인공풍화가속실험을 통한 울릉도에 분포하는 화산암의 풍화특성 고찰

Artificial Accelerated Weathering of Volcanic Rocks from Ulleungdo Island

Abstract

이 연구에서는 울릉도에 분포하는 현무암질 각력암과 조면암, 화산각력암의 풍화특성을 울릉도의 기후조건을 고려하여 설계한 인공풍화가속실험을 이용하여 고찰하였다. 암석 시료는 XRF 결과를 이용하여 도시한 TAS diagram에 따라 화산암 종류를 판별하고 XRD 분석으로 조성광물을 확인한 후, 시료를 일차적으로 구분하였으며, 이차적으로 흡수율에 의해 시료의 풍화정도에 따라 구분하였다. 인공풍화가속실험 결과, 흡수율 증가는 대부분의 시료에서 발생하였으나, 화산각력암을 제외한 대부분의 시료에서는 강도 저감이 발생하지 않았다. 특히, 조면암의 초기 흡수율이 크면 인공풍화가속실험에 따른 흡수율 증가률이 더욱 증대되었으며, 화산각력암은 기타 암석보다 높은 흡수율 증가와 점하중강도 감소를 보여주고 있다. 이러한 실험 결과로 조면암의 화학적 풍화속도가 시간에 따라 가속될 수 있다는 것을 예측할 수 있고, 화학 및 물리적 풍화에 대한 저항성이 약한 화산각력암은 짧은 시간에서도 감소가 발생할 수 있다는 것을 파악할 수 있었다. 따라서, 이러한 암석들이 분포하고 있는 일주도로에서는 낙석 및 산사태와 같은 자연재해에 대한 대책이 필요한 것으로 판단된다.

Artificial accelerated weathering test evaluated rocks from near the circuit road of Ulleungdo island, approximately 120 km from east of the Korean Peninsula. The tests subjected rock specimens to conditions based on the climate of the island. The specimens (such as basaltic breccia, trachyte, volcanic breccia) were preliminarily classified using a TAS diagram (XRF data) and based on the constituent minerals (XRD data); they were further classified by weathering degree according to their absorption ratios. During the artificial accelerated weathering, the absorption ratio of most of the specimens increased, but the point-load strength did not decrease in most cases, except for the volcanic breccia. The greater initial absorption ratio of trachyte rock specimen in comparison with the other specimens led to a greater increase of its absorption ratio during the artificial accelerated weathering test. The volcanic breccia specimens showed the greatest increase of absorption ratio and the biggest reduction ratio of the point- load strength during the tests. These results could aid prediction of the weathering rate of rocks in Ulleungdo island subjected to weathering processes; trachyte which appears to accelerate with time, and volcanic breccia whose mechanical strength can largely decrease in a relative short period of time. Proper measures therefore appear necessary for the prevention of natural disaster such as rock fall and landslide around the circuit road.

서 론

제4기의 현무암과 조면암을 분출한 알칼리 현무암질마그마 기원인 화산활동으로 형성된 화산섬인 울릉도의 지질 및 암석학적 특징은 1920년대부터 현재에 이르기까지 수행된 여러 연구에서(Kim and Lee, 1983; Won et al., 1984; Min et al., 1988; Kim, 1996; Song et al., 2006; Hwang et al.. 2012, 2014; Hwang and Jo, 2014) 보고되고 있다. 특히, Min et al. (1988)과 Song et al. (2006)에서는 화산암의 절대연령을 측정하여 울릉도 화산암의 형성 과정을 설명하였고, Kwon et al. (1995) 및 Han et al. (1997)은 울릉도 기반암에 대한 지구물리학적인 연구를 수행한 바가 있다. 이들 연구에 의하면, 울릉도에 분포하는 화산암류는 현무암질류, 조면안산암질암류, 조면암질암류 그리고 포놀라이트질암류로 구성되고(Kim and Lee, 1983; Won and Lee, 1984; Min et al., 1988), 총 5 단계에 걸친 화산활동으로 형성되었다. Hwang et al. (2012)은 최하부의 해수면 아래의 현무암질류 분출과 이를 부정합으로 덮고 있는 조면암질집괴암 및 용암, 조면안산암 용암은 각기 제1단계 및 제2단계를 이루고 있으며, 세 차례 반복되는 조면암질 강하층과 용암은 제3단계에서 형성된 암석이며, 제4단계에서는 칼데라 형성에 따른 조면암질 부석과 화산회가 형성되었고, 제5단계에서는 중심콘 형성을 수반한 함백류석 조면안산암 용암이 형성된 것으로 보고하고 있다.

