPa) θc=Is(50)×24 (MPa) Id1 Id2 Id3 Id4
YM1-N 2.82 67.6 94.4 91.3 89.2 88.1
YM1-F 3.30 79.2 97.6 97.5 97.2 96.6
YM2-N 3.26 78.2 98.7 98.1 97.6 95.4
YM2-F 3.95 94.8 99.2 98.7 98.2 98.0
YM3-N 1.53 36.7 62.5 56.1 52.3 49.7
YM3-F 5.22 125.3 98.1 97.0 96.2 95.5
YM4-N 1.76 42.1 68.0 50.5 41.1 35.2
YM4-F 4.21 101.0 97.7 96.6 95.8 95.0
UJ1-N 1.99 47.8 89.2 85.8 83.8 81.9
UJ1-F 7.54 180.9 99.0 98.5 98.2 98.0
SC1-N 8.54 204.9 100 99.9 99.9 99.8
SC1-F 9.15 219.6 100 100.0 99.9 99.9
SC2-N 8.60 206.5 99.9 99.8 99.7 99.6
SC2-F 5.99 143.8 99.9 99.8 99.7 99.6
SC3-N 8.73 209.5 99.9 99.9 99.8 99.8
SC3-F 6.46 155.0 100 100.0 100.0 99.9
SC4-N 4.07 97.7 96.3 94.7 93.6 92.9
SC4-F 6.04 145.0 99.4 99.1 98.9 98.7
SC5-N 6.54 157.1 98.9 98.4 98.0 97.6
SC5-F 10.83 260.0 99.6 99.4 99.2 99
YS1-N 6.50 156.0 97.9 97.0 96.2 95.5
YS1-F 10.41 249.8 99.6 99.5 99.4 99.3
YS2-N 4.69 112.6 98.6 97.4 97.0 96.6
YS2-F 10.03 240.7 99.7 99.5 99.4 99.3
내구성 지수이며, 슬레이크 내구성 지수는 Table 2와 같 이 6단계로 분류된다(Gamble, 1971).
(3)
편광현미경 관찰
암석을 구성하고 있는 광물의 종류, 형태, 조직 등을 관찰하기 위하여 각 시료를 박편으로 제작 후 편광 현미 경을 통해 관찰하였다. 편광 현미경은 광물의 이방체 여 부, 색상, 결정체, 벽개, 굴절률 등을 통해 광물의 종류, 형태, 조직, 생성과정 등이 유추 가능하다(Lee et al., 2000). 관찰에 이용된 편광 현미경은 Nikon 사의 Eclipse NV100POL 모델로서 최대 50배의 확대 영상의 분석이 가능하므로, 이를 통해 단층면에서의 거리에 따른 구성 광물의 변질 및 풍화 정도를 분석하였다.
실험 결과 및 토의
점하중강도 및 슬레이크 내구성 지수 변화
점하중 시험을 통해 획득한 암석의 일축압축강도는 시 료에 따라 다양한 값을 보였으며, 최소 36.7 MPa에서 최 대 260 MPa까지 측정되었다. 풍화가 많이 진행된 중국 양문관 지역에서 채취된 YM 시료는 대체적으로 낮은 값 을 보였고, 강원도 삼척시 가곡광산 내에서 채취된 SC 시 료의 경우 평균 179.9 MPa의 높은 강도를 보였다(Table 3).
슬레이크 내구성 지수의 경우 4회의 반복 시험을 거친 내구성 지수 Id4가 최소 35.2에서 최대 99.9의 분포를 갖 는 것으로 나타났다. 일축압축강도와 마찬가지로 YM 시료군에서 비교적 낮은 값이 나타났으며, SC 시료군에 서 높은 값이 측정되었다.
일축압축강도 및 슬레이크 내구성 지수는 대체로 같은 경향을 보였는데, 특히 단층면에 위치한 시료의 경우 단
Fig. 3. Plot between strength () and slake durability index () of rock samples for correlation analysis. G means Granite Gniess specimens, and A means Andesite specimens.
