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Journal of the Geological Society of Korea - Vol. 57 , No. 2
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[ Article ]
Journal of the Geological Society of Korea - Vol. 57, No. 2, pp. 195-207
Abbreviation: J. Geol. Soc. Korea
ISSN: 0435-4036 (Print) 2288-7377 (Online)
Print publication date 30 Apr 2021
Received 06 Apr 2021 Revised 19 Apr 2021 Accepted 22 Apr 2021
DOI: https://doi.org/10.14770/jgsk.2021.57.2.195

우주선유발 동위원소를 이용한 한반도 암석해안 발달과 침식에 대한 수치모형연구: 서해안 둔두리 파식대, 동해안 독도 파식대를 사례로
정아라1, ‡ ; 성영배2 ; 최광희3 ; 이초희2
1고려대학교 미래국토연구소
2고려대학교 지리교육과
3가톨릭관동대학교 지리교육과

A numerical model study for simulation of rocky coast evolution and erosion using cosmogenic nuclides: A case study along the Dunduri and Dokdo shore platform in Korea
Ara Jeong1, ‡ ; Yeong Bae Seong2 ; Kwang Hee Choi3 ; Cho Hee Lee2
1Research Institute of Future Land, Korea University, Seoul 02841, Republic of Korea
2Department of Geography Education, Korea University, Seoul 02841, Republic of Korea
3Department of Geography Education, Catholic Kwandong University, Gangneung 25601, Republic of Korea
Correspondence to : ‡+82-2-3290-2360, E-mail: ara0408@korea.ac.kr

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초록

기후변화와 인간 간섭으로 인해 해안의 범람과 침식 위험도가 증가하여 해안 침식 연구의 필요성이 증대되고 있다. 본 연구에서는 서해안 둔두리 파식대와 동해안 독도 파식대를 따라 나타나는 우주선유발 동위원소의 농도 분포를 이용한 수치 모형을 통해 장기간 평균 해안 후퇴율을 모의하고, 해식애 후퇴-파식대 발달시기를 추정하고자 하였다. 이론적으로 지난 홀로세 해수면 상승시기 동안 형성된 파식대의 경우 파식대를 따라 동위원소 농도 분포가 혹 형태로 나타나며, 현재 파식대 일부가 지난 간빙기로부터 유전되었을 경우, 과거 해식애 위치에서 농도가 급증하는 계단 형태를 보인다. 또한 해식애 후퇴율이 빠르면 동위원소 농도는 낮게, 후퇴율이 느리면 농도는 높게 나타난다. 모의 결과, 둔두리 파식대는 72-150 m 구간에서 동위원소 농도가 홀로세 구간 평균의 11배 높게 나타나 파식대의 일부가 지난 간빙기에 유전된 것이라고 추정되며, 산정된 해식애 후퇴율은 약 0.6-12 mm/yr이다. 반면, 독도 파식대의 경우 농도가 급증하는 구간이 없어, 홀로세 해수면 상승시기 동안에만 형성된 것으로 추정되며, 산정된 후퇴율은 60-30+140 mm/yr이다.

Abstract

The current and future climate change and human interventions would increase flood and erosion risk in coastal areas, and thus more coastal erosion studies are needed. Here, we used cosmogenic nuclide concentrations along the Dunduri and Dokdo shore platform in Korea combined with numerical modelling to quantify cliff retreat rate and to reconstruct the timing of initial cliff retreat and the evolution of shore platform. Theoretically, the hump in nuclide concentrations is resulting from the interplay between cliff retreat and water shielding by rising sea level. If a portion of the platform inherited from last interglacial, a sharp increase in cosmogenic nuclide concentrations at the past cliff position is expected, reflecting the nuclide accumulation on exposed shelf during sea level lowstand in last glacial. Also, faster cliff retreat leads to lower nuclide concentrations. The results of our numerical modelling show that a portion of Dunduri platform inherited from last interglacial due to elevenfold increase in nuclide concentrations, and calculated cliff retreat rate is about 0.6-12 mm/yr. Dokdo platform, however, no abrupt change in nuclide concentrations is observed, thus the platform was entirely formed during the Holocene, and calculated cliff retreat rate is about 60-30+140 mm/yr.

