1. 서 론

이암은 사암보다 더 작은 세립질로 구성되어 있는 암석으로 구성성분의 60% 이상이 점토 광물로 이루어져 있다. 점토광물의 비율에 따라 실트암과 점토암으로 나눠진다. 이암의 점토성분은 지층의 지질학적 시대에 따라 다르며 최근 지층일수록 팽윤성 점토가 많이 포함되어 있다(Kim et al., 2017; Snethen et al., 1975). 신생대 제3기 말에 형성된 이암은 팽창성이 큰 몬모릴로나이트에 포함된 스멕타이트 계열의 점토로 이루어져 있는데, 매몰 깊이에 따라 속성작용에 의해 스멕타이트에서 일라이트로 변환됨에 따라 구성비가 변화되는 특징을 가진다(Lee et al., 2002).

포항은 양산단층의 동쪽에 위치해 있으며, 신생대 제 3기층인 연암퇴적층이 광범위하게 분포되어 있는 지역이다. 포항지역 제 3기 이암에 대하여 현재까지 연구가 진행되었다. 특히 이암이 존재하는 암반에서 시공 중 또는 유지관리 단계에서 구조물 파괴로 인한 피해를 줄이기 위하여 이암의 역학적 문제에 대한 연구가 진행되었다(Lee and Jeong, 2012; Kim et al., 2002). 제 3기 이암은 노출 시 외관상 단단한 암반으로 보이므로 강도를 과대평가할 수 있다. 하지만 이암의 주성분은 점토광물로 구성되어 있는 해양기원의 퇴적암으로 완전한 고결화가 이루어지지 않고 층리가 발달하여 여러 조암광물이 층리사이에 퇴적되어 있다. 또한 이암은 흡수율과 이방성이 크기 때문에 건습작용과 같은 풍화작용에 매우 취약하여 결과적으로 원래 암이 가지고 있던 전단강도를 쉽게 잃어버리는 특징을 가진 것으로 알려져 있다(Ban et al., 2015; Park, 2002; Choi et al., 2018; Kim, 2017).

이암의 강도 저하는 대표적으로 슬래이킹 및 팽윤 현상 등을 통해 설명할 수 있다. 슬래이킹은 반복적인 건습작용에 의하여 고결력과 전단강도가 급격하게 떨어져 본래의 조직이 파괴되고, 심한 경우에는 입자가 분리되는 세립화 현상이다(Jeong, 2006; Van Eeckhout, 1976; Taylor and Spears, 1981). 이암의 팽윤 현상은 점토입자의 격자구조와 물의 상호작용을 통하여 발생하는 것으로 이암이 굴착되거나 비탈면절취에 의한 응력 해방 시 흡수팽창의 발생이 쉽게 일어난다(Gillott, 1968; Godfrey, 1980). 신생대 제3기 이암이 분포하는 포항 지역에서 발생되는 암반 비탈면 붕괴는 대부분 이암의 슬레이킹 및 팽윤 현상에 기인된다.

슬래이킹 및 팽윤 현상에 취약한 제 3기 이암은 풍화과정에서 산소와 물과 쉽게 과 반응하기 때문에 산성배수 문제점도 동시에 가지고 있다. 하지만 포항 이암의 물리적, 역학적 연구에 비해 상대적으로 산성배수와 관련된 연구는 현재까지 매우 미비하게 이루어졌다(KIGAM, 2019; Baek, 2020). 일반적으로 암반에서 산성배수는 주변 환경뿐만 아니라 구조물의 안정성, 수명, 경관 등에 악영향을 준다. Fig. 1은 포항지역 이암의 산성배수가 발생된 암반 비탈면 및 구조물의 모습을 보여주는 사진이다. Lee et al. (2005)의 연구에서 산성배수는 배수파이프, 콘크리트 블록, 숏크리트, 인조섬유, 그라우팅 주입제, 강관 및 철근 말뚝 등을 부식하여 구조물의 안정성을 떨어뜨리고 수명을 단축시킨다고 하였다.

