Current Issue

최근 지질시대에 발생한 지표파열 지진(surface rupture earthquake)의 활동특성(시기, 위치, 규모, 재래주기, 변위량 등)에 대한 고지진학적 연구는 지진재해도 평가 및 사회기반시설의 내진설계를 위한 기초자료로 중요하게 활용되고 있다(Yeats et al., 1997). 고지진학적 단층활동성 평가를 위해서는 지질구조와 층서학적 절단관계, 지형학적 해석 및 신뢰도 높은 연대측정결과가 종합적으로 해석되어야 한다(McCalpin, 2009). 제4기 퇴적층의 시·공간적 분포가 제한적인 국내의 지질환경에서 단층의 활동성은 단층암에 대한 연대측정(Lee and Schwarcz, 2001; Yang and Lee, 2014)과 제4기층에 대한 연대측정 및 층서 대비(Ree et al., 2003; Choi, J.-H. et al., 2009; Choi, S.-J. et al., 2010, 2014) 등으로 직·간접적으로 평가되고 있으나, 지표파열 지진의 연장성 및 변위량 등과 같은 단층활동성 평가요소의 불확실성은 여전히 크다. 이러한 단층 입력변수의 불확실성은 지진재해도 평가의 신뢰도에도 영향을 미칠 수밖에 없다. 따라서 제4기 단층의 활동성을 보다 정량적으로 평가할 수 있는 단층활동성 평가 기술의 개발 및 도입이 시급하다.

양산단층대는 한반도 남동부에서 북북동-남남서 방향의 뚜렷한 선형구조로 인지되며(Chang et al., 2003), 단층대의 기하학적 발달 양상에 따라 크게 북부, 중부, 남부의 3개의 기하학적 단층분절로 구분된다(그림 1; Choi et al., 2017). 양산단층대는 후기 백악기 이래 다양한 지구조 응력체계 하에서의 누적 변형작용의 산물로(Cheon et al., 2019), 단층파쇄대는 다양한 폭과 규모로 발달한다(Choi et al., 2009; Woo et al., 2015; Kim, C.-M., 2016). 양산단층 남부에서 미소계기 지진의 관측 이래(Lee and Na, 1983), 고지진학적 연구(Okada et al., 1994; Kyung et al., 1999; Lee et al., 1999; Kyung, 2003, 2010; Kim and Jin, 2006; Kyung and Chang, 2011; Lee et al., 2015)를 통해 양산단층대에서는 제4기 단층 지점이 다수 보고되었다. 또한, 2016 경주 지진(M_L 5.8) 이후, 양산단층대 일대에서 수행된 구조지질학적(Kim et al., 2017), 지진학적(Kim, K.-H. et al., 2016; Kim, Y. et al., 2016), 고지진학적(Gwon et al., 2018; Choi et al., 2019) 연구 성과가 보고되고 있다. 이 지역에서 제4기 단층은 현생 지구조 응력체계 하에서 기반암 단층의 일부가 재활한 것으로, 주로 기반암이 제4기층을 올라타고 있는 역이동성 우수향 주향이동단층이다. 양산단층대에서는 단층암의 암석·광물학적 생성 및 발달특성(Chang and Cho, 1999; Kim, C.-M. et al., 2016) 및 역학적 거동특성(Woo et al., 2015, 2016), 단층손상대의 지질구조적 발달특성(Choi et al, 2009; Cheon et al., 2019) 및 단열구조의 기하분석을 통한 단층의 거동특성(Chang and Chang, 2009)에 대한 다양한 연구가 진행되었으나, 제4기 단층 주미끌림면의 발달특성에 대한 연구는 미진한 실정이다.

Fig. 1. 
Location of Quaternary faults around SE Korea and the Wolsan trench site. Fault segmentation of the Yangsan fault zone proposed by Choi et al. (2017).

