한반도 남부의 제4기 말 선상지 형성 시기

1. 서 론

2. 연구 지역

2.1. 연구 지역 개관

연구 지역인 우리나라가 위치한 한반도 남부는 필리핀판과 태평양판에 인접한 유라시아판의 동쪽 가장자리에 위치한다(그림 1). 한반도 남부는 선캄브리아시대부터 신생대에 이르기까지 모든 시대에 형성된 다양한 암석 유형이 분포하고 있다. 1:250,000 수치지질도를 토대로 GIS 프로그램을 이용하여 측정한 결과, 한반도 남부에서 분포 면적이 가장 넓은 암종은 중생대 쥐라기와 백악기에 대부분 생성된 화강암으로 한반도 남부 면적의 약 34%를 차지하며, 다음으로 선캄브리아시대에 주로 생성된 편마암류가 약 25%의 면적을 차지한다.

한반도 남부의 기후는 동아시아 몬순의 영향을 받는 중위도 아열대습윤기후와 대륙성습윤기후에 해당한다. 온난 습윤한 북태평양 기단이 영향을 미치는 여름철에는 강수량이 많고, 한랭 건조한 시베리아 기단이 지배적인 겨울철에는 강수량이 적다. 그리고 한반도 남부의 연평균 기온은 7~16℃, 연 강수량은 1,200~1,600 mm이다. 장마전선, 태풍, 이동성 저기압 등이 영향을 미쳐 집중호우가 발생하는 여름 몬순 기간인 6월에서 9월까지의 강수량은 연 강수량의 약 2/3를 차지하여, 강수가 여름철에 집중되어 발생한다(Lee, 2024).

Fig. 1.

Study area: 38 sites of alluvial fans in the southern Korean Peninsula.

연구 대상 선상지는 한반도 남부의 북위 34.4°~38.3° 범위에 분포하는 다양한 크기와 형태를 가진 38개 선상지이다(그림 1; 표 1). 이 중 33개 선상지는 선행 연구를 통해 절대 연대가 제시된 곳이며, 본 연구에서는 포천 장암(4: PC12), 충주 주치(8: CJ2), 보령 청라(12: BR6), 군위 대율(15: GW2), 경남 고성 감서(32: GS43)의 5개 선상지에 대한 지형 및 퇴적층 분석과 OSL 절대 연대 측정이 실시되었다. 38개 선상지 중 22개는 한반도 남부의 융기 축으로 제시되는 태백산맥(8개)과 소백산맥(14개) 주변의 높은 산지와 접한 하곡과 분지에 위치하며, 6개는 영남 내륙과 양산 단층 주변 산지에, 7개는 남해안 일대 산지와 도서에, 나머지 3개는 서해안의 낮은 산지와 접한 하곡과 분지에 위치한다. 연구 대상인 38개 선상지 중에서 면적 2 km² 이상의 대형 선상지는 고성 천진, 무주 안성, 거창 위천, 거창 가조, 울주 상천, 구례 마산, 사천, 장흥으로 총 8개이다.

Table 1.

Location, elevation, and age date of 38 sites of alluvial fans in the southern Korean Peninsula.

2.2. 한반도 남부의 선상지

한반도 남부의 선상지는 신생대 제4기에서도 강수량이 많아 하천 유량이 증가하고 산사태가 활발한 시기에 형성된 것으로 해석되고 있다(Lee, 2022b; Lee et al., 2023a). 선상지 형성 이후, 지형면의 내부에는 하천의 하각과 측방 침식에 의해 개석곡(dissection valley)이 형성되었고, 개석곡에서는 하천에 의한 퇴적물의 매적과 하각 작용이 반복되면서 현재에 이르고 있다(그림 2; Lee and Cho, 2013; Lee, 2022b; Lee et al., 2023a, 2023b). 그 결과, 선상지 지형면은 일반적으로 하도를 따라 평행한 좁고 긴 열을 이루며, 횡단면 상에서는 2~3단의 하안단구의 형태를 띠게 된다. 따라서, 한반도 남부의 선상지는 대부분 선상지 단구를 이루고 있으며(Lee et al., 2023a, 2023b), 일본과 대만의 선상지에 비해 면적이 작은 편이다(Yoon et al., 2005). 그렇지만, 지형 분석 결과, 한반도 남부에는 2 km² 이상의 면적을 갖는 대형 선상지가 총 34개 확인되어, 전체 면적 대비 선상지의 발달이 상당히 양호한 편이다(그림 3). 34개 대형 선상지 중 구례 마산(화엄사), 사천 등 20개는 부채꼴을 이루는 전형적인 충적 선상지의 형태를 띠고 있으며, 무주 안성, 담양 대전 등 나머지 14개의 선상지는 선상지 단구로 나타나고 있다.

