• Physical deterioration of Cheonjeon-ri petroglyph was quantitatively evaluated.

• Physical property and relative damage were visualized by ultrasonic velocity of petroglyph.

• Surface exfoliation is caused by mineral binding force between weathered and unweathered zones.

천전리 각석은 반구대 암각화와 같이 오랜 시간 동안 이루어 놓은 암각예술로 선사시대부터 신라시대까지의 생활과 당시의 사상 등이 생생하게 새겨져 있다. 특히 자연주의적 관념, 기하학적 형상, 선과 그림 또는 명문 등이 매우 다양한 형태로 표현되어 있으며, 이들의 새김은 면각 동물화, 추상적 문양, 선, 그림, 글씨 등의 순서로 알려져 왔다(Moon, 1973; Yim, 1999; Lee and Chun, 2023).

각석의 문양과 글자는 대부분 시대를 달리하며 쪼기, 갈기, 긋기 등 다양한 기법을 적용한 것으로 확인되었다(Hwang and Moon, 1984; Lee and Chun, 2023). 이 기술은 새겨진 두께에 따라 두 가지 유형으로 분류되며, 독립된 형상은 주로 두껍게 그려져 있고 행렬도와 같은 장면은 가는 선으로 그렸다. 명문은 주로 각석의 아래쪽에 분포한다.

천전리 각석은 1970년에 처음 학계에 보고되었으며, 1973년 5월에 국보로 지정되어 관래해 왔다. 그러나 현재 각석의 표면에는 곳곳에 균열, 박리, 박락, 탈락, 변색, 오염 및 낙서 등으로 상당한 손상이 나타나 정밀진단을 통한 적극적인 보존관리가 필요한 상태이다(Lee and Chun, 2023).

석조문화유산의 표면손상에 가장 중요한 인자는 물이며, 물은 조암광물과 반응하면서 색, 조직 및 조성 등 암석의 물리화학적 풍화를 촉진한다. 이와 관련하여 천전리 각석과 인접하고 있으며 동일한 암석학적 특징을 갖는 반구대 암각화에 대한 풍화와 손상메커니즘은 이미 잘 알려져 있다(Fitzner et al., 2004; Hwang et al., 2010; Jeon, 2000; Lee et al., 2012; Lee and Chun, 2022; Lee and Kim, 2004).

천전리 각석에 대해서는 표면의 화학적 풍화작용과 조성변화 및 심도모델 등을 평가하여 화학적 변화과정을 보고한 바 있다(Lee and Chun, 2023). 그러나 암면의 물리적 변형과 강도 및 손상과정은 검토되지 않았다. 따라서 이 연구에서는 천전리 각석의 물리적 손상도 평가와 물성측정 및 풍화작용에 대한 정밀진단 결과를 종합하여 장기적 보존관리방안을 고찰하였다. 이는 각자와 조각 등 암석 표면에 노출된 석조문화유산의 물리적 손상메커니즘을 이해할 수 있는 중요한 자료가 될 것이다.

이 연구를 위해 천전리 각석의 물리적 손상상태를 기록하고 다양한 비파괴 분석을 적용하여 정밀진단을 수행하였다. 우선 각석에 발생한 물리적 손상유형과 위치 및 분포를 실측도면에 기록하였다(Fig. 1). 손상지도는 현장조사와 고해상도 사진 및 3D 영상자료를 바탕으로 유형을 세분하여 제시하였으며, 이를 근거로 유형별 손상율을 산출하였다. 사용한 프로그램은 Adobe Illustrator CS3와 AUTO CAD이다.

Figure 1. Present status and maps on actual measurements of Cheonjeon-ri petroglyph (Lee and Chun, 2023). (A) Present appearance of the petroglyph. (B) Actual measurement map in 1984 (Hwang and Moon, 1984). (C) Actual measurement map in 2003 (Ulsan Metropolitan City, 2003). 1 to 3; Peck up the figures, 4; Draw line figures, 5; Ideographs.

각석에 나타난 손상 중에 육안으로 확인이 불가능한 내부결함을 탐색하기 위해 적외선 열화상분석을 적용하였다. 적외선 열화상은 Flir사의 P640 모델을 사용하였으며, 이를 이미지화하여 박리가 발생한 부분을 도출하고 실측도에 표기하였다. 암면의 물성분석을 위해 CNS FARNELL사의 PUNDIT Plus를 사용하여 초음파속도를 측정하였다. 속도는 암석의 이방성을 고려하여 동일지점에서 층리와 수평 및 수직방향으로 측정하였다. 분석결과는 각각의 도면에 투영하여 전체적인 손상도를 평가하였다.

또한 각석을 구성하는 암석이 고온의 열을 받았을 때 나타나는 물성변화를 추적하기 위해 열충격 실험을 수행하였다. 열효과에 따라 발생하는 풍화양상을 정밀하게 기록하기기 위해 20×20×20cm의 시료를 준비하였다. 실험에서는 열전달 특성을 반영하여 준비한 시험체에 직접 가하는 방법을 적용하였다. 열처리 시간은 안전을 고려하여 5분으로 설정하고 가열 후 상온냉각까지를 1주기로 정하여 반복적으로 수행하였다.

3.1. 현 황

천전리 각석의 현황과 고고학적 및 미술사학적 의미는 이미 잘 알려져 있다(Moon, 1973; Yim, 1999; Hwang and Moon, 1984; Ulsan Metropolitan City, 2003). 선사시대부터 신라시대까지 다양한 문양 및 수법으로 당시의 생활상을 기록하고 있는 천전리 각석의 표면은 균열, 박리와 박락, 변색, 탈락 등으로 상당히 손상되어 있다. 특히 박락은 주변 암석에서는 거의 관찰되지 않지만, 각석의 중앙 부위는 심각한 박락이 발생하여 일부 문양 및 명문이 유실된 상태이다(Fig. 1A).

