Weathering Sensitivities of Weathered Granite Soil in Hamyang According to Test Equipment Properties

태수 김; 희수 한

doi:10.9798/KOSHAM.2017.17.2.237

Abstract

The twelve weathered granite soil samples were taken in two sampling points of Hamyang, Kyungnam, and 3 testing methods were conducted to examine them which were X-Rays Diffraction(XRD), Scanning Electron Microscope(SEM) and X-Ray Flourescence Spectrometry(XRF). XRD tests showed only four components(Quartz, Albite, Muscovite and Microcline). The analysis results of SEM showed the single chemical elements. However, XRF tests showed the ratios of mineral compounds combined with oxygens, it could be used properly to calculate the chemical weathering index. In case of Hamyang weathered granite soils, the results were the beginning values to judge them highly weathered. Therefore, Hamyang area needs the proper soil surface protection construction methods to cope with slope failure and seepage erosion.

Keywords: Weathered Granite Soil, X-Rays Diffraction, Scanning Electron Microscope, X-Ray Flourescence Spectrometry, Chemical Weathering Index

요지

경남 함양지역 화강풍화토를 두 지점 12개 시료를 채취하여, X-선회절분석 시험, 전자주사현미경 시험 및 X-선 형광분석 시험 등 3가지 시험을 수행하였다. X-선 회절 분석 결과는 석영, 운모, 장석 및 사장석 등 4가지 주요 구성성분만을 보여주었다. 주사전자현미경을 이용한 광물조성의 분석결과는 광물내 단독원소들만 제시하였다. X선 형광분석법은 화학적 풍화지수 산정에 필요한 산소와 결합된 광물조성비를 보여주므로, 화학적 풍화지수 산정에 적절히 사용될 수 있다. 함양지역 화강풍화토의 경우, 높은 풍화단계로 판정할 수 있는 초기의 화학적 풍화지수들을 보여주고 있다. 그러므로, 함양지역은 사면붕괴, 세굴 등의 문제점들이 발생할 우려가 있어 적절한 표면보호공법이 필요하다.

1. 서론

암석의 풍화는 화학조성의 변화 없이 물리적으로 분리되는 물리적 풍화작용과 수분이나 그 속에 포함된 다른 화학성분의 화학적인 반응에 의하여 광물이 분해되는 화학적 풍화작용으로 구분되며, 암석의 균열과 같이 불연속면을 따라 분포하는 물의 흐름은 암석의 안정성에 가장 중요한 인자가 된다. 따라서 지표에서 수분의 포화 정도와 암석의 화학조성을 규명함으로써 암석의 풍화 정도 및 풍화경로를 예측할 수 있다.

암석의 풍화민감도 분석은 인위적으로 노출된 암석들이 지표환경에서 지하수, 강우(산성비), 대기오염물질 등의 여러 가지 영향이 암석의 강도에 영향을 주는 정도를 정량적으로 예측하는 방법이다. 이는 풍화에 의한 암석의 지화학적 특성을 이해하고, 풍화에 따른 위험요인을 검토한 자료를 바탕으로 풍화진행에 따른 구조물의 유지관리 공법 선정의 기초 자료를 제공할 수 있다. 또한 암반의 물성 변화 등에 관한 특성을 구조물 설계시점에 반영하여 재해의 피해를 감소시키는 방안을 마련하는데 중요한 역할을 한다.

본 연구에서는 경남 함양지역 화강풍화토를 대상으로 풍화민감도 측정에 사용되는 각 장비의 특성 및 풍화특성을 비교분석하였다.

2. 조암광물의 화학적 풍화 특성

화학적 풍화에 대한 조암광물의 안정성(저항성)은 광물의 종류에 따라 달라진다.

암석이 결정화될 때 불연속 계열의 경우, 조암광물의 정출은 ① ￫ ⑦의 순서로 일어나며, 고용체를 이루는 연속계열의 장석류는 ①-②-③의 순서로 정출된다(Table 1). 규산염광물의 기본구조의 결합방식은 온도가 내려감에 따라서 점차 독립사면체 구조에서부터 망상형 구조로 변한다. 망상형 구조형은 공유결합이 가장 강하며, 사방으로 기본구조들이 단단하게 결합하기 때문에 풍화에 강한 특성을 가지게 된다. 이 때문에 화학적 풍화에 대한 조암광물의 안정성은 후기에 정출한 광물 또는 생성온도가 낮은 광물일수록 증가하며, 고철질(염기성) 및 먼저 정출된 광물일수록 화학적 풍화에 대한 저항력이 감소한다.

