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A Theoretical Study on the Landscape Development by Different Erosion Resistance Using a 2d Numerical Landscape Evolution Model
침식저항도 차이에 따른 지형발달 및 지형인자에 대한 연구 - 2차원 수치지형발달모형을 이용하여 -
Econ. Environ. Geol. 2022 Oct;55(5):541-50
Published online October 31, 2022;  https://doi.org/10.9719/EEG.2022.55.5.541
Copyright © 2022 The Korean Society of Economic and Environmental Geology.

Dong-Eun Kim*
김동은*

Active Tectonic Research Center, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Republic of Korea
한국지질자원연구원 활성지구조연구센터
Received August 31, 2022; Revised October 20, 2022; Accepted October 20, 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
A pre-existing landform is created by weathering and erosion along the bedrock fault and the weak zone. A neotectonic landform is formed by neotectonic movements such as earthquakes, volcanoes, and Quaternary faults. It is difficult to clearly distinguish the landform in the actual field because the influence of the tectonic activity in the Korean Peninsula is relatively small, and the magnitude of surface processes (e.g., erosion and weathering) is intense. Thus, to better understand the impact of tectonic activity and distinguish between pre-existing landforms and neotectonic landforms, it is necessary to understand the development process of pre-existing landforms depending on the bedrock characteristics. This study used a two-dimensional numerical landscape evolution model (LEM) to study the spatio-temporal development of landscape according to the different erodibility under the same factors of climate and the uplift rate. We used hill-slope indices (i.e., relief, mean elevation, and slope) and channels (i.e., longitudinal profile, normalized channel steepness index, and stream order) to distinguish the difference according to different bedrocks. As a result of the analysis, the terrain with high erosion potential shows low mean elevation, gentle slope, low stream order, and channel steepness index. However, the value of the landscape with low erosion potential differs from that with high erodibility. In addition, a knickpoint came out at the boundary of the bedrock. When researching the actual topography, the location around the border of difference in bedrock has only been considered a pre-existing factor. This study suggested that differences in bedrock and various topographic indices should be comprehensively considered to classify pre-existing and active tectonic topography.
Keywords : pre-existing landform, neotectonic landform, erodibility difference, topography analysis, bedrock channel analysis, numerical landscape evolution model
Research Highlights
  • Separating pre-existing and neotectonic landforms has been still debating for several decades.

  • We ran the virtual landscape depending on the different erosion resistance with a 2d landscape evolution model.

  • Combining multiple geomorphic indices can help classify two landforms.

1. 서 론

양산단층대에서 발생한 2016년 경주 지진으로 인해 지진과 단층의 연관성이 한반도에서 최초로 규명되었으며, 2017년에 발생한 포항 지진은 비슷한 규모였음에도 불구하고 얕은 진원과 지반특성으로 인해 많은 물적 피해를 야기하였다(Kim et al., 2020). 비슷한 시기에 일어난 이 두 번의 지진을 통해 한반도는 지진의 안전지대가 아니라는 것을 환기시켰으며, 지진에 대한 국민들의 관심이 크게 증가하는 계기가 되었다. 이러한 상황과 맞물려 우리나라 정부는 선제적 차원에서 활성단층정비기획단을 2014년에 만들었으며, 2017년부터는 국가 활성단층 지도를 제작하기 위해 연구 및 조사를 진행하고 있다.

활성단층 조사는 고지진학(Paleoseismology)에 기초하여 수행되는데, 현재 한반도 활성단층지도 조사사업은 지형분석, 야외조사 및 굴착조사, 연대측정 이 세 가지 단계를 거쳐 진행된다.1 우리나라와 같이 판 내부에 있는 지역의 활성단층에 대한 조사·연구에 있어 중요한 문제 중 하나는 단층의 영향을 받아 만들어진 것이라 생각되는 지형의 형성시기 및 형성과정을 밝히는 것이다. 이를 밝히기 위해서는 우선 단층의 특성에 대해 살펴보아야 하는데, 우리나라의 단층은 대부분이 고생대-중생대에 만들어졌으며, 기존에 발달하고 있는 단층을 따라 단층이 확대하고, 성장하기 때문이다. 이러한 단층들은 현재 기반암 단층으로 지진이 일어났을 때 에너지가 집중되는 일종의 약대 역할을 한다. 다시 말해 이미 존재하고 있는 기반암 단층 주변에서 제4기에 단층의 재활성화가 이루어지고 있다(e.g., Cheon et al., 2020; Choi et al., 2012; Kyung 2003).

