음향기저는 탄성파단면 상에서 대비와 도면화(mapping)가 가능한 가장 깊은 곳에서 관찰되는 반사면으로서 그 하부는 반사면들이 무질서하게 나타나거나, 반사면이 없는 무반사의 특징을 보인다(Neuendorf et al., 2005). 이 연구에서는 음향기저의 상부 반사면을 MB1 층서경계면으로 설정하였다. 또한 음향기저의 연대와 암상은 기존 연구의 시추공 분석결과에 따르면 원생대-중생대 변성암류(Zhou et al., 1989)나 백악기 화산암류 또는 화강암류로 구성되어 있는 것으로 추정된다(Oh et al., 1994). 연구지역 음향기저는 MB1의 발달깊이와 지형특징에 따라 크게 기반암 고지대와 이를 경계로 하는 다수의 기반암 저지대로 구분된다(그림 5a~c, 6a). 기반암 고지대에서 MB1은 대체로 1.5 sec 이하의 깊이로 관찰되며, 그 형태가 비교적 평탄하고 기복이 작은 지형을 보인다. 반면, 기반암 저지대는 1.5~4.5 sec까지 깊게 위치하고 있는데, 다소 경사져 있고 지역에 따라서 다양한 기복을 보이며 깊은 곳에서는 그 위치가 불명확한 특징을 갖는다. 기반암 고지대는 대체로 연구지역의 북부에 광역적으로 분포하는데(그림 6a), 기존 연구들(Zhou et al., 1989; Lee et al., 2006)에서는 후피지아오 융기대(Hupijiao Rise)로 명명되어 있다. 한편, 기반암 저지대는 연구지역의 북서부-중부, 북동부, 남부지역에 걸쳐 나타나는데(그림 6a), 이들은 기존 연구들(Oh et al., 1994; Yoon et al., 2009)에서 보고된 소코트라분지(북서부-중부)와 제주분지(북동부, 남부)에 해당된다. 각 분지에서의 MB1의 발달 깊이는 소코트라분지에서 2.0~3.7 sec, 제주분지는 2.0~3.0 sec (북동부), 2.0~4.3 sec (남부)로 나타난다(그림 6a). 그러나, 연구지역의 남부와 동부에서 화산체와 유사한 외형을 갖는 반사면이 약 1.0 sec 깊이로 관찰된다(그림 5b, 5c). 이 같은 반사면의 하부에는 내부 반사면들이 무질서하게(chaotic) 나타나거나 반사면이 나타나지 않는 탄성파 암영대(seismic shadow zone)가 발달하여 MB1의 위치가 식별되지 않는다. 기반암 저지대에 쌓여 있는 퇴적층의 전체 두께는 소코트라분지와 제주분지 지역에서 3.0 sec 이상으로 두껍게 나타나며 후피지아오 융기대에서는 약 1.0 sec로 얇게 관찰된다(그림 6b).

Fig. 5. 
Interpreted seismic sections. (a) MS1 and MS2 mainly occur within half-grabens of basement lows, whereas MS3 completely covers the underlying Hupijiao Rise. (b) The large-scale basement faults are recognized along the margins of basement high. (c) A series of basement faults occur in Socotra and Jeju basins, and the large-sclae reverse faults mostly occur in Jeju Basin. Angular unconformities are recognized along MB2 and MB3 in the Socotra Basin and MB4 in Jeju Basin. (d) While MS1 gradually thickens away from the Hupijiao Rise, M2, MS3, and MS4 commonly have fairly uniform thickness showing a sheet geometry. (e) The seismic shadow zone is recognized in southeastern part (Jeju Basin), where the sequence boundaries are uncertain. For locations of the seismic profiles, see Figure 2.

Fig. 6. 
Time structure map of MB1 (a) and isochron map of whole sedimentary sequences (b) Contours in sec (two-way travel time).

층단위 MS1은 음향기저면 MB1의 직상부에 놓인 최하부 퇴적층으로서 상부경계를 이루는 MB2는 북서쪽 일부지역에서 경사부정합면으로 나타나며(그림 5c) 그 외의 지역에서는 이에 대비되는 정합면 내지 평행부정합면으로 발달되어 있다(그림 5d). 연구지역에서 MB2의 깊이는 대체로 0.6~3.3 sec 범위를 보인다(그림 7a). 연구지역에서 층단위 MS1은 대체로 기반암 저지대들의 심부를 중심으로 분리되어 분포하는데, 지층의 두께는 소코트라분지에서 최대 1.1 sec, 제주분지에서 최대 1.8 sec까지 확인된다(그림 7b). 탄성파적으로 층단위 MS1은 진폭이 일정하지 않고 측면연속성이 다소 불량한 반사면으로 구성되어 있다(그림 5a~c). 특히, 분지 경계단층의 측면을 기준으로 내부 반사면들이 바깥쪽으로 수렴(convergent)하며 그 외형이 쐐기형태로 나타나고(그림 5b, 5c), 내부적으로는 온랩(onlap)을 보이기도 한다.