Table 1

Safety Ranking of Minerals for Chemical Weathering Index

Discontinuous Affiliation	①Olivine ② Pyroxene ③ Amphibole ④ Biotite ⑤ Feldspar ⑥ Muscovite ⑦ Quartz
Continuous Affiliation	①Anortdite ② Albite ③ Kalifeldspar

지각을 구성하는 암석은 30-70%의 정도의 장석을 포함하며, 장석의 풍화는 이를 포함한 암석의 파괴를 의미한다. 장석류는 풍화하여 비조화용해를 통하여 일라이트나 고령토, 스멕타이트로 변하게 된다. 고령토가 더욱 풍화되어 분해되면 규산분이 용탈되어 수산화알루미늄으로 구성되는 보크사이트가 된다. 점토광물은 풍화정도와 물 공급, 가용한 양이온의 종류에 따라 다양한 종류로 변해간다. 이렇게 형성된 점토광물은 풍화를 더욱 가속시키게 된다. 특히 점토광물 중에서 팽윤성 광물의 유무를 진단함으로써 비탈면의 풍화정도와 안정성을 예측할 수 있다.

3. 풍화민감도 분석

3.1 분석절차

풍화광물의 분석은 편광현미경에 의한 관찰과 X-선 회절분석(X-Rays Diffraction, XRD)에 의한 방법이 가장 일반적이며, 본 연구에서는 편광현미경을 이용한 X-선 회절분석을 이용하였다.

또한, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용하여 미세조직과 풍화특성을 분석하였을 뿐 아니라, 전암(Bulk Rock)을 X-선 형광분석(X-Ray Flourescence Spectrometry, XRF)을 통해 화학적 풍화지수를 계산하였다(Table 2). 즉, 광물학적 특성분석은 XRD 정량분석 및 주사전자현미경(SEM)을 이용하였고, 화학적 풍화특성분석을 위한 풍화지수 산정을 위해 X-선 형광분석(XRF)을 하였다.

Table 2

Analysis Items

Item	Substance
Mineral Property	- Ratio analysis of weak weathering mineral (X-Rays Diffraction) - Scanning Electron Microscope: Surface tissue observation of mineral particle
Chemical Weathering Property	- X-Ray Flourescence Spectrometry: Checking the variation of main Elements - Calculating chemical weathering index.

3.2 암석시료

암석시료는 경남 함양군 수동면 일대의 두 지역에서 각각 6개 채취하여 총 12개를 채취하였으며, 이들을 대상으로 화학적 풍화민감도를 분석하였다.

본 연구대상 지역의 위치는 관입 및 퇴적, 융기 등 지구조 운동이 복합적으로 일어난 만장년기의 산악지형을 보이고 있다. 현장지반은 굴착 후 급격한 응력이완과 강우에 의한 화학적 풍화로 인해 신선한 암은 매우 국부적인 영역에서만 발생되었다. 암석시료는 표면에서 미세절리가 일부 발달하였고, 원암의 상태를 비교적 잘 보존하고 있다. Fig. 1 (a)는 현장지반의 전경을, Fig. 1 (b)는 현장지반의 신선암을 보여주고 있다.

Fig. 1

Overall View

3.3 분석장비

3.3.1 X-선 회절분석법

결정질 물질인 광물들은 구조내 원자들이 3차원적인 규칙성을 가지고 주기적으로 배열하게 되는데, 각기 일정한 방향으로 배열한 격자면에 X-선을 회절시켜 격자간의 거리를 측정함으로써 광물에 대한 다양한 결정학적 정보를 얻을 수 있다. X-선 회절법(XRD)에는 단결정법과 분말법이 있다. 전자는 단결정을 사용하여 결정의 축과 결정계, 및 공간군 등 직접 결정학적 정보들을 결정함으로써 결정 구조 해석에 주로 이용되며, 후자는 분말 시료를 사용함으로써 미지 물질의 감정 또는 정성분석, 온도 또는 압력 변화에 따른 상변화 연구, 조직의 변화 및 여러 물질이 혼합된 경우 정량분석이 가능하다.

