서 론
지층구조
중력 측정
완전부게이상(complete Bouguer anomaly field)
잔여중력이상(residual anomaly field)
중력이상과 지층구조의 관계
중력장 순산 모델링
이론적 배경
초기 모델(1st density model)
2차 모델(2nd density model)
최종 모델(final density model)
명일동-땅꺼짐의 발생 과정 추론
결 론
서 론
2025년 3월 24일 오후 6시 30분경 서울시 강동구 명일동 대명초교입구 교차로 인근의 동남로에서 지름 약 20 m, 깊이 약 20 m의 땅꺼짐(sinkhole, 이하 명일동-땅꺼짐)이 발생했다(Fig. 1의 역삼각형 지점). 최근 도심지의 땅꺼짐이 자주 발생하며 명일동-땅꺼짐은 지금까지 발생했던 사례 중에서 인적, 물적인 피해 측면에서 큰 규모에 해당한다.
Fig. 1.
(a) Topographic map of the southeastern area of Seoul. A southwest-northeast extending topographic development is seen around the Myeongil-dong sinkhole (red inverted triangle). (b) Measured gravity stations and borehole locations (marked with ×) are shown. The gravity values higher than 0.6 mGal are shown only in the southern area from the sinkhole (red inverted triangle). Black solid line: Fault from geological map (250,000/1), WF: Wangsukcheon Fault, SF: Singal Fault.
대규모 땅꺼짐의 원인은 자연적인 측면과 인위적인 측면으로 구분할 수 있다. 이 중 자연적인 현상은 주로 지하수에 용해되기 쉬운 암염층이나 석회암층이 발달한 곳에서 발생하며 대표적인 사례가 이스라엘과 요르단 사이의 사해 지역으로 이 지역은 지표에서 지각의 10 km 내부까지 용해성의 암염층으로 형성되어 땅꺼짐이 빈번하게 발생한다(Ezersky et al., 2010; Choi et al., 2011; Keydar et al., 2013; Al-Halbouni et al., 2021). 국내의 경우 강원도와 충청도 일부 지역은 조선누층군의 석회암층에 넓게 분포하며 경기육괴의 편마암도 국부적으로 석회암이 협재한다. 용해성 암석이 분포하지 않는 수도권의 대부분 지역에서 발생하는 땅꺼짐 현상은 단층 손상대 등 취약한 지질이상대와 인위적인 원인이 복합적으로 작용한 결과로 볼 수 있다. 특히 단층에 수반된 균열은 암석의 풍화를 촉진하고 지하수 흐름이 원활하여 지층붕괴의 주요 요인이 될 수 있다.
서울 강동구는 용해성의 암염이나 석회암 분포지에 속하지 않는 지역이며 지층 붕괴의 자연적 원인은 단층 손상대(fault damage zone, FDZ)와 불균질한 저밀도층이 원인이 될 수 있다. 또한, 명일동-땅꺼짐이 발생한 지역은 도심지를 개발한 지역으로 지중관로의 매설과 도로 ‧ 철도 건설에 수반된 굴착 등에 의해 단기적으로 지하수 흐름이 교란될 수 있고 지하수 함양과 이동이 용이한 저밀도층(예, 공동, 파쇄대)이 발달하는 경우 대규모 땅꺼짐이 유발될 수 있다.
연구진은 2021년 4월 강동구의 동남로를 따라 남북 방향으로 지상 중력을 측정하였으며 관측 범위에 명일동-땅꺼짐 발생 지역이 포함된다(Fig. 1). 또한, 이 시기는 서울지하철 9호선과 같이 대규모 지하굴착이 시행되기 전으로 중력장을 기반으로 지층의 밀도 구조를 파악하는데 매우 유용하다. 수도권 일원의 광역 중력자료와 동남로의 정밀 중력장, 그리고 국토지반정보 통합DB센터(국토교통부)의 시추정보에서 확인되는 지층 분포를 비교 분석하여 명일동-땅꺼짐의 원인에 대해 고찰하였다.