Fig. 7. 
Time structure map of MB2 (a) and isochron map of MS1 (b). Contours in sec (two-way travel time).

층단위 MS2는 MS1과 마찬가지로 소코트라분지와 제주분지를 중심으로 최대 1.0 sec의 두께로 기반암 저지대를 채우는 형태로 분포한다(그림 5b, 8b). 상부경계인 MB3는 후피지아오 융기대에 인접한 곳에서는 경사부정합의 관계를 보이지만 남쪽 분지중심부로 가면서 평행부정합의 양상으로 전이된다(그림 5a~c). 또한 연구지역 남부에서는 2.5 sec 이상으로 최대 깊이를 보이며 북쪽으로 갈수록 서서히 얕아지는 경향이 나타난다(그림 8a). 탄성파적으로 층단위 MS2는 대체로 중간-고진폭의 측면 연속성이 다소 양호한 반사면들로 구성되어 있다(그림 5a).

Fig. 8. 
Time structure map of MB3 (a) and isochron map of MS2 (b). Contours in sec (two-way travel time).

층단위 MS3는 하부의 층단위들과는 달리 후피지아오 융기대를 포함한 전 연구지역에 걸쳐 분포하며, 특히 연구지역 남부에서 1.8 sec의 두께로 가장 두껍게 나타난다(그림 5c, 9a, 9b). 상부경계인 MB4는 탄성파단면에서 대체로 평행부정합면(혹은 정합면)의 형태로 나타나지만 남부지역에서는 뚜렷한 경사부정합의 관계를 보인다(그림 5c). MB4의 분포깊이는 남동부 가장자리에서 1.0 sec 이상으로 가장 깊고 북부로 갈수록 얕아지는 경향을 보인다(그림 9a). 탄성파적으로 층단위 MS3는 진폭이 크고 연속성이 양호한 반사면들로 이루어진 구간과 진폭이 작고 연속성이 불량한 반사면들로 이루어진 구간이 교호하여 나타나는 특징을 우세하게 보인다(그림 5a~e). 하지만 국지적으로는 침식된 형태로 다소의 기복을 보이는 반사면들이 나타나기도 한다.

Fig. 9. 
Time structure map of MB4 (a) and isochron map of MS3 (b). Contours in sec (two-way travel time).

층단위 MS4는 연구지역 최상위 층단위로서, 상부 경계면인 MB5(해저면)는 전반적으로 큰 기복 없이 평탄하게 0.08~0.14 sec 깊이에 분포한다(그림 10a). MS4는 북서부에서 남동부로 갈수록 점진적으로 두꺼워지는 경향을 보이며 0.5~1.2 sec의 두께 범위를 갖는다(그림 10b). MS4를 이루고 있는 반사면들의 특징은 하부와 상부구간이 상이하게 나타난다. 하부구간의 두께는 약 0.2 sec 이하로 MS3와 유사한 탄성파적 특징을 보이고, 상부구간은 약 0.4 sec 이상의 두께로 고진폭에 연속성이 양호한 반사면들 사이에 낮은 진폭을 갖는 반사면들이 준평행하게 나타난다(그림 5a~e).

Fig. 10. 
Time structure map of MB5 (a) and isochron map of MS4 (b). Contours in sec (two-way travel time).

탄성파탐사 단면에 나타나는 주요 기반암 지질구조로는 주로 대규모의 인장성 점완단층과 기반암의 블록회전(block rotation)에 연계된 정단층들이 나타난다. 소코트라분지에서는 제4광구의 서쪽 가장자리를 따라 동-서, 북동-남서 주향의 정단층들이 발달되어 있으며 연장길이는 약 15~20 km로 측정된다(그림 6a). 특히, 분지 경계부에서는 약 1.0 sec의 수직낙차를 갖는 대규모의 점완단층이 관찰되고, 분지 내부에는 대체로 0.3 sec 이하의 낙차를 갖는 소규모 정단층들이 주로 점완단층과 동일한 방향으로 경사지거나 일부는 반향으로 경사진 것이 관찰된다(그림 5b, 5c). 따라서 대규모의 점완단층은 소코트라분지 형성에 있어서 주단층(master fault)으로 분지의 경계를 이루었고, 소규모 정단층들은 이때 발생한 기반암 블록회전에 따른 동향단층(synthetic fault) 및 반향단층(antithetic fault)으로 보인다. 위와 같은 구조들은 열 개분지(rift basin)에서 대표적으로 관찰되는 특징으로 알려져 있다(Prosser, 1993).

