Soil Layer Distribution and Soil Characteristics on Dokdo

독도의 토층 분포 및 토질 특성

Abstract

We surveyed the distribution of soil layers on Dongdo and Seodo of Dokdo and measured the physical properties of the soils. To investigate the distribution of soil layers, the soil depth was measured directly in accessible locations, and visual observations of inaccessible locations were carried out using drones and boats. Soil depths ranged from 3 to 50 cm, and most soil layers had depths of 10~20 cm. Based on these results, a map of the soil layer was drawn using 5 cm intervals for soil depth. To analyze the soil characteristics of Dokdo, soil samples were collected from 13 locations on Dongdo and 13 locations on Seodo, in consideration of various geological settings. According to the results of grain size distribution tests, sand contents were >75%, and soil from Seodo contained more gravel-sized particles than that from Dongdo. Using the unified soil classification system (USCS) and textural classification chart of the United States Department of Agriculture (USDA), most of the soil samples from Dokdo are classified as sand, and some are classified as loamy or clayey sand. In addition, well-graded loamy or clayey sands are more common in Dongdo, and poorly graded sands with gravel are more common in Seodo. These results are expected to be important for studying soil characteristics on Dokdo.

본 연구에서는 독도의 동도와 서도지역에 대한 토층 분포를 조사하고, 토질의 물리적 특성을 측정하여 분석하였다. 독도의 토층 분포를 조사하기 위하여 직접적으로 접근이 가능한 구간을 대상으로 토층 심도를 측정하였으며, 현장 접근이 불가능한 지역에 대해서는 드론 및 배 등을 이용하여 육안 관찰을 수행하였다. 독도의 토층 분포 및 심도에 대한 조사결과 토층의 심도는 3~50 cm 두께로 존재하며 대부분은 10~20 cm 내외의 두께를 갖는 것으로 조사되었다. 이러한 결과를 토대로 토층을 5 cm 두께로 구분하여 독도의 토층 분포도를 작성하였다. 독도의 토질특성을 분석하기 위하여 동도 및 서도를 대상으로 각각 13개소 위치에서 지질조건을 고려한 토질시료를 채취하였다. 토질시료에 대한 입도분포시험을 수행한 결과 모래의 함유량은 약 75% 이상인 것으로 나타났으며, 서도에서 채취한 흙은 자갈크기의 입자를 보다 많이 함유하는 것으로 나타났다. 입도분포시험를 이용한 통일분류법과 삼각도표 분류법을 토대로 입도 분포 특성을 분석한 결과 대부분의 흙은 모래로 분류되며, 일부 흙은 롬질 혹은 점토질 모래로 분류된다. 또한, 동도는 입도분포가 양호한 롬질 혹은 점토질 모래가 더 우세하고 서도는 입도분포가 불량한 자갈질 모래가 더 우세함을 알 수 있다. 이들 결과는 독도의 토질 특성을 연구하는데 있어 매우 중요한 기초자료가 될 것으로 기대한다.