Keywords: rocky shore, coastal erosion, coastal retreat, numerical model, cosmogenic nuclide
키워드: 암석해안, 해안침식, 해안후퇴, 수치모형, 우주선유발 동위원소
1. 서 론

기후변화로 인한 한반도의 해수면 상승 속도는 세계 평균 상승 속도보다 빠르고(Korea Hydrographic and Oceanographic Agency, 2020), 한반도에 영향을 미치는 태풍의 강도 또한 증가하는 추세다(Korea Meteorological Administration, 2020). 이로 인해 해안의 범람과 침식 위험도가 증가할 것으로 예상되며, 이에 국토 손실 범위를 파악하고, 국민의 안전한 삶을 보장하기 위해 해안 침식 연구에 대한 필요성이 증대되고 있다.

우리나라 해안지역 연구는 주로 퇴적 해안을 중심으로 이루어져 왔다(Kim et al., 2010; Lee et al., 2013; Choi et al., 2014; Yi et al., 2015; Yoon and Chun, 2019). 퇴적 해안은 암석해안에 비해 그 변화속도가 빨라 짧은 기간 동안의 측정이 쉽고, 야외 연구환경 또한 접근이 용이하기 때문에, 해안 후퇴율 산정 또한 주로 사빈해안을 중심으로 수행되었다. 그 방법으로는 침식 기준목을 활용하거나(Kim and Song, 2012) 평형해빈단면이론으로 계산하거나(Son, 1999; Kang et al., 2014) 항공사진을 통해 해안선 변화를 관찰하는 방식(Cho et al., 2001; Jung et al., 2004; Kim, 2013; Kim and Lee, 2015)이 흔히 사용되었다. 반면, 전세계 해안의 약 75%를 암석해안이 차지하고(Emery and Kuhn, 1982), 우리나라 또한 동·서·남해안 모두 암석해안이 잘 발달해 있음에도(Choi and Seong, 2014), 우리나라 암석 해안의 형태적 특징이나 발달 과정에 대한 연구는 많지 않으며(Hwang and Park, 2007; Choi et al., 2013; Choi, 2015; Hwang et al., 2019), 그 중 암석 해안의 후퇴율을 산정한 연구는 매우 소수이다(Woo and Jang, 2010; Kim and Jang, 2011, 2013; Choi et al., 2012; Kim, 2017, 2018; Choi and Seong, 2020). 암석해안 후퇴율 연구도 사빈해안에서와 마찬가지로 수개월-수년 정도의 짧은 시간 규모에서 침식기준목을 이용하거나(Kim and Jang, 2013), 무인항공기를 활용한 이미지 분석(Kim, 2017, 2018)을 통해 이루어졌다. 수십년 정도의 시간 규모에서는 항공사진과 지도 분석이 활용되었다(Lim et al., 2009; Woo and Jang, 2010). 그러나 같은 지역을 대상으로 하였더라도 관찰기간이나 방법에 따라 산정된 후퇴율은 상당히 큰 차이가 나타난다(표 1). 이것은 모암의 침식저항도가 국지적으로 다르고 관찰기간 동안 발생하는 태풍이나 악기상의 강도와 빈도에 따라 해식애의 침식이 불규칙하게 일어나기 때문이다(Kim, 2018). 이 경우, 일시적 사건의 영향이 짧은 관측 기간으로 과장되어 해안 후퇴율이 과대 추정되는 문제가 발생할 수 있다(Choi et al., 2013; Swirad et al., 2020). 따라서 미래 해수면 상승에 따른 해안 후퇴과정을 모의·예측할 때, 어떤 후퇴율을 입력 자료로 사용할 것인가에 대하여 주의 깊게 고려해야 한다. 정확한 기준 후퇴율이 마련되어야 현재의 기후변화와 인간 간섭에 의한 해안 후퇴가 가속화된 것인지 여부를 정확히 평가할 수 있다. 가장 이상적인 기준은 ‘인간의 간섭으로부터 자유로운’, ‘장기간 평균’ 후퇴율이 되어야 할 것이다. 예를 들어 Hurst et al. (2016)은 영국 서섹스 동부 지방의 해식애 후퇴율이 지난 홀로세 동안 2-6 cm/yr인 반면, 지난 150년 동안의 고지도 분석에서 획득한 후퇴율은 22-32 cm/yr로 현대로 올수록 후퇴율이 증가했다는 사실을 확인하였다. 위의 이상적 기준을 충족시키는 것은 매우 어렵지만, 장반감기를 가진 우주선유발 동위원소는 그 기록을 지니고 있기 때문에(Jeong et al., 2018) 이를 활용한다면, ‘인간의 간섭으로부터 자유로운’, ‘장기간 평균’ 후퇴율을 구할 수 있다.

