The Geological Society of Korea
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Current Issue

Journal of the Geological Society of Korea - Vol. 56 , No. 5 (Oct 2020)

[ Review ]
Journal of the Geological Society of Korea - Vol. 56, No. 5, pp.619-640
Abbreviation: J. Geol. Soc. Korea
ISSN: 0435-4036 (Print) 2288-7377 (Online)
Print publication date 31 Oct 2020
Received 13 Jul 2020 Revised 12 Aug 2020 Accepted 17 Aug 2020
DOI: https://doi.org/10.14770/jgsk.2020.56.5.619

양산단층 주단층핵 분포와 내부변형의 이해: 연구동향과 과제
천영범1 ; 최진혁1 ; 최이레1 ; 배한경1 ; 한기환2 ; 손문3 ; 최성자1 ; 류충렬1,
1한국지질자원연구원 국토지질연구본부
2(주)서정엔지니어링
3부산대학교 지질환경과학과

Understanding the distribution and internal structure of the main core of the Yangsan Fault Zone: Current trends and future work
Youngbeom Cheon1 ; Jin-Hyuck Choi1 ; Yire Choi1 ; Hankyung Bae1 ; Ki-Hwan Han2 ; Moon Son3 ; Sung-Ja Choi1 ; Chung-Ryul Ryoo1,
1Geology Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 34132, Republic of Korea
2Sujung Engineering Co., Ltd., Anyang 14056, Republic of Korea
3Department of Geological Sciences, Pusan National University, Busan 46241, Republic of Korea
Correspondence to : +82-42-868-3347, E-mail: ryoocr@kigam.re.kr

Funding Information ▼

초록

양산단층은 남쪽에서부터 부산, 양산, 경주, 포항, 영덕을 가로질러 발달하는 북북동-남남서 방향의 대규모 지질구조로서 변화하는 지구조 환경의 영향으로 적어도 백악기말부터 운동하여 다중변형을 경험한 비교적 높은 성숙도를 보이는 단층이다. 또한 현재 지구조 환경이 지속되었던 제4기 동안에도 지표변형을 동반한 지진을 발생시켰다. 지난 수십여 년 동안 양산단층의 과거 운동이력을 포함한 지구조적 의미와 향후 지진 발생 가능성에 대한 학술적, 사회경제적 관심이 증가함에 따라 다양한 방법론을 통한 연구가 지속되어 왔다. 그 중에서도 단층대의 기하학적 특징, 내부변형 양상 및 구성 물질에 대한 정보는 단층의 역학적, 지진학적, 수리지질학적 특성을 밝히기 위해 기본적으로 요구되는 영역이다. 이 논평에서는 기존 보고된 단층핵 지점과 최근 추가적으로 확인된 단층핵 지점의 정보를 종합하고, 새롭게 확인된 네 지점의 상세 제반 사항을 표준 양식을 통해 제시한다. 이를 바탕으로 현재의 시점에서 제안 가능한 수준의 (1) 양산단층핵 분포와 자세, (2) 내부변형 양상, (3) 운동감각, (4) 제4기 운동특성을 정리한다. 양산단층대를 따라 현재까지 수행된 주요 연구 결과와 지속적으로 추가될 정보를 체계적으로 관리하는 시스템을 갖추고, 이를 바탕으로 판내부 환경에 적합한 단층의 구조적 분절 설정 및 고지진학적 해석 기술 향상 등 학술적인 노력이 더해진다면, 양산단층의 구간(분절)별 또는 단층대를 구성하는 단층핵과 단층손상대에서의 거동양상에 대한 이해도를 향상시킬 수 있을 것이다.

Abstract

The NNE-SSW-striking Yangsan Fault, which can be traced through Busan, Yangsan, Gyeongju, Pohang, and Yeongdeok, is a mature fault with a multi-stage deformation history that has been active since at least the Late Cretaceous. The fault is also associated with Quaternary deformation features at the surface. In the last several decades, academic and socio-economic interest in the fault has motivated various studies focused on its movement history, wider tectonic implications, and the possibility of future earthquakes. A better understanding of the mechanical, seismological, and hydrological behavior of the fault requires a comprehensive description of the fault zone internal structure, fault rock materials, and geometric characteristics. Thus, we synthesize previously reported and newly acquired data regarding the fault core, and then use a standardized template to present detailed descriptions of the fault core where it is exposed at four recently identified localities. Based on the available data, we arrive at conclusions regarding the (1) distribution and orientation, (2) internal structure, (3) kinematics, and (4) Quaternary characteristics of the Yangsan Fault core. Understanding of behavioral patterns along each fault segment and/or within the fault core-damage zone could be improved by developing a fault data management system, and by further research on structural segmentation and paleoseismology within intraplate regions.


Keywords: Yangsan Fault, fault core, internal structure, behavior pattern
키워드: 양산단층, 단층핵, 내부변형, 거동양상

1. 서 언

단층은 지각 내에 발달하는 평평하거나 약간 굽은(curved) 형태의 불연속면 또는 이러한 불연속면들의 집합체(zone)로서 이들 면구조를 따라 발생하는 미끌림(전단)에 의해 양쪽 암석이 서로 어긋나 변위(displacement)를 갖는 취성변형의 산물이다(e.g., Twiss and Moores, 2007; Fossen, 2010; Davis et al., 2011). 단층을 따라 발생하는 순간적인 전단운동은 다양한 규모의 지진을 동반하며, 오랜 지질시대 동안 누적된 단층운동의 결과는 지각의 침강과 융기에 의한 퇴적분지와 조산대 등의 대규모 지질구조를 형성시키기도 한다(e.g., Sylvester, 1988; Moores and Twiss, 1995; Cunningham and Mann, 2007; Allen and Allen, 2013).

