ISSN 1229-2427 http://dx.doi.org/10.7843/kgs.2012.28.10.55 한국지반공학회논문집 제28권 10호 2012년 10월 pp. 55 ～ 68
서해안 미고결 지층의 퇴적이력 및 퇴적환경
Stratigraphic Sequence and Depositional Environment of Unconsolidated Deposits in the West Seacoast
이 영 목1 Lee, Yong-Mok 최 은 경2 Choi, Eun-Kyeong 김 성 욱3 Kim, Sung-Wook 이 규 환4 Lee, Kyu-Hwan 윤 여 진5 Yoon, Yeo-Jin 임 희 대6 Lim, Heui-Dae
Abstract
The west seacoast has approximately 83% of tidal flat in Korea. Gyeonggi-do and Inchon has 35.1%. This study was carried out to understand depositional environment and properties of tidal deposits that distributed in the Gyeonggi bay. On the basis of observation and description on mineralogical, geochemical, physical properties, detailed sedimentary unit has been respectively distinguished Based on. stratigraphic position, facies and unconformity, the intertidal zones are classified into four sedimentary units, and bedrock over the units has been developed in the order of Unit 4→Unit 3→Unit 2→Unit 1. The intertidal sediment deposits of Gyeonggi Bay were compared with those of west coast. In Cheongra area all strata of Unit 4-Unit 3-Unit 2-Unit 1 appear. In Yeongjong-do Unit 2-Unit 1, in Incheon Bridge and Songdo area Unit 4-Unit 3-Unit 1 are observed. In Daesan area Unit 4-Unit 3-Unit 1 are observed. Average clay mineral content ratio is 8.2% in Cheongra area, 2.9% in Yeongjong Island, 18.4% in Incheon Bridge, 24.6% in Songdo area.
요 지
우리나라 조간대의 약 83%는 서해안에 분포하고 있으며, 경기도와 인천지역에 약 35.1%가 분포하고 있다. 본 연구 는 경기만 일원에 분포하는 조간대 퇴적층의 형성 환경과 특성을 이해하기 위하여 수행되었으며, 광물학적, 지구화학 적, 물리적 특성에 대한 관찰과 기술을 통해 각각의 세부적인 퇴적단위를 구분하였다. 우리나라 서해 연안 조간대에서 채취된 퇴적물의 층서적 위치, 퇴적상 및 침식 부정합면을 근거로 조간대는 기반암 상위로부터 Unit 4→Unit 3→Unit 2→Unit 1의 순서로 4개의 퇴적단위로 구분되며, 경기만에서 측정된 퇴적층을 서해안 조간대 퇴적층과 대비하면 북부 지역에 해당되는 청라지구에서는 Unit 4, Unit 3, Unit 2, Unit 1의 모든 지층이 나타나며, 영종도지역에서는 Unit 2, Unit 1의 지층이 관찰되며, Unit 4, Unit 3은 결층이다. 경기만의 중부와 남부지역에 해당되는 인천대교와 송도지역 은 Unit 4, Unit 3, Unit 1의 지층이 관찰되며, Unit 2는 결층에 해당한다. 가로림만에 해당되는 대산 지역은 Unit 4-Unit 3-Unit 1이 관찰된다. 상부 지층에 해당하는 Unit 1과 Unit 2 지층은 경기만 북부의 청라지구와 영종도 지역에서 넓게 분포하며, 남부 지역은 하부 지층의 Unit 3과 Unit 4 지층이 잘 나타난다. 경기만에서 측정된 평균 점토광물
1 정회원, 충남대학교 토목공학과 박사수료 (Member, Ph.D Candidate, Dept. of Civil Eng., Chungnam Nati. Univ.) 2 정회원, (주)지아이 부장 (Member, General Manager, Gi Inc)
3 정회원, (주)지아이 대표 (Member, CEO, Gi Inc)
4 정회원, 건양대학교 건설환경공학과 부교수 (Member, Associate Prof., Dept. of Civil & Environment Eng., Konyang Univ., Tel: +82-41-730-5633, Fax: +82-41-730-5765, [email protected], 교신저자)
5 비회원, 건양대학교 건설환경공학과 부교수 (Member, Associate Prof., Dept. of Civil & Environment Eng., Konyang Univ.) 6 정회원, 충남대학교 토목공학과 교수 (Member, Prof., Dept. of Civil Eng., Chungnam Nati. Univ.)
* 본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2013년 4월 30일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.
함량비는 청라지구에서 8.2%, 영종도에서 2.9%, 인천대교에서 18.4%, 송도지역에서 24.6%로 나타났다.
Keywords : Clay mineral content, Depositional environment, Sediment unit, Tidal deposits
1. 서 론
최근 몇 년간 항만시설의 개발과 확장이 가속화되고 있어, 해안과 인접한 지역은 홍적세와 충적세 동안 형성 된 미고결 퇴적층이 분포하고 있다. 퇴적층 중 세립의 점토 함량이 높은 퇴적층은 연약지반으로 분류되고 있 는데, 대체로 미고결 점토, 느슨한 사질토, 유기질토와 같이 연약한 흙으로 구성되며, 평야부의 습지, 호소지 역, 해안지역 및 산간의 협곡부에 퇴적한 충적층과 같이 자연적으로 형성된 지반이 이에 해당하며, 일부 성토 및 매립지역과 같은 인공적인 지반에서도 연약지반이 형 성될 수 있다(Ahn, et al., 1994). 연약토는 강도가 약하 고 압축되기 쉬운 점토를 말하며, 사질토는 양질의 흙으 로 취급되나 느슨하게 퇴적된 세립질 모래지반은 지진 시 액상화가 일어나 지반파괴가 예상되므로 느슨한 모 래질 흙도 연약지반으로 분류된다.