Fig. 2.

Schematic diagram of fan terrace formation by time (Lee et al., 2023b).

Fig. 3.

Major alluvial fans in the southern Korean Peninsula. (a) Distribution of large (area > 2 km2) alluvial fans. (b) Photo of Gurye Masan (Hwaeomsa) fan. (c) Photo of Sacheon fan.

지형 조건의 측면에서 보면, 한반도 남부의 34개 대형 선상지는 3가지 유형으로 구분할 수 있다. 첫 번째 유형은 산지의 좁은 하곡에서 비교적 넓은 침식 분지의 분지저로 흐르는 소하천이 곡구에 퇴적물을 쌓아 형성한 선상지로서, 신북, 제천, 청도, 초계 선상지가 이에 해당한다. 두 번째 유형은 구례 광의(천은사), 구례 마산, 사천, 삼천포 선상지 등 넓은 범람원에 발달한 본류 하천을 향해 흐르는 지류 하천의 곡구에 발달한 선상지이다. 세 번째 유형은 선형의 단층곡 내부로 횡적으로 유입되는 소하천에 의해 형성된 것으로, 주변 소하천이 형성한 선상지와 연속적으로 이어진 합류 선상지(confluent fan)를 이루는 경우가 많으며, 양산 단층곡과 울산 단층곡에 발달한 경주, 안강, 입실, 상천 선상지가 대표적이다.

3. 연구 결과

3.2. 5개 선상지의 지형과 연대

38개의 연구 대상 선상지 중에서 포천 장암(4: PC12), 충주 주치(8: CJ3), 보령 청라(12: BR6), 군위 대율(12: GW2), 고성 감서(32: GS43)의 5개 선상지는 본 연구를 통해 지형 및 퇴적층 특성이 분석되고 OSL 연대가 측정되었다. 경기 포천시 이동면 장암리 일대에 위치한 포천 장암 선상지(4: PC12)는 장암천의 양안에 2단의 선상지 단구가 길게 발달하고 있다(그림 4). 퇴적층 노두 PC12는 북위 38°02'02", 동경 127°22'25"E에 위치하며, 더 오래되어 고도가 높은 선상지 단구 2면의 단구애 절개지에서 확인된 노두이다(그림 4a). 노두 PC12는 기반암 위에 하성 퇴적층이 3 m 이상의 두께로 나타나며, 퇴적층은 모래와 실트로 이루어진 기질(matrix)에 아각(sub-angular)~아원(sub-rounded)의 원마도를 가진 왕자갈(cobble)에서 거력(boulder)으로 가득 차 있다. OSL 연대 측정이 이루어진 선상지 단구 2면의 해발고도는 168.4 m, 연대 측정 지점의 해발고도는 164.0 m이며, 장암천 하상과 선상지 단구면 사이의 고도 차이인 지형면 하상비고는 11.0 m로 측정되었다. 퇴적층 중앙에서 수집된 PC12의 OSL 연대는 44 ± 4 ka로 측정되어(표 2), 지난 최종 빙기의 중반인 MIS (marine oxygen isotope stage) 3에 선상지 단구 지형면이 형성된 것으로 나타났다.

