1. 서론

터널과 비탈면과 같이 굴착을 수반하는 구조물의 설계와 시공에서 최적의 암반 조건을 반영하기 위해 RMR (Rock Mass Rating), Q-system(Rock Mass Quality) 등의 암반분류법과 풍화 정도에 기초한 경암, 보통암, 연암, 풍화암, 풍화잔류토 등의 분류법이 사용되고 있다(Dearman, 1976; Lee and De Freitas, 1988). 이러한 분류법은 등방성의 암반을 대상으로 하고 있어 대부분 육안관찰과 실내시험 그리고 설계자의 주관적 판단을 통해 암 판정이 이루어지고 있고 설계 당시의 암반 상태를 반영하며 시간에 따른 암석의 풍화와 공학적인 변화를 전혀 반영하지 못하고 있다(Lee et al., 2002; Ro, 2002).

시공 과정에서 발생하는 암석의 풍화는 굴착에 수반되는 기계적 풍화와 굴착 후 암반의 표면이 외부에 노출되어 발생하는 화학적 풍화로 구분된다. 암석은 풍화 조건에 저항하는 고유한 임계부하량(Werner and Spranger, 1996)을 가지고 있고 임계점에 도달하면 물리적 강도가 감소하고 설계 시 조건과 다른 암반으로 변화되어 구조물의 불안정성을 증가시키는 결과를 초래한다. 예를 들어 암석이 풍화되면 그로 인해 공극률과 흡수율이 증가하는 동시에 입자 간의 결합력이 감소하여 역학적인 강도는 감소를 초래한다(Lee, 1996; Lee et al., 2000, Chung and You, 1997). 이러한 모델(profile model)은 질량평형과 임계부하량에 기초한 수학적, 생지화학적 모델로 암석 및 토양화학의 요인을 계산하기 위해 제안된 것으로 특정 지역의 자연적인 풍화환경과 대기오염 물질에 대한 산성비를 주된 요인으로 하는 화학적 풍화속도를 당량/면적/시간의 단위로 시뮬레이션 모델이다. 일반적인 모암에서 풍화산물로 나타나는 광물들의 풍화속도(임계부하량)는 Duan et al.(2001)에 의해 제시되었는데, 화강암과 규암에서 기원된 석영과 정장석은 <0.2kEq･ha^-1･year^-1의 풍화속도를 보이며, 석회암에서 유래된 탄산염광물은 >2.0kEq･ha^-1･year^-1의 빠른 풍화속도를 보이는 것으로 알려져 있다.

동일한 조건에서 암석의 풍화도는 광물에 따라 다르고 층리, 절리, 단층과 같은 불연속면의 배열과 구조적 결함이 확대되어 풍화가 가속되고 재해 발생의 주원인으로 작용하는 것으로 알려져 있다(Yim, 2000; Chang, 2003; Choi et al., 2012). 퇴적암은 임계부하량이 낮고 풍화 진행 속도가 빨라 암석의 물성변화로 인한 재해 발생비율이 화성암에 비해 높은 것으로 알려져 있다(Lee et al., 2000). 특히 층리가 특징적인 쇄설성 퇴적암 중 이암과 셰일은 풍화에 취약한데 이에 대한 연구는 매우 미흡한 실정이다.

자생적으로 층리, 사층리, 엽리, 건열과 같은 이방성 조직을 가지고 있는 쇄설성 퇴적암은 신선한 상태에서 화강암과 유사한 정도의 강도를 보이는 반면 시공과 유지관리 기간 동안 암반이 풍화가속 환경에 놓이게 되면 높은 이방성에 의해 지반의 강도가 현저하게 감소한다(Lee and Kim, 2004). 하지만 쇄설성 퇴적암의 이방성(anisotropy) 연구는 매우 한정된 범위에서 진행되었다(Kim et al., 2001; Lee et al., 2000).

