Special Research Paper on “Research on Aggregate Resources in Korea (II)”

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Econ. Environ. Geol. 2024; 57(2): 185-204

Published online April 30, 2024

https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.185

© THE KOREAN SOCIETY OF ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL GEOLOGY

Natural Sand in Korea – Quality Evaluation –

Sei Sun Hong, Jin Young Lee*

Quaternary Environment Research Center, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, 124 Gwahak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34132, Korea

Correspondence to : *jylee@kigam.re.kr

Received: March 4, 2024; Revised: April 7, 2024; Accepted: April 8, 2024

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 original work is properly cited.

Abstract

This study was conducted for evaluation the geological, physical, and chemical properties of domestic sand by analyzing about 4,800 quality data of natural sand from river and land area surveyed until 2023 through the aggregate resource survey conducted by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport. The average depth of the Quaternary unconsolidated sedimentary layer in Korea, which includes a sand layer, is about 10m (maximum depth 66m). The thickness of the sand layer within the sedimentary layer is most dominant in the range of 0.5m to 4.0m. This accounts for about 70% of the entire sand layer. In the sand layer, the ratio of sand, gravel, and clay is 60:20:10. Regardless of the provenance or geology, the sand is mainly composed of quartz, plagioclase, and K-feldspar, and the minor minerals are muscovite, biotite, chlorite, magnetite, epidote. The sand includes in 45~75% of quartz, 5~20% of plagioclase and K-feldspar, each other. And other minor minerals are included in 10%. The average grain size of sand is 0.5mm to 1.0mm, which accounts for 44% of sand samples. The water absorption rate and soundness are estimated to be suitable for aggregate quality standard in almost all sand, and the absolute dry density is suitable for 66%.

Keywords natural sand, thickness of sand layer, mineral, absolute dry density, absorption, soundness, fitness modulus

한국의 모래 -품질평가-

홍세선 · 이진영*

한국지질자원연구원 제4기환경연구센터

요 약

이 연구는 국토교통부에서 수행하고 있는 골재자원조사를 통해 2023년까지 조사된 하천, 육상골재에서 천연모래의 약 4,800여 품질시험자료를 분석하여 국내 모래의 지질학적, 물리적, 화학적 특성을 평가하였다. 모래층을 포함하고 있는 국내 제4기미고결 퇴적층의 평균심도는 10m 내외이다(최대 66m). 퇴적층 내에서의 모래층의 두께는 0.5m~4.0m 구간이 약 70%로 가장 우세하다. 모래층에서의 모래, 자갈, 점토는 대체로 60:20:10의 비율로 나타나며, 모래의 주구성광물은 석영, 사장석, K-장석이며, 부구성광물로는 백운모, 흑운모, 녹니석, 자철석, 녹염석 등이다. 석영은 약 45~75%, 사장석과 K-장석은 각각 약 5~20%,그 외의 부구성광물은 10% 이내이다. 국내 모래의 평균 입도는 0.5mm~1.0mm로 모래시료의 약 44%가 이에 속한다. 1.0mm~1.5mm입도는 전체모래의 19%, 0.125mm~0.25mm 입도는 전체모래는 약 9%를 점유하고 있다. 골재로 활용하기 위한 모래의 품질기준에서 보면 흡수율, 안정성의 거의 모든 모래층에서 품질기준에 적합한 것으로 판정되며, 절대건조밀도는 약 66%가 적합하다.

주요어 천연모래, 모래층두께, 광물, 절대건조밀도, 흡수율, 안정성, 조립율

  • The thickness of sand layer in the sedimentary layer is dominent in the range of 0.5m to 4.0m.

  • In Korea, the average grain size of sand in Quaternary sedimentary deposits is 0.5mm to 1.0mm.

  • Regardless of the provenance or geology, the sand is mainly composed of quartz, plagioclase, and K-feldspar.

  • The water absorption rate and soundness are estimated to be suitable for aggregate quality standard in almost all sand, and the absolute dry density is suitable for 66%.

모래는 쇄설성퇴적물 층에서 머드(점토와 실트), 자갈과 더불어 주구성 퇴적물의 하나이다. 특히, 모래는 머드,자갈과는 달리 산업적으로 반도체, 유리, 건설재료인 골재 등 다양하게 활용되고 있어 지하자원의 측면에서 매우 중요하다. 일반적으로 모래는 다양한 퇴적환경에서 퇴적되어 분포하고 있지만 산업적으로 이용되기 위해서는모래가 집중적으로 퇴적된 모래층을 찾아야 하며, 모래층의 부존이 확인되더라도 그 모래가 산업적으로 이용할수 있는 품질을 갖고 있는지를 평가하여 적합한 용도로구분하여 사용할 수 있다.

퇴적학에서 학문적으로 정의한 모래와 골재와 같이 산업적으로 사용하는 모래는 정의에 있어 다소 차이를 보인다. 여기에서는 퇴적학적인 관점에서의 모래와 골재로서의 모래에 대해 비교설명하면 다음과 같다. 보통 “모래”는 입자의 물리적, 화학적 성질과는 관계없이 단순히크기를 구분하는데 사용되는 용어이다. 따라서 모래는 다양한 물리적인 성질, 화학조성을 가질 수 있으며, 광물,플라스틱과 같은 인공제조물질, 자연생물물질들이 모래라는 크기를 가지면 모래라 할 수 있다. 그러나 퇴적학적으로는 다양한 퇴적환경에서 자연적으로 풍화퇴적된모래 크기의 입자를 모래라 한다.

퇴적학에서는 0.063mm~2mm 사이의 입자를 갖는 광물 또는 암편을 모래로 정의하며, 2mm 보다 크면 자갈, 0.063mm 보다 작으면 실트, 점토로 분류한다. 2~4mm 사이는 왕모래(granule)라 하여 자갈에 포함시킨다. 그러나국가표준에서는 모래의 정의(KS F 2523, 2527, 2022)가약간 다르다. 국가표준에서는 입자 크기에 따라 굵은골재와 잔골재로 분류하며, 굵은골재는 5mm~90mm 크기범위를, 잔골재는 5mm 이하의 크기 범위를 보이는 물질이다. 따라서 퇴적학에서는 자갈로 분류되는 왕모래도 골재기준에서는 모래에 포함된다. 또한 국가표준에서는 모래라는 용어보다는 잔골재라는 용어를 사용하는데 이는지질학적인 과정을 거쳐 퇴적된 모래뿐만 아니라 다양한발생원에서 모래의 크기로 파쇄된 물질(슬래그 등)들도모래의 크기를 가지는 물질이 포함되기 때문이다. 또한발생원에 따라 천연골재, 부순골재, 슬래그골재, 순환골재, 경량골재 등으로 분류하며, 이들이 모래의 크기로 입도가 조정되면 모두 잔골재라 한다.

골재채취법에서는 모래가 부존되어 있는 방식에 따라하천모래, 육상모래, 바다모래, 부순모래 등으로 구분한다. 이들 중 하천모래는 하천의 제방을 기준으로 제방과제방사이 즉, 하천구역인 제내지에 퇴적된 모래이며, 육상모래는 하천구역 바깥(제외지)의 경작지 및 산지가 아닌 구역에 부존되어 있는 모래이다. 산림모래는 지적상 산지에서 채취되는 모래이며, 바다모래는 연안, 배타적경제수역 등 해저에서 채취되는 모래이다. 부순모래는 암석을 인위적으로 파쇄공정을 통해 부수어서 모래크기의입자를 만든 것이다. 따라서 골재채취법에서의 모래 분류는 지적을 기준으로 하며, 산림지역에서 채취되면 산림모래, 하천지역에서 채취되면 하천모래, 바다에서 채취되면 바다모래라 하고 그 외의 지역에서 채취되면 육상모래라 한다.

퇴적학에서는 모래의 입도, 퇴적양상, 퇴적구조 등이주요 연구대상이지만 산업적으로는 입도뿐만 아니라 그외의 일정기준을 충족하는 물리화학적 품질(밀도, 흡수율,안정성 등)이 더 중요하다.

국내에서 골재자원의 활용적인 측면에서 제4기 미고결퇴적층을 대상으로 특히, 모래의 관점에서 연구를 하였던 경우는 매우 드물며(Kim, 2001; Ko et al., 2023: Oh et al., 2010; Oh et al., 2008), 주로 고기후, 고환경, 퇴적학적 연구가 다수를 이룬다. 따라서 이 연구에서는 국내제4기 미고결퇴적층에서 모래층을 산업적인 관점에서 부존지역, 부존두께 등의 부존특성과 모래의 품질특성을 파악하여 산업적으로 활용 가능여부를 알아보고자 하였다.이를 위해 1993년부터 골재채취법에 따라 골재자원조사가 시행된 전국의 광역시, 시군들 보고서에서 퇴적층 조사결과, 품질시험 등의 자료를 정리하였다(KIGAM, 1993, 1994, 1995, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006a, 2006b, 2007a, 2007b, 2008a, 2008b, 2009, 2010a, 2010b, 2011, 2012a, 2012b, 2013a, 2013b, 2014a, 2014b, 2015a, 2015b, 2016, 2017, 2018a, 2018b, 2019a, 2019b, 2019c, 2019d, 2019e, 2020a, 2020b, 2020c, 2020d, 2020e, 2020f, 2021a, 2021b, 2021c, 2021d, 2021e, 2021f, 2021g, 2022a, 2022b, 2022c, 2022d, 2022e, 2022f, 2023a, 2023b, 2023c, 2023d, 2023e; KORES, 2007a, 2007b, 2008, 2009; K-Water, 2008, 2009a, 2009b, 2010a, 2010b, 2010c, 2010d, 2011a, 2011b, 2011c, 2011d, 2012a, 2012b, 2012c, 2012d, 2013, 2014a, 2014b, 2015a, 2015b, 2016a, 2016b, 2017a, 2017b, 2017c, 2017d, 2018a, 2018b). 수집된 데이터는 국내의 제4기 동안에 퇴적된 쇄설성 퇴적층에 부존되어 있는 모래층에 대해 모래층의두께, 부존율(총 퇴적층 두께 대비 모래층의 점유율), 입도, 평균크기(중앙값, d50), 밀도, 흡수율, 안정성, 조립률, 광물조성, 화학조성 등이다. 이들 모래의 물성, 화학성 등을 정리하여, 우리나라 모래의 특성을 파악하고, 퇴적학의 관점보다는 골재로서의 사용가능성에 초점을 맞추어 산업에 적합하게 사용할 수 있는지를 판단하고자하였다.

이번 연구에서는 1993년부터 2023년까지 한국지질자원연구원, 한국수자원공사에서 수행된 시도 및 시군단위골재자원조사의 보고서를 기반으로 퇴적층, 모래층 두께,물성자료, 광물조성, 화학조성 자료와. 모래시료 채취 지점들의 위경도를 측량하여 GIS 기반의 모래 분포도를 작성하였으며, 이들 토대로 각종 물성 데이터들의 공간적인 분포 특성을 파악하였다.