충주 주치 선상지(8: CJ3)는 충북 충주시 소태면 주치리에 위치하며, 운계천 곡저와 접한 산록에 좁고 길게 암설류 선상지 단구 2면이 발달해 있다(그림 4b). 소하천과 접하는 단구애에서 확인된 퇴적층 노두 CJ3의 위치는 북위 37°09'38", 동경 127°52'03"E이다. 높이 10 m에 가까운 단애를 이룬 노두의 상부에서는 아각~아원의 원마도를 가진 왕자갈~거력이 포함된 하성 자갈질 모래층이 3 m 이상의 두께로 확인된다. 노두 바로 위의 선상지 단구면의 해발고도는 129.6 m, 단구면의 하상비고는 7.7 m이다. OSL 연대 측정이 이루어진 지점의 해발고도는 128.9 m이고, OSL 연대는 48 ± 5 ka로 얻어져(표 2), 선상지는 지난 최종 빙기의 중반인 MIS 3에 형성되었다.

충남 보령시 청라면 의평리 일대에 발달한 보령 청라 선상지(12: BR6)는 의평천이 본류인 대천천에 합류하는 곡저부에 형성한 하성 선상지 단구이다(그림 5a). 선상지 단구 2면의 북측 선단부는 대천천의 측방 침식으로 높이 20 m에 달하는 단애를 이루고 있으며, 단애의 최상부에서 퇴적층 노두 BR6가 발견되었다. 북위 36°23'17", 동경 126°40'05"에 위치한 노두 BR6은 아원~원(rounded)의 왕자갈~거력이 조밀하게 채워져 있는 4 m 이상 두께의 하성 모래질 자갈층을 이루고 있다. 노두 바로 상부 선상지 단구 2면의 해발고도는 74.1 m이고 하상비고는 12.4 m이며, OSL 연대 측정 지점의 해발고도는 72.1 m이다. OSL 연대는 82 ± 6 ka로 얻어져(표 2), 지난 최종 간빙기인 MIS 5에 선상지가 형성된 것으로 나타났다.

Fig. 4.

Geomorphological map of alluvial fans and photographs of age dating points and outcrops at Pocheon Jangam fan (PC12) and Chungju Juchi fan (CJ2) sites surveyed in this study.

Table 2.

Result for OSL age dating of 5 sites measured in this study.

Fig. 5.

Geomorphological map of alluvial fans and photographs of age dating points and outcrops at Boryeong Cheongra fan (BR6) Gunwi Daeyul fan (GW2), and Goseong Gamseo fan (GS43) sites surveyed in this study.

군위 대율 선상지(12: GW2)는 대구 군위군 부계면 대율리에 위치하며, 화강암 산지인 팔공산으로부터 다량의 암설을 공급받아 흘러내리는 남천의 하곡을 따라 발달한 좁고 긴 2~3단의 암설류 선상지 단구를 이루고 있다(그림 5b). 선상지 단구 2면과 접하는 남천의 하안에서 확인된 퇴적층 노두 GW2는 북위 36°03'33", 동경 128°39'29"에 위치한다. 퇴적층 노두 GW2는 약간 풍화된 기반암 위에 두께 2 m 내외의 아각~아원의 왕자갈~거력을 포함한 자갈질 모래층을 이루고 있으며, 퇴적층 하부의 모래층에서 OSL 연대 시료를 수집하였다. GW2가 위치한 선상지 단구 2면의 해발고도는 235.8 m이며, 하상비고는 9.6 m이고, OSL 연대 측정 지점의 해발고도는 226.4 m이다. OSL 연대는 42 ± 4 ka로서(표 2), MIS 3에 선상지가 형성된 것으로 나타났다.

