Aims & Scope

부딘은 지층에 평행한 인장력에 의해 형성되는 신장구조로, 상대적으로 유동성이 낮은 지층들이 분리 또는 거의 분리되어 있는 특징을 보이며(e.g., Ramsay and Huber, 1987; Ghosh and Sengupta, 1999; Goscombe et al., 2004), 유사한 지질구조로는 부딘 같은 요소들이 가까스로 연결되어 있는 팽축구조(pinch-and-swell)가 있다(그림 1a).

Fig.1. 

(a) Geometry and descriptive terminology of pinch-and-swell and tapered boudin structures (modified from Fossen, 2010). (b) Various secondary or higher-order structures of folds. Z-, M-, and S-folds, local extensional and contractional structures could be developed along limbs or at hinge zones (modified from Fossen, 2010). (c) Progressively boudinaged folds along fold limbs.

부딘들 사이의 목에는 국부적인 습곡(neck folds; 그림 1a)이 발달할 수 있으며, 이는 부딘을 둘러싸고 있는 유동성이 높은 지층들의 휨작용에 의한 것이다(e.g., Fossen, 2010). 휨작용은 수동적인 습곡작용에 의한 변형기작으로, 다음에 다룰 일반적인 능동적 습곡작용과는 구별되는 국부적인 응력변형의 결과이다.

일반적인 능동적 습곡작용(또는 좌굴작용)은 층리에 평행한 압축력에 의해 지층이 수축될 때 발달한다(e.g., Biot, 1961; Ramsay, 1967; Hudleston and Lan, 1993). 습곡작용은 지층의 휘어짐뿐만 아니라, 습곡 내 다양한 소습곡 및 2차 지질구조를 발달시킨다(그림 1b).

습곡작용으로 휘어진 지층이 국부적으로 신장될 때에도 부딘이나 팽축구조가 발달할 수 있으며, 이 경우에는 습곡의 날개부에서만 단속적으로 발달하는 특성을 보인다(그림 1c). 이것은 원래 압축력의 방향과 평행했던 지층이 점차 인장력의 방향과 평행하게 회전됨으로써 최종적으로 지층이 신장된 것으로 해석할 수 있다(e.g., Ramsay, 1967; Holst and Fossen, 1987). 이는 부딘과 습곡이 동시에 형성될 수 있음을 보여주는 한 예로써, 이러한 점진변형에 의한 변형이력은 이 논문의 제4장에서 자세히 다루도록 하겠다.

전라남도 화순군 북면의 수리마을 도로 절개면에는 동일한 암층에 부딘과 습곡이 동시에 관찰된다. 조사지점 주변의 지질은 변성퇴적암류로 구성된 시대미상의 용암산층 및 설옥리층, 그리고 고생대 평안누층군과 결정질 응회암층이 남북방향으로 분포하고 있으며, 이들을 둘러싸는 화강암질암과 백악기 화산암류로 구성되어 있다(Kim and Park, 1966; Lee, 1992; 그림 2). 화강암질암과 결정질 응회암의 접촉부를 따라 남북방향의 우수향 주향이동 전단대가 발달하고 있으며, 전단대의 서측으로는 전단대와 평행한 방향의 엽리, 역단층, 습곡 등이 발달한다(그림 2).

Fig.2. 

Geological map around the study site in Hwasun, southwest Korea (modified from Lee, 1992).

단면노두 분석이 실시된 설옥리층은 탄산염암 및 탄산규산염암으로 대부분 구성되어 있고, 천매암질암 내지 운모편암과 렌즈상의 대리암이 협재되어 있다. 이 지층에는 엽리의 주향과 거의 평행한 부딘구조 및 층간 소습곡이 발달하는데, 이들은 평안누층군에서는 관찰되지 않아 평안누층군 이전 변형작용의 결과로 해석된 바 있다(Lee, 1992). 또한 이들은 남북방향의 전단운동 및 습곡축으로 대표되는 후기의 변형작용에 의해 재변형된 결과를 보인다.

부딘과 습곡이 동시에 관찰되는 단면노두에서는 비교적 옅은 회색의 대리암 지층이 응력변형의 최종상태를 잘 보여준다(그림 3a). 이 지층은 연속적인 형태보다는 여럿으로 분리되어 있는 것으로 보아 부딘작용을 겪었음을 알 수 있다(Lee, 1992). 휘어진 지층의 경우, 조사지점 주변에서는 대규모 전단대를 중심으로 습곡과 충상단층이 잘 관찰되는 것으로 보아 강한 전단운동 및 습곡작용을 겪은 것으로 판단된다.

Fig. 3. 

