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Cause of Rockfall at Natural Monument Pohang Daljeon-ri Columnar Joint
천연기념물 포항 달전리 주상절리의 낙석 발생원인
Econ. Environ. Geol. 2022 Oct;55(5):497-510
Published online October 31, 2022;  https://doi.org/10.9719/EEG.2022.55.5.497
Copyright © 2022 The Korean Society of Economic and Environmental Geology.

Jae Hwan Kim1, Dal-Yong Kong2,*
김재환1 · 공달용2,*

1Natural Heritage Center, National Research Institute of Cultural Heritage, Daejeon 35204, Korea
2International Cooperation Division, Cultural Heritage Administration, Daejeon 35208, Korea
1국립문화재연구원 자연문화재연구실
2문화재청 국제협력과
Received October 9, 2022; Revised October 18, 2022; Accepted October 18, 2022.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
 Abstract
Monthly monitoring, 3D scan survey, and electrical resistivity survey were conducted from January 2018 to August 2022 to identify the cause of rockfall occurring in Daljeon-ri Columnar Joint (Natural Monument No. 415), Pohang. A total of 3,231 rocks fell from the columnar joint over the past 5 years, and 1,521 (47%) of the falling rocks were below 20 cm in length, 978 (30.3%) of 20-30 cm, and 732 (22.7%) of rocks over 30 cm. While the number of rockfalls by year has decreased since 2018, the frequency of rockfalls bigger than 30 cm tends to increase. Large-scale rockfalls occurred mainly during the thawing season (March-April) and the rainy season (June-July), and the analysis of the relationship between cumulative rainfall and rockfall occurrence showed that cumulative rainfall for 3 to 4 days is also closely related to the occurrence of rockfall. Smectite and illite, which are expansible clay minerals, were observed in XRD analysis of the slope material (filling minerals) in the columnar joint, and the presence of a fault fracture zone was confirmed in the electrical resistivity survey. In addition, the confirmed fault fracture zone and the maximum erosion point analyzed through 3D precision measurement coincided with the main rockfall occurrence point observed by the BTC-6PXD camera. Therefore, the main cause of rockfall at Daljeon-ri columnar joint in Pohang is a combination of internal factors (development of fault fracture zones and joints, weathering of rocks, presence of expansive clay minerals) and external factors (precipitation, rapid thawing phenomenon), resulting in large-scale rockfall. Meanwhile, it was also confirmed that the Pohang-Gyeongju earthquake, which was continuously raised, was not the main cause.
Keywords : natural monument, Pohang Daljeon-ri Columnar Joint, monitoring, rockfall, earthquake
1. 서 론

최근 우리나라에서 발생하고 있는 지진, 태풍, 집중호우, 대형 산불 등으로 인해 사회·경제적 피해가 급증하고 있는 가운데, 문화재의 피해규모 역시 점점 커지고 있다. 특히, 자연유산은 지진, 태풍 등의 자연재해에 더욱 취약하며 점진적이고 광범위하게 발생하여 더욱 심각한 상황이다.

지난 2016년 9월 12일 발생한 경주 지진(규모 5.8)과 2017년 11월 15일 발생한 포항 지진(규모 5.4)은 대한민국 지진관측 이래 가장 강력한 지진으로 경주의 불국사 대웅전, 석굴암, 첨성대, 정혜사지 삼층석탑 및 포항의 보경사 적광전과 승탑, 달전리 주상절리 등 해당 지역의 국가지정문화재(국보·보물·천연기념물)에 크고 작은 피해가 발생하였다. 이 중에서도 천연기념물 포항 달전리 주상절리는 구배가 1:0.7 이상의 급경사이고, 높이가 20m 이상이며 탐방로에 인접하고 있어 지진에 의한 낙석 발생 또는 붕괴로 인한 인명 피해의 우려가 지역사회와 시민단체 등으로부터 지속적으로 제기되고 있다. 또한, 일부 시민들은 포항시에 지진에 의한 달전리 주상절리의 붕괴 대책 마련을 요구하였다. 이를 계기로 포항 달전리 주상절리의 낙석발생 원인을 파악하기 위해 2018년 1월부터 문화재청 국립문화재연구원 자연문화재연구실에서 장기간의 모니터링을 시작하였다.

