• In the fossil site, the 159 footprints whose shapes could be identified with investigation

• Damage types of the footprints were divided into 6 types through deterioration degree

• Conservation treatments types were presented according to the footprint damage types

우리나라는 세계적으로 백악기 사족동물의 흔적화석군이 많이 분포하기로 유명하다(Lockley et al., 2012). 특히 경상분지 상부 백악기 진동층은 세계적으로 가장 많은 공룡발자국이 발견되는 지층으로 잘 알려져 있다(Lee et al., 2000; Lockley et al., 2006). 또한 경상분지 신동층군과 하양층군의 여러 지층에서는 거북, 도마뱀, 익룡, 공룡, 새 및 포유류에 이르기까지 다양한 척추동물의 발자국 화석이 보고되어 학계의 주목을 받아왔다(Huh et al., 2003; Kim et al., 2006; 2017a; 2017b; Lee et al., 2018a; 2018b).

군산시 산북동 공룡발자국과 익룡발자국 화석산지(이하 ‘군산 산북동 화석지’라 칭함)는 2013년 7월에 전라북도 군산시 군산국가산업단지 주변으로 새로운 도로를 건설하는 공사장에서 한국지질자원연구원의 연구원에 의해 발견되었다. 발굴 과정에서 도로 주변에 있던 일부 발자국을 포함한 암괴들은 군산시 지역박물관으로 옮겨졌으며, 2014년 6월에는 천연기념물 제548호로 지정되었다(Fig. 1).

Figure 1. Comparison with site environment and preservation status of dinosaur and pterosaur footprints trackway site in the study area. (A) Location and terrain. (B) Panoramic view in 2018. (C) Panoramic view of the fossil site protected by a tarp. (D) Panoramic view in 2023. (E) Interior view of shelter in the fossil site.

이 연구의 대상은 해안과 접하는 도시의 대규모 산업단지와 농경지로 둘러싸인 작은 노두에서 발견되었으며 매우 높은 발자국 밀도를 보인다. 이는 국내 최대의 전기 백악기 공룡발자국 화석지일 뿐만 아니라, 전북에서는 최초로 공룡과 익룡발자국이 함께 산출되는 화석지로서 한반도 공룡시대의 고생물지리와 고환경 연구에 매우 중요한 학술적 가치가 있다.

특히 군집행동을 보여주는 11개의 조각류 보행렬이 기록되었으며, 이중 보행렬 한 개는 총 길이 39m로 39개의 연속적인 발자국을 포함한다. 이는 국내에서 발견된 가장 긴 전기 백악기 조각류 보행렬이다. 또한 수각류 보행렬도 3개가 있으며, 길이 46cm 이상의 수각류 발자국은 전기 백악기 한반도에 대형 수각류가 살았다는 것을 지시하는 증거이기도 하다.

보행렬을 이루는 발자국은 총 189개로 다양성과 밀도가 높고 국내에서는 매우 드물게 발견되는 것이다. 이와 같은 대형 수각류 보행렬 화석 및 국내 최대 크기의 조각류(Caririchnium) 발자국 화석은 백악기 공룡의 행동특성과 고생태 환경의 이해에 귀중한 자료이다(Lee et al., 2018b).

군산 산북동 화석지에 2021년에 보호각을 설치하였으나, 이전에는 자연에 완전히 노출되어 암석의 세편화와 박리 및 균열 등 손상이 지속적으로 발생하였다. 또한 화석의 기반암에는 전단력, 하중 감소, 온습도변화, 산성비, 물, 염분 및 미생물 등이 복합적으로 작용하여 손상이 가중된 것으로 판단된다. 일부 발자국의 표면에는 면적의 절반 이상에 박리 및 박락이 나타나기도 하였다. 또한 일부 유실되거나 쪼개짐이 진행되어 개별 형상을 명확히 알아보기 어려운 경우도 많다. 이와 같은 다양한 손상양상은 화석지의 장기적 안정성에도 큰 영향을 줄 수 있다.

화석은 지구의 역사를 규명하는 귀중한 자료로 한번 손상되거나 유실되면 복원이 불가능하여 다양한 비파괴 진단기법을 적용하여 화석지의 손상에 대한 종합적 정밀진단이 필요하다. 따라서 국내에서도 발자국 화석지의 보존을 위한 과학적 정밀진단이 보고되고 있으나(Lee et al., 2012; 2019; Yang et al., 2021), 아직도 많은 연구를 필요로 한다.

이 연구에서는 군산 산북동 발자국 화석지에 발생한 다양한 손상특성을 규명하기 위해 비파괴 진단기술을 활용하여 보존과학적 자료를 구축하였으며, 이를 바탕으로 연구대상의 안정성 평가와 보존관리방안을 검토하였다. 이 결과는 향후 발자국 화석지의 장기적인 보존관리체계를 수립하는데 중요한 자료로 활용될 수 있을 것이다.

2.1. 보존환경

연구대상 화석지의 위치는 과거에 해수가 드나드는 갯벌이었으나 일제강점기에 간척사업으로 현재는 육지화되었다(Fig. 1A). 따라서 화석지의 기반암은 바다와 인접하며 북쪽으로는 군산항 내항을 준설하여 매립한 인공섬 금란도와 군장국가산업단지가 분포한다. 화석지의 암반은 해안가에 있는 작은 바위섬과 같은 형태로, 공룡알 화석이 대규모로 산출되는 천연기념물 제414호인 경기도 시화호의 화성 고정리 공룡알 화석산지(한염, 닭섬, 음섬 등)와 유사한 형태를 보였다.

산북동 화석지 주변은 각 필지별로 건축물이 있으며, 이 중 상당수의 건축물이 무허가로 알려져 왔다. 이 화석지는 보호각 설치 이전까지 특별한 목적이 있을 경우에만 방수포를 개방하였으며(Fig. 1B), 평소에는 별도의 보호시설 없이 기상환경 변화에 따른 화석의 손상을 최소화하기 위해 보양재와 방수포로 덮어 표면을 보호해 왔다(Fig. 1C). 2021년부터는 화석지에 보호각을 건립하여 보존관리하고 있으며(Fig. 1D), 2023년 1월부터 내부 관람이 가능하였다(Fig. 1E).

2.2. 화석지 보존상태

연구대상 화석지에서 산출되는 공룡발자국의 정확한 분포를 파악하기 위해 3차원 정밀 및 광대역 스캐닝 기록화를 통해 실측도면을 작성하였다(Fig. 2A). 화석지는 농경지와 농가로 둘러싸인 고립된 노두(16m×45m)에 위치하며 퇴적층의 경사는 북동향으로 22도이다(Fig. 2A). 암반의 상부층에서 하위로 가며 A~E로 명명한 다섯 개의 층이 연속적으로 노출되어 있으며, 14개의 보행렬을 포함한 총 425개의 공룡발자국이 3개의 층준(B, C, E)에서 나타난다(Lee et al., 2018b).

Figure 2. Schematic maps showing the dinosaur footprints trackway site in the study area. (A) Status of each sedimentary stratigraphic horizon. A to E; exposed layer in outcrop. (B) Distribution and location of trackways.

이 화석지에서 산출되는 공룡발자국은 조각류와 수각류의 두 종이며 주로 조각류 발자국으로 구성된다. 또한 대부분의 보행렬은 노두의 연변부에서 끝나는 형태를 보이는 것으로 보아 주변부가 파괴되지 않았다면 더 많은 발자국이 있었을 것으로 판단된다.

A층은 하부의 B층을 노출시키기 위해 대부분 발굴된 상태이다. 이는 북서쪽에 부분적으로 남아있으며, 어두운 회색 이암과 밝은 회색 미사암이 밀리미터 단위로 교호한다. B층준은 3cm 두께의 밝은 회색 미사질 이암으로 이루어져 있다. 이는 화석지에 노출된 전체 지층의 80% 정도를 점유하고 있어 가장 많은 발자국이 산출된다.

C층은 하부에서 우상층리를 보여주며 상부는 미사암에서 이암으로 점이된다. C층의 이암 표면은 A와 B층에 비해 세편화가 적어 발자국 화석의 보존상태가 상대적으로 좋은 편이다. 공룡발자국 이외에도 건열과 약간의 천공흔이 관찰되며 이암의 표면에 특별한 고토양의 특징은 없다. D층은 발자국 없이 일부 표면이 노출되어 있다.

E층은 주로 미사질 이암으로 구성되며, 아주 얇은 이암층이 2mm 두께로 피복되어 있다. 이암의 표면에는 공룡발자국이 매우 얕게 찍혀 발자국의 형태를 구별하기 어렵다(Fig. 2A). 따라서 E층의 발자국이 B 및 C층보다 더 건조한 환경에서 생성된 것으로 해석된다.