연약지반 시공 시 나타날 수 있는 문제점으로는 지반 파괴(구조물 기초지반의 파괴, 성토지반의 활동파괴), 부등침하, 부마찰력, 액상화 현상, 측방유동 등을 들 수 있다. 토질의 특성은 퇴적물을 구성하는 광물, 입도, 공 극수 등 여러 요인이 관계되며, 이 중 점토질 퇴적물은 미립의 점토광물이 다량 포함되어 있어 점토광물의 조 성과 특성은 토질특성을 구분하는 중요한 요소가 된다. 일반적으로 점토광물은 광물학적 특성이 매우 다양 하며, 퇴적환경은 점토광물조성과 함량에 영향을 준다.
따라서 점토광물에 대한 심도 있는 이해는 토질 공학적 특성을 근본적으로 이해하는 수단이 될 수 있다. 현재까 지 이루어지고 있는 대부분의 토질 평가는 샘플링에 의 한 토질 평가로 토질특성평가가 확실하지 않아 신뢰성 있고 정량적인 특성평가가 요구되고 있다. 한편 현생퇴 적층의 연구는 제한적으로 획득되는 시추자료의 의존 도가 높을 수밖에 없으므로 동일 시료에 대한 다양한 방면의 연구가 필요하다.
지구물리학의 연구 성과들은 과거 지질시대 동안 지 구의 형성과 발전을 규명하는데 중요한 정보들을 제공 하였으며, 퇴적분지의 연구 등에서 층서와 환경을 이해 하는 수단으로 이용되고 있다. 연약지반의 연구에서 물
리탐사와 같은 비파괴 조사방법들이 적용되고 있으며, 시추된 시료에 대해서도 지층의 상호대비와 같은 지구 물리학에 근거한 연구 방법(Kim, et al., 2002)을 시도되 고 있다. 최근의 연구(Chung, 2002)에서 점토층을 포함 하는 미고결 퇴적층의 물리, 역학적 성질은 지층을 구성 하는 광물조성과 퇴적환경에 의한 것으로 이해되고 있 는 추세다. 이러한 관점에서 이 연구는 경기만의 여러 지점에서 조사된 퇴적층의 물리적, 화학적, 공학적 자료 들로부터 지층의 형성과 발달과정을 이해하는 자료로 활용될 수 있다. 점성토 구성비가 높은 조간대 지반을 이해하기 위해 우선 지층이 형성된 환경과 퇴적기간 동 안 외부환경 변화에 따른 퇴적지의 변화를 알아야 하며, 특히 조간대는 하천과 조류, 파도 및 연안류의 영향으로 연근해 해양환경 중에서 불안정한 환경에 속한다. 다른 해양환경과 비교하여 볼 때 수직 및 수평적으로 매우 다양한 퇴적환경의 변화양상을 가지고 있고, 이러한 변 화과정을 이해하기 위해서 퇴적상의 변화, 퇴적속도, 물 리/화학적 특성, 광물조성에 대한 체계적인 분석이 필요 하다. 또 신생대 제4기는 빙하기와 간빙기가 반복되어 기후 변화에 따른 해수면의 변동과 지형 변화 등의 다양 한 환경적인 변화가 수반되었다. 환경 변화는 수계, 식 생과 같이 공급되는 퇴적물에 직접적인 영향을 미치게 되며, 퇴적물의 다양한 특성은 제4기 환경을 추정하는 데 효과적인 수단이 된다.
본 연구는 서해안 조간대 중 우리나라 조간대의 36%
를 점하고 있는 경기만 일원에서 점성토를 포함하는 연 약지반의 형성 환경에 따른 퇴적단위를 구분하고자 한다.
2. 연구방법
2.1 개요
지구조운동, 빙하의 성장과 쇠퇴, 기후변화 등은 지속 적인 해수면의 변화를 초래하며, 해수면의 변화는 퇴적 물의 종류 및 특성에 영향을 준다. 한반도와 같이 비빙 하기 지역은 최후빙기(15,000-18,000년) 동안 해수면이 현재에 비해 -80m～-150m 하부에 위치하였으며(Park et
Fig. 1. Generalized profile across a barrier island complex according to mean particle size
al., 2001), 조간대는 육지의 침식곡에 해당한다. 해수면 상승과 더불어 하천에 의해 이동된 쇄설 입자가 퇴적되 는 과정에서 충적층이 형성되었고, 지속적인 해수면 상 승으로 현재 해수면에 도달한 이후 형성된 퇴적층은 해 양퇴적층으로 구분된다. 조사지역의 퇴적층들은 육지로 부터 공급되는 담수의 영향과 함께 지난 수천 년에 걸쳐 상승한 해수의 영향을 동시에 기록된 지층으로 이러한 지층에 대한 광물학적, 지화학적인 연구는 퇴적환경의 변화를 이해하는 자료로 활용된다. 또한 이러한 자료는 미고결 퇴적층에서 관찰되는 공학적 특성을 해석하는 중요한 정보로써 현장 토질 시험과 역학 시험 결과를 합리적으로 평가하는 기준으로 활용될 수 있다. 구조물 의 기반을 지지하는 퇴적층은 지하구조물에 미치는 영 향이 매우 크며, 이러한 지화학적 자료들은 퇴적환경을 구분하는 기초자료로 이용되며, 염재해, 콘크리트 부식 관련 자료, 지하취약대 판단에 관한 기초 자료로 활용될 수 있다.
본 연구에서 퇴적이력을 파악하기 위해 1) 조사지역 의 선행 연구 자료 및 해수면 변동 자료를 수집, 정리하 였으며, 2) 퇴적당시의 위치 및 환경 조건에 따라 퇴적 된 퇴적지층들의 물리·화학적 특성과 광물조성이 달라 지는 점에 착안하여 층위별 특성을 분석함으로써 연구 대상지역의 퇴적이력을 판단하는 근거 자료로 활용하 였다. 3) 선행 자료와 퇴적토의 개별 특성에 기초하여 시대에 따른 지층의 변화를 분석하고, 퇴적시기 및 퇴적 위치를 구분하였다.
