Evaluation of Crack Behavior and Climate Monitoring of Ipseok-dae Columnar Joints and Jigong Neodeol Rock Blocks in Mudeungsan National Park

무등산국립공원 입석대 주상절리 및 지공너덜 암괴의 균열 거동과 기후 모니터링 평가

Abstract

This study evaluated cracks and climate monitoring in Ipseok-dae columnar joints and Jigong Neodeol rock blocks in Mudeungsan National Park. The rocks' state of cracking and their surface temperatures were measured alongside air temperature, relative humidity, and wind velocity. The maximum crack behavior in Ipseok-dae was 0.367 mm at one point, and showed a slight tendency at other points. One in Jigong Neodeol was within 0.15 mm and showed a stable state with little change. The surface temperature of the Ipseok-dae columnar joints was higher on the side exposed to sunlight than on the shaded side. All blocks of Jigong Neodeol rock showed similar temperatures. The air temperature showed a similar distribution for both rock types. The air temperature showed a similar distribution for both Ipseok-dae and Jigong Neodeol. The relative humidity was mostly between 20% and 60% in Ipseok-dae and was between 20 and 70% in Jigong Neodeol. Both areas had low wind speeds, with maxima of 5 m/s in Ipseok-dae and 3 m/s in Jigong Neodeol. As a result, it is evaluated that crack behavior in Ipseok-dae columnar joints and Jigong Neodeol rock blocks have maintained a very stable state so far. The surface temperature, temperature, relative humidity, and wind velocity of the two areas showed small difference depending on the season, indicating that they were affected to some extent by the season. From a long-term perspective, this can continuously affect the deformation of the Ipseok-dae columnar joints or Jigong Neodeol rock blocks. Therefore, in order to accurately evaluate their stability, it is considered that the current microscopic delamination and exfoliation or the propagation and expansion of cracks should be continuously measured.

본 연구에서는 무등산국립공원 입석대 주상절리와 지공너덜 암괴를 대상으로 균열 거동과 기후 모니터링을 평가하였다. 이를 위해 암괴 내 발달해 있는 균열 상태, 암괴의 표면 온도, 대기 온도, 습도, 풍속 등을 측정하였다. 입석대 주상절리 균열 거동 최대값은 한 곳에서 0.376 mm로 나타났고, 그 외 지점에서는 미미한 경향을 보였다. 지공너덜 암괴에서의 균열 거동은 0.15 mm 이내로 거의 변화가 없는 안정한 상태를 나타냈다. 입석대 주상절리의 표면온도는 하루 중 햇빛에 많이 노출된 면이 그렇지 않은 면보다 높게 나타났으며, 지공너덜 암괴에서는 모두 비슷한 분포를 보였다. 대기온도 결과는 입석대와 지공너덜 모두에서 비슷한 분포양상을 보였다. 상대습도는 입석대의 경우 대부분 20~60% 사이에 분포하였으며, 지공너덜은 대략 20~40%, 50~70%로 두 구간으로 분포하였다. 마지막으로 풍속은 입석대의 경우 대부분 5 m/s, 지공너덜의 경우 대부분 3 m/s 이내로 두 지점 모두 낮게 나타나 바람의 영향을 적게 받고 있는 것으로 나타났다. 결과적으로 입석대 주상절리와 지공너덜 암괴 내 존재하는 균열 거동은 현재까지 매우 안정적인 상태를 유지하고 있는 것으로 평가된다. 두 지역의 표면온도, 대기온도, 상대습도, 풍속 등은 계절에 따라 작은 차이를 보여 계절적 영향을 어느 정도 받은 것으로 나타났다. 이것은 장기적 관점에서 볼 때, 입석대 주상절리나 지공너덜 암괴의 변형에 계속적으로 영향을 줄 수 있다. 따라서 이들의 정확한 안정성을 평가하기 위해서는 현재 미세하게 발생하고 있는 박리박락 현상이나 균열의 전파와 확대에 대한 측정이 지속적으로 이뤄져야 할 것으로 사료된다.

