산불 영향에 따른 토층의 광물학적 특성 변화에 관한 연구

Analysis of the Effect of Forest Fires on the Mineralogical Characteristics of Soil

Abstract

산불 피해지는 수목 및 식생 전소, 산지토양 황폐화 등으로 인해 산사태주의보 기준에 미치지 못하는 강우조건에서도 토사 세굴 및 유출로 인한 산사태와 토석류 등의 2차 피해 위험을 증가시킨다. 산불은 지표 식생과 토양 특성의 변화를 발생시켜 산불 피해지 내에서 유출량 변화에 큰 영향을 주기 때문이다. 즉, 산불은 토양의 중요한 물리, 화학적 특성 변화로 인해 토양조성 변화, 구성광물의 변화, 토양수의 반발성, 토양 덩어리의 안정성이나 토양 조직의 변화를 발생시킨다. 특히, 산불 발생 및 확산 과정에서는 토층의 유기물과 수목의 연소 외에도 지표면 또는 지표면 아래까지 열기가 전파되어 토층을 구성하고 있는 토양 광물에 영향을 주게 된다. 이에 본 연구에서는 산불 발생지와 미발생지에서 채취된 토양시료(Topsoil, Subsoil)에 대해 XRD 회절분석 및 토양 물성분석을 통해 토양 내 점토광물의 분포와 함양 특성을 파악하였다. 그 결과, 산불 발생지의 토양시료에서 뮬라이트, 아날사이트, 적철석 등이 소량 산출되었으며, 버미큘라이트, 일라이트/버미큘라이트 혼합층상 구조광물(I/V)은 특히 표토에서 특징적으로 산출되었다. 특히, 산불 발생지에서는 일라이트/버미큘라이트 혼합층상 구조 광물(I/V)이 특징적으로 확인되었으나, 산불 미발생지에서는 일라이트/버미큘라이트(I/S) 혼합층상 구조 광물은 산출되지 않아 산불 발생지의 토양과는 큰 차이를 보인다. 이와 같이 점토광물의 생성은 외적요인인 산불의 영향으로 인해 토양 내 광물 조성의 변화를 파악할 수 있었다. 팽창성 점토광물은 우기 시에 토층 내에서 흙의 체적을 팽창시키기 때문에 장기적으로 사면 지반의 구조적 안정성에 영향을 줄 수 있어, 산불 발생지의 토층에서 점토광물의 생성은 장기적으로 산지사면 안정성에 영향을 줄 수 있을 것으로 판단된다.

Forest fires increase the risk of subsequent soil erosion and mass movement in burned areas, even under rainfall conditions below landslide alert thresholds, by destroying plants and vegetation and causing changes to soil properties. These effects of forest fires can alter runoff in burned areas by altering soil composition, component minerals, soil water repellency, soil mass stability, and soil fabric. Heat from forest fires not only burns shallow organic matter and plants but also spreads below the surface, affecting soil constituents including minerals. This study analyzed X-ray diffraction and physical properties of topsoil and subsoil obtained from both burned and non-burned areas to identify the composition and distribution of clay minerals in the soil. Small amounts of mullite, analcite, and hematite were identified in burned soils. Vermiculite and mixed-layer illite/vermiculite (I/V) were found in topsoil samples from burned areas but not in those from non-burned areas. These findings show changes in soil mineral composition caused by forest fires. Expansive clay minerals increase the volume of soil during rainfall, degrading the structural stability of slopes. Clay minerals generated in soil in burned areas are therefore likely to affect the long-term stability of slopes in mountainous areas.

서론

산지재해는 하절기인 7월부터 9월 사이에 발생하는 집중호우 및 태풍 등으로 인해 집중적으로 사면붕괴, 산사태, 토석류 형태로 발생하며, 생활권 주변으로는 옹벽 및 축대 등의 붕괴로 재산 및 인명피해가 매년 다수 발생하고 있는 실정이다. 이러한 재해의 발생은 강우와 지진 등과 같은 자연적인 요인과 산불, 벌목, 개간, 절성토 사면 조성 등과 같은 인위적인 요인이 복합적으로 작용한다고 볼 수 있다. 최근 전세계적으로 사회재난으로 인식되고 있는 산불의 경우, 산불 발생과 동시에 산림지역 전역을 광범위하게 황폐화시킴으로 인해 상당한 시간의 복구와 복원이 진행되어야 한다. 산불 피해지역은 수목 및 식생 전소, 산지토양 황폐화 등으로 인해 하절기 집중호우 시 토사세굴 및 유출로 인한 산사태와 토석류 등의 2차 피해 위험을 증가시킨다(Covington and Sackett, 1984; Cannon et al., 2011; Kean et al., 2011). 산불 피해지에서의 산사태 발생 이력을 조사한 결과에 따르면, 산사태주의보 기준(시우량 20~30 mm 미만, 일강우량 80~100 mm 미만, 연속강우량 100~200 mm 미만)에 미치지 못하는 강우조건에서도 산사태가 현저히 발생하는 것으로 나타났다(Jun et al., 2009). 이와 같이 산불 피해지의 토층의 상태는 강우의 침투능과 저류능이 산불 발생 이전의 원지반 토층과 차이를 갖는다는 것을 의미한다.