X-선 전산화 단층촬영(X-ray computed tomography, CT)은 피사체 내부 물질의 밀도차를 이용하여 피사체의 단면을 재구성하는 영상 처리 장비로, CT 장비의 발달과 더불어 다양한 지구과학 연구분야에 도입되고 있다(Cnudde and Boone, 2013). 최근 CT는 단층암에 대한 미세구조 분석에도 활용되었다(Hirono et al., 2003a, 2003b, 2008; Kim, K.Y. et al., 2016; Lin and Nishiwaki, 2019). Hirono et al. (2003a, 2003b)은 기반암 단층대 내 유체의 거동특성 해석에, Kim, K.Y. et al. (2016)은 단층암의 파쇄물질 형태와 암석역학적 강도와의 상관관계 해석에 CT를 활용하였다. 시추코어에 대한 CT 영상분석을 통해, Hirono et al. (2008)은 대만 Chi-Chi 지진(1999년, M_w 7.6)에 대하여, Lin and Nishiwaki (2019)는 일본 Hyogo-ken Nanbu(1995년, M_w 6.9)과 관련된 유발 단층의 주미끌림면을 특성화하였다. 따라서 CT를 활용한 고지진학적 단층의 미세구조적 특성 해석은 제4기 단층 주미끌림면의 특성화에 유의미한 시도가 될 수 있다.

본 연구에서는 양산단층 중부지역 제4기 단층의 발달특성을 규명하기 위하여, CT를 활용하여 굴착 단면상에서 채취된 단층암 시료에 대한 미세구조 분석을 실시하였다. 단층암 시료에 대해 촬영한 CT 영상과 슬랩의 비교 분석 그리고 현미경 관찰을 통해 단층암 시료 내에서 단층활동에 수반된 미세구조적 발달특성 등을 해석하였다. 또한, 고지진학적 단층 조사에서 CT를 활용한 단층암 미세구조 분석기법의 활용가치를 검토하였다. 이에 앞서 양산단층 중부 경주시 월산리 지점의 굴착 단면 내에서 제4기 단층과 퇴적층의 발달특성을 살펴보았다.

경주시 월산리 제4기 단층 지점은 경주 이남 양산단층의 중부지역에 속하며, 뚜렷하게 발달하는 선형구조 상에서 위치하여 신기 지구조적 단층활동성 평가를 위해 굴착조사를 실시하였다(그림 1; Gwon et al., 2018). 굴착지점은 경부고속도로 동쪽의 구릉지 북쪽 사면에 노출된 안산암과 화강암의 단층경계 노두로부터 약 100 m 북쪽에 위치하며, 북북동 방향의 선형구조를 가로지르는 2개 지점에서 굴착하였다(그림 2). WS-1 지점에서 제4기 퇴적층을 절단하는 단층을 확인한 다음, 단층활동에 수반된 변위량 평가를 위해 WS-1 지점보다 약 10 m 북쪽의 WS-2 지점에서 굴착조사를 수행하였다.

Fig. 2. 
Annotated aerial photograph (a) and overview (b) of the Wolsan trench site.

월산리 지점의 굴착 단면에 노출된 단층은 동편의 안산암과 서편의 화강암 및 이를 부정합적으로 피복하는 제4기 퇴적층의 경계로, 단층의 주향과 경사는 N20°E와 80°SE이다(그림 3). 제4기층은 하상기원의 퇴적층으로, 주로 잔자갈을 포함하는 황갈색의 사질 내지 실트질층으로 구성되며 일부 청회색 실트층과 유기질 부식토를 포함한다(그림 3a, 3b). 퇴적층은 퇴적상과 압밀정도의 차이 등을 기준으로 상부에서 하부로 가면서 8개의 단위층(WA와 WB 그리고 WC1 ∼ WC6)으로 구분된다. WA는 경작지층이고, WB는 되메움층이다. WC1은 굴착 단면 내 최상부의 제4기 퇴적층으로, 청회색의 실트질 내지 사질층으로 구성되어 있고 WC2의 상부에 얼음 쐐기(ice wedge) 구조를 형성하고 있다. WC2는 황갈색의 기질지지 역질 사질층으로, 역은 주로 아각형 내지 아원형의 안산암질 잔자갈로 구성되어 있으며 상향 세립화하고, WC3과 교호한다. WC3은 역질 실트층으로, 하부에는 부식질 토양층이 협재한다. WC4 ~ WC6은 각각 기질지지 자갈, 역지지 자갈 그리고 실트질 사질 퇴적물로 구성된 교호층으로, 화강암을 부정합적으로 피복한다. WS-1 굴착 단면에서 단층은 WC2를 절단하고 있으나, WS-2 굴착 단면에서는 WC2로 덮여 있으므로, 월산리 제4기 단층 지점에서 단층의 마지막 운동 시기는 WC2의 퇴적 중으로 해석된다.