골재자원조사에서 품질시험이 실시된 모래시료는 약4,800여개이며, 이들 중 하천시추조사에 의해 확보된 모래시료는 약 1,180여개, 하천표층모래는 약 1,190개, 육상시추조사에 의해 확보된 모래시료는 2,450여개이다(Fig. 1).

Fig. 1. Sampling sites of natural sand in Korea.

퇴적층의 두께는 시추조사를 통해 얻어진 코어를 바탕으로 기반암풍화대 상부의 퇴적층 두께이며, 이들 중 육안으로 모래가 우세하게 부존된 층을 모래층으로 분류하였다. 품질시험은 국가표준인 KS규격에 따라 밀도는 KSF 2504(2019)인 “잔골재의 밀도와 흡수율 시험방법”, 잔입자는 KS F 2511인 “골재에 포함된 잔입자(0.08mm체를 통과하는) 시험방법”, 안정성은 KS F 2507(2022)인 “골재의 안정성 시험방법”으로 구하였다. 밀도, 흡수율(KS F 2507, 2022), 안정성(KS F 2507, 2022)은 모래 자체의 고유성질인 물성이며, 점토덩어리, 잔입자, 염화물,석탄과 갈탄 함량은 골재에 유해한 물질에 해당된다. 그러나 이들 유해물질은 골재의 선별시 세척 등의 중간 생산공정에서 충분히 제거될 수 있으므로 이 논문에서는제외하였다.

모래의 평균입도는 골재의 체가름시험에서 정해진 체망(4.75mm, 2.36mm, 1.18mm, 0.6mm, 0.3mm, 0.15mm)을 이용하여 입도실험(KS F 2502, 2019)을 실시한 후 이들 자료로 누적분포곡선을 그린 후 누적곡선에서 50%되는 지점의 값(중앙값, d50)이며, 조립률은 골재의 입도를 표시하는 계수로서 앞의 정해진 체망에 남는 양의 누적중량 백분율의 합을 100으로 나눈 값으로 콘크리트에서는 2.3~3.1 범위를 갖는 모래를 사용하는 것을 권장하고 있다. 다만 이 범위를 벗어난 조립률을 갖는 모래는2종 이상의 모래를 혼합하여 입도를 조정할 수 있다.

절대건조밀도는 골재 내부의 공극에 포함되어 있는 물이 전부 제거된 상태인 골재 입자의 겉보기 밀도로서 골재의 절대 건조 상태 질량을 골재의 절대 용적으로 나눈값이다. 흡수율는 표면 건조 포화 상태의 골재에 함유되어 있는 전체 수량을 절대 건조 상태의 골재 질량으로나누어 백분율로 표시한 값이다.

모래의 광물조성 함량과 주성분화학조성은 한국지질자원연구원의 X-선 회절분석 장비인 Philips사의 X’Pert MPD 장비와 X-선 형광분석장비인 시마즈 MXF-2400를이용하여 분석을 실시하였다.

제외지에서 수행된 하천시추와 제내지에서 수행된 육상시추에서 얻어진 약 2,100여개의 시추코어 검층을 통하여 기반암 풍화대 상부의 퇴적층의 두께와 이 퇴적층내에서의 모래층 두께를 파악하였다. 퇴적층에서 모래층으로 구분한 기준은 100% 모래로 구성된 층부터 약 20~80%정도의 모래가 육안으로 확인되는 층(역사층, 사력층 포함)을 포함한다. 모래층의 부존이 확인된 약 2,100여공의시추코어의 검층결과를 Table 1에 제시하였다. 퇴적층의두께는 약 1m 내외에서 최대 66m까지의 분포범위를 보인다. 이들 중 퇴적층의 두께가 10m 이하인 시추코어는전체 시추코어의 약 78.3%이며, 10m 이상인 시추코어도약 22%이다(Fig. 2(A)). 특히, 퇴적층의 두께가 25m 이상인 시추코어도 약 30여개 공으로 전체 시추공의 약1.5%를 차지한다. 퇴적층의 두께가 10m 이하인 시추공들 중 4~6m 두께의 시추공이 전체 시추공의 약 48%를차지하며, 이를 확장하여 3~8m 구간은 약 65%이다(Fig. 2(A)). 따라서 골재자원조사가 수행된 지역의 제4기 퇴적층은 대부분 10m 이하인 것으로 파악되었다. 이에 따라모래층의 부존두께(Fig. 2(B))는 약 0.5m에서 10m 이상의 범위를 보이지만 0.5~4.0m 되는 코어가 전체 코어의약 70%를 차지하여 국내 퇴적층에서의 모래층의 두께는대체로 5m 내외인 것으로 보인다. 모래층의 두께가 5m이상인 시추공도 약 19%를 점유하여 지역에 따라서는모래의 부존이 두꺼운 곳도 있음을 알 수 있다.

Table 1 Thickness of sedimentary layer, sand layer, and abundance ratio of sand layer to sediment thickness

Thickness (m)Sedimentary layer (%)Thickness (m)Sand layer (%)Range (%)Sand layer/sedimentary layer
>251.5>104.690~1007.6
24~250.39.5~100.880~904.4
23~240.49.0~9.50.870~809.4
22~230.98.5~9.00.560~7010.3
21~220.58.0~8.50.550~6011.8
20~210.77.5~8.00.840~5012.6
19~201.17.0~7.50.830~4011.7
18~190.76.5~7.01.520~3013.5
17~181.06.0~6.51.910~2012.8
16~171.65.5~6.04.40~105.7
15~161.65.0~5.52.5
14~152.64.5~5.04.9
13~141.44.0~4.54.9
12~131.73.5~4.08.4
11~122.73.0~3.58.1
10~112.82.5~3.010.3
9~105.12.0~2.59.5
8~95.21.5~2.011.6
7~88.81.0~1.59.6
6~715.90.5~1.08.1
5~618.20.0~0.53.4
4~513.4
3~48.2
2~32.7
1~20.8


Fig. 2. Distribution of thickness. (A) the sedimentary layer, and (B) sand layer, (C) Occupancy ratio of sand layer in sedimentary layer.

전체 퇴적층 두께 대비 모래층의 점유율을 보면 대체로 총두께 대비 모래층은 대체로 0~100%까지 분포하고있음을 알 수 있다. 퇴적층이 모래로만 구성되어 있는 경우도 약 7%이지만 국내 퇴적층에서의 모래층의 점유율은 대체로 50% 이하이며, 전체 시추자료의 약 68%를 차지한다. 그러나 이러한 모래층의 부존특성은 모래층을 포함한 퇴적층만을 대상으로 조사한 것으로 국내에 분포하는 모든 퇴적층이 모래층을 포함한 것은 아니며 실제로는 모래층을 포함하지 않는 경우도 다수 있다.

앞에서 언급한 바와 같이 모래층에는 머드와 역이 포함되어 있는 경우도 있다. 따라서 하천 표층에서 채취된시료와 하천과 육상지역의 시추코어에서 채취된 약 1,600여개 시료에서 체질을 통해 모래, 머드, 자갈의 비율을구하여 실제 모래층으로 구분한 층에 모래의 함유비율이얼마인지를 파악하였다(Table 2). 전체적으로 모래층으로 분류된 층에서 모래가 90% 이상인 시료는 약 29%이며,모래의 비율이 50%인 시료는 약 84%에 달한다(Fig. 3).이에 비해 머드가 20% 이하로 함유된 시료는 약 85%,자갈이 20% 이하로 함유된 시료는 70% 이다. 그러나 골재원에 따라 모래의 점유율은 크게 달라진다(Fig. 3). 하천 표층모래는 모래가 90% 이상으로 구성된 시료가 약68%이며, 하천시추모래에서는 약 36%, 육상시추모래에서는 약 8%에 불과하여 골재원에 따라 모래층에 부존되어 있는 모래의 함량은 다양하다는 것을 알 수 있다. 특히, 육상시추코어들의 약 70%는 모래의 함량이 50~90%를 차지한다.

Table 2 Ratios(%) of mud, sand and gravel in sand layer

SandRiver surface sandRiver sand by boreholeLand sand by borehole
Range (%)MudSandGravelMudSandGravelMudSandGravelMudSandGravel
0-1021.570.6617.2999.050.2471.1277.901.1058.5644.520.3139.36
10-2064.280.3652.350.480.4814.8011.051.1011.6033.680.7220.66
20-308.192.4110.780.000.486.925.522.216.0812.813.5114.15
30-403.736.337.710.001.672.152.212.7610.505.999.6110.33
40-501.026.335.480.002.151.431.104.975.521.558.887.54
50-600.668.313.550.481.191.670.009.392.760.9311.784.86
60-700.3010.361.330.001.910.721.6611.601.100.2114.771.76
70-800.1814.100.840.007.880.480.5511.051.660.2118.390.93
80-900.0021.810.360.0016.230.480.0019.341.100.0023.860.21
90-1000.0629.340.300.0067.780.240.0036.461.100.108.160.21


Fig. 3. Abundance of sand in sand layer. (A) all sampled sand, (B) river surface sand, (C) river sand by drilling, (D) land sand by drilling.

국내의 모래가 어떤 광물들로 구성되어 있으며, 이들의 조성은 어떠한지를 파악하기 위해, 채취된 모래 시료중 약 950여개의 시료에 대해 X-선 정량분석을 실시하여 모래의 광물조성 및 함량을 분석하였다. 전체적으로모래의 주구성광물은 석영, 사장석, K-장석이며, 그 외의부성분광물로는 흑운모, 녹니석, 백운모(견운모 포함)가산출되며, 시료에 따라 자철석, 녹염석, 적철석 등이 매우 드물게 함유되기도 한다. Fig. 4에서 보는 바와 같이모래의 주성분광물인 석영은 40~80%의 함유량을 보이며, 50~65% 내외가 가장 높은 빈도를 나타낸다. 육상시추모래, 하천시추모래, 하천표층모래의 석영함량은 40~70% 구간이 가장 많으나 다소 다른 패턴을 보여 하천시추모래의 석영함량이 평균적으로 다소 낮으며 육상시추모래와 하천표층모래는 50~70%의 비슷한 석영함량 패턴을나타낸다.

Fig. 4. The quartz content in sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.

사장석은 전체 모래조성에서 약 20% 이하의 값을 보이며, 하천시추모래를 제외하고는 거의 비슷한 분포패턴을 보인다(Fig. 5). K-장석도 전체 모래조성에서 약 25%이하의 값이 우세하며, 하천시추모래와 하천표층모래는20~25%의 분포범위가 가장 우세하며, 점차 K-장석의 함량이 적어지는 추세를 보이며, 육상시추모래는 정규분포를 나타낸다(Fig. 6). 석영+장석이 모래에서 차지하는 점유율은 일부 모래를 제외하고는 대부분 70% 이상을 나타낸다. 전체 모래의 약 58%는 석영+장석 비율이 90%이상이며, 80~90% 구간은 35%을 보이며, 석영+장석이80% 이상 되는 모래는 전체 시료의 93%이다.