달전리 주상절리에 대한 안정성 확보와 장기적 보존을 통한 관리대책을 수립하기 위해서는 주상절리에 영향을 미치는 내·외부 위험 요인을 정확하게 파악하는 것이 중요하다. 그러나 지금까지 국내 주상절리에 대한 연구는 대부분이 생성원인과 형태학적, 암석학적 연구에 국한되어 있다. 따라서 주상절리의 거동과 변형에 관한 연구가 거의 전무하여 낙석 등 파괴를 일으키는 다양한 원인에 대한 정보를 제공하지 못하고 있는 실정이다(Koh et al., 2005; Ahn et al., 2014; Ko et al., 2016; Kim et al., 2021). 이번 연구에서는 포항 달전리 주상절리를 대상으로 장기간의 모니터링과 과학적 분석기법을 통해 주상절리의 낙석 발생 원인을 분석하였다. 이를 통해, 포항 달전리 주상절리의 과학적 근거에 기반한 관리계획 수립에 기여하고, 나아가 지역사회에서 꾸준히 제기되고 있는 지진과의 상관관계를 규명하여 지역사회에 퍼져있는 불안감을 해소하는데 도움을 주고자 한다.

2. 연구방법

천연기념물로 지정된 포항 달전리 주상절리(제415호)를 대상으로 2018년 1월부터 2022년 8월까지 모니터링(낙석 확인 거물망 및 무인카메라 설치 포함), 3차원 정밀 실측, 전기비저항 탐사, X-선 회절 분석 및 포항지역의 일별 강우량, 포항-경주 지진발생 자료 분석 등을 실시하여 낙석 발생 원인을 밝히고자 하였다. 특히, 주상절리 전체가 촬영되도록 동작감지 무인카메라(BTC-6PXD) 3대를 설치하여 낙석의 발생 위치와 시간을 확인하였다.

2.1. 낙석 모니터링

포항 달전리 주상절리의 낙석 발생 경향을 확인하기 위해 매월 말일 떨어진 낙석의 크기(길이)별 수량을 조사하였다(Fig. 2). 이러한 낙석 모니터링 결과는 2018년 1월부터 2022년 8월까지 수집된 데이터를 사용하였으며, 포항 달전리 주상절리 환경정비 사업으로 인해 모니터링이 진행되지 못한 일부 기간은 제외되었다. 낙석 발생 수량의 정확도를 높이기 위해 주상절리 하부 평지에 그물망(15×25m)을 설치하여 매월 발생하는 낙석을 확인하고, 길이를 측정 한 후 그물망에서 제거하였으며, 그물망 이외 구간으로 낙하된 낙석은 현장에서 확인 후 제거 하여 주상절리 인근에 모아두었다(Fig. 2a, d).

Figure 2. Pohang Daljeon-ri columnar joint (a: panoramic view, b: columnar joint in the southwest, c: columnar joint in northeast view, d: collected rockfalls).

2.2. 3차원 정밀 실측

포항 달전리 주상절리 암반 사면을 대상으로 3차원 정밀 실측을 실시하여, 침식과 퇴적에 따른 체적 변화를 관찰하였다. 3차원 스캔 측량은 GLS-2000 모델을 이용하였으며, Point 간격은 최소 3.1mm(@10m)이며, 스캔 라인당 수평 20,268point, 수직 15,202point의 3차원 점군데이터를 확보하였다. 스캔측량으로부터 확보된 3차원 점군데이터는 ArcGIS 10.3(ESRI, American)을 이용하여 수치표면모델(DSM, Digital Surface Model)을 제작하였다. 3차원 스캔 측량 시기는 수목과 식생에 의한 영향을 배제하기 위해 1월과 11월에 실시하였으며, 이 때 중첩도를 고려하기 위해 4개 지점에 설치된 측량기준점 관측 및 좌표 확인 후 방위각을 설정함으로써 정확성을 확보하였다. 또한, 매년 2~3회에 걸쳐 무인항공기(DJI Phantom4 RTK, PRO V2.0)를 이용하여 사진촬영과 3차원 모델링을 실시하였다.

2.3. 전기비저항 탐사

전기비저항 자료는 AGI super sting R1/IP 탐사 장비를 사용하였으며, 전극간격 10m의 쌍극자 배열(dipole-dipole array)을 이용하여 자료를 확보하였다. 현장에서 측정된 외견비저항치(apparent resistivity)를 이용하여 유한요소법을 활용한 2차원 자동 역산을 거쳐 2차원 비저항구조도(2-dimensional resistivity structure)를 도출하여 주상절리의 천부지질구조 해석에 사용하였다.

2.4. X-선 회절 분석

점토광물의 경우 3지점(zone 1~3)에서 채취한 동일 시료를 사용하였으며 점토광물이 미립질이고 결정도가 낮아 정확한 분석이 어렵기 때문에 본 연구에서는 수증침강법에 의하여 2㎛이하로 입도 분리 하였다. 입도 분리한 각각의 시료에 대하여 건조시료(air dry)와 에틸렌 글리콜 처리 후의 X-선 회절선을 비교하였다. X-선 회절분석은 경상국립대학교에서 보유하고 있는 Bruker社의 D8 Advance를 이용하였으며, 분석 조건은 40kV/40mA하 에서 Cu Target를 사용하였으며, 구간은 5~30° 스텝간격은 0.019° 주사시간은 15.8초로 설정하였다.