이러한 지구조적 환경아래, 크게 두 가지 논의점이 존재한다. 첫 번째는 현재의 지형이 활성단층의 영향을 받은 지형인지 아닌지에 대한 논의이며, 두 번째는 지형의 형성시기가 제4기인지 아닌지에 대한 논의다. 두 번째로 언급한 지형의 형성시기에 대한 논의는 다양한 절대연대 측정방법을 이용하여 그 시기를 제한하는 시도가 많이 진행되고 있다. 하지만 지형의 형성원인이 단층인지 아닌지에 대해서는 논의가 상대적으로 부족하다. 이는 우리나라에서 관찰되는 단층의 특성에서 그 이유를 살펴볼 수 있다. 우리나라에서 관찰되는 기반암 단층은 하나의 단일한 암상 내에 발달하는 경우도 있지만, 서로 다른 두 암석들에서 많이 존재한다. 활성단층 조사가 많이 이루어진 양산단층을 예로 들면, 중생대 백악기 퇴적암과 중생대 백악기 화강암을 접하고 발달하고 있다. 이러한 지역에서 폭포와 같은 수직적 변위를 지시하는 지형을 관찰했을 경우 그 성인이 수 만년~ 수천 년 전에 일어난 단층운동에 의한 것인지, 그보다 더 긴 지질시간규모인 기반암의 경·연차에서 오는지 구분하는 것은 어렵다. 그렇기 때문에 단층에 의한 지형을 논의하기 위해서는 먼저 암석의 경·연차로 인해 지형이 어떻게 발달하는지 이해하는 것이 반드시 필요하다.

암석의 경·연차를 연구하는 방법으로 답사를 통해 암석의 단단함(rock strength)을 정량적으로 측정하고 지형에 어떻게 영향을 미치는지 연구가 있으며(예. Zondervan et al., 2020), 수치해석학적으로 모형(numerical modeling)을 이용하여 지표의 변화를 정량적으로 살펴보는 연구도 있다(Forte et al., 2016). Zondervan et al. (2020)의 연구는 활성단층이 있는 지역을 대상으로 하여 암석의 단단함과 침식저항도(erodibility)의 변화에 따른 하천의 종단곡선 및 하폭과 같은 형태학적 차이에 주목하여 상관관계가 있음을 밝혔다. 수치지형발달모형(Numerical Landscape Evolution Model, LEM)은 시·공간적 범위와 더불어 지표형성에 영향을 주는 융기율, 삭박율과 같은 외·내인적 요인들을 연구자의 의도에 맞게 변화시키며 지형발달과정을 모의할 수 있기 때문에 현상을 이해하는 도구적 틀로 해외에서는 많은 연구가 진행되고 있다(Forte et al., 2016). 예를 들어 Forte et al. (2016)의 연구는 대표적인 수치지 형발달모형인 Channel-Hillslope Integrated Landscape Development(CHILD)를 이용하여 침식저항도의 값을 수정하거나, 지층의 경사(dipping)를 바꾸는 등 다양한 시나리오를 만들어 침식저항도에 따른 지형발달과정을 모의하였다.

