1. 석회동굴
1) 구조
석회동굴의 형태는 그 지역의 지질구조, 지하수 또는 동굴류의 속도 및 유량과 밀접한 관계를 갖는다.
석회동굴의 형태를 지배하는 지질구조는 층리, 단층, 절리, 습곡 등이다.
그리고 석회동굴 내부에 발달하는 동굴생성물의 분포도 이들 지질구조와 밀접한 관계를 갖는다.
석회동굴의 생성을 지배하는 지질구조 중에서도 단층이나 절리와 같은 균열구조는 석회동굴의 발달방향이나 공간적인 형태에 주도적인 영향을 미친다.
절리 내에 지하수가 포화된 초기단계에는 주요 절리를 따라 복잡한 그물 모양의 동굴망이 형성된다.
그리고, 동굴류가 흐르는 후기 단계에 이르면 동굴의 침식은 어느 정도 선택적으로 진행되기 시작하여 하나 또는 두 개의 주요 절리가 동굴의 발달방향을 이끌게 된다.
초기에 형성된 동굴망의 일부가 주굴 주변에 남아 있는 것을 대부분의 동굴에서 볼 수 있다.
석회동굴의 형태는 동굴류의 수원과도 밀접한 관계가 있다.
동굴류가 외부 지표의 하천으로부터 물을 공급 받는 경우에는 단일 통로의 석회동굴이 발달하는 것이 보통이다.
그러나 지표에서 침투하는 빗물이 통굴류를 발달시키는 경우에는 지굴이 많이 발달한다.
돌리네로 스며드는 빗물은 최상류의 지굴을 만들며, 이러한 지굴들은 하류로 내려감에 따라 서로 결합하여 넓은 통로를 만든다.
석회동굴의 통로는 물리 계속 흐르기만 하며, 천장이 무너지지 않는한 확장될 수 있다.
그러나, 그 이전에 대부분의 경우에는 침식기준면의 하강으로 동굴류는 이동하고 동굴은 성장을 멈춘다.
침식기준면이 서서히 낮아지면 통로 밑으로 좁고 깊은 협곡이 생긴다. 이에 반하여 침식기준면이 갑자기 낮아지면 동굴류가 기존의 동굴 밑으로 유로를 바꾸면서 새로운 통로를 만들게 된다
. 성장이 끝난 건조한 동굴은 지표면으로 부터 개석이 진전되어 파괴될때까지 오랜 동안 원형을 유지한다.
2) 성인 및 형성과정
석회동굴의 성인론에는 Davis의 '2단계 윤회이론(two-cycle theory)' 과 Malott의 '유로 복류 이론(invasion theory)'의 두 가지 유형으로 대표된다.
2단계 윤회설에서 강조되는 형성과정은 포화수대 주위의 용식작용이며 지표 하천의 복류와 동굴류의 침식작용에 보다 높은 비중을 두고 있다.
이 두 이론의 차이는 동굴지 형계를 지배하고 있는 형성과정의 상대적 우위를 설정하는데 있으며, 동굴 생성의 기본적인 영력이 지하수의 작용이라는 점에서는 차이가 없다.
지금까지 알려진 석회동굴의 성인 이론들에 의하면 다음과 같은 3단계의 형성과정을 거쳐 복합적인 동굴 지형계로 진화하는 것으로 판단된다.
1 단계 : 피압 지하수면을 형성하고 있는 암반내의 지하수 포화대를 중심으로 용식이 진행되며 동방이나 통로 같은 기본적인 공동지형은 용식공동을 충전하고 있는 유출로 인해 생성된다.
2 단계 : 생성된 공동지형은 공동내에 새롭게 형성된 자유면 지하수의 완만한 용식작용과 동벽의 붕락작용으로 확대가 계속되면서 인접한 공동들이 서로 연결되어 복잡한 동굴지형계를 형성한다.
3 단계 : 지표의 침식과 용해작용으로 동구가 개석되고 동굴류가 유출되므로 동굴은 침식지형과 침전지형을 발달시켜 복합적인 석회동굴 지형계로 전환된다.
