본 연구는 동결-융해작용에 따른 암석풍화를 시계열적인 과정으로 파악하여, 풍화가 진행되는 과정을 파악하고자 함이다. 기존의 연구들은 주로 강도변화와 같은 암석의 초기물성변화에만 중점을 두어 왔다. 이러한 방식은 풍화의 정도를 쉽게 표현하고 암석간 비교가 용 ...

본 연구는 동결-융해작용에 따른 암석풍화를 시계열적인 과정으로 파악하여, 풍화가 진행되는 과정을 파악하고자 함이다. 기존의 연구들은 주로 강도변화와 같은 암석의 초기물성변화에만 중점을 두어 왔다. 이러한 방식은 풍화의 정도를 쉽게 표현하고 암석간 비교가 용이한 장점이 있지만, 풍화는 강도와 같은 몇 가지 특성으로 제시되기에는 복잡한 측면이 있다. 가령 편마암은 다른 암석에서는 와해되는 정도의 강도를 보이지만 외형적인 붕괴가 이루어지지 않는 카리에스 현상(caries phenomena)을 나타내며, 이암은 높은 강도를 유지하다가 일정 임계치를 넘는 순간 와해되는 특성을 보인다. 따라서 본 연구에서는 정량적인 특성 이외에도 주기적인 표면관찰을 통해, 표면의 절리발달과 와해양상, 그로 인한 풍화산물의 특성을 관찰하여, 암석간에 다르게 진행되는 풍화과정의 특성과 패턴을 파악하고자 한다.
실제적인 분석 대상인 현무암, 유문암, 응회암은 화산암 또는 화산작용과 관련된 암석으로서 이들의 동파작용에 대한 특성들은 국내에서뿐만 아니라 외국의 경우도 거의 파악되지 않은 암석에 해당된다. 이들 암석들의 부족한 연구성과들은 물성 자체가 건축이나 토목자재로의 유용성이 적기 때문으로 여겨지지만, 지형학적인 관점에서는 특징적인 경관을 형성하고 있기 때문에 지형발달과정을 파악하는데 필수적인 암석에 해당된다. 현무암은 철원, 제주도, 울릉도/독도, 남해안 일대 등에서 독특한 경관을 형성하고 있지만 화학적 양상뿐만 아니라 기계적 풍화특성도 아직 파악되지 못했으며, 유문암은 화학조성상 화강암과 동일한 성분을 갖으나 화강암과는 전혀 다른 지형경관을 나타내고 있어, 화강암과의 비교분석이 필요하다. 응회암은 특성에 따라 화산암과 퇴적암의 중간적 성격을 보이고 있으며 형성과정에 따라 그 풍화양상이 단순치 않아, 퇴적암과 화산암의 풍화양상간의 간극을 메워줄 수 있는 암석으로 여겨지고 있다.
특히 기후적으로 온대에 속하여 있지만 동결-융해의 빈도가 높은 지역에 해당되는 한반도에서는 이들 암석들의 풍화특성이 지형적으로 아직 충분히 파악되지 못한 남해안 일대나 도서지역을 파악하는 중요한 실마리를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 이들 암석의 기계적 풍화양상은 화학적 풍화양상을 파악하는 기초자료로서의 역할을 하고 나아가 외적영력에 의한 지형발달을 이해하는데 토대가 될 것으로 보인다. 따라서 본 연구는 동결-융해작용에 따른 이들 암석의 물리적 변화에 대한 정량적인 측정뿐만 아니라 초기 물성변화만으로는 파악되지 않는 풍화과정을 시계열적으로 파악하고 암석간에 따른 차이를 밝히고자 한다.

첫째, 암석풍화에 있어 동결-융해작용에 대한 중요성 파악이다. 우리나라는 온대라는 기후적 특성과 함께 지형발달이 활발하였던 제3기의 온난한 기후 때문에 암석의 풍화를 주로 화학적 풍화작용에 중점을 두어 파악하여왔다. 그러나 우리나라의 실제적인 기온분포를 ...

