Research Article

Journal of the Korean Geographical Society. 31 December 2021. 705-716
https://doi.org/10.22776/kgs.2021.56.6.705

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서론

  • 2. 연구지역

  • 3. 연구방법

  •   1) UAV를 이용한 고해상도 DEM 구축

  •   2) 운석충돌구의 지표기하 추정

  •   3) 운석충돌구의 지중기하 추정

  • 4. 결과

  •   1) 운석충돌구의 지표기하

  •   2) 운석충돌구의 지중기하

  • 5. 논의

  •   1) 지구상의 다른 운석충돌구와의 비교

  •   2) 달 표면의 운석충돌구와의 비교

  • 6. 결론

1. 서론

최근 우리나라 경상남도 합천군 소재의 적중-초계분지가 운석충돌구임을 강력하게 지시하는 지질학적 증거들(PDF; planar deformation features, 원뿔형 암석구조; shatter cone)이 발견되었으며(Lim et al., 2021), 연일 뉴스에 보도되어 큰 화제가 되었다. 이 외에도 강원도 양구군의 분지지형의 형성원인이 운석의 충돌로 인한 것일 가능성 또한 과거부터 지속적으로 논의되어오고 있으며, 2014년에 경상남도 진주시에서 관측된 운석 낙하현상 역시 대중들로부터 큰 관심을 받았다. 운석충돌구로 인해 형성된 분지는 인간 삶의 터전이 되어왔으며, 일종의 호소 환경으로써 다양한 동식물의 서식처를 제공하기도 한다. 운석충돌구는 생물학적 가치와 더불어 희소성으로 인해 그 자체만으로 학자뿐만 아닌 일반 대중들로 하여금 지형에 대한 호기심을 불러일으키는 지형임에 틀림없다. 이러한 운석충돌구의 규모를 산정하는 것은 과거 지구에 충돌했던 충돌체의 규모를 계산하기 위한 기초자료로 사용될 수 있다. 또한, 본 연구에서 제시하는 방법론은 국내에서 운석충돌구의 가능성이 제기되는 지역들에 대하여 비교적 간단한 고도자료와 적은 수의 시추 데이터를 가지고 운석충돌구인지 여부를 판별하거나 규모를 산정하는 데에 적용해볼 수 있다는 점에서 앞으로 국내 운석충돌구 연구에 기여할 수 있다.

운석충돌구(impact crater)는 우주로부터 기원한 충돌체(projectile)가 감속이 거의 없이 초고속으로 지구의 대기를 통과하며 지표에 충돌하여 형성된 와지 지형을 말한다(French, 1998). 운석충돌구는 크게 충돌/압축 단계(contact and compression stage), 굴삭 단계(excavation stage), 변형 단계(modification stage) (Melosh, 1989; French, 1998)의 세 가지 단계를 통해 형성된다(그림 1). 첫 번째 단계인 충돌/압축 단계는 충돌체가 지표에 도달한 직후에 시작되어 충돌체가 충돌 상태에서 벗어난(unloading) 시점에 종료되며, 충돌체의 크기에 따라 1초 이내 또는 수 초 동안 지속된다(그림 1A, B; Melosh, 1989; Turtle et al., 2005). 충돌체의 운동에너지는 충돌체와 지표의 접촉면에서 충격파의 형태로 전달되며(French, 1998), 이로 인해 충돌체와 지표의 암석은 고압과 고열에 의해 녹거나 기화된다(Turtle et al., 2005). 이 짧은 시간 동안에는 지표에 가해지는 매우 높은 압력으로 인하여 물질의 이동이나 산란(ejection)이 거의 없다(Croft, 1980).

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Fig. 1.

운석충돌구의 형성과정

출처: French (1998)의 그림 3.3을 수정 및 재인용

두 번째 단계인 굴삭 단계는 충돌/압축 단계보다 긴 시간 지속되고 상대적으로 낮은 압력이 가해지는 시기로, 충격파가 전달됨에 따라 충돌구가 점차 확장되는 시기이다(그림 1C, D; French, 1998). 이 단계에서는 충돌구가 확장되면서 파쇄된 물질들이 충돌파쇄류(material flow 혹은 excavation flow)를 따라 운반된다. 지하 천부에서는 파쇄 및 용융된 물질들이 위로 오목한 곡선 형태의 흐름을 따라 위쪽과 바깥쪽으로 이동하지만, 심부에서는 물질들이 아래쪽과 바깥쪽으로 이동한다(그림 1C; Croft, 1980; French, 1998). 물질들이 충돌파쇄류에 의한 이동을 멈추면 굴삭 단계가 종료되는데, 이 때 형성되는 충돌구를 과도충돌구(transient crater 혹은 transient cavity)라고 하며, 그 형태는 포물면(paraboloid)에 가깝다(French, 1998).