시료는 상온에서 충분히 건조시켜 분말화시킨 후 부정방위 시료를 제작하여 XRD분석을 실시하였다. 정량분석의 경우 결정도, 배향성, 바탕물질의 흡수도, 분석대상 물질과 표준물질의 특성 차이 등의 정량분석에 영향을 미치는 요인이 매우 많다. X-선회절방법에 의한 광물의 정량분석으로는 내부표준법, 표준물질 첨가법, 기저표준흡수보정법, 컴퓨터정량프로그램법 등의 다양한 방법이 있지만, 정량분석은 경우에 따라 오차가 크고 매우 어려운 것이므로 각 조건에 따른 물질의 성질을 잘 파악하여 적절한 분석법을 택하여야 된다.

본 연구에서는 현재 가장 신뢰도가 높고 범용화되어 있는 Siroquant v.3 프로그램을 이용하여 단층점토의 종류와 함량을 정량분석하였다. 이 방법은 광물 구조 연구에 이용되던 것을, 광물정량분석에 응용한 것이기 때문에 상당한 정확도를 가지고 있다.

시험은 국립금오공과대학교 공동실험실습관에서 Rigaku사의 X-MAX /2000-PC 모델을 이용하여 분석하였다. 분석조건은 5∼65도 2θ범위에서 Ni-filtered Cu-Kα(1.54056A)선을 이용하였고, 가속전압 및 전류는 35kV/25mA, 측정방법은 연속 스텝 스케닝으로 스텝당 0.5초로 수행하였다.

3.3.2 X-선 회절분석 결과

Fig. 2는 A지점 1번 시료의 XRD회절 시험 결과를 보여주고 있다. A 및 B 지점 12개 시료의 시험 결과를 정리 및 분석한 것이 Tables 3 ~ 4이며, A지점 및 B 지점의 XRD 정량분석에 의한 구성광물의 함량비(W_t%)를 보여주고 있다. Table 5는 두 지점의 광물조성의 평균을 보여주고 있으며, 시료의 광물조성은 주성분이 석영(Quartz, SiO₂), 장석류(Albite, NαAlSi₃O₈또는Nα_1.0−0.9Cα_0.0−0.1Al_1.0−1.1Si_3.0−2.9O₈), 운모(Muscovite, KAl₂(F, OH)₂또는(KF)₂(Al₂O₃)₃(SiO₂)₆)), 사장석(Microcline, K(AlSi₃O₈)) 등으로 결정질 광물의 구성비가 우세하다. 전반적으로 석영, 장석류의 비율은 큰 변화가 없으나, 이들 광물조성비로 볼 때 향후 형성될 수 있는 풍화광물은 일라이트, 고령토, 스맥타이트, 녹니석, 버미큘라이트가 될 가능성이 높다.

Fig. 2

XRD Test Result of #1 Sample

Table 3

Weight Ratio of Mineral Component by XRD Test (W_t, %): A Point

Mineral	No.1	No.2	No.3	No.4	No.5	No.6
Quartz	45.6	44.3	36.0	28.5	37.7	47.2
Muscovite	9.6	14.1	13.6	0.3	23.6	6.5
Albite	39.8	28.9	35.9	67.9	23.7	42.0
Microcline	5.0	12.7	14.5	3.3	15.1	4.4

Table 4

Weight Ratio of Mineral Component by XRD Test (W_t, %): B Point

Mineral	No.7	No.8	No.9	No.10	No.11	No.12
Quartz	36.1	38.2	17.6	49.9	42.0	48.3
Muscovite	11.5	9.7	3.7	6.6	36.9	18.4
Albite	32.8	40.9	45.5	33.3	21.1	30.3
Microcline	19.5	11.2	33.2	10.2	-	2.9

Table 5

Average Weight Ratio of Mineral Component by XRD Test (W_t, %)

Mineral	A site	B site
Quartz	39.9	38.7
Muscovite	11.3	14.5
Albite	39.7	34.0
Microcline	9.2	15.4

Table 5에 의하면 12개 시료에서 분석된 4개의 구성은 모두 Si 및 Al 등 잔류성 원소를 다량 함유하고 있어 현재 지반은 풍화가 상당히 진행된 상태임을 알 수 있다.