특히 B층준은 발굴 이후 미사질 이암층에 가해지던 하중 및 응력이 제거되면서 이완이 발생하였고, 이후 환경적 변화에 따라 수축과 팽창으로 인해 세편화와 균열 등의 물리적 손상이 심한 상태이다(Lee et al., 2018b). 대표적으로 B층준의 수각류 발자국(Fig. 3A)은 C층준의 발자국(Fig. 3B)보다 보존상태가 좋지 않아 상세한 형태를 구분하기 어렵다.

Figure 3. Occurrences of theropod and ornithopod trackways in the study area. (A) Theropod footprints from the layer B and C. (B) Theropod footprints from the C layer. (C) Ornithopod footprints from the B layer. (D) Footprints with paleosol filling the interior. (E, F) Theropod footprint of trackway. (G, H) Preservation status of footprints observed in the E layer.

이 층에서는 한 개의 수각류 보행렬(TW01-A)과 11개의 조각류 보행렬이 발견되었다(Fig. 2B). 이 중에 2와 7번 보행렬은 발자국의 밀도가 가장 높게 산출되며 연구대상 조각류 발자국의 40%를 차지한다. 보행렬 3, 4, 5 및 15번은 전체 보행렬에서 절반 이상의 발자국이 외곽선을 따라 세편화가 진행되었으며 박리 및 균열 등 발자국 내부의 손상이 심한 상태이다(Fig. 3C).

특히 7번 보행렬은 연속적인 39개의 조각류 발자국으로 구성되어 11개의 보행렬 가운데 가장 길다. 이 중 고토양이 내부를 채우고 있는 발자국들은 비교적 형상이 잘 남아 있어 식별하기 용이하다(Fig. 3D). 이 연구에서는 7번 보행렬에서 산출되는 발자국 중 형태가 뚜렷한 30개의 발자국 화석을 선정하여 정밀 기록화를 수행하였다.

수각류 발자국은 B층준에서 6개(Fig. 3E)와 C층준에서 3개가 연속된 발자국으로 이루어진 보행렬로 나타나며(Fig. 3F), 보행렬을 알기 어려운 20개 이상의 발자국도 혼재한다. E층준에서는 10개의 발자국이 발견되나 현재 2개의 발자국을 제외하면 전체적인 형태나 보행렬을 확인하기는 어렵다(Fig. 3G, 3H).

2.3. 연구방법

이 연구에서는 군산 산북동 화석지의 보존상태를 종합적으로 검토하기 위해 모암의 재질분석, 손상특성 평가 및 비파괴 진단을 수행하였다. 특히 발자국 화석에서 나타나는 다양한 손상에 대하여 유형별로 세밀하게 분류하고 개별 발자국에 대한 보존관리방안을 고찰하였다.

먼저 화석지 구성암석의 산출상태와 광물조성 및 풍화정도를 살펴보기 위해 동일 암층이 노출된 인근 노두에서 시료를 수습하고, 실체현미경(Nikon Eclipse LV 100N POL) 관찰을 수행하였다. 또한 수습한 시료를 박편으로 제작한 다음 편광현미경(Nikon Eclips E 600W)으로 광물조성 및 조직적 특성을 기록하였다.

연구대상 공룡발자국의 손상도 평가를 위해 손상유형을 기재하였고, 이를 바탕으로 손상지도를 작성하여 정량적 손상률을 산출하였다. 또한 화석지 풍화도를 정량적으로 산출하기 위해 Proceq사의 Pundit PL-200 모델을 이용하여 초음파속도를 측정하였다. 초음파의 탐촉자 배열은 화석층의 입면적인 형태에 적용이 용이한 간접법을 사용하였으며, 탐촉자 간의 거리는 15cm로 고정하여 속도를 측정하였다. 이를 화석지의 실측도면에 투영하고 2D 모델링을 통해 기반암의 정량적 풍화도와 물성을 평가하였다.

한편 화석지에는 암석의 물성특성과 장기간 노출에 따라 복잡한 풍화양상이 나타난다. 이 연구에서는 다양한 방법을 활용하여 표면오염물로 대별되는 풍화특성을 파악하고, 신선부와 비교하였다. 표면오염물의 특성을 규명하기 위해 휴대용 현미경(Dino-Lite, AD7013 MZT, USA)과 휴대용 X-선 형광분석기(Oxford Instruments, X-MET7500, UK)를 이용하여 산출상태와 조성분석을 수행하였다. P-XRF의 운용조건은 X-선 튜브 전압은 15~40kV(경원소 15kV, 중원소 40kV), 전류는 10~50µA로 설정하였으며, 분석면적은 직경 약 10mm로, 측정시간은 30초로 하였다.

표면오염물에 대한 정밀분석은 화석지 표면에서 탈락된 시편을 일부 수습하여 전처리를 통해 광물학적 및 미세조직적 특성을 분석하였다. 이를 위해 XRF-WD와 X-선 회절분석 및 SEM-EDS 분석을 진행하였으며, 현장에서 실시한 P-XRF 분석결과와 교차검증하였다.

XRF-WD 분석기는 Rigaku 사의 ZSX Primus로 경원소인 B에서 U까지 측정이 가능하다. 각 시료를 2µm 이하로 분말화한 후 P-10가스를 4.4mL/min으로 주입하며 진공환경에서 실시하고, Rh X-선 튜브로 30mm 타겟을 이용해 분석하였다. X-선 회절분석(Rigaku, MiniFlex600, Japan)의 경우 타겟으로 사용한 X-선은 CuKα이며, 양극의 가속전압 및 필라멘트의 전류는 각각 40kV와 100mA로 설정하여 3~50° 2θ로 측정하였다.

또한 현장에서 수습한 극미량의 오염물 시료를 이용해 화석지 암석의 풍화정도와 변질상태를 파악하고, 표면오염물의 미세조직과 화학성분을 분석하기 위해 주사전자현미경(Tescan, MIRA-3, Czech) 및 에너지 분산형 성분분석기(Bruker, Quantax 200, Germany)를 이용하였다. 분석에는 백금으로 코팅하여 시료의 전기전도도를 높이고 조성비의 영향을 최소화하였다.

3.1. 암석광물학적 특징

화석지 인근의 동일 암반에서 수습한 시료의 표면은 적색 내지 밝은 회색으로 산출된다. 이들은 전체적인 암상과 현미경적 특징으로 보아 미사암과 이암 및 세일의 성격을 보였다. 미사암과 이암은 담회색 기질을 바탕으로 수mm~0.8mm 이하의 입자로 구성되며(Fig. 4A), 세립질 점토와 함께 회백색 내지 담회색을 띄는 엽층리가 관찰된다. 셰일은 미세립의 입자가 주류를 이루며 뚜렷한 엽리들이 평행하게 배열되어 있다(Fig. 4C).

Figure 4. Lithological photographs, polarizing microscopic images and X-ray powder diffraction patterns for host rocks of dinosaur footprints trackway site in the study area. (A, B) Occurrence of siltstone. (C, D) Occurrence of shale. (E) X-ray powder diffraction patterns. Ch; chlorite, il; Ilite/mica, Q; quartz, P; plagioclase.

이들의 편광현미경 관찰 결과, 미사암과 이암은 대부분 세립질 석영이며 미세한 층리가 관찰된다. 원마도는 아각상 내지 아원마상으로 일부 녹니석과 흑운모 및 백운모를 볼 수 있다(Fig. 4B). 셰일은 은미정질 기질에 뚜렷한 엽리를 보이며 미정질의 석영과 흑운모 및 불투명 광물 등이 확인된다(Fig. 4D).

이 암석들의 광물조성을 명확하게 동정하기 위해 X-선 회절분석을 실시하였다. 이 결과, 미사암과 셰일에서는 공통적으로 운모, 사장석, 석영 및 방해석이 검출되었으며, 미사암에서는 녹니석도 확인되었다(Fig. 4E).

3.2. 손상상태

연구대상 화석지에 나타나는 물리적 손상상태에 대해서는 Jo and Lee(2011)가 제안한 기준에 따라 분류하였다. 주요 손상으로 균열(구조상, 미세, 박리상), 절리, 박리, 박락 및 세편화 등이 확인되었다. 발자국 화석은 얇은 미사암과 이암이 교호하는 층준에서 산출되어 화석을 구성하는 암석은 쪼개짐이 발생하기 쉬우며 물에 의한 팽창과 수축의 변형정도가 크다. 따라서 세편화가 다량 발생하였으며 사면의 특성상 절리가 발달한다. 작은 절리는 주로 발자국 내부에서 관찰되나, 구조적 영향을 끼치는 경우도 있다(Fig. 5A, 5B).

Figure 5. Representative physical weathering states of dinosaur footprints trackway site in the study area. (A) Microcrack. (B) Structural crack. (C) Blistering. (D) Exfoliation. (E) Surface of fossil site with large amount of fragmentation developed. (F) Fragmentation inside footprints. (G, H) Joints inside footprints.

