서해안의 화강암 암체 지형 발달에 대한 연구- 반발 강도와 화학 조성 특징을 중심으로 -

A study on the evolution of granite hill on the west coast area

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  • ABSTRACT

    전라북도 고창군 상하면의 가막도에 대한 지형 조사의 일환으로 암석 반발 강도 조사와 각 부분의 화학적 조성을 분석하였다. 가막도의 암체 최상부는 지중 풍화 기원인 핵석이 일부 나타나고 있으며, 그보다 고도가 낮은 부분엔 지중에서 풍화 전선을 형성하던 기반암이 노출되어 있다.

    가막도 암체의 반발 강도는 암체의 정상부에서 해안 대지 쪽으로 가면서 증가하는 것으로 나타났다. 이는 정상부가 침식에 대한 저항 정도가 약한 것으로 볼 수 있다. 한편 암체 각 부분의 화학적 풍화 지수, 풍화각 조성 물질의 변화 등으로 볼 때 암체의 하부가 정상부에 비하여 화학적 풍화가 덜 진행된 것으로 나타났다. 하지만 이는 암체 상부의 표면부에서 나타나는 현상으로 풍화층이 제거될 경우 생경한 암석의 풍화대가 나타날 것으로 보인다.

    풍화각에 발달한 다각형 균열의 경우 전반적으로 화학적 조성과 화학적 풍화 정도에서 정상부와 하부의 중간 정도의 수준이었다. 풍화각의 특성을 파악하기 위한 분석 결과 풍화각의 표면에 다각형 균열이 형성되는 경우, 표면 부분에 비하여 기저 부분이 화학적 풍화 지수가 높은 경향성이 나타났다. 이는 이전의 연구와 일치하나, SiO2의 함량 등은 이전의 연구와 일치하지 않는 것으로 나타났으며, 이는 풍화 환경과 기반암 조성의 차이에 의한 것으로 판단된다. 이들을 종합할 때 가막도는 풍화 산물이 제거된 풍화 전선의 잔류물로 하부의 풍화 산물제거가 상부보다 활발히 진행된 것으로 보인다.


    Rock rebound values and chemical compositions of Gamak island at Sangha, Gochang, Jeollabuk do are analysed as a part of geomorphic survey of that area. Some corestones are formed by deep weathering found from the summit of rock mass of Gamak island, while the rocks a part of weathering front are exposed at the foot of the island. Rebound values of rock increase toward coastal plain, so summit would be weak in resistance to erosion. It can be assumed that chemical weathering is more active at the summit by the chemical index of alteration and changes in chemical composition ratio. However it should be mentioned that the samples are taken from the surface of the rock mass that more fresh part will be exposed when the weathered parts are removed.

    The chemical composition and CIA values of the polygonal cracks found from on the surface of weathering rind showed that this part has values between those of the summit and the footslope. The bottom of weathering rind with polygonal cracks has higher CIA value than those of the surface. Though it supports the result from the Bisul Mt., there also difference in the ratio of SiO2. It looks caused by the difference in weathering environment and chemical difference in parent rock. In summary Gamak island is the remnants of weathering front after removal of weathered material. The removal processes are more active at the footslope where the coastal processes are stronger than the summit.

  • KEYWORD

    화강암 , 다각형균열 , 풍화각 , 암반강도 , 해안지형

  • I. 서 론

    우리나라의 해안에는 기반암 암체가 노출되어 암석 해안의 형태를 지니는 곳이 다수 존재한다. 이 해안 암체들의 전반적인 형성 과정 등에 대한 연구는 미진한 편이며, 이전의 연구는 주로 암체에 발달한 다양한 지형 및 암체의 표면에 발달한 다양한 풍화 미지형에 중점을 두어 왔다. 특히 화강암으로 된 암체의 경우 풍화미지형과 관련하여 많은 관심이 집중되어 왔다. 그러나 암체의 형성 과정 자체나 지형 발달 과정에 대한 연구는 부족한 편이며, 암체 자체의 풍화 특성 등에 대해서는 아직 연구가 많이 이뤄지지 않았다. 기존의 연구들은 동해안 지역을 중심으로 이루어졌으며, 서해안의 화강암 암체에 발달한 다양한 지형에 대한 논의는 제한적으로만 이루어졌다(박경, 2009). 이는 서해안의 지형에 대해서 주로 퇴적 지형에 대한 강조점이 주어진 것에 기인하는 것으로 볼 수 있으나, 전반적인 지형 발달의 특성을 파악하기 위해서는 암석 지형에 대한 연구 역시 필요한 상황이다.

    한편 최근 연안 범람의 범위를 파악하고 이와 관련된 전반적인 해안 지형에 대한 이해와 필요성이 강조되고 있다. 또한 침식과 퇴적이 일어나는 시간적, 공간적 범위의 설정 역시 필요한 상태이다. 특히 침식과 퇴적이 공간적으로 혼재하여 나타나는 상황에서 각 지점에 대한 지형 발달의 특성을 파악하는 것은 연안 범람으로 인한 퇴적과 침식을 이해하는데 상당히 중요한 기여를 할 것으로 판단된다.

    이에 따라 본 연구에서는 침식이 우세한 환경에서 기반암으로 된 암석 지형의 지형 발달 특성을 파악하기 위하여 전북 고창군 상하면에 있는 가막도를 대상으로 하여 화강암 암체 지형 현장 조사를 실시하고 암체의 반발 강도와 구성 물질의 화학적 조성을 조사하였다(그림 1). 이를 바탕으로 다양한 해안 암체상 미지형의 특성을 밝히고 가막도의 형성 과정과 지형 변화 과정을 고찰하고자 한다. 특히 이전에 연구 결과가 발표된 비슬산의 다각형 구조와의 비교를 통하여 다각형 구조의 특성을 정리하고자 한다.

    II. 연구 지역의 개관

    연구 지역의 1:50,000 지질도(법성포)는 미간행 상태로 1:250,000지질도와 인접 도폭인 고창 도폭의 지질 조사를 통하여 연구지역의 지질 특성을 파악하였다. 연구 지역 전반적의 기반암은 주로 대보화강암 계열의 흑운모 화강암(Jbgr)과 화강암질 편마암(PCEgrgn)이 나타나고 있다.

    흑운모 화강암(그림 2-A, B)은 선캠브리아기의 변성암 및 엽리상 변성 화강암을 관입하고 있는 암체이다. 이들은 중립 내지 조립의 괴상암체로 주로 등립질의 암회색 석영과 담회색 장석으로 구성되어 있다. 이 화강암들의 형성 연대는 직접 측정되지는 않았으나, 주변 지역의 쥐라기 화강암체의 연대인 158~169Ma 정도로 추정된다(이병주·이승렬, 2001). 이 화강암 암체들은 화학적 풍화 과정에 의해 새프롤라이트와 적색 토양으로 변화되었으며 고도가 낮은 구릉의 상당수가 적색의 토양으로 피복되어 나타나고 있다(김영래 등, 2012).

    화강암질 편마암들은 엽리 발달이 우세하며 선캠브리아기의 다양한 암석이 변성 작용을 받은 것으로 판단되고 있다. 이들은 소백산편마암복합체로 구분되기도 한다. 이들은 내륙 지역에서는 상대적으로 고도가 높은 배후의 산지를 이루고 있으며 연구 대상인 가막도에서는 암체의 주변인 파식대 부분에서 화강암과 접하는 것으로 나타나고 있다(그림 2). 기반암이 나타난 해안에서 변성암 부분은 화강암 부분에 비하여 고도가 낮은 편이다. 한편 연구 지역 남부 쪽으로는 백악기 산성 화강암류(Kav)가 나타난다. 해안 지역으로는 4기 충적층(Qa)로 분류되는 해안 및 하천 퇴적층이 나타나고 있으며 일부에는 풍성 퇴적층이 출현하기도 한다(최광희, 2009). 연구 지역 북측의 충적층 가운데 광승리와 명사십리의 퇴적층은 해발고도 10m 내외이며 전반적으로 사층리의 발달은 미약하고 수평 층리를 지니고 있다. 층후는 해안 지역의 경우 모래층이 6m이상 나타나고 있으며 약 0.24±0.003ka에서 0.12±0.001ka 사이의 기간 동안에 5m 정도의 퇴적이 일어난 것으로 알려져 있다.

