울릉도 나리분지 추산용천수의 유동 경로

Flow Path of Choosan Spring in Nari Basin, Ulleung Island, South Korea

Abstract

이 연구는 울릉도 나리분지 추산용천수의 유동 경로를 파악하는 것이다. 칼데라 내부 가장자리를 따라 발달하는 단층과 단열구조들의 발달 방향이 추산용천수 유동 경로에 영향을 주는 요소로 파악되었다. 추산용천수는 함양된 지하수가 동서 방향과 남북 방향의 단열대를 따라 추산용출소 방향으로 흐른다. 이와 더불어 북북동 방향으로 경사진 칼데라의 부등함몰의 영향으로 북동 내지 북북동 방향으로 흐르는 것으로 파악되었다. 장내세균과인 Entrobacteriaceae을 이용하여 나리지하수 쪽의 물이 추산용출소 방향으로 유동하는 것으로 파악되었다. 다만, 분석에 사용된 시료수가 매우 적어 성인계곡수로부터 나리분지와 추산용출소까지의 유동경로를 전체적으로 파악할 수 없다는 제한성이 있다.

This study clarified the flow path of Choosan Spring, Nari Basin, Ulleung Island, South Korea. The orientations of faults and fractures developed on the inner edge of the caldera were identified as major factors affecting the flow path. The main flow paths include fracture zones oriented N-S and E-W. The spring also flows in a NE or NNE direction under the influence of the irregular shape of the caldera, which slopes to the NNE. Using Entrobacteriaceae species as tracers, it was found that Nari groundwater flows toward Choosan Yongchulso. However, the small number of water samples used in the analysis limits our understanding of the flow path from Sungin Valley to Nari Basin and Choosan Yongchulso.

서론

용천수는 지하로 흐르는 지하수가 지표와 연결된 지층이나 단열대 등 암석의 틈을 통해 지표로 흘러나오는 물이다. 울릉도는 화산섬으로 수자원이 제한되어 있고 매년 늘어나는 관광객으로 인하여 물 수요는 급증하고 있다.

추산용천수는 성인봉과 나리분지를 둘러싸고 있는 외륜산 칼데라 사면에 내린 강수가 지하로 침투하여 추산용출소에서 자연적으로 노출되어 지표로 흘러 나오는 우리나라 최대의 자연 용천수중의 하나이다(Fig. 1). 추산용천수는 예전부터 나리분지와 알봉분지에 거주하는 주민들과 나리분지 공군부대 군인들의 식수원으로 이용되는 중요한 수자원이다. 이런 관점에서 추산용천수는 수리지화학적 측면의 수질이 양호한 식수로서의 가치뿐만 아니라, 나리분지와 알봉분지에 마을이 형성될 수 있었던 사회 문화적으로 매우 중요한 의미가 있다.

Fig. 1. Choosan Spring at Choosan Yongchulso.

울릉도와 관련된 연구는 울릉도가 화산섬인 관계로 화산암석, 광물학적인 연구가 주를 이루었다(Kim and Lee, 1983, 2008; Min et al., 1988; Kim et al., 1999, 2011, 2014; Song et al., 2006; Bae et al., 2012; Im et al., 2012; Im and Choo, 2015; Kim and Kim, 2019). 반면 지하수 관련 연구는 많이 수행되지 않았고, 특히 나리분지의 추산용천수에 대한 연구는 거의 미미한 편이다. 지하수 분야 연구가 부족한 것은 연중 1,500 mm에 달하는 많은 강수량과 42%의 높은 함양률로 수자원이 풍부하여 지하수 개발, 이용 및 지하수 연구의 필요성이 낮은 것으로 보인다. 그리고 울릉도가 육지와 많이 떨어진 섬인 관계로 접근성, 지리적 한계로 인해 다양한 지질학적인 연구와 수리지질학적인 연구가 부족하였다.

