Aims & Scope

최근 정밀 조사된 대부분의 주향이동성 지표파열은 단층을 따른 단순한 일직선적 형태가 아닌 매우 복잡한 형태를 보인다(Haeussler et al., 2004; Klinger et al., 2005; Xu et al., 2006; Choi et al., 2012; Teran et al., 2015). 대표적인 예로 1) 주단층을 따른 지표파열의 안행상 배열(en-echelon array), 주향 변화, 계단식 배열, 2) 가지단층(branch fault)을 따른 지표파열, 3) 단층 주변 지역에서의 지표균열과 같은 2차적인 지표변형(i.e., off-fault damage or deformation) 등이 있다. 지표파열의 기하학적 복잡성은 수 m에서부터 수십 km의 길이에 달하는 거의 모든 축척에서 관찰되는데, 일반적으로 주단층을 따른 지표파열의 변위분포와 밀접한 공간적 상관성을 보인다(Kim and Sanderson, 2004; Klinger et al., 2005; Choi et al., 2012; Vallage et al., 2015). 즉 주어진 지표파열을 따라 비교적 복잡한 기하를 보이는 지점에서 국지적인 변위의 감소가 발생하는 것이다. Milliner et al. (2016)은 미국의 Eastern California 전단대에서 발생한 1992년 Landers 지진(M_W 7.3)과 1999년 Hector Mine 지진(M_W 7.1)에 수반된 지표파열 및 지진동시성 변위분포를 분석하였고(see locations in Figure 3a), 이를 통해 국지적으로 변위가 줄어드는 단층구간이 2 km 이상인 경우에는 변위의 감소가 주로 단층의 1차적인 분절시스템에 기인한 반면 변위감소 구간이 그 이하일 경우에는 각 단층분절 내에 존재하는 보다 작은 규모의 기하특성에 기인한 것임을 보고하였다(그림 5). 또한 약 20 km의 거리를 두고 서로 평행하게 발달하는 이들 두 단층이 동일한 단층시스템에 속한다는 점을 바탕으로, 상대적으로 단층의 최종변위가 크고 지표파열의 형태가 단순한 Hector Mine 지진지표파열을 따라 변위의 변화가 드물게 나타나는 것에 주목하였다. 이는 단층의 진화정도(또는 구조적 성숙도; structural maturity)가 지표파열을 따른 변위의 변화양상(i.e., along-fault slip variation)에 영향을 미칠 수 있다는 주장과 일치한다(Kim and Sanderson, 2004; Manighetti et al., 2007; Perrin et al., 2016).

Fig. 5. 
Correlation of along-fault slip variation to geometric complexity of earthquake surface ruptures (from Milliner et al., 2016). Slip profiles for (a) the 1992 Landers and (b) the 1999 Hector Mine earthquake surface ruptures (see locations in Fig. 3a), where colored lines indicate individual fault slip profiles. Below slip profiles, fault traces were mapped by high-resolution imagery correlation (where colored traces correspond to individual colored slip profiles above) as well as in the field immediately following the earthquakes (red lines). Star locates earthquake epicenter.

지진파열이 진원(earthquake origin)으로부터 시작되어 기존에 존재하고 있는 단층을 따라 전파됨을 고려할 때, 지표파열의 양상(기하학적 복잡성) 및 변위분포의 특성(변위의 집중 또는 분산)은 크게 1) 단층을 둘러싸고 있는 매질, 즉 지표지질의 특성과 2) 단층에 내재된 속성에 기인한 결과라 할 수 있다. 전자의 경우 일반적으로 미고화된 퇴적층 및 영구동토층(또는 빙하)의 존재여부와 두께 변화, 또는 낮은 봉압(confining pressure)에서의 자유표면효과(free surface effect)에 의해 영향을 받는다(e.g., Sibson, 2003; Vallage et al., 2015). 한편 지표파열 형태에 영향을 미칠 수 있는 단층요소로는 단층의 종류, 주로 기반암의 종류에 의해 달라지는 단층암의 내부특성, 응력의 불균형을 유발시키는 분절시스템과 가지단층, 그리고 단층손상대(fault damage zone) 등이 있다. 이러한 단층요소들은 3차원 지질구조인 단층대 내부구조(fault zone architecture)와 관련되어 있기 때문에, 지표자료만을 통해 각 단층요소와 지표파열 형태의 상관성을 파악하는 것은 다소 제한적일 수 있다. 이러한 한계점은 단층의 세부적인 속성을 반영한 컴퓨터 모델링 연구를 통해 보완되고 있다(Harris and Day, 1993, 1999; Poliakov et al., 2002; Kame et al., 2003; Duan and Oglesby, 2006; Oglesby and Mai, 2012).