X-선 회절 분석 결과는 석영, 운모, 장석 및 사장석 등 4가지 주요 구성성분만을 보여주며, 이 구성광물들은 잔류성 및 용해성 원소들이 결합된 상태이므로, 화학적 풍화지수 산정시 필요한 산소와 결합된 잔류성 및 용해성 원소들의 구분이 곤란하다. 그러므로 X-선 회절 분석 결과는 구성암의 종류는 알 수 있으나, 이를 통한 화학적 풍화지수 산출에는 어려움이 있다.

3.3.3 주사전자현미경

주사전자현미경은 전자총에서 발생한 전자들을 전자기 렌즈로 수십 nm 정도의 매우 작은 빔으로 모아서 시료의 표면을 주사한다. 이때 시료에서 발생하는 이차전자, 특성 X선 등의 신호를 검출하여 시료의 확대된 영상관찰과 화학분석이 가능한 방법이다. 본 연구에서는 국립금오공과대학교 공동실험실습관의 JEOL/JSM-6500F를 이용하였다. 원시료에 대하여 주사전자현미경의 영상분석 및 화학분석을 실시하였다. 시료표면을 금(Au)으로 코팅하고, 20kV/10nA 조건하에 영상분석을 실시하고, 에너지 분산 스펙트럼(EDS, Enegy Dispersive Spectrum)을 이용하여 화학성분을 분석하였다.

주사전자현미경을 이용한 영상분석의 관찰초기에는 40∼50배의 저배율에서 전체조직의 특징을 파악한 후에, 점차 배율을 높여가면서 최대 1000배율까지 조절하면서 특정지점의 초미세 조직과 구조를 관찰하였다. 특정지점의 화학분석은 선명한 배율의 주사전자현미경의 이미지를 먼저 촬영한 후 동일지점에 대하여 에너지 분산 스펙트럼으로 성분분석을 실시하였다. 이로써 기존암석 내 광물의 특징과 이들의 풍화변질 산물인 점토광물의 화학성분을 파악하였다.

주사전자현미경에 의한 관찰은 매우 미세한 범위에 국한되므로 각 관찰지점에 따라서 동일한 시료임에도 일관성이 나타나기 어렵다. 그러므로 SEM 관찰결과가 반드시 전체 암석의 특징을 체계적으로 반영한다고는 할 수 없다. 그럼에도 미세한 암석의 조직관찰이나 성분분석, 이차적 풍화변질산물인 미세한 점토광물의 특성분석에서 효율적인 방법이므로 암석의 풍화특성 조사에서 SEM 분석은 보조적인 수단으로서 가치가 매우 높다.

3.3.4 주사전자현미경 분석 결과

Fig. 3은 A지점 1번 시료의 주사전자현미경(SEM) 촬영 사진과 에너지분산스펙트럼(EDS)을 이용한 화학성분을 보여준다.

Fig. 3

#1 Sample of SEM and EDS Analysis Result

광물조성의 EDS분석결과는 Table 6에 나타내었다. Table 7은 A 및 B 지점의 평균 광물조성비를 나타내고 있다. 잔류성 원소인 규소(Si) 및 알루미늄(Al) 원소가 산소(O) 원소와 다량 결합되어 잔류하고 있음을 알 수 있으며, 수용성 원소인 나트륨(Na) 원소 등은 소량 잔류하여 풍화도가 높음을 알 수 있다.

Table 6

Results of EDS Analysis(atomic %)

	No.1	No.2	No.3	No.4	No.5	No.6	No.7	No.8	No.9	No.10	No.11	No.12
C	-	20.36	17.82	17.67	26.94	17.11	48.01	-	63.52	30.20	54.98	-
O	57.62	50.76	50.08	54.07	46.03	53.13	34.43	56.93	22.62	43.35	30.32	58.01
Na	-	0.78	-	-	0.88	-	-	1.44	-	-	-	-
Mg	2.26	0.81	-	-	0.52	0.59	-	0.71	-	0.71	-	0.83
Al	10.62	7.00	7.76	7.28	6.27	7.48	4.56	10.24	5.65	6.64	4.41	11.05
Si	24.00	16.42	17.78	16.12	14.52	17.53	9.42	24.41	5.88	15.05	7.29	23.40
Cl	-	-	0.47	0.46	-	-	0.54	-	0.69	-	0.61	-
K	2.18	1.39	1.63	1.82	1.45	1.16	0.99	1.93	0.55	1.55	0.88	2.50
Ca	0.86	0.66	0.93	0.55	0.55	0.59	-	0.99	-	0.55	-	0.71
Ti	-	-	-	-	-	-	-	0.44	-	-	-	-
Mn	0.59	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0.51
Fe	3.37	1.82	3.52	2.03	-	2.40	2.05	2.89	1.08	1.96	1.51	3.00

