카르스트

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1. 개요
2. 어원
3. 대한민국의 카르스트 지형
- 3.1. 주요 카르스트 지형
4. 카르스트 지형의 형성
- 4.1. 화학적 용해 과정
5. 지표 지형
- 5.1. 주요 지표 지형
6. 지하 지형
- 6.1. 석회 동굴 (종유동)
7. 수문학적 특징
- 7.1. 주요 특징
- 7.2. 카르스트 대수층
8. 세계의 카르스트 지형
참조

1. 개요

카르스트는 석회암 등 탄산염암이 용해되어 형성되는 지형을 의미한다. 슬로베니아의 크라스 지방에서 유래된 이 용어는 19세기 후반 독일어에서 영어로 차용되어 전 세계적으로 사용되고 있다. 카르스트 지형은 용식에 의해 다양한 형태를 나타내며, 돌리네, 석회암 평원, 폴리에, 동굴 등이 대표적이다. 이러한 지형은 지표면과 지하 모두에서 특징적인 모습을 보이며, 특히 지하에는 복잡한 지하 배수계와 동굴 시스템이 발달한다. 카르스트 지형은 독특한 수문학적 특징을 보이며, 농업 및 인간 거주에 어려움을 줄 수 있다. 대한민국에서는 고생대 조선 누층군 석회암 지층에 분포하며, 정선 백복령 카르스트 지형이 천연기념물로 지정되어 있다. 카르스트 지형의 연구를 카르스트학이라고 하며, 환경 보호 및 인간 활동 계획에 활용된다.

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카르스트
지도
일반 정보
유형	지형
형성 과정	석회암, 백운암, 석고, 암염 등의 용해성 암석이 침식되어 형성
주요 특징	싱크홀 종유동 동굴 지하 강
관련 용어	카르스트 지형학 카르스트 수문학 가짜 카르스트
어원
어원	슬로베니아어 크라스 (Kras)에서 유래
로마자 표기	Karst
독일어 표기	Karst
형성 과정
용해 작용	빗물이나 지하수가 암석을 녹여내면서 형성
지형 변화	암석 틈새 확장 지하 동굴과 통로 형성 지표면 함몰
주요 지형 특징
싱크홀	지표면이 함몰되어 형성된 움푹 패인 지형
동굴	지하 암석 내부에 형성된 공동
석회동굴	석회암으로 이루어진 동굴, 종유석, 석순 등의 2차 생성물 발달
지하 강	지하로 흐르는 강
카르렌	암석 표면에 발달한 작은 침식 지형
폴리에	여러 개의 싱크홀이 합쳐져 형성된 큰 분지
우발라	폴리에보다 작은 분지
카르스트 창	지하 강이 지표면으로 드러나는 곳
자연교	지하 강이 지표면을 가로질러 형성된 다리 모양 지형
분포 지역
주요 분포 지역	중국 남부 발칸 반도 미국 멕시코
국내 분포	강원도 충청북도 경상북도
특수 카르스트
석고 카르스트	석고가 용해되어 형성된 카르스트
염 카르스트	암염이 용해되어 형성된 카르스트
가짜 카르스트	규암 등 용해성이 낮은 암석에서 형성된 카르스트 유사 지형
카르스트의 중요성
수자원	지하수 저장소 역할, 식수 공급
생태계	특수한 생태계 형성, 동굴 생물 서식
관광 자원	독특한 경관, 동굴 관광
문제점
싱크홀 발생	지반 침하, 건물 파괴 위험
지하수 오염	오염 물질이 지하수로 쉽게 유입
토양 침식	지표면의 토양 유실
연구 분야
관련 연구	지질학 지형학 수문학 생태학
연구 목적	카르스트 형성 과정 이해, 환경 변화 예측

2. 어원

《카르스트》라는 말은 슬로베니아의 크라스(Kras) 지방의 독일어 명칭 'der Karst'에서 유래한다.^[5] 이 지방에는 중생대에 형성된 석회암이 두텁게 분포하여, 용식에 의한 지형을 많이 볼 수 있었기 때문에 연구가 최초로 진행되었다. 이후 같은 종류의 지형을 나타내는 통칭으로서 《카르스트》가 유럽에서 널리 사용되게 되었다.^[46]

영어 단어 "karst"는 19세기 후반에 독일어 Karst|카르스트^de에서 차용된 것이다.^[5] 독일어에서는 훨씬 이전부터 사용되었다.^[6] 이 단어는 이탈리아 트리에스테시 북동쪽에서 시작하여 발칸 반도를 따라 아드리아해 동쪽 해안을 따라 코소보와 북마케도니아까지 이어지는 디나르 알프스 산맥 지역에서 발견되는 여러 지질학적, 지형학적, 수문학적 특징을 설명하기 위해 사용되었다. 이 형태를 유지하는 언어로는 Carso|카르소^it, Karst|카르스트^de, karsti|카르스티^sq가 있다.

