[논문]국내 쇄설성 퇴적암의 화학적 풍화지수 고찰

김성욱; 최은경; 김종우; 김태형; 이규환

doi:10.9720/kseg.2017.1.67

국내 쇄설성 퇴적암의 화학적 풍화지수 고찰
Chemical Weathering Index of Clastic Sedimentary Rocks in Korea 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.27 no.1, 2017년, pp.67 - 79

김성욱 ((주)지아이 지반정보연구소) , 최은경 ((주)지아이 지반정보연구소) , 김종우 (한국해양대학교 건설공학과) , 김태형 (한국해양대학교 건설공학과) , 이규환 (건양대학교 재난안전소방학과)

초록
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암석내 화학종의 함량을 이용한 풍화지수는 암석의 풍화 정도와 2차 광물의 생성을 예측하는데 매우 효과적이다. 풍화의 과정은 암석의 종류에 따라 다르게 나타나는데 국내의 경우 화강암의 분포 면적이 넓은 이유로 풍화지수의 연구는 산성질 화성암에 편중되어 왔다. 이 연구는 쇄설성 퇴적암에 속하는 사암, 이암, 셰일의 전암분석(X-선 형광분석)을 이용하여 풍화지수들을 산정하고, 상관성 분석을 통해 지수들의 유의성을 검토하였다. 쇄설성 퇴적암 중 장석의 비중이 높게 나타나는 사암과 셰일의 경우 장석의 풍화를 나타내주는 Wp, CIA, CIW, PIA 풍화지수가 높은 유의성을 보였다. 화학적 변질지수(CIA)는 풍화경로와 변질점토의 생성을 예측할 수 있는 장점이 있으나 풍화 정도의 변별력을 높이기 위해 화학적 풍화지수를 동시에 고려하는 것이 효과적이다. 탄산염 계열의 광물이 포함된 경우 이에 대한 효과를 산정식을 통해 제거하지 못하였고 정확한 풍화지수 산정을 위해 X-선 회절분석 등을 통해 탄산염 물질의 함량이 높은 시료는 분석과정에서 배제해야 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Evaluation of the weathering index using the quantitative element composition of rocks is very effective in predicting the degree of weathering of rocks and the secondary weathering residuals. While the process of weathering varies according to the types of rocks, the study of weathering in Korea is concentrated on acidic igneous rocks. This study calculated the weathering indices using whole rock analysis (X-ray fluorescence analysis) of sandstone, mudstone, and shale belonging to clastic sedimentary rocks. The statistical significance of the indices was examined based on the correlation of the calculated weathering indices. Clastic sedimentary rocks showed higher significance of Wp, CIA, CIW and PIA weathering index indicating weathering of feldspar. Chemical Index of alteration (CIA) has the advantage of predicting weathering pathway and clay mineral production, but it is effective to consider chemical index of weathering index (CIW) simultaneously to improve accuracy. In order to reduce uncertainties due to carbonate rocks and to estimate the accurate weathering index, rock samples with high CaO content should be excluded from the evaluation of weathering index.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

Table 1은 연구에 적용한 풍화지수를 나타낸 것으로 풍화 지수 V는 Vogt (1927)가 제안한 지수로 잔여 퇴적물의 성숙도를 평가하기 위한 지화학적 방법으로 제안한 지수이다. SAR (R)은 Ruxton (1968)이 제안한 지수로 풍화과정 중 알루미나는 일정하게 잔류한다는 가정 하에 풍화가 진행될때 암석내 특정한 성분의 손실을 실리카의 손실에 의한 것으로 판단하였다. 그러나 이 지수는 화강암과 석영반암과 같은 산성암에는 적합하지만, 염기성 또는 초염기성암에서는 적합하지 않은 것으로 알려져 있다(Irfan, 1996).