2.5. 기상자료 분석

모니터링 기간 동안의 포항지역 일별 강우량과 포항-경주 지진 발생 현황 자료는 기상청 기상자료개방포털 (data.kma.go.kr)과 날씨누리집(weather.go.kr)의 데이터를 받아 분석하였다.

3. 포항 달전리 주상절리

3.1. 지형학적 특징

포항 달전리 주상절리는 경북 포항시 남구 연일읍 달전리에 위치하고 있으며, 지도상으로 동경 129°17′46″, 북위 36°01′42″에 해당한다(Fig. 1a). 달전리 주상절리는 천연기념물로 지정되어 있으며, 지정 구역의 면적은 32,651m2 이다. 산계는 대체로 양산단층대의 방향과 유사한 N10~20°E 방향이 우세하며, N60~70°W의 소규모 산계들이 발달하고 있는 양상을 보인다. 서북부는 태백산맥의 지맥이 남주하면서 깊고 높은 지형기복의 험준한 산악지역을 형성하고, 해안 및 동남부로는 구릉지와 제3기층이 융기된 소구릉선이 발달하여 시가지를 둘러싸고 있다(Lee et al., 2008).

Figure 1. Geographical location (a) and numerical elevation model (b: angle of inclination, c: direction of inclination) of Daljeon-ri columnar joints in Pohang.

국토지리정보원의 1:5,000 수치지형도를 이용하여 수치표고모델(DEM)을 제작한 후 사면의 경사각 및 경사방향 등 달전리 주상절리 암반 사면에 대한 지형 특성을 분석하였다(Fig. 1b, c). 달전리 주상절리의 경우 암반 전체 사면이 약 40~70°이상의 경사각을 가지며, 암반 사면 앞쪽 성토부는 20°이내의 경사를 보이고 있다(Fig. 1b). 전면부의 높은 경사각은 낙석 발생 시 운동에너지 상승의 원인이 되어 피해 규모를 증가시킬 수 있다. 또한 사면 경사방향의 경우 사면 전면부는 남향이 우세하고 좌측부는 남동 및 동향, 우측은 남서향이 우세하다(Fig. 1c). 이로 인해 달전리 주상절리의 경사 방향이 관람 및 탐방로 방향으로 향하고 있어 사고 위험에 노출되어 있다.

3.2. 야외기재적인 특징

포항 달전리 주상절리는 마치 병풍을 펼쳐 놓은 형상을 보이며, 2000년 이전까지 채석장으로 사용하다 대규모 주상절리의 발견으로 2000년 4월 천연기물로 지정되었다. 주상절리대의 규모는 평균높이 20m, 길이 약 100m이다(Fig. 2). 달전리 주상절리는 산지의 절벽에 형성된 주상절리로 신생대 신제3기(Neogene)말, 현무암질 마그마의 관입에 의해 형성되었다(Song et al., 2015). 특히, 콜로네이드(colonnade)가 잘 발달하고 있는 것이 특징이다(Fig. 2b).

달전리 주상절리는 인근에 발달한 현무암 암체 중 가장 큰 규모(200~300m)이며 과거 채석장으로 이용되었던 남서부에 매우 잘 발달한 주상절리가 관찰된다. 전체적으로 북동 주향에 남동 방향으로 40~70°경사진 자세를 가지나 북동 경계부에서는 약 20°의 경사를 보이며 많은 토양이 사면에 노출되어 있거나 절리 사이에 충진되어있다. 북동 경계부에서 남동 방향으로 갈수록 주상절리의 발달이 대체로 미약하고 대부분 파괴되어 있다(Fig. 2c). 달전리 주상절리는 천연기념물 지정 이후에도 많은 양의 낙석이 발생하였고 최근까지도 빈번하게 발생하고 있어 수거된 낙석을 한곳에 모아 교육·연구·전시용으로 활용할 수 있도록 하고 있다(Fig. 2d).

