[논문]일본 오이타현 우스키 마애불상군의 환경변화와 염풍화 특성

조지현; 이찬희

doi:10.9719/eeg.2020.53.6.677

[국내논문] 일본 오이타현 우스키 마애불상군의 환경변화와 염풍화 특성
Characteristics of Salt Weathering and Environmental Variation on the Usuki Stone Buddha Statues in Oita, Japan 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.53 no.6, 2020년, pp.677 - 685

초록
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우스키 마애불상군의 모암은 아소-4 화산쇄설암층군에 속하는 암회색 응회암이다. 이 불상군은 상부에서 유입되는 강수와 지반에서 상승하는 지하수로 인한 백화현상과 암반의 토양화가 상당히 진행되어 보존대책이 시급한 상태였다. 불상군 표면 염풍화의 주요 원인인 백색오염물에서는 세나다이트, 석고, 백운석이 동정되었다. 이들의 용출실험 결과, 세나다이트는 교반초기에 용해되었다가 4시간 이후 재용출되고, 석고는 2시간 교반까지 검출되다가 4시간 교반 후 용해되는 특성을 보였다. 백색오염물의 재결정 환경을 파악하기 위해 11개월간 미기후 환경을 모니터링한 결과, 봄철에는 세나다이트와 미라빌라이트의 상전이가 넓게 나타나고, 여름과 가을철에는 고온으로 인해 수용액 상태로 유지된다. 겨울철에는 온도가 하강하면서 미라빌라이트의 분포대가 가장 넓게 도시된다. 따라서 석불군 일대의 수분 이동통로를 차단하고 보호각 내에서 유지되는 다습한 환경을 제어하기 위한 초정밀 관측이 요구된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The host rock of the Usuki Stone Buddha Statues is dark gray welded tuff involved the Aso-4 pyroclastic flow sediments. This Buddha Statues are processing chlorosis from rainfall flowing above and underground water which were urgently needed for conservation measurement. White precipitates, the main source of salt weathering, on the surface of the Buddha Statues are mainly consisted of thenardite, gypsum and dolomite. Extraction experiment result shows that thenardite was dissolved at the beginning of stirring and then redissolved after 4 hours, and gypsum was detected until stirring for 2 hours, and then dissolved after stirring for 4 hours. As a result of monitoring the microclimate environment for 11 months to determine the recrystallization environment of white precipitates, the phase transition between thenadite and mirabilite appears widely in spring, and is maintained in an aqueous solution due to high temperatures in summer and fall. In winter, mirabilite is shown the widest by decreasing temperature. Therefore we requires details monitoring for blocking water transfer port and solved humidity environment in shelter.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Appearance and location of the Usuki Stone Buddha Statues. (A) Shelters of Hoki I and Hoki II groups. (B, C) Stone Buddha Statues of Furuzono group. (D) Location of the Usuki Stone Buddha Statues on the map showing the distribution of the Aso-4 pyroclastic sediments (Yamada et al., 1982).
그림 Fig. 2. Underground water lines showing the Hoki I and Furuzono groups (A), and white contaminants in the exfoliation zone on the Stone Buddha Statues (B).
그림 Fig. 3. Simplified chemical deterioration map and exfoliation zone of the Usuki Stone Buddha Statues. (A) Hoki I group. (B) Furuzono group.
그림 Fig. 4. Photographs showing the measuring points by P-XRF for white contaminants in the Hoki I and Furuzono groups (A to D), and analytical result of contamination elements (E). Point numbers are the same as those in Fig. 2A.
$Fig. 5. Microphotographs showing the scanning electron microscope, results of energy dispersive spectroscopy and X-ray diffraction patterns of white contaminants from the Stone Buddha Statues. (A) Hoki I group. (B) Furuzono group. (C) Motomachi group. (D) White contaminants of US-1, 2 and 3, lime of UL-1, G; gypsum, T; thenardite, D; dolomite, P; plagioclase, Q; quartz.$ 그림 Fig. 5. Microphotographs showing the scanning electron microscope, results of energy dispersive spectroscopy and X-ray diffraction patterns of white contaminants from the Stone Buddha Statues. (A) Hoki I group. (B) Furuzono group. (C) Motomachi group. (D) White contaminants of US-1, 2 and 3, lime of UL-1, G; gypsum, T; thenardite, D; dolomite, P; plagioclase, Q; quartz.
그림 Fig. 6. Diagrams showing the cation and anion contents by extraction experiments for white contaminants from the Stone Buddha Statues.
그림 Fig. 7. Diagrams showing the indoor relative humidity, dew point and surface temperature of the Usuki Stone Buddha Statues.
그림 Fig. 8. Possibility of dew condensation and freeze. (A, B) Monthly and timely occasional frequency when surface temperature of stone reaches below dew point of indoor air in the Usuki Stone Buddha Statues. (C) Frequency of temperature occurrence below 0℃ by time.
표 Table 1. Summary on temperature, pH, electric conductivity (EC) and dissolution rate of white contaminants from the Usuki Stone Buddha Statues (National Research Institute of Cultural Heritage, 2012)
그림 Fig. 9. Phase diagram for thenardite and superimposed measurements hourly indoor temperature and relative humidity for the period April 2009 to March 2010 around the Usuki Stone Buddha Statues. Phase boundaries constructed according to Flatt (2002) with experimental date from Kracek (1928).