서론

화산활동으로 형성된 무등산국립공원 내에는 다양한 크기와 분포를 보여주는 주상절리대가 잘 발달되어 있는데, 정상부인 천왕봉, 지왕봉, 인왕봉을 포함하여 정상 부근인 입석대, 서석대, 규봉암에 폭넓게 분포하고 있다. 주상절리는 분출된 뜨거운 용암이 냉각할 때 생기는 1차적 구조로 보고되었다(Grossenbacher and McDuffie, 1995). 무등산국립공원 내 주상절리대는 해발고도 700 m 이상의 지역에서 광역적으로 분포하고 있으며, 서석대와 입석대 주상절리의 높이는 각각 33 m 와 18 m로 측정되었다. 이들 주상절리의 특징으로는 다른 지역 주상절리와는 다르게 그 너비가 수 cm~수 m, 높이도 수 m~십여 m로 다양하다는 점이다. 특히 이 연구의 주 대상지점 중 하나인 입석대의 경우 주상절리대의 절리면 너비가 약 0.6~1.2 m인 5~6각형의 주상절리대가 해발고도 약 1, 017 m 정도에 자리하고 있다. 이 주상절리대 내부에는 수직 및 수평 절리가 잘 발달되어 있음이 관찰되는데, 광주광역시 연구보고서(Gwangju City, 2013)에 따르면 이들 수직 절리는 전단력에 의해 생성된 리델 전단 절리(Riedel shear joint)일 가능성을 보고한 바 있다. 또한 주상절리 각 면에는 거의 수평 방향으로 발달된 수 cm 크기의 다양한 선구조들이 관찰되는데 그 원인이 주상절리의 불연속적 성장이나 풍화에 의한 것인지는 아직 밝혀진 바 없다.

무등산국립공원 내에는 너덜이라 불리는 암괴지형이 무등산 전체사면에 걸쳐 다양하게 분포하고 있으며, 대표적으로 덕산너덜, 지공너덜, 인계너덜, 수만리너덜, 금곡동너덜 등을 들 수 있다. 이들 너덜은 무등산국립공원에서 볼 수 있는 특색있는 지형경관 중 하나로서 지난 빙기에 주빙하 환경에서 형성된 암괴사면(Block slope)임이 판명된 바 있다(Park, 1996; Oh et al., 2012). 암괴지형에서 가장 큰 규모를 보이는 것으로는 길이 600 m, 최대 폭 250 m, 평균 경사 25°~30° 의 덕산너덜로써 해발고도 350~700 m에 위치한다. 또한 가장 높은 곳에 위치한 너덜로는 최대 폭 150 m로 해발 700~950 m (하부)와 1, 000~1, 100 m (상부)에 위치한 지공너덜이다. 앞서 언급한 바와 같이 무등산국립공원의 주상절리뿐만 아니라너덜 암괴 내에도 크고 작은 수직 및 수평 방향 균열이 잘 관찰된다. 이 균열은 그 틈을 따라 스며든 비나 눈 등에 의한 팽창작용, 식물이나 이끼 등에 의한 변질작용의 영향을 받을 수 있다. 더군다나 이들은 해발고도가 높은 곳에 위치해 있으므로온도나 습도와 같은 기상이나 계절적 영향도 받을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 무등산국립공원 내 대표적 주상절리대인 입석대와 대표적 암괴지형인 지공너덜을 대상으로 균열 거동과 계절적 영향을 평가하고자 한다. 구체적으로는 입석대와 지공너덜 암괴 내 발달해 있는 균열의 거동을 평가하기 위한 균열 상태를 측정하고자 한다. 또한 입석대와 지공너덜 암괴의 계절적 영향을 평가하기 위한 암괴의 표면 온도, 대기 온도, 습도, 풍속 등을 모니터링하고자 한다.