발견 당시 각석의 손상상태를 확인하기 위해 1984년에 작성한 실측도와 기록을 살펴보았다(Fig. 1B, Hwang and Moon, 1984). 각석의 최초 실측도에서도 중앙 부분에 박락이 심각한 것을 볼 수 있다. 그러나 주변에 분포하는 암석의 표면에서는 조류 및 지의류가 완전히 피복하고 있는데 반해 각석 표면의 생물피도는 상대적으로 양호한 것으로 보아 지속적으로 관리가 이루어져왔던 것으로 판단된다.

이 각석이 보고되고 30년이 지난 이후 작성한 실측도면과 기록을 보면(Fig. 1C), 기존에 갈기로 그려진 것이라고 보았던 형상들은 사람이 각석의 표면을 만지면서 마모된 것임을 확인하였다(Ulsan Metropolitan City, 2003). 또한 암면에 한글로 이름이 새겨져 있는 부분도 나타나 천전리 각석은 자연적 풍화와 손상 이외에도 인위적 요인에 의해 표면의 일부가 손상된 것으로 확인되었다(Lee and Chun, 2023).

연구대상 각석의 손상과정을 이해하기 위해 지역주민 및 문화재 해설사를 상대로 탐문한 결과, 과거에는 근동에 거주하는 사람이 사망했을 때 이곳에서 화장하던 풍습이 빈번했던 것으로 확인되었다. 각석 중앙부의 박락은 화장할 때 발생한 고온의 열로 인해 야기된 것으로 보여 이에 대한 자세한 검토도 필요하였다. 따라서 각석의 암면에 나타난 다양한 손상유형과 원인을 면밀하게 분석하여 안정적 보존을 위한 종합 방안을 수립하고 안전하게 적용할 수 있는 기술적 검토가 요구된다.

3.2. 재질특성

천전리 각석 일대는 대곡천에 연하여 경사가 급하거나 또는 수직에 가까운 절벽을 이루고 있는 곳이 많은데 이는 오랜 세월에 걸쳐 일어난 대곡천의 침식작용과 관련이 있다. 각석 일대의 기반암은 중생대 백악기의 경상누층군에 속하는 소위 대구층으로 명명된 퇴적암으로, 이 일대의 지질은 이미 잘 알려져 있다(Lee and Lee, 1972; Lee et al., 2012; Lee and Chun, 2022; 2023).

천전리 각석의 모암은 셰일층으로, 이는 열변질 작용을 받아 혼펠스(hornfels)화 되어 경도가 높고 아주 치밀한 조직을 갖는다. 또한 층리가 잘 나타나지 않고 괴상으로 산출되나 부분적으로 파랑벽개와 같은 변성조직을 보여준다. 이 암석의 조암광물은 석영, 정장석, 사장석, 방해석, 운모, 녹니석 및 불투명 광물들로 거의 동일한 조성을 가지나 표면 풍화대에서는 방해석이 거의 검출되지 않는다(Lee and Chun, 2023).

각석은 일정한 깊이의 풍화층을 형성하고 있으며 풍화대와 비풍화대는 광물 및 화학조성에 차이가 있다. 특히 풍화대의 CaO 함량은 비풍화대에 비해 90% 이상 감소한 것으로 나타났다(Lee and Chun, 2023). 이는 조암광물 중 방해석이 암석으로 침투한 물과 반응하여 다른 광물보다 빨리 용해되고 유실되었기 때문이다. 또한 방해석의 풍화속도보다 늦지만 장석의 일부도 용해되면서 표면에 일정 깊이의 풍화층을 형성한 것이다.

이들의 풍화심도는 탈락이 발생한 각석 하부 및 박리 영역에서는 0.5~1mm의 깊이를 갖는 것으로 나타났지만, 대부분의 각석 표면에서는 풍화심도가 3~4mm 정도로 산출되었다(Lee and Chun, 2023). 이는 박락의 심도와 유사한 것으로 모든 각석 영역에서 박리 및 박락이 발생할 가능성을 지시하는 것이다. 또한 위치별 조직의 치밀도와도 관계가 있는 것으로 각석의 중앙부에 비해 상부 및 하부에서 상대적으로 낮은 분포를 보였다.

4.1. 손상상태

천전리 각석은 장구한 세월동안 자연적 및 인위적 풍화작용에 노출되어 물리적 손상이 심화된 것으로 확인되었다. 다양한 유형의 손상 중 일부는 이미 석각하기 이전부터 발생되어 현재까지 상존하는 것도 있을 것이다. 그러나 대부분의 물리화학적 손상은 각석이 새겨진 이후에 더욱 활발히 진전된 것으로 판단된다.

특히 표면의 물리적 손상은 다양한 문양 및 명문을 손실시킬 수 있는 주요 원인이다. 따라서 각석에 나타난 모든 손상유형을 면밀하게 검토한 결과, 대부분의 물리적 손상은 균열, 탈락, 박리 및 박락이다(Fig. 2). 균열은 주로 각석의 층리와 수평으로 나타나며 상부에 집중적으로 분포한다(Fig. 2A, 2B, 2C). 또한 수평 및 수직 균열들이 교차하는 부분에서는 쐐기작용으로 인해 각석의 일부가 떨어져 있기도 하다(Fig. 2D, 2E, 2F).

Figure 2. Photographs showing the representative deteriorations of Cheonjeon-ri petroglyph. (A, B, C) Various cracks developed along the bedding and horizontal defects. (D, E, F) Occurrences of break-out caused by wedging action at the intersection of horizontal and vertical cracks. (G~L) Occurrences of flaking and exfoliations in various shape, frequency and depth.

박락은 각석의 중심을 기준으로 하부에 밀집되어 있다. 박락의 두께는 대부분 약 2mm 정도의 심도를 보이지만, 박락이 집중적으로 나타나는 각석의 하부에서는 3cm의 두께로 떨어진 부분도 있다. 또한 박락이 중첩된 횟수는 영역에 따라 조금씩 상이하지만 5차례 이상 연속적으로 발생한 부분도 볼 수 있다(Fig. 2G~2L). 그러나 각석의 좌측 및 우측에 새겨진 문양에서는 심각한 박락은 발견되지 않았다.