지역 남슬라브어에서 이 단어의 모든 변형은 로마화된 일리리아어 어근(carsus|카르수스^la, carsus|카르수스^dlm 생성)에서 유래하며,^[7] 재구성된 형태 *korsъ|코르스|italic=yes^sla에서 음운변화를 거쳐 kras|크라스^sl^[7] 와 krš|크르시^sh, kras|크라스^sh^[8]^[9]^[10]^[11] (18세기 최초 기록) 및 형용사 형태 kraški|크라슈키^sl (16세기 최초 기록)^[12] 와 같은 형태가 되었다. 고유 명사로서 슬로베니아어 형태 Grast|그라스트^sl는 1177년에 처음 기록되었다.^[13]

궁극적으로 이 단어는 지중해 기원이다. 이 단어가 '바위'를 뜻하는 원인도유럽어 어근에서 유래했을 것이라는 주장도 있다.^[14] 또한 이 이름은 프톨레마이오스가 언급한 지명 ''Kar(u)sádios oros'' 와 관련이 있을 수도 있으며, 라틴어 Carusardius|카루사르디우스^la 와도 관련이 있을 수 있다.^[12]^[13]

3. 대한민국의 카르스트 지형

대한민국의 카르스트 지형은 고생대 조선 누층군 석회암 지층에 주로 분포하며, 강원도 남부 (삼척시, 영월군), 충청북도 단양군, 경상북도 문경시 등에 걸쳐 나타난다.^[48] 이 지역의 석회석은 시멘트 공업의 원료로 사용되며, 석회석 광산이 많이 분포한다.

3. 1. 주요 카르스트 지형

대한민국의 주요 카르스트 지형은 고생대 조선 누층군 석회암 지층에 주로 분포하며, 강원도 남부 (삼척시, 영월군)와 충청북도 단양군, 경상북도 문경시 등에 걸쳐 나타난다.^[48] 이 지역의 석회석은 시멘트 공업의 원료로 사용되며, 석회석 광산이 많이 분포한다.

강원도 정선군의 정선 백복령 카르스트 지대는 학술적 가치를 인정받아 천연기념물 제440호로 지정되었다.

카르스트 지형에서는 빗물이 석회암의 균열을 따라 지하로 스며들면서 주변 석회암을 녹여 돌리네(움푹 팬 구멍)라는 지형을 만든다. 돌리네는 지름 10m에서 1,000m, 깊이 2m에서 100m 정도이다.^[48] 여러 돌리네가 연결되어 더 큰 지형으로 성장하면 우발레라고 부른다.

카르스트 지형에서는 빗물이 돌리네를 통해 지하로 유입되므로 지표에 강이 잘 발달하지 않는다. 지하로 스며든 빗물은 지하수를 이루고, 동굴을 만들면서 하류로 흘러 산기슭의 동굴이나 샘을 통해 다시 지상으로 나온다.

4. 카르스트 지형의 형성

카르스트 지형은 석회암과 같이 조밀한 탄산염암에서 가장 잘 발달하는데, 이는 얇게 층상을 이루고 매우 절리가 발달되어 있기 때문이다. 백악은 조밀하기보다는 다공성이기 때문에 지하수의 흐름이 절리를 따라 집중되지 않아 카르스트 지형이 일반적으로 잘 발달하지 않는다. 또한 카르스트 지형은 하천침식곡이 있는 고지대와 같이 지하수면이 상대적으로 낮고 강수량이 중간 정도에서 많은 곳에서 가장 잘 발달한다. 이는 지하수의 빠른 하향 이동에 기여하여 기반암의 용해를 촉진하는 반면, 정체된 지하수는 탄산염 광물로 포화되어 기반암을 더 이상 용해시키지 않게 된다.^[19]^[20]

크로아티아 신주(Sinj) 근처 디나르알프스(Dinaric Alps)의 석회암 지대

러시아 연방 보그도-바스쿤차크 자연보호구(Bogdo-Baskunchak Nature Reserve)의 싱잉 록(Singing Rock). 바람이 불어 들어오면 소리를 낸다.

암석은 아주 미량이지만 물에 용해된다. 그 용해도는 암석을 구성하는 광물의 화학적 성질에 따라 크게 달라진다. 석회암은 대체로 석회질 껍질을 가진 생물의 유해가 해저에 두껍게 퇴적되어 생성된 것이지만, 광물학적으로는 주로 방해석(탄산칼슘 CaCO₃)으로 이루어져 있으며, 다른 암석에 비해 산성수에 대한 용해도가 매우 높다. 지표수에 의해 깎여나가는 침식 작용 외에도 탄산의 작용에 의한 용식으로 석회암이 조금씩 물에 녹아 지표에는 돌리네가, 지하에는 종유동이 발달한다.

탄산을 생성하는 이산화탄소의 주요 공급원은 토양이다. 일반적으로 고온다습한 지역일수록 토양 속 미생물 활동이 활발하여 이산화탄소 생산량이 많고, 강수량도 풍부하기 때문에 카르스트 지형이 활발하게 발달한다. 이로 인해 석회암이 높은 첨탑, 기둥, 탑 모양, 원추형으로 남는 지형이 생겨난다. 카르스트 지형을 형성하는 암석에는 석회암 외에도 백운암(苦灰岩)이나 석고암 등이 있지만, 일본에서는 석회암 외의 카르스트 지형은 볼 수 없다.