Table 1. 
Previously measured modern retreat rates of sea cliff in Dunduri on the west coast of Korea.


우주선유발 동위원소를 활용한 암석해안의 후퇴율 산정 연구는 Choi et al. (2012)과 Regard et al. (2012)이 처음 시도한 이후로, 많은 연구자들에 의해 발전되어 왔다(Hurst et al., 2016, 2017; Choi and Seong, 2020; Swirad et al., 2020; Dauget et al., 2021). 그 원리를 살펴보면, 먼저 우주선유발 동위원소는 지표면이 무엇인가에 덮이지 않고, 노출되어 있을 때 생성되어 축적된다. 해식애가 후퇴하면서 파식대가 확장되는 지형 시스템에서의 경우, 해식애가 지속적으로 후퇴하므로, 동위원소 농도는 바다 쪽 파식대 부분에서 가장 높아야 하며, 해식애에 가려져 있다가 해식애의 후퇴로 최근에 노출된 육지 쪽 파식대 부분의 농도는 낮게 나타난다(그림 1a). 그러나 바다 쪽 파식대는 확장과정에서 나타나는 침식으로 인해 표면이 깎이고, 해수면이 상승하면서 바닷물에 의해 우주선이 파식대 표면에 도달하는 것에 방해를 받기 때문에 최종적으로는 그림 1b에서와 같이 파식대를 따라 나타나는 동위원소 농도 분포가 가운데 부분이 불룩한 혹 형태로 나타난다(Regard et al., 2012; Hurst et al., 2017). 한편, 파식대의 일부가 지난 간빙기로부터 유전(inheritance)되었다면, 우주선 유발 동위원소 또한 유전되고, 빙기동안에도 동위원소가 파식대 표면에 축적되므로(그림 1c), 그림 1d에서와 같이 동위원소 농도 분포가 과거 빙기 때 해식애 위치에서 급증하는 계단 형태를 보인다(Regard et al., 2012). 우주선유발 동위원소의 농도는 표면에서 가장 높고, 우주선이 매질을 통과하면서 감쇠하기 때문에, 깊이가 깊어질수록 우주선유발 동위원소의 농도는 감소한다(Lal, 1991; Seong and Yu, 2014). 해식애가 후퇴할 때 경사를 유지하며 후퇴율에 비례하여 하방침식(downwearing)이 발생하므로(Trenhaile, 1974), 우주선유발 동위원소 농도는 후퇴율이 빠르면 낮게, 후퇴율이 느리면 높게 나타난다.


Fig. 1. 
Sea cliff-shore platform evolution and the distribution of 10Be concentration along the shore platform (Regard et al., 2012). (a) Rapid retreat of sea cliff during slow sea level rise since 7-6 ka BP. (b) The hump in 10Be concentrations resulting from the interplay between cliff retreat and water shielding by rising sea level. (c) Minimal cliff retreat during sea level lowstand of glacial stage. (d) The sharp increase in 10Be concentrations reflecting the 10Be accumulation on exposed shelf during sea level lowstand in last glacial. Thus, the step section in 10Be concentrations shows a portion of the platform inherited from last interglacial.

우주선유발 동위원소를 활용한 국내 암석해안 연구는 Choi et al. (2012)의 서해안 둔두리 파식대, Choi and Seong (2020)의 동해안 독도 파식대 연구가 있다. Choi et al. (2012)은 10Be 노출연대를 통해 둔두리 파식대 일부가 지난 간빙기로부터 유전되었다고 보고하였고, Choi and Seong (2020)은 36Cl 노출연대를 통해 독도 파식대의 형성시기가 0.1 ka에서 4.0 ka임을 밝혔다. 본 연구에서는 Choi et al. (2012)와 Choi and Seong (2020)의 우주선유발 동위원소 자료를 바탕으로 파식대를 따라 나타날 수 있는 우주선유발 동위원소 농도 분포를 모의한 Regard et al. (2012)의 수치모형을 가지고, 1) 둔두리 파식대와 독도 파식대가 홀로세 해수면 상승기 동안에만 형성된 것인지, 지난 간빙기에 형성된 파식대가 유전되어 현재 파식대의 일부를 형성하고 있는지를 파악하고, 2) 지질학적 시간 범위를 대표하는 장기간 평균 후퇴율을 산정하고자 하였다.