층에서 떨어진 곳에 위치한 암석에 비해 최대 3.7배의 일축압축강도 차이를 보였고, 슬레이크 내구성 지수는 최대 2.7배의 차이를 나타내었다. 단층면 시료의 일축압 축강도가 더 높은 것으로 산출된 SC2 및 SC3 시료를 제 외하면 모든 시료에서 단층면에 위치한 암석의 강도가 감소된 것으로 분석되었는데, 이는 단층 생성 단계 또는 이후에 이루어진 암석 풍화의 영향에 의한 것으로 판단 된다. 특히 도로 공사에 의한 절개나 채굴 등으로 비교적 최근에 노출된 국내 시료의 경우 YM 시료에 비해 평균 10% 가량의 슬레이킹 현상에 의한 입자 탈락률을 보이 고 있는데, 이는 단층 생성시의 물리적인 파괴에 의한 강 도 감소뿐 아니라 이후의 풍화에 의한 점토 광물의 생성 이 암석의 강도에 큰 영향을 끼쳤음을 의미한다.
또한 단층면에서 채취한 시료들의 경우 슬레이크 내구 성 측정시험을 거듭할수록 입자가 지속적으로 탈락하여 Id1에 비해 Id4가 평균 8.07%(최소 0.10%에서 최대 48.24%)로 크게 감소하였지만, 단층면에서 2∼3 m 떨 어진 지점에서 채취한 시료들의 경우 Id1에 비해 Id4가 평균 0.93%(최소 0.10%에서 최대 2.76%)의 낮은 값을 보였다. 이처럼 단층대에서 가까울수록 슬레이크 내구성 지수가 낮게 측정될 뿐만 아니라 실험을 반복할수록 슬 레이크 내구성 지수가 더 빠르게 감소한다는 것은 단층 생성에 따른 암석의 풍화가 암석의 노출에 따른 표면상 풍화와는 달리 암반 내부에 걸쳐 전체적으로 강도를 저 하시킴을 암시한다고 해석할 수 있다.
Fig. 3은 점하중 강도를 일축압축강도로 환산한 값과 슬레이크 내구성 지수의 상관관계를 나타낸다. 단층면에 서 2～3 m 떨어진 지점에서 채취한 시료의 경우 강도의 증가에 따른 슬레이크 내구성 지수의 변화가 상대적으로 적게 나타났다. 이는 단층면에서 채취한 시료와 달리 단
층면에서 2～3 m 떨어진 지점의 시료는 내부의 균열이 거의 존재하지 않았기 때문에 대부분의 시료가 100 MPa 이상의 높은 강도를 가지고 있었으며 변질된 광물이나 점토 광물도 거의 존재하지 않는 신선암 암석의 특성을 지니고 있었다. 이러한 시료에서는 슬레이크 내구성 지 수가 아주 높게 나타나는 것이 일반적이고 본 실험에서 도 Id4가 95이상으로 나타났다. 반면 단층면에서 채취한 시료의 경우 강도의 감소에 따른 슬레이크 내구성 지수 의 변화가 아주 크게 나타났다. 이는 단층 변질과정에서 형성된 높은 빈도의 내부 균열과 점토 광물 때문에 시료 의 강도가 낮게 나타났을 뿐만 아니라, 이러한 특성이 건 조와 수침의 반복과정에 의한 암석 물성 약화에 큰 영향 을 끼치기 때문인 것으로 판단된다.
또한 암종에 따른 암석의 강도와 슬레이크 내구성 지 수 간의 관계도 조금 다르게 나타났다. SC와 YS시료가 포함된 안산암 시료의 경우 암석의 강도 약화에 따른 슬 레이크 내구성 지수 감소가 적게 나타난 반면, YM과 UJ 시료가 포함된 화강편마암 시료의 경우 암석 강도 약화 에 따라 슬레이크 내구성 지수가 크게 감소하였다. 이는 안산암과 화강편마암의 암종별 특성 차이에 의해 나타난 것이 아니라 단층의 규모와 풍화정도에 기인한 것으로 추정된다.