4. 1. 화학적 용해 과정

석회암 지형을 만드는 탄산은 비가 지구 대기를 통과하면서 이산화탄소(CO₂)를 흡수하고, 이산화탄소가 물에 쉽게 용해되면서 생성된다. 비가 지면에 도달하면 토양을 통과하는데, 토양은 토양 호흡에 의해 생성된 추가적인 CO₂를 제공한다. 용해된 이산화탄소의 일부는 물과 반응하여 약한 탄산 용액을 형성하고, 이 용액은 탄산칼슘을 용해시킨다.^[21] 석회암 용해의 주요 반응 과정은 다음과 같다.^[22]

H₂O	+	CO₂	→	H₂CO₃
CaCO₃	+	H₂CO₃	→	Ca²⁺	+	2HCO₃^-

매우 드문 경우이지만, 산화가 역할을 할 수 있다. 산화는 미국 뉴멕시코주의 고대 레추기야 동굴 형성에 중요한 역할을 했으며,^[23] 현재 이탈리아 프라사시 동굴에서도 활동적이다.^[24]

황화물의 산화로 황산이 생성되는 것 또한 카르스트 형성의 부식 요인 중 하나일 수 있다. 산소(O₂)가 풍부한 지표수가 깊은 무산소 카르스트 시스템으로 스며들면 산소를 가져오고, 이 산소는 시스템에 존재하는 황화물(황철석 또는 황화수소)과 반응하여 황산(H₂SO₄)을 형성한다. 그러면 황산이 탄산칼슘과 반응하여 석회암 지층 내부의 부식을 증가시킨다. 이러한 연쇄 반응은 다음과 같다.

H₂S	+	2O₂	→	H₂SO₄	(황화물 산화)
H₂SO₄	+	2H₂O	→	SO₄^2-	+	2H₃O⁺	(황산 해리)
CaCO₃	+	2H₃O⁺	→	Ca²⁺	+	H₂CO₃	+	2H₂O	(탄산칼슘 용해)
Ca²⁺	+	SO₄^2-	→	CaSO₄	(황산칼슘 형성)
CaSO₄	+	2H₂O	→	CaSO₄·2H₂O	(석고 형성)

이 반응 연쇄는 석고를 형성한다.^[25]

5. 지표 지형

카르스트 지형은 지표면과 지하 모두에서 다양한 크기의 지형을 만들어낸다. 지표면에 노출된 작은 규모의 지형으로는 용식홈(릴렌카렌), 미소하천, 석회암 평원(클린트와 그라이크), 카메니차 등이 있으며, 이를 통틀어 카렌(또는 라피에)이라고 부른다.^[19] 중간 규모의 지표면 지형으로는 돌리네(또는 세노테), 수직갱, 포이베(역삼각형 돌리네), 소실하천, 카르스트 용천 등이 있다.^[19]

더 큰 규모의 지형으로는 석회암 평원, 폴리예, 카르스트 계곡 등이 있다.^[19] 기반암이 많이 제거된 성숙한 카르스트 지형에서는 카르스트 탑(또는 모고테) 지형이 형성될 수 있다.^[19] 지하에는 복잡한 지하 배수계(예: 카르스트 대수층)와 광범위한 동굴 및 동굴계가 형성될 수 있다.^[19]

특히 열대 지방의 석회암 해안에서는 침식 작용으로 인해 급경사의 마카테아 표면과 해식애(undercut) 등이 형성된다.^[26] 이러한 지형은 태국의 팡아만, 베트남의 하롱베이 등에서 볼 수 있다.^[26]

물이 용해된 이산화탄소를 방출하면 탄산칼슘이 침전될 수 있다. 용천에서 나오는 강은 석회화 단구(tufa terrace)를, 동굴에서는 종유석(speleothem)을 형성한다.

카르스트 지역은 독특한 유형의 숲을 가지는 경향이 있다.^[30] 카르스트 지형은 이동이 어렵기 때문에 생태계가 비교적 방해받지 않는 경우가 많고, 토양 pH가 높아 난초, 야자, 맹그로브 등 특이한 식물이 자란다.^[30]

일반적으로 표고차가 작은 지대에서 카르스트 고원이 형성되는 경우가 많다 (일본의 아키요시다이, 히라오다이 등).^[52] 반면 표고차가 큰 지대에서는 석회암 지괴가 급경사나 급애를 가지는 독립봉 형태의 산을 만들기도 한다 ( 시코쿠 카르스트, 이부키산 등).

카르스트 산지는 지표수가 부족하지만, 저지대에는 비석회암 지대에서 흘러 들어오는 외래 하천이나 카르스트 지하수가 동굴이나 용천에서 흘러나오는 하천 등이 있으며, 이러한 하곡에는 포노르(흡수공), 용천, 동굴 흔적, 천연교, 석회화 폭포 등 독특한 경관이 나타난다.

세계 각지의 연구에 따르면, 중위도 지역에서는 1만 년에 0.2~1.2m 두께의 석회암이 지표에서 용식되는 것으로 추정된다.^[52]

5. 1. 주요 지표 지형

케겔카르스트(Kegelkarst)는 열대 카르스트 지형의 한 유형으로, 콕핏(cockpit), 모고테(mogote), 폴리에(polje)에 의해 형성된 수많은 원뿔 모양의 언덕이 특징이며, 강력한 하천 침식 과정은 나타나지 않는다. 이러한 지형은 쿠바, 자메이카, 인도네시아, 말레이시아, 필리핀, 푸에르토리코, 중국 남부, 미얀마, 태국, 라오스, 베트남에서 발견된다.^[28]

소금이 용해되는 지역에서 발달하는 염 카르스트(salt karst 또는 halite karst)는 지표면의 함몰과 붕괴를 초래하여 지질학적 위험을 야기할 수 있다.^[29]

팔레오카르스트(paleokarst) 또는 고카르스트는 지질학적 역사에서 관찰되고 암석층 내에 보존된 카르스트의 발달로, 사실상 화석 카르스트이다.

