서 론

무등산 국립공원은 희귀성, 지질학적 중요성뿐만 아니라 생태학적, 고고학적, 역사적, 문화적 등 다양한 가치를 인정받아 유네스코 세계지질공원에 인증되었다. 무등산 국립공원의 대표 지질명소로는 무등산 정상인 천왕봉, 주상절리대인 입석대, 서석대, 광석대 그리고 무등산 응회암 바위가 경사면에 흩뿌려진 지공너덜, 덕산너덜 등이 있다. 무등산 응회암은 주상절리 형성 당시 냉각되며 발생한 인장절리와 암석 내부에 수직 및 수평 절리가 잘 발달 되어 있는 것이 특징이다. 이 중 수직절리는 전단력에 의해 생성된 리젤 전단 절리(Riedel shear joint)일 가능성이 높고, 수평 절리는 주상절리의 불연속적 성장이나 풍화에 의한 것일 가능성을 보고한 바 있다(Gwangju City, 2013; Noh and Kang, 2021). 무등산 국립공원 주상절리대는 해발 약 1,000 m 이상의 고산지대에 위치하기 때문에 다양한 기후 조건 및 풍속 등 날씨 변화에 영향을 받는다. 이러한 조건은 주상절리 표면의 박리, 균열 확대 등 풍화 현상을 가속 시킬 수 있어 장기적 관점에서 주상절리대의 안정성 및 등산객의 안전에 위협 요인이 될 수 있다. 장기적 안정성을 확보하기 위해서는 해당 지역의 정밀한 실내 및 현장 조사와 정기적인 모니터링을 실시하여 암석의 지질공학적 특성 변화를 조사해야 한다.

