• The Level 3 rock of the Jeongchon Fossil Site is a dark gray siltstone, and the Level 4 rock is dark gray shale.

• The rocks of Level 3 and 4 contain large amounts of calcite and clay minerals, making them vulnerable to physical and chemical weathering in the external environment.

• Consolidation and anti-swelling treatment have not been effective in preventing freeze-thaw.

경상남도 진주시에 위치한 천연기념물 진주 정촌면 백악기 공룡·익룡발자국 화석산지(이하 정촌면 화석산지)는 중생대 백악기의 수각류·조각류·용각류 공룡과 익룡 뿐만 아니라, 악어, 거북 등 다양한 동물의 흔적화석이 높은 밀집도로 보존되어 고생물, 고생태 및 고환경적 가치가 높은 자연유산이다. 정촌면 화석산지는 진주시 정촌면 뿌리일반산업단지 조성 공사 중 2017년 11월 진주시 정촌면 예상리 일원에서 용각류 보행렬이 발견되면서 처음 그 존재가 알려지게 되었다.

곧이어 2018년 초에는 정촌면 화석산지의 발굴 및 고생물학적 기초 학술 조사가 실시되었다. 이 때 확인된 화석층은 총 8개 층준으로, Level 1~3에서는 수각류 발자국 및 보행렬이, Level 4, 5와 7, 8에서는 익룡 발자국이, Level 5와 6에서는 거북의 흔적화석이 발견되어 규모와 밀집도 뿐만 아니라 다양성 면에서도 우리나라 최대 규모의 발자국 화석산지로서 탁월한 가치가 입증되었다.

이렇듯 정촌면 화석산지의 가치가 확인됨에 따라 적절한 보존 방안 마련이 시급한 과제로 떠올랐다. 특히 화석산지에 나타난 단층 및 절리와 암석의 박리작용으로 인해 실효성 있는 보존방안이 긴급하게 요구되었다. 따라서 이 연구에서는 진주 정촌면 백악기 공룡·익룡발자국 화석산지의 보존방안 마련을 위해 구성암석의 재질특성을 규명하고, 공시체를 제작하여 화석산지 보존을 위한 강화제의 처리효과 검증과 인공풍화 실험을 통한 풍화 내구성 평가를 수행하였다. 본 연구에서 제시된 결과는 화석산지의 보존을 위한 기초 자료이자 중장기적인 보존관리를 위해 활용될 수 있을 것이다.

2.1. 현황

진주시 정촌면 예상리 210-7번지 일원의 백악기 하부 진주층에서 공룡발자국 화석이 발견되어 발굴이 시작된 이후, 방수포를 통해 임시 보존이 이루어지고 있다(Fig. 1A, 1B). 발굴 후 실시된 고생물학적 조사를 통해 여러 층준에 걸쳐 대형 용각류 발자국 뿐만 아니라 수각류 발자국, 익룡 발자국, 도마뱀 화석, 거북의 수영흔적 등 다양한 성격의 흔적화석들이 존재함이 밝혀졌다(Fig. 1A, 1C). 발견된 화석들은 고생물학 연구를 통해 그 가치가 규명되었다.

Figure 1. Post-excavation view of tracksite of cretaceous dinosaurs and pterosaurs of Jeongchon in Jinju. (A) Panoramic view, (B) Temporary preservation through tarpaulin, (C) Dinosaur footprint fossils and joints crossing them, (D) Crack and exfoliation of f ossil site rocks.

진주 정촌면 화석산지의 용각류 보행렬은 우리나라에서 과거 보고된 바 없는 백악기 용각류 종의 것으로 보고되었으며(Kim et al., 2018), 작은 수각류인 Minisauripus의 발자국 화석 내에서는 잘 보존된 피부 흔적이 확인되었다(Kim et al., 2019). 또한 이 지역에서 발견된 익룡 발자국은 백악기 동아시아에 생존했던 작은 익룡 발자국 분포에 대한 증거이다(Ha et al., 2022). 이렇듯 진주 정촌면 백악기 공룡·익룡발자국 화석산지는 우리나라 뿐만 아니라 세계적으로 비추어 보아도 가치가 탁월한 자연유산이다.

그러나 화석산지에는 커다란 절리가 확인되며 경사진 지층으로 인해 구조적으로 불안한 모습을 보이고 있다. 뿐만 아니라 상부 덮개석의 제거 후 노출된 층준들의 상부면과 지층 사이면에서 암석의 박리·박락 및 세편화 현상이 발생하는 상황이다. 또한 화학적 풍화로 인해 암석 표면에서 변형된 풍화대가 관찰된다(Fig. 1D). 이러한 화석산지 구성암석의 손상과 보존방안 마련에 대한 보존과학적 연구는 최근 우리나라에서도 활발히 수행되고 있으며 체계적인 연구방법론이 제시되어 있다(Lee et al., 2012; Lee et al., 2019; Lim, 2014; Yang et al., 2021; Yoo et al., 2012). 그러나 정촌면 화석산지는 최근에 공사로 발굴되었으므로 보존과학적 연구가 전무한 상황이다.

야외에 노출된 화석산지의 기상환경을 파악하기 위해 기상청에서 제공하는 진주지역의 환경데이터 중 2009년부터 2018년까지 10년 동안의 온습도를 분석하였다(Korea Meteorological Administration, 2019). 조사된 기간 동안 진주시의 최고기온은 37.9℃(2018년 7월 27일), 최저기온은 -15.6℃(2011년 1월 16일)이며, 연중 최고기온의 평균은 35.9℃, 연중 최저기온의 평균은 –13.1℃로 나타났다(Table 1).

Table 1

10 years of environmental data for Jinju.

	2009	2010	2011	2012	2013	2014	2015	2016	2017	2018	Ave.
Max. Temp.	33.1	35.2	34.7	35.4	36.7	35.5	35.5	37.5	37.1	37.9	35.9
Min. Temp.	-14.1	-12.5	-15.6	-14.3	-13.0	-10.6	-11.5	-12.8	-12.0	-14.3	-13.1
Rainy days	95	108	110	108	93	115	125	104	83	99	104
Freeze-thaw days	94	108	113	112	114	100	99	93	121	98	105

강수에 의한 영향을 살펴보기 위해 일강수량이 0.1 mm 보다 많았던 날을 조사한 결과, 연평균 104일로 집계되었다. 또한 최저기온은 0℃ 미만이며 최고기온은 0℃를 초과하여 동결-융해의 영향 하에 있는 날은 연평균 105일로 계측되었다. 이러한 환경적 요인과 구조적 요인이 더해져 정촌면 화석산지에서는 노출된 화석층에 수 mm 부터 수십 cm에 이르는 다양한 폭의 크고 작은 균열들이 발달하여 있으며, 이로 인해 구성암석의 박리 및 탈락과 세편화가 진행되고 있어 화석산지 보존에 위험요소로 작용하고 있다.

