1. 서 론
2. 지 질
3. 시료 및 연구방법
4. 결과 및 고찰
4.1 화강암 이격거리와 특성변화
5. 특성치 사이의 상관성
5.1 초음파속도와의 상관성
5.2 건조단위중량과의 상관성
6. 혼펠스의 공학적 분류
7. 토의 및 결론
1. 서 론
대구광역시 북동쪽에 위치하는 팔공산(해발 1,193m)은 중생대 백악기에 형성된 퇴적암과 백악기 후기에 관입한 불국사화강암을 기반암으로 한다. 이 화강암이 관입하는 과정에서 접촉부의 퇴적암은 마그마에서 공급된 열수용액과 열에 의하여 접촉변성작용(contact metamorphism)을 받아서 혼펠스(hornfels)로 변성되었다. 이 접촉변성대는 팔공산 화강암체 주변을 링(ring) 형태로 둘러싸고 있으며 그 폭은 평균 1.5km 정도로 알려져 있으며 다른 접촉변성대에 비해서 좁은 범위로 분포하고 있다.
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Fig. 1. Geologic map of Mt. Palgong area and 5 sampling locations as indicated by BG, HM, DD, NH and DG |
팔공산의 중심부인 고지대에는 화강암이 분포하고 있으며 화강암 경계는 뚜렷하지만 퇴적암과의 혼펠스의 경계는 점이적으로 변하기 때문에 경계선을 설정하기가 곤란하다. 팔공산 주변 혼펠스는 원암인 퇴적암 특히 셰일에 비하여 암석강도가 매우 크고 풍화 저항성이 높은 것이 특징이다. 또한 팔공산의 경사가 급경사를 이루다가 주변부 혼펠스 지대에서는 경사가 완만하게 변한다는 것이 특징적이다(Yoon et al., 2004).
본 연구는 팔공산 주변 혼펠스의 변성도(metamorphic grade)가 이들을 관입한 화강암 경계부와의 이격거리에 따라 변화될 것이라고 추정하는 것에서 시작되었다. 즉, 접촉변성작용의 영향이 화강암에서 멀어질수록 점점 감소할 것이라고 판단하여, 화강암체와의 이격거리와 혼펠스의 물리적･공학적 특성의 변화를 실내시험을 통하여 연구하였다. 혼펠스의 변성도가 클수록 단위중량, 압축강도, 초음파 속도와 슬레이크 내구성지수(slake durability index)가 증가하고 함수비와 흡수율은 감소할 것으로 예상하고 이들 특성과 화강암체와의 이격거리(d)를 비교 분석하였다. 또한 비교적 측정이 용이한 점하중 강도지수와 초음파속도를 이용하여 다른 특성치와의 상관성을 알아보고자 한다.
2. 지 질
본 연구지역은 경상분지의 밀양 소분지와 의성 소분지의 경계를 이루는 팔공산 선을 따라서 중생대 백악기 후기에 관입한 불국사 화강암류의 하나인 팔공산 화강암지역이다(Chang, 1977). 지질은 Fig. 1에서 보듯이 경상누층군의 신동층군과 하양층군의 여러 층들이 분포하고 있으며, 화강암체의 관입으로 인하여 2∼3.5km 범위의 접촉변성대의 혼펠스가 분포하고 있다. 접촉변성대에서 나타나는 변성광물로는 녹니석, 녹염석, 양기석, 백운모, 흑운모 및 소량의 방해석이 주로 나타나고 있으며 알바이트-녹염석 혼펠스상에 해당된다(Lee et al., 1996). 이러한 혼펠스의 변성도는 화강암체에 가까울수록 커지고 거리가 멀어짐에 따라 약해져서 결국에는 변성되지 않은 퇴적암으로 변한다. 칠곡층의 화강암과 혼펠스의 경계부의 노두에서 화강암질 마그마가 셰일의 층리면을 따라 관입암상(sill)으로 관입하면서 주변 퇴적암을 혼펠스로 변성시킨 것이 확인되었다. 또한 경상계 퇴적암의 공학적 특성에 대하여서는 여러 연구자들(Kim and Kim, 2006; Kim et al., 2010)에 의하여 연구된 바 있고, 팔공산 화강암의 구조 및 발달사에 대해서 Gwon(2013)와 Chang and Park(1997)에 의해서 연구한 바가 있다.
