1. 서론
하안단구(river terrace, fluvial terrace)는 과거 하천 수력에 의해 형성된 고(古)하도 내지 고(古)범람원이 하상 고도 변화를 거쳐 현재 하천에 비해 높아져 있는 지형을 지칭한다. 하천은 침식 기준면인 해수면과의 고도 차이를 줄여 지형적으로 안정한 상태를 유지하기 위해서 하각(incision)을 진행하는데(이광률･박충선, 2022), 하안단구는 하천의 하각 과정에서 주로 형성된다.
하천의 하각은 하천의 침식 및 퇴적 작용의 변화를 이끄는 지각 운동과 기후 변화를 포함한 다양한 요소의 작용에 의해 형성되며(Pazzaglia et al., 1998; Castillo et al., 2014; Finnegan et al., 2014; Fuchs et al., 2014; Saillard et al., 2014), 따라서 특정 유역의 하안단구에 대한 논의는 제4기 동안의 지형 변화를 이해할 수 있는 많은 정보들을 제공한다. 특히, 우리나라에서 하안단구의 발달은 지역의 지각 운동이 주요한 요인이 되며(조영동 등, 2017; 이광률, 2018; 이광률･박충선, 2022), 판 내부에 위치한 특성으로 인해 고지진학적 야외 자료가 제한적이기 때문에(최진혁 등, 2017) 하안단구에 대한 지형학적 연구 결과들은 현생 지각 운동의 속성과 변형률을 추론하는데 유용한 자료가 된다.
이 연구는 북부 양산단층 일대 포항시 송라면에 위치한 광천의 하안단구를 대상으로 지형면의 분포와 지형 특성, 형성 과정 및 형성 시기에 대한 연구 결과를 보고하고 있다. 그리고 이를 통해 광천의 하각률(incision rate)을 산출하고 인접한 포항시 흥해읍 일대의 해안단구 연구 결과(신재열･박경근, 2016)와 교차 검증을 통해 광천의 하각 특성과 이에 영향을 미친 지각 운동의 공간적 특성을 논의하는데 목적이 있다. 이를 위해 하안단구와 관련한 기존 문헌을 검토하고 이를 바탕으로 지형면의 상대비고, 하상비고, 공간적 특징, 각 지형면 간의 관계, 분포 위치 등의 지형 분류 기준을 선정하여 광천 일대를 따라 발달하고 있는 하안단구를 분류하였다. 하안단구면의 명칭은 가장 최근에 형성된 저위면(低位面)을 1면으로 명명하고 이를 기준으로 하안단구의 명칭을 오름차순으로 부여하였다. 다음으로 분류 결과를 토대로 야외조사를 실시하여 하안단구의 퇴적상 및 층서를 확인하였다. 마지막으로 퇴적층이 잘 보존된 하안단구 1면과 2면을 대상으로 시료를 채취하여 하안단구 형성 시기에 관한 수치 연대(numerical age)를 획득하여 광천의 하각률을 계산하고 광천의 하각 특성과 지각 운동의 공간적 특성을 논의하였다.
2. 연구 지역 개관
포항시 송라면 일대에 위치한 광천은 내연산에서 발원하여 동해로 유입하는 하천으로 연구 지역은 광천의 중･하류부에 해당한다(그림 1). 지역 일대는 서부의 높은 산지와 동부의 구릉성 산지가 지형 기복의 뚜렷한 대조를 이루며, 서부의 높은 산지에서 발원하여 곧장 동해로 유입하는 소규모 하천이 다수 발달한다. 하천은 대체로 20~30km 내외의 짧은 길이로 발달하며, 광천은 비교적 규모가 큰 하천에 해당한다. 지역 일대 지형 발달의 가장 큰 특징 중 하나는 제4기 퇴적층 및 지형의 발달이 탁월하다는 점이다. 이러한 지형 발달의 특징은 유역의 서고동저형 지형 기복으로 인해 좁은 하곡을 따라 흐르던 하천이 곡구부에 이르러 비교적 넓고 완만한 지형을 만나면서 유속이 급감하여 많은 퇴적물을 공급하기 때문이다. 광천 또한 상류 구간에서는 내연산 일대의 좁은 하곡을 통과하는 산지 하천의 성격을 보이며, 보경사 일대를 통과 후 하천 중･하류 구간에서는 하곡의 규모가 빠르게 커지는 양상을 보인다. 지역 일대의 지질은 백악기 퇴적암류와 이를 분출, 관입한 보경사 화산암체로 대표되는 백악기 화산암류와 내연산 응회암 그리고 연일층군 화산암류 및 퇴적암으로 구성된다. 백악기 퇴적암류는 주로 사암과 셰일 역암으로 이루어져 있으며, 대체로 보경사 화산암체의 화산분출암 보다 층서적으로 하부에 위치한다(윤성효 등, 2000). 내연산 응회암은 광천의 상류부 일대에서 주로 관찰되며, 연일층군 화산암류 및 퇴적암은 광천 중･하류부 일대를 따라 넓은 지역에 걸쳐 관찰된다.