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 연구에서는 일본 우스키 마애불상군의 표면에 형성된 무기오염물 분석결과와 용출실험을 바탕으로 염 결정의 생성메커니즘을 해석하였다. 또한 불상 군의 미기후 모니터링 자료를 통하여 염풍화와 재용출을 가중시키는 환경조건을 검토하였다.
이 측정 자료는 연중 및 계절별 특징으로 세분하였고, 보호각 내부는 백색오염물의 재용출 또는 재결정이 가능한 환경조건이 형성되는지 등을 분석하였다. 또한 결로와 동결파쇄의 가능성도 살펴보았다.
염 결정의 생성메커니즘을 해석하였다. 또한 불상 군의 미기후 모니터링 자료를 통하여 염풍화와 재용출을 가중시키는 환경조건을 검토하였다. 이 결과는 석조문화재의 미기후 환경변화와 염풍화 특성에 따른 재손상 원인을 규명하고 보존환경을 제어할 수 있는 기초자료로 활용할 수 있을 것이다.
보호각 내부의 수분환경을 파악하고자 표면온도와 이슬점온도의 변화추이가 만들어내는 수분의 기원을 검토하였다. 표면온도가 이슬점온도 이하로 내려가는 결로는 6~11월에 걸쳐 부분적으로 발생하고 특히 여름철인 7 월과 8월에 집중 분포한다(Fig.

가설 설정

6. 백색오염물의 주성분인 세나다이트는 가용성 염으로 재용출과 재결정을 반복하고 상전이가 일어나면서 부피가 팽창하여 마애불상군의 염풍화를 촉진할 것이다. 따라서 수분의 이동통로를 차단하고 보호각 내부의 다습한 환경을 제어하는 초정밀 관측이 필요할 것이다.

