지구과학, 자원, 환경기술 발전, 환경오염 대처 방안

하천 범람에 대한 원인과 예측, 해결 방법

양산에서 발견된 조선시대 제방터의 모습입니다. 우리나라는 예로부터 치수(治水), 즉 물을 다스리는 것을 나라의 매우 중요한 사업을 생각해왔는데요. 이는 강이 넘쳐 수많은 인명과 재산 피해가 나는 것이 나라의 명운을 좌우할 만큼 커다란 일이었기 때문입니다. 그리고 요즘도 치수는 여전히 중요하다고 생각합니다. 그 결과, 하천에 제방과 댐을 건설하고, 하도를 준설하며, 하수관을 정비하는 등 많은 인위적인 변화를 만듭니다. 그런데 이와 같은 인위적인 변화가 반드시 우리에게 이롭기만 한 걸까요? 이 단원에서는 하천의 인위적 변화에 따른 환경적 영향에 대해 살펴보고, 이에 더해 도시화가 진척됨에 따라 범람에 어떻게 영향을 미치는지 그리고 이러한 범람에 대한 대책은 어떤 것들이 있는지 살펴보겠습니다.

인간이 하천에 미친 영향

예로부터 인간은 하천을 관리해왔습니다. 제방을 축조하고, 하도를 준설하며, 운하를 건설하고 보나 댐을 만들었습니다. 이러한 일들은 하천에 어떤 영향을 주었을까요? 인공 제방 축조는 물을 수로에 가두기 위한 것이며, 흔히 수로 정비 작업, 즉 구불구불한 수로를 펴는 작업을 수반합니다. 이는 단기적으로는 건설된 제방의 주변에 범람을 줄이고 유휴 부지를 확보한다는 장점이 있지만, 장기적으로는 그렇게 바람직하지 않은 경우가 많습니다. 그 이유는 늘어난 유량과 유속으로 퇴적물의 운반 응력이 상승되면서 상류 지역에는 토양 유실을 하류 지역에는 과다한 퇴적물 퇴적을 유발하기 때문입니다. 그래서 상류 지역에는 농토와 부지 줄어들게 되고, 하류지역에는 하상이 높아지면서 오히려 범람이 증가하기도 합니다. 또한 인위적인 제방과 퇴적물의 유실로 주변 습지가 사라지며 생물 다양성이 파괴되어 생태계에 커다란 교란이 생기게 됩니다. 하도를 준설하는 것도 인공제방 축조와 비슷한 효과를 냅니다. 하도에 퇴적물이 쌓이면 하상이 높아져 하도가 많은 물을 담을 수 없기 때문에 하천 바닥의 퇴적물을 긁어내어 하천의 배수 용량을 확보하는 것이 하도 준설입니다. 이것도 단기적으로는 하천의 배수 능력을 향상시켜 범람을 줄이는 효과가 있지만, 제방 축조 때와 마찬가지로 하천의 유속을 증가시키면서 토양 및 퇴적물 유실, 하류 지역의 지나친 퇴적물 퇴적 그리고 생태계 파괴를 유발합니다. 운하는 물길을 따라 여객 또는 화물 수송이 가능하도록 하천을 변형시킨 것입니다. 이를 위해서는 제방을 튼튼히 하고, 하도를 똑바로 펴야 하며, 바닥을 긁어 내 수심을 확보해야 합니다. 그러므로 제방 건설과 하도 준설로 인한 환경적 충격이 모두 나타날 수 있습니다. 보 또는 댐 건설은 물을 가두어 가뭄과 같이 물이 부족한 시기에 이용하기 위해 설치합니다. 또 댐을 건설하여 전기를 생산하기도 합니다. 그러나 댐 건설은 환경적으로 매우 큰 부담을 가져옵니다. 댐을 건설하면 댐을 중심으로 그 상류 지역과 하류 지역의 환경이 완전히 바뀌게 됩니다. 댐 상류지역은 물에 잠기지 않던 곳이 물에 잠기고, 댐 하류지역은 물에 잠겼던 곳이 말라버려 그때까지 유지되던 생태계가 완전히 바뀌게 됩니다. 특히 하류지역은 물이 말라 버림에 따라 식생이 제거되며 토양이 노출되어 토양 유실이 심각하게 될 수도 있습니다. 댐이 물을 막으면서 수심이 깊어지고, 산소가 하천 바닥에까지 공급이 어려워져 물의 수질이 급격히 떨어질 수도 있으며, 막힌 물의 순환이 불량해져 부영양화 같은 부작용도 일어날 수 있습니다.

