Characteristics and Implications of Lava Tubes from Geophysical Exploration in Jeju Island

지구물리 탐사에 의해 발견된 제주도 용암동굴의 특징과 의미

Abstract

Geophysical exploration using electric resistivity, ground penetrating radar (GPR), and impedance high-frequency (ZHF) surveys was conducted in Gujwa-eup, Jeju City, Jeju Island, an island in the Korea Strait, to confirm the existence of new caves near known caves. The exploration revealed a number of anomaly zones, presumed to be caves; 27 sites at suitable locations and depth ranges were selected for drilling and further surveys. However, contrary to predictions, most of the anomaly zones were clinker layers or paleosols intercalated with lavas. Only five boreholes intersected caves. The clinker layers and paleosols were possibly detected as anomalies owing to their different physical properties from the other rocks. Two of the five cave-finding boreholes penetrated Yongcheon Cave; a new cave was found at the other. The two boreholes that penetrated Yongcheon Cave were drilled in areas where the cave has not been previously reported, and thus helped correct an error in the cave distribution map. The cave newly discovered in this boring exploration is 180 m long, and it is connected to the upstream part of Dangcheomul Cave (110 m). The cave contains well-developed lava helictites, lava levees, and ropy structures; carbonate speleothems such as soda straws, stalagmites, columns, and curtain shawls are also well preserved. Notably, the unique shape of the carbonate speleothems is attributed to their growth in relation to the cavern water that flowed into the cave along plant roots.

제주도에서 기존에 알려진 동굴 이외에 새로운 지하동굴의 존재를 확인하기 위해 제주시 구좌읍 일대에서 지구물리탐사(전기비저항탐사, GPR탐사, ZHF탐사)를 실시하였다. 탐사결과 여러 지점에서 동굴로 추정되는 이상대가 발견되었고, 이상대의 위치와 규모가 일치하는 27개 지점을 선별하여 시추조사를 실시하였다. 그러나 예상과 달리 이상대의 대부분은 용암의 상하부에 형성된 클링커층이거나 용암 사이에 협재된 고토양층이었으며, 5곳에서만 동굴이 발견되었다. 클링커층과 고토양층은 용암과 다른 암석의 물리적 특징으로 인해 이상체로 반응한 것으로 해석된다. 한편 동굴이 확인된 5개 지점 중 2공은 기존에 알려진 용천동굴을 관통하였고, 3공에서 새로운 동굴이 확인되었다. 용천동굴을 관통한 시추공은 시추당시 동굴의 존재가 확인되지 않았던 구간이었으나 용천동굴이 관통됨에 따라 기존 측량도의 오류를 수정하였다. 한편 시추조사로 새롭게 발견된 석회장식 용암동굴은 길이가 약 180 m이며, 상류방향으로 당처물동굴(약 110 m)과 연결되어 있다. 또한 동굴내부에는 용암곡석, 용암제방, 밧줄구조 등이 발달해 있으며, 탄산염 동굴생성물로는 종유관, 종유석, 석순, 석주, 동굴산호 등이 잘 보존되어 있다. 특히 동굴에서 발견되는 탄산염 동굴생성물은 식물 뿌리를 따라 유입된 지표수에 의해 성장하여 독특한 형태를 띠게 된 것으로 추정된다.