암석의 물리화학적 변화, 중 ‧ 장기적 풍화 예측 가능성을 평가하기 위하여 많은 연구자들에 의해 수행된 바 있다(Han and Baek, 2010; Kim et al., 2012; Park et al., 2013; Park, 2013; Park and Park, 2015; Choi, 2022). Park et al.(2003)은 풍화 상태에 따라 암석을 분류하여 -25°C로 총 100회 동결융해하여 중량, 부피, 탄성파 속도, 강도, 탄성계수 등의 변화를 조사하였다. 그 결과 중량의 변화는 거의 발생하지 않았으나, 일축압축강도와 탄성계수는 최대 50%까지 감소하였다. 대체로 암석의 초기 풍화상태가 심할수록 풍화진전속도는 빠르게 나타났다. Jang et al.(2004)은 약한 풍화와 보통 풍화 상태의 셰일을 대상으로 산과 물에 침수시켜 -20~15°C의 환경에서 동결융해를 총 80회 반복하였다. 동결융해 5회 반복 시 흡수율, 탄성파 속도, 쇼어 경도, 일축압축시험, 슬레이크 내구성 시험 등을 실시하였다. 시험 결과 일축압축강도 및 탄성계수 감소, 흡수율은 증가하였고, 쇼어 경도, 슬레이크 내구성, 탄성파 속도 결과는 거의 차이 나지 않았다. 연구 결과와 연구 지역의 기온 분포를 고려하면 실제 1년이란 시간은 동결융해 실험 6~12회에 해당할 것으로 추측했다. Um and Shin(2009)은 풍화등급에 따라 이암을 5그룹 구분하여 증류수 또는 묽은 황산용액으로 포화시켜 -16°C에서 동결, 상온에서 융해를 1 사이클로 총 55회 반복하였다. 이후 비중, 흡수율, 공극률, 탄성파 속도 등의 물성 변화를 측정하였고, 박스 프랙탈 차원(box fractal dimension)을 적용하여 미세균열의 밀집도 및 크기 그리고 미세 균열의 확장 과정을 관찰하였다. Cho et al.(2009)은 한라산 조면암의 풍화 정도에 따른 광물조성 변화와 주성분의 함량 변화를 정량적으로 분석하기 위해 동결융해시험을 실시하여 풍화 진행에 따른 암석의 물리 ‧ 역학적 특성 변화를 관찰하였다. 그 결과, 동결융해 반복이 진행될수록 공극률 및 흡수율은 증가, 건조 및 포화밀도, 탄성파 속도, 일축압축강도는 감소하였다. Um et al.(2009)은 원주지역 일대의 주라기 화강암을 pH농도 약 5.5의 용액에 포화시켜 -20°C에서 8시간 동결, 상온에서 14시간 융해를 총 100회 반복하여 신선암(fresh), 보통 풍화(moderately weathered, MW), 심한 풍화(highly weathered, HW) 등 풍화등급에 따른 암석의 물성 및 미세균열 발달 과정을 분석하였다. 동결융해가 반복됨에 따라 비중과 탄성파 속도는 감소하였고, 흡수율과 미세균열 빈도 및 크기는 증가하는 양상이 나타났으며, 풍화상태가 심할수록 동결융해에 따른 풍화가 급격하게 진행되었다. Park et al.(2010)은 극지환경에서의 암석 물성변화를 파악하기 위하여 섬록암, 현무암, 응회암을 남극세종기지 주변 환경조건을 고려해 건조 및 포화 상태 시료를 -10~10°C로 동결융해 10회, 20회, 40회 반복하였다. 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 이용하여 인공풍화에 의한 암석의 미세균열을 분석하였다. 암석이 포화상태이며 균질할수록 동결융해에 의한 풍화의 상관관계가 뚜렷하게 나타났다. Kang et al.(2011)은 사암과 안산암에 대해 -19.0~17.3°C에서 동결융해 반복시험을 실시하여 암석의 무게, 탄성파 속도, 일축압축강도 등의 물성 변화를 관찰하였다. 사암의 경우 32~64회 반복 시 박리현상으로 인하여 변화가 크게 나타났고, 안산암의 경우 시험편에 따라 불규칙하게 나타났다. Ryu and Song(2012)은 화강암, 석회암, 사암, 응회암, 셰일, 현무암 등을 -20~10°C로 동결융해 반복을 40회 반복하였고 10회 반복마다 공극률, 비중, 탄성파 속도, 쇼어 경도를 측정하여 인공풍화에 따른 암석의 물성 변화 예측 식을 제안하였다. 그 결과 동결융해 과정에 따른 물성변화는 공극 분포가 큰 현무암, 화강암, 셰일에서 뚜렷하게 나타났고, 회귀분석 결과 대부분 양호한 상관계수(r²)를 나타냈다. Um(2012)은 김해시 일대에 분포하는 백악기 화강암에 대해 풍화등급에 따른 복합적인 풍화 과정을 분석하기 위하여 -15°C~상온에서 동결융해 시험과 용탈실험을 실시하였다. 그 결과 공극률, 흡수율은 증가하였고 탄성파 속도는 감소하였으며, 암석의 풍화 상태가 높을수록 풍화 진전 속도는 더 빠르게 진행되었다. Kim et al.(2013)은 남극 장보고 과학기지의 편마암을 -20~20°C에서 동결융해하여 물리적, 역학적 특성 변화를 파악하고 남극의 극한환경과 상관성을 검토하였다. 동결융해를 이용한 인공풍화와 자연풍화의 상관성을 분석한 결과, 쇼어 경도 130회, 탄성파 속도 200회, 흡수율 450회, 일축압축강도 900회 이상 동결융해를 반복할 시 약한 풍화(slightly weathered, SW)가 MW로 변하는 것으로 분석되었다. Jeong et al.(2013)은 암석을 -20~40°C에서 동결융해하고 CLSM (confocal laser scanning microscope)을 이용하여 표면 거칠기를 분석한 결과 파고(거칠기)가 줄어들며 파장의 길어지는 것을 확인하였다. 이상 기존 연구는 인공풍화에 따른 암석의 물리 ‧ 역학적 변화와 미세구조 변화 양상에 대하여 분석이 이루어졌다. 본 연구에서는 무등산 국립공원 주상절리의 중장기적 안정성을 평가하기 위한 기초연구로서 인공풍화 시험을 수행하여 시험편 규모에서 물리적 변화 양상을 분석하였다. 이를 위해 첫 번째로 무등산 국립공원 기후를 조사하였고, 그 자료를 바탕으로 동결융해 온도조건을 설정하였다. 두 번째, 무등산 국립공원 주상절리대의 정기적 모니터링 분석을 위해 비파괴 시험인 탄성파 속도를 시험 방법으로 선정하여 동결융해 반복에 따른 암석의 속도 변화를 분석하였다.

지질 및 기후조건

무등산 국립공원은 옥천습곡대 서남부에 위치하며, 북동-남서 방향 구조선인 호남전단대가 발달해있다. 중생대 백악기 초에서 신생대 제3기초까지 있었던 화산활동에 의해 직경 약 40 km 크기의 원형함몰체인 능지분지가 형성되었으며, 이 분지 동쪽으로는 안산암과 유문암으로 구성된 무등산 화산암체, 남부-남서부에는 유문암류로 구성된 능주 화산암체가 분포하는 것으로 보고되었다(Kim et al., 2002; Fig. 1). 무등산 국립공원 내 주상절리대를 구성하는 암석은 안산암, 석영안산암, 응회암 등으로 혼합되어 사용되었으나(Ahn, 2010, 2014; Ahn et al., 2014), 현재는 무등산 응회암이라 명명되었다(Gwangju City, 2013).

