상대습도가 인공 단층비지의 함수량에 미치는 영향 예비 연구

국문 초록 (Abstract)

물 윤활작용은 단층비지 내의 미끌림면에 존재하는 광물 나노입자의 단층 약화 메커니즘 중의 하나로, 이는 지진 발생에 영향을 줄 수 있다. 지진이 발생하는 자연계 단층에서의 함수량 변화는 주로 계절성 강우에 따른 대수층 두께의 증가에 의한 것으로 생각되어져 왔으나, 보다 신뢰성 있는 단층 거동의 해석을 위해서는 그 외의 요인 또한 복합적으로 고려해야 할 필요성이 있다. 이전 실험실에서 측정한 건조 및 포화 상태에 따른 마찰계수 실험에서, 동일한 광물 종임에도 연구자들에 따른 마찰계수 값의 차이가 나타났다. 특히, 건조 상태에서 넓은 범위의 마찰계수 값의 차이를 보였으며, 이에 대한 원인 중 하나로 대기 상대습도의 차이가 거론된 바 있다. 이러한 중요성에도 불구하고 현재까지 진행된 실제 자연계 단층에서의 함수량에 대한 연구는 주로 계절성 강우에 의한 대수층 두께의 변화에 초점을 두어 진행되어져 온 반면에, 대기 상대습도에 따른 함수량 변화에 대해서는 고려된 바 없다. 이에 따라 본 연구에서는 광물 나노입자의 입자크기에 따른 함수량의 상대습도 의존성을 연구하고자 한다.
본 연구에서는 규산염 광물의 성질을 대표할 수 있는 7 nm, 26 nm의 비정질 규산염 나노입자를 선택하였다. 온도 및 습도가 조절되는 글러브 박스 내의 상대습도를 20%에서 70%까지 조절한 환경에서 수화시킨 비정질 규산염 나노입자의 1H NMR 분광분석을 실시하였다.
실험 결과, 7 nm의 비정질 규산염 나노입자의 전체 수소의 개수는 상대습도가 20%에서 70%로 증가할 때, 약 2.1배 증가한 반면, 26 nm의 경우, 약 1.3배 증가하였다. 이는, 입자크기가 작을수록 함수량의 상대습도 의존성이 증가함을 의미한다. 이와 같은 상대습도에 따른 수소 개수의 변화는 주로 물리흡착된 물(Physisorbed water) 함량 증가에 기인하며, 단층비지 내에서의 물 윤활작용의 발생 가능성을 높여줄 수 있을 것으로 생각된다.
본 연구의 결과는 계절성 강우에 기인하는 단층비지 내의 함수량 변화 해석에 있어 대기 상대습도에 대한 영향 또한 고려해야 할 필요성을 보여주었다. 입자크기가 작을수록 습도에 대한 민감도가 증가하여 물 윤활작용을 발생시킬 가능성을 높여줄 수 있는 원인이 될 수 있으며, 이는 단층비지의 입자크기 또한 지진 발생에 영향을 줄 수 있음을 의미한다. 따라서, 상대습도 의존성은 단층비지를 구성하고 있는 광물이 종류나 입자크기에 따른 함수량 변화에 기인할 수 있으며, 보다 신뢰성 있는 단층 거동에 대한 해석을 위해서는 실제 단층비지 조성을 모사한 인공 단층비지를 이용한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.