2.2. 연구방법

진주 정촌면 화석산지의 현장 조사를 통해 현황을 파악하고 고해상도 디지털 이미지로 기록하였다. 화석산지의 8개 층준 중에서 대형 및 소형 수각류의 발자국이 7,000여개 이상이 확인되어 타 층준에 비해 다량의 발자국 화석이 존재하는 level 3 층준과, 우리나라에서 산출이 매우 드문 익룡 발자국 및 보행렬 화석이 나타나는 level 4 층준에서 화석 미존재 암석 시편을 각각 수습하여 재질분석 및 물성 시험을 위한 공시체 제작에 활용하였다.

화석산지 구성 암석의 재질특성을 해석하기 위해 암석기재적 특징을 조사하였으며, 수습한 암석시편을 슬라이드 글래스 위에 붙여 0.03 mm 두께로 폴리싱 한 박편을 제작하여 Nikon사의 편광현미경인 Eclipse LV100N POL(with DS-Fi3 digital camera) 모델을 통해 광학적 특징을 바탕으로 구성광물을 동정하고 조성을 관찰하였다. 또한 Malvern Panalytical사의 고분해능 X-선 회절분석기인 Empyrean을 활용하여 편광현미경의 광물동정 결과와 교차검증 하였다. 분석에 활용된 X-선은 Cu Kα이며, 전압과 전류는 각각 45kV와 40㎃로 설정하여 4°(2θ)/min.의 조건으로 5~60°(2θ) 범위를 분석하였다. 회절패턴 해석에 사용된 소프트웨어는 Malvern Panalytical사의 HighScore Plus이다.

화석산지 암석의 강화처리와 접합처리 후 인공풍화에 따른 물성 변화를 확인하기 위한 실험을 수행하였다. 이를 위해 화석산지에서 수습한 암석시편을 가공하여 KS F 2518 규격을 만족하는 사각기둥(5×5×10 cm) 형태의 공시체로 제작하고, 이들을 강화제 2종 및 팽윤저지제 1종, 접착제 2종을 사용하여 적용물질에 따라 각각의 그룹으로 분류하였다. 처리제는 시료에 효과적으로 침투될 수 있도록 수조에서 48시간 함침하였다. 강화처리를 완료한 시료는 열충격 시험기 내에서 증류수를 분무 후 동결하였다가 융해시키는 과정을 한 주기(4시간 40분 소요)로 하여 150주기까지 진행하였으며, 0·10·30·60·100·150주기 마다 시료의 외관을 촬영하고 질량·색도·초음파 전달속도를 측정하여 인공풍화 누적에 따른 풍화 진행도를 확인했다.

열충격 시험기는 Votsch사의 VCS 7018-5를 활용하였고, 화석산지의 현장 여건을 반영하기 위해 미국의 동결-융해 시험법인 ASTM C666(2008)를 진주시의 최저·최고 기온 범위에 맞게 –20℃의 동결 및 40℃의 융해로 수정한 조건을 사용하였다. 강화처리 실험에 사용한 약품은 Wacker사의 SILRES^® BS OH 100과 Remmers사의 KSE 300이며, 팽윤저지제는 Remmers사의 Antihygro이다.

암석 공시체의 색상 및 형태변화 기록에는 고해상도 미러리스 디지털 카메라인 Canon사 EOS M6를 사용하였다. 암석의 색상변화를 정량적으로 측정하기 위한 분광측색계는 Konica Minolta사의 CM-600d 모델이다. 시료의 초음파 전달속도 측정 시 일정한 위치와 압력 조건에서 공시체를 측정하기 위해 자체 제작한 전자동 거치대를 활용하였으며 탐촉자는 시료를 사이에 두고 서로 마주보는 직접전달법(direct method)으로 배치하였다. 초음파 속도 측정기는 Proceq사의 PUNDIT Lab 모델이며 탐촉자는 54kHz로 끝이 뾰족한 형태(exponential shape)이다.

3.1. 재질특성

육안기재적 관찰 결과, Level 3 층준의 암석은 암회색의 실트암이며 Level 4 층준의 암석은 암회색의 셰일로 구성되어 있다. Level 3와 Level 4 모두 다양한 입도를 보이는 층리가 교호하는 양상을 보인다. 편광현미경 관찰 결과, Level 3과 4 층준 암석 모두 공통적으로 분급이 불량한 석영, 방해석, 사장석, 알칼리장석, 운모 및 점토광물이 구성 광물로 나타났으며 특히 방해석이 다량으로 내포되어 있다(Fig. 2). 이러한 방해석들은 은미정질로 기질을 이루는 것과 현정질로 층을 이루는 것, 세맥을 형성한 것 등 다양한 형태로 관찰된다. 한편 화석산지 현장에서 수습된 암석의 풍화대에서는 방해석의 감소 및 점토광물의 부화가 확인되었다.

Figure 2. Sampling location of slabs and XPL images of thinsections. (A) Level 3A, (B) Level 3B, (C) Level 3C, (D) Level 4A, (E) Level 4B.

화석산지 구성암석의 정밀한 광물동정을 위해 X-선 회절(XRD) 분석을 수행한 결과, Level 3의 시료들에서는 공통적으로 석영(Q), 방해석(Cal), 사장석(Pl), 알칼리장석(Af), 운모(M) 및 점토광물(Ch) 등이 동정되었다(Fig. 3). Level 3A 시료에서 층리별 광물을 비교한 결과, 표면의 풍화층에서는 방해석(Cal)이 타 층위에 비해 뚜렷한 감소를 보였다(Fig. 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F). Level 3B 시료는 층리의 교란이 심하여 각 층리를 대표하는 시료의 수습이 어려웠기에 X-선 회절 분석에서는 제외하였다. Level 3C 시료의 백색 세맥은 방해석으로 확인되었다(Fig. 3F).

Figure 3. X-ray diffraction analysis results by sample location. (A) Level 3A-1, (B) Level 3A-2, (C) Level 3A-3, (D) Level 3A-4, (E) Level 3A-5, (F) Level 3C, (G) Level 4A-1, (H) Level 4A-2, (I) Level 4A-3, (J) Level 4B-1, (K) Level 4B-2. Ch: Chlorite, Q: Quartz, M: Mica, Kln: Kaolinite, Pl: Plagioclase, Af: Alkali-feldspar, Cal: Calcite.

Level 4의 시료들에서도 유사한 구성광물들이 동정되었다(Fig. 3G, 3H, 3I, 3J, 3K). Level 4B 시료에서 동일한 층위 중 풍화가 발달한 지점과 아닌 지점을 비교 분석한 결과, 풍화대에서 방해석의 용출로 인한 피크의 소실 및 점토광물(Ch)과 카올리나이트(Kln) 피크의 강조가 두드러졌다(Fig. 3J, 3K).

3.2. 강화처리 및 접합처리

진주 정촌면 화석산지 암석은 야외 환경에 노출되어 일사, 강수, 동결-융해 등 환경적 요인에 의한 풍화가 진행되고 있는 상황이다. 이 중에서도 특히 강수와 동결-융해는 실트 및 셰일로 구성되어 광물들의 분급이 다양하고 점토광물을 함유하고 있는 화석산지 암석의 보존에 치명적인 영향을 미칠 것으로 판단된다. 따라서 이 연구에서는 화석산지 암석이 자연환경에서 겪는 풍화를 실험실에서 인위적으로 재현, 가속하여 발생하는 물성 변화를 파악하고자 하였다. 이를 위해 인공풍화 실험을 설계하였다. 인공풍화에 따른 물성 변화 확인을 위해 인공풍화 전, 그리고 인공풍화 주기별로 공시체의 질량, 초음파속도, 색도를 측정하였으며 사진촬영을 병행하였다.