마지막으로 세 번째 단계인 변형 단계는 과도충돌구의 크기가 최대로 커진 직후에 시작되며, 충격파가 충분히 감소하여 더 이상 운석충돌구의 형성에 개입하지 않는 시기에 해당한다(그림 1E, F; French, 1998). 또한, 앞서 형성된 과도충돌구의 내부 사면이 급경사를 이루기 때문에 그 내벽이 무너지거나, 슬럼핑(slumping) 혹은 슬라이딩(sliding)이 발생하여 운석충돌구 내부의 물질이 중력에 의해 이동하는 과정을 포함한다(Collins et al., 2012). 이 때, 굴삭 단계에서 충돌파쇄류에 의해 아래로 운반된 물질과 변형 단계 동안 이동한 물질들이 운석충돌구 내부에 쌓여 렌즈상 각력암(brecciated lens)을 이룬다. 모든 물질의 이동이 종료된 시점에서의 지표를 종말현성충돌구(final apparent crater), 렌즈상 각력암과 기반암의 경계를 종말진성충돌구(final true crater)라고 부른다(Croft, 1980). 이후, 렌즈상 각력암층의 상부에 호수성 혹은 풍성 기원의 퇴적층이 쌓이며 형성된 현재의 지표는 현성충돌구(apparent crater)라고 한다.

풍화와 침식이 거의 일어나지 않는 달에서와는 달리, 지구에서는 일반적으로 운석충돌구의 현재 모습인 현성충돌구의 형태만을 가지고 운석충돌구의 규모를 대표하는 운석충돌구의 기하(dimension)을 추정하기는 어렵다. 충돌체의 충돌 이후 얼마나 많은 물질이 굴삭 단계와 변형 단계에 이동하였는지, 또 그 후에 호수성 혹은 풍성 기원의 퇴적층의 두께가 얼마나 되는지 알 수 없기 때문이다. 따라서 운석충돌구의 기하를 추정할 때에는 여러 건의 시추조사 및 면밀한 중력 데이터를 바탕으로 구축한 중력모델이나 체적 계산 모델을 적용한다(Regan and Hinze, 1975; Roddy et al., 1975; Grieve et al., 1989). 본 연구는 상기한 지구물리 데이터 혹은 위치에 따른 암석층 및 퇴적층의 두께 변화에 대한 데이터가 부족한 곳에서 현재 지형을 토대로 운석충돌구의 기하를 복원해보고자 하였다.

2. 연구지역

Tabun-Khara 운석충돌구는 몽골 중남부에 위치하며, 위성영상에서 뚜렷한 원형으로 나타난다(그림 2A). 운석충돌구는 고도 약 830~890m 높이의 산 위에 위치하는데, 해당 산지는 연구지역 일대를 지나는 전달인장단층대(transtensional fault zone)인 North Zuunbayan 단층대를 따라 발생한 조구조운동으로 인해 형성되었다(Heumann et al., 2018). 단층대에 수직인 방향으로 추출한 지형단면도(그림 2B)를 보면 해당 산지의 남동쪽 말단부의 경우 급경사를 이루는 반면, 북서쪽 말단부의 경우 산지와 산록완사면이 비교적 완만한 경사를 이루는 것을 확인할 수 있다. 운석충돌구의 내부는 주변부에 비해 약 30~40m 움푹 들어간 와지의 형태를 이루고 있다.

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Fig. 2.

연구지역의 위성영상과 사진. (A) Tabun-Khara 운석충돌구와 그 일대의 위성영상. (B) 그림 2A의 X-X’ 측선을 따라 SRTM DEM에서 추출한 지형단면도. (C) 현장조사 시 무인동력비행장치로 촬영한 Tabun-Khara 운석충돌구의 사진(북쪽을 바라보는 방향으로 촬영됨)

이 일대의 기반암은 퇴적암, 화성암, 변성암으로, 그 구성이 매우 다양하다(Davidson et al., 2005). 일대에 분포하는 변성암이 지표에 노출되어있는 곳에서는 북동-남서 방향으로 발달한 엽리가 영상자료에서도 잘 관찰된다(그림 2A, 2C). 특히, 운석충돌구의 테두리(crater rim)에 노출된 변성암을 구성하는 석영광물의 내부구조에 대한 연구결과, 강력한 충돌에 의해서만 형성될 수 있는 planar deformation feature(PDF)가 확인되어 연구대상이 운석충돌구임을 뒷받침하고 있다(Anderson and Ochirbat, 2004). 현장조사 시 운석충돌구의 내부에는 풍성 기원의 고운 모래가 퇴적되어 있음을 확인하였다.