그러나 최근 울릉군에서 추산용천수의 먹는샘물 개발에 대한 관심이 부각되면서 추산용천수의 수리지질학적, 수리지화학적 연구가 수행되었다(KIGAM, 2011, 2012, 2014; HMENC, 2018). Lee et al.(2018)은 추산용천수의 수리화학적 연구에서 추산용천수의 수질특성을 규명하고, 나리분지 일대의 대수층 발달 특징을 보고하였다. 또한 Cho and Lee(2018)는 추산용천수의 용출 형태에 관한 연구에서 추산용천수는 성인봉에 내린 강우가 나리분지 내에서 지하로 침투하여 지하수 형태로 북쪽 방향으로 흐르다가 조면암과 나리응회암 경계부인 추산용출소에서 용출된다고 보고하였다. 현재 (주)LG생활건강은 추산용천수를 먹는샘물로 개발하여 제조, 판매하기 위하여 울릉군 북면 천부리에 먹는샘물 공장을 설립 중에 있다. 금번 연구의 목적은 20,000~40,000 m³/day이나 되는 추산용천수의 유동 경로를 파악하는 것이다. 이를 위하여 연구 지역의 지질 및 지질구조 조사, 선상구조 파악, 수리지질 조사를 실시하였다. 그리고 금번 연구에서는 미생물 분석을 통하여 추산용천수 유동경로 파악이 가능한 지 유무를 알아보기 위하여 처음으로 미생물 분석을 시도하였다.

연구지역 및 지질

울릉도는 행정구역상 경상북도 포항시 울릉군에 속하며, 면적은 부속도서까지 포함하여 72.82 km²이고, 울릉도에서 가장 높은 성인봉은 해발고도 983.6 m이다(Kim and Lee, 2008; Fig. 2). 성인봉의 높이는 비록 983.6 m이지만 해저에서의 높이까지 합하면 약 3,000 m에 달해 제주도나 백두산보다 큰 화산체이다.

Fig. 2. Topographic relief map of the study area.

연구지역인 나리분지는 경상북도 울릉군 북면에 속하며 동경 130°51′38.7″, 북위 37°31′12.0″에 위치한다. 나리분지는 울릉도 북부 중앙부에 위치하는 화산성 함몰에 의해 형성된 칼데라 분지고, 외륜산 내부의 저지대를 전체적으로 나리분지라고 한다. 나리분지는 분지 남서부에 위치한 소규모 면적의 알봉분지와 북동부의 나리분지로 양분되어 있으나, 보통 이 두 개의 분지를 전체적으로 나리분지라고 정의하고 있다. 나리분지는 울릉도에서 유일한 평야지대로 지금도 20호 가량의 주민이 거주하고 있으며, 주로 산나물 위주의 밭농사를 짓고 있다.

울릉도의 지질은 도동현무암질암류, 울릉층군, 성인봉층군 및 나리층군의 네 개의 층군으로 구성되어 있다(Hwang et al., 2012). 나리분지의 지질은 나리층군에 해당되며 주로 말잔등응회암, 나리분석층, 알봉조면안산암이 분포하고 있다(Fig. 3). 알봉분지를 포함한 나리분지 전 지역은 투수성이 양호한 부석, 화산회, 화산력, 조면암편, 포놀라이트 암편 등이 쌓여 칼데라 퇴적층을 형성하고 있다. 나리분지를 둘러싸고 있는 외륜산의 산지에서 분지 내로 공급된 물은 북류하여 추산용출소에서 용출된다(Fig. 2).

Fig. 3. Geological map of Nari Basin and surrounding area (after Hwang et al., 2012).

연구방법

지질구조 및 선상구조

연구지역의 지질구조 및 선상구조 파악은 실내 분석과 야외 지질조사를 병행하였다. 지질구조 및 선상구조를 파악하기 위하여 먼저 울릉도 지질도, 위성영상, 음영기복도, 그리고 지형도를 이용하여 실내 분석을 하였고, 분석 자료를 바탕으로 야외 지질조사를 실시하였다.

미생물 분석

미생물 분석을 위하여 성인계곡수(SI_SW), 나리지하수(NR_GW), 추산용천수(CSW)의 3개 시료를 채취하였다(Fig. 4). 채취한 시료는 미생물 생장을 억제하기 위해 현장에서 0.2 µm sterivex filter(Millipore)를 이용하여 여과하였다. 여과된 filter는 50 mL conical tube에 넣어 냉장 보관하였고, DNeasy PowerWater Kit를 이용하여 DNA를 추출하였다. 추출된 DNA를 이용하여 염기서열 분석을 하였으며 미생물 군집의 종 다양성과 균등도, 시료들 간의 유사도 등을 분석하였다.