3. 시료 및 연구방법
시험용 암석시료 채취 지역은 접촉변성대 중에서 혼펠스의 노두가 잘 발달된 곳으로 선정하였는데, Fig. 1에 표시한 바와 같이 진동층의 경우 경산시 하양읍 대곡리(DG)와 남하2리(NH) 2개 지역, 진주층의 경우 경상북도 칠곡군 동명면 학명리(HM), 칠곡층의 경우 경상북도 군위군 부계면(BG), 함안층의 경우 대구시 동구 도동(DD) 등 4개의 지층을 대상으로 암석의 상태가 양호하고 화학적 풍화작용을 거의 받지 않은 신선한 시료를 채취하여 풍화에 의한 암석 특성치의 영향을 최소화하였다.
암석시료는 화강암 경계부에서의 거리를 고려하여 대곡리 7 지점, 남하2리 8 지점, 학명리 6 지점, 부계면 5 지점, 도동 9 지점 총 35개 지점에서 2개 내외의 신선한 암괴를 채취하였으며, 채취한 암괴시료에서 코어비트(
)이용하여 각 지점 당 10개의 시료, 총350개의 코어공시체(
)를 제작하였으며(Fig. 2), 코어시료 내부에 화학적 풍화의 흔적이 있거나 절리 등으로 파단 된 시료는 시험에서 제외하였다.
각 지점별로 제작된 10개의 코어시료(총350개)에 대하여 물성시험인 함수비(
), 흡수율(
), 건조단위중량(
)을 다음식의 이용하여 특정하였으며, 함수비와 흡수율은 48시간 이상 수침시킨 시료를 대상으로 젖은 수건으로 시료를 닦아내고 포화무게를 측정하였고, 건조단위중량은 24시간 이상 건조한 시료 무게를 이용하였다. 각 지점 시료의 물성치의 최대, 최솟값을 제외한 값의 평균값을 대푯값으로 산정하였다.
(1)
(2)
(3)
여기서, 
: 자연상태의 시료의 중량, 
: 105°C 건조로에서 24시간 건조 후 시료의 중량, 
: 48시간 수중에 충분히 흡수시킨 후 강제 습윤상태의 중량, 
: 시료의 부피이다.
암석의 물성시험 이후 초음파측정시험과 점하중강도시험을 실시하였다. 초음파속도시험의 경우 수신기와 송신기의 이격거리 및 파동의 전파도달시간을 이용하는 직접법을 이용하였다. 역학적 강도특성을 확인하기 위하여 혼펠스 시료의 층리면의 수직방향으로 점하중강도시험(ISRM, 1985)을 실시하였으며 사용된 시료의 직경이 55mm이었기 때문에 점하중강도시험의 표준규격인 직경 50mm에 맞도록 다음 식을 이용하여 보정하였으며, 각 지점의 초음파속와 점하중강도지수의 대푯값은 최고 및 최저치를 제외한 평균치로 설정하였다.
(4)
(5)
여기서, 
: 직경 50mm 시료의 점하중강도, 
: 직경 55mm 시료의 점하중강도, 
: 보정계수, 
: 시험한 시료의 직경이다.
점하중강도시험 후 대표치에 근접한 3∼4개 시료의 파괴된 암편을 선별하여 슬레이크 내구성시험 시료로 재활용하였으며, 슬레이크 내구성시험에서는 2 사이클 후의 슬레이크 내구성지수(
)를 측정하였다.
(6)
여기서, 
: 초기의 시료와 드럼의 중량, 
: 시험 후의 시료와 드럼의 중량, 
: 드럼의 중량이다.
4. 결과 및 고찰
팔공산 주변에 분포하는 혼펠스를 화강암체와의 이격거리(d)를 변수로 보고 특성시험결과를 정리하였다(Table 1). 이 표에서는 각 지층별로 구분하여 결과를 정리하였으나, 지층별로 각 특성치의 변화가 유사하게 나타났는데, 요약하면 함수비, 
=0.03∼1.30%(평균 0.39), 흡수율, 
=0.06∼1.75%(평균 0.57), 건조단위중량, 
= 25.77∼28.25kN/m3(평균 27.13), 초음파속도, 
=3.451∼4.646km/s(평균 4.217), 점하중강도지수, 
=2.73∼11.70 MPa(평균 7.07)의 범위이고, 슬레이크 내구성지수, 
=98.79∼99.93%(평균 99.63)의 범위를 보인다.