Fig. 5. The plagioclase content in sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.

Fig. 6. The K-feldspar content in sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.

국내 모래의 주성분광물은 언급한 바와 같이 석영, 사장석, K-장석이며, 이들 광물들이 모래의 90% 이상을 차지하고 있다. 이러한 특성은 화강암과 편마암의 분포비중이 높은 국내 지질특성을 반영한다고 할 수 있다. 특히, 한강, 금강, 낙동강 중상류지역 등 주요 하천의 중상류 지역에는 화강암의 분포가 우세하다.

채취된 모래시료들 중 약 750여 시료에 대해 주성분 화학분석을 실시하였다. 앞서 언급한 바와 같이 모래의주성분광물은 모두 규산염광물이며, 대부분 석영과 장석 조성이 매우 우세하다. 따라서 모래에서의 SiO2 조성도이들 광물조성에 크게 의존하고 있는데 Fig. 7에서 보는 바와 같이 75~85 wt.%의 범위가 가장 우세하게 분포한다. 하천시추모래는 80~85 wt.% 구간, 하천표층모래는 75~80 wt.% 구간이 가장 우세하다.

Fig. 7. Histogram of SiO2 content of sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.

모래에서의 평균입도는 체를 이용하여 체가름 실험을한 후 각각의 체에 남은 양을 측정하여 이를 누적분포곡선을 그린 후 누적 50%에 해당하는 값(중앙값, d50)이다.약 3,800여 모래 시료의 실험에서 얻은 국내 모래의 평균값은 0.5~1.0mm 구간이 전체 모래의 약 44%를 차지하여 가장 우세하였다(Fig. 8). 또한 1.0~1.5mm 구간은약 19%. 0.25~0.5mm 구간은 약 17%를 차지하며, 이들세 구간의 모래가 전체 모래의 79%을 점유하고 있다. 골재원별로는 평균입도의 구간은 큰 차이를 보이지는 않으며, 모두 0.5~1.0mm 구간이 가장 우세하게 분포한다. 따라서 국내 천연모래의 입도는 골재원에 따라서 큰 차이를 보이지 않으며 거의 비슷함을 알 수 있다.

Fig. 8. Distribution of grain size of sand (D50). (A) all sampled sand, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.

육상시추모래 약 1600여 시료, 하천시추모래 약 340여시료, 하천표층모래 약 650여 시료, 해안모래 약 60여 시료 등 총 2,700여 모래시료에 대한 절대건조밀도의 분포는 Fig. 9에 제시하였다. 모래의 밀도는 2.17 내외에서 약2.77까지의 분포범위를 보이는데 2.46~2.65 구간이 전체모래의 약 77% 내외로 가장 많은 분포를 보인다. 2.45이하의 밀도를 갖는 모래는 전체 모래의 약 20% 내외이며 골재원에 따라 밀도의 분포특성은 거의 동일하며, 양호한 정규분포를 보인다. 다만 해안모래의 경우 밀도의분포가 매우 좁은 것으로 나타났다. 또한 대체적으로 하천표층모래가 다른 모래들에 비해 밀도가 다소 낮은 특성을 보이고 있다.

Fig. 9. Histogram of absolute dry density of sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.

육상시추모래 약 1,700여 시료, 하천시추모래 약 340여 시료, 하천표층모래 약 640여 시료, 해안모래 약 60여시료 등 총 2,700여 시료에 대한 흡수율 분포는 Fig. 10에 제시하였다. 국내 모래의 흡수율은 0%에서 최대 7.8%까지의 범위를 보인다. 그러나 모래의 흡수율이 3% 이내인 시료는 약 93%이다. 육상시추모래, 하천시추모래, 하천표층모래 등 퇴적기원에 상관없이 약간의 점유율 차이만 있을 뿐이며, 시료의 90% 이상이 흡수율의 품질기준인 3% 이내로 적합하다.

Fig. 10. Histogram of absorption of sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.

육상시추모래 약 1,450여 시료, 하천시추모래 약 331여 시료, 하천표층모래 약 630여 시료, 해안모래 약 60여시료 등 총 2,500여개의 시료에 대한 안정성 실험 결과를 Fig. 11에 제시하였다. 국내 모래의 안정성은 0%에서39%까지의 범위를 보이지만 97% 이상의 모래는 10% 이내의 안정성을 나타낸다. 해안모래의 경우 분석된 모래의 약 20%가 10% 이상의 안정성 값을 보이는데 이들 시료의 대부분은 해안모래이다.

Fig. 11. Histogram of soundness of sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.

모래를 산업적으로 특히, 레미콘 산업에서 활용할 때 중요한 요소 중의 하나는 조립률이다. 조립률은 모래의입도크기 분포를 쉽게 숫자로 파악하기 위한 수단으로양질의 레미콘을 생산하기 위해서는 2.3~3.1의 범위의 조립률을 갖는 모래가 가장 적합한 모래이다. 국내 모래의조립률(Fig. 12)은 0.3~5.1까지의 분포를 보이며, 이 중 약39%만 2.3~3.1의 범위를 보이는 모래로 직접 사용이 가능하며, 나머지 품질기준을 벗어나는 모래들은 다른 품질기준을 만족한다면 서로 혼합하여 사용이 가능하다.

Fig. 12. Histogram of fitness modulus of sand. (A) all sampled sand, (B) land sand by drilling, (C) river surface sand, (D) river sand by drilling.

골재자원조사에서 수행된 퇴적층의 시추조사 자료를정리하여 모래층의 부존심도 및 현황, 모래의 입도, 그리고 골재로서 사용가능한지에 대한 품질을 파악하였으며,국내 모래층의 부존특성과 품질특성은 다음과 같다.

모래를 자원으로 특히, 건설자원의 모래로 활용하려면먼저 모래가 부존되어 있을 지역을 파악하고, 그 지역에대한 자원조사를 통해 모래의 부존심도를 파악하여 골재로 활용할 만한 물량이 부존되어 있는지를 파악해야 한다. 모래의 부존이 확인되면, 부존된 모래가 골재로서 활용가능한지에 대한 시험분석을 실시한다. 이 연구에서 대상이 되는 모래는 산림골재나 선별파쇄에서 생산되는 부순모래를 제외한 천연모래 즉, 논, 밭 등의 경작지 하부에 분포하는 모래층이며, 비교검토를 위해 해안모래도 분석하였다. 앞의 히스토그램에서 보는 바와 같이 하천모래의 경우 하천의 표면에 분포된 모래와 시추탐사에 의해 지하에 퇴적된 모래로 분리하여 분포특성과 품질을평가하였다.

모래층을 포함하고 있는 국내 미고결퇴적층의 심도는최대 66m 까지 확인된다. Fig. 12에서 보는 바와 같이 전국적으로 퇴적층의 심도는 거의 대부분 10m 이하이다. 그러나 한강, 금강, 영산강, 섬진강, 낙동강 등 하천과 그주변 지역에서의 퇴적층 심도가 다른 지역보다는 심도가대체로 깊으며, 특히 이들 하천이 해안에 가까워질수록,즉 하류로 갈수록 퇴적층의 두께가 두꺼워짐을 알 수 있다. 특히, 주변의 퇴적층의 심도들에 비해 예외적으로 깊은 30m 이상인 지역들은 지질학적으로 다른 구조적인 요인이 복합적으로 작용하여 깊어진 것으로 볼 수 있다.

퇴적층에서의 모래층의 두께는 전체를 구성하는 퇴적층의 심도(두께)에 영향을 받는다. 따라서 국내 퇴적층에서의 모래층의 부존율은 약 60% 이내이다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 부존비율이 70~20% 지역이 대부분이며, 퇴적층의 두께에 따른 부존율의 편차는 크지 않다. 퇴적층에서 모래층 두께는 약 67% 정도가 0.5~4m 구간에 속하며, 이는 국내 제4기 미고결퇴적층에서 모래층의 평균적인 두께라 할 수 있다. 그러나 Fig. 13에서 보는 바와 같이 모래층의 두께가 10m 이상인 지역도 낙동강 중하류,섬진강 하류, 그리고 동해안의 영덕, 삼척, 강릉 등의 일부 지역에 분포한다. 퇴적층에서 모래층의 두께가 두꺼워질수록 골재개발의 가능성은 커지지만 현재의 개발방식으로는 지표하부 약 4~5m 심도 내의 모래층을 대상으로 골재개발이 가능하다. 이보다 더 심부에 부존하는 모래는 바지선을 이용해야 하며, 개발된 심도만큼의 복구재 확보가 필요하므로 심부의 모래를 개발하기는 어려우므로 이보다 더 심부의 모래를 개발을 하고자 한다면 개발방식의 개선이 필요할 것이다.

Fig. 13. Quaternary unconsolidated sedimentary layer. (A) depth and (B) thickness of sand layer.

수계별로 보았을 때 낙동강은 태백에서 안동, 상주, 칠곡, 대구, 고령, 창녕, 창원, 부산 등을 지나 남해로 흘러들어 가는데 태백에서 안동 북부의 낙동강 상류구간에는모래가 거의 부존되지 않으며, 하천에 암반이 노출되어있거나 자갈이 매우 우세하다. 안동지역을 지나면서부터 모래의 퇴적이 우세해지기 시작하며, 부산의 낙동강 하구까지 모래가 퇴적된다. 골재로서 활용이 가능한 모래는 안동에서 고령, 창녕 지역까지 입도 측면에서 양호한모래가 퇴적되어 있으며, 창녕 이남으로는 모래의 퇴적은 양호하지만 Fig. 14(A)Fig. 16(D)에서 보는 바와 같이 입도가 작아지며, 조립률도 2.3 이하로 기준값 이하로골재로 사용하기에 많은 제약이 있음을 알 수 있다. 이러한 특성은 한강 중류의 여주, 이천, 서울, 금강 중류의세종, 공주, 부여, 영산강 중류의 광주, 나주에 모래의 퇴적이 우세한 국내의 주요 하천에서 공통적으로 나타나는현상이다. 따라서 골재로 사용하기에 적합한 모래는 대부분 하천의 중류지역이다. 그러나 다른 물성들 밀도나흡수율, 안정성 등은 입도 크기와는 관계없이 골재의 품질 기준은 대체로 충족시킨다.

Fig. 14. The average grain size(A) and contents of sand(B), gravel(C), and mud(D) of natural sand in Korea.

Fig. 16. The physical properties of the natural sands in Korea. (A) absolute dry density, (B) absorption, (C) soundness, (D) fitness modulus.