제주분지에서는 소코트라분지와는 달리 거의 정단층들이 관찰되지 않는다(그림 5b). 일부 나타나는 정단층들은 제주분지의 경계부에서 북동-남서 또는 북북동-남남서 주향으로 발달해 있으며 20 km 이상의 길이를 갖는다(그림 6a). 그러나, 단층작용에 의한 수직적 낙차는 0.2 sec 이하로 작으며 이에 따른 기반암 블록형성 및 블록회전의 형태도 뚜렷하지 않다. 이처럼 제주분지는 대규모의 경계단층을 따라 큰 수직낙차를 보이는 기반암 블록들로 구성된 소코트라분지와는 구조적으로 다소 다른 특징을 보인다(그림 5a). 종합적으로 볼 때, 제주분지는 분지의 기저를 구성하는데 있어서 단층작용이 제한적이면서도 지구대 또는 반지구대와 유사한 형태를 이루고 있다. 이는 구조운동보다는 누적된 퇴적물의 하중으로 인해 지각침강이 우세하게 일어나면서 퇴적층 수용공간(분지)이 형성되었음을 지시하는 것으로 해석된다. 이러한 분지의 대표적 예로서 침하분지(sag)를 들 수 있다(Kingston et al., 1983). 탄성파자료의 제한으로 제주분지 전역에 대해 이와 같은 해석을 적용시킬 수는 없지만 최소한 연구지역에 속하는 제주분지에서는 단층운동을 동반한 열개작용보다는 지각침강으로 인한 분지발달이 우세하게 일어났던 것으로 보인다.

음향기반암 상부의 퇴적층 내에서는 기반암에서 연장된 점완단층, 일부 역단층들과 이에 연관된 습곡구조들이 관찰된다. 소코트라분지 지역에서는 기반암에서 연장된 동-서 그리고 북동-남서 방향의 정단층의 대부분이 층단위 MS1까지 연장되지만 MS2에서는 주로 층단위 구간에만 국한되어 발달된 정단층들이 확인된다(그림 5b, 5c). 대규모의 경계단층이 발달된 곳에서 MS1의 퇴적층은 내부가 습곡된 쐐기형태로 나타난다. 이와 같은 퇴적층의 형태는 열개동시성 퇴적층에서 일반적으로 관찰되며, 단층에 의해 기반암의 블록회전 및 침하로 비대칭적인 퇴적공간이 만들어 짐에 따라 형성된다(Prosser, 1993). 반면, 층단위 MS2는 측면 두께변화 없이 대체로 판상의 형태로 나타난다. 이는, MS2가 형성될 당시에는 기반암 단층작용으로 인한 비대칭적인 퇴적공간의 형성이 이루어지지 않았음을 지시한다. 한편, MS2에서 나타나는 정단층들은 주로 습곡구조가 뚜렷하게 나타나는 곳에서 식별되는데, 단층면은 습곡구조의 축면(axial plane)과 방향이 유사하게 나타난다(그림 5c). 이는 습곡작용 동안 형성된 단열들이 하부 퇴적층의 차별압밀(differential compaction)에 의하여 단층으로 전이되면서 형성된 것으로 해석된다(Schlische, 1995; Xu et al., 2015).

제주분지에서는 주로 규모가 큰 역단층들이 퇴적층 내에 나타난다. 역단층들은 하부로 기반암까지 연장되는 것으로 보이나, 자료 해상도의 문제로 인해 식별하는데 다소 무리가 있다. 또한 역단층들과 연관된 습곡구조가 식별되며(그림 5c), 습곡구조는 층단위 MS1~MS3까지 광역적으로 발달되어 있다. 습곡축의 방향은 북동-남서 방향으로 추정되나, 이러한 습곡 구조가 관찰되는 위치가 제4광구 최남단이기 때문에 자료범위의 한계로 정확한 발달방향은 불확실하다.