한편, 양산단층은 지진학적 특성과 단층의 기하 및 특징을 기준으로 크게 북부, 중부, 남부 3조의 분절, 작게는 9개 분절로 구성되어 있음이 제안된 바 있는데(이기화･진영근, 1991; 장천중･장태우, 2009; 최진혁 등, 2017), 연구 지역은 양산단층 북부 분절의 남쪽에 위치한다. 양산단층대의 주단층이 연구 지역 일대 서부의 높은 산지와 동부의 구릉성 산지의 경계를 따라 북북동 주향으로 지나는 것으로 추정되며, 이 추정 단층선을 따라 단층이 보고된 바 있다(문성우 등, 2015; 송윤구 등, 2019; 심호, 2017; 우상우 등, 2015; 윤성효 등, 2000; 채병곤･장태우, 1994). 연구 지역 일대에서 확인되는 양산단층은 N25°E/70°NW의 자세로 서쪽 지괴의 내연산 응회암과 하양층군 퇴적암을 가로지르며 발달한다(우상우 등, 2015).
3. 하안단구의 분포 및 퇴적상
1) 하안단구의 분포 및 지형 특성
연구 지역에는 하상 비고가 가장 낮고 형성 시기가 젊은 하안단구 1면(River terrace1; RT1)부터 하상 비고가 가장 높고 형성 시기가 오래된 하안단구 4면(River terrace4; RT4)까지 총 4단의 하안단구가 발달한다(그림 2, 3). 광천 양안으로 하안단구가 높은 밀도로 발달하며 각 하안단구 면은 분포 특성에서 차이를 보인다.
지형면 별로 살펴보면, 하안단구 1면의 하상비고는 약 5m 내외로 비대칭적인 분포를 보이나 분포 밀도가 높고 연속성은 양호한 편이며, 하안단구 2면과 3면에 비해 규모는 작은 편이다. 일부 구간에서는 범람원과 구분이 다소 모호한데, 이는 토지 이용 과정에서 단구애가 훼손된 곳이 많아 경계가 모호해진 것이 원인으로 생각된다.
하안단구 2면은 하상비고가 약 10m로 관찰되며, 비대칭적이고 불연속적인 분포 특성을 보인다. 연구 지역 전체적으로 1면에 비해 지형면이 큰 규모로 발달하며, 특히, 좌안에 발달한 지형면이 우안에 비해 평탄면이 잘 보존되어 있고 규모가 큰 모습이다.
하안단구 3면은 연구 지역의 지형면 가운데 가장 큰 규모로 발달하며 하상비고는 13m 수준으로 확인된다. 하안단구 2면과 마찬가지로 우안에 비해 좌안의 지형면이 평탄면이 잘 보존되어 있고 큰 규모로 발달한다. 일반적으로 최근에 형성된 하안단구일수록 침식 작용을 적게 받아 분포의 연속성이 양호하고 잔존율이 높은 반면, 오래된 하안단구는 하천의 하각 과정에서 제거될 수 있고 오랫동안 침식 작용을 받았기 때문에 연속성이 불량하고 규모가 작다. 그러나 연구 지역에서는 오래 전에 형성된 하안단구 2면과 3면의 연속성이 양호하고 하안단구 1면보다 큰 규모로 발달한다는 점에서 특이하다.