산불이 확산되는 동안 토양의 온도는 토양단면에 따라 크게 변한다. 낮은 토양의 열전도율로 인해 토양 표면의 고온은 심도에 따라 급감한다(Shiozawa and Campbell, 1990; Giovannini and Lucchesi, 1997). 토양과 토양에 포함된 암편들은 열전도성이 낮아서 산불화재에서 5 cm 그 아래 깊은 토층에서는 온도가 높지 않다(DeBano et al., 1979). 따라서 산불의 영향은 토양의 상부층에서만 뚜렷한데, 대체로 토양 표면의 온도는 일반적으로 200~700°C 범위가 흔하다(DeBano et al., 1998). 극한적인 산불의 경우에 토층 표면의 온도가 1,150°C까지 기록된 바 있지만(Shiozawa and Campbell, 1990), 일반적으로 토층 최상부와 낙엽층 경계에서 최대온도는 850°C 정도이다(DeBano, 2000). 유기물 층에서 기화된 소수성 유기물은 토양 속으로 확산되는데, 이때 표토 5 cm 하부층 이내에서 응축되어 토양입자 표면에 피복된다(DeBano, 2000; Brady et al., 2001). 토양수분 반발층(발수층)은 175°C 이하에서는 발생하지 않으나, 175~200°C에서 15분 이상 연소되면 강한 토양수분 반발층이 형성된다(DeBano, 1991). 그러나 280~400°C 범위에서는 토양수분 반발층은 파괴되는 것으로 알려져 있다(Savage, 1974; DeBano et al., 1979). 토양수분 반발층에 영향을 주는 토양의 특성으로는 유기물의 종류와 양, 토양의 조직, 토양수분량, 토양-식물간 환경 등이 있다. 목질 연료는 약 350°C에서 연소되는데, 산불화재의 화염의 최고 온도는 1,000°C에 이른다.

산불 이후 토양과 낙엽층의 형태는 세 가지로 나뉜다(Chandler et al., 1983; Cerda and Robichaud, 2009). 저강도 화재 지역은 검은 재, 낙엽, 나무의 약한 손상이 발생하며, 지표면의 온도는 100~250°C 범위이다. 중간 강도 화재는 지표면이 300~400°C가 되며, 식물 대부분이 연소되어 하부 토양이 노출되지만 크게 변질되지는 않는다. 고강도 화재는 토양 표면의 온도가 500°C가 넘는데, 완전 연소 후 남은 하얀 재와 토양의 적색화가 나타난다. 토양의 적색화는 연소 동안 철 산화물의 전이에 기인하는데, 연소구역의 극히 일부에서 나타난다. 철 산화물 뿐만 아니라 판상점토광물도 산불에 의해 토양표면에서 발생하는 고온에 영향을 받는데, 흡착수와 구조 수산화기(OH)의 소실이 일어나서 판상점토광물의 붕괴와 파괴가 일어난다(Sertsu and Sanchez, 1978; Ulery et al., 1996).

지표면 토양의 조직 변화는 8 cm까지 화재 이후에도 수 년간 지속되는데 심각하게 연소된 토양에서 형성된 사질 덩어리가 상당히 안정함을 지시한다(Ulery and Graham, 1993). 토양의 덩어리 안정성은 상온 이상에서 증가하는데, 이는 철과 알미늄 산화물의 열적 전이결과이다. 이로써 토양 내 미세입자가 교결되기 때문이다. 덩어리 형성작용은 표토 조직의 점진적인 조립화를 야기하며, 카올리나이트로 풍화되는 장석류의 토질은 카올리나이트화된 사질 입자의 분해 때문에 입도는 감소하게 된다. 토양의 양이온 교환능력(CEC)은 화재의 온도가 증가할수록 감소한다(Mataix-Solera et al., 2011). 토양의 입도가 작을수록 양이온 교환능력은 증가하며, 조립질 입자 내지 사질 입자 일수록 감소한다.