서론

독도는 행정구역상 경상북도 울릉군 울릉읍 독도리 1-96번지에 해당하는 섬으로서 동해안의 죽변에서 동쪽으로 216.8 km, 울릉도에서 동남쪽으로 89.5 km 떨어져 위치하고 있다. 독도는 주 섬인 동도와 서도를 비롯하여 주위의 89개의 돌섬과 암초로 이루어진 화산섬이다. 총 면적은 187,453 m²으로서 동도는 73.297 m², 서도는 88.639 m² 및 돌섬과 암초는 25.517 m²이다. 동도의 둘레 길이는 약 2.8 km이며, 우산봉은 98.6 m의 해발고도를 갖는다. 그리고 서도의 둘레 길이는 약 2.6 km이며, 대한봉의 해발고도는 168.5 m이다(Kee et al., 2012). 현재 해수면 위에 존재하는 독도는 화산의 서쪽 화구륜(crater rim)에 해당하며, 독도를 생성시킨 화산의 화도(volcanic conduit)는 독도로부터 북동쪽으로 수백 m 떨어진 곳에 위치한다고 보고되었다(Sohn and Park, 1994; Sohn, 1995). 독도 주변에 대한 해저 탐사자료에 의하면 독도는 울릉분지의 수심 약 2,000 m 해저면으로부터 솟아 있는 직경 약 24 km의 원탁형 화산체의 최상부인 것으로 알려져 있다(Kang et al., 2002). 해저의 화산활동으로 형성된 독도는 동해의 한가운데 위치하고 있으므로 형성된 이후 지속적인 침식작용으로 인하여 원래의 모습을 잃어버리고 거친 침식지형을 보이는 화산체의 일부로 해수면 위에 잔류하고 있다(Fig. 1). 독도의 지형은 경사가 급하고 험준하여 접근이 쉽지 않거나 불가능한 곳이 대부분이다. 독도의 깊게 패인 골짜기들은 대부분 단층의 자취를 따라 형성되었으며, 침식삭박 작용이 집중적으로 발생하고 있는 것이 특징이다. 서도의 중앙부는 험준한 원추형의 대한봉이 위치하고 있고, 동도의 중앙부는 화산의 분화구처럼 보이는 침식와지가 발달된 독특한 지형을 가지고 있다.

Fig. 1. Panoramic view of Dokdo.

독도는 적어도 약 460만 년 전부터 약 160만 년 전까지 활동했던 해저 화산작용으로 형성되었다. 현재 해수면 위에 노출된 독도는 제4기 동안 반복적으로 발생된 용암분출과 화산쇄설성 분출에 의해 형성된 조면안산암류와 응회암층이 서로 교호하여 분포하고 있으며, 이들을 관입한 후기의 관입암류가 함께 산출되어 있다(Kee et al., 2012; Woo et al., 2022). 독도도폭 지질조사보고서(Kee et al., 2012)에서 정의된 ‘독도층군’은 하부로부터 조면안산암 I, 동도응회암, 서도응회암, 조면안산암 II, 얼굴바위응회암, 조면안산암 III, 천장굴각력암, 조면암, 염기성 암맥 등의 화산암층으로 구성되며, 이들은 부정합으로 덮고 있는 해빈자갈퇴적층과 붕적층이 해안을 따라 일부 분포한다. 독도층군의 지층들 중 하위의 조면안산암 I과 동도응회암은 독도화산체가 해수면 위로 완전히 나타나기 전에 수중에서 분출했던 암체이며, 그 상위의 지층들은 독 도 초기의 해저 화산체가 해수면 위로 성장하면서 대기 중에 분출되었던 암체들로 해석되었다(Sohn and Park, 1994). Fig. 2는 독도의 지질도를 나타낸 것이다.

Fig. 2. Geological map of Dokdo(Kee et al., 2012).

독도에는 정단층들이 매우 높은 빈도로 발달하여 독도층군 지층들의 분포를 규제하고 있다. 일반적으로 화산활동이 진행되는 동안 또는 종료 후 화구지반의 침하와 붕괴에 수반되어 발생한 단열작용은 화구를 중심으로 환상의 단층들을 형성시키는데 독도의 단층들은 모두 이 같은 과정 중에 형성된 정단층으로 해석된다. 독도층군의 최후기 암체인 염기성 암맥을 제외한 모든 지층들이 단층에 의해 절단되거나 변위되어 있는 점으로 보아 주 단층작용은 조면암맥 관입 이후부터 염기성 암맥 관입 이전까지 집중적으로 발생된 것으로 유추할 수 있다. 그러나 판상으로 관입된 일부 조면암맥은 주 단층작용 이전에도 단층작용이 발생되었음을 시사한다.