    한편 이 지역의 해수면은 약 7ka전에 현재의 수준에 도달했고, 6ka시기에는 현재보다 1m 정도 높았으며 이후에 하강하여 2ka시기에는 현재의 해수면 보다 1m 정도 낮아진 것으로 알려져 있다. 그러다 1ka전에는 다시 상승하여 높았다가 낮아지는 등 변동을 여러번 경험한 것으로 알려져 있다(최광희, 2009).

    가막도(정상부 해발고도 13.4m)는 간조시에는 갯벌 상에 돌출한 암체로 나타나고 만조시에는 섬이 되어 앞서 지적한 바와 같이 화강암으로 된 고립 구릉(inselberg) 형태의 암석 구릉이다. 하나의 큰 암체가 노출된 형태이기 때문에 돔 상의 고립 구릉인 보른하르트(bornhardt)로 판단할 수 도 있다. 가막도의 해수면 주변의 해안 대지 부분에는 일부 편마암이 나타나고 있으나 갯벌의 기저를 이루는 부분의 상당 부분이 변성암인 것으로 판단된다(그림 2-C, D). 가막도는 2000년대 초반까지 섬의 형태로 있었다. 2007년부터 진행된 구시포항 건설 공사를 통하여 방파제로 육지와 연결되어 현재와 같은 형태를 지니게 되었다. 이 공사 이전에는 암체 부분에 인위적인 변형이 크게 없었던 것으로 보이며, 항만을 건설하는 과정에서 준설이 이루어지면서 퇴적물에 덮여 있던 변성암 부분이 노출된 것으로 보인다. 그러나 인공위성 사진 상으로는 가막도 암체의 정상부와 상부 부분에 큰 지형적인 변화가 관찰되지 않는다. 다만 측면 부분은 도로 확장 과정에서 암체의 일부가 발파되었던 것으로 보이며 그로 인해 암체 하부의 지형이 드러나기도 하였다.

    가막도의 정상 부분은 전반적으로 평탄한 형태(그림 1, 그림 3-A)이며 상부는 얇은 토양층이 있어 식생이 정착하고 있다. 이러한 평탄한 형태의 정상부는 주로 단구상의 지형에서 나타나는 형태로 인근 지역에 대한 선행 연구에서 보고된 해발고도 10~15m 대의 단구대와 유사하다고 할 수 있다(유승상, 2009). 그러나 현장 조사에서 자갈이나 퇴적 환경을 지시하는 물질들은 발견되지 않았다. 정상부에는 대체로 식생이 정착해 있으나 큰 나무들이 정착한 것은 아니며 주로 관목류와 초본류가 분포해 있다. 이는 토양층의 두께에 의한 것으로 보인다.

    또한 정상에서 피복되어 있는 부분을 제외한 암체의 여러 부분에는 다수의 핵석이 노출되어 있으며 핵석의 표면에는 풍화의 흔적이 나타나고 있다. 그러나 풍화의 진행 양식, 형상 등은 핵석이 발견되는 지점에 따라 상당히 다르게 나타나고 있다(그림 3-B, C). 이들을 핵석으로 보는 것은 이들이 구형도가 큰 직경 1m 이상의 암괴이며, 풍화의 진행이 상대적으로 미약한 화강암 덩어리로 확인되었기 때문이다. 또한 표면에서 강한 풍화의 흔적이 나타나고 있어 이를 구상 풍화의 결과인 핵석으로 판단할 수 있다. 해안의 해수면 인근의 낮은 부분에는 기반암이 노출되어 있으며, 자갈 퇴적물은 많지 않은 편이다. 또한 풍화 진행 정도가 다양한 암벽이 나타나고 있다. 해식에 따른 굴식이나 사면붕괴에 의해 만들어진 단애 등은 발달해 있지 않다(그림 3-D).

    III. 암체의 지형적 특징과 다각형 균열

    앞서 논한 바와 같이 암체는 화강암으로 구성되어 있으며 위치에 따라 서로 다른 지형적 특성을 보여 주고 있다. 정상부 인근의 경우 풍화대 위로 상당히 풍화가 진행된 화강암 암체가 토어의 형태로 노출되어 있다. 특히 일부 암괴의 경우 구형에 가까운 형태로 풍화되었으나 암괴마다 서로 다른 풍화 정도를 보여 주고 있다(그림 4-A).

    풍화대 상부에 노출된 토양층 하부에는 새프롤라이트가 나타나고 있다(그림 4-B). 한편 새프롤라이트 상부에는 적색의 토양이나 제자리에서 풍화된 것으로 보이는 토양층은 드러나지 않았으며, 유기물이 함유된 흑회색 토양이 얇게 피복하고 있다. 해당 새프롤라이트 층 역시 두꺼운 편은 아니며 1m 이내의 얇은 새프롤라이트가 나타난 뒤 기반암대인 풍화 전선대가 나타나는 것으로 볼 수 있다(그림 4-C). 이는 고창 내륙에 대한 이전의 연구에서 보고된 5~8m 두께의 풍화대와는 상당한 차이가 있는 것으로 보아(김하정, 2005), 주변 지역에서 관찰되는 지표면 인근의 토양 단면과는 다르다고 할 수 있다. 이를 기반으로 보면 현재의 토양층 위로 상당한 두께의 풍화층이 제거된 것으로 보이며, 그 결과 새프롤라이트 층이 지표면 가까이에 나타나는 것으로 보인다.

    노출된 기반암 암체의 수직 곡벽에는 수직적인 절리를 포함하는 절리의 발달이 상대적으로 미약하며 절리를 따라서는 소규모의 동공이 발견된다(그림 4-D). 이러한 동공은 절리를 따라 풍화가 진행되면서 형성된 것이며 이들이 지하에서 형성된 뒤 노출되면서 타포니의 발달에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다(Twidale and Bourne, 2008; Roque et al., 2013). 한편 이러한 암체의 정상부에는 판상 절리가 발달해 있으며 보른하르트에 가까운 암봉의 형태가 나타난다(그림 7-A). 암봉의 정상 부분에서는 특이한 미지형 이 관찰되지는 않으나 암석 표면에서 다른 물질들은 제거되고 석영이 주로 나타나고 있다.

    한편 정상부의 일부 암괴와 핵석으로 보이는 암석의 표면에서는 다수의 다각형 균열(polygonal cracking)이 발견되고 있다(그림 5). 이들의 형상은 불규칙적이며 풍화층의 표면에서 3~4cm의 깊이로 나타나고 있다. 다각형 균열의 성인은 명확하지 않으며 현재 다양한 가설이 제기되고 있다. 국내에서는 화강암의 조암광물인 석영, 장석, 운모의 열에 대한 반응 정도의 차이에 따른 수축과 팽창률의 차이가 다각형 균열의 형성 가설로 이해되고 있다(전영권·손명원, 2004). 해외 연구에서는 퇴적층에서의 건열처럼 건조에 의해 기원되었다는 설, 주상 절리와 같이 냉각에 의해 형성되었다는 설, 주빙하 기후 지역의 구조토처럼 동결 건조되었다는 설 등이 있지만, 균열의 깊이가 깊지 않고, 온난 지역에서도 나타나기 때문에 이러한 주장들은 설득력이 떨어진다(Robinson and Williams, 1989). 대신 다각형 균열들이 암석의 가장 외곽 부분 혹은 외부에 형성된 각의 불평형 상태, 표면층들의 수축에 의한 발달을 고려해볼 수 있다. 암석의 표면층에 횡압력이나 장력이 발생하면 불균형이 형성되고, 이러한 압력에 의해 암석 표면은 변형된다. 만약 횡압력이 주원인인 경우 좌굴(buckling, 座屈)이나 균열을 경계로 암석들의 겹침 현상이 나타나게 되는데, 연구 지역에서는 이러한 현상이 발견되지 않았다. 반면 특정 부분을 중심으로 수축 작용이 발생할 경우 장력이 작용하게 되는데, 이 경우 풍화각에 균열이 형성될 수 있다. 또한 일반적으로 암석은 장력보다 횡압력에 대한 저항이 더 크기 때문에 균열의 원인이 장력일 가능성이 높다. 장력은 핵석의 풍화 또는 부피 감소로 인해 발생할 수 있으며, 핵 부분의 수축과 외부 각의 붕괴, 핵석 부분의 팽창과 그로 인한 외부 압력으로 풍화각에 균열이 만들어질 수 있다. 그리고 풍화각 구성 물질의 팽창 역시 내부 압력 이외의 요소라 할 수 있다(Twidale, 1982).

