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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.36 No.6 pp.543-552
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2015.36.6.543

A Study on Weathering Processes of Tafoni in Mt. Cheonsaeng, Gumi, the Republic of Korea: Interpretation of Water Content Data using GIS Interpolation Analysis

Jae-Ryul Shin1, Jin-Kook Lee2, Chang-Oh Choo2, Kyung-Gun Park3
1Department of Geography, Kyungpook National University, 41566 80 Daehak-ro, Bukgu, Daegu, Korea
2Department of Geology, Kyungpook National University, 41566 80 Daehak-ro, Bukgu, Daegu, Korea
3Gyengsangbuk-do Dokdo Foundation, 41246 11 Hyosin-ro, Donggu, Daegu, Korea

This is an Open-Access article distributed under the terms of theCreative Commons Attribution Non-Commercial License (http:// creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Corresponding author: pkg0721@hanmail.net Tel: +82-53-742-8156 Fax: +82-53-742-8157
September 3, 2015 September 24, 2015 October 10, 2015

Abstract

This study examines the processes of rock weathering and tafoni formation targeting tafoni at Mt. Cheonsaeng,Gumi-si, Gyeongsangbuk-do. In the study area, a frequency of tafoni is high in conglomerate and conglomeratic sandstone among regional sedimentary rocks, which means that an initial stage of the formation begins a breakaway of gravel from bedrock and also exfoliation from rock surface. Geomorphologically tafoni have intensively been developed at the southfacing slope with exposed rocks, which means that its formation was favorably controlled by environmental conditions including strong influences of mechanical weathering in winter and chemical weathering in summer times. The results of measuring water content at a tafoni-bearing rock surface using GIS interpolation analysis indicate that moisture rate in/ around tafoni is higher than the periphery. Thus, it is considered that moisture distribution at a rock surface plays a role in its formation. Analysis of percipitation and secondary minerals induced by chemical weathering is in progress.


구미 천생산 타포니의 풍화과정에 관한 연구:GIS 보간법을 활용한 함수율 측정 자료의 해석

신재열1, 이진국2, 추창오2, 박경근3
1경북대학교 지리학과, 41566 대구광역시 북구 대학로 80
2경북대학교 지질학과, 41566 대구광역시 북구 대학로 80
3경상북도 독도재단, 대구광역시 동구 효신로 11

초록

본 연구는 경상북도 구미시 천생산 지역에서 발달하는 타포니를 대상으로 암석의 풍화 과정 및 타포니의 형성 과정을 분석하고 있다. 연구지역의 타포니 발달은 조립질 퇴적암인 역암과 역질사암에서 발생빈도가 높으며 타포니의 발생 은 역의 이탈 및 박리가 발생한 지점에서부터 시작되는 것으로 추정된다. 지형적으로 산지의 남사면 암석 노출지에서 타 포니의 집중적 발달이 관찰되는데, 이는 겨울철 기계적 풍화와 여름철 화학적 풍화의 진행이 상대적으로 높은 환경적 조 건에 따른 것으로 해석된다. 타포니가 발달한 암석 표면에서 측정한 함수율의 분포 특성은 타포니 발생 지점이 주변에 비해 높은 함수율을 명확히 보여주고 있어 암석 내의 수분은 어떤 기제로든 타포니 발생에 상당한 영향을 끼치는 것으로 판단된다. 타포니 내에서 확인되는 풍화 침전물 및 이차광물에 관한 분석은 후속 연구로 현재 진행 중에 있다.