2. 용암동굴
1) 유형
용암(화산)동굴의 기본적인 형태(동혈의 모양)는 U자 모양의 그릇을 엎어 놓으것과 같은 모양을 한다.
동혈의 모양은 형성 당시 지형적인 조건, 분출한 용암의 양,용암의 물리, 화학적인 성질, 그리고 성장과정과 밀접한 관계를 갖는다. 형성당시 지형(지표)적 조건이 경사가 수평적이면 동혈의 천정도 수평에 가깝다.
그리고 경사된 곳에서는 삿갓형모양 지형조건이 완만한 경사이면 원통형(상)동혈의 형성되기도 한다.
이와 같은 것은 단지 원칙적인 것 뿐이고 그렇지않을 경우도 많다.
제주화산도의 화산(용암)동굴에서 흔히 관찰되는 동혈의 유형들은 삿갓형, 원통형, 찐빵형, 불규칙형으로 분류 할 수가 있었다.
① 삿 갓 형
이 형은 통상의 경사가 급하고 동혈의 크기가 작아 유동속도가 빠른 용암류에서 형성된다.
이 형의 모 양은 동상의 평평하고 천정의 삿갓모양을(△)이루고 있어 동벽의 발달이 빈약하며 대형의 용암붕(선 반)이 관찰은 되지 않는다.
② 원 통 형
모양은 원통상으로서 동상에는 2차용암의 흔적이 남아 있는 경우도 있으며 경사가 완만하면서도 급한 편에 속한 곳에서 잘 형성되며 곳에 따라서는 타원형으로 점이 하기도 한다.
③ 찐 빵 형
동혈의 모양 중 가장 보편적이고 단순한 형태이며 이 형은 동상의 평탄하고 동벽과 천장이 찐빵 처럼 둥근 모양을 한 것이다.
④ 불규칙형
동굴의 분기또는 합류하는 곳 주굴이 지굴과 교차하는 곳. 용암이 유출할 때 침식 표면의 복잡한 요철 이 있는 곳에서 형성된 것을 자주 관찰이 된다.
2) 구조
화산(용암)동굴은 석회동굴에 비해 그 구조는 단순한 수평굴이기는 하지만 선흘리에 분포하는 뱅디굴이나 그 외 몇몇 동굴들은 망상형을 이루는 경우도 있다.
석회암동굴인 경우에는 2차적인 과정에서 형성되지만 용암동굴은 용암이 분출·고결할 때 형성된 일차적인 동굴이다.
용암동굴은 화구에서 용암이 분출할 때의 온도는 900℃~1,200℃로 추정하고 있다.
동질이 현무암질용암이라고 할지라도 곳에 따라 온도를 달리 할 수 있으며 온도가 낮아지면 점성이 커져 유동성이 약화된다.
따라서 동질의 용암이라도 동굴이 형성될 때 온도에 따라서 형태와 규모가 달리 할 수 있다.
또한 용암류의 유로와 유출할때의 지형은 용암동굴의 수평, 수직적인 형태를 규정하는데 결정적인 역할을 한다.
따라서 동굴의 수평 및 수평·수직적인분포를 해석함으로써 용암이 분출할때의 지표면의 모양을 추정 할 수 있다.
3) 형성과정
용암동굴은 1회 혹은 여러번의 용암유출에 의해 형성이 된다.
여러번 용암단위에 의하여 형성될수록 동굴형태는 다양하고 복잡하게 된다.
흔히 동굴학자들에 의해 주장되는 형성과정은 초기단계, 형성단계, 다층 화단계, 2차용암 유입단계, 붕괴단계 5단계로 구분을 하며 제주도의 용암동굴인 경우는 초기단계에서 직접 붕괴단계로 집입되는 동굴도 많이 분포한다.
① 초기단계
용암동굴 형성의 초기단계는 유동하는 용암류 내부에 압력이 감소함에 따라 용암에서 유리된 가스가 집합체를 이루어 작은 공동을 형성하는 것이다.
공동이 형성되는 곳은 깊은 곡(삼)을 이루는 상부이다.
현무암질 용암에는 많은 휘발성분이 용해되어 있어 이러한 공동의 형성을 용이하게 한다.