일반적으로 모암은 흙의 근원이 되는 물질이며, 토층은 모암의 물리적 풍화와 파쇄로 인하여 형성되거나 모암 내 다양한 광물의 화학적 풍화 혹은 분해에 의해서 형성된다(Cernica, 1995). 이러한 경우 토층은 모암의 특성 및 광물을 보유하고 있으며, 잔류토 혹은 잔적토라고 한다. 독도의 경우 일부 구간에 토층이 존재하며, 지리 및 지형적인 조건으로 보아 잔류토에 해당한다고 볼 수 있다. 기존 연구에 의하면 토양학적으로 독도의 토질은 ‘독도통’으로 명명하고, 토심이 매우 얕고 사양질의 토양으로 분석된 사례가 있다(Sonn et al., 2011).

흙의 특성을 정의하는데 있어서 토질의 분류는 매우 중요하다. 흙의 특성은 단순하지 않고 물리적 및 화학적 특성이 복잡하게 섞여 있으므로, 다양한 토질시험을 바탕으로 흙을 분류하고 공학적인 특성을 판단하여야 한다.

따라서 본 연구에서는 독도 지역에 토층 분포와 토질의 물리적 특성을 조사하고자 한다. 이를 위하여 먼저 현장조사를 통하여 독도의 동도와 서도지역에 대한 토층 분포와 심도를 조사하고, 지질 조건을 고려하여 현장시료를 채취하였다. 채취된 시료를 대상으로 다양한 토질시험을 실시하여 독도의 동도와 서도지역에 분포하는 토질의 물리적 특성을 조사하고 분석하였다.

현장조사 및 시료채취

본 연구에서는 독도의 동도와 서도를 대상으로 전반적인 토층 분포와 시료채취를 위하여 현장조사를 수행하였다. 먼저 현장조사를 통해 접근가능한 지점을 대상으로 토층의 두께를 측정하고, 토층에 대한 토질 특성을 파악하기 위해 지질조건을 고려하여 실내시험용 토층시료를 채취하였다(Song et al., 2007). Fig. 3은 독도의 동도 및 서도에서 시료채취와 토층 분포조사가 수행된 위치를 나타낸 것이다.

Fig. 3. Field survey and soil sample locations on Dokdo.

시료채취 위치는 총 26개소로서 동도 및 서도를 대상으로 각각 13개소의 위치에서 토질시료를 채취하였다. 현장조사와 시료채취는 토층이 분포하고 있는 곳에서 수행되었으며, 도보로 현장접근이 가능한 위치를 대상으로 하였다. 특히, 서도의 경우는 동도에 비해서 자연사면의 경사가 급할 뿐만 아니라 어민 숙소로부터 물골로 연결되는 매우 협소한 길만 존재하므로 이들 주변부를 대상으로 하여 조사를 수행하였다. 그리고 접근이 곤란한 구간은 배편을 이용하여 섬을 일주하면서 육안 관찰을 통하여 조사를 수행하였으며, 드론을 이용한 촬영자료를 활용하였다.

독도의 토질 특성을 파악하기 위하여 토층이 분포하고 있는 위치에서 토질시료를 채취하였다. 시료채취는 지질조건, 분포범위 및 접근가능성 등을 고려하여 총 26개소에서 수행되었으며, 동도와 서도지역에서 각각 13개소의 위치에서 수행되었다. 동도지역은 조면안산암이 분포하고 있는 8개 지점과 스코리아성 라필리응회암 및 라필리응회암이 분포한 5개 지점에서 토층시료를 채취하였다. 그리고 서도지역은 조면암 및 조면안산암이 분포하고 있는 6개 지점과 라필리응회암이 분포하고 있는 7개 지점에서 토층시료를 채취하였다. 현장의 여러 조건들로 인하여 불교란시료의 채취가 불가능한 경우는 비닐팩을 이용한 교란시료를 채취하였으며, 채취한 시료는 현장조건이 최대한 유지되도록밀봉한 상태로 운반하였다. Fig. 4는 독도의 동도 및 서도에서 시료채취 위치의 토층을 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 조면암 혹은 조면안산암 상부의 풍화잔류토에서 식물들이 자생하고 있으며 토층 내에는 많은 식물뿌리와 암편들이 존재하고 있음을 알 수 있다. 이러한 양상들은 독도의 토층이 분포하고 있는 대분분의 위치에서 관찰되고 있다. 독도에서 채취된 토층시료를 이용하여 함수비시험(KS F 2306), 비중시험(KS F 2308), 입도분석시험(KS F 2309), 액성한계시험(KS F 2303) 및 소성한계 시험(KS F 2304) 등을 수행하여 독도 토층시료에 대한 물리적 특성을 분석하였다.