단층의 분절시스템은 지진파열의 특성을 이해하기 위한 가장 핵심적인 단층요소 중 하나이다. 다만 대규모 지진으로 인한 지진재해의 평가측면에서 주어진 활성단층에 대한 최대규모(또는 지진원 규모)의 단층 분절화(seismogenic-scale fault segmentation)를 규명하는 것이 중요하다(Klinger, 2010). 즉 거의 모든 규모에서 관찰되는 단층의 구조적 분절(structural segment) 중에서 지진파열의 거동에 영향을 미칠 수 있는 지진학적 분절(seismic segment)을 구분할 필요가 있다. 이는 주로 지진원 규모의 분절경계부가 개별적인 대규모 지진파열의 개시, 전파 및 확장, 종결 등에 큰 영향을 미치며, 대개 이러한 경향이 여러 번의 지진이 반복되는 동안 지속되기 때문이다(Segall and Pollard, 1980; King and Nabelek, 1985; Klinger, 2010). 따라서 이 논문에서도 주로 단층분절의 최대규모와 관련된 지진파열의 거동특성에 대해 심도 있게 다루었으며, 여기서 ‘분절경계부(inter-segment zone)’라는 용어는 지진원 규모에 해당하는 두 단층분절 사이의 경계부를 의미한다.

지표파열의 분절시스템은 주로 1) 단층의 주향변화와 관련된 단층굴곡(fault bend), 2) 서로 평행한 두 단층분절의 계단식 배열(fault jog): 두 단층분절의 분리 내지 연결 여부에 따라 계단식 분절(fault step) 또는 연속굴곡(fault double-bends)으로 구분됨, 3) 가지단층의 분기점(branch point), 4) 다른 단층과의 교차점(intersection point), 또는 이들이 결합된 형태 등을 기준으로 구분될 수 있다. 일반적으로 분절경계부에서는 단층의 운동감각(slip sense)을 비롯한 주향의 변화방향, 이웃한 단층분절의 배열방향, 주단층과 가지단층의 각관계 등과 같은 단층 기하특성에 따라 국지적인 인장 내지 압축 변형구조(e.g., pull-apart basin, pressure ridge)가 발달한다. 앞서 간략히 언급한 바와 같이, 지진원 규모의 단층 분절시스템은 지표파열을 따른 지진동시성 변위분포의 장파장 변동(long-wavelength variation)과 관련되며, 대표적인 예를 몇 개 들면 1987년 M_W 6.6의 미국 Superstition Hills 지진(Sharp et al., 1989), 1997년 M_W 7.2의 이란 Zirkuh 지진(Berberian et al., 1999), 1999년 M_W ≥ 7.2의 터키 Izmit - Duzce 연쇄지진(Lettis et al., 2002; Duman et al., 2005), 1957년 M_W 8.1의 몽골 Gobi-Altay 지진(Choi et al., 2012) 등이 있다(그림 6a - c). 판 내부 주향이동단층에 속하는 각 단층분절의 최대지표길이는 취성변형작용이 발생하는 상부지각의 두께와 유사하며, 지진원 깊이에서도 대개 25 km를 초과하지 않는 것으로 보고된 바 있다(Klinger, 2010; 그림 6d, 6e). 단층의 분절화는 역단층이나 정단층에 비해 주향이동단층에서 더욱 뚜렷하게 관찰되는데, 이는 지진파열의 전파 및 확장이 변위와 평행한 수평방향으로 우세하게 진행되고 이로 인해 이웃한 단층분절로의 응력에너지 전달이 비교적 용이하기 때문이다(Shaw and Scholz, 2001).

Fig. 6. 
Segment geometry and slip distribution along surface ruptures associated with (a) the 1987 M_W 6.6 Superstition Hills earthquakes (modified from Sharp et al., 1989), (b) the 1997 M_W 7.2 Zirkuh earthquake (modified from Berberian et al., 1999), and (c) the 1957 M_W 8.1 Gobi-Altay earthquake (modified from Choi et al., 2012). Star locates earthquake epicenter. (d) The inverse of the slope of the best fit line between the number of segments and the total length of a rupture gives the average length of segment for the data set (from Klinger, 2010; K: Korizan, SH: Superstition Hills, HM: Hector Mine, La: Landers, OV: Owen Valley, Z: Zirkuh, Lu: Luzon, Ko: Kokoxili, GA: Gobi Altay, H: Haiyuan earthquakes). (e) Maximum horizontal extent of slip‐patches measured from slip inversion maps for 18 strike-slip earthquake events (from Klinger, 2010; 1: Gifunken Chubu, 2: Izu Hanto Oki, 3: Oitaken Chubu, 4: Imperial Fault, 5: Izu Hanto Toho, 6: Nagano Ken Seibu, 7: Elmore ranch, 8: Superstition Hills, 9: Joshoa Tree, 10: Landers, 11: Kobe, 12: Antarctica, 13: Duzce, 14: Hector Mine, 15: Izmit, 16: Tottori, 17: Denali, 18: Kokoxili earthquakes).

