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문화유산사업부

(주)라드피온 문화유산사업부는 첨단 이온빔 분석기술에 기반하여

문화유산의 유물 분석, 고고환경 분석, 고고과학 분석, 과학감정 등을

종합적으로 수행하는 국내 유일의 전문 연구센터입니다.

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문화유산사업부 연구개발성과

<2022년 석재분석 사례>

김성태
2022-08-30
조회수 83

1. 서 언

  연구대상은 해당 소재지역의 역사성을 밝히는 중요한 자료로 인정받아 도기념물로 지정되었다(심정보, 1995; 차용걸, 1988). 연구대상에 관한 초기연구는 1980년대 후반에 남아있는 성벽을 중심으로 지표조사를 수행하였으며, 주로 읍성의 구조 및 규모를 파악하는 것에 집중되었다. 이후 학술조사 및 관련연구는 이루어지지 않았으나, 2017년 정비기본계획을 수립을 위해 일부 연구가 진행되었다. 이는 연구대상의 보다 정확한 자료를 확보할 수 있는 계기가 되었으며, 2019년 발굴조사를 시작으로 본격적인 연구가 시작되었다(누리고고학연구소, 2021). 발굴조사는 동문지로 추정되는 일대를 중심으로 실시되었으며, 다양한 유구와 다량의 출토유물이 확인되었다. 이러한 연구를 통해 연구대상의 역사성을 일부 되찾을 수 있었으나, 정확한 규모 및 현황을 파악하기 위해서는 추가적인 조사가 필요한 실정이다. 따라서 이 연구는 발굴조사로 명확하게 드러난 동문지를 중심으로 축성암석의 암종을 분류하고 산지를 검토하였다. 이는 연구대상의 추가 연구에 이바지 할 수 있는 중요한 기초자료가 될 것이며, 향후 복원시에 이용할 수 있는 대체석을 탐색하는데 도움이 될 것이다. 


2. 연구방법

  이 연구를 위해 선행연구 및 인문학적 자료를 조사하여 연구대상의 보존현황을 파악하였다. 또한 구성암석에 대한 재질특성을 분석하고, 석재의 산지를 탐색하여 이를 검증하는 동질성 해석을 수행하였다(이찬희 외, 2007; 2010; 2021; Lee et al., 2010. 동문지 일대를 구성하는 축성암석의 분포정도를 파악하기 위해 암종별 분포도를 작성하였으며, 점유율을 산출하였다. 축성암석의 자화강도 분석을 위해 전암대자율을 측정하였다. 전암대자율 측정기는 10-7 SI unit의 측정한계를 가진 ZH Instruments사의 SM30이다. 구성석재에 대한 암석 및 광물학적 특징을 살펴보기 위해 수습한 시편을 바탕으로 편광현미경 관찰을 실시하였으며, 조암광물의 정밀한 동정을 위해 X-선 회절분석을 수행하였다. 편광현미경은 Nikon Eclipse E600W 편광 및 반사 겸용현미경을 이용하였으며, 육안으로 구분하기 어려운 광물의 동정을 실시하였다. X-선 회절분석은 Malvern Panlytical사의 Empyrean을 사용하였으며, 이를 통해 검출된 광물을 육안 및 편광현미경 하에서 관찰한 결과와 교차검증을 수행하였다. 회절분석에 적용한 X-선은 CuKα이며, 양극의 가속전압과 필라멘트의 전류는 각각 40㎸와 30㎃로 설정하였다. 또한 암석 시료의 주성분원소, 고장력원소, 거대친지각원소 및 일부 희토류원소의 정량분석을 위해 기초과학연구원의 유도결합 플라즈마 질량분석기(ICP-MS) 및 유도결합 플라즈마 분광분석기(ICP-AES) 등을 사용하여 지구화학적 거동특성을 해석하였다. 분석결과는 원소의 분류 및 종류에 따라 다양한 선행연구를 참조하여 표준화하였으며(Nockolds et al., 1954; Taylor et al., 1985; Pearce, et al., 1983), 연구대상과 추정산지 시료의 동질성 검토에 적극 활용하였다.