Fig. 3. 
Fig. 3. Log of the southern walls of the trench WS-1 (a) and WS-2 (b) modified from Gwon et al. (2018). Photographs of fault zone within the trench WS-1 (S. wall) (c) and the floor of trench WS-2 (d). (e) Close-up view of the fault-related rocks and sampling location (dashed red square) within trench WS-2. DS: discontinuity surface.

WS-1 굴착 단면에서 단층비지대는 괴상의 암회색 단층비지대(약 40 cm 폭)와 이를 절단하는 회백색 단층비지대(약 10 cm 폭)로 구성된다(그림 3a, 3c). 암회색 단층비지는 주로 기반암 내 단층대에 한정되어 분포하고, 일부 단층비지 물질은 제4기 퇴적층(WC4) 내부에 재퇴적된 양상을 보인다. 반면, 회백색 단층비지대는 암회색 단층비지대를 절단하고 제4기 퇴적층을 교란시키고 있다. 또한, 단층대 내에서 암회색 단층비지대와 석영질 파쇄암편의 분포 그리고 기반암과 일부 퇴적층의 산화 특성의 분포는 회백색 단층비지대로 구획되어 있다. 회백색과 암회색 단층비지대의 서쪽 경계부에는 퇴적물(WC2), 단층비지 물질 그리고 석영질 암편의 혼합대가 분포하고, 이는 회백색 단층비지대와 관련된 단층의 전단작용으로 형성된 것으로 해석된다. 이러한 WS-1 굴착 단면 내 단층대의 산상으로 미루어 보아, 암회색 단층비지의 형성은 기반암 내 단층활동과 관련된 것으로 해석되고 암회색과 회백색 단층비지의 형성과 관련된 단층의 활동 시기 사이에는 어느 정도의 지질학적 시간 차이가 존재할 것으로 추론된다.

WS-2 굴착 단면에서 단층비지대는 약 10-15 cm 폭으로 발달하며, 그 구성물질의 발달특성에 따라 육안상 3개의 불연속면으로 구분된다(그림 3d, 3e). 불연속면 A와 B는 각각 제4기 퇴적층(WC4)과 단층비지대의 경계부 그리고 암회색 단층비지대 내부에서 발달하는 회백색의 단층비지대이다. 불연속면 C는 안산암과 암회색 단층비지대의 경계이다. 특히 불연속면 B는 약 1 cm 폭의 회백색 단층비지로 구성되고, 단층대 내에서 매우 직선적인 형태로 발달한다. 불연속면 A와 B 사이에서 회백색 단층비지는 상호 교차하며 망상구조(anastomosing structure)를 이루고 있다. 단층비지대 내에 발달한 전단띠(shear band)와 저각의 단층조선(10°-15°N), 그리고 굴착 단면에서 안산암이 퇴적층을 충상하는 양상은 역이동성 우수향 주향이동단층을 지시한다. WS-1 굴착단면에서와 유사하게 안산암과 암회색 단층비지의 경계부(불연속면 C) 주변에서 석영광맥은 파쇄작용을 받아 암회색 단층비지대 내부로 혼입된 양상이 관찰된다.