우리나라에서 암석의 유형과 지형 기복 사이의 관계에 대한 기존의 연구들은 지질별로 지형인자 분석을 통해 침식에 강한지, 약한지를 연구하였으며, 동일 기반암 내에 산지와 곡지의 지형 기복 특성에 대해 우리나라에 대표적인 기반암의 종류를 12개로 구분하고, 수치고도모델(DEM)을 12개의 기반암 분포 지역의 고도, 경사도, 기복량을 분석하였다(Lee, 2014). 추가적으로 고도분포곡선(hypsometric curve)을 작성하여 산지와 곡지의 지형특성을 파악하고 기반암 간 지형인자의 관계에 대해 종합적으로 분석하여 침식저항력에 따른 12개의 기반암과 지형의 관계에 경향성이 존재하는 지를 정량적으로 밝히고자 하였다. 이러한 연구들은 실제 지형을 대상으로 하여 분석을 진행하였다. 하지만 앞서 언급하였듯이, 현재 지형은 빙기-간빙기 기후, 신기지구조운동(neo tectonics), 기존재하는 약대 등의 영향을 받았기 때문에 기반암의 영향을 받아서 만들어졌음을 설명하기 위해서는 다른 요인들을 제한하고 기반암의 침식저항도에 따른 지형의 차이를 보여줄 필요성이 있다.

본 연구는 기반암 하상에서 사용하는 2차원 수치지형 발달모형을 이용하여 침식저항도의 변화에 따라 지형이 어떻게 변하는지 살펴보고자 한다. 앞서 언급한 다양한 요인들에 의한 지형의 변화를 살펴보기에 앞서 본 연구에서는 침식저항도 외의 다른 매개 변수들은 모두 동일한 값을 주어 제한하고, 침식저항도에 영향을 미치는 다양한 인자들의 시·공간적 변화에 따른 지형의 변화에 대해 살펴보고자 한다. 또한 지형의 변화를 정량적으로 평가하기 위해 경사도, 기복과 같은 지형인자들을 이용하여 2차원 수치지형발달모형을 이용하는 것이 국내 지형학 연구에 어떠한 시사점을 가지고 있는지 살펴보고자 한다. 이러한 연구를 통해 서로 다른 종류의 기반암이 접하고 있는 지역에 대한 활성단층연구에서 조사지역 선정, 지구조운동에 의한 단층지형 분류와 같은 연구에 도움이 될 수 있을 것이라 기대한다.

2. 연구방법

기반암 하상의 하천 침식작용은 유수력 식(stream power equation)을 통해 설명할 수 있다(Howard and Kirby, 1983). 하천의 침식력(E)은 기반암 하상의 침식저항도(K), 하천의 경사도(S)와 하천의 유역면적(A)과 상관관계가 있으며, 이는 아래의 식으로 표현할 수 있 다(Flint, 1974; Whipple and Tucker, 1999).

E=KAmSn

여기서 K는 침식저항도(erodibility)에 영향을 미치는 계수로 기반암의 저항강도(rock strength), 유량의 변화(precipitation) 등으로 구성되어 있으며 K의 값이 클수록 침식저항도는 낮아지고 침식에 약하다(Whipple and Tucker, 1999). 침식저항도라는 용어와 침식계수 K는 반비례이기 때문에 K값을 설명하기 위해 K를 침식가능성이라고 용어를 정의하기도 한다(Lee et al., 2019). 본 연구에서도 선행연구를 따라 용어의 편의를 위해 K값을 침식가능성이라는 용어로 사용하고자 한다. m과 n은 각각 유역면적(drainage basin)과 하천의 경사도 (channel gradient)에 영향을 주는 지수이다.