    암석 표면의 균열 부분은 황갈색에 가까운 색을 지니는데 비하여 내부는 회백색으로 나타나고 있으며 내부 역시 상당히 풍화된 것으로 관찰된다. 다각형 균열들은 암괴 가운데 1개면 또는 2개 면에서 나타나나고 있으며 나머지 부분에는 회색의 기반암면이 노출되고 있다. 균열은 암괴에 따라 다른 모습을 지니고 있으나 암괴의 모서리 부분을 중심으로 균열의 깊이가 깊어지고 폭이 넓어지고 있다. 이들의 경우 넓어진 균열의 기저부는 둥근 형태를 지니고 있으며 균열 가운데 일부는 회백색의 암체까지 연장되어 있는 것으로 나타났다. 암체의 침식은 주로 다각형 균열의 표면에 형성된 갈색 부분이 제거되는 과정이 주를 이루는 것으로 보이며(그림 6-A, B), 이 경우 암석 표면의 균열 형성부가 제거되면서 회백색의 암체가 노출되고 전반적으로 부드러운 표면으로 변하는 것으로 나타나고 있다. 회백색 암체는 주로 입상 붕괴를 통해서 제거되며 암괴의 형태로 떨어져 나가는 경우는 드문 것으로 보인다. 이에 비하여 갈색의 균열 형성 부분은 균열이 형성된 부분 자체가 떨어져 나가는 형태의 침식이 발생하고 있는 것으로 나타난다. 특히 균열이 형성된 부분이 제거된 뒤 회백색 부분이 빠르게 침식되는 것으로 보여 일종의 보호 기능을 수행하는 것으로 볼 수 있다(그림 6-C, D). 이러한 과정은 균열과 풍화에 의해 형성된 갈색의 풍화각이 여러 조각으로 분리되고 나면, 수분의 침투 및 동결·융해 작용, 식물의 정착으로 인한 생물학적 작용 등이 결합하여 암체로부터 분리·제거되는 것으로 보인다. 여기서 풍화에 의해 형성된 풍화각은 수분을 보관하고 이동시키는 통로 역할을 하여 다시 풍화에 영향을 줄 가능성이 있다. 이 경우 제거되는 풍화각의 두께는 균열의 깊이와 거의 같은 것으로 관찰되나, 풍화각의 두께가 균열 성장의 하부 한계로 작용하는 측면도 있다.

    또한 일부의 경우 판상 절리 형태로 암석 표면과 평행하게 형성된 균열이 수직적인 균열과 결합하여 제거되기도 한다(Robinson and Moses, 2011). 이와 같이 균열이 형성된 면이 제거되고, 균열이 없는 면이 노출되면 이 면에 다시 새로운 균열이 성장하는 것을 관찰할 수 있었다. 한편 다각형 균열의 크기는 다양하게 나타나고 있으나, 여러 균열이 서로 결합하는 양상은 나타나지 않았다. 따라서 균열이 지속적으로 성장해 나가는 것이 아니라 먼저 기본적인 형상이 만들어진 뒤에 암석 표면에서부터 내부로 깊어지는 것으로 추정된다. 균열은 초기에 머리카락 정도의 너비에서 시작되며 시간이 경과함에 따라 균열 내부의 벽 부분이 풍화로 인해 넓어지게 된다. 어떤 경우에는 균열 내에 포획된 작은 입자들에 의해 쐐기 작용이 발생하여 균열의 폭이 넓어지기도 하는데 이를 먼지 균열(dirt cracking)이라 한다(Ollier, 1965). 이전의 연구에 의하면 균열의 규모는 조암 광물의 입자 크기에 독립적이며(Williams and Robinson, 1989), 일반적으로 암석의 조성이 균일한 경우에 기하학적 형상의 균열이 만들어지고, 암석 조성이 변화하면 그 형태도 변화하는 것으로 알려져 있다(Branagan, 1983).

    IV. 반발 강도의 측정

    암석면의 강도는 슈미트해머를 이용하여 측정되었다. 슈미트 해머를 이용한 강도 측정 방식은 기반암이 지니고 있는 전반적인 반발 강도를 측정하는 것으로 풍화의 진행으로 인한 암석 강도의 변화, 각 지점간의 비교에 널리 사용되는 기법이다(Trenhail, 2002). 국내의 경우 하천의 포트홀 형성에 관여하는 암석 강도의 측정(김종연, 2012), 해안 파식대의 암석 강도 추정(최광희 등, 2013), 화강암 암체에 발달한 풍화 와지와 암석 강도의 측정(김종연, 2013), 암괴류의 강도 추정(유영완·김종연, 2014)에 사용되었다.

    이에 본 연구에서는 화강암 암체의 정상부에서 현재 해수의 영향으로 물질의 제거가 일어나는 부분까지 5개 구역을 설정한 후 슈미트해머를 이용하여 암석의 강도를 측정하였다(그림 1). N type Hammer인 Kamekura Seiki사의 α-650-x Test hammer를 이용하여 반발 강도를 측정하였고, 각 지점의 측정 회수는 모두 25회 이상으로 하였다. 측정을 진행할 때 각각의 측정 지점은 타격이 이뤄지는 봉의 직경 이상의 거리를 유지하였다(ISRM, 1978). 일부 연구자들은 풍화각이 두꺼운 경우 연마를 통해 풍화된 부분을 제거하고 측정하여야 정확한 값을 얻을 수 있다고 주장하고 있으나(Černá and Engel, 2011), 연구 목적이 암석의 순수한 강도측정이 아닌 지형적 변화에의 암석 반발 강도의 영향이므로 암반의 풍화층 제거 작업을 실시하지 않았다. 통계처리에서는 최고값과 최저값에 속하는 각각 2개의 극값은 제거하고 다른 21개의 값만을 사용하였다.

    반발 강도는 총 5개 지점에서 이뤄졌다(그림 1). 1번 측정 지점(GMS-1)은 암체의 정상 부분 가운데 판상절리가 나타나는 단일 암체의 정상 부분이다(그림 7). 기반암에는 적색의 산화 물질 층이 나타나고 있으며 일부 불규칙한 면이 나타나고 있다. 이러한 형상은 암체의 하부(그림 4-D)에서 나타나고 있으며, 가막도의 해안 대지에 노출된 암벽에도 나타나고 있다. 이들은 풍화가 많이 진행된 층의 하부에 있던 것으로 추정된다. 다른 부분에는 풍화된 암석이 박리 형태로 제거되는 현상이 나타나고 있으며(그림 7-C). 풍화층이 완전히 제거되지 않은 부분에는 앞서 논의한 적색의 적색 산화물 층과 그 상부의 풍화된 화강암층이 나타나고 있다(그림 7-D). 이 부분에서는 암석의 화학적인 분석을 위한 시료들(GM 1-1, GM 1-2, GM 1-3)이 채취되었다.

    2번 측정 지점(GMS-2)은 고도 상으로는 1번 지점보다 높은 부분으로 주변에 다각형 균열이 나타나고 있으며 측정이 이뤄진 면은 다각형 균열이 나타나는 암체 하부이다. 3번 측정 지점(GMS-3)은 2번 측정보다 약 3~4m 하부의 기반암면으로 일부 풍화된 기반암의 산화 물질층이 와지의 바닥 부분에 나타나고 있다. 4번 측정 지점(GMS-4)은 1번 시료보다 5~6m 정도 하부의 면으로 일부 풍화 층이 남아있는 기반암면이다. 이 부분은 만조시의 해수면 보다 3m 이상 높은 부분의 면으로 일반적인 상황에서 해수의 영향을 받지는 않는 것으로 판단된다. 이 부분에서는 GM3-2 시료가 채취되었다. 5번 측정 지점(GMS-5)은 측정이 이뤄진 가장 하부의 면으로 기반암의 풍화 흔적이 미미하게 나타나며 전반적으로 생경한 모습을 지니고 있다. 이 부분은 4번 측정 지점보다 1m 정도 하부로 만조시에도 해수에 의해 침수되지는 않으나 강한 강도의 폭풍우 등에서는 직접 영향을 받을 것으로 예상된다. 이 부분에서는 GM3-5 시료가 채집되었다.