본 연구에서는 제4기 단층 주미끌림면의 발달특성을 규명하기 위하여, CT를 활용하여 양산단층 중부 월산리 지점에서 수집한 단층암에 대한 미세구조 분석을 실시하였다. CT는 피사체 내부 물질의 밀도의 차이를 이용하여 피사체 내부 단면의 모습을 영상으로 재구성하는 영상처리 기법으로, 음영 처리된 CT 영상에서 상대적으로 밀도가 낮은 물질은 어두운 음영 영역으로 나타난다(Hirono et al., 2003a). 이번 연구에서 단층의 주미끌림면을 구성하고 있는 회백색의 단층비지는 CT 영상에서 저밀도대로 나타나는 반면에, 산화물질이 침전된 암회색 단층비지대는 상대적으로 고밀도대로 나타났다. 단층암을 구성하는 물질의 밀도 분포는 단층암을 구성하는 입자의 분포와 구조지질학적, 암석광물학적 발달특성에 따라 달라질 수 있다(Hirono, 2003b; Kim, K.Y. et al., 2016). 이번 연구와 유사한 단층암의 CT 특성은 대만 Chi-Chi (1999년, M_W 7.6)의 유발 단층인 Chelungpu 단층대(Hirono et al., 2008)와 일본 Hyogo-ken Nanbu (1995년, M_W 6.9)의 유발 단층인 Nojima 단층대(Lin and Nishiwaki, 2019)에서 보고되었다. Hirono et al. (2008)는 단층암의 밀도 분포는 지진활동에 수반된 단층의 역학적 거동 특성 및 광맥물질의 침전 여부와 관련된 것으로 해석하였다.

본 연구에서 CT는 단층암 내 다양한 미세한 변형구조의 발달특성 해석에 활용 가능함을 보였다. CT를 활용한 미세구조 분석의 장점 중 하나는 시료의 외형적인 훼손 없이 내부 구성물질의 특성을 해석할 수 있다는 것이다. 회백색 단층비지대와 제4기 퇴적층의 단층 경계부(단층면 A) 주변에서 관찰되는 단층비지 물질과 퇴적물 입자 배열의 반복 현상은 단층의 전단작용에 수반된 단층비지 물질과 퇴적물의 혼합에 의한 것으로 해석하였다(그림 5, 6a). 이러한 퇴적물과 단층비지의 혼합작용은 육안 관찰에 의존한 고지진학적 단층의 활동성 해석에 중요한 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 암회색 단층비지대 내부에 발달한 전단띠(부수 전단대 B)는 CT에서 단층면 A에 비해 다소 밝은 영역으로 나타났고, 단층의 전단작용에 수반되어 형성된 변형구조로 해석된다(그림 5, 6b). 단층암 내부의 불균질성은 시료의 CT 특성 차이를 결정하는 중요한 요인으로 작용한다. 그러나 시료의 건조 과정 중 발생 가능한 균열도 CT 영상에서는 저밀도대로 나타날 수 있으므로, CT 특성을 바탕으로 단층활동과 관련된 단열구조의 해석에 유의점으로 판단된다. 불연속면 C의 경우, 슬랩과 CT 영상에서 상대적으로 밝은 영역의 불규칙한 계단상의 경계로 나타났으며(그림 5). 박편 상에서 적갈색의 산화물질이 불연속면 C와 암회색 단층비지 내에 형성된 단열구조에 침전된 암회색 단층비지와 안산암 단층파쇄대의 점이적인 암질 경계로 해석되었다(그림 5d). 이러한 CT 특성 해석 결과는 굴착 단면에서 기반암 단층대 내에서 암회색 단층비지대와 석영질 파쇄암편의 분포, 적갈색 산화 물질의 분포 특성 그리고 제4기 퇴적층을 절단하는 회백색 단층비지대의 발달특성에 대한 해석 결과와 유사하다(그림 3). 특히, 퇴적물과 단층비지대의 혼합대의 발달 양상과 같이 단층작용에 수반된 미세한 지질구조적 발달 특성 해석이 가능하였다. 따라서 CT를 활용한 미세구조 분석 기법은 굴착 단면 내 발달하는 제4기 단층의 주미끌림면의 위치 결정 그리고 단층의 전단작용에 형성된 변형구조를 비롯한 단층대 내 다양한 미세구조의 발달특성 해석에 활용 가능할 것으로 판단된다.