암반에서 산성배수의 발생 원인은 암석 내의 황화광물에 의한 산화반응의 결과이다. 황화광물은 퇴적물의 속성작용이나 광화작용 중 열수로부터 침전, 열수와 반응에 의한 변성작용 등 다양한 지질작용에 의해 생성된다. 대표적인 황화광물로는 황철석(FeS₂)이 있다. 이 황철석은 대기와 차단된 상태로 존재하면 안정한 상태를 유지하는데 토공 시 대기에 노출되면 산소와 물과 반응하여 황산과 금속침전물을 생성시키는 산성배수를 발생시킨다(Kim, 2007).

본 연구는 포항 이암의 산성배수와 관련된 문제를 다루었다. 연구에서 제3기 이암의 기본적인 특성과 산성배수 발생능력을 파악하였다. 본 연구를 통해 제3기 이암의 활용에 제약 요인 중 하나인 산성배수의 개선방향을 제시할 수 있는 기초적인 자료 획득이 가능하였다.

Fig. 1.

Acid mudstone drainage site at Pohang area (KIGAM, 2019; Baek, 2020)

2. 현장 현황 및 시료채취

연구에 사용되는 이암 시료는 경상북도 포항시 흥해읍 이인리 택지개발지구에 위치한 건설공사현장에서 채취하였다. 이 지역은 산성배수발생 가능성이 매우 높은 지반으로 구성되어 있고(KIGAM, 2019), 이암을 토공재료 활용가능성을 추진하고 있는 현장이다. 이암을 토공재료로 이용될 경우에 유지관리 단계에서 대량의 산성배수가 발생될 뿐 아니라 기초 구조물의 안정성 문제가 우려되어 연구대상 지역으로 선정하였다(Fig. 2). 시료를 채취한 지역의 이암은 신생대 제 3기 연일층군 두호층과 이동층에 해당되며, 대표적인 암상으로 연갈색 셰일 및 이암과 담갈색 셰일 및 이암이며 역암이 협재되어 있다.

4개 구역에서 채취된 각 시료는 사분법에 의해 만들어 졌다. 시료는 EN-R1∼R4로 명명되었는데 EN은 지명 “이인리”를 나타내며 R은 “암석”을 의미한다. 시험에서는 완전 건조하고 200 mesh(< 75μm) 이하로 분쇄한 이암 시료를 사용하였다.

Fig. 2.

Sampling location of mudstone in Pohang

3. 시험 방법

3.1 입도 및 화학적 분석 시험

이암의 구성성분을 알아보기 위한 기본적인 입도분석시험, 광물성분을 알아보기 위한 X선 형광분석시험 (XRF) 및 X선 회절분석시험 (XRD) 등이 실시되었다. 이암이 지표에 처음으로 노출되었을 경우의 상태를 알아보기 위한 증류수 반응시험도 실시되었다. 이 경우 시료를 증류수와 1 : 2 비율의 슬러리 상태로 혼합하여 12시간 이상 반응시켜 안정화시킨 후, HQ11d 측정기(HACH)를 이용하여 pH와 EC(Electrical Conductivity)를 측정하였다.

이암 시료를 토양오염공정시험법 중 산분해(왕수추출)법을 택하고 염산과 질산을 사용하여 전처리 과정을 거친 반응용액을 0.45μm 멤브레인 필터로 여과시키고 유도 결합 플라즈마 분광 분석기(ULTIMA 2)를 이용하여 중금속을 중점으로 하여 16가지 양이온 함량을 분석하기 위한 양이온 분석(ICP)도 실시하였다.

음이온 분석(IC) 시험은 준비된 이암 시료를 NAG pH 용출법을 통해 시험한 반응용액을 0.45μm 멤브레인 필터에 여과시킨 후, 이온 크로마토그래피(IC, 881 Compact IC pro)를 이용하여 7가지 음이온을 분석하였다. 음이온 분석 결과에서는 산성배수의 발생정도를 알아보기 위해 황산염(Sulfate) 함량을 중점적으로 정밀 분석하였다.

