• The main cause of the efflorescence on the surface of the tracksite is residual evaporation during the moisture circulation process in the conservation environment.

• The management of tracksite areas should be done through environmental improvement and cleaning that do not damage heritage values in the long term.

공룡·익룡 발자국과 같은 척추동물의 흔적화석들이 대규모로 산출되는 노두는 이들의 행동 및 해부학적 특성을 이해하고 생물의 진화와 고환경을 이해하는데 유용한 자료가 된다. 최근에는 과학적 학술자료이자 자연유산으로서 화석산지 보존에 대한 필요성이 부각되면서 주변 환경 정비와 보호각 건립 등의 조치를 취하고 있다. 그러나 현행의 국부적인 환경제어는 외부의 풍화인자로부터 완벽한 분리 및 훼손양상 제어에 어려움이 있다. 따라서 퇴적층 표면에서 관찰되는 발자국 화석을 안전하게 보호하기 위해서는 보존 범위를 화석 산출 영역이 아닌 함화석층 노두로 확장하고, 주변 환경과 밀접한 연관성을 토대로 보존계획이 마련되어야 한다.

발자국 화석을 포함한 다양한 지질유산은 온·습도 외에도 성층면의 주향·경사, 지형적 특성, 물의 순환체계 등이 손상을 유발하는 변수로 작용할 수 있다. 또한, 화석층이 가지는 암석학적·물리적·구조적 특성은 보존환경의 수분 순환과 결합하여 생물침해나 염풍화를 촉진시킬 수 있다(D’Angeli et al., 2017; Odin et al., 2018). 염풍화 산물 중 석고(CaSO₄·2H₂O)는 탄산염 광물을 함유한 지질유산의 구성성분이 유수를 통해 이동 및 증발하는 환경이 조성될 경우 발생한다(Malaga-Starzec et al., 2003; Schweigstillová et al., 2009; Odin et al., 2016).

석고 발생 현상은 육안관찰에 근거한 손상유형 분류에서 백화현상(Efflorescence)으로도 불린다(Vergès-Belmin, 2008; Zehnder and Schoch, 2009; Kramar et al., 2010). 문화유산에서 석고에 의한 백화현상은 1800년대부터 건축문화재에서 탄산염암 재료의 노후화와 대기오염에 의한 오염물 생성에 국한하여 지속적으로 진행되어왔다(Buzek and Šrámek, 1985; Gauri et al., 1989; Moropoulou et al., 2003; Smith et al., 2010). 그러나 진주 충무공동 화석산지는 선행연구 사례들과 재료 및 오염물 유입경로가 이질적이므로 해당 연구지역의 오염물 발생 메커니즘 해석의 근거를 제시하지 못한다.

이 연구에서는 천연기념물 진주 충무공동 익룡·새·공룡발자국 화석산지에서 발생하는 증발잔류광물에 의한 백화현상과 보존환경을 분석하여 오염물 형성 메커니즘을 추론하였다. 이는 실용성 높은 보존관리 방안 모색을 위하여 오염원을 추적하는 방법에 대한 제시와 지질유산의 보존 범위 및 연구영역 확장의 필요성을 인식할 수 있는 연구사례이며 해당 지질유산의 보존정책을 마련함에 있어 근거 자료로 활용될 것이다.

2.1 연구지역 현황

연구지역인 진주 충무공동 익룡·새·공룡발자국 화석산지는 경남 진주 혁신도시 조성공사 과정에서 백악기 척추동물 발자국 화석이 대량으로 발견되어 2011년 천연기념물로 지정된 지질유산이다(Fig. 1A). 화석산지에서는 중생대 백악기의 익룡 발자국 2,486개, 새 발자국 1,220개, 수각류 발자국 122개, 조각류 발자국 34개와 악어․도마뱀․개구리․포유류 발자국을 포함하여 총 3,886개의 발자국과 126개의 보행렬이 보고되었다(Gyeong Nam Delvelopment Corporation, 2016). 특히, 익룡 발자국은 세계 최대 규모이자 다양한 크기 및 형태로 발견되었고 일부 발자국 중에는 물갈퀴 흔적과 발톱자국이 선명하게 관찰되는 등 백악기 익룡의 대규모 서식지가 퇴적층에 잘 남아있는 화석산지이다(Kim et al., 2013).

Figure 1. Past and current condition of tracksite of pterosaurs, birds, and dinosaurs in Chungmugong-dong, Jinju, Korea. (A) Location of fossil layer on outcrops set of N30~60E/5~12°SE orientation. (B) Outcrop where 18 pterosaur tracks, two theropoda tracks, and one ornithopoda track were found in good condition at the time of excavation (Gyeong Nam Development Corporation, 2016). (C) Well-preserved pterosaur footprint fossils on dark gray shale with Reddish-brown iron oxide lamination (Gyeong Nam Development Corporation, 2016). (D) Panoramic view and architectural designs of Jinju Pterosaur Tracks Museum and 2nd protection building. (E) 2nd protection building on the end of a sloping outcrop. (F) The current condition of the fossil-bearing bed covered by milk-white contaminants in the 2nd protective building.

