판상절리

판상절리(板狀節理, sheeting joint)는 암석의 표면에 판 모양으로 갈라지는 틈. 화성암(火成巖)의 안산암 따위에서 많이 볼 수 있다.

내용

땅속 깊이 묻혀 있던 암석이 침식을 받아 땅 표면에 드러나면 암석이 받치고 있던 하중제거(unloading)로 인하여 지표에 평행하게 발달되는 절리를 말한다.

판상절리의 간격은 팽창률의 차이로 인하여 지표에 가까울수록 좁고 깊을수록 넓어지는데, 지하 70~100m 깊이까지 나타나는 경우는 드물다.

판상절리가 잘 발달되어 있으면 기반암에서 양파껍질처럼 떨어져 나오는데 이러한 현상을 박리(exfoliation)라고 한다. 판상절리는 지표나 급하게 경사진 지형에 평행하게 발달하여 나타나고 그 연장성이 수백 m에 이르는 경우도 있다.

판상절리는 하중제거에 의한 인장균열로서 쉽게 빠르게 진행되어 나타나며, 긴 연장성과 rock bridge가 없는 것이 특징이다. 이것은 판상의 형태를 가지는 불연속면인 층리, 벽개 및 편리구조와 구별된다.

판상절리는 일반적으로 화성암 그리고 사암과 역암을 포함한 다른 암종에서 나타나기도 하지만 특히 화강암지형에서 잘 나타난다. 급경사를 가진 판상절리지형에서는 풍화와 침식 등에 의해 판상절리가 더 발달하고 일부 박리가 나타나면서 암반블록의 falling으로 인하여 암반사면에 있어 주요한 재해요소로 작용하게 된다.

한국에서는 화강암이 거대한 암체를 이루는 북한산, 설악산 등에서 판상절리를 볼 수 있다.

절리

절리와 단층의 모식도

절리의 생성

절리는 암석이 취성변형을 받아 암석 내의 응집력을 상실하여 발생한 불연속면이다. 다만 암석 내부의 응집력을 잃은 결과물이 항상 절리로 나타나는 것은 아니다. 이 절리들은 단독적으로 나타날 수도 있지만, 흔히 절리조나 절리계를 형성하여서 나타나는 경우가 많다. 절리조(joint set)는 공통적인 기하학적 분포를 보이는 절리들의 모임이며, 절리계(joint system)은 연구 지역에서 나타나는 모든 절리의 분포를 일컫는 용어이다. 절리와 단층은 발생한 후 암체가 운동했는가로 분별 되는데, 절리의 경우에는 불연속면을 따라 암체가 운동하지 않는 것으로 단층과 구별되고 있다.

깨어진 절리면은 가스, 유체, 마그마 또는 광물로 채워질 수 있다. 확장량이 상대적으로 많고 공기나 유체로 채워질 때 우리는 열극(fissure)이라는 용어를 사용하고, 광물로 채워진 절리는 세맥(veins), 그리고 마그마로 채워진 절리는 암맥(dikes)으로 분류된다.

절리와 단층은 불연속면을 따른 변위로 분별 되는데, 절리의 경우에는 불연속면을 따라 변위를 갖지 않는 것으로 단층과 구별되고 있다.

과거에는 절리에도 작은 규모의 변위가 발생할 수 있다고 보았기 때문에 절리를 크게 세 가지로 분류했다:

• 확장절리(extensional joint) : 절리면과 평행한 방향으로의 변위 없음, 면에 수직한 방향으로는 미소한 변위 있음
• 전단절리(shear joint) : 절리면과 평행한 방향으로의 변위 있음, 면에 수직한 방향으로는 변위 없음
• 혼합형 절리(hybrid joint) : 확장절리와 전단절리의 혼합형

그러나 현대의 구조지질학에서는 전단절리와 혼합형 절리를 절리(인장단열)라고 인정하지 않고 일종의 단층(변위가 작은 경우 전단단열이라는 용어를 사용)으로 분류하고 있으며, 절리는 확장절리만 인정하고 있는 추세이다. 이러한 확장절리는 주응력 σ1(최대주응력)과 σ2(중간주응력)에 평행하고 σ3(최소주응력)에 수직인 방향으로 발달하는데, 지각 상부의 취성변형 환경에서 Griffith 파괴기준을 만족하는 환경에서 (즉, 확장응력을 겪고 있을 때) 발생한다. 이러한 조건은 봉압이 없거나 낮은 곳 또는 낮은 차응력인 환경, 즉 지표 근처에서 자주 발견된다.