    유의 수준 99% 수준에서 가막도 암체의 평균 반발 강도는 48.59로 나타나 상당히 풍화가 진행된 화강암 암체로서의 특징을 보인다고 볼 수 있다. 강원도의 백악기 화강암 해안 암체의 조사 결과(김종연, 2013), 풍화 와지가 발달한 수직 곡벽에 가까운 부분의 경우 42~48수준의 반발 강도가 나타났으며 풍화 미지형이 발달하지 않은 수평에 가까운 기반암면의 경우 51.3정도의 값을 보인 바 있다. 물론 서로 다른 시기에 형성된 암석이며 직면한 풍화 환경이 다르다는 면에서 직접 비교의 의미는 크지 않아 보인다. 그러나 유의해야 하는 부분은 전반적인 고도에 따른 암반 강도의 변화 경향성이다. 동해안 암체의 경우 상부에서 하부로 가면서 풍화의 강도가 강한 것으로 나타나는데 반하여 본 연구 지역에서는 암체의 상부에서 하부로 가면서 암체의 강도가 높아지는 것으로 나타나고 있다.

    상부에 해당하는 GMS-1지점과 GMS-2지점의 반발 강도는 t-검정(99%) 결과 통계적으로 동일한 집단으로 나타나고 있으며(t = 0.76, df = 36.24, p = 0.94), GMS-2와 GMS-3역시 통계적으로 동일한 집단으로 볼 수 있다(t = -0.72, df = 32.66, p = 0.48). 전체적으로 본다면 1,2,3은 동일한 집단이라고 볼 수 있으며 전체적으로 40~42정도의 반발 강도를 지니는 것으로 나타나고 있다. 그러나 GMS-3과 GMS-4사이에는 상당한 차이가 드러난다. 일단 평균 값에 있어서 42내외와 57내외로 차이가 나타나며 검정 결과 역시 상당히 다른 집단임이 나타났다(t = -10.0, df = 35.45, p = 0.00). 또한 4지점과 5지점 사이에도 통계적인 차이가 있다(t = -5.18, df = 33.18, p =0.00). 또한 GMS-3과 GMS-5역시 상당한 차이가 있다. 이러한 반발 강도의 차이의 발생 가운데 암석의 조성 차이가 미치는 영향을 알아보고 또한 암석의 다각형 균열이 형성된 부분의 화학적 조성 차이를 알아보기 위하여 XRF 분석을 실시하였다.

    V. 암석의 화학 분석

    암체의 전반적인 화학적 속성과 암체의 다른 부분의 차이, 다각형 균열이 형성된 부분의 특성과의 비교 등은 암체 노출부의 형성에 대한 정보를 제공할 뿐만 아니라 다각형 균열의 형성 조건 등에 대한 정보를 제공할 수 있다. 본 연구에서는 암괴의 풍화각과 다른 부분 그리고 다각형 균열 형성 부분의 화학적인 조성의 차이를 XRF(X-ray fluorescence)를 이용하여 분석하였다. 분석 결과는 산화물들의 비율을 시료 내의 중량비(wt%)로 표현된다(Sak et al., 2004). 또한 화학적 풍화의 정도는 구성 광물들 간 조성비의 변화를 통하여 보여주는 것이 일반적이며(Kim et al., 2012), 다양한 풍화의 지표들이 제시되어 왔는데 그러한 경우에는 화학 조성의 중량 비를 원자의 구성비로 정리한 몰비(mol ratio)를 활용하게 된다(Gupta and Rao, 2001). 또한 특정한 구성 물질의 비를 이용한 A-CNK 삼각도와 A-CNK-FM 삼각비를 이용하여 풍화의 진행 정도를 표현하여 비교하는 것이 일반적이다. 암석의 화학적 조성을 파악하기 위하여 현장에서 시료를 채취한 뒤 충북대학교 공동실험실습관이 보유한 WD(Wavelength Dispersive)-XRF 방 식 장 비 인 Rigaku사의 ZSX Primus-II를 이용하여 분석하였다. 각 원소의 검출은 중광물의 경우 Scintillation counter(SC) 방식을, 경광물의 경우 Flow proportional counter (F-PC) 방식을 이용하였다. 풍화와 관련되어 분석이 이뤄지는 조암 광물로는 주 광물로 산화물인 SiO2, Fe2O3, Al2O3, K2O, MgO, CaO, Na2O 등 7가지 광물과 소량 원소인 MnO, P2O5, redox 민감 광물인 V, Cr, As, Sb, U 그리고 희토류인 La, Ce, Sm, Eu, Tb, Yb가 있으며(van der Weijden and van der Weijden, 1995), 본 연구에서는 산화물 이외의 다른 산화물과 원래의 원소들을 추가 분석하였으나, 희토류 분석은 하지 않았다.

    본 연구에서는 크게 3개 부분에서 화학 분석용 시료를 채취하였다(그림 1). 먼저 암체가 노출되어 있으며 판상 절리의 발달이 일어난 단일 암체의 정상 부분으로 모두 4개 지점에서 시료를 채취하였다(GM1-0, GM1-1, GM1-2, GM1-3). 암반 강도 조사에서 GMS-1이 여기에 해당한다. 이 지점에 대한 조사를 통하여 암체 상부의 화학적 조성을 밝히고자 하였다. 두 번째로 다각형 균열이 형성된 부분에서 6개의 시료를 분석하였다(GM2-0, GM2-1, GM2-2(T), GM2-2(B), GM2-3, GM2-4) 특히 다각형 균열의 표면부와 하부에서 각각 시료를 채취하여 특성을 파악하고자 하였다. 이 부분을 통하여 풍화각 부분의 화학 조성과 암체부분의 화학적 조성의 차이를 비교하고자 하였으며, 앞서 논한 바와 같이 균열의 표면과 하부의 특성을 비교하였다. 마지막으로 풍화각이 형성되지는 않았으나 풍화 흔적이 나타나는 암체의 중간 및 하부 부분에 대한 조사를 실시하여(GM3-1, GM3-2, GM3-3, GM3-4, GM3-5) 이를 암체의 상부 및 다각형 균열 발생부분과 비교하였다. 다만 포획암 부분인 GM3-4의 경우 비교 분석을 위한 자료로 활용하였다.

    암체의 상부에 보른하르트 형상으로 노출된 정상부의 4개 시료 가운데 GM1-0(그림 8-A)은 정상부의 석영 암맥이 통과하는 부분 근처에 형성된 소규모 풍화와지(깊이 1cm) 주변에서 채취한 시료로 암괴의 가장 표면 부분의 박리 형태로 분리되는 특성을 반영하는 것으로 판단된다. GM1-1(그림 8-B) 역시 유사한 지형적 환경으로 풍화 와지의 가장자리 부분에 해당한다. GM1-2(그림 8-C)는 판상 절리 부분으로 앞의 두 시료에 비해서는 상대적으로 외곽 부분에 해당한다. 앞서 논의된 GM1-0과 GM1-1은 GM1-2의 판상 절리 부분의 연결 부분이 제거된 뒤에 노출되어 풍화가 진행된 것으로 보인다. GM1-2의 하부 역시 흑색의 토양과 유기물이 집적되어 있는 것으로 나타나며 2-3mm 정도의 간격이 벌어진 상태이다. GM1-3은 다른 부분에 비하여 약간 돌출된 부분으로 플레이크(flake) 형태로 제거되는 곳의 윗부분에 해당한다(그림 8-D). 주변 부분은 풍화 이후에 물질이 제거되고 시료 채취 부분이 잔류하고 있는 것으로 보인다.