이방성의 사전적 의미는 암석의 성질이 방향에 따라서 다르게 나타나는 것으로 공학적 특성이 방향에 따라 다르게 나타나는 것을 의미이다. 자연 상태에서 완전한 등방성(isotropy)의 암석은 찾아보기 어렵고 형성과정과 환경의 영향으로 이방성이 나타난다. 특히 퇴적암은 층리를 따라 이방성을 나타나는데 층리면의 수직 방향에 비해 평행한 방향으로 쪼개짐이 발달하고 압축강도와 전단강도가 작아서 온도와 압력에 의한 기계적 풍화에 매우 취약하다.

어떤 지역에서 암석의 변형과 지질구조를 규명하기 위한 방법으로 가장 전통적인 방법으로 정밀지질조사나 수치지형을 통해 지층이나 절리 등의 방향성을 측정하고 종합적으로 도출하는 거시적인 방법(macro-structural analysis)과 암석 시료를 채취하고 박편이나 연마편의 미세구조 관찰을 통해 파쇄상을 연구하는 미시적인 방법(petrofabric analysis)이 있다. 이러한 방법은 정량적으로 암석의 이방성 정도를 표현하기 어렵다. 암석시편을 대상으로 여러 방향으로 전기전도도, 탄성파 전달속도, 에너지 흡수율, 압축강도를 측정하여 이방성을 확인할 수 있으나 이 역시 현실적으로 적용하기 어려운 단점이 있다.

지금까지 풍화관련 이방성 연구의 필요성은 꾸준히 제기되어 왔으나 이를 확인하기 위한 정량적 평가 기준이 거의 없는 상태에서 조사자의 주관적 판단에 의지하고 있는 실정이었다. 그래서 본 연구에서는 기존방법과 다르게 암석을 구성하는 광물의 자기적 성질 즉 자기적 이방성에 기초하여 암석이 가지고 있는 자기적 엽리구조와 선구조를 판별하여 이방성을 정량적으로 파악하고자 한다. 이 방법은 암석의 이방성 정도를 쉽게 이해할 수 있을 뿐만 아니라 퇴적암 지역에 시공된 사면 및 터널과 같은 지반구조물의 풍화와 관련 장기적인 유지관리 측면에서 중요한 단서를 제공해 줄 수 있는 단초가 될 것이다. 특히 본 연구는 지금까지 한정적으로 이루어진 쇄설성 퇴적암을 대상으로 좀 더 포괄적으로 이루어졌다. 이를 위해 총 267개의 샘플이 연구에 활용되었다.

2. 자기적 이방성

2.1 대자율 이방성

암석시료에 외부자기장$\left(\overrightarrow{H}\right)$을 가하면 그 암석은 유도자기$\left(\overrightarrow{M}\right)$를 가지게 되며, $\overrightarrow{M}$은 $\overrightarrow{H}$에 비례한다. 이러한 관계는 식 (1)과 같이 표시되며 $k$는 물질의 고유한 자기적 특성을 결정하는 비례상수로 대자율(magnetic susceptibility)이라 한다. 암석의 대자율이 측정 방향(외부자기장이 작용하는 방향)에 관계없이 동일한 크기일 때 자기적 등방성(magnetic isotropy)을 보인다고 하며 그렇지 않는 경우 자기적 이방성(magnetic anisotropy)을 보이게 된다. 암석에서 대자율 크기를 지배하는 광물은 자류석이나 자류철석에 해당하며 자철석의 이방성은 결정모양의 입자에 의해 결정된다(Stacey et al., 1960, 1961; Collinson, 1983). 이러한 원리를 이용한 대자율이방성 연구는 미세자기구조연구라고 하는데 지구과학은 물론 여러 응용분야에서 효용성이 입증되었다(Tarling and Hrouda, 1993; Borradaile, 1988; Kim et al., 1999; Henry et al., 2003; Martín-Hernádez et al., 2004).

