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분사 (지질학)

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목차

1. 개요

모래 분출은 지표면으로 모래가 분출되어 형성된 원뿔 모양의 지형이다. 이는 토양 액상화와 연관되어 지진 시 물이 포화된 퇴적물에서 발생하며, 1811-1812년 뉴마드리드 지진과 같은 지진에서 관찰되었다. 모래 분출은 지진 연구에 활용되며, 홍수 시 제방 붕괴의 원인이 되기도 한다. 모래 분출이 발생하면 수압을 줄여 흐름을 늦추는 방식으로 대응할 수 있다.

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분사 (지질학)

2. 형성 과정 및 특징



모래 화산 또는 모래 분출은 중심 지점에서 지표면으로 모래가 분출되어 만들어진 원뿔 형태의 지형이다. 분출된 모래는 안식각을 이루며 쌓여 원뿔 모양을 형성하고, 정상 부근에서는 화구가 관찰되기도 한다. 전체적인 모습은 작은 화산 원뿔과 유사하며[2], 그 크기는 지름 기준으로 수 밀리미터에서 수 미터에 이르기까지 다양하다.

이러한 지형의 형성은 주로 토양 액상화 현상과 관련이 깊다. 지진이 발생하면 물로 포화된 퇴적층 속의 모래가 유동성을 띠게 되고, 이 유동화된 모래가 지표로 분출되면서 모래 분출 지형이 만들어지는 것이다.

모래 분출은 간헐천이나 지하 가스 분출과 관련된 ''진흙 화산''과는 다른 현상이다.

2. 1. 액상화 현상과의 관계

모래 분출 과정은 종종 토양 액상화 현상과 깊은 관련이 있다. 이는 지진이 발생했을 때, 물로 포화된 퇴적물 속 모래가 유동성을 가지게 되어 지표면으로 분출하면서 나타나는 현상이다. 대표적인 예로 뉴마드리드 지진대에서는 1811–1812년 뉴마드리드 지진 당시에 이러한 모래 분출 지형이 다수 형성되었다.[3] 당시 미세 입자로 이루어진 지표 퇴적물에 생긴 선형 균열을 따라 여러 모래 분출구들이 줄지어 나타났는데, 이러한 흔적은 뉴마드리드 지역에서 오늘날에도 관찰할 수 있다.

이 지진은 또한 세계에서 가장 큰 규모로 알려진 모래 비등(sand boil) 현상을 일으켰다. 미주리주 헤이티 근처에서 발견되는 이 지형은 현지에서는 '"The Beach"'라고 불리며,[4] 그 길이는 2.3km에 달하고 면적은 55ha를 덮고 있다.

최근 몇 년간, 과거에 발생했던 지진을 연구하기 위해 액상화 관련 지형을 지도화하는 노력이 활발히 이루어지고 있다.[5] 기본적인 접근 방식은 액상화 과정에 취약한 지역을 파악하고, 해당 지역을 더욱 면밀히 조사하는 것이다. 모래 분출이나 쇄설성 암맥과 같은 토양 액상화 관련 지형의 존재 여부는 과거의 지진 활동을 파악하는 강력한 증거로 활용된다.

1989년 샌프란시스코에서 발생한 로마 프리에타 지진 당시에도 모래 분출이 관찰되었는데, 이 과정에서 1906년 샌프란시스코 지진 당시의 잔해가 지표면으로 솟아오르기도 했다. 이는 액상화 현상의 직접적인 결과였다. 과학자들은 1989년 지진 때 마리나 지구에서 분출된 모래의 위치를 조사하여, 1906년 당시 그 자리에 존재했던 석호의 위치를 밝혀냈다. 이 석호는 박람회 방파제가 건설된 후 형성되었으며, 파나마-태평양 국제 박람회 개최 준비를 위해 1915년에 매립된 곳이었다.[8]

2. 2. 형태 및 규모



모래 화산 또는 모래 분출은 중심 지점에서 표면으로 모래가 분출되어 형성된 모래로 이루어진 원뿔 형태이다. 분출된 모래는 안식각에 맞춰 경사를 이루며 원뿔 형태로 쌓인다. 정상 부근에는 보통 화구가 관찰된다. 전체적인 모습은 작은 화산 원뿔과 비슷하며[2], 크기는 지름 기준으로 밀리미터 단위부터 미터 단위까지 다양하다.