물성 평가대상 암석은 치밀성을 바탕으로 재질의 내구성을 파악 가능하므로, 공극률이 낮을수록 안정성 및 내구성이 높은 것으로 판단할 수 있다. 따라서 인공풍화를 위해 제작한 공시체에서 기초물성인 비중, 흡수율을 측정하였다. 또한 인공풍화 중에는 비중 및 흡수율 측정이 어려우므로 공시체 내부에 초음파를 전달시켜 속도를 측정하고, 인공풍화 진행에 따른 초음파 전달 속도의 변화를 통해 내부 공극의 증가정도를 간접적으로 평가하고자 하였다.

인공풍화 실험을 위한 공시체 제작을 위해 화석산지에서 가장 많은 발자국 화석이 산출되며 현재 발굴이 진행 중인 층준인 Level 3, 4에서 화석이 존재하지 않는 암석을 수습하였으며, 수습한 암석은 국가기술표준원에서 인증한 KS F 2518(석재의 흡수율 및 비중시험 방법, 2015)을 만족하는 사각기둥(5×5×10cm) 형태의 공시체로 가공하였다. 향후 실험을 위하여 Level 3와 4의 각 공시체 그룹을 미처리 그룹, 강화처리 그룹, 접합처리 그룹으로 세분류하였다(Table 2). KS F 2518에 따라 통기 환경의 건조기 속에서 105℃의 온도로 24시간 건조하여 건조질량을 측정하였으며, 20℃의 증류수에서 48시간 침수하여 수중질량과 침수 후 표면건조 포화 상태의 질량을 측정하였다. 이렇게 측정된 건조질량 및 수중질량, 표면건조 포화 상태의 질량을 토대로 공시체의 비중 및 흡수율을 산출하였다(Table 3).

Table 2

Group classification to verify the effect of treatment.

Level	Untreated group	Consolidation group			Adhesion group
		OH 100	KSE 300	Antihygro	L-30	AXIA 911
3	UT-3A	CA-3A	CB-3A	SI-3A	AA-3A	AB-3A
		CA-3B	CB-3B	SI-3B	AA-3B	AB-3B
4	UT-4A	CA-4A	CB-4A	SI-4A	AA-4A	AB-4A
	UT-4B	CA-4B	CB-4B	SI-4B	AA-4B	AB-4B

Table 3

Physical properties of specimens for artificial weathering.

Specimen	Specific gravity	Absorption rate	Mass of the specimen (g)
			Dry	Saturation	Underwater
UT-3A	2.69	0.77	668.83	674.00	420.42
UT-4A	2.71	0.33	698.18	700.48	440.53
UT-4B	2.70	1.51	658.49	668.45	414.30
CA-3A	2.70	1.36	671.03	680.13	422.18
CA-3B	2.69	0.78	663.39	668.56	417.02
CA-4A	2.75	1.50	660.04	669.95	419.89
CA-4B	2.70	1.67	644.75	655.49	405.62
CB-3A	2.69	1.45	651.68	661.13	409.61
CB-3B	2.70	0.79	673.53	678.88	423.70
CB-4A	2.71	0.33	708.95	711.26	447.28
CB-4B	2.69	1.61	638.63	648.93	401.65
SI-3A	2.69	0.85	641.85	647.28	403.34
SI-3B	2.68	0.62	623.79	627.63	391.18
SI-4A	2.70	1.51	664.20	674.22	418.08
SI-4B	2.68	1.73	651.45	662.69	408.66
AA-3A	2.70	1.09	579.56	585.87	365.08
AA-3B	2.70	1.17	584.38	591.24	367.91
AA-4A	2.71	0.42	689.12	691.98	434.73
AA-4B	2.71	0.70	688.40	693.23	433.98
AB-3A	2.70	1.10	607.03	613.70	382.24
AB-3B	2.70	1.19	581.10	588.00	365.90
AB-4A	2.71	0.42	708.54	711.53	447.23
AB-4B	2.71	0.36	687.77	690.23	433.88

흡수율은 암석이 흡수 가능한 수분의 양을 나타내는 지표로, 공극률과 밀접한 상관관계를 가지며 암석의 풍화가 진행됨에 따라 커지는 경향을 보인다. 공시체별 흡수율은 Level 3의 공시체 11점에서 평균 1.02%, 최대 1.45%, 최소 0.62%로 나타났으며 Level 4의 공시체 12점에서는 평균 1.01%, 최대 1.73%, 최소 0.33%로 산출되었다. Level 3과 4의 암석 공시체들은 평균 흡수율은 유사하였으나, 각 공시체별 편차는 Level 4 공시체 그룹에서 상대적으로 큰 것으로 나타났다.

공시체별 비중은 Level 3의 공시체 11점에서 평균 2.69, 최대 2.70, 최소 2.68의 값을 보였으며 Level 4의 공시체 12점에서는 평균 2.71, 최대 2.75, 최소 2.68로 나타났다. 흡수율과 마찬가지로 비중의 편차 또한 Level 4의 공시체 그룹에서 더욱 큰 것으로 산출되었다.

다음으로 강화처리 및 접합처리를 실시하였다. 이는 인공풍화 실험 시, 별도의 처리가 없는 공시체 그룹과 비교하였을 때 강화처리 또는 접합처리된 암석이 보이는 물성 향상 효과를 파악하기 위함이다. 강화처리를 위한 약품으로는 석조문화재 보존처리에 일반적으로 널리 사용되는 알콕시실란 강화제인 Wacker사 OH 100(Fig. 4A) 및 Remmers사 KSE 300(Fig. 4B)을 사용하였으며, 점토광물 함유 화석산지의 보존처리에 기 사용된 바 있는 팽윤저지제인 Remmers Antihygro(Fig. 4C)도 활용하여 효용성을 검증하고자 하였다.

Figure 4. Chemical for rock consolidation(A~C) and treatment process of bonding samples(D~E). (A) Wacker Silres BS OH 100, (B) Remmers KSE 300, (C) Remmers Antihygro, (D) Split rock specimen, (E) Cleaning surfaces to join, (F) Apply Adhesion.

3.3. 인공풍화 실험

암석은 생성 이후 물리적·화학적·생물학적 풍화를 겪으며 약화되지만, 자연환경에서의 풍화는 점진적으로 일어나며 속도 또한 느리다. 때문에 빠르고 직접적인 풍화작용의 관찰을 목적으로 실내 인공풍화 실험이 이용되고 있다. 암석의 풍화 중 대표적인 것은 동결-융해 작용으로, 암석 내부의 수분이 고체로 상변화 하는 과정에서 약 9.05%의 부피팽창이 일어나면서 주변에 응력을 가하기 때문에 나타나는 현상이다. 우리나라와 같은 중위도 지방의 겨울은 동결-융해 작용이 활발히 일어나 암석의 풍화를 촉진하는 주요한 원인이 된다.

