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문제 정의
- 따라서 환경변화에 민감하지 않고 비교적 상대적 이동성이 낮은 미량원소와 희토류 원소를 대상으로 진화경향을 파악한다. 보통 0.
- 미륵사지 석탑에 사용된 암석은 화강암으로서 복원에 사용될 암석도 화강암이 최적이며, 미륵사지 주변에는 석탑과 동일한 암질의 화강암이 분포한다. 이미 산지로 지목된 채석장을 중심으로 석탑과 유사한 강한 물성을 가지면서 안정적인 범위를 갖는 채석장의 암석을 사용하기 위해 간단한 물성을 검토하였다.
- 지금까지 석탑 원암과 낭산, 함열, 황등, 삼기 소재 채석장 암석과의 동질성을 규명하기 위해 정량분석된 데이터를 통해서 지구화학적 거동특성을 살펴보았다. 이 결과, 주성분, 미량 및 희토류 원소의 거동이 석탑 원암과 아주 동일한 경향을 보였다.
제안 방법
- Figure 3. Occurrences of stones used for the pagoda and the surrounding quarries, and the results of polarizing microscopy and scanning electron microscopy.
- 각각의 주성분원소 분석은 X-선 형광분석기(XRF)를 이용하였으며, 미량 및 희토류원소 분석에는 유도결합 아르곤플라즈마 분광(ICP-OES) 및 질량분석기(ICP-MS), 중성자방사화분석기(INAA)가 사용되었다. 각각의 기기분석은 표준시료를 통하여 자료의 정확도와 정밀도를 검증하였다.
- 또한 동질성 여부 해석을 위해 석탑 원암과 채석장에서 채석한 암석의 지구화학적 조성을 정량분석하였다. 각각의 주성분원소 분석은 X-선 형광분석기(XRF)를 이용하였으며, 미량 및 희토류원소 분석에는 유도결합 아르곤플라즈마 분광(ICP-OES) 및 질량분석기(ICP-MS), 중성자방사화분석기(INAA)가 사용되었다. 각각의 기기분석은 표준시료를 통하여 자료의 정확도와 정밀도를 검증하였다.
- 일반적으로 암석이나 토양 등의 풍화환경은 Al2O3, TiO2 및 Fe2O3 중에 하나를 고정성분으로 선택하여 상대적인 원소의 거동을 파악한다. 그러나 여기에서는 원소들의 이동을 하나의 고정성분으로 나타내기에는 다양한 풍화산물들이 많이 생성되기 때문에 석탑 원암과 채석장 암석의 주성분원소를 Nockolds and Allen(1954)11이 제시한 일반적인 화강암의 평균함량으로 표준화하여 부화와 결핍 양상으로 비교 검토하였다.
- 그러나 현장조사는 육안적 관찰에 의존하기 때문에 선택적 판단 정보가 전반적으로 유효한 신뢰 데이터가 될 수 없어 보다 정확한 분석을 위하여 편광현미경으로 암석 및 광물조직을 관찰하였다. 이 결과, 석탑 원암과 각각의 채석장 암석은 석영, 운모, 사장석, 정장석 및 미사장석 등으로 구성되어 있고, 모든 암석의 석영은 타형의 모습을 보이며, 흑운모는 반자형 또는 타형의 모습을 갖는다.
- 이 중 대부분의 석산은 낭산면에 집중되어 있고 주로 쇄골재, 토목, 조경용 등의 석재를 생산하는 채석장이어서 15 곳이 제외되었다. 따라서 미륵사지 석탑 복원을 위한 석재는 토목 및 건축용 석재를 생산하는 낭산면, 삼기면, 황등면, 함열읍 소재 4곳에서 선정하였으며(Figure 1), 이 장소를 중심으로 암석학적 특징 및 물성실험을 통해 석탑 구성부재와의 성인적 동질성과 복원부재로서의 적합성을 검토하였다.