Fig. 1.

Geological map of study area (modified after Noh et al., 2020).

무등산 국립공원이 위치한 행정 지역은 남부 서안형과 남부 내륙형의 점이지대에 속하며, 연평균 기온은 약 14°C, 최한월 평균 기온은 약 0.5°C, 강수량은 약 1,370 mm 등이다. 무등산 국립공원은 비교적 적설량이 많고 3월까지 눈이 내리며 2주일 이상 눈이 쌓여 있는 경우가 많다(Encyclopedia of Korean Culture, 2024). Fig. 2a는 무등산 국립공원에 관측소를 설치하여 기상청에서 조사한 종관기상관측 자료이다. 종관기상관측이란 정해진 시각의 대기 상태를 파악하기 위해 모든 관측소에서 같은 시간에 실시하는 지상관측을 말하며, 시정, 구름, 증발량, 일기현상 등 일부 목측 요소를 제외하고 종관기상관측장비(automated synoptic observing system, ASOS)를 이용해 자동으로 관측한다. 관측 기간 중 수은 유리제 온도계를 이용하여 최고기온을 그리고 알코올 유리제 온도계를 이용하여 최저기온을 구한다(KMA, 2022). 무등산 국립공원 기상관측소는 중봉에 위치 해있으며 최근 20년 동안의 종관기상관측 결과에 의하면 4계절의 변화가 뚜렷하고, 최고 온도는 약 32.0°C, 최저온도는 -25.6°C로 나타났다(Fig. 2a). 이를 고려하여 동결융해 시험은 인공풍화 속도를 가속화하기 위해 24시간 강제포화 시킨 뒤 -20°C에서 180분 온도 유지, 30°C로 90분 동안 상승, 30°C에서 180분 온도 유지, -20°C로 90분 동안 하강을 1회 반복으로 설정하였다(Fig. 2b). 동결융해 반복은 총 200회 반복하였고, 이때 탄성파 속도는 40회 반복 시 측정하였다.

Fig. 2.

(a) Temperature change observation observed at Mt. Mudeung for 20 years (KMA, 2022), (b) Conditions of the freeze-thaw cycle.

무등산 응회암의 동결융해 과정에 따른 탄성파 속도 측정

시험 방법

탄성파 속도 측정은 Pundit사의 PUNDIT plus를 이용하여 측정하였다. 시험 장비는 크게 분석기, 케이블, 트렌스듀서로 구분된다. 본 연구에서는 시편의 축방향(Fig. 3a) 면과 방사방향(Fig. 3b)의 교차점의 탄성파 속도를 측정하기 위하여 2개의 트렌스듀서를 사용하였다. 각 트랜스듀서의 재원은 파장 68.5 mm, 최대입자크기 34 mm, 최소측면치수 69 mm로 동일하지만 크기 재원에 의한 접촉 면적에 의해 그 사용 용도가 다르다. 측정 및 산정 방법은 국제암반공학회(The International for Rock Mechanics, ISRM)와 한국암반공학회(Korean Society for Rock Mechanics and Rock Engineering, KSRM)에서 제안한 암석표준시험법에 근거하여 실시하였다(Bieniawski and Bernede, 1979; KSRM, 2010). 탄성파 속도 측정에 사용된 무등산 응회암 시료는 직경 약 54 mm, 길이 약 110 mm인 MT-1, -2, -3 등 3개를 제작하였다(Fig. 3c). 탄성파 속도는 암석시료의 축방향 면과 방사방향 속도를 측정하였다. 방사방향 속도는 시료 중심을 기준으로 45° 간격으로 선을 긋고(P-1, -2, -3, -4; 원통좌표계의 r), 시료 상하부에 20 mm 간격으로 Top, 1^st, 2^nd, 3^rd, 4^th, 5^th level, Bottom을 구분하여(원통좌표계의 z) 선을 그어 발생한 교차점 24곳을 측정하였다(Fig. 3d).

Fig. 3.

(a) Equipment used for the elastic wave velocity measurements. (b) Cone-type transducer. (c) Mt. Mudeung tuff specimens. (d) Schematic diagram of the elastic wave velocity measurements.