불연속면의 집합체인 단층대 내에는 전단이 집중된 부분과 상대적으로 전단을 덜 받은 부분으로 구분할 수 있다. 일반적으로 전단이 집중되면서 물리적으로 분쇄되고 화학적 변화를 겪으며 암석 원래의 흔적(조성과 조직)을 쉽게 인지할 수 없는 부분을 단층핵이라고 하며, 전단이 집중되지는 않았으나 인접한 전단운동에 의한 이차적인 변형구조(단열, 광맥, 습곡 등)가 발달하는 부분을 단층손상대라고 한다(e.g., Chester et al., 1993; Caine et al., 1996; Billi et al., 2003; Wibberley et al., 2008). 단층핵을 구성하는 단층암의 분류와 용어에 대한 정의는 연구자에 따라 달리 사용되며 여전히 통일되지 않은 상태이다. 이번 논평에서는 Twiss and Moores (2007)에서 제시된 기준을 바탕으로 엽리조직이 주로 보이는 ‘단층비지(gouge; matrix < 30%)’ 및 ‘파쇄암(cataclasite; matrix > 30%)’과 특정 방향성이 대체로 보이지 않는 ‘단층각력(breccia; matrix < 30%)’으로 구분한다[See Table 3.1 in Twiss and Moores (2007)]. 이들 단층암은 개별적인 좁은 띠(band) 또는 대(zone)의 형태로 단층핵을 구성하기도 하지만 단층의 규모가 비교적 큰 경우 여러 매의 단층비지대, 파쇄암대, 단층각력대가 병치하고 이들에 의해 둘러싸인 렌즈(lens) 형태의 모암조각(sliver)을 포함하기도 한다(e.g., Faulkner et al., 2003, 2008, 2010). 또한 단층핵 내에는 수 mm 두께의 주변위대(principal displacement zone, PSZ)가 존재하기도 하는데, 이 영역은 지진성 전단변형이 가장 집중된 구간으로 알려져 있다(e.g., Sibson, 2003). 단층대의 내부구조는 운동감각, 변형 크기, 운동횟수뿐만 아니라 절단된 모암의 물리·화학적 특성, 형성 깊이, 유체의 흐름에 의해 좌우된다. 또한 단층대가 진화하는 동안의 기하학적 변화에 따라 각 단층별 또는 단층의 분절별로 다양하고 복잡한 형태를 보인다. 따라서 자연 노두에서 관찰되는 단층대는 하나의 단층핵과 양 옆으로 단층손상대가 위치하는 단순한 형태뿐만 아니라 여러 매의 단층핵과 단층손상대가 반복해서 나타나는 경우가 흔히 확인된다(e.g., Faulkner et al., 2010). 이러한 경우 여러 단층핵 가지(strand)들이 3차원의 망상형 기하(anastomose geometry)를 보이기도 한다(e.g., Faulkner, 2003, 2008, 2010; Lee and Kim, 2005).

단층대 내부의 물질과 기하학적 복잡성에 대한 정보는 단층의 역학적, 지진학적, 수리지질학적 특성을 밝히기 위해 기본적으로 요구되는 사항이다(e.g., Caine, 1996; Rawling et al., 2001; Wibberley et al., 2008; Faulkner et al., 2010). 단층에 의해 절단된 모암(또는 이로부터 기원된 단층물질)의 물리·화학적 및 광물학적 특징과 단층대의 복잡한 내부변형 특성은 주어진 응력 환경에서의 단층 거동양상(재활동 가능 여부, 지진성 거동 여부, 파열의 전파양상 등)에 중요한 영향을 미치기 때문에 주요 연구의 대상이 되어 왔다(e.g., Sibson, 1983; Faulkner, 2003, 2010; Han et al., 2007, 2010; Wibberley et al., 2008; Collettini et al., 2009; Ikari et al., 2009, 2011). 이와 함께 단층대의 특정 구간별로 유체의 이동통로가 되거나 유체의 흐름을 막는 장벽이 되며, 이는 특정 조건 하에서 광체의 형성 또는 탄화수소 이동 및 집적에 영향을 미칠 수 있어, 단층대 내부의 유체 흐름에 관한 연구도 지속적으로 수행되고 있다(e.g., Wibberley et al., 2008; Faulkner et al., 2010).

우리나라 남동부에 위치하는 양산단층은 한반도 내에 발달하는 대규모 단층들 중 하나로 지난 수십 년 동안 지질학적 및 지진학적 연구의 주요 대상이었다. 특히 2016 경주지진의 지진원단층이 양산단층대 내에 위치하는 북북동-남남서 방향 부차단층으로 알려져 있어(e.g., Kim, Y.-S. et al., 2017; Kim, K.-H. et al., 2018; Son et al., 2018), 양산단층의 오랜 지질시대 동안의 운동 이력과 앞으로의 운동 가능성에 대한 관심이 증가하고 있다. 양산단층에 대한 연구는 구조요소(단층자취, 변위, 분절화), 지질시대 동안의 변형사, 제4기 동안의 운동, 퇴적분지 형성 시 역할, 지구조적 의의 등 다양한 방면으로 수행되어 왔다(e.g., Lee and Kang, 1964; Chang et al., 1990; Kim, 1992; Yoon and Chough, 1995; Chang and Chang, 1998; Kyung et al., 1999a, 1999b; Lee, B.J. et al., 1999; Kyung and Chang, 2001; Chang, 2002; Kyung, 2003; Hwang et al., 2004, 2007a, 2007b, 2008; Choi, 2006; Ryoo et al., 2006, 2018; Choi et al., 2009, 2017; Kang and Ryoo, 2009; Han, 2012; Lee, J. et al., 2015; Cho et al., 2016; Kim, C.-M. et al., 2016, 2020; Kim, H.-J. et al. 2016; Cheon et al., 2017, 2019a; Ryoo and Cheon, 2019; Kim, N. et al., 2020; Song et al., 2020). 하지만 주변에 비해 저지를 이루는 양산단층곡을 따라 현생퇴적물이 수십 m 두께로 퇴적되어 있을 뿐만 아니라 도로, 농경지, 도심지 등이 위치하면서 단층대의 내부변형을 연속적이고 확실하게 보여주는 노두의 발견은 쉽지 않다. 그럼에도 불구하고 여러 연구자들의 노력으로 양산단층 주단층핵의 발견과 함께 이들의 내부변형에 대한 이해가 서서히 높아지고 있다.