    GM2 시료들은 앞서 설명한 바와 같이 핵석과 기반암에 발달한 다각형 균열 부분의 갈색 풍화각 부분이다. GM2는 GM1에 비하여 2m 정도 높은 부분으로 핵석과 기반암의 일부에 다수의 다각형 균열이 나타나고 있다. 다각형 균열은 층상으로 나타나고 있으며 상부의 층이 제거 된 뒤에 하부에도 다시 나타나는 경우가 있다. 상부의 균열이 제거된 뒤 나타나는 아래의 층의 두께는 훨씬 얇은 것으로 나타나고 있다. 이러한 층상의 제거는 이전의 암괴류에 발달한 다각형 균열에 대한 연구에서도 보고된 바 있다(유영완·김종연, 2014).

    GM2-0, GM2-1, GM2-2은 동일한 부분에서 채취한 시료로 GM2-0이 가장 상부, GM2-1은 중간 부분, GM2-2는 GM2-1의 우측 하부를 의미한다(그림 9-A). GM2-2는 다시 표면을 이루는 부분(GM2-2(T))와 하부의 새로운 다각형 균열과 만나는 부분(GM2-2(B))으로 구분하여 분석하였다. 즉 다각형 균열의 표면과 심부에 대한 비교가 될 것으로 판단된다. 상부의 각이 모두 제거되고 하부의 각에 형성된 다각형 균열 부분으로부터 GM2-3시료가 채취되었다(그림 9-B). 이 부분의 시료는 풍화각의 하부 특성과 유사할 것으로 판단되며 풍화각 하부의 회백색 부분의 특성을 일정 부분 반영할 것으로 보인다. GM2-4 역시 GM2-3과 유사한 환경으로 얇은 풍화각과 회백색 부분이 섞인 부분으로 이 부분 역시 상부의 풍화각이 제거되고 난 뒤 잔류한 것으로 판단된다(그림 9-C). 이 부분 역시 풍화각 하부의 특성을 나타낼 것으로 보인다. 앞서 논한 바와 같이 풍화각 표면들의 색은 적갈색이며 입자들의 간격이 넓은 것으로 나타난다. 이 간격은 화학적 풍화 과정과 이후의 작용으로 입자들이 빠져 나가면서 생긴 것으로 보인다(그림 9-D). 이 잔류 부분의 경우 전반적으로 풍화에 대한 저항 정도가 큰 것으로 판단된다.

    구릉 하부로 내려가면서 풍화각의 출현 빈도는 급격히 감소하며 핵석과 암체의 표면에 발달한 다각형 균열의 상당수가 제거되는 양상을 보이고 있다(그림 10-A). GM3-1은 상대적으로 구릉에서 낮은 위치에 속하는 부분의 풍화각으로 다각형 균열의 일부이다. 이들의 색상은 상부와 같은 적갈색이 아닌 흑회색에 가까우며 풍화각의 안쪽 기반암에는 적색의 산화 흔적이 나타나고 있다. GM3-2는 기반암의 평탄한 노출 부분으로 표면에 풍화 흔적이 나타나고 있으나 풍화각 등은 관찰되지 않으며(그림 10-B), 상대적으로 생경한 암체로 보인다. 이 부분은 반발 강도 측정에서 4번 지점으로 표현된 바 있다. GM3-3은 GM3-2에서 하부로 연결되는 면의 사면부에 노출된 암편 시료로 풍화의 흔적은 보이지 않는다(그림 10-C). 전반적으로 GM 3-2와 3-3은 노출된 하부 기반암의 특성을 나타내는 것으로 보인다. GM3-4는 풍화된 기반암에 노출된 포획암 부분으로 인근 부분에 비해 돌출되어 있다(그림 10-D). 이 시료는 암체의 기반암 특성을 보여주는 시료는 아니나, 암석 차에 따른 풍화 및 풍화 산물의 제거와 관련 있는 것으로 판단된다. 물론 기반암 내의 일부 물질들은 석영질이거나 혹은 풍화에 강한 부분으로서 다른 화강암 부분과는 풍화 양상이 다르게 나타나기도 한다(그림 10-B, C, D).

    GM3-5는 하부에 풍화 흔적이 일부 나타나는 기반암면으로 철분의 산화에 따른 적색의 흔적이 나타나며 일부에서는 풍화에 따른 얕은 선형(線形)의 와지들이 나타나고 있다(그림 11-A). 산화 흔적 등으로 보아 과거 풍화를 받은 뒤 표면의 물질이 제거된 것으로 보이나, 앞에서 논의한 구릉의 정상부 등에 비해서는 풍화의 진행 정도가 낮은 것으로 보인다.

    본 연구 지역의 시료 분석 결과는 (표 2)에 제시되었다. 지각 평균값을 제시하여 비교 기준으로 삼기도 하나 동일한 암체 내에서 얻어진 시료에서도 상당히 큰 편차가 나타나고 있어 이를 일반적인 기준으로 적용하는 데는 상당한 무리가 있는 것으로 판단되어 이를 제시하지 않았다. 풍화 관련 지수 역시 다수의 지수가 존재하나, 연구 목적상 CIA(Chemical Index of Alteration)만을 채용 하였다. 본 연구 지역의 시료 분석 결과 중량비의 측면에서 보면 포획암체인 GM3-4를 제외한 모든 시료들이 60% 이상의 SiO2 함량비를 지니는 것으로 나타났으며, 일부 시료 간에는 상당한 격차가 나타나고 있다. 집단별로 본다면 GM1 부분의 SiO2함량이 전반적으로 높은 것으로 나타나고 있으며, 다각형 균열 부분인 GM2와 하부인 GM3 부분이 함량비가 낮은 것으로 나타나고 있다. 그러나 Fe2O3과 CaO의 경우에는 이와 반대의 경향성이 나타나고 있으며, Al2O3, MgO, MnO 등은 큰 차이를 보이고 있지 않다. 화학적 풍화지수는 GM3에 비하여 GM1이 전반적으로 높은 것으로 나타나고 있으며 이는 하부가 상부에 비해 화학적으로 덜 풍화된 것으로 볼 수 있다. GM2의 경우 각 지점에 따라서 상당히 다른 결과를 보여 주고 있다. GM2 중 풍화각 부분의 특징이 잘 드러나는 GM2-0, 1, 2의 경우 풍화각이 제거되는 단계에 나타나는 풍화각의 기저 부분과 하부의 2차 균열의 특성이 드러나는 GM2-3과 4에 비하여 높은 값을 보여주고 있다. 보다 정확한 분석을 위하여 몰비를 이용한 분석을 실시한 결과는 상당히 복잡한 결과를 보여준다. SiO2의 함량비와 주요 원소들의 함량비의 관계를 살펴보면 Al2O3 등 대부분 원소들이 전반적으로 특정한 연관을 찾기 어려운 것으로 보인다. 이러한 복잡한 관계는 세 가지 다른 환경에 노출된 세 시료 집단의 혼합에 의한 것으로 보이며, 이를 해결하기 위하여 부분별로 화학적 조성을 살펴보았다.

    먼저 암석 구릉의 정부인 GM1 집단(그림 1, 그림 12)은 각 시료마다 다른 특성을 보여준다. 기반암 정부의 석영 암맥 인근의 풍화 와지인 GM1-0의 경우 연구 지역 시료들 가운데 가장 높은 SiO2 함량을 보이고 있다. 이는 원래 암석의 성격을 부분적으로 반영하는 면이 있는 것으로 보인다. 시료 인근의 석영 암맥이 관입하는 과정에서 주변의 암석에 영향을 주었을 가능성이 있으며 이로 인하여 주변 시료들과는 다른 조성을 나타낼 가능성이 크다. 이에 비하여 GM1-1과 GM3은 각각 와지 형성부의 측면, 돌출한 풍화 잔류물이라는 면에서 형상적으로 다른 편이나 조성상의 유사성은 기대할 수 있다. 이들의 SiO2 함량은 유사하며, 잔류 물질로 볼 수 있는 Fe2O3과 MgO의 함량은 각각 1.98과 1.81을 나타내고 있다. Al2O3 역시 각각 10.05는 10.23을 나타내고 있다. 이는 GM1-0의 Fe2O3과 Na2O 함량비 0.7, GM1-2의 함량비 1.44보다 높은 것으로 볼 수 있다. 두 시료의 Al2O3 함량비는 각각 9.86과 9.49로 나타나고 있다. 즉 등질적인 암석이 풍화된 것으로 가정할 경우 GM1-1과 GM1-3은 풍화 진행으로 인한 잔류물로서의 성격이 강하다는 판단을 할 수 있다. 한편 화학적 풍화 과정에서 제거되는 대표적인 물질인 CaO과 Na2O의 경우 GM1-0는 5.00, GM1-2는 3.95를 나타내는데 비하여 GM1-1은 5.57, GM1-3은 5.7을 나타내고 있다. 이러한 자료들을 종합하여 A-CNK 삼각도에 도시한 결과 GM1-1과 1-3은 거의 동일한 성격을 지니는 것으로 나타나고 있으며 다른 두 시료는 성격이 다른 것으로 나타나고 있다. A-CNKFM 삼각도에서는 GM1-0을 제외한 다른 시료들은 서로 유사한 것으로 나타나고 있다. 시료들의 화학적 조성이 보이는 특성에 따라 전반적인 화학적 풍화 정도는 판단하기 어려운 것으로 보인다. 양이온 별로 비교하였을 경우 Al+와 Si+사이에는 상관관계가 전혀 나타나지 않았으며 다만 연구가 이뤄진 다른 화강암 암체의 분석 결과(김종연 등, 2014)에 비한다면 본 연구 지역의 암체 정상부는 철분의 함량이 높은 편이다. 이는 본 연구 지역에 나타나는 산화 흔적과도 관련된 것으로 보인다.