화석산지가 위치한 진주시 또한 최근 10년(2009년~2018년) 기상환경 자료를 살펴보았을 때 동결-융해의 환경을 가진 날이 연 평균 105일로 집계되므로, 이에 대한 실내 풍화실험이 필요할 것으로 판단하였다. 따라서 본 연구에서는 화석산지 암석에 대한 동결-융해 인공풍화 실험을 진행하였으며, 미국의 콘크리트 동결-융해 시험법인 ASTM C666(2008)를 참고로 하되 -18℃ 동결 및 4℃ 융해의 원래 조건과는 달리 –20℃의 동결 및 40℃의 융해 조건을 적용하였다. 이는 최근 10년간(2009년~2018년) 기상 관측자료에서 최저기온 –15.6℃, 최고기온 37.9℃를 기록한 진주시의 환경을 보수적으로 고려한 것이다.

공시체는 강화제 및 팽윤저지제에 48시간 함침처리하여 이상적인 침투상태를 조성하고 적용효과를 극대화 하였다. 한편, 접합처리의 풍화내구성 효과검증 실험을 위해서 시료를 제작하였다. 끌과 망치로 공시체의 층리 방향에 충격을 가해 암석을 절단하였으며(Fig. 4D), 분리된 공시체를 다시 접합할 때에는 표면의 이물질을 제거한 후(Fig. 4E) 석조문화유산 보존처리에 일반적으로 널리 사용되는 에폭시 수지인 L-30을 사용하였다(Fig. 4F). 이와 함께 진주 정촌면 화석산지 발굴과정에서 실제로 사용된 시아노아크릴계 순간접착제인 AXIA 911도 병용하여 접합시료를 준비하였다.

인공풍화의 한 주기는 총 4시간 40분으로, 분무(10분)→강온(10분)→동결(-20℃에서 2시간)→승온(12분)→융해(40℃에서 2시간)→강온 및 30℃ 유지(8분) 순이다(Fig. 5). 인공풍화 주기에 따른 공시체의 외관 및 물성변화를 관찰하기 위해 인공풍화 실험 시작 후 10, 30, 60, 100, 150주기에 측정을 실시하여 암석물성의 점이적인 변화를 확인하였다. 각 측정 주기에서 모든 시료는 KS F 2518를 참고하여 통기 환경의 건조기 속에서 105℃의 온도로 24시간 건조한 후 측정을 수행하였다. 주기별 측정 전에는 시료의 외관을 고해상도 카메라로 촬영하여 비교하였다(Fig. 6).

Figure 5. Artificial weathering process.

Figure 6. Representative sample showing changes according to artificial weathering cycles.

별도의 처리를 가하지 않은 대조군 공시체인 UT-3A와 UT-4A는 육안상 큰 물리적 변화를 보이지 않았으며, UT-4B의 경우 원래 공시체에 존재했던 가로방향 균열이 점차 발달하여 150주기에는 탈락을 야기할 수 있을 정도의 크기로 성장하였다(Fig. 6). 강화처리를 실시한 공시체 그룹에서도 인공풍화에 따른 균열이 관찰되었다. OH 100을 처리한 CA-3A는 원래 존재하던 균열이 발달하여 30주기에 탈락이 발생하였으며, CA-4B는 원래 존재하던 미세한 균열이 점차 확장되어 150주기에는 뚜렷한 윤곽을 보이는 균열로 성장하였다. 또한 KSE 300 처리 공시체 그룹의 CB-3A에서는 풍화대에 존재하던 미세균열이 점차 발달하여 150주기에는 탈락을 유발할 수 있는 수준으로 성장하였으며, CB-4A에서는 기존에 존재하지 않던 균열이 150주기에는 풍화대를 따라 미세하게 발생한 모습이 관찰되었다.

팽윤저지제는 수분흡수 시 점토광물의 팽창과 수축을 저감하기 위해 사용된다. 팽윤저지제인 Antihygro 처리 공시체 중에서는 SI-4A가 150주기에 층리를 따라 발달한 균열로 인해 탈락되었으며, SI-4B는 탈락되지는 않았으나 유사한 형태로 균열이 빠르게 확장되어 향후 탈락의 위험이 큰 모습을 보였다(Fig. 6). 따라서 동결-융해에 의한 균열의 생성과 발달 방지에는 팽윤저지제의 역할이 제한적인 것으로 보이며, 동일한 처리가 이루어졌음에도 Level 4의 공시체들이 Level 3에 비해 빠르게 풍화되었는데 이는 Level 3 시료들에 비해 Level 4 시료들이 높은 흡수율을 가진 특성에서 기인한 것으로 추정된다. 한편 에폭시 수지인 L-30과 순간접착제인 AXIA 911을 이용하여 분리된 시편을 접합처리한 공시체 그룹의 경우, 누적 150주기 동안의 인공풍화 동안 특별한 물리적 변화가 발견되지 않아 안정된 모습을 보였다(Fig. 6).

인공풍화 주기에 따른 기본 물성의 변화 경향을 살펴보면, 인공풍화가 거듭됨에 따라 모든 공시체의 질량은 증가하는 방향으로 변화하였다(Table 4). 풍화가 진행됨에 따라 오히려 공시체의 질량이 증가하는 이유는 공시체 내부의 공극이 확장되고 균열이 발달함에 따라 수분의 흡수량이 커지기 때문으로 판단된다. 공시체 질량 변화에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 흡수율로 나타났으며, 흡수율이 큰 공시체인 경우 강화제의 흡수량이 많아 큰 질량변화를 보이는 것으로 해석되었다.

Table 4

Mass changes of the specimen according to the artificial weathering cycle.

