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Modeling of Geochemical Variations and Weathering Depth on the Surface of Pelitic Rocks in Periodical Submerging Zone: Bangudae Petroglyphs
주기적 침수구역 이질암 표면의 지구화학적 변화와 풍화심도 모델링: 반구대 암각화
Econ. Environ. Geol. 2022 Dec;55(6):583-96
Published online December 31, 2022;  https://doi.org/10.9719/EEG.2022.55.6.583
Copyright © 2022 The Korean Society of Economic and Environmental Geology.

Chan Hee Lee1,*, Yu Gun Chun2
이찬희1,* · 전유근2

1Department of Cultural Heritage Conservation Sciences, Kongju National University, Gongju 32588, Korea
2Department of International Cooperation, Korea Cultural Heritage Foundation, Seoul 06153, Korea
1공주대학교 문화재보존과학과
2한국문화재재단 국제협력단
Received November 28, 2022; Revised December 10, 2022; Accepted December 10, 2022.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative 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.
 Abstract
The rock surface of Bangudae petroglyphs is mainly dark brown hornfelsified shales by contact metamorphism. The surface form a weathered layer of a invariable depth, and there is a difference with mineral and chemical composition between weathered and nonweathered layers. Surface of the petroglyphs has been discolored to light brown over the face due to biological and chemical weathering. As the measuring chromaticity based on the non-weathered layer, the whiteness and yellowness increased in the weathered layer, and the color difference (ΔE) was 5.54 to 36.89 (mean 17.26). In the weathered layer of the petroglyph surface, the CaO content was reduced by about 90% compared to the non-weathered layer, and Sr also showed the same trend. In particular, the mean porosity of the non-weathered layer was 0.4%, but it was estimated as 25.0% in the weathered layer. This is interpreted as the fact that calcite reacts with water, and forms a weathered layer from the surface as it is eluted. Based on the weathering depth modeling of the petroglyphs using the penetration characteristics of X-rays, the weathering depth of rock faces was found to be 1 to 2mm. However, the area classified as 2mm or more estimated to be a maximum of 3 to 4mm, considering the weathering depth around the petroglyphs surface.
Keywords : petroglyphs, chemical weathering, chromaticity and porosity, CaO content, weathering depth modeling
Research Highlights
  • Geochemical variations due to chemical weathering of rock surface

  • Color and porosity changes of pelitic rocks by surface weathering

  • Weathering depth modeling of pelitic rocks by periodic submerging

1. 서 론

암석의 풍화요인은 아주 다양하지만 화학적 풍화작용에는 물이 가장 중요한 인자이며, 물과 암석의 반응메커니즘에 따라 용해와 분해가 가속된다. 일반적으로 방해석과 장석 및 유색광물 등 입자상 광물을 포함하는 암석이 화학적 풍화에 민감하나, 퇴적구조가 잘 발달된 세립질의 쇄설성 퇴적암도 풍화에 약한 특징이 있다. 반구대 암각화와 같이 비교적 강한 열변질을 받은 셰일질 퇴적암은 비교적 풍화에 강하나, 선각의 깊이가 낮은 암각의 특성을 감안하면 화학적 풍화는 암각화에 치명적인 손상을 줄 수 있다.

반구대 암각화는 우리나라의 암각화 중 선사인의 생활상을 엿볼 수 있는 가장 섬세한 바위그림이다. 이는 한반도에 그려진 최초의 암각화로 평가되고 있으며 한국문화예술의 원형으로 인정받고 있다. 특히 10여종의 고래와 선단을 지어 고래를 잡는 선사인의 모습은 세계적으로도 유례가 없는 것으로 알려져 있으며(Hwang and Moon, 1984; Rhee, 2007; Lee et al., 2012), 유네스코 세계문화유산의 잠정목록으로 등재되어 있다.

반구대 암각화는 빗물에 직접적으로 잘 닿지 않도록 상부가 돌출된 절벽에 있으며 그림이 각인되어 있는 암면은 조직이 치밀하고 견고하여 상당히 건전한 상태로 보존되어 왔다. 그러나 암각화가 발견되기 6년 전인 1965년 하류에 사연댐이 건설되면서 이 암각화는 매년 약 8개월 동안 사연호에 침수되어 왔다. 이와 같이 50여년간 침수와 노출을 반복하며 손상이 심화되고 있는 상태이다.

따라서 반구대 암각화의 장기적인 보존대책을 수립하기 위해 인문학, 자연과학, 공학 등 다양한 분야에서 연구가 수행되었으며, 연구 결과에 대한 학술대회와 공청회 등을 통해 다양한 보존방안들이 논의되어 왔다. 또한 이 암각화의 암면에 대한 암석학적 특징과 풍화 등 손상 메커니즘 및 보존과학적 연구가 수행되기는 했으나(Lee and Kim, 2004; Choi, 2002; Fitzner et al., 2004; Hwang et al., 2010; Lee et al., 2012), 상당히 미진한 상태로서 아직도 심도 있는 고찰이 필요한 상태이다.