시험 결과

동결융해 시험 전 MT-1의 축방향 탄성파 속도는 5,367 m/s, MT-2는 5,236 m/s, MT-3은 5,187 m/s로 MT-1이 가장 크게 나타났다(Table 1). 시료의 방사방향 탄성파 속도는 MT-1의 경우 평균 4,681 m/s로 나타났고, r축 기준 평균 P-2가 4,809 m/s로 가장 높고, z축 기준 3^rd level가 평균 4,843 m/s로 가장 높게 나타났다. MT-2의 평균 방사방향 탄성파 속도는 4,292 m/s로 나타났고, r축에서는 P-3가 평균 4,480 m/s로 가장 높고, z축은 3^rd level가 평균 4,572 m/s로 가장 높게 나타났다. MT-3의 평균 방사방향 탄성파 속도는 4,201 m/s로 나타났고, r축은 P-4가 평균 4,457 m/s로 가장 높고, z축은 Top에서 평균 4,644 m/s로 가장 높게 나타났다. 방사방향 속도에서도 축방향과 마찬가지로 3개 시료 중 MT-1이 가장 높게 나타났고, 그 중 P-2의 3^rd level이 5,290 m/s로 가장 높게 나타났다(Tables 2, 3, 4).

동결융해 시험 반복에 따른 무등산 응회암의 축방향 탄성파 속도 결과는 Table 1과 Fig. 4, 방사방향 속도 결과는 Tables 2, 3, 4와 Fig. 5와 같다. 축방향 탄성파 속도의 경우 MT-1와 MT-2는 0~120회 반복까지는 점진적으로 감소하다가 120회 반복 이후 급격하게 감소하는 것으로 나타났고, MT-3의 경우 동결융해 20회 반복부터 급격히 감소하였다. 이는 MT-3가 다른 시료들에 비해 풍화에 취약한 것으로 판단된다. 동결융해 200회 반복 이후 무등산 응회암의 축방향 탄성파 속도는 MT-1의 경우 5.53%, MT-2는 4.89%, MT-3는 5.36% 감소하였다.

Fig. 4.

Variation in the elastic wave velocity with the number of freeze-thaw cycles.

Fig. 5.

Polar diagram of radial elastic wave velocity for (a-f) MT-1, (g-l) MT-2, (m-r) MT-3, and (s) the average for all samples.

동결융해 200회 반복 후 MT-1의 r축 방향에 따른 탄성파 속도는 P-2가 4,139 m/s로 가장 높게 나타났고, 그다음 P-1 3,999 m/s, P-3 3,968 m/s, P-4 3,695 m/s 순으로 나타났다. 탄성파 속도 감소는 P-1는 13.50%, P-2는 13.93%, P-3은 15.34%, P-4는 19.76%로, P-4가 가장 크고, 그다음 P-3, -2, -1로 나타났다. 200회 반복 후 z축 높이에 따른 탄성파 속도는 Top에서 4,135 m/s로 가장 높게 나타났고, 그다음 4^th, Bottom, 3^rd, 5^th, 2^nd 순으로 나타났다. 속도 감소는 Top이 11.97%, 2^nd level 18.04%, 3^rd level 19.91%, 4^th level 11.39%, 5^th level 16.64%, Bottom 15.37%로 나타났다. 동결융해 반복에 따른 MT-1의 방사방향 탄성파 속도 측정 결과 노출면(위아래)보다 암석 내부(3^th, 4^th, 5^th)의 탄성파 속도가 느리고 탄성파 속도 감소량이 크게 나타났다.

동결융해 200회 반복 후 MT-2의 r축 방향에 따른 탄성파 속도는 P-3가 4,066 m/s로 가장 높게 나타났고, 그다음 P-4 3,885 m/s, P-2 3,524 m/s, P-1 3,522 m/s 순으로 나타났다. 탄성파 속도 감소는 P-1는 12.93%, P-2는 15.75%, P-3은 9.24%, P-4는 12.89%로, P-2가 가장 크고, 그다음 P-4, -1, -3으로 나타났다. 200회 반복 후 z축 높이에 따른 탄성파 속도는 Top에서 3,840 m/s로 가장 높게 나타났고, 그다음 2^nd, Bottom, 3^rd, 4^th, 5^th 순으로 나타났다. 속도 감소는 Top이 15.04%, 2^nd level 10.27%, 3^rd level 17.02%, 4^th level 10.65%, 5^th level 11.95%, Bottom 10.41%로 나타났다. MT-1과 마찬가지로 동결융해 반복에 따른 MT-2의 방사방향 탄성파 속도 측정 결과 노출면보다 암석 내부의 탄성파 속도가 낮고 탄성파 속도 감소량이 크게 나타났다.