    한편 암체 하부의 시료들인 GM3 중에서 GM3-4는 분석에서 배제하였다. 이전에 논한 바와 같이 Al2O3의 함량비는 GM1에 비하여 낮은 것으로 나타나고 있으나 SiO2와의 관계는 명확하게 나타나지 않는다(그림 13). 다른 성분들의 변화 경향성 역시 일정한 관계를 상정하기는 어렵다. 다만 CaO의 경우 다른 성분들과는 다르게 SiO2의 함량이 증가함에 따라 증가하는 경향이 나타난다. 이러한 복잡한 경향성은 동해안의 고성 지역에 나타나는 화강암 암체에 대한 연구 결과에서도 나타나고 있다(김종연 등, 2014). Fe2O3과 Al2O3의 함량비로 본다면 이 부분에서도 이 연구 지역의 암체 상부에서와 마찬가지로 이전 연구 지역에 비하여 높은 함량비를 보이고 있다. 이 역시 암체의 표면에서 관찰되는 산화 흔적과 연관된 것으로 보인다. 산화 흔적이 기반암 자체에서 형성된 것인지 아니면 풍화 과정에서의 물질 이동 과정에서 형성된 것인지는 명확하지 않다. 다만 풍화 이후 노출된 풍화 전선대 면을 형성하는 부분에서는 산화 흔적이 위치와 관계없이 관찰되는데 비하여(그림 8, 그림 11) 풍화각이 제거된 부분의 하부에서는 나타나지 않으며, 생경한 것으로 보이는 다른 암석 부분에서는 관찰되지 않는다는 점에 주목해야 할 것으로 판단된다. 이들로 본다면 기반암 자체에 기원하는 것이라는 보다는 풍화 전선대에 집적된 물질층의 하나로서 산화 흔적이 나타나는 것으로 볼 수 있다. 물론 Fe2O3나 Al2O3의 경우 다른 조성 물질에 비하여 이동성이 상당히 떨어지기 때문에 잔류하는 가능성이 높지만 암체 내의 수분의 유동으로부터 독립적이지는 않다고 보는 것이 타당할 것으로 판단된다(Skarpelis, 2006; Yoshida et al., 2011). 만일 다량의 물질 이동이 발생하였다면 어느 정도의 두께를 지니는 각(crust)의 형태로 발전할 가능성이 크지만 그렇지 않은 경우 얇은 피막(coating)이 형성되는 것이 일반적이다(Sanchez et al., 2008; Xu et al., 2010). 연구 지역에 나타나는 적색의 산화 흔적 역시 피막의 일종을 판단할 수 있을 것으로 보인다.

    한편 두꺼운 풍화각이 발견되는 부분인 GM2의 경우 풍화각의 동일한 부분에서 수집된 풍화각의 시료들과 다른 시료들의 특성을 비교하였다(그림 14). 앞서 설명한 바와 같이 GM2-0은 표면에 드러난 풍화각의 가장 위 부분이며, GM2-1은 중간 부분, GM2-2는 GM2-1의 우측 상단 부분에 속한다. 이들은 모두 동일한 다각형 균열이 형성된 풍화각에서 채취되었다(그림 9-A). GM2-0와 GM2-3의 경우 다른 부분에 비하여 Al2O3의 함량비가 낮은 것으로 나타나고 있으며 GM2-4는 SiO2의 함량비가 낮은 것으로 나타나고 있다. GM2-0, 2-1, 2-3의 경우 SiO2의 함량비가 매우 비슷한 상태로 나타나고 있으며 다른 성분들의 차이 역시 크지는 않다. 다만 GM2-3은 Na2O의 함량비가 낮은 특성이 있으며, GM2-0의 경우 K2O의 함량비가 높은 특성이 있다. Na2O과 K2O의 비율을 보면 GM2-0와 GM2-1은 나트륨의 함량비가 더 큰데 비하여 GM2-3은 유사한 수준을 보이고, GM2-4는 K2O의 함량비가 더 큰 것으로 나타난다. 유의한 것은 GM2-2의 표면부 시료와 기저 부분 시료의 차이이다. GM2-2(T)의 경우 K2O비가 더 높은 데 비하여 GM2-2(B)는 두 시료의 비율이 유사하다. 표면부의 시료가 더 강한 용탈 환경에 직면한다는 점과 양이온 용출 순서 등으로 본다면 풍화 진행에 따라서 Na2O의 비중은 낮아지고 K2O는 상대적으로 비중이 커지는 것을 기대할 수 있다. 다른 한 지표로 생각해 볼 수 있는 것은 CaO이다. CaO의 경우 GM2-2의 시료들은 상대적으로 낮은 값을 보이는데 비하여 다른 시료들은 상대적으로 높은 값을 보인다. 특히 철분과 비교할 경우 GM2-2는 철분과 유사한 수준을 보이지만 다른 시료들은 CaO의 함량비가 훨씬 높은 것으로 나타나고 있다. 한편 GM2의 경우 전반적으로 화학적 조성과 화학적 풍화 정도에서 암체 정상부와 암체 하부의 중간 정도 수준을 보여 주는 것으로 볼 수 있다. SiO2의 경우 정상부에 비하여 낮아지는 경향이 나타나고 있으며 Fe2O3은 높아지는 경향이 있다. Na2O와 Al2O3는 유사한 수준을 보이고 화학적 풍화 지수는 낮아진다. 다만, GM-2-2는 다른 부분들에 비하여 상당히 높은 수치를 보여주고 있다.