양산단층 주단층핵의 분포와 내부변형에 대한 연구는 높은 성숙도를 가지는 기존 구조가 현재 응력 환경에서 선택적으로 재활동하는 현상을 규명하는 실마리가 될 수 있다. 따라서 이번 논평에서는 여러 연구자들이 확인·보고한 양산단층 주단층핵의 제반 사항을 종합하고, 최근 새롭게 확인된 주단층핵의 내부변형양상을 Cheon et al. (2019b)에 의해 제안된 단층노두 기재 양식을 통해 제시한다. 이를 기반으로 현재 시점에서 이해할 수 있는 양산단층핵의 분포와 자세, 내부변형 양상, 운동감각, 제4기 운동특성에 대해 서술하고, 단층·지진 관련 연구에 있어 향후 중점적으로 추진되어야 할 내용에 대해 토의한다. 이 논평에서는 노두 규모에서부터 지질도 규모에 이르기까지의 양산단층핵을 종합하여 다루며, Chwae et al. (2000)Choi et al. (2012)에서 종합된 양산단층 주단층핵 노두들과 함께 Ryoo et al. (2006, 2019), Choi et al. (2009), Kang and Ryoo (2009), Lee et al. (2015), Kim, C.-M. et al. (2016, 2020), Cheon et al. (2017, 2019a), Ryoo and Cheon (2019), Song et al. (2020)의 연구결과를 바탕으로 분석되었다. 최근 지속적으로 제시되고 있는 양산단층대 내부변형의 미구조 및 역학적인 특성에 관한 연구결과들(e.g., Woo et al., 2015, 2016; Woo and Han, 2019; Gwon et al., 2020)은 이번 논평에서는 다루지 않는다.


2. 양산단층 개요

양산단층은 1:5만 경주도폭(Tateiwa, 1929)과 1:5만 영해도폭(Hatae, 1937)을 통해 지질구조로서의 실체가 보고된 이후, 1:5만 양산도폭(Lee and Kang, 1964)에서 단층명이 부여되었다. 이 단층은 남쪽에서부터 부산, 양산, 경주, 포항, 영덕을 따라 북북동-남남서 방향으로 발달하는 대규모 단층으로서(그림 1), 육상에서만 약 200 km의 연장을 보이고 단층핵의 폭은 최대 백여 m 이상에 달한다(e.g., Choi et al., 2009; Cheon et al., 2019a; Ryoo and Cheon, 2019). 지체구조적 관점에서 양산단층은 백악기 경상분지의 동편을 가로지르며, 마이오세 퇴적분지는 주로 양산단층의 동측에만 위치한다(그림 1b; Hwang et al., 1996; Kim et al., 1998; Son et al., 2013, 2015; Cheon et al., 2020b).


Fig. 1. 
(a) A digital elevation model showing the main fault core localities and the inferred trace of the Yangsan Fault. Black and blue arrows indicate geometrically defined (Choi et al., 2017) and seismically defined (Lee and Jin, 1991) fault zone segmentation , respectively. (b) Regional geological map of the southeastern part of the Gyeongsang Basin (modified from Hwang et al., 1996, Kim et al., 1998; Son et al., 2013, 2015). ① Ulsan Fault, ② Yeonil Tectonic Line, ③ Yeongdeok Fault. (c) Attitudes of the main fault plane from 22 outcrops along the Yangsan Fault.

양산단층은 단층 양쪽의 백악기 퇴적암 및 화산암 분포 차이에 근거하여 우수향 감각의 단층으로 알려져 있다(e.g., Reedman and Um, 1975; Choi et al., 1980; Um et al., 1983). Chang et al. (1990)은 경상분지 영양소분지 일대의 상세 지질도 작성을 통해 양산단층을 기준으로 양쪽에 서로 대비되는 지층과 지질구조가 우수향으로 최대 35 km 이격되어 있음을 보고하였다. 경상분지 남동부 화강암류의 분포를 통해서도 양산단층의 우수향 수평변위가 제안되었는데, Hwang et al. (2004, 2007a)은 경주-양산 일대에 위치하는 백악기말-고신기(Paleogene) 화강암류의 분포와 주성분원소의 특성 대비를 통해 양산단층이 21.3 km의 우수향 수평변위가 있음을 보고하였다. 이후 Hwang et al. (2007b)은 경주시 배동과 동천동 일대의 고신기 A형 알칼리화강암과 포항시 북구 기계면 및 경주시 강동면 단구리에 위치하는 고신기 A형 알칼리화강암이 양산단층에 의해 우수향 수평변위를 보이며 절단되어 있음을 제안하였다. 한편, Cho et al. (2007)은 양산단층과 동래단층 사이에 위치하는 백악기말 화강암류의 대자율이방성 연구를 통해 암체 전반적으로 발달하는 북동-남서 방향의 자기미세구조가 마그마 정치 후 완전히 고화되기 전에 응력을 받아 형성된 일차 미세구조(primary magnetic foliation)로서 양산단층과 동래단층의 좌수향 운동과 관련이 있는 것으로 해석하였다. 또한 Cho et al. (2016)은 양산단층과 동래단층 사이에 형성된 다대포분지 내 북서-남동 방향으로 발달하는 인장성(extensional) 지질구조(정단층, 쇄설성 암맥 등)와 분지기반암 및 분지충전물의 40Ar-39Ar 연대를 통해 다대포분지 역시 백악기말 동안 양산단층과 동래단층의 좌수향 운동에 의해 형성된 당겨열림분지로 해석하였다. 이후 Cheon et al. (2019a)는 양산단층 주변의 지질구조와 암석의 절단관계 및 기존 방사성 연대(저어콘 SHRIMP U-Pb, LA-ICP-MS U-Pb 등) 결과에 근거하여, 양산단층이 백악기 이후 변화하는 지판운동의 영향에 의해 (1) 백악기말 동안 좌수향 운동, (2) 고신기 동안 광역적인 우수향 운동, (3) 중기 마이오세 이후 좌수향 운동, (4) 제4기 동안 우수향 횡압축성 운동을 하였음을 제안하고, 중기 마이오세 이후에는 일부 구간을 따라 부분적으로 재활동하였을 가능성을 언급하였다. 이와 함께 양산단층대를 따라 확인되는 소규모 단층의 운동감각을 이용한 구조지질학적 연구들(e.g., Chang and Chang, 1998; Chang, 2002) 역시 양산단층의 다중 변형을 제안하고 있다.