경남 고성군 거류면 감서리 일대에 발달한 고성 감서 선상지(32: GS43)는 해안의 산록에 손가락을 펼친 듯한 형태를 이룬 충적 선상지이다(그림 5c). 선상지 지형면은 주변보다 고도가 높고 개석이 심하여 오래된 선상지 2면으로 구분되며, 퇴적층 노두 GS43은 북위 35°00'54", 동경 128°23'26"의 2차선 도로와 접한 선단의 단애면에서 발견되었다. 노두 GS43은 풍화가 상당히 진행된 기반암의 상부에 약 3 m 두께를 이룬 수평의 하성 퇴적층으로, 퇴적층 하부는 아원의 잔자갈(pebble)이 포함된 모래질 자갈층이 상부는 실트질 모래층이 발달해 있으며, OSL 시료는 상부 모래층에서 수집하였다. 노두 바로 상부 선상지 지형면의 해발고도는 11.1 m이고, 선상지면의 하상비고는 10.1 m이며, OSL 연대 측정 지점의 해발고도는 6.2 m이다. OSL 연대는 142 ± 12 ka로서(표 2), 지지난 빙기인 MIS 6에 선상지가 형성된 것으로 나타났다. GS43의 OSL 연대는 다른 시료들에 비하여 매우 높은 등가선량(Equivalent dose)값과 상대적으로 낮은 연간선량(Dose Rate)값을 갖는다. 이러한 등가선량 값은 선량 포화(signal saturation)에 가깝기 때문에 측정 가능한 최대값으로 여겨지는 반면, 낮은 연간선량 값은 높은 수분함량(Water Content)에 영향을 받은 것으로 생각된다. 종합적으로 해석할 때 산출된 연대 결과는 최소 연대(Minimum Age)로 해석된다.

4. 토 론

4.1. 38개 선상지의 형성 시기

선상지 퇴적층을 대상으로 측정된 OSL 연대를 선상지의 형성 시기로 간주할 때, 연구 대상인 한반도 남부 38개 선상지의 형성 시기는 27 ka에서 155 ka까지로 나타났다(표 2). 그러나 한반도 남부에서 소규모 선상지 퇴적층의 절대 연대가 홀로세로 분석된 연구 결과도 있다는 점을 고려할 때(Park et al., 2011; Lee, 2022b), 한반도 남부에서 선상지의 가장 최근 형성 시기는 21 ka가 아닌 현재까지로 보는 것이 타당할 것으로 판단된다. 또한 제4기 충적층을 대상으로 한 OSL 연대 측정은 OSL 연대의 상한이 약 150 ka라는 점을 고려하면, 본 연구의 38개 선상지 중 가장 오래된 연대인 155 ka 이전의 시기에도 한반도 남부에서는 여러 곳에서 다수의 선상지 지형면이 형성되었을 것으로 추정된다.

38개 선상지 퇴적층에서 측정된 OSL 연대, 즉, 38개 선상지의 형성 시기를 종합해보면 2 ka의 시간 범위 내에서 2개 지점 이상에서 선상지가 형성된 시기는 28, 36, 42, 45, 48, 71, 87, 90, 114 ka로 정리된다(그림 6a의 진한 회색 세로선). 따라서 이들 연대는 한반도 남부에서 선상지의 형성에 유리한 기후 조건이 빈번하게 나타났던 시기로 볼 수 있다. 또한, 면적이 2 km² 이상인 8개 대형 선상지의 형성 연대는 30, 42.5, 47, 66, 70, 74, 89.6, 114 ka로 나타나서, 이 시기에는 면적이 넓은 대형 선상지의 형성이 가능하도록 다량의 암설과 퇴적물이 하도를 따라 공급되어 쌓일 수 있는 매우 강렬한 집중호우와 산사태가 일부 지역에서 발생했던 것으로 추정된다. 그리고 2개 이상 지역에서 선상지가 형성된 연대와 대형 선상지가 형성된 연대가 서로 중첩되는 시기는 30, 42, 48, 70, 90, 115 ka 무렵으로 정리할 수 있다(그림 6a의 보라색 세로선). 이 시기는 선상지 형성의 빈도와 강도를 모두 만족하는 기후 조건을 가진 시기로, 한반도 남부에서 선상지 형성에 유리한 기후 조건인 매우 강한 집중호우와 태풍 등에 의한 돌발 홍수와 산사태가 발생하였던 시기로 볼 수 있다.