연구지역은 현재 연강수량이 약 200-220mm의 건조한 지역으로, 적어도 지난 3천년부터는 현재와 비슷한 건조한 기후환경하에 있었다(Lee et al., 2013). 이와 같이 건조한 기후로 인해 풍화와 침식작용이 느리기 때문에 운석충돌구가 형성된 이후로 그 형태가 비교적 잘 보존될 수 있다. 따라서 현재의 DEM을 이용하여 운석충돌구가 형성되었을 당시의 지표 및 지중의 기하를 복원하는 것이 온난습윤한 지역에 비해 용이하다고 판단했다.

3. 연구방법

1) UAV를 이용한 고해상도 DEM 구축

연구지역 일대에 대하여 온라인에서 손쉽게 얻을 수 있는 고도자료는 위성영상(SRTM)을 통해 구축된 DEM으로, 그 해상도는 1arcsec/pixel(약 30m/pixel)이다. 본 연구는 운석충돌구의 지표 및 지중기하를 추정하는 것을 목적으로, 위성영상을 기반으로 한 DEM보다는 정밀한 해상도의 고도자료가 필요하다. 따라서 무인동력비행장치(unmanned aerial vehicle; UAV)를 이용하여 고해상도의 고도자료를 구축하였다.

영상 촬영을 위하여 DJI사의 Phantom 4 pro를 사용하였으며, crater rim의 정상부로부터 150m의 높이에서 비행과 촬영을 실시하였다. 2019년 10월 23일 하루 동안 7차례의 비행을 통해 총 343장의 UAV 영상을 촬영하였다. 영상의 종횡중복도는 70%로 설정하였으며, 한 번의 촬영 구획에 대하여 한 방향으로 왕복이동하는 경로로 비행을 실시하였다. 촬영한 영상을 Agisoft사의 ‘Photoscan’으로 처리하였고, 결과물은 x축(경도) 방향의 오차 0.74m, y축(위도) 방향의 오차 2.4m, z축(고도) 방향의 오차 1.48m를 가지며, 해상도는 0.13m/pixel이다. 후술할 운석충돌구의 지표 및 지중기하를 추정하는 과정에서 DEM의 노이즈를 줄이기 위하여 구축한 DEM을 픽셀당 0.5m의 해상도로 변환하였다.

2) 운석충돌구의 지표기하 추정

운석충돌구의 지표기하(surface geometry)란, 지표상에 드러난 운석충돌구의 형태적 특징을 정량적으로 계량한 것을 의미한다. 본 연구에서는 운석충돌구의 주변으로 융기된 부분에 해당되는 융기된 충돌구륜(그림 1F, 3A)과 그 지름을 의미한다. 일반적으로 운석충돌구는 그 규모와 형태적 특징에 따라 단순 운석충돌구(simple crater)와 복합 운석충돌구(complex crater)로 분류할 수 있다(그림 3A, B).

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Fig. 3.

운석충돌구의 종류와 Tabun-Khara 운석충돌구의 고해상도 DEM. (A) 단순 운석충돌구(simple crater). (B) 복합 운석충돌구(complex crater). (C) UAV를 이용하여 구축한 고해상도 DEM과 이를 이용한 분수계 추출

출처: French (1998)의 그림 3.3과 그림 3.10을 수정 및 재인용.

단순 운석충돌구는 상대적으로 규모가 작은 충돌체에 의해 형성되며, 사발과 같이 움푹 패인 단순한 형태를 가진다(그림 3A). 충돌의 규모가 작기 때문에 운석충돌구 내부 중앙에 중앙 봉우리가 존재하지 않으며, 지름이 수 킬로미터 이하인 경우를 의미한다(French, 1998). 단순 운석충돌구의 경우, 충돌체의 형태나 충돌체가 지표에 충돌할 때의 입사각에 관계없이 지표상에 원형의 융기된 충돌구륜을 형성한다(Öpik, 1916; Racki et al., 2014). 복합 운석충돌구는 상대적으로 큰 규모의 충돌로 인하여 형성되며, 단순 운석충돌구에서는 발견되지 않는 여러 가지 특징이 존재한다. 강력한 충돌 이후, 충격파의 영향으로 인해 운석충돌구 내부 중앙에 원추형으로 융기된 지형인 중앙 봉우리가 형성된다(그림 3B). 또한, 운석충돌구의 외곽 주변부의 지반이 운석충돌구의 내부로 붕괴(marginal collapse zone)하는 특징을 보인다(French, 1998).