화석지의 균열은 풍화가 심하게 진행된 곳에서 미세균열과 박리상균열로 존재한다(Fig. 5C). 이 균열들은 대부분의 공룡발자국에서 나타나며 대체로 발생빈도가 높다. 또한 미세균열의 성장과 외부응력에 의한 구조상균열은 일부 발자국에서 확인되었다(Fig. 5B). 이외에도 발자국 내부에서는 균열처럼 진행성 손상유형 중 하나인 박리가 보이며(Fig. 5C), 이러한 박리가 지속적으로 발달하여 확장된 박락도 관찰된다(Fig. 5D).

세편화는 연구대상 화석지에서 비교적 넓은 범위에 걸쳐 나타나는 손상유형이다(Fig. 5E, 5F). 이는 암석이나 광물이 쪼개지는 과정 또는 이때 생성된 작은 쇄설물이다. 산북동 화석지는 전반적으로 세편화 작용에 따라 약한 충격에도 암편이 탈락될 정도로 물성이 약화되어 있다. 특히 공룡발자국 외곽선을 따라 세편화가 발달한 경우 형태적 특징에 영향을 준다.

또한 화석지에는 암석의 특성상 수많은 절리가 분포하며, 대다수의 발자국 내부에도 절리가 있다(Fig. 5G, 5H). 이들은 발자국 화석의 전체적인 구조적 변형을 야기하며 세편화의 진행정도를 가속시킨다. 또한 각종 균열 및 박리 등과 중첩되어 나타나 연쇄적인 손상이 예측된다. 한편 이 화석지에는 적갈색과 황색 및 백색으로 원암의 색상과 상이한 풍화양상이 관찰된다.

3.3. 손상유형 및 분류

산북동 화석지는 발굴 이후 자연에 노출되어 복합적 손상이 중첩되었으며 균열과 박리 및 박락 등 물리적 손상이 심한 상태이다. 따라서 다양한 손상유형에 따른 보존방안을 검토하기 위해 정밀기록화를 수행하였다. 이 결과, 보존관리가 요구되는 물리적 손상은 다양한 균열과 절리 및 박리이며, 이에 대한 접착과 충전 등의 보존처리가 필요한 것으로 나타났다.

그러나 공룡발자국 화석과 같은 손상양상은 모든 발자국마다 다양한 형태로 나타나, 개별 발자국의 보존처리방법을 설정하는 것은 많은 시간과 비용이 요구된다. 따라서 효율적인 보존관리를 위해서는 손상유형에 따라 발자국을 분류하고 기록할 필요가 있다. 또한 발자국의 형상 및 내부 손상 등에 따라 세분하여 각각의 유형에 대한 데이터베이스가 구축되어야 한다. 이 연구에서는 우선 연구대상 화석지에서 산출되는 발자국 화석 425개 중 형태와 보행렬이 확인가능한 발자국으로 대상을 한정하여(Table 1), 이들을 손상유형에 따라 분류하였다.

Table 1

Dinosaur footprints layer, trackway and quantity of footprints in the study area. Location of the trackway numbers are the same as those in Figure 2.

Type		Trackway	Footprints
B Layer	Ornithopod	TW2	30
		TW3	12
		TW4	3
		TW5	10
		TW6	13
		TW7	30
		TW8	15
		TW9	7
		TW10	5
		TW14	13
		TW15	11
	Sauropod	TW01-A	6
C Layer	Sauropod	TW01-B	4

공룡발자국 화석은 공룡의 크기와 보행에 대한 직접적인 증거이며, 크기와 발바닥 모양은 골격보다 더 정확한 정보를 얻을 수 있다. 또한 공룡발자국 보행렬은 개별 발자국 보다 공룡의 보행 자세와 복폭 등 보행에 관한 생태학적 모습을 재현하는데 매우 귀중한 자료를 제공한다(Norman, 1998; Lockley and Rice, 1990).

따라서 발자국 화석은 고유의 형태가 소실되면 다양한 가치가 급격하게 떨어지므로, 동일한 손상 중에서도 형태적 특징에 영향을 주는 경우와 그렇지 않은 것을 구분해야 한다. 이 연구에서는 발자국의 형상과 유무 및 형태를 기준으로 구분하였다. 이후 형상의 유무에 가장 큰 영향을 미치는 외곽선의 세편화 발생 여부에 따라 다시 세분류하였다. 이를 종합하여 각 발자국 내부와 내부의 손상 유무에 따라 최종 유형을 결정하였으며, 이 과정을 요약하면 Fig. 6과 같다.

Figure 6. Algorithm for classifying damage types of dinosaur footprints trackway in the study area.

이 때 발자국의 형태는 중심부의 산출양상을 기준으로 볼록형 및 오목형으로 나누었으며, 볼록형은 중심부가 외곽선에 비해 돌출되어 있는 것이다. 이는 형성 당시 공룡의 보행 또는 다른 요인에 의해 퇴적물이 상부로 올라오며 고결된 것으로 판단된다. 따라서 볼록형은 고토양이 함께 관찰되는 경우가 많으며, 대체로 7번 보행렬에서 볼 수 있다. 이외의 발자국은 대부분 일반적인 오목형으로 중심부가 외곽선에 비해 들어가 있는 것이다(Fig. 6).

균열은 육안으로 관찰할 수 있는 자연적 또는 인위적 불연속면으로 산출상태와 원인에 따라 미세균열, 박리상균열 및 구조상균열로 분류하였다. 화석지의 거의 모든 발자국에서 균열과 박리가 나타나므로, 이 연구에서는 실질적인 보존처리 및 방법을 고려하여 각 손상유형에 대한 기준안을 검토하였다. 발자국 화석의 내부손상은 접착과 충전 등 보존처리가 필요한 구조상균열과 박리로 한정하고, 보존처리가 필요하지 않은 발자국 내부의 균열과 박락은 생략하였다.

따라서 이 연구에서 박리는 발자국 표면에 내재되어 있는 미약한 구조선이 풍화가 진행됨에 따라 반구형으로 분리되는 양상을 말하며 동시에 충전처리가 필요한 경우이다. 구조상균열은 불규칙한 면을 가지고 괴상의 형태로 떨어져 나가는 등 탈락이 발생할 가능성이 있어 접합처리가 필요한 것으로 정의하였다.

한편 산북동 화석지의 세편화는 암편이 지층에서 분리 및 이탈되어 형성된 것이다. 일반적으로 2cm 미만의 작은 쇄설물 형태를 보이며 약한 충격으로도 탈락될 정도로 물성이 약화되어 발자국 외곽선의 모양과 내부 손상에 영향을 미칠 수 있다. 절리도 화석지의 사면에서 전반적으로 나타나는 암석학적 특성이지만, 발자국 내부에서 관찰되는 절리는 탈락 등 불안정을 야기할 수 있어 이를 손상유형의 일종으로 기록하였다.

유형 Ⅰ은 오목형 발자국으로 외곽선을 따라 세편화가 진행되었으며, 내부에 박리와 구조상균열 등이 발생한 것이다. 이는 각각 충전과 접합 등 보존처리가 요구되며 세심한 공정이 필요한 손상유형이다. 대표적인 발자국은 TW7-22와 TW10-3이다. 이는 모두 오목형으로 외곽선에서 세편화가 진행 중이다. 전자는 박리와 구조상균열이 후자는 박리가 심한 것으로, 향후 박락 또는 탈락으로 발전할 수 있으므로 적절한 보존처리가 필요하다(Fig. 7A, 7B).

Figure 7. States of representative damage types of dinosaur footprints trackway in the study area. (A, B) Type Ⅰ. (C, D) Type Ⅱ. (E, F) Type Ⅲ. (G, H) Type Ⅳ. (I) Type Ⅴ. (J) Type Ⅵ.

유형 Ⅱ도 오목형으로 유형 Ⅰ과 같이 외곽선을 따라 세편화된 부분이 있으나, 내부에 박리와 구조상균열 등의 손상이 발생하지 않은 것이다. 대표적 발자국은 TW2-17과 TW14-11이다. 이는 모두 오목형으로 남아있으며, 외곽선의 세편화가 진행되었지만 내부에서 특별한 손상은 확인되지 않았다. 따라서 강화처리 정도의 관리만 필요한 유형으로 판단하였다(Fig. 7C, 7D).

유형 Ⅲ도 오목형이나 외곽선을 따라 세편화는 없으며 발자국 내부에 박리 및 구조상균열 등이 발생한 경우이다. 대표적 발자국은 TW7-13과 TW15-5이다. 두 발자국 모두 오목형으로 남아있으며 세편화는 진행되지 않았다. TW7-13에서는 일부 박리가 발생하였으나 구조상균열은 확인되지 않는다. TW15-5는 박리와 구조상 균열이 모두 확인되어 충전과 접합이 다 필요할 것으로 보았다(Fig. 7E, 7F).