지층구조
명일동-땅꺼짐 발생 지역의 지층 분포와 밀도 모델링의 초기 모형을 구축하기 위해 국토지반정보 통합DB센터와 서울시 시추정보전산화 DB에서 231개의 시추공 정보를 수집하였고(Figs. 1 and 2의 × 표시), 공간보간법을 이용하여 풍화토, 풍화암, 연암, 경암의 출현심도 분포도를 작성하였다(Fig. 2). 지층별 출현 심도에서 풍화토는 30~50 m 깊이까지 분포하며, 남쪽과 동남쪽의 경사지에서 가장 얕은 심도를 보인다. 풍화암은 동남로를 따라 국부적으로 깊은 심도가 관찰되며 연암과 경암은 풍화대(풍화토, 풍화암)에 비해 출현 심도의 기복이 크고 나타난다. 지층별 출현 심도에도 명일동-땅꺼짐이 발생한 위치는 출현심도의 기복이 큰 경계부에 해당하며 지층별 심도를 이용하여 중력장 해석의 지층단면(Fig. 3d)을 제작하였다.
중력 측정
2021년 이전까지 서울 동남부와 경기도 하남의 일부 지역에서 측정한 70여 점의 중력 자료(Fig. 1a의 검은색 점)를 수집하였으나 측점 간격이 넓어 20~30 m 깊이의 지층구조를 파악하기 위해서는 측점 간격 50 m 이내의 정밀 중력측정이 필요하다. 이를 보완하기 위해 2021년 4월 중력 측점을 추가하였고 측선과 측점은 동남로를 따라 대명초교입구 교차로에서 북쪽의 고덕동 방향(Fig. 1b 참조) 배열하였다. 현장 측정 시 도로의 서쪽과 동쪽을 번갈아 가면서 평균 약 50 m 간격으로 지상 중력을 측정하여 1,950 m 연장에서 106개의 측점을 추가하였다.
중력이상의 계산에서 지리적 기준은 GRS-1980계를 적용하였으며, 조석보정을 위한 기조력의 계산은 Tamura(1982)가 제시한 방식을 이용하였다. 국토지리정보원(National Geographic Information Institute of Korea, NGII)이 제공하는 30 m 해상도의 육상 지형자료를 이용하여 고도이상(free-air anomaly) 및 단순부게이상(simple Bouguer anomaly)을 계산하였다. 단순부게이상 계산에 적용한 지각의 평균 밀도는 2.67 g/cm3이다. 지형에 의한 중력효과(terrain effect)를 계산하기 위해서 NGII의 1.0 km×1.0 km 육상 지형자료를 이용하였다. 연구범위에서 지형(Fig. 1a)에 의한 중력 효과는 최대 1.5 mGal (고도 35 m 이상)에서 최소 0.01 mGal (고도 10 m 이하의 평지)이다.
완전부게이상(complete Bouguer anomaly field)
연구진이 제작한 GR-3 지형보정 프로그램을 이용하여 단순부게이상에서 지형효과를 제거하여 완전부게이상(complete Bouguer anomaly) 값을 계산하였으며, 보정과정을 거친 연구지역의 완전부게이상의 분포는 Fig. 1b와 같다. 이때 중력의 평균값은 0.1 mGal이며, 최소 -1.0 mGal부터 최대 약 2.0 mGal의 범위를 보인다. 부게이상이 0 mGal보다 큰 지역은 주로 대명초교입구 교차로의 남쪽에 집중적으로 분포하며, 북쪽으로 갈수록 중력은 감소한다. 이는 교차로를 경계(Fig. 3a 단면의 약 600 m 지점)로 하여 남쪽과 북쪽의 지층 밀도가 뚜렷하게 구분되는 것을 의미한다.