앞서 언급한 바와 같이 퇴적층에서 모래층 구간을 설정하였지만 모래층 내의 퇴적물이 모두 모래로만 구성된것은 아니다. Fig. 13에서 보는 바와 같이 약 75%의 모래층 구간에서 모래를 60% 이상 함유하고 있다. 90% 이상 함유한 모래층도 전체의 약 30%이다. 거창, 무주, 여수, 순천, 영천, 청도, 경산 등의 모래층 내 모래 함량이약 40% 내외의 분포를 보이는데 대체로 지역의 평균고도가 높은 지역이거나 퇴적층의 발달이 미약한 지역이다(Fig. 13). 모래층에는 모래 이외에 자갈과 머드가 함께포함되는데 자갈은 대부분 20% 내외, 머드도 대부분 20%이내로 분포한다. 위에서 언급한 모래의 함량이 낮은 지역은 머드보다는 자갈의 발달이 우세하다. 골재는 모래층을 대상으로 개발을 하는데 층에 모래가 많이 포함되어 있을수록 많은 물량을 확보할 수 있으며, 자갈과 머드가 우세하다면 모래층이라 하더라도 경제적인 측면에서 개발의 가능성이 낮아진다.

모래의 주구성광물은 석영, 사장석, K-장석이며, 모래내에 이들 광물들이 90% 이상 구성되어 있다. 이러한 분포패턴은 모래의 기원지나 주변 지질의 특성에 따른 서로 다른 패턴은 보이지 않는다(Fig. 14). 모래의 주구성광물은 화강암과 편마암의 주조성광물이다. 그 밖의 퇴적암이나 화산암들은 이들 광물들이 우세하지는 않으며,풍화 퇴적작용에 의해 모래 입자로 분리되기 보다는 점토나 실트 크기로 분리되기 쉬운 특성을 보인다. 따라서지질분포에 따라 서로 다른 패턴을 보이지 않는 것은 모래가 화강암과 편마암과 같은 규산질이며, 어느 정도의입도를 갖은 암석에서 모래가 만들어지기 쉬우므로 화강암과 편마암이 매우 우세한 국내의 지질특성을 반영한다고 할 수 있다. 그러나 모래의 부존이 우세한 한강, 금강,영산강, 낙동강들의 중상류 지역은 대부분 화강암 저반들이 분포하고 있다. 낙동강의 중상류의 안동, 예천, 춘양지역에는 쥬라기의 화강암 저반에 넓게 분포하고 있으며, 이 화강암 저반의 풍화, 퇴적작용으로 주변 소하천들을 통해 낙동강으로 다량의 모래가 퇴적되었다. 실제로모래가 많이 부존되어 있는 구미, 칠곡, 대구, 고령지역의 낙동강 주변은 화강암보다는 경상누층군의 퇴적암이 매우 우세하게 발달한다. 이들 지역의 모래 부존은 상류의 화강암 저반뿐만 아니라 낙동강 중류지역으로 유입되는 위천, 감천, 회천에도 모래의 부존이 우세하여, 낙동강의 모래가 이들로 부터도 유입된 것으로 보인다. 이들하천들의 상류지역 역시 화강암이 우세하게 분포한다. 한강은 중상류의 춘천, 홍천, 여주, 충주 등지에 화강암 저반이 발달하며, 금강은 세종, 청주, 옥천, 금산 등지에, 그리고 영산강은 순창, 광주, 나주 등지에 화강암 저반이분포하여, 화강암 저반 주변에는 편마암 복합체가 발달하고 있어 모래의 광물조성에서 보듯이 대부분의 모래가화강암과 편마암 조성에서 유래되었을 것으로 추정할 수있다.

이와 같이 이들 주요하천에서는 모래의 부존이 양호하여 과거부터 모래의 채취가 활발히 이루어졌다. 이들 하천이 통과하는 지역에서는 수십만 m3를 매년 채취하였다.

골재의 물리적 품질(Fig. 15) 중에서 흡수율(품질기준3.0% 이하 적합)과 안정성(품질기준 10.0% 이하 적합)은거의 모든 모래에서 품질기준을 만족한다. 흡수율은 전체 모래의 약 90%가 품질기준에 적합하며, 안정성은 약87%의 모래가 품질기준에 적합하다. 그러나 절대건조밀도는 이들 두 물성과는 달리 품질기준에 적합한 모래는전제 모래시료의 약 66%이며, 조립률은 약 40% 정도만이 품질기준을 만족하고 있다. 그러나 조립률의 품질기준을 벗어나더라도 조립률의 품질기준에 적합하게 서로혼합하여 사용할 수 있다. 왜냐하면 모래의 다른 물성들은 레미콘의 강도 등에 직접적인 영향을 끼치지만 조립률은 강도에는 전혀 영향이 없으며 단지 레미콘의 배합시 가장 효율적으로 배합을 할 수 있는 조건의 요건이므로 다른 물성의 값이 품질기준을 충족한다면 서로 다른조립률을 보이는 모래를 혼합하여 사용할 수 있기 때문이다.

Fig. 15. The chemistry and mineral compositions of natural sand in Korea. (A) SiO2, (B) quartz, (C) plagioclase, (D) K-feldspar.

종합적으로 보면 국내 퇴적층 두께에서 모래층은 약60% 내외를 점유하며, 모래층에서 머드와 자갈을 제외한순수한 모래는 약 60% 수준이다. 또한 모래층의 두께는대체로 4m 내외가 우세하다. 모래의 입도는 0.5~1.0mm가 우세하며, 조립률은 혼합조정이 가능하므로 대부분의모래는 골재로서의 활용은 가능하다. 품질 측면에서 극히 일부 모래를 제외하고는 흡수율, 안정성 등은 품질기준에 적합하나 밀도는 기준보다 낮은 것들도 다수 존재하는 것으로 나타났다. 밀도의 품질기준인 2.5는 골재로서 활용할 수 있는 최소한의 기준이다. 광물에서 석영의밀도는 약 2.65내외, 장석의 밀도는 2.6~2.7 정도이다. 동일한 광물조성을 갖는 모래의 밀도는 이들 광물들의 밀도보다는 약간 낮은 편이다. 이는 이들 광물들이 암석에신선한 상태로 존재하고 있으면 이러한 값들을 보이지만암석이 풍화, 운반, 퇴적되는 과정에서 광물들은 풍화를 받고, 부서지는 등의 손상을 입게 되어 신선한 상태의 물성보다는 낮은 값을 갖게 되므로 이러한 현상을 감안하여 골재에서의 밀도값은 신선한 상태의 값보다 다소 낮게 하여 골재로서 사용가능하게 하였다. 이보다도 더 현저하게 낮아진다면, 콘크리트 타설과 건물의 구조상 지지력이나 압축하중에 문제가 생길 수 있다. 따라서 국내 모래를 골재로서 활용하는데 가장 중요한 물성은 입도와밀도라 할 수 있을 것이다.

1) 국내 제4기 미고결 퇴적층은 최대 66m까지의 심도를 보이지만 평균적으로 10m 내외 퇴적층이 가장 우세하게 발달한다. 20m 이상의 퇴적층은 주로 주요 하천과해안 쪽에 주로 발달한다. 퇴적층 내에서의 모래층의 두께는 0.5~4.0m 구간이 약 70%로 가장 우세하며, 5m 이상 구간이 약 20% 산출되는데 주요하천, 해안 쪽으로는모래층이 10m 이상 산출되기도 한다.

2) 모래층에서의 모래, 자갈, 머드는 대체로 60:20:10의비율로 나타나 모래층에서 모래가 가장 우세하며, 그 다음으로 자갈, 머드의 순이다. 모래를 구성하는 주구성광물은 석영, 사장석, K-장석이며, 부구성광물로는 백운모,흑운모, 녹니석, 자철석, 녹염석 등이다. 석영은 약 45~75%,사장석과 K-장석은 각각 약 5~20%, 그 외의 부구성광물은 10% 이내이다. 따라서 국내 모래에서의 석영, 사장석, K-장석 구성비가 90% 이상이다.

3) 국내 모래의 평균 입도는 0.5~1.0mm로 모래시료의약 44%가 이에 속한다. 1.0~1.5mm 입도는 전체모래의19%, 0.125~0.25mm 입도는 전체모래는 약 9%를 점유하고 있다.

4) 골재로 활용하기 위한 모래의 품질 기준에서 보면흡수율, 안정성은 거의 모든 모래층에서 품질기준에 적합한 것으로 판정되며, 절대건조밀도는 약 66%가 품질기준에 적합하다. 조립률은 모래층의 약 40%가 기준에적합하지만, 다른 품질조건이 양호하다면 조립률이 낮은모래와 높은 모래를 혼합하여 사용하는 것이 가능하므로실제로는 모래층의 약 60%가 골재로 이용가능하다.

이 연구는 한국지질자원연구원에서 수행하고 있는 국토교통부 “2024년 골재자원조사 및 관리(IP2024-008-2024)”의 지원으로 수행되었습니다. 또한 논문에 대한 세심한 검토와 제안을 해주신 심사위원 분들께 감사드립니다.

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Article

Special Research Paper on “Research on Aggregate Resources in Korea (II)”

Econ. Environ. Geol. 2024; 57(2): 185-204

Published online April 30, 2024 https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.185

Copyright © THE KOREAN SOCIETY OF ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL GEOLOGY.

Natural Sand in Korea – Quality Evaluation –

Sei Sun Hong, Jin Young Lee*

Quaternary Environment Research Center, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, 124 Gwahak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34132, Korea

Correspondence to:*jylee@kigam.re.kr

Received: March 4, 2024; Revised: April 7, 2024; Accepted: April 8, 2024

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 original work is properly cited.

Abstract

This study was conducted for evaluation the geological, physical, and chemical properties of domestic sand by analyzing about 4,800 quality data of natural sand from river and land area surveyed until 2023 through the aggregate resource survey conducted by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport. The average depth of the Quaternary unconsolidated sedimentary layer in Korea, which includes a sand layer, is about 10m (maximum depth 66m). The thickness of the sand layer within the sedimentary layer is most dominant in the range of 0.5m to 4.0m. This accounts for about 70% of the entire sand layer. In the sand layer, the ratio of sand, gravel, and clay is 60:20:10. Regardless of the provenance or geology, the sand is mainly composed of quartz, plagioclase, and K-feldspar, and the minor minerals are muscovite, biotite, chlorite, magnetite, epidote. The sand includes in 45~75% of quartz, 5~20% of plagioclase and K-feldspar, each other. And other minor minerals are included in 10%. The average grain size of sand is 0.5mm to 1.0mm, which accounts for 44% of sand samples. The water absorption rate and soundness are estimated to be suitable for aggregate quality standard in almost all sand, and the absolute dry density is suitable for 66%.