2. 연구방법

본 연구에서는 Regard et al. (2012)의 수치모형을 바탕으로 둔두리와 독도 파식대를 따라 나타나는 우주선 유발 동위원소 10Be 농도를 모의하였다. 이 때, 전제조건은 다음과 같다. 1) 해식애의 후퇴율은 일정함, 2) 조수에 의한 영향은 고려하지 않음, 3) 파식대 확장시 파식대 경사는 유지되며, 파식대의 하방침식률은 해식애 후퇴율에 비례함(Trenhaile, 1974), 4) 파식대 프로파일은 최소제곱회귀를 이용해 선형으로 단순화시킴(표 2), 5) 시간에 따른 10Be의 생성률은 일정함.

Table 2. 
Basic information about the input variables of Dunduri and Dokdo platform.


독도 파식대는 36Cl 농도를 바탕으로 노출연대와 파식대의 침식률이 보고된 반면(Choi and Seong, 2020), Regard et al. (2012)의 수치모형은 10Be 농도를 바탕으로 하기 때문에 10Be 농도로 환산하는 과정을 거쳐 모의하였다.

2.1 파식대 침식률로부터 10Be 농도 환산

Choi and Seong (2020)은 독도의 서도, 동도, 부속도서에 나타나는 파식대를 따라 36Cl 농도를 바탕으로 파식대의 침식률을 계산했다(표 3). 침식률을 알고 있다면, Lal (1991)의 식 11에 의해 아래와 같이 10Be 농도로 환산하는 것이 가능하다.

(1) 
Table 3. 
Results of calculated 10Be concentration using erosion rate of Dokdo shore platform (Choi and Seong, 2020).


여기서 N10은 10Be 농도(atoms/g), P10은 해당 시료 채취 지점의 10Be 생성률(atoms/g), ρr 은 기반암 밀도(g/cm3), Λ는 감쇠계수(g/cm2), ε36은 36Cl 농도로부터 계산된 시료 채취 지점의 침식률(Choi and Seong, 2020), λ10은 10Be의 붕괴상수(4.997×10-7 yr)이다. 10Be 생성률은 시료 채취 지점의 경위도와 고도 자료(표 3)를 이용하여 CRONUS Web calculator v2.2 (Balco et al., 2008)를 사용하여 계산하였다. 본 연구에서는 우주선유발 농도자료의 개수가 가장 많은 독도 부속도서 넙덕바위 파식대를 대상으로 식 1을 이용하여 10Be 농도를 환산하였으며, 환산 농도는 표 2에 나타나 있다. 한편, 넙덕바위 파식대의 현재 해식애는 본섬인 서도로부터라고 판단되지만, 이를 적용할 경우, 해식애에 가까운 부분의 고도가 낮고, 바다 쪽의 고도가 높아 고도의 역전현상이 발생하여 모형을 적용할 수 없기 때문에, 넙덕바위 자체에 나타나는 해식애를 원점으로 잡고, 해식애로부터의 거리를 계산하였다. 즉, 본 논문의 모델링의 경우 넙덕바위 자체에 나타나는 해식애를 기준으로 모델링을 수행했다. 향후 모델링 기법이 개선되면 다시 적용할 수 있어야 할 것이다.

2.2 Regard et al. (2012) 모형

우주선 유발 동위원소는 우주선이 매질을 통과하면서 감쇠하기 때문에 지표로부터 깊이가 깊어질수록 농도는 감소한다(Lal, 1991; Seong and Yu, 2014). 파식대의 경우, 조석의 작용에 따라 해수가 파식대 위로 놓이기 때문에, 위에 쌓인 수층에 의한 우주선의 감쇠가 발생하므로 동위원소 생성량은 다음과 같이 식 2로 표현할 수 있다.

