1. 개요
지반공학[Geotechnology]을 옥스퍼드영영사전에서 “A form of technology that is concerned with the earth” 라고 기록하고 있으며 또 다른 영문 표현으로의 지반공학[Geotechnical engineering]은 Merriam Webster 영영사전에서 명사[noun]이며 “A science that deals with the application of geology to engineering” 라 정의하고 있다. 즉 지반공학과 지질학[Geology]은 서로 상호간 밀접한 관계가 있음을 분명히 알 수 있다.
필자는 지질학을 전공하고 지반조사 분야에서 30년 이상을 종사하며 지반공학과 지질학과의 융합된 연구가 더 큰 시너지 효과를 내고 있음을 여러 차례 경험하였다. 이 경험을 지반공학회원 모두에게 알리고 져 몇 차례에 걸쳐 암석의 성인과 공학적 특성, 단층 및 절리가 지반에 미치는 영향 그리고 한국의 지질 등에 대해 기술하여 가기로 하며 먼저 이번호에서는 물속에서 만들어진 퇴적암에 대해 기술한다.
2. 퇴적암의 성인과 분류
퇴적암(Sedimentary rock)은 기반암 즉 모암이 풍화에 의해 자갈, 모래 혹은 점토 등으로 분해된 쇄설물(detrital material) 혹은 수용성 물질이 물에 녹아서 운반과정을 거쳐 강, 호수 혹은 바다에까지 운반되어 더 이상 운반 에너지가 약하여져서 바닥에 쌓이게 되는데 이들 쌓인 물질들이 속성작용(diagenesis) 과정을 거치면서 암석으로 변화하여(이를 석화, lithification이라 함) 퇴적암이 만들어 진다. 이를 요약하면 퇴적암은 풍화-운반-퇴적-속성작용을 거치게 된다. 그래서 퇴적암의 명칭은 쇄설물의 입자 크기에 따라 역암, 사암, 이암 혹은 셰일로 구분하고, 수용성 물질에 의한 비쇄설성퇴적암의 대표적인 것은 탄산칼슘[CaCo3]으로 구성된 석회암이다(표 1 참조).
3. 퇴적암의 특징
이들 퇴적암(Sedimentary rock)은 쇄설성 혹은 비쇄설성퇴적물들이 물속에서 가라앉아[deposit] 암석이 되었으므로 마치 시루떡의 쌀가루 한켜 콩가루 한켜를 쌓아 놓은 것처럼 한켜 한켜 쌓인 흔적인 층리(bedding plane)를 가지게 된다(그림 1(a)). 또한 퇴적암은 물속에서 쌓였으므로 현생에서도 물가에 가면 흔히 관찰되는 물결자국이 그대로 석화 되어 남아 있거나(그림 1(b)) 수면이 낮아지면서 퇴적물이 물 밖으로 노출되므로 말미암아 햇볕에 퇴적물 표면이 말라 걸라지면서 생기는 건열(그림 1(c)) 등 물속에서 쌓였다는 흔적들이 그대로 남아 있다. 또 다른 특징 중 하나는 화석은 퇴적암에만 존재한다는 것이다. 즉 화석이 발견된다면 그 암석은 퇴적암이다.
4. 지반공학적 관점에서의 퇴적암
퇴적암 중에서 이암과 셰일은 쇄설물의 입자가 1/256 mm 미만인 점토가 속성작용을 거쳐 암석화된 것이다. 입자의 크기는 같으나 이암과 셰일이라 달리 명명하는 기준은 파열성[fissility] 조직의 유무이다(그림 2). 즉 셰일은 이암에서는 나타나지 않는 파열성[fissility] 조직을 가지는데, 사암층과 파열성[fissility] 조직이 발달하는 셰일 층이 호층으로 이루어진 지반에서 사면을 조성하거나 터널을 시공 할 경우 층리의 경사면과 사면의 경사면의 조건에 따라 사면에서 붕괴가 일어나기 쉽고, 터널 시공 시는 터널 벽면에서 여굴 발생이 일어날 가능성이 존재하는 것이 문제점으로 대두 된다(그림 3).
석회암은 표 1에서와 같이 비쇄설성퇴적암으로 주 구성광물이 탄산칼슘[CaCo3]으로 이루어진 방해석이다. 이들 탄산칼슘은 지하수나 지표수 등의 물과 반응하여 CaH(Co3)2인 수용성 물질로 반응하며 물에 녹게 된다. 그러므로 석회암으로 구성된 지반에서는 석회암이 녹아 그림 4와 같이 지표면의 높낮이가 매우 급격하게 차이를 이루는 카르스트 지형과 둥근형태의 함몰구조인 지형학에서 돌리네(doline)라 일컫는 씽크홀[sinkhole]이 자주 발생 한다(그림 5).
씽크홀[sinkhole]에는 solution sinkhole, collapse sinkhole, buried sinkhole, subsidence sinkhole 등이 있다. Solution sinkhole은 느린 속도로 지표가 침식되면서 발생한 것으로 직하부에 공동이 존재하는 결정적인 증거가 된다. Collapse sinkhole은 하부 기반암의 파괴로 인해 발생되는 것으로 지질학적 시간과정에서는 별로 발생되지 않는다. Buried sinkhole은 상기 두 종류의 씽크홀이 발생한 후 상부가 토사층으로 덮인 경우이며 대부분 불규칙한 토사-암반 경계면(즉, rockhead)을 나타내므로 기초공사 설계 시 주의할 요소이다. Subsidence sinkhole은 석회암 지반 상부의 토사층 또는 연암의 붕괴로 말미암는 것으로 전 세계적으로 가장 흔하게 발견되는 형태이다. 또한 발생과정이 빠르게 진행되므로 토목공사에 치명적인 영향을 주게 된다.
5. 맺음말
강이나 호수 혹은 바다까진 운반된 수중에서 쇄설물이나 물에 녹은 수용성 물질이 과포화에 의한 침전으로 수중 바닥에 한켜 한켜 쌓이고 이 후 속성과정을 거쳐 암석화 한 것이 퇴적암이다. 이로 인해 퇴적암은 층리를 가지며 사암과 파열성[fissility]을 가지는 셰일이 호층을 이루는 지반에서는 불연속면인 층리와 셰일의 파열성으로 인해 지반에 나쁜 영향을 미친다. 비쇄설성퇴적암의 대표적 암석인 석회암은 지하수나 지표수와 화학반응을 일으켜 지층을 용식시키면서 씽크홀을 만들며 지표침하의 원인을 제공하기도 한다.