한편 장기간 침수와 노출의 반복에 따른 암면의 풍화 특성도 검토된 바 있으나, 표면의 지구화학적 변화와 풍화심도 등의 연구는 없었다. 따라서 이 연구에서는 선행 연구에서 논의되지 않았던 반구대 암각화 주요 암면의 화학적 풍화와 광물 및 화학적 변화와 색도 및 공극률 변화 등 암면의 풍화메커니즘을 해석하였으며, 다양한 비파괴 분석기법을 적용하여 풍화층의 심도를 모델링하였다. 이 결과는 향후 반구대 암각화의 안정적 보존을 위한 중요한 자료로 활용될 것이다.

2. 연구방법

반구대 암각화의 주요 암면에 대해서는 전체적인 손상도와 사면의 안정성에 대한 평가가 수행된바 있다(Lee et al., 2012). 따라서 이를 바탕으로 암석의 풍화메커니즘을 해석하기 위해 암각화 일대를 대상으로 지질조사를 수행하였으며, 정량분석을 위해 암면의 암석과 동일한 시료를 수습하였다. 이를 대상으로 Nikon사의 Eclipse E600W 편광/반사 겸용 현미경을 사용하여 광물학적 조성 및 조직적 특징을 관찰하였다.

또한 실험 및 분석용 암석의 조암광물을 정량분석하기 위해 PHILIPS제 X'pert MPD X-선 회절분석기를 활용하였다. 분석에 사용된 X-선은 CuKα이며 양극의 가속전압 및 필라멘트의 전류는 각각 40kV와 40mA로 설정하였다. 시료의 풍화층과 비풍화층에 대한 화학성분과 조성변화를 파악하기 위해 주성분 원소에 대하여 X-선 형광분석기로 정량 분석하였다.

풍화층과 비풍화층의 공극률은 주사전자현미경(TESCANMIRA3)에서 획득한 후방산란전자영상 자료를 근거로 Auto CAD 프로그램에서 공극이 형성된 영역을 설정한 후 면적을 계산하는 이미지 분석법으로 산출하였다. 또한 풍화층의 원소분포도는 전자현미분석기(JEOL JXA-8900R)의 후방산란전자영상과 X-선을 이용한 면분석을 통해 원소함량과 분포양상을 가시화하였다.

암각화 표면의 변색도를 정량적으로 평가하기 위해 Minolta Chroma Meter CR-300을 이용하여 현장에서 직접 색도분석을 실시하였다. 분석에 사용한 표준 광원은 D65이며 시야각 10°, 분석면적은 100mm로 측정하였다. 암각화 암면의 표면오염물 분석 및 풍화심도를 산출하기 위해 Innov-X System의 휴대용 P-XRF α-6000을 사용하였다. 분석은 토양 및 경원소 모드로 각각 45초씩 원자번호 15번 이상의 원소에 대해서 수행하였다.

3. 지질 및 주변 환경

3.1. 지질 및 암석학적 특성

울산은 태백산맥의 남단에 위치하며 동해와 접하고 있다. 반구대 암각화는 평균 해발고도 300m 내외로 비교적 높은 산지지형의 대곡천 변에 위치한다. 반구대의 하류는 100m 내외의 해안 저구릉 지대와 50m 이하의 충적지대가 발달한 반면, 서쪽으로는 해발고도 1,000m 내외의 산군이 자리하고 있다.

반구대 암각화 주변의 기반암은 백악기 경상누층군의 소위 대구층으로 명명된 퇴적암이며, 이를 관입한 화성암류가 분포한다(Lee and Lee, 1972). 암각화를 중심으로 왼쪽에는 N20°E 방향의 양산단층이 발달해 있다. 양산단층을 경계로 왼쪽에는 신라층군의 주산안산암질암과 불국사 조산운동에 속하는 언양화강암이 자리하고, 단층의 오른쪽에는 대구층이 넓게 분포한다(Fig. 1).

Figure 1. Geological map around the Bangudae Petroglyphs (modified after Lee and Lee, 1972).

대구층은 녹회색 내지 암회색의 사암과 미사암 및 셰일과 자색의 미사암으로 구성되어 있다. 또한 셰일이 호층을 이루고 있거나 이암 및 사암이 협재되어 있으며, 대체로 층리가 발달한다. 암각화의 동쪽으로는 화강섬록암이 관입하면서 접촉변성작용을 받은 혼펠스가 원형으로 분포하고 있다. 이 관입암체의 영향으로 암각화가 조각된 암회색 셰일로 혼펠스화되어 경도가 높은 괴상의 암상을 보인다. 그러나 주변으로의 연장성은 미약하다(Lee and Lee, 1972; Lee et al., 2012).