이러한 현상은 주로 토양 액상화 과정과 연관되어 나타난다. 지진이 발생했을 때 물로 포화된 퇴적물 속에서 모래가 액체처럼 변하며 지표로 분출되는 것이다. 뉴마드리드 지진대에서는 1811–1812년 뉴마드리드 지진 당시 이러한 지형이 다수 형성되었다.[3] 미세한 입자로 이루어진 지표 퇴적물에 생긴 선형 균열을 따라 여러 개의 모래 분출구가 일렬로 늘어선 모습도 흔하게 나타나며, 이는 뉴마드리드 지역에서 지금도 관찰할 수 있다.

이 지진으로 인해 세계에서 가장 큰 규모로 알려진 모래 분출 지형이 형성되기도 했다. 미주리주 헤이티 근처에 위치한 이 지형은 현지에서 '"The Beach"'라고 불리며[4], 길이는 2.3km에 달하고 면적은 55ha를 덮고 있다.

최근 몇 년간, 과거에 발생했던 지진을 연구하기 위해 액상화 관련 지형을 찾아 기록하는 노력이 활발히 이루어지고 있다.[5] 기본적인 접근 방식은 액상화가 일어나기 쉬운 지역을 파악한 뒤, 해당 지역을 상세히 조사하는 것이다. 쇄설성 암맥과 같은 토양 액상화 지형의 존재 여부는 과거 지진 활동의 강력한 증거가 될 수 있다.

모래 화산은 간헐천이나 지하 가스 분출이 일어나는 지역에서 형성되는 ''진흙 화산''과는 다른 현상이다.

2. 3. 지진과의 연관성

분사 현상은 지진 발생 시 나타나는 토양 액상화와 밀접한 관련이 있다. 지진의 강한 흔들림은 물로 포화된 퇴적층의 모래 입자들을 유동화시키고, 이 유동화된 모래가 지표면으로 분출되면서 모래 분출(sand boil)이나 모래 화산(sand volcano)과 같은 지형을 형성한다.

대표적인 사례로 뉴마드리드 지진대에서 발생한 1811–1812년 뉴마드리드 지진을 들 수 있다. 이 지진 당시 광범위한 지역에서 모래 분출이 일어났으며[3], 미세 입자로 이루어진 지표 퇴적물에 형성된 선형 균열을 따라 모래 분출구들이 줄지어 나타나는 모습은 현재까지도 뉴마드리드 지역에서 관찰된다. 이 지진은 세계에서 가장 큰 규모로 알려진 모래 분출 지형을 만들기도 했는데, 미주리주 헤이티 근처에 위치한 이 지형은 현지에서 '더 비치'(The Beach)라고 불리며, 길이는 2.3km, 면적은 55ha에 달한다.[4]

1989년 로마 프리에타 지진 당시 샌프란시스코 마리나 지구에서도 모래 분출이 발생했다. 이 분출로 인해 1906년 샌프란시스코 지진 당시 매립되었던 지역의 잔해가 지표로 솟아오르기도 했다. 과학자들은 1989년 지진 때 분출된 모래의 위치를 조사하여, 과거 그 자리에 있었던 석호의 위치를 파악해냈다. 이 석호는 파나마-태평양 국제 박람회 개최를 위해 1915년에 매립되었던 곳이다.[8]

이처럼 지진으로 인한 토양 액상화의 흔적인 모래 분출 지형이나 쇄설성 암맥 등은 과거 지진 활동의 강력한 증거가 된다. 따라서 고지진학 연구에서는 특정 지역의 액상화 가능성을 평가하고 과거 지진 기록을 복원하기 위해 이러한 지질학적 특징들을 조사하고 분석하는 노력이 이루어지고 있다.[5]