단층의 계단식 분절경계부는 지진파열의 전파 및 확장을 방해하는 ‘장벽’역할을 하는 것으로 알려져 있다(earthquake barrier model; Aki, 1979; Scholz, 2002; Jin and Kim, 2010; Choi et al., 2012). 즉 하나의 단층분절에서 시작된 지진파열이 분절경계부(i.e., barrier)를 통과함으로써 이웃한 단층분절로 확장된다는 개념으로, 분절경계부에서의 변위감소 및 이와 관련된 2차적인 지표변형(e.g., secondary surface rupture, off-fault ground cracks)은 해당지점에서 지진파열의 전파가 원활하지 못했다는 의미로 해석될 수 있다. 또한 이 이론적 모델은 비교적 많은 지진파열이 분절경계부에서 종결되는 현상을 뒷받침한다(Sibson, 1985; Barka and Kadinsky-Cade, 1988; Knuepfer, 1989). Wesnousky (2006)는 각각 약 10 - 420 km의 길이를 보이는 총 22개의 주향이동지진 지표파열을 대상으로 지진파열의 종결지점을 분석한 결과, 전체의 2/3에 해당하는 종결지점이 단층의 분절경계부임을 보고하였다(그림 7). 특히 두 단층분절 사이의 거리가 3 - 4 km 이상인 경우 모든 지진파열이 종결된 반면 그 이하인 경우 약 40%의 지진파열이 종결된 점에 주목하였다. 또한 지표파열의 총 길이와 무관하게 비교적 공통된 결과가 도출된 점을 바탕으로, 지진파열의 전파방향을 기준으로 파열전면부(rupture front tip)의 응력변화 크기는 지진파열이 전파 및 확장되어 온 거리에 상관없이 비교적 유사하다고 해석하였다.

Fig. 7. 
Relationship of geometrical discontinuities along fault to the endpoints of historical strike-slip earthquake ruptures (from Wesnousky, 2006). The earthquakes are ordered by increasing rupture length. Symbols along the vertical line represent dimension of discontinuities within and at endpoints of each rupture. See text for details.

단층의 진화 기작에 관한 가장 타당성 있는 이론 중 하나는 이웃하는 두 단층분절의 “연결”이다(e.g., Peacock and Sanderson, 1991; Cowie and Scholz, 1992; Walsh et al., 2003; Kim and Sanderson, 2005). 이는 단층의 구조적 성숙도에 따라 분절경계부의 연결성(connectivity)이 변하는 것을 의미하는 것으로, 결국 단층의 진화는 지진파열의 전파와 확장에 영향을 미칠 수 있다(Manighetti et al., 2005; Soliva et al., 2008). 일반적으로 진화 초기의 분절경계부는 비교적 높은 밀도의 2차적인 지표변형이 발달하는 복잡한 기하의 분산변형(distributed deformation)을 보이는 반면 단층이 진화할수록 두 단층분절의 연결성이 양호해짐에 따라 비교적 단순한 기하의 집중변형(localized deformation)을 보인다. 전자의 경우 가장 대표적인 예로써, 단층의 계단식 분절에 의해 주단층을 따른 변위는 감소하고 국지적인 인장 또는 압축변형과 관련된 경사이동 단층운동이 발달한다(Choi et al., 2012). 후자의 경우에는 대표적인 예로 단층의 연속굴곡, 즉 두 단층분절을 잇는 연결단층(connecting fault)이 발달한 형태를 들 수 있는데, 이 때 변위는 주단층을 따라 집중되는 경향이 있다. 이러한 차이점은 분절경계부에서의 서로 다른 수평/수직 변위 간 보상관계(i.e., slip compensation)로 설명된 바 있는데(Choi et al., 2012; 그림 8a), 분절경계부가 구조적으로 진화함에 따라 주변위성분인 수평변위로부터 보조변위성분인 수직변위로의 변환이 점차 줄어든다는 개념이다. 한편 각각의 분절경계부에 작용하는 변형의 종류(인장/압축) 및 이와 관련된 응력의 불균형에 의해 분절경계부의 진화 특성이 상이하고, 이에 따라 지진파열에 미치는 영향이 달라질 수 있다는 점을 이해하는 것이 중요하다(Duan and Oglesby, 2006; Lozos et al., 2011).

초기 계단식 분절을 관통하는 후기의 연결단층이 새로운 단층분절을 형성하기도 하는데, 이 때 새로운 단층분절은 이웃하는 두 분절과 다소 상이한 주향을 보이게 된다(그림 8b). 이러한 진화양상은 구조적 성숙도가 비교적 큰 주향이동단층의 지진원 규모 분절시스템이 주로 약 ~5° 내외의 반복적인 단층굴곡에 의해 구분된다는 주장과 유사하다(Klinger, 2010). 주어진 지구조적 응력장 하에서 기존의 단층이 완전한 주향이동(pure strike-slip)을 보인다고 가정할 때, 다소 변화된 주향을 보이는 새로운 단층분절은 사교이동(oblique slip) 또는 변위분할(slip partitioning)의 특성을 보일 수 있다(King et al., 2005; Klinger et al., 2005). 결과적으로 단층의 분절시스템 및 진화특성은 지진파열의 전파와 종결을 제어함으로써 주어진 단층에서의 지진거동특성을 좌우하는 가장 큰 요소 중 하나임을 알 수 있다. 하나의 단층 분절경계부가 여러 번의 지진에 걸쳐 지진파열에 어떠한 영향을 미쳤는지에 대한 심도 있는 탐구를 위해서는 해당 분절경계부에 이웃한 두 단층분절에 대한 고지진학적 연구가 요구된다(e.g., Elliott et al., 2015).