3. 축성 암석의 재질특성

  연구대상을 구성하는 암석을 분류하면, 화강암, 편암, 역암, 섬장암, 편마암, 안산암, 페그마타이트(pegmatite; 거정암), 섬록암, 아플라이트(aplite; 반화강암), 및 규암 등 11종류가 확인되었다(그림 1). 화강암은 연구대상 석재 중 가장 다양한 산출상태를 나타내었으며, 이를 산출상태에 따라 세분하기에는 점이적으로 나타나는 양상이 다수 확인되었다. 따라서 화강암으로 명명하였으며, 세부 산출상태 유색광물의 함량차이, 미약한 편마구조의 유무, 입자크기의 차이, 포획암의 유무 등이 관찰되었다(그림 1A에서 그림 1C). 또한 이러한 특징이 하나의 석재에서 점이적으로 나타나기도 했다(그림 1D). 편암은 대부분 편리를 뚜렷하게 보였으며, 대부분의 광물이 유색광물이 차지하여 어두운 암색을 띈다. 유색광물의 종류에 따라 흑색편암 또는 암갈색 또는 암회색을 띄는 편암 등 두 종류로 구분할 수 있다(그림 1E 및 그림 1F). 역암은 풍화정도에 따라 회색 또는 회녹색을 띠며, 역의 크기는 작게는 1~2cm 부터 크게 3cm까지 다양하게 이루어져 있다. 구성석재의 표면에 역이 빠져나간 공동을 흔하게 관찰할 수 있었다(그림 1G). 조립질흑운모화강암은 담홍색을 띄며, 큰 입자는 5mm이상에 달하는 크기로 관찰되기도 한다(그림 7H). 구성광물은 석영, 장석류 흑운모 등으로 보이며, 장석의 대부분은 홍장석으로 암색을 나타내는 주요 광물이다. 섬장암은 암회색으로 유색광물의 함량이 매우 높게 관찰된다. 유색광물 중 석영은 찾아보기 힘들며 부분적으로 장석류가 보인다(그림 1I). 편마암은 우흑대와 우백대가 뚜렷하게 구분되는 편마구조가 보이며, 안구상구조가 흔하게 관찰된다(그림 1J). 안구상 구조를 이루는 반정은 석영 또는 장석류이며, 대부분이 장석입자로 보인다. 안산암은 암회색 또는 황색을 보이며, 눈으로 관찰되지 않는 미미한 크기의 입자로 구성되어 있다(그림 1K). 페그마타이트는 우백색이며 거정질의 석영 및 장석 입자들이 보이며, 군집해 있는 운모류가 관찰되기도 한다(그림 1L). 섬록암은 암회색 또는 회색을 띄고 세립에 가까운 입자들로 구성되어 있으며, 유색광물의 함량이 비교적 높은 편이다(그림 1M). 아플라이트는 담황색을 띄며, 풍화정도에 따라 황색으로 보이기도 한다(그림 1L). 규암은 반투명하며 뚜렷한 구조가 관찰되지 않는 괴상으로 확인된다(그림 1O).


 

그림 1. 연구대상 구성암석의 산출상태. (A) 유색광물의 함량이 적은 화강암. (B) 미약한 편마구조를 보이는 화강암. (C) 세립질 화강암. (D) 점이적으로 나타나는 화강암의 산출상태. (E) 흑색 편암. (F) 암회색 편암. (G) 역암. (H) 조립질흑운모화강암. (I) 섬장암. (J) 편마암. (K) 안산암. (L) 페그마타이트. (M) 섬록암. (N) 반화강암. (O) 규암.