3. 홍수 방지 구조물과의 관계

모래 분출은 홍수 시 제방이나 둑과 같은 홍수 방지 구조물의 안정성에 영향을 미칠 수 있는 현상이다. 홍수로 높아진 수위가 구조물 아래 지반에 강한 수압을 가하면, 물이 지반을 통해 스며 나오면서 모래 등 토양 입자를 함께 분출시킨다. 이러한 모래 분출은 액상화 현상과 더불어 제방 붕괴의 주요 원인이 될 수 있다.[6]

모래 분출은 제방이나 둑의 기초 지반을 약화시켜 구조물 붕괴 위험을 높인다. 따라서 홍수 방지 및 관리에서 모래 분출 현상을 주의 깊게 관찰하고 적절히 대응하는 것이 중요하다.

모래 분출 발생 시 모래주머니 등을 이용하여 분출 지점 주변에 물을 고이게 함으로써 수압 차이를 줄이고 물의 흐름을 늦추는 방식으로 대응하여 구조물의 붕괴 위험을 낮출 수 있다.[6] 2011년 미국 미시시피 강과 오하이오 강이 합류하는 카이로 인근에서는 9m × 12m에 달하는 대규모 모래 분출이 발생하여 미국 육군 공병대가 이를 통제하기 위해 노력한 사례가 있다.[7]

3. 1. 제방 붕괴 메커니즘

모래 분출은 홍수가 발생했을 때 액상화 현상과 함께 제방 붕괴를 일으키는 원인이 될 수 있다. 분출 과정에서 미세한 입자(실트 및 미세 모래)는 물과 함께 밖으로 배출되어 분출 구멍 주변에 쌓이고, 구멍 안에는 상대적으로 굵은 모래 입자들이 남아 마치 끓는 것처럼 보이는 현상이 나타난다.

이러한 모래 분출은 홍수로 인해 제방이나 둑 안쪽의 수압이 높아지면서 물이 제방 반대편 땅으로 스며 나오면서 시작된다. 처음에는 물이 흙 사이로 조용히 스며 나오는 단순한 누수 층류 상태로 나타난다. 하지만 홍수 수위가 계속 높아져 수압이 더 강해지면, 물이 흙 밖으로 자유롭게 흘러나오는 지점에서 물의 흐름이 거칠어지는 난류가 발생한다. 이 난류는 흙 속에 물길, 즉 파이프 형태의 통로를 만드는 토양 파이핑 현상을 일으킨다. 파이핑 현상은 물이 새어 나오는 지점에서 시작되어 제방 쪽으로 거꾸로 파고 들어가는 역 침식 과정을 통해 파이프 모양의 빈 공간을 만들고, 결국 제방을 관통하여 물 공급원까지 이어지게 된다. 일단 파이핑 현상이 시작되면, 이를 막지 못할 경우 빠르게 제방 붕괴로 이어질 수 있다.

모래 분출로 인한 물의 흐름을 늦출 수는 있지만, 완전히 멈추게 하는 것은 현실적으로 어렵다. 활발한 모래 분출에 대처하는 가장 효과적인 방법은 분출이 일어나는 곳 위에 물을 충분히 깊게 고이게 하여 수압 차이를 줄이고 물의 흐름 속도를 늦추는 것이다. 이렇게 하면 물길 끝부분에서 발생하는 난류와 역 침식 현상을 막을 수 있다. 물의 흐름이 느려지고 난류가 없어지면 흙 입자가 더 이상 휩쓸려 나가지 않게 된다. 물을 고이게 하는 것은 분출 지점 주변에 모래주머니를 쌓아 임시 둑을 만드는 방식으로 이루어진다.[6]

실제 사례로, 2011년 봄 홍수 때 미국 육군 공병대는 역사상 가장 큰 규모의 활성 모래 분출을 막아야 했다. 이 모래 분출은 크기가 9m × 12m에 달했으며, 일리노이주 카이로 시 근처, 미시시피 강과 오하이오 강이 합류하는 지점에 위치해 있었다.[7]