$\overrightarrow{M}=k\overrightarrow{H}$   (1)

암석에 포함된 자성광물이 무질서(random)하게 배열되면 자기적으로 등방성을 보이게 된다. 그러나 자성광물이 규칙적인 배열을 가지게 되면 그 암석은 자기적 선구조(magnetic lineation) 내지 엽리구조(magnetic foliation)의 이방성을 보이게 된다(Fig. 1). 지질학적 관점에서 자성광물이 무질서하게 배열되는 것은 외부의 영향이 전혀 없는 수중에서 퇴적된 경우 자기적으로 등방성의 성격을 갖게 된다(Fig. 1(a)). 그러나 퇴적 당시 공기 또는 유체의 흐름이 작용하면 자성광물은 장축방향으로 일정하게 배열되며 이방성이 나타난다(Fig. 1(b)). 자철석의 장축이 우세하게 배열된 방향으로 가장 높은 대자율을 보이는데 자기적 선구조가 이에 해당한다.

Fig. 1.

Magnetic susceptibility isotropy and anisotropy. (a) The case of magnetic isotropy. This isotropy property is due to the random orientation of magnetic minerals. (b) The case of magnetic anisotropy represented by a prolate susceptibility ellipsoid. This lineation fabric is generated by flow mechanism. (c) The case of magnetic anisotropy represented by an oblate susceptibility ellipsoid. This foliation fabric is due to a tectonic stress or to the lithostatic pressure of overlying strata.

한편 자기적으로 등방성을 가지고 만들어진 암석의 경우에도 상부의 하중에 의해 층리에 수직인 방향으로 압력을 받게 되면 층리와 평행한 자기적 엽리구조(magnetic load foliation)를 가지며(Fig. 1(c)) 층리에 수직한 방향으로 가장 낮은 대자율을 보이게 된다. 한편 암석이 일정 방향으로 지구조적인 응력(tectonic stress)을 받게 되면 압력에 수직인 방향으로 자기적 엽리구조(magnetic tectonic foliation)을 가지며 대자율이 가장 낮은 방향이 응력의 작용 방향이 된다. 지구적적인 응력의 크기는 약 10Mpa 이상으로 지층이 형성될 당시 작용한 하중보다 크기 때문에 층리면에 평행한 엽리가 생긴 경우라도 이를 압도하는 응력이 작용하면 새로운 엽리구조가 형성된다.

2.2 퇴적구조

암석을 구성하는 광물입자의 공간적 배열에 따라 암석구조(rock fabric)가 결정되며 미세구조는 암석의 형성과정과 다양한 지질학적 과정을 통해 변화된다(Hobbs et al., 1976; Passchier and Trouw, 2005). 쇄설성 퇴적암은 물의 흐름과 퇴적지의 조건에 따라 판상구조, 선구조, 엽리구조의 입자배열이 만들어지며, 퇴적 후의 고결, 다짐 등의 속성작용과 관련된 암석구조가 생성된다(Park, 2002). 쇄설성 퇴적암은 대표적 퇴적구조로서 층리, 사층리, 연흔, 건열 등이 발달하며 이암과 셰일은 미세층리구조가 발달한다(Fig. 2). 암석 내에 발달하는 미세구조는 지질학에서 알고자 하는 과거 다양한 지질현상을 파악하는데 있어 매우 유익하고 기초적인 자료로 활용되며, 경우에 따라서는 결정적인 단서를 제공하기도 한다. 따라서 지질학 각 분야의 전공자들은 다양한 방법을 통해서 암석의 미세구조를 판별하려는 노력을 하여왔으며, 지금도 이러한 노력들은 계속되고 있다. 이러한 방법들 중, 암석의 자기적 성질 중의 하나인 대자율의 방향에 따른 차이를 이용하는 대자율이방성 연구는 독창적인 접근방법, 저렴하고 조작이 간단한 장비, 신속한 측정, 높은 정밀도와 정확도 등의 장점들을 가지고 있어 많은 활용이 기대된다.

Fig. 2.