Table 7

Average Mineral Components by EDS Analysis(atomic %)

Component / Sample	A site	B
C	16.65	32.79
O	51.95	40.94
Na	0.28	0.24
Mg	0.7	0.38
Al	7.74	7.09
Si	17.73	14.24
Cl	0.16	0.61
K	1.61	1.4
Ca	0.69	0.38
Ti	-	0.07
Mn	0.1	0.09
Fe	2.19	2.08

주사전자현미경을 이용한 광물조성의 EDS분석결과는 산소와 결합된 상태가 아닌 비결합 상태의 단독원소들을 보여준다(Table 6). 그러므로, 산소와 결합된 상태의 원소들을 이용하는 화학적 풍화지수 산정 시 어려움이 있다.

3.3.5 X선 형광분석법

X선 형광분석법은 구미전자정보기술원에서 X선 형광 분광분석기를 이용하였다. 시료는 수분을 제거한 후에 백금도가니의 비드 제작로에 넣어 1100°C에서 5분 동안 가열하여 완전히 용융시킨 후, 유리질의 비드를 제작하여 주원소를 분석하였다.

전암 분석은 일반적인 기준암석에 비하여 주요 성분을 비교함으로써 화학적 풍화가 얼마나 진행 되었는가를 예측할 수 있으며, 화학적 풍화지수를 계산하는데 필요한 성분비를 알 수 있다.

3.3.6 X선 형광분석(XRF) 결과

Fig. 4는 X선 형광분석 시험을 통한 전암분석을 하기 위한 시료이며, Table 8은 암석시료의 X선 형광분석 결과를 정리한 것이다. Table 9는 XRF 시험을 통한 A 및 B 지점의 평균 광물조성비를 나타내고 있다. 잔류성 광물인SiO₂및Al₂O₃등이 다량 잔류하고 있음을 알 수 있으며, 기타 수용성 광물 등은 소량 잔류하여 XRF 시험을 통해서도 풍화도가 높음을 알 수 있다.

Fig. 4

#1 Sample for XRF Test

Table 8

Results of XRF Test(W_t%)

시료	No.1	No.2	No.3	No.4	No.5	No.6	No.7	No.8	No.9	No.10	No.11	No.12
Na₂O	3.460	3.330	3.390	3.650	3.630	3.660	3.640	3.710	3.680	3.440	3.650	3.620
MgO	0.754	0.735	0.722	0.658	0.645	0.701	0.584	0.596	0.544	0.779	0.785	0.766
Al₂O₃	17.500	17.400	17.500	17.500	17.700	17.400	16.800	17.000	16.500	17.800	17.700	17.800
SiO₂	65.600	65.900	65.500	66.000	66.000	65.900	65.900	65.900	67.000	65.000	64.800	64.900
P₂O₅	0.248	0.261	0.255	0.221	0.218	0.243	0.196	0.224	0.184	0.270	0.262	0.277
SO₃	0.000	0.017	0.017	0.011	0.013	0.008	0.015	0.000	0.009	0.019	0.013	0.020
K₂O	4.190	4.230	4.190	4.150	4.230	3.980	4.330	4.360	4.270	4.250	4.230	4.320
CaO	3.090	3.120	3.120	3.070	3.060	3.070	3.280	3.360	3.200	3.160	3.180	3.200
TiO₂	0.684	0.628	0.671	0.611	0.609	0.597	0.715	0.678	0.577	0.595	0.679	0.665
MnO	0.064	0.055	0.071	0.071	0.077	0.064	0.072	0.072	0.072	0.080	0.073	0.085
Fe₂O₃	4.030	4.000	4.200	3.680	3.480	4.080	4.020	3.770	3.630	4.350	4.360	3.980
CuO	0.015	0.017	0.013	0.000	0.011	0.000	0.015	0.016	0.000	0.011	0.000	0.011
ZnO	0.014	0.016	0.018	0.015	0.015	0.015	0.017	0.012	0.016	0.016	0.015	0.016
Rb₂O	0.013	0.013	0.013	0.013	0.012	0.014	0.018	0.015	0.015	0.011	0.014	0.012
SrO	0.088	0.087	0.088	0.093	0.091	0.087	0.099	0.096	0.098	0.085	0.089	0.087
ZrO₂	0.026	0.044	0.035	0.024	0.032	0.027	0.027	0.027	0.039	0.027	0.030	0.026
BaO	0.181	0.165	0.182	0.197	0.189	0.157	0.229	0.239	0.228	0.182	0.173	0.191
Total	99.95	100.02	99.99	99.97	100.01	100.00	99.96	100.08	100.06	100.08	100.05	99.98