따라서 자연적인 풍화작용 이외에 다른 손상요인이 있었던 것으로 판단하고 천전리 일대의 주민을 대상으로 탐문을 수행하였다. 이 결과, 과거에는 주민이나 근동의 주요인사가 사망했을 때 이곳에서 화장하는 장례풍습이 있었던 것으로 확인되었다. 이는 천전리 각석에 발생한 박락은 자연적 풍화와 인위적 열충격이 함께 작용했을 가능성도 입증하는 것이다.

천전리 각석을 구성하는 암석은 회색 셰일이지만 화학적 풍화로 인해 암면은 대부분 황갈색 및 적갈색으로 점이적인 양상을 띠며 변색되어 있다. 표면변색은 각석의 상부에서 하부로 내려올수록 색상이 짙어지는 경향을 보인다. 이와 같은 다양한 변색은 표면의 풍화정도를 지시하는 것으로 물리적 훼손과 마찬가지로 주로 각석의 하부에 분포한다. 그러나 주변의 암석에 비해 물리적 풍화가 더욱 진전된 것으로 확인된 각석의 표면은 생물피복에 의한 손상정도는 비교적 건전한 것으로 나타났다.

4.2. 손상도 및 정량평가

대부분의 석조문화유산은 수많은 요인들이 복합적으로 작용하며 손상을 야기하여, 지속적으로 원형을 유지하기 위해서는 정밀진단과 보존시스템이 필요하다. 따라서 다양한 연구가 보고되어 활발하게 적용되어 왔다. 이는 암종과 손상요인을 객관적 기준에 따라 유형과 정도 및 분포 등을 문서화 또는 도식화하여 보존상태를 파악하는 것이다. 또한 손상정도를 평가하는 것이 가능하여 석조문화유산의 실질적인 보존처리 공정에 응용되어 왔다(Lee et al., 2005; 2010; Jo and Lee 2011; 2012; Lee and Araki, 2019).

천전리 각석의 풍화와 훼손을 저감하기 위한 보존대책의 일환으로 과학적 평가기법을 적용하여 종합 손상지도를 작성하였다. 이를 위해 3D 스캐닝 도면에 획득한 모든 자료를 병합한 후 정밀조사를 통해 손상유형의 분류와 상태 및 분포를 기록하였다. 또한 고해상도 사진과 대조하며 보완하여 신뢰도 높은 손상지도를 완성하였다. 이를 토대로 AUTO CAD에서 요인별 손상영역을 설정하고, 실면적과 점유율을 산출하였다.

천전리 각석의 손상유형을 물리적, 화학적 및 생물학적으로 분류하고 유형별로 손상면적과 손상율을 산출하여 종합적 손상정도를 판단하였다. 이중 물리적 손상을 정량적으로 평가하기 위해 균열은 각각의 길이와 각도를 산출하였으며, 박락은 발생된 횟수에 따라 Ⅰ차 박락과 Ⅱ차 박락으로 구분하고 세 차례 이상 박락이 발생한 영역을 Ⅲ차 박락으로 구분하였다. 이에 대한 상세한 내용은 Lee(2020)의 보고를 인용하였다.

연구대상 각석의 표면에서 관찰되는 균열은 총 297개로 산출되었다(Table 1). 균열 중에서 최단균열은 7cm이고 최장균열은 240cm로 측정되었으며, 대부분은 7~30cm의 길이를 보였다. 특히 상대적으로 짧은 균열들은 연속적으로 발생되어 각석의 상부에 균열대를 형성하였다. 균열의 각도는 0~5° 사이의 수평균열이 대부분이며 85~90° 사이의 수직균열들이 일부 발생한 것으로 나타났다(Fig. 3).

Figure 3. Diagrams showing the length and angle for cracks on the surface of Cheonjeon-ri petroglyph.

Table 1

Area and rate by physical deterioration types to Cheonjeon-ri petroglyph.

Types	Deterioration
	area (cm2)	rate (%)
Physical Deterioration	Crack	297 (Frequency)
	Break-out	11,730	6.0
	Flaking Ⅰ	46,580	23.8
	Flaking Ⅱ	18,154	9.3
	Flaking Ⅲ	6,731	3.4

탈락은 각석의 상부와 하부에 집중적으로 분포한다. 탈락이 발생한 영역의 실면적은 11,730cm²로 산출되어 각석 전체면적의 6.0%를 차지한다(Table 1). 각석의 상부에서 나타나는 탈락의 대부분은 수평 및 수직 균열들이 교차하는 부분에서 쐐기작용으로 인해 발생한 것으로 확인되었다(Fig. 4A).

Figure 4. Representative physical deterioration maps showing the break-outs and cracks (A), and flakings (B) of Cheonjeon-ri petroglyph.

각석 표면에 발생한 박락의 점유율은 23.8%로 나타났으며(Table 1), 이는 발생 횟수에 따라 심도의 차이를 보인다. 1차 박락의 면적은 46,580cm²(23.8%)로 산출되었으며 각석의 전면에 걸쳐 나타난다. 2차 박락은 18,154cm²(9.3%)이며, 3차례 이상 발생한 박락은 6,731cm²(3.4%)로 상당한 부분에서 박락에 따른 손상이 나타났다. 2차례 이상 박락이 발생한 영역은 각석 하부를 중심으로 넓게 분포한다(Fig. 4B).

4.3. 적외선 박리검출

천전리 각석에 발생한 박리는 표면에서 수 mm에서 수 cm 정도 들떠 있는 형태로 나타나고 있어, 외부로부터의 충격이나 물리화학적 풍화작용으로 인해 암편이 떨어져 박락될 수 있다. 이는 암석의 표면에 얕은 깊이로 문양을 새긴 각석의 문화유산적 특성을 고려할 때 다른 손상유형보다 위험한 요소이다.

박리는 표면에 들어나는 것이 아니라 대부분 암석의 내부에 형성되어 있어 정밀하게 관찰하더라고 이를 정확히 구별하기에는 어려움이 있다. 그러나 적외선 열화상분석을 통해 박리로 형성된 내부 공기층의 열분포 특성을 이용하여 박리가 발생한 영역을 탐색하고 이를 토대로 박리에 대한 정량 평가가 가능하다(Jo and Lee, 2014a).