본 연구와 같이 암석의 종류와 침식저항도의 상관성을 분석한 연구로 Meybeck(1987)은 하상물질들의 화학적 분석을 통해 암석의 종류에 따른 화학적 침식율을 계량적으로 분석하였다. 그의 연구에 따르면 화강암 풍화에 따른 화학적 침식율이 1이라고 가정할 경우 상대적으로 편마암과 편암은 화강암과 일치하는 1, 사암 1.3, 화산암 1.5, 세일 2.5, 대리석 5, 석회암은 12라고 제시한 바 있다. 그러나 이 수치는 화학적 풍화에 따른 상대적인 저항도의 차이를 계산한 것으로 수치지형발달모형에 사용되기는 어렵다. 그렇기 때문에 본 연구와 마찬가지로 유수력 식을 이용하여 암석의 저항강도에 따른 지형발달을 모의했던 연구(Forte et al., 2016)에서 사용한 1×10-5 yr-1을 침식가능성이 낮은 경암(hard rock)으로 정의하였다. 많은 실험과 실제 해외지역을 대상으로 한 연구에서 이 저항도 값은 최대 105의 차이가 날 수 있다(e.g., Stock and Montgomery, 1999; Sklar and Dietrich, 2001; Bursztyn et al., 2015). 그렇기 때문에 저항도의 범위를 정하는 것도 매우 중요하다. 본 연구에서는 Meybeck(1987)의 연구에서 제시하였던 상대적인 저항도의 차이를 참고하여 화강암과 퇴적암이라 가정하고 침식가능성을 두 배로 증가한 값을 연암(soft rock)으로 정의하여 사용하였다. 수치지형발달모형을 이용하여 분석하기 위한 공간은 가로, 세로 25km로 설정하였다. 침식저항도의 공간적 분포의 차이에 따른 지형발달 차이를 살펴보기 위해 서편과 동편의 저항도 값을 다르게 설정하였다. 이밖에 침식저항도를 제외한 나머지 값들은 모두 동일하게 설정하여 모의하였다. 모든 시나리오의 시간적 범위는 신생대 제4기의 시간범위인 2.6백만 년으로 정하였다. 융기율의 경우 해안단구에서 추정된 값인 200 mm/ka를 사용하였다(Choi et al., 2009; Kim et al., 2007a, 2007b). 유역면적과 하천의 경사도에 영향을 주는 지수인 m과 n은 각각 0.5와 1.0을 사용하였다.

정리하면 본 연구는 첫 번째로 동일한 공간에 침식저항도 값만을 달리하여 어떻게 지형이 달라지는지 살펴보고자 하며, 두 번째로 침식저항도의 공간적 분포에 따라 지형이 어떻게 발달하는지 살펴보고자 한다. 수치지형발달모형을 통해 도출된 지형을 비교·평가하기 위해 본 연구는 여러 가지 지형인자들(geomorphic indices)을 이용하여 비교하였다. 첫 번째로 침식저항도 차이에 따른 사면(hillslope)의 차이를 살펴보기 위해 경사도 분석, 고도분석을 하였다. 다음으로 하천(channel)의 차이를 살펴보기 위해 하천의 종단곡선(longitudinal profile)과 하천차수(stream order), 하천경사도지수(normalized channel steepness, Ksn)와 같은 분석을 통해 침식계수 차이에 따른 지형의 변화를 살펴보았다. 하천차수는 일반적으로 스트랄러(Strahler’s ordering system)에 의한 분류방법과 슈리브(Shreve’s ordering system)에 의한 방법이 있다. 본 연구에서는 스트랄러의 차수체계 구분을 이용하여 발원지에서 시작되는 하천을 1차수 하천으로 보고 1차수 하천이 만나면 2차수 하천으로 2차수 하천이 만나면 3차수 하천으로 정의하는 차수체계를 이용하였다.

3. 결 과

3.1. 침식저항도 차이에 따른 지형변화

Fig. 1은 동일한 조건에서 침식가능성(K)만 다르게 설정하였을 때 나타난 고도의 분포를 히스토그램으로 나타낸 것이다. 침식가능성이 낮은 (B)는 최대고도와 평균고도가 각각 238m, 90m로 나왔다. 침식가능성이 높은 (A)는 최대고도와 평균고도가 각각 106m, 44m로 나왔다.

Figure 1. Result of histogram based on the elevation using different erodibilities. Left: elevation histogram with a higher erodibility. Right: elevation histogram with a low erodibility. K_sp means an erodibility value. The y-axis represents the number of values in the elevation data set. The values (the elevation) are grouped into bins along the x-axis.

Fig. 2는 경사도의 분포를 히스토그램으로 나타낸 것이다. 침식가능성이 낮은 Fig. 3(B)는 최대 경사가 16도 평균 경사가 5도로 나타났으며, 침식가능성이 상대적으로 높은 Fig. 3(A)는 최대 경사가 7도 평균 경사가 2도로 나타났다.

