응용지질학

제1장 암석(Rocks)
Ⅰ. 화성암(Igneous Rocks) 11
1.1 화성암의 구조와 조직 16
Ⅱ. 퇴적암(Sedimentary Rock) 31
2.1 퇴적암의 생성 과정 31
Ⅲ. 변성암(Metamorphic Rocks) 35
3.1 변성암의 구조 35
3.2 변성작용과 변성암 36
3.3 함수광물과 탈수반응 38
3.4 변성 광물 39
3.5 변성상(Metamorphic Facies) 40

제2장 구조지질
Ⅰ. 습곡(Fold) 41
1.1 습곡의 명칭 41
1.2 습곡의 종류 41
Ⅱ. 단층(Fault) 42
2.1 단층 요소 42
2.2 단층의 종류 43
Ⅲ. 부정합(Unconformity) 44
Ⅳ. 절리(Joint) 44
Ⅴ. 선구조(Lineation) 45
Ⅵ. 주향(Strike)과 경사(Dip) 45

제3장 광상
Ⅰ. 자원이란? 47
Ⅱ. 광상학 발달과정 49
Ⅲ. 광상 50
Ⅳ. 광상의 성인 51
Ⅴ. 광물의 안정성(Stability of Mineral) 56
Ⅵ. 지질온도계 57
Ⅶ. 화성광상(Igneous mineral deposits) 67
7.1 마그마광상 69
7.2 페그마타이트광상(Pegmatite deposit) 71
7.3 접촉교대 광상(Contact Metasomatism) 71
7.4 열수 광상(Hydrothermal Deposits) 75
7.5 해저열수광상(Submarine Exhalative and Volcanogenic Deposits) 90
Ⅷ. 퇴적광상(Sedimentary Mineral Deposits) 91
8.1 퇴적광상의 종류 91
8.2 지표부화광상(Oxidation and Supergene Enrichment) 95
Ⅸ. 변성광상 97
9.1 석면광상(Asbestos Formation ; Mg3Si2O5(OH)4) 97
9.2 흑연광상(Graphite Formation) 97
9.3 활석광상(Talc) [H2Mg3(SiO3)4] 98
9.4 홍주석-남정석-규선석광상(Andalusite-Kyanite-Sillimanite) 98
Ⅹ. 광상 분류(Classification of Mineral Deposits) 98
ⅩⅠ. 광물자원 각론 104
11.1 귀금속 광물자원(precious metals) 104
11.2 비철금속 및 경금속 광물자원 111
11.3 철강원료 광물자원 115
11.4 전자공업 원료광물자원 129
11.5 절연체 및 내화재 원료 광물자원 131
11.6 보석광물(Gemstone) 136

제4장 지질 조사
Ⅰ. 개요 141
Ⅱ. 예비조사 142
Ⅲ. 지표지질조사 142
3.1 답사방법 143
3.2 야외관찰 144
3.3 지질도 작성 145
3.4 캠퍼스 149
3.5 지하지질조사 152

제5장 지반주입공법
Ⅰ. 개요 181
Ⅱ. 지반주입 이론 182
2.1 주입원리 182
2.2 주입장비 및 부대시설 188
Ⅲ. 주입공법의 분류 192
3.1 주입재료에 따른 분류 192
3.2 주입기구에 따른 분류 193
3.3 주입방법에 따른 분류 197
3.4 기타 주입공법 200

제6장 지하수 화학
Ⅰ. 서론 204
Ⅱ. 퍼징(Purging) 205
Ⅲ. 필터링(Filtration) 206
Ⅳ. 시료를 보전해야하는 이유 208
Ⅴ. pH 210
Ⅵ. 탄산(Carbonic acid) 212
Ⅶ. 중탄산(Bicarbonate) 적정법(Titration) 215
Ⅷ. 자연계에서 내리는 비가 pH=5.7인 이유 218
Ⅸ. 용존산소(Dissolved oxygen) 219
Ⅹ. pH-Eh diagram 220
ⅩⅠ. C과 Br을 이용한 지하수 오염도 225
ⅩⅡ. 질산염 226
ⅩⅢ. 질소의 동위원소 분별작용 227
ⅩⅣ. 물 시료의 이온전하 균형오차(Charge Balance Error, CBE) 237
ⅩⅤ. 총용존함량(Total Dissolve Solid, TDS) 238
ⅩⅥ. Flow-through cell 239
ⅩⅦ. 나트륨 흡수비율(Sodium Adsorption Ratio, SAR) 240