이는 비파괴 진단기술의 하나로 국내에서도 석조문화유산을 중심으로 활발하게 연구되어 원리 및 기술체계가 보고된바 있으며, 표면박리 검출 및 보존처리에 적극적으로 적용되어 왔다(Jo and Lee, 2014a; Jo et al., 2015). 이렇게 천전리 각석의 암면에 나타난 결함부위의 상대적 온도 차이를 이용해 적외선 열화상카메라로 관찰하게 되면 공동이나 박리를 검출할 수 있다(Fig. 5).

Figure 5. Representative physical deterioration maps showing the surface exfoliations and flakings using infrared thermography (A), and map merging the flakings and exfoliations (B) of Cheonjeon-ri petroglyph.

적외선 열화상 촬영 당시 각석의 표면온도는 19~20℃로 측정되었다. 열화상을 획득하기 위해 약 1분간 가열한 후의 표면온도는 촬영지점마다 조금씩 다르나 대부분 30℃ 내외를 보였다. 그러나 박리영역에서는 동일한 조건으로 열을 가하더라도 35℃까지 상승하는 것으로 나타났다. 이러한 열분포 특성은 천전리 각석의 열전도율 및 비열과 내부결함으로 인한 공극의 영향이다.

따라서 외부로부터 열을 받아 암석의 표면온도가 높게 측정된 부분은 박리가 발생한 영역으로 해석할 수 있다. 이와 같이 육안으로 확인이 불가능하던 52곳의 크고 작은 박리를 검출하였으며, 이를 실측도면에 표기하였다(Fig. 5). 문양과 문자가 수 mm 깊이로 음각되어 있는 천전리 각석은 다른 석조문화유산과는 달리 박리가 가장 위험한 손상유형으로, 이 영역에 대해서는 집중적인 보존관리가 필요하다.

천전리 각석의 표면에서 볼 수 있는 박락 면적은 46,580cm²로 각석 전체면적의 23.8%를 점유하는 것으로 나타났다(Table 1). 그러나 표면에 드러나지 않은 부분에 대한 박리에 대하여 적외선 열화상분석을 수행한 결과, 각석 전체의 5.5% 영역에서 박리의 잠재 가능성이 있는 것으로 나타났다(Fig. 5A).

육안관찰이 가능한 박락 부분과 잠재적 박리박락 영역을 합하면 Fig. 5B와 같이, 전체 면적의 28.2%를 차지한다. 대부분의 잠재 박락영역은 이미 발생한 박락의 주변을 따라 넓어질 가능성이 높은 것으로 예측되었다. 이미 박락이 발생한 부분은 각석 전체면적의 1.1%로 계속적인 추가손상에 따라 더욱 넓어질 것으로 예상된다.

4.4. 초음파 물성분석 및 평가

초음파 탐상은 석조문화유산의 비파괴 진단 영역 중 가장 중요한 위치를 차지하는 기술이나, 석재의 상태와 방법 및 조건에 따라 조금씩 다른 단점도 있어 신뢰도 확보가 중요한 과제였다. 따라서 이를 정량화하여 석조문화유산에 적용하고자 다양한 연구가 수행되어 왔다(Chun et al., 2008; Lee et al., 2009). 이 연구에서는 현장 초음파 측정에 가장 적합한 Lee et al.(2009), Jo and Lee(2014b; 2015), Lee and Jo(2017)가 제시한 검증결과를 바탕으로 물성을 평가하였다.

천전리 각석에 대한 초음파 측정은 Lee et al.(2009)이 보고한 초음파탐사 신뢰도 검증 실험 결과를 토대로 측정조건을 설정하였다. 사용한 기기는 CNS Farnell의 PUNDIT PLUS이며 탐촉자는 UTREXTX(RX)이다. 이는 원통형 탐촉자와는 달리 끝이 뾰족하여 표면요철에 대한 영향을 거의 받지 않는다. 또한 암석과 같이 상대적으로 불균질한 매질에도 잘 통과하는 저주파를 사용하고 있어 물성산출에도 적합하다.

초음파 측정에 사용하는 접촉매질은 탐촉자와 시험편 사이 공기층을 제거하여 음파의 전달효율을 높이기 위해 사용하나, 이는 내부로 침투하여 암석의 공학적 거동에 영향을 주는 문제점이 있다(Lee et al., 2009; Lee and Jo, 2017). 따라서 이 연구에서는 각석에 아무런 영향을 주지 않으며 Lee et al.(2009)에 의해 효과가 검증된 접촉매질로 고무찰흙을 활용하였다.

측정은 거의 평명으로 구성된 각석의 특성을 반영하여 간접전달방법을 적용하였으며, 간격은 진자 간의 측정거리별 직접 및 간접속도 비를 고려하여 20cm로 설정하였다. 신뢰도를 높이기 위해 한 부분에서 여러 지점을 측정하고, 동일지점에서 발진자와 수진자를 교대하여 평균값을 취하였다. 또한 퇴적암의 특성상 이방성에 따른 초음파속도를 보정하기 위해 층리 및 수직방향으로 나누어 측정하였다.

이와 같이 천전리 각석에서 총 297지점을 대상으로 초음파를 측정하였으며(Fig. 6), 각 지점별 초음파속도는 Lee(2020)가 보고한 자료를 활용하였다. 이 결과, 수평방향의 초음파속도가 수직방향으로 측정한 결과보다 상대적으로 빠른 속도를 나타냈다(Table 2). 이는 퇴적암인 각석의 방향별 물성을 지시하는 것으로 층리와 평행한 수평방향이 수직방향보다 상대적으로 높은 강도를 의미한다.

Figure 6. Measurement positions showing the ultrasonic velocity of Cheonjeon-ri petroglyph.

Table 2

Summary on ultrasonic velocity measurements based on physical deterioration of Cheonjeon-ri petroglyph.