편광현미경 관찰 결과
중국 산서성 양문관 근처 항산 단층 지대에서 채취한 화강편마암은 입상 변정질 암석으로 미약한 편마구조가 발견되었으며(Fig. 4), 주구성광물은 석영, 정장석, 흑운 모 등이다. 단층면에서 채취한 시료의 편광현미경 촬영 사진에서는 편마구조와 강한 내부 균열이 관찰되었다.
또한 단층대에서 채취한 암석시료의 정장석은 대부분 견
(a) (b)
Fig. 4. Photos of (a) YM4-N and (b) YS4-F samples by polarization microscopy under crossed polars. Orthoclase altered into sericite because of high temperature and high pressure(Af: orthoclase, Q: quartz, Sr: sericite).
(a) (b)
Fig. 5. Photos of (a) UJ1-N and (b) UJ1-F samples by polarization microscopy under crossed polars. Microcracks were developed in UJ1-N samples(Af: orthoclase, Bi: biotite, Q: quartz).
운모로 변질되었으며 흑운모 역시 견운모로 일부 변질되 었다. 양문관 지역은 시생대부터 강한 압력의 작용으로 크고 작은 단층이 광범위하게 분포하고 있으며, 이러한 단층대의 고온·고압 환경으로 인해 암석 내 정장석과 흑 운모가 견운모로 변질된 것으로 판단된다.
경상북도 울진군에서 채취한 화강편마암은 조립질의 입상 변정질 암석으로 미약한 편마구조가 발견되었다 (Fig. 5). 특히 단층면에서 채취한 시료에서 약간의 편마 구조와 내부 균열이 관찰되었다. 주구성광물은 석영, 정 장석, 흑운모 등이다. 강원도 삼척시 가곡광산 갱내에서 채취한 시료의 주구성광물은 석영, 정장석, 사장석, 견운 모, 불투명광물 등으로, 일정한 방향성 없이 배치되어 있 다(Fig. 6). 단층대에서 채취한 암석은 단층대로부터 이 격되어 있는 암석에 비해 광물 내 균열이 심하게 발달하
였으며, 특히 견운모가 넓게 분포되어 있는 것으로 관찰 되었다. 이는 단층작용 시 암석에 가해진 고온·고압의 환 경 때문인 것으로 판단된다.
경상남도 양산시에서 채취한 안산암에서는 세립 사장 석과 불투명 광물(Op)들이 일정한 방향성 없이 분포되 어 있다(Fig. 7). 또한, 500 ㎛ 크기의 감람석 반정(Ol)이 드물게 나타난다. 단층면에 가까운 암석시료의 경우 단 층면에서 먼 시료에 비해 미세균열이 많이 관찰되었으나 특별한 광물조성의 변화는 관찰되지 않았다. 양쪽 모두 에서 견운모가 일부 발견되었으나 그 양은 매우 적었다.
이는 외산지역의 단층이 도로 건설로 인해 외부에 노출 된 지 50년이 채 지나지 않아 풍화가 많이 진행되지 않 은 것과 단층 발달 시 고온 또는 고압에 의한 영향을 적 게 받았기 때문인 것으로 판단된다.
(a) (b)
Fig. 6. Photos of (a) SC3-N and (b) SC3-F samples by polarization microscopy under crossed polars. Microcracks were developed, and orthoclase and plagioclase altered into sericite because of high temperature and high pressure in SC3-N samples(Af: orthoclase, Op: opaque mineral, Pl: plagioclase, Q: quartz, Sr: sericite).
(a) (b)
Fig. 7. Photos of (a) YS1-N and (b) YS1-F samples by polarization microscopy under crossed polars. Microcracks were developed in YS1-N samples(Op: opaque minerals, Ol: olivine, Sr: sericite).