(2) 

여기서 P는 파식대 시료 채취 지점에서의 10Be 생성량(atoms/g), P0는 지표면에서의 10Be 생성량(atoms/g), zr은 파식대 표면으로부터 시료채취 지점의 깊이(cm), z*r은 기반암 매질에 대한 우주선 통과길이(cm)로 감쇠계수 Λ (g/cm2)를 기반암 밀도 ρr (g/cm3)로 나누어 계산할 수 있다. zw는 파식대 위 수층의 깊이(cm), z*w는 해수에 대한 우주선 통과길이(cm)로 감쇠계수 Λ (g/cm2)를 해수 밀도 ρw (g/cm3)로 나누어 계산할 수 있다.

이 모형에서는 해식애가 후퇴할 때 파식대의 경사(α)를 유지하면서, 해식애 후퇴율과 파식대의 하방침식률이 비례하므로(그림 2), 다음과 같이 식 3으로 표현할 수 있다.

(3) 

Fig. 2. 
A conceptual model of the platform evolution when cliff retreat rate (r) is proportional to downwearing rate (w). Red filled circle indicates a sampling point. The downwearing rate is vertically exaggerated.

여기서 w는 파식대 하방침식률(m/yr), r은 해식애 후퇴율(m/yr), α는 파식대의 평균 경사(rad)이다. 현재 시료채취 지점의 깊이인 zr은 고파식대면으로부터 하방침식을 받은 깊이이므로, 파식대 기저부터 고파식대면까지의 높이인 zs로부터 시간(t)에 따른 하방침식량 wt를 뺀 것과 같고, 따라서 zr=zs-wt라고 할 수 있다(그림 2). 파식대는 당시 해수면 수준에서 형성되므로 해당지점 파식대에 닿는 물의 높이는 zw=wt로 치환 가능하다(그림 2).

파식대의 형성시기(~7 ka 혹은 ~125 ka)보다 10Be의 반감기(1.36 Ma)가 훨씬 길기 때문에(Chmeleff et al., 2010; Korschinek et al., 2010), 방사성 붕괴를 무시할 수 있다고 가정한다면, 식 2는 아래와 같이 표현이 가능하다.

(4) 

위 식을 풀이하는 과정은 Regard et al. (2012)에 자세하게 나와 있으므로 본 연구에서는 생략한다. 위의 식을 풀면, 파식대를 따라 나타나는 10Be 농도(N)에 대한 결과를 다음과 같이 얻을 수 있다.

(5) 
(6) 

여기서 N은 10Be 농도(atoms/g), x는 파식대 바다 쪽 끝에서부터 특정 지점까지의 거리(m)이다(그림 2). 둔두리와 독도 파식대를 모의하기 위한 10Be 농도는 표 3과 표 4에서 확인할 수 있으며, 식 5와 6에 투입한 변수들은 표 2에 정리하였다. 최종적으로 MATLAB R2020a를 이용하여 후퇴율 값에 변화를 주며 각 20개의 시나리오를 모의하였다.

Table 4. 
10Be concentrations used for modelling Dunduri shore platform (Choi et al., 2012).


최종적으로 베릴륨 농도 측정치와 모의된 베릴륨 농도의 평균 제곱근 오차(RMSE)가 가장 작은 경우를 최량적합(best-fit) 결과로 선택하여 후퇴율을 산정하였다. 다만, Regard et al. (2012) 모형은 홀로세 동안 나타날 수 있는 10Be 농도를 모의하므로, 지난 간빙기의 파식대가 유전된 것으로 추정되는 둔두리 파식대의 경우, 10Be 농도 급증 구간을 과거 간빙기 때 해식애 위치로 보고(그림 1), 현재 해식애부터 지난 간빙기 때 해식애 위치 사이의 구간만을 대상으로 최량 추정값(best estimate)을 후퇴율로 추정하였다.

3. 연구결과
3.1 서해안 둔두리 파식대의 형성시기와 해안 후퇴율

둔두리 파식대의 종단면도에서 베릴륨 농도 분포는 해식애 기저에서부터 72-97 m 지점에서 약 11배의 10Be 농도 급증 구간이 나타난다. 이것은 둔두리 파식대가 지난 간빙기에 형성되었음을 의미한다(그림 3). 즉, 지난 빙기 이전에 형성되었던 해식애 위치는 72-97 m 지점이며, 72-153 m는 지난 간빙기 또는 그 이전에 형성되어 유전된 부분이다. 홀로세에 형성된 파식대는 현재 해식애의 기저로부터 72 m 지점 까지라고 할 수 있다. 홀로세 동안 형성된 부분이라고 추정되는 0-72 m 구간에 포함되는 0 m, 12 m, 35 m, 55 m 지점에서 측정된 10Be 농도와 수치모형 모의결과 최량 추정 후퇴율은 0.6-0.1+0mm/yr로 나타났다(그림 3; 표 5).