    서 론

    풍화 작용은 지각 최상부 암석을 해체시켜 지표의평형작용을 돕거나 다른 지형경관을 만드는데 있어 직간접적으로 영향을 미치는 지형 형성 작용의 가장 기본적인 활동이다(Shin, 2012; Lee et al., 2012). 대 표적인 풍화 미지형으로서 타포니(tafoni)는 암석의 측면에 발달하는 풍화혈을 지칭하며 현재는 성인과 무관하게 일반적으로 형태적 의미로만 사용되고 있다 (Kwon, 2007). 지형학 분야에서 풍화 작용 및 풍화 미지형에 관한 연구는 일찍부터 주요 연구 대상 중 하나였으며 그 결과 지금까지 다수의 연구 성과를 축적해 오고 있다(Chang, 1983; Kim and Chang 1978; Kim and Kwon, 1990; Lee, 2004; Mellor, 1997; Mottershead and Pye, 1994; Park, 2004). 그러 나 기존 연구들의 대다수는 화강암 지역에 집중되어 있다는 점과 풍화 미지형의 다양한 형성 기구 중 기 후환경적 요인에 관한 연구에 집중되는 경향이 뚜렷 하다. 한편 암석학 및 광물학 분야에서도 암석 풍화 와 관련해 조암 광물의 풍화 안정도에 관한 연구를 비롯하여 풍화 작용을 받은 암석의 물성 변화, 조암 광물의 화학 조성 변화, 주요 원소의 상대적 이동 등 에 관한 많은 연구도 상당히 진행되어 왔다(Fedo et al., 1995; Harris et al., 1985; Kim et al., 1994; Lasaga et al., 1994; Lee and Kim, 2004; Min et al., 2003; Nam and Cho, 1993; Stefanson et al., 2001; Yun and Hwang, 1990). 그러나 한편으로 풍화 과정 에 관한 암석학적 분석 연구들은 지표 경관으로 나 타나는 풍화 미지형 자체에 대한 설명은 매우 빈약 한 실정이며, 무엇보다 다양한 풍화 과정의 요인들 중 특정 프로세스에 대해서만 집중하고 있다는 점에 서 현장에서 관찰되는 다양한 풍화 지형의 성인을 종합적으로 고찰하는데 한계가 있어 왔다.

    본 연구의 목적은 경상북도 구미시 천생산 지역에서 확인되는 타포니를 대상으로 역암류와 같은 조립 질 퇴적암의 풍화 과정 및 타포니의 형성 과정을 해 석하는데 있다. 암석의 풍화 요인 및 풍화 과정은 지 역의 기후환경적 요인과 함께 암석의 물리적, 화학적 특성에 따른 복합적이고 다중적인 과정을 겪을 것으 로 예상되며, 이에 본 연구는 타포니 발달에 있어 영 향을 미치는 암석학적 요인과 지형 및 기후환경적 요인을 함께 분석하고 있다. 특히 타포니 발생에 있 어 수분의 역할은 다양한 기제를 통해 중요한 영향 을 미칠 것으로 추정된다. 이에 본 연구에서는 타포 니가 발달한 암석 단면의 함수율을 측정하였으며 GIS 보간법을 활용한 측정 자료의 분석은 타포니 발 생과 수분의 역할에 있어 일차적 상관관계는 명확히 제시해 줄 것으로 판단하고 있다. 한편 구미시 천생 산 지역의 타포니는 아직 학계에 보고된 바가 없는 곳으로 본 연구는 내륙에서 발생하는 타포니의 발달 과정을 규명하는데 기여할 수 있을 것이다.

    연구 지역

    연구 지역은 경상북도 구미시 장천면 일대의 천생산 지역이다(Fig. 1). 천생산 지역은 구미시 도심부로 부터 동측으로 약 4 km 떨어져 있으며 지역 일대의 지형적 특징은 우선 구성암석 및 지질구조에 따라 화강암 및 화강암질 편마암류 지역은 단구성 저산성 산지를 이루고 있는 반면 천생산과 유학산과 같이 퇴적암 및 응회암 지역은 급한 경사를 가지며 장년 기적 산세를 보이고 있다. 천생산(408.1 m)을 이루는 조립질 퇴적암은 경상누층군 신동층군의 최하부인 낙 동층군으로 역암, 역질사암 및 사암의 호층을 이루어 져있다. 낙동층 하부에는 흑색 셰일이 일부 협재하고 있다. 기저 역암층은 수 m 내외의 층후를 가지며 역 암의 기질은 석영 및 장석류로서 중세립질의 입상 광물들로 이루어져 있다. 역의 크기는 불규칙하여 잔 자갈(pebble)에서 왕모래(granule)까지 다양하며 전체 적으로 분급은 불량하나 원마도는 높은(rounded~ subrounded) 편이다. 역의 종류는 화강암질 편마암, 맥석영, 규암 등이며 부분적으로는 분급작용이 양호 하여 점이층리(graded bedding)를 보이고 있다. 사암 은 갈색, 회갈색 및 녹회색을 띠며 세립 내지 중립질 이나 상부로 갈수록 세립화되는 특징을 보인다. 사암 층에는 간혹 역을 함유하여 역질 사암이 되기도 한 다. 층리의 주향과 경사는 N2~15E이며, 경사는 11~ 19SE이다(Kim and Lim, 1974). 천생산의 지형적 형 태는 지층의 주향 및 경사의 분포 경향과 밀접한 관 련이 있으며 정상부의 단애는 정단층 운동에 따른 서측 지역의 함몰 결과로 추정된다(Kim, 2008).