절리는 다양한 원인에 의해서 발생하고, 여러 지질구조와 함께 나타날 수 있는데, 습곡작용에 수반되어서도 다양한 방향의 절리가 발생할 수 있다. 냉각에 의해서도 절리가 발생할 수 있는데, 화성암에서의 주상절리가 대표적이다. 마그마가 냉각 고결할 때 수축 때문에 분출암의 표면에 수직(드물게는 수평으로)으로 절리면이 생겨 보통 오각 혹은 육각의 기둥이 형성되는데, 이것을 주상(柱狀)절리(columnar joint)라고 한다.

균열이 없는 화강암과 같은 등방적인 암체에서는 깊이 묻혀 있던 암체의 상부가 침식·삭박되어 위에서 누르던 짐이 제거되어 지표에 평행하게 절리가 발생하는 판상절리(sheet joint)와 심부에 있던 암체가 지표로 상승하면서 부피가 팽창하여 인장력이 작용하게 되어 여러 방향의 수직절리(vertical joint)가 나타나기도 한다. 판상절리가 잘 발달하여 있으면, 기반암에서 암괴가 양파껍질처럼 떨어져 나오는데 이것을 박리현상이라 한다.

공극 내의 유체압력이 암석의 응집력을 이겨낼 수 있을 정도일 때에도 절리가 발달할 수 있는데, 이는 유압이 유효응력을 감소시키기 때문이다. 이 경우 절리가 발달하면서 동시에 유체들(흔히 이온들이 녹아 있는 열수)가 이 절리를 따라 흐르면서 이 절리면을 채우게 된다. 이러한 경우 절리는 세맥(vein)이 되며, 이들이 유용광물로 채워지는 경우 광맥(ore vein)이라 불린다.

지질학적 중요성

절리는 여러 지질학적 중요성을 가지고 있다. 절리는 일차적으로 어떤 암체가 과거에 겪었던 응력특성을 드러낸다. 절리와 단층, 스타일롤라이트와 같은 여러 암체 내의 불연속면들과 이들을 보조하는 전단응력지시자(sense of shear)들은 과거 이 지역에 어느 방향으로, 어느 순서대로 응력이 가해졌는가를 해석하는데 활용될 수 있다. 절리들이 복잡하게 서로 여러 불연속면들을 자르며 얽혀있는 모습을 보이는 경우가 있는데, 이러한 절리들의 분포와 선후관계를 밝힘으로써 구조운동사와 열수작용의 역사를 이해할 수 있다. 이렇게 절리들이 끊어져 있는 모습에 대해서 설명할 수 있는 여러 이론들이 있는데, 상황에 따라 매우 다양하기 때문에 논리적이고 현장에서 가장 잘 설명될 수 있는 것을 채택하여야 한다.

한편 지질공학적 입장에서 절리는 단층이나 엽리와 같이 암체 내의 비등방적 요소 중 하나이다. 절리들에 의한 암체의 비등방성은 구조물의 안정성에 큰 영향을 끼친다. 따라서 구조물의 건설 전 해당지역 절리계의 밀도와 방향성을 조사하고 파악하는 것은 지질공학의 입장에서 매우 중요하게 작용한다. 이러한 분석 중의 하나는 일정한 길이에 대해 단열의 밀도와 방향을 분석하는 Scanline을 이용한 밀도분석법이 많이 사용되고 있으며, 단열의 분포와 운동특성 등을 알기 위해 좀 더 정밀한 분석을 요하는 경우에는 격자분석을 실시하기도 한다. 이러한 절리를 포함하는 단열의 분석은 터널의 굴착위치나 방향을 결정하거나 중요한 건설부지의 지반안정성을 평가하는데 중요하게 사용될 수 있다.

참고자료

• 저자, 〈[url 제목]〉, 《사이트명》, 일자

같이 보기

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