토양으로 덮인 부분이 적고 석회암 노두가 주를 이루는 지역을 노출 카르스트(裸出カルスト), 그 반대의 것을 피복 카르스트(被覆カルスト)라고 한다.

지표 지형의 특징에 따라, 다각형 카르스트(多角形カルスト), 코크피트 카르스트(コックピットカルスト), 원추형 카르스트(円錐カルスト), 원정형 카르스트(円頂カルスト), 탑상 카르스트(塔カルスト) 등이 있으며, 기후나 장소 등의 차이에 따라 건조 카르스트(乾燥カルスト), 지중해 카르스트(地中海カルスト), 아열대 카르스트(亜熱帯カルスト), 열대 카르스트(熱帯カルスト), 해안 카르스트(海岸カルスト), 고산 카르스트(高山カルスト), 온수 카르스트(温水カルスト) 등의 총칭어가 있다.

빗물이 석회암의 균열을 따라 집중적으로 지하로 스며드는 과정에서 주변 석회암을 녹이기 때문에, 지표에는 돌리네(doline)라고 부르는 스리바치(すり鉢) 모양의 움푹 들어간 지형이 다수 형성된다. 지름은 10m에서 1,000m, 깊이는 2m에서 100m 정도이다.^[48] 오키나와현 미야코지마시 시모지섬의 도오리이케는 함몰 돌리네에 바닷물이 유입된 사례이다.^[49]

돌리네가 점차 확장되어 인접한 여러 개의 돌리네가 연결되어 더 큰 움푹 들어간 지형으로 성장한 것이 우발레(uvala)이다.

돌리네와 함께 지표에는 토양수의 용식으로 인해 녹지 않고 남은 석회암 돌출부(석회암 기둥^[50] / 라피에 석회암 기둥^[51]; 피나클(pinnacle))가 토양 속에서 수없이 솟아 나온다. 후쿠오카현(福岡県)의 평오대(平尾台)에는 이러한 원정형 석회암 기둥이 무수히 발달하여, 이것들을 양 떼에 비유하여, 이들이 특징적으로 잘 발달한 지역을 양떼원(羊群原)이라고 부르고 있다.

석회암 기둥의 표면이나, 석회암 기둥 사이의 토양에 묻힌 잠재부에는 빗물이나 토양수의 용식에 의해 형성된 작은 도랑이 많이 생겨, 카렌(karren)이라고 불린다. 석회암 기둥이 즐비하고 카렌이 많이 생긴 작은 기복의 지형은 카렌펠트(karrenfeld)라고 불린다.

카르스트 산지는 일반적으로 지표수가 보이지 않지만, 저지대에는 비석회암 지대에서 흘러 들어오는 외래 하천이나 카르스트 지하수가 동굴이나 용천에서 흘러나오는 하천 등이 있으며, 이러한 하곡에는 포노르(흡수공·침수공·연공), 용천, 동굴 흔적, 천연교, 암벽, 석회화 폭포 등 독특한 경관이 보인다. 계곡 벽이 급경사를 이루고 협곡 형태를 띠는 경우가 많다.

타생곡(他生谷): 카르스트 지대 상류의 비석회암 지대에서 흘러 들어오는 외래 하천
맹곡(盲谷) (무코쿠): 사지무다니(尻無谷)라고도 한다. 상류에서 흘러내려오는 하천이 포노르에 유입되어, 그보다 하류로 계곡 지형이 이어지지 않고 막다른 길이 된 계곡
고르지 않은 계곡(涸れ谷): 카르스트화의 진행이나 침식 기준면의 저하에 의해, 과거에 흘렀던 하천이 지하를 흐르게 되어 하상이 마른 계곡
포켓 계곡(ポケット谷)(가방 계곡, 가방 막다른 길 계곡): 카르스트 고원에 막다른 길처럼 들어간 계곡. 계곡 안쪽 구멍에서 지하천이 흘러나오는 경우가 많다

용식이 진행되고, 우발레보다 더 커진 분지 바닥에 지하수면이 나타나 넓은 충적지가 형성된 지형을 폴리예(polje)라고 한다.

폴리예 내부는 습지이며, 계절적인 범람이 자주 발생한다. 종종 넓은 지역에 물이 고여 일시적인 폴리예 호수가 생기기도 한다.

6. 지하 지형

카르스트 지형은 지하수의 용식 작용으로 인해 다양한 지형을 만들어낸다. 카르스트 지대는 빗물이 지하로 스며들기 때문에 일반적으로 물이 부족하고, 용천(湧泉)도 잘 보이지 않는다. 하지만 산기슭이나 충적지 등에는 석회암에 저장된 지하수가 흘러나오거나 솟아나는 곳이 있는데, 이를 카르스트 용천이라고 부른다.