첫째, 암석풍화에 있어 동결-융해작용에 대한 중요성 파악이다. 우리나라는 온대라는 기후적 특성과 함께 지형발달이 활발하였던 제3기의 온난한 기후 때문에 암석의 풍화를 주로 화학적 풍화작용에 중점을 두어 파악하여왔다. 그러나 우리나라의 실제적인 기온분포를 파악하여 보면, 0℃를 오르내리는 빈도가 현재에도 매우 높으며 이를 제4기까지 확장하면 4만번 이상으로, 풍화를 심층적으로 파악하기 위해서는 동결-융해작용에 대한 고려가 필수적이다. 즉 동결-융해작용에 대한 연구는 대륙 동안의 온대몬순기후환경에서 나타나는 풍화를 보다 구체적으로 추론할 수 있는 기초적 데이터를 제공해주며, 이를 기반으로 토양형성작용, 외적영력에 의한 지형발달 등을 제4기 환경과의 연속성상에서 파악할 수 있는 근거를 제공해준다.
둘째, 암석의 강도, 풍화산물의 양과 같은 정량적 데이터와 함께 주기적인 표면관찰을 통해 암석의 변화과정을 살펴봄으로서, 풍화나 지형발달에 대한 시계열적이며 구체적인 과정을 파악할 수 해준다. 풍화는 장기간에 걸쳐 이루어지기 때문에 이제까지 풍화의 진행과정을 관찰하는 것은 매우 어려운 문제에 속해왔다. 그런 연유로 해석과 판단에 많은 어려움이 있어왔으며 연구자간에 상반된 의견들이 제시되어 오기도 했다. 동결횟수에 따른 풍화양상의 변화는 정량적 특성과 정성적 변화간을 연계시켜, 지형발달과정을 예측할 수 있게 해준다.
셋째, 현무암, 응회암, 유문암은 이제까지 거의 연구되어 오지 않았지만 특징적인 지형을 만들고 있는 암석이다. 특히 백두산과 철원뿐만 아니라 제주도와 울릉도/독도를 포함하여 상당수의 도서, 남해안 일대는 이들 암석이 중요한 비중을 차지하는 지역이다. 이들 암석에 대한 연구는 아직 지형학적 연구가 충분히 이루어지지 않은 도서지역과 남해안 일대를 파악하는데 중요한 문제에 해당되며, 후속연구가 진행되기 위한 자료를 제공해줄 수 있다.

동결-융해작용은 기계적 풍화작용 중, 가장 강력한 프로세스 중 하나로 여겨져 왔다. 이런 작용은 수십cm이상의 crack에서부터 육안으로 파악되기 어려운 fissure, simple packing void에 이르기까지 모든 규모에서 일어나며, 온도가 영점을 오르내리는 조건만 충족된 ...