2.2 퇴적환경 요인분석
2.2.1 물리적 특성
퇴적층의 입도, 대자율, 전기비저항, 함수비, 유기물 변화를 통해 퇴적이력과 퇴적당시 환경의 변화를 파악 한다. 수계를 따라 분포하는 퇴적층은 선상지에서 조간
대까지 다양한 형태의 퇴적지를 형성하며(Fig. 1), 지층 을 구성하는 입자의 입경, 원마도 등은 퇴적 장소에 대 한 정보를 제공할 수 있다. 불교란 시료에 대해 체분석 과 자동입도분석을 병행하여 심도별 입경을 측정하고 누적분포도를 작성하였다. 물질의 고유 특성 중의 하나 인 대자율을 측정하여 층위별 지층의 상이성을 구분하 는데 활용하였다.
2.2.2 광물조성
점토광물의 종류와 함량에 따라 지화학적 특성을 달 라지며, 공학적 특성을 변화시키는 요인이 된다. 광물조 성의 차이는 공급되는 기원물질의 변화와 해성, 하성, 혼성환경에 따라 퇴적물을 구성하는 점토광물이 달라 지며 이러한 다른 특징은 퇴적환경을 이해하는데 중요 한 정보를 제공한다(Lee, 1998).
2.2.3 지화학적 특성
퇴적물을 구성하는 광물 입자들과 공극수는 지화학 적 자료 추출의 기본 대상이며, 이러한 성분들은 상호간 전기적으로 응집 및 분산 분포한다. 광물입자 표면의 부 착된 음이온과 양이온, 그리고 공극 내부의 수분 내에 용해되어 있는 이온들에 의해 퇴적물의 지화학적 특성 을 좌우한다. 퇴적환경 변화는 지화학적인 자료의 변화 를 수반하며, 역으로 지화학적 연구로부터 퇴적환경의 변화를 인지할 수 있다.
2.3 분석기기
퇴적 요인의 차이를 이용하여 상이한 환경에서 형성 된 지층의 퇴적단위를 구분하고 시간에 따른 퇴적상과 퇴적이력의 변화를 제시한다. 본 연구에서 퇴적토의 육 안 및 광학적 관찰을 수행하여 색도와 입도를 구분하였 고, 유기물과 패각류의 관찰을 통한 퇴적주상도가 작성
XRD Laser particle size analyzer ICP-AES
Soft X-ray Ion chromatography SEM
Fig. 2. equipment of sediments analysis
A) River energy dominant (low wave and tide energy, low littoral drift)
B) Tide energy dominant (low wave energy, high tide energy, low littoral drift)
C) Wave energy dominant (high wave energy, low littoral drift)
Fig. 3. Variation in net sand distribution in modern deltas (Coleman and Wright, 1975)
되었다. 연 X-선(VIX-150)를 이용하여 퇴적 구조와 표 면 상태를 관찰하였으며, 주사전자현미경(S-2700)을 이 용하여 퇴적물질의 광물결정상의 미세정보, 광물입자의 응집상태를 관찰하였다. 물질의 자기적 특성을 결정하 는 대자율(magnetic susceptibility)을 측정하여 퇴적단위 의 자료로 활용하였으며, 체분석과 함께 레이져 입도분 석(LS 13320)을 병행하여 심도별 입도분석을 실시하였 다. 또한 일부시료에서는 원소분석기(Vario EL)를 이용 하여 유기물과 탄소(C), 수소(H), 질소(N), 황(S)의 함량 을 정량분석하였다. 광물조성은 X-선회절분석기를 이 용하여 종류를 판별하였고, siroquantTM을 사용하여 구 성광물의 정량을 산정하였다. 지화학적 특성은 건조된 퇴적물과 증류수를 1:5로 현탁한 후 수소이온농도(pH), 전기전도도(EC), 총고용물질양(TDS), 염도(Salinity) 및 이온분석을 수행하였고, 유도결합플라즈마방출분광기 (ICP-AES)를 이용하여 퇴적물에서 용출된 양이온(Na, Ca, K, Mg)을 측정하였다. 수용액의 음이온(Cl, NO2, NO3, HPO4, SO4)은 이온크로마토그라피(IC)를 이용하 였다(Fig. 2).
3. 서해안의 퇴적환경
3.1 조간대 형성
해수면의 변화(eustatic sea level change)는 해안선의 위치 변화와 저해수면 시기에는 암석의 침식이 가속되 어 지형변화에 직접적인 요인으로 작용하며, 퇴적작용 에 형성에 큰 영향을 미친다. 조간대 퇴적층을 포함하는 해안선의 형태는 퇴적물을 공급하는 기구(하천, 파랑, 조류)의 차이에 따라 달라진다(Galloway, 1975).
Fig. 3은 퇴적물 공급기구에 따른 해안선의 형태를 나 타내었다. 하천의 에너지가 우세한 경우에는 수계의 영향 으로 삼각주가 발달하며 만곡된 지형을 가지고, 조류가 우세한 경우에는 조수에 의한 퇴적물의 분급으로 삼각주 및 하천 방향의 사구 발달이 양호한 해안 형태를 가지고, 파랑이 우세한 경우에는 파식작용으로 인해 대체로 사구 의 발달이 없고 해안선의 모양이 호(arc)의 형태를 가지게 되나, 강한 연해 표류(littoral drift)환경에서는 해안과 평 행한 방향의 사구가 발달한다(Coleman and Wright, 1975).