  연구대상 축성암석의 기재적 특징에 따라 11종류로 구분하였으며, 육안관찰로 암종이 구분 가능한 327개의 석재에 대해 암종을 동정하였다. 앞서 연구대상을 동문지, 옹성 및 체성으로 구분하였으며, 세부적으로 동문지와 옹성은 세 구간을 시계방향으로 나누어 A, B, C로 설정하였다. 체성의 경우 방위에 따라 남측 및 북측 체성을 나누었다. 전체의 암종을 분류한 결과는 표 1과 같으며 분포현황은 그림 2와 같다. 암종에 따른 점유율을 살펴보면, 전체 부재 327개 중에서 화강암이 172개(52.6%), 편암이 68개(20.8%), 역암 45개(13.8%), 조립질흑운모화강암이 14개(4.28%), 섬장암이 11개(3.36%), 편마암이 8개(3.4%)로 나타났다. 화강암이 전체의 절반 이상을 점유하고 있으며, 이들 6개 암종을 합치면 전체의 약 97% 이상을 점유한다. 기타 암종은 안산암과 섬록암 등 5개 암종으로 구성되며, 9개(2.8%) 부재가 여기에 포함된다.


표 1. 연구대상의 암석 종류에 따른 개수와 점유율 요약.

암  종화강암 편암역암조립질흑운모화강암섬장암편마암기타
개  수1726845141189
점유율(%)52.620.813.84.33.42.52.8

 

그림 2. 연구대상 동문지, 옹성, 및 체성의 암석분포 현황 및 점유율.


  일반적으로 암석분석에 사용하는 시료는 비교적 풍화를 받지 않은 신선한 부분을 선별해야 하며, 육안관찰을 실시한 암석과 동일한 시료를 수습하는 것이 적합하다. 그러나 분석을 위해 문화유산을 대상으로 시료를 수습하기에는 제한사항이 많으며, 축성에 구조적인 역할을 하지 않고 탈락한 석재시료를 중심적으로 선별하였다(표 2). 연구대상 축성암석에서 가장 높은 점유율을 차지하는 암석인 화강암과 편암을 수습할 수 있었으며, 역암과 섬장암 및 편마암 등 3종을 추가로 수습하였다. 이 과정에서 산출상태에 다소 차이가 있는 화강암 및 편암 시료를 추가로 수습하여 분석에 활용하였다.


표 2. 연구대상에서 수습한 시료 목록.

구  분시 료 명구  분
시 료 명
구 분
시 료 명
구 분
시 료 명
화강암1GRN1편  암1SCH1역  암CON편마암GNE
화강암2GRN2편  암2SCH2섬장암SYN


4. 산지탐색 및 동질성 검토

  연구대상 축성암석의 재질특성과 연구대상 일대의 지질도를 참고하여 추정산지를 탐색하였다. 탐색구간은 선행연구를 기반으로 축성암석과 유사한 암상이 보고된 바 있거나, 유사한 암상이 산출될 가능성이 높은 곳을 선정하였다. 탐색구간의 위치를 그림 3에 제시하였으며, 수습한 암종에 따른 시료명을 달리 설정하였다(표 3). 이 결과 아플라이트, 편마암, 역암, 우백질화강암, 섬장암, 편암, 섬록암 및 조립질흑운모화강암 등 8개 암종을 수습하였다. 이들 암석의 수습에는 연구대상의 암석학적 특성 분석에 사용한 시료를 활용하여 유사한 것을 선별하였다. 이 과정에서 지질도 상에 기록된 암상과 다소 차이가 있는 경우도 확인되었으며, 이들은 현장에서 암종에 대한 기재 및 동정을 수행하였다. 수습한 시료는 정확한 분석을 위해서 암석광물학적 특징을 분석하였다.


표 3. 연구대상의 암석 종류에 따른 개수와 점유율 요약.

암  종
시 료 명
시 료 명
암  종
반화강암질 편상화강암
GS-1
섬장암질암
GS-5
편마암질암GS-2
편  암
GS-6
역  암GS-3
섬록암
GS-7
우백질화강암GS-4
조립질흑운모화강암
GS-8


   

그림 3. 연구대상 구성암석의 산지탐색 구간 및 대표 암상사진.