Ultrasonic velocity (m/s)	Horizontal Direction			Vertical Direction
	Discoloration	Flaking & Exfoliation	Crack & Break-out	Discoloration	Flaking & Exfoliation	Crack & Break-out
Mean	4,684	3,382	2,597	4,236	3,146	2,090
Max	5,714	3,856	3,071	5,319	3,480	2,979
Min	3,788	3,006	1,682	3,215	2,770	500

수평으로 측정한 초음파속도는 1,682~5,714m/s로 상당히 넓다. 이를 손상유형별로 보면, 변색영역의 속도는 3,788~5,714m/s에서 평균 4,684m/s로 나타났다(Table 2). 이는 신선한 화강암 또는 약간 풍화된 화강암의 초음파속도에 해당하는 것으로 표면에 변색이 발생했을지라도 천전리 각석의 내부 강도는 건전한 것으로 평가할 수 있다(Fig. 7).

Figure 7. Histograms showing the ultrasonic velocity measurements based on physical deteriorations and directions of Cheonjeon-ri petroglyph.

그러나 박리영역의 속도는 3,006~3,856m/s 범위에 평균 3,382m/s로 변색영역보다 1,300m/s 정도 낮았다. 균열이 발생한 영역은 평균 2,597m/s로 가장 낮은 속도를 보였다. 이는 박리 또는 균열로 인해 암석의 내부에 결함이 생겨 낮게 나타나는 것이다. 초음파속도의 상대적인 차이로 볼 때 변색, 박리, 균열의 영역 순으로 강도가 낮아지는 것을 알 수 있다(Fig. 8).

Figure 8. Contour maps showing the 2D modeling for ultrasonic velocity by horizontal and vertical measurements of Cheonjeon-ri petroglyph.

표면 변색영역에서 수직으로 측정한 속도는 평균 4,236m/s로 수평방향보다 약 400m/s 낮게 나타났다. 또한 박리부에서도 수평방향의 속도보다 200~400m/s 낮았다. 방향별 초음파속도 차이는 수평으로 퇴적되어 있던 모암의 이방성 때문이다. 따라서 자연적 풍화로 인해 암석에 내부결함이 발생할 경우 수평방향으로 나타날 가능성이 아주 높다.

이를 토대로 천전리 각석의 초음파속도 분포를 살펴보기 위해 2D 모델링을 실시하였다. 이 결과, 초음파속도는 각 손상의 위치 및 분포에 따라 상대적인 차이를 보이며 나타난다. 저속대는 대체적으로 각석의 상부 및 하부에 집중적으로 분포하며 중심부는 상대적으로 높은 초음파속도를 보였다(Fig. 8). 이는 각석을 구성하는 암석이 층위에 따라 혼펠스화 정도가 달라 물성차이를 보이는 것이다.

한편 각석의 초음파속도 분포도에 나타난 특이한 결과로는 박락으로 인해 신선한 면이 노출된 영역의 초음파속도가 가장 높을 것으로 판단하였으나, 표면변색이 발생한 영역의 초음파속도보다 상대적으로 낮게 측정되었다(Fig. 8). 따라서 육안으로 신선한 암면일지라도 암석 내부에는 결함이 발생하였을 가능성이 높은 것으로 평가되었다.

4.5. 열충격 실험

천전리 각석에서는 박락으로 노출된 신선한 암면의 초음파속도가 가장 빠를 것으로 예상되었지만 일정 깊이로 풍화된 영역보다 상대적으로 낮게 나타났다. 따라서 박락이 생성되는 과정에서 외부로부터 특별한 영향을 받았을 것으로 판단하였다. 지역주민의 전언에 따르면 각석의 전면에서 수시로 화장했던 것으로 보아 집중적으로 분포하는 박락은 화장 당시의 열에 의해서 발생하였을 가능성도 배제할 수 없다.

따라서 각석을 구성하는 암석이 고온의 열을 받았을 때 나타나는 물성변화를 살펴보기 위해 열충격 실험을 수행하였다. 열충격에 따라 발생하는 암석의 파괴양상과 물성변화는 다양한 실험을 통해 이미 잘 알려져 있다(Chaki et al., 2008; Lee and Lee, 1995; Park et al., 2016). 이를 검증하기 위해서는 각석과 동일 지층에서 동일한 풍화깊이를 갖는 시료를 채취하여 실험하는 것이 가장 효과적이나, 이 연구에서는 각석 인근의 대곡천에서 동종의 암석을 수습하여 열충격 실험을 수행하였다.

실험에 사용한 시료는 자색 셰일로 1~2cm의 풍화깊이를 갖는다. 이를 대상으로 열충격으로 인해 나타날 수 있는 물성변화의 기준을 설정하기 위해 풍화심도에 따른 초음파속도를 측정하였다. 이 결과, 표면에서 중심으로 들어갈수록 초음파속도는 증가하는 경향을 나타냈으며 풍화 경계면의 -2.5cm부터 일정한 속도를 보였다(Fig. 9).

Figure 9. Variations showing the ultrasonic velocity by weathering depth of same rock samples for Cheonjeon-ri petroglyph after the thermal shock test.

열충격 실험은 전기로에서 암석 전체에 지속적으로 열을 가하는 방법과 고온의 열을 순간적으로 직접 가열하는 방법이 있다. 이번 실험에서는 화장할 때 발생하는 열전달 특성을 고려하여 부탄가스로 직접 가열하는 방법을 적용하였다. 암석 표면에 2분가량 가열했을 때 표면온도는 약 650℃까지 상승하여 열응력에 따른 물성변화를 살펴보기는 충분하였다. 따라서 표면 열처리는 안전을 고려하여 5분으로 설정하였고, 가열 후에 상온에서 냉각하는 것을 1주기로 하여 반복 수행하였다.

1차 실험결과, 열을 직접적으로 받은 영역에서 실험 전에는 확인되지 않던 미세균열과 박리가 나타났다(Fig. 10A, 10B). 상온으로 냉각하여 2차로 열을 가했을 때 균열 및 박리가 1차 실험에 비해 커진 것을 확인하였다(Fig. 10C~10E). 이 균열과 박리영역에 약간의 힘을 가하자 풍화대와 비풍화대를 경계로 분리되었다(Fig. 10F).

