토석류

토석류(debris flow) 또는 석편류(石片流)는 물을 포함한 흙과 파쇄된 암석 덩어리가 산비탈을 따라 흘러내려 하천 수로로 깔때기 모양으로 모이고, 그 경로에 있는 물체들을 끌어들여 계곡 바닥에 두꺼운 진흙 퇴적물을 형성하는 지질 현상이다. 일반적으로 눈사태 및 기타 유형의 산사태와 비슷한 겉보기 밀도를 가지지만(대략 입방미터당 2000킬로그램), 높은 공극 유체 압력으로 인해 광범위한 퇴적물 토양액상화가 발생하여 거의 물처럼 유동적으로 흐를 수 있다.^[2] 가파른 수로를 따라 흐르는 토석류는 일반적으로 10 m/s (36 km/h)를 초과하는 속도에 도달하지만, 일부 대규모 흐름은 훨씬 더 빠른 속도에 도달할 수 있다. 약 100,000 입방미터에 달하는 부피의 토석류는 전 세계 산악 지역에서 자주 발생한다. 가장 큰 선사 시대 흐름은 10억 입방미터(즉, 1 입방킬로미터)를 초과하는 부피를 가졌다. 높은 퇴적물 농도와 이동성으로 인해 토석류는 매우 파괴적일 수 있다.

라다크, 북서부 인도 히말라야에서 2010년 폭풍 후 남겨진 퇴적물이 있는 토석류 수로. 거친 돌무더기 제방이 수로 측면을 형성한다. 잘 분류되지 않은 암석들이 수로 바닥에 놓여 있다.

2013년 7월 프랑스 생줄리앙몽드니의 토석류

1983년 겨울 대 로스앤젤레스 벤투라에서 토석류로 인해 형성된 상처. 사진은 토석류 발생 후 몇 달 이내에 촬영되었다.^[1]

20세기의 주목할 만한 토석류 재해로는 1985년 콜롬비아 아르메로에서 20,000명 이상의 사망자가 발생했으며, 1999년 베네수엘라 바르가스 주에서는 수만 명이 사망했다.

특징 및 행동

토석류는 체적 퇴적물 농도가 약 40~50%를 초과하며, 흐름의 나머지 부피는 물로 구성된다. 정의에 따르면, "토석"은 미세한 점토 입자부터 거대한 볼더에 이르기까지 다양한 모양과 크기의 퇴적물 입자를 포함한다. 언론 보도는 종종 토석류를 설명하기 위해 머드플로우라는 용어를 사용하지만, 진정한 머드플로우는 주로 모래보다 작은 입자로 구성된다. 지구 육지 표면에서 머드플로우는 토석류보다 훨씬 덜 흔하다. 그러나 수중 머드플로우는 해저 대륙사면에서 만연하며, 그곳에서 저탁류를 발생시킬 수 있다. 삼림 지역의 토석류는 통나무 및 나무 그루터기와 같은 다량의 목재 파편을 포함할 수 있다. 고체 농도가 약 10~40% 범위인 퇴적물이 풍부한 물 홍수는 토석류와 다소 다르게 행동하며 과농축 홍수로 알려져 있다.^[3] 일반적인 하천 흐름은 훨씬 낮은 농도의 퇴적물을 포함한다.

토석류는 집중 호우나 눈 녹음, 댐 붕괴 또는 빙하 유출 홍수, 또는 집중 호우나 지진과 관련이 있거나 없는 산사태에 의해 유발될 수 있다. 모든 경우 토석류 시작에 필요한 주요 조건에는 약 25 도보다 가파른 경사면의 존재, 풍부한 느슨한 퇴적물, 흙 또는 풍화암의 가용성, 그리고 이 느슨한 물질을 거의 완전한 포화 상태(모든 공극이 채워진 상태)로 만들기에 충분한 물이 포함된다. 남부 캘리포니아의 경험에서 알 수 있듯이, 산림 및 덤불 화재 이후 토석류가 더 자주 발생할 수 있다. 토석류는 많은 가파른 산악 지역에서 상당한 위험을 초래하며, 일본, 중국, 대만, 미국, 캐나다, 뉴질랜드, 필리핀, 유럽 알프스, 러시아, 카자흐스탄에서 특히 주목을 받았다. 일본에서는 대규모 토석류 또는 산사태를 야마쓰나미(yamatsunami/山津波, 문자 그대로 산 지진해일)라고 부른다.