휘발성분이 풍부한 용암에서는 휘발성분 자체의 점성이 낮을 뿐만 아니라 그에 의한 화확반응이 촉진되어 온도를 높여 점성을 낮게 하기도 한다.
이러한 초기의 용암류의 유로에 따라 여러 곳에 형성되는 것으로 믿어진다.
이 단계에서는 공동은 그 속을 충진하고 있었던 가스의 내부압력에 의하여 풍선이 부풀어 오르듯이 중대한다.
즉 이 단계는 선상의 상태로 있으므로 공동만의 발견은 곤란한 것으로 믿어진다
그리고 흔히 동굴로 연결된 상태로 나타나므로 원래의 구상 또는 방상의 가스 공동의 모양은 그 형태를 잃게 된다
② 형성단계
다음 단계는 동굴의 형성단계이다.
여러개의 공동이 연결되어 유로에 따라 긴 터널이 형성되었음을 뜻한다.
이 단계에서 용암류는 표면에서 부터 고화되어 피각이 형성되고 용암의 공급량이 감소하였거나 공급이 중단된 시기이다.
이 단계까지 동굴 형성의 기본 단계라고 할 수 있다.
즉 1회의 용암류에 의하여 형성된 단순한 동굴의 기본형으로서 원통형또는 찐빵형이 이에 속한다.
③ 다층화단계
하나의 용암 단위(lava unit)내에서 이루어지는 것과 수회의 용암류에 의해 형성되는 것으로 구분된다.
하나의 용암류내에서 형성되는 것은 하나의 용암단위층의 두께가 클 때 형성된다.
이미 형성된 동굴 내에 계속 용암이 유출하는 도중 용암으로 공급이 중단되거나 공급량이 감소되면 고정된 상면에서는 고결이 일어나 피각을 형성하게 되는데,피각의 하부에서는 액상의 용암이 계속 유출하여 새로운 터널을 만든다.
피각을 사이에 두고 상·하(上·下)2층굴이 형성된다.
고정된 상면에서 일어나는 고화의 횟수에 따라 다층굴의 정도를 달리한다.
곳에 따라 피각이 붕괴되어 그 잔존물이 용암교로 남기도 한다.
그리고 양 동벽에는 피각의 흔적이 용암붕(용암선반)으로 남아 있기도 한다.
④ 2차 용암 유입단계
2차 용암의 유입단계에서는 2차 또는 3차 용암 유입에 의해서 동혈이 크기가 작아지거나 소멸되는 단계.
2차 용암은 새로운 동굴을 형성하면서 하각의 일어나 동혈의 크기를 증대시키기도 하나 유입된 2차 용암이 냉각 고결되면 동혈을 메워 그의 크기를 축소시키거나 소멸시킨다.
2차 용암에 기인되어 용암주 용암구 동굴속의 미니동굴(Tube in Tube) 용암교등 특이한 미지형, 지물을 형성하기도 한다.
⑤ 붕괴단계
제주도 화산체 북사면과 동·서사면의 중산간지대와 해안저지대에는 침식과 관계없이 수많은 작은 기복이 발달하는데 이들의 대부분은 용암동굴의 함몰에 기인된 것이다.
용암터널을 형성하는 현무암에는 흔히 주상절리수평적균열이 발달하고 그의 피각이 ?아 동굴 내에서의 낙반을 촉진시킨다.
이 단계는 동굴 일생의 최종 단계를 말한다.
동굴 내부에서는 용암선반이 파괴되고 중단의 천정부가 파괴되어 상·하층굴이 서로 연결되거나 그 잔존물로서 용암교가 남기도 한다.
석회동굴의 윤회 과정에서는 지하수 또는 또다른 환경 요인의 변화에 의해 회춘을 이루기도 하나 용암동굴에서는 회춘이 일어나지 않고 붕괴에로의 일방적인 과정을 밟는다.
동굴이 함몰된 지표면 상에는 함몰구가 형성된다.
제주화산도에서는 용암대지가 형성된 곳에서는 일부분, 또는 전지역에서 동굴이 함몰된 함몰구가 형성되기도 하며 이들은 숨골 역할을 하기도 한다.