CT를 활용한 단층암 미세구조 분석기법은 단층의 재활 특성 해석에도 그 활용 가능성이 제안되기도 하였다(Lin and Nishiwaki, 2019). Lin and Nishiwaki (2019)은 시추코어 정밀 분석을 통해 기반암 단층대 내에 발달하는 주미끌림면과 다양한 색상의 단층비지 그리고 광맥의 상호 절단관계를 비롯한 미세구조적 특성 차이를 단층의 재발 횟수와 연계하여 해석하면서, 최근 발생한 지표파열 지진에 대한 노두 조사 결과에서도 이와 유사한 단층파쇄대의 발달특성이 나타남을 그 근거로 삼았다. 그러나 본 연구에서 굴착 단면 내 단층대는 암회색과 회백색의 단층비지로 구성되어 있었으나, 암회색 단층비지는 기반암 내 단층활동으로 회백색 단층비지는 제4기 단층 활동과 관련된 것으로 해석되었다(그림 3a; Gwon et al., 2018). 단층대는 기반암 내 누적된 단층활동의 산물로, 그 구성 입자의 크기, 입자와 기질의 함량비에 따라 분대할 수 있고(Chester and Logan, 1987; Kim, C.-M. et al., 2016), 파쇄물질의 색상과 구성하는 광물의 조성은 모암의 특성 차이(Chester and Chester, 1998)를 반영할 수 있다. 따라서, CT를 활용하여 제4기 단층과 관련된 다양한 미세구조적 발달특성을 해석하고자 할 때에는 기반암 단층파쇄대와 제4기 퇴적층을 절단하는 단층의 발달특성에 대한 정밀한 야외 조사결과가 뒷받침되어 할 것으로 판단된다. 뿐만 아니라, 단층암을 구성하는 파쇄물질의 특성은 단층재활 시 지진성 미끌림(seismic slip) 혹은 비지진성 미끌림(aseismic slip)의 단층 거동특성(Woo et al., 2015, 2016) 및 물리적 강도특성(Kim, K.Y. et al., 2016)과 밀접한 관련이 있으므로, 제4기 단층의 발달 특성을 규명하기 위해서는 단층암에 대한 구조지질학적, 암석학적, 광물학적, 역학적 특성 해석이 종합적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.

본 연구에서 CT를 활용한 단층암 미세구조 분석 기법은 단층의 주미끌림면의 발달특성 등 제4기 단층활동에 수반된 다양한 미세구조적 변형구조의 해석에 활용될 수 있음을 보였으나, 보다 정밀한 제4기 단층 주미끌림면의 특성화를 위해서는 단층암의 광물학적, 역학적 거동 특성 등에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

본 연구 결과, CT를 활용한 단층암의 미세구조 분석 기법은 제4기 단층 주미끌림면의 발달특성 해석에 중요하게 활용할 수 있는 정밀 단층조사 분석기법으로 판단된다. CT 영상에서 단층의 주미끌림면은 선형적인 저밀도대로, 산화물질이 침전된 단층비지대는 고밀도대로 나타났다. CT는 단층비지와 퇴적물의 혼입 양상 등 제4기 단층활동에 수반된 전단 변형 구조를 비롯한 단층암 내 발달하는 다양한 미세구조의 특성 해석에 유용하였다. 또한, CT는 최근 활동한 단층의 주미끌림면의 위치 결정과 육안적 관찰에 의존한 고지진학적 굴착 단면 해석의 신뢰도 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 보다 정밀한 제4기 단층 주미끌림면의 특성화를 위해서는 단층암의 광물학적 특성 및 역학적 거동특성 등에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.