상기된 경남개발공사의 발굴조사 보고서(2016)에 의하면 연구대상인 화석층은 약 400m² 면적의 성층면에서 총 468개의 익룡 발자국(18개의 보행렬), 20개의 수각류 발자국(2개의 보행렬), 9개의 조각류 발자국(1개의 보행렬) 화석이 집중적으로 산출되어 현장보존이 결정되었다(Fig. 1B). 발굴 당시 지표면에 노출된 화석산지는 암회색 셰일 표면에 적갈색 산화물 고착층이 빈번하게 관찰되는 상태였다(Fig. 1C).

화석층 보존을 위해 2018년에 설치된 보호각은 주향·경사가 N30~60E/5~12°SE인 함화석층 노두에 콘크리트로 기초설비를 하였고, 전·후면에 갤러리형 출입문 및 창문을 두었다(Fig. 1D). 연구대상인 화석산지와 제2보호각은 화석층 노두 말단에 위치하며, 약 20×20m 면적에 20~30cm 두께의 잔디가 식재된 토층이 후방에 있다(Fig. 1E).

그러나 발굴 이후 화석층에 가해지던 상부 압력이 감소되며 균열, 박리·박락이 발달하여 화석층의 유실이 발생하고 있다. 더불어 제2보호각 내 화석층 표면에 강우 시 발생하는 누수의 흔적과 유백색 오염물의 지속적인 생성으로 발자국 화석의 관찰이 어렵고 미관상 관람객에게 불쾌감을 유발한다(Fig. 1F).

따라서 이 연구는 발자국 화석의 관찰을 저해하는 오염물에 대하여 구성 물질 동정, 주변 환경인자의 화학조성 분석, 장마기간 내 보호각 수분 순환 모니터링, 제거 실험을 실시하여 오염물의 생성 메커니즘을 해석하고 효과적인 보존방안을 검토하였다. 이 결과를 통해 화석층의 손상원인 규명 및 장기 보존계획의 과학적 근거자료를 마련하고 오염원 차단 대책과 관리지침을 수립하였다.

2.2. 연구방법

이 연구에서는 화석산지 표면에 발생한 오염물질을 분석하고 근원지를 추적하기 위하여 여러 영역에서 시료 수습 및 분석이 수행되었다(Figure 2). 우선 오염물의 구성원소를 분석하기 위하여 화석층 표면에서 절리의 교차에 의해 탈락한 암편(JC-01~03)과 보호각 상부 벽면을 구성하는 철제 프레임에서 교란 흔적이 없는 먼지(JD)를 수습하였다. 수습된 시료는 Nikon사 JP/LV100N POL 편광현미경과 Jeol사의 JP/JSM-6610LV SEM-EDS로 오염물을 관찰하고 무기 오염물은 결정형에 따라 5회 분석하여 평균값을 산출하였다. 또한 Bruker사의 D8모델에 Eiger 2R_500k 디텍터를 장착한 Micro-XRD로 화석층과 오염물의 구성광물을 동정하였다.

Figure 2. Sampling and monitoring point of study area. Samples collected were from fossil-bearing bed fragments covered with milky-white contaminants (JC-01~03), the concrete foundation of 2nd protection building (JC), and dust without any trace of disturbance on the protection building wall (JD) for the analysis of composition. In addition, monitoring data collected with a soil moisture sensor where the soil layer contacts the fossil-bearing bed (JS-01~04, be written in blue) in the study area to track the moisture circulation in the study area. At the same point as soil moisture monitoring, the soil (JS-01~03, be written in brown) and the grass (JS-01O, JS-03O, be written in green) were sampled to identify the source of evaporite.

보호각 주변환경에서 수분량의 변화와 보호각의 성능 평가를 위하여 testo사의 174H 온·습도 로거를 보호각 내·외부에 설치하고 10분 단위로 데이터를 수집하여 장마철(2021. 7. 3.~7. 19.) 주변환경 및 보호각의 환경 모니터링을 실시하였다. 동일기간 내 HOBO사의 U30-NRC 로거 스테이션과 토양 수분량 센서 10HS Soil Moisture Smart Sensor를 보호각 후방의 토양층 최하부에 경사방향으로 등간격을 두고 설치하여 1분 단위로 데이터를 수집하여 토양 수분량 모니터링을 실시하였다.

화석층의 주변환경을 조성하는 유·무기체 화학조성을 분석하여 오염물 구성물질의 근원지 규명하고자 화석층(JC-T01) 및 하부층준(JF-01~03), 보호각 콘크리트 기초부(JC), 보호각 후방 공터의 토양(JS-01~03) 및 유기물(JS-01O, JS-03O)을 수습하여 비교분석하였다. 무기물 시료에 대해서는 EAGLE-III XXL Plus micro-Probe System 모델의 ED-XRF와 PANalytical사 ZETIUM 모델의 WD-XRF를 활용하였다. 빗물과 지하수는 2022년 태풍 힌남노(Hinnamnor)에 의한 강수를 수집하기 위하여 보호각 외부에 비커를 설치하고, 태풍 통과 후 화석층 표면에서 누출되는 지하수를 집수하여 0.45µm 필터로 여과하였다. 여과된 시료는 Perkin Elmer사 Optima 8300 ICP-OES와 Thermo Fisher Scientific사의 ICS-6000 IC를 이용하여 Standard Methods 24rd Edition 2023으로 수행하였다.