    

5. 대체석 및 수급체계 검토

  석조문화유산의 재질특성을 분석하는 것은 문화유산 보수 및 복원에 재료학적 진정성을 제시할 수 있다. 더 나아가 향후 문화유산의 보수 및 복원에 필요한 보존윤리를 지키기 위한 근거로 활용할 수 있다. 따라서 이 연구에서는 추정산지 암석과의 동질성 검토를 면밀히 분석하여 향후 연구대상의 보수 및 복원계획을 수립할 때의 중요한 자료로 활용할 수 있을 것이다. 동질성 검토에서 비교한 특성을 요약하면 표 4와 같다. 이 연구에서 성벽에 사용한 석재와 산지시료의 동질성이 우수하게 나타난 암석으로는 역암, 조립질흑운모화강암, 반화강암이 있으며, 이들 암석은 추정산지 일대에서 암석을 수급했을 가능성이 있다. 화강암, 편암, 섬장암, 편마암 및 섬록암은 부분적으로 유사도를 확인하였으나 완벽하게 일치하지는 않았다.


 표 4. 연구대상 구성석재 및 산지시료의 동질성 검토.

암  종산지시료 비교기재적 특징광물학적 특징미세자기적 특성 지구화학적 특성
화강암
편  암
역  암-
조립질흑운모화강암-
섬장암
편마암
안산암-----
페그마타이트-----
섬록암-
반화강암
규  암----


   화강암은 연구대상에서 가장 높은 점유율을 보이는 암석이며, 성벽에서 나타나는 기재적 특징에 다소 차이가 있다. 일부 화강암은 우백질화강암에 가까운 산출상태를 보였으며, 미약한 편마상 구조가 발달하기도 하였다. 특히 화강암의 전암대자율 분포는 매우 넓게 나타났으며, 중간값과 평균값 및 양극값의 편차가 매우 크게 나타났다. 명확한 전암대자율의 분포를 살펴보기 위해 히스토그램을 작성하였으며, 적어도 세 개 이상의 다봉분포를 보이는 것으로 나타났다(그림 4). 이는 미세자기적 특성이 상이한 화강암이 혼재되어 있음을 의미하며, 화강암의 채석장소가 적어도 세 지점 이상일 가능성을 지시한다.


     

  그림 4. 화강암의 전암대자율 히스토그램에서 다봉분포.


  특히 화강암의 다양한 산출상태 중 우백질화강암에 가까운 GRA1은 GS-4와 동질성을 가지며, 일부 지구화학적 거동 특성의 차이점을 제외하면 많은 유사점이 확인되었다. 산지조사에서 확인한 우백질화강암은 편마암지대에 위치하며, 편마암의 우백대에 해당하는 암석으로 판단된다. 따라서 일부 화강암으로 분류한 암석 중에서 우백질화강암에 해당하는 암석은 변성암류의 불균질한 부분에서 수급되었을 가능성이 있다. 연구대상에 쓰인 석재 중 편암은 유색광물의 함량이 유사하게 나타나지만, 각섬석과 흑운모의 함량에서 차이가 있다. 산지탐색에서 흑색 편암류가 산출되는 암체를 중심으로 탐색하였으며, 연구대상에서 수습한 편암과 유사한 암석광물학적 특징 및 지구화학적 거동양상을 확인할 수 있었다. 그러나 전암대자율 분포에 다소 크게 차이가 있으며, 이는 변성암류가 갖는 불균질성으로 인해 부분적인 자성광물의 함량차이로 해석하였다. 연구지역에 넓게 분포하는 월현리층에서는 흑운모편암, 각섬석편암, 흑운모각섬석편암 등과 같은 암상을 나타내므로 월현리층 암체에서 석재를 채석하였을 가능성이 높다. 