제안 방법

이 연구에서는 Cho et al.(2012a)이 보고한 화학적손상지도를 토대로 마애불상군에 나타난 다양한 오염물 가운데 특히 백색오염물을 집중 분석하였다. 현장에서 휴대용 X-선 형광분석기(P-XRF; Innov-X System) 를 이용하여 성분을 검출하였고, 정밀분석을 위해 불상의 표면과 지반에 생성된 백색오염물을 수습하였다.
또한 백색오염물의 광물조성을 동정하고자 X-선 회절분석(Rigaku제 D/Max-IIB X-선 회절분석기)을 수행하였다. 시료는 분말 후 60^oC에서 건조하였고 X-선 타겟은 CuKα, 전압과 전류는 각각 40 kV와 40 mA로설정하였다.
7로 제조한 용액에 백색오염물을 교반한 뒤 채수하여 음이온과 양이온을 분석하였다. 수소이온농도(pH)와 전기전도도(EC; μS/cm)의측정은 Thermo Electron Corporation사의 Orion 4 Star pH 및 EC meter를 이용하였다.
시료는 분말 후 60^oC에서 건조하였고 X-선 타겟은 CuKα, 전압과 전류는 각각 40 kV와 40 mA로설정하였다. 용출실험은 pH 4.
시료는 분말 후 60^oC에서 건조하였고 X-선 타겟은 CuKα, 전압과 전류는 각각 40 kV와 40 mA로설정하였다. 용출실험은 pH 4.7로 제조한 용액에 백색오염물을 교반한 뒤 채수하여 음이온과 양이온을 분석하였다. 수소이온농도(pH)와 전기전도도(EC; μS/cm)의측정은 Thermo Electron Corporation사의 Orion 4 Star pH 및 EC meter를 이용하였다.
수행하였다. 우선 현장에서 P-XRF를 이 용해유형이 다른 백색오염물 4지점을 분석하였다(Fig.2A). 호키I군에서는 광배에 침전되어 있는 백색물질을 측정하였고(Fig.
우스키 마애불상군에서 확인되는 백색오염물과 박락과의 상관관계를 해석하기 위해 이를 손상지도에 도시하였다(Fig. 3). 백색오염물은 염풍화로 인한 박락영역의 상부에 집중적으로 분포하는 것으로 보아 물리적인풍화와 연관이 있음을 알 수 있다.
이 백색염화물의 용출특성을 파악하기 위해 교반용출 실험을 수행하였다. 시료는 현장에서 일정량 이상 확보가 가능한 모토마치 불상군에서 수습하였다.
이 백색오염물의 성분과 생성메커니즘을 규명하고자 조성분석을 수행하였다. 우선 현장에서 P-XRF를 이 용해유형이 다른 백색오염물 4지점을 분석하였다(Fig.
구성암석과 지하수위로 인해 수분에 의한 영향을 직접적으로 받는다. 이 불상군의 보존환경에 영향을 주는 미기상 요소들의 특성을 분석하고자 2009년 4월 22일부터 2010년 3월 21일까지 총 11개월간의 온도와습도를 한 시간 간격으로 기록하였다. 측정은 후루조노 불상군 내부와 호키II군의 입구에서 수행하였다.
1^oC의 분해능을 가진 표면 부착식 열전대이다. 이 측정 자료는 연중 및 계절별 특징으로 세분하였고, 보호각 내부는 백색오염물의 재용출 또는 재결정이 가능한 환경조건이 형성되는지 등을 분석하였다. 또한 결로와 동결파쇄의 가능성도 살펴보았다.
이를 자력교반기에서 일정한 속도로 30분, 1시간, 2시간 및 4시간에 걸쳐 교반하였다. 각 시간별 수용액의 양이온 및 음이온 분석 결과, Na⁺, Ca²⁺ 및 SO₄^2- 이온이 최대로 검출되어 오염물 성분을 잘 반영하였다(Fig.
이 불상군의 보존환경에 영향을 주는 미기상 요소들의 특성을 분석하고자 2009년 4월 22일부터 2010년 3월 21일까지 총 11개월간의 온도와습도를 한 시간 간격으로 기록하였다. 측정은 후루조노 불상군 내부와 호키II군의 입구에서 수행하였다. 이 결과, 보호각 내부의 온도는 -2.
한편 백색오염물의 정확한 성분과 미세조직을 규명하기 위해 분말형태의 시료를 수습하였다. 이들의 주사전자현미경 관찰 결과, 호키I군 대좌에서 수습한 백색오염물은 과립상과 침주상의 결정이 혼재되어 나타나고(Fig.
(2012a)이 보고한 화학적손상지도를 토대로 마애불상군에 나타난 다양한 오염물 가운데 특히 백색오염물을 집중 분석하였다. 현장에서 휴대용 X-선 형광분석기(P-XRF; Innov-X System) 를 이용하여 성분을 검출하였고, 정밀분석을 위해 불상의 표면과 지반에 생성된 백색오염물을 수습하였다. 이들의 미세조직을 관찰하기 위해 주사전자현미경(SEM) 을 활용하였으며, 기기는 Oxford사의 에너지분산형 성분분석기(EDX Inca M/X)가 장착된 JEOL사의 JSM 6335였다.
2A). 호키I군에서는 광배에 침전되어 있는 백색물질을 측정하였고(Fig. 4A, 4B), 후루조노에서는 불상군의 바닥 면에서 분말상 백색물질을 분석하였다(Fig. 4C, 4D).