제안 방법

이 연구에서는 국내에 분포하는 사암, 이암, 셰일을 대상으로 전암분석과 광물조성을 파악하고 풍화단계별 풍화지수를 산정하였다. 또한, 선행연구에서 제시된 풍화 지수 중 퇴적암을 고려한 합리적인 지수 산정에 대한 고찰을 시도하였다.
이 연구를 통해 쇄설성 퇴적암에 해당하는 사암, 이암, 셰일의 전암분석을 통해 다양한 풍화지수를 산정하였고 각 지수들 간의 유의성과 풍화지수 적용 시 개선사항을 도출하였다.
그러므로 연직 방향의 시추 코어는 지표면으로부터 풍화환경에 노출되지 않은 심부 기반암까지 암석의 연속적인 풍화과정을 관찰할 수 있는 좋은 소재가 된다. 이 연구에서는 국내에 분포하는 사암, 이암, 셰일을 대상으로 전암분석과 광물조성을 파악하고 풍화단계별 풍화지수를 산정하였다. 또한, 선행연구에서 제시된 풍화 지수 중 퇴적암을 고려한 합리적인 지수 산정에 대한 고찰을 시도하였다.
0) 프로그램을 이용하여 강열감량과 풍화 지수를 비교하였다. 풍화과정에 따른 지수의 상관성은 우선각각의 지수를 변수로 하여 산점도(Scatter plot)를 작성하고 선형관계를 확인하였고 이변량 상관계수를 통해 유의성을 검토하였다.
풍화지수와 암석의 2차 광물의 조성을 비교하기 위해 CIA 지수에 따라 셰일을 구분하고 X-선 회절분석을 수행하였다. CIA 60-70 범위의 셰일은 육안관찰에서 풍화를 받지 않은 상태를 지시하며 광물조성은 대부분 석영과 장석으로 구성되어 있고 소량의 운모와 일라이트가 포함된 것을 볼 수 있다(Fig.
획득한 퇴적암 시료를 대상으로 X-선 형광분석(Shimadzu, XRF-1700)과 X-선 회절분석(Philips, X'Pert-MPD System)을 수행하였고 암석의 화학조성을 이용하여, 다양한 화학적 풍화지수를 산정하고 상관성을 분석하였다.

대상 데이터

지반조사에 활용되고 있는 지질도는 층서와 지질시대에 따른 암종을 구분한 것으로 공학적 특성을 반영 하고 있지 못하며, 지질층서와 관계없이 공학적 기준에 따른 지질공학도가 필요하다. 2010년 국립재난안전연구원에서 암종 분류에 의한 지질공학도를 제작한 바 있고 국내 암석을 14개로 구분하였다(Fig. 2). 이를 기준으로 국내 분포하는 암종의 면적비를 산정하면 화성암 46.
연구를 위해 우리나라에 분포하는 암석 중 퇴적암 중 탄산염암에 해당하는 석회암, 돌로마이트를 제외한 사암, 이암, 셰일층으로부터 암석 시료를 채취하였다. 퇴적암 시료는 중생대 경상누층군과 고생대 평안누층군 지층에서 획득하였고 공간상의 위치는 Fig.
3과 같다. 총 196개의 시료 중사암이 153개로 가장 많고, 이암 10개, 셰일은 33개가 풍화도 분석에 사용되었다.
연구를 위해 우리나라에 분포하는 암석 중 퇴적암 중 탄산염암에 해당하는 석회암, 돌로마이트를 제외한 사암, 이암, 셰일층으로부터 암석 시료를 채취하였다. 퇴적암 시료는 중생대 경상누층군과 고생대 평안누층군 지층에서 획득하였고 공간상의 위치는 Fig. 3과 같다. 총 196개의 시료 중사암이 153개로 가장 많고, 이암 10개, 셰일은 33개가 풍화도 분석에 사용되었다.

데이터처리

05보다 작은 두변수의 조합이 풍화지수 간의 상관성이 있다고 할 수 있다(-1≤ 상관계수 ≤1). 이변량 상관계수(Bivariate Correlation Coefficient)의 행렬 및 상관분석에서 유의성 검증은 양측검정을 기본설정으로 하였다.
풍화지수들의 상관성을 비교하기 위해서 SPSS (PASW Statistics, ver. 18.0) 프로그램을 이용하여 강열감량과 풍화 지수를 비교하였다. 풍화과정에 따른 지수의 상관성은 우선각각의 지수를 변수로 하여 산점도(Scatter plot)를 작성하고 선형관계를 확인하였고 이변량 상관계수를 통해 유의성을 검토하였다.