유형 Ⅳ도 오목형으로 외곽선을 따라 세편화는 거의 없으며 발자국 내부에 박리와 구조상균열 등 손상도 발생하지 않은 것이다. 따라서 이 유형의 발자국은 일부 물성이 약한 곳에 강화처리 정도의 보존처리가 요구된다. 대표적 발자국은 TW1(A-9R)과 TW2-19이다. 두 발자국 모두 오목하게 남아있으며, 외곽선의 세편화가 없어 육안으로 화석의 형상을 잘 볼 수 있는 유형이다. 또한 내부에 박리 및 구조상 균열도 거의 없다(Fig. 7G, 7H).

유형 Ⅴ는 볼록형 발자국으로 중심부가 외곽선에 비해 돌출되어 있다. 이 유형의 발자국은 모두 외곽선이 남아 있으며 박리 및 구조상균열 등 내부 손상도 있다. 발자국 TW2-24와 TW7-24가 해당하며, 모두 오목형에 비해 발자국 형상을 식별하기 쉽다. 전자는 발자국의 앞부분에 구조상균열이 크게 발생하여 접합이 필요하며 내부 박리의 충전도 요구된다. 후자는 내부 박리 및 구조상 균열은 없으며 일부 미세균열과 박락이 확인된다(Fig. 7I).

유형 Ⅵ은 오목형으로 손상이 심화되어 형상이 거의 남아있지 않은 경우에 해당한다. 이는 연구대상 화석지에서 9번 보행렬을 제외한 전체 보행렬에서 나타나는 유형이다. 대표적 발자국은 TW1(A-6L)과 TW15-1이다. 전자는 수각류 보행렬 중 유일하게 유형 Ⅵ에 속하는 발자국으로 형상을 알아볼 수 없다. 후자도 발자국 형상을 알아볼 수 없고, 중앙에 절리가 크게 관통하고 있으며 박리와 박락 등 내부 손상도 심하다(Fig. 7J).

3.4. 손상유형 분포 및 손상도 평가

보행렬과 발자국 형태의 식별이 가능한 총 159개 공룡발자국을 대상으로 외곽선 형상 및 내부 손상에 따라 6개의 손상유형으로 분류하였다. 각 손상유형에 속하는 공룡발자국을 화석지의 실측도에 도시하여 전체적인 분포를 파악하였다(Fig. 8). 이를 바탕으로 손상유형별 점유율뿐만 아니라 각 보행렬에 따른 손상유형의 점유율도 산출하였다(Fig. 9 및 Table 2).

Figure 8. Distribution map showing the damage types of dinosaur footprints trackway in the study area.

Figure 9. Diagrams showing the occupancy, crack index (CI) and quantitative deterioration rate by damage types of dinosaur footprints trackway in the study area.

Table 2

Number and occupation ratios (%) by damage types dinosaur footprints trackway in the study area.

Track way	TypeⅠ		Type Ⅱ		Type Ⅲ		Type Ⅳ		Type Ⅴ		Type Ⅵ		Foot-prints
	No.	Ratio (%)	No.	Ratio (%)	No.	Ratio (%)	No.	Ratio (%)	No.	Ratio (%)	No.	Ratio (%)
1	-	-	-	-	-	-	9	90.0	-	-	1	10.0	10
2	-	-	3	10.0	7	23.3	12	40.0	4	13.3	4	13.3	30
3	-	-	4	33.3	-	-	1	8.3	-	-	7	58.3	12
4	-	-	1	33.3	-	-	-	-	-	-	2	66.7	3
5	-	-	2	20.0	-	-	3	30.0	-	-	5	50.0	10
6	1	7.7	6	46.1	1	7.7	2	15.4	-	-	3	23.1	13
7	5	16.7	2	6.7	7	23.3	7	23.3	6	20.0	3	10.0	30
8	-	-	-	-	5	33.3	6	40.0	-	-	4	26.7	15
9	-	-	2	28.6	-	-	3	42.9	2	28.6	-	-	7
10	2	40.0	2	40.0	-	-	-	-	-	-	1	20.0	5
14	-	-	5	38.5	2	15.4	5	38.5	-	-	1	7.7	13
15	-	-	-	-	2	18.2	2	8.2	-	-	7	63.6	11
Total	8		27		24		50		12		38		159
Share(%)	5.0		17.0		15.1		31.4		7.5		23.9		100.0

이 결과, 손상유형 Ⅳ의 점유율이 31.4%로 가장 높게 나타났다(Fig. 9). 또한 유형 Ⅰ의 점유율은 5%로 가장 낮은 비율을 보이며 절반 이상이 7번 보행렬에 있다. 유형 Ⅱ(17%)는 조각류 발자국에서 고루 분포하는 양상을 보이며, 유형 Ⅲ(15.1%)은 3, 4, 5번, 9번 및 10번 보행렬에서는 확인되지 않는 것이다.

유형 Ⅴ는 2번, 7번 및 9번 보행렬에서만 나타나며, 조사대상 발자국에 해당하는 총 159개 중 7.5%(총 12개)를 차지한다(Fig. 9 및 Table 2). 한편 유형 Ⅵ는 23.9%로 Ⅳ 다음으로 높은 비율을 보였다. 이는 손상이 많이 진행되어 유실되거나 발자국 형태가 거의 남아있지 않는 것에 해당한다. 현재 형상이 잔존하는 유형 Ⅰ에서 Ⅴ에 속하는 발자국 역시 지속적으로 풍화가 진행될 때 Ⅵ으로 진전될 수 있으므로 즉각적인 보존처리가 필요하다.

연구대상 공룡발자국 보행렬에 따른 손상유형의 점유율을 산출하고 보행렬별 분포를 살펴보았다. 먼저 TW1 수각류 보행렬은 전체 보행렬 중 유형 Ⅳ가 90%로 우점하는 경향이 있다(Fig. 9). TW2 보행렬에서 가장 많은 손상양상을 보인 것은 Ⅳ(40.0%)이며, Ⅱ(10%)는 가장 낮은 점유율을 나타냈다.

TW3은 전체의 절반 이상이 유형 Ⅵ에 해당하며 다음으로 Ⅱ(33.3%)와 Ⅳ(8.3%)의 순이다. TW4는 3개의 발자국으로 구성된 보행렬로 1개의 발자국을 제외하면 유형 Ⅵ에 속해, 전체 보행렬에 해당하는 발자국 중에서 유실 위험이 높다. TW5는 전체 보행렬의 절반이 유형 Ⅵ에 속하며 Ⅳ(30%)와 Ⅱ(20%) 순으로 높았다(Fig. 9 및 Table 2).

TW6에서는 유형 Ⅱ가 가장 높은 점유율(46.1%)을 차지하며 Ⅵ(23.1%)과 Ⅳ(15.4%) 순으로 높다. 또한 유형 Ⅰ 및 Ⅲ이 7.7%로 동일한 비율을 보였다. TW7은 전체 보행렬 중 유일하게 모든 손상유형이 공존한다. 유형 Ⅲ 및 Ⅳ가 23.3%로 동일한 비율을 차지하며 가장 높은 점유율을 보이고 유형 Ⅴ(20%), Ⅰ(16.7%), Ⅵ(10%) 및 Ⅱ(6.7%) 순으로 낮아 진다. 특히 볼록형 발자국은 7번 보행렬에 가장 많이 분포한다.

TW8은 유형 Ⅳ(40%)와 Ⅲ(33.3%) 및 Ⅵ(26.7%) 순으로 높다. TW9는 유형 Ⅳ(42.9%)가 가장 많으며 Ⅱ와 Ⅴ가 28.6%로 동일한 점유율을 갖는다. TW10은 유형 Ⅰ과 Ⅱ가 40.0%로 동일하게 가장 높다. TW14는 유형 Ⅱ와 Ⅳ가 38.5%로 가장 높고 Ⅲ(15.4%)과 Ⅵ(7.7%) 순으로 낮았다. TW15는 유형 Ⅵ(63.6%)이 가장 높고 Ⅲ(15.4%)과 Ⅳ(8.2%) 순이다. 이는 전체 화석지와 보행렬 중에서 유형 Ⅵ이 가장 높은 점유율을 차지하므로 이에 대한 보존처리가 가장 시급한 것으로 나타났다(Fig. 9, Table 2).

한편 연구대상 공룡발자국에 대하여 손상지도를 작성하고 가장 빈번하게 발생한 손상유형을 검토하여 손상도 변화와 원인을 분석하였다. 손상지도 및 손상도 평가 대상은 6개 손상유형 중 발자국 형상을 알기 어렵거나 식별할 수 없는 유형 Ⅵ을 제외한 12개 보행렬 121개 발자국이다.