연구지역

본 논문의 연구지역은 주상절리대 중 하나인 입석대와 암괴지형 중 하나인 지공너덜을 대상으로 하였다(Fig. 1). 입석대 주상절리대는 서석대 주상절리대와 함께 천연기념물 465호로 지정되어 있다. 지형적으로 서석대의 사면경사는 약 70° 정도로 높은 반면, 입석대 암괴지형의 사면경사는 지면의 경사와 유사하게 낮은 특징을 보인다(Gwangju City, 2013). 입석대의 암괴는 기반암 상태에서 노출된 상태로 서석대에 비해 사면방향으로의 붕괴가 많은 특징을 보인다. 무등산국립공원 남서 사면의 규봉암 일대에 지공너덜이 위치해 있는데, 이 너덜의 형성 원인으로는 규봉암 일대에 잘 발달해 있는 주상절리와 수평절리에 의한 것으로 보고되었다(Park, 1996). 지공너덜 암괴의 평균 입경은 0.5~1.0 m, 최대 크기는 4~5 m 정도로 암괴들은 특정한 방향성을 보이지 않는다. 암괴들의 단면 형태는 대부분 사각형이며, 삼각형과 오각형도 나타난다 (Ko et al., 2016). 입석대와 지공너덜에 측정된 균열과 온도, 습도, 풍속 지점은 Fig. 2와 같다. Fig. 2에서 입석대 균열 측정은 IC-1, IC-2, IC-3에서, 온도, 습도, 풍속은 IE-1, IE-2, IE-3에서, 그리고 지공너덜 균열 측정은 JC-1, JC-2, JC-3에서, 온도, 습도, 풍속은 JE-1, JE-2, JE-3에서 측정되었다.

Fig. 1. (a) Geological map of study area, (b) lpseok-dae, (c) Jigong Neodeol (modified after Noh et al., 2020).

Fig. 2. Measuring locations for crack, surface temperature, air temperature, humidity, and wind velocity in (a) lpseok-dae (IC-1,2,3 and IE-1,2,3) and (b) Jigong Neodeol (JC-1,2,3 and JE-1,2,3) areas.

연구방법

본 연구에서는 무등산국립공원 내 주상절리대인 입석대와 암괴지형인 지공너덜에 분포하고 무등산응회암에 발달해있는 수직 균열에 대한 거동과 이들 지점에 있어 온도, 습도, 풍속 등의 모니터링을 주기적으로 실시하였다. 입석대 암괴내 균열 거동은 Ring type의 변형률 게이지식 변환 장치인 크립형 변위계(Clip-shape displacement transducer)를 사용하여 균열 열림 변위(Crack opening displacement)를 SME-100 휴대용 데이터로거(Portable data logger)를 이용하여 측정하였다. 또한 지공너덜 균열은 Sincon SC-100 균열 모니터(Crack monitor)를 이용하여 측정하였다. 입석대와 지공너덜암괴 표면의 온도는 Testo 830-T4, 그리고 대기 온도와 습도는 Lutron LM-8000을 이용하여 측정하였다. 이들 측정 장치와 도구를 나타내면 Fig. 3과 같다.

Fig. 3. Measuring devices: (a) ring-type strain gauge and (b) protable data logger for cracks, (c) Testo 830-T4 for surface temperature and Lutron LM-8000 for air temperature, humidity, and wind velocity, and (d) crack gauge in lpseok-dae and Jigong Neodeol areas.