서 론

제주도는 신생대 후기부터 역사시대까지 활발한 화산활동에 의해 형성된 화산섬으로 다양한 화산지형이 발달해 있다(Park et al., 2000; Sohn and Yoon, 2010; Jeon et al, 2013). 특히 제주도의 지하에는 약 160여개의 용암동굴이 확인되었는데 이들 중 거문오름용암동굴계는 동굴의 규모와 특징, 지질학적 가치를 인정받아 2007년에 한라산, 성산일출봉과 함께 유네스코 세계자연유산으로 등재되었다. 거문오름용암동굴계가 위치한 제주시 구좌읍 일대의 주민들은 오래전부터 지하에 많은 동굴이 존재한다고 믿어왔다. 제주도는 주민들의 믿음을 확인하고 보존가치가 높은 동굴의 실존 여부 확인을 위해 거문오름용암동굴계 주변을 대상으로 동굴 존재여부 조사를 실시하였다. 다양한 지구물리탐사(전기비저항탐사, GPR탐사, ZHF탐사) 기법을 동원한 조사결과 여러 지점에서 동굴로 추정되는 이상대(anomaly zone)가 발견되었다. 이 중 이상대의 위치와 강도가 공통으로 일치하는 27개 지점을 선별하여 시추조사를 실시하였다. 그러나 예상과 달리 5개 지점에서만 동굴이 발견되었는데(Jeju Special Self-governing Province, 2009a), 본 논문에서는 그 원인을 살펴보았다.

한편 이번 지구물리탐사와 시추조사를 실시한 지역은 당처물동굴과 용천동굴 주변에 위치하고 있어 거문오름용암동굴계의 연장과 동굴계의 형성과정을 밝히는 데 있어 중요한 의미가 있을 것으로 생각된다(Jeju Special Self-governing Province, 2011). 또한, 조사를 통해 발견된 신규동굴 내부에는 다양한 용암동굴 생성물과 미지형들이 분포하고 있을 뿐만 아니라 석회동굴에서 볼 수 있는 탄산염 동굴생성물들도 분포하고 있다. 특히, 기형으로 성장하고 있는 종유관, 종유석, 석순, 석주 등은 석회동굴에서 발견되는 동굴생성물과는 다른 외형을 보이고 있다. 이는 신규동굴 내에 탄산염 동굴생성물의 형태를 좌우하는 요인으로 주변 사구의 형성시기와 분포특징, 발달과정 등과 밀접한 관계가 있음을 의미한다.

정리하면 이번 신규동굴의 발견은 지구물리탐사 기법을 이용하여 용암동굴을 발견한 첫 사례이며, 용천동굴과 당처물동굴의 연장을 규명하는데 중요한 의미가 있다. 그리고 동굴내부의 다양한 용암 및 탄산염 동굴생성물이 원형 그대로 보존되어 있어 학술적 가치도 매우 높은 동굴을 보고한다는 점에서도 중요한 의미가 있다.

 

지구물리탐사 배경

지하동굴의 존재를 확인하기 위한 지구물리탐사는 이미 오래전부터 전 세계적으로 여러 곳에서 진행되어 왔다(Collins et al., 1994; Benson, 1995; Dourad et al., 2001; Driad and Piwakowski, 2002). 국내의 경우, Kwon et al. (2000)은 제주도 만장굴을 대상으로 중력, 자력, 전기비저항, GPR 탐사를 실시하여 어떤 방법이 용암동굴 탐사를 위한 효율적인 방법인가를 조사하였다. 연구에 따르면 가장 효과적인 방법은 전기비저항탐사이며, 중력과 자력탐사는 현무암에서 발생하는 여러 잡음으로 인해 동굴의 위치와 규모를 파악하기에 어렵고, GPR탐사는 천부조사에서는 효과적이나 심부 동굴 조사에는 적합하지 않다고 보고하였다. 그리고 Park et al. (2009)은 전라남도 무안지역에서 충적층에 피복된 석회암 공동에 대한 3차원 전기비저항탐사 이상대 지점이 시추결과와 일치하여 석회암 지역의 동굴 존재여부 확인에 유용한 방법임을 보고하였다.

한편 Song et al. (2015)은 석회암 지역의 지반침하 현상을 파악하고 공동의 분포위치와 규모를 파악하기 위해 전기비저항탐사와 탄성파탐사를 실시하고 시추를 통해 공동의 존재 여부를 확인한 결과 이상대의 대부분이 공동으로 확인되었으나, 일부 공동이 존재하는 구간에서 이상대가 나타나지 않는 문제점이 있음을 보고 하였다. 최근까지 진행된 지구물리탐사는 지하 동굴의 존재를 확인하는데 있어 어느 정도 효과적인 것으로 보고되어 왔으며, 보다 정확한 존재와 규모 등을 확인하기 위해 복합 지구물리탐사기법이 필요하다는 제언들이 있어왔다.