카르스트 용천은 용출 지점의 모습, 지하수의 용출 형태, 지하수의 존재 형태에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

카르스트 용천의 분류
분류 기준	종류	특징	예시
용출 지점	동굴에서 지하천이 흘러나오는 경우	지하천이 동굴을 통해 흘러나온다.	아키요시다이(秋吉台)의 슈호쿠도(秋芳洞), 시가현 카와치후케츠(河内風穴)
	석회암 암석 사이에서 흘러나오는 경우	동굴 없이 석회암 사이에서 물이 흘러나온다.	아키요시다이의 키수이(帰水), 히로시마현 테이샤쿠쿄(帝釈峡)의 양어장 용천
	충적지에서 용출하는 경우	충적지에서 솟아나와 못이나 강을 이룬다.	아키요시다이의 온수(ぬくみず)의 못, 후쿠오카현 이타다정의 히센(泌泉), 히라오다이(平尾台)의 오쇼즈(大清水), 오이타현 사베시 이노우에의 방죠가와(番匠川)^[54]
	해안선 또는 해저에서 용출하는 경우	해안선에서 해수에 막혀 용출하거나, 해저 종유동에서 용출한다.	류큐 열도의 석회암 섬들의 조간대, 지중해 연안의 해저 용천
지하수 용출 형태	연중 용출형	1년 내내 항상 용출한다.	아키요시다이의 슈호쿠도, 이와테현 류센도(龍泉洞)의 지하천
	계절적 용출형	비가 많은 계절에 주로 용출한다.	아키요시다이의 쓰리미즈(釣水)나 케이세이도(景清洞)의 지하천(산각덴가와(三角田川))
	일시적 용출형	강한 강우 후에만 용출한다.
	간헐적 용출형	강우와 관계없이 주기적으로 용출한다.	오카야마현 아테츠다이(阿哲台)의 쿠사마노칸케츠레이센(草間の間歇冷泉)
지하수 존재 형태	지하수면 하 심층 지하수 용출	강수의 영향이 적고 수온, 수질, 유량이 안정적이다.	아키요시다이의 온수의 못, 후쿠오카현 이타다정의 히센
	지하수면 하 천층 지하수 용출	수온, 수질, 유량 등이 지표의 강과 유사하게 변한다.	아키요시다이의 슈호쿠도나 키수이, 히라오다이의 부동동
	순환수대를 흐르는 지하수류 용출	석회암 지대에 인접한 비석회암 산지에서 주로 나타난다.	구마모토현 큐센도(球泉洞), 후쿠오카현 히라오다이의 센부츠쇼뉴도(千仏鍾乳洞)나 세이류쿠츠(青龍窟)의 지하천
	추수 용출	카르스트 대지상에 소규모로 용출한다.	아키요시다이의 히메야마노미즈(姫山の水)나 죠로가이케(女郎ヶ池)

오가사와라 미나미지마 침수 카르스트 지형의 항공 사진(국토교통성 국토지리원 지도·항공사진 열람 서비스의 항공사진을 바탕으로 작성)

침수 카르스트는 과거 지질 시대에 형성된 연안 카르스트 지형이 해수면 상승으로 물에 잠긴 것이다. 카리브해 연안의 블루홀이나 해중 종유동이 대표적이며, 일본에서도 오키나와 해역 연안부에서 해중 종유동이 발견되고 있다. 이시가키섬 메이쿠라만에는 일본 최대급 침수 카르스트가 있으며, 오가사와라 제도미나미지마의 침수 카르스트 지형은 천연기념물로 지정되어 있다.^[49]

지표면 침식이 진행되거나 지하 공동이 커지면 동굴이 붕괴되기도 한다. 지하천 동굴계가 지하수위 저하로 붕괴되는 경우도 있다. 동굴 천장 일부가 붕괴되어 돌리네가 생기면 지하수가 보이는 카르스트의 창이 나타나기도 한다. (예: 가고시마현 오키나가라부섬의 수련동과 다이나암천, 유카탄 반도의 세노테)

동굴계 전체가 붕괴되거나 맹곡과 포켓 곡이 연결될 때 일부가 다리처럼 남으면 천연교가 된다. (예: 히로시마현 테이샤쿠쿄(帝釈峡)의 당문과 웅교, 오카야마현 아테츠다이(阿哲台)의 라쇼몬)

슈도카르스트(Pseudokarst)는 형태는 카르스트와 유사하지만 다른 작용으로 생성된 지형을 말한다. 용암 동굴, 화강암 토르, 고붕괴 지형, 진흙 동굴 등이 이에 해당한다.

6. 1. 석회 동굴 (종유동)

카르스트 지하 지형이 발달하는 과정은 크게 세 가지로 나뉜다. 첫 번째는 석회암의 균열을 따라 흐르는 지하수가 용식 작용을 일으켜 동굴 공간을 만드는 과정이다(석회동굴 형성). 두 번째는 지하수에 녹아 있던 석회 성분이 동굴 내부에서 결정화되어 종유석 등 독특한 동굴 생성물을 만들고 동굴을 장식하는 과정이다(종유동굴 형성). 세 번째는 오랜 시간이 지나 동굴이 붕괴되는 과정이다.