Fig. 4. Sea-level change in the tidal flat of Gomso Bay, West Coast of Korea (Park, 2001)
Fig. 5. Location of the intertidal zone of west and south coast of Korea (Chang et al., 1983)
3.2 해수면변동
해수면 변동은 주기적으로 썰물과 밀물, 빙하와 간빙 기, 해저의 화장과 수렴에 등의 지구적인 사건에 의해 수반되며, 이 과정에서 광물조성과 물리적, 화학적인 변 화가 발생한다. 문헌조사를 통해 조사지역을 포함한 한 반도 해역의 해수면 승강운동을 분석하여 해석 자료로 활용하였다. 한반도의 서해와 남해 연근해 해역에서 조 사된 해수면은 20,000년 이전에는 현재에 비해 약 -150m 정도에 위치하였으며, 이후 대륙 빙하의 소멸로 지속적으 로 해수면이 상승하여 4000년을 전･후로 현재 해수면과 유사한 위치까지 상승한 것으로 알려져 있다(Park, 2001, Fig. 4). 서해안의 점성토 지층은 홀로세(10,000년 전- 현 재)동안 퇴적된 지층으로 이 시기는 해수면이 지속적으 로 상승한 시기에 해당된다. 현재의 조간대는 저해수면 또는 해수면 상승의 초기 동안 담수로 이루어진 하천 내지 호수 환경(육성환경)에 대비되며, 해침기간 동안 해수의 영향을 받는 기수환경(혼성환경)이 우세하며, 현 해수면과 유사한 위치까지 해수면이 도달한 시기에는 해수에 퇴적된 해성환경으로 변화된다. 또한 퇴적속도 와 해침속도의 차이에 따라 산화환경과 환원환경으로 구분된다.
3.3 서해안의 퇴적이력
3.3.1 서해안 조간대의 현황
한반도의 서해안과 남해안의 해안선은 복잡할 뿐 아 니라 크고 작은 많은 만들이 있고, 한강, 금강, 만경강, 동진강, 영산강, 섬진강, 낙동강 등 큰 강들의 하구가 위
치하며, 예외 없이 미고결 퇴적층이 분포한다. 일반적으 로 미고결 퇴적층은 주로 조수나 파랑의 흐름에 의한 입자의 이동, 침식 및 퇴적 등의 퇴적작용이 반복되어 형성된 것으로 강과 하천 등에서 유입되는 토사와 해안 에서 해수에 의해 침식된 물질 등이 퇴적되어 형성되는 데 파도의 영향이 크지 않고 상대적으로 조석의 영향이 큰 곳에서 갯벌이 형성되며, Fig. 5는 서-남해안의 대표 적인 조간대를 표시한 것이다(Chang et al., 1983).
3.3.2 서해안의 퇴적단위
Park et al.(2001)은 우리나라 서해 연안 조간대인 김 포조간대, 남양만조간대, 천수만 조간대, 해남만 조간대 에서 채취된 퇴적물 시료를 이용하여 퇴적물의 층서적 위치, 퇴적상, 퇴적상 조합 및 침식 부정합면을 근거로 조간대 퇴적체를 크게 4개의 퇴적단위로 분류하였다.
서해안은 형성된 환경이 상이한 4개의 퇴적층이 기반암 상위로부터 Unit 4 → Unit 3 → Unit 2 → Unit 1의 순서 로 발달하고 있다(Table 1). 각 퇴적단위의 대표적인 특 징과 퇴적시기는 Table 2에 정리하였다.
Fig. 6은 서해안 퇴적층의 형성이력 모식도를 나타낸 것으로 단계 1은 후기 플라이스토세(약 130,000년 이전) 시기의 저해수면 시기에 지층으로 소규모 하천환경에 서 퇴적된 육성퇴적층(fluvial sediments)과 고토양층으 로 구성되어 있다. 단계 2는 현재 조간대와 같은 해성층
Table 1. Sedimentation Units of the west coast deposits (Park et al., 2001)
Division Unit1 Unit 2 Unit 3 Unit 4
Kimpo deposits ● ● ● ●
Namyang bay deposits ● ● ●
Cheonsu bay deposits ● ● ●
Haenam bay deposits ● ● ●
Table 2. Properties and time of Depositional unit (Park et al., 2001)
Unit color composition Average
particle size Sedimentary structures Depositional time
Unit 1
greenish gray sandy mud 5-7phi bioturbation, partial parallel lamination,
storm deposits, tidal rhythmites Late Holocene tidal deposits
dark greenish gray mud 7-9phi bioturbation, massive,
carbonized plant particle
Unit 2 reddish or moderate yellowish brown
massive mud deposits
(mud 90%) 8.5phi black peat particle,
abundant plant stem, massive
Early Holocene non-marine deposits
Unit 3
yellowish brown solidified silt and clay 7phi
cryoturbate structure
→ key of subaerial exposure,
weathering and pedogenic processes Late Pleistocene tidal deposits olive gray sand and clay 5-9phi alternating laminations, bioturbation,
cross bed, tidal rhythmites
Unit 4 olive gray sandy gravel
(fine gravel) 5phi coarse sandy gravel sediments, non-marine, small, fluvial sediments
Pleistocene non-marine deposits stage 1 : depositional stage: lowstand of sea level: Fluvial
deposits
stage 2 : depositional stage: highstand of sea level: Intertidal to subtidal deposits
stage 3 : exposure stage of Unit III : lowstand of sea level:
Last Glacial Maximum : swamp sediments
stage 4 : depositional stage: Holocene intertidal to subtidal deposits
Fig. 6. Sedimentary environments and evolution of intertidal deposits in west coast of Korea (Park et al., 2001)
으로 다양한 조수기원의 퇴적구조가 나타나며, 현세의 미고생물화석종이 분포한다. 퇴적층의 형성시기는 현재 해수면의 높이와 유사하게 나타나는 Eemian 간빙기(약 130,000～80,000년 이전)에 퇴적되었으며, 단계 2의 퇴 적 후 최대 빙하기까지 지속적으로 해수면의 하강이 일 어나 퇴적층들이 대기 중에 노출되어 상부 부분은 오랜 기간 동안 풍화침식을 받았다. 단계 3은 단계 2의 퇴적 층을 부정합적으로 피복하며, 초기 현세(early Holocene) 의 말기에 퇴적된 지층으로 일부지역에서 관찰된다. 이 퇴적층은 해안선에 인접한 지역의 육상에 국부적으로 발달하는 습지퇴적물(swamp sediments)에 해당된다. 단 계 4는 단계 3 또는 단계 2를 부정합적으로 피복하는 최상위 지층으로 현세 조간대 퇴적물(late Holocene)에 해당한다(park et al., 2001).
