Current Issue

연구지역은 경상북도 경주시 외동읍 모화리에 위치하고 있다(그림 1). 연구지역의 북쪽에는 백일산, 서쪽에는 봉서산이 있으며, 동쪽에는 관문산과 같은 해발고도 600 m 이상의 산들이 둘러싸고 있다(그림 1c). 북쪽과 동쪽의 산지는 전반적으로 고도가 높고 험준한 데 반해, 서쪽의 봉서산과 남쪽 산지들은 상대적으로 고도가 낮다. 이 지역의 수계는 산지의 곡부를 따라 북북동-남남서 방향의 직선형 하천이 약 2 km 길이로 발달하고 있으며, 이 하천은 모화저수지로 흐른 후 동천으로 유입된다(그림 1c). 이 하천의 양안에는 소규모 하안단구가 발달하고 있다(그림 1d).

연구지역은 경상분지의 남동부에 위치하며, 백악기에서 고신기(paleogene) 사이에 관입한 불국사화강암류로 구성된다(그림 1b). 불국사화강암은 지역에 따라 다양한 광물조성을 보이지만, 흑운모화강암의 비중이 높다(Park et al., 2014). 이들의 상위에 분출 혹은 부정합으로 발달하는 암석들은 울산단층 동편에 주로 분포하며, 안산암 내지 현무암으로 구성되는 화산암류와 이들 기원의 화산쇄설물 또는 쇄설성 퇴적암류로 구성된다(Kim et al., 2015). 또한 일부 계곡부와 해안을 따라서는 선상지나 단구의 형태로 제4기 퇴적층이 발달하고 있다.

울산단층은 한반도에서 대규모 지진을 발생시킬 가능성이 가장 높은 단층 중 하나로 이들을 따라서는 다수의 제4기 지층을 절단하는 단층들이 보고되고 있다(그림 1b). 울산단층을 따라서 기 보고된 제4기단층은 대부분 동편의 지괴가 서편으로 충상하는 양상을 보인다(e.g., Choi et al., 2012).

기존 보고된 원원사단층 제1지점(구: 원원사단층)은 원원사 사찰 동편 계곡에 약 20 m 가량 노출되어있다(그림 2). 이 노두에서는 기반암인 흑운모화강암과 이를 관입한 중성질암맥이 관찰되며, 기반암 상위에는 제4기 자갈층이 부정합으로 덮고 있다. 제4기 자갈퇴적층의 특징은 원마도가 각형 내지 아각형이며, 잔자갈에서 거력의 입도를 가진다. 분급이 불량하며, 부분적으로 조립질의 사질퇴적물이 협재한다. 이 자갈퇴적층의 연대는 단층의 하반에서 획득한 광여기루미네선스 연대결과가 약 27,000년에서 41,000년 내외로 도출되었고, 상반에서는 약 46,000년에서 68,000년 내외로 도출된 바 있다(Gwon et al., 2019). 단층의 자세는 Lee and Schwarcz (2001)는 N51°E/14°NW, Yang (2006)은 NS/14°W, Kee et al. (2009)는 N5°E/12°SE, Choi et al. (2012)은 N16°W/52°SW로 측정하는 등 측정자들마다 단층의 주향과 경사가 차이가 있지만 대부분 서쪽으로 저각의 경사를 가지는 것으로 의견이 모아진다. Lee and Schwarcz (2001)는 단층암시료에 대한 전자회전공명(Electro Spin Resonance; ESR)법을 이용한 연대측정을 통해 제4기 동안 최소 4번 이상의 재활이 있었음을 주장하였다. 이를 종합하면 원원사단층 제1지점은 제4기동안 수 회 움직였으며, 가장 최근의 단층활동시기는 약 27,000년 전 이후일 것으로 판단된다.

Fig. 2. 
Outcrop photographs of the first site of Wonwonsa fault. The fault (white arrows) is developed between basement rock(granite in hanging wall) and Quaternary deposit(in footwall)(3 m folding rule for scale). Note the sampling locations and OSL age dating results (Gwon et al., 2019).

원원사단층 제2지점은 기반암인 흑운모화강암을 안산암질의 암맥이 관입하고 있으며, 잔자갈에서 거력에 이르는 하안단구 퇴적층이 이들의 상위를 피복하고 있다(그림 3). 제4기층은 하성퇴적 기원으로 단구면과 하천의 비고차는 약 1.2 m 이며, 단구면에는 직경 30~100 cm 내외의 거력이 다수 분포한다. 제4기 퇴적층은 모래에서 굵은 모래의 입도를 가지는 하성퇴적층(Qa)과 자갈에서 왕자갈의 입도를 가지는 하성퇴적층(Qb)으로 대분 할 수 있다. 퇴적층 Qa의 구성입자는 아원형을 보이며, 분급이 좋다. 사층리가 거칠게 발달하며, 자갈들의 장축이 북쪽으로 침강하는 인편구조(imbrication)가 발달한다. 따라서 고수류의 방향은 현생하천의 유수방향과 같다. 퇴적층 Qb는 각형 내지 아각형의 원마도를 가지며, 입자지지 조직을 보인다. 분급은 보통 내지 불량한데, 자갈에서 왕자갈 입도의 자갈이 주를 이루나 일부 불규칙적으로 모래층이 협재되어 있다. 이 퇴적층의 고결정도는 매우 느슨하다(그림 3).