울릉도 해안인근에 분포하는 화산암은 파식으로 인하여 불규칙한 형태의 급경사면을 형성하여, 울릉도 외곽에 위치한 일주도로에 상부 화산각력암에서 풍화로 이탈되는 각력 및 화산암의 풍화에 의한 낙석사고가 빈번하게 발생하고 있기 때문에, 울릉도 화산암에 대한 지질학적인 분석뿐만 아니라 지질공학적인 연구도 필요하다. 그러나, 울릉도 화산암에 대한 지질공학적 연구는 울릉도 북서부 일부지역의 낙석 규모 및 낙석 위험도 평가에 대해서 Moon et al. (2014) 및 Seo et al. (2012)가 제한적으로 연구한 바 있다. 이 연구는 울릉도 화산암의 지질학적인 분포에 기반하여 울릉도 외곽에 위치한 일주도로 상에서 채취한 화산암 시료에 대하여 인공풍화가속실험을 수행하고 울릉도 화산암의 풍화특성을 규명하고 울릉도 화산암의 지질공학적 기초자료를 제공하고자 한다.

 

인공풍화가속실험시스템 설계

이 연구에서는 울릉도일주도로를 따라 채취한 낙석 및 노두에서 채취한 블록을 성형하여 만든 외형이 불규칙한 시료와 일주도로공사 시추공에서 채취한 원통형 시료를 이용하여 인공풍화가속실험을 수행하였다. 울릉도 일주도로 설계를 위해 천공된 시추공에서 채취한 원통형 암석 시료는 흡수율 및 탄성파전파속도 등의 물리적 특성과 점하중강도를 측정하였으며, 부분적으로 풍화가 진행된 노두 블록 및 낙석 시료는 제한된 시료크기와 시료 성형의 어려움으로 인하여 불규칙한 외형의 시료데 대하여 흡수율과 점하중강도를 측정하였다.

시료들은 암석 종류에 따라 일차적으로 구분하고, 흡수율을 기준으로 한 풍화정도에 따라 이차적으로 구분하여 시료를 세분하였다. 동일 그룹의 시료들에 대해서는 실험군시료와 비실험군시료로 구별하여, 실험군시료에 대하여 인공풍화실험을 수행하고, 비실험군시료에 대해서는 인공풍화가속실험을 수행하지 않고 인공풍화가 속실험에 따른 실험군시료와의 강도 변화를 비교하기 위한 초기자료로 사용되었다.

울릉도의 고온다습한 환경의 하절기는 화학적풍화를 촉진하고 적설량이 많은 동절기는 동결-융해작용을 기반으로 하는 물리적 풍화를 촉진하는 환경을 제공한다(Woo et al., 2009). 이러한 풍화환경을 인공풍화가속실험에서 구현하도록 실험시스템을 설계하였다. 국내에 분포하는 여러 종류의 암석에 대한 동결-융해에 의한 열화현상은 여러 실내 실험 연구에서 고찰되었다(Park et al., 2003; Um and Shin, 2009; Um et al., 2009; Ryu and Song, 2012). 상기 연구에서의 동결-융해실험 방법은 규격화된 실험법이 규정되지 않아 각 실험마다 그 방법을 약간씩 달리하지만 보통 작용 온도의 범위가 -25℃~20℃에 있었고, 동결-융해 시간은 암석 시료 내부까지 충분히 온도가 전달되는 시간을 고려하여 암석 종류 및 시료의 크기에 따라 2시간~12시간의 범위에서 이루어졌다. 이는 동결시 열충격에 의한 광물 자체의 손상을 방지하기 위하여 2℃/min 이하의 열구배를 적용시킨 것으로(Hall, 1999), 공극수의 동결에 의한 열화만을 관찰하도록 설계한 것이었다. 상대적으로 단기간에 실험의 성과를 측정할 수 있는 동결-융해 실험에 반하여, 화학적 풍화를 모사하는 실내인공풍화가속실험에서는 몇몇 암종을 제외하고는 단기간에 암석시료의 물성변화를 측정하기가 용이하지 않다. 그런 이유로 국내에서는 여러 풍화등급의 화강암류에 대하여 화학적 풍화실험이 제한적으로 연구되어 왔다(Song et al., 2009; Woo et al., 2009; Woo et al., 2014).