캘리포니아 레스팅 스프링스 패스의 고대 토석류 퇴적물

토석류는 중력에 의해 내리막으로 가속되며 선상지 또는 범람원으로 흘러나오는 가파른 산악 수로를 따르는 경향이 있다. 토석류 급증의 전면 또는 '머리'는 종종 마찰력을 크게 증가시키는 볼더 및 통나무와 같은 거친 물질을 풍부하게 포함한다. 높은 마찰의 흐름 머리 뒤에는 모래, 미사 및 점토의 비율이 더 높은, 마찰이 적고 대부분 액화된 흐름 몸체가 따른다. 이러한 미세 퇴적물은 높은 공극 유체 압력을 유지하여 토석류의 이동성을 향상시킨다. 어떤 경우에는 흐름 몸체 뒤에 더 많은 물이 포함된 꼬리가 따르며, 이는 과농축 하천 흐름으로 전환된다. 토석류는 일련의 파동 또는 개별적인 급증으로 움직이는 경향이 있으며, 각 파동 또는 급증은 독특한 머리, 몸체 및 꼬리를 가진다.

2010년 폭풍으로 유발된 라다크의 토석류. 분류가 불량하고 제방이 있다. 배경에 가파른 수원 집수지가 보인다.

토석류 퇴적물은 현장에서 쉽게 식별할 수 있다. 그것들은 가파른 산악 전면을 따라 많은 선상지와 토석원뿔의 상당 부분을 구성한다. 완전히 노출된 퇴적물은 일반적으로 볼더가 풍부한 주둥이와 함께 엽상 형태를 가지며, 토석류 퇴적물 및 경로의 측면 경계는 일반적으로 볼더가 풍부한 측면 제방의 존재로 표시된다. 이러한 자연 제방은 토석류 몸체에 있는 상대적으로 이동성이 좋고 액화된 미세 입자 토석이 입자 크기 분리(알갱이 역학에서 흔한 현상)의 결과로 토석류 머리에 모이는 거칠고 마찰이 큰 토석을 옆으로 밀어낼 때 형성된다. 측면 제방은 후속 토석류의 경로를 제한할 수 있으며, 오래된 제방의 존재는 특정 지역에서 이전 토석류의 규모를 어느 정도 알 수 있게 해준다. 이러한 퇴적물에서 자라는 나무의 연대를 측정함으로써 파괴적인 토석류의 대략적인 빈도를 추정할 수 있다. 이는 토석류가 흔한 지역의 토지 개발에 중요한 정보이다. 노두에서만 노출된 고대 토석류 퇴적물은 식별하기 더 어렵지만, 일반적으로 크게 다른 모양과 크기의 입자들이 병치되어 있는 것이 특징이다. 이러한 퇴적물 입자의 불량한 분류는 토석류 퇴적물을 대부분의 수중 퇴적물과 구별한다.

종류

토석류로 설명될 수 있는 다른 지질 흐름은 일반적으로 더 구체적인 이름을 가진다. 여기에는 다음이 포함된다.

화산이류

 이 부분의 본문은 화산이류입니다.