Figure 2. Result of histogram based on the slope analysis using different erodibilities. Left: slope histogram with a higher erodibility. Right: slope histogram with a lower erodibility. K_sp means an erodibility value. The y-axis represents the number of values in the elevation data set. The values (the slope) are grouped into bins along the x-axis.
Figure 3. Map view of normalized channel steepness index(Ksn) using different erodibilities on the elevation map. Colored lines represent a normalized channel steepness index. Left: a higher erodibility, Right: a lower erodibility.

다음으로 하천경사도지수의 공간적인 분포를 살펴보았다(Fig. 3). 전반적으로 침식가능성이 낮을 때 하천의 경사도 지수도 높은 값을 보여주었다.

3.2. 침식가능성(K)의 공간적 분포 차이에 따른 지형인자 차이

다음으로 하나의 공간에서 동쪽과 서쪽의 침식가능성 차이에 따른 지형차이를 살펴보았다. Fig. 4는 경사도 분석을 한 결과로 (A)는 침식가능성이 높은 서쪽의 결과이며, (B)는 침식가능성이 상대적으로 낮은 동쪽의 결과이다. 고도 분석 결과 서쪽의 최대 고도는 103m이며 평균 고도는 41m로 나타났으며, 동쪽은 최대 고도 209m, 평균고도 85m로 나타났다.

Figure 4. Result of histogram based on the elevation using ununiform erodibilities. Left(west): elevation histogram with a higher erodibility. Right(east): elevation histogram with a lower erodibility. The y-axis represents the number of values in the elevation data set. The values (the elevation) are grouped into bins along the x-axis.

경사도 분석 결과 서쪽의 최대 경사도는 7도로, 평균경사도는 2도로 나타났으며, 동쪽의 최대경사도는 14도, 평균경사도는 5도로 나타났다(Fig. 5).

Figure 5. Result of histogram based on the slope analysis using ununiform erodibilities. Left(west): slope histogram with a higher erodibility. Right(east): slope histogram with a lower erodibility. The y-axis represents the number of values in the elevation data set. The values (the slope) are grouped into bins along the x-axis.

Fig. 6은 하천경사도지수 분석결과를 고도와 중첩하여 나타낸 그림이다. 서쪽의 경사도지수는 최대 10, 평균 4.8로 나왔으며, 동쪽은 최대 15, 평균 9.9로 나왔다. 다시 말해 동쪽의 하천이 더 급격하게 침식 받고 있다고 볼 수 있다. 이러한 양상은 하천의 곡률도를 통해서도 관찰할 수 있다. 상대적으로 침식에 약한 서쪽에 위치하고 있는 하천은 전반적으로 하천이 감입하천의 형태를 보여주고 있다. 반면 침식에 상대적으로 강한 동쪽에 위치하고 있는 하천은 직선하천의 형태를 보여주고 있다.

Figure 6. Map view of normalized channel steepness index(Ksn) using ununiform erodibilities on the elevation map. Colored lines represent a normalized channel steepness index. West: a higher erodibility, East: a lower erodibility.
4. 토 의

4.1. 침식가능성 차이에 따른 지형인자들의 특성

지표는 내인적 작용과 외인적 작용의 상호작용으로 인해 일차적으로 만들어지지만 같은 양의 내인적·외인적 작용을 받았더라도 암석의 특성에 따라 다른 형태의 지형을 형성할 수 있기 때문에 암석과 지형의 관계는 매우 중요하게 연구되었다(e.g., Scharf et al., 2013; Yanite et al., 2017; Zondervan et al., 2020). 그렇기 때문에 암석의 특성과 지형의 기복사이에 대한 연구는 오래전부터 많은 연구가 진행되었다.