석회 성분이 결정화되는 이유는 다음과 같다. 외부 공기와 동굴 내부 공기의 온도 차이로 인해 발생하는 굴뚝 효과(굴뚝 효과) 때문에, 사람이 통과할 수 없는 틈새로도 공기가 순환한다. 따라서 동굴 내부 공기는 외부 공기와 조성이 거의 같다. 동굴 내부 공기의 이산화탄소 농도는 외부 공기(0.04%)와 크게 다르지 않다(많아야 몇 배 수준). 토양 공기에서 유래한 다량의 이산화탄소에 의해 석회 성분을 많이 녹인 지하수가 동굴 내부로 스며들면, 이산화탄소는 물에서 빠져나와 동굴 내부 공기 중으로 이동한다(마치 맥주에서 이산화탄소가 빠져나가는 것과 같다). 그러면 물에 녹아 있던 석회 성분은 이산화탄소가 빠져나간 만큼 더 이상 녹아 있지 못하고 침전되기 시작한다. 이렇게 종유석(2차 생성물, 석회 생성물, 동굴 장식물)이 만들어지고, 동굴 내부가 아름답게 장식된다.

이 침전 과정을 화학 반응식으로 나타내면 다음과 같다.

:Ca(HCO₃)₂→ CaCO₃ + CO₂ + H₂O 또는 Ca²⁺ + 2HCO₃^-→ CaCO₃ + CO₂ + H₂O

종유석은 생성되는 장소, 물의 양, 불순물의 종류 등에 따라 모양, 색깔, 크기가 다양하다. 하지만 성분은 모두 탄산칼슘(광물명은 방해석, 암석명은 결정질 석회암)이다. 드물게 같은 화학 성분이지만 결정 구조가 다른 아라고나이트로 이루어진 것도 있다. 이들은 동굴 내부에 독특한 풍경을 만들어낸다. 빛을 비추면 반짝이는 아름다운 종유석도 있는데, 이는 미세한 방해석 결정면이 어두운 동굴 내부에서 빛을 반사하기 때문이다. 주요 종류는 다음과 같다.

종유석: 천장에서 아래로 늘어진 것. 넓은 의미로는 동굴 생성물을 의미한다.
석순: 바닥에서 위로 자라는 것.
석주: 종유석과 석순이 연결된 기둥 모양(석회주^[65], 석회화주^[48], 석회석주^[48]^[66], 석회암주^[67]라고도 함).
: 주) 석회석주나 석회암주는 동굴을 이루는 석회암이 기둥 모양으로 녹지 않고 남은 것(주석^[68])을 가리키기도 하고, 석회암주는 지표면에 드러난 피나클을 가리키기도 하는 등 용어가 통일되어 있지 않다.
림스톤: 둑돌, 윤연(변)석이라고도 한다. 완만한 경사면에 생긴 논밭과 같은 모양(아키요시 동굴의 백매판이 유명). 둑돌이 모여 이루어진 지형을 석회화단(석회화단구)이라고 부른다.
플로우스톤: 유화석. 벽면을 덮고 흐르는 듯한 모양(해파리의 폭포 오르기나 돌 폭포라는 이름이 붙여지기도 함).
커튼: 석막, 석회막. 오버행(overhang, 상부가 돌출된 형태) 벽면에 깃발처럼 늘어진 것.

7. 수문학적 특징

카르스트 지형은 농업에 있어서 지표수가 부족하다는 점을 고려해야 한다. 토양이 비옥하고 강우량이 충분하더라도, 빗물이 균열을 통해 지하로 빠르게 이동하여 지표면 토양이 건조해질 수 있기 때문이다.

또한 카르스트 지형은 돌리네와 같은 지형적 특성으로 인해 인간 거주에 어려움을 야기한다. 돌리네는 점진적으로 발달하기도 하지만, 동굴 천장이 갑자기 무너져 주택, 가축, 농기계 등이 땅속으로 꺼지는 경우도 발생한다. 2014년 미국 켄터키 주 볼링그린의 국립 콜벳 박물관에서는 동굴-돌리네 붕괴로 소장품 일부가 함몰되는 사고가 발생했다.^[40]

7. 1. 주요 특징

카르스트 지형은 독특한 수문학적 특징을 가지며, 이로 인해 여러 특이한 지형들이 나타난다. 카르스트 펜스터(카르스트 창)는 지하 하천이 암석층 사이로 지표면에 나타났다가 폭포수처럼 떨어진 후, 다시 돌리네로 사라지는 현상을 말한다.

카르스트 지역의 강은 지하로 사라졌다가 다른 곳에서 다시 나타나기도 하며, 심지어 다른 이름으로 불리기도 한다. 류블랴니차는 "일곱 개의 이름을 가진 강"으로 알려져 있다. 와이오밍 주 프리몬트 군의 포포 아기에 강은 싱크스 캐니언 주립공원의 "싱크스"라는 지점에서 동굴로 흘러 들어간 후, 약 0.80km 아래쪽의 웅덩이에서 다시 나타난다.

터럴로는 아일랜드 카르스트 지역에서 발견되는 독특한 계절 호수로, 지하수계의 연간 용출을 통해 형성된다. 카르스트 산지에는 보통 지표수가 보이지 않지만, 저지대에는 비석회암 지대에서 흘러 들어오는 외래 하천이나 카르스트 지하수가 동굴이나 용천에서 나오는 하천이 있다. 이러한 하곡에는 포노르(흡수공·침수공·연공), 용천, 동굴 흔적, 천연교, 암벽, 석회화 폭포 등 독특한 경관이 나타나며, 계곡 벽이 급경사를 이루는 협곡 형태가 많다.