표면 오염물의 고착상태와 처리효과 검증을 위하여 오염물이 피복된 화석층 암편(JC-01~03)을 수습하여 세정법에 따른 전·후 상태를 비교분석하였다. 스팀 세정은 Optima Steamer사의 XD 스팀세정기로 8.5 bar, 130℃, 분사거리 100mm 내외, 분사량 300~800㏄/min의 조건으로 실시하였다. 레이저 세정은 ㈜k2레이져시스템의 V-30C 모델에 YB Fiver Laser, 15W(50% 출력), 6,000mm/s, 100kHz, 발진 파장 1,064㎚, 2D SPIN(W-9mm, H-1.1mm) 패턴을 적용하였다. 오염물 처리실험에 따른 상태 비교 및 제거율 산출 관련 데이터는 Leica사의 DVM6 3D 현미경 관찰과 Bruker사 M4 Tornado XRF로 4×4mm(500x500points, 9µm distance) 크기의 영역에서 원소를 도시하여 수집하였다.

3.1. 보존 상태와 훼손양상

화석산지를 위해 조성된 보호각은 콘크리트 기초설비 후 도장하였으며, 철근 기둥 및 티타늄합금 아연판을 방청 처리하여 벽체와 지붕을 조성하고 전·후면에는 갤러리형 출입문과 창을 설치하였다(Fig. 3A). 또한 경사진 보호각에 출입이 용이하도록 전면의 내·외부에 목재 데크를 설치하였다(Fig. 3B). 화석층에 누수가 발생했을 경우 원활한 배출을 위하여 보호각 내 고도가 가장 낮은 전면 하단에 배수시설을 갖추었으나 누수량이 많을 경우 물고임이 발생한다(Fig. 3C).

Figure 3. Facility and conservation condition of Jinju Pterosaur Tracks Museum 2nd protection building. (A) The front of the 2nd protection building with windows and doors. (B) Facilities in the 2nd protection building. (C) Drainage installed under the front wood deck. (D) Milky-white contaminants observed on the surface of the fossil bed, and watermarks formed along the joints and slopes. (E) Fragmentation and physical loss of rock with joints of three directions distributed throughout the fossil bed and areas. (F) The surface condition of footprint fossils in which the loss of rock fragments and the coating of contaminants occurred in combination. (G) Condition of the fossil-bearing bed before Hinnamnor, 5/9/2022 12:25 PM. (H) Condition of the fossil-bearing bed after Hinnamnor, 6/9/2022 09:50 AM. (I) Leakage of underwater out of fossil surface observed at the discontinuity of the bed during heavy rainfall events, Hinnamnor.

화석층 전역에는 유백색 오염물이 피복되어 있고, 절리나 경사 방향을 따라 누수자국이 관찰된다(Fig. 3D). 또한 절리·층리·박리와 같은 불연속면의 발달에 의해 화석층이 파편화되거나 유실되는 물리적 손상도 발생하고 있다(Fig. 3E). 이와 같이 물리·화학적 손상이 복합적으로 발생한 발자국 화석은 현재 그 원형을 육안으로 식별하기 어려운 상태다(Fig. 3F).

2021년 태풍 힌남노(Hinnamnor) 발생 전·후 화석층의 상태를 비교해보면 강우 발생 시 약 80%에 달하는 화석층 표면이 누수의 영향을 받는다(Fig. 3G, 3H). 누수는 화석층 우측면에 생성된 층리 또는 균열에서 발생하여 화석층의 경사를 따라 배출되는데(Fig. 3I), 이로 인해 오염물의 일부가 씻겨 내려가기도 하지만 수일 내지 수주일 내로 재피복된다.

3.2. 재질 및 오염물 동정

화석층을 이루는 구성암석과 결정질 오염물의 동정을 위하여 미소부 X-선 회절분석(Micro-XRD)을 실시한 결과, 신선한 암회색 셰일 표면은 석영, 운모류, 자철석, 사장석, 제올라이트로 구성되며(Fig. 4A), 적갈색 산화철 고착층에서 조암광물로 방해석이 추가 동정되었다(Fig. 4B). 산화물 고착층이 명료하게 관찰되는 시료 표면에서 미약하게 반점상을 이루는 석고의 형태, 그리고 동일 지점에서 석고(G)와 셰일의 주구성광물인 석영(Q)의 상대적인 XRD 회절강도 등을 미루어 보았을 때 이는 결정질 오염물의 형성 초기로 판단된다.