Clayton and Shamoon (1998)의 연구는 Great Britain을 대상으로 암석과 저항강도에 대해 연구를 하였으며, 그 결과 암석의 종류에 따른 저항강도의 차이보다는 암석의 형성시기가 오래될수록 저항강도가 더 높으며, 같은 시기라면 화성암이 가장 강하다는 결론을 얻었다. 호주와 일본 등의 실제 지형을 바탕으로 침식가능성 계수 K 값의 범위를 연구하였던 (Stock and Montgomery, 1999) 연구는 침식가능성을 나타내는 계수 K 값이 화강암과 변성암에서는 낮게 나왔고, 퇴적암계열에서는 약 십만 배 정도 높게 나왔다. 이러한 연구들을 종합적으로 살펴보면 일반적으로 침식가능성이 높은 곳(K 값이 높은 곳)은 동일한 시간규모에서 더 낮은 고도를 보이며 경사도 역시 강한 침식을 받았기 때문에 완만하게 변한다. 하천의 경우, 종단곡선에서 볼 때 하천의 고도가 더 낮으며, 경사도지수 역시 더 낮게 나타날 것으로 예측할 수 있다.

본 연구에서 도출된 사면분석결과, 침식가능성이 높은 곳은 평균고도, 경사도 모두 낮게 나타났다(Fig. 1(A), Fig. 2(A), Table 1). 최대고도와 최저고도의 차이인 지형 기복(relief) 또한 암석의 저항도가 낮은 곳에서 낮게 나타났다. 이는 오랜 시간동안 지표삭박작용을 받으면 낮아지는 이론적 모형과도 일치한다. 하천의 차수는 하천의 발달과 지형의 발달을 지시하는 중요한 지시자 중 하나이다. Fig. 7은 3가지 시나리오(연암, 경암, 연암과 경암이 혼재) 결과 분석한 하천의 차수를 나타낸 그림이다. Fig. 8에서도 살펴볼 수 있듯이, 균일한 암석의 종류를 가정한다고 했을 때 저항도가 낮은 암석(Fig. 7(A))은 그렇지 않은 암석(Fig. 7(B))에 비해 하천의 차수가 낮았다.

Table 1 . Different values of geomorphic indices depending on the erodibility

High erodibilityLow erodibility
Hillslope systemElevationLowHigh
SlopeGentleSteep
Local reliefLowHigh
Channel systemStream orderLow(3rd)High(4th)
Channel steepness indexLowHigh
Channel morphologyMeanderStraight

Figure 7. Different development of stream order according to an erodibility. (A) result using a high erodibility. (B) result using a low erodibility. (C) result using ununiform erodibilities (in this case, the west part of the result used a higher erodibility than the east one).
Figure 8. The longitudinal profiles from each scenarios. Orange solid line: spatially uniform but relatively a higher erodibility. Blue solid line: spatially uniform but a lower erodibility. Yellow solid line: spatially ununiform erodibilities (in this case, the west part of the simulated result used a higher erodibility than the east side). K_sp: the value of an erodibility in each model

이러한 양상은 비균일한 암석이 분포하고 있는 Fig. 7(C)에서도 살펴볼 수 있다. Fig. 7(C)에서 암석저항도가 약한 서쪽의 경우 3차수 하천이 발달하고 있으나, 암석의 저항도가 강한 경계에 있는 하천은 4차수 하천으로 발달하고 있는 것을 살펴볼 수 있다. 특이할 사항으로 이 경계에 있는 하천의 경우 천이점이 나타난다.

천이점은 기후의 변화나 지구조적 운동에 의해 나타는 지형으로 점이적 상태를 지시하는 중요한 지형이다. 천이점을 통해 그 지역이 단층운동이나 지구조운동에 의한 점이적 상태인지, 산사태로 인해 만들어진 일시적인 점이적 상태인지, 혹은 오랜 시간동안의 차별침식으로 인해 만들어진 지형인지 구분할 수 있다(Kirby and Whipple, 2012). Fig. 8는 각각의 시나리오에서 분석한 하천 중에서 가장 긴 하천의 종단곡선을 하나의 그림으로 표현한 결과이다(Fig. 8). 주황색(K_sp=2e5)과 파란색(K_sp=1e5) 하천은 평형상태(혹은 정상상태)에 도달하여 요형의 모습을 보여주고 있으나, 침식가능성이 공간적으로 비균질하게 설정한 노란색 하천의 경우 약 2×104 m 부근 지점에서 천이점을 관찰할 수 있다(Fig. 8). 정리하면 본 연구 결과는 동일한 암석 내에서는 침식가능성이 높든(주황색 하천) 낮든(파란색 하천) 그 값에 상관없이 천이점은 존재하지 않지만, 서로 다른 암상의 경계(노란색 하천)에서는 2백만 년이 넘는 시간이 지날지라도 천이점이 만들어질 수 있음을 시사한다. 따라서 기반암의 특성의 영향을 많이 받은 구조지형과 지구조운동의 영향을 받은 지구조 지형을 구분하기 위해서는 사면·하천과 관련된 다양한 지형인자들을 통해 그 상관관계를 추정해야 보다 정확한 지형분류를 할 수 있다.