    VI.토 론

    암석의 반발 강도는 기반암 구릉 형태로 나타나는 암체의 정상 부분(GMS1, 2)에서는 낮은 반발 강도가 나타나고 있으며, 현재의 해안 침식 과정에 의한 물질 제거가 이뤄지고 있는 하부(GMS 4, 5)에서는 높은 반발 강도가 나타나고 있다. 이는 알려진 해안에 위치하는 암체의 반발 강도 변화와는 다른 경향성을 보여 준다. 이전의 연구(김종연, 2013)에 의하면 해안의 다양한 미지형이 형성되는 환경에서는 해안에 가까운 부분의 암체의 강도가 약하고, 미지형이 발달하지 않은 정상부의 완경사 부분은 반발 강도가 강한 것으로 나타나고 있다. 본 연구 지역의 경우 타포니와 같은 미지형의 발달이 거의 관찰되지 않으며 일부에서 2~3cm 깊이의 얕은 풍화 와지들이 나타나고 있다. 특히 수직면의 경우 절리의 발달이 미약한 편이며 절리선을 따라서 얕은 선형 와지가 형성되어 있으며 지하 기원의 공동이 형성되어있기는 하지만 전반적으로 불규칙한 면 이외의 특이한 미지형은 관찰되지 않는다. 이러한 특성은 현재 조간대에 위치하는 해안 대부분에서도 동일하게 나타나고 있다(그림 15-A, D). 해안 대지 부분을 노출된 암체의 가장 하부로 본다면 암반 전체적으로 동일한 현상이 나타나는 것으로 볼 수 있다. 이 부분은 풍화전선대의 수직적인 면으로 볼 수 있으며 풍화의 진행 과정에서 철분 등과 같은 물질이 집적되면서 풍화 산물층과 상대적으로 생경한 기반암 사이에 일종의 산화 피막층을 형성한 것으로 보인다. 피막층은 기반암 부분과 풍화 산물층 간의 물질의 순환이나 이동을 차단하는 역할을 하는 것으로 추정되며 풍화대로부터 추가적으로 공급된 물질 가운데 일부가 집적된 것으로 보인다. 이러한 결과 풍화층 하부 기반암의 강도는 유지되거나 강화되는 것으로 보인다. 하부의 경우 풍화 산물층이나 풍화 잔존물이 거의 발견되지 않는데 비하여, 암체 상부의 경우 아직 풍화 산물이 남아 있다. 따라서 상부의 경우 풍화 층이 제거되지 않은 관계로 반발 강도가 낮은 것으로 보이며, 하부의 경우 풍화층이 제거되고 상대적으로 생경한 부분이 노출되어 높은 반발 강도가 나타나는 것으로 보인다. 또한 미지형의 발달이 미진한 부분 역시 상당한 영향을 준 것으로 판단된다. 우리나라의 서해안에 나타나는 해식애나 파식대의 특성으로 과거의 풍화대가 완전히 제거되지 않고 잔존하는 상황이 지적되기도 한다(권혁재, 1999). 권혁재(1999)는 서해안의 파식대가 최후 간빙기의 해수면과도 관련이 깊다고 보았으며 후빙기 해수면 상승 이후 풍화대가 제거되는 수준으로만 변형을 받은 것으로 판단한 바 있다. 인근 해역에 대한 퇴적층 심도에 대한 연구에 의하면 연구 지역 일대의 기반암을 피복하는 퇴적층의 두께는 해안에서 10-15m이고 외해로 가면서 25-30m로 두꺼워 지는 특징이 나타나고 있다. 이 퇴적층은 3개의 탄성파 층으로 나누어지며 탄성파층 I 과 II의 경계면에는 부정합면이 발달해 있고 이 부정합면은 최후 빙하기에 형성된 것으로 추정되고 있다. 현재의 퇴적층 면 하부에 있는 층의 퇴적 시기는 최소한 MIS 3이거나 MIS 5로 추정된다(한국지질자원연구원, 2006). 한편 퇴적층의 하부에 있는 기반암의 일부는 퇴적층 위로 돌출되어 있으며, 이들이 지표에 노출되었던 저 해수면기에 풍화 작용을 받았던 것으로 추정된다.

    연구 지역에 나타나는 특징적인 미지형은 다각형 균열이다. 다각형 균열은 지중 풍화로 형성된 풍화각의 균열 현상으로 우리나라의 경우 주로 화강암 암괴의 표면에 발달하는 것으로 보고되어 왔다. 해안 암괴의 경우에는 보고 사례가 아직 없으나, 본 연구 지역에서 다수가 출현하고 이에 대한 화학적 분석이 이루어졌다. 다각형 균열이 나타나는 부분은 구릉 정부 인근의 핵석 형태로 노출된 암괴들과 낙하한 뒤 암체의 하부에 머무르는 것으로 보이는 암체들의 표면이다(그림 6, 7, 11, 15). 현장 관찰에 의하면 균열이 형성된 암괴들은 균열을 따라 추가적인 풍화나 침식이 진행되고, 풍화각 부분은 균열 부분의 침식 이후 제거되는 것으로 보인다. 이는 해수에 의하여 직접적인 침식이 발생하는 조간대 부분에 나타나는 암체에도 동일한 형태를 보이고 있다(그림 12-B, C).

    본 연구에서는 이 풍화각의 화학적 특성을 분석하였으며 표면 부분이 기저 부분에 비하여 낮은 화학적 풍화의 정도를 보여주고 있다. 직접적인 비교를 위해 이뤄진 GM2-2의 표면부와 기저부의 분석 결과 각각 CIA의 값이 각각 54.54와 55.62로 기저부의 값이 미미하지만 높은 것으로 나타났다. 물론 지수의 차이는 크지 않은 것으로 볼 수도 있으며 다른 시료들에 대한 추가적인 분석이 필요한 것으로 보인다. 비슬산 지역에서 이뤄진 분석 결과(유영완·김종연, 2014)를 본 연구와 동일한 방식으로 분석하였을 때 표면부인 BS3-1과 BS5-1은 각각 50.66, 50.88의 풍화 지수를 보인데 반하여 BS3-2와 BS5-2는 각각 51.29, 53.52의 값을 보였다. 이로 미루어 보아 풍화각의 표면에 다각형 균열이 형성되는 경우, 표면 부분에 비하여 기저 부분이 화학적 풍화 지수가 높은 경향성이 존재할 가능성을 제기할 수 있다. 다만, 그 차이의 정도는 암석의 성격과 풍화 환경에 따라 달라질 수 있는 것으로 볼 수 있다. 한편 표면과 기저 부분의 화학적 조성 가운데 차이가 보이는 것은 SiO2의 함량이다(71.6->70.6 mol%). SiO2는 표면 부분이 높은 것으로 나타나고 있으며 이는 이전 연구의 일부 시료에 대한 몰비 분석 결과와 배치된다(유영완·김종연, 2014). 비슬산의 다각형 균열 시료인 BS3-1(표면)과 BS3-2(기저), BS5-1(표면)과 BS5-2(기저)를 재분석한 결과, SiO2의 몰비 가 각 각 73.1mol%, 73.51mol%, 74.36mol%, 78.64mol%로 나타났다. BS3의 경우 상부와 하부의 차이가 작은 것으로 나타났으나 BS5는 표면부가 기저부에 비하여 SiO2의 함량이 상당히 높은 것으로 나타나고 있다. 일반적으로 화학적 풍화가 진행됨에 따라 풍화 진행 부분의 SiO2의 비율이 점진적으로 감소하고(Sak et al., 2010), 대서양 연안의 화강암 계열 암석들에 대한 조사에서 역시 사장석의 풍화로 인한 SiO2의 감소되는 것을(van der Weijden and van der Weijden, 1995) 감안한다면, 비슬산의 결과는 이에 부합한다. 그러나 SiO2가 아닌 다른 성분들로 측정되는 화학적 풍화 지수는 풍화 정도를 다르게 나타내고 있다. 이에 비하여 본 연구 지역의 결과는 두 경향성이 유사하다는 특징이 있다. 물론 이는 두 지역의 풍화 환경의 차이에 의한 가능성이 크다고 보이며 기반암의 특성도 영향을 미친 것으로 보인다.

    한편 암체 정상부와 하부의 화학적 풍화 지수의 경우 정상부(GM1) 평균은 52.66, 하부(GM3)의 평균은 50.40으로 정상부가 99% 신뢰 수준에서 통계적으로 유의하게 차이가 있는 것으로 나타났다(t = 6.543, df = 5.813, p = 0.001). 그러나 각 성분의 차이는 통계적으로 차이가 유의하지 않거나 미미한 것으로 나타났다. CaO의 경우 정상부의 평균이 1.61, 하부의 평균이 2.38로 차이가 크지만, 정상부 값의 표준 편차가 큰 관계로 99% 수준에서는 차이가 없는 것으로 나타났다(t = -3.56, df = 6, p = 0.012). 이러한 현상은 Fe2O3(t = -2.424, df = 3.127, p = 0.052)과 K2O(t =2.25, df = 3.067, p = 0.108)에서 유사하게 나타나고 있다. 전반적으로 상부는 표준 편차가 상당히 큰데 비하여 하부는 편차가 적어 상대적으로 균질적인 모습을 보여준다.