Figure 4. Mineral composition analysis results according to surface contaminant cover types of fossil-bearing bed using Micro X-ray Diffraction. (A) Mineral composition of shale fossil layer with visible quartz and mica grains. (B) Reddish-brown iron oxide lamination. (C) Fossil-bearing bed with a thin coating of yellow contaminants. (D) The surface of the fossil-bearing bed coated with thickly pale yellow and white contaminants.

반투명한 백색 오염물 바탕층 위에 상아색 내지 황색의 화분이 관찰되는 영역(Fig. 4C)과 유백색의 두터운 오염물 영역(Fig. 4D)은 오염물의 두께와 관계없이 석고의 회절피크가 석영과 유사한 강도로 나타났다. 오염물 표면에서 함께 동정된 미량의 경석고(CaSO₄, Ah)는 증발환경에서 석고와 흔하게 동반되는 증발잔류광물이다.

화석층 표면에 생성된 미립의 오염물을 SEM-EDS로 분석한 결과, 오염물 형성 초기과정에서 화석층 표면에 발생한 석고는 주상 내지 판상형 결정을 이룬다(Fig. 5A, 5B). 이 광물은 동일한 영역에서도 결정형에 따라 판상(SO₃ 60.69%, CaO 38.66%)과 주상(SO₃ 53.01%, CaO 34.08%)에서 SO₃와 CaO가 상이한 조성비를 이룬다(Fig. 5C, Table 1). 한편 보호각 내부에 집적된 먼지는 광물, 화분, 유기체 등으로 구성된다(Fig. 5D). 광물성 분진인 석영은 원마도가 매우 불량하고(Fig. 5E), 화분은 대개 원형을 유지하는 형태적 특성을 보였다(Fig. 5F). 화석층 표면에서 오염물의 집적 초기에 관찰되는 석고와 화분은 형태가 명료하다(Fig. 5G). 이후 오염물이 두꺼워짐에 따라 석고가 밀집되고 화분과 혼재하게 되며(Fig. 5H), 화분이 변형되는 등(Fig. 5I) 시간에 따른 오염물의 누적 현상이 두드러지게 관찰된다.

Figure 5. SEM-EDS analysis results of contaminants collected on the surface of the fossil-bearing bed and within the 2nd protection building. (A) Twin prismatic gypsum crystals observed on the fossil-bearing bed surface. (B) Tabular gypsum on the surface of the fossil-bearing bed. (C) Gypsum in which both columnar and plate-shaped crystals. (D) Mineral particles and pollen constituting the dust collected inside the 2nd protection building. (E) Quartz with very angular roundness. (F) Potted plants broughted in through the gallery windows. (G~I) Surface condition according to contaminant thickness. On the surface of the fossil-bearing bed, the forms of gypsum and pollen are clearly observed, and then the crystal layer of gypsum becomes thicker, and the pollen (yellow arrows) gradually deforms.

Table 1

SEM-EDS analysis result of prismatic and tabular gypsum (oxide%).

	Na2O	MgO	Al2O3	SiO2	SO3	K2O	CaO	Fe2O3	Total
prismatic 1	-	-	-	-	60.91	-	38.84	0.25	100.00
prismatic 2	-	-	-	0.56	60.61	-	38.83	-	100.00
prismatic 3	-	-	-	0.68	60.07	-	38.98	0.27	100.00
prismatic 4	-	-	-	0.55	60.92	-	38.54	-	100.00
prismatic 5	-	-	-	0.98	60.92	-	38.09	-	100.00
prismatic
average	-	-	-	0.69	60.69	-	38.66	0.26	100.00
tabular 1	-	0.59	1.75	4.83	55.01	0.46	36.73	0.63	100.00
tabular 2	0.19	1.27	5.16	13.02	46.83	1.23	30.73	1.57	100.00
tabular 3	-	0.96	3.3	8.02	52.64	0.58	33.34	1.16	100.00
tabular 4	-	0.62	2.22	5.71	55.04	0.49	34.9	1.01	100.00
tabular 5	-	0.54	2.3	5.79	55.52	0.46	34.68	0.71	100.00
tabular
average	0.19	0.80	2.95	7.47	53.01	0.64	34.08	1.02	100.00

3.3. 석고의 오염원 및 수분 순환 분석

증발잔류광물인 석고의 구성원소는 보호각 후방 공터에서 빗물이 집수되어 지하수를 형성하고, 화석층 표면에서 배출 및 증발하는 과정에서 형성된다. 따라서 지하수 형성 전 빗물과 화석층 표면에 유출된 지하수, 그리고 화석층 주변에서 발생하는 수분 순환 과정에서 인접하는 유·무기체의 화학조성을 비교분석하여 석고의 기원을 추적하였다(Table 2).

Table 2

The chemical composition of contaminant elements around the protective angle to estimate the source of the contaminant-forming elements analysis result.