하안단구 4면의 하상비고는 약 16m 내외로 관찰되며, 오랜 기간 개석되어 지형면의 규모가 작고 일부 구간에서만 부분적으로 관찰된다. 3면과의 경계는 단구애를 기준으로 비교적 명확하게 인지되나, 배후산지와의 경계부에는 선상지가 다수 형성되어 있어 경계가 명확하지 않은 편이다. 선상지는 1면과 2면이 발달하며 배후 산지에서 발원한 광천의 지류 하천에 연하여 분포하는 모습이다. 선상지 1면은 개석을 거의 받지 않아 형태가 뚜렷하게 발달하는 반면 선상지 2면은 계곡을 따라 비교적 소규모로 발달하고 선상지 1면이 선상지 2면을 개석하며 발달한다. 선상지 1면이 하안단구를 피복하며 발달하고 있어 지형 층서적(geomorphic stratigraphy)으로 선상지가 하안단구 보다 후기에 형성된 것으로 판단된다.
광천의 하상 종단면 분석 결과에서도 상술한 각 단구면의 분포 특징이 잘 나타난다(그림 4). 하안단구 1면은 분포 밀도가 가장 높고 연속적으로 나타나며 2면과 3면은 상대적으로 낮은 분포 밀도와 연속성을 보인다. 하구에서 약 2~8km 구간에 걸쳐 하안단구가 발달하며, 특히 4~6km 구간에서 보다 집중적으로 발달하는 특징을 보인다. 하구로부터 8km 이상 떨어진 상류 구간은 좁은 하곡으로 인해 퇴적물이 쌓일 공간이 부족한 결과로서 하안단구가 발달하지 않는 것으로 판단되며, 하구부 일대는 해수면의 승강 과정에서 발생한 하도 확장으로 인해 단구면이 개석되어 사라지고 넓은 범람원이 형성된 것으로 생각된다. 하구부 일대를 제외하면 광천의 대부분 구간은 하곡이 좁고 깊게 나타나며, 하안단구에 비해 범람원의 분포 밀도가 낮고 규모도 작은데, 이는 높은 수준의 하각작용이 발생했음을 시사한다.
2) 퇴적상
야외 조사 결과, 하안단구 1면, 2면, 3면의 퇴적층 노두를 확인하였다. 하안단구 1면의 퇴적층은 지점별로 차이는 있으나 약 3m 두께의 두터운 역층이 기반암 상부를 부정합으로 피복하고 있다(그림 5-a, b). 거력(boulder) 급의 아원력 내지 원력이 역층의 주를 이루며, 원마도가 매우 양호한 잔자갈(pebble) 및 왕자갈(cobble)과 황갈색 모래가 이를 충진하고 있다. 분급은 불량하지만 광천이 흐르는 방향을 따라 역의 장경이 배열된 중첩와상 구조(imbrication)가 인지되며, 충진물(matrix)에서는 층리가 미약하게 인정된다. 역은 풍화가 거의 진전되지 않아 해머로 타격하여도 쉽게 깨지지 않으며 역과 충진물 간 고결도가 비교적 높고 치밀하다. 배후 사면으로부터 유래된 것으로 추정되는 각력도 일부 협재하나, 중첩와상 구조와 사층리가 인지되어 하성작용을 받은 것으로 판단된다.
하안단구 2면의 퇴적층은 약 1.5m 두께의 역층이 8m 내외로 깊게 하각된 기반암 상부를 피복하고 있는 양상이다(그림 5-c, d). 하안단구 1면의 퇴적층과 달리 왕자갈급의 아원력 내지 원력이 우세하게 나타나며, 거력과 잔자갈 급의 자갈도 쉽게 관찰된다. 역의 충진물은 황갈색의 조립질 모래를 주로 포함하며, 역과 충진물 간의 치밀도와 고화도가 높은 상태이다. 분급은 불량하나 중첩와상 구조가 인지되며, 거력의 하부에는 부분적으로 왕모래(granule)~실트(silt) 입경의 퇴적물이 렌즈 형태로 관찰되기도 한다.