하천에 인위적인 변화 삼가하는 선진국

최근 선진국에서는 꼭 필요한 경우가 아니면 하천에 인위적인 변화를 삼가고 있습니다. 혹시 하천에 공학적인 변화를 주려면, 그에 따른 다양한 환경적 충격을 최소화하는 대책과 함께 시행하여야 합니다. 사진은 1971년 완공된 미국 플로리다 주의 Kissimmee 강의 C-38 운하 모습입니다. 이 운하 건설 이후, 많은 습지가 사라지고, 이에 따라 야생 동물의 수가 급감했으며, 주변 생태계가 파괴되었습니다. 이러한 환경 피해 때문에 당국은 국회의 동의를 얻어 도로 운하를 메웠습니다. 운하가 메워진 후 빠른 속도로 습지와 생태계가 회복되고 있다고 합니다. 한때 동양 최대의 저수량을 자랑했던 소양댐의 모습입니다. 소양댐으로 인해 그 상류 수몰지역의 4,600세대가 다른 지역으로 이동하였으며, 2,700ha의 논밭이 사라졌습니다. 이 댐의 건설로 하류 지역의 홍수 조절에는 기여하였지만, 많은 비에도 수문을 열지 않아 상류 지역이 물에 잠기는 피해를 입었던 적도 있었습니다. 호수로 인한 주변 도시에 자주 끼는 안개 때문에 기관지 계통의 질병을 호소하는 사람도 상존하며, 양구와 같은 도시는 소양호에 의해 길이 차단되면서 춘천에서 3시간 넘게 걸려야 도착할 수 있게 되기도 하였습니다. 이 사진은 세계 최대의 댐 참사 가운데 하나인 이탈리아 바이온트 댐의 붕괴로 쏟아진 물에 의해 폐허가 된 론가로네 마을의 모습입니다. 바이온트 댐은 무솔리니 정권에서 기획되었지만 중단되었다가 다시 추진되어 1959년에 완공된 높이 262m, 두께 27m의 초대형 댐으로 지질학적으로 불안정한 석회암 지역에 건설되었습니다. 이 댐의 건설 당시 많은 사람들이 반대하였으나 정부는 이들을 좌익으로 몰아 탄압하며 공사를 강행하였습니다. 댐 건설 이후 수많은 지진들이 보고되었으나 철저한 언론 통제를 통해 묵살하였습니다. 마침내 1963년 10월 9일 2,286mm의 집중 호우로 댐 위쪽의 Toc 산에 사태가 발생하여 어마어마한 양의 암석들이 갑자기 호수로 쏟아져 들어갔습니다. 이 사태로 댐의 물이 넘쳤고, 이 물과 진흙이 섞여 200m 높이로 순식간에 하류 쪽을 휩쓸었습니다. 이 사고로 2,500여 명이 목숨을 잃었습니다. 물이 넘쳐 그 아래를 휩쓸어 파괴하는 데는 6분밖에 걸리지 않았습니다. 우리나라는 이명박 정부 시절 4대 강 사업이라는 것을 통해 하천에 대대적인 변경을 꾀했습니다. 범람원에 여러 시설과 도로를 설치하고, 보를 건설하고, 하도를 정비하는 등 각종 인위적 공사를 단행한 것입니다. 여기 사진에서 보듯 이 사업으로 인해 주변 생태계가 파괴되고 수질이 악화되는 등 심각한 후유증을 겪고 있습니다. 2014년 6월 대구 달성군 도동 나루터에서 촬영된 낙동강의 녹조 현상입니다. 4대강 사업으로 달성보가 만들어진 후 녹조가 심해졌다는 보고가 있었습니다.

범람의 재발 빈도 예측

하천의 범람을 정확하게 예측할 순 없지만, 규모에 따른 재발 빈도를 살펴봄으로써 대략적인 예측은 가능합니다. 재발빈도란 주어진 규모의 범람이 얼마만큼의 시간 간격으로 일어나는가를 의미하는데, 예를 들어 여기 오른쪽 그래프에서 보듯이 초당 12,000㎥의 유출량으로 인한 범람의 재발 빈도가 10년이라고 합시다. 그렇다면 2011년에 그만한 규모의 범람이 있었다면 그 10년 후인 2021년 즈음에 같은 규모의 범람이 또 있을 것이라는 얘기가 됩니다. 이와 같은 재발 빈도는 주어진 하천에 대해 꾸준한 유출량 측정 자료가 축적되어야 평가가 가능합니다.

도시화와 범람의 관계

현대 사회는 도시화의 시대입니다. 인구는 점점 밀집되고 도시는 점점 커집니다. 그렇다면 이 도시화와 범람은 어떤 관계가 있을까요? 여기 이 그래프가 보여주는 것처럼 일반적으로 도시화가 진행되면 범람 빈도는 증가합니다. 그 이유는 포장면적의 증가로 빗물이 지하로 스며들지 못하고 직접 하천으로 유출되는 양이 증가하기 때문입니다. 하지만 이는 도시화가 어떻게 진행되는가에 따라 조금 다를 수 있는데요. 만일 상업이나 공업 지역과 같은 포장면적이 늘어나는 방식이 아니라, 잔디가 늘어나는 주거 용지가 증가하는 방식의 도시화는 오히려 범람의 빈도를 줄일 수도 있습니다. 또 한 가지 주의해야 할 점은 재발빈도가 큰, 즉 대규모의 범람은 도시화의 진행에 무관한 발생 비율을 보여줍니다.