WD-XRF (oxide%)	Sample	Na2O	MgO	Al2O3	SiO2	P2O5	SO3	CaO	Fe2O3
	JS-01	0.36	1.09	13.94	75.58	0.08	0.04	0.11	5.59
	JS-02	0.36	1.12	14.11	75.05	0.08	0.06	0.23	5.73
	JS-03	0.65	1.62	15.67	71.17	0.08	0.10	1.40	5.30
	JC	2.80	1.70	10.88	63.13	0.11	0.62	15.37	2.49
	JC-T01	2.94	7.12	16.62	63.55	0.16	0.06	1.09	4.42
	JF-01	2.14	8.95	14.94	60.26	0.14	1.31	3.96	4.70
	JF-02	0.52	10.22	7.32	32.40	0.08	0.18	43.71	4.45
	JF-03	2.04	8.20	14.54	59.76	0.13	0.16	6.60	5.24
ED-XRF (wt%)	Sample	Na	Mg	Al	Si	P	S	C	Fe
	JS-01O	-	3.02	11.01	35.67	3.24	2.67	18.31	18.29
	JS-03O	-	4.33	14.51	39.16	0.53	0.32	8.99	23.75
ICP-OES, IC (mg/L)	Sample	Na	Mg	Al	SiO2	PO43-	SO42-	Ca	Fe
	JC-RW	0.152	0.026	<0.030	<0.030	<0.100	0.266	0.134	<0.030
	JC-GW	7.26	15.8	<0.030	15.1	<0.100	151	91.5	<0.030

화학적 오염물을 구성하는 원소의 기원을 추적하기 위하여 화석층(JC-TO1), 보호각 시멘트(JC), 하부층준(JF-01~03), 토양층(JS-01~03), 토양층 내 잔디 고사체(JS-01O, 03O)의 화학조성을 분석하였다. 그 결과, 보호각 시멘트(JC)와 화석의 두 번째 하부층(JF-02)에서 다량의 칼슘(43.71 oxid%)이 검출되었다. 황의 경우 화석층과 하부 층준, 토양에서는 대체로 1 wt%미만이었으며 보호각 후방 고지점에서 수습한 토양 내 잔디 고사체(JS-01O)에서 2~3 wt%대의 유의미한 함량을 보였다. 한편 화석층 표면 누수지점과 인접하며 빗물 집수 구역 토양의 잔디 고사체(JS-03O)에서는 낮은 황 함량을 보인다. 또한 강우 발생시 수집한 시료의 ICP-OES와 IC 분석 결과, 석고의 화학조성인 칼슘(Ca)과 황(S)의 이온 함량이 빗물(JC-RW)보다 지하수(JC-GW)에서 약 682배(Ca), 약 34,402배(SO₄^2-) 높은 수치로 검출되었다.

석고를 구성하는 성분은 증발잔류가 발생하기 이전에는 지하수의 수분 순환 구조 내에서 이온 형태로 이동한다. 따라서 보호각 주변의 수분 이동경로를 확인하기 위하여 수분 순환이 활발한 남부지역의 장마기간에 주변 환경을 모니터링하였다(Fig. 6A). 보호각 전면의 보행 데크 하부영역(Inside/Front/Lower, Fig. 3C)은 장마기간 동안 일교차에 따른 온·습도 변동이 작았으나, 보호각 상부영역(Inside/Front/Upper, Inside/Back/Upper)은 전·후면 모두 크게 반응했다(Fig. 6B). 한편 상대습도는 보호각 전면의 보행 데크 하부 영역이 강우에 가장 민감하게 반응하는 경향을 보였다(Fig. 6C).

Figure 6. Environment monitoring of the study site during the rainy spell in the Jinju (03/07/2021~19/07/2021) in Korea. (A) Precipitation (blue) data during the rainy spell (sky-blue) from the KMA National Climate Data Center (2022). (B) Temperature changes inside and outside the 2nd protection building. (C) Changes in relative humidity inside and outside the 2nd protection building. (D) Changes in soil moisture content around the outcrop of Jinju formation.

동일기간 내 보호각 후방 토양층에서 경사를 따라 순차적으로 고도가 가장 높은 지점(JS-01), 중앙(JS-02), 보호각 우측이자 누수발생 인접 영역(JS-03), 고도가 가장 낮은 보호각 좌측(JS-04)의 토양 수분량의 변화를 관찰하였다. 장마철 첫 강우 발생 시 토양 수분량의 1차 상승은 토양층의 두께가 얕은 JS-03 영역에서 4분 만에 상승(0.357→0.384m³/m³)하였고, 고도가 가장 낮은 JS-04에서 가장 늦은 108분 만에 상승(0.244→0.383m³/m³)하였다. 반면 1차 강우 발생 시 최대 수분량은 JS-03이 0.458m³/m³로 가장 적고, JS-04가 0.509m³/m³로 가장 많았다(Fig. 6D, Table 3).

Table 3

Changes in soil moisture content around the 2nd Protection Building when the first rainfall occurred during the rainy spell (M.A.; moisture amount, m³/m³ unit, a 10-minute average of moisture content before and after rising).