이들은 손상유형의 상세분류를 통해 개별 발자국에 대한 유형을 지정하고, 유형별 손상지도를 바탕으로 각 보행렬의 발자국에 대한 균열지수와 손상도를 산출하였다(Yang, 2019). 또한 이 연구에서는 Jo and Lee(2011)가 제안한 균열지수를 적용하여 균열에 따른 발자국 화석의 손상도를 정량적으로 평가하였다.

손상유형별 균열지수를 비교하면, 절리는 유형 Ⅰ(0.9)에서 가장 높고 Ⅲ(0.4)이 가장 낮다. 구조상균열은 유형 Ⅰ(0.2)에서 우세하고 Ⅴ(0.05)와 Ⅲ(0.03)순이며, Ⅱ와 Ⅳ에서 구조상 균열은 없었다. 미세균열은 유형 Ⅴ(2.8)가 가장 높고 Ⅱ와 Ⅳ가 동일하게 0.5를 보였다. 박리상균열은 유형 Ⅴ(2.3)가 가장 높고 Ⅱ와 Ⅳ가 0.1로 가장 낮다(Fig. 9, Table 3).

Table 3

Crack index and deterioration rate (%) by damage types of dinosaur footprints trackway in the study area.

Type		TypeⅠ	Type Ⅱ	Type Ⅲ	Type Ⅳ	Type Ⅴ	Average
Crack Index	Joint	0.9	0.8	0.4	0.6	0.6	0.7
	Sturctural	0.2	0.0	0.0	0.0	0.0	0.1
	Micro	0.6	0.5	1.4	0.5	2.8	1.2
	Blistering	1.2	0.1	1.3	0.1	2.3	1.0
	Total	2.9	1.4	3.1	1.2	5.7	3.0
Blistering (%)		7.0	0.0	3.9	0.0	2.7	2.7
Exfoliation (%)		9.3	0.0	0.2	0.1	0.7	2.1
Fragmentation (%)		1.0	4.0	0.3	0.9	2.3	1.7

모든 유형에서 가장 높은 점유율을 보인 미세균열은 유형 Ⅴ에서 상대적으로 많이 산출되었다. 절리에 의한 손상은 유형 Ⅰ(9.0%)에서 가장 높았으며 나머지 유형은 유사하다. 구조상균열은 유형 Ⅰ(0.2)에서만 확인되며, 박리상균열은 Ⅴ에서 가장 높은 지수를 보였다. 이를 종합하면 균열에 의한 손상률은 유형 Ⅴ에서 가장 심한 것으로 나타났다(Fig. 9, Table 3).

균열을 제외한 물리적 손상의 유형별 점유율을 보면, 박리는 평균 2.7%로 모든 면에서 가장 높은 점유율을 지시하며, 유형 Ⅰ에서 7.0%로 가장 높고 Ⅲ(3.9%)과 Ⅴ(2.7%)의 순을 보였다. 유형 Ⅳ는 박리에 의한 손상은 없었다(Fig. 9, Table 3). 박락은 유형 Ⅰ에서 9.3%로 상대적으로 가장 높은 점유율을 갖지만, 다른 유형에서는 비교적 낮았다. 세편화는 유형 Ⅱ(4.0%)에서 가장 높게 나타나며 Ⅴ(2.3%)와 Ⅰ(1.0%) 순으로 낮아진다(Fig. 9, Table 3).

3.5. 물성진단 및 강도분석

암석이 풍화되어 공학적 성질이 변하면 그에 따른 초음파속도도 차이가 나타나므로, 이를 통해 원암의 물성에서 얼마나 약화되었는지를 평가할 수 있다. 이 연구에서는 다양한 선행연구 중에 현장의 초음파속도 측정에 가장 적합하다고 보고된 신뢰도 검증 결과를 토대로 측정조건을 설정하였으며(Lee et al., 2009; Jo and Lee, 2011; 2014; 2015; Lee and Jo, 2017), 이를 산북동 화석지의 물성진단에 활용하였다.

따라서 화석지 기반암의 물성을 검토하기 위해 초음파속도 간접측정법을 사용하였으며, 이를 직접법 속도로 환산하기 위해 보정계수 1.30을 적용하였다. 이는 연구대상 인근의 신선한 노두에서 획득한 초음파 속도값을 기준으로 하였다. 이와 같이 총 643지점의 초음파속도를 획득하였으며(Fig. 10), 속도의 감쇠를 유발하는 균열 및 박리 부분은 최대한 피하였다. 또한 화석지의 부분별 풍화정도를 가시화하기 위해 초음파속도를 풍화도지수로 환산하고, 이를 등고밀도선 방식으로 2D 모델링하여 전체적인 풍화경향과 물성을 평가하였다(Fig. 10).

Figure 10. Ultrasonic velocity measurement points and the 2D contour modeling map of dinosaur footprints trackway in the study area.

이 연구에서는 Iliev(1966)가 제안한 암석의 초음파속도를 활용한 풍화도지수 산출방법을 적용하여 연구대상 화석지의 풍화등급을 구분하였다. 이 결과, 화석지 전체 암반의 초음파속도는 335∼3,818m/s(평균; 943m/s)의 넓은 분포를 보였다(Table 4). 이는 국내 석조문화유산의 대부분을 구성하는 화강암의 평균속도에 비하면 상당히 낮은 속도이나, 화강암에 비해 공극이 많고 구성광물의 입도와 구성이 다양한 미사암 및 이암의 암석학적 특성이 반영된 결과이다. 이를 바탕으로 풍화도지수 산출 결과, 0∼0.91(평균; 0.75)의 범위를 보였다(Table 4).

Table 4

Summary on ultrasonic velocity measurement results of dinosaur footprints trackway in the study area.

Classification	Max	Min	Mean	SD
Ultrasonic velocity (m/s)	3,818	335	943	599
Weathering coefficient (k)	0.91	0	0.75	0.16

SD; standard deviation.

이를 종합하면 신선한단계(FR) 0.17%, 약간풍화단계(SW) 1.09%, 중간풍화단계(MW) 2.02%, 심한풍화단계(HW) 12.9%, 완전풍화단계(CW) 83.82%로 심한풍화단계가 가장 높은 비율을 나타냈다(Fig. 11). 전체 화석지의 평균 풍화도지수는 0.75로 심한풍화단계(CW)에 해당하여 물성강화를 위한 보존처리가 요구되었다.

Figure 11. Histogram showing the weathering coefficient and share of weathering grade through ultrasonic velocity of dinosaur footprints trackway in the study area.

한편 화석지의 전반적인 풍화 경향성을 살펴보면, 남쪽을 기준으로 높은 풍화도가 나타나며 최하단의 E층은 상대적으로 낮은 풍화도를 보인다(Fig. 10). 이는 현재 화석지가 전반적으로 표면 세편화가 매우 진행된 상태이므로, 초음파 전달에 한계가 있어 전반적으로 다소 감쇄된 결과가 반영된 것으로 해석할 수 있다.

B층준은 세편화의 심화로 인해 대부분 완전풍화단계(CW)에 속하며, 전체 층준에서 가장 높은 풍화도지수 분포를 보인다. B층준의 상부에 위치하는 A층준의 경우 풍화환경에 보다 긴 시간동안 노출되어 있었음에도 불구하고, B층준에 비해 상대적으로 낮은 풍화단계를 지시하였다. 이는 B층준에 비해 세편화 정도가 낮기 때문인 것으로 해석된다(Fig. 10).

C층준 이암의 표면은 A와 B층준에 비해 손상도가 낮아 발자국 보존이 더 건전한 상태였으며, 절반 이상이 심한풍화단계(HW)에 도시되었다. 또한 최하단 지층인 E층준은 상대적으로 낮은 초음파속도를 보였으며, 대부분 중간풍화단계(MW)와 심한풍화단계(HW)를 이룬다.

3.6. 표면오염물 분석

연구대상 화석지는 암석의 물성특성과 장기간 노출에 따라 심한 손상을 보였으며 표면오염물도 산재한다(Fig. 12, Table 5). 따라서 표면오염물로 나타나는 풍화특성을 분석하여 비교적 신선한 부분과 비교 및 검토하였다. 이를 위해 각 층준별로 상대적으로 풍화가 약한 신선부를 선정하여 오염부분과 대조하였다.

Figure 12. Detail P-XRF measuring points for fresh part and surface contaminants of dinosaur footprints trackway in the study area. (A to C) Fresh parts. (D, E) Yellow contaminants. (F to H) Red contaminants. (I, J) White contaminants. (K, L) Waterproof sheet powder.

Table 5

Surface contaminant samples and collected locations of dinosaur footprints trackway in the study area. Location of each measuring points are presented on the Figure 13.