따라서 이 연구에서 수행하는 실험은 물리적 풍화와 화학적 풍화를 동시에 모사하기 위하여 가혹한 풍화환경을 적용시켜 암석의 풍화특성 발현이 용이하게 되도록 설계하였다. 즉, 화학적 풍화가속은 일반적인 강우의 산성도보다 가혹한 환경을 구현하기 위하여 황산을 희석한 pH=3의 70℃ 약산성용매를 사용하여 12시간 침수시킨 후, 가혹한 물리적 풍화환경을 구현하기 위하여서는 -25℃의 냉동고를 이용하여 동일 시료를 12시간 동결시켰다. 이러한 인공풍화가속실험은 시료의 동결-융해과정을 모사할 수 있으며 시료 공극내의 수분 팽창에 의한 동결 효과를 유발하도록 적절한 열구배를 적용하였다. 이러한 화학적 풍화과정과 물리적 풍화과정을 실험군 시료에 대하여 각각 12시간씩 번갈아가며 적용하였으며, 화산각력암의 약한 풍화내구성을 고려하여 총 14 싸이클의 인공풍화가속실험을 수행한 후 실험군시료에 대한 물리적 특성과 공학적 특성 변화를 비교 분석하였다.

 

실험 시료의 특성

시료 채취

이 연구를 위하여 울릉도 일주도로 상에 분포하는 여러 종류의 암석을 시추공 및 낙석 지역, 노두에서 채취하였다(Fig. 1). 울릉도에 분포하는 암석은 크게 조면암, 현무암류, 포놀라이트암류 그리고 화산쇄설암으로, 이중 일주도로 급경사면을 이루며 낙석 위험성을 지닌 현무암질 각력암과 조면암 그리고 화산쇄설암에 대하여 인공풍화가속실험을 수행하였다. Fig. 1의 2번 위치의 시추공에서는 신선한 조면암과 현무암질 각력암 시료 2종을 채취하여 직경 50 mm, 길이 100 mm의 NX 원통형 시료로 성형하여 시료명 첫글자에 T 및 B, BR을 사용하여 시료를 구분하였다. T 계열의 조면암은 하부조면암에 속하는 천부조면암에 해당하며, B 및 BR 시료는 서로 색상을 달리하는 현무암으로 울릉도 기저에 분포하는 도동현무암에 해당한다. 시추공에서 채취한 색상이 서로 다른 화산각력암 시료 2종은 울릉도층군 하부에 해당하는 화산각력암인 사동각력암으로 각기 A 및 AB를 시료명에 사용하였으며, 암석이 연약한 특성을 지니고 있다(Fig. 2).

Fig. 1.Geological map of Ulleungdo Island, showing sampling locations (after Hwang et al., 2012).

Fig. 2.Specimens from boreholes.