Fig. 8. 
(a) Compensative relations between horizontal and vertical slip components at inter-segment zones depending on structural maturity of fault linkage zone (from Choi et al., 2012). (b) Example of fault geometry evolving through time along the Haiyuan fault, China (from Klinger, 2010). The bounds of the two segments that connect through the pull‐apart are indicated by the vertical black lines. However, the 1920 M_S 8 earthquake rupture went straight across the basin, suggesting that the segment geometry is evolving toward a new configuration, indicated by the dashed vertical lines, where fault bends would be moved both eastward and westward.

최근 가지단층과 관련한 단층시스템 또한 그 중요성이 부각되고 있는데, 이는 가지단층이 주단층을 따른 지진파열 전파의 ‘경로 전환(path diversion)’을 야기함으로써 대규모 지진의 재발특성을 제어할 수 있기 때문이다(Klinger et al., 2006, 2016; Schwartz et al., 2012). 즉 지진파열이 주단층을 따라 가지단층의 분기점에 도달할 경우, 1) 계속적인 주단층을 따른 전파, 2) 가지단층을 따른 전파, 3) 주단층 및 가지 단층을 따른 전파, 4) 지진파열의 종결을 유발 등 지진파열의 전파에 큰 변화가 발생할 수 있다. 지진파열의 경로를 제어하는 요인은 지구조적 응력장, 가지단층의 분기각(branching angle) 및 길이, 분기점에 도달할 당시의 파열 속도(rupture velocity) 등이 있으며, 이 요인들은 주로 동역학적 시뮬레이션 연구를 통해 밝혀졌다(Poliakov et al., 2002; Kame et al., 2003; Bhat et al., 2007).

가지단층이 주단층의 지진파열에 영향을 미친 가장 대표적인 예로 1905년 몽골에서 발생한 M_W 8.3의 Bulnay지진을 들 수 있다(그림 9). 이 지진으로 주단층인 Bulnay단층과 수십 km의 길이를 보이는 두 가지 단층(Teregtyin and Dungen faults)을 따라 총 ~526 km에 달하는 지표파열이 발생하였다(Baljinnyam et al., 1993; Schlupp and Cisternas, 2007). Choi et al. (2015c)은 최근 획득된 고해상도 Pleiades 위성영상 및 야외지질조사를 바탕으로 이 지표파열의 기하학적 특성과 변위분포를 분석하였고, 이를 통해 주단층과 가지단층 시스템에서의 지진파열 전파과정에 주목하였다. 특히 동-서 방향의 주단층을 따른 국지적인 변위의 감소 및 2차적인 지표변형이 1905년 지진으로 인해 지진파열이 일어나지 않은 일부 가지단층의 분기점에서 관찰됨을 확인하였다(그림 9a - 9c). 또한 이러한 경향이 주단층의 인장부(extensional quadrant)에 속하는 북동측 단층지괴 내 동북동-서남서 방향의 가지단층에서 비대칭적으로 집중됨을 확인하였다. 이를 통해 주단층을 따라 동쪽으로 전파하던 지진파열이 주어진 지구조적 응력장 하에서 비교적 단층운동을 일으키기 쉬운 일부 가지단층으로의 ‘경로전환’을 시도하였음을 추론하였다(그림 9d). 또한 주단층을 따른 지표파열의 동쪽 말단부에서 동북동-서남서 방향의 여러 가지단층을 따라 지표파열이 관찰되었는데, 주향이동단층의 대표적인 말단부 손상대(tip damage zone) 구조에 속하는 말꼬리구조(horsetail structure)와 유사하다는 점과 이 지점에서부터 주단층을 따른 변위가 서서히 감소한다는 점을 바탕으로 해당 가지단층의 분기점이 지진파열의 종결을 유도한 것으로 해석하였다(Kim and Sanderson, 2008).

Fig. 9. 
(a) Map of surface ruptures associated with the 1905 M ≥ 8 Tsetserleg - Bulnay earthquake sequence in Mongolia. Stars indicate each earthquake epicenter. (b) A line graph displaying along-fault slip variations, including Max. and Min. values, along the main Bulnay fault. Segmentation of the Bulnay fault can be defined by mainly geometric complexity: the changes of fault azimuth and branch points (junction), and wavy slip profile. (c) An example of detailed mapping for off-fault damages around the junction area between main and branch faults. (d) Effects of major branch faults on propagation of the 1905 Bulnay earthquake rupture. Highly damaged zones (greyish zones) near junction points of the branch faults are located mainly on extensional quadrants. All figures were adapted from Choi et al. (2015c).