4.2. 활성단층 연구에서 기반암의 특성을 고려한 지형발달연구에 대한 제언

1992년 일본 Okada 연구팀과 한국자원연구소(현 한국지질자원연구원)의 협동연구로 양산시 월평마을에서 활성단층이 발견된 이후로 2017년 국가활성단층지도 제작 사업이 시작되었고, 활성단층 조사사업이 전 국토로 확대된 이후 활성단층의 활동 특성, 변위, 재활주기, 향후 발생 가능한 지진의 규모를 추측하는데 근거가 되는 60 여개의 활성단층 노두가 발견되었다(Kim et al., 2020, Park et al., 2020). 언급한 내용들을 수행하기 위해 지질구조적, 지구물리학적, 광물학적, 연대측정, 지형 등 다양한 분야에서 수행되었다. 그 중 지형학적 측면에서 활성단층을 탐지하고 그 특성을 밝히는 연구들은 저해상도 DEM과 항공사진을 이용한 면분류와 선형구조 분석에 국한되었으나, 고해상도 LiDAR를 이용하여 보다 작은 규모의 지표변형(surface deformation)을 탐지할 수 있기 때문에 이를 이용한 연구가 등장하고 있다(e.g., Oh and Kim, 2019; Kim and Seong, 2021).

지구조지형은 지구조운동들(단층, 화산, 지진)로 인해 만들어진 지형으로 지구조지형학(tectonic geomorphology)은 이러한 지구조작용이 지형에 미치는 영향을 연구하는 학문이다(Hugget, 2011). 구조지형(pre-existing landform) 역시 지구조작용에 의해 만들어진 지형이나 활동적으로 움직이는 지구조운동 뿐만 아니라 과거 지질시대 시간규모에서 일어났었던 지구조운동으로 인해 만들어진 단층, 절리와 같은 약대를 따라 침식과 삭박이 일어나 만들어진 지형이다. 지구조지형은 지형을 만드는 요인에 대해 현재 활동하고 있는 지구조운동에 초점을 맞춘 단어이며, 구조지형은 비록 지구조운동으로 인해 초기지형이 만들어졌을 지라도 절리, 기반암 단층, 암석의 경연차와 같은 지질구조의 영향을 받아 풍화와 침식 같은 지표형성작용의 영향에 초점을 맞춘 용어라고 할 수 있다(Hugget, 2011).

활성단층운동의 영향을 받았음을 지시하는 지형을 지형지시자(geomorphic indicator)라고 한다. 대표적인 지형지시자로 하천의 천이점(knickpoint)이 있으며 대표적인 예로 폭포가 있다. 지구조 운동으로 인해 침식기준면이 변화할 경우나 단층운동으로 인해 지반이 융기할 경우 만들어질 수 있다. 국내에서는 천이점을 이용하여 활성단층의 증거로써 실증연구를 한 사례가 있다. 울진 남대천을 대상으로 수행한 Han and Choi (2011)의 연구에서는 하천 경사도지수를 이용하여 천이점을 분류하고 천이점의 위치와 단층의 위치를 비교하여 천이점의 성격을 분류하였다. 암상경계를 따라 천이점이 관찰되었으나 암상경계를 따라 두천단층과 삼당단층이 발달하여 있음을 발견하였고, 이러한 특징을 활성단층운동의 영향으로 해석하였다(Han and Choi, 2011). 양산단층의 북부에 위치하고 있는 보경사단층과 유계단층을 연구한 Lee et al. (2019)의 연구에서는 연대측정 자료를 통해 이미 제4기에 단층운동이 있었던 유계단층을 중심으로 종단곡선과 천이점 분석을 수행하였다. 관찰된 천이점에 대한 실제 답사를 통해 해당 지점에 폭포가 있음을 관찰하였으며, 최종적으로 활성단층운동의 영향을 받아 만들어진 지형으로 해석하였다(Lee et al., 2019).