낙석이나 노두에서 채취한 암석은 제한된 시료 크기 때문에 주먹 크기의 불규칙한 모양의 시료로 성형하였다. 낙석을 채취한 곳은 Fig. 1의 1, 3, 4번 위치로 상부에서 도로에 떨어진 조면암 낙석 중에서 풍화정도가 다른 암석을 채취하여 대체적으로 신선한 SW 등급의 시료는 시료명에 TF를 사용하였고. MW 등급의 시료는 TFW를 사용하여 시료를 구분하였다(Fig. 3). 1번과 2번 위치에서는 각각 사태감응회암과 현무암질 각력암 시료를 노두에서 블록으로 채취하여 주먹 크기의 불규칙한 모양의 시료로 성형하였다. 사태감응회암에 속하는 화산재응회각력암 시료는 시료명에 AT를 사용하였고 풍화된 현무암질 각력암 시료는 풍화정도에 따라 SW-MW의 풍화등급 시료에는 RT, MW-HW의 풍화등급 시료에는 RTW를 시료명에 사용하였다(Fig. 4, Fig. 5).

Fig. 3.Trachyte specimens from rockfall areas.

Fig. 4.Sampling location for Sataegam Tuff and specimens (AT-series).

Fig. 5.Sampling location for Sadong basaltic breccia and specimens (RT- and RTW-series).

화학 조성

일반적으로 화산암은 규소(SiO2)와 알칼리원소(N2O+K2O)의 질량비 관계를 바탕으로 한 TAS Diagram(Total Alkali Silica Diagram)을 이용하여 암종을 구분한다. 이 연구에서는 Rigaku 사의 ZSX Primus II를 이용하여 암석 원소질량비를 파악하고, XRF 분석을 수행하여 TAS diagram 으로 화산암의 종류를 판단하였다(Fig. 6). 조성광물의 확인 및 성분비를 분석하기 위하여 PANalytical 사의 EMPYREAN를 사용하여 분말시료에 대한 XRD 분석을 수행하였다.

Fig. 6.TAS diagram for the samples used in the laboratory tests.

Fig. 6의 TAS diagram에 따르면, 청회색을 띠며 흰색 반정과 석기 부분으로 이루어져 있는 조면암인 T, TF, TFW 시료들은(Fig. 1과 Fig. 3 참조) 조면암과 포놀라이트 그리고 테프리 포놀라이트의 경계에 위치하고 있다. Hwang et al. (2014)에서는 조면암의 반정 대부분은 알칼리장석들이 차지하고 있으며, 석기는 대부분 라쓰상 알칼리장석 미정들이 뚜렷한 조면상 조직을 지니고 있다고 분석한다. 이러한 광물조성은 T, TF, TFW 시료에 대한 XRD 분석결과가 서로 유사한 Fig. 7a에 나타나듯이, Sanidine과 Anorthoclase, Orthoclase와 같은 알칼리 장석들이 대부분을 차지하고 휘석이 미량 포함되어 있는 결과를 보여주고 있다. 시추공에서 채취한 현무암질 각력암인 B 및 BR 계열 시료는 TAS diagram 상에서는 picrobasalt에 속하며, XRD 분석결과에 의하면 anorthite 및 andesine, albite 등과 같은 알칼리 장석이 대략 40~70%, 휘석이 약 20~25% 포함되어 있고 경우에 따라 자철석(magnetite)이 소량 포함되어 있는 것으로 나타난다(Fig. 7b). 특히, BR 계열의 현무암질 각력암의 붉은 색은 20% 정도 분포하는 Hematite에 의한 것으로 판단된다. 노두에서 직접 채취한 RT 및 RTW 계열 시료는 지질층서 상 B 계열 시료와 같은 도동현무암에 해당하며 TAS diagram 상에서 현무암 및 조면암질 현무암에 속한다. 이는 암석이 풍화작용에 노출되면서 용탈 및 화학적 풍화에 의해 알칼리 성분이 감소하면서 상대적으로 규소의 함량이 많아지면서 나타나는 현상으로 판단된다. 이 시료는 XRD 분석에 의하면 알칼리 장석과 휘석, 자철석 등으로 이루어져 있다(Fig. 7c). 화산각력암 시료는 다공질로 석기부분은 화산재로 구성되어 있고 다양한 각력을 내포하는 암석으로 TAS diagram 상에서 phonotephrite, tephri-phonolite 및 basaltic trachy-andesite에 속하고, XRD 분석에서는 알칼리 장석과 제올라이트 및 운모 등이 조성광물을 이루고 있는 것으로 나타난다.