산불은 토양의 중요한 물리, 화학적 특성 변화를 일으키는데, 특히 토양조성 변화, 구성광물의 변화, 토양수의 반발성, 토양 덩어리의 안정성이나 토양 조직의 변화를 발생시킨다. 철산화물은 300~500°C에서 열특성 변화가 일어나는데, 420°C 이상에서는 구조수가 소멸된다. 100°C 이상에서는 흡착수가 방출된다. 400°C 이상에서는 대표적인 점토광물인 일라이트, 카올리나이트, 스멕타이트(몬모릴로나이트) 등의 분해가 시작되고, 600°C 이상에서는 Ca-O 같은 금속결합이 깨어지면서 점토광물의 일부가 분해되기 시작한다. 석영은 573°C 이상에서 베타 석영으로 그 구조가 전이되고 결과적으로 체적은 증가하게 된다. 이같은 광물 구조의 변화는 광물 간 상당한 열적 응력을 유발하게 된다.

이와 같이 산불 발생 및 확산 과정에서는 토층의 유기물과 수목의 연소 외에도 지표면 또는 지표면 아래까지 열기가 전파되어 토층을 구성하고 있는 토양광물에 영향을 주게 된다. 따라서, 토양특성 변화로 인해 사면의 안정성도 기존과 달리 큰 변화를 겪게 된다. 수목의 소실로 인한 표토의 식생에 의한 지지력 외에도, 공극수, 토양 입자의 변화, 구성광물의 변화는 향후 강우에 의한 침식에도 취약하여 산사태 발생 가능성을 높인다.

본 연구에서는 산불 발생에 따른 토양 내 광물 조성 변화로 인한 점토광물의 생성 유무를 파악하기 위하여 산불 발생지와 미발생지로 구분하여 현장 토양시료를 표토와 하층토로 구분하여채취하였다. 채취된 토양시료에 대해 X-선 회절분석(XRD) 및 토양 물리적 특성 분석을 실시하고, 점토광물의 함양 분석을 통해 산불 발생으로 인한 점토광물의 분포 양상을 파악하였다.

연구방법

연구지역

2022년 3월 4일 발생된 경북 울진 산불은 10일 동안 강원도 삼척까지 확산되어 대형산불로 확대되면서 소실 면적 20,923 ha, 재산 피해 최소 1,689억원으로 상당한 산불 피해를 발생시켰다. 본 연구지역은 산불 피해지 현장인 경북 울진군 북면 인근 산지를 기준으로 산불 발생지와 산불 미발생지로 구분하여 현장 토양시료를 채취하였다. 산불 발생 이후의 현장 상황은 낙엽층의 연소, 수목의 연소, 토층 및 암석의 탄화 흔적을 확인할 수 있었으며, 연구지역 능선을 따라 상당한 산불 피해가 확인되었다. 특히, 정상부나 능선부의 암반에서도 탄화된 유기물이 피복되어 검게 탄 부분이 흔히 관찰되었다. 토층 외에도 암반, 암괴도 산불의 영향을 받는다. 암석은 비교적 열 전도성이 낮아서 그 내부로의 고열이 전파되기는 쉽지 않다. 그럼에도 능선부로 화재가 진행하는 경향이 있기 때문에 암반, 암괴류도 파열이 일어날 수 있다. 따라서 토층이 든, 암반, 암괴류 등이 고열에 노출되면 산지사면 안정성에 영향을 줄 수 있을 것으로 판단된다.

토양 시료 채취는 Fig. 1과 같이 울진산불 발생지역 현장에서 경사도와 위치를 고려하여 3곳(상부, 중부, 하부)에서 깊이 0~5 cm에 해당하는 표토(topsoil)와 표토 아래 깊이 10~15 cm에 해당하는 하층토(subsoil) 토양 6개를 채취하고, 산불 미발생 지역에서 동일한 기준으로 토양 시료 6개를 채취함으로써 총 6지점에서 12개의 토양시료를 각기 채취하였다.

Fig. 1. Photographs of sampling of topsoil (0~5 cm depth) and subsoil (10~15 cm depth) in the burned (a) and non-burned (b) study areas.

점토광물 파악을 위한 X-선 회절분석

토양의 미세입자 부분은 일부 유기물을 제외하면 대부분 점토광물과 결정도가 매우 낮은 이차 풍화광물로 구성된다. 특히, 층상규산염 구조가 특징인 점토광물은 대부분 이차적 기원에 의해 생성되어 토양의 대부분을 차지한다. 점토광물은 극미립질의 특성과 결정 구조적 특징으로 인해 양이온 교환능력(cation exchange capacity, CEC)과 비표면적이 높아서 물리화학적으로 점착력과 화학적 반응성이 매우 높다. 따라서 이와 같은 점토광물의 특성은 토양, 토층, 토층 사면의 화학적, 물리적 특성을 크게 좌우한다. 토양의 대부분을 차지하는 점토광물은 그 종류와 성인이 매우 다양하고 결정구조적으로도 복잡한 특성을 가진다.