3.2 산성배수 발생 및 개연성 평가 시험

이암의 총 황(Total S) 함량 분석은 원소분석기를 이용하였다. 이암 시료를 열풍 건조기에서 완전 건조하고 200 mesh 이하로 파쇄한 100mg을 이용하였다. 850∼1150°C 연소법으로 C, H, N, S 함량(%) 분석을 실시하였다. 분석된 황 함량(%)을 이용하여 ARD test handbook(Smart et al., 2002)에서 제시하는 식 (1)을 통하여 최대산발생량(MPA)를 산출하였다.

식 (1)은 모든 황이 황철석으로 가정하고 황 함량이 1%로 측정되었을 경우에 톤 당 30.6kg의 H₂SO₄가 발생한다고 가정하였다.

산 중화 용량(ANC, Acid Neutralization Capacity) 시험은 이암 시료 내 황화광물로 인해 생성된 산성배수를 자체 구성광물이 중화할 수 있는 능력을 평가법이다. 우선 Fizz test를 통해 CaCO₃ 유무를 확인하기 위해서 시료에 8% HCl을 세 네 방울 떨어뜨려 Table 1과 비교해보며 반응에 상응하는 HCl과 NaOH의 농도와 부피를 결정한다. 완전 건조되고 200mesh 이하로 분쇄된 이암 시료 2g을 Fizz test에 의해 결정된 HCl과 반응시켜주고 증류수 20ml를 첨가해준다. 다음으로 80°C∼90°C으로 2시간 이상 가열시켜 반응을 종료시킨 후 125ml까지 증류수로 부피를 맞춰주고 상온에서 감온시킨 뒤 반응용액의 pH 0.8∼1.5 사이의 범위여부를 확인한다. 반응용액이 pH 범위에 들어오지 않으면 Fizz test부터 재시험을 실시한다. 범위 안에 들어오는 반응용액은 결정된 NaOH로 pH5까지 적정한 후 30% H₂O₂를 미량 주입하여 Fe²⁺를 산화시킨다. 반응용액을 다시 pH7까지 적정하고 NaOH 투입량을 기록하면 시험이 종료되며 추가로 시료의 Fizz rating 마다 대조군을 만들어 시료첨가를 제외한 모든 시험절차를 시행한 후에 식 (2)와 같이 ANC를 산출해낸다(Sobek et al., 1978).

여기서, Y=(Vol. of HCl added) - (Vol. of NaOH titrated)×B

$B=\frac{(Vol.ofHClBlank)}{(Vol.ofNaOHtitratedBlank)}$.

여기서, M_HCl는 몰농도, w_t는 시료무게,

C=49.0 (kg H₂SO₄/t)이다.

ANC 결과 값이 Table 2에 제시된 범위 내에 있는지 확인한다.

순 산 발생량(NAG, Net Acid Generation) 시험은 이암 시료 내 황화광물을 강제로 산화시키는 방법으로 15% H₂O₂와 완전 건조된 200mesh 이하의 이암 시료를 100 : 1 비율로 희석하여 12시간 이상 반응시킨다. 반응한 용액을 80°C∼90°C의 온도로 서서히 가열해주면서 희석한 비율의 부피를 증류수로 유지해 준다. 이 단계는 남아있는 H₂O₂를 분해시키는 과정이다. 분해 과정을 마친 용액을 Table 3과 대조하여 NAG pH 값에 따른 NaOH 농도를 투입하여 pH 4.5까지 적정한다. 시험이 종료되면 식 (3)과 같이 NAG 값을 산출하고 Table 4에 따라 시료의 산 발생 잠재력을 평가한다(Smart et al., 2002).

순 산 발생 잠재력(NAPP, Net Acid Producing Potential)은 최대 잠재적 산도(MPA)와 산 중화용량(ANC)의 차의 값으로 NAPP>0이면 산성배수 발생 개연성이 높은 것으로 판단한다(Smart et al., 2002).