Fig. 7.XRD data for the samples.

시료의 물리적 특성

이 실험에서 측정한 암석시료의 물리적 특성은 흡수율과 P파 전파속도이다. 흡수율은 암석의 물리적 특성중에서 암석 풍화와 가장 밀접한 관계를 보이는 물성이며, 불규칙한 형상의 시료에 대하여 측정이 용이하기도 하다. P파 전파속도는 암석 강도와 밀접한 특성을 지니지만 정확한 암석 강도를 P파 전파속도로부터 추정하기에는 그 편차가 크며, 측정을 위하여서는 시료를 규칙적인 형상으로 성형하여야 한다. 시추공 코어를 채취하여 성형한 T 및 B 계열 시료에 대해서는 P파 전파속도와 흡수율을 측정하였지만, 나머지 불규칙한 모양의 시료에 대해서는 흡수율만 측정하고 P파 전파속도를 측정하지 못하였다(Fig. 8, Fig. 10). 따라서 이 연구에서는 시료구분과 실험에 따른 시료의 물성 변화 추이는 주로 흡수율 측정 결과를 이용하여 분석하였다.

Fig. 8.Absorption ratios of the samples.

Fig. 9.Results of slaking durability test for the Sataegam Tuff Breccia.

Fig. 10.P-wave velocity of the samples.

Fig. 8에 나타난 흡수율 측정 결과에 의하면 T 계열의 조면암시료는 흡수율이 1% 내외 및 2.5~3.5% 인시료군으로 분류할 수 있다. 반면 TF 및 TFW 계열 조면암시료의 흡수율은 2~11%의 넓은 범위를 보이고 있어 인접한 흡수율을 지닌 시료를 같은 그룹으로 분류하였다. B 계열 및 BR 계열의 현무암질 각력암 시료는 5~10% 및 8~9% 범위의 흡수율을 지니고 있는 것으로 측정되었고, RT 및 RTW 계열의 현무암질 각력암 시료들은 5~12% 범위의 흡수율을 보이고 있는 것을 측정되어 이에 근거하여 시료를 구분하였다. 화산각력암 시료인 A, AT, AB 계열 시료들은 다른 암석보다 큰 10~30%의 흡수율 범위를 보이고 있는 것으로 측정되었다. 특히, 사태감 화산각력암 시료인 AT 계열 시료의 물에 대한 저항성 정도를 판단하기 위하여 수행한 슬레이킹 내구성 지수는 1차 싸이클에서는 약 76%, 2차 싸이클에서는 약 60%로 Gamble (1971)의 슬레이킹 내구성 지표에 의하면 low durability에 해당하고 있어 침수에 의한 내구성이 약한 것으로 분류된다(Fig. 9).

조면암 시료인 T 계열시료의 P파 전파속도는 2200~2900 m/s의 범위에서 풍화정도에 따라 300~500 m/s의 속도차이를 보이고 있으며, 현무암질 각력암 시료인 B 및 BR 계열 시료는 풍화정도에 따라 1100~2500 m/s의 P파 전파속도의 범위를 지니고 있는 것으로 측정되었다(Fig. 10).

 

인공풍화가속실험 결과

이 연구에서는 총 14 싸이클의 인공풍화가속실험을 수행하여 실험시료의 물리적 특성의 변화 및 공학적 특성의 변화를 측정하였다. 동일한 실험군시료에 대하여서 는 실험 전과 실험 후의 물리적 특성을 측정할 수 있어서 인공풍화가속실험에 따른 흡수율 변화를 측정할 수 있었지만, 강도는 파괴실험에서만 측정할 수 있고 동일한 시료에 대하여 측정할 수 없기 때문에, 비실험군시료의 강도와 인공풍화가속실험에 따른 실험군시료의 강도를 비교하여 강도 변화에 대한 분석을 하였다.