Figure 10. Photographs showing the occurrences on same rock samples after thermal shock test of Cheonjeon-ri petroglyph. (A, B) Various micro cracks and exfoliations caused by the first thermal shock test. (C, D, E) Surface conditions of the samples with increased occurrence range and weathering after the second thermal shock test compared to the first test. (F) Appearance of break-outs occurring at the boundary of the weathered surface.

열응력에 따른 풍화특성과 함께 물성변화를 살펴보기 위해 초음파속도를 측정하였다. 1차 실험결과, 속도는 시료의 표면에서 -46.1%의 변화율을 나타냈으며 1.5cm에서 -4.0cm까지 선형적으로 감소하였다. 풍화 경계면의 -4.0cm 깊이에서도 -5.2%의 속도 변화가 있었다(Table 3, Fig. 11). 따라서 각석을 구성하는 암석은 표면온도가 650℃까지 상승하였을 경우, 약 6cm 깊이까지 열응력이 작용한 것으로 해석할 수 있다.

Figure 11. Variation rates of ultrasonic velocity by weathering depth on same rock samples after thermal shock test of Cheonjeon-ri petroglyph.

Table 3

Variations of ultrasonic velocity by weathering depth for same rock samples after thermal shock test of Cheonjeon-ri petroglyph.

Depth (mm)	Ultrasonic Velocity (m/s)			Variation Rate (%)
	before	1 cycle	2 cycle	1 cycle	2 cycle
2.0	4,353	2,527	1,205	-46.1	-79.6
1.5	4,458	3,182	1,198	-31.5	-80.4
1.0	4,528	3,296	1,205	-29.9	-80.7
0.5	4,559	3,357	1,242	-29.0	-80.0
0.0	4,653	3,407	1,488	-29.4	-74.8
-0.5	4,729	3,595	1,594	-26.4	-72.9
-1.0	4,808	3,885	2,326	-21.1	-56.8
-1.5	4,842	4,016	2,410	-18.8	-55.3
-2.0	4,913	4,151	2,629	-17.1	-51.1
-2.5	5,035	4,295	2,811	-16.2	-48.6
-3.0	5,022	4,450	2,976	-12.5	-44.8
-3.5	5,035	4,617	3,213	0-9.1	-39.8
-4.0	5,035	4,796	3,373	0-5.2	-36.3

2차 실험결과, 2.0에서 –0.5cm 사이에서 -70% 이상의 속도 변화율을 보이며 1차 실험보다 약 2~3배 감소율이 증가하였다. 그러나 -1.0cm에서의 변화율은 -56.8%로 –0.5cm의 경우와 15% 차이를 보이며 급격하게 달라졌다. 이는 풍화대와 비풍화대를 경계로 실제 박락이 발생한 곳이다. 또한 –1.0cm에서는 내부로 가며 선형적으로 감소하였으며, -4.0cm에서의 변화율은 -36.3%로 내부에서도 물성이 크게 감소하였다(Fig. 11).

박락으로 인해 비풍화대가 노출되었음에도 불구하고 초음파속도가 풍화영역보다 상대적으로 낮은 이유는 과거 이곳에서 화장을 하던 장례풍습으로 인해 각석에 고온의 열이 가해지면서 내부까지 물성이 영향을 받아 약해졌기 때문으로 판단할 수 있다. 따라서 육안으로 신선해 보일지라도 내부의 물성이 상대적으로 약한 점을 감안하여 보존대책을 수립해야 할 것이다.

5.1. 물리적 손상메커니즘 해석

천전리 각석의 표면은 위치와 장소에 따라 0.5~4.0mm의 풍화깊이를 갖는다. 이는 균열과 탈락 및 박리박락과 같은 물리적 풍화와 황갈색 또는 적갈색으로 분류되는 화학적 풍화 등 다양한 원인이 있다. 따라서 각석을 안정적으로 보존하기 위해서는 손상메커니즘을 정확히 평가하고 요인과 인자를 차단하기 위한 대책이 요구된다.

각석의 모암은 열변질을 받아 혼펠스화된 셰일이다. 이는 전형적인 퇴적암으로 지표로 서서히 융기하면서 하중과 압력이 감소하고, 압력의 해방에 따른 탄성팽창으로 인해 층리와 평행한 수평균열이 지표와 거의 평행하게 발생하였다. 이 균열은 각석의 모암에 발달한 불연속면으로 절리로 정의할 수 있다.

천전리 각석과 같은 퇴적암은 퇴적물이 고화되지 않은 상태에서도 균열이 생성될 수 있어(Choi, 2002), 각석에 발달한 수평균열의 일부는 암석의 생성 당시부터 내제되어 있던 것이다. 그러나 대부분의 균열은 장기간 풍화로 인해 퇴적방향으로 발생하며, 상대적으로 조직의 치밀도가 낮은 각석의 상부에 집중되어 있는 것으로 판단된다. 또한 각석의 상부에는 고등식물들이 자라고 있어 근압의 영향을 받았을 가능성도 충분하다.

박리와 박락은 수분이 공극을 통해 삼투압과 모세관 현상에 따라 침투하며 발달하기도 한다. 이는 항상 염풍화 등과 복합적으로 작용하여 박리박락을 만드는 다양한 환경을 조성한다(Benavente et al., 2004). 또한 동결 및 융해작용과 침수와 건조과정에서 암석의 팽축과 광물간의 열팽창 또는 염의 결정화 등 다양한 물리적 풍화작용이 박리박락을 유발하는 응력을 제공하다.

동결과 융해에 따른 암석의 풍화는 최저온도와 공극 및 미세균열에서 발생하는 압력과 흡수된 물의 양 등 여러 요인이 있다(Everett, 1961). 암석의 동결온도는 종류와 풍화상태에 따라 조금씩 달라지는데 이는 공극 및 모세관의 크기가 작을수록 물의 압력이 증가하여 빙점이 낮아지기 때문이다(Schulson, 1998).

암석의 동결메커니즘은 물의 성질에 따라 구속과 비구속 조건으로 구분된다(Tharp, 1987). 구속조건은 동결이 급속하게 이루어져 균열 입구에서 동결되어 외부로부터 물의 이동을 억제할 수 있을 때 구현되며(Davidson and Nye, 1985), 비구속조건은 얼음과 물의 경계면으로 물이 지속적으로 이동할 때 부피 증가로 인해 발생한다.

