Aims & Scope

지각을 구성하는 다양한 암석을 대상으로 한 전단실험을 통해 얻어진 마찰계수는 대개는 0.6‒0.8의 범위로 나타나지만, 자연 단층암의 마찰계수는 이보다 훨씬 낮은 값을 갖는 경우도 많이 보고되었다(Byerlee, 1978; Bos and Spiers, 2002; Holdsworth, 2004). 가령 미국의 산안드레아스 단층을 대상으로 한 심부단층관측소(SAFOD; San Andreas Fault Observation at Depth) 프로젝트의 결과에 따르면 지하 3‒4 km 깊이에서 채취한 단층암은 실제 매우 약한 마찰강도를 가지는 것으로 보인다(Moore and Rymer, 2007; Carpenter et al., 2011; Lockner et al., 2011; Carpenter et al., 2012). 또한 저각의 정단층(LANFs, Low Angle Normal Faults)을 대상으로 한 여러 연구들에서도 전단변형의 결과로 판상의 점토광물이 서로 연결된 엽리 구조가 발달함에 따라 단층의 마찰강도가 매우 낮아질 수 있음이 보고되었다(Collettini et al., 2009; Smith and Faulkner, 2010; Haines et al., 2014). 이상의 연구들을 종합해보면, 단층암을 구성하는 물질은 단층의 역학적 거동특성을 결정하는 본질적인 원인 중 하나이며, 특히 다량의 점토광물을 포함하는 단층비지는 매우 낮은 전단강도를 가짐을 알 수 있다(Morrow et al., 2000; Numelin et al., 2007; Ikari et al., 2011; Ikari et al., 2014). 한편, 위에서 언급한 판상광물과 같이 근원적으로 약한(intrinsically weak) 물질을 많이 포함하는 단층일지라도 그 단층의 발달 초기에는 현재와는 다른 물질과 역학적 특성을 가졌을 가능성이 있다(Chester and Logan, 1986). 즉, 단층이 최초로 만들어져서 미끌릴 당시에는 단순히 모암이 분쇄된 단층암이 만들어질 것이지만, 그 이후에는 열수와 같은 유체와의 반응에 의해 이차적으로 점토광물이 형성되면서 단층암의 광물조성은 점차 변화할 수 있다. 따라서, 단층 형성 초기부터 현재까지 진화해오는 동안 단층암은 어떠한 물질적 변화를 겪고 그에 따라 단층의 역학적 특성은 어떻게 변화할 수 있는지에 대한 이해가 필요하다.

본 연구에서 우리는 단층암 물질 조성의 변화가 단층의 미끌림 거동의 변화를 가져오는 지를 확인하기 위하여 세 가지 접근을 통해 모암과 단층비지를 비교하고 분석하는 연구를 실시하였다: 1) 물질 분석을 통해 모암과 단층비지의 광물조성을 비교하였다; 2) 전단실험을 통해 두 물질의 마찰강도, 마찰안정성 및 마찰회복과 관련한 특성들을 알아보았다; 3) 모암과 단층비지 그리고 자연 단층암과 실험 시료에서 관찰되는 미구조를 관찰하였다. 이상의 연구에서 나온 결과를 토대로 우리는 단층암의 물질 변화가 단층의 역학적 특성에 극적인 영향을 미칠 수 있음을 보고하고자 한다.