연구결과

입석대 주장절리 및 지공너덜 암괴 균열 거동

입석대 주상절리 중 3개를 선정(IC-1, IC-2, IC-3)하여 주상절리 내 발달해 있는 수직 균열 6개(R1, R2, R3, R4, R5, R6) 지점에 대한 거동 상태를 모니터링하였다(Fig. 4a). 균열 모니터링은 2020년 4월~2021년 7월까지 봄, 여름, 가을, 겨울 등 계절적 영향을 고려하여 총 14회 실시하였다. 모닝터링 결과를 나타내면 Fig. 4b와 같다. 그래프에서 알 수 있듯이 R1, R3, R5의 균열 거동은 계절적 영향과는 관계없이 거의 변화 없이 안정적인 반면, R2, R4, R6은 몇몇 구간에서 상대적으로 큰 변화폭을 보여 계절에 따른 영향이 있음을 나타났다. 하지만 각 지점의 최대값과 최소값 차이는 R1 0.053 mm, R2 0.281 mm, R3 0.038 mm, R4 0.376 mm, R5 0.010 mm, R6 0.192 mm로 R2와 R4를 제외하고 매우 작게 나타남을 보였다.

Fig. 4. (a) Points for measuring crack behavior on R1 and R2 of IC-1, R3 and R4 of IC-2, R5 and R6 of IC-3 in lpsock-dae columnar joints. (b) Results.

지공너덜 암괴 중 3개를 선정(JC-1, JC-2, JC-3)하여 암괴 내 발달해 있는 수직 균열 3개 지점에 대한 거통 상태를 2020 년 2월~12월까지 총 9회 모니터링 하였다(Fig. 5). 균열 모니터 도구로 측정하여 확인된 결과를 나타내면 Fig. 5의 오른쪽 그림과 같다. 그림에서 보는 바와 같이 균열 거동은 0.15 mm 이내로 거의 변화가 없는 안정적인 상태로 나타났다. 다만, 지공너덜 암괴들은 대부분 지공너덜 사면 방향으로 경사져서 놓여있는 경우가 많은 것이 특징으로, 본 연구 결과에서도 균열 거동은 미미하나 균열 모니터 중심을 기준으로 좌우가 대칭적인 분포를 보였다. 이것은 암괴의 거동이 매우 작게 사면 방향으로 경사 이동했음을 의미한다.

Fig. 5. (a) Points for measuring crack behavior on JC-1, JC-2, and JC-3 in Jigong Neodeol rock blocks. (b) Resutls.

표면온도 결과

입석대 3개의 주상절리 IC-1, IC-2, IC-3와 지공너덜 암괴 JC-1, JC-2, JC-3에 대한 표면온도를 2020년 4월~2021년 7 월까지 계절적 영향을 고려하여 총 14회 측정하였다. 주상절리 IC-1과 IC-2의 경우 각각 6개 면, IC-3의 경우 7개 면에 대해 표면온도를 측정하였다(Fig. 4a). 여기서 주상절리의 각 면마다 표면온도를 측정한 이유는 하루 중 주상절리의 각 면에 햇빛이 비치는 정도가 달라서 그것에 따라 표면온도 차이가 발생하기 때문이다. 표면 온도 측정은 대부분 오전 10시에 실시하였으며, 그 결과를 나타내면 Fig. 6과 같다. 그래프에서 알 수 있듯이 3개 주상절리 모두에서 하루 중 햇빛을 가장 많이 받는 P2, P3, P4, P7(IC-3) 면의 표면 온도가 다른 면보다 높게 나타났다. 특히 주상절리 면 중 P6면은 하루 중 대부분이 햇빛에 노출되지 않아 20°C 이하의 낮은 표면온도를 나타냈다. 입석대 3개 주상절리의 표면온도에 대한 전체적인 경향을 살펴보면, 10~3월 기간에는 낮게, 5~9월 기간에는 높게 나타나 계절적 영향을 받고 있음을 보였다. 반면 지공너덜 3개 암괴의 경우 전체적으로 나무나 수풀에 가려있지 않고 햇빛에 잘 노출되어 있으므로 입석대 주상절리 표면온도보다 높은 경향을 보였다. 특히 JC-1의 경우는 최고 39°C의 높은 온도를 나타냈다. 지공너덜 암괴의 표면온도에 대한 전체적인 경향도 입석대와 거의 유사하게 나타남을 알 수 있다. 연구지역 입석대 주상절리와 지공너덜 암괴의 표면을 관찰해 보면, 과거로부터 현재에 이르기까지 풍화에 의한 박리박락으로 암괴 표면이 심하게 변형되었거나 진행되고 있음을 알 수 있다. 이것은 연구지역 암괴의 최대 및 최소 표면온도 차가 최대 40°C 이상인 점을 고려해 볼 때, 암괴의 표면온도 차가 암괴의 박리 박락을 일으키는 매우 중요한 요인 중의 하나인 것으로 판단된다.