그러나 지금까지 수행된 지구물리탐사는 만장굴을 제외하고 대부분 석회암 분포지대에서 지하 동굴이나 싱크홀 등을 찾기 위해 실시되어 왔다(Park et al., 2009; Song et al., 2015). 석회암 지대는 대체로 암질이 균질하기 때문에 지구물리탐사로 지하에 공동 또는 포화대등을 인지하는데 용이할 것으로 예상된다. 그러나 제주도 지하의 경우 용암으로만 구성되어 있을것이라는 일반적인 생각과는 달리 화산활동 휴지기에 퇴적된 고토 양층 또는 미고결 응회암층이 협재되거나 용암의 상하부 표면이 깨진 클링커(clinker) 등이 존재하고 있어 지하 암반이 균질하지 않은 특성을 지니고 있다(Jeon et al., 2013). 따라서 지금까지 석회암 지대에서 실시한 지구물리탐사 기법이 제주도에서도 효과적으로 적용될 수 있을 것인가에 대해서 명확하게 확인되지 못한 상태이다. 따라서 이번 조사는 기존 석회암 지역에서 수행된 대표적인 지구물리탐사 기법을 동원하여 지하 용암동굴의 존재를 확인하고자 추진되었으며, 암석의 종류가 다른 두 지역간에 지구물리탐사에서 어떤 차이가 발생하는지 알아 볼 수 있는 기회가 될 수 있을 것이다.

 

연구 범위

연구지역은 제주시 구좌읍 월정리 일대이며, 국가지정문화재로 지정된 용천동굴 및 당처물동굴과 인접해 있다(Fig. 1). 동굴주변은 대체로 평탄한 경작지이며, 부분적으로 투물러스(tumulus)와 사구들이 언덕을 이루고 있다. 언덕을 구성하는 모래들은 백색을 띠며 단면상에서 수평 또는 사층리가 잘 발달해 있다. 이 모래는 인근 김녕해수욕장의 모래와 유사한 패각사로 구성되어 있어 겨울철 바람에 의해 날려온 것으로 추정된다(Ji et al., 2010). Ji et al. (2008)은 용천동굴 상부 지표면을 덮고 있는 사구의 연령이 해안가에서 내륙으로 가면서 젊어지며, 형성시기는 약 2000~4500년 경으로 보고한 바있다. 현재 대부분의 경작지는 주변 사구 토양에서 인위적으로 채취한 모래로 복토되어 있는 상태이다.

Fig. 1.Map showing the study area and the two caves.

 

조사방법 및 결과

지구물리탐사

용암동굴은 보통 천장이 무너지거나 당처물동굴 및 용천동굴과 같이 우연히 발견되지 않는다면 그 존재를 확인하기 어렵다. 제주시 구좌읍 월정리 일대는 예전부터 동굴이 많이 분포하는 곳으로 알려져 왔고, 지표에 점성이 낮은 파호이호이 용암이 넓게 분포하고 있어 지하에 용암동굴이 존재할 가능성이 높은 지역이다. 따라서 제주특별자치도는 이 일대에 보존가치가 높은 동굴의 존재를 확인하기 위해 2009년 배제대학교 산학협력단의 도움으로 지구물리탐사(전기비저항탐사, 지하투과레이더탐사(GPR), 고주파대역 전자탐사(ZHF))를 실시하여 이상대 존재여부를 확인하였다(Jeju Special Selfgoverning Province, 2009a; Fig. 2). 전기비저항 탐사는 ABEM사의 Terrameter SAS1000을 사용하였으며, GPR탐사는 Mala Geoscience 사의 RAMAC GPR, ZHF탐사는 EMI 사의 ZHF System을 사용하였다. 탐사범위는 김녕굴에서 해안에 이르는 약 4 km 구간에서 수행되었으나 본 논문에서는 용천동굴에서 해안에 이르는 2 km 구간에 대해서만 조사결과를 정리하였다. 탐사 측선은 각 탐사기 별로 차이가 있지만 6개 측선에 대한 결과만을 정리하여 제시하였다. 그러나 ZHF 탐사는 전기 노이즈 등으로 인해 신뢰할만한 자료를 획득하지 못해 자료제시를 생략하였다. 조사지역의 지구물리탐사 측선과 이상대의 위치는 Fig. 2와 같다.