- 따라서 원형복원에 필요한 석재 공급지를 재선정하는 계기가 되었고 이 과정에서 익산지역의 채석장을 중심으로 암석학적 및 물성연구를 수행하여 석탑의 원암과 가장 유사한 지역의 암석을 재검토하게 되었다. 또한 구조적으로 유효범위내의 안정된 물성을 보인 지역을 종합적으로 검토하여 최종 판단할 것이며, 선정된 채석장의 석재를 석탑 복원재료로 활용될 수 있을 것이다.
- 이러한 구조재를 복원과정에서 재사용하기 위해서는 객관적인 기준이 필요하게 되었다. 따라서 파손 유형별로 5등급으로 분류하였다. 1등급은 거의 완형으로 남은 부재를 말하며 전체 40%인 233부재가 여기에 속한다.
- 타겟으로 사용된 X-선은 CuKα이며, 양극의 가속전압 및 필라멘트의 전류는 각각 40㎸와 40㎃이다. 또한 동질성 여부 해석을 위해 석탑 원암과 채석장에서 채석한 암석의 지구화학적 조성을 정량분석하였다. 각각의 주성분원소 분석은 X-선 형광분석기(XRF)를 이용하였으며, 미량 및 희토류원소 분석에는 유도결합 아르곤플라즈마 분광(ICP-OES) 및 질량분석기(ICP-MS), 중성자방사화분석기(INAA)가 사용되었다.
- 미륵사지 석탑의 원암과 채석장 암석에 대한 암석학적 특성을 밝히고 유사성을 평가하기 위해 다양한 조사기법이 활용되었다. 먼저 암석의 자화강도를 파악하기 위해 10-7 SI unit까지 표기가 가능한 ZH Instrument 사의 SM30 모델을 이용하여 전암대자율을 측정하였다. 미륵사지 석탑의 원부재는 1~6층까지 전반적으로 측정될 수 있도록 선정하여 120회, 기타 채석장 암석은 기반암을 대상으로 25~30회 측정하였다.
- 먼저 채석장별로 준비된 입방의 공시체를 60±2℃에서 48시간 동안 건조시켜 공시체의 무게가 동일하게 유지된 것을 확인한 후 2000kN UTM기를 이용하여 압축강도를 측정하였다.
- 미륵사지 석탑 구조재 암석과 각 채석장 암석과의 상대적 유사성을 규명하기 위해 현장조사에 따른 육안관찰, 현미경을 통한 광물조직, 분석을 통한 광물조성 등으로 동질성을 알아보았다. 먼저 현장조사 결과 각각의 채석장 암석은 석탑 원암과 유사한 중립질의 흑운모 화강암이며, 부분적으로 반상조직을 갖고 있고 유백색의 장석과 석영이 혼재되어 있는 가운데 흑운모가 상당량 관찰된다.
- 먼저 암석의 자화강도를 파악하기 위해 10-7 SI unit까지 표기가 가능한 ZH Instrument 사의 SM30 모델을 이용하여 전암대자율을 측정하였다. 미륵사지 석탑의 원부재는 1~6층까지 전반적으로 측정될 수 있도록 선정하여 120회, 기타 채석장 암석은 기반암을 대상으로 25~30회 측정하였다.
- 석탑 원암과 채석장 암석의 광물학적 및 조직적 특징을 관찰하기 위해 편광현미경과 주사전자현미경(SEM)을 이용하였다. 여기에 사용된 편광현미경은 Nikon사의 Eclipse E600W 편광/반사 겸용 현미경이며, 주사전자현미경은 Oxford사의 에너지분산형 성분분석기(EDX Inca M/X)가 장착된 JEOL사의 JSM 6335이다.
- 시료는 채석장별로 각각 세 개씩 제작하였으며, 압축강도 실험용 공시체의 규격은 50×50×50㎜ 입방체이고 인장강도 실험체 규격은 직경 ø90㎜, 길이 180㎜의 원기둥으로 제작하였다.