하안단구 3면의 퇴적층은 하안단구 2면과 유사한 퇴적상을 보인다. 11~12m 내외로 깊게 하각된 제3기 퇴적암(역암) 상위로 층후 1~2m 내외의 왕자갈 급의 아원력 내지 원력이 퇴적층을 주로 구성하고 있다. 황갈색의 모래가 역 사이를 충진하며, 거력과 잔자갈 급의 자갈도 협재하고 있는 양상이다. 앞선 하안단구 1면과 2면의 퇴적층과 마찬가지로 분급은 불량하지만 중첩와상 구조가 인정된다. 하부의 제3기 퇴적암의 퇴적상 또한 왕자갈 급의 아원력 내지 원력이 주를 이루고 있으나 역의 풍화 정도와 역과 충진물 간의 고결도에서 하안단구 3면의 퇴적층과 확연하게 대비된다.
하안단구 퇴적층 전체적으로 원마도가 양호한 역으로 구성된 역층의 발달과 사층리 구조, 중첩와상 구조 등과 하천에 의한 침식면의 형태로 발달한 기반암의 경계면 특징들은 지형면과 이를 구성하고 있는 퇴적층이 하성 기원임을 일관되게 지시한다.
4. 연대 측정
광여기 루미네선스(Optically Stimulated Luminescence, OSL) 연대측정법(이하 OSL 연대측정법)은 퇴적물을 구성하는 광물 중 석영이나 장석을 대상으로 대상 광물이 마지막으로 빛에 노출된 이후의 시간을 측정하는 분석 기술이다. 여기에서 퇴적물이 마지막으로 빛에 노출되었다는 것은 곧 시료가 지층 속에 매몰 또는 퇴적되었다는 것을 의미하며, 즉, OSL 연대 측정법은 시료의 퇴적 시기 또는 매몰 시기를 구할 수 있는 방법이다. OSL 연대측정은 주로 퇴적층 내의 90-250μm의 모래 크기나 4-11μm의 실트 크기의 석영 혹은 장석을 이용하는데, 실제 퇴적층에서는 직경 수 cm 이상의 자갈을 중심으로 미량의 모래, 실트 크기의 입자가 자갈 사이를 충진하고 있는 경우를 쉽게 확인할 수 있다. 암석 표면 루미네선스 연대 측정은 대상 시료가 역지지성 퇴적물(clast-supported sediments)일 경우 OSL 연대 측정용 시료 채취가 어렵기 때문에 이를 대신해 자갈을 채취해 자갈 자체의 퇴적 연대를 직접 측정하는 방법이다(홍성찬, 2016; 신재열･홍성찬, 2018; 신재열 등, 2019; Daria et al., 2022).
이 연구에서는 하안단구 퇴적층의 퇴적 시기를 파악하기 위해 총 2개의 시료(2010GC-T1, 2010GC-T2)를 채취하여 광여기 루미네선스 및 암석 표면 루미네선스 연대 측정을 실시하였다(그림 2). 시료 2010GC-T1(그림 5-b)은 하안단구 1면 노두에서 암막을 이용해 햇빛 및 주변의 인공 광원을 완전히 차단하고 이미 햇빛에 노출된 노두 단면상의 표면 약 15cm를 제거한 후 자갈 사이를 충진하고 있는 퇴적물을 긁어내어 채취하였다. 시료 2010GC-T2(그림 5-d)는 하안단구 2면 노두에서 역층 내에 포함되어 있는 자갈 5점을 채취하여 암석 표면 루미네선스 연대 측정에 활용하였다.
자갈 사이의 충진물에 대한 OSL 연대 측정용 시료(2010GC-T1)의 전처리는 최정헌 등(2004)의 연구, 퇴적된 자갈에 대한 IRSL(InfraRed Stimulated Luminescence) 연대 측정용 시료(2010GC-T2)의 전처리는 홍성찬(2016)의 연구 방법에 따라 진행하였다. 등가선량(equivalent dose)은 한국기초과학지원연구원의 OSL/TL 측정 장비(Risø TL/OSL-DA-20)를 통해 측정되었으며, 연간선량(dose rate)은 한국기초과학지원연구원의 감마선 검색기(HPGe Gamma-ray detector)를 이용하여 시료 내 방사성 동위원소의 함량을 측정하여 계산하였다.
각 시료의 석영 OSL 및 K-장석 IRSL 신호의 감쇠곡선과 성장곡선은 그림 6과 같다. 두 시료 모두 연대 측정에 적합한 신호 특성을 보이며, 재현선량에 따른 석영 OSL 및 K-장석 IRSL 신호의 성장곡선도 이상적인 형태로 잘 나타난다(그림 6). 측정 결과, 하안단구 1면을 이루는 퇴적층의 연대는 39±2ka, 하안단구 2면을 이루는 퇴적층의 연대는 67±7ka로 확인된다(표 1). 연대 결과는 하천에 의한 기반암 침식면 및 하성 퇴적물의 퇴적 시기를 지시하는 연대 값으로 판단되며, 지형 분석 결과와 층서적으로도 잘 부합된다.
