지반 침하와 붕괴, 탄산염 용해(동굴)와 카르스트 지형 등에 관하여

지반 침하(subsidence)는 지표의 한 부분이 가라앉거나 붕괴하는 것을 말한다. 지반 침하와 관련된 이동은 특히 수직적이며 수평적 이동은 거의 없거나 아예 없다. 지반 침하는 갑작스럽거나 극적인 붕괴 일 수 있거나 또는 아주 천천히 거의 알 수 없을 정도로 일어날 수 있다. 어떤 경우 지반 침하는 국부적인 현상일 수도 있으나 다른 경우에는 광역적일 수도 있다.

중력 사면 이동처럼 지반 침하는 물이나 얼음과 같은 운반 매체를 필요로 하지 않는다는 점에서 지구 물질의 침식,운반,퇴적과 다르다. 그러나 물은 여러 가지 방법으로 지하 붕괴를 촉진시킬 수 있고 지반 침하 작용에 일반적으로 중요한 역할을 한다.

중력 사면 이동처럼 지반 침하는 중력에 의해 일어 난다.

그러나 지반 침하는 붕괴 지역 아래의 암석과 퇴적물의 물리적 성질에 의해 조절되고 사면의 안정성에 의해 좌우되지 않는다는 점에서 중력 사면 이동과 다르다.

붕괴 작용과 때로는 붕괴되기 전에 있었던 조건들은 자연적이고 물리적인 작용에 기인한다. 그러나 많은 경우 지반 침하 사건을 유발시키는 조건들은 인간의 활동에 의해 악화되거나 되거나 또는 만들어 진다.

이 장에서 우리는 지반 침하를 유발시키는 조건들을 조사하고 이들 조건들이 인간의 활동에 의해서 어떻게 일어나고 또는 악화 되는지를 조사할 것이며, 어떤 종류의 피해가 일어나고 또 지반 침하와 관련된 위험이 어떻게 제시될 수 있는지에 대해서 조사할 것이다.

 

-탄산염 용해와 카르스트 지형

화학적 풍화에 아주 취약한 암석으로 구성된 지역에서 지하수는 지구상에서 가장 흥미롭고 아름다운 지하 동굴과 특징적인 풍경을 만든다. 이 광범위한 동굴체계는 그러나 원터팍에서 일어난 사건처럼 돌발 사건의 무대를 만들 수 있다. 지하 동굴이 지표에서 지반 침하를 유도하는 작용을 이해하기 위해서 우리는 우선 탄산염 용해 작용과 동굴 형성 작용을 고려해야 한다.

 

용해 작용

빗물이 지하로 침투해 들어가자마자, 빗물은 표토와 기반암에 있던 광물과 작용하게 되어 화학적풍화를 일으킨다, 이 작용의 중요한 부분은 광물과 암석 물질이 직접 용액으로 변하는 용해 작용(dissolution)이다.

지각의 암석 가운데 탄산염암(방해석과 돌로마이트와 같이 CO32- 음이온을 주성분으로 하는 광물로 구성된 암석) 은 가장 쉽게 용해 된다. 석회암, 돌로스톤, 대리암은 가장 흔한 탄산염암이다. 그들은 수백만 km2의 면적을 차지하고 있다. 탄산염 광물은 순수한 물에는 거의 녹지 않지만, 빗물의 일반적인 성분인 탄산(H2CO3)에는 쉽게 용해 된다.

탄산염지역에서 용해의 속도는 하천이나 중력 사면 이동 그리고 다른 작용에 의해 일어나는 지표의 평균 침식 속도를 능가할수 있다. 강수량이 많고 지하수면이 높으며 거의 연속적으로 식물로 덮여 있는 온대 지역에서 탄산염 지형은 1000년에 평균 10mm의 속도로 침식 된다. 강수가 거의 없고 지하수면이 낮으며 식물이 불연속적으로 덮여 있는 건조한 지역에서는 용해 속도가 낮다.

 

동굴

동굴 (cave)은 커다란 지하의 공간이다. 우리 인간의 주거에 대한 가장 최초의 증거는 플라이스토세빙하기 때 구석기 시대 사람들에게 주거지를 제공했던 유럽과 아시아의 석회 동굴로부터 온다. 동굴들의 벽은 선사 시대 미술가들의 암석 캔버스로 사용 되었고, 선사 시대 예술가들의 여러 색상을 이용한 그림은 빙하 시대의 맹수 사냥꾼의 사냥감에 대해 훌륭한 그림을 제시해 준다.