  역암은 산출상태부터 미세자기적 특성까지 모든 분석결과가 연구대상의 석재와 추정산지 석재가 유사함을 나타냈다. 일대의 무량리층에서 이와 같은 역암층을 쉽게 확인할 수 있으며, 이 곳에서 석재를 수급했을 것으로 보인다. 조립질흑운모화강암의 추정산지에서 수습한 암석과의 동질성을 확인할 수 있었으나 다른 암석들과 달리 연구대상과의 거리가 10km 이상 떨어져 있다. 따라서 석재의 수량이나 효율성을 종합적으로 고려하였을 때, 석재의 수급과정이나 재사용의 여부를 면밀히 검토해야 한다. 섬장암과 GS-5는 무색광물의 함량과 전암대자율의 분포에서 다소 차이를 보였으나, 다른 분석결과에서 많은 유사성을 나타냈다. 그러나 일대에서 산출되는 암체의 규모가 협소하고, 1:50,000 도폭에서 표기되지 않은 소규모 암체를 고려한다면 시료의 수습 지점과 성벽 축조에 사용한 암석은 다소 상이할 수 있을 것이다. 그러나 일대에 분포하는 다른 암체에서 암석을 수급했을 가능성은 충분하다.

  연구대상에서 수습한 편마암은 편마구조를 매우 뚜렷하게 보이나, GS-2는 미약한 편마구조를 보여 기재적 특징이 상이하다. 그러나 광물학적 특징과 지구화학적 특성은 유사한 것으로 나타났다. 연구대상 일대에 넓게 분포하는 시대미상의 화강편마암류는 지역적으로 화강편마암 또는 주입편마암 등 다양한 암상을 보이며 호상구조와 안구상 구조를 뚜렷하게 보이기도 한다. 넓은 범위에 다양한 기재적 특징을 갖는 편마암류가 분포하기 때문에 정확한 산지를 지정하기에는 어렵지만, 인근에서 충분히 수급 가능한 암석으로 해석하였다. 섬록암은 GS-7과 육안관찰에서 입자크기와 유색광물의 함량에서 차이를 보였으며, 미세자기적 특성도 다소 차이가 있었다. 그러나 지질도의 기재를 참고하여, 장곡리 섬록암체 내에서의 유색광물 및 자성광물의 함량차이로 판단하였다. 또한 안산암은 주변에서 찾아볼 수 없었으며, 페그마타이트는 지엽적인 산성맥으로 산출되어 다른 암종에 대한 채석과정에서 섞여 들여왔을 가능성이 충분하다. 또한 규암에 대한 분석은 이루어지지 못했지만, 5km이내에 선캠브리아 규암체가 존재하기 때문에 이곳에서 수급하였을 가능성을 고려해 볼 수 있다.

  연구대상의 축성암석을 조사하고 추정산지 암석과의 비교를 수행한 결과, 축성암석은 모두 일대에 분포하는 암석으로 확인되었다. 대부분의 암석은 5km 이내에 분포하며, 금리천을 따라 주변에 위치하기 때문에 수급이 매우 용이하였을 것이다. 따라서 이들 암석은 추정산지와의 동질성 및 수급의 편의성 등을 고려할 때 근거리에서 손쉽게 수급하였을 것으로 보인다. 그러나 섬록암과 조립질흑운모화강암은 연구대상 동문지에 소량 사용되었으며, 이를 위해 원거리에서 수급했다고 해석하기에는 어려움이 있다. 해당 소재지의 문화해설사의 설명에 따르면 향교와 일대 건축물의 개보수에 잔존하는 인근산성의 부재를 재사용했다고 하며, 동문지 일대의 개보수에도 이를 활용했을 가능성이 있다. 따라서 산성의 축성암석에 대한 암석학적 연구가 수행된다면 부재의 수급체계 및 재사용 여부 등을 검토할 수 있을 것으로 기대한다.


6. 결 언

 1. 이 연구의 대상은 동문지와 옹성 및 체성으로 구분할 수 있다. 이 연구에서는 동문지를 구성하는 석재에 대해서 재질특성을 분석하였으며, 추정산지 탐색을 통한 동질성 검토를 수행하였다.

2. 연구대상 석재는 총 11종의 암종으로 구분되며, 개수는 327개로 확인된다. 이 중에서 화강암 172개(52.6%), 편암 68개(20.8%), 역암 45개(13.8%), 조립질흑운모화강암 14개(4.3%), 섬장암 11개(3.4%), 편마암 8개(2.5%) 등으로 확인되었다. 이 6종의 암종이 약 96% 이상을 점유하며, 기타 암종 5종이 9개(2.7%)로 나타났다.