다른 사례연구로는 2001년 중국의 Kunlun 단층에서 발생한 M_W ~7.8의 Kokoxili 지진에 수반된 지표파열을 들 수 있다(그림 10). 이 지진파열은 1) 소규모 구조분지가 발달된 분절경계부에서 시작되어, 2) 주단층의 분절 중 하나인 약 270 km 길이의 Kusai 분절을 따라 주로 동쪽을 향해 초전단(supershear) 속도로 전파되었으며, 3) 가지단층인 Kunlun Pass 단층을 따라 70 km 길이의 추가적인 지표파열을 일으켰다(Klinger et al., 2005; Vallee et al., 2008; 그림 10a). Klinger et al. (2006)은 Kunlun Pass 단층의 분기점에 도달하기 전까지 주단층을 따른 변위분포가 비대칭적이라는 점과 Kunlun Pass 지표파열을 따라 보조변위성분인 역단층성 수직변위가 우세한 점 등을 바탕으로, 이 지진파열의 종결은 주단층으로부터 Kunlun Pass 단층으로의 지진파열 ‘경로전환’을 통해 유도된 것으로 해석하였다(그림 10). 또한 주단층에 속하는 Kusai 분절과 이에 동쪽으로 이웃한 Xidatan 분절의 연결부에서 국지적으로 집중된 지표균열을 통해 초전단 지진파열 과정에서 계속적인 주단층을 따른 지진파열 전파시도가 있었음을 주장하였다. 이러한 해석은 주단층을 따른 지진파열의 속도 및 가지단층의 분기점을 기준으로 서로 다른 3조의 단층분절이 보이는 각관계에 기초한 모델링 연구결과에 의해 뒷받침된 바 있다(Kame et al., 2003). 나아가 주단층의 Xidatan 분절에 대한 지형분석을 통해 주단층에 속하는 다른 단층분절에 비해 반복적인 지진을 지시하는 누적변위가 잘 관찰되지 않는다는 점에 기초해, Kusai 분절과 Xidatan 분절의 경계부가 여러 번의 지진주기에 걸쳐 지진의 종결 또는 새로운 시작을 유발했음을 추론하였다(Klinger et al., 2006; 그림 10b).

이들 사례연구는 대규모 주향이동단층에서의 지진파열 특성이 지진원 규모의 가지단층에 의해 제어됨을 보여주며, 따라서 주단층-가지단층 시스템의 기하학적 특성에 대한 조사 및 이에 기초한 모델링 연구가 필요함을 보여준다(Mignan et al., 2015; Klinger et al., 2016). 한편 지진파열이 주단층인 Denali 단층으로부터 가지단층인 Totschunda 단층으로 전파된 2002년 알래스카 Denali Fault 지진(M_W 7.9)의 경우(그림 11), 여전히 지진파열 경로전환의 원인에 대한 논쟁이 이어지고 있다. 이는 주단층-가지단층 시스템과 지구조적 응력장에 기초한 모델링 연구결과가 제안되었음에도 불구하고(Bhat et al., 2004), 고지진학적 조사를 바탕으로 2002년 Denali Fault 지진 이전의 최후기 지진이 Totschunda단층이 아닌 주단층(i.e., Eastern Denali fault)을 따라 발생했다는 연구결과가 도출되었기 때문이다(Schwartz et al., 2012). 후자의 경우 2002년 지진 이전의 최후기 또는 최근 지진에 의한 단층시스템의 전반적인 응력 불균형이 2002년 발생한 지진파열의 전파에 더욱 큰 영향을 미쳤다는 추론이 가능하다. 따라서 가지단층이 대규모 지진의 재발 특성에 미치는 영향에 대한 보다 심도 있는 탐구를 위해서는 수 ~ 수십 km에 달하는 가지단층을 포함한 전체적인 단층시스템에 대한 양질의 고지진학적 자료가 뒷받침되어야 할 것으로 판단된다(Han et al., 2009; Schwartz et al., 2012).

Fig. 10. 
(a) Rupture map and along-fault slip variations of the 2001 M_W ~7.8 Kokoxili earthquake surface rupture in China. Star locates earthquake epicenter. The slip is derived from correlation of Spot images averaged over 5 km along rupture. (c) No clear connection between Kusai and Xidatan fault segments. Earthquake rupture propagated preferably along the Kunlun Pass Fault, whose azimuth requires a thrust component to explain the growth of the Buran Budai Shan. A stress shadow due to the 2001 rupture minimizes chances for future earthquake to initiate at the western end of the Xidatan Fault, and favours propagation from the east and ending at the triple junction. All figures were adapted from Klinger et al. (2006).

Fig. 11. 
Map showing earthquake surface rupture and seismicity associated with the 2002 M_W 7.9 Denali Fault earthquake, Alaska (from Fuis and Wald, 2003). Earthquake rupture started with thrust slip on the Susitna Glacier fault, and continued eastward along the Denali fault with sub-seismic events. Then, the rupture started to terminate at a branch point with further rupture propagation onto the Totschunda (branch) fault.

앞서 살펴본 바와 같이 지표파열을 따른 지진동시성 변위는 비교적 불규칙적인 양상을 보이는데(e.g., Sieh et al., 1993; Haeussler et al., 2004; Klinger et al., 2005; Xu et al., 2006; Quigley et al., 2010), 다수의 연구결과에서 공통적으로 확인되는 일반적인 사항은 다음과 같이 요약될 수 있다. 1) LiDAR기법 등과 같은 최신 연구기술을 적용한다고 하더라도 지형복원 과정을 방해하는 여러 요인에 의해 변위자료는 어느 정도의 불확실성(평균변위의 크기에 따라 약 11 - 17%의 표준편차)을 포함하고(Gold et al., 2013), 2) 대개 지표지질의 유동학적 특성으로 인해 동일한 단층분절에 속하는 수십 내지 수백 m 길이의 짧은 구간 내에서도 비교적 큰 변위의 변화폭(최대 약 30%)이 관찰되며(Rockwell and Klinger, 2013), 3) 서로 다른 단층분절의 경계부를 중심으로 비교적 큰 파장(대개 수십 km 규모)의 변위 변화가 관찰된다(Manighetti et al., 2007; Wesnousky, 2008). 이 중에서 세 번째 특성은 개별적인 지진파열과 관련된 응력산정 또는 단층속성이 지진파열의 이력과 진화에 미치는 영향을 파악하기 위해 가장 중요한 사항으로 판단되며, 따라서 주어진 활성단층의 지진원 규모 분절시스템에 기초해 각 단층분절에 대한 평균변위 및 변위의 누적 양상을 파악하는 것이 중요하다(Zielke et al., 2015).