동굴은 여러 형태와 크기가 있다. 비록 대부분의 동굴은 규모가 작지만 어떤 것들은 규모가 아주 크다. 동굴의 공간이 서로 연결되어 있는 대규모 동굴이나 동굴 체계를 캐번(cavern)이라고 한다. 미국 뉴멕시코 남동부의 칼스배드 캐번은 길이가 1200m, 넓이 190m,높이 100m를 갖는 공간을 포함하기도 한다. 미국 캔터키의 맘모스 캐이브(Cave)는 적어도 48km 이상의 연결된 길이를 갖는 연결 캐번들로 구성 되어 있다. 최근에 발견된 보르네오섬의 행운의 동굴은 큰 공간을 갖고 있는데, 이 공간의 큐모는 너무 커서 이 공간은 이제까지 세계에서 가장 큰 것으로 알려진 공간(칼스배드 캐번)과 유럽에서 가장 큐모가 큰 동굴 공간(프랑스의 Gouffre St. Pierre Martin)과 영국에서 가장 큰 동굴 공간 (GaPing Ghyll)을 함께 포함할 수 있다.

 

그림7.1 동굴과 대규모 동굴은 석회암이 용해되어 생긴 지하의 공동이다. 여기에서 보는 거대한 공간은 미국 뉴멕시코주의 칼스배드 캐번의 일부분이다.

 

 

 

동굴 형성

동굴은 순환하는 지하수에 의해 용해 되는 화학작용에 의해 형성 된다. 이 작용은 서로 연결된 열린 열극과 층리면을 따라 침투하는 지하수에 의해 용해됨으로써 시작된다. 그리고 난 후 하나의 동굴 통로가 가장 적절한 수로를 따라 발달하게 된다. 하천이 바닥을 점유하고 있는 동안 동굴 퇴적층(speleothems이라고 불림) 이 동굴벽에 고드름처럼 퇴적된다. 하천이 흐름을 멈춘 후에 비슷한 퇴적층들이 바닥 위에 퇴적된다. 비록 지구 과학자들은 동굴퇴적층이 산출되는 정확한 조건들에 대해 의견이 일치하지 않지만 이용가능한 증거는 대부분의 동굴은 계절적으로 오르내리는 지하수면의 상부 부근에서 형성된다는 생각과 일치한다.

동굴의 형성속도는 용해 속도와 관계가 있다. 물이 산성인 지역에서는 흐름의 속도가 증가함에 따라 용해 속도가 증가한다 물의 통로가 커지고 흐름이 빨라지며 소용돌이가 커짐에 따라 용해 속도는 증가한다. 천천히 스며드는 물에 의해 연속적인 통로가 발달되는데 최대 만년까지 걸리는 것으로 추정되고 있고, 보다 빠르게 흐르는 물에 의해 통로가 더 커져서 완전히 발달된 동굴 체계가 형성되기 까지는 추가적으로 만년에서 백만년이 더 소요된다.

 

카르스트 지형

암석이 예외적으로 용해되기 쉬운 지역에서 지형은 많은 소규모의 폐쇄 분지와 교란된 배수 형태에 의해 특징지어진다. 하천이 지하로 사라지고 다시 다른 곳에서 커다란 샘으로 나타난다. 이런 지역을 카르스트 지형(karst topography)이라고 부르는데, 이는 이전의 유고슬라비아의 카르스트 지역을 따라서 붙여졌다(그림7.2) 카르스트는 대부분 석회암지형에서 전형적으로 나타나지만 돌로마이트, 석고, 암염이 있는 지역에서도 또한 발달할수 있다.

몇 가지 요인들이 카르스트 지형의 발달을 조절한다. 지형이 중력에 의해 용해되기 쉬운 암석 사이로 지하수가 흐르도록 해야한다. 강수는 지하수 체계를 형성할 만큼 충분해야한다. 토양과 식물의 덮임이 적절한 양의 이산화탄소를 공급해야 하며(빗물로부터 탄산을 형성하기 위해) 온도는 용해를 증진 시키기에 충분할 만큼 높아야 한다. 비록 카르스트는 넓은 범위의 위도와 여러 고도에서 일어나지만, 카르스트 지역은 용해되기 쉬운 암석이 두껍고 광범위하게 나타나는 습윤 온대와 열대 지역에서 대부분 잘 발달한다.

카르스트 지역의 가장 흔한 형태는 싱크홀 카르스트이다 승크홀 카르스트(sinkhole karst)는 다양한 크기와 형태를 갖고 서로 아깝게 위치하고 있는 원형의 불괴 분지들로 이루어진 지형을 이룬다(그림 7.3) 이런 지형은 인도의 남부 지방, 미국 테네시주의 남중부,자마이카 그리고 다른 지역에서도 발견 된다.

그림7.2 알바니아 국경 부근에 있는 이전의 유고슬라비아 남동부 지역의 카르스트 지형, 아드리아해는 왼쪽 아래 코너쪽에 있다 이상한 형태의 자형은 지하 석회암의 용해에 의해 생성 되었다.

그림7.3 평평한 충적토 평태의 대지로 둘러싸인 200m높이의 급격사를 이룬 석회암 절벽들이 중국 길림지역 리강 부근에서 장관을 이룬 카르스트지형을 이루고 있다.

 

 

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