Fig. 2.Location map of boreholes and geophysical exploration lines.

지구물리탐사 및 시추조사 결과

지구물리탐사에서 얻어진 이상대 자료를 바탕으로 용천동굴과 당처물동굴 인근에 상대적으로 반응이 뚜렷하여 동굴로 추정되는 27개 지점을 선정하여 시추조사를 실시하였으며, 본 논문에서는 12개 지점에 대한 자료를 제시하였다(Fig. 2). 시추작업은 NX Size 굴착기를 사용하였으며, 시추 깊이는 이상대 분포심도를 고려하여 3.8~18.1 m 깊이에서 굴착을 진행하였다.

측선 4번의 CB-4, CB-5, CB-6번 지점은 GPR 탐사와 전기비저항탐사에서 공통적으로 이상대가 나타난 구간이다(Fig. 2). GPR 탐사에서 이상대는 프로파일상에서 삼각형 또는 물결모양의 형태를 보이고 있으며, 전기비저항탐사에서는 고비저항이상대를 잘 보여준다(Fig. 3A). 이들 이상대 존재구간을 대상으로 약 11 m 깊이로 시추를 실시한 결과 용암류 사이에 각각 2매의 클링커층이 확인되었다(Fig. 3b). 클링커층은 주로 불규칙하고 다공질 적색 암편들이 서로 엉겨붙어 있어 용암과 달리 치밀하지 못한 특징을 보이고 있다(Fig. 3c). 이 클링커층의 최소 10cm에서 최대 30cm의 두께를 보이며 발달되어있다.

Fig. 3.(a) Anomaly zone of geophysical exploration of profiles CB-4, -5, and -6; (b) drilling logs; and (c) photographs of cores. White arrows indicate clinker layers.

한편 측선 5번에서도 전기비저항탐사와 GPR 탐사에서 공통적으로 이상대가 나타나는 지점을 대상으로 조사를 실시하였다. 특히 CB-7번과 CB-8번 지점은 두 탐사에서 공통적으로 이상대가 나타남에 따라 지하 동굴의 존재가 유력시 되었던 지점이었다. 동굴확인을 위해 CB-7지점에 11 m를 먼저 굴착하였으나 동굴이 확인되지 않았고, 인접한 CB-8번 지점에서 다시 11.7 m를 굴착하였으나 동굴이 발견되지 않았다(Fig. 4a). 시추결과 두 지점에서 공통적으로 용암사이에 협재된 토양층이 나타났다. 이 토양층은 지하 4 m에서 4.5m 구간에 분포하며, 두께는 1.1-1.5 m이다(Fig. 4b). 고토양층은 갈색의 이질 입자들로 구성되어 있으며, 분급이 대체로 양호한 특징을 보인다(Fig. 4c). 한편 CB-8번의 경우 현장에서 일부 토양층을 확인하였으나 코어로 회수하지는 못하였다(Fig. 4c). CB-7지점의 고토양층은 상하부 용암과 뚜렷한 침식경계면을 보이고 있어 하부 용암류가 고화된 이후 하천 등의 범람에 의해 이질 퇴적물이 쌓이고 그 위에 다시 용암류가 피복한 것으로 추정된다.