4.1 화강암 이격거리와 특성변화
이상의 시험성과를 Fig. 3과 같이 화강암체 경계부로부터의 직선적인 이격거리(d)에 따라서 도시한 결과, 암석특성이 거리에 따라 점이적으로 변화함을 확인하였다. 이들의 상관관계는 다음 식으로 요약된다.
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
암석의 함수비와 흡수율은 공극율과 비례하기 때문에 이들 두 물성치 또한 서로 상관성을 가진다. 혼펠스의 변성도가 크다는 것은 열수용액의 광물성분이 원암석의 공극을 많이 충전되었다는 것을 의미하고 이는 곧 공극율의 감소를 뜻한다. 따라서 화강암체와의 거리가 증가할수록 열수용액의 공급이 감소하여 공극률이 증가하고 그에 따라 함수비와 흡수율도 또한 증가하는데, 상관계수가 0.17, 0.14로 각각 나타나며, 점하중강도나 초음파속도와 같이 점이적으로 변화를 보이지 않는데, 이는 대구지역 셰일의 흡수율이 약 1∼3%으로 공극률이 낮기 때문에 큰 경향성은 보이지 않는 것으로 보인다(Kwag, 2013). 또한 함수비와 흡수율이 화강암 이격거리에 따라 로그함수비로 증가한다는 사실인데, 이격거리가 증가되어 변성되지 않은 셰일의 영역에 도달하면 이들 물성치는 일정한 값에 수렴하게 될 것으로 추정된다. 이에 반하여 건조단위중량은 단위체적당 건조중량을 나타낸 것으로 변성도가 낮아짐에 따라서 값이 감소하고 있다. 초음파속도는 물질의 밀도와 비례하기 때문에 건조단위중량의 변화에 직접적으로 영향을 받는다. 일반적으로 암석에 있어서 풍화의 정도가 낮을수록, 미세절리의 발달정도가 미약할수록, 조립질 암석보다는 세립질 암석에서 초음파속도가 높게 나타난다고 알려져 있으며, 건조단위중량이 증가한다는 것은 접촉변성과정 중 암석내의 절리를 열수용액이 채워지거나 퇴적암 입자의 결합력을 증가시키는 작용으로 이끌었으므로 화강암체와의 거리가 가까울수록 변성도가 높아 건조단위중량과 초음파속도가 높게 나타난다.
슬레이크 내구성 시험의 경우 쇄설성 퇴적암에 많이 사용되는 물에 대한 내구성을 측정하는 시험으로서 변성도가 높은 지역에서 100%에 근접하는 값을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 퇴적암에 근접한 지역의 혼펠스의 경우 약 98.7%의 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이 결과는 Gamble(1971)이 제시한 Table 2의 분류에 의하면 Very high durability∼High durability에 해당하여 혼펠스의 풍화 내구성이 상당히 높다는 것을 알 수 있다.
대구지역의 퇴적암 특히 셰일은 세립의 점토입자들이 CaCO3에 의하여 결합되어 형성된 암석으로 층리가 뚜렷하고 암석의 강도가 약한 것이 특징이지만, 화강암을 형성한 마그마의 관입으로 열수용액에 포함된 석영과 같은 풍화에 강한 광물이 공극에 충전되면서 혼펠스가 형성이 되고, 고온의 열이 공급되어 입자간의 결합력이 증가하여 암석의 강도가 증가하고 풍화 내구성이 증대하게 된 것이라 판단된다. 화강암체와 가까운 곳의 퇴적암이 열수용액의 광물질이 더 풍부하게 공급되어 더 많은 공극이 충전되고 더 높은 열에 의하여 더 심하게 변성되었기 때문에 시험결과에서와 같이 화강암체에 근접할수록 건조단위중량, 초음파속도, 점하중 강도지수 및 슬레이크 내구성지수가 증가하고 반대로 화강암체에서 멀어질수록 함수비와 흡수율이 증가하는 경향을 보인 것이라 판단된다.
5. 특성치 사이의 상관성
지반설계 및 지하구조물 설계 시 지반정수를 알맞게 산정하는 것은 공사를 준비하고 진행하는데 있어서 설계 기초자료로 쓰이며 그 무엇보다 중요한 인자라고 할 수 있다. 따라서 비파괴시험으로써 비교적 손쉽게 측정할 수 있는 초음파속도와 건조단위중량으로부터 다른 특성치를 추정하는 경험식을 도출하고자 하였으며, 각 물성치의 단위는 고려하지 않았다. 회귀분석을 실시한 결과 혼펠스에서 측정된 초음파속도와 건조단위중량은 다른 특성치와 상당히 양호한 상관성을 가지는 것으로 확인되었으며, 이들의 경험식들을 이용한다면 혼펠스 시추 코어에서 측정된 초음파속도나 건조단위중량을 이용하여 다른 특성치를 구할 수 있을 것이다.