Fig. 3a는 동남로의 남쪽에서 북쪽 방향으로 1,950 m에 연장에 대해 평균 50 m 간격으로 측정한 완전부게이상 분포를 나타낸 것이다(측점 위치는 Fig. 1b 참조). 그림에서 회색 측점들은 도로의 서쪽 가장자리를 따라서 측정한 중력을 나타낸 것이며, 검은색 측점들은 도로의 동쪽 가장자리를 따라 측정한 값이다. 그러므로, 남쪽으로부터 매 50 m 간격으로 측정한 서쪽과 동쪽 측정값의 평균값(Fig. 3a에서 검은색 파선)은 도로 중앙을 따라 분포하는 지층의 중력값으로 볼 수 있다. 남쪽의 시점에서 북쪽으로 약 600 m 위치까지 관측한 중력값은 최대 1.8 mGal에서 -0.3 mGal까지 급격하게 줄어드는 경향을 보이는데 이는 남쪽으로부터 600 m 범위에 지층 중에 밀도가 급변하는 경계면이 있는 것을 알 수 있다. 이후 단면의 600 m 지점부터 중력은 점이적으로 증가하며 1,600 m 지점부터 북쪽으로 갈수록 점이적으로 감소하여 북쪽의 종점부 중력은 -1.0 mGal를 나타낸다.
잔여중력이상(residual anomaly field)
완전부게이상의 분포는 모든 지층의 밀도효과를 나타내는 것이므로 지표면과 인접한 곳에서 발생한 땅꺼짐의 원인을 파악하기 위해서는 심부 지층의 밀도에 의한 중력효과를 제거할 필요가 있다. Fig. 3a의 파란색 실선은 FFT(fast fourier transform) filtering 방식으로 계산한 광역의 중력이상이며, 남쪽으로부터 약 600 m 지점까지 중력이 급감하는 현상을 보이며 이후는 안정된 값을 보인다. 이 중력은 대부분 심부 지층의 밀도에 의한 중력효과에 해당하며 지상에서 관측한 부게이상(Fig. 3a에서 검은색 파선)에서 광역 중력이상 값(Fig. 3a에서 파란색 실선)을 제거하여 측점 위치별 잔여중력이상(residual anomaly) 값을 계산하였다.
Fig. 3b의 검은색 점들은 측정별로 광역 중력이상을 제거한 잔여중력이상 값을 나타낸 것이다. 잔여중력이상 값들이 변화되는 추세를 간략하게 표시하기 위해 3개의 측점들마다 평균값들을 계산하여 갈색 실선으로 표시하였으며, 이 실선은 주로 지표면 가까이에 분포하는 지층들의 두께 변화와 밀도 차이를 반영하는 중력값이라고 할 수 있다. 부게이상 분포(Fig. 3a에서 검은색 파선)와 마찬가지로 잔여중력이상 분포에서도 남쪽의 시점부터 약 600 m 북쪽까지 중력의 급격한 변화가 관찰된다. 이는 지표면 가까운 곳에서도 뚜렷하게 낮은 중력이상의 원인이 되는 저밀도층(low density zone, Fig. 3b에서 LDZ)이 분포하는 것을 의미한다. 단면의 600 m 지점에서 북쪽으로 약 1,600 m 지점까지는 부분적으로도 저중력 이상들이 나타나고 있으나, 그 원인은 지표면 가까운 곳의 지엽적인 밀도 차이에 의한 것으로 판단된다. 단면의 1,600 m 지점부터 북쪽의 종점까지 다시 저밀도층이 나타난다. 이 저밀도층의 원인 파악을 위해서 시추자료와 잔여중력이상 분포를 비교하였다.
Fig. 3.
The complete Bouguer (a) and residual anomaly field (b) are compared to the distribution of porosity (c) and stratigraphic profile (d) obtained from borehole data. The high gravity anomalies are mainly shown in the southern area from the sinkhole and probably caused by the hard rocks that have risen to the surface. In contrast, the low gravity anomalies revealed between 300 and 600 profile-meters are mainly associated with a deep weathered zone with high porosity (24.3%).