점토광물은 대부분 지표의 풍화환경에서 광물학적 전이와 생성작용, 모암의 기원에 따라서 다양하게 생성되는데, 토양 내 점토광물의 생성은 모암의 특성, 온도, 강우량, 물의 침투 속도와 같은 외인적 환경에 관련된 요소, 토양수의 pH, 화학 조성 및 특정 이온농도 등과 같은 풍화 환경의 물리 화학적 조건에 좌우된다. 특히, 강우량과 온도가 높을수록 풍화 변질 시간은 짧다. 결정구조상으로는 복잡한 2:1 구조의 점토광물보다는 카올리나이트와 같은 1:1 구조의 점토광물이 형성된다. 또한 지표면에서는 반응속도가 느리고 화학적, 물리적 용탈작용이 빈번하므로 화학적 이동성(chemical mobility)이 낮은 철, 알루미늄은 침철석(goethite), 페리하이드라이트(ferrihydrite), 적철석(hematite), 깁사이트(gibbsite), 보헤마이트(bohemite)와 같은 철, 알루미늄 수산화합물이나 산화물을 형성한다. 암석의 상당부분을 차지하는 석영과 장석류는 풍화작용 동안에도 그 일부가 잔류하여 토양의 구성 성분을 이룬다. 점토광물은 토양에서 매우 중요한 금속 이온 흡착제인데, 흡착능력은 점토광물의 결정구조 특징에 좌우된다. 그러므로 점토광물의 형성 전이과정은 토양의 전체적인 흡착특성에 큰 영향을 미친다. 토양에서 가장 흔한 팽창성 점토광물은 버미큘라이트, 스멕타이트이며, 그 외의 점토광물의 팽창성은 매우 낮다. 이는 층간 또는 격자구조 내에서의 양이온 치환과 전하 불균형에 의하여 점토광물의 팽창성이 결정되기 때문이다.

토양에서 점토광물의 감정과 변화특징은 매우 중요한데, 점토광물은 그 입자가 극미립질이고, 성인적으로 결정구조가 상당히 불안정 내지 준안정(metastable)하기 때문에 전이적인 특성(transformation)이 매우 강하다. 즉, 점토광물은 그 상태로 계속 존재하기 보다는 외인적 요인, 즉 온도, 습도에 따라서 결정구조는 다른 광물상으로 전이한다. 따라서 중간적인 특성인 혼합층상 구조(interstratification)가 흔하며, 온도가 증가함에 따라서 고온성 광물로 상전이(phase transformation)한다. 그런데 산불과 같은 급격한 고온 환경에서는 흡착수가 소실되고, 구조의 중요한 부분인 수산기가 소실되면서 점토 광물의 구조가 파괴되거나, 비정질 상태가 된다. 극미립질의 토양성분인 점토광물은 종류가 다양하고, 결정성이 다소 불량하기 때문에 광물종의 정확한 감정이 매우 중요하다. 점토광물의 감정을 위해서 XRD 분석법이 널리 이용된다.

본 연구에서는 울진 산불지역 현장에서 채취한 토양시료를 대상으로 X-선 회절분석(XRD)을 통하여 토양의 구성광물, 특히 점토광물의 함량분석을 수행하였다. 이를 위하여XRD 분석은 국립안동대학교 공동기기원의 Ultima IV Rigaku 기종을 사용하여5~65° 2θ 범위, 40 kv/30 mA 조건에서 Ni 필터 Cu 타켓빔, 연속 스텝 스케닝으로 스텝당 0.05초로 수행하였다.

산불 발생지 및 미발생지에서 채취한 토양시료를 대상으로 하였으며, XRD 분석방법은 원토양 시료를 비방향성 시편, 토양입자를 분리한 시료를 특정한 방향(c축 또는 00l 결정면)으로 편향된 시편을 제작하여 점토광물의 종류와 층간 거리를 측정하는 방식을 적용하였다. 또한, 산불 미발생 지역의 토양시료를 대상으로 350°C, 500°C에서 열처리 실험을 수행함으로써, 산불 발생에 따른 토양의 광물조성 변화와 특징을 분석하였다.

미량으로 함유된 광물의 경우(통상 1% 미만)에는 XRD 정량계산에서 배제할 수 있다. 실제로 여러 수반 광물들의 회절선은 서로 겹쳐져 간섭되기 쉬운데, 계산 시 이들의 분리를 고려해야 하며, 미지의 광물을 일일히 대입해야 하는 어려움이 따른다. 이에 본 연구에서는 반정량 프로그램인 HighScore Plus 같은 반정량 프로그램을 이용하여 함유 가능성이 높은 광물 종류를 사전에 파악하였으며, 이 정보를 바탕으로 리트벨트법을 이용한 정량계산 프로그램인 Siroquant v.3을 이용하여 구성광물의 함량을 정량 계산할 수 있도록 프로그램에 입력 가능한 광물종으로 계산을 수행하였다.