색인 249

제1장 암석(Rocks)

응용지질학은 지질학을 산업에 응용하는 학문으로서 광물학, 암석학, 구조지질학, 열역학 및 지구화학 등의 학문을 기초로 하고 있기 때문에 먼저 암석학과 구조지질학을 배운 다음 응용지질학을 공부해야 한다. 암석을 먼저 소개하는 것은 암석의 성인과 광상의 성인이 매우 유사할 뿐만 아니라 광상을 배태하는 암석을 알아야 하기 때문이다. 암석은 광물로 구성되어 있기 때문에 광물학을 먼저 소개해야 되지만, 본서에서는 사정상 생략한다. 광물학 부분이 부족한 학생은 광물학을 먼저 공부하고 이 책으로 공부하면 효과적일 것이다.
암석은 성인적으로 화성암, 퇴적암, 변성암으로 구분하지만 이들은 환경에 따라 다른 암석으로 진화한다. 이를 암석의 윤회라 한다. 본서에서는 화성암을 공부한 다음 퇴적암, 그리고 변성암 순으로 소개한다.

Ⅰ. 화성암(Igneous Rocks)

화성암은 마그마가 굳어져 이루어진 암석이다. 마그마(Magma)란 주요 구성성분이 대체로 규산염용액의 암석질 물질이 부분적으로 용융된 용융체를 말한다. 이 용융체에는 본래 고체 근원암이 용융되지 않고 내화성이 강한 잔류물인 암편, 마그마 쳄버(Magma chamber)를 둘러싸고 있는 모암으로부터 격리된 암편, 또는 용융체에서 부분 정출되어 생성된 결정 등을 가지고 있다.
지진파 자료에 의하면 외핵을 제외한 지구는 고체로 이루어졌음을 지시한다. 따라서 지각과 맨틀에서 발생한 마그마는 원래 존재하는 원시적인 용융체가 이동 되었다기 보다는 지각이나 맨틀 중에 존재하는 암석이 용융되거나 부분 용융되어 생성된 것으로 보아야 한다. 마그마 생성의 의문에 대한 해답은 암석이 생성된 환경을 알아야 한다. 수많은 용융 기작이 제안되었는데 그 중 몇 가지를 정리하면 다음과 같다.

1. 지압력 감소
2. 암석이 지압력이 낮은 곳으로 이동
3. 암석이 온도가 더 높은 곳으로 운반
4. 용액의 첨가
5. 방사선 원소의 붕괴에 의해 발생한 열
6. 마찰에 의한 열
7. 수직 열하를 통한 직 내부로부터 열의 방출 등이다.