3.3. 암석 풍화 상태 및 사면 안정성 평가

포항 달전리 주상절리 암반 사면의 경우 왼쪽(SW)방향으로부터 오른쪽(NE)에 이르기까지 사면의 경사 방향이 관찰 방향에 따라 다르며, 전체적으로 부채꼴의 형상을 하고 있다. 선행 연구에서 포항 달전리 주상절리가 분포하는 암반 사면에 대하여 사면의 경사 방향에 따라 4개 구간으로 구분하고, 각 구간별로 암석의 풍화 상태, 불연속면의 발달 방향에 대해 기술한 바 있으며, 파괴 유형 및 가능성을 제시한 바 있다(kim et al., 2021). 그러나 선행 연구에서는 평사 투영 시 내부 마찰각을 현무암의 최대 전단강도를 참고하여 40°로 설정하였으나, 이번 연구에서는 불연속면 사이에 점토 충진물이 있는 습윤상태에서는 내부 마찰각이 낮아진다는 점을 고려하여 내부 마찰각을 25°로 재설정 하여 파괴 유형 및 가능성에 대해 알아보았다. 이 때 불연속면의 방향성은 선행 연구자료를 이용하였으며. 전체 주상절리구역을 Zone 1-4 구역으로 구분하여 분석하였다.

Zone 1 구간의 암석은 암회색으로 신선~약간풍화 상태를 보이며 수직으로 주상절리가 발달하고 있다. 사면의 경사 방향과 반대 방향으로 저각의 전단절리가 발달하고 있고 절리의 간격은 매우 좁게 나타난다. 상부에는 수목 및 식생에 의해 절리면이 확장되어 절리틈 사이로 토사가 충진 되어 있다(Fig. 3a). 사면의 경사와 경사방향은 56.24° / 93.79°로 극점투영 결과, 전도파괴 영역에 극점이 더 많이 분포하고 있어 전도파괴에 의한 위험성이 증가함을 알 수 있다(Fig. 3b). Zone 2 구간의 암석은 신선~약간풍화 상태로 정면은 수직, 상부는 경사를 가진 주상절리가 발달하고 있다. 저각의 전단절리가 발달하며 상부 경사를 가지는 주상절리 부분에서는 낙석 발생 후 토사가 붕적 되어 있는 양상을 보인다(Fig. 3a). 사면의 경사와 경사방향은 56.35° / 131.99°로 극점투영 결과, 평면 파괴와 전도파괴 영역에 극점이 일부 확인되어 내부 마찰각의 저하에 따른 평면파괴와 전도파괴의 위험성이 있는 것으로 판단된다(Fig. 3b). Zone 3 구간의 암석은 담회색 내지 담황색을 보이며, 심한 풍화상태를 보인다. 좌측은 와상, 우측은 경사-수직으로 주상절리가 발달하고 있다. 좌측 상부에서는 토사 유실로 인한 돌출부(overhang)가 관찰되며, 하부에서는 유수에 의한 세굴이 발생하고 있다. 사면의 경사와 경사방향은 56.98° / 165.54°로 극점투영 결과, 평면 및 전도파괴 가능성뿐만 아니라 불연속면이 불규칙하게 많이 발달되어 있어 원호파괴의 가능성이 있다. 특히, 원호파괴의 경우 자연건조상태에서는 안정할 수 있으나, 강우 시 원호파괴의 가능성이 증가할 것으로 판단된다. Zone 4 구간의 암석은 암회색 내지 담 회색으로 약간~심한풍화 상태를 보이며 상부 구간에서 미약하게 주상절리가 발달하고 있다. 사면의 경사와 경사방향은 46.75° / 259.84°로 내부 마찰각을 25°로 설정하더라도 평면 및 전도파괴 영역에 해당되지 않는다(Fig. 3b).

Figure 3. Zonation of Pohang Daljeon-ri columnar joint area (a) and slope stability evaluation results by each zone (b).
4. 달전리 주상절리의 낙석 모니터링

포항 달전리 주상절리의 구배가 1:0.7 이상의 급경사이고, 높이가 20m 이상의 암반사면에 분포하고 있어 자연재해에 매우 취약하다. 포항 달전리 주상절리의 경우, 과거 채석장에서 처음 발견된 이후로 많은 양의 낙석이 발생하였으며, 최근까지도 지속적으로 낙석 발생이 확인된다(Fig. 2, 4). 육안관찰 및 동작감지 무인카메라(BTC-6PXD) 분석 결과 암반사면의 북동쪽 경계 지점에서 대부분의 낙석이 발생하는 것이 확인되었으며(Fig. 4a, b), 사면 경사를 따라 암석, 쇄설물, 토사 등이 완경사지까지 이동하여 퇴적된 양상이 관찰되었다(Fig. 4c, d). 최근 모니터링에서는 북동쪽 경계 지점이 아닌 남서 방향의 잘 발달된 주상절리의 기둥(colonnade) 일부(약 3m)가 떨어져 나온 것이 확인되었는데(Fig. 4e, f), 이는 좌굴파괴에 의한 것으로 판단된다.