Fig. 4. Sampling locations in the study area.

연구결과

지질구조 및 선상구조

연구지역의 지질구조는 나리분지와 알봉분지 주변의 화산성 환상함몰에 관련된 환상단층과 알봉 서측에서 추산으로 달리는 거의 남북 방향의 단층이 주를 이루고 있다(Hwang et al., 2012). 선상구조는 광역적으로는 북서, 북동, 동서 방향으로 발달하고 있으며, 분지 중앙부와 서쪽에 남북 방향의 선상구조가 발달하고 있다. 나리분지 서측을 중심으로 중심부 환상구조와 외부 환상구조, 이 두 환상구조 사이의 북서쪽에 소규모의 알봉 환상구조가 발달하고 있다(Figs. 5 and 6). 그리고 지형적으로는 나리분지 수계의 경계부로 산릉을 이루는 외륜산맥이 준환상구조 지형을 이루고 있다.

Fig. 5. Faults and lineaments in the Nari Basin area.

나리분지 서쪽 알봉의 서측을 따라 남북 방향으로 단열대가 선상구조로 뚜렷이 발달하고 있다(Fig. 6). 이 선상구조는 북으로 추산용출소의 서쪽 근처를 지나 추산제2수력발전소까지 연장되고 있다. 우향의 스텝을 보이는 여러 개의 단열들이 단열계를 이루고 있으며, 북북서 방향의 압축응력에 의해 좌향의 전단운동이 일어난 것으로 해석된다. 나리분지 일대의 환상구조와 선상구조를 따라 유입된 지하수는 깔대기 모양으로 단열이 합쳐지는 북쪽으로 유입되어 동해로 흘러가며, 그 전에 추산용출소에서 용천수의 형태로 유출되어지는 것으로 해석된다(Fig. 5). 동측의 나리분지 일대는 북동 방향과 북서 방향의 선상구조 발달이 우세하며, 주로 이들 두 방향에 규제되어 분지가 생성되어 발달하고 있는 것으로 해석된다. 알봉분지 서측의 경우 북동과 북서 방향의 선상구조도 발달하고 있으나, 이들은 뚜렷하고 북동과 북서 방향보다 큰 규모의 남-북 방향의 선상구조로 일반적인 방향을 보이고 있다. 알봉분지는 남북 방향의 선상구조와 북서 방향의 선상구조에 의해 규제되어 생성과 발달을 하고 있는 것으로 해석된다. 즉, 알봉분지에서는 남-북 방향과 함께 북서 방향의 선상구조가 조합하여 인장성 분지구조를 형성하고 있는 것으로 해석된다. 남북 방향의 분지 경계부는 북동과 북서의 조합으로 남-북 방향을 유지하고 있는 양상을 보이고 있다. 이러한 양상은 알봉의 서측으로 가면서 특징적으로 나타나고 있다.

Fig. 6. Geological structure and groundwater flow path in the study area.

나리분지의 전체적인 지질구조는 남서측이 높고 북동쪽이 낮은 지형적 구조로, 나리분지는북동-북북동 방향으로 경동되며 함몰하였을 가능성을 시사하고 있다(Fig. 7). 나리분지 내의 단열구조는 이 함몰과 관련하여 발달된 단층, 파쇄대일 것으로 판단된다.

Fig. 7. Schematic diagram of the geology and structure of the study area.

미생물 분석

연구지역 시료의 미생물 군집 분석 결과를 이용하여 문(phylum), 강(class), 과(family) 수준의 분석을 하였다.

문 수준(phylum)에서의 분석 결과, 모든 시료에서 Proteobacteria가 가장 우점하고 있었으며 Bacteroidota, Actinobacteriota, Firmicutes순으로 존재하였다. 특히 추산용천수의 경우 주로 극한 환경에 서식하는 고세균(10.1%)이 나타나는 특징을 보인다(Fig. 8).

Fig. 8. Characteristics of microbial community structures in the study area.

