암석의 변형단계와 변형을 지배하는 요인
1. 암반의 변형성
암반의 변형성은 암석의 변형과 불연속면의 변형의 종합으로서, 불연속면의 변형은 ① 불연속면의 폐합, ② 불연속면의 개구, ③ 불연속면에 따른 미끄러짐 등이다.
암반의 변형성에 대한 이들의 변형의 영향 정도는 암종에 따라 다른 것으로 알려져 있다. 제 3기 퇴적암과 같은 연질암은 구성 입자의 결합력이 약해 암 내부에서의 변형 발생 가능성이 높은 반면, 신선한 화강암과 같은 경질암은 암석의 구성 입자 사이의 결합력이 매우 강하고 공학적 관점에서 보면 변형을 받지 않는다. 따라서 암반의 변형은 절리로 대표되는 불연속면을 개재해서 일어나며 암질재료의 의존도는 낮다.
Goodman은 이들 암반의 변형성의 영향 정도를 파악하기 위해 암석 탄성계수와 암반 탄성계수의 비율을 연구 검토한 결과는 다음과 같다.
(1) 영향 정도가 낮은 암질재료
▪ Erock/Emass = 0.1~0.3
(풍화 화강암, 괴상의 사암 및 석회암, 신생대 퇴적암, 점토질 퇴적암)
(2) 영향 정도가 중간인 암질재료
▪ Erock/Emass = 1.3 ~ 2.0
(일반 화강암 및 변성암, 철산화물 또는 방해석으로 고결된 사암)
(3) 영향 정도가 높은 암질재료
▪ Erock/Emass 〉2.0 (절리가 발달한 화강암 및 변성암, chert, 규질사암, 화산암)
▪ 이처럼 암반의 경우 암반의 변형성 외에 불연속면의 변형성을 고려할 필요가 있으며, 불연속면의 특성 요소가 암반의 변형에 미치는 영향으로서는
①방향성, ②연속성, ③spacing, ④aperture, ⑤ fillings, ⑥roughness, ⑦연결성 등이다.
2. 변형의 단계
(1) 탄성변형
▪ 변형을 일으킨 응력이 제거되면 변형을 일으켰던 암석이 원래의 크기와 형태로 되돌아가는 변형
▪ 탄성한계 : 암석이 받는 응력이 일정한 크기를 초과하게 되면 원래의 형태와 크기로 되돌아가지 못함. 이 한계를 탄성한계
▪ 이러한 변형은 조석의 힘이나 지진파에 의해 일어나며 보통 약한 압력을 받을 때에도 일어남
(2) 소성변형
▪ 응력이 제거되더라도 변형된 부분의 일부만 원래 형태로 돌아가게 될 때의 변형
▪ 예) 수평층이 횡압력을 받아 습곡되어 영구적인 변형이 일어나 수평층으로 회복 되지 못하는 경우 습곡의 양단에서 이동이 생기고 습곡의 축부분에서는 집중현상이 생기는데, 이는 소성변형 때문임
(3) 파괴변형
▪ 응력이 계속해서 증가하여 암석이 파괴될 때의 변형.
▪ 소성변형이 일어나기 전에 파괴가 일어나는 물체를 취성(brittle) 물체, 소성변형이 일어난 후 파괴되는 물체를 ductile한 물체라고 함
▪ 응력 증가시 하나 이상의 fracture가 생기며 결국 암석은 파괴되며 파괴변형에는 단층, 절리 및 다양한 형태의 cleavage 등이 있음
3. 변형의 지배 요인
(1) Confining pressure
▪ 암석의 변형은 confining pressure의 크기에 따라 좌우된다. confining pressure가 커질수록 탄성변형이 일어나는 범위가 커지며 ultimate strength도 커진다.
▪ 지표면 부근에서는 소성변형이 일어나지 않으나 confining pressure가 큰 지각 하부에서는 소성변형이 일어난다.
(2) 온도
▪ 온도가 상승하면 구성광물 입자들 사이의 결합력이 약해져 결국 암석의 강도가 떨어지게 되어 변형이 쉬어짐
▪ 같은 온도 하에서는 건조상태 보다 습한 상태에서 변형이 잘 일어나는데 이는 물이 광물들 사이에 침투하여 결합력을 저하시키기 때문임
(3) 시간
▪ 어떤 물질에 여러 차례의 응력이 가해져 변형이 일어나지 않았다 하더라도 같은 응력이 계속해서 반복 작용되면 파괴가 일어나게 됨
▪ 소성 변형 및 파괴를 일으키는데 필요한 응력은 천천히 작용될 때 더 작아짐. 따라서 같은 힘이 작용하는 경우 오랜 기간을 통해 천천히 작용될 때 변형이 일어나기 쉬움.
(4) Solution
▪ 암석이 화학적으로 반응할 수 있는 용액이 암석의 공극 속에 포함되어 있을 경우 변형이 일어나기 쉽다. 따라서 물로 포화되어 있을 경우가 건조한 상태보다 변형이 일어나기 쉬움
▪ 재결정작용이 일어나기 쉬운 환경 하에서 이러한 화학반응에 의해 암석의 강도나 fundamental strength와 같은 역학적인 특성이 현저히 달라지므로 암석의 변형이 발생함
(5) Anisotropy & Inhomogeneit
▪ 비등방성인 암석의 강도는 암석 내에 발달된 평면구조에 작용되는 힘의 방향에 따라 결정됨
▪ 다른 모든 조건이 동일할 경우, 평면 구조에 직각으로 압축력이 작용하는 경우가 평행하게 작용할 때 보다 훨씬 강도가 커져 변형이 일어나기 어려움.
▪ 그러나 평면구조에 평행한 방향으로 장력이 작용할 때에는 직각으로 작용될 때보다 훨씬 변형이 일어나기 어려움.