음향기저의 탄성파상 B1(그림 11)은 높은 진폭과 양호한 측면 연속성을 갖는 반사면이 최상부에 위치하고 있고, 하부에는 반사면들이 나타나지 않는 무반사의 특징이나 다중반사파의 영향으로 반사면들이 음향기반암의 지형과 동일한 잔향(reverberation)을 보이기도 한다(그림 12a, 12c). 이와 같은 탄성파적 특징은 고화된 암석으로 이루어진 분지 기반암과 미고화 혹은 반고화 상태의 퇴적층 간의 음향임피던스 차이로 인해 발생할 수 있는 것으로 알려져 있다(Eberli et al., 2004). 탄성파상 B1에 대비되는 옥돔-1공의 암상은 화강암으로 지질학적 기반암에 해당된다(그림 4). 따라서 탄성파상 B1은 분지기저를 이루고 있는 지질학적 기반암이자 음향기반암을 반영하는 것으로 해석된다.

Fig. 11. 
Seismic facies of acoustic basement and sedimentary sequences in the study area.

Fig. 12. 
Interpreted seismic sections showing seismic facies. For locations of the seismic profiles, see Figure 5.

탄성파상 B2(그림 11)는 탄성파상 B1과 같이 음향기저에서 확인되며, 특히 후피지아오 융기대의 가장자리 부근에서 주로 나타난다. 탄성파상 B2의 탄성파적 특징은 탄성파상 B1와 다소 차이가 있다. 음향기반암 상부에는 진폭이 높고 연속성이 중간정도인 반사면이 위치하고 그 아래 고진폭의 연속성이 불량하며 혼탁하거나 주름진(winkled) 형태를 갖는 반사면들이 불규칙적으로 배열되어 있다(그림 12b, 12d). 그 하부에서는 탄성파상 B1에서 나타나는 것과 유사한 무반사의 특징을 보인다. 동해 한국대지 및 그 주변지역 탄성파탐사 자료에서는 이와 유사한 형태의 탄성파상을 분지의 초기 열개작용 동안 일어난 틈새분출(fissure eruption)에 의하여 형성된 화산암과 휴지기의 퇴적층이 교호한 화산암-퇴적물 복합체(volcanic-sedimentary complex)로 해석하였다(Lee et al., 2001; Kwon et al., 2009). 거북-1공의 최하부 구간은 탄성파상 B2에 대비되는데, 화산쇄설성역암(volcaniclastic conglomerate)이 사암, 실트암, 점토암과 교호하는 것이 확인된다(그림 4). 그러나 탄성파단면 상에서 이러한 화산암-퇴적물 복합체와 그 하부에 발달되어 있는 지질학적 기반암과의 경계는 뚜렷하게 나타나지 않는다(그림 12d). 이는 상부에 발달된 화산암-퇴적물 복합체의 높은 음향임피던스로 인하여 전달되는 탄성파 에너지가 감쇠되어 식별되지 않는 것으로 해석된다(Coffin et al., 1990; Herzer, 1995). 이와 같은 현상은 PZ-1공에서 나타나는 화산암체와 이 구간에 대비되는 탄성파탐사 단면에서 관찰된다. 화산암체에 해당되는 고진폭의 연속성이 좋은 반사면이 국부적으로 발달되어 있고 이를 기준으로 하부 반사면들의 구명도가 급격히 감소되는 것을 볼 수 있다(그림 12a).

탄성파상 S1은 중간 내지 높은 진폭의 연속성이 양호한 반사면들 사이에 낮은 진폭과 중간 정도의 연속성을 보이는 평탄한 반사면들이 평행상태로 배열된 탄성파 특성을 갖는다(그림 11). 일반적으로, 이러한 탄성파적 특징은 구조적으로 안정된 대륙붕 또는 분지면(basin plain) 환경에서 균일한 퇴적률로 쌓인 퇴적층에서 나타날 수 있다(Mitchum et al., 1977). 이와 유사한 탄성파 특성은 우리나라 남동해역의 내대륙붕(inner shelf)에 발달해 있는 세립퇴적층에서도 보고되어 있다(Yoo et al., 2004). 탄성파상 S1은 주로 층단위 MS2와 MS4의 상부구간에서 확인되는데(그림 12b~d), 이 구간은 시추공자료에서 주로 괴상(massive)의 점토암과 실트암으로 구성되며, 드물게 패각편과 세립-중립질의 석회질 사암이 협재되어 있다(그림 4). 또한 Yun et al. (1999)과 KIGAM (1997)에서는 시추공에서 와편모조류(Phthanoperidinium, Cordosphaeridium 등)와 유공충(Asterorotalia concinna, A. multispinosa 등) 미화석을 확인하였으며, 이들의 서식환경을 수심 약 10~100 m에 해당하는 내대륙붕의 천해환경에 해당하는 것으로 해석하였다. 이와 같은 환경은 주로 육상하천을 통해서 연안으로 공급된 퇴적물이 파도, 조류, 해류를 따라 운반되어 집적되는 곳으로 알려져 있다(Reading, 1986). KIGAM (1997)에서는 시추공에서 나타나는 패각편과 유공충들이 마식작용(abrasion)을 받은 것을 통해 파도의 영향이 우세했던 것으로 추정하였다.