3.4 경기만의 지역별 분석결과
본 연구의 대상지역은 서해안 조간대의 북부에 속하 는 경기만에 해당하며, Fig. 7은 조사지역의 지리적 위 치를 나타낸 것이다.
3.4.1 김포조간대(인천청라지구, )
인천청라지구 경제자유구역개발사업 지역에 해당하
Table 3. Sedimentary units of CheongRa area, Kimpo deposits
Unit color environment Sedimentary structures
Unit 1 dark gray marine deposits silty, storm deposits containing shell particles, high susceptibility, more than ph 7, partially silty banded laminations
Unit 2 a brown~
yellowish brown non-marine deposits
silty, scattered small oxide grains, decrease of susceptibility, increase of N-value
b silty, not appear small oxide grains, low susceptibility
Unit 3 dark gray,
reddish brown marine deposits silty, black, organic band (cryoturbate structure), partially silty banded laminations, fixed after N-values decrease
Unit 4 brown non-marine deposits sandy gravel, low salinity, high N-value
Fig. 8. Sedimentary units of CheongRa area, Kimpo deposits Fig. 7. Location of the study area
며, 퇴적층은 하부로부터 4개의 지층으로 구분된다. 현 장에서 획득한 시추코어 시료의 육안관찰, 광물 조성, 지화학적, 물리적 특성에 기초하여 4개의 퇴적단위를 설정하였다(Table 3). 각 퇴적단위는 최하부 육성의 자 갈 모래층(Unit 4)-해성 실트질층(Unit 3)-육성 실트질층 (Unit 2a, b)-해성 실트질층(Unit 1)으로 구분된다(Fig.
8). 심도가 깊을수록 염분도는 점차적으로 감소하며, 각 지층의 색도는 뚜렷하게 구분되는데, 해수면의 상승과 하강에 따라 갈색에서 암회색-갈색-암회색, 고동색-갈 색으로 변화된다. 지층의 형성 환경은 해수면 상승 이전 육성층에서 해침 초기 수면의 상승으로 해성환경으로 변화하였고, 다시 해수면의 하강으로 인하여 저해수면 의 육성환경 동안 대기에 노출되어 풍화 및 산화작용에 의한 지층이 형성되었고, 이후 현세 동안의 해수면 상승 으로 해성환경이 나타난다.
Fig. 10. Strata section of sedimentary units, CheongRa west area of Kimpo deposits Table 4. Sedimentary units of CheongRa west area, Kimpo deposits
Unit color environment Sedimentary structures
landfill brown~yellowish brown - landfill consisting of sandy gravel
Unit 1 dark gray marine deposits muddy silt, high cation distribution, more than ph 7, high salinity, partially silty banded laminations
Unit 2 brown~yellowish brown non-marine deposits silty, scattered small oxide grains, decrease of cations
Unit 3 dark gray, reddish brown marine deposits silty, partially black, organic band (cryoturbate structure), partially silty banded laminations
Unit 4 brown non-marine deposits sandy gravel, low salinity, low cation
Fig. 9. Sedimentary units of CheongRa west area, Kimpo deposits
3.4.2 김포조간대(인천청라지역 서부: )
김포조간대 서부 지역의 코어 시료의 퇴적 요인 분석 에 기초하여 4개의 퇴적단위를 설정하였다(Table 4). 각 퇴적단위는 최하부 육성 자갈 모래층(Unit 4)-해성 실트 질층(Unit 3)-육성 실트질층(Unit 2)-해성 실트질층(Unit
1)-매립층으로 구분된다. 심도에 비례하여 염분도는 감 소하며, 색도는 갈색에서 암회색-갈색-암회색, 고동색- 갈색으로 변화한다. 초기 육성층에서 해수면의 상승으 로 인해 해성환경으로 변화하였으나 해수면의 하강으 로 인하여 저해수면 또는 육성환경 동안 대기에 노출되 어 풍화 및 산화작용을 받아 퇴적물의 특성이 변한 육성 층 나타나며, 다시 해수면의 상승으로 인한 해성환경이 나타난다. BH-7 시추공과 같이 일부 지역은 해성환경에 해당하는 Unit 3 층이 결층으로 나타난다(Fig. 9). Fig.
10은 시추 코어의 토색과 표준관입저항치(N값)을 이용 하여 작성한 단면도로 퇴적요인에 의한 지층구분과 부 합되는 결과를 보여준다.