Fig. 4.(a) Anomaly zone of geophysical exploration of profiles CB-7 and -8; (b) drilling logs; and (c) photographs of cores. White arrows indicate intercalated mud (paleosol) layers.

측선 2번과 3번에서는 GPR 탐사 이상대가 나타나는 3개 지점을 대상으로 조사를 실시하였는데, 특히 CB-17번 지점의 경우 이상대가 매우 두껍게 나타나 동굴의 존재 가능성이 높다고 판단되었던 구간이었다(Fig. 5a). 시추결과 3지점 모두에서 이질 퇴적물로 구성된 고토양층이 확인되었다(Fig. 5b). 이 고토양층은 갈색의 이질 입자들로 구성되어 있고 분급이 대체로 양호한 특징을 보이는데(Fig. 5c), 두께는 CB-14번 지점의 경우 2 m, CB-16번은 2.6 m, CB-17번 지점은 2.3 m로 두껍게 나타났다. 이들 고토양층은 용암이 흐른 후 저지대를 따라 하천의 범람 등에 의해 퇴적된 것으로 추정된다. 한편, CB-14번의 경우 지표하 4.7 m와 7.2 m 깊이에서 두매의 클링커층이 확인되었으며, CB-17번 지점도 3 m와 5.7 m 깊이에도 두매의 클링커층이 확인되었다. 이들 클링커층은 공통적으로 암적색의 다공질 암편들이 엉겨붙은 형태로 산출되며, 두께는 10-30 cm 내외이다(Fig. 5c). CB-17번과 같이 두꺼운 이상대가 나타나는 원인은 동굴이 아니라 용암사이에 협재된 두매의 클링커층과 2.3m 두께의 고토양층에 의한 이상대 반응에 의해 것으로 해석된다.

Fig. 5.(a) Anomaly zone of geophysical exploration of profiles CB-14, -16, and -17; (b) drilling logs; and (c) photographs of cores. White arrows indicate intercalated mud (paleosol) layers.

이번 전기비저항탐사와 GPR 탐사에서 나타난 이상대의 대부분은 용암의 상하부에 형성된 클링커층과 용암 사이에 협재된 고토양층(점토 또는 모래층)으로 확인되었다. 클링커층은 총 27개 지점중 16개 공에서 확인되었으며, 두께는 수십 cm에서 최대 1.7 m에 이른다. 클링커층은 주로 두꺼운 아아용암의 상하부에서 나타나며, 대부분 불규칙한 다공질의 암편들이 서로 엉겨붙은 형태로 산출된다. 조사지역의 지하에 광범위하게 분포하는 클링커의 존재로 미루어 이 지역은 파호이호이 용암류가 흐르기 이전에 아아용암류가 전체적으로 피복했던 것으로 추정된다.

한편 고토양층은 총 6개 지점에서 확인되는데, 두께는 수십 cm에서 최대 2.1 m에 달하며 대부분 갈색을 띤 이질 입자들로 구성되어 있다. 고토양층은 상하부 용암과 뚜렷한 침식경계면을 보이고 있어 하부 용암류가 굳어지고 하천 등의 범람에 의해 이질 퇴적물이 쌓인후 다시 용암류가 피복한 결과로 해석된다.

클링커층과 고토양층은 전기비저항탐사와 GPR 탐사에서 상대적으로 균질한 암반과 다른 전기비저항치와 유전상수 및 전기전도도를 지니고 있다. 따라서 제주도의 지하는 일반적으로 두꺼운 용암으로 비교적 균질하게 분포하고 있다는 생각과 달리 클링커층과 고토양층, 또는 미고결 응회암층이 분포하고 있어 지구물리탐사에서 이상대로 나타난 것으로 해석된다. 또한 ZHF 탐사의 경우는 인근 전신주에서 발생한 전기 노이즈와 고철질 현무암의 특성 등으로 인해 신뢰할만한 자료를 획득하지 못하여 제주도 지역에 접합하지 않은 것으로 판단된다.