Anisotropy structure of mudstone and shale (Moores and Twiss, 1995)

3. 연구 수행 방법

3.1 시료재취 및 시편제작

연구를 위해 시료는 휴대용 착암기와 압축 냉각수 장치를 이용하여 노두 현장에서 원통형 시료로 채취되었다. 지역별로 살펴보면 경상분지의 북부에 해당하는 영주에서 중부의 대구, 남부의 부산지역까지 5개 지역에서 총 267개의 암석 시료를 채취하였다(Fig. 3). 경상분지의 북부의 영주지역은 예천전전단대가 통과하는 단층지역으로 변성퇴적암이 우세하게 분포한다. 단층작용과 변성에 의한 엽리가 발달하며 변성되기 이전 퇴적암의 모암은 이암과 셰일이었다. 경상분지 중부의 대구지역은 전형적인 흑색셰일과 담회색 사암이 호층으로 발달하며 연구지역 중 단층의 영향이 가장 작은 지역에 해당한다. 부산 일원은 양산단층대의 영향을 받은 지역은 동으로부터 동래단층에 인접한 금정산과 서면, 다대포 지역과 강서지역은 모량단층 연장부에 속한다. 부산 서면 지역은 이암과 셰일이 분포하지 않으나 단층대에서 이방성을 확인하기 위해 대상지역으로 포함하였고 다대포는 경상계의 다대포분지가 위치하며 강서지역은 경상계 밀양분지가 발달하고 있어 이암과 셰일의 분포 빈도가 높은 지역에 속한다. 각 지역에서 채취한 시표는 Table 1에 정리하였다.

Fig. 3.

Map of sampling locations

Table 1. Sampling locations, types, and numbers for anisotropy assessment of rocks

3.2 대자율 타원체의 주축결정

대자율이방성 측정하기 위해서 현장에서 채취된 시료를 실험실에서 직경 2.54cm, 높이 2.3cm의 원주형 시편으로 제작한 후 Molspin사의 Minisep 대자율이방성 측정기과 AGICO사의 Kappabridge KLY-4S와 CS-L 장비를 사용하여 회전하는 시편의 대자율을 측정하였다. 측정 장비의 정밀도는 2×10^-8(SI), 정확도는 ±0.3%이다.

이방성의 측정에서 원통형 시편을 서로 수직하게 세 축으로 회전시킴으로서 이방성 텐서를 구성하는 $k$의 모든 요소들이 측정된다. 측정이 완료된 후 얻어지는 대자율이방성 텐서 $k$는 시편이 자기적으로 이방성을 가지는 경우 식 (2)와 같이 second order의 대칭형 텐서가 되며 응력텐서(stress tensor)와 동일하게 3×3 대칭행렬로써 표현된다.

$\overrightarrow{M_i}=k_{ij}\overrightarrow{H_j}\left(\begin{array}{c}\overrightarrow{M_1}\\ \overrightarrow{M_2}\\ \overrightarrow{M_3}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{k}_{11}& k_{12}& k_{13}\\ k_{21}& k_{22}& k_{23}\\ k_{31}& k_{32}& k_{33}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\overrightarrow{M_1}\\ \overrightarrow{M_2}\\ \overrightarrow{M_3}\end{array}\right)$    (2)

이방성텐서로부터 고유벡터(eigenvector)와 고유값(eigenvalue)을 계산하면 각 시편에 대한 주 대자율축의 방향과 크기가 결정되는데 이 세 주축은 크기에 따라 k₁, k₂, k₃로 표시된다. 서로 수직인 세 주축의 상대적 크기는 대자율 이방성타원체의 모양을 결정하며 이로써 자기적 엽리구조(magnetic foliation)와 선구조(magnetic lineation)가 판별된다(Davis, 1986; Kim, 1990).

대자율이방성텐서 응력텐서와 동일한 구조를 가지며 이로부터 변형률의 이방성을 해석할 수 있다. 대자율 타원체의 주축은 크기에 따라 k₁, k₂, k₃로 구분되며 이는 변형률의 σ₃, σ₂, σ₁에 해당된다. 대자율타원체가 등방성(magnetic isotropy)이면 대자율은 외부자기장의 방향(측정방향)에 무관하게 동일한 크기(k₁ = k₂ = k₃)를 가지며, 자기적으로 이방성(magnetic anisotropy)이면 자기적 선구조(magnetic lineation, k₁ > k₂ ≒ k₃)나 엽리구조(magnetic foliation, k₃ < k₁ ≒ k₂) 혹은 이 두 가지 구조를 모두 가지게 된다(Fig. 1).