타생곡(他生谷): 카르스트 지대 상류의 비석회암 지대에서 흘러 들어오는 외래 하천 (추키시다이(秋吉台)의 코토가와(厚東川), 테이샤쿠다이(帝釈台)의 테이샤쿠가와(帝釈川), 아테츠다이(阿哲台)의 코우보가와(高梁川)).
맹곡(盲谷) (무코쿠): 사지무다니(尻無谷)라고도 불리며, 상류에서 흘러내려오는 하천이 포노르에 유입되어 하류로 계곡 지형이 이어지지 않고 막다른 길이 된 계곡 (히라오다이(平尾台)의 호우케다니(芳ヶ谷), 추키시다이(秋吉台)의 산각타가와(三角田川), 오키나가라부섬(沖永良部島)의 요타가와(余多川)).
고르지 않은 계곡(涸れ谷): 카르스트화나 침식 기준면 저하로 인해 과거에 흘렀던 하천이 지하를 흐르게 되어 하상이 마른 계곡 (테이샤쿠다이(帝釈台)의 젠부쓰지다니(禅仏寺谷) 하류, 아테츠다이(阿哲台)의 무메이다니(無明谷)).
포켓 계곡(ポケット谷)(가방 계곡, 가방 막다른 길 계곡): 카르스트 고원에 막다른 길처럼 들어간 계곡으로, 안쪽 구멍에서 지하천이 흘러나오는 경우가 많다 (추키시다이(秋吉台)의 슈호도(秋芳洞)).

우발레보다 더 커진 분지 바닥에 지하수면이 나타나 넓은 충적지가 형성된 지형을 폴리예(polje; 세르보크로아트어의 평야)라고 한다. 큰 폴리예는 수백 제곱킬로미터에 달하기도 한다. 폴리예에서는 동굴이나 용천에서 나오는 지하천이 폴리예 내부를 흐른 후, 하류 쪽의 포놀로 지하로 흘러들어간다. 일본에는 완벽한 폴리예는 없지만, 야마구치 현 아키요시다이 상류 쪽 비토정 아카고 지역에 유사한 형태(연변 폴리예)가 있다.

폴리예 내부는 습지이며, 계절적 범람이 잦고 넓은 지역에 물이 고여 일시적인 폴리예 호수가 생기기도 한다. 이는 석회암체 내 지하수위가 높아져 발생하며, 평소의 포놀이 역으로 토출동으로 바뀐다. 아카고 지역 오가와의 늪 폴리예에서는 폭우 시 폴리예 호수가 발생하여 논밭이 침수되기도 했으나, 최근에는 배수로 공사로 발생하지 않는다.

카르스트 지대는 빗물이 지하로 스며들어 물이 부족하고 용천(湧泉)이 드물지만, 산록이나 충적지에는 석회암체에 저장된 지하수가 흘러나오는 카르스트 용천이 많다.

용출 지점:
동굴에서 지하천이 흘러나오는 것: 아키요시다이(秋吉台)의 슈호도(秋芳洞), 시가현 카와치후케츠(河内風穴).
석회암 암석 사이에서 흘러나오는 것: 아키요시다이(秋吉台)의 키스이(帰水), 히로시마현 테이샤쿠쿄(帝釈峡)의 양어장 용천.
충적지에서 용출하여 못이나 강을 이루는 것: 아키요시다이(秋吉台)의 온수(ぬくみず)의 못, 후쿠오카현 이타다정의 히센(泌泉), 히라오다이(平尾台)의 오쇼즈(大清水), 오이타현 사베시 이노우에의 반쇼가와(番匠川).^[54]
해안선에서 해수에 막힌 형태로 용출하는 것: 류큐 제도(琉球列島) 석회암 섬들의 조간대.
해저에 잠긴 종유동(鍾乳洞)에서 용출하는 것: 지중해 연안 해저 용천, 빙하기(氷期) 해면 저하 시 형성된 동굴.

지하수 용출 형태:
연중 용출형: 1년 내내 용출. 아키요시다이(秋吉台)의 슈호도(秋芳洞), 이와테현 류센도(龍泉洞)의 지하천(地下川).
계절적 용출형: 비가 많은 계절에 용출. 아키요시다이(秋吉台)의 쓰리미즈(釣水)나 카게키요 동굴(景清洞)의 지하천(산카쿠다 강(三角田川)).
일시적 용출형: 강한 강우 후에만 용출.
간헐적 용출형: 강우와 관계없이 주기적으로 용출. 오카야마현 아테츠다이(阿哲台)의 시오타키(潮滝).