Figure 4. Rockfall occurrence at Pohang Daljeon-ri columnar joint (a-b: location and image of large-scale rockfall captured by BTC-6PXD camera, c-d: debris flow moved from the northeast boundary slope, e-f: pillars of columnar joints that have recently fallen.

4.1. 낙석 발생 현황

달전리 주상절리의 낙석 현황을 파악하기 위해 매월 말일 발생된 낙석의 전체 수량과 낙석 크기(길이)를 기록하였다(Table 1). 모니터링 기간 동안 발생한 낙석은 총 3,231개이며, 낙석의 크기는 10cm 이하가 282개(8.7%)이고, 10~20cm 1,239개(38.3%), 20~30cm 978(30.3%)개, 30cm 이상은 732(22.7%)개로 20cm 이하가 1,521개(47%)로 가장 큰 비율을 차지한다.

Table 1 . Number of falling rocks by year at Daljeon-ri columnat joint, Pohang

Jan.Feb.Mar.Apr.MayJun.Jul.Aug.Sep.Oct.Nov.Dec.Total
2018Preparation8423711320190141732319291,127
201913177154135261561161921711709
20205325737261221541711531414605
20212026346133931Environmental arrangement214
2022Environmental arrangement93742413594156----576


연도별 낙석 발생 총 수량은 2018년 1,127개로 가장 많이 발생한 후 점차 감소하는 경향을 보이고 있다. 또한, 10cm 이하 크기의 낙석 발생 빈도는 감소하는 반면, 30cm 이상의 낙석은 증가하고 있다(Fig. 5).

Figure 5. Rockfall occurrence status by size (length) of rockfall, Pohang Daljeon-ri columnar joint.

4.2. 3차원 스캔 측량을 활용한 체적 변화 분석

포항 달전리 주상절리 암반 사면에서는 낙석과 토석류 등으로 인해 지속적인 지형 변화가 예상됨에 따라 지형변화의 위치를 파악하는데 한계가 있다. 이에 달전리 주상절리 암반 사면에서 발생되는 침식과 퇴적에 의한 체적 변화를 알아보기 위해 광대역 스캐너(GLS-2000)와 무인항공기(DJI Phantom4 RTK, PRO V2.0)를 이용하여 정밀 실측을 실시하였다. 침식과 퇴적에 따른 체적 변화는 ArcGIS 10.3 (ESRI, American)을 이용하여 계산하였다. 표고 변화는 1월과 11월에 측정된 수치표면모델(Digital Surface Model, 이하 DSM)의 표면 상하부 차이로 계산하였다. 체적 계산시 DSM의 cell 사이즈는 0.005m이며, 입방체로 계산하면 1.3×10.7m3이다. 이번 연구에서는 미세 체적 변화에 이르는 침식 및 퇴적 양상을 살펴보기 위해 1/900 수준으로 Voxel을 계산하였다.

달전리 주상절리 암반 사면에서 침식에 해당하는 Voxel은 총 5,682개가 생성되었다. 계산된 총 침식량은 107.69m3이며 최소·최대 침식량은 각각 0.000044m3, 10.48m3 이다. 최소 침식은 매우 적은 체적 변화가 발생해 위치를 파악할 수 없으나, 최대 침식은 암반사면 중앙부를 따라 형성된 세굴과 그 주변에서 주로 발생된 것으로 확인된다(Fig. 6a). 반면에 퇴적에 해당하는 Voxel은 총 6,665개 생성되었다. 계산된 총 퇴적량은 605.55m3이며, 최소·최대 퇴적량은 각각 0.0000049m3, 73.69m3 이다. 퇴적은 암반사면 중앙부에 형성된 세굴을 따라 토사류가 흘러내려 상부에 1차적으로 퇴적된 후 이후 강수에 의해 경사면을 따라 최하부 완경사지에 집중하는 것으로 나타난다(Fig. 6b). 총 침식량과 퇴적량은 수목 및 식생의 영향으로 인해 다소 많이 계산될 수 있는 점은 배제할 수 없으나, 최소·최대 침식량과 퇴적량은 노출 위치를 대상으로 하였기 때문에 신뢰성이 확보된 것으로 판단된다.