육상에서 인지되는 양산단층의 전 구간에 대한 분절화 연구가 몇몇 연구자들에 의해서 수행되었는데, 우선 Lee and Jin (1991)은 서기 2년부터 1989년까지의 126개 역사지진 및 14개의 계기지진 자료를 이용하여 양산단층을 지진학적으로 북부, 중부, 남부분절로 구분하였다. 이후 Chang (2002)는 포항시 신광면에서 양산시 사이의 약 80 km 구간에 대해 선형구조 방향, 단층곡 폭, 단층 선단부 발달형태, 주단층과 부차단층의 관계가 보이는 변화양상을 바탕으로 각각 약 20 km 길이를 갖는 5개 분절로 구분하였다. 최근 Choi et al. (2017)은 위성영상에서 인지되는 단층의 굴곡 및 계단식 분절과 가지단층의 분기점 등을 이용하여 양산단층이 3개의 기하학적 분절(북부, 중부, 남부)과 이들을 구성하는 9개의 세부분절로 구성되어 있음을 제안하였으며, 중부와 남부분절의 경계부가 앞선 Lee and Jin (1991)이 제안한 지진학적 분절에서의 경계와 다소 차이를 보인다.


3. 양산단층핵의 제반 특성

기존 연구결과와 최근 새롭게 획득된 조사결과들을 바탕으로 주단층핵 노두 지점별 위치, 자세, 규모, 주로 확인되는 운동감각, 제4기 운동 확인 여부를 표 1로 제시하였다. 또한 최근 지표지질조사를 통해 새롭게 또는 추가적으로 확인되어 양산단층핵의 내부변형양상을 대표적으로 보여줄 수 있는 지점들[북에서부터 고곡지점(Gogok site), 천전지점(Cheonjeon site), 태기지점(Taegi site), 연봉지지점(Yeonbongji site)]은 그림 2~5표 2~5로 나타내었다. 이렇게 제안된 노두 지점별 제반 사항을 바탕으로 요약된 양산단층핵의 분포와 자세, 규모, 내부변형, 운동감각, 제4기 운동 특성은 다음과 같다.

Table 1. 
Information on the main core outcrops of the Yangsan Fault.



Fig. 2. 
(a) Schematic illustration and (b) photograph showing the internal structure of the Yangsan Fault core at the Gogok site.


Fig. 3. 
(a) Schematic illustration and (b) photograph showing the internal structure of the Yangsan Fault core at the Cheonjeon site.


Fig. 4. 
(a) Schematic illustration (a) and (b, c) photographs showing the internal structure of the Yangsan Fault core and the eastern damage zone at the Taegi site.


Fig. 5. 
(a) Schematic illustration and (b) photograph showing the internal structure of the Yangsan Fault core at the Yeonbongji site.

Table 2. 
Information on the Yangsan Fault core at the Gogok site (modified after Cheon et al., 2019b).


Table 3. 
Information on the Yangsan Fault core at the Cheonjeon site.


Table 4. 
Information on the Yangsan Fault core at the Taegi site.


Table 5. 
Information on the Yangsan Fault core at the Yeonbongji site.


3.1 단층핵의 분포와 자세

단층핵 노두의 분포 및 연장과 이들에 의해서 구분지어지는 모암의 분포에 근거할 때, 양산단층대 내부의 주단층핵 자취는 지질도 규모에서 하나로 연장되다가 두 개 이상으로 분기되고 다시 하나로 병합되는 경향을 보인다. 분기된 주단층핵 가지 사이에 위치하는 렌즈 형태 모암 조각의 폭은 수 m에서 최대 1 km 이상에 달하기도 한다(e.g., 영덕지역; 그림 1a; Kang et al., 2018; Cheon et al., 2019a). 분기 및 병합하는 기하의 주단층핵 가지들로 이루어진 양산단층대는 일부 구간에서는 직선형으로, 일부 구간에서는 굴곡하는 형태를 보이며 대체로 북북동-남남서 방향으로 연장되지만, 남-북 방향으로 발달하기도 한다. 단층곡이 수백여 m 또는 그 이상의 폭을 보이는 단층구간은 대부분이 시가지화 되어 있거나 농경지로 이용되고 있어 지표에서 단층대의 특징 파악이 쉽지 않다. 하지만 지질도 규모의 단층핵 분포와 노두 규모의 단층대 내부 기하학적 특징으로 미루어 짐작할 때, 넓은 단층곡부의 형성이 망상의 단층핵 가지들과 그 사이를 채우는 렌즈상의 모암 조각들로 특징지어지는 약한 강성(low-rigidity)의 단층대가 오랜 지질시대 동안 차별적으로 침식된 결과일 가능성이 크다. 이번 논평에서 정의하는 주단층핵 가지는 광역적인 변위에 수반되어 그 이전에는 떨어져 위치하였던 동측과 서측의 서로 다른 기반암을 구획하는 경계단층과 지질도 규모의 모암 조각을 구획하는 경계단층이다.

