응용지질학(Applied Geology)은 지질학을 산업에 응용하는 학문으로서 광상학, 토목지질학, 지하수학 및 농림지질학 등을 지칭하는 학자도 있다. 본서에서의 응용지질학의 범위는 농림지질학을 제외한 광상학, 토목지질학, 지하수화학만을 다루었다.
우선 광상학은 광물이 지각중에 집적되는 작용을 이해하여 광산내외에서 광상을 탐광하는 것이 공부의 주요 목적이다.
근래 광상학의 발달은 다음의 2방향에서 연구되어 왔다. 하나는 1920년부터 30년대까지 확립된 지향사에 따른 조산대 이론에서부터 현재의 판구조론을 토대로 광상을 연구하는 지질학적 측면이고 또 다른 하나는 광상이나 모암을 구성하는 광물의 이론적 또는 실험적 연구와 안정동위원소를 기초로 광상이 형성되는 과정에서 물리화학과 열역학을 응용한 광화물질의 기원, 이동 및 집적을 다루는 광물학적 및 지구화학적 측면이다. 따라서 광상학은 상기의 2 측면 즉, 지질학적, 광물학적 및 지구화학적 연구의 총아로서 지각의 진화와 함께 광상을 구성하는 물질의 기원, 이동 및 농집이 이루어지는 과정을 확실하게 밝히는 학문 분야라고 할 수 있다.
토목지질학은 최근에 지질공학으로 부르는 경향이 강한 학문으로서 이학적인 기법 및 사고방식으로 해석한 지질상황을 공학적으로 사고하는 학문 분야다. 즉, 정확한 지질정보를 획득하여 암석 및 암반의 공학적 이해-특히 불연속면이 내재하는 암반의 공학적 특성을 파악하여 토목구조물의 안정성을 유지하는데 필요한 정보를 제공하는 학문이다.
본서의 암석편은 윤정한 교수가 대학에서 강의한 내용을 정리한 내용중 광상학에 도움이 될 수 있는 부분만을 발췌하였고 광상 부분은 서울대학교 공과대학 교수이셨던 전용원 교수님 정년을 기념하기 위해 편찬된 “지구자원과 환경”의 제4장 “금속. 비금속광물자원”의 내용에 그림이나 표를 삽입한 것과 그간 국내외 학회지에 발표한 내용을 삽입하여 본서를 꾸민 것이다. 지하수화학과 토목지질 부분은 전남대학교 공과대학 응용지질학 및 지구화학실험실에서 박사학위를 받고 현장에서 이론과 실제를 계속 연마하고 있는 조선대학교 박천영 교수, 농어촌공사 박순진 차장과 김진회 차장이 집필한 것이다. 다시 말하면 사제가 어울려서 학부 학생들의 교육을 위해 집필한 개설서라고 할 수 있다. 따라서 암석학이나 광상학, 토목지질학 및 지하수화학에 대해 더욱 깊은 공부나 연구를 필요로 하는 독자는 이들 분야의 다른 서적이나 전문적인 학회지 등을 구독하기 바란다. 본서는 저자들만의 표현 방법이 많고 아직은 부족한 부분이 많다. 이 부족한 부분은 이 책으로 공부하는 학생 여러분의 몫이다. 따라서 부족한 부분은 공부하는 여러분이 보충하여 주기 바란다. 아울러 이 책으로 열심히 공부하여 훌륭한 기술자 또는 훌륭한 학자가 되기 바라는 마음 간절하다.
응용지질학은 광물학, 암석학, 구조지질학, 열역학 및 지구화학 등의 학문을 기초로 하고 있기 때문에 먼저 광물학, 암석학과 구조지질학을 배운 다음 응용지질학을 공부해야 한다. 본서는 암석, 구조지질, 광상, 토목지질, 지하수화학으로 구성되어 있다. 암석은 광물로 구성되어 있기 때문에 광물학을 먼저 소개해야 되지만, 본서에서는 사정상 생략한다. 광물학 부분이 부족한 학생은 광물학을 먼저 공부하고 이 책으로 공부하면 효과적일 것이다.
이 책을 출판하여 주신 전남대학교출판부에 감사한 마음 전하고 싶다. 아울러 본서를 초기 편집 과정에서 수고해 준 전남대학교 공과대학 에너지자원공학과 신민철, 조윤근 그리고 윤준혁 군에게 감사한다. --- '서문' 중에서

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 모암으캷부터 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.

응용지질학은 광물학, 암석학, 구조지질학, 열역학 및 지구화학 등의 학문을 기초로 하고 있기 때문에 먼저 광물학, 암석학과 구조지질학을 배운 다음 응용지질학을 공부해야 한다. 본서는 암석, 구조지질, 광상, 토목지질, 지하수화학으로 구성되어 있다. 암석은 광물로 구성되어 있기 때문에 광물학을 먼저 소개해야 되지만, 본서에서는 사정상 생략한다. 광물학 부분이 부족한 학생은 광물학을 먼저 공부하고 이 책으로 공부하면 효과적일 것이다. 관련학문을 연구하는 모든 분들께 조금이나마 도움이 되기를 기대한다.