Fig. 11에 나타난 것과 같이, 인공풍화가속실험에 의하여 일부 시료를 제외한 화산암 시료에서 전반적인 흡수율의 증가가 발생하였다. 이는 실험 후 일부 시료의 건조중량이 다소 감소되어 나타난 측정 결과를 미루어 볼 때, 인공풍화가속실험에 따른 전반적인 흡수율 증가에 반하는 흡수율 감소현상은 실험과정에서 불규칙한 형상의 시료의 일부 표면이 제거되면서 발생한 것으로 판단된다. 따라서 이러한 흡수율이 감소한 시료는 흡수율 변화률 계산에서 제외시키는 것이 합리적인 것으로 판단되어 이를 제외시켰다.

Fig. 11.Absorption ratio change and its rate of change due to weathering.

조면암시료는 초기 흡수율에 따라 14~30%의 범위의 흡수율 증가율을 보이고 있다. 즉, 초기 흡수율이 1%정도인 시료의 증가율은 약 14% 정도이었으며, 초기 흡수율이 3% 인 시료는 약 30%의 증가율을 보이고 있다. 또한 낙석 지역에서 채취한 초기 흡수율이 3~10% 범위에 있는 조면암 시료(TF 및 TFW 시료)는 인공풍화가 속실험에 의하여 30~40%의 흡수율 증가가 발생하였다. 조면암의 대부분을 구성하고 있는 광물이 풍화에 약한 장석으로 이루어져 있기 때문에 다른 암석에 비하여 풍화실험에 따른 화학풍화작용으로 흡수율의 증가가 크게 나타나는 것으로 판단된다. 또한 초기 흡수율이 큰 시료가 더욱 흡수율 증가가 큰 현상은 동일한 암종에서 외부에 노출된 암석 표면의 초기 풍화등급이 클수록 화학적 풍화에 대한 민감성이 더 커진다는 것을 지시하고 있다. 울릉도 일주도로상에 노출되어 있는 암반은 급경사면을 이루고 있어 시간에 따른 풍화속도를 완화시킬 수 있는 상부에 피복된 풍화잔류층이 부재하기 때문에 풍화속도가 시간에 따라 더욱 가속되는 현상이 발생할 수 있다.

시추공에서 채취한 현무암질 각력암 시료(B 및 BR)는 약 8% 정도의 흡수율 증가를 보여주고 있으며, 노두에서 채취한 현무암질 각력암 시료(RT 및 RTW)의 경우 흡수율 감소가 발생한 부분을 제외하면 18%의 흡수율 증가를 보이고 있다. 초기 흡수율에 따라 흡수율 증가율이 달라지는 것은 현무암질 각력암의 흡수율 증가 경향도 조면암시료의 결과와 유사하다.

사태감각력암 시료(AT)는 다른 시료보다 월등히 높은 50~90% 범위의 흡수율 증가률을 보이고 있다. 시추공에서 채취한 사동각력암 시료(A 및 AB)는 인공풍화가 속실험 중에 시료의 외부가 와해되어 탈락되는 현상이 발생한 관계로 3~12%의 범위의 흡수율 증가가 발생하였지만, 사태감응회암 시료처럼 물에 대한 저항도는 아주 낮은 것으로 관찰된다. 이러한 흡수율 증가 경향은 암종에 따라 증가률을 달리하고 있으나 정량적인 관계를 보이지 않고 있으며, 초기 흡수율과도 밀접한 상관관계를 보이지 않고 있다.

시추공에서 채취한 조면암 및 현무암질 각력암(T 및 B)시료의 탄성파속도 변화는, Fig. 12에 나타난 것과 같이, 전반적인 경향을 보이고 있지 않은 채 일부 시료에서는 탄성파속도의 증가가 발생하였고, 일부에서는 감소가 발생하였다. 이는 인공풍화가속실험에 의하여 탄성파 속도의 변화가 발생한 것보다 측정오차에 기인한 것으로 판단되어, 이 연구에서는 전체적인 탄성파속도의 변화 추이는 분석할 수 없다고 판단된다.