Table 9

Average Mineral Components by XRF Test (W_t%)

Sample	A site	B site
Na₂O	3.62	3.52
MgO	0.68	0.7
Al₂O₃	17.27	17.5
SiO₂	65.58	65.82
P₂O₅	0.24	0.24
SO₃	0.01	0.01
K₂O	4.29	4.16
CaO	3.23	3.09
TiO₂	0.65	0.63
MnO	0.08	0.07
Fe₂O₃	4.02	3.91
CuO	0.01	0.01
ZnO	0.02	0.02
Rb₂O	0.01	0.01
SrO	0.09	0.09
ZrO₂	0.03	0.03
BaO	0.21	0.18
Total	100	100

X선 형광분석법은 X-선 회절분석이나 전자주사현미경 시험 결과와는 달리, 화학적 풍화지수 산정에 필요한 산소와 결합된 광물조성비를 보여준다(Table 8). 그러므로, 산소와 결합된 잔류성 원소와 용해성원소들이 분리되어 나타나므로, 화학적 풍화지수 산정에 적절히 사용될 수 있다.

4. 풍화민감도 평가

풍화민감도 관련하여 국내 암석에 적용할 수 있는 기준 및 풍화민감도 등급에 따른 지반정수의 변화 예측(이광찬, 1998; 정의진 등, 2002), 풍화도 측정(노수각 등, 2012) 및 파쇄특성(이강일 등 2013) 등 여러 연구들이 진행되었다. 현재 풍화민감도를 정량화하기 위한 다양한 풍화지수들이 사용되고 있다.

4.1 풍화지수

화학적 풍화에 의해 암석이나 광물중의 원소는 천천히 용탈되며, 용탈되는 원소의 양과 속도는 원소의 종류에 따라 달라진다. 이를 이용해서 이동성이 큰 화학종(알칼리금속, 알칼리토금속)과 이동성이 작은 화학종의 성분을 분석하여 그 함량을 측정한다.

전암분석으로 암석종의 판단과 동일 암석에 대한 구성 성분의 변화를 분석 비교함으로써 화학적 풍화가 어느 정도 진행 되었는가를 예측할 수 있는 기초 자료로 활용된다.

전암분석을 이용한 풍화지수에는 화학적 변질지수 (CIA; Nesbitt and Young, 1982), 화학적 풍화지수(CIW; Harnois, 1998), 풍화산물지수(PI; Reiche, 1973), 변형풍화잠재지수 (MWPI; Vogel, 1975), SA값(Marbut, 1935), Vogt ratio(V; Vogt, 1927), Silica-Titania Index(Si-Ti index; de jayawardena and Izawa, 1994) 등이 있으며, 각 풍화지수들을 비교해서 풍화정도를 판별하고, 대상 시료가 화학적 풍화의 최종산물까지 어느 단계에 있는지 판별할 수 있다(Table 10).