3.2. 주변 환경

기상청 포털자료에 따르면, 울산지역의 연평균 기온은 14℃에 강수량은 1,300mm 정도이다. 이를 월평균으로 보면 1월은 2℃이며 8월은 26℃ 내외로 각각 최저기온과 최고기온을 나타낸다. 월평균 강수량은 12월에 25mm 정도로 최소를 8월에 240mm로 최대를 기록하며, 4월~9월에 연강수량의 80%가 집중된다. 월평균 강수량의 추이는 기온과 동일하게 1월부터 8월까지 상승하다가 8월 이후 하강하는 경향을 보인다.

이와 같이 울산지역의 기온은 평균적으로 영상을 기록하고 있으나, 겨울철에는 일기환경에 따라 대곡천의 강물이 동결되는 현상이 자주 관찰되어 동결과 융해작용으로 인한 암각화의 훼손 가능성이 높다. 반구대 암각화 표면에서 동결작용의 발생가능성을 확인하기 위해 최근 30년간 울산지역의 최저온도를 검토하였다. 이 결과, 울산에서 0℃ 이하로 떨어지는 날은 연평균 26일이며, 1월이 14일 정도로 가장 높은 빈도를 보였다.

최근까지 반구대 암각화의 해발고도는 52~56m로 알려져 왔다. 그러나 해발고도에 대한 정확한 정보는 보고된 바 없어, 정밀 수준측량을 통해 암각화 주요 암면의 정확한 높이를 구하였다(Lee et al., 2012). 이를 암각화의 암면에 적용하면 해발고도는 53~57m로 기존에 알려져 있던 높이보다 약 1m 높은 것으로 나타났다(Fig. 2).

Figure 2. Leveling measurement results of the Bangudae Petroglyphs.
4. 화학적 풍화작용

4.1. 풍화층의 산출상태

이 연구를 위해 반구대 암각화 일대의 정밀조사와 주요 암면의 암석학적 특성 및 미세조직을 상세히 관찰하였다. 이 결과, 문양이 있는 암각화의 표면은 층리가 잘 나타나지 않고 괴상으로 산출되나 부분적으로 층리를 따라 크고 작은 균열이 발달되어 있다. 이와 같은 암석학적 특징을 보이는 암각화의 풍화특성을 자세히 살펴보기 위해 동일 층준에서 전석 시료를 수습하였다(Fig. 3).

Figure 3. Representative specimens of surface weathering rocks around the Bangudae Petroglyphs. (B-1 and B-2) Dark brown and dark green shale samples from the bottom of the petroglyph. (B-3) Dark brown shale and (BW-1) relatively thick weathered layer part from submerging the stream in front of the petroglyph.

암각화와 동일 지층에 분포하는 암석은 대부분 혼펠스화된 암갈색 셰일(B-1)이며, 층위가 다른 곳에서는 암녹색 셰일(B-2)도 분포하는 것으로 나타났다. 이 암석들은 풍화작용을 받아 표면으로부터 약 2mm 깊이의 풍화층이 형성되어 있으며, 이 풍화층은 미세균열을 따라 암석의 내부까지 진행되어 있다(Fig. 3).

그러나 반구대 암각화 전면의 대곡천에 항상 수장되어 있는 암석(B-3)을 수습하여 단면을 살펴본 결과, 약 10~20mm 두께의 풍화층이 형성되어 있는 것으로 나타났다(Fig. 3). 이는 암석이 수분과 접촉하는 시간이 많을수록 암석의 풍화가 빠르게 진행된다는 것을 지시하는 증거이기도 하다.

이와 같은 풍화특성을 보이는 시료를 대상으로 표면풍화 심도에 따른 암색의 변화와 광물 및 화학조성 변화를 정밀하게 분석하였다. 또한 화학적 풍화정도에 따른 공극률의 변화를 추적하여 풍화심도를 모델링하였다. 분석에 사용한 비풍화층 시료는 B-1과 B-2의 신선한 면에서 선택하였으며, 풍화층 시료는 풍화심도가 깊은 BW-1 시료에서 풍화된 부분을 채취하여 활용하였다(Fig. 3).

4.2. 색도 변화

반구대 암각화의 표면은 화학적 및 생물학적 풍화작용에 의해 원암의 암색과는 달리 심하게 변색되어 있다. 표면변색은 문화재의 미관을 해칠 뿐만 아니라 구성암석의 성분과 성질 및 조직의 변화를 야기할 수 있다. 따라서 암각화가 풍화되면서 발생한 변색도를 정량적으로 평가하기 위해 색도분석을 수행하였다.