성능/효과

또한, 풍화지수의 산정 시 화학적 변질지수와 화학적 풍화 지수를 동시에 고려함으로써 산정된 풍화지수의 적정성과 신뢰성을 검토할 수 있어 쇄설성 퇴적암의 풍화지수 산정 시 2개 이상의 유의성 풍화지수를 고려하는 것이 효과적이다.
방해석, 백운석과 같은 탄산염 광물과 인회석 등의 인산염 광물에 의한 효과를 제거하기 위한 보정법을 적용한 CIA와 CIW 지수도 해석 범위를 벗어나는 지수를 보였다. 따라서 쇄설성 퇴적암의 정확한 풍화지수 산정을 위해 X-선 회절분석 등을 통해 탄산염 물질의 함량이 높은 시료는 분석과정에서 배제되어야 한다.
사암, 이암, 셰일의 풍화지수는 장석의 풍화를 지수화한 Wp, CIA, CIW, PIA가 매우 높은 유의성을 보였으며 상대 적으로 이동성이 화학종과 SiO₂의 비를 고려한 지수들은 유의성이 없는 것으로 확인되었다. 지수 중 화학적 변질지수 (CIA)와 K₂O를 제외한 화학적 풍화지수(CIW)는 암석의 풍화 정도가 증가할수록 이에 비례하여 지수값이 증가하였고 풍화경로를 지시하는 다이아그램에서 지수의 상승에 따라 2차 변질광물이 생성되는 것을 확인하였다.
사암에서 계산한 풍화지수의 상관성은(Table 3) 99% 수준에서 6개 이상의 지수들과 유의성을 나타내고 있으며, 이때 변수는 LOI, Wp, CIA, CIW, PIA로 나타났다. 사암은 이암과 셰일은 물론 화성암과 비교해도 지수 간의 유의성이 상당히 높은 것을 알 수 있다(Choi, 2011).
산점도에서 상관성이 분명하지 않은 3개의 풍화지수는 SiO₂ 함량을 기초로 한 풍화지수라는 것이 공통적 이다. 조암광물 중 SiO₂는 풍화저항력이 매우 높아 Si를 사용하는 풍화지수는 이동성이 낮은 화학종과 SiO₂의 당량비로써 지수를 표현하며 대부분 지수는 이동성 낮은 화학종의 당량비로서 지수를 표현되며, 쇄설성 퇴적암의 경우 장석의 풍화에 기초한 풍화지수의 상관성이 높은 것으로 판단된다.
의 비를 고려한 지수들은 유의성이 없는 것으로 확인되었다. 지수 중 화학적 변질지수 (CIA)와 K₂O를 제외한 화학적 풍화지수(CIW)는 암석의 풍화 정도가 증가할수록 이에 비례하여 지수값이 증가하였고 풍화경로를 지시하는 다이아그램에서 지수의 상승에 따라 2차 변질광물이 생성되는 것을 확인하였다. 즉 쇄설성 퇴적암의 풍화를 평가하는 방법으로 CIA와 CIW는 효과적으로 이용될 수 있고 변질에 의한 2차 광물의 생성을 가시적으로 예측할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대표적인 풍화는 어떻게 구분되는가?	대부분 암석은 지표환경보다 높은 온도와 압력 조건에서 형성되며 암석이 지표에 노출되면 낮은 온도, 압력, 지표수 등의 영향으로 변형(변질)되며 이러한 과정은 풍화의 형태로 나타난다. 대표적인 풍화는 화학조성의 변화 없이 물리 적으로 매질이 분리되는 물리적 풍화작용과 수분과 암석을 구성하는 원소의 반응으로 광물이 분해되는 화학적 풍화작용으로 구분된다. 기계적 풍화로 인해 세립화된 암석은 표면적이 증가하여 수분과 접촉하는 면적이 증가하기 때문에 화학적 풍화 가속되는 원인이 된다.
	조암광물에서 이동성에 따라 화학종이 어떻게 분류되는가?	화학적 풍화로 용탈되는 원소의 양과 이동도는 광물을 구성하는 원소의 종류에 따라 달라진다. 조암광물에서 이동성이 높은 화학종으로는 알칼리금속과 알칼리토금속은 K2O, Na2O, CaO, MgO이 대표적이며 이동성이 낮은 화학종으로는 TiO2, Al2O3, FeO, MnO, P2O5가 있다. 풍화로 인해 광물을 구성하는 원소는 천천히 용탈되며, 일반적으로 용탈 되는 양과 속도는 원소에 따라 달라진다.
	화학적 풍화지수와 관련하여 어떤 선행연구가 활발하였는가?	특히 화학적 풍화지수는 풍화를 받기 이전의 광물 조성과 풍화반응 후 생성물의 함량 비로 표현되는데 암석마다 풍화과정이 서로 다르게 나타나므로 암석의 종류에 따라 다양한 지수가 제안되었다. 그중에서 풍화에 의해 암석의 화학조성 변화와 주요 원소의 상대적 이동에 이용한 지구화학적인 선행연구가 활발하였고 (Nam, 1971, 1987; Nam and Cho, 1993; Chesworth, 1973; Delvaux et al., 1989; Marsh, 1991; Condie et al.