동결융해 200회 반복 후 MT-3의 r축 방향에 따른 탄성파 속도는 P-3가 3,828 m/s로 가장 높게 나타났고, 그다음 P-4 3,754 m/s, P-1 3,445 m/s, P-2 3,419 m/s 순으로 나타났다. 탄성파 속도 감소는 P-1는 16.24%, P-2는 14.22%, P-3은 9.84%, P-4는 15.77%로 나타났다. 200회 반복 후 z축 높이에 따른 탄성파 속도는 Top에서 4,190 m/s로 가장 높게 나타났고, 그다음 3^rd, Bottom, 5^th, 2^nd, 4^th 순으로 나타났다. 속도 감소는 Top이 9.78%, 2^nd level 19.84%, 3^rd level 12.12%, 4^th level 13.83%, 5^th level 14.64%, Bottom 14.16%로 나타났다. MT-3도 탄성파 속도가 느릴수록 탄성파 속도 감소가 큰 것으로 나타났다.

동결융해 시험 반복에 따른 탄성파 속도 측정 결과 축방향 속도의 경우 120회 동결융해 반복 이후 풍화가 가속화되는 구간이 나타났지만, 방사방향 속도 결과에서는 발견되지 않았다. 하지만 동결융해 시험 후 탄성파 속도의 감소 정도를 분석한 결과 방사방향은 축방향과 달리 동결융해 시험 시작과 동시에 풍화가 활발히 진행된 것으로 판단된다. 종합적으로 무등산 응회암의 탄성파 속도가 느리면 인공풍화에 따른 탄성파 속도의 감소량이 큰 것으로 나타났고, 이를 통하여 무등산 응회암의 탄성파 속도가 느릴수록 풍화에 취약한 것으로 판단된다. 또한, 시료 채취 및 성형 시 암석의 이방성을 고려하지 않고 균일한 방향으로 채취하였기 때문에 3개의 시료 모두 비슷한 결과 양상을 나타낸 것으로 판단된다. 이를 통하여 무등산 응회암과 주상절리가 형성 당시 발생한 특징 중 하나인 암석 내부의 수직 및 수평 절리에 의한 이방성이 뚜렷하며 무등산 주상절리대 안정성 평가 시 이를 면밀히 조사해야 할 것으로 사료된다.

결 론

무등산 국립공원 기후조건을 고려하여 무등산 응회암에 대해 동결융해 시험과 비파괴 시험인 탄성파 속도를 측정해 인공풍화에 대한 영향을 평가하였다. 이를 위해 암석을 24시간 포화시켜 -20~30°C에서 온도 유지 180분, 온도 변화 90분을 1회 반복으로 총 200회 반복하였고, 40회 반복 시 탄성파 속도를 측정하였다. 탄성파 속도는 암석 시료의 축방향 면과 방사방향을 일정구간으로 나누어 발생한 교차 지점 24곳을 측정하였다. 초기 암석의 축방향 탄성파 속도는 5,187~5,367 m/s, 방사방향 속도의 경우 4,001~5,290 m/s로 나타났다. 동결융해 200회 반복 시험 결과 축방향 탄성파 속도는 MT-1는 5.53% 감소하여 5,070 m/s, MT-2는 4.89% 감소한 4,980 m/s, MT-3은 5.36% 감소한 4,909 m/s로 나타났다. 동결융해 200회 반복 후 방사방향 교차점의 탄성파 속도 측정 결과 r축 방향에 따라 MT-1은 3,695~4,139 m/s, MT-2는 3,522~4,066 m/s, MT-3은 3,419~3,828 m/s로 나타났고, z축 높이에 따라 MT-1은 3,839~4,135 m/s, MT-2는 3,457~3,840 m/s, MT-3은 3,401~4,190 m/s로 나타났다. 동결융해 반복에 따른 무등산 응회암의 탄성파 속도 감소량은 탄성파 속도가 낮을수록 크게 나타났다. 축방향 속도의 경우 동결융해 120회 반복 이후 풍화의 가속화가 발생하였고, 방사방향의 경우에는 동결융해 시험 시작과 동시에 풍화가 활발히 진행된 것으로 판단된다. 결과를 종합하면 탄성파 속도가 느리면 인공풍화에 의한 탄성파 속도 감소량이 크게 나타나 풍화에 취약한 것으로 사료된다. 이를 통하여 무등산 응회암과 주상절리는 생성 기원 등으로 인한 이방성이 뚜렷하므로 무등산 주상절리대 안정성 평가 시 이를 면밀히 조사해야 될 것으로 판단된다.