구속조건에서 물은 동결에 따른 상변화에 의해 0℃에서 9%, -22℃에서는 13.5%의 부피 팽창율을 나타낸다. 이때 압력은 온도변화에 따라 0에서 208MPa까지 거의 선형적으로 증가한다(Hobbs, 1974). 이 반복적인 동결과 융해작용에 의해 암석은 탄성률 및 휨강도가 약해져 풍화에 대한 저항성이 떨어지게 된다.

또한 암석은 화학적 풍화작용에 인해 이차광물을 생성하며, 이차광물은 수분을 함유했을 때 팽창하고 건조되면 수축하게 된다(Kiessl, 1989). 따라서 풍화대와 비풍화대의 광물조성 차이는 물의 침수와 건조과정에서 서로 다른 부피변화로 인한 인장력의 차이를 발생시켜 물리적 풍화작용을 야기한다(Fig. 12).

Figure 12. Schematic modeling figures showing the deterioration mechanism by internal stress and exfoliation with rock surface influenced the wettening and drying (modified after Kiessl, 1989).

지표에 노출된 암석은 낮에는 일사에 따라 가열되고 밤에는 복사에 의해 냉각되어 팽창과 수축을 반복한다. 암석은 열전도율이 낮기 때문에 가열효과는 표면에 집중되며, 여름철 직사광선을 받은 암석은 60℃ 정도까지 상승하는 것으로 알려져 있다. 또한 화재가 발생할 때 암석의 표면은 매우 높은 온도를 경험하게 된다.

이와 같이 외부에서 전해진 열로 나타날 수 있는 암석의 열파괴는 에너지 평형과 열파괴이론(Davidge, 1981), 복결정 및 다결정모델(Johnson et al., 1978), 구형다결정모델(Kingery et al., 1976) 등과 같이 설명된다. 실제 암석의 파괴는 광물의 형태, 크기, 조직과 균열밀도 등 여러 요인에 영향을 받고 열파괴가 시작되는 온도를 임계온도라고 하며 다양한 실험으로 결정할 수 있다(Lee and Lee, 1995).

암석이 가열되어 온도가 상승하면 광물마다 열팽창 특성이 상이하여 단일광물에서도 이방성을 나타낸다. 암석의 팽창과 더불어 광물입자 경계에서 불안정성이 증가하여 국부적으로 열파괴도 발생한다. Lee et al.(1990)은 여러 연구자(Simmons and Cooper, 1978; Heuze, 1983)의 자료로부터 주요 조암광물의 열팽창률을 백분율로 제시하였다.

석영을 제외한 대부분의 조암광물은 상온에서 600℃까지 온도가 상승함에 따라 선형적으로 1∼2%의 부피팽창률을 보이고 있으나 석영은 4.5% 가량의 큰 팽창을 일으킨다. 이러한 조암광물의 열팽창률 차이로 암석은 파괴될 수 있으며, 특히 석영의 함량에 따라 차이가 나타날 수 있다(Lee et al., 1990).

천전리 각석 일대 모암의 단면에서는 풍화대에서 비교적 일정한 간격으로 미세균열이 발달한 것을 볼 수 있다. 이 미세균열을 따라 비풍화대의 일부도 풍화가 진행되었다. 이는 Kiessl(1989)이 제시한 물리적 풍화모델과 매우 유사하다. 따라서 각석 표면에 일정 깊이로 물이 침투하고 건조되는 과정이 반복되면서 부피팽창률 차이와 동결과 융해작용으로 인해 발생한 응력이 표면을 풍화시키고 미세균열이 만들었을 것이다.

각석의 심도별 풍화도 차이는 광물조성 및 물성 차이도 수반한다. 또한 고열이 암석 표면으로 가해질 때 풍화대를 경계로 열팽창률 차이가 나타난다. 물성 차이는 방해석이 물과 반응으로 유실되면서 형성한 공극이 주요 원인이다. 따라서 각석의 내부에서 물이 동결할 때 대부분 물이 분포하는 풍화대에서만 일어나게 된다.

이와 같은 일련의 과정이 반복되면서 점차적으로 암석의 표면은 내부보다 풍화정도가 심화되고 이에 따라 광물의 결합력은 비풍화대와 풍화대를 경계로 차별적으로 나타나게 된다. 따라서 천전리 각석은 풍화대에서 비풍화대가 결합하고 있는 응력보다 크게 발생할 경우 상대적으로 풍화가 더 진행된 암석의 표면이 지지력을 잃어 박리박락이 발생한 것으로 이해할 수 있다.

5.2. 종합 손상도 평가

천전리 각석은 균열, 탈락, 박리, 박락, 무기 및 유기 오염물에 의한 변색 등 다양한 유형의 손상을 입었다. 따라서 각석의 손상도를 정량적으로 평가하기 위해 비파괴 진단을 수행하여 분석결과를 종합하였다. 특히 각석의 표면은 물과의 반응으로 방해석이 용해되어 풍화되었으나, 주변에 분포하는 암석보다 상대적으로 치밀한 조직을 갖는 것으로 평가되었다.

각석이 주변의 암석보다 상대적으로 풍화에 덜 민감하다 할지라도 일정한 깊이의 풍화심도를 보이며, 특히 Ca의 용해와 깊은 연관이 있다. 이렇게 측정한 풍화심도는 각석의 하부와 2차 및 3차 박락 영역에서는 0.5~1mm로 산출되었으나, 대부분 3~4mm 정도의 풍화심도를 보였다.

주변에 분포하는 암석보다 치밀한 조직을 갖는 각석도 위치에 따라 강도와 성분에 차이가 있다. 이는 층위에 따라 물리적 손상양상과 초음파 물성 및 풍화심도가 약간씩 다른 것을 의미하며 암석의 열변질 정도와 유사한 분포를 갖는다(Fig. 13). 이는 1차 박락의 심도와 유사한 것으로 대부분의 영역에서 박리 및 박락이 있으며 향후 지속적으로 확장될 가능성을 지시하는 것이다.

