2. 이론적 배경
3.2 퇴적암의 풍화도
3.2.3 화학적 풍화지수
화학적 풍화는 현 상태뿐만 아니라 유지관리 동안 예상되는 풍화를 정량화하 기 위한 방법으로 전암분석은 광물의 화학적 조성을 검증하고 대비하기 위해 암석의 SiO2, TiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, MnO, K2O, Na2O, P2O5 등의 성분 을 분석하고 함량비에 따라 풍화의 진행을 예측할 수 있다.
풍화지수와 관련된 연구는 암석을 구성하는 조암광물의 풍화를 나타내는 광 물학적 연구(Goldich, 1938)를 시작으로 다양한 연구가 이루어져 왔다. 특히 화 학적 풍화지수는 풍화를 받기 이전의 광물 조성과 풍화반응 후 생성물의 함량 비로 표현되는데 암석마다 풍화과정이 서로 다르게 나타나므로 암석의 종류에 따라 다양한 지수가 제안되었다. 그중에서 풍화에 의해 암석의 화학조성 변화 와 주요 원소의 상대적 이동에 이용한 지구화학적인 선행연구가 활발하였고 (Nam, 1971, 1987; Nam and Cho, 1993; Chesworth, 1973; Delvaux et al., 1989;
Marsh, 1991; Condie et al., 1995; Chang, 2003; Choi, 2011), 특히 화학종의 함량 변화에 기초한 풍화지수들이 제안되었다(Vogt, 1927; Reiche, 1943; Ruxton, 1968; Parker, 1970; Vogel, 1975; Nesbitt and Young, 1982; Sueoka, 1988; Harnois, 1988; De Jayawardena and Izawa, 1994; Fedo et al., 1995).
전암분석을 이용하여 계산된 풍화지수는 지반을 구성하는 암석과 토양의 화 학조성으로 풍화정도를 정량적으로 산정하는 방법으로 여러 연구자들에 의해 제안된 방법들이 있다.
화학적 풍화지수는 Vogt(1927)가 제안한 Vogt 비(V, Vogt ratio)가 가장 최초로 식(3.5)와 같이 제안되었으며, 이후 Reiche(1943)는 풍화지수를 풍화잠재지수 (WPI, Weathering Product Index)와 생성물지수(PI, Product index)로 구분하여 식 (3.6)과 식(3.7)을 제안하였다.
(3.5)
(3.6)
(3.7)
풍화잠재지수(WPI)의 감소는 이동성이 큰 양이온이 감소하고 수산화물이 증 가하는 것을 반영하며, 풍화산물지수 (PI)는 화학적 풍화의 주된 변화는 SiO2
및 유동성 원소의 감소와 수분 (H2O+)의 증가로 풍화정도를 표현되며, PI가 감 소하는 것은 풍화가 진행됨에 따라 실리카가 감소되는 것을 반영한 것이다.
Ruxton(1968)은 풍화과정 중 알루미나는 일정하게 남는다는 가정 하에 풍화가
진행될 때 암석요소의 손실은 실리카의 손실에 의한 것으로 가정하여 SAR
(Silica-Alumina Ratio)을 식(3.8)과 같이 제안하였다. 그러나 이 지수는 화강암과
석영반암과 같은 산성암에는 적합하지만, 염기성 또는 초염기성암에서는 적합 하지 않은 것으로 알려져 있다(Irfan, 1996).
(3.8)
Parker(1970)는 알칼리성 광물비 및 광물 부착강도를 토대로 파커지수(Wp;
Parker Index)를 식(3.9)와 같이 제안하였다. 이는 가수분해(hydrolysis)가 실리카
풍화의 주된 화학적 반응의 요소가 되는 환경에서는 산성 및 염기성 암석 모두 에 적용할 수 있다는 장점이 있다.
(3.9)
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Miura(1973)는 제1철 (ferrous iron)과 제2철 (ferric iron)간의 이동성을 고려하여 식(3.10)과 같은 MI(Miura Index)를 제안하였다.
(3.10)
Vogel(1975)이 제안한 변형된 풍화산물지수(MWPI, Modify Product Index)는 식 (3.11)과 같이 표현된다.
× (3.11)
Nesbitt and Young(1982)가 제안한 화학적 풍화지수 CIA(Chemical Index of
Alteration)는 식(3.12)와 같이 표현되며, 이 지수(CIA)는 전 세계적으로 가장 널
리 사용되는 풍화지수이다.
× (3.12)
Harnois(1988)는 화학적 풍화지수(CIA)에서 K2O의 함량을 제외시킨 지수로 화
학적 풍화지수 CIW(Chemical Index of Weathering)를 식(3.13)과 같이 제안했다. 화학적 풍화지수는 50~100사이의 값의 범위를 나타내며, 풍화지수와 풍화와는 정의 상관성을 가진다.
× (3.13)
Sueoka(1988)는 화강암이 전 세계적으로 분포되어 각기 다른 풍화환경에 따라
풍화정도가 다르기 때문에 조암광물의 화학적인 변화로서 풍화도를 분류하였
다. 이는 식(3.14)와 같이 제안되었으며, 제안된 화학적 풍화지수가 암반 및 풍 화토에 대하여 풍화과정 전체를 표현할 수 있고 공학적 목적에도 부합한다고 하였다.
±
(3.14)
De Jayawardena(1994)는 Al2O3, SiO2 및 TiO2의 관계로부터 Si-Ti index와 Al-Ti Index를 식(3.15), 식(3.16)과 같이 제안하였다.