이상의 여러 용융과정 중에서 가장 중요한 것은 조구조적 환경이다. 중앙해령(Mid-Oceanic Ridge)과 같은 열개판 접합점(Divergent plate junction)에서 일어나는 현상을 관찰하는 것은 마그마를 이해하는데 크게 도움이 될 것이다. 중앙해령의 열유량이 해구나 일반 해양저 보다 높고, 일반적으로 중앙해령에서 화산작용이 많이 일어나는데 중앙해령에서 생성되는 용암은 현무암질이다. 지진자료와 고압실험에 의하면 상부 맨틀에 존재하는 암석은 페리도타이트(Peridotite)인데 상부 맨틀 페리도타이트의 포획암에는 방사성원소가 적게 포함된다. 고압에서 부분 용융실험에 의하면 제일 처음 생성되는 용액은 현무암질 성분이다. 결론적으로 말하면 중앙해령에서 고열유량을 나타내는 것은 지표 또는 지표 가까이에서 현무암질 용융체 때문이며, 현무암질 마그마는 상부 맨틀에 있는 페리도타이트가 부분 용융에 의해서 생성된 것으로 추측 가능하다. 중앙해령에서 현무암과 페리도타이트는 열을 발생시키는 방사선원소인 U, K, Th의 함량이 적기 때문에 용융은 일어나지 않는다.
대륙주변부에서 생성되는 화성암은 주로 칼크알카리질암(Calc-alkaline group)과 소레아이트질암(Tholeiitic series)이다(그림 1-1). Calc-alkaline암은 여러종류의 암석 즉 현무암, 안산암, 유문암 등으로 구성된다(그림 1-2). 현무암은 고알루미나질이며 유문암을 제외한 모든 암석에서 사방 휘석 하이퍼신(Hypersthene)이 발견된다. Bowen은 현무암-안산암-유문암으로 이루어지는 일련의 칼크알카리질암을 현무암질 초기 마그마가 계속적으로 정출작용을 받은 결과적인 산물로 생각했다. 칼크알카리질암에서 알카리도(Alkalinity) 또는 알카리-라임 인덱스(Alkali-lime index)를 구하기 위해서는 K2O, Na2O, CaO 등의 화학분석을 해야 한다. 이들의 무게 %를 알면 X-Y 평면상의 Y축(세로축)에 CaO와 K2O + Na2O의 무게%를 나타낸 다음, 이를 함량을 일직선으로 긋으면 CaO선과 K2O + Na2O선이 평면상에서 교차하게 된다. 그 교차점을 X축(가로축)에 수직으로 내려서 X축과 만나는 점이 SiO2의 무게%가 된다(그림 1-3). Peacock에 의하면 SiO2의 무게%가 61% 이상이면 Calcic, 56-61%이면 Calc-alkalic(Calcalkaline), 56-51%이면 Alkalic-calcic, 51% 이하이면 Alkalic이라고 한다.
대륙주변부와 열도(Island arcs)에서 두 번째로 많이 생성되는 마그마는 소레아이트질암(Tholeiitic series)이다. 이 계열은 결정분화작용과 관련되어 생성되는 것으로 알려져 있다. 이 계열의 암석은 산성암질암은 거의 없고, 약간의 중성 성분(안산암질암)을 포함하는 54% 이하의 SiO2함량을 갖는 현무암과 현무암질 안산암으로 대표되는 유색암이다. Alkai-lime indices가 모두 56에서 67이기 때문에 Peacock의 분류안으로는 칼크알카리질암(Calc-alkaline group)과 소레아이트질암(Tholeiitic series)으로 분류하기는 마당치 않는다. Calc-alkaline group의 거의 모든 유색암은 사방휘석을 갖는 반면, Tholeiities는 Augite와 Pigeonite를 포함한다. Calc-alkaline과 Tholeiitie의 두 구룹을 구별하는 가장 확실한 방법은 그들의 분화 경로를 삼각 다이어그램에 도시하는 것이다(그림 1-4).
그림 1-5는 전남 완도군 노화읍에 분포하는 안산암을 대상으로 AFM도를 나타낸 것으로 모두 calc-alkaline계에 도시 된다.
마그마의 냉각속도에 따라서 결정의 크기도 달라진다. 지하 깊은 곳에서 서서히 고화되면 큰 결정이 생성되나 지표 또는 지표 가까이에서 급속히 냉각되면 세립질이나 비결정질로 구성된 암석이 생성된다. 전자를 심성암(Plutonic rock)이라고 하고, 후자를 화산암(Volcanic rock) 또는 분출암(Extrusive rock)이라고 한다. 심성암인지 또는 화산암인지는 그 암석에 발달된 구조와 조직에 의해서 알 수 있다.