5.1 초음파속도와의 상관성
초음파속도 시험은 점하중강도 시험, 슈미트 해머 시험등과 함께 일축압축강도나 다른 물성치를 추정하기 위해서 많이 사용되고 있으며, 근래에는 석재문화재의 안전진단 및 풍화지수를 산정하기 위해서 사용되기도 하였다(Suh et al., 2002; Lee et al., 2012). 이는 초음파속도가 암석의 단위중량과 비례하며 암석의 풍화상태에 직접적으로 영향을 받기 때문인 것으로 판단되며, 본 연구에서는 초음파속도와 함수비, 흡수율, 건조단위중량, 점하중강도, 슬레이크 내구성지수와의 상관성을 분석하였다.
초음파속도가 증가함에 따라 함수비와 흡수율이 감소하며, 이와 반대로 건조단위중량, 점하중강도, 슬레이크 내구성 지수는 증가한다(Fig. 4). 이는 초음파속도가 암석내의 공극, 밀도, 결합의 상태에 영향을 받는다는 것으로 점하중강도와의 상관성이 0.67로 높게 나타나며, 이들의 상관관계는 다음 식과 같이 요약된다.
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
5.2 건조단위중량과의 상관성
건조단위중량은 단위체적당 건조중량을 나타내는 단위로서 구성광물의 무게와 암석의 밀도에 직접적으로 영향을 받게 되며, 건조단위중량이 높다는 것은 암석내의 밀도가 높고 공극률이 상대적으로 낮다는 것으로 간주할 수 있다. 함수비, 흡수율, 초음파속도, 점하중강도, 슬레이크 내구성 지수와의 상관성을 알아보고자 하였으며, 건조단위중량이 높을수록 초음파속도, 점하중강도, 슬레이크 내구성 지수의 값이 크게 산정되며, 함수비와 흡수율은 낮게 산정되는 것을 확인할 수 있다(Fig. 5). 풍화의 발달정도가 낮고, 공극률이 낮고, 중량이 높을수록, 즉 암석의 상태가 좋을수록 건조단위중량이 높게 산정되는 것으로 설명할 수 있다. 이들의 상관관계는 다음과 같이 요약된다.
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
6. 혼펠스의 공학적 분류
암반 및 암석에 대한 분류는 토목현장 및 지하구조물 설계 시에 중요한 설계인자로 사용된다. 정량적인 암반분류는 암석의 일축압축강도, RQD, 불연속면의 간격, 불연속면의 상태, 지하수의 5가지의 인자의 점수를 이용해 등급으로 분류하는 RMR 분류법과 RQD, 절리군수, 절리의 거칠음 정도, 절리의 충전물이나 변질정도, 지하수의 용출, 응력상태 등 6가지 인자를 사용하는 Q-system이 널리 사용되고 있지만, 그 외에도 국내 각 기관에서 적용되고 있는 다양한 정성적인 암반분류법이 있는데, 그 중 서울특별시(Kim et al., 1996)에서는 정량적인 요소와 정성적인 요소에 근거하여 지반을 극경암층, 경암층, 보통암층, 연암층, 풍화암층 및 풍화토층 등 6등급으로 분류하였다.
본 연구지역을 팔공산 주변의 접촉변성대는 비변성 퇴적암으로부터 녹니석대, 흑운모대로 구분할 수 있으며(Lee, 2002), 이는 변성도에 따른 변성광물의 존재에 의한 암석학적 관점에서의 구분으로 공학적인 분류는 전무한 실정이다. 본 연구의 시험결과 얻어진 화강암체와의 이격거리에 따른 P파속도, 점하중강도 값을 사용하여 Natural breaks 분류기법으로 연구지역의 혼펠스를 분류하였다. 이 기법의 경우 자연현상을 분류하기 위해서 주로 사용되는 방법으로 임의의 범위에서 각 군집으로 분류 될 때 각 군집은 최소의 표준편차를 가지도록 분류되는 수학적 통계 분류법으로(Jenks, 1967), 야외에서 얻어진 점하중강도와 초음파속도의 일련의 수치들은 최댓값에서 최솟값에 이르는 연속적인 분포를 따르기 보다는 각 군집으로 나누어지는 불규칙적인 현상에 가깝다고 볼 수 있다. 따라서 Natural breaks 분류기법을 사용하여 Type I, II 및 III으로 분류하였다(Table 3).