- 암석의 물성실험을 위한 압축강도와 쪼개짐실험은 2000kN UTM기를 이용하였으며, 이 결과를 이용하여 인장강도를 구하였다. 시료는 채석장별로 각각 세 개씩 제작하였으며, 압축강도 실험용 공시체의 규격은 50×50×50㎜ 입방체이고 인장강도 실험체 규격은 직경 ø90㎜, 길이 180㎜의 원기둥으로 제작하였다.
- 이 암석들의 화학조성을 토대로 상대적 풍화정도와 동질성 등을 확인하기 위해 Nesbitt and Young(1984)13이 제시한 A(Al2O3)-CN(CaO+Na2O)-K(K2O) 그래프에 도시하였다(Figure 8). 일반적으로 마그마에서 분화된 암석은 가장 먼저 장석이 풍화되면서 CaO과 Na2O이 감소하는 경향을 보이다가 K2O가 감소하면서 Al2O3로 이동하는 경향을 보인다.
- 인장강도 역시 원기둥 공시체를 압축강도 공시체와 같은 조건으로 전처리 한 후 2000kN UTM기를 이용하여 측정하였다. 이 결과, 인장강도가 가장 높게 나타난 암석은 황등석 2번 실험체로 최대하중이 225.
- 조암광물의 동정은 Rigaku제 D/Max-ⅡB X-선 회절분석기를 이용하였다. 타겟으로 사용된 X-선은 CuKα이며, 양극의 가속전압 및 필라멘트의 전류는 각각 40㎸와 40㎃이다.
대상 데이터
- 여기에서 중요한 부분은 3등급으로 분류된 부재로, 1~2등급은 거의 형태적으로 완형에 가깝기 때문에 별도의 보존처리를 하지 않아도 되지만, 3등급은 구조적으로 불안정하기 때문에 석탑에 놓이게 될 위치까지 고려대상에 포함되어야 한다. 따라서 113부재중 55개 부재만이 재사용할 수 있고 나머지 58개 부재는 관리대상으로 분류하였다.
- 석탑 원암과 채석장 암석의 광물학적 및 조직적 특징을 관찰하기 위해 편광현미경과 주사전자현미경(SEM)을 이용하였다. 여기에 사용된 편광현미경은 Nikon사의 Eclipse E600W 편광/반사 겸용 현미경이며, 주사전자현미경은 Oxford사의 에너지분산형 성분분석기(EDX Inca M/X)가 장착된 JEOL사의 JSM 6335이다.
- 따라서 구조적으로 배제된 151개의 부재는 다른 신석재로 대체되어야 하며, 일부 결실이 있는 부재의 경우도 재사용 판정을 받기 위해서는 반드시 신석재를 공급받아 성형과정을 거쳐 원형의 형태로 가공해야 된다. 여기에는 총 44부재가 속한다. 또한 붕괴과정에서 이미 유실된 부재의 경우도 신석재로 가공되게 된다.
- 정비과정에서 해체된 구조재는 총 1,894개이며, 이중 외면석은 588개이다. 해체된 구부재 중 복원과정에서 절단, 결실, 균열 등과 같은 훼손지수가 높은 약 26%의 부재는 재사용이 어려워 관리부재로 남게 된다.
- 타겟으로 사용된 X-선은 CuKα이며, 양극의 가속전압 및 필라멘트의 전류는 각각 40㎸와 40㎃이다.
성능/효과
- 일부 함열과 낭산의 암석 표면에서 피각상 조직 형태의 오염물이 동정되어 EDS 분석을 실시한 결과, 함열 채석장 암석에서는 조암광물 중 Fe 성분이 산화되어 발생한 철수산화물이 원인인 것으로 나타났다. 낭산 채석장 암석의 표면에 피복된 오염물은 Ca 성분이 염 형태로 변화되면서 표출된 탄산염의 침상형 이차광물로 확인되었다.