현장조사 시 확인한 결과(그림 2C), Tabun-Khara 운석충돌구의 내부에는 중앙 봉우리가 존재하지 않았다. 또한, 위성영상(그림 2A)과 본 연구에서 구축한 고해상도 DEM(그림 3C)을 통하여 대략적으로 측정한 Tabun-Khara 운석충돌구의 지름은 약 1.3km로, 비교적 작은 규모의 운석충돌구임을 알 수 있었다. 이를 근거로 Tabun-Khara 운석충돌구는 단순 운석충돌구에 해당된다고 판단하였다. 따라서, 해당 운석충돌구의 지표기하를 추정하는 과정에서 융기된 충돌구륜이 원형이라고 가정하였다(Öpik, 1916; Racki et al., 2014). 융기된 충돌구륜은 충돌 이전의 지표면보다 융기된 곳으로(그림 3A), 주변보다 고도가 높기 때문에 분수계로서의 기능을 할 수 있다. 따라서 연구지역 일대를 대상으로 분수계를 추출한 후, 추출한 분수계에 최대근사(best-fitting)하는 원을 융기된 충돌구륜으로 결정하였다. 다만, 연구지역 일대의 기반암인 변성암에 발달한 북동-남서 방향의 엽리구조로 인해 분수계가 엽리를 따라 발달한 부분들이 존재하므로(그림 3C) 이러한 부분들은 이상점(outlier)으로 판단하고, 융기된 충돌구륜의 추정 과정에서 제외하였다.

분수계를 기준으로 최대근사하는 원을 찾는 방법은 크게 두 가지로 구분되며, 각각의 방법들은 다시 두 가지의 세부 방법으로 나뉜다. 첫 번째 방법은 원의 중심을 특정 지점으로 고정한 상태에서 최소자승법에 의해 분수계에 최대근사하는 지름값을 계산하는 방식이다. 이 방법을 적용함에 있어 원의 중심으로 가정할 수 있는 두 개의 지점이 있다(그림 3C). 첫 번째 지점은 운석충돌구 내부에서 가장 고도가 낮은 지점이다(방법 1). 단순 운석충돌구의 일반적인 형태(그림 3A)를 살펴보면, 운석충돌구 내부의 중앙에서 고도가 가장 낮기 때문이다. 두 번째 지점은 Amgaa and Koeberl (2009)에서 Tabun-Khara 운석충돌구의 중심이라고 추정하여 시추를 실시한 지점이다(방법 2).

두 번째 방법은 원의 중심을 특정하지 않은 상태에서 분수계만을 가지고 원을 결정하는 방식이다. 이 방법 역시 두 가지로 분류되는데, 첫 번째 경우는 최소자승법을 적용하여 분수계에 최대근사하는 원을 결정하고, 해당 원에 대한 중심과 지름을 구하는 방법이다(방법 3; Pratt, 1987). 두 번째 경우는 분수계에 내접하는 가장 큰 원을 찾고, 그 원의 중심과 지름을 구하는 것이다(방법 4; Warrier, 2021). 상기한 네 가지 경우를 각각 적용하여 얻은 결과를 해석하여 가장 적합한 결과를 융기된 충돌구륜의 지표기하로 채택하였다.

3) 운석충돌구의 지중기하 추정

운석충돌구의 지중기하(subsurface geometry)란, 지표상에서 관찰이 불가능한 지하에 존재하는 운석충돌구의 형태를 정량적으로 표현한 것이다. 대표적으로는 충돌체가 땅에 충돌한 직후에 발생하는 굴삭 단계에 형성되는 과도충돌구(그림 1D, 4A)와 그 후에 급경사의 운석충돌구 내벽이 슬럼핑 혹은 슬라이딩에 의해 무너져내리는 시기인 변형 단계를 거쳐 형성되는 종말진성충돌구의 기하를 의미한다(그림 1F, 4A; French, 1998; Turtle et al., 2005).

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Fig. 4.

지중기하 단면도와 시추 데이터. (A) 운석충돌구의 지중기하 도식. (B) 지하 깊이 206m까지의 시추 데이터. (C) 지중기하 추정을 위한 가정 1의 개념도. (D) 지중기하 추정을 위한 가정 2의 개념도

출처: (A) Grieve et al., (1989)의 그림 1을 수정 및 재인용. (B) Amgaa and Koeberl (2009)의 시추 데이터를 그림으로 재구성.

단순 운석충돌구의 지중기하 단면은 다음의 관계식 (1), (2), (3), (4)를 따른다(그림 4A, 표 1; Grieve and Garvin, 1984; Grieve et al., 1989).

(1)
Dt=Df
표 1.

지중기하 관련 파라미터와 기호

파라미터 기호
반지름
(충돌 이전 지표상에서)
과도충돌구 Rt
종말진성충돌구 Rf
종말현성충돌구 Rfa
현성충돌구 Ra
융기된 충돌구륜 Rr
충돌 이전 지표로부터의 깊이 및 높이
과도충돌구 Dt
종말진성충돌구 Df
종말현성충돌구 Dfa
현성충돌구 Da
융기된 충돌구륜 hr

충돌 이전 지표로부터 과도충돌구의 최대 깊이(Dt)와 종말진성충돌구의 최대 깊이(Df)는 서로 동일하다.