본 연구는 단층 발달 초기로부터 시간이 지남에 따라 단층 물질이 변화하게 되면서 마찰 특성이 어떻게 달라질 수 있는가를 확인하기 위하여 수행되었다. 동일한 조건(수직응력, 전단속도, 시료의 포화상태 등)에서 실험을 실시한 결과, 단층 발달 초기 단계 물질을 모의한 모암분말 시료(B16-W와 B18-W)에 비해 일라이트와 녹니석 등의 점토광물을 다량으로 포함한 단층비지 시료(B16-G와 B18-G)의 마찰강도가 현저히 낮음이 관찰되었다. 이는 그 시료들의 차이, 즉 비점토광물과 점토광물의 함량의 차이에 기인한 것으로 보인다(그림 3; 표 1). 기존 연구들에 따르면 층상 규산염광물인 점토광물은 석영, 장석과 같은 비점토광물에 비해 마찰강도가 낮아서(Morrow et al., 2000; Ikari et al., 2011), 그 함량이 높을수록 단층비지의 마찰강도를 떨어뜨리는 역할을 하는 것으로 알려져 있다(Takahashi et al., 2007; Tembe et al., 2010). 이는 단층비지 내에 판상의 점토광물이 많으면 비점토광물들로 이루어진 암편들간에 응력이 집중되어 파쇄가 발생하며 미끄러지기보다는 점토광물들이 특정 방향으로 정향배열하고 서로 연결되어 미끄러지게 되는 것과 관련이 있어 보인다. 이러한 해석은 전단실험 후 회수한 모암분말과 단층비지시료의 미구조를 비교했을 때, 단층비지 시료에서만 엽리 구조가 현저하게 발달함이 관찰된다는 점에 근거한다. 이는 또한 엽리 구조가 잘 연결된 상태로 발달한 자연 단층암이 매우 낮은 마찰강도를 갖는다는 기존 연구 결과와도 부합된다(Collettini et al., 2009). 반면, 석영과 장석 등의 비점토광물 함량이 우세한 모암분말 시료인 B16-W의 경우, 실험 중 상당한 입자 파쇄가 일어났음을 지시하는 구조가 관찰된다(그림 9a). 이 시료의 경우 점토광물의 함량은 3.4 wt%에 불과하므로 점토광물들이 잘 연결된 정향배열 구조를 만들기 보다는 비점토광물 암편들 간의 접촉이 훨씬 우세한 상태에서 파쇄 유동(cataclastic flow)을 동반한 미끌림이 발생한 것으로 해석할 수 있다. Takahashi et al. (2007)에 따르면, 단층비지 내 점토광물의 함량이 ~20 wt% 이하의 경우는 마찰강도에 큰 영향을 주지 않지만, 50 wt% 이상부터는 상당한 마찰강도의 감소를 유발할 수 있는 것으로 보인다. 따라서 모암분말 시료인 B16-W와 B18-W의 경우, 점토광물이 각각 ~3 wt%와 ~17 wt%인 점으로 볼 때 점토광물의 존재가 단층비지의 미끌림에 큰 기여를 하지못한 반면, 석영, 장석과 같은 비점토광물로 이루어진 암편들의 파쇄 및 미끌림이 주로 발생하면서 높은 마찰강도(μ~0.7)를 갖게 된 것으로 보인다.

마찰안정성과 마찰회복률의 측면에서 볼 때, 모암분말 시료의 경우 지진성 단층 미끌림의 발생을 지시하는 속도 약화(velocity weakening; a‒b < 0) 거동과 함께 높은 마찰회복률을 보이는 반면, 점토광물을 다량 포함하는 단층비지 시료는 지진을 동반하지 않는 안정한 미끌림과 낮은 마찰회복률을 보일 것을 지시한다. 다시 말하면 점토질 단층비지가 미끌릴 경우 마찰강도가 낮기 때문에 작은 전단응력에도 쉽게 미끌림이 개시 될 수 있지만, 단층의 미끌림이 개시된 후에는 안정한 미끌림 거동을 보일 것이고, 마찰회복률도 낮기 때문에 응력의 큰 상승과 해방의 가능성은 높지 않을 것으로 해석된다. 반면 점토광물의 함량이 미미한 발달 초기 단계의 단층의 경우 미끌림이 개시되기 위해서는 상대적으로 큰 전단응력이 필요하지만, 일단 미끌림이 개시되면 지진성 미끌림의 발생으로 이어질 수 있으며 높은 마찰회복률로 인해 응력의 빠른 재상승이 가능할 것으로 예측할 수 있다. 이는 산안드레아스 심부단층 관측소 프로젝트를 통해 회수된 지하 3‒4 km에서 채취한 파쇄암과 단층비지 시료로부터 얻은 마찰안정성 및 마찰회복 실험 결과와 유사하며, 점토광물과 같은 판상광물을 다량 포함하는 단층핵의 비지에서는 안정한 미끌림 거동(creep)이 관측되고, 지진은 주변 손상대 내 물질에서 발생된다는 관측 결과와도 부합한다(Carpenter et al., 2012).

이번 연구 결과는 시간에 따라 단층 물질이 변화함으로 인해 단층의 역학적인 거동이 완전히 바뀔 수 있다는 점을 보여준다. 점토광물의 발달이 미약한 단층에서는 불안정한 미끌림 거동이 예상되지만 점토광물을 다량으로 포함하는 단층비지로 변한 경우에는 안정한 미끌림 거동을 보일 것으로 예측할 수 있다. 아울러 현재의 점토질 단층비지도 이후 유체로부터의 광물침전 등으로 고결되거나 광물조성이 바뀌는 등의 변화를 겪으면 현재와는 다른 마찰특성을 보일 수 있음을 예상할 수 있다.