Fig. 6. Results of surface temperature at (a)IC-1, (b)IC-2, and (c)IC-3 lpseok-dae and (d)JC-1, (e)JC-2 and JC-3 in Jigong Neodeol.

대기온도 결과

입석대 주상절리대의 대기온도를 3개 지점(IE-1, IE-2, IE-3), 지공너덜의 3개 지점(JE-1, JE-2, JE-3)에서 각각 측정하였다. 각 지점에서 측정된 자료와 비교하기 위하여 비슷한 위치에서 측정한 기상청(KMA, 2021) 자료를 참고하였다. 대기 온도는 2020년 2월~2021년 7월까지 계절적 영향을 고려하여 총 17회 측정하였다. 대기온도 측정은 대부분 오전 10시에 실시하였으며, 그 결과를 정리하면 Fig. 7과 같다. 그림에서 알 수 있듯이 입석대와 지공너덜 모두 비슷한 대기온도 분포를 보였으며, 기상청에서 제시한 자료와도 비슷한 경향을 나타냈다. 하지만, 최고 대기온도는 연구지점 결과가 기상청 것보다 더 높게 나타났지만, 최저 대기온도는 기상청 자료가 더 낮게 나타났다. 대기온도에 대한 전체적인 경향을 살펴보면, 입석대와 지공너덜 모두에서 10~3월 기간에는 낮게, 5~9월 기간에는 높게 나타나 계절적 영향과 관계있음을 나타냈다.

Fig. 7. Results of temperature at (a)IE-1, IE-2, and IE-3 in lpseok-dae and (b)JE-1, JE-2, and JE-3 in Jigong Neodeol.

상대습도결과

입석대 주상절리대의 상대습도를 3개 지점(IE-1, IE-2, IE-3), 지공너덜의 3개 지점(JE-1, JE-2, JE-3)에서 측정하였다. 각 지점에서 측정된 자료와 비교하기 위하여 비슷한 위치에서 측정한 기상청(Korea Meteorologial Administration, KMA)을 참고하였다. 상대습도는 2020년 2월~2021년 7월까지 계절적 영향을 고려하여 총 17회 측정하였다. 상대습도 측정은 대부분 오전 10시에 실시하였으며, 그 결과를 정리하면 Fig. 8과 같다. 측정 결과에 의하면, 입석대의 경우 상대습도는 대부분 20~60% 사이에 분포하는 것을 알 수 있다. 하지만 지공너덜의 경우 대략 20~40%, 50~70%의 두 구간으로 나뉘어 분포하는 것으로 나타났다. 상대습도에 대한 전체적인 경향을 살펴보면, 입석대와 지공너덜 모두에서 5~8월 기간, 즉 여름에 가장 높게 나타난 반면, 그 외 기간에는 낮거나 다소 불규칙한 경향을 보여, 다른 환경적 요인보다는 상대적으로 계절적 영향이 적게 미치는 것으로 나타났다.

Fig. 8. Results of relative humidity at (a)IE-1, IE-2, and IE-3 in lpseok-dae and (b)JE-1, JE-2, and JE-3 in Jigong Neodeol.