범람 대책

범람에 의한 피해를 줄이려면 범람원 사용을 규제하고, 보험과 같은 보장 제도를 확충하며, 범람 지도를 작성하여 범람 위험도에 따라 적절한 대책을 마련하도록 하여야 합니다. 또한 혹시라도 있을지 모를 범람 상황에 대비하여 생필품 등을 미리 준비하는 것도 필요합니다. 이 그림은 미국 웨스트버지니아의 필러피 시를 관통하는 타이거트 밸리 강을 중심으로 하는 범람 지도입니다. 이 지도를 보면 하늘색의 범람기가 시작될 때는 지도 중심부의 좁은 지역의 일부 도시가 피해를 입는 것으로 나타납니다. 노란색에 해당하는 소규모의 범람이 일어나면 추가로 지도 중하부의 도시 일부가 물에 잠기며, 중규모의 범람이 일어나면 주로 강의 동쪽에서 강을 따라 길게 침수가 일어남을 알 수 있습니다. 만일 이 지역에 대규모 범람이 발생하면 강의 양쪽으로 강을 따라 상당히 넓게 침수가 일어남을 알 수 있습니다. 이와 같은 범람 지도는 범람의 규모에 따라 어느 정도 지역까지 영향권에 드는지 미리 알 수 있어서 강수량과 하천의 유출량 등에 따라 미리 해당 지역 주민에게 대피령을 내리는 등의 조치를 취해 심각한 피해를 예방할 수 있습니다. 이 표는 사망자 수를 기준으로 한 역사상 최악의 범람들을 정리한 것으로 중국에서의 범람 피해가 어마어마하였던 것을 알 수 있습니다. 예를 들면 역사상 최악의 범람 1위인 1931년 중국의 범람은 무려 250~370만 명의 사망자를 내었습니다.

사태의 개념과 예방하는 방법(산사태)

2011년 유례없는 집중호우 때 일어난 우면산 사태와 춘천 사태를 기억하십니까? 서울 서초구 우면동 우면산 주변에서 일어난 사태는 주변 마을을 덮쳐 16명의 사망자를 기록하였습니다. 춘천시 신북읍 천전리 소양강댐 부근에서 일어난 산사태는 펜션과 민가를 덮쳐 투숙한 대학생들 10명과 주민 3명이 목숨을 잃었습니다. 이 사태들 이전, 이후에도 사태는 끊임없이 일어났고, 크고 작은 피해들을 입혔습니다. 이렇게 위험한 사태는 왜 일어나는 것일까요? 사태로 인한 피해를 어떻게 하면 줄일 수 있을까요?

사태의 개념

사태는 다량의 암석 및 토양 등이 떨어지거나 사면의 경사 방향으로 비교적 빠르게 미끄러지거나 흘러내리는 것을 말합니다. 사태는 지표 물질이 풍화됨에 따라 침식의 일환으로 일어나는 일로 과거부터 지금까지 흔히 일어났던 일이며, 앞으로도 계속 일어날 일입니다. 이러한 사태는 인류에 의해 개발이 진행될수록 더욱 빈번히 발생하게 되었고, 그에 따라 자연스레 그 피해도 늘어갔으며, 결국 인류가 가장 주의를 기울이는 자연재해 중의 하나가 되었습니다. 사태가 우리에게 어떻게 위협이 될 수 있는지는 최근에 일어난 피해 사례를 통해 살펴볼 수 있습니다. 2011년 7월 27일 오전 8시 서울시 서초구 우면동 우면산 인근에서 산사태가 발생해 주변 아파트 단지와 전원마을 등 인근 지역이 토사에 매몰되고 16명의 사망자가 발생했습니다. 이 산사태는 7월 26일 오후 4시 20분부터 27일 오전 7시 40분까지 약 15시간 동안의 호우로 지반이 약화된 상태에서 이후 1시간 동안 폭우가 쏟아짐에 따라 지반이 붕괴되면서 발생한 것으로 조사되었습니다. 이 산사태로 그동안에 사태에 대한 대비가 부족했음이 지적되었고, 이를 계기로 우면산을 포함한 서울의 여러 산에 대한 산사태 안정성을 조사하고, 사태를 미연에 방지하기 위한 대책을 마련하도록 노력하였습니다. 우면산 부근에서 일어난 사태 중 하나의 모습으로 이 사태로 인해 예술의 전당 앞에서부터 사당 사거리까지의 남부순환도로가 통제되었습니다. 우면산 사태의 실제 일어나는 모습은 이 유튜브 동영상에서 보실 수 있습니다. 2013년 1월 11일 눈으로 덮인 윈난성 진웅현 한 농촌 마을을 산사태가 덮쳤습니다. 중국 당국은 재난 구호팀을 긴급히 투입하고 매몰자를 구하고자 하였지만, 결국 매몰자 46명 전원이 사망한 채로 발견되었습니다. 이 산사태는 지진으로 약해진 지반에 한 달간 계속 내린 눈과 비로 인해 사면 물질이 미끄러지면서 발생하였습니다. 이 사진은 당시 산사태 현장에서 매몰된 사람들을 구조하기 위해 구급대원들이 작업하는 모습입니다. 사태는 어떤 원인에 의해서든 사면 물질이 불안정해져서 중력에 의해 사면의 경사 방향으로 움직일 수 있을 때 발생합니다. 이 그림은 사면 물질에 작용하는 힘을 모식적으로 나타낸 것입니다. 이 그림에서 사면에 평행한 힘 두 개가 서로 반대방향으로 작용하고 있는데요. 사면에 경사 방향으로 작용하는 힘은 사태를 일으키는 구동력이고, 경사 방향 반대방향으로 작용하는 힘은 사태가 일어나지 않도록 지탱해주는 마찰력입니다. 만일 마찰력이 구동력보다 크면 사면 물질은 안정하게 존재할 것이며, 반대로 구동력이 마찰력보다 크면 사면 물질은 불안정해져서 경사 방향으로 움직여 사태를 일으킬 것입니다.