(2)
Rt2=2Dt2
(3)
y=DtRt2x2

충돌 이전 지표에서 과도충돌구의 반지름(Rt)과 Dt의 관계는 식 (2)를 따른다. 이 때, 운석충돌구의 중심으로부터의 거리(x)에 따른 과도충돌구의 지중기하(y)는 식 (3)에 의해 정의된다.

(4)
y=(Df+hr)Rr2x2

충돌 이전 지표로부터 융기된 충돌구륜의 높이(hr), 융기된 충돌구륜의 반지름(Rr)에 대하여 운석충돌구의 중심으로부터 거리(x)에 따른 종말진성충돌구의 지중기하(y)는 식 (4)에 의해 정의된다. 식 (1), (2), (3), (4)에서 지중기하에 해당되는 Dt와 Df를 제외한 나머지 파라미터들은 입력값에 해당된다. 구축한 고해상도 DEM에서 융기된 충돌구륜의 바깥 영역을 충돌 이전 지표로 간주하여, 충돌 이전 지표의 고도를 867.1~869.0m로 추정하였다(그림 5). 추정한 충돌 이전 지표면을 기준으로 파라미터 hr이 1.2~3.1m임을 확인하였고, 파라미터 Rr은 운석충돌구의 지표기하 추정과정에서 얻은 결과값을 사용하였다. 그러나 이 외의 파라미터들의 경우, 현재 가진 자료만으로는 그 값을 알 수 없어서 두 가지 가정을 통해 지중기하를 추정하고자 하였다.

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Fig. 5.

네 가지 경우에 대한 융기된 충돌구륜과 그 중심을 추출한 결과

우선 첫 번째 경우는 Amgaa and Koeberl (2009)에서 실시한 시추(그림 4B)의 최대 깊이인 206m가 시추 지점에서의 종말진성충돌구의 깊이, 즉 렌즈상 각력암과 파쇄암의 경계의 깊이와 같다고 가정한 경우이다(가정 1; 그림 4C). 이 경우, 지표기하 추정을 통해 계산된 Rr값과 앞서 제시한 hr값, 그리고 운석충돌구의 중심으로부터 시추 지점까지의 거리(x)와 충돌 이전 지표로부터 시추의 최대 깊이(y)를 식 (4)에 대입하여 Df를 구하였으며, 종말진성충돌구의 지중기하도 구하였다. 식 (1)에 의해 Df와 Dt가 같으며, 이를 식 (2)식 (3)에 차례로 대입하여 과도충돌구의 지중기하를 정의하였다.

두 번째 경우는 충돌 이전의 지표에서 과도충돌구의 반지름(Rt)과 종말현성충돌구의 반지름(Rfa)이 서로 같다(Rt=Rfa; Croft, 1980)고 가정한 경우이다(가정 2; 그림 4D). 현재 지표에서 Rt나 Rfa를 특정할 수는 없지만 Rt 혹은 Rfa값의 최솟값과 최댓값의 범위는 제안이 가능하다. 과도충돌구와 종말현성충돌구의 형성 이후 렌즈상 각력암층 위에 호수 및 풍성 기원의 퇴적물이 퇴적된 현재의 지표가 현성충돌구이기 때문에 현성충돌구의 반지름(Ra)은 Rt나 Rfa보다 항상 작다(Ra<Rt=Rfa). 그리고 융기된 충돌구륜은 운석충돌구의 최외곽에 해당하므로, Rr은 Rt나 Rfa보다 항상 크다(Rr>Rt=Rfa). 이와 같은 관계를 이용하여 Rt와 Rfa값의 범위를 590.8~659.0m로 설정하였다. 해당 값을 식(1)~(4)에 적용하여 과도충돌구와 종말진성충돌구의 지중기하를 추정하였다. 두 가정을 각각 적용하여 얻은 계산 결과 중, 보다 타당한 결과를 최종 결과로 채택하였다.

4. 결과

1) 운석충돌구의 지표기하

상기한 네 가지 방법을 적용하여 Tabun-Khara 운석충돌구 일대의 분수계에 최대근사하는 원의 중심과 반지름을 구하였다(그림 5, 표 2). 각 방법에 따라 결정된 운석충돌구의 중심 좌표와 융기된 충돌구륜의 반지름(Rr)은 서로 차이가 있으나, 운석충돌구의 중심을 특정하지 않은 상태에서 원을 구하는 방법 3과 방법 4에 의해 계산된 중심의 좌표는 거의 비슷한 결과를 보였다. 운석충돌구 중심을 특정 지점으로 설정한 방법 1과 방법 2의 경우에는 분수계(그림 3C)에 비해 다소 동쪽 내지는 남동쪽으로 치우친 결과를 보인다. 융기된 충돌구륜의 반지름의 경우, 방법 1~3을 적용한 결과는 거의 비슷한 값을 보이며 방법 4를 적용한 결과보다 더 큰 반지름을 가진다(표 2).

