천곡천연동굴이 발견된 것은 지난 1991년 6월이다. 천곡동 신시가지 기반조성과 인근 아파트 공사를 하던 중 우연하게 발견됐다. 도로와 아파트, 학교, 상가 등이 인접해 있는 도심 속에서 학술 및 관광개발 가치가 뛰어난 석회암 천연동굴이 발견된 것이다. 이후 발견된 장소의 지명을 따라 자연스럽게 ‘천곡동굴’이란 명칭이 붙었다.
천곡동굴의 전체 길이는 약 1.4㎞에 달한다. 동해시는 동굴 발견 직후부터 본격적인 개발에 착수해 탐방로 시설 등을 완비하고, 1996년 5월 10일부터 이중 810m를 일반인들에게 개방했다. 나머지 구간은 보존구간으로 지정돼 있다. 또 2005년 정부지원 기금을 이용, (사)한국동굴연구소에 의뢰해 ‘천곡천연동굴 확장개발에 따른 타당성 학술조사’를 실시하기도 했다.
천곡동굴은 전체적으로 볼때 단일층 구조의 수평동굴에 속한다. 상부 지표에 분포하고 있는 돌리네의 발달 방향과 같은 북동~남서 방향으로 주굴이 발달해 있다. 동굴내부는 수로와 광장으로 이루어져 있고, 대부분의 광장에는 낙반들이 채워져 있는 상태다. 동해시는 관광객들의 흥미를 자극하기 위해 동굴 내부에 산재해 있는 각종 동굴생설물과 가지굴 등에 샹들리에 종유석, 피아노상, 마리아상, 종유폭포, 종유석실, 남아의 기상, 청수협곡, 신비한 관상종유석, 지장보살탑, 저승굴, 이승굴 등의 독특한 이름을 붙였다.
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