    타포니의 분포 및 형태적 특성

    분포

    천생산 지역의 타포니는 남사면의 암석노출 사면에서 집중되어 발달하고 있다(Fig. 2). 148개의 조사 대 상 타포니 중 108개가 남동~남서 사면에 발달하고 있으며 이에 비해 동사면과 서사면에서는 각각 14개 와 26개의 타포니만이 확인된다. 북사면에서는 타포 니의 발달이 확인되지 않는다. 등산로를 중심으로 조 사가 이루어진 점을 감안하면 북사면을 포함하여 동 사면과 서사면에서는 실재로 존재하는 타포니의 수 보다 조사를 통해 확인된 수가 적을 가능성은 존재 하나 노출 사면이 적고 식생이 우거진 동, 서, 북사 면에서는 남사면에 비해 발생 빈도를 현저히 낮은 것으로 판단된다. 조사 대상 148개 타포니의 발달 방향은 Fig. 3에 도시되어 있다. 그림에서 확인되는 바 와 같이 타포니의 발달 방향은 사면 방향에 일치하 는 경향을 뚜렷하게 보이고 있다. 암석 종류에 따른 차이에서는 천생산 일대의 조립질 퇴적암 중 역암 및 역질 사암에서 발생 빈도가 가장 높으며 사암이 나 셰일에서는 그 발생 빈도가 현저히 낮아지는 특징을 보인다.

    형태적 특성

    타포니의 형태적 분류 및 명칭은 아직 체계화되지못한 채 개별 연구에서 각 연구자의 정의에 따라 다 양하게 사용되고 있다(Kim and Kwon, 1990; Kwon, 2007; Park, 2004; Seong, 1983). 다음의 Table 1은 천생산에서 확인되는 타포니의 형태를 바탕으로 타포 니의 일반적 형태 분류를 시도한 것이다. 그러나 실 재적인 타포니의 형태는 이 보다 훨씬 더 다양하며 두 가지 이상의 기준으로 분류되는 것들이 대다수이 다(Fig. 4).

    암석학적 풍화 특성

    타포니 생성과 암석학적 특징의 관련성을 파악하기위해 현미경 관찰을 실시하였다. 시료는 타포니가 잘 발달하는 역질 사암과 타포니의 발달 빈도가 보다 미약한 사암에서 각각 채취하여 박편 제작 후 편광 현미경으로 관찰하였다(Fig. 5). 현미경은 Carl Zeiss 사의 Axiophot를 이용하였다. 두 시료에서 공통적으 로 석영 등의 입상광물은 아원형 내지 아각형으로 원마도가 보통이며 분급은 양호한 상태로 확인된다. 석영은 풍화의 흔적을 거의 찾아볼 수 없는 반면 장 석은 입자의 경계부를 중심으로 풍화되어 견운모화된 것을 쉽게 관찰할 수 있다. 암편도 간혹 관찰되며 기 질은 공통적으로 석회질이 다소 함유된 실트 및 점 토 등으로 구성된다. 모드분석 결과 역질 사암과 사암에서 석영과 장석의 함량은 각각 40%와 30% 내외로 유사하며 그 외 기질 등으로 구성되어 있어 역질 사암과 사암의 광물 조성은 매우 유사한 것으로 확인된다.