사면의 안정도에 미치는 요인

사면의 안정도는 여러 가지 요인에 의해 영향을 받습니다. 이러한 요인들은 구동력 및 마찰력에 영향을 미치는 것들로 그 중 중요한 것들을 정리하면 지질구조, 사면 물질의 양과 종류, 지형, 물, 기후, 식생, 시간 등이 있습니다. 지질 구조란 절리, 층리 및 단층면 등과 같은 구조를 말하는 것인데, 이와 같은 면 구조가 사면과 나란할수록 마찰력이 적어져서 사면이 불안정해집니다. 사면 물질의 양이 많을수록 사면은 불안정해집니다. 사면 물질의 양이 늘어나면 구동력이 마찰력보다 더 많이 커지기 때문입니다. 사면 물질이 약한 물질일수록 사면은 불안정해집니다. 일반적으로 토양, 퇴적물, 암석 순으로 사태에 취약하고, 암석일 경우 셰일이 사암에 비해 사태에 취약합니다. 지형적인 요인은 특히 경사가 중요한데, 경사가 클수록 사태 가능성이 높아집니다. 사면에 존재하는 물은 어느 정도까지는 응집력을 증가시켜 사면에 안정성을 기여하나, 또한 동시에 사면의 하중을 증가시키고 수압의 증가로 인한 입자 간 지지력을 약화시키며, 화학적 풍화를 보다 용이하게 하여 마찰력을 감소시키므로 사면을 불안정하게 합니다. 또한 물로 포화된 사면은 작은 충격에도 입자 간 지지가 사라지면서 약화되어 토석류나 이류가 생길 수 있습니다. 기후, 특히 온도와 강수량은 풍화 속도 및 물의 역할과 밀접히 관련된 요인으로 일반적으로 온도가 높고 강수량이 많을수록 사태의 가능성이 높아집니다. 사면에 자라는 식물들은 사면의 하중을 증가시키기는 하지만, 빗물로부터 사면을 보호하고 빗물이 좀 더 사면에 잘 침투할 수 있도록 도와 입자 침식을 방해하므로 사면의 안정성에 기여합니다. 이런 식물들을 벌목 등을 통해 잘라내면 뿌리는 계속 물을 빨아들이는 데 반해 잎을 통한 증산 작용이 없기 때문에 사면을 불안정하게 합니다. 더욱이 벌목 후 뿌리가 썩으면 이로 인해 사면의 마찰력이 크게 감소하여 사태를 유발하기도 합니다. 화재로 식물들이 타버리면 초기에는 재 및 기타 화재 후 소수성 물질 때문에 사면에 물이 쉽게 스며들지 못해 안정하지만, 시간이 지나면 벌목과 비슷한 이유로 불안정해지게 됩니다. 사면의 안정도는 시간에 따라 변화합니다. 그러므로 주기적으로 사면의 안전도를 계속 점검하여야 합니다. 사면 안정성에 대한 지질 구조, 물 및 시간의 영향을 종합적으로 보여줍니다. 층리를 갖는 곳에 계곡이 발달해서 양쪽에 사면이 만들어집니다. 층리가 왼쪽에서 오른쪽으로 경사하므로 왼쪽 사면의 마찰력이 더 낮아 왼쪽 사면이 오른쪽 사면보다 불안정합니다. 당장 왼쪽 사면이 무너져 내리지 않더라도 시간이 지나면 사면의 층리에 따라 스며든 물이 암석을 풍화시켜 점토광물을 만들고 그로 인해 사면의 마찰력이 더욱 감소하여 결국 사태가 발생하게 됩니다. 여러분은 모래 장난을 해보신 적이 있으신지요? 정말 마른 모래는 쌓아 올리면 잘 흘러내려 작은 경사의 사면을 만듭니다. 여기에 약간의 물을 섞으면 응집력이 생겨 모래성을 쌓을 수 있을 정도로 높은 경사를 유지할 수 있습니다. 그런데 모래에 지나치게 물을 많이 부으면 모래와 모래 사이가 떨어질 정도로 물이 가득 차게 되고, 모래성은 무너져 내리게 됩니다. 자연 사면에서의 물의 역할도 이와 똑같습니다. 적정량의 물은 사면을 안정시키지만, 너무 많은 물은 오히려 사면을 불안정하게 합니다. 인간에 의한 개발은 피치 못하게 사면을 변형시키고, 그로 인해 사면을 불안정하게 하여 좀 더 자주 그리고 많은 곳에서 사태가 일어나도록 합니다. 개발을 하면 지질 조건을 악화시켜서 누수로 인해 지형을 인위적으로 변형시키기 때문에 또는 이 모든 이유로 사면이 불안정해집니다. 지질 조건의 악화는 개발에 의한 층리, 절리, 단층면 등의 층상 구조나 풍화에 약한 암층을 노출시키는 것입니다. 이로 인해 사면이 불안정해질 수 있습니다. 개발을 하면 상수 및 하수관, 저수조 및 정화조 등을 설치하게 되는데, 이로부터 누수가 필연적으로 생기게 됩니다. 그리고 용수 활동으로부터 물의 유입 등을 피할 수 없게 되면서 사면의 안정도를 크게 떨어뜨립니다. 개발하는 과정에서 사면의 길이나 경사를 증가시키거나 사면 하단부를 깎아 상대적으로 사면 하중을 늘리는 것과 같은 지형의 변화를 초래하며, 이로 인해 사면이 불안정하게 됩니다. 2009년 4월 6일 이탈리아 중부를 강타한 지진으로 인해 수도관이 파열되면서 일어난 사태의 모습을 보여주는 것입니다. 지진 때문이긴 하지만 인간이 묻은 수도관이 터져 누수가 생기면서 사면을 불안정하게 하고 결국은 사태를 일어나게 한 예입니다. 이 사진은 말레이시아 Penang 건설현장에서 사태가 일어난 모습입니다. 이 사고로 최소 15명이 매몰되었습니다. 이 사태는 건설로 인해 사면을 만들고 변화시켜서 일어난 것으로 보입니다.