운석충돌구 형성 당시의 융기된 충돌구륜을 가장 잘 대표하는 결과는 방법 4를 적용한 결과라고 판단하였다. 충돌체가 지면에 충돌하여 지표가 함몰되면, 함몰지의 내벽은 급경사를 이루게 된다(그림 1). 이로 인해 변형 단계 동안 함몰지의 내벽에서는 슬럼핑 혹은 슬라이딩이 발생하게 된다. 변형 단계가 끝난 이후에도 운석충돌구의 내벽은 외벽에 비해 급경사를 이루기 때문에 지속적인 풍화·침식에 더 취약하다. 이로 인해 현재의 분수계는 운석충돌구가 형성되었을 당시의 융기된 충돌구륜의 위치에서 운석충돌구의 바깥쪽으로 후퇴했을 것이다. 이러한 분수계의 후퇴를 고려한다면 현재 분수계보다 운석충돌구의 내부에 위치하는 원이 운석충돌구 형성 당시의 융기된 충돌구륜에 가장 가까울 것으로 판단하였다.

표 2.

융기된 충돌구륜 산정 방법에 따른 충돌구륜의 반지름

방법 1 방법 2 방법 3 방법 4
반지름(m) 752.6 728.4 728.8 659.0

2) 운석충돌구의 지중기하

지표기하 추정 결과로 얻은 최대내접원의 중심을 운석충돌구의 중심이라고 했을 때, 중심지점과 Amgaa and Koeberl (2009)의 시추 지점을 지나는 직선인 X-X’(그림 5)를 바탕으로 지중기하를 추정하였다. 시추의 최대 깊이(206m; 그림 4B)가 시추 지점에서의 종말진성충돌구의 깊이와 같다는 가정(가정 1)과 충돌 이전 지표의 고도에서 과도충돌구의 반지름(Rt)과 종말현성충돌구의 반지름(Rfa)이 서로 같다는 가정(가정 2; Croft, 1980)을 각각 적용하여 결과를 도출하였다.

각 결과는 서로 큰 차이를 보였다. 우선 가정 1을 적용하여 얻은 운석충돌구의 중심에서의 충돌 이전 지표로부터 최대 깊이(Dt=Df)는 250.2~252.1m이고, 가정 2를 적용하여 얻은 결과값은 417.8~466.0m이다(그림 6). 운석충돌구 형성과정의 관점에서 가정 1을 토대로 얻은 결과를 해석하면, 이 경우에는 렌즈상 각력암의 두께 및 부피를 과소추정하게 된다. 렌즈상 각력암층은 운석의 충돌 이후 발생하는 충돌파쇄류에 의한 물질(그림 1A~C)과 변형 단계 동안 과도충돌구의 내벽에서 슬럼핑 혹은 슬라이딩이 발생하여 종말현성충돌구가 형성되는 과정에서 운반된 물질(그림 1E~F)들이 퇴적되어 형성된다. 그런데 가정 1에 의하면 시추 지점에서의 렌즈상 각력암층의 두께는 32m로, 과도충돌구와 종말진성충돌구 사이의 공간에 존재하던 물질들이 퇴적되었다고 해석하기에는 매우 얇은 두께이다(그림 4B, 6). 따라서 가정 2를 바탕으로 추정한 지중기하가 더 적합하다고 판단하였다.

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Fig. 6.

운석충돌구의 지중기하 추정 결과. 시추 지점에서 주상도의 색상에 따른 구성 물질은 그림 4B와 동일.