풍속 결과

입석대 주상절리대의 풍속을 3개 지점(IE-1, IE-2, IE-3), 지공너덜의 3개 지점(JE-1, JE-2, JE-3)에서 측정하였다. 각 지점에서 측정된 자료와 비교하기 위하여 비슷한 위치에서 측정한 기상청(Korea Meteorologial Administration, KMA)을참고하였다. 풍속은 2020년 2월~2021년 7월까지 계절적 영향을 고려하여 총 17회 측정하였다. 풍속 측정은 대부분 오전 10시에 실시하였으며, 그 결과를 정리하면 Fig. 9와 같다. 측정 결과에 의하면, 입석대의 경우, 풍속은 대부분 5 m/s 이내로 바람의 영향이 매우 작게 나타남을 알 수 있다. 이러한 원인은 입석대 주상절리대가 주변의 우거져 있는 관목들에 의해 둘러싸여 있고, 또한 지형적으로 바람의 영향을 덜 받은 곳에 위치해 있기 때문으로 판단된다. 지공너덜의 경우, 풍속은 대부분 3 m/s 이내로 입석대보다 더 낮아 바람의 영향이 매우 적음을 나타냈다. 기상청의 풍속 결과는 입석대의 경우 불규칙적인 경향을 보인 반면, 지공너덜의 경우 어느 정도 일정한 분포를 보였다.

Fig. 9. Results of wind velocity at (a)IE-1, IE-2, and IE-3 in lpseok-dae and (b)JE-1, JE-2, and JE-3 in Jigong Neodeol.

결론

무등산국립공원 내 주상절리대 중 하나인 입석대와 암괴지형 중 하나인 지공너덜을 대상으로 균열 거동과 암괴의 계절적 영향을 평가하였다. 이를 위해 암괴 내 발달해 있는 균열 상태를 측정하였으며, 암괴의 표면 온도, 대기 온도, 습도, 풍속 등을 모니터링하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다. 균열 거동 모니터링 결과에 의하면, 입석대 주상절리 IC-1의 R2와 IC-2의 R4에서 균열 거동이 0.281 mm와 0.376 mm로 나타났지만, 나머지 지점에서는 0.1 mm 이하로 매우 미미하였다. 지공너덜의 경우 측정한 모든 지점에서 균열 거동은 0.15 mm 이내로 거의 변화가 없는 안정한 상태를 나타냈다. 입석대 주상절리와 지공너덜 암괴의 표면온도는 입석대 주상절리의 경우 하루 중 햇빛에 노출된 면이 그렇지 않은 면보다 높게 나타난 반면, 지공너덜의 경우 암괴 모두에서 비슷한 분포를 보였다. 대기온도는 입석대와 지공너덜 모두에서 비슷한 분포양상을 나타냈다. 상대습도는 입석대의 경우 대부분 20~60% 사이에 분포하는 반면, 지공너덜은 대략 20~40%, 50~70% 의 두 구간으로 나뉘어 분포하는 것으로 나타났다. 풍속 측정 결과에 의하면, 입석대에서는 대부분 5 m/s, 지공너덜에서는대부분 3 m/s 이내로 두 지점 모두 낮게 나타나 바람의 영향을 적게 받고 있음을 보였다. 결과적으로 입석대 주상절리와 지공너덜 암괴 내 존재하는 균열 거동은 현재까지 매우 안정적인 상태를 유지하고 있는 것으로 평가된다. 두 지역의 표면 온도, 대기온도, 상대습도, 풍속 등은 계절에 따라 작게나마 차이를 보여 계절적 영향을 어느 정도 받는 것으로 났다. 이것은 장기적 관점에서 볼 때, 입석대 주상절리나 지공너덜 암괴의 변형에 계속적으로 영향을 줄 수 있다. 따라서 이들의 정확한 안정성을 평가하기 위해서는 현재 미세하게 발생하고 있는 박리박락 현상이나 균열의 전파와 확대에 대한 측정이 지속적으로 이뤄져야 할 것으로 사료된다.