(a) Folded boudin trains on road-cut section. (b, c) Minor structures indicating shear sense along fold limbs. (d) Sketch of the folded boudin trains. Boudins at hinge zones commonly show folded pattern, while boudin blocks along limbs show stacked (or roof tile) patten.

먼저 습곡에 대해 살펴보면, 대략 북동 방향의 전향을 보이는 배사형 습곡으로 양쪽 날개부가 거의 평행에 가까운 등사습곡의 특징을 보인다(그림 3a). 옅은 회색을 띠는 대리암 지층을 기준으로, 층의 두께가 힌지대로 갈수록 얇아지는 반면 양쪽의 날개부에서는 비교적 두껍고 일정한 양상을 보인다. 이 지층 주위에는 조밀한 간격을 보이는 엽리들이 이 지층의 일반적인 방향성과 평행하게 발달하면서 휘어져 있다. 남서쪽 날개부 주위의 일부 엽리를 따라서는 전단운동을 지시하는 소규모 구조들이 관찰되며, 이들은 역단층성 전단운동을 지시한다(그림 3b, 3c).

다음으로 부딘의 발달형태를 살펴보면, 각각의 부딘들은 양쪽으로 갈수록 얇아지는 전형적인 (비스듬히 놓인) 렌즈상의 형태를 보인다. 가장 흥미로운 점 중 하나는 각 부딘 사이의 목을 뚜렷이 관찰 할 수 없다는 것으로, 대신에 각각의 부딘들이 꼬리를 갖고 서로 포개져 있는 양상을 보인다(그림 3d). 이는 주로 습곡의 남서쪽 날개부에서 잘 관찰되며, 체계적으로 아래쪽 부딘이 위쪽 부딘을 상대적으로 충상하는 역단층성 전단운동감각을 잘 보여준다. 이와는 대조적으로 습곡의 북동쪽 날개부에서 관찰되는 부딘의 포개짐은 정단층성 전단운동감각을 지시하고 있다. 습곡의 힌지부에서는 날개부와는 달리 각 부딘이 주로 휘어진 특성을 보인다(그림 3d).

부딘이 포개진 방향을 통해 추론할 수 있는 양쪽 날개부의 전단운동감각은 습곡축면을 기준으로 대칭적인 특성을 보이는데(그림 3d), 이는 전단운동이 습곡작용에 수반된 것임을 간접적으로 지시한다. 각각의 부딘 내에서 관찰되는 엽리들 또한 휘어져 있으며(그림 3d), 이는 습곡작용 또는 이에 수반된 전단운동이 상대적으로 후기에 발생하였다는 것을 지시한다.

강원도 정선군의 몰운대 인근에 위치한 한치마을 앞 하천에서 부딘과 습곡구조가 잘 관찰되는 두 개의 전석을 수집하여 분석을 실시하였다. 이 지역 주변의 지질은 조선누층군에 속하는 지층들과 후에 이를 관입한 화강암류 및 맥암류로 주로 구성되어 있다. 이 지역에 분포하는 조선누층군은 선캠브리아기의 변성퇴적암류를 부정합으로 덮고 있는 장산규암을 기저로 하여 묘봉층과 풍촌석회암층 등으로 이루어져 있다. 전석들은 암회색을 띄며 1~5 cm 두께의 석회암층을 협재하고 있어 주변의 조선누층군 암석을 모암으로 하는 것으로 판단된다(그림 4, 5).

Fig. 4. 

(a) Folded boudin trains on a loose rock fragment, Jeongseon, northeast Korea. (b) Sketch of the folded boudin trains. Boudins are commonly stacked along the limbs of asymmetric (S-)folds. (c) Stacked patterns indicate left-lateral shear sense along the longer limbs. (d) Shorter limbs show right-lateral shear sense and boudins are commonly folded at hinge zones. (e) Anticlockwise rotation of a boudin block associated with left-lateral shear accompanied by folding.

Fig. 5. 

(a) General view and (b) sketch of the folded pinch-and-swell (or boudin) structures on a loose rock fragment, Jeongseon, northeast Korea. Pinch-and-swells at hinge zones are characterized by folded patterns, while stacked patterns of boudin are dominant along the fold limbs (particularly, rooftile pattern in lower left corner).

그림 4a 전석에는 비교적 옅은 회색의 석회암층들이 분리되어 있음과 동시에 관찰면 상에서 누워있는 S자 형태의 비대칭 습곡이 발달한다. 분리된 층들은 대부분 렌즈상의 형태를 보이며, 따라서 부딘 내지 팽축구조가 발달했던 것으로 판단된다. 부딘의 종횡비(aspect ratio: 부딘의 상하 두께에 대한 좌우 폭의 비율)는 비교적 큰 편이고, 일부 부딘들 사이에는 부딘 목이 발달하기도 하지만 대부분 포개져 있다(그림 4b, 4c).