5. 논의

1) 지구상의 다른 운석충돌구와의 비교

Tabun-Khara 운석충돌구의 지표기하와 규모가 비슷한 지구상의 다른 운석충돌구에는 미국 애리조나 주 소재의 Meteor Crater와 인도 마하슈트라 주에 위치한 Lonar Crater(Lonar Lake)가 있다. Meteor Crater의 경우, 애리조나 주 북부의 사막에 위치하여 연구대상인 Tabun-Khara 운석충돌구와 같이 풍화와 침식의 영향을 비교적 적게 받아, 운석충돌구의 외부에 기존의 암석 층서에 대하여 역전되어 퇴적되는 낙하 산란물(ejecta blanket)이 잘 보존되어 있다. 또한, 그 내부와 융기된 충돌구륜의 주변에서 실시된 160여 건의 시추조사와 더불어 중력 및 자기장 조사를 바탕으로 지중기하 복원과 관련된 연구가 활발히 진행되어왔다(Regan and Hinze, 1975; Roddy et al., 1975; Grieve et al., 1989). 여러 지점에서의 시추 기록을 토대로 추정된 운석충돌구의 지하에 존재하는 암석 및 퇴적층의 두께와 그 밀도를 바탕으로 중력모델을 적용하고, 운석충돌구로부터 파쇄되어 나온 물질과 운석충돌구의 내·외부에 재퇴적된 물질의 체적 계산 모델을 통해 지중기하가 추정되었다(표 3; Roddy et al., 1975; Grieve et al., 1989). Lonar Crater도 마찬가지로 운석충돌구의 내부와 융기된 충돌구륜에서 실시된 시추 및 굴착조사 결과를 바탕으로 지중기하가 추정되었다(표 3; Fredriksson et al., 1973; Fudali et al., 1980; Grieve et al., 1989). 선행 연구에서 두 운석충돌구에 적용한 방법은 풍화·침식과 같은 지표 프로세스와 관계없이 시추를 통해 실제 종말진성충돌구의 깊이를 확인하거나 지구물리 데이터를 이용하여 지중기하를 추정하는 것이다. 해당 방법은 데이터 수득에 많은 비용과 시간이 소요되나, 실제 관측 데이터를 바탕으로 하기 때문에 습윤한 기후환경으로 인해 운석충돌구의 원지형이 비교적 풍화·침식의 영향을 많이 받은 곳에서도 적용할 수 있으며, 정확도가 높다. 따라서 선행 연구들에서 밝힌 Meteor Crater와 Lonar Crater의 기하를 본 연구결과의 합리성을 판단하기 위한 비교 대상으로 사용하기에 적합하다.

표 3.

Tabun-Khara 운석충돌구와 크기가 비슷한 다른 운석충돌구들의 기하

운석충돌구 융기된 충돌구륜 지름(2Rr; km) 충돌 이전 지표로부터의 최대 깊이(Dt=Df; m) 출처
Tabun-Khara
Crater
1.32 가정 1 250.2~252.1 본 연구
가정 2 417.8~466.0
Meteor Crater 1.16 335 Roddy et al. (1975)
Lonar Crater
(Lonar Lake)
1.71 457 Fredriksson et al. (1973)
Fudali et al. (1980)

출처: Grieve et al. (1989)표 3을 수정 및 재인용.

세 운석충돌구의 지표기하를 비교하면 Lonar Crater, Tabun-Khara Crater, Meteor Crater의 순서로 규모가 크다(표 3). 지중기하의 경우, 지표기하의 규모가 가장 큰 Lonar Crater의 최대 깊이는 457m이고, 지표기하의 규모가 가장 작은 Meteor Crater의 최대 깊이는 335m이다. 앞서 지중기하를 추정하는 과정에서 가정 2를 적용하여 얻은 결과에 따르면, Tabun-Khara Crater의 최대 깊이는 417.8~466.0m의 범위에 달한다. 해당 범위의 대부분이 규모가 더 작은 Meteor Crater의 최대 깊이와 규모가 더 큰 Lonar Crater의 깊이의 사이에 포함되고 있다. 이처럼 규모가 비슷한 지구상의 다른 운석충돌구의 지표 및 지중기하를 비교하였을 때, 가정 2를 토대로 추정한 Tabun-Khara Crater의 지중기하가 합리적임을 알 수 있다.

2) 달 표면의 운석충돌구와의 비교

지구에는 대기가 존재하여 규모가 작은 운석들은 대기를 통과하며 기화·연소되어 없어지기 때문에 지표까지 도달하지 못하는 경우가 많다. 그러나 달의 경우, 대기가 희박하여(3×10-15 기압) 운석충돌구가 많이 만들어질 수 있다. 달 표면에 존재하는 운석충돌구 중 형성 연대가 10억 년 미만인 비교적 최근에 만들어진 운석충돌구는 지구상에 존재하는 운석충돌구와 그 형태가 매우 비슷한 것으로 알려져 있다(Baldwin, 1949; 1965). 따라서 Amgaa and Koeberl (2009)의 시추자료를 통해 확인된 종말현성충돌구의 깊이와 본 연구에서 분수계의 최대내접원 추출(방법 4)을 통해 산정한 지표기하를 이용하여 달 표면 운석충돌구의 기하와 비교해보았다.

달 우주탐사선인 레인저 7호(Ranger Ⅶ) 자료를 바탕으로 달 표면에 존재하는 130여 개의 운석충돌구의 기하가 조사되었다. 그 결과, 달 표면 운석충돌구 지름과 깊이는 다음과 같은 관계가 있는 것으로 확인되었다(Baldwin, 1965).