Table 10

Several Methods for Calculating Chemical Weathering Index

Weathering Index	Calculation Method
Chemical Index of Alteration: CIA (Nesbitt and Young, 1982)	[Al2O3(Al2O3+CaO+Na2O+K2O)]×100(%)
Chemical Index of Weathering: CIW (Harnoiw, 1988)	[Al2O3(Al2O3+CaO+Na2O)]×100(%)
Chemucal Weathering Index: CWI (Sueoka, 1988)	[Al2O3+Fe2O3+TiO3+H2O(±)(All Chemical Components)]×100(%)
Vogot Ratio: VR (Vogot, 1927)	Al2O3+K2OMgO+ChO+Na2O
Modified Weathering Potential Index: MWPI (Vogot, 1973)	NaO2+K2O+CaO+MgONa2O+K2O+CaO+MgO+SiO2+Al2O3+Fe2O3×100(%)
Ruxton Ratio: RR (Ruxtin, 1968)	SiO2Al2O3
Si-Ti Index (Jayawardena and Izawa, 1994)	SiO2TiO2SiO2Al2O3+SiO2TiO2×100(%)
Weathering Index of Parker: WIP (Parker, 1970)	2Na2O0.35+MgO0.90+2K2O0.25+CaO0.70

특히 암석의 풍화경로를 나타내는 화학적 변질지수(CIA)와 여러 풍화지수(CWI)를 비교 검토하였다.

4.1.1 화학적 변질지수(CIA)

일반적으로 풍화단면에서 풍화작용의 진행정도를 측정하는 방법으로 주원소의 분석결과를 이용하여 화학적인 풍화작용의 정도를 풍화지수와 풍화 포텐셜로 나타낸다. 풍화지수는 유동성이 낮은Al₂O₃에 대한 알칼리 원소의 변화를 나타내는 화학적 풍화지수로서, 풍화작용이 진행되면서 유동성이 작은Al₂O₃는 암석에 잔류하는 반면에, 칼크-알칼리 계열의 원소들은 용해되어 쉽게 유실됨으로써 이 풍화지수는 커진다. 즉 이 지수 값이 클수록 풍화작용이 많이 진행되었음을 지시한다. 이같은 원소들의 거동특성과 부화 및 결핍정도를 근거로 화학적 변질 지수(CIA, Chemical Index of Alteration)를 구할 수 있다(Nesbitt and Young, 1982, 1984). Na, K, Mg, Ca와 같은 알칼리 및 알칼리 토류 원소는 용해도와 이동성이 높기 때문에(Ritter et al., 1995; Birkeland, 1999; Bohn et al., 2001) 풍화가 진전됨에 따라 그 양은 감소된다.

대표적인 조암광물인 장석, 흑운모, 각섬석 및 휘석에 대한 CIA는 각각 50, 50∼55, 10∼30. 0∼10이며, 신선한 화강암의 CIA 값은 약 50정도이다. 점토광물 중 고령토(kaolinite), 깁사이트(gibbsite), 녹니석의 CIA는 100이며, 일라이트(illite), 스멕타이트(smectite)는 70∼85의 값을 가진다. 따라서 CIA는 조암광물인 1차 광물과 풍화변질 광물인 2차 광물의 비율을 반영하며, 화학적 풍화의 정도를 나타낼 수 있다. 결론적으로 화학적 풍화지수는 유동성이 작은Al₂O₃에 대한 알칼리 원소의 변화를 나타내는 것으로 지수 값이 클수록 강한 풍화작용을 지시한다(Nesbitt and Young, 1954).

화학분석치의 오차량 배분을 통해 분석치의 합을 100으로 재계산한 후 각 원소의 몰비를 이용하여 다음의 식을 통해 산출된다(Colman, 1982; Nesbitt and Young, 1982).

(1)

CIA = (Al2O3Al2O3+Na2O+K2O+CaO)

이때 각각의 산화 화합물들의 분자량과 XRF를 이용해서 측정된 원소의 무게비로 CIA를 계산한다. 화학적 풍화지수의 계산은Al₂O₃를 기준으로 계산한다. 계산된 함양지역 화강 풍화토의 CIA 값의 경우, 약 60정도로 약간 풍화가 진행된 상태임을 알 수 있다(Table 11).

Table 11

Chemical Index of Alteration

INDEX	A site	B site
CIA	60.79	61.90

4.1.2 화학적 풍화지수(CWI)

풍화토는 그 풍화환경에 따라 동종의 모암일지라도 풍화양식이나 풍화정도가 달라지므로 궁극적으로 화학적인 조암광물의 변화로써 구분할 수밖에 없다는 관점에서 풍화에 예민한 광물의 화학적 분석을 통한 화학적 풍화지수(CWI, Chemical Weathering Index)를 사용한다.