사태에 의한 재해 최소화 및 예방을 위한 방법

사태에 의한 재해를 최소화하기 위해서는 사태 가능 지역을 충분히 인식하고, 이들 지역에서 사태가 발생하지 않도록 미리 방지하는 한편, 사람들이 활동하는 것을 가능한 한 억제하는 것이 필요합니다. 사태 가능 지역은 지질조사, 사태 이력조사, 사면 안정성 지도 작성 그리고 여러 징후 관찰을 통해서 인식할 수 있습니다. 지질 조사를 통해 지질학적으로 사태에 취약한 지역을 구분할 수 있습니다. 이전 사태 빈도 조사를 통해서는 과거로부터 사태가 좀 더 자주 발생한 지역을 구분할 수 있습니다. 사면 안정성도를 작성하면 각 사면의 사면 안정성을 평가하여 공간적으로 사태 가능 지역을 표시할 수 있습니다. 이밖에 사면의 사태의 위험성은 건물 벽 등의 균열, 창문틀의 어그러짐, 지하관의 파손·누수, 나무·전신주·울타리 등의 삐뚤어짐, 기울어짐, 사면 기저에 물이 스며 나옴 등과 같은 징후를 관찰함으로써 인지할 수 있습니다. 하와이 오하우 섬의 사면 안정성도의 일부입니다. 이 지도에는 안정 및 불안정 사면이 표시되어 우리가 어떤 부분에 경각심을 가져야 되는지를 알 수 있습니다. 2007년 메인 주에서 사태가 일어나면서 바닥에 생긴 균열의 모습입니다. 이와 같은 균열은 사태가 일어나기 전에 전조처럼 생길 수 있어 사태를 사전에 인지하는 데 이용할 수 있습니다. 사면의 기저 부분에 물이 스며 나오는 모습입니다. 이와 같이 물이 스며 나오면 사면이 불안정할 가능성이 많습니다. 사태를 예방하기 위해서는 가능한 한 안정 사면에 변화를 주지 말아야 합니다. 사태의 위험성이 높은 사면에 대해서는 여러 가지 공학적 보강을 통해 안정화시킵니다. 공학적으로 사면을 안정시키는 방법의 예로는 배수, 경사 완화, 축대 쌓기, 암석 볼트 박기 등이 있습니다. 사면에 배수관 및 배수로를 설치해 물을 제거함으로써 안정성을 높일 수 있습니다. 계단식 정리 작업 같은 것을 통해 사면을 완화시켜 안정성을 높일 수 있습니다. 사면 아래에 사면 물질을 지지할 수 있는 축대를 쌓으면 사면의 안정성이 향상됩니다. 사면에서 떨어지거나 미끄러지기 쉬운 암석을 볼트를 통해 고정하여 안정성을 높일 수도 있습니다. 이 사진은 계단식 사면 정리 작업을 하는 모습입니다. 이 사진은 사면의 안정화를 위해 축대를 쌓은 모습입니다. 암석 볼트를 박아 넣는 모습입니다.