Group	Specimen	Absorp-tion rate	Mass of the specimen (g)
			Dry	After treated	0 cycles	10 cycles	30 cycles	60 cycles	100 cycles	150 cycles
Untreated	UT-3A	0.77	668.83	670.37	670.71	672.84	673.46	673.13	673.46	673.51
Untreated	UT-4A	0.33	698.18	699.29	699.59	700.29	700.62	700.71	700.74	700.70
Untreated	UT-4B	1.51	658.49	660.41	660.96	665.92	666.93	665.77	666.32	666.27
OH 100	CA-3A	1.36	671.03	677.17	677.03	677.64	678.37	678.73	679.06	679.21
OH 100	CA-3B	0.78	663.39	666.56	666.56	666.80	667.19	667.30	667.45	667.62
OH 100	CA-4A	1.50	660.04	667.88	668.15	668.59	669.39	669.76	669.93	670.13
OH 100	CA-4B	1.67	644.75	653.87	652.93	653.73	654.73	655.12	655.80	656.10
KSE 300	CB-3A	1.45	651.68	658.48	657.68	658.06	658.91	659.71	660.03	660.30
KSE 300	CB-3B	0.79	673.53	677.16	677.05	677.23	677.94	678.21	678.45	678.57
KSE 300	CB-4A	0.33	708.95	710.07	710.35	710.69	711.13	711.52	711.72	711.88
KSE 300	CB-4B	1.61	638.63	647.23	645.50	646.38	647.44	647.94	648.28	648.23
Antihygro	SI-3A	0.85	641.85	646.66	644.97	646.69	646.93	646.55	646.62	646.68
Antihygro	SI-3B	0.62	623.79	627.09	625.84	627.21	627.86	627.59	627.66	627.84
Antihygro	SI-4A	1.51	664.20	672.46	668.50	672.04	672.67	671.40	671.91	671.70
Antihygro	SI-4B	1.73	651.45	661.02	656.96	660.87	661.43	660.26	660.59	659.93
L-30	AA-3A	1.09	579.56	579.95	580.42	583.40	583.87	583.16	583.10	583.12
L-30	AA-3B	1.17	584.38	584.87	585.41	588.66	589.25	588.56	588.53	588.32
L-30	AA-4A	0.42	689.12	690.26	690.65	691.45	692.08	692.36	692.48	692.55
L-30	AA-4B	0.70	688.40	691.08	691.58	693.32	694.11	694.09	694.24	694.31
AXIA 911	AB-3A	1.10	607.03	607.66	608.12	611.22	611.78	611.05	611.25	611.23
AXIA 911	AB-3B	1.19	581.10	581.72	582.17	585.11	585.83	585.09	585.19	585.16
AXIA 911	AB-4A	0.42	708.54	709.95	710.27	711.19	711.77	711.85	711.93	711.90
AXIA 911	AB-4B	0.36	687.77	688.42	688.73	689.59	690.02	689.93	689.95	689.97

인공풍화의 진행에 따른 공시체의 질량변화를 그래프로 도시하여 살펴보면, 강화제를 처리한 공시체는 0에서 150주기까지 완만한 상승폭을 보였다(Fig. 7). 기타 공시체 그룹들은 30주기에 최고 질량을 기록한 이후 60주기에 큰 질량 감소를 보였다가 이후 완만하게 증감하며 안정화되는 경향을 나타냈다. 처리 방법이 같은 공시체들은 유사한 변화양상을 보였는데, 강화제나 접착제 내에서 사용된 약품이 다를지라도 유사한 변화양상이 관찰되었다.

Figure 7. Graph of the change in mass with artificial weathering cycles.

같은 처리방법 그룹 중, 전체적인 경향은 유사하나 수치에서 큰 차이를 보이는 경우는 원 시료의 물성인 흡수율의 차이에서 기인한 것으로 판단된다. 이는 Level 3에 비해 대체로 흡수율이 높은 Level 4의 공시체들에서 질량 변화가 더욱 크게 나타난 결과로 확인된다.

한편, 인공풍화에 따른 공시체의 색상 변화를 정량적인 수치로 확인하기 위하여 분광측색계를 활용하였다. 국제조명위원회(CIE)가 1976년 제정한 CIE L*a*b* 색 공간 사용을 사용하였고 XE 램프를 통해 D65 표준 광원을 적용하였으며, 측정조건은 10。 시야(CIE1964)에 정반사광 성분 포함(SCI) 모드로 설정하여 동일 지점을 3회 연속 측정하여 평균값을 사용했다. 공시체들을 비교하기 위해 색 공간에서의 기하학적 거리인 색차(ΔE*)를 산출하였으며 사용된 공식은 아래와 같다.

색차값에 따라 표준 관찰자가 느끼는 정도를 Table 5의 기준을 바탕으로 평가하였다. 액상의 강화제로 함침한 공시체의 색차(ΔE*) 값은 인공풍화 초기에는 다른 그룹에 비해 큰 차이를 보였으나, 시간이 지남에 따라 안정되어 150주기 종료 시점에는 그룹 간의 색차가 큰 차이를 보이지 않았다(Fig. 8, Table 6). 미처리 공시체 그룹에서도 대부분 2 이상의 색차가 확인되었는데, 이는 구성암석인 셰일이 높은 흡수율을 보이므로 환경에 따라 색상 차이가 크게 나타나는 것으로 판단된다. 강화제 중에서는 OH 100이 KSE 300에 비해 색차가 대체로 큰 경향을 보였으며, 팽윤저지제인 Antihygro는 미처리 공시체 그룹과 유사한 색차를 보여 암석의 색 변화에 영향이 적은 것으로 해석되었다.

Figure 8. Graph of the change in color difference with artificial weathering cycles(based on color when dry).

Table 5

Grade of the color difference(Mokrzycki and Tatol, 2011).

Grade	ΔE*	A standard observer sees the difference in color
1	0 < ΔE* < 1	Observer does not notice the difference
2	1 < ΔE* < 2	Only experienced observer can notice the difference
3	2 < ΔE* < 3.5	Unexperienced observer also notices the difference
4	3.5 < ΔE* < 5	Clear difference in color is noticed
5	5 < ΔE*	Observer notices two different colors

Table 6

Color difference of the specimen according to the artificial weathering cycle.

Group	Specimen	Absorption rate	Color difference(ΔE*)					Grade (ΔE*)
			10 cycles	30 cycles	60 cycles	100 cycles	150 cycles
Untreated	UT-3A	0.77	1.96	3.53	5.13	5.15	5.76	5
Untreated	UT-4A	0.33	0.44	0.49	0.40	0.87	2.02	3
Untreated	UT-4B	1.51	2.09	2.65	3.29	3.45	3.80	4
OH 100	CA-3A	1.36	10.40	6.03	4.79	4.56	4.72	4
OH 100	CA-3B	0.78	8.02	5.55	4.59	4.39	4.65	4
OH 100	CA-4A	1.50	9.55	2.50	0.46	3.13	3.62	4
OH 100	CA-4B	1.67	11.73	8.84	6.54	5.82	6.07	5
KSE 300	CB-3A	1.45	7.26	5.28	4.89	4.39	4.47	4
KSE 300	CB-3B	0.79	1.17	0.94	1.26	1.45	2.06	3
KSE 300	CB-4A	0.33	3.00	1.25	0.96	0.49	0.89	1
KSE 300	CB-4B	1.61	2.47	0.93	0.39	0.58	0.80	1
Antihygro	SI-3A	0.85	1.07	1.25	1.63	2.48	3.29	3
Antihygro	SI-3B	0.62	3.35	2.50	2.30	2.12	2.22	3
Antihygro	SI-4A	1.51	1.01	0.79	0.90	1.40	2.09	3
Antihygro	SI-4B	1.73	1.14	1.16	1.58	2.60	3.84	4
L-30	AA-3A	1.09	1.86	2.92	4.08	5.37	5.93	5
L-30	AA-3B	1.17	8.28	10.13	17.56	12.10	16.20	5
L-30	AA-4A	0.42	2.32	1.82	0.56	2.31	3.86	4
L-30	AA-4B	0.70	1.31	2.96	2.84	1.22	2.16	3
AXIA 911	AB-3A	1.10	0.60	1.88	2.13	3.21	4.18	4
AXIA 911	AB-3B	1.19	0.96	1.67	1.73	2.31	4.69	4
AXIA 911	AB-4A	0.42	1.96	2.11	2.60	1.92	2.09	3
AXIA 911	AB-4B	0.36	1.67	1.76	0.41	0.74	1.71	2

3.4. 초음파 물성 평가

화석산지 암석의 풍화를 저감하기 위해 일반적으로 사용되는 방법인 강화처리 및 팽윤저지제 처리를 적용 후 효과 평가를 수행하였다. 강화제는 암석 표면의 공극을 채워 암석풍화의 주요한 요인이 되는 수분의 침투를 줄이는 원리이며, 팽윤저지제는 수분에 의해 크게 팽창하여 물리적 풍화를 촉진시키는 팽윤성 점토광물에 적용하면 수분 흡수 시 팽윤 정도를 줄여줄 수 있는 약품이다.