(3.15)
(3.16)
Irfan(1996)은 신선한 암석과 풍화암에 대한 K2O, Na2O, CaO와 같은 이동성이
큰 물질의 함량을 이용하여 Mobile Index(IMOB)를 식(3.17)과 같이 제안하였다.
(3.17)
여기서, MobFr esh : 신선한 암석의 (K2O + Na2O + CaO) 함량, : 풍화암의 (K2O + Na2O + CaO) 함량이다.
Table 3.1은 연구에 적용한 풍화지수를 정리하여 나타낸 것이다.
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Table 3.1 Summary of weathering indices (if calculated using molecular proportions of elements oxides) evaluated in this study(modified from Price and Velbel, 2003).
Index Formula Fresh
value
Weathered value
V (Al2O3+K2O)/(MgO+CaO+Na2O) <1 Infinite
SAR(R) SiO2/Al2O3 >10 0
WP(WIP) ((2Na2O/0.35)+(MgO/0.9)+(2K2O/0.25)+(CaO/0.7)×100 >100 0
CIA (Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O))×100 ≤50 100
CIW (Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O))×100 ≤50 100
Si-Ti Index ((SiO2/TiO2)/((SiO2/TiO2)+(SiO2/Al2O3)+(Al2O3/TiO2)))×100 >90 0 PIA ((Al2O3-K2O)/(Al2O3+CaO-Na2O-K2O))×100 ≤50 100
※ V: Vogt ratio (Vogt, 1927), SAR(R): Silica-Alumina Ratio (Ruxton, 1968), WP(WIP): Weathering Index of Parker (Parker, 1970), CIA: Chemical Index of Alteration (Nesbitt and Young, 1982), CIW: Chemical Index of Weathering (Harnois, 1988), Si-Ti Index: Silica–Titania Index (De Jayawardena and Izawa,1994), PIA: Plagioclase Index of Alteration (Fedo et al., 1995).
Table 3.1과는 별개로 Sueoka et al.(1988)은 강열감량(LOI, Loss on ignition) 자 체가 화학적 풍화지수가 된다고 제안하였다. 강열감량은 시료를 950℃로 30분 간 가열시 감소되는 양을 백분율로 표시한 양으로 시료에서 H2O의 양을 나타
낸다. Gupta & Rao(2001)는 13개 암종에 대한 암석학적 특성을 분석하고 풍화
등급을 정리하였는데, 화학적 풍화지수는 모든 암종에 대한 합리적인 풍화등급 을 정리하기는 어려우나 강열감량은 거의 모든 암종에 대하여 풍화지수로써 활 용이 가능할 수 있다고 제안하였다. 강열감량은 소실되는 물질의 구성비로 풍 화풍화가 진행됨에 따라 증가하는 경향이 뚜렷하게 나타나므로 풍화지수와의 직접적인 비교가 간편하다.
본 연구에서 특히 Nesbitt(1982)가 제안한 화학적 풍화지수인 CIA 중점적으로 활용하였다. CIA는 풍화지수 또는 화학적 변질지수로도 불린다. 화학적 풍화지 수는 1차 광물, 2차 광물의 비율을 반영하여 화학적 풍화의 정도를 나타내는데 지수값의 범위는 보통 50~100의 범위를 나타내며, 다른 풍화를 나타내는 풍화 지수들과 풍화정도는 대부분 정의 상관성을 가진다. Table 3.2와 Fig. 3.6은
Nesbitt and Young(1982)이 미국 지역을 대상으로 분석된 암종별 CIA 지수를 보
여준다. 이 지역의 경우 셰일의 CIA 지수는 70~75 정도를 보이는 것을 알 수 있다.
본 논문에서는 광물별 암석별 값이 비교적 정량화 되어있는 화학적 풍화지수 를 대상으로 하여 암종별 지수값의 범위와 특성을 파악하였다(제4장 참조). 주 대상은 쇄설성 퇴적암인 사암, 이암, 셰일이다.
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Table 3.2 Range of chemical index of alteration(CIA)(modified from Nesbitt and Young, 1982, De Jayawardena, U. S. and Izawa, E., 1994)
Item Rock type Range of CIA
Feldspar
unaltered albite 50 unaltered anorthite 50 unaltered K-feldspar 50
Rocks
fresh basalt 30-45 fresh granite 45-55 fresh granodiorite 45-55
shale 70-75
Clay minerals
muscovite 75
smectite 75-87
kaoline, chlorite 100
illite 75-85
Fig. 3.6 Chemical index of alteration (CIA) (modified from Nesbitt and Young, 1982)
풍화가 진행됨에 따라 2차적으로 점토광물이 생성되며, 2차적으로 형성된 점 토광물은 풍화를 더욱 가속화 시킨다. 특히 점토광물 중 팽윤성광물의 생성 유 무의 진단은 풍화의 진행 정도와 함께 구조물의 안정성을 예측하는 자료가 된 다. 풍화에 의한 화성암의 주성분 원소의 변화를 이용하여 화학적 풍화의 정도 를 나타내는 많은 지수들이 제안되어 있는데 이는 화학적 풍화에 의해 암석과 광물중의 원소가 용탈되는데, 용탈되는 양과 속도는 원소 종류에 따라 달라지 며, 이러한 화학종간의 비를 측정함으로써 풍화의 정도를 지시할 수 있다. 점토
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풍화를 더욱 가속화시킨다. 풍화가 진행됨에 따라 결정광물에서 조건에 따라 발생할 수 있는 광물을 모식화한 것으로 풍화가 진행될 때 형성될 2차 광물과 풍화의 최종산물을 나타내었다(Fig. 3.7).
Fig. 3.7 Weathering products of weathering process(modified from Mason, 1966)