지하수 존재 형태:
지하수면 하 심층 지하수 용출: 강수 영향 적고 수온, 수질, 유량 안정. 아키요시다이(秋吉台) 온수 못, 후쿠오카현 이타다정 히센(泌泉). 드물게 온천수나 기수(汽水)(오키나와현 혼부정
지하수면 하 천층 지하수 용출: 대부분의 카르스트 용천. 수온, 수질, 유량 변화가 지표 강과 유사. 아키요시다이(秋吉台) 슈호도(秋芳洞), 키스이(帰水), 히라오다이(平尾台) 부동동.
지하수면 위 순환수대(循環水帯) 지하수류 용출: 석회암 지대와 비석회암 산지가 넓게 펼쳐진 경우. 구마모토현 규센도(球泉洞), 후쿠오카현 히라오다이(平尾台) 센부쓰 종유동(千仏鍾乳洞), 세이류쿠쓰(青龍窟) 지하천.
석회암, 피복 토양 주수(宙水) 용출: 카르스트 대지상 소규모 용출. 아키요시다이(秋吉台) 히메야마노미즈(姫山の水), 조로가이케(女郎ヶ池).

7. 2. 카르스트 대수층

카르스트 대수층은 일반적으로 석회암에서 발달한다. 천연 탄산을 함유한 지표수는 석회암의 작은 균열로 스며든다. 이 탄산은 석회암을 서서히 용해하여 균열을 확장시킨다. 확장된 균열은 더 많은 양의 물이 유입될 수 있게 하여 개구부가 점진적으로 커지게 한다. 풍부한 작은 개구부는 많은 양의 물을 저장하며, 더 큰 개구부는 대수층을 용천으로 배수하는 수로 시스템을 형성한다.^[32]

카르스트 대수층의 물은 지하 흐름으로 물이 흐르는 열린 수로를 통해 흐른다.

카르스트 대수층의 특성 분석에는 싱크홀, 스왈렛, 소실 하천 및 용천을 찾기 위한 현장 탐사와 함께 지질도 연구가 필요하다.^[33] 기존의 수문지질학적 방법(대수층 시험, 등수위면 매핑 등)은 카르스트 대수층의 복잡성을 특성화하기에 부족하며, 염료 추적, 용천 배출량 측정 및 수질 분석으로 보완해야 한다.^[34] 미국 지질조사국(USGS)의 염료 추적은 기공도의 균일한 분포를 가정하는 기존의 지하수 모델이 카르스트 대수층에는 적용될 수 없다는 것을 밝혀냈다.^[35]

카르스트 용천은 프랑스 동부 우앙 근처 쥐라 산맥의 루아 강 발원지에 있다.

직선 하천 구간 및 싱크홀과 같은 지표 특징의 선형 정렬은 단층을 따라 발달한다. 단층 또는 단층 교차점에 우물을 위치시키면 양호한 용수 생산을 만날 가능성이 높아진다.^[36] 카르스트 대수층의 공극은 파괴적인 붕괴 또는 지반침하를 야기할 만큼 클 수 있으며, 이는 오염 물질의 격변적인 방출을 초래할 수 있다.^[37]

카르스트 대수층의 지하수 유속은 다공성 대수층보다 훨씬 빠르다. 예를 들어, Barton Springs Edwards 대수층에서 염료 추적은 카르스트 지하수 유속을 하루 0.8km에서 11.3km 사이로 측정했다.^[38] 빠른 지하수 유속으로 인해 카르스트 대수층은 다공성 대수층보다 지하수 오염에 훨씬 더 민감하다.^[33]

카르스트 지역의 지하수는 동굴이 많고 투수성이 높아 오염 물질 여과의 기회가 줄어들기 때문에 지표 하천처럼 쉽게 오염된다. 우물물 또한 안전하지 않을 수 있다. 소 방목장의 싱크홀에서 방해받지 않고 흘러 들어온 물이 다공성 대수층에서 발생하는 일반적인 여과 과정을 우회할 수 있기 때문이다. 싱크홀은 종종 농가 또는 지역 쓰레기 매립지로 사용되었다. 카르스트 지형의 과부하 또는 고장난 정화조는 원시 하수를 지하 수로에 직접 버릴 수 있다.

지질학자들은 2007년 기준으로 세계 식수 수요의 약 25%를 공급한 카르스트 수문학에 대한 인간 활동의 이러한 부정적인 영향에 대해 우려하고 있다.^[39]

8. 세계의 카르스트 지형

세계에서 가장 큰 석회암 카르스트 지대는 오스트레일리아의 널러보 평원이다. 슬로베니아는 세계에서 싱크홀 위험이 가장 높은 국가이며, 미국의 동부에 있는 서부 하이랜드 림은 카르스트 싱크홀 위험이 두 번째로 높다.^[41]^[42]

캐나다 북서부 준주에 있는 우드 버팔로 국립공원에는 카르스트 싱크홀 지역이 있다.^[43] 멕시코는 유카탄 반도와 치아파스주에 중요한 카르스트 지역을 가지고 있다.^[44] 아일랜드 서부에는 카르스트 석회암 지역인 더 버런이 있다. 중국 남부 카르스트는 귀주성, 광시, 운남성에 걸쳐 있으며 유네스코 세계유산으로 등재되어 있다.

카르스트 지방(슬로베니아)
중국 남방 카르스트(광서자치구 계림, 운남성 석림, 귀주성 리파, 중경시 무륭)
하롱베이(베트남)
퐁냐케방 국립공원(베트남)
아그텔레크 카르스트와 슬로바키아 카르스트의 동굴군(헝가리·슬로바키아)
맘모스 케이브 국립공원(미국)
미라두루 다 루아(앙골라)

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