이 연구에서는 강화처리 및 팽윤저지제의 침투 효과를 검증하기 위해 공시체를 파괴하지 않고 간접적으로 평가할 수 있는 방법인 초음파 전달 속도법을 사용하였다. 초음파속도는 일반적으로 동일 재질의 암석에서 공극률 및 미세균열이 발달할수록 느린 속도를 보이며, 암석 내부 공극 및 균열이 강화제로 채워지면 속도의 증가를 보이므로 이를 이용해 강화 및 팽윤저지제의 처리 효과를 평가할 수 있다.

초음파속도는 암석 내부에서 초음파가 이동한 거리를 걸린 시간으로 나누어 산출한다. 여기에 사용된 초음파 측정기기는 Proceq사의 PUNDIT Lab이며, 끝이 뾰족하여 측정지점이 작을 때 유리한 형태의 탐촉자(54kHz)를 사용하였다. 초음파의 전달방법은 탐촉자 2개가 시료를 사이에 두고 서로 마주보는 배열방법인 직접법을 사용하였다. 이 때, 탐촉자가 공시체에 접촉할 때의 압력에 따라 초음파 전달속도가 달라질 수 있으므로, 일정한 압력을 가하기 위해 초음파 탐촉자를 전자동 압력기에 거치한 후 양 탐촉자에 각각 8㎏의 압력으로 공시체를 측정하도록 하였다.

액상 형태인 강화제 및 팽윤저지제에 공시체를 함침 처리하였으므로, 용액의 침투가 유리한 위치인 공시체의 가장자리(공시체 표면에서 0.5cm 깊이)와 침투가 불리한 위치인 공시체의 중앙(공시체 표면에서 2.5cm 깊이)를 각각 초음파 측정하여 경향을 비교하였다. 이 때, 약제 미처리 및 건조 상태에서 측정하였던 초음파 속도를 기준으로 하고, 각각의 인공풍화 주기에 측정한 초음파속도를 변화율(%)로 계산하여 그래프를 도시하였다. 이 결과는 Fig. 9, 10과 같다.

Figure 9. Graph of the change in ultrasonic velocity with artificial weathering cycles(Level 3 group).

Figure 10. Graph of the change in ultrasonic velocity with artificial weathering cycles(Level 4 group).

공시체 가장자리와 중앙의 속도 변화 경향을 살펴보면, 강화처리 당시에는 OH 100과 KSE 300 공시체 모두에서 가장자리가 중앙에 비해 높은 초음파속도 증가율을 보이는 경우가 대부분이다. 그러나 인공풍화 150주기 이후에는 가장자리와 중앙의 속도가 유사해지거나(CA-3B, CB-4B), 오히려 중앙이 더 높은 초음파속도 증가율을 보였다(CB-3A, CB-3B, CA-4B, CB-4A).

가장자리의 속도 증가율이 높은 상태로 실험이 완료된 경우는 CA-4A와 중간에 탈락된 CA-3A의 두 공시체에서만 발견되었을 뿐이다. 이는 가장자리가 표면과 가깝기 때문에 초기에는 강화처리의 직접적인 효과가 높았으나, 표면에 직접적인 풍화를 촉진하는 동결-융해 인공풍화에 의해 상태가 역전된 것으로 판단된다.

KSE 300 강화체를 처리한 공시체에서는 60과 100주기 사이에서 이러한 역전 현상이 발생하였으며, OH 100 처리 공시체에서는 시료마다 다양한 변화율이 나타나 일관된 경향을 찾기 어려웠다. 미처리 공시체(UT-3A, UT-4A, UT-4B)의 초음파속도 변화율(%) 또한 강화처리된 시료에서 나타난 변화 경향과 유사하였다. 풍화주기가 거듭될수록 중앙의 초음파 전달속도가 가장자리에 비해 더 빠르게 나타나는 현상이 관찰되었으며, 150주기 후 강화처리된 공시체의 초음파속도는 가장자리와 중앙 모두 속도가 증가한 것(CA-3B, CB-3B, CA-4B, CB-4B)과 가장자리와 중앙 중 하나는 증가하고 하나는 하락한 것(CB-3A, CA-4A, CB-4A)이 나타난다. 미처리 공시체에서도 초음파속도가 증가하였거나 하락하였으므로, 강화처리 그룹이 타 그룹에 비해 유의미한 정도의 속도 차이를 보였다고 해석하기는 어려울 것으로 판단되었다.

팽윤저지제 처리 공시체의 경우, 한 시료 내에서는 대체로 변화율이 크지 않아 안정된 초음파속도 경향을 보였으나 공시체마다 변화율은 다르게 나타났다. 한편, 인공풍화 중 탈락된 공시체는 강화제 처리(OH 100으로 처리한 CA-3A) 또는 팽윤저지제 처리(Antihygro로 처리한 SI-4A) 그룹에서 나타났으나, 이를 통해 강화제나 팽윤저지제가 오히려 암석의 안정성을 저해한다고 해석하기는 어렵다. 이는 탈락된 공시체는 처음부터 균열이 존재하였다는 점, 미처리 공시체에서도 동일한 풍화양상이 발생한 사례(누적 150주기에서의 UT-4B 균열)가 있기 때문이다.

이상의 결과에서 초음파 속도의 변화율을 통해 가장자리의 급속한 풍화 현상 등 일부 경향은 확인할 수 있었으나, 처리 그룹별로는 일관된 경향을 발견하기 어려웠다. 따라서 강화제 및 팽윤저지제 처리로는 이미 존재하는 균열이 동결-융해에 의해 확장되는 현상을 저지할 수 없음이 확인되었다. 다만 향후 더 정밀한 경향 파악을 위해서는 서로 유사한 광물조성과 건전한 상태를 가진 공시체의 다량 확보 및 더욱 많은 주기의 인공풍화 실험이 이루어져야 할 것으로 사료된다.

4.1. 재질특성

Level 3와 4에서 수습한 모든 화석산지 암석은 분급이 불량한 석영, 방해석, 사장석, 알칼리장석, 운모 및 점토광물이 구성 광물로 나타났으며, 이들은 서로 다른 입도와 조직 및 조성을 보이는 다양한 층리를 이루며 교호하고 있다. Level 3의 일부 암석에서는 층리와 수직 방향으로 발달한 방해석 세맥 또한 관찰되었다. 이렇듯 화석산지 암석에는 산성비에 취약한 광물인 방해석이 다량 함유되어 외부 기상환경에 노출 시 화학적 풍화가 가속화 될 가능성을 내포하고 있다.