Fig. 3. 
The distribution of measured and modelled 10Be concentrations across Dunduri shore platform. Note for the scale of y axis.

Table 5. 
Result of numerical modelling. The grey shades represent best-fit results with the minimal RMSE.


3.2 동해안 독도 파식대의 형성시기와 해안 후퇴율

독도 파식대는 둔두리 파식대와 달리 10Be 농도 급증 구간이 나타나지 않으며(그림 4), 10Be 농도 자체가 둔두리 파식대보다 최대 1,400배 낮은 것으로 보아 지난 간빙기로부터 유전되지 않고, 홀로세 동안 형성된 것으로 추정된다. 파식대 길이가 69 m로 짧기 때문에(표 2), 모의한 결과가 10Be가 증가하다 감소하는 혹 형태가 아니라 증가하는 부분만 나타나는 것으로 보인다(그림 4). 전체 파식대가 홀로세 때 형성된 것으로 추정되므로 모든 지점의 측정된 10Be 농도와 수치모형 모의결과를 비교하였을 때, 최량 추정 후퇴율은 60-30+140mm/yr로 나타났다(그림 4; 표 5).


Fig. 4. 
The distribution of measured and modelled 10Be concentrations across Dokdo shore platform. Note for the scale of y axis.

4. 토 의
4.1 수치모형 모의결과 평가

독도 파식대의 최량 추정 후퇴율은 60-30+140mm/yr로, 이를 기준으로 했을 때, 69 m인 독도 파식대의 최대 노출연대를 계산하면, 1.15-0.81+1.15ka로 Choi and Seong (2020)이 보고한 36Cl 노출연대인 1.27 ± 1.07 ka와 잘 일치한다. 한편, 둔두리 파식대의 최량 추정 후퇴율 0.6-0.1+0mm/yr를 적용하여 과거 해식애의 위치로 추정되는 72 m의 형성시기를 계산하면 120 ka 때 도달하므로(그림 5a), 모순되는 결과를 보여준다. 만약 0-72 m 구간이 현재 해수면 수준인 6-7 ka 동안 형성되었다는 가정에서, 후퇴율을 계산하면 10.3-12 mm/yr이 도출된다(그림 5b). 독도 파식대의 모의 결과가 기존 조사 결과와 잘 일치하는 반면, 둔두리 파식대의 경우 모의 결과는 이 파식대가 지난 간빙기로부터 유전되었음은 보여주지만(Choi et al., 2012), 모의된 후퇴율은 논란의 여지가 있다. 즉, 산정된 후퇴율은 모의 결과 획득한 최량 추정 후퇴율과 과거 해식애 위치로부터 구한 후퇴율이 크게 다르다. 이러한 차이가 발생한 이유는 본 연구에서 사용된 수치 모형의 전제 조건 중 일부가 성립되지 않기 때문일 것이다. 예를 들어, 영국 서섹스 동부 지방 해식애의 홀로세 동안 후퇴율보다 지난 150년 동안의 후퇴율이 빠른 것은(Hurst et al., 2016) 후퇴율이 현재로 올수록 빨라질 수 있을 가능성을 암시한다(Swirad et al., 2020). 또한 서해안은 동해안에 비해 조차가 크기 때문에 조수에 의한 차폐(shielding)효과에 의해 10Be 생성률 변화가 동해안보다 더 클 수 있다. 따라서 후속 연구에서는 조수에 의한 영향을 고려하여 모의한다면, 더 정확한 결과를 획득할 수 있을 것이다. 파식대 발달모형 또한 고려할 만한 사항이다. 본 모형에서는 해식애가 후퇴할 때 파식대 경사는 유지되며 평행하게 후퇴하는 모형을 가정하였으나(Trenhaile, 1974), 바다 쪽 가장자리의 파식대가 침식으로부터 상대적으로 안정적이라면, 해식애가 후퇴할수록 파식대의 경사각이 감소하며 확장될 수 있다(Flemming, 1965). 후속 연구에서는 이러한 점들을 고려하여 모형을 개발할 수 있어야 할 것이다.