Keywords natural sand, thickness of sand layer, mineral, absolute dry density, absorption, soundness, fitness modulus

한국의 모래 -품질평가-

홍세선 · 이진영*

한국지질자원연구원 제4기환경연구센터

Received: March 4, 2024; Revised: April 7, 2024; Accepted: April 8, 2024

요 약

이 연구는 국토교통부에서 수행하고 있는 골재자원조사를 통해 2023년까지 조사된 하천, 육상골재에서 천연모래의 약 4,800여 품질시험자료를 분석하여 국내 모래의 지질학적, 물리적, 화학적 특성을 평가하였다. 모래층을 포함하고 있는 국내 제4기미고결 퇴적층의 평균심도는 10m 내외이다(최대 66m). 퇴적층 내에서의 모래층의 두께는 0.5m~4.0m 구간이 약 70%로 가장 우세하다. 모래층에서의 모래, 자갈, 점토는 대체로 60:20:10의 비율로 나타나며, 모래의 주구성광물은 석영, 사장석, K-장석이며, 부구성광물로는 백운모, 흑운모, 녹니석, 자철석, 녹염석 등이다. 석영은 약 45~75%, 사장석과 K-장석은 각각 약 5~20%,그 외의 부구성광물은 10% 이내이다. 국내 모래의 평균 입도는 0.5mm~1.0mm로 모래시료의 약 44%가 이에 속한다. 1.0mm~1.5mm입도는 전체모래의 19%, 0.125mm~0.25mm 입도는 전체모래는 약 9%를 점유하고 있다. 골재로 활용하기 위한 모래의 품질기준에서 보면 흡수율, 안정성의 거의 모든 모래층에서 품질기준에 적합한 것으로 판정되며, 절대건조밀도는 약 66%가 적합하다.

주요어 천연모래, 모래층두께, 광물, 절대건조밀도, 흡수율, 안정성, 조립율

Research Highlights

  • The thickness of sand layer in the sedimentary layer is dominent in the range of 0.5m to 4.0m.

  • In Korea, the average grain size of sand in Quaternary sedimentary deposits is 0.5mm to 1.0mm.

  • Regardless of the provenance or geology, the sand is mainly composed of quartz, plagioclase, and K-feldspar.

  • The water absorption rate and soundness are estimated to be suitable for aggregate quality standard in almost all sand, and the absolute dry density is suitable for 66%.

1. 서론

모래는 쇄설성퇴적물 층에서 머드(점토와 실트), 자갈과 더불어 주구성 퇴적물의 하나이다. 특히, 모래는 머드,자갈과는 달리 산업적으로 반도체, 유리, 건설재료인 골재 등 다양하게 활용되고 있어 지하자원의 측면에서 매우 중요하다. 일반적으로 모래는 다양한 퇴적환경에서 퇴적되어 분포하고 있지만 산업적으로 이용되기 위해서는모래가 집중적으로 퇴적된 모래층을 찾아야 하며, 모래층의 부존이 확인되더라도 그 모래가 산업적으로 이용할수 있는 품질을 갖고 있는지를 평가하여 적합한 용도로구분하여 사용할 수 있다.

퇴적학에서 학문적으로 정의한 모래와 골재와 같이 산업적으로 사용하는 모래는 정의에 있어 다소 차이를 보인다. 여기에서는 퇴적학적인 관점에서의 모래와 골재로서의 모래에 대해 비교설명하면 다음과 같다. 보통 “모래”는 입자의 물리적, 화학적 성질과는 관계없이 단순히크기를 구분하는데 사용되는 용어이다. 따라서 모래는 다양한 물리적인 성질, 화학조성을 가질 수 있으며, 광물,플라스틱과 같은 인공제조물질, 자연생물물질들이 모래라는 크기를 가지면 모래라 할 수 있다. 그러나 퇴적학적으로는 다양한 퇴적환경에서 자연적으로 풍화퇴적된모래 크기의 입자를 모래라 한다.

퇴적학에서는 0.063mm~2mm 사이의 입자를 갖는 광물 또는 암편을 모래로 정의하며, 2mm 보다 크면 자갈, 0.063mm 보다 작으면 실트, 점토로 분류한다. 2~4mm 사이는 왕모래(granule)라 하여 자갈에 포함시킨다. 그러나국가표준에서는 모래의 정의(KS F 2523, 2527, 2022)가약간 다르다. 국가표준에서는 입자 크기에 따라 굵은골재와 잔골재로 분류하며, 굵은골재는 5mm~90mm 크기범위를, 잔골재는 5mm 이하의 크기 범위를 보이는 물질이다. 따라서 퇴적학에서는 자갈로 분류되는 왕모래도 골재기준에서는 모래에 포함된다. 또한 국가표준에서는 모래라는 용어보다는 잔골재라는 용어를 사용하는데 이는지질학적인 과정을 거쳐 퇴적된 모래뿐만 아니라 다양한발생원에서 모래의 크기로 파쇄된 물질(슬래그 등)들도모래의 크기를 가지는 물질이 포함되기 때문이다. 또한발생원에 따라 천연골재, 부순골재, 슬래그골재, 순환골재, 경량골재 등으로 분류하며, 이들이 모래의 크기로 입도가 조정되면 모두 잔골재라 한다.

골재채취법에서는 모래가 부존되어 있는 방식에 따라하천모래, 육상모래, 바다모래, 부순모래 등으로 구분한다. 이들 중 하천모래는 하천의 제방을 기준으로 제방과제방사이 즉, 하천구역인 제내지에 퇴적된 모래이며, 육상모래는 하천구역 바깥(제외지)의 경작지 및 산지가 아닌 구역에 부존되어 있는 모래이다. 산림모래는 지적상 산지에서 채취되는 모래이며, 바다모래는 연안, 배타적경제수역 등 해저에서 채취되는 모래이다. 부순모래는 암석을 인위적으로 파쇄공정을 통해 부수어서 모래크기의입자를 만든 것이다. 따라서 골재채취법에서의 모래 분류는 지적을 기준으로 하며, 산림지역에서 채취되면 산림모래, 하천지역에서 채취되면 하천모래, 바다에서 채취되면 바다모래라 하고 그 외의 지역에서 채취되면 육상모래라 한다.

퇴적학에서는 모래의 입도, 퇴적양상, 퇴적구조 등이주요 연구대상이지만 산업적으로는 입도뿐만 아니라 그외의 일정기준을 충족하는 물리화학적 품질(밀도, 흡수율,안정성 등)이 더 중요하다.

국내에서 골재자원의 활용적인 측면에서 제4기 미고결퇴적층을 대상으로 특히, 모래의 관점에서 연구를 하였던 경우는 매우 드물며(Kim, 2001; Ko et al., 2023: Oh et al., 2010; Oh et al., 2008), 주로 고기후, 고환경, 퇴적학적 연구가 다수를 이룬다. 따라서 이 연구에서는 국내제4기 미고결퇴적층에서 모래층을 산업적인 관점에서 부존지역, 부존두께 등의 부존특성과 모래의 품질특성을 파악하여 산업적으로 활용 가능여부를 알아보고자 하였다.이를 위해 1993년부터 골재채취법에 따라 골재자원조사가 시행된 전국의 광역시, 시군들 보고서에서 퇴적층 조사결과, 품질시험 등의 자료를 정리하였다(KIGAM, 1993, 1994, 1995, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006a, 2006b, 2007a, 2007b, 2008a, 2008b, 2009, 2010a, 2010b, 2011, 2012a, 2012b, 2013a, 2013b, 2014a, 2014b, 2015a, 2015b, 2016, 2017, 2018a, 2018b, 2019a, 2019b, 2019c, 2019d, 2019e, 2020a, 2020b, 2020c, 2020d, 2020e, 2020f, 2021a, 2021b, 2021c, 2021d, 2021e, 2021f, 2021g, 2022a, 2022b, 2022c, 2022d, 2022e, 2022f, 2023a, 2023b, 2023c, 2023d, 2023e; KORES, 2007a, 2007b, 2008, 2009; K-Water, 2008, 2009a, 2009b, 2010a, 2010b, 2010c, 2010d, 2011a, 2011b, 2011c, 2011d, 2012a, 2012b, 2012c, 2012d, 2013, 2014a, 2014b, 2015a, 2015b, 2016a, 2016b, 2017a, 2017b, 2017c, 2017d, 2018a, 2018b). 수집된 데이터는 국내의 제4기 동안에 퇴적된 쇄설성 퇴적층에 부존되어 있는 모래층에 대해 모래층의두께, 부존율(총 퇴적층 두께 대비 모래층의 점유율), 입도, 평균크기(중앙값, d50), 밀도, 흡수율, 안정성, 조립률, 광물조성, 화학조성 등이다. 이들 모래의 물성, 화학성 등을 정리하여, 우리나라 모래의 특성을 파악하고, 퇴적학의 관점보다는 골재로서의 사용가능성에 초점을 맞추어 산업에 적합하게 사용할 수 있는지를 판단하고자하였다.

2. 연구방법

이번 연구에서는 1993년부터 2023년까지 한국지질자원연구원, 한국수자원공사에서 수행된 시도 및 시군단위골재자원조사의 보고서를 기반으로 퇴적층, 모래층 두께,물성자료, 광물조성, 화학조성 자료와. 모래시료 채취 지점들의 위경도를 측량하여 GIS 기반의 모래 분포도를 작성하였으며, 이들 토대로 각종 물성 데이터들의 공간적인 분포 특성을 파악하였다.

골재자원조사에서 품질시험이 실시된 모래시료는 약4,800여개이며, 이들 중 하천시추조사에 의해 확보된 모래시료는 약 1,180여개, 하천표층모래는 약 1,190개, 육상시추조사에 의해 확보된 모래시료는 2,450여개이다(Fig. 1).

Figure 1. Sampling sites of natural sand in Korea.

퇴적층의 두께는 시추조사를 통해 얻어진 코어를 바탕으로 기반암풍화대 상부의 퇴적층 두께이며, 이들 중 육안으로 모래가 우세하게 부존된 층을 모래층으로 분류하였다. 품질시험은 국가표준인 KS규격에 따라 밀도는 KSF 2504(2019)인 “잔골재의 밀도와 흡수율 시험방법”, 잔입자는 KS F 2511인 “골재에 포함된 잔입자(0.08mm체를 통과하는) 시험방법”, 안정성은 KS F 2507(2022)인 “골재의 안정성 시험방법”으로 구하였다. 밀도, 흡수율(KS F 2507, 2022), 안정성(KS F 2507, 2022)은 모래 자체의 고유성질인 물성이며, 점토덩어리, 잔입자, 염화물,석탄과 갈탄 함량은 골재에 유해한 물질에 해당된다. 그러나 이들 유해물질은 골재의 선별시 세척 등의 중간 생산공정에서 충분히 제거될 수 있으므로 이 논문에서는제외하였다.

모래의 평균입도는 골재의 체가름시험에서 정해진 체망(4.75mm, 2.36mm, 1.18mm, 0.6mm, 0.3mm, 0.15mm)을 이용하여 입도실험(KS F 2502, 2019)을 실시한 후 이들 자료로 누적분포곡선을 그린 후 누적곡선에서 50%되는 지점의 값(중앙값, d50)이며, 조립률은 골재의 입도를 표시하는 계수로서 앞의 정해진 체망에 남는 양의 누적중량 백분율의 합을 100으로 나눈 값으로 콘크리트에서는 2.3~3.1 범위를 갖는 모래를 사용하는 것을 권장하고 있다. 다만 이 범위를 벗어난 조립률을 갖는 모래는2종 이상의 모래를 혼합하여 입도를 조정할 수 있다.