야외 노두에서 확인된 양산단층핵의 전반적인 주향 역시 지질도 규모에서와 같이 북북동-남남서 내지 남-북이며 70° 이상의 각도로 동쪽 경사하는 경우가 우세하다(그림 1c; 표 1). 하지만 양산단층 중북부 지역의 보경사지점(Bogyeongsa site)에서 확인된 주단층핵은 서쪽으로 고각 경사하고 있어(그림 1b, 1c; 표 1), 전반적인 경사방향과는 차이를 보인다.

3.2 단층핵 내부변형

주단층핵의 폭은 확인된 지점에 따라 수십 cm에서부터 비교적 노출이 넓게 나타나는 지점에서는 백여 m의 폭까지 확인된다(표 1). 단층핵이 수십 m 단위로 발달하는 지점에서는 서로 다른 모암에서 기원된 단층암이 단층비지대, 파쇄암대, 단층각력대의 형태로 병치하는 양상을 보인다(그림 2~5). 기원이 되는 모암의 종류에 따라 다른 내부변형 특성을 가지는데, 예를 들면 퇴적암 기원의 단층암으로 구성된 단층핵의 폭이 비교적 넓다. 퇴적암 기원의 단층암으로 구성된 단층핵 인접부에서는 퇴적암이 경동 또는 습곡작용에 의해 단층의 자세와 거의 평행하게 배열되며, 층간전단(interlayer shearing)의 흔적이 쉽게 확인된다. 층간전단은 단층핵에 가까워질수록 강해지면서 엽리상의 단층비지 형태로 발달한다. 이러한 단층비지는 수 mm의 좁은 띠의 형태에서 수~수십 cm의 폭을 보이기도 하며, 규모가 비교적 큰 경우에는 수 cm에서부터 수 m의 다양한 폭을 보이는 각각의 단층비지대와 파쇄암대가 망상으로 발달한다. 단층비지대와 파쇄암대는 다양한 크기를 갖는 렌즈상의 기반암 조각을 에워싸며 발달하고, 각 기반암 조각들은 대부분 주단층면 또는 단층비지대-파쇄암대의 방향과 (아)평행하게 배열되어 있다. 수 m 폭의 기반암 조각과 단층비지대의 경계부에서는 수 mm 두께의 주변위대가 확인되기도 한다. 대체로 엽층(lamination)이 발달하는 세립질의 퇴적암들이 전단작용을 받은 경우 지층의 급격한 휘어짐 또는 습곡화와 함께 수 cm에서 넓게는 수십 m 두께에 이르는 단층비지대-파쇄암대를 형성하지만 괴상의 조립질 퇴적암의 경우에는 주로 단층각력대 또는 불연속적인 렌즈로 남겨지는 특징을 보인다. 화산암류에서 기원된 단층암은 일부 단층비지대 또는 파쇄암대의 형태로 남아있기도 하지만 퇴적암에서 기원된 부분에 비해 단층각력대의 분포가 우세하고, 렌즈상으로 남겨진 모암 조각의 크기도 크다. 한편 영덕 하저지점(Hajeo site)에서는 단층핵 서편과 동편 기반암이 각각 트라이아스기 화강암과 마이오세 유문암질 응회암임에도 불구하고 단층핵을 구성하는 단층암은 주로 백악기 퇴적암 기원의 단층비지대가 발달하는 양상도 확인되고, 이외 화강암류와 접하는 지점에서의 단층핵 내에서도 화강암 기원의 단층암을 육안으로 인지하기 쉽지 않다. 또한 영덕 매정지점(Maejeong site)에서 서편의 트라이아스기 화강암(영덕화강암)과 동편의 쥬라기 화강암을 경계하는 남-북 방향의 단층핵은 폭이 20 cm 내외에 불과하다(표 1). 이러한 경향은 화강암류를 절단하는 전단작용이 비교적 좁은 구간을 따라 집중되었을 가능성을 지시한다.

Cheon et al. (2017, 2019a)는 양산단층핵을 따라 이러한 변형 양상을 발생시키는 원인을 모암의 구성 광물, 입자크기 및 이방성으로 제안하였다. 오랜 지질시대 동안 양산단층을 따라 발생한 반복적인 전단운동이 퇴적암을 절단하는 부분에서는 하나의 단층비지대에서 모든 응력을 해소하지 않고, 고각으로 경동된 지층의 층간에서 새로운 미끌림이 발생하면서 수 cm에서 수 m 폭의 엽리상 단층비지대가 망상의 기하로 형성되어 주어진 응력을 해소한다는 것이다. 이와 함께 특히 세립질이고 엽층이 발달하는 퇴적암이 조립질이고 괴상인 퇴적암에 비해 물리적으로 쉽게 미립의 입자 크기로 분쇄될 가능성이 높을 것으로 해석하였다. 즉, 비교적 이방성이 우세한 퇴적암 및 응회암과 이에 비해 괴상인 화산암류 및 화강암류 간의 상대적인 강도(relative strength)는 서로 다른 특성을 보이는 단층대를 형성시킬 수 있다. 이러한 역학적 특성은 다른 대규모 단층대의 내부변형 연구에서도 수차례 제안된 바 있다. Faulkner et al. (2010)은 약 40 km의 변위를 가지는 2조의 대규모 주향이동단층에 대한 비교를 통해 50 cm 폭의 좁은 단층핵으로 대표되는 Punchbowl 단층대와 다중 단층핵으로 이루어진 1 km 폭의 Carboneras 단층대가 각각 절단하고 있는 모암(Punchbowl 단층이 절단하는 화강암 또는 낮은 공극률의 사암, Carboneras 단층이 절단하는 흑운모 편암)의 광물학적 특성(주로 석영과 장석으로 구성된 화강암 내지 사암, 층상규산염광물로 구성된 편암)과 역학적 강도에 의해 변형 특성을 달리하였음을 보고하였다. 또한 Lee and Kim (2005)는 한반도 중부를 북북동-남남서 방향으로 가로지는 금왕단층대의 내부 변형 양상 연구를 통해 단층이 결정질 암석을 지나는 부분에서는 전단변형이 좁은 단층핵을 따라 집중되는 반면, 이암을 지나는 부분에서는 상대적으로 분산됨을 보고하였다.