3. 2. 모래 분출 대응 방법

모래 분출은 홍수 발생 시 액상화 현상 및 제방 붕괴를 유발할 수 있는 주요 원인 중 하나이다. 이 현상은 제방이나 둑 아래의 흙 속에서 물이 솟아오르면서 미세한 입자(실트 및 고운 모래)가 물과 함께 지표면으로 배출되고, 상대적으로 굵은 모래 입자는 분출 구멍 주변에 남아 끓는 듯한 모습을 보이는 것을 말한다. 홍수로 인해 높아진 수위가 제방이나 둑에 강한 수압을 가하면, 물이 제방 반대편 지면으로 스며 나오면서 모래 분출이 시작된다. 처음에는 단순한 누수 층류 형태로 나타나지만, 수압이 계속 증가하면 물의 흐름이 빨라지면서 난류로 변하고, 이는 흙 속에서 물길을 만드는 토양 파이핑 현상을 일으킨다. 이 파이프 형태의 공동은 역 침식 과정을 통해 점차 둑 방향으로 확장되어 결국 둑 붕괴로 이어질 수 있다.

모래 분출이 시작되면 그 흐름을 늦출 수는 있지만, 완전히 멈추게 하는 것은 현실적으로 어렵다. 가장 효과적인 대응 방법은 분출 지점 주변에 물을 충분히 깊게 가두어 수압 경사를 줄이고 물의 흐름 속도를 늦추는 것이다. 이렇게 하면 물의 흐름이 난류에서 층류로 바뀌어 더 이상 흙 입자를 운반하지 못하게 되고, 역 침식을 막을 수 있다. 이를 위해 주로 분출구 주변에 모래주머니를 원형으로 쌓아 물을 가두는 방식을 사용한다.[6]

실제 사례로, 2011년 봄 미국에서 발생한 대규모 홍수 당시 미국 육군 공병대는 기록상 가장 큰 규모의 활성 모래 분출에 대응해야 했다. 이 모래 분출은 미시시피 강과 오하이오 강이 합류하는 일리노이주 카이로 시 인근에서 발생했으며, 그 크기는 가로 9m, 세로 12m에 달했다.[7]

4. 사례 연구

1989년 로마 프리에타 지진 당시 샌프란시스코에서 발생한 모래 분출은 분사의 대표적인 예시이다. 이 지진으로 인해 액상화 현상이 발생했으며, 그 결과 모래가 분출되면서 1906년 샌프란시스코 지진의 잔해가 함께 솟아올랐다. 과학자들은 1989년 지진 당시 마리나 지구에서 분출된 모래의 위치를 조사하여, 1906년에 존재했던 석호의 위치를 파악할 수 있었다. 이 석호는 파나마-태평양 국제 박람회 개최(1915년)를 위해 방파제가 건설된 후 형성되었으며, 이후 매립된 지역이었다.[8]

참조

[1] 뉴스 Christchurch Earthquake – An Overview 2011-03
[2] Flickr Images after 2010 Canterbury earthquake https://www.flickr.c[...]
[3] 웹사이트 Historic Earthquakes: New Madrid Earthquakes 1811–1812 https://earthquake.u[...] United States Geological Survey 2010-03-07
[4] 웹사이트 Strange Happenings during the Earthquakes http://www.new-madri[...] United States Geological Survey 2024-10-13
[5] 웹사이트 Data for Quaternary Faults, Liquefaction Features, and Possible Tectonic Features in the Central and Eastern United States, East of the Rocky Mountain Front http://pubs.usgs.gov[...] United States Geological Survey
[6] 웹사이트 UC Davis, Department of Civil & Environmental Engineering: Photograph of sandbag ring http://cee.engr.ucda[...] 2010-06-11
[7] 웹사이트 wpsdlocal6.com http://www.wpsdlocal[...] 2011-05-04
[8] 간행물 The Liquefaction Sand Boils in the San Francisco Marina District During the 1989 Loma Prieta Earthquake http://scholarsmine.[...] 1991


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