중력이상과 지층구조의 관계
서울지하철 건설과 관련하여 시행한 시추코어의 토질시험 중 동남로의 땅꺼짐 발생한 인접한 풍화대의 시험결과를 수집하였다(Fig. 1b의 BH-1, BH-2, BH-3). Fig. 2c는 3개 시추공의 풍화대 지층에서 시험한 공극률(porosity)을 나타낸 것이다. 시추공의 위치는 단면도의 약 100 m, 600 m, 1,300 m 지점에 해당하며 약 10 m까지 풍화대의 평균 공극률은 16% 정도이다. 풍화심도가 깊은 BH-3 시추공의 풍화대는 다른 위치에 비해 뚜렷하게 높은 공극율(약 24%)을 나타낸다. 동일한 풍화토로 구분된 지층의 경우에서 공극률의 변화는 밀도 차이를 반영하므로 10% 정도 큰 공극률을 보이는 BH-3 지점은 다른 구간에 비해 공극의 체적만큼 밀도가 감소하는 것을 의미한다. 그러므로, 중력장 해석에서 확인되는 저밀도층(Fig. 3b에서 LDZ)은 큰 공극률과 낮은 밀도를 특징으로 하는 지층에 의한 중력효과라고 해석할 수 있다.
Fig. 3d는 동남로의 지층단면도이며, Fig. 2의 시추정보를 이용하여 작성하였다. 각 지층은 상부에서 하부로 매립토(landfill), 표토층(sediment), 풍화토(weathered soil), 풍화암(weathered rock), 연암(soft rock) 및 경암(hard rock)으로 구성된다. 시추정보에서 확인할 수 있는 지층의 평균 밀도는 매립토로부터 경암까지 각각 2.10 g/cm3, 2.30 g/cm3, 2.40 g/cm3, 2.60 g/cm3, 2.70 g/cm3 및 2.73 g/cm3이다(Table 1).
Table 1.
Density and porosity distribution of each layer obtained from the borehole data
중력장 분포와 지층단면도를 비교하면, Fig. 3a 단면에서 위치별로 중력장이 변화되는 원인에 대해 다음과 같은 해석이 가능하다. (1) 남쪽 시점의 높은 중력이상은 출현심도가 얕은 고밀도의 경암(2.73 g/cm3)과 연암(2.70 g/cm3)의 분포와 밀접한 관계가 있다. (2) 남쪽 시점에서 300~600 m 구간의 낮은 중력이상 분포지는 남쪽 지역으로부터 출현심도가 급격하게 깊어지는 경암의 분포와 큰 공극률과 낮은 밀도를 특징으로 하는 풍화대(Fig. 3d에서 deep weathering zone)의 복합적인 중력효과에 의한 것이다. (3) 단면의 600 m부터 1,600 m까지 중력이상은 저밀도층에서 점이적으로 얕아지는 연암의 출현심도에 의한 것이라고 해석된다. (4) 단면의 1,600 m부터 낮아지는 저중력이상의 원인은 층후가 두꺼운 저밀도의 매립토(2.10 g/cm3)의 분포와 경암, 연암 및 풍화암들의 깊이 분포와 관계가 있는 것으로 판단된다.
중력장 순산 모델링
이론적 배경
중력장 해석은 역산 및 순산의 두 가지 방식이 사용된다. 역산 방식은 측정된 중력값을 다양한 해석 수단을 이용하여 원인이 되는 지층의 지구물리적 성질(예, 밀도, 대자율)을 규명하는 것이다. 이와는 반대로 중력을 이용한 순산 방식 해석은 원인이 되는 지각 물성의 분포를 먼저 가정한 다음에 순산 방식의 알고리듬(예, Talwani et al., 1959; Götze and Lahmeyer, 1988)을 이용하여 지각 물성의 중력 효과를 계산하는 것이다. 이렇게 계산된 효과 값들을 실제로 측정된 중력값과 비교하여 계산된 효과 값들이 측정된 실제 값들과 만족할 정도로 근접했을 때 제시된 지각 모델을 해석한다. 순산 모델링 과정에서 가장 중요한 것은 초기에 주어져야 할 지각 모델의 정확성이므로 모델을 결정할 수 있는 가능한 한 많은 자료가 종합적으로 비교 분석되어야 한다(Choi et al., 2021, 2022, 2023).