부딘이 서로 겹쳐진 형태는 습곡의 날개부에서 주로 관찰되는데, 겹쳐진 방향은 체계적으로 양쪽 날개부에서 정반대로 나타난다. 즉, 긴 날개부에서는 상대적으로 오른쪽에 놓인 부딘이 왼쪽 부딘의 위쪽에 포개져 있는 반면에(그림 4c), 짧은 날개부에서는 왼쪽 부딘이 오른쪽 부딘의 위쪽에 포개져 있다(그림 4d). 이는 관찰면을 수평면으로 가정했을 때, 긴 날개부를 따라 좌수향, 짧은 날개부를 따라 우수향의 전단운동감각을 지시하는 것으로, 습곡축면을 기준으로 대칭적이다. 일부 부딘은 회전된 특성을 보이며, 이 또한 포개진 형태를 통해 유추한 전단운동감각과 동일한 전단운동감각을 지시한다(그림 4e).

습곡의 힌지대에서 관찰되는 부딘은 날개부와 유사하게 겹쳐져 있는 양상을 일부 보이기도 하나, 각각 분리된 부딘 자체가 휘어져 있는 특성을 보인다(그림 4d). 이와 같은 기하학적 분석결과는 앞서 언급한 단면노두와 거의 유사하며, 따라서 부딘이 형성된 이후 전단운동을 수반한 습곡작용으로 인해 휘어지거나 포개진 것으로 판단된다.

그림 5a 전석에서는 흰색 석회암층의 두께 변화 및 분리되거나 휘어진 특징을 통해 팽축구조 내지 부딘뿐만 아니라 S자 형태의 비대칭 습곡이 발달함을 알 수 있다. 이곳에서의 팽축구조는 주로 서로 겹쳐진 특성을 보이며, 특히 좌측 하단부에는 소규모 부딘들이 서로 포개진 형태를 보인다(그림 5b). 비대칭습곡의 전향이나 팽축구조가 포개진 형태를 통해 주로 좌수향의 전단운동감각을 확인할 수 있다. 단, 전석 내 가장 위쪽의 두꺼운 흰색 지층은 향사형 습곡형태를 보이는데, 양쪽의 날개부에서 팽축구조들은 서로 다른 방향으로 포개져 있으며, 이를 통해 유추한 전단운동감각은 습곡축면을 기준으로 대칭적이다(그림 5b). 이를 통해 양쪽 날개부를 따른 서로 다른 운동감각의 전단운동을 추론할 수 있으며, 따라서 이러한 분석결과는 이미 형성된 팽축구조가 이후에 습곡작용 및 이에 수반된 전단운동을 겪었음을 지시한다.

단면노두 및 전석에서 관찰되는 부딘과 습곡의 발달특성에 대한 기하학적 분석 결과, 일부 공통적이고 특징적인 발달형태를 다음과 같이 확인하였다. 첫 번째로, 최종적인 구조에서는 각 부딘 사이의 목이 잘 관찰되지 않지만, 자세히 관찰하면 대부분의 부딘들이 목부분에서 접혀져 서로 포개져 있는 형태를 보인다. 단, 습곡의 날개부에서는 포개진 양상이 뚜렷한 반면 힌지대에서는 각 부딘이 휘어진 형태를 보인다. 두 번째로, 부딘이 포개진 형태와 방향을 통해 습곡 날개부에서의 전단운동을 추론할 수 있다. 특히 양쪽 날개부에서 관찰되는 전단운동감각 및 소습곡들이 습곡축면을 기준으로 대칭적인 것으로 보아, 이러한 전단운동은 능동적 습곡작용에 수반되어 일어났음을 알 수 있다(그림 1b).

이러한 특성은 부딘과 습곡이 형성된 상대적인 선후관계를 잘 보여준다. 다시 말해 부딘이 형성된 이후 광역적인 습곡작용 및 이에 수반된 비대칭습곡 또는 전단운동을 겪었음을 지시하며, 이는 결국 습곡된 부딘이라는 것을 의미한다.

비안정상태의 점진변형 동안에 다양한 변형이력을 보이는 응력변형이 발생할 수 있다. 그림 6a는 최종응력변형타원 및 순간응력변형타원 간에 순간신장축이 회전하는 비안정상태 변형의 예를 보여준다(Twiss and Moores, 2007). 최종응력변형타원 내 각 영역은 변형 전 상태에서는 모두 같은 길이인 임의의 기준선들에 대한 길이변화를 통해 신장영역(L: lengthening)과 수축영역(S: shortening)으로 구분된다. 이는 변형이력 중 한 시점에서의 응력변형을 의미하는 순간응력변형타원에서도 유사하게 관찰되는데, 단 신장 및 수축영역 은 특정 시점에서 기준선들이 신장 또는 수축되고 있음을 의미할 뿐, 변형 전 상태와 최종변형의 상대적인 차이를 뜻하지는 않는다.