따라서 용암동굴의 실존여부 확인을 위해 물리탐사를 실시할 경우 제주도의 지하는 비교적 균질한 석회암 지역의 물리적 특성과 달리 복잡한 지층구조를 이루고 있어 복합지구물리탐사 기법을 이용한 충분한 해석과 시추에 의한 확인이 동반되어야 할 것이다.

 

용천동굴 관통공과 신규동굴 확인

앞서 지구물리 탐사에서의 이상대 분포지점에서 동굴이 발견되지 않음에 따라 별도로 당처물동굴이 분포하는 동굴 연장선을 중심으로 GPR 탐사를 실시하였다. 탐사결과 2개의 뚜렷한 이상대가 확인되었고 이 지점을 대상으로 시추조사를 실시하여 총 5개 지점에서 동굴을 확인하였다(Fig. 6).

Fig. 6.Revised map of Yongcheon Cave.

동굴이 발견된 CB-24, CB-25번 지점은 시추결과 신규동굴이 아니라 기존에 알려진 용천동굴을 관통한 것으로 확인되었다(Fig. 7a). 기존 용천동굴 측량도 상에서는 동굴이 서쪽으로 최대 70 m 이상 이격된 지점에 위치하고 있어 동굴을 관통할 가능성은 없을 것이라 추정하였다. 그러나 실제 시추작업에서 용천동굴을 관통함에 따라 기존 용천동굴의 측량도를 수정하게 되었다(Fig. 6). 또한 기존 측량도 상에 용천동굴과 당처물동굴은 깊이와 동굴의 진행방향이 각각 달라 별개의 동굴로 존재했을 것으로 추정하여 왔으나(Jeju Special Self-governing Province, 2009b), 이번 조사를 통해 당처물동굴은 용천동굴의 가지굴이며 두 동굴이 서로 포개진 이층굴의 형태로 존재하고 있음을 확인하였다.

Fig. 7.(a) Anomaly zone of GPR survey in CB-24, -25, -26, and -27. (b and c) Drilling logs and photographs of cores. Dotted arrows indicate caves.

한편 CB-26, CB-27, CB-28번 지점의 경우 용천동굴 분포지점 인근에 모양이 다른 이상대가 있어(Fig. 7a) 시추를 실시하여, 총 3개 지점에서 신규동굴을 확인하였다(Fig. 7b). 신규동굴은 용천동굴의 분포심도에서 약 2m 높게 위치해 있으며, 용천동굴과 같은 벽을 공유하며 형성되어 있었다. 신규동굴의 연장과 내부 구조를 확인하기 위해 공내 카메라를 삽입한 결과 동굴의 높이는 1-1.5 m 내외이며, 길이는 20-30 m 이상 연장되는 것이 확인되었다. 또한, 동굴내에는 다수의 종유관, 종유석, 석순 등이 분포하는 것으로 나타났다.

 

신규동굴 내부 진입 및 연장성 확인

지구물리탐사와 시추조사로 발견된 신규동굴의 구체적인 규모와 특징을 파악하기 위해 대구경 시추기로 입구를 확대 굴착하였다. 확인된 동굴의 길이는 약 80 m이며 다양한 탄산염 동굴생성물이 발달해 있고, 동굴의 상류와 하류는 천장의 높이가 낮아지고 생성물이 빼곡하여 사람의 출입은 불가한 상태였으나 동굴의 연장은 계속되었다. 이에 동굴의 추가 연장을 확인하기 위해 추가 GPR 탐사를 실시하고 공내 카메라를 삽입한 결과 동굴은 하류쪽으로 100 m 이상 연장되고 상류쪽으로 당처물동굴(110 m)과 연장됨을 확인하였다(Fig. 8). 따라서 이번 조사를 통해 확인된 동굴의 길이는 180 m로 당처물동굴의 길이(110 m)를 포함하면 총 290 m로 조사되었다. 한편 동굴의 정확한 규모를 파악하기 위해 3D 스캐너 측량을 실시하여 동굴 규모에 대한 구체적인 자료를 획득하였다(Fig. 8).