최근 고해상도 영상자료를 바탕으로 활성단층을 따른 누적변위의 분포에 대한 연구결과가 도출되고 있다(e.g., Zielke et al., 2012, 2015). 서로 다른 불확실도와 신뢰도를 보이는 각각의 누적변위자료를 이용해 개별적인 지진과 관련된 지표파열의 평균변위를 산정하고자 누적변위확률밀도(cumulative offset probability density) 방법이 주로 활용되고 있다(McGill and Sieh, 1991; 그림 12). 대표적인 사례 연구로는 미국 San Andreas 단층의 중남부에 속하는 Carrizo 분절(Zielke et al., 2010; 그림 12a), 중국의 Fuyun 단층(Klinger et al., 2011; 그림 12b), 미국 San Jacinto 단층에 속하는 Clark분절(Salisbury et al., 2012), 중국의 Haiyuan 단층(Ren et al., 2015), 미국 Walker Lane Belt의 Owen Valley 단층(Haddon et al., 2016) 등이 있다. 단층을 따른 변위의 누적과 관련해 가장 주목할 만한 연구결과 중 하나는, 특정 단층분절 또는 구간을 대상으로 개별적인 지진에 수반된 지표변위의 크기가 거의 일정하다는 것이다(그림 12). 이는 앞서 소개된 지진재발에 관한 ‘균일변위모델’ 또는 ‘특성지진모델’을 뒷받침하는 연구결과로, 전체 단층구간에 비해 각각의 단층분절만을 고려할 때 더욱 명확해지는 경향이 있다. 한편 지진원 규모의 서로 다른 단층분절이 가지는 가장 큰 의미 중 하나는 서로 이웃해 위치한다고 하더라도 개별적인 지진으로 인한 동시적인 지진파열이 발생하지 않을 수 있다는 점이다. 결과적으로 단층의 분절화를 보다 명확하게 규명하고 각 단층분절에 대한 충분한 고지진학적 자료가 뒷받침될 필요가 있다(e.g., Field et al., 2014, Ren et al., 2015).

Fig. 12. 
Along-fault plot of offset PDFs (probability density functions) from selected sites; a) Carrizo Plain and b) Fuyun Fault (from Zielke et al., 2015). PDF area is scaled with quality rating. Individual offset PDFs are summed to generate a COPD (cumulative offset probability density) plot. Clear and well-separated COPD peaks are indicative of surface slip-accumulation pattern. The results show a quasi-periodic repetition of geomorphically recorded offset.

일반적으로 여러 번의 지진주기 동안 유사한 크기의 변위가 규칙적으로 누적되는 것에 비해 층서학적 변형기록에 기초한 고지진학적 자료로 산정된 지진의 재발주기는 비교적 불규칙적이다(e.g., Field et al., 2014; Zielke et al., 2015). 이러한 차이점은 1 m 이하의 작은 지형학적 변위, 즉 비교적 작은 규모의 지진(M_W 5.5 - 6.5)에 수반된 지표파열에 의해 발생할 수 있는데, 변위가 작거나 거의 없는 지표균열 형태의 지표파열은 지형학적 변위보다는 지표지질의 층서학적 변위로 기록 및 보존될 가능성이 높기 때문이다(Zielke et al., 2015). 이러한 가능성은 지표지질 조사에 기초한 누적변위량의 규칙성 분석결과, 지형학적 변위를 이용한 분석결과에 비해 더욱 불규칙적이며 오히려 지진의 재발주기가 보이는 불규칙성과 가깝다는 연구결과에 의해 뒷받침된다(Hecker et al., 2013). 이와 유사하게 개별적인 지진지표파열의 종결부에 해당하는 단층분절에 대한 정밀 변위분석이 요구되는데, 이는 다른 단층분절에 비해 변위가 서서히 감소하고 그 평균값이 매우 작은 경향이 있기 때문이다(Ward, 1997).