풍화, 침식, 운반 그리고 퇴적의 개념과 역할

지표 부근에서 암석은 잘게 부서지고 깎여나가며, 부서진 조각들은 다른 곳으로 운반되어 쌓입니다. 이러한 일련의 과정은 주로 태양에너지와 중력 에너지가 하는 일입니다. 풍화, 침식, 운반 및 퇴적에 대해 얘기해보겠습니다.

풍화의 개념

풍화, 즉 Weathering이란 지표 부근의 환경에서 지구 구성물질들, 특히 암석이 이 환경 조건에 따라 분해 및 재구성되는 현상을 말합니다. 분해되는 물질들은 암석, 유기물 또는 기타 고형 물질들로 현재 놓인 환경과는 다른 환경에서 생성되어 궁극적으로는 불안정한 물질들이며, 지질학에서는 주로 암석의 분해를 풍화라 지칭합니다. 풍화를 통한 고형 물질의 분해는 단순 기계적인 부서짐과 함께 화학적인 반응을 통한 분해를 포함합니다. 우리는 전자를 물리적 또는 기계적 풍화라 하고, 후자를 화학적 풍화라 합니다. 이 둘은 많은 부분 무기적으로 진행되지만 적지 않은 양은 생물의 활동을 통해서도 이루어집니다. 그럼 물리적 풍화와 화학적 풍화에 대해 좀 더 자세히 알아보겠습니다. 물리적 풍화란 물리적인 힘 또는 기계적인 작용을 통해 물질을 부수거나 깨뜨리는 작용입니다. 물리적 풍화를 일으키는 요인은 온도 변화, 동결, 압력 변화, 수류 작용, 광물 성장 및 기타 생물에 의한 작용 등이 있습니다. 온도 변화는 물질들의 온도에 따른 신장 수축의 차이로 인해 깨지거나 부서지게 합니다. 동결, 특히 물의 동결로 인한 부피의 증가로 틈 사이가 벌어지면서 깨집니다. 압력 변화는 본래 만들어진 환경보다 압력이 감소하는 것을 의미하는 것으로 이 때문에 물질이 팽창하면서 갈라지거나 떨어져 나갑니다. 수류는 틈에 공기를 가두었다가 후에 이를 팽창시켜 틈을 벌립니다. 벌어진 틈과 같은 빈 공간에서 광물이 성장하면 이 광물 성장의 힘으로 틈을 더욱 벌리거나 쪼갭니다. 생물에 의한 물리적 풍화는 예를 들어 이끼 등이 바위 표면에 붙어 수분을 유지하여 이 수분에 의한 물리적 풍화를 유발하거나 식물의 뿌리 등에 의해 틈이 좀 더 깊어지고 넓어지는 물리적 풍화가 진행되는 것들을 말합니다. 이 그림은 동결에 의해 암석이 어떻게 쪼개지는지를 보여줍니다. 쐐기 모양의 벌어진 틈에 물이 차고, 이 물이 얼면 부피가 증가하면서 틈 양쪽의 암석을 밀어내 쪼갭니다. 아래는 실제로 이와 같은 동결 쐐기 작용에 의해 깨진 암석을 보여줍니다. 그 옆의 사진은 식물의 뿌리가 돌 틈으로 파고 들어가 성장을 하면서 암석을 쪼개는 장면과 암석의 깨진 틈으로 나무가 자라면서 암석을 쪼갠 장면을 보여주는 사진입니다. 이 사진은 미국 Zion 국립공원에서 흔히 볼 수 있는 암석 낙하 사진입니다. 이 암석 낙하는 동결 쇄기 작용에 의해 암석이 깨지면서 발생하였습니다. 이 사진은 미국 Yosemite 국립공원의 화강암이 그 외형을 따라 얇게 쪼개져 있는 것을 보여줍니다. 이것을 박리(Exfoliation)이라 하는데, 지하 깊숙이 있던 화강암이 지표에 노출되면서 압력이 제거되어 팽창하면서 일어나는 물리적 풍화현상입니다. 이 사진은 미국 Guadalupe 산맥 국립공원에서 식물의 뿌리가 암석의 틈으로 파고 들어가 쐐기 작용을 일으키면서 물리적 풍화를 일으키는 모습입니다.