대자율 이방성의 크기와 자기적 선구조와 엽리구조의 발달정도를 표현하는 여러 가지 공식이 알려져 있다(Tarling and Hrouda, 1993). 전통적으로 자기적 선구조(L)와 엽리구조(F)의 판단기준으로 사용된 Balsley and Buddington(1960)의 L = k₁ / k₂식과 Stacey et al.(1961)의 F = k₂ / k₃식을 이용하여 Flinn 다이아그램(Flinn, 1962)을 작성하여 비교자료로 활용할 수 있다. 하지만 일반적으로 Flinn 다이어그램은 이방성이 밀집된 형태로 보이고 변형 형태가 명확하게 나타나지 않는 단점을 가지고 있다(Collinson, 1983, Cho, 2007). 그래서 본 연구에서는 T-P_J다이아그램을 주로 사용하였다. 이 방법은 대자율 타원체(Ellipsoid of AMS)의 3주축 (k₁ > k₂ > k₃)을 결정한 후, Jelinek(1981)이 제안한 식 (3)에 대자율 이방성의 크기 정도를 계산하고 Jelinek(1981)과 Hrouda x(1982)가 제안한 식 (4)를 이용하여 선구조와 엽리구조의 판단기준으로는 대자율 타원체의 모양지수(shape parameter; T)를 이용한다. 식 (3)에서 ${\eta }_1$=Ink₁, ${\eta }_2$=Ink₂, ${\eta }_3$=Ink₃, ${\eta }_{\mathrm{m}}$=$\sqrt[3]{{\eta }_1{\eta }_2{\eta }_3}$ 에 해당한다.

$$\begin{gathered} P_J\exp \sqrt{2\left[{\left({\eta }_1-{\eta }_m\right)}^2+{\left({\eta }_2-{\eta }_m\right)}^2+{\left({\eta }_3-{\eta }_m\right)}^2\right]} \\ {\mathrm{\eta }}_1={\mathrm{Ink}}_1,{\mathrm{\eta }}_2={\mathrm{Ink}}_2,{\mathrm{\eta }}_3={\mathrm{Ink}}_3,{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{m}}=\sqrt{{\mathrm{\eta }}_1{\mathrm{\eta }}_2{\mathrm{\eta }}_3} \end{gathered}$$    (3)

$T=\left[2\left({\eta }_2-{\eta }_3\right)/\left({\eta }_1-{\eta }_3\right)\right]-1,\left(-1\leqq T\leqq 1\right)$    (4)

측정된 시편의 이방성의 크기(P_J)와 타원체 모양지수(T)를 계산한 후 각 지점별 우세한 자기적 구조를 판단하기 위하여 T-P_J 다이아그램(Jelinek, 1981; Hrouda, 1982)상에 표시한다(Figs. 4～8). T-P_J다이아그램의 편장(Prolate)영역에 도시되면, 퇴적암은 흐름에 의한 선구조(lineation)가 우세한 것으로 해석할 수 있으며, 이 때 흐름의 방향은 k₁주축 방향이 된다. 반면, 계산치의 편원(oblate)영역에 도시되면 암석은 상부지층의 하중이나, 지구형성적 응력에 의해서 엽리구조(tectonic foliation)가 형성된 것으로 해석되는데, 이때 작용된 힘의 방향은 k₃주축의 방향이 된다. 하중과 지구조적 응력의 구분은 k₃축의 방향이 층리면과 수직하면 지층 하중에 의해 작용한 힘(load foliation)으로 해석할 수 있고, 반면 층리면과 평행한 경우 지구조적 응력에 의한 것이다(Kim, 1990). 이상과 같은 원리를 바탕으로 대자율이방성 연구를 통한 암석에 포함된 입자들의 방향성, 형태 그리고 배열상태 등의 총체적인 미세구조 해석이 가능하다.