강 수준(class)에서는 Gamma-proteobacteria가 나리지하수와 추산용천수에 높은 비율로 존재하는 특징을 보이고 있다(Fig. 8). 지표수가 지표하로 침투되면서 유기물 분해와 관련된 미생물이 감소하는 영향으로 Actinobacteria가 지하수 시료인 나리지하수와 추산용천수에서 현저히 감소한 것으로 나타났다. 전체적으로 추산용천수 시료는 나리지하수 시료보다 더욱 복잡한 군집 구조를 형성하고 있으며, 이는 지하수의 유동에 의한 미생물-물-암석 반응에 따른 결과로 판단된다.

과 수준(family)에서 분석한 결과, 성인계곡수는 대부분 미분류된 미생물과 유기물 분해 특성을 가진 미생물들로 구성되어 있다. 나리지하수에서는 Entrobacteriaceae(장내세균과)가 큰 비중(65%)을 차지하는 특징을 보인다(Fig. 8). Entrobacteriaceae는 분원성오염 지표균인 대장균을 포함하고 주로 분변을 통해 오염되므로 나리분지 주변토지나 화장실을 통한 오염을 예상할 수 있으므로 이에 대한 적절한 관리가 필요해 보인다(Schaffter and Parriaux, 2002; Rock and Donnenberg, 2014). 추산용천수에서는 나리지하수에서 유래된 것으로 판단되는 Enterobacteriaceae가 자연 정화를 거쳐 대부분 제거되었으나(19%) 나리분지와 추산용천수와의 지형학적 거리가 짧아 완전한 제거가 이루어지지 않았을 것으로 판단된다. 또한, 추산용천수 시료에서는 정확한 기능에 대한 연구가 되어있지 않은 Moraxellaceae가 큰 비중(31%)을 차지하는 것으로 보아 용천수 수질 형성에 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.

추산용천수 유동경로

선상구조 및 지질구조에 근거한 유동경로

성인봉을 비롯한 나리분지의 여러 외륜산의 산록으로부터 유입된 강수는 알봉분지와 나리분지에 집수되고, 투수성이 높은 부석과 응회암 화산쇄설물을 통과하여 빠른 속도로 대수층으로 함양된다. 성인계곡 쪽에 유입된 강수는 북쪽 방향으로 흘러내려 대부분 알봉분지에 집수되고 일부는 북동 방향의 지질구조를 따라 나리분지에 집수된다. 성인계곡을 제외한 나머지 외륜산 산록부에 유입된 강우는 모두 나리분지에 집수되어 대수층으로 함양된다.

추산용천수의 유동 경로는 크게 나리칼데라 서측의 흐름과 동측의 흐름즉 알봉분지의 흐름과 나리분지의 흐름으로 나눌 수 있다. 나리칼데라 남서쪽에 위치한 알봉분지는 주로 남북 방향과 북서 방향의 지질구조가 발달하고 있으며(Fig. 5), 지하수 흐름은 이 두 방향에 의해 규제된다. 그리고 동쪽에 위치한 나리분지는 주로 북동 방향과 북서 방향 그리고 남북 방향에 가까운 북북서 방향의 지질구조가 발달하고 있으며(Fig. 5), 지하수 흐름은 이들 방향에 의해 규제된다. 그리고 나리분지와 알봉분지의 경계는 알봉 형성시에 분출된 용암으로 피복된 남북 방향의 능선으로 되어 있다(Fig. 6).

성인계곡으로부터 알봉분지 방향으로 흐르는 대부분의 지하수는 남북 방향의 단층대를 따라 발달하는 칼데라 서쪽 내벽과 알봉 사이의 협곡을 따라 북쪽으로 흘러 추산발전소 방향으로 흐른다. 이 단층대를 따라 흐르는 지하수는 알봉조면암이 매우 치밀하고 불투수성으로 차수벽 역할을 하므로 알봉을 통과하여 추산용출소에 용출되기는 어려울 것으로 판단된다. 또한 나리분지와 알봉분지 경계부에 형성된 용암으로 피복된 능선이 차수벽 역할을 하여 서측에서 동측으로의 흐름을 방해하는 요소로 작용될 것으로 판단된다(Fig. 6).