Fig. 8.3D scan image of new cave.

 

신규동굴의 지질학적 특징

동굴생성물과 미지형

신규동굴 내부에는 다양한 용암 동굴생성물과 미지형이 나타나는데 대표적으로 용암곡석, 용암제방, 낙석, 밧줄구조 등이 있다(Jeju Special Self-governing Province, 2011). 용암곡석은 동굴 천장에 꼬불꼬불한 빨대모양의 동굴생성물로서, 동굴 천장에서 용암이 굳어지고 있을 때, 내부 가스의 높은 압력으로 팽창하면서 밀려나와 만들어진 것이다(Fig. 9a). 용암제방은 동굴 바닥의 양쪽 측면에 용암의 흐름방향과 나란하게 아래로 오목하게 발달하고 있다(Fig. 9b). 용암제방은 용암이 동굴 내부로 흐를 때 표면이 먼저 굳어지고 내부로 용암이 빠져나간 후 아래로 내려앉아 가장자리가 높은 둑 모양으로 남겨지면서 형성된 것이다. 한편 동굴 바닥에는 크고 작은 돌덩어리들이 수북이 쌓여있는 낙석이 분포하고 있다(Fig. 9c). 이 낙석들은 용암이 뜨거울 때 부피가 늘어나 있다가 식으면서 부피가 줄어들면서 발생한 절리면을 따라 천장이나 벽면이 붕괴된 결과로 추정된다. 또한 동굴바닥의 용암 표면에는 새끼줄이 꼬여있는 형태의 밧줄구조가 발달해 있다(Fig. 9d).

Fig. 9.Micro-structures and speleothems in the newly discovered cave. (a) Lava helictite on the cave ceiling; (b) lava leeve; (c) rockfall; and (d) ropy structure.

 

탄산염 동굴생성물의 종류와 특성

이번에 발견된 동굴은 용암동굴이지만 내부에 석회동굴에서 발견되는 여러 종류의 탄산염 동굴생성물이 분포하고 있다. 신규동굴 인근 해변의 패각질 모래 등이 바람에 의해 운반되어 동굴 상부에 퇴적되었으며, 빗물과 토양 내의 여러 산에 의해 용해되어 다양한 탄산염 동굴생성물을 형성한 것으로 추정된다(Hong et al., 2012; Ji et al., 2010; Woo et al., 2013). 동굴 내에서 발견되는 대표적인 탄산염 동굴생성물로는 종유관, 종유석, 석순, 석주, 동굴산호, 커튼, 유석, 휴석 등이 있다.

종유관(soda straw)은 신규동굴의 천장에 가장 우세하게 분포하는 동굴생성물로서 천장에 물방울이 고여 있는 지점을 따라 성장하고 있다. 이 종유관은 아래쪽 끝에 맺힌 물방울이 천천히 떨어지거나 떨어지지 않고 증발되면서 방해석 결정을 성장시키는 것으로 알려져 있다(Woo, 2005). 석순(stalagmite)은 동굴 천장에서 종유석을 형성한 물이 바닥에 떨어져 형성되는데, 물의 공급량과 화학성분, 천장의 높이에 따라 모양이 달라진다(Woo, 2005). 신규동굴에서 관찰되는 석순은 천장에서 떨어진 동굴수에 의해 상부가 편평한 평정석순이 만들어진 경우도 있고, 나무뿌리를 따라 동굴수가 흘러내리면서 뾰족한 모양으로 성장하다가, 상부에 나무뿌리가 부패되어 없어져 뾰족한 첨탑 모양으로 남은 경우도 있다(Fig. 10b). 또한 종유석과 석순이 성장하면서 서로 연결되어 기둥모양의 형태를 보이는 석주(column)도 흔히 관찰된다(Fig. 10b).