Fig. 4. Photographs of soil layers at sample locations.

토층분포 및 심도 조사

독도에 대한 전반적인 토층 분포를 조사하기 위하여 접근이 가능한 지역의 경우 직접적으로 토층 심도를 측정하였으며, 현장접근이 불가능한 지역에 대해서는 드론 및 배 등을 이용한 육안관찰을 통하여 토층 분포를 조사하였다.

토층 분포에 대한 조사결과 동도와 서도의 전체지역에 토층이 분포되어 있지 않고 일부 구간들에 부분적으로 분포해 있음을 알 수 있다. 이러한 토층은 모암의 오랜 풍화로 인하여 생성된 풍화 잔류토층인 것으로 판단된다. Fig. 5는 동도지역의 등대와 경비로 사이에 분포하고 있는 토층을 나타낸 것으로 다른 위치들에 비해 토층은 다소 넓은 면적으로 분포하고 있으나 토층심도는 비교적 얕은 것으로 나타났다. Fig. 6은 서도지역의 토층을 나타낸 것으로 토층이 동도지역에 비해 더 넓은 면적으로 분포하고 있으며, 직접적으로 접근이 곤란하여 육안관찰을 통하여 토층분포를 조사하였다. 조사 결과 상대적으로 토층의 심도가 두꺼운 경우 키가 큰 식물이 자라고 있으나, 상대적으로 토층의 심도가 얕은 경우는 키가 작은 식물이 자생하고 있는 것으로 파악되었다.

Fig. 5. Soil layer on Dongdo (soil depth = 10 ~ 15 cm).

Fig. 6. Soil alyer on Seodo (soil depth = 6 ~ 10 cm).

한편, 독도의 분포하고 있는 토층의 심도를 측정한 결과 토층은 3~50 cm 두께로 존재하며 대부분은 10~20 cm 내외의 두께를 갖는 것으로 조사되었다. 이와 같이 측정된 결과를 토대로 토층을 5 cm 두께로 구분하여 토층분포도를 작성하였다.

Fig. 7은 독도의 토층 분포 및 심도에 대한 조사결과를 바탕으로 작성된 동도 및 서도의 토층 분포도를 나타낸 것이다. 동도의 경우는 토층심도가 5 cm 이하인 구간 및 11~15 cm인 구간이 대부분이고, 부분적으로 토층 심도가 깊은 곳은 30 cm 이상이며, 가장 깊은 구간은 약 50 cm인 것으로 조사되었다. 그리고 서도의 경우는 토층심도를 5 cm 이하인 구간이 대부분이며, 5~10 cm인 구간도 비교적 넓게 분포하고 있는 것으로 조사되었다. 부분적으로 토층심도가 15 cm 이상인 구간이 분포하고 있으며 가장 깊은 구간은 약 20 cm 이상으로 조사되었다. 또한 서도지역의 경우 동도지역과 비교하여 토층이 다소 넓게 분포하고 있으나 심도는 더 얕은 것으로 확인되었다.

Fig. 7. Soil layer distribution on Dokdo.

토질의 공학적 특성

독도의 토질에 대한 물리적 특성을 조사하기 위하여 현장에서 직접 시료를 채취하여 토질시험을 수행하였으며, 현장에서의 토질 시료채취는 최대한 지질조건을 고려하여 수행하였다.