3.3 단층핵 운동감각

대부분의 단층핵 노두에서 확인되는 운동감각 지시자(단층조선, 북북서-남남동 내지 남-북 방향 S-엽리, 절단된 지층의 끌림기하, 단층핵 내부 물질의 시계방향 회전양상)들은 우수향 주향이동운동에 수반된 변형이 양산단층핵 내에 가장 우세하게 남겨져 있음을 지시한다. 단층핵 내에서 부수적으로 관찰되는 운동감각은 구간에 따라 다른 특징을 보이는데, 영덕 매정지점(Maejeong site)과 포항 보경사지점(Bogyeongsa site)의 단층핵 내에서는 좌수향 주향이동감각이, 영덕 고곡지점(Gogok site)과 울산 천전지점(Cheonjeon site)의 단층핵 내에서는 역이동성 감각이 우세하게 관찰된다(그림 2, 3). 특히 이들 역이동성 감각의 경우, 중각으로 동쪽 경사하는 소규모 단층 또는 전단단열들의 상반 서향하는 경향이 주로 확인되며(e.g., Cheon et al., 2019a; Ryoo and Cheon, 2019), 이는 양산단층대 내에서 제4기 지층을 절단하는 단층면의 기하 및 운동감각과 유사하다(Kyung, 2003; Choi et al., 2012; Cheon et al., 2020a). 단층손상대 내에도 우수향 주향이동에 수반된 변형이 가장 우세하게 나타나지만, 보경사지점의 단층손상대 내에서는 특징적으로 역이동성 감각의 소규모 단층과 전단단열이 잘 발달한다. 우수향 주향이동의 증거를 제외하고, 양산단층대의 일부 구간별로 차별적으로 남겨져 있는 다른 감각의 전단운동 증거들은 이들 운동이 양산단층대의 전 구간에 걸쳐 발생하지 않았거나, 또는 광역적인 양산단층의 우수향 운동에 의해 상당 부분 지워졌음을 짐작하게 한다.

양산단층이 백악기말부터 이후 동안 지판환경의 변화에 수반하여 수직이동성분이 포함된 좌수향 및 우수향 운동을 반복하였다 할지라도(e.g., Chang, 2002; Cho et al., 2016; Cheon et al., 2019a), 현재 확인되는 최종 수평변위는 고신기 동아시아 일대의 광역적인 지구조 사건 변화에 수반된 우수향 운동의 결과가 가장 우세하게 반영된 것으로 해석 가능하다(Cheon et al., 2019a). 다만 양산단층의 우수향 수평변위를 지시하는 각 암상 경계 및 지질구조 간의 다소 차이를 보이는 간격은 (1) 동일 지질시대의 우수향 운동 동안 분기단층이나 가지단층 발달에 수반된 총 변위 분산 또는 굴곡(bending)되는 부분에서의 변형집중(융기 또는 침강)에 의한 응력해소 등의 단층분절별 (또는 분절 경계별) 차별적 운동 결과일 뿐만 아니라 (2) 다중변형 동안의 단층분절별 선택적 재활동에 수반되어 서로 다른 양의 변위 중첩에 의한 결과일 수 있다. 또한 단층의 오랜 진화 과정동안 단층대를 따라 관입한 화강암류는 변위 지시자로의 불확실성도 가지고 있기 때문에 보다 신중한 접근이 필요하다.

3.4 단층핵 내부 제4기 운동 특성

양산단층대를 따라 확인되는 제4기 운동은 현재까지 약 30여 지점에서 확인되는데, 북에서부터 평해지점, 자부터지점, 덕곡지점, 보경사지점, 유계지점, 신광반곡지점, 냉수지점, 벽계지점, 월산지점, 신우지점, 인보지점, 신흥지점, 신화지점, 상천1, 2지점, 가천1, 2지점, 연봉지점, 조일지점, 월평지점 등으로, 제4기 지층을 절단하고 있는 양상 및 절단된 지층의 OSL/14C 연대 또는 단층비지의 ESR 연대를 통해 규명되었다(e.g., Chwae et al., 2000; Okada, 2001; Kyung, 2003; Ryoo et al., 2006; Yang, 2006; Choi et al., 2012, 2019; Kim, M.-C. et al., 2016; Lee et al., 2020). 특히 제4기 지층의 절단이 확인되는 지점 중에서 유계, 냉수, 벽계, 천전, 신흥, 상천2, 가천 등의 지점은 양산단층핵의 일부분이 재활동한 반면, 월산, 신우, 인보, 상천1 등의 지점(e.g., Kyung et al., 1999b; Choi et al., 2019; Lee et al., 2020)은 단층손상대 내의 부차단층들이 재활동하였다.