    암석의 화학적 조성에 대한 분석 결과들을 바탕으로 가막도의 지형 발달 과정을 추론해 본다면 가막도는 화강암 암체가 지중 풍화를 받은 뒤 풍화 산물의 제거 과정을 거쳐 지표에 노출되면서 형성된 지형으로 볼 수 있다. 주변의 변성암 부분은 풍화 및 풍화 산물 제거 과정에서 화강암 암체에 비하여 낮은 고도로 저하된 것으로 보이며 화강암 부분은 도상구릉의 형태로 남은 것으로 보인다. 이 과정에서 풍화 전선의 상부에 위치하던 일부 암체와 핵석의 표면에 형성된 풍화각에 다각형 균열이 형성된 것으로 보인다. 이 다각형 균열들은 암체의 정상부에 노출된 핵석과 암체의 일부를 중심으로 형성된 것으로 보이며 다른 부분에서는 보이지 않는다. 핵석 가운데서 구릉의 하부에 노출된 새프롤라이트 내에 있는 핵석의 표면에서는 다각형 균열이 나타나지 않았다. 암체가 지표에 노출된 뒤 해수의 직접적인 영향을 받는 부분을 중심으로 풍화 산물이 제거되면서 상대적으로 생경한 기반암 부분이 노출되고 상부에는 풍화 산물이 잔존하는 것으로 보인다. 한편 절리와 같은 구조선이 나타나지 않는 단일 암체 형태의 구릉 부분에서는 측면의 급경사부에서 풍화 산물이 제거되고 풍화 과정에서의 물질 이동으로 인한 적색의 산화 흔적 등이 나타나는데 비하여, 완경사의 구릉 정상부는 판상 절리가 나타나는 한편 표면의 박리를 통한 풍화층 제거가 일어나고 있다. 그러나 이러한 지형발달 과정의 정확한 시기, 변화율 등은 파악되지 않았으며, 이를 파악하기 위해서는 우주기원핵종을 이용한 노출연대 측정과 같은 추가적인 연구가 이뤄져야할 필요성이 있는 것으로 보인다.

    VII. 결 론

    해안에 고립구릉 형태로 존재하는 화강암 암체인 전라북도 고창군 상하면의 가막도에 대한 지형 조사의 일환으로 암석 반발 강도 조사와 각 부분의 화학적 조성을 분석하였다. 가막도의 암체 최상부에는 지중 풍화 기원인 핵석이 일부 나타나고 있으며 그보다 낮은 부분에는 지중에서 풍화 전선을 형성하던 기반암이 노출되어있다. 이 기반암은 가막도의 해안 대지 부분까지 연결되며 해안 대지 부분에서는 변성암과의 경계부가 나타나고 있다.

    가막도 암체의 반발 강도는 암체의 정상부에서 해안 대지 쪽으로 가면서 증가하는 것으로 나타났다. 현장 조사에 의하면 암체의 정상부 기반암 노출부에는 풍화된 기반암의 잔류물이 잔존하는 상태이며 그로 인하여 낮은 반발 강도가 나타나는 것으로 추정된다. 이에 비하여 하부에서는 풍화 산물의 잔류층이 관찰되지 않으며 산화된 금속 물질로 인한 적색 흔적들이 나타나고 있다. 이들은 풍화 전선을 구성하던 부분으로 풍화된 물질들이 수분을 따라 이동되는 과정에서 상부의 풍화 물질이 집적된 것으로 판단된다.

    암체의 화학적 풍화지수 가운데 하나인 CIA는 암체하부에 비하여 정상 부분이 전반적으로 높은 것으로 나타나고 있으며 이는 하부가 화학적으로 정상부에 비하여 덜 풍화된 것으로 볼 수 있다. 그러나 구성 물질 가운데 특정 물질이 두 부분에서 통계적으로 유의한 차이를 보이지는 않았다. SiO2, K2O는 정상 부분에서 평균 비율이 높은 것으로 나타났으며, CaO, Na2O, Fe2O3은 하부에서 높은 것으로 나타나고 있으나, 정상부의 시료간의 큰 표준 편차로 인하여 통계적인 차이는 두드러지지 않은 것으로 나타났다. 화학적 풍화에 따른 물질 조성의 변화로 보면 하부에서 CaO과 Na2O의 비중이 높게 나타나는 원인으로 풍화의 진행이 느리다는 것을 지적할 수 있으며, 철분은 앞서 논의한 산화 흔적의 결과로 보여 진다.

    풍화각에 발달한 다각형 균열의 경우 전반적으로 화학적 조성과 화학적 풍화 정도에서 정상부와 하부의 중간 정도의 수준을 나타낸다. 풍화각의 특성을 파악하기 위한 분석 결과 풍화각의 표면에 다각형 균열이 형성되는 경우, 표면 부분에 비하여 기저 부분에서 화학적 풍화 지수가 높은 경향성이 나타났다. 이는 이전의 연구와 일치하나, SiO2의 함량 등은 이전의 연구와 일치하지 않는 것으로 나타났으며, 이는 풍화 환경과 기반암 조성의 차이에 의한 것으로 나타났다.

    가막도의 지형 발달 과정은 화강암 암체가 지중 풍화를 받은 뒤 풍화 산물의 제거 과정을 거쳐 지표에 노출되면서 형성된 것으로 볼 수 있으며, 이 과정에서 암석 차에 따른 차별적인 풍화와 풍화 산물 제거가 영향을 준 것으로 볼 수 있다. 한편 풍화와 풍화 산물의 제거 과정에서 풍화 전선대의 상부에 위치하던 암체와 핵석 표면에 형성된 풍화각에 다각형 균열이 형성된 것으로 보인다. 암체가 지표에 노출된 뒤 해수의 직접적인 영향을 받는 부분을 중심으로 풍화 산물이 제거되면서 상대적으로 생경한 기반암 부분이 노출되고, 상부에는 풍화 산물이 잔존하는 것으로 보인다. 이러한 지형 발달 과정의 시기 등을 파악하기 위해서는 우주기원핵종을 이용한 노출 연대 추정을 포함하는 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.

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  • [<그림 1>] 연구 지역과 시료 채취 지점
    연구 지역과 시료 채취 지점
  • [<그림 2>] 가막도의 변성암과 화강암
    가막도의 변성암과 화강암
  • [<그림 3>] 가막도의 지형 경관
    가막도의 지형 경관
  • [<그림 4>] 가막도 구릉의 화강암 풍화 지형
    가막도 구릉의 화강암 풍화 지형
  • [<그림 5>] 가막도 정상부 암괴의 다각형 풍화
    가막도 정상부 암괴의 다각형 풍화
  • [<그림 6>] 가막도 정상부 암괴의 다각형 균열과 균열의 해체
    가막도 정상부 암괴의 다각형 균열과 균열의 해체
  • [<그림 7>] 가막도 정상부의 반발 강도 측정 지점1(GMS-1)과 풍화 특징
    가막도 정상부의 반발 강도 측정 지점1(GMS-1)과 풍화 특징
  • [<표 1>] 가막도 암반 강도 분석
    가막도 암반 강도 분석
  • [<그림 8>] 가막도 정상부 풍화 특징 암석 시료 (GM 1-0,1-1,1-2,1-3)
    가막도 정상부 풍화 특징 암석 시료 (GM 1-0,1-1,1-2,1-3)
  • [<그림 9>] 다각형 균열부 암석 시료 (GM2-1,2,3,4)와 풍화각의 표면
    다각형 균열부 암석 시료 (GM2-1,2,3,4)와 풍화각의 표면
  • [<그림 10>] 구릉 하부의 암석 시료(GM3-1, GM3-2, GM3-3, GM3-4)
    구릉 하부의 암석 시료(GM3-1, GM3-2, GM3-3, GM3-4)
  • [<그림 11>] 구릉 하부 암석 시료(GM3-5)와 암석에 따른 풍화 진행 양상
    구릉 하부 암석 시료(GM3-5)와 암석에 따른 풍화 진행 양상
  • [<표 2>] 기반암 각 부분의 화학 조성(wt%)
    기반암 각 부분의 화학 조성(wt%)
  • [<그림 12>] GM1 부분 시료들의 화학 조성(Mol Ratio %)
    GM1 부분 시료들의 화학 조성(Mol Ratio %)
  • [<그림 13>] GM3 부분의 화학 조성(Mol Ratio %)
    GM3 부분의 화학 조성(Mol Ratio %)
  • [<그림 14>] GM2 부분의 화학 조성(Mol Ratio %)
    GM2 부분의 화학 조성(Mol Ratio %)
  • [<그림 15>] 해안 대지 하부의 풍화 특성
    해안 대지 하부의 풍화 특성