Level 3에서 수습한 3A 시료의 층리별 광물 동정 결과, 표면의 풍화대에서는 방해석이 다른 지점에 비해 뚜렷한 감소를 보이는 것으로 나타났는데 이는 화석산지 현장에서 수분에 의한 방해석의 용해가 진행되고 있음을 지시하는 결과이다. 이를 더욱 극명하게 보여주는 것은 Level 4에서 수습한 4B 시료로 토양화가 진행된 풍화대가 존재한다. 이 시료에서 풍화대와 상대적으로 풍화 진행이 덜한 지점에서 각각 시료를 채취·분말화하여 X-선 회절패턴을 비교한 결과, 풍화대에서 점토광물의 부화와 방해석 피크의 급감이 확인되었다.

화석산지 암석의 기초물성 규명을 위해 Level 3과 4에서 수습한 암석을 가공하여 각각 11점과 12점의 사각기둥 공시체를 제작하고 공극률 및 흡수율을 측정한 결과, Level 3과 4 공시체들의 평균 흡수율은 유사하였으나 각 공시체별 편차는 Level 4 그룹이 더 큰 것으로 나타났다. 이러한 Level 4 일부 공시체의 큰 흡수율은 시료 내에 수평으로 발달한 얇은 점토광물 집합체에서 기인한 것으로 추정되며, 이들 점토광물대의 흡습에 따른 손상 유발 가능성은 인공풍화 실험에서 입증되었다.

4.2. 인공풍화 실험

야외에 노출된 정촌면 화석산지의 가장 큰 보존문제로 판단되는 야외 강우 및 동결-융해로 인한 영향을 평가하기 위해 인공풍화 실험을 수행하였다. 이와 함께 화석산지 암석의 강화제 및 팽윤저지제, 접합제 처리 시 효과 검토를 병행하였다. 이를 위해 Level 3과 4의 사각기둥 공시체를 미처리 및 각 적용된 처리제에 따라 분류하고 인공풍화를 수행하여 풍화의 누적에 따른 외관 및 물성 변화를 측정하였다. 이를 통해 반복적인 풍화의 누적에 의한 화석산지 암석의 변화 양상을 분석하였다.

기초 물성 측정에서, 인공풍화 완료 후 모든 공시체에서 질량의 증가가 확인되었으며 최종 질량의 변화정도는 공시체의 흡수율과 정의 상관관계를 보였다. 이는 공시체 내부에서 확장된 공극에 처리제가 흡수되며 나타나는 현상으로 해석된다.

강화처리제인 OH 100와 KSE 300 및 팽윤저지제 Antihygro 함침 후 공시체의 질량변화를 측정한 결과, 흡수된 처리제의 양은 공시체의 흡수율에 선형적으로 비례하는 것으로 나타났다. 또한 접합제로 사용된 L-30과 AXIA 911은 모두 화석산지 암석 접합에 충분한 효과를 보이며 인공풍화 실험에서도 충분한 접합강도를 잃지 않는 것이 확인되었다.

색차 평가 결과, 강화제인 KSE 300 처리 시에는 미처리 암석에 비해서도 색상 변화가 적은 것으로 나타났으며, 또 다른 강화제인 OH 100은 미처리 암석과 비슷한 색상 변화를 보여 강화제로 인한 화석산지 암석의 외관 변화 가능성은 적을 것으로 판단된다. 팽윤저지제 Antihygro는 KSE 300보다는 크지만 OH 100 보다는 작은 색차결과를 나타냈다.

L-30과 AXIA 911로 접합한 공시체들은 인공풍화 150주기 이후에도 모두 추가적인 균열이나 탈락, 팽창 등의 변형 없이 양호한 모습을 보여 원암에 비해 안정적이고 강한 결합력을 가지는 것으로 판단되었다.

150주기의 동결-융해 인공풍화 결과, 방해석 세맥에 의한 균열이나 탈락은 관찰되지 않았다. 다만 실험에 사용된 분무수가 증류수이므로 실제 보존환경과는 차이가 존재함이 고려되어야 한다. 한편, 모든 시료 공통으로 기존 균열부 발달로 인한 탈락, Level 4 그룹의 점토광물 층리를 따른 균열의 발생과 탈락이 다수 관찰되어 이들이 동결-융해 시 손상을 유발하는 촉발 인자임을 확인하였다.

강화제 및 팽윤저지제 처리 암석의 동결-융해 인공풍화 결과, 미처리 암석에 비해 기재적 특징, 초음파 속도 등에서 구별될 정도의 풍화 저지력이 나타나지 않았다. 미처리 암석과 마찬가지로 기존에 균열이 존재하는 경우 크게 발달하거나 탈락되는 모습이 관찰되는 것으로 미루어 동결-융해에 대한 저지효과를 확인하기 어려웠다. 강화제는 암석 표면의 공극을 채워 수분의 침투를 감소시킴으로써 풍화를 저감하는 처리제이나, 계속된 동결-융해에 의한 화석산지 암석 균열의 생성과 발달 방지에는 효과가 미미한 것으로 추정된다.

다만 강화제 처리 직후 공시체 중심 대비 표면 초음파 속도의 상승이 확인되었으므로 강화처리 효과는 실재하는 것으로 판단되며, 동결-융해와 같은 강력한 풍화 작용에는 효과를 보기 어려운 것으로 해석된다. 따라서 외기가 차단된 환경에서는 강화처리가 화석산지의 유효한 보존방법이 될 수 있을 것이다.

한편, 공시체로 진행한 인공풍화 실험에서는 현장에서 수습한 시료를 일정한 형태로 가공하는 과정에서 외부 표면의 풍화면이 대부분 제거된 이상적인 공시체를 사용하였다. 그러나 실제 화석산지 현장의 암석들은 표면 풍화 상태를 간직한 채 야외의 풍화 환경에 노출되게 된다. 인공풍화 실험에서 나타난 바와 같이, 물리적 손상은 기 발생한 균열 및 점토광물 층리를 따라 발생하는 것으로 나타났으므로 실제 다양한 물리적 풍화가 존재하는 화석산지 암석은 같은 풍화주기에서도 손상이 가속화될 것으로 예상할 수 있다.

따라서 실제 화석산지 표면암이 동결-융해를 경험하며 나타나는 손상양상을 파악하기 위해 미가공 암석의 인공풍화 실험을 추가적으로 수행하였다. Level 3 및 4에서 각각 수습한 화석산지 암석을 별도의 가공 없이 준비하였고, 표면 가공은 하지 않았으나 중앙 층리를 따라 수평으로 절단한 후 L-30으로 접합처리한 Level 4의 암석 시료 1점을 마련하여 인공풍화 실험을 실시하였다. 인공풍화 주기는 공시체 실험과 같은 10, 30, 60, 100, 150주기 조건으로 진행하였다.