방향성 시료의 경우, 판상구조의 방향으로 점토광물의 방향이 편향되어 있다. 이는 타 광물의 회절선을 감소시키는 반면에 점토광물의 (00l) 회절선은 강화된다. 그러므로 본 정량계산에서는 비방향성 시료에 대해서만 수행하고, 방향성 시료는 정량 계산에서 배제하였다.

시료 전처리

벌크 분말 원시료 상태의 시료에서 XRD 분석 결과는 여러 광물 종이 혼합되어 있어 점토광물 종의 특성이 제대로 발현되기 어렵다. 따라서 점토광물의 판상 특성을 강화하는 방향으로 시료를 제작하면, 점토광물의 저면간격(basal spacing)의 회절선이 강화되어 판상광물의 감정을 보다 정확하게 할 수 있는 장점이 있다. 이는 특히 판상구조인 점토광물의 저면 간격의 특징을 가장 잘 보여주기 때문에 특징적인 점토광물들의 감정과 결정학적 특성 연구에도 적용되고 있는 방법이다. 이에 6지점으로부터 총 12개의 방향성 시료를 다음과 같은 절차를 따라 제작하였다.

① 채취한 토양 시료 : 상온에서 자연 건조

② 건조 후 시료 : Munshell color chart를 이용하여 토양의 색상 기재

③ 건조시료 : 5 mm 이상의 암편, 식물뿌리, 나뭇가지 등의 이물질 제거 후 사용

④ 비방향성 시료 제작 : 세립질 이하의 토양입자를 대상으로 아게이트 모르타르를 사용하여 분말화 작업을 하여XRD 회절분석용 시료 제작

⑤ 방향성 시료 제작: 세립질 이하의 토양입자를 그대로 사용하여 매스실린더에서 증류수를 혼합하여혼탁액제조(중력 침전 5시간 경과 후, 혼탁액 상부 부분을 채취하여슬라이드글라스에서 방향성(preferred orientation) 시료 제작)

산불 노출상황 모의를 위한 열처리 실험

산불 발생 시 직접 토양시료를 채취하거나 특정한 온도에서의 점토광물의 변화를 파악하기 어렵기 때문에 본 연구에서는 전기로를 이용하여 토양시료를 가열함으로써 토양의 열적 변화를 분석하였다. 이를 위하여, 원 토양시료 중에서 산불 미발생 지역 3개 지점의 6개 시료를 대상으로 열처리 실험을 아래와 같이 수행하였다. 단, 산불지역 시료는 이미 훼손되었기 때문에 가열시험에서 배제하였다.

① 전기로(muffle furnace)를 사용하여 350°C, 500°C에서 열처리 실험을 각각 수행

② 각 온도에서 1시간의 반응상태를 유지하였으며, Munshell color chart를 참고하여 색상변화 기재

여기서, Munshell color chart는 전기로 내에서 열처리 노출 온도에 따라 토양시료의 광물입자 변화를 대조 색상 변화로 파악하기 위해서 적용하였다.

연구결과 및 해석

토양시료의 XRD 회절분석 결과

산불 발생지 및 산불 미발생지 각 3개 지점의 토양시료 총 12개에 대하여 분말 원시료 상태의 토양을 대상으로 분말시료 XRD 회절분석 결과는 Fig. 2와 Fig. 3과 같으며, 방향성 시료의 XRD 회절분석 결과는 Fig. 4와 Fig. 5와 같다. 분석 결과에서 산불 발생지 시료에서는 버미큘라이트, 일라이트/버미큘라이트 혼합층상 구조 광물(I/V)이 특징적으로 확인되었다. 이는 운모류가 중간단계인 혼합층상 구조광물을 거쳐 버미큘라이트로 전이되는 것으로 판단된다. 이와 같은 결과는 방향성 시료에서만 구분이 되는데 토양 내 미세하게 함유되어 있는 점토광물류가 층상배열 시료에서 회절선이 강화되어 나타났기 때문인 것으로 사료된다. 특히, 일라이트/버미큘라이트 혼합 층상구조 광물(I/V)의 존재는 산불 미발생지에서 산출되지 않고, 산불 발생지에서만 산출되는 것으로 나타났다. 이는 산불 발생에 따라 토양 내 점토광물의 생성이 진행됨을 판정할 수 있는 지표로 고려할 수 있을 것이다.

Fig. 2. Results of XRD analysis for samples of topsoil and subsoil collected from burned areas (X-axis: Positions [*2 Theta] (Copper (C_u)), Y-axis: Counts, I/V: illite/vermiculite interstratification, C: chlorite, V: vermiculite, M/I: muscovite or illite, K: kaolinite, F: feldspar, Q: quartz).