Figure 6. Volume change due to erosion of Daljeon-ri columnar joint (a) and volume change due to sedimentation (b).
5. 토의: 낙석 발생 원인에 대한 고찰

낙석은 암반 내 분포하는 불연속면의 이완으로 인하여 암편 및 암석이 암반과 분리되면서 중력방향으로 낙하하는 현상으로서, 낙석 발생 원인은 크게 내부요인과 외부 요인으로 설명할 수 있다(Dai and Lee, 2001; Cho et al., 2010; Kang et al., 2016). 내부요인에는 절리, 단층, 층리불연속면, 풍화상태, 점토광물 존재 등과 같은 요인이 있으며, 외부요인으로는 자연적인 요인과 인위적인 요인으로 다시 구분할 수 있다. 자연적인 요인에는 강우, 지진 등이 있으며, 인위적인 요인에는 비탈면 깍기, 발파 등이 해당한다(Moon et al., 2014). 이러한 내·외부요인은 단독 또는 복합적으로 작용하여 낙석이 발생하기 때문에 달전리 주상절리에서 발생하고 있는 낙석의 원인을 알아보기 위해 주요 요인들을 고찰하였다. 단, 천연기념물로 지정된 달전리 주상절리는 문화재보호법에 의해 관리·보호되고 있어 인위적인 요인(공사, 발파, 벌목 등)은 검토대상(요인)에서 제외하였다.

5.1. 단층파쇄대 및 사면물질(충진물)

사면 안정성은 토양, 암반, 지하수의 상태 및 특성에 따라 달라진다(Turner et al., 1996). 토양, 암반의 매질 및 구조에 따라 안정성이 저하될 수 있으며, 특히 점토층이 사면의 안정성을 저하시킨다(Cho et al., 2022). 포항 달전리 주상절리는 전체적으로 북동 주향에 남동쪽으로 약 40~70°경사져 있으며, 북동 경계부에서는 많은 토양이 사면에 노출되어 있거나 절리 사이에 충진되어 있다(Fig. 2, 4). 이에 달전리 주상절리의 전반적인 지질구조와 주상절리 내의 사면물질(충진물)을 조사하였다. 육안 관찰에서 인지된 파쇄대(Fig. 4c)의 분포상태(규모, 연장성 등)를 확인하기 위해 전기비저항탐사를 실시하고 그 결과를 2차원 비저항 구조도로 나타내었다. Fig. 7a의 측점 3~14와 측점 16~24에 고비저항대가 집중되어 나타나며, 측점 3~21구간 지표면 직하부에 중비저항대가 분포한다. 전기 비저항 이상대는 측점 14~16구간 하부로 연장되는 위치에서 발달하고 있다. 이러한 이상대는 지하수로 포화된 경우에도 나타날 수 있으나, 전기비저항탐사 당시에 지하수의 용출이 나타나지 않은 점 등을 고려할 때 물의 영향이 아닌 단층파쇄대로 해석된다. 그 규모는 대략 1,000m2 정도로 추측되며. 확인된 단층파쇄대는 3D 정밀측정을 통해 분석된 최대 침식지점(Fig. 6a) 및 무인카메라에서 관찰된 주 낙석 발생 지점(Fig. 4)과 일치하였다. 또한, 주상절리 내의 사면물질(충진물)을 대상으로 한 XRD 분석을 실시하였다. 분석 시료는 달전리 주상절리의 북동 경계부(zone 3)에서 좌측 zone 1에 이르기 까지 3지점의 절리 틈 사이에 충진하고 있는 토양 시료를 대상으로 실시하였으며 그 결과, 팽창성 점토광물인 스멕타이트와 일라이트가 동정되었다(Fig. 7b). 이러한 팽창성 점토 광물은 강우 시, 물과 상호작용하여 토사면과 암반사면의 안정성을 저하시킨다(Reid-Soukup and Ulery, 2002; Tonelli et al., 2019).

Figure 7. Two-dimensional resistivity diagram (a) and result of X-ray diffraction analysis of the slope material (b) of the columnar joint in Daljeon-ri.

5.2. 지진

2016년 9월 12일 발생한 경주 지진(규모 5.8)과 2017년 11월 15일 발생한 포항 지진(규모 5.4)은 대한민국 지진관측 이래 가장 강력한 두 번의 지진으로 기록되었으며 지진 이후 수백 차례의 여진과 미소 지진이 포항-경주 일대에 발생하였다(기상청 날씨누리집, 2017). Jeon and Baek(2019)에 의하면 지진에 의한 산사태 발생은 대부분 규모가 큰 지진에 의해 발생되나 강우 등으로 인해 포화될 경우, 규모가 작은 지진에서도 산사태가 발생할 수 있다고 보고하였다. 따라서 포항-경주 일대에 발생한 지진이 낙석 발생의 외부요인으로 작용했을 가능성도 배제할 수 없다.

모니터링 기간 동안 포항-경주 일대에 발생한 지진은 총 38건으로 대부분 2018년 2월에 집중하며(20건), 달전리 주상절리로부터 북동 방향으로 발생하였다. 이는 2017년에 발생한 포항 지진의 여진이며, 대부분 규모 2~3에 해당한다. 또한, 2018년 6월 이후로 발생한 지진 역시 대부분 규모 2~3에 해당하며 달전리 주상절리로부터 약 29.7~38.5km 떨어진 경주에서 발생하였다(Fig. 8).