Fig. 10.(a) Interior view of the new cave. (b) A typical column showing a vase-shaped morphology that widens toward the bottom. (c) cave pearl, and (d) bacon sheet.

동굴진주(cave pearl)는 천장에서 물이 바닥의 홈으로 떨어질 때 홈 내의 입자 주위에 방해석이 성장하면서 만들어진 동굴생성물이다(Fig. 10c). 동굴진주의 형태는 구형부터 타원형 그리고 막대형까지 다양하며, 내부에는 얇고 수많은 성장띠가 관찰된다. 동굴커튼(curtain, shawl)은 동굴로 침투하는 지하수가 절리나 균열대의 틈을 따라 흘러내릴 때 판상으로 자라면서 만들어진다(Woo et al., 2008). 신규동굴에서 발견되는 커튼은 내부에 식물 흔적이 없어 종유석이 성장하다가 물의 공급이 많아지면서 커튼 형태로 성장한 것으로 추정된다(Fig. 10d).

 

결 론

제주도에서는 지하동굴의 존재를 확인하기 위해 용천동굴과 당처물동굴이 위치한 제주시 구좌읍 김녕리와 월정리 일대를 대상으로 다양한 지구물리탐사(전기비저항탐사, GPR탐사, ZHF탐사 등)를 실시하였다. 탐사결과 여러 지점에서 동굴로 추정되는 이상대를 발견하였고 이상대의 위치와 강도가 공통으로 일치하는 27개 지점을 선별하여 시추조사를 실시하였다. 그러나 지구물리탐사의 예상과 달리 실제 시추조사에서는 5곳에서만 동굴이 발견되었는데, 지구물리탐사에서 나타난 이상대의 대부분은 용암의 상하부에 형성된 클링커층이거나 용암 사이에 협재된 고토양층(점토 또는 모래층)에 의한 반응으로 확인되었다. 특히 클링커층과 고토양층은 지구물리탐사에서 용암과 다른 암반의 물리적 특징으로 인해 이상체로 나타난 것으로 추정된다. 따라서 제주도에서 동굴의 실존여부 확인을 위해 물리탐사를 실시할 경우에는 제주도 지하에 물리적 특성을 달리하는 복잡한 지층구조를 고려하여 충분한 해석과 시추에 의한 확인이 동반되어야 할 것이다.

한편 동굴이 확인된 5개 지점중 2공은 용천동굴을 관통하였고, 3공에서 새로운 동굴이 확인되었다. 용천동굴을 관통한 시추공은 시추당시 동굴이 존재하지 않는 구간에서 실시하였으나 용천동굴이 관통됨에 따라 기존 측량도에 오류가 있음을 확인하였고, 별개의 동굴로 인식되던 용천동굴과 당처물동굴이 서로 포개진 이층굴의 형태로 존재하고 있음을 확인하였다.

한편 시추조사로 발견된 신규 동굴은 추가 GPR 탐사와 시추조사를 통해 연장성을 확인한 결과 총 180 m길이이며, 상류방향으로 당처물동굴(110 m)과 연장됨을 확인하였다. 또한 동굴내부에는 용암곡석, 용암제방, 밧줄구조 등이 발달해 있으며, 탄산염 생성물로는 종유관, 석순, 석주, 동굴산호, 커튼, 유석, 휴석 등이 잘 보존되어 있다. 특히 동굴에서 발견되는 탄산염 생성물은 일반 석회동굴 내에서 발견되는 형태와 매우 다른데, 이는 식물의 뿌리를 따라 유입된 동굴수에 의해 동굴생성물이 성장했기 때문으로 추정된다. 이처럼 신규동굴은 이미 국가지정문화재로 지정된 당처물동굴의 원형이 보존되어 있다는 측면에서 학술적 가치 뿐만 아니라 문화재적 가치도 충분한 것으로 판단된다.