Fig. 5. 
The topographic profiles of Dunduri platform showing when the present cliff was at the last glacial cliff position, with the cliff retreat rate of (a) 0.7 mm/yr and (b) 12 mm/yr.

4.2 둔두리·독도 해안 후퇴율과 파식대 형성시기에 대한 논의

수치모형 모의를 통해 산정한 둔두리 파식대의 최량 추정 후퇴율은 0.6-0.1+0mm/yr, 독도 파식대의 최량 추정 후퇴율은 60-30+140mm/yr로 약 100배 차이가 난다. 이렇게 두 파식대의 후퇴율이 큰 차이가 나는 이유에는 두 파식대의 기반암 특성과 환경이 다르기 때문으로 생각된다. 둔두리 해안은 꽃지해변의 남쪽 돌출부(headland)에 위치하여 지질학적으로 태안층에 속해 있으며, 약한 변성정도의 퇴적암류로 구성되어(Na, 1992; Choi et al., 2008) 사암과 셰일, 실트암 등이 관찰되며, 지층은 북북동 또는 북동 방향으로 발달해 있다. 둔두리 지역의 조차는 대조시 약 7 m 이상, 소조시 약 4 m 정도로, 대조차해안(macrotidal coast)으로 분류된다(Choi et al., 2013). Choi et al. (2013)은 둔두리 파식대와 해식애를 대상으로 슈미트 해머를 이용하여 암석의 반발도를 측정하여 암석의 강도를 측정하고자 하였다. 측정 결과, 둔두리 파식대와 해식애의 반발도가 기존에 보고된 호주와 뉴질랜드 남동부 해안의 파식대에서 측정된 반발도보다(Kennedy and Dickson, 2006; Thornton and Stephenson, 2006) 약 1.5배 정도 높게 나타나 침식에 상당히 강할 것으로 나타났다. 또한 둔두리 지역의 경우, 현장 조사 결과 약한 암석이 강한 사암들 사이에 끼어 있는 형태로 나타나 상대적으로 오래 살아남을 수 있었던 것으로 생각된다. 따라서 상대적으로 기반암 강도가 강했기 때문에 파식대가 넓게 발달할 수 있었고, 지난 간빙기에 형성된 파식대의 일부 구간이 현재까지 침식되지 않고 남아있을 수 있었을 것이라고 여겨진다.

약 2.7-2.1 Ma 용암의 분출로 형성된 독도의 경우, 조면암, 조면안산암, 각력암, 응회암 등으로 구성되어 있으며(Sohn and Park, 1994), 파식대는 주로 해식애의 기저부분부터 발달하거나 부속 도서 위에 발달해 있는 형태로 나타난다. 독도의 경우 파랑 작용이 우세하게 작용하는 환경이며, 소조차해안(microtidal coast)으로 분류된다. 파랑의 작용은 겨울에 가장 강하게 나타난다(Choi and Seong, 2020). 본 연구에서 사용한 파식대의 경우 서도의 서쪽 편에 위치하며 고립된 부속도서인 넙덕바위에 형성되어 있다. 섬은 육지의 파식대와 다르게 전방위에서 침식과 풍화를 받는다. 이것은 파식대 발달과정이 육지와 다를 수 있음을 의미하며 더 정확한 수치모형을 개발하기 위해서는 반드시 고려해야할 점이다. 따라서 동·서 해안의 파식대 비교를 위해서는 같은 위상의 파식대를 선택해야 한다. 또한, 섬 파식대의 형성과정을 밝히기 위해서는 본 연구에서 적용한 수치모형을 더 개선해야 할 것이다.