3.4.3 경기만 서부지역(영종도: )
영종도 지역의 퇴적층은 5개로 퇴적단위로 구분된다 (Table 5). 퇴적 요인별 분석에서 지층들은 하부로부터 Unit 2-a, b, c와 Unit 1-a, b로 구분되며, Unit 2는 초기 현세 육성 퇴적층에 대비되며, Unit 1은 후기 현세 조수 퇴적층에 대비된다. Unit 2는 괴상으로 분포하며, 흑색 의 토탄파편과 식물 및 곤충류의 화석이 관찰되고, Unit 1은 생교란작용(Bioturbation), 폭풍퇴적층에 해당되며, 조수기원의 리듬층이 잘 발달한다(Fig. 11). 김포조간대 퇴적층과 비교하면 영종도 지역의 Unit 2 퇴적단위는 서해안 조간대(park et al., 2001)의 초기 현세 육성퇴적
Table 6. Sedimentary units of the central area of gyeonggi bay
Unit Properties
Unit 1 mainly clay, fining upward sequence, distribution of the bottom of gravel (Unit 1 base), accelerated sea level rise and initially large size sediments supply, and gradually to the small size sediments supply
Unit 2 Unit 2a: progressive change of sandy layer, early sea-level rise environment Unit 2b: mainly clay, between sand seam layers interbedded
Unit 3 small amount of clay and maily silty sand, inner bay or fluvial environment sediments Table 5. Sedimentary units of Yeongjong Do, west gyeonggi bay
Unit places/environment Properties 구분
Unit 1
a intertidal/reduction weak base, large changes of electrical conductivity, brine, high cation and anion
contents, bioturbation
b intertidal/oxidation decrease of pH, brackish water, high cation and anion contents, typical transgressive sequence by a gradual sea-level change (rise) that early holocene
Unit 2
a flood plane/oxidation constant pH, fresh water, constant and low ion contents, salinity=0
b back swamp/reduction high susceptibility, low pH, back swamp, fresh water, over loaded sulfate, slinity=0,
silty clay
c flood plane/oxidation constant pH, fresh water, low ion contents, salinity=0
Fig. 11. Sedimentary units of Yeongjong Do, west gyeonggi bay
층에 해당되며, Unit 1의 퇴적시기는 후기 현세 조수퇴 적층에 해당된다. 즉 영종도의 퇴적층은 서해안 조간대 의 Unit 1과 Unit-2와 동일한 시기에 퇴적된 지층으로 판단된다.
3.4.4 경기만 중부지역(인천대교: )
인천대교가 위치하는 지역은 경기만 중앙부에 해당
하며, 이 지역의 지층은 3의 퇴적단위로 구분된다. 상부 지역에 해당하는 Unit 2와 Unit 1은 입경의 차이에 따라 나타나며, 이를 기준으로 a와 b로 세분하였다(Table 6).
하부에 위치하는 Unit 3 지층은 실트질 모래가 우세 하며, 연직상의 물리･화학적인 변화가 일정하여 내만환 경 내지는 하성환경의 퇴적층으로 추정된다. 상부의 Unit 2는 점토로 구성되고 층간에 반복적으로 sand seam을
Fig. 12. Sedimentary units of the central area of gyeonggi bay
Fig. 13. Sedimentary units of the Songdo (west part), southern area of gyeonggi bay (SB-14)
협재하고 있으며, Unit 2a는 상부는 해침의 초기 조건에 해당하는 사질층이 발달한다. 최상부의 Unit 1은 점토가 우세하며, 하부는 상향세립화(정입도)의 경향을 보이며, 자갈층(Unit 1b)이 분포한다(Fig. 12). 해수면의 상승의 초기에는 해안선이 현재보다 바다쪽에 위치하여 입경 이 큰 물질이 퇴적되었고 이후 해수면 상승으로 해안선 이 육지쪽으로 이동하여 점차적으로 작은 입경의 쇄설 입자가 퇴적된 것으로 판단된다 .
3.4.5 경기만 남부지역(송도지역: )
경기만 남부 지역은 송도지역의 서측에 위치한 SB-14 시추코어의 분석결과를 토대로 형성된 환경이 상이한 4개의 퇴적단위로 구분하였다(Fig. 13). 각 지층은 하부 에서부터 산화대가 발달하는 육성환경(Unit 4), 산화대 와 담수 영향을 받는 내만환경(혼성환경)의 퇴적물(Unit 3b), 비교적 수심이 깊어 환원환경 속하는 해성환경(Unit 3a)의 퇴적층이 발달하며, 상부층은 해성의 환원환경 지 층(Unit 2)이 분포한다. 지층의 최상부는 현재 퇴적이 진
Table 7. Sedimentary units of the Songdo, southern area of gyeonggi bay
Unit environment Properties
Unit 1
reduction environment
mixed environment-mixed environment sediments deposits affected by fresh water environment of freshwater Unit 2 marine environment-shallow water
Unit 3 a marine environment-shallow water b oxidation
environment
mixed environment-affected by fresh water environment of freshwater
Unit 4 non-marine environment-formed strata deposited large amounts of sediment supply from the rivers, thick strata formed during a relatively short period of time
Fig. 14. Sedimentary units of the Songdo (east part), southern area of gyeonggi bay (SB-20)
Table 8. Sedimentary units of the Daesan area of Garorim bay
Unit composition environment Properties
Unit 1 clayey Pro-delta
marine
formed layers by high to peak sea-lever, formed by present environment and lower intertidal zone
Unit 2 silt/clay banded layer
Pro-delta, Bay
formed the sea level rise, formed layers by upper intertidal zone, sand layer, formation of fossil abundant layers in the sand
Unit 4 silty Fluvial,
Flood plain non-marine low sea-level period, non-marine deposits, lower sand layers are barren zone but upper layers increasing fossils
행되고 있는 지층으로 담수와 해수가 동시에 영향을 미 치는 혼성환경 퇴적(Unit 1)의 특징을 보여준다.
송도지역의 동측(내륙쪽)에 위치한 SB-20 시추코어 는 3개의 퇴적단위로 구분되는데(Table 7), Unit 4에서 Unit 2까지는 송도지역 서측과 동일한 경향을 지시하며, 최상부의 Unit 1 결층으로 나타난다(Fig. 14). 즉 내륙쪽 에는 현재와 동일한 환경의 퇴적이 이루어지지 않았음
을 지시한다.