절대건조밀도는 골재 내부의 공극에 포함되어 있는 물이 전부 제거된 상태인 골재 입자의 겉보기 밀도로서 골재의 절대 건조 상태 질량을 골재의 절대 용적으로 나눈값이다. 흡수율는 표면 건조 포화 상태의 골재에 함유되어 있는 전체 수량을 절대 건조 상태의 골재 질량으로나누어 백분율로 표시한 값이다.

모래의 광물조성 함량과 주성분화학조성은 한국지질자원연구원의 X-선 회절분석 장비인 Philips사의 X’Pert MPD 장비와 X-선 형광분석장비인 시마즈 MXF-2400를이용하여 분석을 실시하였다.

3. 국내 모래층의 부존 특성

제외지에서 수행된 하천시추와 제내지에서 수행된 육상시추에서 얻어진 약 2,100여개의 시추코어 검층을 통하여 기반암 풍화대 상부의 퇴적층의 두께와 이 퇴적층내에서의 모래층 두께를 파악하였다. 퇴적층에서 모래층으로 구분한 기준은 100% 모래로 구성된 층부터 약 20~80%정도의 모래가 육안으로 확인되는 층(역사층, 사력층 포함)을 포함한다. 모래층의 부존이 확인된 약 2,100여공의시추코어의 검층결과를 Table 1에 제시하였다. 퇴적층의두께는 약 1m 내외에서 최대 66m까지의 분포범위를 보인다. 이들 중 퇴적층의 두께가 10m 이하인 시추코어는전체 시추코어의 약 78.3%이며, 10m 이상인 시추코어도약 22%이다(Fig. 2(A)). 특히, 퇴적층의 두께가 25m 이상인 시추코어도 약 30여개 공으로 전체 시추공의 약1.5%를 차지한다. 퇴적층의 두께가 10m 이하인 시추공들 중 4~6m 두께의 시추공이 전체 시추공의 약 48%를차지하며, 이를 확장하여 3~8m 구간은 약 65%이다(Fig. 2(A)). 따라서 골재자원조사가 수행된 지역의 제4기 퇴적층은 대부분 10m 이하인 것으로 파악되었다. 이에 따라모래층의 부존두께(Fig. 2(B))는 약 0.5m에서 10m 이상의 범위를 보이지만 0.5~4.0m 되는 코어가 전체 코어의약 70%를 차지하여 국내 퇴적층에서의 모래층의 두께는대체로 5m 내외인 것으로 보인다. 모래층의 두께가 5m이상인 시추공도 약 19%를 점유하여 지역에 따라서는모래의 부존이 두꺼운 곳도 있음을 알 수 있다.

Table 1 . Thickness of sedimentary layer, sand layer, and abundance ratio of sand layer to sediment thickness.

Thickness (m)Sedimentary layer (%)Thickness (m)Sand layer (%)Range (%)Sand layer/sedimentary layer
>251.5>104.690~1007.6
24~250.39.5~100.880~904.4
23~240.49.0~9.50.870~809.4
22~230.98.5~9.00.560~7010.3
21~220.58.0~8.50.550~6011.8
20~210.77.5~8.00.840~5012.6
19~201.17.0~7.50.830~4011.7
18~190.76.5~7.01.520~3013.5
17~181.06.0~6.51.910~2012.8
16~171.65.5~6.04.40~105.7
15~161.65.0~5.52.5
14~152.64.5~5.04.9
13~141.44.0~4.54.9
12~131.73.5~4.08.4
11~122.73.0~3.58.1
10~112.82.5~3.010.3
9~105.12.0~2.59.5
8~95.21.5~2.011.6
7~88.81.0~1.59.6
6~715.90.5~1.08.1
5~618.20.0~0.53.4
4~513.4
3~48.2
2~32.7
1~20.8


Figure 2. Distribution of thickness. (A) the sedimentary layer, and (B) sand layer, (C) Occupancy ratio of sand layer in sedimentary layer.

전체 퇴적층 두께 대비 모래층의 점유율을 보면 대체로 총두께 대비 모래층은 대체로 0~100%까지 분포하고있음을 알 수 있다. 퇴적층이 모래로만 구성되어 있는 경우도 약 7%이지만 국내 퇴적층에서의 모래층의 점유율은 대체로 50% 이하이며, 전체 시추자료의 약 68%를 차지한다. 그러나 이러한 모래층의 부존특성은 모래층을 포함한 퇴적층만을 대상으로 조사한 것으로 국내에 분포하는 모든 퇴적층이 모래층을 포함한 것은 아니며 실제로는 모래층을 포함하지 않는 경우도 다수 있다.

앞에서 언급한 바와 같이 모래층에는 머드와 역이 포함되어 있는 경우도 있다. 따라서 하천 표층에서 채취된시료와 하천과 육상지역의 시추코어에서 채취된 약 1,600여개 시료에서 체질을 통해 모래, 머드, 자갈의 비율을구하여 실제 모래층으로 구분한 층에 모래의 함유비율이얼마인지를 파악하였다(Table 2). 전체적으로 모래층으로 분류된 층에서 모래가 90% 이상인 시료는 약 29%이며,모래의 비율이 50%인 시료는 약 84%에 달한다(Fig. 3).이에 비해 머드가 20% 이하로 함유된 시료는 약 85%,자갈이 20% 이하로 함유된 시료는 70% 이다. 그러나 골재원에 따라 모래의 점유율은 크게 달라진다(Fig. 3). 하천 표층모래는 모래가 90% 이상으로 구성된 시료가 약68%이며, 하천시추모래에서는 약 36%, 육상시추모래에서는 약 8%에 불과하여 골재원에 따라 모래층에 부존되어 있는 모래의 함량은 다양하다는 것을 알 수 있다. 특히, 육상시추코어들의 약 70%는 모래의 함량이 50~90%를 차지한다.

Table 2 . Ratios(%) of mud, sand and gravel in sand layer.

SandRiver surface sandRiver sand by boreholeLand sand by borehole
Range (%)MudSandGravelMudSandGravelMudSandGravelMudSandGravel
0-1021.570.6617.2999.050.2471.1277.901.1058.5644.520.3139.36
10-2064.280.3652.350.480.4814.8011.051.1011.6033.680.7220.66
20-308.192.4110.780.000.486.925.522.216.0812.813.5114.15
30-403.736.337.710.001.672.152.212.7610.505.999.6110.33
40-501.026.335.480.002.151.431.104.975.521.558.887.54
50-600.668.313.550.481.191.670.009.392.760.9311.784.86
60-700.3010.361.330.001.910.721.6611.601.100.2114.771.76
70-800.1814.100.840.007.880.480.5511.051.660.2118.390.93
80-900.0021.810.360.0016.230.480.0019.341.100.0023.860.21
90-1000.0629.340.300.0067.780.240.0036.461.100.108.160.21


Figure 3. Abundance of sand in sand layer. (A) all sampled sand, (B) river surface sand, (C) river sand by drilling, (D) land sand by drilling.

국내의 모래가 어떤 광물들로 구성되어 있으며, 이들의 조성은 어떠한지를 파악하기 위해, 채취된 모래 시료중 약 950여개의 시료에 대해 X-선 정량분석을 실시하여 모래의 광물조성 및 함량을 분석하였다. 전체적으로모래의 주구성광물은 석영, 사장석, K-장석이며, 그 외의부성분광물로는 흑운모, 녹니석, 백운모(견운모 포함)가산출되며, 시료에 따라 자철석, 녹염석, 적철석 등이 매우 드물게 함유되기도 한다. Fig. 4에서 보는 바와 같이모래의 주성분광물인 석영은 40~80%의 함유량을 보이며, 50~65% 내외가 가장 높은 빈도를 나타낸다. 육상시추모래, 하천시추모래, 하천표층모래의 석영함량은 40~70% 구간이 가장 많으나 다소 다른 패턴을 보여 하천시추모래의 석영함량이 평균적으로 다소 낮으며 육상시추모래와 하천표층모래는 50~70%의 비슷한 석영함량 패턴을나타낸다.

Figure 4. The quartz content in sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.

사장석은 전체 모래조성에서 약 20% 이하의 값을 보이며, 하천시추모래를 제외하고는 거의 비슷한 분포패턴을 보인다(Fig. 5). K-장석도 전체 모래조성에서 약 25%이하의 값이 우세하며, 하천시추모래와 하천표층모래는20~25%의 분포범위가 가장 우세하며, 점차 K-장석의 함량이 적어지는 추세를 보이며, 육상시추모래는 정규분포를 나타낸다(Fig. 6). 석영+장석이 모래에서 차지하는 점유율은 일부 모래를 제외하고는 대부분 70% 이상을 나타낸다. 전체 모래의 약 58%는 석영+장석 비율이 90%이상이며, 80~90% 구간은 35%을 보이며, 석영+장석이80% 이상 되는 모래는 전체 시료의 93%이다.

Figure 5. The plagioclase content in sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.

Figure 6. The K-feldspar content in sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.

국내 모래의 주성분광물은 언급한 바와 같이 석영, 사장석, K-장석이며, 이들 광물들이 모래의 90% 이상을 차지하고 있다. 이러한 특성은 화강암과 편마암의 분포비중이 높은 국내 지질특성을 반영한다고 할 수 있다. 특히, 한강, 금강, 낙동강 중상류지역 등 주요 하천의 중상류 지역에는 화강암의 분포가 우세하다.

채취된 모래시료들 중 약 750여 시료에 대해 주성분 화학분석을 실시하였다. 앞서 언급한 바와 같이 모래의주성분광물은 모두 규산염광물이며, 대부분 석영과 장석 조성이 매우 우세하다. 따라서 모래에서의 SiO2 조성도이들 광물조성에 크게 의존하고 있는데 Fig. 7에서 보는 바와 같이 75~85 wt.%의 범위가 가장 우세하게 분포한다. 하천시추모래는 80~85 wt.% 구간, 하천표층모래는 75~80 wt.% 구간이 가장 우세하다.

Figure 7. Histogram of SiO2 content of sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.

4. 모래의 품질

모래에서의 평균입도는 체를 이용하여 체가름 실험을한 후 각각의 체에 남은 양을 측정하여 이를 누적분포곡선을 그린 후 누적 50%에 해당하는 값(중앙값, d50)이다.약 3,800여 모래 시료의 실험에서 얻은 국내 모래의 평균값은 0.5~1.0mm 구간이 전체 모래의 약 44%를 차지하여 가장 우세하였다(Fig. 8). 또한 1.0~1.5mm 구간은약 19%. 0.25~0.5mm 구간은 약 17%를 차지하며, 이들세 구간의 모래가 전체 모래의 79%을 점유하고 있다. 골재원별로는 평균입도의 구간은 큰 차이를 보이지는 않으며, 모두 0.5~1.0mm 구간이 가장 우세하게 분포한다. 따라서 국내 천연모래의 입도는 골재원에 따라서 큰 차이를 보이지 않으며 거의 비슷함을 알 수 있다.