화학적 풍화의 개념

화학적 풍화는 화학 반응을 통해 물질을 분해하는 것인데, 여러 반응 매질을 통해 진행될 수 있으나 지표에서는 대개 물을 매개로 진행됩니다. 화학적 풍화를 일으키는 반응들로는 용해, 가수분해, 산화 등이 있습니다. 이 외에도 몇 가지 풍화 반응들이 있지만 이 세 가지 반응을 통해 주로 화학적 풍화가 이루어지며 이를 통해 굳은 암석들은 약해지고 부서지게 됩니다. 이 사진은 펜실베니아 스테이트 칼리지 도로변에 노출된 오르도비스기의 비교적 신선한 석회암과 풍화된 석회암을 보여줍니다. 오른쪽의 노드를 보면 층간에 움푹 들어간 것이 보이는데, 이는 석회암을 구성하던 탄산염 광물이 선택적으로 화학적 풍화를 통해 용해된 결과이며, 암석의 깨진 틈을 따라 토양이 채워진 것을 볼 수 있습니다. 토양이 약간 붉은 것은 화학적 풍화 산물인 산화철의 존재 때문입니다. 이 사진은 영국 모레이 지역의 풍화된 화강 압입니다. 화학적 풍화에 의해 원래 암석의 특징이 많이 지워져 있습니다. 이 풍화 단면에는 많은 카올리 나이트 류 광물이 포함되어 있는데, 이는 화강암을 구성하던 장석류가 가수분해를 통해 만들어진 것입니다. 물리·화학적으로 풍화된 물질들은 쉽게 침식되고 운반되어 적절한 장소에 퇴적되게 됩니다. 이 작용들을 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