3.4.6 가로림만(대산지역: )
경기만의 남부에 위치한 가로림만의 대산항 지역에 서 실시한 시추코어 시료에 대한 입도, 광물조성, 지화 학적 특성 등의 퇴적요인 분석 결과 이 지역의 지층은 퇴적환경이 서로 다른 3개의 지층으로 구분된다(Table
Fig. 15. Sedimentary units of the Daesan area of Garorim bay
Table 9. clay contents of domestic coastal soft soil (Ahn, et al., 1994)
Division Locality Clay contents Division Locality Clay contents
west coast
Kimpo <15 west coast Gunsan <15
Banwol 10-20
southern coast
Yeosu 15-30
Estuary of Han river <25 Gyangyang 5-39
Inchon Port <15 Estuary of Seomjin river 20-50
Youngjong-Do 12-33 Estuary of Nagdong river 25-35
District of Namyang 5.7-62.5 Port of Masan <15
GyeWha-Do <34 Masan 12-45
District of Songsan 24-59 Port of Busan <45
Bay of Asan 12-13
eastern coast Sokcho <37
Estuary of Keum river 12-35 Samcheok 8.9-59.7
Estuary of Youngsan river 25-50
8). 하부 사질토는 해수면 상승 이전, 하천 내지 호수에 서 형성된 육성퇴적층의 특징을 보이며, 중부와 상부 점 성토층은 해수면 상승으로 형성된 해성퇴적층에 대비 된다(Fig. 15).
3.5 입도 및 점토광물분포
우리나라 해안에서 기반암이 출현하는 심도는 평균 적으로 서해안은 최대 27m, 남해안 34m, 동해안 20m 정도로 알려져 있으며, 단층 등의 지구조선의 영향으로 국지적인 편차가 매우 크게 나타나고 있어 지역별 연약 지반 대비에 어려운 난점이 있다. Table 9는 입경의 의 한 국내 해안 연약지반의 점토함유율을 나타낸 것이며, Table 10은 본 연구에서 측정된 경기만의 입도분석결과 를 정리한 것이다. Table 9에서 김포지역의 평균 점토함 유율은 15% 이내이며, 영종도에서 12-33%의 함유율은 보이며, 아산만 지역에서 12-13%의 함량을 보이는 것으 로 제시하였으며, 조사지역의 평균 점토의 함유량은 김 포조간대 지역에서는 8.3-12.9%, 영종도 지역에서는 10.4%,
경기만 중부와 남부지역은 16.5-16.9%로 문헌의 자료보다 다소 낮은 값의 범위를 보이고 있는 것으로 분석되었다. Table 11은 입자의 크기에 의한 분류된 Table 10과 달 리 점토광물의 함량비를 나타낸 것으로 경기만의 점토 광물의 함량비는 김포조간대는 8.2%, 경기만 서부의 영 종도 지역은 2.9%, 경기만 중부는 18.4%, 경기만 남부는 24.6%로 경기만의 북부지역에 비해 중남부 지역에서 높 은 점토광물의 함량비를 보이는 것으로 분석되었다.
4. 고 찰
우리나라 서해안 조간대의 퇴적층은 크게 4개의 퇴적 단위로 분류되며, 기반암 상위로부터 Unit 4 → Unit 3
→ Unit 2 → Unit 1의 순서로 발달하고 있다.
Unit 4는 플라이스토세 육성 퇴적층으로 올리브회색 을 띄며, 자갈모래로 구성되고 평균입도는 5phi를 보이 는 조립질의 역사질의 퇴적물로 육성기원의 소규모 하 천 퇴적물에 해당된다.
Unit 3은 후기플라이스토세 조수 퇴적층으로 하부는
Table 10. Size distribution of study area
Site Locality Division Gravel Sand Silt Clay
A CheongRa area
(Kimpo deposits)
Average 0.5 11.1 75.5 12.9
Minimum 0.0 0.0 6.3 0.8
Maximum 6.4 87.9 97.7 24.5
Standard deviation 1.6 19.3 19.8 7.1
B CheongRa west area (Kimpo deposits)
Average 2.8 21.2 67.6 8.3
Minimum 0.0 0.0 8.33 3.5
Maximum 24.4 80.4 96.3 15.0
Standard deviation 6.6 28.6 31.9 3.4
C Yeongjong Do
(west gyeonggi bay)
Average 0.2 21.0 68.5 10.4
Minimum 0.0 0.1 5.5 0.6
Maximum 7.7 93.3 94.5 41.0
Standard deviation 0.9 25.7 22.8 8.5
D Gyeonggi bay
(central park)
Average - 15.0 68.6 16.5
Minimum - 13.3 66.7 15.5
Maximum - 16.5 70.8 18.2
Standard deviation - 1.6 2.1 1.5
E Songdo area
(southern of gyeonggi bay)
Average 0.2 17.4 65.6 16.9
Minimum 0.0 0.0 21.2 0.8
Maximum 5.0 76.0 80.7 78.2
Standard deviation 1.1 15.9 10.0 11.0
F Daesan area
(Garorim bay)
Average 0.9 45.9 44.0 17.5
Minimum 0.0 0.0 0.0 0.8
Maximum 6.4 100.0 97.7 38.7
Standard deviation 2.0 38.5 32.8 8.5
Table 11. Clay mineral contents of study area
Site Locality Average Minimum Maximum Standard deviation
B CheongRa west area (Kimpo deposits) 8.16 1.30 16.50 4.77
C Yeongjong Do (west gyeonggi bay) 2.93 0.00 24.10 4.70
D Gyeonggi bay (central park) 18.44 8.80 35.90 7.56
E Songdo area (southern of gyeonggi bay) 24.62 5.80 52.50 9.17
올리브회색을 띄는 평균입도 5-9phi의 모래 및 점토로 구성되며, 모래와 점토가 교호된 조수리듬층의 구조를 보이며, 일부에서 생교란구조와 사층리가 발달해 있다.