38개 선상지에 대해 OSL 연대의 오차 범위 기간을 모두 포함하여 선상지 형성 시기로 산정할 경우, 제4기 말 선상지 형성 시기의 빈도는 그림 6b의 녹색선과 같다. 선상지 개수가 최대로 나타나는 약 28~32, 44~48, 70, 79~80, 87~88, 110, 147~154 ka는 선상지 형성이 가장 빈번했던 것으로 보이며, 이 시기는 앞서 제시한 선상지 형성에 유리한 시기와도 대체로 유사한 경향을 가진다. 반대로, 선상지의 형성이 가장 드물었던 시기는 약 21, 59, 102, 128 ka로서, 이 시기에는 한반도 남부에서 집중호우나 태풍의 강도와 빈도가 약해지는 등의 선상지 형성에 불리한 기후 조건이 나타났던 것으로 추정된다.

38개 선상지 연대의 빈도, 강도, 연대 범위 등을 모두 고려하여, 한반도 남부의 주요 선상지 형성 시기를 정리해 보면 표 3과 같다. 제4기 말 한반도 남부에서 선상지의 주요 형성 시기는 28~32, 42~48, 66~74, 86~91, 110~117, 147~154 ka로 정리되어, 이 시기가 선상지 형성에 유리한 기후 조건을 가졌던 것으로 추정된다. 이 시기에서도 최대 빈도를 나타내는 28, 48, 70, 90, 114 ka는 선상지 형성이 가장 활발했던 최대 빈발기로, 선상지가 형성될 수 있는 원인을 제공한 주요 기후 사건이 집중적으로 발생하였던 시기로 판단된다. 특히, 이 최대 빈발기는 20~24 ka의 일정한 시간 간격을 이루고 있어서, 20~24 ka는 한반도 남부 선상지 형성에 유리한 기후 사건의 발생 주기일 가능성이 높다.

38개 선상지의 형성 시기 빈도 곡선(그림 6b의 녹색선)에 가장 부합하는 추세 곡선(fitting curve)을 작성해 본 결과, 23 ka와 100 ka 주기를 혼합한 곡선(그림 6b의 회색선)과 41 ka와 100 ka 주기를 혼합한 곡선(그림 6b의 검은색선)이 가장 유사한 추세로 표현되고 있다. 23, 41, 100 ka는 지구의 공전 및 자전과 관련한 궤도 주기(orbital cycle)로서, 23 ka는 세차운동, 41 ka는 자전축 기울기 변화, 100 ka는 공전궤도 변화 주기이다(Hays et al., 1976; Berger, 1977). 이 3가지 궤도 주기는 앞서 제시한 38개 선상지의 발생 주기인 20~24 ka와 일치하거나 배수에 해당하여, 한반도 남부의 선상지 형성 주기는 궤도 주기와 거의 일치하는 것으로 분석되었다. 특히, 한반도가 위치한 동아시아 지역에서 궤도 주기는 여름철 강수량 증가를 유발하는 여름 몬순의 강도 변화와 매우 밀접한 관련을 가진다. Sun et al. (2022)은 동아시아에서 제4기 동안의 여름 몬순 변동은 지구 궤도 변화, 빙하의 확장과 축소, 온실가스 강제력이 결합된 효과에 의해 23, 41, 100 ka 주기로 나타난다고 주장하였다. 또한, Zhisheng et al. (2015)도 중국 황토 고원 뢰스와 남중국해 퇴적층 분석 결과를 토대로 동아시아 몬순은 23, 41, 100 ka의 주기를 가진다고 제시하였다.

Fig. 6.