Type		Point	Layer	Sample
Fresh Part		C-1	B layer	○
		C-2		○
		C-3	C layer	○
		C-4	E layer	○
Contaminants	Yellow	Y-1	B layer	○
		Y-2		×
	Reddish Brown	R-1	C layer	×
		R-2	B layer	×
		R-3		○
		R-4		×
	White	W-1	B layer	×
		W-2		○
	Waterproof Powder	B-1	B layer	○
		B-2	A layer	×

이와 같이 가장 노출 범위가 넓은 B층준에서 신선부 2지점을 선정하였으며, C층준과 E층준에서는 각 1지점을 선정하였다(Fig. 13). 각 지점에 대해 현장에서 휴대용 실체현미경 관찰 및 P-XRF로 비파괴 화학분석을 수행하였다. 또한 세편화와 박락으로 시료 획득이 가능한 경우, 극미량 수습하여 XRF-WD와 XRD 및 SEM-EDS 분석을 병행하였다(Table 5).

Figure 13. Measuring points and concentrations in ppm on fresh part and surface contaminants of dinosaur footprints trackway in the study area. Numbers are the same as those in Table 5.

신선부 표면은 적색 내지 회색으로 확인되며, 전반적인 기질은 미정질로 육안으로는 광물구별이 어렵다. 화석지 대부분을 구성하는 B층준과 C층준은 세립으로 나타나 유사해 보이지만, 석영 함량과 조암광물의 결정도에 차이가 있어 실체현미경 관찰로는 구분된다(Fig. 12A∼12C).

신선부는 특별한 퇴적구조가 없는 미사암으로 B층준의 C-2와 C-3은 밝은 회색의 미사질 이암으로 나타난다(Fig. 12B, 12C). C층준은 상부에서 미사암이 이암으로 점이되는 층이다. C-1은 B층준에 비해 약한 적색을 띤다(Fig. 12A). E층준은 주로 세립의 미사질 이암으로 구성되며, 기질의 색상이 C층준과 유사하다.

화석지의 발자국에는 물리적 손상과 함께 화학적 손상도 진행되어, 변색된 구간이 확인된다. 황색 오염부는 대체로 발자국의 세편화가 발생한 하부에서 관찰된다. 이는 풍화가 상당히 진행되어 부스러짐이 심한 토양화 직전의 암석과 유사하다. 대부분 발자국 표면의 하부에 밀집되며, 적갈색 및 백색 오염부에 비해 국부적으로 분포한다(Fig. 12D, 12E). 이들의 실체현미경 관찰 결과, 극미립의 은미정질로 미세한 분말형태를 보였다.

적갈색 오염부도 표면을 피복하고 있으며, 하부에서는 황갈색 기질이 나타난다(Fig. 12F~12H). 백색 오염부는 실체현미경으로 볼 때 미립자상으로 확인되며 다른 부위에 비해 백색도가 높고 매우 얇게 접착되어 있다(Fig. 12I, 12J). 또한 화석지는 장기간 사용한 방수포의 개폐과정에서 천막이 노화되면서 떨어진 가루가 표면에 고착되어 있다(Fig. 12K). 이처럼 화석지의 오염부는 색상 및 산출상태 등이 매우 다양하다.

따라서 색과 오염도에 따라 대표적 변색부위를 선정하였으며, 총 14지점의 신선부 및 표면오염물에 대한 P-XRF 분석을 수행하였다(Fig. 13). 이 결과, 황색 오염물은 Fe이 신선부 보다 약 1.4배 정도 높게 검출되었다. 또한 적색 오염물은 모든 지점에서 신선부에 비해 Fe, Mn, Ca 및 S의 함량이 높았다.

특히 R-1은 Fe이 146,744ppm으로 전체 오염물 중 가장 높았으며, 신선부 평균 Fe 함량의 2.5배 정도 높은 값이다(Fig. 13, Table 6). 백색 오염물은 평균 조성에서 Ca 3,612ppm, Mn 206ppm, Fe 58,721ppm 및 S 875ppm으로 신선부 보다 비교적 낮았다(Table 6).

Table 6

Measurement results in ppm on the contaminants by P-XRF of dinosaur footprints trackway site in the study area.

Measuring Point		Si	Al	Fe	Mn	Ca	K	Ti	S	Ba
Fresh Part	C-1	268,675	122,784	59,775	252	4,951	40,605	7,294	705	-
	C-2	283,100	110,640	62,163	-	3,366	33,565	6,170	-	2,848
	C-3	284,001	111,153	56,107	324	3,153	37,873	6,170	1,986	-
	C-4	265,982	127,384	56,839	246	2,979	41,543	6,170	809	-
Contaminants	Y-1	264,071	111,006	98,218	207	2,787	30,130	5,897	2,913	-
	Y-2	256,823	147,477	61,264	585	2,032	25,610	7,012	-	-
	R-1	192,615	120,268	146,744	16,116	8,704	41,517	17,493	9,544	-
	R-2	248,337	119,990	98,942	352	2,997	39,850	7,027	2,948	-
	R-3	238,383	123,943	72,678	27,905	6,113	30,231	8,058	7,495	5,308
	R-4	243,232	123,484	74,537	20,802	3,839	38,416	9,929	3,051	-
	W-1	302,402	112,870	28,841	-	1,382	28,732	10,314	1,870	-
	W-2	273,979	125,380	52,898	-	2,236	33,882	8,268	6,413	-
	B-1	244,301	113,226	64,088	45,883	7,438	27,460	6,557	4,206	3,338
	B-2	55,126	32,645	42,105	1,926	406,360	-	84,248	2,687	-
Average		244,359	114,446	69,657	8,186	32,738	32,101	13,615	3,188	821

C; Fresh parts, Y; Yellow, R; Reddish brown, W; White, B; Waterproof sheet powder.

한편 방수포의 분말은 장기간 방치되어 색상이 변질된 부분도 있다. 이 지점에서는 다른 곳에 비해 Mn(45,883ppm)과 Ca(406,360ppm)이 상대적으로 가장 높게 검출되었다(Fig. 13). 이는 신선부보다 Mn은 116배로 Ca은 113배 높은 함량이다. B-2 지점의 방수포에서는 Cu 1,455ppm, Ca 406,360ppm 및 Zn 5,657ppm이 검출되었다. 따라서 B-1의 Ca과 Zn은 방수포 성분이 영향을 준 것으로 해석된다(Table 6).

암석은 풍화가 진행되며 Si, Mg, Ca, Na, P, K 등은 감소하고 Al, Fe, Mn, Ti, Mn은 부화하거나 일정한 경향을 보인다(Lee and Kim et al., 1994; Prudencio et al., 1993; Sharma and Rajamani, 2000). 따라서 앞서 P-XRF 분석의 교차검증 및 화석지의 층준과 오염양상에 따른 성분의 차이를 검토하기 위해 표면오염물 시료를 XRF-WD로 분석하였다(Yang, 2019).

이 결과, 각 층준별 신선부의 Fe₂O₃ 함량은 SiO₂ 다음으로 높았으며, 모든 신선부에서는 낮은 MnO와 SO₃ 함량을 보였다. 오염부도 주성분은 SiO₂, Al₂O₃ 및 Fe₂O₃이다. 그러나 모든 오염부에서 Fe₂O₃(39.85wt.%)가 가장 높게 검출되었다. 이는 점토의 표면에 흡착되어 있는 철산화물에 의한 것으로 해석된다. 또한 오염부에서 MnO가 높게 검출되었으며, MgO는 낮은 함량을 보였다.

따라서 SEM-EDS를 활용하여 신선부와 오염물 시료의 미세조직을 살펴보았다. 이 결과, 양자 모두 거의 동일한 조암광물과 미세조직을 보이며 부분적으로 유기물이 공존하였다. 그러나 신선부는 전반적으로 치밀한 괴상조직을 보이며(Fig. 14A), 변질된 판상의 흑운모가 확인된다(Fig. 14B). 이 오염물은 대부분 변색도에 영향을 미쳐 기질 사이로 풍화된 운모가 관찰된다. 이 중 적갈색 오염물은 원인물질인 Fe가 5.12wt%로 높게 검출되었다(Fig. 14F, Table 7).

Figure 14. Microphotographs showing the representative scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) analysis for surface contaminants of dinosaur footprints trackway in the study area. Measuring points are the same as those in Table 6. (A, B) C-1. (C) C-2. (D, E) Y-1. (F) R-3. (G, H) W-2. (I, J) B-1.

Table 7

Results on contaminant analysis by SEM-EDS of dinosaur footprints trackway in the study area.