Fig. 3. Results of XRD analysis for samples of topsoil and subsoil collected from non-burned areas (X-axis: Positions [*2 Theta] (Copper (C_u)), Y-axis: Counts, C: chlorite, V: vermiculite, M/I: muscovite or illite, K: kaolinite, F: feldspar, Q: quartz).

Fig. 4. Results of XRD analysis for directional samples of topsoil and subsoil collected from burned areas (X-axis: Positions [*2 Theta] (Copper (C_u)), Y-axis: Counts, I/V: illite/vermiculite interstratification, C: chlorite, V: vermiculite, M/I: muscovite or illite, K: kaolinite, F: feldspar, Q: quartz).

Fig. 5. Results of XRD analysis for directional samples of topsoil and subsoil collected from non-burned areas (X-axis: Positions [*2 Theta] (Copper (C_u)), Y-axis: Counts, C: chlorite, V: vermiculite, M/I: muscovite or illite, K: kaolinite, F: feldspar, Q: quartz).

산불 발생지에서 채취한 표토과 하층토에서 광물 조성비는 거의 흡사하게 분석되었으나 하층토에서는 특별하게 각섬석이 산출되었다(Table 1). 이는 표토층 아래 하층토를 포함하는 하부부터는 풍화가 덜 진행되었기 때문인 것으로 볼 수 있다. 산불 발생지 토양시료의 표토에서는 뮬라이트, 아날사이트, 적철석 등이 소량 산출된다. 또한, 버미큘라이트, 일라이트/버미큘라이트 혼합층상 구조 광물(I/V)이 특히 상단부(upper part)에서 특징적으로 산출되었다.

Table 1. Mineral composition of soil samples collected from burned areas (wt.%)

석영, 장석, 운모류(백운모, 일라이트)와 같은 기본 조암광물이 가장 풍부하게 산출되었다. 그 외에도 점토광물로는 카올리나이트, 녹니석, 버미큘라이트, 일라이트/버미큘라이트(I/V) 혼합층상구조 광물들이 산출되었다.

산불 미발생지에서는 석영, 장석류, 운모류(백운모, 일라이트), 각섬석 등과 같은 조암광물군이 대부분을 차지하며. 장석류는 알바이트, 아노르사이트, 미사장석으로 구성되어 산출되는 것으로 분석되었다. 또한, 녹니석, 버미큘라이트, 카올리나이트와 같은 점토광물들이 소량 함유되어 있다(Table 2).

Table 2. Mineral compositions of soil samples collected from non-burned areas (wt.%)

산불 미발생지의 토양시료에서는 산불 발생지의 분석결과와는 다르게 일라이트/버미큘라이트(I/S) 혼합층상 구조 광물은 산출되지 않았다. 이는 산불 발생지와 가장 큰 차이점이라 볼 수 있다. 물론 토양시료 채취지점이 서로 동일하지 않지만, 일라이트/버미큘라이트(I/S) 혼합층상 구조 광물의 산출 유무는 산불 발생지와 미발생지간의 차이로서 주목할 만하다.

산불 노출상황 모의를 위한 가열시험 결과

산불 발생 시에 고온에서 토양층의 광물조성 변화를 추정하기 위하여 전기로를 사용하여 온도를 350°C와 500°C로 설정하고, 각 설정 조건을 60분 동안 가열한 후 각각의 토양시료에 대해 XRD 회절시험을 실시하였다. 이에 대한 분석한 결과는 Fig. 6과 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 6. Results of XRD analysis after experiments involving heating at 350°C for soil samples collected from non-burned areas (X-axis: Positions [*2 Theta] (Copper (C_u)), Y-axis: Counts).

Fig. 7. Results of XRD analysis after experiments involving heating at 500°C for soil samples collected from non-burned areas (X-axis: Positions [*2 Theta] (Copper (C_u)), Y-axis: Counts).

350°C 조건 하에서 산불 미발생지 3개의 표토 및 하층토 시료는 석영, 장석류, 운모류(백운모, 일라이트)가 잔류하는 것으로 분석되었다. 운모류는 적은 양이 포함되어 있었으며, 버미큘라이트, 녹니석, 카올리나이트와 같은 점토광물류는 거의 소멸되었다. 500°C로 가열한 조건 하에서 산불 미발생지 3개의 표토와 하층토 시료는 석영, 장석류, 운모(백운모, 일라이트)가 잔류하고 있었으며, 운모류는 적은 양이 포함되어 있는 것으로 분석되었다. 여기서, 300°C 실험조건의 결과와 유사하게 버미큘라이트, 녹니석, 카올리나이트와 같은 점토광물류는 거의 소멸되었다. 그러나 500°C 시료에 비하면 300°C 조건에서 점토광물류의 양이 비교적 더 풍부하게 분석되었고, 백그라운드 회절선도 높고, 비정질 광물도 더 많이 잔류하는 것으로 나타났다.