Fig. 3. 
Outcrop photographs of the second site of Wonwonsa fault. (a) The basement rocks consist of granite and andesitic dike, and are covered by Quaternary fluvial deposits. The fault (white arrows) is developed along the boundary between dike and granite, and cuts fluvial deposits(hoe for scale). Note the sampling locations and age dating results (OSL and ¹⁰Be). (b) Sub-rounded, crudely cross-stratified sand-granule deposit (Qa) above the basement of the hanging wall side (lens cap for scale). (c) Sub-angular and poorly sorted pebble to cobble fluvial deposits (Qb) above the basement of the footwall side. Fault trace(white arrows) penetrates into the Qa and Qb deposits.

원원사단층 제2지점은 북북동-남남서 방향으로 발달하는 직선상 계곡의 동편에서 발견되었다(Gwon et al., 2018, 2019). 기반암을 관입한 안산암질 암맥은 암녹색 내지 담회색을 띠고 있으며 장석반정이 관찰된다. 암맥은 N41°E/38°NW의 자세로 관입하고 있으며, 폭은 약 40 cm이다. 기반암에는 최소 4매 이상의 단층이 발달하고 있다. 이 단층들의 자세는 북서-남동~북북서-남남동 방향으로 주향하거나 서북서-동남동~동북동-서남서 방향으로 주향하며, 이들은 대부분 북서쪽으로 20-53°로 경사한다. 이들 중 안산암질 암맥의 동쪽 경계면을 따라 단층이 발달하며, 이 단층은 기반암 상위에 발달하는 제4기 하안단구 퇴적층을 절단하여 상반의 기반암이 제4기층을 충상하는 역단층의 운동감각을 보인다. 단층면에 발달하는 단층조선(34°/280°)을 통해 추정된 단층의 운동감각은 우수향-역이동성 사교이동단층이다. 야외에서 측정된 겉보기 수직변위는 기반암과 제4기 퇴적층의 부정합면을 기준으로 약 42 cm이다.

부정합면의 낙차는 야외에서 42 cm로 측정되나, 실제로 단층의 운동은 주향이동성분이 일부 포함되어 있으므로, 단층면의 자세와 단층조선의 관계를 바탕으로 실변위량을 계산하였다(Xu et al., 2009; Nieto-Fuentes et al., 2014). 겉보기 변위를 바탕으로 단층조선과 단층면의 각도 관계를 이용해 계산한 실변위 값은 46.4 cm로 계산되었으며, 겉보기 수평변위는 33.1 cm, 겉보기 수직변위는 25.9 cm로 각각 계산되었다(표 3). 하지만 지표작용(침식 등)의 결과로 원 지형이 수평(flat)하지 않았을 가능성을 배제할 수 없으므로, 부정합을 이용한 변위량은 실변위량으로 판단하기에 불확실성이 따른다. 하지만 명확한 변위량으로 판단될 건층이 존재하지 않으므로, 이번 연구에서는 부정합면이 수평하였을 것으로 가정하고 변위량을 제시하였다. 단층에 의해 절단된 퇴적층은 퇴적상에 기초하여 크게 두 개의 단위층으로 구분되나, 층후가 10~30 cm로 얇고, 퇴적층 내에 발달한 단층면은 단일면이기 때문에 이 노두상에서 인지되는 단층활동 횟수는 1회의 운동으로 판단된다. 즉, 1회의 운동을 통해 최소 46 cm의 실변위량이 발생한 것으로 판단된다.