양산단층대의 일부 구간을 대상으로 지형분석 및 굴착조사를 통해 제4기 지층이 절단된 지점에서의 구조분석 및 제4기 지층 연대분석을 실시하고 이를 바탕으로 제4기 동안의 단층운동 정보가 제안되었다. 우선 Kyung (2003)은 절단된 제4기 지층의 연대에 근거하여 유계지점의 최후기 단층운동을 1,314 B.P 이후로 보고하고, 유계지점(Yugye site)을 포함하는 양산단층 북부의 수직변위율이 < 0.1 mm/yr이며 언양-통도사 일대의 양산단층 남부는 0.02~0.07 mm/yr의 수직변위율과 수배에 이르는 수평변위율을 제시하였다. Lee et al. (2015)는 포항 북부 단구지점의 굴착조사와 절단된 지층의 OSL 연대를 기반으로 최후기 운동이 7.5 ka 이후임을 보고하였으며, 이후 Song et al. (2020)은 단구지점 북쪽 1 km에 위치하는 벽계2지점의 고지진학적 접근을 통해 제4기 동안 최소 4회 이상 운동과 3.2 ka 이후의 최후기 운동을 보고하였다. 최근 Kim, N. et al. (2020)은 경주-양산 일대에서 양산단층과 교차하는 제4기 하안단구에 대한 지형변위 분석을 통해 총 4개 지점에서 최소 10 m 이상의 다양한 제4기 수평변위를 제안하고, 수직변위는 수평변위의 약 10% 정도인 것으로 해석하였다. 한편 평해(Pyeonghae), 자부터(Jabuteo), 덕곡(Deokgok), 신광반곡(Singwang-Bangok), 가천(Gacheon)지점 등에서의 단층암 ESR 연대측정 결과는 전기~중기 플라이스토세 동안의 전단운동시기(약 85만 년 전, 약 78만 년 전, 약 66만 년 전, 약 60만 년 전, 약 51만 년 전, 약 39만 년 전, 약 32만 년 전, 약 18만 년 전)를 제안한다(e.g., Yang, 2006; Choi et al., 2012; Yang and Lee, 2012, 2014; Kim and Lee, 2020). 양산단층대를 따라 확인되는 제4기 운동의 기하학적, 운동학적 특성은 상반 서향하는 횡압축성 우수향 감각으로 대표되며, 이는 양산단층대를 따라 주로 확인되는 동쪽 경사의 기존 단층대가 재활된 결과로 해석된다(그림 1c; Cheon et al., 2020a).

양산단층대의 전체 구간이 노출되어 있지 않을 뿐만 아니라 제4기 운동 여부를 명확하게 증명하기 위해서는 제4기 지층의 절단 유무를 주로 굴착을 통해서만 밝혀내야 한다는 한계에 의해 현재의 시점에서는 단층핵과 단층손상대 내에서의 제4기 거동양상 특성을 차별화하기는 어렵다. 하지만 추가 연구 결과가 지속적으로 집적된다면 양산단층대 내부에서의 제4기 동안 시공간별 거동양상을 구체화할 수 있을 것이다.


4. 향후 연구과제

양산단층은 오랜 지질시대 동안의 지구조 진화사와 활성 여부 등의 관심에 의해 한반도 내 주요 단층들 중에서도 특히 많은 연구가 수행된 곳이다. 그럼에도 불구하고 단층구간(분절)별 또는 단층대를 구성하는 단층핵과 단층손상대에서의 향후 거동양상에 대한 이해도를 높이기 위해서는 여전히 극복해야 할 부분이 남겨져 있으며, 이러한 부분은 나아가 국내 단층·지진 연구를 수행함에 있어 기본적으로 고려해야 할 영역이기도 하다.

4.1 양산단층대 정보의 체계화

양산단층대 내부변형을 연구하는 주요 목적 중 하나는 단층대의 오랜 지질시대동안 거동을 이해함으로서 미래의 거동 양상에 대한 조금의 실마리라도 찾는 것이다. 대부분의 제4기 단층운동은 적절하게 배향된 기존 불연속면이 현재 작동하는 응력에 의해 다시 미끌린 결과이다(e.g., Scholz, 2002, Wibberley et al., 2008; Kim et al., 2011). 이때 주어지는 응력의 방향과 크기, 단층의 기하학적 특성, 단층물질의 특성, 유체의 역할 등 다양한 인자들이 단층이 주어진 응력을 견디지 못하고 다시 움직이게 되는 주요 원인이 된다(e.g., Barka and Kadinsky-Cade, 1988; Sibson, 1995; Kelly et al., 1999). 이와 함께 현재 응력환경에서 움직이기 힘든 방향에 놓인 단층(unfavorably oriented fault)이라고 할지라도 광역적으로 주어지는 응력의 방향이 단층손상대에서 국부적으로 변화하면서 단층의 재활동에 중요한 영향을 미칠 수 있다(Faulkner et al., 2006). 우리나라와 같이 상대적으로 판경계에서 벗어나 위치하는 지역은 지판운동에 의해 주어지는 응력을 해소하는 단층운동이 판경계부에서와 같이 특정 활성단층에 집중되지 않아, 상대적으로 분산되어 분포하는 복잡한 기하의 단층들이 선택적으로 재활동하면서 응력을 해소하게 된다(Liu et al., 2011). 따라서 판내부 단층·지진에 대한 시공간적 이해도는 판경계부에 비해 부족할 수밖에 없으며 이는 지진 발생 시 더 큰 피해를 가져올 수 있는 요인이 되기도 한다(England and Jackson, 2011). 판내부 지진환경의 불규칙성과 단층의 미끌림 및 파열 전파 등의 현상을 보다 잘 이해하기 위해서는 기존 불연속면에 대한 명확한 분포 및 기하학적/운동학적 특성, 단층물질의 광물학적, 역학적 특성 대한 접근이 우선적으로 이루어져야 하며, 앞서 제시된 단층 노두 지점별 관련 정보들에 대한 생산, 처리, 관리 시스템이 구축될 필요가 있다(Cheon et al., 2019b). 해당 정보들은 판내부 환경에 적합한 단층의 구조적 분절 설정하는데 기초 자료로 활용될 수 있다.