4. 시험 결과

4.1 이암의 입도 및 화학적 분석

레이저 회절입도분석기(Mastersizer 3000)를 이용한 제 3기 이암의 4개 시료(EN-R1, EN-R2, EN-R3, EN-R4)에 대한 입도분석결과는 Fig. 3과 같다. 측정된 값을 백분율로 나타내면 Table 5와 같다. 레이저 회절입도분석은 레이저 광선이 암 속에 분산된 미립자 시료를 관통하면서 산란되는 빛의 세기와 각도 변화를 측정함으로써 입도(입자의 크기) 분포를 측정하는 방식이다. 측정 결과 제3기 이암은 실트가 약 78% 정도, 점토가 약 19% 정도로 실트와 점토가 주성분이다.

XRF 분석을 통해 제 3기 이암의 화학분석을 수행한 결과는 Table 6과 같다. 주로 SiO₂ 성분이 약 60%로 가장 많이 포함되어 있으며, 다음으로 Al₂O₃와 Fe₂O₃ 순으로 산성배수 발생 개연성이 높은 산화물이 많이 존재한다. 하지만 같은 제3기 이암이라도 시료를 채취한 지점마다 CaO 함량이 확연한 차이가 나는 것으로 분석되었다.

Fig. 3.

Results graph of particle size analysis of Pohang mudstone by laser diffraction grain size analyzer

XRD 분석을 통한 제3기 이암의 시료의 분류별 분석결과는 Fig. 4∼Fig. 7에 나타내었다. 주요 구성광물로 석영, 장석류, 운모류, 몬모릴로나이트, 일라이트, 카올리나이트, 녹니석, 방해석, 황철석을 포함하고 있다. 모든 이암 시료의 특징으로는 점토광물인 몬모릴로나이트와 일라이트가 존재하는데, 이로 인해 이암의 흡수팽창으로 연약화 및 강도저하의 위험이 높다. 또한 황철석을 포함하고 있어 산성배수 발생 개연성이 높으며, 산성배수 발생 시 이암 내 광물들의 용출로 지반의 안정성에 대한 추가적인 위험요소의 여지가 충분하다.

Fig. 4.

X-ray diffraction patterns of mudstone (EN-R1)

Fig. 5.

X-ray diffraction patterns of mudstone (EN-R2)

Fig. 6.

X-ray diffraction patterns of mudstone (EN-R3)

Fig. 7.

X-ray diffraction patterns of mudstone (EN-R4)

증류수반응 시험결과는 Fig. 8과 같다. 증류수 측정 시 온도는 26.5이며, 반응한 증류수의 평균 pH와 EC는 각각 6.42, 1.84 ms/cm이다. 시험 결과를 보면 EN-R4 이외의 시료들은 pH7로 유지되고 있는 반면에, EN-R4는 pH4까지 낮아진 것으로 측정된다. 이는 이암 시료별 구성 광물에 따라 황철석(FeS₂)의 산화반응이 다르게 진행되는 것을 보여준다. 전기전도도(EC)를 살펴보면 모든 이암 시료가 순수 증류수에 비하여 확연하게 높아진 결과 값을 얻을 수 있었다. 따라서 이암의 구성 광물은 증류수와 반응하여 빠른 시간 내에 이온으로 용출되는 것으로 나타났다.

산분해(왕수추출)법으로 전처리를 실시한 이암 시료를 유도결합플라즈마 분광분석기(ICP)로 분석한 결과는 Table 7과 같다. 모든 이암 시료에 Fe²⁺ 이온이 높게 측정되어 황철석(FeS₂)으로 다량 존재함을 예측할 수 있기 때문에 산성배수 발생 개연성이 매우 높다고 판단된다. 또한 Al³⁺ 이온도 높게 측정되어 산성배수 발생 시 Fe²⁺ 이온과 같이 용출되어 황(백)화 현상으로 수질오염의 우려가 크다. 그 외 Pb, As, Cr, Cd과 같은 중금속이 분석되었는데, 이와 같은 중금속 이온들이 먹는 물 수질기준(제2조 관련, 환경부)의 유해영향 무기물질 위험수준에 상응하거나 초과하는 것으로 나타났다.