Comparison of formation ages of fans in the southern Korean Peninsula with climate change data. (a) Formation ages and error ranges of alluvial fans in the southern Korean Peninsula. The gray part represents the formation period of the alluvial fans. The darker the gray, the more alluvial fans were formed. The gray lines are the formation ages of the alluvial fans (the darker the color, the greater the number of fans), and the purple lines are the formation ages of the large size alluvial fans. (b) Number of the alluvial fans (green line) and 2 best matching curves: the gray line is 23+100 ka cycle and the black line is 41+100 ka cycle. (c) Ice volume and insolation proxies: marine benthic δ18O stack (sky blue). The gray areas are the main formation period, and the black thick lines are the peak age in c and d. (d) Changes in precession (blue) (Cheng et al., 2016) and Northern Hemisphere July insolation (red) (Zhisheng et al., 2015).

Table 3.

Main formation periods and formation areas of alluvial fans in the southern Korean Peninsula.

5. 결 론

선상지는 하천이 유속과 유량 감소로 인해 산지의 전면에 퇴적물을 쌓아서 형성한 대표적인 제4기 충적 지형 중 하나이다. 한반도 남부와 같은 중위도 습윤 기후 지역의 선상지는 집중호우나 태풍에 의한 수천 년 주기의 돌발 홍수로 인해 주로 발생한다. 본 연구는 한반도 남부의 선상지를 대상으로, 제4기 말의 선상지 형성 시기와 기후 변화 사이의 관계를 파악하고자, 한반도 남부에 발달한 38개 선상지의 OSL 절대 연대를 종합하여, 한반도 남부에서 제4기 말의 선상지 형성 시기와 주기성을 분석하였다. 연구 대상인 38개 선상지는 충적 선상지 7개, 선상지 단구 16개, 하성 선상지 단구 7개, 암설류 선상지 단구 8개로 유형이 구분되었다. 38개 선상지의 형성 연대는 27~155 ka의 범위이며, 제4기 말 선상지의 주요 형성 기간은 28~32 ka (MIS 3 후반), 42~48 ka (MIS 3 초반), 66~74 ka (MIS 4 초반), 86~91 ka (MIS 5b), 110~117 ka (MIS 5d)이며, 최고 형성 시기는 28, 48, 70, 90, 114 ka로 분석되었다. 이 시기는 현재보다 기온이 낮으며, 대체로 빙기와 간빙기의 중간 상태에서 나타나는 기온 하강기에 해당한다. 따라서 한반도 남부에서는 약간 한랭한 기온 하강기에 여름철 집중호우나 태풍의 증가로 선상지 형성에 유리한 조건을 제공하는 돌발 홍수와 산사태의 발생이 증가하였을 가능성이 높다.

동아시아 지역에서 선상지나 하안단구와 같은 제4기 충적 지형의 형성은 여름 몬순의 강도 변화와 관련이 깊다. 그리고 한반도 남부 선상지의 최고 형성 시기의 연대 간격은 20~24 ka로서, 동아시아 여름 몬순 강도의 변화를 유발하는 세차운동과 북위 65°의 7월 일사량 변화 주기인 23 ka와 일치한다. 또한 한반도 남부 선상지의 최고 형성 시기는 선행 연구에서 동아시아 여름 몬순 강도의 증가 시기로 제시된 북반구 일사량의 최저기와 대체로 일치한다. 결국, 제4기 말 한반도 남부의 선상지의 형성 시기는 여름철 강우 강도의 증가에 따라 강력한 돌발 홍수와 산사태를 유발할 수 있는 동아시아 여름 몬순의 강도 변화와 깊은 관련이 있는 것으로 추정된다. 따라서 한반도에서 제4기 충적 지형의 형성 과정과 요인을 심층적으로 해석하기 위해서는 제4기에 동아시아 여름 몬순의 강도 변화에 따른 한반도의 고기후 변화를 이해할 필요가 있다.

Acknowledgments

본 연구는 한국지질자원연구원의 기본 사업으로 수행한 “지질기록체를 활용한 인간간섭의 기후환경변화 영향연구(25-3413)” 과제의 지원으로 수행된 연구입니다. 논문 작성에 많은 도움을 주신 심사위원분들과 편집위원님들께 감사를 드립니다.

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