4. 결과 및 분석

영주 일원은 경상분지 북부의 예천전단대가 통과하는 지역으로 단층의 의한 지구적 응력이 우세한 지역이다. 대자율이방성은 화강암과 이암과 셰일을 모암으로 하는 변성퇴적암 시료에서 측정하였다. Fig. 4(a)는 시편에서 측정된 이방성 정도와 모양지수를 나타낸 것으로 이방성 정도(P_J)는 1.03-1.17의 범위를 보이며 대부분의 시편에서 관찰되는 1.10 이상의 이방성 정도는 단층작용을 영향으로 추정된다. 암종별로 화강암의 이방성 정도는 1.08-1.12 범위에 분포하며 변성퇴적암은 1.12-1.18의 범위로 같은 규모의 지각운동을 받은 것에 비해 변형은 퇴적암에서 더 크게 나타나는데 동일한 변형 작용의 경우라도 암석의 종류에 따라 변형되는 정도 달라지는 것을 타나낸다.

Fig. 4.

Anisotropy of magnetic susceptibility of granite and sedimentary rocks (shale/mudstone) in Yeongju area; (a) T-P_J diagram, and (b) Flinn diagram

이방성의 모양지수는 대부분 대체로 편원(oblate) 영역이 우세한데 화강암은 구형(neutral)에서 편원한 영역에 걸쳐 다양한 모양지수를 보이는 반면 변성퇴적암은 k₁, k₂ 주축에 비해 k₃ 주축의 길이가 작은 편원 영역이 압도적으로 우세하다. 영주 지역의 퇴적암은 광역변성작용으로 모암의 조건이 변하였고 사료에서 측정된 1.10 이상의 이방성 지수는 암석의 변성이 수반되는 변형 정도로 판단된다. 그림에서 T-P_J 다이아그램과 함께 제시한 Flinn 다이아그램(Fig. 4(b))도 동일한 경향을 볼 수 있는데 일반적으로 Flinn 다이어그램은 T-P_J 다이아그램에 비해 이방성이 밀집된 형태로 보이고 변형 형태가 명확하게 나타나지 않음을 알 수 있다. 이것은 Collinson (1983), Kim(1990) 등이 지적한 바를 확인 시켜주고 있다.

대구지역은 경상분지의 중부에 해당하며 시료채취지점 주변으로 알려진 단층이 없고 비교적 안정적인 퇴적분지에 해당한다. 분석에 사용된 시료는 쇄설성 퇴적암에 속하는 사암과 셰일에서 채취되었고 Fig. 5는 그 결과를 나타낸 것이다. 그림에서 이방성 정도(P_J)는 1.00에서 최대 1.10까지 관찰된다. 암종별로 사암은 1.01 이하가 대부분으로 등방성에 가까운 지수를 보여주는 반면 셰일은 1.01에서 1.10까지 이방성 정도를 나타내는 지수(P_J)의 범위가 넓게 분포한다. 영주 지역 암석의 이방성(Fig. 4(a))에서 볼 수 있는 것과 같이 1.10 이상의 이방성 지수는 단층작용을 받은 암석이나 변성퇴적암에서 관찰되는 정도의 변형을 나타내는 것으로 셰일은 암석이 형성되는 단계에서부터 심한 변형을 받은 암석 또는 변성퇴적암과 유사한 이방성을 가지고 있는 것을 알 수 있다.

Fig. 5.

Anisotropy of magnetic susceptibility of sandstone and shale in Daegu Basin

대구지역 사암과 이암의 이방성의 모양지수(T)는 대체로 편원(oblate) 영역이 우세하며 사암은 구형(neutral) 에서 편원 정도가 0.5 이하를 보여준다. 사암은 사층리, 연흔 등과 같이 고수류에 의한 흐름구조가 잘 나타나는 대표적인 암석에 해당하는데 실험에서 대자율타원체의 모양에서 편장(prolate)한 영역이 나타나지 않는 것은 암석이 형성된 조건이 흐름이 거의 없는 호성환경이기 때문이다. 반면 셰일은 k₃ 주축의 길이가 두 주축에 비해 아주 작은 편원 영역이 우세하다. 셰일은 세립질의 입자로 구성되어 박층의 층리가 발달하며 층리면을 따라 암석이 만들어지는 단계에서부터 이방성이 나타나는 것을 알 수 있다.