Fig. 6. 

Various deformation histories during non-steady state progressive deformation (modified from Twiss and Moores, 2007). (a) Combination of the two sets of sectors; pre-existing homogeneous and instantaneous strain ellipses. Radial material lines have been lengthened [L] or shortened [S] by the deformation, and are being lengthened or shortened . (b) Histories of progressive deformation for competent layers oriented within the different sectors.

변형이력의 기준이 되는 일부 임의의 선들은 최종 및 순간응력변형타원에서 다른 영역에 포함될 수 있다(그림 6a). 이러한 결과는 한 번의 변형단계 동안에도 계속적인 신장 이나 수축 뿐만 아니라, 수축되고 있으나 이전의 신장으로 인해 여전히 신장되어 있거나 , 신장되고 있으나 이전의 수축으로 인해 여전히 수축상태로 남아 있음 을 보여준다. 이와 같은 다양한 변형이력에 대해, 기준선의 신장은 지층의 부딘으로 나타나고 수축은 습곡으로 표현될 수 있다(그림 6b). 다시 말해 비안정상태 변형모델에서는 한 번의 변형단계 동안에도 한 지층에서 부딘, 습곡, 부딘된 습곡, 습곡된 부딘이 모두 이론적으로 형성될 수 있다(e.g., Ramsay, 1967; Twiss and Moores, 2007).

안정상태 변형에서의 점진변형 특성을 알아보기 위해, 순수전단과 단순전단 동안 발생할 수 있는 변형이력모델을 그림 7에 나타내었다. 두 경우에서, 변형 전 상태에서는 같은 길이인 모든 선들은 각각의 원래 방향에 따라 다양한 변형이력을 경험할 수 있다(Ramsay, 1967; Twiss and Moores, 2007; Fossen, 2010). 일부 선들은 계속적인 신장을 겪는 반면 다른 일부의 선들은 수축만을 겪을 수 있다. 나머지 일부는 수축되다가 신장되면서 최종적으로 변형 전의 길이보다 짧거나 길게 변형될 수 있으며, 후자의 경우 신장영역(즉, 그림 7a, c의 영역 중 점선으로 경계 지어진 비교적 밝은 색의 영역)에 속하게 된다. 이와 같은 예로 그림 1c의 부딘된 습곡을 들 수 있으며, 습곡의 힌지대에서는 습곡작용이 계속 일어나는 반면 날개부에서는 수축되던 지층의 회전에 의해 부딘이 형성될 수 있음을 잘 설명해준다.

이러한 변형이력의 다양성은 응력조건 및 순간신장축에 대한 지층의 방향성에 좌우되며, 부딘, 습곡, 부딘된 습곡과 같은 매우 다양한 지질구조가 한 지층에서 발달할 수 있음을 보여준다(그림 7b, 7d). 그러나 지층들이 수축에서 신장의 영역으로만 회전하고 그 반대는 일어나지 않기 때문에, 일반적으로 습곡된 부딘은 안정상태의 점진변형 동안에는 형성될 수 없다(e.g., Passchier, 1997; Goscombe et al., 2004).

Fig. 7. 

Various deformation histories during progressive pure (a~b) and simple (c~d) shear (modified from Twiss and Moores, 2007). Note that both cases are end-members of steady-state deformation, which means no rotation of instantaneous strain axes. (a, c) Various sectors indicating different deformation histories. (b, d) Structures developed in competent layers within each sectors. There is no sector in both cases, and this indicates that any layers can NOT be folded boudin during the steady-state progressive deformation.

이러한 안정상태 변형모델의 결과는 비안정상태의 점진변형모델에서는 습곡된 부딘이 형성될 수 있다는 점에서 차이를 나타낸다. 비록 자연상태에서는 비안정상태 변형이 일어날 수 있으나(그림 6), 많은 경우에 여러 유동요소에 대한 정보를 획득하고 인지하기가 어렵다. 따라서 변형이력의 재구성 및 응력변형 모델에 있어 거의 대부분은 순간신장축과 같은 유동요소가 일정하게 유지되는 안정상태 변형이 가정된다(Twiss and Moores, 2007; Fossen, 2010). 결론적으로 습곡된 부딘의 경우, 항상은 아니지만, 부딘이 형성된 뒤 이후의 다른 변형단계 동안 또 다른 변형작용이 중복되어 기록된 것으로 해석 할 수 있다(Passchier, 1997; Goscombe et al., 2004; Fossen, 2010; 그림 7).