대상 데이터

설치하여 확보하였다. 2009년 4월 22일부터 2010년 3월 21일까지의 온습도를 측정하였고, 기기는 ±2% RH 및 ±5^oC의 정밀도와 0.1% RH 및 0.1oC의분해능을 가진 독일 TESTO사의 Testo 175-H2와 Testo 177-H₁이다.
이 백색염화물의 용출특성을 파악하기 위해 교반용출 실험을 수행하였다. 시료는 현장에서 일정량 이상 확보가 가능한 모토마치 불상군에서 수습하였다. 또한 용매는 오이타현 평균 산성비에 해당하는 pH 4.
우스키 마애불상군 일대의 미기후 자료는 후루조노불상군 내부와 호키II군의 보호각 외부에 자동 온습도로 거를 설치하여 확보하였다. 2009년 4월 22일부터 2010년 3월 21일까지의 온습도를 측정하였고, 기기는 ±2% RH 및 ±5^oC의 정밀도와 0.

이론/모형

현장에서 휴대용 X-선 형광분석기(P-XRF; Innov-X System) 를 이용하여 성분을 검출하였고, 정밀분석을 위해 불상의 표면과 지반에 생성된 백색오염물을 수습하였다. 이들의 미세조직을 관찰하기 위해 주사전자현미경(SEM) 을 활용하였으며, 기기는 Oxford사의 에너지분산형 성분분석기(EDX Inca M/X)가 장착된 JEOL사의 JSM 6335였다.