화산이류는 화산 활동과 어떤 식으로든 관련된 토석류로, 분출의 직접적인 결과이거나 화산 측면의 느슨한 물질 붕괴로 인한 간접적인 결과일 수 있다. 빙하 얼음의 용융, 섹터 붕괴, 느슨한 화산쇄설암 물질에 대한 집중 호우, 또는 이전에 화산쇄설암 또는 빙하 퇴적물에 의해 막혔던 호수의 폭발과 같은 다양한 현상이 화산이류를 유발할 수 있다. 화산이류(lahar)라는 단어는 인도네시아어 기원이지만, 현재 전 세계 지질학자들이 화산성 토석류를 설명하는 데 일상적으로 사용하고 있다. 지구상에서 가장 크고 파괴적인 토석류는 거의 모두 화산에서 발생하는 화산이류이다. 콜롬비아 아르메로 시를 침수시킨 화산이류가 그 예이다.

요쿨흘라우프

 이 부분의 본문은 요쿨흘라우프입니다.

요쿨흘라우프는 빙하 돌발 홍수이다. 요쿨흘라우프는 아이슬란드어이며, 아이슬란드에서는 많은 빙하 돌발 홍수가 빙하 아래 화산 분출에 의해 유발된다. (아이슬란드는 대부분 해저 화산으로 이루어진 중앙 해령 위에 위치한다.) 다른 곳에서는 요쿨흘라우프의 더 흔한 원인은 얼음으로 막혔거나 빙퇴석으로 막힌 호수의 파괴이다. 이러한 파괴 사건은 종종 빙하 얼음이 호수로 갑자기 붕괴되어 변위 파동이 빙퇴석이나 얼음 댐을 파괴함으로써 발생한다. 파괴 지점의 하류에서 요쿨흘라우프는 이동하는 계곡에서 느슨한 퇴적물을 동반 이동시킴으로써 크기가 크게 증가할 수 있다. 충분한 동반 이동은 홍수가 토석류로 변환될 수 있도록 한다. 이동 거리는 100km를 초과할 수 있다.

토석류 이론 및 모델

토석류의 특성, 운동학, 동역학을 모델링하는 데 수많은 다양한 접근 방식이 사용되었다.^[4] 몇 가지는 여기에 나열되어 있다.

• 유변학적 기반 모델은 머드플로우에 적용되어 토석류를 단상 균질 물질로 취급한다 (예: 빙엄 유체, 점소성, 배그놀드 유형의 딜라탄트 유체, 요변성 등)
• 댐 붕괴파, 예: 헌트(Hunt),^[5] 샹송 등(Chanson et al.)^[6]
• 롤파, 예: 다카하시(Takahashi),^[7] 데이비스(Davies)^[8]
• 진행파^[9]
• 이동하는 암석 댐의 일종^[10]

이러한 정교한 모델을 보정하고 검증하려면 현장 조사 또는 세밀한 실험실 실험을 통해 잘 문서화된 데이터가 필요하다. ^{[11] [12]}

이중상

아이버슨(Iverson)이 처음 제안하고 나중에 다른 사람들이 채택하고 수정한 혼합물 이론은 토석류를 고체-유체 이중상 혼합물로 취급한다.^[2]

실제 이중상(토석) 질량 흐름에서는 고체와 유체의 운동량 전달 사이에 강한 연동이 존재한다. 여기서 고체의 수직 응력은 부력에 의해 감소되며, 이는 차례로 마찰력 저항을 줄이고, 압력 기울기를 증가시키며, 고체 구성 요소에 대한 항력을 감소시킨다. 부력은 이중상 토석류의 중요한 측면인데, 이는 혼합물의 마찰 저항을 감소시켜 흐름 이동성(더 긴 이동 거리)을 향상시키기 때문이다. 부력은 혼합물에 유체가 존재하는 한 존재한다.^[13] 이는 유체와 고체 상 사이의 밀도 비가 ${\displaystyle 1-\gamma }$인 경우 ${\displaystyle \gamma }$ 인자로 고체 수직 응력, 고체 측면 수직 응력, 그리고 바닥 층밀림 변형력 (따라서 마찰 저항)을 감소시킨다. 밀도비(${\displaystyle \gamma }$)가 큰 경우(예: 자연 토석류) 그 효과는 상당하다.