4.2 대규모 연결단층과의 관계

단층의 구조적 분절을 설정함에 있어 또 다른 중요한 요소는 주단층과 접하지만 주단층의 방향과는 다른 방향으로 발달하는 단층들의 분포와 특성이다. 양산단층과 접하고 있는 대규모 단층은 북부에서 북북서-남남동 내지 남-북 방향으로 연장되는 영덕단층과 중부 일대에서 북북서-남남동 방향으로 연장되는 울산단층으로 대표할 수 있다. 최근 Seo et al. (2019)는 영덕단층 주단층핵의 내부변형 특성과 변형사 연구를 통해 약 8 km의 우수향 변위를 보이는 영덕단층이 양산단층과 유사한 운동 이력을 경험한 것으로 해석하였다. 한편 경주시 일대에서 양산단층과 접하는 울산단층은 북북서-남남동 방향의 비교적 선형의 곡부를 따라 단층이 추정된 이후(e.g., Kim, 1973), 탄성파 반사법 및 굴절법과 중력탐사 결과를 통해 지하 단층대의 존재가 제안되었다(Kim et al., 2008). 특히 울산단층대의 동편을 따라 제4기 단층운동의 증거가 다수 보고된 바 있고(e.g., Chwae et al., 2000; Ryoo et al., 2002; Choi et al., 2012; Kim, M.-C. et al., 2016), 보다 2~5 km 동편에는 유사한 방향성을 보이며 마이오세 지각변형을 규제하는 연일구조선이 발달하고 있어(e.g., Son et al., 2013, 2015), 울산단층대가 특정 지질 시대 동안에 지각변형을 제어하며 성장하였을 가능성이 있다. 양산단층과 울산단층의 기하학적 관계에 대한 연구들은 제안된 바 있으나(e.g., Han et al., 2009; Lee et al., 2016), 두 단층이 접하는 경주시 일대는 상대적으로 넓은 단층곡을 형성하고 있어 두 단층의 정확한 기하하적 관계와 지질시대 동안의 진화사에 대한 이해는 여전히 부족한 실정이다. 따라서 정밀 중력탐사를 비롯한 천부 지구물리탐사를 적극적으로 활용한 두 단층 간 지하 분포특성에 대한 연구가 수행될 필요가 있다.

4.3 제4기 지층 연대측정

최근 지질시대 동안 단층의 운동횟수와 시기, 변위율 등을 규명하기 위한 고지진학적 접근법은 대규모 지진의 재발주기가 수천 년에서 수만 년에 이르는 우리나라에서 가장 현실적으로 미래의 단층 운동 가능성을 평가하는 방법이다(Kim, Y.-S. et al., 2011, 2020). 이때 단층에 의해 절단되었거나 절단되지 않은 제4기 지층의 연대는 단층의 시간적 거동양상을 이해하는 기본적인 정보이다. OSL 연대측정법은 일반적으로 수 년~수십 년 단위의 매우 젊은 퇴적층부터 수십만 년의 퇴적층의 연대측정에도 적용이 가능하여 현재 고지진학적 연구에 가장 널리 활용되고 있다(e.g., Choi et al., 2004; Kim, Y.-S. et al., 2020). 양산단층의 제4기 운동 시기를 한정할 수 있는 지층들의 OSL 연대 결과는 지속적으로 도출되고 있음에도 불구하고 재발주기가 비교적 긴 양산단층의 고지진학적 거동을 보다 명확하게 이해하기 위해서는 수십만 년에서 수백만 년의 연대를 가지는 지층의 연대를 알기 위한 다양한 방법론의 적용이 필수적이다. 이러한 요구를 충족하기 위해서 단층비지의 연대 측정에만 적용되었던 석영 ESR 신호를 제4기 퇴적층의 퇴적연대 측정에도 적용하는 방법이 최근 제안되어 국내 환경에서의 활용 가능성이 검토되고 있다(Weon et al., 2020). 이와 함께, 우주선유발 동위원소 연대측정법은 우주선(Cosmic-ray)에 의해 암석 내 석영에서 현장 생성(In-situ)되는 단반감기의 방사성탄소(14C)와 장반감기의 베릴륨(10Be, 반감기: 138만년) 및 알루미늄(26Al, 반감기: 70만년) 동위원소 등을 활용하는 방법이다. 이 연대측정법은 이론적으로 수천 년에서부터 수백만 년까지의 침식률 또는 노출연대를 도출해 낼 수 있으며, 현재 국내에서는 하안단구, 해안단구, 선상지 등의 퇴적층과 암설지형, 화산지형, 구조지형(단층애) 및 고고학 유물층에 적용되고 있다(Kim, 2005; Kim et al., 2007; Seong and Yu, 2014; Shin, 2015). 한반도와 같은 습윤한 기후에서 우주선유발 동위원소 연대측정법을 성공적으로 적용하기 위해서는 복잡한 노출 환경을 고려하여 적합한 연구지역의 선정과 시료 확보가 우선적으로 진행되어야 한다. 또한 우주선유발 동위원소 연대측정법이 널리 통용되고 있는 OSL 연대측정법 등 다양한 연대측정법과 교차검증이 이루어진다면 연대 측정 결과의 신뢰도를 높여 재발주기가 비교적 긴 양산단층의 시간적 거동 양상을 이해하는데 한걸음 다가갈 수 있을 것이다.


Acknowledgments

이 연구는 한국지질자원연구원 2020년에 수행하는 주요사업인 ‘판내부 활성지구조특성 연구 및 단층분절모델 개발(GP2020-014)’의 결과물이다. 심사과정에서 건설적이고 유익한 조언과 비평을 해주신 익명의 두 심사위원과 편집위원에게 감사드린다.


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