경상분지 동남부는 북북동-남남서 방향으로 연장되는 양산단층계가 발달하는 지역으로 경상분지가 퇴적되는 기간 동안 화산활용이 활발했고 이후 단층대를 따라 화강암의 관입작용이 있었다. Fig. 6은 양산단층계의 단층 중 동래단층에 인접한 금정산 화강암과 부산 서면 지역 화산퇴적암의 대자율이방성을 나타낸 것으로 동래단층과 인접한 지역에서 이방성 정도(P_J)는 1.04-1.14의 범위를 보인다. 화강암의 대자율이방성 결과에서 볼 수 있듯이 단층이 통과 지점에 위치한 화강암(closed circle)의 이방성 정도는 1.10 이상을 보이며 단층에서 멀어질수록(gray circle) 이방성 정도는 감소한다. 화강암과 같이 등방성에 가까운 암석에서 단층에 의한 변형이 발생하면 1.10 내외의 이방성 정도를 나타내며 단층대의 변형 정도로 판단하는 근거가 된다. 동래단층에서 2km 이상 이격된 지점의 화강암에서 측정된 이방성 정도는 1.03 정도로 거의 변형되지 않은 정도를 보인다. 염기성 화산암(closed square)와 산성 화산암(open square)의 대자율 이방성은 거의 유사한 분포를 보이며 화강암과 마찬가지로 단층대에 가까울수록 이방성이 증가하는 경향을 보인다. 화산암에 비해 화강암에서 이방성 정도의 최대치가 큰 것은 화강암이 분포하는 금정구 지역이 서면 지역본다 단층에 수반된 변형이 더 컸던 것에 기인한다.

Fig. 6.

Anisotropy of magnetic susceptibility of granite and volcanic rocks in Dongnae fault in Yangsan fault system

이 지역에서 측정된 이방성의 모양지수는 대부분 편원(oblate) 영역이 우세한데 단층으로 인한 지구조적 응력으로 대자율타원체의 모양이 구형에서 편원의 모양으로 변하였고 그림에서 변화되는 과정을 볼 수 있다. 화산암의 모양지수에서 편장(prolate) 영역은 화산 분출 후 퇴적지까지 이동하는 동안 에너지가 큰 흐름에 의해 퇴적이 이루어졌고 이에 다른 영향으로 편장한 모양의 대자율타원체가 만들어진 것으로 판단된다.

다대포 지역은 경상분지의 최남단에 속하며 독립된 퇴적분지의 형태를 가지고 있으며 양산단층의 남서부 말단에 위치한다. 구성 암종은 사암, 이암, 셰일의 호층대가 발달하며 동일한 노두로부터 채취한 사암과 셰일의 이방성 결과를 Fig. 7에 제시하였다. 이방성 정도(P_J)에서 사암과 이암은 분명한 차이를 보여주는데 사암의 이방성 정도는 1.03 이하로 등방체에 가까운 반면 셰일은 최대 1.11의 이방성 정도로 사암에 비해 매우 높은 이방성을 보인다. 다대포와 대구 지역을 비교하면 다대포는 사암과 셰일 모두에서 대구 지역보다 다소 높은 이방성 정도를 보이는데 이는 다대포가 단층이 직접 통과하는 지점은 아니라도 대규모 취성전단대에 해당하는 양산단층계 지역에 속하는 있어 이에 따른 영향으로 추정된다. 즉 정도의 차이는 있으나 암석이 단층운동에 노출되면 어느 정도의 변형은 수반되는 것으로 해석할 수 있다.

Fig. 7.

Anisotropy of magnetic susceptibility of sandstone and shale in Dadaepo area

다대포지역 퇴적암의 대자율타원체 모양지수는 사암의 경우 편장 영역이 우세하며 셰일은 편원 영역이 우세하다. 다대포의 사암이 고수류에 의한 사층리 발달이 특징적인 것을 고려하면 편장한 모양의 타원체는 암석 형성 당시에 만들어진 자기적 선구조에 해당한다. 반면 셰일이 퇴적되는 시점에는 흐름에너지가 감소하고 세립질의 입자가 퇴적되는 환경으로 변화되어 상부하중에 의한 자기적 엽리구조가 우세하게 된 것이다.