상부는 황갈색의 고화된 실트 및 점토층으로 평균입도 7phi의 지표면에 노출된 증거인 파형의 검은 동토구조 를 보이고 있다.
Unit 3은 생교란된 잔류엽층리 구조가 우세하며, 교호 층리구조의 두께 변화는 반복적이고 규칙적인 유수의 운동에 따른 퇴적입자의 차별적 침강과 퇴적에 의해 형 성되었으며, 해록석이 관찰된다. 해록석은 수심 100m 내외의 대륙붕 환경에서 생성되는 자생해양광물로 최대 5%의 높은 함량으로 발견되며 이는 퇴적층의 형성동안 해침에 의해 외해로부터의 쇄설물질의 공급을 의미한다.
Unit 2는 초기 현세 육성 퇴적층으로 황갈색을 보이
며, 실트질 점토퇴적물로 90%가 이토로 구성되어 있다.
평균입도는 8.5phi 이며, 흙색 토탄파편과 식물줄기가 다량 산재해있고, 괴상으로 발달한다. 초기 현세 이전의 해수면과 일정 거리가 이격된 해안선 부근의 육지에 국부 적으로 발달한 습지 퇴적물로 해석되며, 능철석(siderite) 은 일반적으로 습지와 소택지에서 자생적으로 형성되 는 비해성 퇴적물의 지시자로 해석된다.
Unit 1의 하부지층은 암록회색의 세립퇴적물로 괴상 의 평균입도 7-9phi를 보이는 지층으로 생교란으로 인 해 퇴적구조가 파괴되어 있고 부분적으로 탄화된 식물 파편 관찰된다. Unit 1의 상부지층은 암회색 실트질 퇴 적층으로 평균입도 5-7phi를 보이는 조수기원 리듬층이 다. 생교란 구조가 나타나며, 국부적으로 잔류엽리층이 나타나며, 폭풍퇴적층에 해당된다. Unit 1의 특징은 수
직적으로 점토질 조간대에서 사질 또는 실트질 점토 혼 합조간대로 구성되는 상향 조립화의 후퇴 퇴적층서로 초 기 현세부터 시작되는 점진적인 해수면 상승에 의해 조 절되는 전형적인 해침 층서의 퇴적층에 해당된다(Park et al., 2001).
5. 결 론
토질의 특성은 퇴적물을 구성하는 광물, 입도, 공극수 등 여러 요인이 관계되며, 이 중 점토질 퇴적물은 미립 의 점토광물이 다량 포함되어 있어 점토광물의 조성과 특성은 토질특성을 구분하는 중요한 요소가 된다. 일반 적으로 점토광물은 광물학적 특성이 매우 다양하며, 퇴 적환경은 점토광물조성과 함량에 영향을 준다. 따라서 점토광물에 대한 심도 있는 이해는 토질 공학적 특성을 근본적으로 이해하는 수단이 될 수 있다.
본 연구는 서해안 조간대 중 우리나라 조간대의 36%
를 점하고 있는 경기만 일원에서 점성토를 포함하는 연 약지반의 형성 환경에 따른 퇴적단위를 구분하고, 각 단 위 지층의 광물조성과 물리화학적 특성을 제시하였으 며, 그 결과는 다음과 같다.
(1) 해수면의 변화는 빙하기 및 해빙기와 같은 기온에 따라 결정되며, 이러한 해수면의 변동으로 인해 해 성퇴적층의 물리적 특성 및 지화학적 특성이 결정 된다.
(2) 우리나라 서해 연안 조간대에서 채취된 퇴적물의 층서적 위치, 퇴적상, 퇴적상 조합 및 침식 부정합면 을 근거로 조간대는 크게 4개의 퇴적단위로 분류되 며, 기반암 상위로부터 Unit4→Unit3→Unit2→Unit1 의 순서로 발달하고 있다.
(3) 경기만에서 측정된 퇴적층을 서해안 조간대 퇴적층 과 대비하면 북부지역에 해당되는 청라지구에서는 Unit 1-Unit 2-Unit 3-Unit 4의 모든 지층이 나타나 며, 영종도지역에서는 Unit 1-Unit 2가, 인천대교 건 설부지와 송도해안도로에서는 Unit 1-Unit 3-Unit 4 가 관찰된다. 남부지역에 해당되는 석문국가산업단 지에서는 Unit 1-Unit 3이 관찰되며, 대산항지역에 서는 Unit 1-Unit 3-Unit 4가 관찰된다.
(4) 경기만에서 측정된 평균 점토광물 함량비는 청라지
구에서 8.2%, 영종도에서 2.9%, 인천대교에서 18.4%, 송도해안도로에서 24.6%로 나타났다.
(5) 본 연구에서 측정된 경기만의 입도의 함량비는 청 라지구에서 자갈 0.5%, 모래 11.1%, 실트 75.5%, 점 토 12.9%, 청라지구 지하차도에서 자갈 2.8%, 모래 21.2%, 실트 67.6%, 점토 8.3%이며, 영종도에서는 자갈 0.2%, 모래 21.0%, 실트 68.5%, 점토 10.4%이 며, 인천대교에서는 모래 15.0%, 실트 68.6%, 점토 16.5%로 측정되었다. 송도해안도로는 자갈 0.2%, 모 래 17.4%, 실트 65.6%, 점토 16.9%이며, 대산항은 자 갈 0.9%, 모래 45.9%, 실트 44.0%, 점토는 17.5%로 측정되었다.
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(접수일자 2012. 5. 22, 심사완료일 2012. 10. 11)