Water cyle event	JS-01	JS-02	JS-03	JS-04
M.A. before rise	0.353	0.335	0.357	0.244
time to rise	13 min	10 min	4 min	108 min
M.A. after rise	0.436	0.395	0.384	0.383
the highest M.A.	0.473	0.454	0.428	0.509

3.4. 오염물 제거실험

증발잔류광물 및 대기 부유물의 복합체로 형성된 오염물의 구성물질은 이온 또는 수십 µm 크기의 입자로 보호각 내부로 유입되므로 완벽한 제어가 불가능하다. 따라서 물리적 손실이 적고 효율적인 오염물 제거 방안을 모색하여 장기적인 보존관리 대책의 마련이 필요하다. 오염물의 피복 상태와 제거 효과를 확인하기 위하여 화석층 시료 표면에 스팀 및 레이저 세정법을 단계적으로 실시하면서 표면 상태를 실체 현미경으로 관찰하였다. 특히 석고는 화석층 표면에서 결정화 과정을 통해 형성되므로 현미경 관찰이 불가한 극미립의 오염물이 잔류할 가능성이 있어 구성 원소의 처리 전·후 분포 변화를 도시화하여 처리효과를 추가적으로 검증하였다.

황색 내지 유백색 오염물은 각 실험대상의 표면에 분말상으로 피복되어 있으며(Fig. 7A, 7E, 7I), 두께는 부분적으로 상이하다(Fig. 7B, 7C). 일부 오염물은 철산화물 고착층의 영향을 받아 갈색을 띠기도 하며(Fig. 7F, 7G), 두께와 색상을 결정짓는 석고는 두꺼운 층에서 매우 고르게 결정화되기도 하는데(Fig. 7J, 7K), 두께 차이는 석고의 구성원소인 칼슘의 XRF 분포 도시 결과에서도 나타난다(Fig. 7D, 7H, 7L).

Figure 7. The non-destructive analysis of the surfaces of the fossil-bearing bed covered with milky-white contaminants. (A) A shale covered with contamination (JC-01). (B) A thin coating of orange to pale yellow contaminants on a dark gray shale. (C) Thickly covered area with contaminants. (D) Non-destructive XRF elemental mapping results for calcium in JC-01. (E) A shale coated with iron oxide and contaminants (JC-02). (F) A thin coating layer of contaminants on the iron oxide lamination. (G) The thick contaminant coating layer altered by iron oxide. (H) Non-destructive XRF elemental mapping results for calcium in JC-02. (I) Sedimentary structures deposited with contaminant (JC-03). (J) The density difference of gypsum observed at the boundary between the thin yellow and thick milk-white contamination layers. (K) A thick and evenly formed milky-white contaminant. (L) Non-destructive XRF elemental mapping results for calcium in JC-03. Gypsum densely appears in the form of spots, even in a thin layer of contaminants.

스팀 및 레이저 세정법으로 오염물을 제거한 후 화석층 시료의 표면 상태를 관찰한 결과, 분말상의 유백색 오염물은 스팀 세정만으로도 충분한 효과를 보였다(Fig. 8A, 8E, 8I). 화석층 표면은 대체로 스팀 세정 시 성층면 본연의 색상과 광택이 유지되었으나(Fig. 8B), 레이저 세정 시 물리적 손상으로 인해 색상 변화 및 공극 증가가 관찰되었다(Fig. 8C). 처리 대상의 물리적 삭박을 동반하는 레이저 세정은 일부 성층면의 철산화물 고착층(Fig. 8F)과 미세 퇴적구조(Fig. 8J)와 같이 고환경 및 퇴적물 고화 환경 등 자연과학적 해석에 기여하는 지질 정보를 손상시키는 결과를 보였다(Fig. 8G, 8K).

Figure 8. The non-destructive analysis of the surfaces of the fossil-bearing bed after the contaminants removal experiment. The XRF calcium element mapping points are the same as those before cleaning (Fig. 7D, 7H, 7L), respectively. (A) Condition after decontamination of JC-01. (B) The fresh surface of the fossil-bearing bed in which sand and silt-grained quartz and mica are observed with the naked eye after steam cleaning. (C) Laser cleaning is additionally performed after steam. (D) Results of XRF calcium elemental mapping at the steam cleaning point of JC-01. (E) The condition after decontamination of the JC-02 sample in which the reddishbrown iron oxide lamination is conspicuously observed. (F) An iron oxide lamination remaining after steam cleaning. (G) The iron oxide lamination removed by laser cleaning. (H) Results of XRF calcium elemental mapping at the steam cleaning point of JC-02. (I) Sedimentary structure observed after contaminant removal of JC-03. (J) The surface of the fossil-bearing bed where the sedimentary structure is well observed after steam cleaning. (K) A condition in which laser cleaning has been additionally performed on the sedimentary structure. (L) XRF calcium elemental mapping results on a steam cleaning point of JC-03.

반복적인 세정에도 물리적 손상이 없는 스팀법의 오염물 제거효과를 검증하기 위하여 오염물 두께가 변화하는 영역(4×4mm)을 선정하고 XRF 표면 분석으로 세정 전·후 오염물 구성원소의 분포를 비교하였다(Fig. 7D, 7H, 7L, 8D, 8H, 8L, Table 4). 그 결과 칼슘 원소는 80% 이상, 황은 100%에 육박하는 제거율을 보여 전반적으로 우수한 세정효과를 보였다. 한편 셰일 표면에 잔류하는 칼슘은 Micro-XRD 분석 결과에서도 조암광물로 동정되었던 방해석의 구성성분으로 판단된다.