5. 제4기 후기 광천 유역의 하각률
하안단구의 형성 시기와 하상비고에 관한 연구 결과들은 하각률을 산출하는데 활용될 수 있으며, 하각률은 아래의 식을 통해 계산할 수 있다.
하안단구 n면의 하각률 =
(: 하안단구 n면의 하상비고(m), : 하안단구 n면의 형성 시기(ka))
식을 통해 계산된 하안단구 1면의 하각률은 0.128m/ka, 하안단구 2면의 하각률은 0.178m/ka로 1면과 2면에 걸쳐 비교적 일정한 수준의 하각률을 보인다. 하안단구 하각률은 고도, 해안과의 거리, 유량, 장･단기 간의 유량 변동성 등 하천의 수문학적 요인들과 지질 분포 및 지각 운동 활동성 등 하천 수력 외 요인들에 크게 영향을 받는다. 이들 요인은 동시적이고 복합적이며, 역동적 변화를 겪어 왔으므로, 어느 지역 하안단구의 형성과 하각률에 영향을 미친 각 요인의 차이를 구분하는 것은 매우 어렵다. 다만, 하각에 영향을 미치는 각 요소들을 면밀하게 살펴봄으로써 하각 작용에 주된 영향을 미친 요소를 추정해볼 수 있다1).
광천의 경우, 유역 일대에는 연일층군 퇴적암류, 중생대 퇴적암, 반암류 등이 분포하며, 하천 상류부 일대를 제외한 대부분의 구간에서 연일층군의 퇴적암이 관찰되는데, 유역 내 지질 조건의 차이가 하각률 차이에 영향을 주었을 가능성이 존재한다. 이 경우, 광천 유역 내에서 기반암 분포와 침식 저항력 차이에 따라 하상비고의 차이가 발생해야 하는데, 연구 지역에서 하안단구의 하상비고는 기반암 분포와 무관하게 일정한 수준에서 관찰되므로 광천의 지질 조건은 하각률 차이에 큰 영향을 주지 않은 것으로 판단된다. 지구조적 요인을 살펴본다면, 연구 지역과 인접한 흥해읍 우목리 일대에서는 제4기 후기 해안단구의 지형 층서가 보고된 바 있다(신재열･박경근, 2016). 당시 연구에서 구정선 고도 10m의 해안단구 제1면의 형성 시기는 약 95ka~58ka로 확인되었으며, 제2면(구정선 고도 25m, 형성 시기 ca. 125ka, 형성 당시 해수면 고도 0~6m)을 기준으로 최종 간빙기(MIS 5e) 이후 포항 북부 해안 일대의 지각 융기율을 0.176±0.024m/ka로 추정한 바 있다. 해안단구 연구로부터 추정되는 연구 지역 일대의 융기율을 본 연구 결과의 하각률(0.128~0.178m/ka)과 대비할 경우 유사한 수준을 보이는 점은 매우 흥미로우며, 이러한 사실은 광천의 주요 하각 요인이 지각 운동(융기)일 가능성을 내포하고 있다.
하안단구 2면의 형성(약 67ka) 이전 시기에도 하각률이 일정했다고 가정할 경우, 하안단구 3면과 4면의 형성 시기를 추론해 볼 수 있다. 하안단구 3면과 4면의 하상비고를 기준으로 하안단구 1면과 2면의 평균 하각률을 적용할 경우, 하안단구 3면의 형성 시기는 약 85ka 전후, 하안단구 4면의 형성 시기는 약 100ka를 전후한 시기로 추정된다(그림 7). 이러한 추정에는 추후 보완해야 할 많은 정보가 산재해 있지만, 후속 연구들의 단초가 될 것으로 생각된다.
그림 7.