침식, 운반, 퇴적의 개념

침식(Erosion)은 지표 부근의 물질들이 중력이나 유체의 힘에 의해 제거되는 현상입니다. 풍화에 의해 생성된 미고결 물질들은 훨씬 쉽게 제거될 수 있기 때문에 침식당하는 것은 주로 이런 풍화 산물들이지만, 드물게 풍화되지 않은 물질들도 침식될 수 있습니다. 침식당한 물질들은 원래 있는 곳으로부터 다른 곳으로 이동되는데 이를 운반이라고 하고, 운반되는 물질들을 짐(load)이라고 합니다. 짐은 바닥에 끌리거나 구르거나 튀어서 운반되는 밑짐, 뜬 채로 운반되는 뜬 짐, 그리고 녹아서 운반되는 녹은 짐으로 구분됩니다. 유체의 운반력이 감소하면 어느 순간 바닥으로 내려앉아 더 이상 움직이지 않게 되든지 과도하게 녹은 성분들은 침전되어 쌓이게 됩니다. 이렇게 가라앉아 쌓이는 것을 퇴적, Deposition 또는 Sedimentation이라 합니다. 이와 같이 침식-운반-퇴적은 서로 매우 긴밀한 관계를 갖고 있는 일련의 지질 현상입니다. 침식-운반-퇴적 작용을 하는 유체는 크게 유수, 바람 그리고 빙하가 있습니다. 유수는 빗물을 위시해서 하천수 및 강수 그리고 해수를 포함합니다. 유수의 침식 및 운반 능력은 유체의 유속, 점도 및 밀도에 의해 결정됩니다. 이들 유속, 점도 및 밀도가 어떻게 짐을 움직이고 운반하고 가라앉히는지에 대한 자세한 내용은 다른 전문서적을 참고하시기 바랍니다. 에스토니아 룸 무의 언덕인데, 빗물에 의해 침식된 모양을 잘 보여줍니다. 여기 이 그림은 소위 휼스트롬 도표라 부르는 것으로 유속과 침식-운반-퇴적되는 짐의 입자 크기와의 상관관계를 보여줍니다. 그림에서 두 개의 곡선이 그려져 있고 이 두 곡선이 침식, 운반, 퇴적이라는 세 영역으로 나누는 것을 볼 수 있습니다. 아래쪽 곡선보다 낮은 영역에 해당하는 유속과 입자 크기를 가지면 퇴적되어야 하며, 위쪽 곡선보다 높은 영역의 유속과 입자 크기를 가지면 침식된다는 뜻이고, 그 중간에 해당하는 유속과 입자 크기를 가지면 운반될 수 있다는 뜻입니다. 먼저 아래쪽 곡선을 보면 유속이 증가할수록 더욱 커다란 짐을 침식해서 운반할 수 있음을 보여줍니다. 입자 크기가 매우 작아지면 낮은 속도로도 운반할 수 있지만, 위쪽 곡선이 나타내듯이 일단 퇴적된 입자들을 다시 띄워 침식시키기 위해서는 오히려 입자 크기가 작아질수록 더 높은 속도가 필요하게 됩니다. 이는 입자가 작아지면서 서로 보다 잘 엉겨 마치 큰 입자처럼 행동하기 때문입니다. 유수의 점도와 밀도는 뜬 짐 및 녹은 짐의 양에 따라 결정되며, 이들에 비례해서 침식력 및 운반력도 증가하게 됩니다. 폭우가 내린 날 뜬 짐을 가득 가진 흙탕물이 얼마나 파괴적일 수 있는지를 생각해보시기 바랍니다. 이때는 평상시 하천 바닥에 가라앉아 움직이지 않던 비교적 큰 돌덩이들도 하천에 휩쓸려 내려가는 일이 생깁니다. 이것은 물론 유속이 평상시보다 빨라서이기도 하지만, 많은 양의 뜬 짐으로 인해 높아진 밀도와 점성으로 더 큰 침식, 운반력을 갖기 때문이기도 합니다. 이 그림은 물에 의해 운반되는 밑짐과 뜬 짐 그리고 녹은 짐을 나타냅니다. 녹은 짐은 물에 녹아 있어 눈에 보이지는 않습니다. 물에 의해 운반되던 짐이 퇴적되어 쌓인 후 굳어지면 퇴적암이 됩니다. 밑짐 및 뜬 짐은 부서진 조각 및 가루들이므로 쇄설성 퇴적암이 됩니다. 이 사진은 나일 강 하구에 발달된 삼각주의 모습을 보여줍니다. 이 삼각주는 나일 강이 운반하던 뜬 짐을 퇴적시켜 만든 것입니다. 나중에 이것이 굳어져 퇴적암을 만들 것입니다. 녹은 짐은 침전되어 화학적 퇴적암이 됩니다. 여기서 한 가지 주의할 것은 녹은 짐의 퇴적은 유속 등과 같은 물리적 요인들이 아니라 포화 여부에 따라 결정된다는 점입니다. 캘리포니아 동부의 Deep Springs Lake가 마르면서 녹은 짐을 침전시키는 모습입니다. 이 침전물은 나중에 암 석화되면 증발 암이 됩니다. 퇴적암의 분류에 대한 내용은 이 강좌의 암석 부분을 참조하도록 하고, 더욱 자세한 것은 해당 분야의 전문서적을 통해 공부하도록 합시다. 바람에 의한 침식-운반-퇴적도 유수와 크게 다르지 않습니다. 하지만 바람은 물보다 밀도가 훨씬 낮고 그 변화도 적어 주로 속도에 따라 그 능력이 결정되며, 운반할 수 있는 물질의 크기가 극히 제한적입니다. 바람에 의해 운반되는 입자들은 떨어졌다 튀어 오르기를 반복하면서 움직이는 일이 매우 흔하며, 이런 이유로 운반 입자들은 일정 높이 이상 오르지 못하게 되어 이 사진과 같은 독특한 침식 지형이 만들어집니다. 바람의 운반력이 다하면 짐들은 떨어져 퇴적되게 되는데, 이렇게 형성된 퇴적암을 풍성 퇴적암이라 합니다. 빙하는 물이나 바람과는 매우 다른 침석-운반-퇴적 양상을 보입니다. 빙하의 이동은 자체 하중에 의한 소성 변형에 의해 이동합니다. 빙하에 의한 침식 및 운반력은 빙하의 이동 속도와 크게 관련이 없습니다. 이 사진은 빙하가 운반하는 짐과 그 주변의 퇴적물들을 보여줍니다. 빙하가 운반하는 짐은 빙하 위로 떨어진 것, 빙하의 측면 및 바닥에서 긁어 만들어진 것 그리고 빙하의 틈을 따라 아래로 이동하는 암석 부스러기들로 이루어져 있습니다. 이렇게 운반되는 짐들은 빙하가 따뜻한 곳으로 움직여 녹을 때 그곳에 퇴적됩니다. 이렇게 퇴적된 퇴적물을 빙퇴석이라 하고, 이것이 굳어져 된 암석을 빙성 퇴적암이라고 합니다. 빙하가 물러나면 빙하 퇴적물과 빙하에 의한 침식 지형이 남습니다. 빙하 침식 지형의 특징은 뾰족한 산릉, U자 모양의 계곡 그리고 빙하가 끌린 흔적인 빙하 조선 등을 꼽을 수 있습니다. 빙하 조선은 '빙하에 의해 생겨진 선 모양의 홈'이라는 뜻인데요. 사진은 캐나다에서 볼 수 있는 빙하 조선과 미국 Glacier 국립공원의 빙하 지형의 모습입니다.