산불 미발생지 표토와 하층토 토양시료에 대해 350°C와 500°C의 가열시험을 실시한 후 토양시료 채취구간별 광물조성 변화 결과를 Table 3과 Table 4에 나타내었다.

Table 3. Results of changes in mineral composition after experiments involving heating at 350 and 500°C for topsoil samples from non-burned areas (wt.%)

Table 4. Results of changes in mineral composition after experiments involving heating at 350 and 500°C for subsoil samples from non-burned areas (wt.%)

350°C 조건 하에서 산불 미발생지 토양시료 분석 결과에서는 석영, 장석류, 운모류(일라이트, 백운모)가 주를 이루지만, 운모류의 함량은 산불 발생지와 미발생지의 상온 토양시료에 비하여 상당히 그 함량이 낮게 나타났다. 점토광물로서는 일라이트(백운모), 카올리나이트, 버미큘라이트가 소량 산출되며, 녹니석은 ND 지점의 지층 시료에서만 검출되었다. 적철석, 깁사이트는 미량으로 존재하는데, 이는 기존의 점토광물류의 구조 일부가 파괴되면서 철, 알루미늄 산화물로 전이되기 때문인 것으로 판단된다.

500°C 조건 하에서 가열실험 분석결과는 석영, 장석류, 운모류(일라이트, 백운모)가 주를 이룬다. 특히 장석류는 고온에서도 여전히 잔류하는 특성이 있다. 점토광물로서는 일라이트(백운모)가 소량으로 검출되었으나, 특징적으로 카올리나이트, 버미큘라이트, 녹니석은 나타나지 않는다. 또한, 적철석, 깁사이트는 존재하지 않는데 이는 수산화기(OH)가 고온에서 소멸되었기 때문으로 해석할 수 있다. 향후 토양시료에 대해 온도별 장석류의 광물구조 변화를 보다 상세히 분석할 필요가 있다.

토의

산불 미발생지 3개 지점에서 채취한 6개 토질시료를 대상으로 350°C와 500°C 가열 시험한 결과와 상온 시료의 결과에 대한 열적 변화 분석결과는 대상 토질시료에 대해 고온으로 갈수록 석영, 장석류의 함량이 상대적으로 증가하며, 점토광물과 비정질 광물의 함량은 점점 감소하는데, 이는 층간수와 구조 내 구성요소인 수산화기(OH)가 고열에서 소멸되면서 점토광물의 구조가 상당히 파괴되었기 때문이다.

산불 발생지와 미발생지에서 채취한 토양시료를 대상으로 토양의 물리적 특성 분석 결과를 Table 5에 나타내었다. 동일한 시기에 2개 지역에서 채취된 토양의 주요 특성은 함수비와 액성한계 및 소성한계가 산불 미발생지 보다 산불 발생지 토양시료에서 크게 나타났다. 여기서, 액성한계는 토양의 비표면적, 점토 함양과 점토광물의 종류 등에 따라 차이가 발생하는데 산불 미발생지 보다는 산불 발생지에서 점토광물의 함양 차이로 인해 크게 나타난 것으로 볼 수 있다. 이러한 결과는 XRD 분석을 통해 산불 미발생지 보다는 발생지에서 일라이트/버미큘라이트 혼합 층상구조 광물(I/V)이 산출된 것과 관련 있는 것으로 판단된다. 또한, 흙의 전단강도 측면에서 점착력(C)과 내부마찰각(Φ)이 산불 미발생지 보다는 산불 발생지에서 상대적으로 더 작게 분석된 것도 산불 발생지 토양에 점토광물의 함양 정도가 영향을 준 것으로 볼 수 있다.

Table 5. Physical properties of soil samples collected from burned and non-burned areas

N.P: non-plasticity, USCS: unified soil classification system, SC: sility sand, SM: clayey sand.

토양은 열적 변화에 따라 광물조성의 변화를 보이는데, 이는 광물조성 외에도 색상 변화로 나타난다. 즉, 색상 변화는 결과적으로 광물조성의 변화와 관련이 있기 때문이다. 유기물이나 함철성분의 연소로 토양은 색상 변화를 보이며, 이는 Munshell color chart를 활용하여 토양의 채도와 색상을 묘사하였다. 산불 발생지와 미발생지, 그리고 가열실험에 따른 토양의 색상 변화 결과는 Table 6과 Fig. 8과 같다. 분석 결과에서 가열 온도가 증가함에 따라 철과 유기물의 연소 영향으로 색상이 밝아지거나, 연갈색, 연노랑색, 적갈색으로 변하는 것을 확인할 수 있었다.