3. 연구대상 일대의 지형과 지질을 기반으로 하여 연구대상의구성석재와 유사한 암체를 탐색하였으며, 총 8개의 구간에서 추정산지를 검토하였다. 이 결과 반화강암은 00면 00리 산 23-3에서, 편마암은 00 면 00 리 839에서, 역암은 00 면 00 리 493-9에서, 우백질화강암은 00 면 00 리 산 997에서, 섬장암은 00 면 00 리 산 38, 편암은 00 면 00 리 산 121에서, 섬록암은 00 면 00 리 산 60, 조립질흑운모화강암은 00 면 00 리 178-9에서 연구대상의 석재와 동일 종류의 암석분포를 확인하였다.

4. 석재의 미세자기적 특성에서 연구대상의 석재와 동일 종류의 추정산지 암석은 화강암과 역암, 조립질흑운모화강암 및 반화강암은 매우 유사한 대자율 분포를 보였으며, 편암과 섬장암, 편마암 및 섬록암은 비교적 다양한 차이가 있었다. 이는 암석의 불균질성 및 변성암체의 생성환경을 고려하면 충분히 가능한 결과로 판단된다.

5. 연구대상의 구성 석재와 추정산지 시료의 지구화학적 거동특성을 비교하였다. 이 결과 편암과 섬장암 및 편마암은 일부 원소의 미세한 편차를 제외하면 유사한 지구과학적 거동특성을 나타내었다. 그러나 연구대상의 화강암 석재와 추정산지의 우백질화강암 시료의 지구화학적 거동특성은 다소 차이를 보였다. 이는 덕정리 편마암이라는 변성화강암체의 산출특성에 기인한 것으로 판단하였다. 명확한 지구화학적 동질성 검토를 위해서는 추가 조사가 필요하며, 동일 암체에서 세부적인 암상차이를 반영한 시료를 수습하여 거동 특성을 비교해야 할 것이다.

6. 이 연구에서 수행한 기재적 특징, 암석광물학적 특징, 미세자기적 특성, 지구화학적 거동 특성을 모두 비교하여, 동일 암석으로 구성한 석재시료와 산지시료의 동질성을 검토하였다. 이 결과 화강암, 역암, 조립질흑운모화강암, 반화강암 등은 탐색구간의 시료와 뚜렷한 유사성을 나타내었다.

7. 그러나 섬장암, 편마암, 편암, 섬록암 등은 탐색구간의 시료와는 유사성은 가지나 세부적인 차이를 보인다. 이는 세부적인 지질조사를 통하여 동질성을 좀 더 명확히 연구할 필요가 있다. 이 연구에서 규암 및 페그마타이트에 대한 분석은 수행하지 않았으나, 일대에서 규암과 페그마타이트 모두 지엽적으로 산출될 가능성이 농후하다. 이 두 암종은 연구대상에서 극히 소량으로 관찰되며, 따라서 다른 암종을 채석하는 과정에서 같이 수급되었을 가능성이 있다.

8. 연구대상의 축성암석과 추정산지 암석의 비교를 수행한 결과, 대부분의 암석은 5km 내의 근거리에 위치하고 금리천을 따라 분포하여 일대의 암석을 성벽의 축조재료로 수급하기에 용이했을 것이다. 그러나 섬록암과 조립질흑운모화강암은 성벽에 사용된 양이 매우 적고 거리가 멀어 성벽의 축조에 사용하기에 효율성이 떨어진다. 향교의 보수과정에서 산성의 석재를 재활용했다는 기록이 있으며, 연구대상의 개보수에도 산성의 부재를 사용했을 가능성이 있다. 따라서 현재 잔존하는 산성에 대한 암석학적 연구가 수행된다면 부재의 수급체계 및 재사용 여부 등을 검토할 수 있을 것이다.

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