Figure 13. Representative 2D modeling images showing the physical deterioration diagnosis according to the surface damage of Cheonjeon-ri petroglyph. (A) Representative physical deterioration map. (B) Ultrasonic velocity distributions of the vertical direction. (C) Weathering depth modeling results.

또한 수직방향 초음파속도 분포에서도 각석의 상부 및 하부는 대부분 저속도대가 나타나며, 상대적으로 중심부는 속도가 빠른 것을 보였다. 각석에 발생한 균열과 탈락도 상부에 집중되어 있다. 이는 각석 내에서도 상대적으로 광물조성 및 열변질 작용의 차이가 있기 때문이다. 따라서 각석의 상부와 하부는 중심부보다 손상될 가능성이 더 높은 것으로 판단되어, 이를 반영한 집중적인 보존관리가 필요하다.

다양한 문양과 문자가 수 mm 깊이로 음각되어 있는 천전리 각석은 박리박락이 가장 위험한 손상유형이다. 적외선 열화상 탐색으로 육안으로는 발견하지 못한 상당부분의 박리를 확인하였다. 박리가 검출된 주요 영역은 균열을 따라 분포하고 있지만 박락이 발생한 영역 주변에도 넓게 나타난다.

박락은 대부분 2mm 정도의 심도를 갖지만, 집중적으로 발생한 각석의 하부에서는 3cm 이상의 두께로 박락된 부분도 관찰된다. 박락의 횟수는 1회에 그치는 것이 아니라 5차례 이상 연속적으로 발생한 부분도 있다. 또한 초음파속도에 따르면 박락된 부분이라 할지라도 손상이 중첩된 부분보다 상대적으로 낮은 속도를 보였다. 따라서 표면이 박락되어 육안으로는 신선해 보일지라도 암석의 내부에는 결함이 발생한 것으로 나타났다.

각석의 풍화심도와 유사한 1차 박락부위는 자연적 풍화작용에 의해 발생한 것도 있으나 3차 이상 박락이 중첩된 영역은 외부로부터 특별한 영향을 받은 것으로 판단하였다. 특히 각석의 바로 앞에서 화장하던 장례풍습과 열충격이 각석에 집중적으로 발생한 박락을 유발하였을 가능성을 무시하기 어렵다.

이를 종합하면, 천전리 각석에 작용한 손상은 균열, 탈락, 박리박락 및 오염물에 의한 표면변색이다. 이는 자연적 풍화작용의 영향이 크지만 각석 하부에 분포하는 균열과 박리박락은 과거 장례풍습으로 인한 열충격도 있었던 것으로 해석된다. 한편 각석의 대부분은 2~4mm 정도로 풍화층이 있으며 균열과 박락이 접한 곳에 넓은 박리가 나타난다. 따라서 물리적 풍화가 심화된 부분은 지속적인 모니터링과 이를 저감할 수 있는 효과적인 보존방안이 적용되어야 할 것이다.

1. 천전리 각석의 모암은 중생대 백악기 경상누층군의 대구층에 속하는 셰일이다. 이 암석은 전체적으로 열변질을 받아 혼펠스화 되어 경도가 높고 치밀한 조직을 보인다. 또한 층리가 잘 나타나지 않고 괴상으로 산출되나 부분적으로 파랑벽개와 같은 변성조직을 나타낸다. 각석의 표면은 일정한 깊이의 풍화대를 형성하고 있으며 풍화대와 비풍화대는 광물 및 화학조성에 차이가 있다.

2. 표면 균열로 인한 손상도 평가 결과, 각석에 발달한 균열은 297개로 산출되었다. 이 균열들은 장기간 풍화로 인해 대부분 층리와 평행하게 나타나며, 상대적으로 조직의 치밀도가 낮은 상부에 집중된다. 또한 각석의 상부에는 고등식물들이 자라고 있어 근압에 의한 영향도 배재할 수 없다.

3. 탈락은 각석의 상부와 하부에서 넓게 나타나며, 탈락영역의 면적은 11,730cm²로 각석 전체의 6.0%를 차지한다. 특히 각석 상부의 탈락은 대부분 수평 및 수직 균열이 교차하는 부분에서 쐐기작용으로 인해 생성된 것으로 보이다.

4. 각석 표면에서 1차로 발생한 박락은 전체면적의 23.8%이며, 2차 박락은 9.3%, 3차례 이상 중첩된 박락은 3.4%로 산출되었다. 이는 자연적 풍화작용과 과거 이곳에서 화장하던 열의 충격이 함께 영향을 준 것으로 판단된다. 또한 균열 및 박락을 따라 비교적 넓은 박리가 나타나 향후 박락으로 진전할 가능성이 매우 높다.

5. 초음파속도 측정 결과, 천전리 각석은 수직방향보다 층리와 평향한 수평방향이 상대적으로 높은 강도를 지시하였다. 또한 물리적 훼손이 적은 영역은 평균 4,684m/s의 속도를 기록하였다. 반면 박리박락이 발생한 곳은 평균 3,382m/s이며 균열대는 2,597m/s로 속도 차이를 보였다. 초음파속도의 상대적인 차이로 볼 때 표면변색과 박리박락 및 균열 발생영역 순으로 강도가 낮아짐을 지시하였다.

6. 천전리 각석의 물리적 손상은 자연적 풍화작용이 반복되면서 암석 표면이 내부보다 정도가 심화되고 광물의 결합력이 약해져 나타난 것으로 판단된다. 따라서 비풍화대보다 풍화대에서 응력이 크게 발생할 때 상대적으로 풍화된 표면이 지지력을 잃고 박락이 발생한 것으로 이해할 수 있다.

7. 이와 같이 천전리 각석에 발생한 다양한 손상은 풍화작용 외에 당시의 장례문화와 관람객의 접촉 등 인위적 영향도 상당하다. 따라서 지속적인 감시체계를 가동하고 정기적으로 보존상태를 파악하여 관람환경 정비에 대비하는 예방보존 차원의 모니터링 시스템이 작동되어야 할 것이다.