성능/효과

2. 이 마애불상군의 표면에는 결정형을 띠는 백색오염물이 산재하며 주로 세나다이트, 석고 및 백운석으로 동정되었다. 이는 마애불상군의 모암과 보수물질 및 주변의 수분공급에 따른 상호반응으로 형성된 것이다.
3. 용출실험 결과, 세나다이트는 교반초기에 용해되었다가 4시간 이후 재용출되고, 석고는 2시간 교반까지 검출되다가 4시간 교반 이후 용해되는 특성을 보였다. 따라서 이 마애불상군에 지속적으로 수분이 공급된다면 백색의 염화물은 용해와 침전을 반복하며 표면의 염풍화를 야기할 것으로 판단된다.
4. 우스키 마애불상군의 기온은 봄과 가을 및 겨울철에 외부가 내부보다 더 넓은 분포를 나타냈고, 습도는 내부에서 봄을 제외하고 모두 100%에 밀집되는 다습한 환경을 유지하고 있다. 이는 세나다이트와 미라빌라이트의 상전이를 가능하게 하고, 이때 부피팽창으로 인해 모암의 입상분해와 박리박락이 발생할 수 있는 것으로 나타났다.
5. 마애불상군의 결로 및 동결발생 가능성 검토 결과, 결로는 6월에서 9월에 높은 빈도를 보였고 영하권은 12월에서 3월에 걸쳐 정규분포를 보였다. 이 시기에 수용성 염이 결정을 이룰 수 있는 환경이 조성되기 때문에 모암의 물리적 파쇄가 발생할 확률이 매우 높다.
황산염 광물임을 알 수 있다. X-선 회절분석을 통해 각 오염물의 광물조성을 동정하면(Fig.5D), 호키I군에서는 세나다이트(thenardite, NaSO₄)가 우세하게나타났고(US-1), 제1불감 바닥의 회편에서는 백운석과석고가 검출되어 과거 보수에 사용한 석회재료 성분을파악할 수 있다(UL-1). 후루조노와 모토마치 불상군에서는 모두 세나다이트와 석고가 동정되었다(US-2, 3).
및 4시간에 걸쳐 교반하였다. 각 시간별 수용액의 양이온 및 음이온 분석 결과, Na⁺, Ca²⁺ 및 SO₄^2- 이온이 최대로 검출되어 오염물 성분을 잘 반영하였다(Fig.6). 용출시간에 따른 Na⁺와 Ca²⁺의 양이온 농도는 큰 증감이 나타나지 않으나, SO₄^2-이온은 4시간 이후 초기에 비해 농도가 1/2로 감소하는 경향을 보였다.
우스키 일대의 수분 공급원은 강수와 지하수이다. 또한 미기후 모니터링을 통해 보호각 내부도 높은 습도가 상시 유지됨을 확인하였다. 일본 생활환경부에서 보고한 오이타현의 ‘수원역수질조사’에 따르면 Na⁺, K⁺, Ca²⁺의 성분이 상대적으로 높고, 인근 유후인의 지하수와 지표수에는 Cl-, SO4 ^2-, HCO₃^-가 주성분으로 포함되어 있다(Sturchio et al.
또한 오염물 수용액의 pH는 교반시간이 늘어날수록 7.84에서 8.34로 상승하는 경향을 보였고, 전기전도도는 27.8~30.2 μs/cm 범위로 2시간이 경과할 때까지 낮아지다가 4시간 교반 후 급상승하였다. 이러한 전기전도도의 변화는 시간대별 용해되는 오염물의 변화량과 일치하였다(Table 1).
이 결과, 백색오염물의 주성분으로는 S, Cl 및 Ca이검출되었다. 이는 모두 염화물을 구성하는 원소로, 특히 1과 2번 지점은 S과 Cl가, 3과 4번에서는 Ca이높은 농도를 보였다(Fig.
측정은 후루조노 불상군 내부와 호키II군의 입구에서 수행하였다. 이 결과, 보호각 내부의 온도는 -2.7~29.9^oC의 범위를 보이며 32.6^oC의 차이가 있었고, 외부온도는 -4.0~ 40.5oC로 44.5^oC의 변화를 보였다. 또한 상대습도는 보호각 내부에서 24.
한편 용해되지 않고 남아있는 불용성 잔류물에 대한 X-선 회절분석 결과, 교반시간 초기의 잔류물에서는 석고가 주로 검출되는 반면, 4시간 교반한 잔류물에서는다량의 세나다이트가 확인되었다. 따라서 초기 반응 동안에는 수용성 염인 세나다이트가 빠른 시간 내에 용해되나, 용출시간이 길어짐에 따라 재침전이 발생하였음을알 수 있다.

후속연구

1B, 1C). 따라서 현재의 보호각을 효율적으로 관리하기 위해서는 염결정과 미기후 환경의 관계를 명확하게 검토할 필요가있을 것이다.
또한 탈염처리는 염화물의 용해도를 고려하여 세나다이트의 세정시간을 짧게 하고, 반복하는 방법을 적용해야 한다. 수분과 관련한 환경을 제어하기 위해서는 지하수위의 주기적 점검을 통한 분포와 유동 상태 등을 면밀히 분석해야 하고 제한적인 범위에서 차수벽설치도 검토할 필요가 있을 것이다.
또한 불상 군의 미기후 모니터링 자료를 통하여 염풍화와 재용출을 가중시키는 환경조건을 검토하였다. 이 결과는 석조문화재의 미기후 환경변화와 염풍화 특성에 따른 재손상 원인을 규명하고 보존환경을 제어할 수 있는 기초자료로 활용할 수 있을 것이다.

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Cho, J.H., Lee, C.H., Kim, J. and Lee, S.M., (2012b) Relation of inorganic contaminants and microclimate of the Usuki Stone Buddha Statues in Oita, Japan. Joint Research of Koran and Japan for Scientific Conservation of Usuki Stone Buddha in Japan, National Research Institute of Cultural Heritage in Korea, p.65-89. (in Korean and Japanese)
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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