천연기념물 진주 충무공동 익룡·새·공룡발자국 화석산지는 발자국이 대량으로 발견되는 영역을 보호구역으로 지정하고, 보호각 건립과 주변에 잔디를 식재한 토층을 조성하여 보존환경을 개선하였다. 그러나 연장성이 좋고 경사진 퇴적층이 지표면에 노출되며 절리·균열 등 불연속면의 발달 및 암편의 탈락, 지하수의 누수와 대기오염물의 축적으로 인해 유백색 오염물 발생하는 등 물리·화학적 손상이 복합적으로 발생한 상태다. 특히 유백색 오염물은 지속적으로 발생하여 발자국을 식별할 수 없는 상태에 이르러 오염원인 규명과 대처 방안 마련이 필요한 실정이다.

화석산지에서 발생하는 유백색 오염물은 증발잔류광물인 석고와 화분 및 광물성 분진으로 구성된다. 강우 발생 시 잔디가 식재된 후방 토양층에서 지하수가 형성되고, 수분 순환을 통해 하부 층준에서 기원한 칼슘과 잔디의 생육활동으로 생성된 황이 지하수로 공급된다. 빗물이 지속적으로 공급될 경우 포화된 지하수가 남동향 사면을 따라 이동하다가 화석층 표면에서 유출 및 증발하며 석고 결정을 형성한다.

따라서 2018년에 건립된 보호각은 방해석이 풍부한 하부층과 주변 식생의 활발한 생육활동, 지하수의 집수와 배출, 층상구조 및 절리의 발달 등 증발잔류광물의 결정화에 적합한 환경적 요소를 가지고 있다. 다양한 결정상과 화학조성을 가지는 석고와 미량으로 동반되는 무수석고는 지하수의 화학조성 및 오염물 구성이온의 조성과 농도가 다변하는 환경, 즉 보호각 내·외부가 계절의 영향을 받으며 일정하지 못한 온·습도 환경임을 지시한다.

한편 보호각 벽면에서 수습한 먼지를 구성하는 광물성 분진과 화분은 황사, 인근 공사장의 먼지, 주변 식생의 생육활동에 의해 발생하는 대기 오염물이 보호각 갤러리창을 통해 유입된 것으로 판단된다. 주변 식생의 생육활동으로 인한 꽃가루, 황사 등의 분진은 공기배출이 어려운 갤러리창을 통해 유입되어 석고와 함께 유백색 오염물 복합체를 이루며 누적된다. 분진이 지속적으로 유입되고 온·습도가 외부환경에 의해 크게 좌우되는 배기시설 등도 오염물 형성 원인 중 하나다.

보호각은 화석층과의 인접면이 콘크리트로 구성되어 있으나 실질적인 타설 면적이 극히 좁다. 그러나 화석층의 두 번째 하부층준(JF-02)의 경우 칼슘의 함량이 많고(43.71 oxide%) 지하수와의 반응 면적이 넓어 오염물 형성에 더 큰 영향을 미쳤을 것으로 보인다. 칼슘 이온은 상부층준(JF-01) 및 화석층(JC-T01)에 조밀한 층리와 절리가 형성되어 있으므로 지하수의 모세관현상을 통해 공급되었을 가능성이 크다. 황은 일반적으로 자연계에서 토양 내 95% 이상이 유기화합물로 존재(Gahan and Schmalenberger, 2014)하므로 화석층 표면의 석고를 구성하는 황은 유기 기원일 가능성이 높다. 화석층 주변물질에서 용출된 석고의 구성 원소는 보호각 후방의 잔디식재 토양층에서 축적되어 지하수를 매개로 화석층 표면까지 이동한다.

보호각 내·외부 환경 모니터링 결과, 일사의 간접 영향을 받은 상부가 보행 데크 내 영역보다 온도가 크고 일교차에 민감하게 반응한다. 이러한 상·하부의 온도차는 보호각 내부의 대류 활동 및 증발현상을 활발하게 하여 석고의 빠른 형성에 기여할 수 있다. 또한 일교차가 적고 배수시설에 인접한 보행 데크 내부 영역은 강우 발생 시 상대습도가 100%에 육박하며 강우 종료 후에도 다습한 환경이 장시간 유지되는 경향을 보여 화석층 표면증발의 영향을 받은 것으로 추정된다.

토양 수분량 모니터링 결과는 강우 시 층후가 얇고 지표수의 집수영역인 JS-03에서 집수된 지표수와 지하수가 단시간 내 포화된 후 인접한 화석층의 불연속면과 보호각 외곽을 따라 배출됨을 의미한다. 반면 화석층에서 유출되지 않은 지하수는 최저 지점이자 보호각 좌측인 JS-04 영역에 누적된다. 따라서 JS-04 영역은 강우 시 중력에 의해 가장 많은 집수가 이루어지지만, 일사량 증가 시 식물의 증산과 화석층 표면의 증발에 의해 공급되는 수분량이 줄어들어 관찰기간 내 수분량의 변화가 가장 크게 나타난 것으로 해석된다.