인공풍화 결과, 가운데의 Level 3 암석은 10 주기부터 이미 풍화가 급격하게 진행되어 풍화주기가 반복됨에 따라 균열 및 탈락, 그리고 세편화 현상이 함께 발생하는 모습을 보였다(Fig. 11A~11F). 이는 현장에서 확인한 화석산지의 손상과 매우 유사한 형태의 풍화양상이다. 좌측의 Level 4 암석은 풍화 주기 동안 큰 변화를 보이지 않았으나 150주기 때 가장자리를 따라 세편화가 발생한 모습이 관찰되었다(Fig. 11F). 우측의 Level 4 암석은 L-30 에폭시 수지를 이용해 접합한 것으로, 인공풍화에 특별한 외관 변화를 보이지 않았다.

Figure 11. Change of bulk rock samples by artificial weathering cycles. The left rock is Level 4, the center one is Level 3, the right one is Level 4(Adhesived). (A) Initial state, (B) 10 cycles, (C) 30 cycles, (D) 60 cycles, (E) 100 cycles, (F) 150 cycles.

중앙의 Level 3 암석은 인공풍화 실험 초기 상태부터 좌우의 Level 4 암석에 비해 표면 풍화가 발달하였으며, 실제로 인공풍화 150주기 이후의 열화정도가 좌우의 암석에 비해 극심한 것으로 나타났다. 이는 표면의 풍화가 많이 진행된 암석일수록 동결-융해로 인한 풍화현상이 가속화됨을 지시하며, 실제 풍화가 진행된 화석산지 암석은 실내에서 규격화된 공시체로 실험하여 예상된 풍화 주기보다 훨씬 빠르게 풍화될 수 있음을 보여준다. 따라서 화석산지의 현장 보존대책 수립 시에는 공시체의 인공풍화를 통해 확인된 예상 손상 시점에 비해 실제 현장 암석의 풍화가 더욱 앞서 진행될 수 있음을 고려하여야 할 것이다.

4.3. 보존과학적 제언

정촌면 화석산지는 Level 3 및 4의 구성암석 모두 다량의 방해석을 함유한 것으로 드러나 산성비에 노출될 경우 풍화가 가속화될 것으로 추정되며, 실제 화석산지 현장에서 수습한 암석의 풍화대에서 나타난 방해석의 감소 및 점토광물의 부화는 이러한 가설을 뒷받침한다. 또한 인공풍화 실험을 통해 화석산지가 야외 환경에 노출되어 있는 상황에서 접착제는 유효하나 강화제 및 팽윤저지제는 효과를 보기 어려운 것으로 해석하였다. 미가공 암석 시편 풍화실험에서 실제 표면 풍화가 진행된 화석산지 시료는 풍화면이 없는 가공 시료에 비해 풍화가 가속화될 뿐만 아니라 박리와 세편화 현상도 발생하는 것으로 나타나 화석산지 의 환경 제어 필요성을 잘 보여준다.

따라서 진주 정촌면 백악기 공룡·익룡발자국 화석산지의 보존을 위해서는 수분의 유입을 막기 위한 방수포 보호 등의 현행 방편 외에도, 풍화로 인해 기 손상된 화석 배태 암석의 세정·접합·충진 등 응급 보존처리, 겨울철 동결융해로 인해 예상되는 손상을 저감하기 위한 화석산지 상의 보호시설 건립 등 실질적이고 장기적인 대처방안이 수립되어야 할 것이다.

실제로 천연기념물 의성 제오리 공룡발자국 화석산지에는 개방형 보호시설이 설치되어 강수의 유입을 차단하고 있으며, 천연기념물 해남 우항리 공룡·익룡·새발자국 화석산지, 진주 충무공동 익룡·새·공룡발자국 화석산지, 군산 산북동 공룡발자국과 익룡발자국 화석산지에는 밀폐형 보호시설이 건립되어 화석산지를 보존하고 있다. 특히 이들 밀폐형 보호시설에는 온·습도 환경을 제어할 수 있는 공조설비가 자리하여 암석의 동결융해로 인한 손상을 효과적으로 저지할 수 있다. 이들 보호시설의 운용 경험을 활용하여 정촌면 화석산지에 적용한다면 차후 효율적인 보존방안 수립에 많은 도움이 될 것으로 사료된다.

1. 진주 정촌면 백악기 공룡·익룡 발자국 화석산지는 뿌리일반산업단지의 조성 공사 당시의 충격과 야외에 노출된 환경으로 인해 절리·균열·박리·박락·탈락·세편화 등 물리적 풍화와 함께 암석 표면이 변색된 풍화대가 생성되는 화학적 풍화가 함께 나타나고 있다.

2. 최근 10년 진주시의 기후는 최저기온 –15.6℃, 최고기온은 37.9℃로 극단적인 추위나 더위 없이 온난한 환경이나, 동결-융해의 영향 하에 있는 날이 연평균 약 105일, 일강수량이 0.1 mm를 초과하는 날은 연평균 104일로 집계되어 수분과 결빙에 의한 손상 가능성이 존재한다. 실제 현장조사 결과, 물리적 풍화가 정촌면 화석산지의 주요한 손상으로 파악되었다.

3. 정촌면 화석산지의 대표적인 층위인 Level 3과 4에서 수습한 시료로 편광현미경 및 X-선 회절분석을 통해 재질분석을 수행하였다. 이 결과, Level 3은 암회색 실트암, Level 4는 암회색 셰일로 이루어져 있었으며 이들은 모두 석영, 방해석, 사장석, 알칼리장석, 운모 및 점토광물로 유사한 광물조성을 보였다. 다만 층리에 따라 이들 광물의 입도와 조직, 조성비는 상이한 것으로 나타났다.

4. 진주시 실제 기후조건을 고려한 동결-융해 인공풍화 실험을 설계하여 150주기에 걸쳐 수행하였으며, 각 주기의 시작 시에는 수분을 10분간 분무하여 동결 효과가 적절히 일어날 수 있도록 설정하였다. 이 결과, 기존 균열부와 점토광물 층리를 따라 균열이 발생하는 모습이 관찰되었으며 이들은 풍화가 누적됨에 따라 탈락으로 이어져 동결-융해가 물리적 풍화를 촉진하는 주요한 요인임을 확인하였다.

5. 강화제 및 팽윤저지제 처리 암석의 동결-융해 인공풍화 결과, 미처리 암석에 비해 기재적 특징, 초음파 속도 등에서 구별될 정도의 풍화 저지력이 나타나지 않아 동결-융해에 대한 저지효과를 확인하기 어려운 것으로 판단된다. 이에 반해 접착제로 처리한 암석의 접합부는 인공풍화에도 추가적인 손상이 관찰되지 않았다.

6. 정촌면 화석산지의 보존을 위해서는 표면 수분차단 및 기 손상된 화석 배태암석의 응급 보존처리가 이루어져야 하며, 장기적인 보존을 위해서는 보호시설의 건립을 고려하되 진주 충무공동이나 군산 산북동 등과 같이 보호시설이 존재하는 화석산지의 운용경험을 참고하여 보존계획을 수립하는 것이 권장된다.

이 연구는 문화재청 국립문화재연구원 문화유산조사연구(R&D)사업의 지원을 받아 이루어졌습니다. 인공풍화 실험 계획 수립 및 진행을 지원해주신 김진형 박사님과 논문의 심사과정에서 건설적인 비평과 유익한 조언을 해주신 익명의 심사위원님께 깊이 감사드립니다.