색도분석 자료는 CIE Lab 색좌표의 L*, a*, b* 값으로 표기하였다. L*는 명도, a*는 적색(+)과 녹색(-)의 정도, b*는 황색(+)과 청색(-)의 정도를 나타내는 입체좌표이다. 각각의 색은 CIE Lab 색 공간에서 점시되며, 두 점사이의 입체적 거리를 계산하여 정량적 수치로 색차를 나타낼 수 있다. 따라서 암각화 표면의 변색도를 평가하기 위해 신선한 암석의 색도를 기준으로 표면의 161지점에서 측정한 색도를 비교하였다(Fig. 4).

Figure 4. Results showing the 2D modeling for color differences on the rock surfaces of the Bangudae Petroglyphs (partly modified after Lee et el., 2012).

암각화 일대에 분포하는 암갈색 셰일의 신선한 면을 대상으로 색도를 측정한 결과, L*는 28.21~32.10(평균 29.99)의 범위를 보이며 표준편차는 1.22이다. a*는 1.10~1.82(평균 1.37)이며 표준편차는 0.22이다. b*는 평균 7.22(6.20~8.20, 표준편차 0.50)로 측정되었다. 신선한 면의 모든 색도가 표준편차 1.5 미만인 것으로 볼 때 원암의 색상은 매우 균질한 색도를 갖는 것으로 나타났다(Fig. 4).

그러나 암각화 표면의 색도에서 명도를 지시하는 L*는 31.86~65.48의 범위를 나타내며 평균 46.54에 표준편차 5.80로 원암의 색상보다 밝은 것으로 나타났다. b* 역시 8.91~21.49의 범위를 보이며 평균 14.64에 표준편차는 2.14로 측정되어 전반적으로 암각화의 표면은 황색도가 증가하였다. 그러나 a*는 평균 0.79에 표준편차 1.27로 원암과 거의 유사한 것으로 확인되었다(Fig. 4).

이를 바탕으로 풍화가 진행된 암각화의 암면과 신선한 동종 암석의 표면 색차를 비교하여 2D로 모델링하면 Fig. 4와 같다. 주요 암면의 명도차(ΔL)는 암각화의 하부보다는 상부의 왼쪽에서 심하게 나타나며, 적색과 녹색의 정도(Δa)는 전체적으로 큰 차이를 보이며 상부의 왼쪽에서 가장 안정함을 보였다. 그러나 황색과 청색의 차이(Δb)는 중간 부분의 일부를 제외하면 전체적으로 편차가 있다.

색도 측정결과를 종합하여 신선한 암석을 기준으로 암각화 표면의 변색도를 산출한 결과, 색차(ΔE)는 5.54~36.89의 범위를 보이며 평균 17.26로 산출되었다. 따라서 위치에 따라 색차의 차이는 있지만 전체적으로 황색도가 증가한 것으로 나타났다(Lee et al., 2012). 반면 표준편차가 5.64로 비교적 낮은 것으로 볼 때 전체적으로 거의 유사한 색상으로 변색된 것으로 해석된다.

4.3. 광물 및 화학조성 변화

이와 같이 풍화층의 산출상태가 다르고 색도변화를 명확하게 나타내는 시료(Fig. 3, 4)를 대상으로 광물 및 지구화학적 차이를 검토하였다. 이들의 정량 X-선 회절분석 결과, 비풍화층의 조암광물과 함량은 석영(20.5%), 사장석(28.9%), 정장석(12.5%), 운모류(11.2%), 녹니석(9.9%), 적철석(2.2%) 및 방해석(15.1%)이 검출되었다.

풍화층에서는 정장석(14.4%), 운모류(11.2%), 녹니석(8.0), 적철석(1.6%)은 비풍화층과 유사하나, 방해석은 2.2%로 상당히 감소하였다. 따라서 상대적으로 사장석(37.0%)과 석영(25.6%)이 증가한 것으로 나타났다(Table 1, Fig. 5).

Table 1 . Representative mineralogical variations using X-ray diffraction analysis of the rock surface from the Bangudae Petroglyphs

MineralsMineral contents (%)
B-1B-2BW-1
Albite29.028.537.0
Quartz20.620.325.6
Calcite15.714.42.2
Orthoclase11.713.314.4
Micas10.511.811.2
Chlorite10.39.58.0
Hematite2.22.21.6
Total(%)100.0100.0100.0


Figure 5. Variations of rock-forming minerals by weathering degree of the rock specimens around the Bangudae Petroglyphs.

또한 이들의 화학조성과 변화를 살펴보기 위해 주성분 원소 분석을 실시하였다. 비풍화층과 풍화층 영역의 주성분 함량을 비교한 결과, SiO2, Na2O, K2O는 풍화층에서 높은 함량을 보였으나 Al2O3, Fe2O3, MnO, MgO, CaO, TiO2, P2O5는 상대적으로 비풍화층에서 높은 함량을 나타냈다(Table 2, Fig. 6).