(5)
D=0.0256d2+d+0.63

위 관계식에서 d는 사진상에서 인지되는 운석충돌구의 융기된 충돌구륜으로부터 운석충돌구의 깊이(피트 단위)에 로그를 취한 값이고, D는 융기된 충돌구륜의 지름(피트 단위)에 로그를 취한 값에 해당한다. 깊이 d의 경우 사진에서 관찰된 결과를 바탕으로 하기 때문에 앞서 일반적으로 사용되었던 충돌 이전 지표로부터 종말진성충돌구의 깊이가 아니라, 융기된 충돌구륜의 정상으로부터 현성충돌구까지의 깊이에 로그를 취한 값으로 정의된다. 달은 대기가 희박하며 물이 없기 때문에 풍화와 침식의 영향이 거의 없고 중력이 작아 운석충돌구 내부에 호수성 및 풍성 기원의 퇴적에 대한 영향 역시 미미할 것이다. 따라서 달에서는 현성충돌구가 변형 완료 단계 직후의 형태인 종말현성충돌구와 거의 동일할 것이라고 가정하였다. 이러한 가정을 토대로 Tabun-Khara 운석충돌구의 융기된 충돌구륜의 지름과 종말현성충돌구의 깊이를 달 표면의 운석충돌구의 데이터와 비교하였다.

본 연구에서 추정한 융기된 충돌구륜의 지표기하를 바탕으로 계산한 D값은 3.64이다. 시추 결과(Amgaa and Koeberl, 2009)를 바탕으로 계산한 Tabun-Khara 운석충돌구의 d값은 2.84이다. 시추 지점에서의 d값과 D값의 관계를 달 표면에서 관찰되는 운석충돌구의 기하와 비교해보았다(그림 7). 비교 결과, 달 표면에 존재하는 운석충돌구의 지표 및 지중기하의 일반적인 관계를 잘 따르는 것으로 확인되었다. 즉, 시추자료(Amgaa and Koeberl, 2009)에서 관측된 종말현성충돌구의 지중기하에 대하여 본 연구에서 추정한 지표기하의 규모가 합리적임을 알 수 있다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/geo/2021-056-06/N013560608/images/geoa_56_06_08_F7.jpg
Fig. 7.

달 표면 운석충돌구의 기하와 비교

출처: Baldwin(1965)의 그림 1을 수정 및 재인용.

6. 결론

본 연구에서는 고도자료를 바탕으로 운석충돌구의 지표 및 지중기하를 산정하여 충돌체 규모의 계산을 위한 기초자료를 제시하며, 국내에서 운석충돌구의 가능성이 제기되는 지역에 대하여 간단한 자료만을 가지고 운석충돌구인지 여부를 판별하거나 그 규모를 산정하는 데 적용할 수 있는 방법론을 제시하였다. 이에, 몽골 소재의 Tabun-Khara 운석충돌구에 대하여 야외조사를 수행하고 UAV를 이용하여 구축한 고해상도 DEM을 이용하여 지형분석을 실시하였다. 분석 결과를 운석충돌구 형성과정의 관점에서 해석하여 그에 가장 적합한 지표 및 지중기하 결과를 도출하였다. 지표기하를 산정하는 네 가지 방법들 중, 운석충돌구의 형성 이후에 발생한 풍화와 침식의 영향을 고려하여 현재 분수계에 최대 내접하는 원을 추출하는 방법(방법 4)이 가장 적합하다고 판단하였다. 지중기하의 경우, 선행연구에서 실시한 시추자료에서 확인된 렌즈상 각력암층의 두께를 바탕으로 과도충돌구의 반지름과 종말현성충돌구의 반지름이 서로 같다는 가정(가정 2) 하에 얻은 결과가 더욱 타당하다고 판단하였다. 그 결과, Tabun-Khara 운석충돌구의 지표기하인 uplift crater rim의 지름은 약 1.32km이며, 지중기하인 최대 깊이는 417.8~466.0m로 추정된다. 지구상에 존재하는 운석충돌구 중 Tabun-Khara 운석충돌구와 규모가 비슷하며, 다양한 조사자료들을 토대로 지표 및 지중기하가 잘 연구된 미국의 Meteor Crater와 인도의 Lonar Crater의 기하와 비교해보았다. 뿐만 아니라, 달 표면에 존재하는 130여 개의 운석충돌구의 기하에 대한 조사를 통해 밝혀진 운석충돌구의 지름-깊이에 대한 관계와의 비교를 실시하였다. 그 결과, 본 연구에서 추정한 Tabun-Khara 운석충돌구의 기하가 지구와 달 표면의 운석충돌구로부터 연구된 결과와 잘 부합함을 알 수 있었다.

Acknowledgements

본 연구는 2021학년도 고려대학교 사범대학 특별연구비(K2109511)를 지원받아 수행하였습니다.

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