Figure 8. Earthquakes and rockfalls frequency by year in the Pohang-Gyeongju area (a: 2018, b; 2019, c; 2020, d: 2021, e: 2022).

지진과 낙석 발생 경향을 분석해 본 결과, 지진과 상관 없이 낙석이 지속적으로 발생하고 있으며, 실제 지진이 발생한 달에도 낙석 수는 그리 많지 않았다(Fig. 8). 특히 2018년 2월과 3월의 지진 건수와 낙석 빈도수를 비교해보면 극명한 차이를 보이고 있다. 따라서 달전리 주상절리의 낙석 발생은 직접적인 지진의 영향은 없는 것으로 판단된다. 다만, 지진으로 인한 주상절리 기둥사이의 틈이 좀 더 벌어지고, 틈사이로 토사 등이 들어가서 낙석을 좀 더 용이하게 할 가능성은 배재할 수 없다.

5.3. 해빙기 융해 현상

우리나라는 계절의 변화가 뚜렷하여 상대적으로 해빙기 동안 동결융해 작용이 많이 발생하고 있으며, 이로 인해 토양의 역학적 특성이 변화되어 안정성에 부정적 영향을 미칠 수 있다. 달전리 주상절리 전 사면에 걸쳐 많은 토양이 산재하고 있으며 절리 틈 사이에 충진되어 있어 해빙기 동안의 동결융해 작용이 발생할 것으로 판단된다. 실제 모니터링 결과에서도 해빙기인 3~4월은 전후월에 비해 많은 수의 낙석이 발생하고 있어 이를 뒷받침하고 있다(Fig. 9). 또한, 2018년 3월과 2019년 4월의 데이터에서도 나타나듯이 해빙기 동안의 낙석 발생 수량의 증가는 강우량과도 밀접한 관계가 있는 것으로 해석된다(Fig. 9, 10a). 즉, 해빙기 동안의 많은 강우량은 동결융해와 복합적으로 작용하여 대규모의 낙석 발생을 유발하는 것으로 판단된다.

Figure 9. Monthly rockfall occurrence and rainfall at Pohang Daljeon-ri columnar joint.

Figure 10. Trend of rockfall compared to monthly rainfall at columnar joint in Daljeon-ri (A, B: trend line of amount of rockfall according to rainfall).

5.4. 강우

가. 월 강우량

강우는 사면의 붕괴를 야기하는 주된 요인으로서 사면붕괴 예측을 위한 가장 기초적인 정보를 제공한다(Dai and Lee, 2001). 또한, 집중호우는 지질 및 수문조건과 상관없이 사면 붕괴를 유발하며, 강우강도 역시 사면 붕괴를 야기하는 요인 중 하나이다(Brand et al., 1985; Kang et al., 2016). 현재까지의 강우특성(선행강우량, 누적강우량, 연속강우량 등)과 관련된 연구들도 강우인자(일 강우량, 강우강도, 누적강우량)가 사면 붕괴와 밀접한 관련이 있는 것으로 보고하였다(Mauri et al., 1997; Sassa, 1997; Park, 2008; Im, 2009; Kang et al., 2016).

월 강우량과 낙석 빈도를 분석해 본 결과, 강우량이 많은 달에 대체적으로 낙석 발생이 많은 경향을 보이며 특히, 장마기(6~7월)에 많이 발생하고 있다. 또한, 2018년과 2019년 10월에 대규모 낙석이 발생하고 있는데, 이는 많은 강우량을 동반한 태풍의 영향으로 해석된다(Fig. 9). 그러나 월 강우량이 약 150mm까지는 낙석의 수가 증가하는 경향을 보이나 그 이상의 강우량에서는 발생되는 낙석의 수가 기하급수적으로 증가하지 않는다(Fig. 10). 이는 연도별 낙석 발생 수량에서 알 수 있듯이 총 수량은 해마다 감소하는 반면, 크기가 큰 낙석의 비율이 증가하기 때문으로 해석된다(Fig. 5).