    암석의 함수율 및 수분 분포 특성

    타포니 발생에 있어 암석 내 수분과의 상관성을파악하기 위해 천생산 남사면의 해발고도 195 m 지 점에서 타포니가 군집으로 발달하는 암석 표면의 함 수율을 측정하였다. 함수율 측정은 Lutron MS-7002 를 사용하여 1.5 m×1.5 m 면적의 암석 표면에서 약 200여 지점을 계측하였으며, 측정 결과는 ArcGIS 9.0에서 공간보간법을 활용해 각 지점의 측정 결과를 면적으로 변화하여 도시하였다. 한편 수분 측정 결과 의 신뢰도를 검증하기 위해서 측정이 이루어진 암반 에서 20개 시료를 채취하여 함수율과 흡수율을 실험 을 통해 측정하였다(Table 2)1). 그 결과 실험실에서 측정한 대상 시료의 기기 측정 함수율과 실험을 통 해 얻은 함수율 간의 상관계수(r)는 0.815로 매우 높 은 상관성을 나타내고 있어 기기 측정 함수율의 유 의미한 상태를 잘 지지해주고 있다2).

    측정 결과 Fig. 6에서와 같이 측정 구간 내 타포니발달 지점은 주변에 비해 명확히 높은 함수율을 나 타내고 있다. 우상단부의 높은 함수율 분포를 보이는 지점은 지의류와 토양의 피복 정도가 상대적으로 높아 나타나는 결과로 해석되며 중앙 하단부의 경우는 지표 수분의 높은 침투 압력 때문인 것으로 판단된 다. 특히 중앙 하단부의 a 지점은 수분 공급으로 인 한 암석의 풍화 정도가 상당히 진행되어 있어 이런 추세가 지속된다면 이 지점을 중심으로 일정한 형태 의 새로운 타포니가 발달할 가능성이 높을 것으로 추정된다. 측정이 이루어진 암석 표면에서 층리 및 절리의 발달 밀도는 높지 않으며 이에 따른 함수율 차이도 확인되지 않는다.

    토 의

    암석학적 발달 요인

    천생산 지역 일대에서 타포니의 발달은 역암 및역질사암에서 발생 빈도가 사암 및 셰일에서 보다 상당히 높다. 현미경 관찰을 통해 확인되는 바와 같 이 역질 사암과 사암 내 장석의 함량은 유사한 것으 로 보아 두 암층의 풍화 특성은 유사할 것으로 판단 된다. 그러나 타포니의 발생은 사암에 비교해 역암 및 역질사암에서 현저히 높은 점을 감안하면 천생산 타포니의 경우 역암 내 역의 이탈이 타포니의 발달 초기단계에서 매우 중요한 역할을 하는 것으로 추정 된다(Fig. 7). 더욱이 퇴적암의 풍화 특징은 일반적으 로 층리의 수직 방향으로 파쇄 현상과 균열이 발달 하고 이를 따라 뚜렷한 박리 현상을 나타낸다(Lee and Kim, 2004). Fig. 7a는 암석 박리에 의한 타포니 의 발생 초기 단계를 잘 보여주고 있으며, Fig. 7c와 Fig. 7d는 층리를 따라 대규모로 발달하는 타포니에 서 역암 층리(Fig. 7d)에서 침식 진행이 가장 빠르게 나타나고 있는 모습이다. 천생산 지역 퇴적암의 퇴적 환경에 대해서는 알려진 바는 거의 없으나 역암의 기질, 분급, 점이 층리의 발달 및 역의 원마도 등의 특징을 고려하면 유수에 의한 퇴적상을 전형적으로 보여주고 있다. 이러한 퇴적 과정은 역암 내 역들의 배열 방향성을 결정하였을 것이며 암석화 된 이후에 도 투수성에도 영향을 미쳐 지하수의 흐름에 영향을 미쳤을 것이다. 역의 이탈 및 박리현상 외에도 층리, 절리와 같은 암석의 조구조적인 불연속면, 기질의 내 구성 차이, 역 가장자리의 풍화 가속도, 암상의 공극 률과 투수율의 차이 등이 타포니의 발달 초기 단계 에 중요한 영향을 미치는 요인이 될 수 있다(Lee, 2004; Mellor, 1997; Yun and Hwang, 1990).

