절리

제주 주상절리

절리(節理, joint)는 암석 내에 발달하는 광범위한 균열을 의미하는 단열(fracture)의 일종으로 암석이 취성변형을 받아 암석 내의 응집력을 상실하여 발생한 한 종류의 불연속면이다.

내용

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.

종류

절리의 종류에는 대표적으로 주상절리, 판상절리, 방상절리 등이 있다.

주상절리

주상절리(柱狀節理, columnar joint)는 암석에 발달하는 절리 중에서, 일련의 절리면이 교차하면서 암석이 기둥 모양으로 구분된 것 혹은 그러한 구조를 만든 절리면을 말한다. 암석이 결과적으로 다각형 기둥 모양이 열주하여 있게 보여 이러한 이름이 붙었다.

이론상으로는 벌집처럼 원형으로 수축하면서 깔끔한 6각기둥 모양으로 되지만, 실제로는 3~7각형의 다양한 기둥들이 만들어진다. 기둥의 지름은 작게는 수 센티미터 크기밖에 안 되지만 크면 미터 단위이기도 하다. 기둥의 높이 역시 수 미터에서 백 미터 규모까지 다양하게 나타난다.

주상절리가 만들어지는 이유는 급격한 온도 변화 때문에 마그마의 외부 표면이 급속도로 식어서 굳으면 내부의 마그마는 외부의 굳어진 벽을 뚫지 못하고 그대로 굳어지면서 수축하고, 이때 상하 방향은 중력 때문에 길이를 유지하지만, 좌우 방향은 잡아 줄 힘이 없어 수축하면서 갈라지기 때문이다.

판상절리

북한산 판상절리

판상절리(板狀節理, sheeting joint)는 이름처럼 얇은 판 모양으로 나타나는 절리이다. 주상절리와 달리 심성암에서 잘 나타나는 절리이다. 그뿐만 아니라 판상절리는 퇴적암에서도 잘 나타난다. 지하 깊은 곳에 있었던 암석이 융기하여 지표 밖으로 드러날 때 주위 압력이 줄어들게 되어 암석이 위쪽으로 팽창하게 되어 판 모양의 절리가 나타날 수 있다.

판상절리는 대체로 평행하게 발달하는데 판상절리의 간격은 지표 부근에서는 좁고, 깊은 곳일수록 넓어지는 경향이 있다. 판상절리가 잘 발달한 암석에서는 마치 양파껍질이 벗겨지는 것과 같은 박리 작용이 일어나기도 한다.

심성암의 경우 지하 깊은 곳에서 만들어진 후 융기하여 지표로 노출되면 압력의 감소로 인한 부피 팽창을 겪게 되고 이것이 절리의 형태로 나타난다.

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

방상절리

방상절리

방상절리(方狀節理, rectangular joint)는 암석이 지각변동으로 힘을 받을 때, 두 방향 또는 여러 방향의 절리들이 교차하여 거대한 장방형이나 육면체로 잘리게 되는 암석 사이의 틈을 말한다.

절리는 암석이 지각변동으로 압축력 또는 장력을 받을 때나 화성암이 냉각·수축할 때 생긴 틈을 말하며, 갈라진 두 암체에 극히 적은 이동이나 아무런 이동이 없는 상태를 말한다.

절리에는 일반적으로 육각기둥 모양으로 아래로 쪼개지는 주상절리(현무암), 얇은 널판같이 옆으로 쪼개지는 판상절리(안산암, 화강암), 아래와 옆으로 절리가 생겨 육면체로 쪼개지는 방상절리(화강암)가 있다.

두 방향 또는 여러 방향의 절리들이 교차하게 되면 암석들은 거대한 장방형이나 육면체로 잘리게 되어 방상절리를 만든다.

절리 생성에 작용하는 힘은 다음과 같다.

위에서 내리누르는 지층의 무게로 인하여 생기는 압력은 암석내의 세로 방향의 한 조(組)의 절리를 생성시킨다. 또한, 침식작용 때문에 위에서 누르는 힘이 제거되면서 생기는 압력의 감소는 가로 방향의 또 다른 조(組)의 절리를 생성시킬 수도 있다. 이러한 두 방향의 교차한 절리는 암석을 육면체 모양으로 잘리게 하는데 이것을 방상절리라 한다. 절리의 생성은 암석 내의 지하수의 흐름의 통로가 되기도 하며, 넓어진 표면적으로 인해 풍화 작용이 촉진되는 시발점이 되기도 한다.

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

• 〈절리〉, 《네이버지식백과》
• 〈절리〉, 《위키백과》
• 〈절리〉, 《나무위키》
• arlyearth, 〈'절리'란?〉, 《지구이야기》, 2022-05-18
• 〈주상절리〉, 《나무위키》
• 〈방상절리〉, 《네이버지식백과》

같이 보기

• 암석
• 균열
• 가스
• 유체
• 광물
• 지질학

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