3차원 중력장 및 자기장 순산 모델링 프로그램(IGMAS+)은 독일 베를린 자유대학과 독일 킬(Kiel) 대학의 중력측정 연구소 및 GfZ-Potsdam에서 공동으로 개발한 것으로 3D 지반정보와 객체 및 응답형 기능(interactive function)이 탑재되어 다양한 형태의 연구 결과들을 3차원적으로 비교 분석하여 주어진 지층 구조 모델을 발전시킬 수 있다(Schmidt et al., 2004, 2010; Choi et al., 2021). 순산 모델링은 다음과 같은 방식으로 진행한다. 첫째로, 주어진 입력자료를 IGMAS+ 소프트웨어를 이용한 순산 방식의 알고리듬(예, Talwani et al., 1959; Götze and Lahmeyer, 1988)을 통해서 초기 모델을 완성한 후에 중력장 효과를 계산한다. 둘째로, 초기 모델로부터 계산된 중력 효과 값들을 측정된 중력장 값들과 비교한다. 셋째로, 측정된 값과 계산된 값들이 차이가 나는 부분에 대해서는 입력 모델 중에서 지층의 깊이를 수정하거나 혹은 초기에 주어진 지층의 밀도 값을 변환하는 방식으로 주어진 모델을 개선하여 2차 모델을 완성한다. 마지막으로 계산된 효과 값들이 측정된 값들과 근접한 범위 내(일반적으로 약 10%의 측정된 중력값 범위)에 도달할 때까지 모델을 개선한 후에 최종 모델을 완성한다.
초기 모델(1st density model)
연구지역의 밀도구조 순산 모델링을 위한 필수 입력자료(constraint)는 시추정보에 의해서 제시된 지층들의 깊이 분포(polygon)와 지층별 밀도(density) 값들이다(Figs. 2 and 3d, Table 1 참조). 지층의 초기 밀도 모델에 의해서 계산된 중력 효과 값들은 Fig. 4a의 초록색 파선으로, 남부 지역에 나타난 최댓값(0.3 mGal)으로부터 약 550 m 지점에 나타난 최솟값(0.0 mGal)까지의 변화를 보인다. 측정된 중력값(Fig. 4a의 검은색 파선)과 계산된 중력 효과 값들(Fig. 4a의 초록색 파선)의 차이를 비교하면 다음과 같은 특이점이 있다. (1) 남쪽 시점에서 300 m 까지 관측된 부게이상 값들이 초기 모델로부터 계산된 중력값보다 평균 0.8 mGal 높다. 이 구간은 초기 모델의 지층에 주어진 밀도보다 높은 밀도의 암석이 분포하는 것을 나타낸다. (2) 반면, 300~600 m 구간은 계산된 중력값들이 측정된 중력값들보다 평균 0.4 mGal 높다. 이는 주어진 밀도보다 더 낮은 밀도의 매질이 이 구간의 지층에 분포하는 것을 의미한다. (3) 단면의 1,500~1,900 m 구간은 계산된 중력값들이 측정된 중력값들보다 평균 0.5 mGal 높다. 이는 주어진 밀도보다 더 낮은 밀도를 가지는 매질이 이 구간의 지층에 분포하는 것을 의미한다.