    지형 및 기후환경적 발달 요인

    천생산 지역 타포니의 발달이 남사면에 집중되어있는 사실은 기온의 일교차, 일조량, 상대습도, 지면 및 지중온도 변화폭 등이 큰 지역에서 특히 겨울철 동안의 기계적 풍화가 타포니 형성에 중요한 영향을 미친다는 기존의 연구 결과들과 잘 일치한다(Hill, 1996; Lee, 2004; Seong, 1983). 또한 각 사면에서 타포니의 발달 방향은 사면향과 일치해서 나타나는데 (see Fig 3), 이는 계곡과 능선의 산곡풍이 부는 바람 길을 따라 타포니 발달이 집중되는 것으로 해석할 수 있다(Fig. 8). 앞서 제시한 타포니 형태 분류에 있 어서도 측면 발달형 및 천장형의 타포니들은 타포니 내부로 불어 들어오는 바람 방향에 따라 성장해 가 는 특징을 분명히 보이고 있다. 연중 북서풍을 중심 으로 북서∼남동풍이 우세한 지역의 탁월풍 방향도 대체로 N-S 주향을 보이는 천생산 지역에서 남사면 과 서사면의 타포니 발달에 영향을 끼쳤을 것이다. 한편 노출 암석은 식생으로 피복된 지역의 암석에 비해 강수와 직접 접촉하며 화학적 풍화 진행률이 높을 수 있으며 풍화 물질의 용탈 및 세탈도 쉽게 이루어질 수 있다. 천생산 지역 북사면에서 타포니 발달이 극히 적은 이유는 사면향에 따른 기상학적 차별성과 함께 높은 식생 피복률이 암석 풍화의 진 행을 상당 부분 저해한 결과로 판단된다. 지역의 기 후적 조건에서도 천생산을 포함한 구미시는 한서의 차가 심한 대륙성 기후로 특히 겨울철 기계적 풍화 에 중대한 영향을 끼치는 상교일수는 연중 106일이 나 나타난다(Korea Meteorological Administration, 2014). 또한 여름철 강수량(6월~8월)이 연강수량의 절반을 상회하며 시간적 변화폭도 매우 큰 강수 특 징은 기온 특성과 함께 암석의 침식 및 풍화를 촉진 시키고 풍화 물질의 이탈을 강력하게 발생시키는 요 인이 될 것이다. 대기질 역시 다른 지역에 비해 상대 적으로 높은 이산화질소(0.0315 ppm, 2014년)와 아 황산가스(0.0055 ppm, 2014년)는 화학적 풍화의 형 태와 강도에 영향을 미칠 것으로 판단되며 특히 역 암의 경우 기질 내 교질 성분의 용해율을 증가시켜 역의 이탈을 가속화시킬 수 있다.

