삼지연은 약 100만 년 전에는 북쪽으로 흐르는 강이었으나, 북포태산(北胞胎山)에서 뿜어 나온 화산분출물과 백두산에서 나온 부석이 곳곳에 쌓여 물길을 막아 생긴 자연호이다. 물이 흘러드는 하천도 없고 물이 다른 데로 빠져나가지도 않는 무방수호(無放水湖)이다. 호수는 눈과 빗물, 샘물에 의해서 채워진다. 백두화산대의 영향으로 밑에서 온천이 솟아나기 때문에 삼지연의 평균 수온은 23 °C로 높은 편이다.
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