Okada et al. (1998)이 말방지 북쪽면에서 울산단층을 따른 제4기 단층(말방단층)을 최초로 보고하였으며, 이후 울산단층이 통과하는 경주시 천북면에서 울산시 매곡동에 이르는 구간에서 제4기에 재활한 단층이 고지진학적 조사를 통해 계속 보고되고 있다(그림 1b; e.g., Kyung, 1997; Okada et al., 1998; Son and Ryoo, 1999; Yoon and Hwang, 1999; Chwae et al., 2000; Chang, 2001; Lee and Schwarcz, 2001; Choi, P.-Y. et al., 2002; Lee et al., 2002; Ryoo et al., 2001, 2002, 2004; Choi, 2003; Kee et al., 2009; Ryoo, 2009; Choi, S.-J. et al., 2012, 2014; Kim et al., 2020). 일부 단층노두를 제외하고 울산단층을 따라 기 보고된 제4기 단층들은 대부분 다음과 같은 공통된 특성을 갖고 있다. 동측산지에서 쏟아져 내린 제4기 선상지 퇴적층 내지 하천퇴적층을 동쪽의 기반암(주로 화강암 내지 관입암)이 충상하고 있으며, 단층의 기하는 N-S, NNW-SSE, NE-SW의 주향을 가지며, 동쪽으로 30-70° 경사한다. 이는 울산단층의 동측지괴가 현생응력조건에서 서쪽으로 충상하는 양상(top-to-the-west)으로 해석할 수 있다. 단층에 의해 절단된 퇴적층은 연대측정 상한을 넘어서는 경우도 있지만, 제4기의 연대결과가 다수 도출되었다(Choi et al., 2012). 단층들의 단일변위량이 도출된 경우는 대부분 단일변위량이 1 m 내외이며, 누적변위량은 수 십 미터에서 백 미터 이상으로 해석된 사례도 있다(e.g., Choi et al., 2002).

반면, 원원사단층 제1지점과 이번 연구대상인 원원사단층 제2지점의 역단층은 NNW-SSE ~ NE-SW방향으로 주향하고, 서쪽으로 저각의 경사를 보인다. 단층 동측 지괴의 융기를 주도한 울산단층대 내 단층들이 주로 동쪽으로 경사하는 반면, 원원사단층 지점에서 발달하는 단층은 울산단층에서 보고된 다른 역단층들과 달리 서쪽으로 경사하고 있어, 울산단층의 반향 역단층(back thrust)으로 해석된다(Gwon et al., 2019). 반향 역단층은 주 단층에 수반되어 발달하는 부차적인 단층이기 때문에 일반적으로 그 규모가 상대적으로 작다. 따라서 원원사단층 제2지점의 단일 변위량이 다른 지점에서 보고된 단일변위량(1 m 내외)보다 작은 것은 반향단층으로 발달하기 때문인 것으로 해석할 수 있다.

원원사단층 제1지점과 제2지점은 동일한 하천에서 약 100 m 거리를 두고 발견되며, 두 단층의 주향과 발달고도 등을 고려했을 때, 동일한 단층일 가능성이 있다. 하지만 원원사단층 제1지점의 단층규모, 변위량 등이 원원사 제2지점과 비교해 크기 때문에, 원원사단층 제2지점은 원원사단층 제1지점에서 분기된 소단층일 가능성도 배제할 수 없다. 하지만 단층에 의한 지표변형의 지형학적 증거가 부족하며, 향후 연구에서 정밀한 지형분석과 굴착조사 결과 등 충분한 자료가 뒷받침 되어야만 이 두 지점의 관계를 이해할 수 있을 것으로 판단된다.

단층 상하반의 부정합면 바로 직상부 퇴적층의 양상이 단층을 기준으로 급격하게 달라지는 데에는 두 가지 가능성을 생각할 수 있다. 첫째로는 주향이동성분에 의해 Qa와 Qb가 접했을 가능성이 있다. 하지만 이는 단층의 자세, 운동학적특성, 단층조선의 특성을 비춰봤을 때, 수평이동성분보다는 경사이동성분이 우세하고, 지형적으로 산지곡부를 흐르는 직선형하천이므로 하천의 만곡도(sinuosity)가 크지 않아 횡적인 변화가 급격하지 않을 것으로 판단되므로, 해석에 신뢰도가 떨어진다. 또 다른 가능성은 입도가 크고 분급이 불량한 퇴적층(Qb)이 기존의 퇴적층(Qa)를 침식한 후 단층작용이 일어났을 가능성이 있다. 유수에 의해 분급이 좋고 사층리가 잘 발달하는 퇴적층(Qa)이 퇴적된다(그림 5의 stage 1). 이러한 퇴적상은 유수에 의한 일반적인 퇴적상으로 해석된다(e.g., Spalletti and Pinol, 2019). 이후 대규모 홍수 등의 영향으로 입도가 크고 분급이 불량한 퇴적층(Qb)이 기존의 퇴적층의 일부를 침식하며 퇴적되었을 것이다(그림 5의 stage 2). 이러한 해석은 유수의 에너지에 따른 퇴적상의 변화를 반영하여 해석하였다(e.g., Hauer and Pulg, 2018). 이후 단층에 의해 변위되면서, 상대적으로 젊은 퇴적층(Qb)이 Qa층의 아래에 놓이게 되고(그림 5의 stage 3), 지속적인 침식작용으로 평탄한 면이 형성된다(그림 5의 stage 4). 마지막으로 하방침식에 의해 현재의 노두양상이 발달했을 것으로 해석된다. 본 연구에서는 후자의 가능성이 높을 것으로 평가하나, 단편적인 노두상황으로 해석하기에는 다소 무리가 있다.