Measuring point			Oxide Concentration (wt.%)
			SiO2	MgO	Al2O3	FeO	MnO	CaO	Na2O	K2O	BaO	SO4	C
Fresh Part	C-1	1	44.51	3.49	30.73	2.53	-	-	1.22	11.70	-	-	5.50
		2	45.68	3.98	29.49	6.67	-	0.43	-	8.16	-	-	4.99
	C-2	3	46.32	4.41	21.02	6.71	-	0.31	1.73	3.90	-	-	5.58
		4	43.64	3.87	23.83	8.22	-	-	-	7.36	-	-	10.90
		5	51.60	2.69	20.23	6.87	-	0.62	-	6.34	-	0.91	5.58
Contaminants	Y-1	6	51.39	3.02	15.22	12.91	1.49	4.32	1.32	4.76	0.31	-	4.62
		7	12.97	0.70	3.07	2.25	-	2.14	-	2.15	-	2.46	74.26
		8	58.07	1.71	13.31	5.80	-	0.99	-	5.58	-	-	14.52
	R-3	9	34.74	-	21.04	15.91	2.74	-	-	21.15	-	-	4.42
		10	40.75	1.29	27.69	9.58	4.89	0.63	-	10.85	-	-	2.31
	W-2	11	60.24	0.73	20.98	6.03	-	-	-	6.84	-	-	3.30
		12	48.79	2.62	21.75	10.29	-	-	-	8.41	-	-	6.05
		13	72.80	1.94	15.21	3.92	-	-	-	3.57	-	-	2.51
	B-1	14	36.73	1.75	12.80	6.19	32.40	3.85	-	2.62	-	-	1.57
		15	21.93	1.63	7.57	7.31	49.78	3.83	-	1.72	3.65	-	2.57
		16	32.33	-	10.32	12.56	36.69	3.43	-	1.89	-	-	2.78
		17	33.24	2.93	12.74	6.53	27.85	2.54	-	1.55	1.74	-	10.52
		18	25.73	2.75	11.85	8.48	33.25	3.74	-	2.35	3.66	-	8.18

Location of each measuring points are presented on the Figure 14.

황색 오염물은 풍화가 상당히 진행되어 심한 토양화 직전 단계로 표면에서 변질광물이 나타나며, 전반적으로 미정질 결정이 과립상을 구성하고 있다(Fig. 14D). 기질의 7번 지점은 유기물로 인해 C가 74.26wt.%로 높게 검출된다(Fig. 14E, Table 7).

적색 오염물인 9번 지점은 장석이 40µm 정도로 길게 신장된 형태를 보이며, FeO는 높으나 CaO는 검출되지 않았다(Fig. 14F). 백색 오염물에서는 공극이 거의 없는 11과 공극이 발달한 12이 확인된다(Fig. 14G). EDS 분석 결과, 12번에서 상대적으로 FeO와 MgO가 높았으며, 공극의 안쪽에서 운모가 관찰되었다(Fig. 14H).

한편 방수포 분말(14 및 16번)에서는 엽상물질이 스펀지처럼 덩어리로 고착되어 있다(Fig. 14I). 이 지점에서는 MnO가 49.78wt.%로 높았고 미량의 BaO(3.65wt.%)가 확인된다. 또한 14번을 확대한 17 및 18번에서도 MnO와 BaO가 검출되며, 미량의 CaO(2.54~3.74wt.%)가 동반되었다(Fig. 14J, Table 7). 이와 같이 연구대상 화석지의 신선부와 오염물은 지점별로 양상이 상이하나 구성성분은 유사하였다.

4.1. 보존상태 종합 평가

군산 산북동 화석지의 종합 손상도 평가를 위해 손상지도, 손상정도, 초음파 물성 및 표면오염물 분석과 같은 다양한 비파괴 검사기술을 활용하여 안정성을 평가하였다. 화석지에서 산출되는 발자국 중에서 형태 및 보행렬 확인이 가능한 총 12개 보행렬의 159개 발자국이 대상이다. 또한 표면손상도 평가를 바탕으로 형상 및 손상 여부에 따라 6개 유형으로 나누어 보존관리를 방안을 고찰하였다.

연구대상 화석지에서 산출되는 공룡발자국의 손상유형 중 가장 높은 점유율을 보이는 것은 유형 Ⅳ(31.4%)이며, Ⅵ(23.9%), Ⅱ(17.0%), Ⅲ(15.1%), Ⅴ(7.5%), 및 Ⅰ(5.0%) 순으로 높은 점유율을 보인다. 그러나 유형 Ⅳ는 외곽선을 따라 세편화가 진행되지 않았으며, 내부에 보존처리가 필요한 박리 및 구조상 균열이 없는 유형이다.

따라서 유형 Ⅳ는 Ⅰ과 Ⅱ 및 Ⅲ보다 상대적으로 보존상태가 건전한 것으로 볼 수 있다. 조각류 보행렬(TW2)은 유형 Ⅳ에 해당하는 발자국 화석이 40%로 가장 높은 비율을 차지하며, 그 다음으로 TW1에서 높게 나타났다(Fig. 9). 특히 TW1은 전체 보행렬의 90%가 유형 Ⅳ로 수각류에 속하는 보행렬이 조각류 보행렬에 비해 보존상태가 양호하며, 조각류 보행렬 중에서는 TW2 보행렬이 가장 양호한 보존상태를 보였다.

한편 유형 Ⅰ은 가장 낮은 점유율(5%)을 보이며, 절반 이상이 7번 보행렬에서 나타났다. 이는 6번과 10번 보행렬에서도 확인되는데 외곽선을 따라 세편화가 있으며, 내부에 보존처리가 필요한 박리 및 구조상균열이 있는 발자국이므로, 유형 Ⅵ으로 진전될 가능성이 가장 높고 보존상태가 취약한 발자국에 해당한다. 따라서 조각류 발자국 중에서도 TW6 보행렬이 보존상태가 상대적으로 불량하며, 유형 Ⅵ으로 발전되지 않도록 조치가 필요하다.

유형 Ⅵ(23.9%)은 Ⅳ 다음으로 높은 점유율을 보이며 9번을 제외한 모든 보행렬에서 나타난다. 이는 발자국의 외곽선이 유실되며 형태의 명확한 구분이 어려운 경우로, 여기에 해당하는 발자국이 높은 점유율을 차지할수록 유실 위험이 높은 것을 의미한다. 보행렬 3번, 4번, 5번, 15번에서 절반 이상의 발자국이 유형 Ⅵ에 해당하였다(Fig. 9).

특히 TW4는 3개의 발자국으로 구성된 보행렬로 1개를 제외하면 유형 Ⅵ에 속하며 TW15 보행렬은 전체의 63.6%가 유형 Ⅵ에 해당하므로, 이 보행렬은 연구대상 발자국 화석 중 유실 위험이 가장 높다. 따라서 유형 Ⅰ의 발자국과 함께 유형 Ⅵ 발자국에 대해서는 보다 면밀한 모니터링과 보존관리가 필요하다.

손상률 산출이 불가능한 유형 Ⅵ을 제외한 5가지 유형의 발자국에 대한 손상도 평가 결과를 종합하면, 우선 균열상 손상요인 중 가장 높은 점유율을 보인 것은 미세균열(1.2)이며, 박리상균열(1.0), 절리(0.7), 구조상균열(0.1) 순으로 확인된다. 또한 모든 유형에서 박리의 평균 점유율은 2.7%로 박락(2.1%)과 세편화(1.7%)의 평균값에 비해 다소 높은 경향을 보였다. 박리에 의한 손상은 유형 Ⅰ(7%)에서 가장 높았으며, Ⅲ(3.9%) 및 Ⅴ(2.7%) 순으로 낮아진다. 유형 Ⅱ 및 Ⅳ에서는 충전이 필요한 박리는 확인되지 않는다.

박락은 유형 Ⅰ(9.3%)에서 월등히 높은 반면, Ⅱ에서는 확인되지 않으며 Ⅲ(0.2%), Ⅳ(0.1%) 및 Ⅴ(0.7%)는 조금 확인된다. 또한 세편화는 Ⅱ(4.0%)에서 가장 높았으며 Ⅴ(2.3%), Ⅰ(1.0%), Ⅳ(0.9%) 및 Ⅲ(0.3%) 순으로 나타났다.

한편 화석지 기반암의 물성을 평가한 초음파속도에서는 결과, 335∼3,818m/s(평균; 943m/s)로 기록되었다. 이에 따른 암석의 평균 풍화도지수 및 풍화등급은 0.75(5등급; CW)로 완전히 풍화된 단계에 해당한다. 또한 1~3등급의 점유율은 3.28%이며 5등급이 80% 이상을 보여 전반적으로 매우 취약한 물성을 갖는다(Fig. 10, 11).

연구대상 발자국 화석에서는 물리적 풍화와 함께 황색과 적갈색 및 백색 표면오염물이 확인되었다. 층준 및 오염양상별 성분의 차이를 검토한 결과, 토양화 직전 암석과 유사한 황색 오염물에서 MnO와 중금속의 함량이 다른 풍화양상에 비해 월등히 높게 검출되었다.