- 특히 K-장석은 미사장석과 정장석을 포함하고 있는 알칼리 계열의 장석으로 편광현미경 관찰에서도 미사장석과 정장석이 모두 확인되었다. 동정된 광물의 종류는 석탑 원암과 각각의 채석장 암석에서 모두 동일하게 분석되었으나 상대적인 광물함량은 낭산과 황등 채석장의 암석이 석탑 원암과 비교적 유사하게 검출되었다.
- 또한 함열 채석장은 평균 14.45×10-3 SI unit으로 석탑 원암보다 전반적으로 높은 대자율 값을 보였다.
- 따라서 석탑을 복원하기 위해서는 훼손된 부재의 보강공정, 결실 구조재의 복원, 재사용하지 어려운 부재의 가공 등이 필요하다. 먼저 석탑 외면석(588개)에 대해 훼손 유형별로 분류해 보면 1층부가 결실, 절단, 균열 등의 물리적 훼손율(65%)이 가장 높고 층수가 올라갈수록 부재수가 적어지면서 훼손율도 낮아지는 특징을 보인다. 훼손 유형중 가장 높은 비율을 갖는 것은 57%를 차지하는 결실이며, 균열 44%, 절단 31% 순이다.
- 미륵사지 석탑 구조재 암석과 각 채석장 암석과의 상대적 유사성을 규명하기 위해 현장조사에 따른 육안관찰, 현미경을 통한 광물조직, 분석을 통한 광물조성 등으로 동질성을 알아보았다. 먼저 현장조사 결과 각각의 채석장 암석은 석탑 원암과 유사한 중립질의 흑운모 화강암이며, 부분적으로 반상조직을 갖고 있고 유백색의 장석과 석영이 혼재되어 있는 가운데 흑운모가 상당량 관찰된다. 특히 규장암질 세맥까지도 유사성을 보이며 산지 암석들과 암상적 특징이 유사하였다(Figure 3A~3E).
- 석탑 원암과 주변 채석장 암석을 SiO2를 기준으로 Fe2O3와 Al2O3 관계도에 도시한 결과, 두 그래프 모두에서 SiO2가 증가함에 따라 감소하는 부의 상관성을 보였고 석탑 원암과 가장 유사한 영역에 도시된 암석은 낭산과 황등에 소재한 채석장 암석으로 화학조성 변화와 진화경향이 유사하다는 것을 지시하는 결과이다(Figure 7).
- 석탑의 원부재가 풍화과정을 겪듯이 각 산지 암석 또한 유사한 형태로 광물들이 변질되어 있는 것을 분석을 통해 확인할 수 있었다. 특히 조암광물의 결정면이나 벽개면을 따라 변질되어 이차적으로 점토광물이 생성된 것은 석탑 원암과 아주 동일한 특성을 보여주고 있다.
- = 2P/(π×D×h) 공식을 이용하게 된다. 이 값을 채석장 별로 평균하여 인장강도를 살펴보면 삼기석(7.54MPa)과 황등석(7.18MPa)이 비교적 높은 강도 분포를 보인 반면 함열석(5.80MPa)과 낭산석(5.49MPa)은 상대적으로 낮은 강도를 보였다. 이 쪼개짐시험법에 의해 얻어진 강도를 일반적인 휨파괴강도(modulus of rupture) ƒr과 비교해 보면 50~70% 정도에 해당된다.
- 그러나 현장조사는 육안적 관찰에 의존하기 때문에 선택적 판단 정보가 전반적으로 유효한 신뢰 데이터가 될 수 없어 보다 정확한 분석을 위하여 편광현미경으로 암석 및 광물조직을 관찰하였다. 이 결과, 석탑 원암과 각각의 채석장 암석은 석영, 운모, 사장석, 정장석 및 미사장석 등으로 구성되어 있고, 모든 암석의 석영은 타형의 모습을 보이며, 흑운모는 반자형 또는 타형의 모습을 갖는다. 그리고 미사장석은 크기가 다양한 누대구조를 갖고 있다(Figure 3F~3J).
