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CAE일반/용어 사전

공극률 (Porosity)

CAE 솔루션 2018.10.08 11:35

공극률에 대한 사전적인 의미 (네이버 백과사전)


공극률의 정의

공극을 지닌 매질을 다공성 매질(porous medium)이라 하며 전체 매질의 부피 대비 공극이 차지하는 부피를 공극률이라 한다. 공극률()을 수식으로 표현하면

와 같으며, 여기서 는 전체 매질의 부피, 는 공극의 부피, 및 는 공극 외 고체의 부피를 의미한다. 공극률은 비율을 의미하기 때문에 0에서 1 시이의 값을 가지며, 전형적인 지질매질에서 0.5 이하의 값을 갖는다. 예외적으로 점토의 경우 0.7의 높은 공극률을 가질 수 있으며, 이는 점토 입자의 넓은 표면적에 기인한다. 고결상태의 결정질 암반의 경우 공극률은 단층이나 절리 등 파쇄면의 발달 정도가 공극의 발달에 매우 큰 영향을 미친다.

일반적으로 단일 조직으로 이루어진 미고결 상 퇴적물 또는 퇴적암의 심도에 따른 공극률에는 Athy(1930)이 제시한 다음의 식이 이용된다.

여기서, 는 심도 별 공극률을 의미하는 함수이며, 는 지표의 공극률, k는 매질의 압밀 또는 다짐 정도와 관계있는 상수, 그리고 z는 심도를 의미한다.

공극률은 부피밀도(bulk density) , 유체밀도 , 및 입자밀도 을 이용하여서도 얻을 수 있으며 다음의 식으로 주어진다.

만약 모든 공극이 단일 유체로 채워져 있을 경우 위의 식은 다음의 식으로 간략화 될 수 있다.

석영으로 이루어진 퇴적물의 경우 는 약 2.65 g/cm3의 값을 가진다.

공극률과 수리전도도

일반적으로 공극률과 수리전도도는 비례하는 경향을 지닌다. 예를 들어 모래로 이루어진 두 대수층을 비교해 보았을 때 더 높은 공극률을 지닌 대수층이 더 높은 수리전도도를 가질 가능성이 높다. 그렇지만 이러한 관계에는 복잡성이 개입될 수 있으며 복잡성을 발생시킬 수 있는 가장 큰 요인은 점토 함량과 입자 사이즈의 분급 정도이다. 동일한 입자크기로 매질이 이루어져 있을수록 매질의 분급 정도가 높으며 분급이 높은 매질은 더 높은 공극률과 수리전도도를 가진다. 입자들의 둥근 정도를 의미하는 원마도 역시 공극률과 관계가 있으며, 원마도가 낮은 입자들은 입자와 입자 사이에 더 넓은 공간이 만들어질 수 있어 더 높은 공극률을 만들어 낸다.

그림 1. 퇴적물의 분급 정도와 공극률의 관계를 보여주는 그림 (출처)

암석의 공극률

고결된 암석(예., 사암, 셰일 등)은 미고결 퇴적물에 비하여 보다 복잡한 공극 구조를 가지며 일반적으로 이중공극 모델로 이를 설명한다. 이러한 암석들의 공극률을 얻기 위하여 유체를 강제 주입하여 그 체적을 측정할 수 있지만, 이는 상호 연결된 공극의 부피만을 잴 수 있으며 연결성이 없는 공극(예., 현무암의 기공)의 부피는 측정이 불가능하다. 고결암의 공극률에는 미고결 퇴적물과는 달리 암석 종류, 공극의 분포, 고결 정도, 속성작용, 및 화학적 조성 등 매우 많은 요인들이 작용하게 된다.

1차 공극 및 2차 공극

미고결 퇴적물의 퇴적 시 혹은 고결 암석의 형성 시 지니고 있는 공극률을 1차 공극이라 부른다. 그러나 미고결 퇴적물의 경우 동물이나 식물 등에 의한 생물학적 작용으로 2차적인 공극이 발생할 수 있으며 이를 2차 공극이라 부른다. 이러한 2차 공극은 강우 시 우수의 지하 침투에 있어 중요한 역할을 한다. 암석의 경우 두 가지 기작에 의해 2차 공극이 발생할 수 있으며, 이에는 파쇄와 용해가 있다. 암석은 지질학적으로 주어지는 다양한 스트레스(응력)에 의해 파쇄될 수 있으며 이러한 파쇄면은 지하 유체의 주요 유동 경로가 된다. 또한 석회암과 같은 용해가 상대적으로 쉬운 암석의 경우 장기간의 지속적인 물 유동으로 인하여 큰 크기의 공극이 만들어질 수 있으며, 큰 규모의 석회암 동굴이 나타나기도 한다.

[네이버 지식백과] 공극률 [Porosity] (지질학백과)


'공극률이 크다'에 대한 이해 

일반적으로 입자가 작고 고를수록 공극률이 작다고 생각하기 쉽다. 

하지만 반대로 입자의 크기가 다양할 수록 공극률이 작은 것이 맞다.

그 이유는 입자의 크기가 모두 동일하다면 입자 사이의 틈을 메울 수 없지만,

입자의 크가 고르지 않고 다양하다면 큰 입자들 사이에 작은 입자가 채워지기 때문이다.

예를 들어 자갈, 모래, 점토 3가지에 대해서 어떤 것이 가장 공극류이 큰지 물어보면

대부분은 자갈>모래>점토 순으로 공극류이 크다고 대답한다.

하지만 정답은 점토>모래>자갈의 순으로 공극률이 크다.

이유를 가장 공극률이 작은 자갈의 경우를 설명하면 비교적 큰 자갈 사이에 작은 입자가 채워지기 때문이다.


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