Table 2 . Representative geochemical compositions (wt.%) using X-ray fluorescence analysis of the rock surface from the Bangudae Petroglyphs

No.B-1B-2B-3BW-1
SiO254.1753.5553.1662.24
Al2O312.8212.4312.6614.31
Fe2O31)4.934.504.704.97
MnO0.100.120.100.16
MgO4.343.884.133.81
CaO8.009.108.130.93
Na2O2.863.072.873.58
K2O3.112.833.043.35
TiO20.550.510.530.61
P2O50.230.220.230.25
LOI2)8.929.629.144.54
Total100.0399.8398.6998.75

Fe2O31); as total FeO, LOI2); loss on ignition



Figure 6. Variation in chemical compositions of weathered zone (BW-1) normalized to the composition of unweathered zone (B-3) from the rock specimens around the Bangudae Petroglyphs.

주성분 원소 함량을 위와 같은 방법으로 비교하면 풍화에 따른 원소의 거동특성을 정량적으로 평가하기 어렵다. 암석의 풍화에 따른 원소의 함량변화는 비풍화 영역의 원소함량을 기준으로 검토해야 한다. 일반적으로 풍화작용에서 Al2O3는 거의 거동을 하지 않는 것으로 알려져 있어, 이를 기준으로 아래와 같이 풍화에 따른 원소의 변화량을 검토하였다(Nesbitt and Young, 1982; Lee and Kim, 2004).

%Change=Contentsofelement/ContentsofAl2O3SampleContentsofelement/ContentsofAl2O3Standard1×100

이 결과, 풍화층 암석의 CaO는 신선한 부분에 비해 90.2%가 감소한 것으로 나타났다. 이는 위에서 살펴본 바와 같이 조암광물 중 방해석이 물과 반응하여 용해되면서 CaO의 함량이 낮아진 것을 의미한다. 반면 풍화면의 MnO는 신선한 면보다 32.5% 증가한 것으로 확인되었다(Table 2).

Mn은 일반적으로 지표풍화에 의해 용출되는 흑색 수산화물로 암석의 표면을 변색시키는 원소로 알려져 있다(Lee et al., 2007). 또한 Fe2O3와 Na2O도 함량변화가 있는 것으로 볼 때 암각화를 구성하는 암석은 물과의 반응으로 인해 풍화되면서 방해석에 대해서만 선택적으로 용해작용이 일어난 것이 아니라, 다른 광물의 풍화도 진행된 것으로 판단된다(Kim and Jang, 2006).

이를 가시적으로 확인하기 위해 전자현미분석기(EPMA)의 후방산란전자영상(BEI)과 X-선을 이용한 면분석을 통해 비풍화층과 풍화층의 원소함량과 분포양상을 살펴보았다. 이 결과, K과 Na은 풍화층과 비풍화층의 차이 없이 균질한 분포를 나타냈다. 그러나 Ca은 비풍화층에서 고밀도의 균질한 분포를 나타내지만 풍화층에서는 뚜렷한 경계를 보이며 거의 검출되지 않는다(Fig. 7).

Figure 7. Elemental mapping results showing the weathered and non-weathered layers of the rock specimens using electron-probe microscope analysis around the Bangudae Petroglyphs. In the weathered zone, Ca is dissolved, forming a Ca and Fe deficient zone with porous textures.

한편 암각화 주요 암면의 화학적 풍화도를 산출하기 위해 P-XRF를 활용하여 화학조성을 분석하였다. 분석영역은 암각화 암면에서 161지점이며 비풍화 영역에서 12지점으로 풍화에 따른 원소의 분포특성을 파악하였으며, 이를 간단히 정리하여 Table 3에 제시하였다. 이 결과, Ca과 Sr이 가장 특징적인 경향을 보였다.

Table 3 . Representative geochemical compositions (ppm) using P-XRF of the rock surface from the Bangudae Petroglyphs (Lee et al., 2012)

TypeValueKCaTiMnFeZnRbSr
Fresh rock surfaceMean32,60066,6154,131<LOD27,6856589936
Max34,47671,3694,360<LOD28,35273931,002
Min31,55060,3303,938<LOD26,5015285872
S.D.7684,322137<LOD4996355
Petroglyph surfaceMean28,9124,3895,4183,30031,305135116185
Max41,1088,86212,74612,47044,403228150932
Min15,4811,4252,795<LOD14,1285579100
S.D.4,7071,2051,5212,7945,9113216113

<LOD; limit of detection, S.D.; standard deviation



풍화를 거의 받지 않은 암석에서 Ca은 60,330~71,369(평균 66,615)ppm의 함량이 측정되었으나, 암각화 표면의 Ca 함량은 1,425~8,862(평균 4,389)ppm의 범위를 나타내며 매우 낮게 검출되었다. 또한 Sr도 Ca과 동일한 경향을 보여, 비풍화층의 Sr 함량은 평균 936ppm으로 높게 검출된 반면 암각화 표면에서는 185ppm으로 크게 감소하였다. 이는 Sr이 Ca의 치환원소로 포함되어 있기 때문이다(Fig. 8).