참고문헌 (46)

Anderson, J. L. and Bender, E. E., 1989, Nature and origin of Proterozoic A-type granitic magmatism in the southwestern United States of America, Lithos, 23(1-2), 19-52.

상세보기
Banfield, J. F. and Eggleton, R. A., 1988, Transmission electron microscope study of biotite weathering, Clays and Clay Minerals, 36, 47-60.

상세보기
Carmichael, I. S. E., Turner, F. J., and Verhoogan, J., 1974, Igneous petrology: New York, McGraw-Hill, 739p.
Chang, S. M., 2003, Evaluation on weathering intensity and rock mass properties of weathered granite, PhD thesis, Dankook University, 179p (in Korean with English abstract).
Chesworth, W., 1973, The residual system of chemical weathering: a model for the chemical breakdown of silicate rocks at the surface of the earth, Journal of Soil Science Journal, 24, 69-81.

상세보기
Choi, E. K., 2011, A study on the chemical index of alteration (CIA) and geotechnical properties of igneous rocks by weathering, PhD thesis, Pusan National University, 199p (in Korean with English abstract).
Choi, E. K., Kim, S. W., Kim, I. S., and Lee, K. H., 2012, A study on the chemical index of alteration of igneous rocks, Journal of the Korean Geotechnical Society, 28(3), 41-54 (in Korean with English abstract).
Choi, S. H., Lee, J. H., Oh, C. W., Lee, K. H., and Kim, S. W., 2014, A study on the change of biotite granite by the artificial weathering experiment, Proceedings of the Annual Joint Conference, the Petrological Society of Korea and the Mineralogical Society of Korea, 114-116 (in Korean with English abstract).
Condie, K. C., Dengate, J., and Cullers, R. L., 1995, Behavior of rare earth elements in a paleoweathering profile on granodiorite in the Front Range, Colorado, USA, Geochimica et Cosmochimica Acta, 59, 279-294.

상세보기
Cox, K. G., Bell, J. D., and Pankhurst, R. J., 1979, The interpretation of igneous rocks: London, George Allen & Unwin, 450p.
De Jayawardena, U. S. and IZawa, E., 1994 A new chemical index of weathering for metamorphic silicate rocks in tropical regions: a study from Sri Lanka, Engineering Geology, 36, 303-310.

상세보기
De Ros, L. F., Sgarbi, G. N. C., and Morad, S., 1994, Multiple authigenesis of K-feldspar in sandstones: Evidence from the Cretaceous Areado Formation, San Francisco basin, central Brazil: Journal of Sedimentary Research, A64, 778-787.
Delvaux, B., Herbillon, A. J., and Vieloye, L., 1989, Characterization of a weathering sequence of soils derived from volcanic ash in Cameroon, taxonomic, mineralogical and agronomic implications, Geoderma, 45, 375-388.

상세보기
Fedo, C. M., Nesbitt, H. W., and Young, G. M., 1995, Unraveling the effects of potassium metasomatism in sedimentary rocks and paleosols, with implications for paleoweathering conditions and provenance, Geology, 23(10), 921-924.

상세보기
Gilkes, R. J. and Suddhiprakarn, A., 1979a, Biotite in deeply weathered granite; I, Morphologic, mineralogical, and chemical properties, Clays and Clay Minerals, 27(5), 349-360.

상세보기
Gilkes, R. J. and Suddhiprakarn. A., 1979b, Biotite alteration in deeply weathered granite; II, The oriented growth of secondary minerals, Clays and Clay Minerals, 27(5), 361-367.

상세보기
Goldich, S. S., 1938, A study in rock weathering, The Journal of Geology, 46, 17-58.

상세보기
Gupta, A. S. and Rao S. K., 2001, Weathering indices and their applicability for crystalline rocks, Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 60(3), 201-221.

상세보기
Harnois, L., 1988, The CIW index: a new chemical index of weathering, Sedimentary Geology, 55(3-4), 319-322.

상세보기
Harris, W. G., Zelazny, J. C., Baker, J. C., and Martens, D. C., 1985, Biotite kaolinization in Virginia Piedmont soils: I. Extent, profile trends, and grain morphological effects, Soil Science Society of America Journal, 49(5), 1290-1297.

상세보기
Irfan, T. Y., 1996, Mineralogy, fabric properties and classification of weathered granites in Hong Kong, Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 29, 5-35.