비중 및 자연함수비

독도의 현장에서 채취된 흙은 최대한 보존할 수 있도록 패킹(packing)작업을 수행한 후에 실험실로 이동하였다. 토질에 대한 비중 및 자연함수비를 측정하기 위하여 국내시험기준을 토대로 비중시험(KS F 2308) 및 함수비시험(KS F 2306)을 수행하였다. Table 1은 독도의 동도 및 서도지역에서 채취된 토질의 비중과 자연함수비를 측정한 결과로서 채취된 위치에서의 지질조건을 함께 나타내었다. 표에서 보는 바와 같이 동도 토질의 경우 비중은 2.58~2.62 범위에 있으며, 자연함수비는 17.38~35.06% 범위에 있다. 그리고 서도 토질의 경우 비중은 2.47~2.64 범위에 있으며, 자연함수비는 16.03~40.89% 범위에 있다. 동도의 경우 평균적으로 라필리응회암 위치에서 채취된 흙의 비중과 자연함수비가 조면안산암 위치에서 채취된 흙보다 큰 것으로 나타났다. 서도의 경우 평균적으로 라필리응회암 위치와 조면암 및 조면안산암 위치에서 채취된 흙의 비중이 서로 유사하며, 자연함수비는 조면암 및 조면안산암 위치에서 채취된 흙이 더큰 것으로 나타났다. 따라서 독도의 경우 흙의 비중과 자연함수비는 지질조건의 차이에 따른 영향이 크게 나타나지 않고 있다.

Table 1. Specific gravity and moisture content of soils

Fig. 8과 Fig. 9는 독도의 동도 및 서도에서 각각 채취된 흙의 비중과 자연함수비를 도시한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 동도의 토질에 대한 평균 비중은 2.60, 평균 자연함수비는 22.02%이며, 서도의 토질에 대한 평균 비중은 2.55, 평균 자연함수비는 22.68%이다. 즉 흙의 비중은 동도가 약간 큰 것으로 나타났으며, 흙의 자연함수비는 두 곳에서 유사하게 나타났다.

Fig. 8. Specific gravity of the soil samples.

Fig. 9 . Soil moisture contents.

입도분포 및 조성

독도의 현장에서 채취된 흙의 입도분포 특성을 조사하기 위하여 입도분석시험(KS F 2309)을 수행하였으며, 체분석을 통한 방법을 활용하였다. Fig. 10은 독도의 동도와 서도에서 채취한 흙의 입도분포곡선을 도시한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 입자의 크기가 4.75 mm에서 0.075 mm사이에 해당하는 모래가 대부분인 것으로 나타났으며, 서도에서 채취된 흙의 경우 자갈 크기의 입자가 동도에서 채취된 흙에서 보다 많은 것으로 나타났다. Fig. 11은 체분석시험 결과를 토대로 자갈, 모래, 실트 및 점토에 대한 함유량을 백분율로 도시한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 동도 및 서도의 경우 모두 모래의 함유량이 가장 많은 것으로 나타났으며, 지질조건에 따른영향은 크지 않은 것으로 나타났다. 동도의 경우 평균적으로 자갈은 8.9%, 모래는 79.0%, 실트 및 점토는 8.9%로 나타났으며, 서도의 경우 평균적으로 자갈은 18.8%, 모래는 75.2%, 실트 및 점토는 6.0%로 나타났다.

Fig. 10. Grain size distribution curves of the soil asmples.

Fig. 11. Grain size distribution of the soil samples.

한편, 입도분포곡선을 활용하여 각각의 곡선에 대한 균등계수(Uniformity coefficient)와 곡률계수(Coefficient of gradation)를 계산할 수 있다. 일반적으로 균등계수가 모래의 경우 6 이상이고, 곡률계수가 1~3 범위에 있으면 입도분포가 양호한 흙으로 정의할 수 있다. Fig. 12는 입도분포곡선에서 계산된 흙의 균등계수와 곡률계수의 상관관계를 도시한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 동도의 경우 8개소에서 채취된 흙이 입도분포가 양호한 것으로 나타났으며, 서도의 경우 4개소에서 채취된 흙이 입도분포가 양호한 것으로 나타났다. 즉 동도의 흙은 서도의 흙에 비해 입도분포가 양호한 흙이 더 우세한 것으로 나타났다.