Table 3. Proposed criteria for hornfels classification | ||
Type |
(km/s) |
(MPa) |
I | ≥ 4.3 | ≥ 8.39 |
II | 4.0∼4.3 | 6.03∼8.39 |
III | < 4.0 | < 6.03 |
Type I의 경우 P파속도가 4.3km/s 이상일 때와 점하중강도는 8.39MPa 이상일 때로 분류할 수 있으며, 야외조사 시 해머로 타격을 하였을 경우 반발력이 강하고 풍화에 대한 저항력 또한 강하게 나타난다. Type II의 경우 P파속도가 4.0∼4.3km/s 사이 값을 가질 때와 점하중강도는 6.03∼8.39MPa의 값을 가질 때로 볼 수 있으며, 야외에서는 Type I과의 차이가 미묘하다. Type III의 경우 P파속도가 4.0km/s 보다 낮을 경우와 점하중강도는 6.03MPa보다 낮을 경우로 분류할 수 있으며 야외에서 해머로 타격 시 반발력이 Type I과 II에 비해서 현저하게 떨어지며 풍화에도 약해 절리밀도가 상대적으로 높게 나타나는 것이 특징적이다. Natural breaks로 분류된 각 인자의 범위 값을 이용하여 진동층, 함안층, 칠곡층, 진주층에 적용을 시키고자 하였으며(Table 4), 이를 토대로 Fig. 1의 지질도에 혼펠스 등급별 분포 범위를 표시하였다.
여기서 Type I과 II는 서울특별시 분류기준(Kim et al., 1996)의 극경암층 혹은 경암층으로 분류될 수 있을 것이며, 이는 콘크리트용 조골재의 골재원으로 개발이 가능할 것으로 판단되지만, 채석장 개발 전에 암석의 지역적 불균일성 등을 고려하여 골재적합성은 별도로 검증하여야 할 것이다.
7. 토의 및 결론
팔공산 화강암체의 관입에 의해서 하양층군 진동층의 약 2.4km, 함안층의 약 2.0km, 칠곡층의 약 3.5km 범위가 혼펠스로 변성되었으며, 신동층군의 진주층에서는 약 2.0km의 혼펠스대가 확인 되었으며, 혼펠스와 퇴적암은 점이적으로 변화함으로 뚜렷한 경계선을 관찰하기 어렵다. Fig. 1을 살펴보면 팔공산 화강암체는 북서-남동의 방향으로 신장된 형태인 것을 볼 수 있으며, 칠곡층의 접촉변성대와 함안층의 접촉변성대의 범위는 최대 1.5km의 차이가 발생하는데 그 원인은 화강암체의 형태나 공급된 온도 및 열수용액의 특성 등의 차이에 기인한 것으로 추정된다.
화강암 이격거리가 증가할수록 함수비와 흡수율은 직선적으로 증가하나 건조단위중량, 점하중강도지수, P파속도 및 슬레이크 내구성 지수는 점진적으로 감소하는 경향을 보이는데 이는 화강암 이격거리에 따라 혼펠스의 변성도가 점이적으로 낮아지고 있음을 암시한다.
비교적 측정이 용이한 P파속도 및 건조단위중량을 이용하여 다른 특성치를 추정하기 위해 이들 상호상관관계를 회귀분석하고 경험식을 도출하였으며, 초음파속도와의 상관성이 건조단위중량과 다른 물성치의 상관성보다 상대적으로 양호한 것을 확인 할 수 있는데, 이는 초음파속도가 미세절리, 공극, 풍화의 정도, 입자사이의 결합력과 같은 암석 상태를 잘 반영하기 때문인 것으로 볼 수 있다. 또한 변성도에 따라 변화되는 혼펠스의 P파속도와 점하중강도에 근거하여 연구대상인 팔공산 주변 혼펠스를 3등급으로 분류하였다.
결론적으로 팔공산 주변 혼펠스의 변성도는 화강암체와의 거리와 직접적으로 연관되며 이에 따라 혼펠스의 물리적･공학적 특성도 영향을 받은 것으로 확인되었다.