Fig. 5. 
Block diagrams illustrating a possible paleoseismological interpretation at the second site of the Wonwonsa fault.

단층의 최후기 활동시기를 규명하기 위해 실시한 광여기루미네선스 연대측정 결과는 Qb층에서 약 3.6 ka 내외, Qa층에서 약 6 ka 내외의 연대가 도출되었다. 제4기 단층을 기준으로 하반의 기반암 상위에 놓여있는 Qb층이 상반 기반암 상위에 발달하는 Qa 퇴적층보다 젊은 연대를 지시하고 있다. 이러한 연대결과는 역단층운동의 결과로 오래된 상반의 퇴적층이 충상하여 발생한 것으로 해석할 수 있다. 하지만 지형면의 형성연대인 9 ka 내외를 보이는 거력의 하부에 놓여있는 퇴적층의 매몰연대가 3.6 ka로 도출된 것은 논리적으로 설명하기 어려우며, 아래의 세 가지 가능성을 생각할 수 있다.

첫째는, 연대측정 결과의 오류 혹은 시료의 오염가능성이다. 지표와 인접하며 층후가 얇은 Qa 퇴적층에서 채취한 시료의 경우, 외부로부터 오염가능성을 배제할 수 없다. 또한 Qb 퇴적층에서 채취한 시료의 경우, 파이프를 이용한 시료채취보다 넓은 영역에서 시료채취가 이루어졌기 때문에 서로 다른 퇴적시기를 가지는 석영입자가 포함되었을 가능성이 크다. 하지만 이러한 한계점을 극복하기 위해 동일 층준에서 각 두 개의 시료를 획득하였고, 그 결과가 서로 일치한다(표 1; 그림 3). 즉, 기술적으로 시료의 오염여부는 확인할 수 없으나, 동일 층준에서 같은 연대가 도출되어, 광여기루미네선스 연대결과 자체의 신뢰도는 높은 것으로 판단된다.

두 번째 가능성은 우주선유발 동위원소 샘플인 거력이 마지막 퇴적 이전에 가지고 있던 기존의 노출 시에 형성된 유전량(inheritance)이 포함될 가능성도 있다. 연구지역이 급경사를 가진 산지하천이라는 점을 고려하면 거력의 공급은 고강도의 사건에 의해 유입되었으므로, 유전량이 크지 않을 것으로 추측되지만 소량의 유전량을 배제할 수는 없다. 즉, 거력이 기반암의 형태로 급경사의 사면에 있을 때, 노출되어 축적되고 있는 유전량에 의해 노출연대가 상대적으로 오래된 연대를 지시하였을 가능성이 있다. 이를 확인하기 위해서는 인접한 거력에서 많은 시료를 획득하여 유전량에 대한 불확실성을 좁히는 방법이 필요하였으나, 본 연구에서는 이를 수행하지 못했다. 추후 많은 시료에 대한 우주선유발 동위원소 연대측정 결과를 얻을 수 있다면, 보다 정확한 지형면의 형성시기를 획득할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서, ¹⁰Be 노출연대는 단구면 형성의 최대(maximum) 연대로 여기는 것이 타당하다.

세 번째는 연대측정 방법 사이에서 발생하는 차이일 수 있다. ¹⁰Be을 이용한 연대측정 결과 두 시료가 오차범위 내에서 동일한 연대가 도출되었으며, 연대결과에 대한 신뢰도는 높은 것으로 판단된다. 광여기루미네선스 연대 결과 역시 동일층준에서 두 개씩 획득한 결과가 거의 오차없이 도출되었고, 광여기루미네선스 등가선량의 분포가 비슷하여 외부로부터의 오염이 거의 없이 퇴적시기를 지시할 것으로 판단된다. 연대측정법 자체는 확률론적 가정과 해석이 포함되는데, 매몰연대를 지시하는 광여기루미네선스 연대측정법과 노출연대를 지시하는 ¹⁰Be 연대측정법의 근본적인 차이에서 발생하는 변수가 존재할 수 있다. 하지만 결과적으로 두 연대측정 결과가 모두 홀로세(1만 년 이내)를 지시하므로, 이 단층은 약 3천 년 전 이후 또는 약 9천 년 전 이후에 활동한 것으로 해석할 수 있다. 향후 단층의 연장부에서 굴착 조사 또는 추가적인 연대측정 결과가 뒷받침된다면, 보다 신뢰도 높은 단층활동 이력을 도출할 수 있을 것으로 기대된다.