Fig. 12. Uniformity coefficient versus coefficient of gradation of the soil samples.

앞서 설명한 바와 같이 독도에서 채취한 흙은 전부 모래질 성분이 우세하므로 일반적인 통일분류법(Unified Soil Classification System, USCS; U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station, 1960) 대신에 추가적으로 미국 농무성(United States of Department Agriculture, USDA)에서 제안한 삼각도표 분류법(Soil Survey Staff, 1951)을 적용하여 흙을 분류하였다. Fig. 13은 삼각도표 분류법을 이용하여 입도분류를 수행한 결과이다. 그림에서 보는 바와 같이 동도의 경우 4개 위치(DS-1, DS-7, DS-9, DS-11)의 흙은 롬질 모래로 분류되었으며 나머지 위치에서의 흙은 모래로 분류되었다. 그리고 서도의 경우 1개 위치(SS-1)에서만 롬질 모래로 분류되었고 이를 제외한 모든 위치에서의 흙은 모래로 분류되었다.

Fig. 13. USDA textural classification chart for the soil samples.

Table 2는 독도에서 채취한 흙의 입도분포곡선를 이용한 통일분류법과 삼각도표 분류법을 토대로 흙의 입도분포 특성 및 조성을 정리한 것이다. 표에서 보는 바와 같이 독도에서 채취한 흙은 모래로 분류되며, 자갈 성분이 우수한 경우 입도분포가 불량하다. 또한 롬 혹은 점토 성분이 우수한 경우에는 입도분포가 양호한 것으로 나타났다.

Table 2. Grain size distribution and soil classification

결론

본 연구에서는 독도의 동도와 서도지역에 대한 현장조사를 통하여 토층의 분포와 심도를 측정하고, 이를 토대로 토층분 포도를 작성하였다. 그리고 현장에서 시료를 채취하여 토질시험을 수행하였으며, 시험결과를 토대로 토질의 물리적 특성을 분석하였다. 이들 결과를 정리하면 다음과 같다.

(1) 독도의 토층 분포를 조사하기 위하여 직접적으로 접근이 가능한 구간을 대상으로 토층 심도를 측정하였으며, 현장 접근이 불가능한 지역에 대해서는 드론 및 배 등을 이용하여 육안관찰을 수행하였다.

(2) 독도의 토층 심도는 3~50 cm 두께로 존재하며 대부분은 10~20 cm 내외의 두께를 갖는 것으로 나타났다. 독도의 토층 분포 및 심도 측정 결과를 토대로 토층을 5 cm 두께로 구분하여 독도의 토층분포도를 작성하였다.

(3) 독도의 동도 및 서도를 대상으로 각각 13개소 위치에서 지질조건을 고려하여 토질시료를 채취하였다. 채취된 시료를 이용하여 토질시험을 수행한 결과 흙의 비중은 평균적으로 동도의 경우 2.60, 서도의 경우 2.55이며, 흙의 자연 함수비는 동도와 서도에서 평균적으로 약 22%에 해당하는 것으로 나타났다.

(4) 독도의 흙에 대한 입도분포 특성을 조사한 결과 모래의 함유량이 가장 많은 것으로 나타났으며 평균적으로 동도의 경우 79.0%, 서도의 경우 75.2%이다. 그리고 자갈의 함유량은 동도의 경우 8.9%, 서도의 경우 18.8%로 서도에서 채취한 흙이 자갈성분을 보다 많이 함유하는 것으로 확인되었다.

(5) 입도분포시험을 이용한 통일분류법과 삼각도표 분류법을 토대로 입도분포 특성을 분석한 결과 독도의 토질은 전부 모래에 해당한다. 그리고 일부 흙은 입도분포가 양호한 롬질 혹은 점토질 모래로 분류되거나 입도분포가 불량한 자갈질 모래로 분류된다.

(6) 독도의 토질조사 자료는 독도의 특성을 연구하는데 있어 매우 중요한 기초자료이며, 독도의 토질에 대한 특성을 이해하는데 도움이 될 것으로 판단된다.