    수분과 암석 풍화와의 상관관계

    수분은 어떤 형태로든 암석의 풍화 작용에 지배적인 영향을 끼친다. 층리와 절리, 미세균열을 통해 침 투한 수분은 물리적 환경 변화에 의해 부피가 증가 하면서 암석의 균열을 확장시키고 확장된 균열에서 수분과 공기와의 접촉 면적은 더욱 넓어진다. 또한 암석-물 반응에 의한 용해 작용으로 광물 입자간의 결합력을 약화시키며 화학적 풍화를 발생시킨다 (Harris et al., 1985; Hwang et al., 2010; Jeong and Kim, 1993; Lee and Kim, 2004). Table 2에서 흡수 율이 3% 이상(평균 2.59%)의 시료들(8번, 11번, 12 번, 13번, 19번, 20번)은 공통적으로 역의 함유량이 높으며 표면 경도가 약한 풍화도가 높은 암석들이다. 이들의 기기측정 함수율 역시 8번을 제외하고는 10% 이상(평균 9.90)의 함수율을 보이고 있다. 수분 측정이 이루어진 타포니에서의 함수율 분포는 타포니 발달 구간에서 명확히 높게 나타나며 형태적으로도 매우 유사하게 나타나(see Fig. 6) 타포니의 발달 과 정에서 암석 수분의 영향력은 밀접할 것으로 확인된 다. 다만 본 연구에서 사용하고 있는 암석의 함수율 (water content rate)은 대기압 하의 자연 상태에서 암 석이 포함하는 수분의 저장량으로 동일 지점에 대해 서도 측정일의 기상 상태나 주변 환경 등에 따라 다 소 넓은 범위의 값으로 나타날 수 있다. 그러나 측정 대상의 단일 암석 표면에서 상대적으로 높은 함수율 은 타포니가 발달하는 암석 표면의 상대적 수분값으 로 받아들일 수 있다3). 함수율과 비교해 흡수율 (water absorption rate)은 암석이 자연 상태에서 수분 과 접촉하여 함유할 수 있는 최대 수분량을 의미한 다. 일반적으로 흡수율은 암석 내 절리의 분포 밀도 와 공극률이 높고 풍화가 심한 상태에서 높게 나타 난다.

    결 론

    본 연구는 경상북도 구미시 천생산 지역의 타포니를 대상으로 암석의 풍화 과정 및 타포니의 형성 요 인을 분석하였다. 이를 위해 타포니의 분포 및 형태 적 특징을 분석하였으며 현미경 관찰, 함수율 측정 등을 통해 암석학적 풍화특성을 파악하였다. 천생산 지역 조립질 퇴적암에서의 타포니 발달은 사암에 비 해 역암과 역질 사암에서 발생빈도가 높으며 타포니 발생의 초기 단계에서는 역의 이탈 및 박리가 중요 한 역할을 하는 것으로 파악된다. 연구지역 내 타포 니 발생의 공간적 특징은 산지의 남사면 암석 노출 지에서 집중적으로 발달하고 있으며 이는 겨울철 기계적 풍화와 여름철 화학적 풍화의 진행이 상대적으 로 높은 환경적 조건에 따른 것으로 해석된다. 타포 니가 발달한 암석 표면에서의 수분 측정 결과는 타 포니 발생 지점이 주변에 비해 높은 함수 상태를 명 확히 보여주고 있어 암석 표면의 수분 분포가 타포 니 발생에 상당한 영향을 끼치는 것으로 해석된다. 타포니 내에서 확인되는 풍화 침전물 및 이차광물을 대상으로 한 화학적 풍화와 광물학적 미세구조 분석 은 현재 후속연구로 진행 중에 있다.

    Figure

    94_F1.jpg

    General geomorphology and geology of study area

    94_F2.jpg

    Spatial distribution of Mt. Cheonsaeng tafoni (N.B.approximately four tafoni per a dot)

    94_F3.jpg

    Dip angles of Mt. Cheonsaeng tafoni (a: south-facing slope, b: east-facing slope, c: west-facing slope)

    94_F4.jpg

    Classification of Mt. Cheonsaeng tafoni (a: internal structure of a tafone, BbH-type, b: l-type tafone, c: S-type tafone, d:B-type tafone, e: H-type tafone) (see Table 1 for the type classification)

    94_F5.jpg

    Photomicrographs of sedimentary rocks in Mt. Cheonsaeng (a and b: conglomerate, c and d: sandstone, Each scale in aand c is 0.5 mm, b and d is 0.125 mm)

    94_F6.jpg

    Measurement of water content rate (bottom) usingGIS interpolation analysis and target area (top)

    94_F7.jpg

    Developmental stages of tafoni (a: initiation, b: morphologic development, c: enlargement)

    94_F8.jpg

    Geomorphological features relating to tafoni development of Mt. Cheonsaeng (circle: exposed rock area, arrows: directionsof mountain valley wind)

    Table

    Morphological classification for tafoni (Those marked with an asterisk(s) are special forms)

    W.C.R and W.A.R of Mt. Cheonsaeng’s sedimentary rocks

    W.C.R=water content rate (%), W.A.R=water absorption rate (%)

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