2차 모델(2nd density model)
측정된 중력값과 초기 모델의 밀도구조로부터 계산된 이론적인 중력의 차이를 줄이기 위해서 경암의 밀도를 구간별로 다르게 추정하였다. 즉 초기 모델에서는 경암의 밀도를 시추정보의 대푯값(Table 1)인 2.73 g/cm3을 입력자료로 하였으나 2차 모델에서는 남쪽으로부터 0~600 m 구간에는 2.73 g/cm3, 600~1,600 m 구간은 2.69 g/cm3 그리고 1,600 m 이상의 북쪽 지역은 2.60 g/cm3로 경암의 밀도를 구분하였다(Fig. 4b 참조). 이와 같은 밀도의 근거는 서울 지역의 지질도에서 확인된 경기육괴 편마암과 서울화강암의 암석학적인 연구(Park et al., 2009)에 의한 것이다. Park et al. (2009)은 기반암으로 강둥구 명일동 일원에 분포하는 편마암과 서울화강암의 밀도를 각각 2.67~2.73 g/cm3과 2.57~2.65 g/cm3이라고 보고하였다. 이를 근거로 하여, 초기 모델에서 제시된 경암이 편마암과 화강암 등 서로 다른 암석으로 구성되어 있다는 가정에 의해서 2차 모델을 완성하였다.
2차 모델에 의해서 계산된 중력 효과 값들은 Fig. 4a에서 파란색 파선으로, 남부 지역의 최댓값(0.6 mGal)으로부터 단면의 약 1,700 m의 최솟값(-0.4 mGal)까지 중력의 변화를 보인다. 이는 초기 모델과 비교해 보았을 때, 계산된 값들이 관측된 값들과 근접한 경향을 나타내지만, 남쪽 지역은 여전히 관측값들이 계산값들보다 높은 분포를 보인다. 또한, 단면의 300~600 m 구간은 관측된 부게이상 값들이 2차 모델에서 계산된 중력효과 값들보다 낮게 나타난다. 이는 남쪽 지역의 경우 지표면 가까운 지층에 2차 모델에서 입력한 밀도보다 더 높은 밀도를 가진 지층이 분포하는 것과 300~600 m 구간에서는 2차 모델보다 더 낮은 밀도를 가진 지층이 분포하는 것을 의미한다.
Fig. 4.
(a) Bouguer anomalies (black dashed line) are compared to the calculated gravity effect from the initial density model (green dashed line), secondary model (blue dashed line), and the final model (red solid line). (b) Final density model completed by adding low-density zone (LDZ and fault damage zone) to the initial stratigraphic layer (Fig. 2d).
최종 모델(final density model)
관측된 부게이상 값들과 계산된 중력 효과 값들과의 차이를 최대한 줄이기 위해서, 2차 모델의 밀도 분포를 부분적으로 수정하였다. 남쪽 지역은 표토층으로부터 연암층까지 초기 및 2차 모델에서 제시한 밀도보다 일률적으로 약 5% 높은 밀도로 수정하였다. 단면의 300~600 m 구간은 10% 공극이 큰 지층에 분포한다(Fig. 3c 참조). 그러므로, 이 구간의 표토층으로부터 연암층은 다른 지역에 비해서 약 10% 낮은 밀도를 갖는 지층으로 추정하였다(Fig. 4b에서 LDZ 영역). 또한, 이 구간의 경암층도 주위의 경암보다 공극률이 클 것이라는 가정하에 경암의 밀도를 2차 모델에서 제시한 2.69 g/cm3보다 낮은 2.62 g/cm3로 추정하여(Fig. 4b의 FDZ), 최종 모델을 완성하였다. 최종 모델로부터 계산된 이론적인 중력효과는 Fig. 4a에서 빨간색 실선으로 표시하였다. 최종 모델로부터 계산된 중력효과 값들과 관측된 부게이상 값들의 차이는 10% 이내의 오차 범위 안에 있다.