모든 이암 시료에서 Ca²⁺이 최소 20ppm 이상으로 측정되었는데, 이는 X선 형광분석(XRF)의 분석 결과를 뒷받침해주는 근거로 제3기 이암의 구성 광물 중에서 Ca²⁺ 산화물이 다량 존재하고 있는 것을 뜻한다. 이렇게 중화 능력을 갖는 광물이 다량 존재하면 산성배수 발생 시 광물 자체에서 중화반응이 일어나 산성배수가 저감시키는 효과가 있다. 하지만 지점별 Ca²⁺의 농도를 살펴보면 EN-R2, EN-R3의 경우에는 EN-R1, EN-R4보다 약 2배정도로 상당한 차이를 확인하였다. 따라서 제3기 이암이 존재하는 구간의 공사 진행 시 구간별 이암에 대한 정량 분석을 통해 Fe²⁺와 Ca²⁺의 농도를 정확히 파악한 후, 산성배수 억제 및 발생 저감 기술을 활용할 필요가 있다.

Fig. 8.

Analysis results of pH, EC in distilled water conditions

이암 시료로 NAG pH 시험을 실시한 반응 용액으로 희석 과정을 거쳐 이온 크로마토그래피(IC)로 측정한 음이온 분석 값은 Table 8과 같다. 7가지 음이온 성분 중 산성배수 발생의 원인이 되는 황산염(Sulfate)을 중점으로 분석해본 결과, 모든 지점의 이암 시료 SO₄^2-농도가 먹는 물 수질기준(제2조 관련, 환경부)의 200mg/L보다 약 2.5배 이상으로 높게 측정되어 상당히 유해한 수준이다.

4.2 이암의 산성배수 발생 및 개연성 평가

4.2.1 총 황 함량(Total S)

Fig. 9는 원소분석기를 이용하여 이암 시료 내의 C, H, N, S의 함량(%) 분석 결과이다. 원소 분석은 제3기 이암 내의 총 황 함량(%)을 구하기 위함이며, 존재하는 황(S)을 모두 황철석 형태로 가정하고 식 (1)을 이용하여 최대 산 발생량(MPA) 계산에 이용된다. 지점별 황 함량은 최대 2배 이상의 차이를 보이지만 대체로 1% 이상으로 산성배수 발생 위험이 높은 것으로 보인다.

Fig. 9.

Elemental analysis result of Pohang mudstone

4.2.2 ANC test

이암 시료 내의 구성광물이 자체적으로 중화할 수 있는 용량을 시험한 결과를 Table 9에 나타내었다. Fizz rating 결과를 보면 EN-R2, EN-R3는 8% HCl와 반응하여 기포가 활발하게 발생하여 CaCO₃ 광물의 존재를 확인할 수 있었지만, EN-R1, EN-R4는 육안으로 반응을 식별할 수 없는 것으로 나타났다. 모든 단계의 ANC 시험을 종료한 결과 EN-R2, EN-R3는 톤당 평균 53kg의 H₂SO₄를 중화할 수 있으며, EN-R1, EN-R4는 톤당 평균 17kg의 H₂SO₄을 중화할 수 있다는 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 ANC 시험 결과를 토대로 이암 시료에서 산성배수가 동일한 양으로 발생했을 경우에는 EN-R1, EN-R4 지점에 많은 중화제가 필요할 것으로 판단된다.

4.2.3 NAG pH

이암 시료 내 존재하는 황화광물을 강제로 산화시켜 지점별 순 산 발생량은 Table 10과 같다. 순 산 발생량이 높을수록 산성배수 발생 개연성이 높은 시료라고 판단할 수 있다. 측정결과 EN-R4의 NAG 값이 가장 높게 나왔으며 EN-R1, EN-R3, EN-R2 순으로 순 산 발생량이 높은 결과가 나타났다. 따라서 같은 이암 시료라도 채취 구간별 산성배수 발생량의 큰 차이가 있는 것을 알 수 있다.