Figure 8. Distribution of grain size of sand (D50). (A) all sampled sand, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.

육상시추모래 약 1600여 시료, 하천시추모래 약 340여시료, 하천표층모래 약 650여 시료, 해안모래 약 60여 시료 등 총 2,700여 모래시료에 대한 절대건조밀도의 분포는 Fig. 9에 제시하였다. 모래의 밀도는 2.17 내외에서 약2.77까지의 분포범위를 보이는데 2.46~2.65 구간이 전체모래의 약 77% 내외로 가장 많은 분포를 보인다. 2.45이하의 밀도를 갖는 모래는 전체 모래의 약 20% 내외이며 골재원에 따라 밀도의 분포특성은 거의 동일하며, 양호한 정규분포를 보인다. 다만 해안모래의 경우 밀도의분포가 매우 좁은 것으로 나타났다. 또한 대체적으로 하천표층모래가 다른 모래들에 비해 밀도가 다소 낮은 특성을 보이고 있다.

Figure 9. Histogram of absolute dry density of sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.

육상시추모래 약 1,700여 시료, 하천시추모래 약 340여 시료, 하천표층모래 약 640여 시료, 해안모래 약 60여시료 등 총 2,700여 시료에 대한 흡수율 분포는 Fig. 10에 제시하였다. 국내 모래의 흡수율은 0%에서 최대 7.8%까지의 범위를 보인다. 그러나 모래의 흡수율이 3% 이내인 시료는 약 93%이다. 육상시추모래, 하천시추모래, 하천표층모래 등 퇴적기원에 상관없이 약간의 점유율 차이만 있을 뿐이며, 시료의 90% 이상이 흡수율의 품질기준인 3% 이내로 적합하다.

Figure 10. Histogram of absorption of sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.

육상시추모래 약 1,450여 시료, 하천시추모래 약 331여 시료, 하천표층모래 약 630여 시료, 해안모래 약 60여시료 등 총 2,500여개의 시료에 대한 안정성 실험 결과를 Fig. 11에 제시하였다. 국내 모래의 안정성은 0%에서39%까지의 범위를 보이지만 97% 이상의 모래는 10% 이내의 안정성을 나타낸다. 해안모래의 경우 분석된 모래의 약 20%가 10% 이상의 안정성 값을 보이는데 이들 시료의 대부분은 해안모래이다.

Figure 11. Histogram of soundness of sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.

모래를 산업적으로 특히, 레미콘 산업에서 활용할 때 중요한 요소 중의 하나는 조립률이다. 조립률은 모래의입도크기 분포를 쉽게 숫자로 파악하기 위한 수단으로양질의 레미콘을 생산하기 위해서는 2.3~3.1의 범위의 조립률을 갖는 모래가 가장 적합한 모래이다. 국내 모래의조립률(Fig. 12)은 0.3~5.1까지의 분포를 보이며, 이 중 약39%만 2.3~3.1의 범위를 보이는 모래로 직접 사용이 가능하며, 나머지 품질기준을 벗어나는 모래들은 다른 품질기준을 만족한다면 서로 혼합하여 사용이 가능하다.

Figure 12. Histogram of fitness modulus of sand. (A) all sampled sand, (B) land sand by drilling, (C) river surface sand, (D) river sand by drilling.

5. 토 의

골재자원조사에서 수행된 퇴적층의 시추조사 자료를정리하여 모래층의 부존심도 및 현황, 모래의 입도, 그리고 골재로서 사용가능한지에 대한 품질을 파악하였으며,국내 모래층의 부존특성과 품질특성은 다음과 같다.

모래를 자원으로 특히, 건설자원의 모래로 활용하려면먼저 모래가 부존되어 있을 지역을 파악하고, 그 지역에대한 자원조사를 통해 모래의 부존심도를 파악하여 골재로 활용할 만한 물량이 부존되어 있는지를 파악해야 한다. 모래의 부존이 확인되면, 부존된 모래가 골재로서 활용가능한지에 대한 시험분석을 실시한다. 이 연구에서 대상이 되는 모래는 산림골재나 선별파쇄에서 생산되는 부순모래를 제외한 천연모래 즉, 논, 밭 등의 경작지 하부에 분포하는 모래층이며, 비교검토를 위해 해안모래도 분석하였다. 앞의 히스토그램에서 보는 바와 같이 하천모래의 경우 하천의 표면에 분포된 모래와 시추탐사에 의해 지하에 퇴적된 모래로 분리하여 분포특성과 품질을평가하였다.

모래층을 포함하고 있는 국내 미고결퇴적층의 심도는최대 66m 까지 확인된다. Fig. 12에서 보는 바와 같이 전국적으로 퇴적층의 심도는 거의 대부분 10m 이하이다. 그러나 한강, 금강, 영산강, 섬진강, 낙동강 등 하천과 그주변 지역에서의 퇴적층 심도가 다른 지역보다는 심도가대체로 깊으며, 특히 이들 하천이 해안에 가까워질수록,즉 하류로 갈수록 퇴적층의 두께가 두꺼워짐을 알 수 있다. 특히, 주변의 퇴적층의 심도들에 비해 예외적으로 깊은 30m 이상인 지역들은 지질학적으로 다른 구조적인 요인이 복합적으로 작용하여 깊어진 것으로 볼 수 있다.

퇴적층에서의 모래층의 두께는 전체를 구성하는 퇴적층의 심도(두께)에 영향을 받는다. 따라서 국내 퇴적층에서의 모래층의 부존율은 약 60% 이내이다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 부존비율이 70~20% 지역이 대부분이며, 퇴적층의 두께에 따른 부존율의 편차는 크지 않다. 퇴적층에서 모래층 두께는 약 67% 정도가 0.5~4m 구간에 속하며, 이는 국내 제4기 미고결퇴적층에서 모래층의 평균적인 두께라 할 수 있다. 그러나 Fig. 13에서 보는 바와 같이 모래층의 두께가 10m 이상인 지역도 낙동강 중하류,섬진강 하류, 그리고 동해안의 영덕, 삼척, 강릉 등의 일부 지역에 분포한다. 퇴적층에서 모래층의 두께가 두꺼워질수록 골재개발의 가능성은 커지지만 현재의 개발방식으로는 지표하부 약 4~5m 심도 내의 모래층을 대상으로 골재개발이 가능하다. 이보다 더 심부에 부존하는 모래는 바지선을 이용해야 하며, 개발된 심도만큼의 복구재 확보가 필요하므로 심부의 모래를 개발하기는 어려우므로 이보다 더 심부의 모래를 개발을 하고자 한다면 개발방식의 개선이 필요할 것이다.

Figure 13. Quaternary unconsolidated sedimentary layer. (A) depth and (B) thickness of sand layer.

수계별로 보았을 때 낙동강은 태백에서 안동, 상주, 칠곡, 대구, 고령, 창녕, 창원, 부산 등을 지나 남해로 흘러들어 가는데 태백에서 안동 북부의 낙동강 상류구간에는모래가 거의 부존되지 않으며, 하천에 암반이 노출되어있거나 자갈이 매우 우세하다. 안동지역을 지나면서부터 모래의 퇴적이 우세해지기 시작하며, 부산의 낙동강 하구까지 모래가 퇴적된다. 골재로서 활용이 가능한 모래는 안동에서 고령, 창녕 지역까지 입도 측면에서 양호한모래가 퇴적되어 있으며, 창녕 이남으로는 모래의 퇴적은 양호하지만 Fig. 14(A)Fig. 16(D)에서 보는 바와 같이 입도가 작아지며, 조립률도 2.3 이하로 기준값 이하로골재로 사용하기에 많은 제약이 있음을 알 수 있다. 이러한 특성은 한강 중류의 여주, 이천, 서울, 금강 중류의세종, 공주, 부여, 영산강 중류의 광주, 나주에 모래의 퇴적이 우세한 국내의 주요 하천에서 공통적으로 나타나는현상이다. 따라서 골재로 사용하기에 적합한 모래는 대부분 하천의 중류지역이다. 그러나 다른 물성들 밀도나흡수율, 안정성 등은 입도 크기와는 관계없이 골재의 품질 기준은 대체로 충족시킨다.

Figure 14. The average grain size(A) and contents of sand(B), gravel(C), and mud(D) of natural sand in Korea.

Figure 16. The physical properties of the natural sands in Korea. (A) absolute dry density, (B) absorption, (C) soundness, (D) fitness modulus.

앞서 언급한 바와 같이 퇴적층에서 모래층 구간을 설정하였지만 모래층 내의 퇴적물이 모두 모래로만 구성된것은 아니다. Fig. 13에서 보는 바와 같이 약 75%의 모래층 구간에서 모래를 60% 이상 함유하고 있다. 90% 이상 함유한 모래층도 전체의 약 30%이다. 거창, 무주, 여수, 순천, 영천, 청도, 경산 등의 모래층 내 모래 함량이약 40% 내외의 분포를 보이는데 대체로 지역의 평균고도가 높은 지역이거나 퇴적층의 발달이 미약한 지역이다(Fig. 13). 모래층에는 모래 이외에 자갈과 머드가 함께포함되는데 자갈은 대부분 20% 내외, 머드도 대부분 20%이내로 분포한다. 위에서 언급한 모래의 함량이 낮은 지역은 머드보다는 자갈의 발달이 우세하다. 골재는 모래층을 대상으로 개발을 하는데 층에 모래가 많이 포함되어 있을수록 많은 물량을 확보할 수 있으며, 자갈과 머드가 우세하다면 모래층이라 하더라도 경제적인 측면에서 개발의 가능성이 낮아진다.

모래의 주구성광물은 석영, 사장석, K-장석이며, 모래내에 이들 광물들이 90% 이상 구성되어 있다. 이러한 분포패턴은 모래의 기원지나 주변 지질의 특성에 따른 서로 다른 패턴은 보이지 않는다(Fig. 14). 모래의 주구성광물은 화강암과 편마암의 주조성광물이다. 그 밖의 퇴적암이나 화산암들은 이들 광물들이 우세하지는 않으며,풍화 퇴적작용에 의해 모래 입자로 분리되기 보다는 점토나 실트 크기로 분리되기 쉬운 특성을 보인다. 따라서지질분포에 따라 서로 다른 패턴을 보이지 않는 것은 모래가 화강암과 편마암과 같은 규산질이며, 어느 정도의입도를 갖은 암석에서 모래가 만들어지기 쉬우므로 화강암과 편마암이 매우 우세한 국내의 지질특성을 반영한다고 할 수 있다. 그러나 모래의 부존이 우세한 한강, 금강,영산강, 낙동강들의 중상류 지역은 대부분 화강암 저반들이 분포하고 있다. 낙동강의 중상류의 안동, 예천, 춘양지역에는 쥬라기의 화강암 저반에 넓게 분포하고 있으며, 이 화강암 저반의 풍화, 퇴적작용으로 주변 소하천들을 통해 낙동강으로 다량의 모래가 퇴적되었다. 실제로모래가 많이 부존되어 있는 구미, 칠곡, 대구, 고령지역의 낙동강 주변은 화강암보다는 경상누층군의 퇴적암이 매우 우세하게 발달한다. 이들 지역의 모래 부존은 상류의 화강암 저반뿐만 아니라 낙동강 중류지역으로 유입되는 위천, 감천, 회천에도 모래의 부존이 우세하여, 낙동강의 모래가 이들로 부터도 유입된 것으로 보인다. 이들하천들의 상류지역 역시 화강암이 우세하게 분포한다. 한강은 중상류의 춘천, 홍천, 여주, 충주 등지에 화강암 저반이 발달하며, 금강은 세종, 청주, 옥천, 금산 등지에, 그리고 영산강은 순창, 광주, 나주 등지에 화강암 저반이분포하여, 화강암 저반 주변에는 편마암 복합체가 발달하고 있어 모래의 광물조성에서 보듯이 대부분의 모래가화강암과 편마암 조성에서 유래되었을 것으로 추정할 수있다.