Figure 8. Comparison diagrams showing the analysis elements on the weathered and non-weathered layers of the rock specimens using P-XRF around the Bangudae Petroglyphs (partly modified after Lee et el., 2012).

이외에 신선한 부분에 비해 풍화된 암석에서 부화된 원소는 Ti, Mn, Zn 및 Rb이며 감소한 원소는 K과 Fe이 있다(Fig. 8). 이와 같이 풍화에 따른 원소의 증감은 암각화 구성암석의 암석학적 및 광물학적 풍화메커니즘에 따른 물과의 반응으로 인해 방해석이 유실되었기 때문이다. 따라서 Ca과 Sr 함량이 낮은 부분은 상대적으로 풍화가 더욱 진행된 부분임을 지시하는 것이다.

4.4. 공극률 변화

이 연구에 적용한 시료를 대상으로 풍화에 따른 조직과 긍극률 변화를 파악하기 위해 편광현미경으로 관찰하였다. 이 결과, 암각화 암면과 동일한 시료는 담갈색 기질에 미정질 석영, 정장석, 사장석, 방해석, 녹니석, 운모류 및 불투명 광물들로 구성되어 있다. 그러나 풍화층은 비풍화층과 뚜렷한 경계를 보이며 광물의 유실로 인해 기질의 색상은 암회색을 변하였으며, 방해석은 관찰되지 않는다(Fig. 9A, 9B).

Figure 9. Occurrences of polarizing microscopy (A, B) and scanning electron microscopy (C, D, E, F) on the weathered and nonweathered layers of the rock specimens around the Bangudae Petroglyphs (partly modified after Lee et el., 2012).

이 암석들의 풍화에 따른 미세조직을 검토하기 위해 주사전자현미경으로 관찰하면, 풍화층과 비풍화층의 경계가 선명하며 풍화정도에 따라 기공의 차이를 보인다(Fig. 9C). 상대적으로 신선한 부분은 석영, 장석 및 방해석 등 주요 광물들이 치밀한 조직(Fig. 9D)을 보이는 반면, 풍화층에서는 방해석이 용해되어 빠져나간 자리에 많은 공극들이 생성되어 있다(Fig. 9E, 9F).

공극의 크기를 자세히 보면 일정한 양상이 있다. 풍화층은 자형 및 반자형의 방해석이 유실되면서 큰 공극을 형성하였으나 비풍화층으로 갈수록 공극의 수는 줄고 미세공극의 수가 증가하는 경향이 있다. 이는 암각화 상부에 돌출된 암괴로 인해 우천에도 수분이 거의 전달되지 않는 점을 고려할 때, 혼펠스화되어 치밀한 조직을 갖는 암면의 일정부분까지만 수분이 침투되면서 미세공극을 형성한 것으로 해석된다. 이러한 일련의 과정이 반복되면서 표면에 형성된 미세공극은 확대되고 수분의 이동이 상대적으로 원활해지면서 내부까지 미세공극을 형성한것으로 판단된다.

이와 같은 암석학적 및 광물학적 풍화작용으로 인해 풍화층과 비풍화층의 경계를 따라 공극률은 많은 차이를 갖는다. 그러나 연구대상 시료의 풍화심도는 1~2mm인 점을 감안하여 주사전자현미경에서 획득한 후방산란전자영상을 이용하여 표면공극률을 산출하였다. 이 결과, 비풍화층의 공극률은 0.2~0.6(평균 0.4)%의 범위를 보이나, 풍화층의 공극률은 24.0~26.6(평균 25.0)%의 범위로 산출되었다. 이는 Lee et al.(2012)의 보고와 거의 동일한 결과이다. 따라서 반구대 암각화 주변에 분포하는 암석의 풍화상태로 볼 때, 암각화 암면은 일정한 풍화심도를 갖는 것으로 판단된다. 이와 같이 암각화의 풍화작용은 구성광물 중 방해석이 빠르게 수분과 반응하고 용출되면서 표면에 풍화층을 형성하는 것으로 나타났다. 이를 모식도로 제시하면 Fig. 10과 같으며, 다른 광물들도 방해석에 비해 천천히 풍화되기는 하지만 표면 공극을 형성하는데 기여하는 것으로 보인다.

Figure 10. Schematic diagrams showing the mineralogical and chemical weathering mechanisms of the rock surfaces around the Bangudae Petroglyphs.
5. 풍화심도 모델링

반구대 암각화 주변에 분포하는 암석은 1~2mm 깊이로 풍화층이 형성되어 있는 것을 확인하였다. 암각화를 구성하는 암면도 이와 유사한 풍화정도를 나타낼 것으로 판단할 수 있으나, 정확한 풍화 깊이를 알기는 어렵다. 그러나 반구대 암각화의 장기적인 보존관리를 위해서는 각 위치별 풍화 깊이를 파악하여 향후 발생할 수도 있는 박리 및 박락의 발생가능성을 예측할 수 있어야 한다.