Fig. 12.P-wave velocity change due to weathering.

Fig. 13에서는 실험군시료와 비실험군시료의 점하중강도 I50을 암종별로 구분하여 표시하고 있다. 점하중강도와 일축압축강도는 서로에 대한 상관도가 좋기 때문에, 점하중강도로부터 일축압축강도를 직접 유추할 수 있다(Woo, 2014). 이 연구에서는 인공풍화가속실험에 따른 강도 변화를 비교하기 위하여 시료의 모양에 따라 보정한 I50 값을 사용하였다.

Fig. 13.Point-load strength change due to weathering.

시추공에서 채취한 조면암 시료인 T 시료는 초기 흡수율에 따라 인공풍화가속실험 후의 I50 값의 변화가 발생하였다. 즉, 흡수율이 1% 정도인 시료 T-2와 T-3는 비실험군시료보다 30% 정도 더 높은 강도를 보이고 있으나, 흡수율이 2~3%인 T-11과 T-12는 비실험군시료보다 60% 더 낮은 강도를 보이고 있다. 이러한 강도의 변화는 인공풍화가속실험에 의하여 흡수율이 전반적으로 증가하였고, 탄성파속도는 T-2와 T-3에서는 감소한 반면, T-11과 T-12에서는 증가한 측정 결과와는 서로 상충되는 결과를 보여주고 있다. 이러한 사실과 부족한 시료 개수 및 2.8~6.4MPa의 범위를 보이는 비실험군시료의 점하중강도의 편차를 고려하면, 인공풍화가속실험에 의한 강도의 감소는 발생하지 않은 것으로 판단된다.

낙석 조면암 시료인 TF 및 TFW 시료 중 비실험군 시료의 점하중강도의 범위는 1.2~4MPa로 큰 편차를 보이고 있다. 이들 시료는 인공풍화가속실험에 의해서 30~40%의 흡수율 증가가 발생하여 강도의 감소가 예측되었으나, 인공풍화가속실험이 종료된 후의 실험군시료의 강도는 1.6~1.9MPa 범위에 분포하고 있어 강도의 변화는 거의 없는 것으로 나타나고 있다.

현무암질 각력암 시료인 B, BR, RT 및 RTW 시료 또한 흡수율의 증가는 발생하였지만, 강도의 변화는 발생하지 않는 것으로 분석된다.

사태감응회암 시료인 AT 시료는 인공풍화가속실험에 의하여 40~80%의 흡수율 증가가 발생한 시료군으로, 비실험군시료의 강도는 0.14~0.5 MPa의 범위를 보이며 실험군시료의 강도는 0.11~0.3 MPa의 범위를 보이고 있다. 이러한 강도의 범위는 인공풍화가속실험에 의해 절대값으로는 소폭의 강도 감소가 발생된 것으로 판단되나, 상대적인 강도감소는 20% 정도 발생한 것으로 계산된다.

사동각력암 시료인 A 및 AB 시료의 점하중강도는 0.1MPa 이하의 값을 보이는 아주 약한 특성을 지니고 있어서 인공풍화실험이 종료된 후의 시료는 일부가 와해되어 정확한 강도를 측정하기가 어려웠다. 이 시료들에 대한 강도 측정 결과, 인공풍화가속실험에 의한 가시적인 강도 감소는 발생하지 않은 것으로 나타나지만, 각력의 탈락과 같은 표면부 와해가 발생하였으므로 풍화에 대한 저항성이 아주 낮은 것으로 판단된다.

 

토의 및 결언

이 연구는 울릉도 일주도로상에 분포하는 암석을 대상으로 화산암의 풍화특성을 고찰하였다. 하부조면암에 속하는 천부조면암, 도동현무암에 속하는 현무암질 각력암 그리고 사동각력암 시료를 시추공 코어에서 채취하여 원통형 시료로 성형하였다. 사태감응회암시료 및 풍화가 일부 진행된 현무암질 각력암 시료는 노두에서 직접 채취하였고, 낙석지역에 분포하는 조면암 시료는 낙석을 채취하여 점하중시험을 위한 불규칙한 모양의 시료로 성형하였다. 인공풍화가속실험 이전에 정확한 암석의 종류를 파악하기 위하여 XRD를 통한 광물조성성분을 분석하고, XRF 결과에 따른 TAS diagram을 이용한 화산암 종류를 판단하였다. 화산암 시료에 대하여 수행된 총 14 싸이클의 인공풍화가속실험을 통하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.