Table 6. Color change of soil samples assessed using the Munsell color chart

Fig. 8. Colors of soil samples from non-burned areas after heating experiments (NU: upper part of non-burned area, NM: middle part of non-burned area, ND: lower part of non-burned area, A: topsoil, B: subsoil, 350 and 500 marked in the soil samples are the Celsius temperature heated to 300 and 500°C, respectively).

결론

경북 울진 산불 피해지 현장에서 채취한 토양시료를 대상으로 X-선 회절분석(XRD)을 통하여 토양의 구성광물, 특히 점토광물의 함량분석을 수행하였다. 토양시료 채취는 울진산불 발생지에서 경사도와 위치를 고려하여 상부, 중부, 하부 등 3개 지점에서 표토(0~5 cm 깊이)와 표토 아래 하층토(10~15 cm 깊이) 토양시료 6개, 산불 미발생지에서 동일한 기준으로 토양시료 6개를 각각 채취하였다. 산불 피해지에 대한 토양 내 점토광물 함양을 파악하기 위하여 실시된 XRD 분석은 원 토양시료를 대상으로 비방향성 시편, 토양입자를 분리한 시료를 대상으로 특정한 방향(c축 또는 00l 결정면)으로 편향된 시편을 제작하여 점토광물종의 종류와 층간 거리를 분석하여 감정하는 방식을 적용하였다.

산불 발생지의 표토와 하층토에서의 광물조성비는 거의 흡사하나, 하층토에서는 각섬석이 산출되었는데 이는 토양층 아래 지하에서는 풍화가 덜 진행되었기 때문인 것으로 판단된다. 표토에서는 뮬라이트, 아날사이트, 적철석 등이 소량 산출되었으며, 버미큘라이트, 일라이트/버미큘라이트 혼합층상 구조 광물(I/V)은 특히 상부(U)에서 특징적으로 산출되었다. 특히, 산불 발생지에서는 일라이트/버미큘라이트 혼합층상 구조 광물(I/V)이 특징적으로 확인되었다. 이는 운모류가 중간단계인 혼합층상 구조광물을 거쳐 버미큘라이트로 전이된 것으로 판단된다. 이 특징은 방향성 시료에서만 구분되기 때문에 이를 활용하여 산불 화재의 영향을 받는 인자로 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 산불 미발생지의 토양에서는 석영, 장석류, 운모류(백운모, 일라이트), 각섬석 등과 같은 조암 광물군이 대부분을 차지한다. 장석류는 알바이트, 아노르사이트, 미사장석으로 구성되며, 점토광물로는 녹니석, 버미큘라이트, 카올리나이트 등이 소량 함유되어 있다. 특히, 일라이트/버미큘라이트(I/S) 혼합층상 구조 광물은 산출되지 않아 이러한 결과는 산불 발생지역과의 가장 큰 차이점으로 볼 수 있다.

산불 발생 당시의 상황을 실험적으로 모사하기 위하여 실시한 350°C와 500°C 가열 시험 결과에서는 고온으로 갈수록 석영과 장석류 함량이 상대적으로 증가하였으며, 점토광물과 비정질 광물 함양은 감소하는 것으로 나타났다. 이는 함수성이면서 저온성인 점토광물들의 구조가 고열에서 파괴되었음을 의미한다. 즉, 층간수와 구조 내 구성요소인 수산화기(OH)가 고열에서 소멸되어 점토광물의 구조가 상당히 파괴되었기 때문인 것으로 판단된다.

이상과 같이 산불 피해지 내 토양의 광물조성 변화를 파악한 결과에서는 특징적으로 산불 발생지에서 점토광물의 일종인 일라이트/버미큘라이트 혼합층상 구조광물 생성을 확인할 수 있으나, 산불 미발생지 토양에서는 확인되지 않았다는 점이다. 이러한 점토광물의 생성은 특징적으로 산불의 영향으로 인해 토양 내 광물 조성의 변화로 볼 수 있다. 토양 내 점토 광물의 함양 및 분포는 경사지 지반조건을 갖는 토층 내 함수비 증가에 따라 점토광물의 팽창으로 인한 응력이 발생하여 사면 활동면의 거동에 중요한 요인으로 작용하기도 한다. 즉, 팽창성 점토광물은 우기 시에 토층 내에서 체적이 팽창하기 때문에 장기적으로 사면 지반의 구조적 안정성에 문제를 줄 수 있다. 이와 같이 산불 발생지의 토층에서 점토광물의 생성은 장기적으로 산지사면 내 토사유출과 사면 안정성에 지대한 영향을 줄 수 있다. 따라서, 산불 발생지에서의 산지사면 안정화 방안수립 시에는 토층 내 점토광물의 분포 특성이 고려되어야 할 것이다.