따라서 X-선의 투과 특성을 활용하여 암각화의 풍화심도를 산출하였다. 분석을 위해 발생시킨 X-선의 투과 깊이는 측정대상의 밀도에 따라 달라지며, 이는 벽화의 안료분석에서도 심도 있게 논의된 바 있다(Chun and Lee, 2011). 일반적으로 암석은 1mm 정도까지 투과하지만, 토양은 5~6mm 정도까지 투과하는 것으로 알려져 있다. 주성분원소 분석결과에 의하면 풍화층과 비풍화층의 성분비는 차이가 명확하며, 전자현미분석을 활용한 원소 분포 모델링에서도 Ca의 함량은 뚜렷한 차이를 보였다(Fig. 5, 6, 7).

P-XRF로 풍화심도가 깊은 부분을 분석하게 될 경우, X-선이 비풍화층까지 투과하지 못하기 때문에 풍화층만을 분석하게 된다. 그러나 풍화심도가 얕은 부분을 분석하게 되면 비풍화층의 일정 부분까지 검출하게 되어 풍화층에서 확인되지 않은 원소까지 분석된다. 이러한 특성을 활용하여 반구대 암각화의 풍화심도를 측정하였다.

측정방법은 Fig. 11과 같이, 반구대 암각화와 동일한 암상을 갖는 시료를 선택하여 에폭시수지로 몰딩처리한 후 연마하면서 풍화층에서 비풍화층까지 분석하였다. 성분분석은 풍화 깊이를 2.0mm에서 -1.0mm까지 0.5mm씩 연마하면서 수행하였으며, 각 심도별로 5회씩 측정하였다. 이와 같은 방법으로 분석한 결과는 Table 4와 같다.

Table 4 . Representative geochemical compositions (ppm) using P-XRF by weathering depth from the Bangudae Petroglyphs

DepthKCaTiMnFeZnRbSrZr
2.031,8233,9794,6856,96634,136104110191150
1.531,5095,3534,79142734,40383120258168
1.033,2099,4975,09112934,31382102296148
0.532,46334,0424,737031,9417298626139
0.032,47462,6834,167027,3716591884132
-1.032,72670,5474,095027,9996488987121


Figure 11. Experimental method for calculating the weathering depth on the rock surfaces using P-XRF around the Bangudae Petroglyphs.

풍화심도에 따른 Ca의 변화는 풍화 깊이가 2.0mm에서 1.0mm까지 서서히 증가하다가 1.0mm에서 비풍화층의 경계부분까지 급격하게 증가하는 경향을 보였다. 또한 풍화심도에 따른 Sr의 함량 변화도 Ca과 동일한 경향을 나타냈다(Fig. 12). 풍화심도별 Ca과 Sr의 함량변화는 암각화를 구성하는 암석의 주요 광물인 방해석의 영향을 받아 풍화층에서는 Ca 성분이 거의 남아있지 않기 때문이다. 그러나 Zn, Mn, Ti, Rb, Zr, Fe는 풍화심도가 2.0mm에서 비풍화층으로 갈수록 함량은 전반적으로 감소하는 경향을 보였다.

Figure 12. Variation graphs showing the elemental contents by weathering depth on the rock surfaces using P-XRF around the Bangudae Petroglyphs.

이러한 풍화심도별 원소함량의 변화는 앞서 설명한 풍화에 따른 지구화학적 거동특성 및 암각화의 표면성분 분포와 거의 동일한 결과이다. 따라서 풍화심도에 따른 원소함량의 변화경향은 각 원소에 따라 조금씩 차이를 보이지만 P-XRF 분석을 위해 발생한 X-선이 암각화 표면을 투과할 수 있는 깊이는 2mm 이상으로 판단된다.

암석 및 광물학적 특성과 풍화심도별 분석 결과로 볼 때 암각화의 풍화심도를 산출하기 위해 가장 이상적인 원소는 Ca과 Sr이다. 이 원소들의 풍화심도별 함량을 기준으로 암각화에서 분석한 161지점의 자료를 적용하여 암면의 풍화심도를 모델링할 수 있다. 그러나 암면의 표면 요철로 인해 분석에 오차가 수반될 수 있기 때문에 미량성분인 Sr은 제외하고 주성분인 Ca의 함량변화를 기준으로 암각화의 풍화심도를 산출하였다.

풍화심도는 실험을 통해 측정한 Ca의 변화 그래프에 암각화에서 측정된 데이터를 내삽 및 외삽하여 산출하였다. 이와 같은 방법을 통해 측정위치별 풍화심도를 검출하였으며, 이를 2D 모델링하여 풍화심도 분포도를 작성하였다(Fig. 13). 이 결과, 반구대 암각화 주요 암면의 풍화심도는 대부분 1~2mm로 산출되었다. 반면 일부 영역에서는 2mm 이상으로 분류되었다. 2mm 이상으로 분류된 영역은 정확한 풍화심도를 산출할 수는 없으나 주변 암석의 풍화심도를 반영할 때, 최대 풍화심도는 3~4mm 정도일 것으로 판단된다.