칼슘과 황으로 구성된 분진상의 오염물은 셰일 성층면의 요철이나 미세조직 등 표면 상태에 관계없이 스팀 세정만으로도 효과적인 제거가 가능하다. 레이저 세정의 경우 오염물과 보존대상의 색상에 의한 레이저 흡수능 차를 통해 오염물을 선택적으로 제거 시 유용한 방법이다. 하지만 연구대상과 같이 보존 대상이 오염물보다 레이저 흡수능이 클 경우 암층 표면도 손상되어 표면에 공극률을 증가시켜 암석 표면에서 더 많은 수분을 더 오래 잔류하게 만들 수 있다. 따라서 레이저 세정법은 고착형 오염물이 두드러지게 발생하는 영역에만 국부적으로 사용하는 것이 바람직하다.

발자국 화석산지의 보존 측면에서 증발잔류광물에 의해 발생하는 백화현상은 수분 순환과 밀접한 연관성을 가진다. 따라서 절리나 층리와 같이 불연속면의 연장성이 좋은 화석산지는 보존환경 조성 시 강우, 일사, 공기 순환과 더불어 퇴적층 암반의 주향·경사, 주변 지형과의 관계를 복합적으로 고려하여 수분 순환 경로를 파악하고 이를 제어해야 한다.

진주 충무공동 익룡·새·공룡발자국 화석산지는 암회색 셰일 표면에 판상 내지 주상의 결정형을 갖는 석고와 갤러리창을 통해 유입된 화분과 광물성 분진 등이 복합체를 형성하고 있어 기원 및 유입 경로가 상이하다. 특히 석고는 화석층의 하부층준과 환경정비 사업을 통해 조성된 잔디식재 토양층이 인접하는 구조 내에서 수분이 순환하며 칼슘과 황이 지하수에 농집된 후 화석산지 표면에서 결정화 된 것이다. 따라서 증발광물과 대기 오염물의 차단 및 배출이 원활하기 위해서는 보호각 후방 토양층 제거 및 방수 설비와 임시 개방형 환기시설 구비 등 수분 순환 제어가 필요하다. 분말상으로 피복된 오염물은 제거 전·후 비교실험 결과 화석층 표면의 미세퇴적구조의 보존, 색상 변화 및 질감, 반복세정 시 물리적 충격, 제거율 등을 고려했을 때 스팀 제거법이 적합한 것으로 평가되었다.

이 논문에서는 복잡한 풍화 메커니즘을 가진 유산의 손상에 대하여 무기물 재료의 비교분석과 환경 모니터링을 통해 메커니즘에 대한 해석의 폭을 넓혔다. 또한 복합적인 기원의 오염물 추적에 대한 분석 결과를 종합적으로 해석하고 이를 풍화 메커니즘에 대한 실질적인 근거자료 마련하였다. 특히 수분 순환 모니터링은 화석산지의 손상원인 규명 및 장기적 보존방안의 개선을 목적으로 강우 발생 및 지하수 유동이 활발한 장마철에 집중적으로 수행되었다. 모니터링 결과는 향후 기후변화와 지하수 유동과 관련된 오염물의 기원 추적, 공급 수분량의 변화가 오염물 생성에 미치는 영향 등을 분석하기 위한 방법으로써 활용도가 높을 것으로 판단된다.

화석산지는 넓은 대지면적으로 산출되는 노두를 보호해야 하므로 보호각 시설을 활용한 외부 손상원으로부터의 일차적 보호에 효과적이지만 복잡한 풍화 메커니즘을 형성할 수 있으므로 설비 전·후 환경에 대한 지속적인 모니터링이 필요하다. 그러나 이번 연구는 모니터링 기간이 짧아 화석산지 보호환경의 계절별 수분 순환 유형 분석과 영향력을 평가하지 못한 미비점이 있다. 또한 환경개선의 효과검증 면에서 아직 개선방안이 적용되지 않아 비교분석 데이터가 확보되지 못했으므로 온·습도, 토양수분량 측정을 재개하고 수분 순환 시스템의 변동을 장기적으로 관찰할 필요성이 있다.

Table 4

Calculation of contaminants removal rate (wt%) through XRF Mapping.

Method	JC-01		JC-02		JC-03
	Ca	S	Ca	S	Ca	S
Before cleaning	17.98	13.74	16.63	17.66	16.73	13.50
After cleaning	3.36	0.13	3.20	0.04	3.68	0.00
Removal Rate (%)	81.31	99.05	80.76	99.77	75.00	100.00

이 연구는 문화재청 국립문화재연구원 석조문화유산 석재공급지 정보 구축 연구사업의 지원을 받아 수행되었다. 환경 모니터링에 도움을 주신 국립문화재연구원 복원기술연구실 환경팀과 아낌없는 조언을 해주신 심사위원님들께 감사드린다.