(2)

CWI=(Al2O3+Fe2O3+TiO2+H2Oall Chemical components)×100(%)

화학적 풍화지수에서는 풍화정도를 표 13와 같이 분류하고 있으며 우리나라의 화강암질 풍화토는 대부분 CWI > 20의 강풍화에서 거의 완전 풍화잔적토로 보이는데, 화학적 풍화단계가 진행되고 있는 것으로 판단된다.

Table 12에 제시된 함양지역 화강 풍화토의 CWI 값의 경우, 약 22 정도로, 풍화가 상당히 진행된 상태임을 알 수 있다. 화학적 풍화도 평가시 ‘상당히 풍화’로 평가되는 초기시점에 도달했음을 알 수 있다(Table 13).

Table 12

Chemical Weathering Index

INDEX	A site	B site
CWI	21.94	22.04

Table 13

Ranges of Chemical Weathering Index (Dearman et al., 1978)

CWI (%)	Class	Extend of Weathering
13-15	I	Fresh rock
15-20	II	Slightly weathered
15-20	III	Moderately weathered
20-40	IV	Highly weathered
20-40	V	Completely weathered
40-60	VI	Residual soil
60-90	Ⅶ	Weathered hard pan (as cemented)

4.1.3 기타 화학적 풍화지수

화학적 풍화지수는 잔류성 원소들(SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, TiO₂) 등을 기준으로 한 지수들과 용해성 원소들(K₂O, Nα₂O, CαO, MgO) 등을 기준으로 한 지수들로 구분할 수 있다. 잔류성 원소들을 기준으로 한 값들은 높은 값일수록 풍화가 많이 진행 된 것을 의미하며, 용해성 원소들을 기준으로 한 지수들은 낮은 값일수록 용해성 원소가 많이 용출되어 풍화가 많이 진행 된 것을 의미한다.

함양지역 풍화토의 경우 잔류성 원소들을 기준으로 한 값들은 대부분 60%가 넘고, 용해성 원소들을 기준으로 한 값들은 0% 이하여서 풍화가 많이 진행된 상태임을 알 수 있다(Table 14).

Table 14

Other Chemical Weathering Indices

INDEX	A site	B site
CIW	71.60	72.58
VR	2.86	2.96
MWPI	8.43	8.17
RR	3.80	3.76
Si-Ti	96.37	96.53
WIP	60.38	58.59

그러므로 대부분의 화학적 풍화도 평가 시 화학적 풍화지수는 매우 풍화(High weathered)에서 완전 풍화(Completely weathered)상태로 나타났다.

5. 결론

경남 함양지역 화강풍화토를 두 지점 12개 시료를 채취하여, X-선회절분석 시험, 전자주사현미경 시험 및 X-선 형광분석 시험을 수행하였다. 각각의 시험장비특성에 따른 시험 결과를 분석하고, 화학적 풍화도를 측정하여 아래와 같은 결론을 도출하였다.

X-선 회절 분석 결과는 석영, 운모, 장석 및 사장석 등 4가지 주요 구성성분만을 보여주며, 화학적 풍화지수 산정시 필요한 산소와 결합된 잔류성 및 용해성 원소들의 구분이 곤란하여, 화학적 풍화지수 산출에는 어려움이 있다.
주사전자현미경을 이용한 광물조성의 EDS분석결과는 광물내 단독원소들만 제시하여 화학적 풍화지수 산정 시 어려움이 있다.
X선 형광분석법은 X-선 회절분석이나 전자주사현미경 시험 결과와는 달리, 화학적 풍화지수 산정에 필요한 산소와 결합된 광물조성비를 보여주므로, 화학적 풍화지수 산정에 적절히 사용될 수 있다.
화학적 풍화지수는 잔류성 원소를 기준으로 한 값과 용해성 원소를 기준으로 한 값들로 분류되며, 잔류성 원소를 기준으로 한 값은 높은 값, 용해성 원소를 기준으로 한 값은 낮은 값이 높은 풍화도를 나타낸다.
연구대상인 함양지역 화강풍화토의 경우, 높은 풍화단계로 판정할 수 있는 초기의 화학적 풍화지수들을 보여주고 있다.
시료채취 지역인 함양지역은 굴착 시 풍화의 급진전으로 인한 사면 열화, 강우 시 세굴 등의 문제점들이 발생할 우려가 있어 적절한 표면보호공법이 필요하다.