일반적으로 지진원 규모의 큰 단층은 매우 복잡한 내부구조로 구성되는데, 대개 단층의 중심부로써 대부분의 변위가 흡수되는 단층핵(fault core)과 이를 둘러싸고 있는 단층손상대, 즉 단층운동에 의해 변형된 모암으로 구분된다(Chester et al., 1993; Scholz, 2002). 단층핵은 비교적 폭이 얇은 단층비지(fault gouge)나 단층각력암(fault breccia) 등의 단층암으로 구성되는 반면 보다 넓은 폭으로 발달하는 단층손상대는 소규모 단층이나 단열과 같은 2차적인 변형구조로 구성된다. 단층대 내부구조의 특성은 단층의 마찰특성(frictional property)과 미끌림거동(slip behaviors), 즉 지진성 단층운동(i.e., unstable earthquake slip)과 비지진성 단층운동(i.e., stable creep)에 영향을 미친다(Faulkner et al., 2003, 2008). 특히 단층손상대의 경우 여러 번의 반복적인 지진에 의해 변형이 누적된 결과물로서 단층핵을 둘러싼 매질의 탄성강도를 변화시키고 새로운 지진의 발생 시 변형특성(주로 변형의 집중과 분산)에 관여한다(e.g., Sibson, 2003; Thomas et al., 2014). 따라서 단층손상대는 단층에 내재되어 있는 속성과 관련된 지진발생특성을 이해하기 위한 중요한 단서 중 하나이다.

3차원 단층손상대의 개념 및 손상대 구조(damage structure)의 진화특성은 주로 노두규모의 단층에 대한 정밀조사를 통해 정립되었으며(Kim et al., 2003, 2004), 단층 분절시스템을 기준으로 단층면에 대한 손상대의 발달위치 및 관찰대상의 위치에 따라 크게 3종류의 손상대(i.e., along-fault, around-tip, and crossfault damage zones)로 분류할 수 있다(Kim et al., 2004; Choi et al., 2016; 그림 13). 일부 사례연구에서 살펴본 바와 같이, 최근 단층손상대의 개념을 이용해 지진파열의 특성을 이해하고자 하는 연구가 시도되고 있다(e.g., Manighetti et al., 2005; Kim and Sanderson, 2008; Jin and Kim, 2010; Choi et al., 2012). 즉 지진지표파열을 따라 관찰되는 분산변형이 주로 분절경계부 내지 종결부에 집중된다는 사실을 바탕으로, ‘단층손상대’의 기작 및 진화특성을 이용하여 응력의 전달 및 해소를 설명하는 것이다. 가장 대표적인 예로 주향이동단층을 따른 분절경계부에서의 수평/수직변위 보상모델로, 이는 단층의 연결부 손상대(linking damage zones)의 진화모델에 기초해 제안된 것으로 두 단층분절 간 응력의 전달과 관련된다(그림 8a).

Fig. 13. 
A 3-D schematic representation of fault damage zones around a segmented left-lateral fault (from Choi et al., 2016). Fault damage zones can be classified into along-fault, around-tip, and cross-fault damage zones based on different exposures, concerns, and descriptive concepts. C indicates contractional and D indicates dilational zones.

한편 단층의 말단부 손상대(around-tip damage zone)는 주로 지진파열의 종결과 관련된 잔여응력이나 변위의 해소작용으로 설명된다. Kim and Sanderson (2008)은 지진지표파열 종결부의 양측 단층지괴 중주로 인장력이 작용하는 지괴에 손상대 구조가 밀집되는 비대칭성을 보이고, 지진지표파열의 양쪽 종결부를 비교했을 때에도 비대칭적으로 관찰되는 것에 주목하였다. 주로 진원과 먼 쪽에 위치한 지표파열의 종결부에서 손상대 구조가 집중된다는 점을 바탕으로, 전체적인 비대칭적 말단부 손상대가 지진파열의 주전파방향(main propagation direction)에 기인한 결과로 해석하였다. 단층손상대는 3차원의 지질 구조요소로 여진의 분포특성을 통해 설명될 수 있는데(Sibson, 1989; King et al., 1994; Das and Henry, 2003), 즉 여진은 한 번의 지진파열이 종결된 후 잔여응력을 해소시키기 위해 파열된 단층면의 말단부나 연결부에 더 작은 규모의 단층운동이 발생하는 것으로 이해할 수 있다(그림 14). 이러한 관점에 기초해 최근 특정 단층의 일부 단층분절에서 확인되는 지진공백(seismic gap)이 지진원 깊이를 초과한 대규모 지진파열의 여파, 즉 지진파열의 하부 말단부가 연성변형 또는 비지진성 단층운동이 우세한 지진원 깊이 아래에 위치함에 따라 말단부 손상대와 관련된 여진이 발생하지 않는다는 것으로 해석된 바 있다(Jiang and Lapusta, 2016; the Denali earthquake rupture in Figure 14). 반면 지진공백을 보이는 단층분절의 경우, 다른 분절에 비해 가까운 미래에 대규모 지진이 발생할 수 있다는 주장이 제안된 바 있어(e.g., Smith-Konter et al., 2011), 지진공백과 관련된 단층특성을 이해하기 위한 추후 연구가 주목된다.