그렇다면 점토질 단층비지가 발달하는 지각 천부의 단층에서는 항상 안정한 미끌림만 발생하는 것인가? 이와 관련하여 최근의 Tanikawa and Shimamoto (2009)와 Noda and Lapusta (2013)의 연구 결과는 주목할 만 하다. 그들은 1999년 대만의 치치(Chi-Chi) 지진(M_w 7.6)과 2011년 일본의 도호쿠-오키(Tohoku-Oki) 지진(M_w 9.0)의 사례를 분석하여, 깊은 곳에서 개시된 단층 파열과 미끌림이 점토질 단층비지가 발달한 지각 천부 단층으로 전파될 경우, 점토질 단층비지가 저속의 전단실험에서는 안정한 미끌림을 지시하는 속도 강화(velocity strengthening, a‒b > 0) 거동특성을 보임에도 불구하고 그 영역을 따라서 빠르고 큰 변위가 발생할 수도 있음을 제안하였다. 이는 저속에서는 안정한 미끌림을 보이는 물질이라 하더라도 고속으로 미끌릴 경우 동적단층강도약화(dynamic fault weakening) 메커니즘(Rice, 2006; Di Toro et al., 2011)의 작동으로 인해 마찰강도가 급격히 감소하여 단층의 미끌림이 매우 불안정해질 수 있음을 의미한다. 실험 단층에서와는 달리 자연의 단층비지에서 잘 관찰되는 PSZs는 이와 같이 고속 미끌림이 점토질 단층비지를 따라 발생하는 과정에서 형성되었을 가능성이 있다. 이를 확인하기 위해서는 이번 연구에서 사용된 시료를 대상으로 ~1 m/s의 고속 미끌림 속도에서의 전단실험을 실시하고 실험 후 시료의 미구조를 자연 단층비지의 그것과 비교하는 연구가 필요하다.

기존 연구들을 통해 밝혀진 단층 물질의 마찰특성은 단층의 역학적 거동을 정량적으로 해석하고, 이해하는데 있어 중요한 결과이다. 산안드레아스 심부단층 관측소 프로젝트와 같은 육상 시추을 통해 얻은 단층 물질을 보면, 적어도 우리가 지표 노두에서 관찰하는 단층 물질이 지하 3‒4 km까지는 거의 동일하게 존재하기 때문에 그 정도의 깊이에 존재하는 단층(혹은 보다 심부까지 연장되는 대규모 단층의 일부분으로서 그 정도의 깊이에 해당하는 부분)에 대해서는 지표 단층 물질을 이용하여 실험한 결과를 자연 단층의 이해를 위해 이용할 수 있다고 볼 수 있다. 이런 측면에서 볼 때, 이번 연구의 결과는 대규모 지진이 발생하는 깊이(~5‒15 km)에서의 단층 미끌림의 시작 과정을 이해하는 데에는 한계가 있지만 지각의 가장 천부(>5 km) 단층의 거동을 이해하는 데 있어서는 의미 있는 정보를 제공한다.

• 1) 물질분석 결과, 모암분말 시료에는 석영, 장석과 같은 비점토광물이 우세하고 점토 광물(일라이트, 녹니석)의 함량이 3.4‒17.3 wt%인 반면, 단층비지 시료는 점토광물의 함량이 약 60 wt%로 모암분말 시료에 비해 단층비지 시료에서 점토광물의 함량이 우세하게 나타났다.
• 2) 모암분말 시료(B16-W와 B18-W)의 마찰계수는 약 0.7인 반면, 단층비지 시료(B16-G와 B18-G)의 마찰계수는 모암분말 시료보다 훨씬 낮은 ~0.23‒0.27로 측정되었다.
• 3) 마찰안정성과 마찰회복 실험에서 모암분말 시료는 속도 약화 거동(a‒b < 0)과 높은 마찰회복률을, 단층비지 시료는 속도 강화 거동(a‒b > 0)과 낮은 마찰회복률을 보였다.
• 4) 자연 단층암과 전단 실험 후 회수된 시료의 미구조 분석결과, 점토광물의 함량이 높을수록 그것들이 정향배열하고 잘 연결된 구조가 현저히 발달하는데 이것이 점토질 단층비지 시료의 마찰강도가 낮은 이유인 것으로 보인다.
• 5) 이상의 결과는 시간에 따라 단층 물질이 변화하면 단층의 역학적 거동특성이 극적으로 바뀔 수 있음을 지시한다. 모암의 단순 분쇄 물질로 이루어진 초기 단층이 높은 마찰강도를 갖고 불안정한 미끌림 거동을 보이는 것과 달리 점토질 단층비지 발달한 단층은 낮은 마찰강도를 가지며 안정한 미끌림 거동과 함께 낮은 마찰강도 회복 특성을 보일 수 있다.