만약 흐름이 중성 부력(예: 배그놀드,^[14] 1954)인 ${\displaystyle \gamma =1}$인 경우, 토석 덩어리는 유동화되어 더 긴 이동 거리를 움직인다. 이는 고도로 점성이 있는 자연 토석류에서 발생할 수 있다.^[15] 중성 부력 흐름의 경우, 쿨롱 마찰력이 사라지고, 측면 고체 압력 기울기가 사라지며, 항력 계수는 0이 되고, 고체 상에 대한 바닥 경사 효과도 사라진다. 이 극한적인 경우에 남아있는 유일한 고체 힘은 중력으로 인한 것이며, 따라서 부력과 관련된 힘이다. 유체에 의한 입자의 유체역학적 지지 조건 하에서, 토석 덩어리는 완전히 유동화(또는 윤활)되어 매우 효율적으로 움직이며, 긴 이동 거리를 촉진한다. 부력 흐름과 비교할 때, 중성 부력 흐름은 완전히 다른 행동을 보인다. 후자의 경우, 고체 및 유체 상이 함께 움직이고, 토석 덩어리는 유동화되며, 전면은 상당히 멀리 이동하고, 꼬리는 뒤쳐지며, 전체 흐름 높이도 감소한다. ${\displaystyle \gamma =0}$일 때, 흐름은 어떤 부력 효과도 경험하지 않는다. 그러면 고체 상에 대한 유효 마찰 전단 응력은 순수한 알갱이 흐름의 응력과 같다. 이 경우 압력 기울기로 인한 힘이 변경되고, 항력이 높으며, 가상 질량의 효과는 고체 운동량에서 사라진다. 이 모든 것은 움직임을 늦추는 결과를 낳는다.

피해 예방

1921년 대규모 토석류 이후 알마티, 카자흐스탄. 그 이후로 이 종류의 흐름이 도시에 도달하는 것을 막기 위해 메데우 댐을 포함한 여러 시설이 건설되었다.^[16]

토석류가 재산과 사람에게 도달하는 것을 막기 위해 유수지가 건설될 수 있다. 유수지는 흙과 물 자원을 보호하거나 하류 피해를 방지하도록 설계된다. 이러한 건설은 건설 비용이 비싸고 연간 유지 보수에 대한 약속이 필요하기 때문에 최후의 수단으로 간주된다.^[17] 또한, 유수지는 산악 지형에서 흘러내리는 하천의 일부에서 발생하는 토석류만을 막을 수 있다.

토석류를 유발할 수 있는 폭풍 전에, 예측 프레임워크는 종종 유역에서 토석류가 발생할 가능성을 정량화할 수 있다.^[18] 그러나 주어진 폭풍에 대해 동원되는 퇴적물의 양과 따라서 발생할 수 있는 토석류의 총 크기, 그리고 유수지가 하류 지역사회를 보호할 수 있는 능력을 가질지 여부를 예측하는 것은 여전히 어렵다. 이러한 어려움은 토석류를 산악 전면 지역사회에 특히 위험하게 만든다.^[19]

카호마 하천 홍수 통제 프로젝트의 토석 유수지, 라하이나 시 (오른쪽)를 산악 (왼쪽)의 유출수로부터 보호한다.

대중 문화에서

1989년 데이비드 고든은 그의 대규모 작품 데이비드 고든의 미국(David Gordon's United States)의 일부로, 그리고 나중에 1999년 거짓말쟁이의 자서전(Autobiography of a Liar)의 일부로, 해리 파치의 음악과 존 맥피의 자연의 통제(The Control of Nature)에서 발췌한 글을 노르마 파이어가 낭독하며 "토석류"라는 제목의 춤을 만들었다. 이는 "로스앤젤레스의 대규모 진흙 사태에서 한 가족의 시련을 다룬 가슴 아픈 녹음된 이야기..."이다.^[20]

같이 보기

• 붕적토
• 일호른, 그 아래에는 인기 있는 토석류 관광지인 일그라벤이 있다.
• 유변학