하안단구 1면, 2면의 하각률과 하안단구 3면, 4면의 추정 형성 시기(Marine Isotope Stage(MIS) 및 time series data는 Railsback et al.(2015)의 결과를 수정･보완하여 활용)
한편, 하안단구의 하각률 또는 해안단구 연구에서 얻게 되는 융기율과 같이 단위 시간 지형 변형률(time-scaled strain rate)은 특정 지역 일대의 현생 지각 운동을 파악하고 이해하는데 매우 효과적일 수 있다. 일례로, 해안단구 연구는 육상에 남은 과거 해수면의 기록이라는 점과 분포 고도가 높은 해안단구일수록 형성 시기가 오래된 것이라는 점에서 지역적 지각 운동의 총합적 결과물로서 연구 가치가 매우 높은 대상이다. 또한 연구 지역을 비롯하여 인접한 울진, 경주, 울산 일대는 제4기 동안의 단층 활동이 비교적 활발한 지역이며(장태우, 2001; 전명순･전정수, 2010; 김영석 등, 2020; Park et al., 2007), 해안단구 퇴적층을 변위시킨 제4기 단층의 보고도 다수가 존재한다(신재열, 2004; 허서영 등, 2014). 제4기층의 변위량은 단층 변위량의 직접적인 근거가 되며 변위가 발생한 제4기층의 퇴적 연대는 단층 운동 시기의 상한 값으로 포괄적으로 활용된다. 경주시 수렴리에서 발견된 수렴단층의 경우 단층 최대 변위량(1.2m)과 변위가 발생한 단구 퇴적층의 퇴적 시기(194±24ka)를 기준으로 제4기 단층 변위율(slip rate)이 0.006m/ka로 산출된 바 있는데, 한편으로 동일한 지역에서 보고된 해안단구의 지형 층서적 분포에 따라서는 제4기 후기(ca. 200ka) 이후 0.25 m/ka의 융기율이 계산된다(표 2). 이는 수렴단층 변위율의 40배에 해당하는 것으로 이러한 산출 값의 차이는 해안단구의 형성 및 발달상에 영향을 미친 현생 지각 운동(융기)의 전체 변형률이 야외에서 확인된 한 두 사건의 단층 활동 등으로 대표되지 않는다는 사실을 분명히 보여주고 있다. 이러한 사실은, 지반 안정성 평가 등의 사회경제적 측면에서 현생 지각 운동의 속성과 변형률이 활용될 때, 고지진학 및 지구물리학적 연구 결과와 더불어 지형학적 연구 결과들의 종합적 고찰이 반드시 필요함을 보여준다.
6. 요약 및 결론
이 연구는 북부 양산단층 일대 포항시 송라면에 위치한 광천의 하안단구를 대상으로 분포와 지형 특성, 형성 과정 및 형성 시기, 하각률에 대한 연구 결과를 보고하고 광천의 하각 특성과 이에 영향을 미친 지각 운동의 공간적 특성을 논의하는데 목적이 있다.
연구 지역에는 하안단구 1면부터 4면까지 총 4단의 하안단구가 발달하며, 하안단구 1면과 2면을 대상으로 연대 측정을 실시하여 39±2ka, 67±7ka의 연대 결과를 획득하였다. 광천 유역 일대 하안단구의 형성과 현재 분포상은 제4기 후기 동안의 활발한 지각 운동에 대응해 빠르게 하각을 진행한 결과로 해석되며, 하안단구의 하상비고와 연대 측정 결과로 계산되는 하각률은 0.128~0.178m/ka로 추정된다. 인접한 흥해읍 일대의 해안단구 연구로부터 추정되는 연구 지역 일대의 융기율을 광천의 하각률과 대비할 경우 유사한 수준을 보이는 점은 매우 흥미로우며, 이러한 사실은 광천 유역의 하각의 주요 요인이 지각 운동(융기)임을 보여준다.
하안단구의 하각률 또는 해안단구 연구에서 얻게 되는 융기율과 같이 단위 시간 지형 변형률은 지역 일대의 현생 지각 운동의 실체를 파악하고 이해하는데 매우 효과적인 수단이다. 특히, 인접한 지역에서 다양한 연구 결과들이 종합적으로 고찰될 때, 보다 효과적일 수 있으며, 이러한 점에서 본 연구 지역은 북부 양산단층과 한반도 남동해안 일대의 현생 지각 운동을 이해하는 데 중요한 사례 지역이 될 것으로 생각된다.