부산의 강서지역은 양상단층계의 단층 중 모량단층이 통과하며 대부분의 시료는 모량단층으로부터 1-2km 이격된 위치에서 채취되었고 일부는 단층파쇄대 암석을 포함하고 있다. Fig. 8은 이 지역에 분포하는 이암, 셰일과 화산쇄설암의 대자율이방성을 나타낸 것이다. 화산쇄설암의 이방성 정도(P_J)는 1.01에서 1.07의 범위를 보이며 대부분 시편에서 측정한 이방성 정도는 1.03 이하로 변형을 거의 받지 않은 등방체에 가깝다. 반면 이암과 셰일의 이방성 정도는 최대 1.16를 보이며 화산쇄설암에 비해 이방성이 큰 것을 알 수 있다. 화산쇄설암으로 구성된 모량단층 파쇄대의 이방성 정도는 1.16-1.18인 것을 감안하면 이암과 셰일의 이방성 정도는 단층암과 유사한 수준을 나타낸다.

Fig. 8.

Anisotropy of magnetic susceptibility of mudstone and shale in Gangseo area

강서지역 이암과 셰일의 모양지수(T)는 편원(oblate) 영역과 편장(prolate) 영역이 거의 대등한데 대자율타원체가 편장한 시료는 퇴적될 당시 흐름에너지가 우세한 환경에서 흐름방향으로 자성광물이 배열되어 자기적 선구조가 생겨난 것이다. 쇄설성 퇴적암의 경우에도 세일보다 큰 입자로 이루어진 이암은 모든 시료가 편장 영역에 위치하고 있다. 반면 셰일의 모양지수는 편원 영역을 지시하는데 흐름보다는 퇴적 후 고결되까지 작용한 상부 하중에 의한 자기적 엽리구조가 우세한 환경을 지시하며 대구와 다대포 지역의 결과와 동일하다.

5. 결 론

최근 이암, 셰일과 같은 퇴적암에서 암반사면과 터널 붕괴사고가 증가하는 추세에 있다. 쇄설성 퇴적암 중 이암과 셰일은 풍화저항력이 낮고 층리와 평행한 방향으로 이방성이 높은 암석으로 구조물의 설계와 시공, 유지관리를 위해 이방성에 대한 충분한 이해가 필요하다. 연구는 경상분지의 북부, 중부, 남부에 분포하는 쇄설성 퇴적암(이암, 셰일)을 대상으로 대자율 이방성 텐서의 세 주축의 크기로부터 결정된 타원체의 이방성 정도(P_J)와 모양지수(T)를 이용하여 암석의 이방성을 검토하였다.

경상분지의 여러 지역에 분포하는 암석 실험을 통해서 변형을 받지 않은 암석은 1.03 이하의 이방성 정도(P_J)를 나타내고 암석에 작용하는 외력의 크기에 비례하여 이방성 정도가 증가되었다. 또한, 이방성은 암석의 종류와 입자 크기에 따라서 달라지는 것을 확인할 수 있었는데 같은 지역에서 채취한 대구와 다대포 지역의 사암은 등방체에 가까운 변형을 보이는 것에 반해 셰일의 이방성 정도는 1.11로 단층파쇄와 유사한 크기를 보여 셰일의 낮은 풍화저항력의 원인이 될 수 있다.

대자율 주축의 크기로부터 결정된 모양지수에서 단층대와 같이 지구조적 응력이 우세한 시료는 자기적 엽리구조로 인한 0.5 정도의 모양지수를 가지는 편원한 대자율 타원체를 보였다. 쇄설성 퇴적암은 중 이방성 정도가 작은 사암의 모양지수는 구형에 가깝고 고수류와 응력에 따라 편장 내지 편원한 방향으로 대자율 타원체가 변형되것으로 나타났다. 그러나 셰일의 경우 측정된 모든 시료에서 대자율 추축의 단축(k₃)의 길이가 다른 두 축에 비해 아주 짧은 편원 영역을 보인다. 이러한 결과는 이암, 세일과 같이 세립질 암석은 저에너지 환경에서 퇴적되고 박층으로 발달하는 층리로 인해 형성 당시부터 대자율타원체의 변형이 수반되는 것으로 판단된다.