1.1 화성암의 구조와 조직
화성암을 육안으로 구별하는데는 구조와 조직이 중요한 요소가 된다. 규모가 비교적 큰 특징적인 형태로 나타나는 것을 구조(構造: structure)라고 부른다. 여러 종류의 화성암체가 구별되는 것은 이들이 각각 특이한 구조를 가지고 있기 때문이다. 예를 들면 화성암의 산출상태(occurrence)는 화성암체의 큰 구조를 나타내는 용어이다.
광물입자들의 크기 또는 광물입자들이 서로 모여 만드는 소규모의 특징을 조직(組織: texture) 또는 석리(石理)라고 하며 구조와 구별한다.

1) 화산암의 산상
화산암에서 볼 수 있는 산출상태를 산상이라고 하는데 용암류(Lava flow) 또는 분출암상(Extrusive sheet)과 화산 암편으로 구성되는 화산암설(Volcanic debris)이 있다.

2) 심성암(관입암)의 산상
지표에 노출된 형태와 구조적 관계에 따라 암맥, 관입암상, 병반, 암경, 암주와 저반으로 구분한다.

2-1) 암맥(Dyke)
기존의 암석에 발달된 틈을 따라 관입한 판상체 모양의 관입암체를 암맥(dyke)이라고 하고 암맥을 형성한 암석을 맥암(dyke rock)이라고 한다. 연장이 수 m에서 수 km이고 두께(폭)는 수 mm에서 수백 m에 이른 것도 있다. 석영이나 방해석등의 광물이 맥상으로 나타나는 것을 석영맥 또는 방해석맥이라고 하고 이들은 광물의 집합해이므로 암석이 맥상으로 나타나는 맥암과 구별한다.

2-2) 관입암상(Intrusive sheet)과 분출암상(Extrusive sheet)
관입암상이란 화성암, 퇴적암 및 변성암을 가리지 않고 암석에 발달된 틈을 따라 관입한 암체를 말하고, 분출암상이란 해저에서 분출된 용암이 해저에 쌓인 후 다른 퇴적물로 피복되어 마치 관입된 암상으로 나타나는 암상을 말하는데 관입암상과의 구별은 기저역암과 함께 퇴적되었다 던지, 주변의 퇴적암에 미세한 암맥을 발달시키지 못해 미세한 관입암상을 관찰할 수 없는 것 등이다.

2-3) 병반(Laccolith)
병반의 餠자는 떡을 의미하는 떡병자 이다. 퇴적암을 관입한 화성암이 떡 모양이나 만두 모양을 하고 있는 반심성암체를 말한다.

2-4) 암경(Neck)
암경이란 화성암체가 화도를 통해 분출하다가 분출에너지가 다해 분출을 정지해서 화도 상부를 채우고 있는 암체를 말하는데 분출 후에 다음의 폭발이나 풍화작용을 받아 요부로 변한다.

2-5) 저반(Batholith)과 암주(Stock)
저반과 암주는 모두 심성암체인데 노출 면적이 100㎢ 이상인 암체를 저반이라고 하고, 노출 면적이 100㎢ 이하인 암체를 암주라고 한다. 우리나라에 분포하는 쥬라기 화강암(또는 대보 화강암)은 저반이고 경상 분지에 분포하는 백악기 화강암(불국사 화강암)은 암주에 속한다. 우리나라 쥬라기 화강암은 퇴적기원 화강암 (또는 S-type granite)이고, 백악기 화강암은 화성기원 화강암 (또는 I-type granite)이다. 일본의 Ishihara는 화강암을 자철석계열 화강암(Magnetite series granite)과 티탄철석계열 화강암(Ilmenite series granite)로 구분하였는데 자철석계열 화강암(Magnetite series granite)은 화성기원 화강암(I-type granite)과 유사하고, 티탄철석계열 화강암(Ilme- nite series granite)은 퇴적기원 화강암과(S-type granite) 유사하다.
그림 1-6은 완도, 노화도에서 산출되는 안산암에 대한 ACF도를 나타낸 것으로서 모두 화성기원 영역에 도시된다. 표 1과 2를 보고 ACF도(ACF diagram)와 AFM도를 만들어 보자.