편광현미경 분석 결과 단층대에서 2∼3 m 떨어진 곳 에서 채취한 시료에 비해 단층대에서 채취한 시료에서 사장석, 정장석, 흑운모 등의 변질 산물인 견운모가 상대 적으로 더 많이 관찰되었다. 이를 통해 과거 해당지역에 발생한 단층 작용으로 인해 고온·고압의 환경이 그 지역 에 조성되었음을 유추할 수 있고, 단층대에 가까운 암석 일수록 그에 대한 영향을 많이 받는 것을 확인할 수 있다.
편광현미경 관찰로부터 획득한 광물 구성 및 균열에 대한 분석결과는 앞에서 제시한 물리적 특성 측정 결과 를 뒷받침하고 있다. 단층대에서 채취한 암석의 경우 단 층대에서 2∼3 m 이격된 곳에서 채취한 동일 암석과 비 교했을 때 편광현미경 분석에서 견운모 등 변질작용에 의한 풍화산물이 관찰되었고, 점하중 강도 및 슬레이크
내구성 지수가 더 낮게 측정되었다. 이를 통해 암석을 구 성하는 광물의 종류와 광물 내부 또는 광물 사이에 존재 하는 미세 균열이 전체 암석의 물리적 강도에 직접적인 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
결 론
국내와 중국에 분포한 4개 단층대 지역에서 채취한 암 석 시료의 물리적, 광물학적 성질을 다양한 관점에서 평 가하고, 그 상관관계를 분석하였다. 단층대와 그 주변 동 일 지층에서 암석 시료를 채취한 후 점하중 강도, 슬레이 크 내구성 지수 등의 물성을 측정하고, 편광현미경 관찰 을 통해 구성 광물과 균열 상태에 대한 관찰을 수행하였
다. 단층대에서 채취한 시료의 강도와 슬레이크 내구성 지수는 대체적으로 낮게 측정되었으며, 단층대에서 2～
3 m 이격된 지점에서 채취한 시료의 강도와 슬레이크 내구성 지수는 상대적으로 높게 측정되었다. 또한 편광 현미경 관찰 결과 단층대에서 채취한 시료에서 견운모 등 변질작용에 의한 풍화산물과 빈도 높은 미세균열이 관찰되었다. 이는 단층대에 인접한 암석은 물리적으로 약한 특성을 지니고, 광물학적으로도 풍화 및 변질을 많 이 받은 것을 의미한다.
본 연구에서는 국내외 4개의 단층대 지역 주변에서만 시료를 채취하였고 시료의 양도 충분하지 않아서 일반화 된 결과를 도출하기에는 어려움이 있어, 향후 연구 시 더 많은 단층대를 방문하여 시료의 양과 질을 향상시킬 필 요가 있다. 또한 본 연구에서는 단층대와 단층대에서 2～
3 m 이격된 지점에서만 시료를 채취하였는데 이를 보완 및 발전시키기 위해 향후 연구에서는 단층으로부터 일정 거리마다 시료를 채취하여 단층으로부터 이격거리에 따 른 암석의 물리적·광물학적 특성을 분석하고자 한다.
지하자원이나 지하공간개발 또는 건설공사 시 크고 작 은 단층에 대한 고려는 공사비 산정과 안정성 확보에 있 어 필수적인 요소이다. 하지만 단층대 주변 암석에 대한 물리적 특성과 광물학적 특성을 종합적으로 분석한 연구 는 거의 수행되지 않은 실정이었다. 본 연구에서 제시된 연구 결과는 향후 단층대 주변의 지질 조사 또는 건설 활 동을 위한 기초자료로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
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현재 서울대학교 대학원 에너지시스템공학부, 석박사통합과정 (E-mail; [email protected])
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현재 서울대학교 공과대학 에너지시스템공학부 교수 (本 學會誌 第51券 第4号 參照)
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현재 서울대학교 에너지자원신기술연구소 연수연구원 (本 學會誌 第51券 第4号 參照)
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2010년 서울대학교 공과대학 지구환경 시스템공학부, 공학사
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