나. 누적일수에 따른 연속강우량

강우량의 누적일수가 산사태나 사면 붕괴와 같은 자연재해 발생에 미치는 영향에 대한 많은 연구가 진행되어 현재는 누적일수에 따른 연속된 선행강우량 또한 중요한 인자로 확인되고 있다(Lumb, 1975; Caine, 1980; Yune et al., 2010; Kang et al., 2016). Park(2008)은 강원도 지역 토석류의 특성에 관한 연구에서 3일간의 누적강우량의 중요성에 대해 언급하였으며, Yum et al.(2010)은 일본 산사태 사례를 들어 발생 3일전과 7일전의 선행강우량이 중요하다고 하였다. 또한, Kang et al.(2016)은 강우량의 누적일수가 산사태 발생에 미치는 영향 연구를 통해 3일이나 5일정도 누적된 강우량이 산사태에 미치는 영향이 크다고 하였다. 이에 달전리 주상절리에서도 누적일수에 따른 연속강우량이 낙석 빈도에 미치는 영향을 파악해 보았다. 하지만 낙석 발생은 갑작스럽게 발생되기 때문에 발생 시간을 정확히 파악하기 어렵고, 여러 번에 걸쳐 일어날 수 있기에 낙석 발생에 미치는 강우량을 알기에는 한계가 있다. 따라서 이번 연구에서는 2018년 7월 1일 오전 10시 36분과 7월 5일 9시 15분에 동작감지 무인카메라(BTC-6PXD)에 촬영된 낙석 발생 시점을 기준으로 시간별 강우량 및 연속강우량을 함께 분석하였다(Fig. 11). 그 결과, 4일전 연속강우량이 93.3mm와 3일전 연속강우량이 103.3mm일 때 낙석이 발생하였다(Fig. 11). 따라서 누적일수에 따른 연속강우량과 낙석 발생 관계 분석에서 3~4일 간의 누적강우량도 낙석 발생을 일으키는 의미 있는 시점이라 해석된다.

Figure 11. Hourly rainfall and accumulated rainfall from June 1 to July 30, 2018 at columnar joint in Daljeon-ri, Pohang.
6. 결 론

2018년 1월부터 2022년 8월까지 실시한 천연기념물 포항 달전리 주상절리의 모니터링을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 2018년 2월부터 2022년 8월까지 발생한 낙석은 총 3,231개이며, 낙석의 크기(길이)는 20cm 이하가 1,521개(47%)로 가장 많고, 20~30cm는 978(30.3%), 30cm 이상은 732개(22.7%)가 발생하였다. 또한, 2018년부터 연도별 낙석 발생 개수는 감소하는 반면, 30cm 이상의 낙석 발생 빈도는 증가하는 경향을 보인다.

(2) 주상절리 충진물에서 팽창성 점토광물인 스멕타이트와 일라이트가 동정되었으며 전기비저항탐사에서 단층 파쇄대가 존재하는 것이 확인되었다. 또한, 확인된 단층 파쇄대와 3D 정밀측정을 통해 분석된 최대 침식지점이 무인카메라에서 관찰된 주 낙석 발생 지점과 일치하였다.

(3) 포항-경주 지진과 낙석 발생 경향을 분석 해본 결과, 일부에서 지속적으로 제기 되었던 포항-경주 지진은 낙석 발생의 주요 원인이 아님이 확인되었다. 다만, 달전리 주상절리의 북동 방향은 지진의 원인이 되는 단층(예, 양산단층과 울산단층)이 심부에 존재할 가능성이 있기에, 향후 큰 지진이 발생할 수 있다는 것을 염두에 두어야 한다.

(4) 대규모의 낙석은 해빙기(3월~4월)와 장마기(6월~7월)에 주로 발생하였으며 해빙기 동안의 낙석 발생 수량의 증가는 강우량과도 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다. 따라서 해빙기 동안의 많은 강우량이 동결융해와 복합적으로 작용하여 대규모의 낙석이 발생한 것으로 해석된다.

(5) 누적일수에 따른 연속강우량과 낙석 발생 관계 분석에서 3~4일 간의 누적강우량도 낙석 발생을 일으키는 의미있는 시점으로 나타났다.

(6) 이상의 결과를 종합하면 포항 달전리 주상절리는의 낙석 발생 주요 원인은 내부요인(단층파쇄대와 절리의 발달, 암석의 풍화, 팽창성 점토광물의 존재)과 외부요인(강우량, 해빙기 급속한 융해현상)이 복합적으로 작용하여 대규모 낙석을 발생하는 것으로 판단된다.

사 사

이 연구를 위해 현지조사에 많은 도움을 준 국립문화재연구원의 정승호연구사, 김태형박사, 유영완연구원과 거창화강석연구센터의 김건기박사, 강무환연구원 및 포항시청 관계자들께 감사드리며, 심도 깊은 논문이 될 수 있도록 유익한 조언을 해주신 심사위원님께 감사드린다. 이 연구는 국립문화재연구원의 지질분야 연구과제(NRICH-2205-A15F-1)와 문화재청(포항시)의 천연기념물 포항 달전리 주상절리 모니터링 사업의 일환으로 진행되었다.

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October 2022, 55 (5)