1. 모든 시료에 대하여 흡수율을 측정하여 시료를 풍화도에 따라 구분하였고, 동일 시료군에서 실험군과 비실험군시료로 구별하여 실험군시료에 대하여서만 인공 풍화가속실험을 수행하였다. 인공풍화가속실험은 화학적 풍화와 물리적풍화를 동시에 구현할 수 있도록 설계하였으며, 화산각력암의 약한 풍화내구성 때문에 총 14번의 풍화 싸이클에 암석 시료가 노출되도록 하였다.

2. 실험이 종료된 실험군시료에 대하여 흡수율을 측정한 결과 모든 시료의 흡수율이 실험전에 비하여 10% 이상의 증가를 보이고 있다. 특히 사태감응회암의 흡수율은 40% 이상의 증가를 보이고 있어 풍화가 진행됨에 따라 물리적 특성의 감소폭이 가장 크게 나타난 시료이다. 조면암을 구성하고 있는 주요 광물은 대부분 풍화에 취약한 장석류이기 때문에 화학적인 풍화에 취약하여 흡수율의 증가가 발생한 것으로 판단되며, 조면암은 초기 흡수율이 크면 흡수율의 증가률이 더욱 증대되는 경향을 보이고 있다.

3. 비실험군시료와 인공풍화가속실험이 종료된 실험군 시료의 점하중강도를 비교한 결과, 화산각력암을 제외한 암석시료의 점하중강도의 변화는 없는 것으로 분석되었다. 즉, 조면암과 현무암질 각력암에서의 강도 감소는 발현되지 않았으나, 사태감응회암은 약 20%의 강도감소가 발현되었고, 사동각력암에서는 강도감소 발현은 측정되지 않았으나 인공풍화실험에 따른 표면 와해가 관찰되어 풍화에 취약한 특성을 보이는 것으로 파악된다.

4. 인공풍화가속실험 결과, 울릉도의 화산각력암은 화학적·물리적 풍화에 취약한 특성을 지니며, 조면암은 화학적 풍화에 대한 저항성이 낮은 것으로 분석된다. 울릉도 일주도로 옆의 사면은 급경사로 이루어져 있기 때문에, 풍화가 진행되어도 풍화산물이 지속적으로 제거되어 암반이 풍화과정에 직접적으로 노출될 가능성이 커진다. 이러한 현상은 일반적으로 시간에 따라 완만해지는 풍화속도와는 다른 경향을 보일 수 있다. 즉, 인공풍화가속실험 결과에 나타나듯이, 조면암의 화학적 풍화속도는 시간에 따라 가속될 수 있어 낙석 위험 가능성이 증가할 수 있다는 것을 예상할 수 있다. 사태감응회암에 대한 슬레이킹 실험결과와 사동각력암의 인공풍화실험 결과에서 나타나듯이, 화산각력암은 물에 대한 취약한 저항성을 지니고 있다. 이와 같은 특성은 화산각력암이 풍화에 의하여 강도 감소와 표면의 와해 등으로 인한 낙석 및 사면붕괴와 같은 자연재해로 이어질 수 있는 가능성을 가지고 있다.

5. 이 연구에서는 울릉도 일주도로의 급경사를 구성하고 있는 암석 중 조면암과 화산각력암의 취약한 풍화특성을 실험적으로 확인하였다. 빈번히 발생하는 낙석 및 사면붕괴와 같은 자연재해를 방지하기 위해서는 조면암과 화산각력암이 분포하는 지역에서는 특히 도로의 안전에 고려한 대책이 필요한 것으로 판단된다.