동결-융해작용은 기계적 풍화작용 중, 가장 강력한 프로세스 중 하나로 여겨져 왔다. 이런 작용은 수십cm이상의 crack에서부터 육안으로 파악되기 어려운 fissure, simple packing void에 이르기까지 모든 규모에서 일어나며, 온도가 영점을 오르내리는 조건만 충족된다면 어떤 기후대에서도 나타나기 때문에 가장 보편적이며 광범위한 현상에 해당된다. 실제로 이런 작용이 반복적으로 일어나면 주빙하나 한대지역 뿐만 아니라 심지어 온대지역에서도 암석을 파괴시키는데 있어 효과적인 프로세스가 된다고 여겨져 왔다. 이에 동결 프로세스에 있어 동결-융해 사이클의 중요성, 동파작용과 이에 대한 이론적 지식, 이들이 일어나기 위한 필수적인 환경(온도와 습도조건) 등 많은 연구자들이 이런 지표현상에 관심을 가져왔으며 실험적․경험적으로 파악되어 왔다.
그러나 다른 영역의 연구자들 특히 토목, 건축연구자들에 의해 개발되어진 개념들은 개별요인이나 프로세스에 초점을 두고 있거나 건축․토목에서 활용될 수 있는 암석의 강도변화에만 주로 초점을 맞추고 있어, 여러 요인들이 복합적으로 작용하는 풍화양상 자체나 이들을 지형적 변화에 적용하기가 어려운 점이 있어왔다. 강도변화보다 더 중요한 측면은 암석에 따른 풍화가 어떤 조건에서 어떤 양상으로 진전되며, 그 결과 어떤 유형의 풍화산물이 생성되는 가이다. 지형발달은 이들이 암석에 작용하는 방식에 따라 서로 다른 차별적인 양상으로 발달하며, 어떤 풍화산물을 형성하는가에 따라 점토, 모래, 암설로 이루어진 다양한 유형의 퇴적지형을 만들기 때문이다.
따라서 지형적 관점에서 이루어지는 연구는 동결-융해 프로세스의 기본적인 특성과 함께 암석에 따른 풍화양상, 생성되는 풍화물질의 유형과 특성을 파악하여 동파작용의 실제적 상황 즉 지형적 변화에 적용될 수 있는 기초를 제공하여야만 한다. 이에 본 연구는 화산암의 대표적인 유형이자 남해안과 도서지역에 중요한 부분을 차지하고 있는 현무암, 응회암, 유문암을 중심으로 하여, 동결-융해작용에 의해 암석이 지형으로 발달하는 풍화과정을 파악하고자 한다. 이를 위해 로드셀(load cell)에 의한 동결-융해의 압력강도, 슈미츠 해머에 의한 암석강도, 표면적에 따른 풍화산물의 양 뿐만 아니라 동결횟수에 따른 표면관찰, 박편, 입도분석을 통해 정량적/정성적 변화간의 연계성을 파악하고자 한다.
동결-융해 실험을 –30℃~+80℃ 범위(가열은 +2℃/min, 냉각은 –1℃/min)를 냉각-가열할 수 있도록 자체 제작한 기계를 사용한다. 풍화는 가시적 양상으로 나타나는 초기 임계치까지 너무 오랜 시간이 걸리기 때문에 샘플은 일정정도의 풍화작용에 노출된 자연상태의 암석을 이용하여, 현무암, 응회암, 유문암 각 5개씩을 채취하고 일정 규격의 시편을 제작하여 사용한다. 이를 통해 물성변화보다는 암석이 와해되는 과정을 관찰하고 풍화시 생성되는 물질의 유형과 특성을 파악하는데 초점을 두며, 다만 샘플의 초기 풍화상태를 파악하기 위해 슈미츠 해머를 이용하여 암석의 강도를 측정한다. 표면적에 따른 풍화산물의 양을 파악하기 위해서는 실험 이전에 시편들을 3D 스캐너를 이용하여 겉보기 표면적을 측정한다.
실험조건은 크게 두 가지 목적을 위해 고려되었는데, 우선은 암석의 유형에 따른 풍화양상을 가시적으로 파악하고자 함이며, 둘째는 생성되는 물질의 유형과 양을 측정하여 암석에 따른 차이를 확인하고자 한다.
실험군은 A와 B로 나누고, A는 다시 두 그룹(E1, E2)으로 나누어 침수와 건조상태에 따른 동결-융해작용의 효과를 파악하고 매 20회마다 사진촬영과 함수/건조상태의 중량을 측정한다. B그룹(E3, 반침수)은 생성된 풍화물질의 종류와 양을 파악하기 위해 랩으로 밀봉(수분조건 유지)하고 동결-융해과정이 최종적으로 완료될 때까지 개봉하지 않는다.
최종적으로 완료된 풍화산물과 시편은 암석의 풍화특성을 파악하기 위해 입도분석(점토/실트/모래/그래뉼), XRD(정성/정량), 박편분석(풍화전/후의 시편)을 실시한다.