응력과 변형, 변형작용의 단계, 연성 변형작용 대 단열에 관하여

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암석은 어떻게 변형되나?

응력과 변형

암석 변형작용을 논의할 때 압력이라는 말보다는 응력(stress)이라는 말을 사용한다는 것을 배웠다. 우리는 또 균일응력(uniform stress)을 액체 혹은 기체에 잠겨있는 작은 물체가 받는 것과 같이, 응력이 모든 방향에서 동일한 상태를 기술한다는 것을 배웠다. 암석에서 균일응력은 암석권내 임의의 암체가 주변 암석으로 둘러싸인 채 상위에 놓인 암석의 무게로 균일하게 응력을 받기 때문에 균등응력(confining stress)이라 부른다. 이에 비해 차등응력(differential stress)은 모든 방향에서 동일하지 않는 응력이다.

그림15.1의 인장응력(tensional stress)은 암석을 신장시키고, 압축응력(compressional stress)은 암석을 압착하며 전단응력(shear stress)은 미끄럼과 변형을 일으킨다. 차등응력은 지구조력에 의해 생긴다. 변형(strain)은 암석 변형작용을 기술하는데 사용하는 용어로 응력의 결과로 일어난 고체의 크기 및 모양 변화로 정의된다. 차등응력은 고체의 모양 변화를 일으키지만 크기변화는 일으키기도 하고 일으키지 않을 수도 있다.

변형작용의 단계

어떤 암석이 증대되는 응력을 받을 때 세 단계의 변형작용을 차례로 받게 된다.

1. 탄성 변형작용(elastic deformation) 암석이 응력을 받을 때 체적 혹은 모양이 가역적이거나 비영구적으로 변화하는 것을 말한다. 응력이 제거되면 암석은 원래 크기와 모양으로 돌아간다. 탄성한계(elastic limit)는 고체가 한계를 넘으면 영구 변형작용을 겪게 되고 응력이 제거되어도 원래 크기나 모양으로 돌아오지 못하는 한계응력을 말한다

로버트 후크는 모든 물질에 대한 탄성한계 이하에서 응력 대 변형을 도시하면 항상 직선임을 입증한 최초 사람. 후크는 그림15.2A에서 스프링을 사용하여 증명하였다. 그러나 후크의 법칙은 그림15.2B에서 보여주는 것처럼 암석에 대해서도 똑같이 적용된다.

2. 연성 변성작용(ductile deformation)은 암석이 탄성한계이상으로 응력이 가해질 때 모양과 체적이 불가역적으로 변화하는 것을 말한다. 만약 원통형 암석을 원통의 장축에 평행하게 압축 응력을 가하면 재미있는 결과를 얻을 수 있다. 그림 15.3에서 원통에 대한 응력-변형 곡선은 처음에는 탄성영역을 통해 상승하지만, 탄성한계(Z점)에서 이 곡선은 편평하게 되고 부가응력은 연성변형작용을 일으킨다.

만일 X'점에서 응력이 제거되면 원통은 부분적으로 원래의 모양으로 돌아간다. 즉, 변형은 X'Y곡선을 따라 감소한다. XY만큼의 영구변형이 이 암석에 유발된 것이다. XY 영구 변형은 연성 변형작용에 기인한다.

3. 단열(fracture)은 고체가 탄성 변형작용과 연성 변형작용의 한계를 다 능가했을 때 일어난다. 그림 15.3의 응력-변성 곡선을 생각해보자. X'점에서 응력을 해방시키지 말고 응력을 계속 증가시키면 응력-변형곡선은 F점까지 계속되다가 여기서 원통은 단열작용에 의해 깨어진다. 단열은 명백히 연성 변형작용처럼 불가역적인 변형작용이다.

연성 변형작용 대 단열

취성물질은 단열에 의해 변형되는 경향이 있는데 반해 연성물질은 모양변화로 변형된다 마루에 분필을 떨어뜨리면 분필은 깨어진다. 그러나 만일 버터조각을 떨어뜨리면 버터는 깨어지지 않고 휘어질 것이다. 분필은 취성을 가지며 버터는 연성이다. 그림15.4A 취성물질에 대한 응력-변성 곡선을 보여준다. 탄성한계인 Z가 단열점인 F에 가깝다는 점에 주목하고 그러니까 소량의 연성 변형작용이 취성물질에 일어나고 있다. 이에 반해 탄성한계와 단열점은 연성물질에서는 그림15.4B와같이 멀리 떨어져 있다

그림 15.5A와B는 취성암석과 연성암석의 변형작용 예를 보여주고 있다. 그림 15.5A의 지층은 연성 변형작용에 기인한 휨의 어떤 증거도 보여줌이 없이 말끔히 단열되어 있다. 이에 반해 그림 15.5B의 지층은 연성 변형작용으로 심하게 비틀리고 휘어져 있다.

암석 변형작용을 평가하기 위해서는 취성성질과 연성성질의 상대적인 중요성을 추정하는 일이 필요하다. 두 종류의 성질의 상대적인 중요성을 규제하는 본질적인 조건은 (1)온도, (2)균등응력, (3)시간과 변형속도, (4)성분 등이다.

 

 

진행 중인 변형작용 : 지각에서 변형작용은 느리거나 깊은 곳에서 일어나므로 관찰할 수가 없다. 그리스의 변형작용이 한 예이나 변형작용은 때때로 빨리 일어나서 감지하거나 측정할 수 없다. 편의상 지각의 대규모 관찰 가능한 변형작용을 두 그룹으로 나눈다.

하나는 단열을 포함하는 갑작스런 운동으로 지각의 지괴가 분당 혹은 시간당 갑자기 몇 cm 혹은 몇 m 이동하는 것이고, 다른 하나는 연성변형작용을 포함하는 점진적인 운동으로 느린 정상이동이 갑작스런 진동 없이 일어나는 것이다.

 

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