이와 같이 이들 주요하천에서는 모래의 부존이 양호하여 과거부터 모래의 채취가 활발히 이루어졌다. 이들 하천이 통과하는 지역에서는 수십만 m3를 매년 채취하였다.

골재의 물리적 품질(Fig. 15) 중에서 흡수율(품질기준3.0% 이하 적합)과 안정성(품질기준 10.0% 이하 적합)은거의 모든 모래에서 품질기준을 만족한다. 흡수율은 전체 모래의 약 90%가 품질기준에 적합하며, 안정성은 약87%의 모래가 품질기준에 적합하다. 그러나 절대건조밀도는 이들 두 물성과는 달리 품질기준에 적합한 모래는전제 모래시료의 약 66%이며, 조립률은 약 40% 정도만이 품질기준을 만족하고 있다. 그러나 조립률의 품질기준을 벗어나더라도 조립률의 품질기준에 적합하게 서로혼합하여 사용할 수 있다. 왜냐하면 모래의 다른 물성들은 레미콘의 강도 등에 직접적인 영향을 끼치지만 조립률은 강도에는 전혀 영향이 없으며 단지 레미콘의 배합시 가장 효율적으로 배합을 할 수 있는 조건의 요건이므로 다른 물성의 값이 품질기준을 충족한다면 서로 다른조립률을 보이는 모래를 혼합하여 사용할 수 있기 때문이다.

Figure 15. The chemistry and mineral compositions of natural sand in Korea. (A) SiO2, (B) quartz, (C) plagioclase, (D) K-feldspar.

종합적으로 보면 국내 퇴적층 두께에서 모래층은 약60% 내외를 점유하며, 모래층에서 머드와 자갈을 제외한순수한 모래는 약 60% 수준이다. 또한 모래층의 두께는대체로 4m 내외가 우세하다. 모래의 입도는 0.5~1.0mm가 우세하며, 조립률은 혼합조정이 가능하므로 대부분의모래는 골재로서의 활용은 가능하다. 품질 측면에서 극히 일부 모래를 제외하고는 흡수율, 안정성 등은 품질기준에 적합하나 밀도는 기준보다 낮은 것들도 다수 존재하는 것으로 나타났다. 밀도의 품질기준인 2.5는 골재로서 활용할 수 있는 최소한의 기준이다. 광물에서 석영의밀도는 약 2.65내외, 장석의 밀도는 2.6~2.7 정도이다. 동일한 광물조성을 갖는 모래의 밀도는 이들 광물들의 밀도보다는 약간 낮은 편이다. 이는 이들 광물들이 암석에신선한 상태로 존재하고 있으면 이러한 값들을 보이지만암석이 풍화, 운반, 퇴적되는 과정에서 광물들은 풍화를 받고, 부서지는 등의 손상을 입게 되어 신선한 상태의 물성보다는 낮은 값을 갖게 되므로 이러한 현상을 감안하여 골재에서의 밀도값은 신선한 상태의 값보다 다소 낮게 하여 골재로서 사용가능하게 하였다. 이보다도 더 현저하게 낮아진다면, 콘크리트 타설과 건물의 구조상 지지력이나 압축하중에 문제가 생길 수 있다. 따라서 국내 모래를 골재로서 활용하는데 가장 중요한 물성은 입도와밀도라 할 수 있을 것이다.

6. 결론

1) 국내 제4기 미고결 퇴적층은 최대 66m까지의 심도를 보이지만 평균적으로 10m 내외 퇴적층이 가장 우세하게 발달한다. 20m 이상의 퇴적층은 주로 주요 하천과해안 쪽에 주로 발달한다. 퇴적층 내에서의 모래층의 두께는 0.5~4.0m 구간이 약 70%로 가장 우세하며, 5m 이상 구간이 약 20% 산출되는데 주요하천, 해안 쪽으로는모래층이 10m 이상 산출되기도 한다.

2) 모래층에서의 모래, 자갈, 머드는 대체로 60:20:10의비율로 나타나 모래층에서 모래가 가장 우세하며, 그 다음으로 자갈, 머드의 순이다. 모래를 구성하는 주구성광물은 석영, 사장석, K-장석이며, 부구성광물로는 백운모,흑운모, 녹니석, 자철석, 녹염석 등이다. 석영은 약 45~75%,사장석과 K-장석은 각각 약 5~20%, 그 외의 부구성광물은 10% 이내이다. 따라서 국내 모래에서의 석영, 사장석, K-장석 구성비가 90% 이상이다.

3) 국내 모래의 평균 입도는 0.5~1.0mm로 모래시료의약 44%가 이에 속한다. 1.0~1.5mm 입도는 전체모래의19%, 0.125~0.25mm 입도는 전체모래는 약 9%를 점유하고 있다.

4) 골재로 활용하기 위한 모래의 품질 기준에서 보면흡수율, 안정성은 거의 모든 모래층에서 품질기준에 적합한 것으로 판정되며, 절대건조밀도는 약 66%가 품질기준에 적합하다. 조립률은 모래층의 약 40%가 기준에적합하지만, 다른 품질조건이 양호하다면 조립률이 낮은모래와 높은 모래를 혼합하여 사용하는 것이 가능하므로실제로는 모래층의 약 60%가 골재로 이용가능하다.

사사

이 연구는 한국지질자원연구원에서 수행하고 있는 국토교통부 “2024년 골재자원조사 및 관리(IP2024-008-2024)”의 지원으로 수행되었습니다. 또한 논문에 대한 세심한 검토와 제안을 해주신 심사위원 분들께 감사드립니다.

Fig 1.

Figure 1.Sampling sites of natural sand in Korea.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 185-204https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.185

Fig 2.

Figure 2.Distribution of thickness. (A) the sedimentary layer, and (B) sand layer, (C) Occupancy ratio of sand layer in sedimentary layer.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 185-204https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.185

Fig 3.

Figure 3.Abundance of sand in sand layer. (A) all sampled sand, (B) river surface sand, (C) river sand by drilling, (D) land sand by drilling.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 185-204https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.185

Fig 4.

Figure 4.The quartz content in sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 185-204https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.185

Fig 5.

Figure 5.The plagioclase content in sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 185-204https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.185

Fig 6.

Figure 6.The K-feldspar content in sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 185-204https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.185

Fig 7.

Figure 7.Histogram of SiO2 content of sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 185-204https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.185

Fig 8.

Figure 8.Distribution of grain size of sand (D50). (A) all sampled sand, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 185-204https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.185

Fig 9.

Figure 9.Histogram of absolute dry density of sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 185-204https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.185

Fig 10.

Figure 10.Histogram of absorption of sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.
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Fig 11.

Figure 11.Histogram of soundness of sand. (A) all sampled sands, (B) land sand by drilling, (C) river sand by drilling, (D) river surface sand.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 185-204https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.185

Fig 12.

Figure 12.Histogram of fitness modulus of sand. (A) all sampled sand, (B) land sand by drilling, (C) river surface sand, (D) river sand by drilling.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 185-204https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.185

Fig 13.

Figure 13.Quaternary unconsolidated sedimentary layer. (A) depth and (B) thickness of sand layer.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 185-204https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.185

Fig 14.

Figure 14.The average grain size(A) and contents of sand(B), gravel(C), and mud(D) of natural sand in Korea.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 185-204https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.185

Fig 15.

Figure 15.The chemistry and mineral compositions of natural sand in Korea. (A) SiO2, (B) quartz, (C) plagioclase, (D) K-feldspar.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 185-204https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.185

Fig 16.

Figure 16.The physical properties of the natural sands in Korea. (A) absolute dry density, (B) absorption, (C) soundness, (D) fitness modulus.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 185-204https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.2.185

Table 1 . Thickness of sedimentary layer, sand layer, and abundance ratio of sand layer to sediment thickness.

Thickness (m)Sedimentary layer (%)Thickness (m)Sand layer (%)Range (%)Sand layer/sedimentary layer
>251.5>104.690~1007.6
24~250.39.5~100.880~904.4
23~240.49.0~9.50.870~809.4
22~230.98.5~9.00.560~7010.3
21~220.58.0~8.50.550~6011.8
20~210.77.5~8.00.840~5012.6
19~201.17.0~7.50.830~4011.7
18~190.76.5~7.01.520~3013.5
17~181.06.0~6.51.910~2012.8
16~171.65.5~6.04.40~105.7
15~161.65.0~5.52.5
14~152.64.5~5.04.9
13~141.44.0~4.54.9
12~131.73.5~4.08.4
11~122.73.0~3.58.1
10~112.82.5~3.010.3
9~105.12.0~2.59.5
8~95.21.5~2.011.6
7~88.81.0~1.59.6
6~715.90.5~1.08.1
5~618.20.0~0.53.4
4~513.4
3~48.2
2~32.7
1~20.8

Table 2 . Ratios(%) of mud, sand and gravel in sand layer.

SandRiver surface sandRiver sand by boreholeLand sand by borehole
Range (%)MudSandGravelMudSandGravelMudSandGravelMudSandGravel
0-1021.570.6617.2999.050.2471.1277.901.1058.5644.520.3139.36
10-2064.280.3652.350.480.4814.8011.051.1011.6033.680.7220.66
20-308.192.4110.780.000.486.925.522.216.0812.813.5114.15
30-403.736.337.710.001.672.152.212.7610.505.999.6110.33
40-501.026.335.480.002.151.431.104.975.521.558.887.54
50-600.668.313.550.481.191.670.009.392.760.9311.784.86
60-700.3010.361.330.001.910.721.6611.601.100.2114.771.76
70-800.1814.100.840.007.880.480.5511.051.660.2118.390.93
80-900.0021.810.360.0016.230.480.0019.341.100.0023.860.21
90-1000.0629.340.300.0067.780.240.0036.461.100.108.160.21

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Apr 30, 2024 Vol.57 No.2, pp. 107~280

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Economic and Environmental Geology

pISSN 1225-7281
eISSN 2288-7962
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