특히 방해석은 황색 오염물에서만 검출되기도 하였다. 모든 오염물은 신선부에 비해 화학적 풍화작용이 진행됨에 따라 입자 사이의 간격이 이완되고 미세공동이 나타나며 뚜렷한 형태와 경계를 유지하고 있지 않다. 따라서 풍화에 따른 변질이 발생한 것으로 해석되었다.

화석지에는 보호 및 보존을 위해 사용한 방수포의 개폐과정에서 떨어진 분말이 산재하며, 암석표면에 영향을 미친 것을 볼 수 있다. 방수포 분말이 있는 지점에서는 중금속 오염원소가 검출되기도 하여 표면세척 등 면밀한 관리가 요구되었다.

4.2. 보존관리방안

이 연구에서는 발자국 화석에 발생한 손상유형 중 보존처리가 필요한 물리적 손상을 기준으로 보존처리 유형을 분류하였다(Fig. 15, Table 8). 대부분의 발자국에서 세편화로 인한 손상이 있으며, 일부는 구조상균열로 인해 이미 탈락되거나 발생 가능성이 있으며, 박리상균열을 따라 진전된 박리가 형상을 변형시킬 위험에 노출되어 있다. 따라서 발자국 화석에 대한 세편화 방지를 위해 강화처리가 선행되어야 하며, 구조상균열과 박리에 대한 접합과 충전처리가 요구된다.

Figure 15. Representative photographs showing the conservation treatment types of dinosaur footprints trackway in the study area. (A, B) Type A. (C, D) Type B. (E, F) Type C. (G, H) Type D.

Table 8

Classification on deterioration types and representative treatment method of dinosaur footprints trackway in the study area.

Track ways		Type A		Type B		Type C		Type D		Total Number
		No.	Ratio(%)	No.	Ratio(%)	No.	Ratio(%)	No.	Ratio(%)
1		10	100.0	-	-	-	-	-	-	10
2		21	70.0	-	-	8	26.7	1	3.3	30
3		12	100.0	-	-	-	-	-	-	12
4		3	100.0	-	-	-	-	-	-	3
5		10	100.0	-	-	-	-	-	-	10
6		11	84.6	-	-	2	15.4	-	-	13
7		17	56.7	2	6.7	10	33.3	1	3.3	30
8		10	66.6	1	6.7	4	26.7	-	-	15
9		7	100.0	-	-	-	-	-	-	7
10		3	60.0	-	-	2	40.0	-	-	5
14		11	84.6	-	-	2	15.4	-	-	13
15		9	81.8	-	-	1	9.1	1	9.1	11
Total	No.	124		3		29		3		158
	(%)	78.0		1.9		18.2		1.8		100.0
Weathering Form		Fragmentation		Fragmentation Structural crack		Fragmentation Blistering		Fragmentation Structural crack Blistering		-
Treatment		Consolidation		Consolidation Adhesion		Consolidation Filling		Consolidation Adhesion, Filling

발자국 화석에 적용되어야 하는 보존처리안를 기준으로 4개의 보존처리유형으로 구분하였다. 유형 A는 접합이나 충전처리 없이 강화처리만 필요하며, 유형 B는 강화처리 외에 구조상균열로 인한 접합이 필요한 것이다. 유형 C는 기초적인 강화처리와 박리부 충전이 필요한 경우이며, 유형 D는 모든 손상유형이 복합적으로 나타나 강화와 접합 및 충전이 모두 적용되어야하는 것에 해당한다(Table 8).

이를 기초로 연구대상 화석지에서 산출되는 159개의 공룡발자국에 대해 손상양상에 따른 보존처리유형을 설정하였다. 또한 각 보존처리유형에 해당하는 공룡발자국을 도면에 제시하여 전체적인 보존처리유형의 위치를 기록하였다(Fig. 16). 이를 바탕으로 각 보존처리유형에 따른 점유율과 각 보행렬에 대한 손상유형별 점유율을 산출하면 Fig. 17과 같다.

Figure 16. Distribution map showing the suggestion types for conservation treatments of dinosaur footprints trackway in the study area.

Figure 17. Diagrams showing the shares by conservation treatment types of dinosaur footprints trackway in the study area.

전체 발자국 중 가장 높은 점유율을 보인 보존처리유형은 강화처리만 필요한 유형 A로 이는 모든 보행렬에서 나타나며, 전체의 약 78%를 점유한다. 유형 C(18.4%)는 조각류 발자국에 고루 나타나며, 유형 A 다음으로 높은 비율을 차지한다. 유형 B는 상대적으로 가장 낮은 점유율(1.9%)을 보였다(Fig. 17).

연구대상 화석지의 보행렬별 보존처리유형에 대한 점유율을 보면, 보행렬을 구성하는 모든 발자국이 유형 A에 해당하는 보행렬은 1, 3, 4, 5 및 9번이다. 유형 A는 전체 보행렬 뿐만 아니라 각 보행렬 내에서도 가장 높은 빈도를 보인다. 유형 B는 7 및 8번 보행렬에서만 나타나며, 유형 C는 모든 발자국이 유형 A인 보행렬을 제외한 나머지 보행렬에서 고루 분포한다. 유형 D는 2번(3.3%) 및 7번(3.3%) 보행렬과 15번 보행렬(9.1%)에서만 나타난다(Fig. 17).

따라서 이 연구에서 제시한 공룡발자국의 손상유형에 따른 보존처리안을 반영하여 적절한 보존관리를 수행하는 것이 이상적인 보존방법일 것으로 판단된다. 또한 연구대상 화석지는 심한 세편화로 인해 발자국의 형상보존이 시급하다. 세편화가 발생되었다 해도 지질역사를 알 수 있는 중요한 자료이므로 가능한 접합하여 원형유지가 필요하다. 이를 저지하기 위해서는 강화처리도 필수적으로, 화석지 암석의 물성강화 및 팽윤저지를 위한 적정 보존처리제 연구결과는 차후 별도로 보고할 예정이다.

1. 군산 산북동 공룡과 익룡발자국 화석지는 한반도에서 가장 큰 전기 백악기 공룡발자국 화석의 산지이다. 발자국 화석의 손상도 평가 결과, 중요한 물리적 손상양상으로 균열(구조상, 미세, 박리상), 절리, 박리, 박락 및 세편화 등이 확인되었다. 이는 발자국 형상과 형태, 외곽선의 세편화 및 발자국 내부의 손상 등이 다르게 나타난다. 따라서 이를 기준으로 모든 발자국의 손상형태에 대한 상세분류를 통해 6개의 손상유형으로 구분하였다.

2. 화석지 공룡발자국의 손상지도를 바탕으로 손상유형별 정량평가 결과, 모든 유형에서 가장 높은 점유율을 보인 균열은 미세균열이며 유형 Ⅴ에서 상대적으로 높은 균열지수가 산출되었다. 충전처리가 필요한 박리는 유형 Ⅰ에서 7.0%로 가장 높고 Ⅳ에서는 확인되지 않았으며, Ⅱ에서는 세편화가 4.0%로 가장 높게 나타났다. 특히 수각류(TW1)에 속하는 발자국 보행렬이 조각류 보행렬에 비해 상대적으로 보존상태가 건전하며, 조각류 중에서도 2번 보행렬의 보존상태가 양호하다.

3. 화석지 기반암의 물성을 평가하기 위해 초음파속도를 측정하였다. 이 결과, 평균 초음파속도는 943m/s(335∼3,818m/s)로 나타났다. 이에 따른 평균 풍화도지수 및 풍화등급은 완전히 풍화된 단계인 0.75(5등급; CW)로 확인되었다. 1~3등급의 점유율은 3.28%이며 5등급이 80% 이상으로 전반적으로 매우 취약한 물성을 지시하였다.

4. 연구대상 화석지에서 표면오염물로 대별되는 풍화특성은 적갈색과 백색 및 황색 등의 변색으로 나타난다. 이들의 층준 및 오염양상별 화학조성 차이를 검토한 결과, 토양화 직전의 암석과 유사한 황색 오염물에서 MnO와 중금속의 함량이 월등히 높게 검출되었으며, 방해석의 함량도 높았다. 또한 모든 오염물은 화학적 풍화작용이 진행됨에 따라 입자의 간격이 이완되고 미세공동이 관찰되는 등 원래의 특성이 변형된 것을 볼 수 있다.

5. 이 연구에서는 산북동 공룡발자국 화석지의 효율적인 보존관리를 위해 각 발자국에 대한 손상유형과 보존처리유형을 제안하였으며, 물리화학적 손상에 따른 보존처리방안을 검토하였다. 따라서 제시한 모든 자료를 바탕으로 주기적인 모니터링을 통해 발자국 화석의 손상유형 및 보존처리유형 등이 재평가되어야 하며, 재보존처리의 판단에 적극 활용할 수 있을 것이다.