- 이 기준에 부합되기 위해서는 보통 Taylor and McLennan(1985)16이 제시한 운석의 초생치로 표준화하여 이용하게 된다. 이 결과, 석탑 원암과 주변 채석장 암석의 희토류 원소에서는 La, Ce이 비교적 높은 함량을 보였다. 또한 전반적으로 경희토류에서 중희류원소로 갈수록 함량이 감소하는 경향을 보이면서 거의 일정한 패턴을 보인다.
- 인장강도 역시 원기둥 공시체를 압축강도 공시체와 같은 조건으로 전처리 한 후 2000kN UTM기를 이용하여 측정하였다. 이 결과, 인장강도가 가장 높게 나타난 암석은 황등석 2번 실험체로 최대하중이 225.14kN(23.00tonf)으로 변위는 0.94㎜가 발생되었다. 다음으로 삼기석 3번 실험체에서 최대하중이 221.
- 지금까지 석탑 원암과 낭산, 함열, 황등, 삼기 소재 채석장 암석과의 동질성을 규명하기 위해 정량분석된 데이터를 통해서 지구화학적 거동특성을 살펴보았다. 이 결과, 주성분, 미량 및 희토류 원소의 거동이 석탑 원암과 아주 동일한 경향을 보였다. 이는 각 암석이 성인적으로 동일 종류의 기반암에서 생성되었다는 것을 지시하는 것이다.
- 먼저 채석장별로 준비된 입방의 공시체를 60±2℃에서 48시간 동안 건조시켜 공시체의 무게가 동일하게 유지된 것을 확인한 후 2000kN UTM기를 이용하여 압축강도를 측정하였다. 이 결과, 채석장별로 압축강도에 대한 오차범위가 상당히 크게 나타났으며, 가장 큰 오차범위를 보인 함열석은 93.77~129.94(평균 115.69)MPa로 약 28%나 되었다. 또한 삼기석 118~142.
- +MgO) 그래프에서도 동일한 성인적 유사성이 확인되었다(Figure 8). 이 삼각도에서 A-CNK 선에 가까울수록 풍화가 진행되었다는 것을 의미하는데, 미륵사지석탑 암석과 주변 채석장 암석은 모두 심한 풍화작용을 받지는 않은 것으로 보이지만 거의 동일한 영역에 도시되는 것으로 보아 유사한 풍화 경로를 경험하는 것으로 판단된다.
- 따라서 위에서 논의되었던 신석재를 공급받기 위해서는 미륵사지 석탑의 원암과의 동질성 및 내구성이 확보된 충분한 원석이 필요한 상태이다. 이 연구를 위해서 석탑 원암과 주변 채석산지 암석과의 암석학적 동질성을 비교 검토한 결과, 낭산과 황등 채석장 화강암이 가장 유사한 것으로 판명되었다. 또한 물성평가에서는 삼기와 황등 채석장 화강암이 가장 우수하며 미륵사지 석탑의 원암과도 유사하였다.
- 는 결핍되는 경향을 보였다(Figure 5). 이 중 함열 채석장 암석에서 MgO의 거동이 석탑 원암과 낭산, 황등, 삼기 암석과 다른 특성을 보였으나 전체적인 경향은 석탑 원암과 거의 동일한 특징을 보인다. 이는 석탑 원암과 채석장 암석이 동일기원의 화강암이라고 해석할 수 있는 근거를 제시한 것이다.
- 석탑 원암과 채석장 암석의 대자율 값은 각각 조금씩 다르지만 자철석 계열의 화강암 범주 내에 분포하는 유사한 경향을 보이고 있어 동일 기원의 암석일 가능성이 높으며 유사한 진화과정을 겪은 화강암으로 추정된다. 이런 관점에서 본다면 복원용 암석의 석재 공급지로는 낭산면과 황등면에 위치한 채석장의 암석이 함열읍과 삼기면에 있는 채석장의 암석보다 대자율 분석에서는 비교우위에 있는 것으로 나타났다.