나리분지에 함양된 지하수와 나리분지로 유입된 지하수는 북동 방향의 단열대와 북서 혹은 북북서 방향의 단열대를 따라 북쪽으로 흐른다. 이중 일부는 북서 혹은 북북서 방향의 단열대의 영향으로 용출소 방향으로 흘러 용출된다. 일부는 나리분지의 북동쪽 혹은 북쪽으로 유입되어 북동쪽의 환상함몰에 관여한 단층대와 그 단층대 외측의 불투수층인 조면암류로 인하여 북쪽으로의 흐름이 차단된다. 북쪽으로 흐르지 못하는 지하수는 나리분지 북부에 발달하는 동-서 방향의 단층을 따라 서쪽으로 이동하여 추산용출소에서 용출된다.

미생물 분석에 근거한 유동경로

미생물 군집 분석 결과에 의하면 성인계곡수를 따라 흐르던 지표수가 나리분지 지역에서 지하로 함양되면서 주된 물-암석 반응을 일으킴과 동시에 주변의 오염 물질도 같이 대수층으로 이동 시키는 것으로 예상된다. 이후 대수층의 지하수가 고세균 등의 미생물과 함께 추가적인 물-암석 반응을 거치면서 추산용출소에서 용출되는 것으로 판단된다. 그리고 장내세균과인 Entrobacteriaceae가 나리지하수와 추산용출소에서 동시에 분포하는 것으로 보아, 추산용천수는 나리지하수쪽에서 추산용출소 방향으로 유동하는 것으로 판단된다. 이러한 사실은 나리지하수에서 65%의 비중을 보인 Entrobacteriaceae가 추산용천수에서 31%의 비중을 보이는 것을 볼때, 자연정화를 거치면서 나리지하수 쪽에서 추산용출소 방향으로 유동한다는 사실을 뒷받침하고 있다.

토의 및 결론

금번 연구에서는 나리분지의 선상구조 및 지질구조 조사 자료를 이용하여 추산용천수의 유동 경로를 파악하였고, 미생물 분석을 통하여 추산용천수의 유동 경로를 파악하고자 시도하였다.

연구지역 내 지하수 흐름은 크게 알봉분지 쪽의 흐름과 나리분지 쪽의 흐름으로 나눌 수 있는데, 알봉분지 쪽의 지하수는 대부분 추산발전소 방향으로 흘러 동해로 유입되고, 나리분지 쪽의 지하수가 북쪽으로 흘러 추산용출소에서 용천수의 형태로 용출된다. 추산용천수 유동 경로에 영향을 주는 요소는 칼데라 내부 가장자리를 따라 발달하는 단층과 최후기 화산활동의 결과 형성된 다양한 칼데라 내의 단열구조들의 발달 방향이 지하수 유동 경로에 영향을 주었을 것으로 판단된다. HRENC(2012)의 시추자료에 의하면 단열대의 발달 심도(해발고도 기준)와 추산용출소가 위치하고 있는 지점의 고도가 차이가 거의 나지 않는 것으로 보아 단열대를 따라 유동하는 것으로 해석할 수 있다. 크게 보아 추산용천수는 동서 방향으로 발달된 단열대와 남북 방향의 단열대가 만나는 지점인 추산용출소에서 용출되는 것으로 고려된다. 그리고 동서 및 남북 방향의 단열대와 더불어 나리 분지에 함양된 지하수가 북북동 방향으로 경사진 칼데라의 부등함몰의 영향으로 북동 내지 북북동 방향으로 흐르는 것으로 해석된다.

금번 연구에서 처음 시도한 미생물 분석의 경우, 나리지하수와 추산용천수에 존재하고 있는 Entrobacteriaceae 비중 차이로 추산용천수는 나리지하수 쪽에서 추산용출소 방향으로 유동하는 것으로 파악되었다. 다만, 분석에 사용된 시료수가 매우 적어 성인계곡수로부터 나리분지와 추산용출소까지의 유동경로를 전체적으로 파악할 수 없다는 제한성이 있다. 그러나 미생물 분석을 이용하여 추산용천수 유동 경로 파악을 처음으로 시도했다는데서 의미가 크다고 할 수 있다.

금번 연구결과를 통하여 연구지역의 수질관리를 위해 지질구조선 상에 위치하고 있는 농경지에서는 농업활동시 수질 오염 등을 고려하여 비료나 농약 살포 등에 있어서 주의가 필요하다. 또한 추산용천수의 상세한 유동경로 파악을 위해서 유동경로 예측 지점에 대한 시추 및 미생물 군집 분석 연구가 수행되어야 할 것을 제시한다.