Fig. 4b는 중력장 순산 모델링을 통해서 완성된 최종 모델이다. 이 모델에서 가장 주목할 점은 남쪽 시점에서 약 600 m 지점까지 부게이상이 급감하며, 그 원인으로 경암의 출현심도가 깊어지고 저밀도층(Fig. 4b에서 LDZ)의 존재인 것으로 추정하였다. 또한, 경암층은 이 구간(Fig. 4b에서 FDZ)은 주변 경암의 밀도(2.73~2.69 g/cm3)에 비해서 뚜렷하게 낮은 밀도(2.62 g/cm3)를 갖는 것으로 판단하였다. 명일동 동남로에서 중력장이 급감하는 현상은 이 구간이 전형적인 단층 경계를 지시하며, 명일동-땅꺼짐(Fig. 4a에서 빨간색 역삼각형)은 단층의 경계면에서 나타난 저밀도층(Fig. 4b에서 LDZ 및 FDZ)과 밀접한 관계가 있다는 추측을 가능하게 한다. 이와 같은 단층대에 의한 중력장의 급격한 변화를 보여주는 가장 대표적인 경우는 경북 포항시 신광면 냉수리에서 측정한 중력장의 해석이 있다. Fig. 5는 양산단층이 통과하는 냉수리의 중력변화를 나타낸 것으로 단층을 경계로 서쪽과 동쪽의 중력 차이가 뚜렷하며 트렌치 조사와 전기비저항탐사에서 관찰되는 저비저항이상대(Fig. 5a) 부분이 밀도 경계에 위치하는 것을 보여준다(Choi et al., 2021).
Fig. 5.
Gravity field interpretation Case in Naengsu-ri, Pohang (Choi et al., 2021). (a) Gravity measurement line parallel to the electrical survey line. (b) The complete Bouguer anomaly along the West-East profile with a mean value of approximately 28.5 mGal and a range from 27.7 to 29.5 mGal. The lower Bouguer gravity anomalies are generally observed in the western part of the Yangsan fault line, while the area to the east is characterized by higher anomalies. A prominent anomaly change from 27.5 to 29.0 mGal is well coincided with the low resistivity area.
명일동-땅꺼짐의 발생 과정 추론
명일동-땅꺼짐 발생지역의 중력장 해석과 밀도 모델링 결과로부터 시간적 진행 과정을 다음과 같이 추정하였다.
1단계(숨은단층의 손상대와 저밀도층 형성): 강동구 명일동 지역은 왕숙천단층(Fig. 6a에서 WF)과 신갈단층(Fig. 6a에서 SF)등의 대규모 파쇄대에 인접하며 북동-남서 방향의 파생단층이 형성되었다. 서울시 동남부 지역에서 측정한 70여 점의 중력 측점을 이용하여 광역중력이상도를 작성하였으며, 땅꺼짐이 발생한 지역(Fig. 6a에서 빨간색 역삼각형)을 중심으로 북동-남서 방향으로 약 6 km 연장의 단층이 분포할 가능성(Fig. 6a and b에서 빨간색 파선)이 있으며 지형의 선구조선도 같은 방향을 나타낸다. 단층은 지질 및 지구조적인 측면에서 단층 운동으로 파쇄대가 형성되고 이로 인해 공극률이 높고 밀도가 낮은 지층이 부분적으로 형성된다(예, Fig. 4b의 LDZ로 표시한 저밀도 단층 손상대). 또한, 연구지역의 손상대는 충적층에 피복된 숨은단층으로 지하수의 수평적 흐름보다는 수직적인 흐름이 우세하며 누수 등의 유입수에도 민감한 특성을 갖는 지역에 해당한다.
2단계(인공구조물 매설 및 지하수 교란): 1990년대부터 도시개발과 관련하여 절토 및 성토, 지중관로 매설, 지하굴착 등의 지중에 인공구조물이 설치되었고 이의 영향으로 지하수 유동이 급변하며, 단층 손상대 내에서 불균질한 저밀도층은 지하수의 변화가 더 집중된 영역에 해당한다. 또한, 이 지역은 저밀도의 지반이 불균질하게 분포하고 있어 침하 가능성이 있고, 연속적인 지하 개발에 따라 수직적 붕괴가 진행된 것으로 추정된다.