4.2.4 종합적인 산성배수 발생 평가

앞선 시험을 토대로 제 3기 이암의 산성배수 발생을 종합적으로 평가하기 위해 산출한 결과 값들을 Table 11에 나타내었다. 안전율(ANC/MPA)은 이암 시료의 산성배수 발생에 대한 상대적 여유를 알려주는 안전지표이다. 안전율 = 1을 기준으로 하여 1보다 높으면 안전, 1보다 낮으면 위험으로 해석할 수 있다.

Fig. 10을 보면 EN-R1, EN-R4는 NAPP<1이므로 잠재적 산성배수 발생의 위험이 높다. EN-R3는 NAPP>1이지만 추가적인 정밀 시험 및 재시험이 요구되는 불확실한 경우로 판단된다. EN-R2는 NAPP>2이므로 산성배수 발생으로부터 개연성이 낮다고 해석할 수 있다.

Fig. 11은 안전율 그래프와 다른 산성배수 발생 평가 방법으로 NAG pH와 NAPP 값을 이용하여 지화학적 분류도 작성을 통해 산성배수 발생 개연성 평가한 것이다. EN-R1, EN-R4는 안전율 평가와 동일하게 PAF로 분류되어 잠재적 산성배수 발생의 개연성이 높은 결과가 나왔지만 EN-R2, EN-R3는 UC로 불확실한 범주로 분류되었다.

하지만 본 결과를 보는데 있어 한 가지 주의할 점이 있다. 그것은 본 연구의 가정 상 이러한 분류기준은 산성배수 발생을 과대 또는 과소하게 평가할 수 있다는 것이다. 예를 들어 본 연구에서 MPA의 경우에 황을 모두 황철석으로 가정하였으며, ANC는 자연 상태에서 발현하지 않는 중화광물의 중화능력도 총량으로 설정하였다. 또한 NAG의 경우에도 시료 내 황화광물이 산화되는 과정에 중화광물도 용출되어 반응하는 경우와 순 산발생량에서 H₂O₂ 산화로 인해 생성된 유기산이 추가되어 있다.

Fig. 10.

Safety factor graph from ANC/MPA

Fig. 11.

Geochemical classification plot

5. 결 론

본 연구에서 포항 제3기 이암(tertiary mudstone)의 실내시험을 통해 기본적인 특성과 산성배수 발생능력을 파악하였다. 연구 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제3기 이암은 실트가 약 78% 정도, 점토가 약 19% 정도로 실트와 점토가 주성분이다. XRF 분석 결과 SiO₂ 성분이 가장 많이 포함되어 있으며, 다음으로 Al₂O₃와 Fe₂O₃ 순으로 산성배수 발생 개연성이 높은 산화물이 많이 존재한다.

XRD 분석 결과 주요 구성광물은 석영, 장석류, 운모류, 몬모릴로나이트, 일라이트, 카올리나이트, 녹니석, 방해석, 황철석을 포함하고 있는데 황철석을 포함하고 있어 산성배수 발생 개연성이 높은데, 산분해(왕수추출)법으로 전처리를 실시한 이암 시료에 대한 유도결합플라즈마 분광분석기(ICP)로 분석 결과에서도 이암 시료에서 Fe²⁺ 이온이 높게 측정되어 황철석(FeS₂)이 다량 존재함을 예측할 수 있다.

이암 시료로 NAG pH 시험을 실시한 반응 용액으로 희석 과정을 거쳐 이온크로마토그래피(IC)로 측정한 음이온 분석결과 모든 이암 시료 SO₄^2-농도가 먹는 물 수질기준(제2조 관련, 환경부)의 200mg/L보다 약 2.5배 이상으로 높게 측정되었다. 원소분석기를 이용한 분석결과 총 황(S) 함량이 높아 최대 산 발생량(MPA) 계산 결과 1% 이상으로 산성배수 발생 위험이 높게 나타났다.

결론적으로 제3기 이암은 시료에 따라 다소 차이가 있으나 전반적으로 산성배수 발생능력이 높은 것으로 나타났다.