탄성파상 S2는 중간 내지 높은 진폭과 중간정도의 연속성을 갖는 반사면들이 발산하는 형태로 준평행하게 배열되어 있는 특징을 보인다(그림 11). 아울러 발달형태가 전진퇴적(progradation)하는 단사형퇴적체(clinoform)와 유사하게 나타난다. 주로 지구대의 중심부나 반지구대 가장자리에 인접한 층단위 MS1에서 국지적으로 관찰된다(그림 12c). 이 구간에 대비되는 옥돔-1공에서 상부는 괴상의 세립 내지 조립질 사암과 실트암이 교호하고 하부는 점토암이 주로 나타난다(그림 4). 또한 이 시추공 구간에서 Yun et al. (1999)은 소택지와 같은 육상환경을 지시하는 화분 미화석(Ulmipollenties undulosus, I. hiatus 등)들을 보고하였다. 분지 진화과정에서 지구대 또는 반지구대 형태의 초기 육상 퇴적분지에서는 일반적으로 호수환경(lacustrine)이 발달되는 것으로 알려져 있다(Leeder and Gawthorpe, 1987). 따라서 탄성파상 S2와 대비되는 옥돔-1공의 점토층 우세 구간은 이러한 호수환경에서 형성되었을 가능성이 높은 것으로 추정된다. 그리고 분지 경계부에 인접하여 발달하는 전진 퇴적체는 단층면 또는 하천으로부터 유입된 퇴적물에 의하여 형성된 충적 선상지(alluvial fan)/충적 추(alluvial cone), 암설원추(talus cone), 그리고/또는 삼각주(delta)/선상지 삼각주(fan delta)가 형성되어 성장하는 과정에 의한 것으로 해석된다(Gawthorpe and Leder, 2000).

탄성파상 S3는 고진폭의 연속성이 좋은 반사면과 연속성이 불량한 중간 내지 낮은 진폭의 반사면들이 서로 교호하는 특징을 보인다(그림 11). 낮은 진폭을 갖는 반사면들은 일부 구간에서 하도로 추정되는 V형태의 침식구조가 나타나기도 한다. 탄성파상 S3는 주로 층단위 MS3에서 나타나지만 MS2와 MS4의 하부구간에서도 관찰된다(그림 12b~d). 이 구간에 대비되는 시추공자료에서는 주로 조립질 사암이 나타나고 일부 실트암과 점토암이 협재된 양상을 보인다(그림 4). 고생물로는 간헐적인 해수의 영향을 받는 해안환경을 지시하는 와편모조류 미화석들(Spiniferites ramosus ramosus, Cribroperidinium sp. 등)이 확인된다(Yun et al., 1999). 따라서 고진폭에 연속성이 좋은 반사면들은 주로 해안환경에서 집적된 조립질(사질) 퇴적층을 반영하는 것으로 해석되며, 이에 협재된 형태로 나타나는 낮은 진폭의 연속성이 다소 떨어지는 반사면들은 해안에 인접한 평원 지역의 범람원이나 습지에 쌓인 세립질 퇴적층을 지시하는 것으로 해석된다.

탄성파상 S4에서는 주변부보다 상대적으로 고진폭의 연속성이 좋은 반사면이 낮은 각도의 돔(dome)형태로 나타나며 상부에 작은 규모의 돌기(pinacle)들이 나타나는 특징을 보인다(그림 11). 대조적으로 표면의 강한 반사면 하부에는 반사면들이 나타나지 않는 탄성파 암영대가 나타난다(그림 12b). 탄성파상 S4는 층단위 MS1, MS2, MS3에 국부적으로 발달하지만, 연구지역 북부와 동부에서는 비교적 광범위한 분포로 나타난다. Cukur et al. (2010)은 연구지역에 나타나는 이와 같은 반사면의 특징을 마그마 관입에 의하여 형성된 화산암맥(volcanic sill) 또는 화산체(volacnic edifice)로 해석하였다. 일반적으로 마그마 관입체들은 높은 음향임피던스로 인해 그 표면이 고진폭의 연속성이 좋은 반사면으로 나타난다(Planke et al., 2000; Tomson and Hutton, 2004). 이러한 반사면 하부에 나타나는 탄성파 암영대는 하부로 전달되는 탄성파 에너지의 감쇠로 인한 것으로 해석된다.