3단계(지하수 유동에 의한 세굴 및 공동 생성): 지하 굴착 등으로 저밀도층의 세굴 및 파이핑(piping)이 진행되어 주변 토사 지지력이 상실되고 하부 지층 내부에 공동(cave) 등이 형성된 것으로 추측된다. 이 과정은 길게는 수개월 전부터 점이적으로 진행되며 공동 하부 지반의 굴착으로 인해 공동의 규모가 증가한 것으로 판단된다.
4단계(매설관로의 처짐 및 국부 붕괴 발생): 하부 지층에 생성된 공동의 규모가 임계점 도달하면, 관로의 처짐, 균열, 파단 등이 순차적으로 발생한다. 매설관로의 붕괴는 주변 토사를 더욱 빠르게 유실시키는 촉매 역할을 하고, 이로 인해 상부 도로 포장층 하부 지반도 지지력을 상실하게 된다.
5단계(지반 국부 침하 및 지표함몰 발생: 최종적으로 도로 지반은 상부 하중(도로 및 차량 통행 등)을 견디지 못하고 공동 내로 급격히 붕괴하며 도로 함몰과 함께 대규모 땅꺼짐을 유발한다.
결론적으로, 명일동-땅꺼짐은 자연적인 원인과 인위적인 요인이 복합적으로 작용하여 발생한 것으로 판단된다. 자연적 원인으로는 단층 작용으로 형성된 공동과 같은 저밀도층이며, 저밀도 지층은 지하수의 급격한 수직적 유동을 촉진할 수 있다. 인위적 원인으로는 매설관로와 굴착 등이 원인이 될 수 있다. 개발행위에 수반된 상 ‧ 하수도관의 파손은 다량의 토사가 포함된 유수가 자연적인 원인에 의해서 하부에 형성된 저밀도층으로 흘러 들어갈 때 땅꺼짐이 발생한 것으로 판단된다.
결 론
2021년 4월에 명일동 동남로에서 측정한 중력장을 해석하고 밀도 모델링을 통해 2025년 3월 24일 발생한 대형 땅꺼짐(sinkhole)의 원인을 고찰하였다. 중력장 해석으로 다음의 추론이 가능하다. 첫째로, 땅꺼짐이 발생한 지역은 중력의 크기가 급변하는 지점에 해당하며, 동일한 암종이 분포하는 지역에서 중력장의 큰 변화는 단층 손상대의 가능성이 있다. 둘째로, 밀도 모델링에서 땅꺼짐 발생 지역의 하부 지층은 하부의 경암까지 저밀도층이 분포한다. 셋째로, 명일동-땅꺼짐은 자연적인 원인(예, 단층 손상대 및 저밀도층)과 인위적인 요인이 복합적으로 작용하여 발생한 것으로 판단된다. 즉 굴착 등의 지중환경의 개발행위로 관로의 파손과 같은 인위적인 원인에 의한 누수는 자연적 원인으로 형성된 저밀도층으로 단기간에 유입되며, 이에 따라서 많은 토사가 20~30 m 깊이까지 분포하는 저밀도층까지 유입되는 과정에서 땅꺼짐이 일어난 것으로 판단된다.
광역 부게이상도에서 명일동-땅꺼짐이 발생한 지역은 왕숙천단층, 신갈단층 단층에서 북동-남서 방향으로 파생되어 형성된 단층이 충적층에 피복된 숨은단층으로 예상된다. 이는 땅꺼짐의 자연적인 원인으로 제시한 단층 손상대가 중력장 해석의 결과보다 큰 규모일 수 있고, 단층의 방향, 규모을 정확하게 판단하기 위해서는 연장 방향에 대한 정밀탐사가 필요하다.