상세보기
Jeong, G. Y. and Kim, H. B., 2002, Oxidized biotite in the weathering profile of Andong Granite, Journal of the Mineralogical Society of Korea, 15, 183-194 (in Korean with English abstract).
Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, 1995, Geology of Korea (1:1,000,000).
Kim, S. W., Jung, S. J., Choi, E. K., Kim, S. H., Lee, K. H., Oh, J. L., and Park, D. G., 2013, Time status of slope collapse for 1999-2011, in Korea, Journal of the Geological Society of Korea, 49(6), 669-681 (in Korean with English abstract).

상세보기
Kim, Y. S., Kim, G. W., Heo, N. Y., Rui, D. H., Lee, J. H., and Choi, J. H., A study on the geotechnical assessment of sedimentary rocks due to weathering in Taegu area, Proceedings of the KSEG 11, 15-22 (in Korean with English abstract).
Lee, S. H. and Kim, S. J., 2004, Weathering characteristics of sedimentary rocks affected by periodical submerging, Journal of Mineralogical Society of Korea, 17(1), 23-35 (in Korean with English abstract).
Marsh, J. S., 1991, REE fractionation and Ce anomalies in weathered Karoo dolerite, Chemical Geology, 90, 189-194.

상세보기
Mason, B. H., 1966, Principles of geochemistry (2rd ed.): New York, John Wiley and Sons, 329p.
Maynard, J. B., 1992, Chemistry of modern soils as a guide to interpreting Precambrian paleosols: Journal of Geology, 100, 279-289.

상세보기
Nam, K. S., 1971, Variation of chemical composition and relative movement of important elements on the weathering of granitic and basaltic rocks, Journal of the Geological Society of Korea, 7(4), 227-290 (in Korean with English abstract).
Nam, K. S., 1987, Variation of chemical composition and relative movement of major elements on the weathering of granitic and basaltic rocks, PhD thesis, Chonbuk national university, 90p (in Korean with English abstract).
Nam, K. S. and Cho, K. S., 1993, Relative of major elements on the weathering of rocks, Journal of Korean Institute of Mining geology, 26(1), 97-81 (in Korean with English abstract).
National Disaster Management Research Institute, 2010, Improvement of disaster warning system for steep slope, NIDP-PR-2010-01-02, 304p (in Korean with English abstract).
National Disaster Management Research Institute, 2013, A study on the failure characteristics and safety factors of steep slopes based on the rainfall infiltration analysis - unsaturated characteristics and steep-slope risk evaluation of weathered metamorphic soil test-beds, NDMI-PR-2013-19-02, 308p (in Korean with English abstract).
Nesbitt, H. W. and Young, G. M., 1982 Early Proterozoic climates and plate motions inferred from major element chemistry of lutites, Nature, 299, 715-717.

상세보기
Parker, A., 1970, An index of weathering for silicate rocks, Geological Magazine, 501-504.
Price, J. R. and Velbel, M. A., 2003, Chemical weathering indices applied to weathering profile developed on heterogeneous felsic metamorphic parent rocks, Chemical Geology, 202, 397-416.

상세보기
Rebertus, R. A., Weed, S. B., and Boul, S. W. 1986, Transformation of biotite to kaolinite during saprolite-soil weathering, Soil Science Society of America Journal, 50, 810-819.

상세보기
Reiche, P., 1943, Graphic representation of chemical weathering, Journal of Sedimentary Petrology, 13, 58-68.
Ruxton, B. P., 1968, Measures of the degree of chemical weathering of rocks, Journal of Geology 76, 518-527.

상세보기
Smith, J. V., 1974, Feldspar minerals 2: Chemical and textural properties: Berlin, Springer-Verlag, 690p.
Sueoka, T., 1988, Identification and classification of granite residual soils using chemical weathering index, Symposium on The Weathering Residual Soil, 89-94.
Vogel, D. E., 1975, Precambrian weathering in acid metavolcanic rocks from the Superior Province, Villebon Township, South - Central Quebec, Canadian Journal of Earth Sciences, 12, 2080-2085.

상세보기
Vogt, T., 1927, Sulitjelmafeltets geologi og petrografi, Norges Geologiske Undersokelse, 121, 560p.
Werner, B. and Spranger, T, 1996, Manual on methodologies and criteria for mapping critical levels/loads and geographical area where they are exceeded Texte 71: 96. Berlin, Germany : Federal Environmental Agency; 144p.
Yim, G. J., 2000, A study on weathering characteristics of granitic rocks, PhD thesis, Kangwon National University, 148p (in Korean with English abstract).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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