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문제 정의
- 암석의 열전도도는 지열류량을 산출하기 위해 지온 경사와 더불어 반드시 측정이 되어야 하지만 아직 국내 일부지역에서만 암석 열전도도가 측정되었다. 따라서 본 연구에서 우리나라에 분포하는 암석 열물성의 정량적인 값을 구하기 위해 국내 지역에서 총 2511개의 암석 샘플에 대해 열물성을 측정하였으며, 열물성 상호간의 관련성을 고찰하였다.
제안 방법
- 채취된 암석 샘플에 대해서, 본 연구에서는 Parker et al.(1961)에 의해 제안된 flash method를 사용하는 Netzsch사의 LFA 447 NanoFlash를 이용하여 암석 열물성 값을 측정하였다. 이 방식은 작은 크기의 시료(직경 1 inch, 두께 3-5 mm의 디스크)를 사용할 수 있으며 빠른 측정시간, 열확산율의 높은 정확도(±5%)와 재현성(±3%)등의 특징과 비접촉식으로 측정할 수 있는 장점이 있다.
- 008 W/m-K이다. 암석시료에 대한 측정이 이루어지기 전에 항상 표준시료를 이용하여 LFA 447의 계기오차(3%내외)를 확인하였다. 열전도도는 열확산율, 비열, 밀도 값을 구한다면 암석의 열전도도는 이들로부터 아래의 식을 이용하여 구할 수 있다.
- 연구에서 실험으로 획득한 열확산율, 비열, 체적 열용량, 열전도도 데이터 상관관계를 고찰하였다. Fig.
- 측정된 암석을 화성암, 변성암, 퇴적암의 3가지 암종 별로 분류하여 그 분포 및 평균을 구하였으며, 그 결과는 Table 2와 같다. Fig.
대상 데이터
- 77 W/m-K이다. 본 연구에서의 심성암은 화강암, 섬록암이 반심성암은 화강반암, 석영반암, 장석반암이 화산암은 안산암, 유문암, 현무암이 주를 이루고 있다. Fig.
- 암석 시료는 1:50,000 지질도를 기준으로 남한 지역의 신선한 노두에서 2511개 암석시료를 채취하였다(Fig. 1). 채취된 암석 샘플에 대해서, 본 연구에서는 Parker et al.
- LFA 447 NanoFlash는 열 확산율을 측정하며, 비열은 이미 값이 알려져 있는 표준시료(Pyroceram 9606)를 이용하여 상대적으로 산출한다. 표준시료는 두께 3.017 mm, 직경 25.38 mm의 디스크 모양이며, 상온에서 밀도는 2.61 g/cm3, 열확산율은 1.926 mm2/sec, 열전도도는 4.008 W/m-K이다. 암석시료에 대한 측정이 이루어지기 전에 항상 표준시료를 이용하여 LFA 447의 계기오차(3%내외)를 확인하였다.
이론/모형
- 2. Porosity effect on thermal conductivity derived by a geometric model(Woodside and Messmer, 1961).
- 는 비열(specific heat, J/gK)이다. 암석샘플의 밀도와 공극률은 아르키메데스 원리를 이용하여 산출하였다.
성능/효과
- 7 g/cm3으로(Robertson, 1988) 전반적으로 크게 벗어나지 않는다. 공극률은 화성암의 평균 공극률이 1.8%, 변성암이 1.2%, 퇴적암이 2.1%이다.
- 본 연구에서 측정된 각 암종별 평균 비열 값은 화성암이 0.831 J/gK, 변성암이 0.840 J/gK, 퇴적암이 0.826 J/gK로 나타났다. 비열 값은 세 가지의 암종이 비슷한 평균값을 보이고 있다.
- 95 wt%(Koh and Shin, 1995)이다. 본 연구에서 측정된 고생대 사암의 열전도도(평균 5.51 W/m-K)가 중생대 사암의 열전도도(평균 3.50 W/m-K)보다 높은 값을 보인다. 이는 암석의 열전도도는 SiO2함량에 따라 결정되는 것을 보여주고 있다.
- 본 연구에서 측정된 화성암, 변성암, 퇴적암의 평균 열전도도는 3.11 W/m-K, 3.76 W/m-K, 3.54 W/m-K이다. 화성암의 암석 분류에 따라 심성암, 반심성암, 화산암으로 분류하였으며, 각각의 평균 열전도도는 3.
- 우리나라 암석 중에서 높은 비율을 차지하는 화강암과 편마암의 공극 보정된 포화상태의 열전도도 범위는 각각 1.82-5.87 W/m-K, 1.63-6.67 W/m-K이며, 평균 열전도도는 각각 3.14 W/m-K, 3.55 W/m-K이다. 화강암과 편마암의 열전도도범위가 큰 이유는 열전도도가 구성광물, 이방성 등의 영향에 열전도도 값이 좌우되기 때문이다(Kim et al.
- 14 W/m-K이다. 쥬라기 화강암(평균 열전도도 3.21 W/m-K)의 SiO2 의 화학성분이 백악기 화강암(평균 열전도도 3.05 W/m-K)에 비해 높은 것으로 알려져 있으며, 측정된 실험결과에서 쥬라기 화강암이 높은 열전도도를 보이는 것을 확인하였다. 이는 결정질 암석의 경우 암석의 광물성분이 열전도도에 가장 큰 영향을 미치는 것을 보여준다.
- 측정된 암석 샘플 2511개를 암석의 종류에 따라 분류한 결과, 화성암이 1112개, 변성암이 825개, 퇴적암이 574개이다. 실험에 의해 획득한 암석의 열물성 값은 Table 1과 같다.
- SiO2 함량이 암석 열전도도 값에 큰 영향을 주는 것을 보여주고 있다. 퇴적암에서 쇄설성 퇴적암보다 비쇄설성 퇴적암의 열전도도가 비교적 높은 열전도도분포를 보이고 있다(Fig. 4(c)).
- 509 mm2/sec이다. 퇴적암의 열확산율이 높게 나온 이유는 높은 열확산율을 갖는 사암(0.851-3.197 mm2/sec)의 비율이 퇴적암 중 268개(47%)로 전체 퇴적암의 열확산율에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 변성암의 경우는 규암, 석영편암등 구성광물 중 석영의 함량이 많은 암석에서 대체로 높은 값을 보이고 있다.
- 화성암, 변성암과 퇴적암의 체적열용량과 비열은 선형의 상관관계를 보이며, 선형회귀분석 상관계수는 각각 0.894, 0.871, 0.861로 물성간의 선형관계가 잘 나타난다. 열전도도와 열확산율은 선형의 관계를 보이며, 화성암의 선형회귀분석의 상관계수는 0.
후속연구
- 이번 연구 결과 일반적으로 구성광물에 따라 열물성 특성이 많은 차이를 보이므로 암석의 성인에 의한 분류보다는 광물조성에 따른 암석 분류 비교 분석이 필요할 것으로 판단된다.
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