4.3 둔두리 해안의 현대 후퇴율과 지질학적 시간 범위의 후퇴율 비교

본 연구는 최초로 지질학적 시간 범위에서 서해안 둔두리 해안의 후퇴율을 0.6-12 mm/yr로 제시하였다. 현대에 측정된 짧은 시간의 후퇴율(Woo and Jang, 2010; Kim and Jang, 2013; Kim 2017, 2018)은 본 연구에서 제시한 지질학적 후퇴율보다 최소 8배에서 최대 1,457배 빠르다(그림 6). 이렇게 현대의 후퇴율이 지질학적 후퇴율보다 아주 빠른 이유는 크게 두 가지로 생각해 볼 수 있다. 먼저 저해상도의 고지도나 과거 항공사진에서 해안선을 추출하는 과정에서 발생하는 부정확성과 단기간의 관측에서 오는 불확실성을 들 수 있다(Regard et al., 2012). 특히, 해식애의 후퇴율은 그 기준을 어디에 두느냐에 따라 산정값에 차이가 발생하며, 지도에서 절벽면과 파식대가 이루는 정선각(shoreline angle)을 찾는 것은 매우 어렵다. 더구나 둔두리 해식애는 지점에 따라 암석의 반발 강도 차이가 매우 커서, 공간적 차별 후퇴를 겪은 곳으로 추정되는 곳이다(Choi et al., 2013). 이 경우, 짧은 시간 범위에서 측정한 후퇴율은 과대추정되기 쉽다. 하지만 만약 추정된 현대의 후퇴율이 정확하다면, 최근 기후변화 경향이 반영된 결과로도 해석할 수 있다. 즉, 과거에는 암석해안의 침식속도가 느렸으나 최근 어떤 변화로 인해 후퇴속도가 증가했다고 볼 수 있다. 이렇게 볼 때, 그동안 해안 침식 연구에서 그 변화가 미미할 것이라 여겨져 소홀히 해왔던 암석 해안에서도 기후변화나 인간 간섭에 의한 해안 후퇴가 상당히 진행되고 있고, 암석 해안지역이 기후변화에 예상보다 더 취약할 수 있음을 의미한다. 어떻게 해석하던 간에 퇴적해안과 함께 암석해안의 경관변화나 침식문제에 좀 더 관심을 가질 필요가 있다. 특히 남해안의 경우, 기후변화로 강수량이 상대적으로 크게 증가하고 극한 기후가 나타날 가능성이 큰 것으로 전망되는데(Korea Meteorological Administration, 2020), 해안침식에 가장 취약할 수 있는 지역임에도 불구하고, 지질학적 시간 범위의 남해안 암석해안의 후퇴율 연구는 거의 전무하다. 동해나 서해안과 같이 남해안을 대상으로 한 후퇴율 연구가 필요하다.


Fig. 6. 
The comparison between geologic retreat rates and modern retreat rates of Dunduri shore. Modern retreat rates were obtained from Woo and Jang (2010), Kim and Jang (2013) and Kim (2017, 2018).

5. 결 론

본 연구에서는 파식대의 우주선유발 동위원소 농도 분포를 대상으로 한 수치 모형을 통해 서해안의 둔두리 파식대와 동해안의 독도 파식대의 형성시기를 규명하고, 해식애의 장기간 평균 후퇴율을 산정하였다. 모의 결과 둔두리 파식대의 바다쪽 부분(72-150 m 구간)은 지난 간빙기로부터 유전된 것으로 보이며, 해식애의 평균 후퇴율은 0.6-12 mm/yr로 산정되었다. 독도 파식대는 홀로세 해수면 상승시기 동안 발달한 것으로 추정되며, 해식애의 평균 후퇴율은 60-30+140 mm/yr로 산정되었다. 본 연구는 파식대에 남겨진 우주선유발 동위원소가 지질학적 시간 동안 겪은 환경변화 역사를 잘 기록하고 있음을 보여주며 이를 활용하여 장기 시간규모에서 암석해안의 후퇴율을 산정할 수 있음을 제시하였다. 그리고 이런 과정을 통해, 최근 지구온난화와 기후변화로 인해 해안 후퇴가 어느 정도 가속화되었는지 정량적으로 평가할 수 있음을 보여준다.

Acknowledgments

이 논문은 2020년 대한민국 교육부와 한국연구재단의 인문사회분야 학문후속세대(박사후국내연수)지원사업(NRF-2020S1A5B5A01044533)의 지원을 받아 수행되었습니다. 논문의 질적향상을 위해 건설적인 토의를 해주신 Dr. Zuzanna Swirad에게 진심으로 감사드립니다. 또한, 보다 좋은 논문이 될 수 있도록 세심한 심사와 아낌없는 조언을 해 주신 심사위원님들께 감사드립니다.

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