Figure 13. Modeling results showing the weathering depth and contents of Ca, Fe, Mn, Sr variations on the rock surfaces using P-XRF around the Bangudae Petroglyphs.
6. 고찰 및 결론

반구대 암각화는 한반도에서 선사인의 생활상을 이해할 수 있는 가장 중요한 바위그림이다. 이는 강수에 직접적으로 영향을 받지 않는 상부가 돌출된 암벽에 있으며 암면은 치밀하고 견고하여 비교적 건전한 상태로 보존되어 왔다. 이 암각화와 같이 열변질을 받은 암석은 풍화에 강하나, 선각의 깊이가 낮아 풍화는 암각화에 치명적인 손상을 야기한다. 따라서 암각화의 화학적 풍화에 따른 광물 및 화학조성 변화와 색도 및 공극률 변화 등암면의 풍화메커니즘을 검토하여 풍화층의 심도를 모델링하였다.

암각화와 동일 지층의 암석은 대부분 혼펠스화된 암갈색 및 암록색 셰일이다. 이는 표면에서 약 2mm 깊이까지 풍화층이 형성되어 있으며, 미세균열을 따라 암석 내부까지 연장된다. 암각화의 암면은 생물 및 화학적 풍화에 따라 담갈색으로 변색되어 있다. 비풍화면을 기준으로 색도를 측정하면, 암각화는 이보다 백색 및 황색도가 증가하였으며 색차(ΔE)는 5.54~36.89(평균 17.26)의 범위를 보였다. 그러나 표준편차가 5.64로 낮은 것으로 볼 때 전체적으로 거의 유사하게 변색된 것으로 해석된다.

이들의 조암광물에 대한 정량분석 결과, 비풍화층에 비해 풍화층에서는 상대적으로 방해석의 함량이 상당량 감소하였으며 석영과 사장석은 증가하였다. 그러나 정장석, 운모, 녹니석 및 적철석은 양자 모두 유사한 함량을 보였다. 또한 풍화층의 CaO는 비풍화층에 비해 90.2%가 감소한 것으로 나타났다. 이는 방해석이 물과 반응하여 용해되면서 CaO의 함량이 낮아진 것을 의미한다.

한편 X-선 면분석으로 비풍화층과 풍화층의 원소함량과 분포를 살펴보면, K와 Na은 큰 차이 없이 균질하나, Ca과 Sr은 풍화층에서 뚜렷한 경계를 보이며 거의 검출되지 않았다. 이는 Sr이 Ca의 치환원소로 방해석을 구성하기 때문이다. 반면 풍화층의 MnO 함량은 32.5% 증가하여 표면의 색도변화를 주도한 것으로 판단된다.

화학적 풍화에 따른 암석의 미세조직과 변화를 살펴보면 풍화층과 비풍화층의 경계가 선명하며 풍화정도에 따라 기공분포의 차이를 보인다. 풍화층에서는 방해석이 용해되어 빠져나간 자리에 많은 공극들이 생성되었다. 특히 비풍화층의 표면공극률은 0.2~0.6(평균 0.4)%의 범위를 보이나, 풍화층의 표면공극률은 24.0~26.6(평균 25.0)%의 범위로 산출되었다. 이는 방해석이 빠르게 수분과 반응하고 용출되면서 표면으로부터 풍화층을 형성하기 때문으로 해석된다.

이를 정량적으로 고찰하기 위해 X-선의 투과 특성을 활용하여 암각화의 풍화심도를 산출하였다. 풍화심도에 따른 Ca의 변화는 풍화 깊이가 2.0mm에서 1.0mm까지 서서히 증가하다가 1.0mm에서 신선한 면의 경계부분까지 급격하게 증가하는 경향을 보였다. 또한 풍화심도에 따른 Sr의 함량과 변화도 Ca과 동일한 경향을 나타냈다. 풍화심도별 Ca과 Sr의 함량변화는 암각화를 구성하는 주요 광물인 방해석이 유실되면서 풍화층에서는 Ca 성분이 거의 남아있지 않기 때문이다.

따라서 이를 근거로 평면 모델링하여 반구대 암각화의 풍화심도 분포를 산출하면, 주요 암면의 풍화심도는 대부분 1~2mm이다. 그러나 2mm 이상으로 분류된 영역은 최대 풍화심도가 3~4mm 정도는 될 것으로 해석할 수 있다. 이 결과는 앞으로 반구대 암각화의 안정적 관리와 표면을 보존하기 위한 중요한 자료가 될 것이다.

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