서론에서 언급했듯이 제4기 퇴적층을 피복하고 있는 단층에 대해선 연대측정을 통해 제4기에 만들어진 단층인지 아닌지 판명할 수 있다. 하지만 기반암 주변, 특히 하천 천이점의 경우 융기에 의해 만들어진 지구조지형 혹은 기반암의 영향으로 인해 만들어진 구조지형으로 구분하는데 어려움이 있을 수 있다. 왜냐하면 단순히 기반암 경계에 위치하고 있다고 해도 우리나라의 특성상 기반암에서 재활성화 단층의 가능성도 존재할 수 있기 때문이다. 따라서 구조지형과 지구조지형을 보다 명확하게 분류하기 위해서는 기반암의 주변지형 분석을 통해 종합적으로 고찰해야 할 필요성이 있다.

다만, 본 연구 결과가 활성단층을 조사하는 연구에 쓰이기 위해서는 앞으로 발전시켜야할 몇 가지 제한점이 있다. 첫째, 모의하는데 쓰인 값을 제한하는데 추가적인 연구가 필요하다. 본 연구에서 사용한 침식계수 값은 기존 연구에서 사용된 값을 사용하였기 때문에 한국기반암의 특성 맞는 침식계수 값을 추정하는 연구가 필요하다. 둘째, 기후변화의 주기적인 변화에 따른 풍화·삭박의 변화를 가정하여야 한다. 빙기와 간빙기를 거치면서 풍화강도와 삭박율이 변하기 때문이다. 이에 따른 시간적인 변화를 고려해야 할 것이다. 마지막으로 지구조운동의 특성을 반영한 융기율을 이용하여야 한다. 본 연구에서는 융기율 값을 고정하였지만, 실제로는 다양한 시나리오를 모의하여야 할 것이다. 이러한 것들을 반영한다면 기반암의 침식저항도의 차이에 따른 지형발달을 연구할 수 있을 것이며, 지구조운동에 의한 지표변형의 특성을 규명하는데 기여할 수 있을 것이다.

5. 결 론

본 연구는 2차원 수치지형발달모형을 이용하여 기반암의 저항강도에 따른 지형발달을 이론적으로 고찰하였다. 연구결과 침식계수 K값이 높을수록 침식을 많이 받아 평균고도, 기복량, 경사도 모두 낮은 값을 보였다. 하천종 단곡선분석결과 역시 완만한 요형도를 보이는 모습을 보였다. 하천의 경사도를 보여주는 경사도지수 역시 K 값이 높을수록 낮은 값을 보였다. 이러한 결과는 정성적인 기존의 이론과 부합한다. 다만, 암석의 경계가 있다는 모형을 모의한 결과 천이점이 관찰되었다. 실제 자연환경에서도 이러한 양상이 나타나는데, 판내부에 위치한 우리나라의 특성을 고려할 경우 기반암의 경·연차에 만들어진 천이점과 지구조운동의 영향을 받아 만들어진 천이점을 특히 구분하여야 할 것이다. 이 경우 현재까지는 천이점의 위치에 존재하는 기반암의 특성만을 고려하여 기반암의 경연차에 의한 천이점이라 정의하였지만, 앞으로는 지형분석을 통해 그 지역의 지형인자들의 관계를 통해 기반암의 영향을 많이 받았는지 지구조운동의 영향을 받았는지 구분하는 것이 반드시 필요하다.

사 사

이 연구는 한국지질자원연구원의 2020년 기본사업 ‘판 내부 활성지구조특성 연구 및 단층분절모델 개발’(GP2020-014)의 지원을 받아 수행되었습니다.

foot-note

1각 단계별 자세한 설명은 Kim et al., 2020의 논문에서 상세하게 설명하고 있다.

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October 2022, 55 (5)