- 또한 물성평가에서는 삼기와 황등 채석장 화강암이 가장 우수하며 미륵사지 석탑의 원암과도 유사하였다. 이를 종합하면 익산 미륵사지 석탑에 사용될 복원용 신석재는 황등 채석장의 화강암이 가장 적합할 것으로 나타났다.
- 이를 입증하고자 호정 및 불호정원소를 선별하여 원시의 맨틀조성17으로 표준화한 결과, Figure 11과 같이 석탑 원암과 주변 채석장 암석은 부화와 결핍 양상이 아주 유사하게 나타났다. 일부 낭산과 함열 그리고 삼기 채석장 암석에서 Y, Yb의 값이 미륵사지 석탑 암석과 약간의 함량 차이를 보이지만 황등 채석장 암석은 거의 유사한 진화경향을 갖는 것으로 나타났다.
- 일부 함열과 낭산의 암석 표면에서 피각상 조직 형태의 오염물이 동정되어 EDS 분석을 실시한 결과, 함열 채석장 암석에서는 조암광물 중 Fe 성분이 산화되어 발생한 철수산화물이 원인인 것으로 나타났다. 낭산 채석장 암석의 표면에 피복된 오염물은 Ca 성분이 염 형태로 변화되면서 표출된 탄산염의 침상형 이차광물로 확인되었다.
- 제시된 석탑 원암과 채석장 암석을 표준화한 결과, Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, TiO2 등은 부화된 반면, MnO, K2O, P2O5는 결핍되는 경향을 보였다(Figure 5). 이 중 함열 채석장 암석에서 MgO의 거동이 석탑 원암과 낭산, 황등, 삼기 암석과 다른 특성을 보였으나 전체적인 경향은 석탑 원암과 거의 동일한 특징을 보인다.
- 지구화학적 동질성을 해석하기 위해 석탑의 원암과 주변 채석장 암석을 대상으로 주성분과 미량 및 희토류 원소를 정량분석한 결과, 석탑 원암의 SiO2 함량(70.40~73.19wt.%) 범위 안에 포함되는 채석장 암석은 낭산(71.10~72.27wt.%)과 함열(69.93~72.03wt.%) 채석장이었고, 황등(68.64~68.96wt.%)과 삼기(69.85~70.20wt.%) 채석장 암석은 석탑 원암보다 약간 낮은 함량을 가지나 모두 아주 유사해 보인다. 또한 석탑 원암의 Al2O3와 Fe2O3 그리고 Na2O 및 K2O 함량(14.
- 측정 결과, 미륵사지 석탑 원암은 0.41~8.63(평균 5.36×10-3 SI unit)의 대자율 분포로 비교적 넓은 범위의 값을 보였으나 5~8×10-3 SI unit에서 높은 빈도분포를 보인다.
- 이처럼 석탑 원암과 각각의 채석장 암석은 거의 유사한 특징을 보여 육안관찰로 결정하기 어려울 정도로 비슷한 점이 많다. 한편 색, 조직, 입도 분포, 조암광물의 특징을 종합해 보면 낭산면 채석장 암석이 석탑 원암과 가장 유사한 특징을 보였다.
후속연구
- 따라서 원형복원에 필요한 석재 공급지를 재선정하는 계기가 되었고 이 과정에서 익산지역의 채석장을 중심으로 암석학적 및 물성연구를 수행하여 석탑의 원암과 가장 유사한 지역의 암석을 재검토하게 되었다. 또한 구조적으로 유효범위내의 안정된 물성을 보인 지역을 종합적으로 검토하여 최종 판단할 것이며, 선정된 채석장의 석재를 석탑 복원재료로 활용될 수 있을 것이다.
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