Fig. 14. 
Observations of large earthquakes and microseismicity patterns on major strike-slip faults (from Jiang and Lapusta, 2016). (a) Spatial relations of the inferred coseismic slip during large earthquakes with hypocenters as stars and microseismicity before (filled circles) and after (unfilled circles), over time periods shown in (b). The large earthquakes are: (i) 2004 M_W 6.0 Parkfield, (ii) 1989 M_W 6.9 Loma Prieta, and (iii) 2002 M_W 7.9 Denali Fault earthquakes. Small earthquakes within 2, 4, and 5 km of the fault for the three cases, respectively, are projected onto the fault plane (except iii) and plotted using a circular crack model with the same seismic moment and 3 MPa stress drop. (b) (Left) Time evolution of the depths of seismicity (gray circles) and (right) the depth distribution of normalized total seismic moment released before, during, and after the mainshock (MS). Here, seismicity and coseismic fault slip inside the regions of the largest slip outlined by the dashed lines in (a) were considered. Seismic moment release before the Denali event is not shown because of the small number of events.

일반적으로 여진의 분포는 지진파열로 인한 국지적인 응력장의 변화와 밀접한 관련이 있는데(King et al., 1994), 응력장의 변화로 인해 주변 단층에서 새로운 지진이 촉발될 수 있다는 점을 이해하는 것이 중요하다. 결국 앞서 언급한 단층 분절시스템에서의 응력 ‘전달’과 유사한 개념으로, 대표적인 예로 지진동시성 지진파열 중에 발생하는 연속적인 지진을 들 수 있다(see sub-events in Figure 11 as an example). 연속적인 지진은 지진파열이 분절경계부를 통과할 때 주로 발생하는데, 이를 통해 단층분절 간응력의 전달 및 지진 촉발을 통해 지진파열이 지속됨을 알 수 있다. 이에 확장된 개념으로 연쇄지진이나 이동성 지진과 같은 여러 번의 지진과 관련된 특징적인 지진발생추이 또한 설명이 가능하다(Stein et al., 1997). 실제 지표파열을 일으킨 다수의 대규모 고지진은 동일한 단층시스템에서 연쇄지진의 일환으로 발생했는데, 대표적인 예를 몇 개 들자면 1905년 Tsetserleg - Bulnay 연쇄지진(약 2주 간격; 그림 9), 1987년 Elmore Ranch - Superstition Hills 연쇄지진(약 12시간 간격; Hudnut et al., 1989), 1992년 Joshua Tree - Landers - Big Bear 연쇄지진(약 2개월과 3시간 간격; Sieh et al., 1993; King et al., 1994), 2002년 Nenana Mountain - Denali Fault 연쇄지진(약 11일 간격; 그림 11), 2010 - 2011년 Canterbury - Christchurch 연쇄지진(약 6개월 간격; Sibson et al., 2011), 2016년 Kumamoto 연쇄지진(약 28시간 간격) 등이 있다.

한편 대규모 지진에 의한 광역적인 응력장의 변화로 인해 그 주변에 발달한 다른 대형 단층시스템에서도 지진이 촉발될 수 있는데, 가장 대표적인 예로 52년 동안(1905 - 1957년) 몽골에서 발생한 총 4회의 대규모 지진(M_W ~8)을 들 수 있다. 즉 이들 지진이 약 3,000년의 대규모 지진 재발주기를 보이고, 약 400 km 이상 떨어져 위치하는 서로 다른 단층에서 발생한 점을 감안할 때, 대규모 지진이 단기간에 집중적으로 발생한 것은 서로 간의 역학적 상호작용이 있었음을 시사한다(Chery et al., 2001). 결론적으로 주어진 활성단층에 대한 지진재해를 평가함에 있어 주변의 단층을 포함한 전체적인 단층시스템을 대상으로 한 단층손상대 특성 및 이와 관련된 지진 촉발 기작을 파악하는 것이 중요할 것으로 판단된다.

우리나라의 활성단층 연구는 1990년대 초기부터 꾸준히 수행되고 있는데, 주로 원자력 발전 산업과 관련된 시설물의 지진학적 안정성을 확보하기 위한 목적으로 실시되었다. 따라서 원자력 발전소가 주로 위치하고 있는 한반도 남동부 지역을 중심으로 진행되었으며, 그 결과 지난 25년간 양산단층, 울산단층 및 일광단층 등을 중심으로 약 60여개의 지점에서 제4기 퇴적층을 변위시킨 단층, 즉 제4기 단층지점이 보고된 바 있다(Kim et al., 2011 and references therein; see locations of the Quaternary fault sites in Figure 15a). 이러한 연구결과가 의미하는 가장 주요한 점 중 하나는, 한반도가 제4기 동안 거의 유사한 지구조환경에 놓여있다는 사실을 고려할 때, 이들 주요 단층들의 전체 또는 일부 단층분절이 ‘활성’일 가능성이 매우 높다는 사실이다. 그럼에도 불구하고 지형분석에 기초한 활성단층의 분절화 및 변위분포 연구는 거의 이루어지고 있지 않은 실정이다.

우리나라의 대표적인 주향이동단층인 양산단층은 전체적으로 북북동-남남서 방향의 단층곡으로 인지되며, 총 길이는 150 - 200 km에 달한다(그림 15). 양산단층에 의해 변위된 백악기 경상분지 내 화강암류의 수평변위를 통해 총 20 - 35 km의 우수향 변위가 추론된 바 있다(Chang et al., 1990; Hwang et al., 2004; 그림 15a). 변형사 연구결과 양산단층은 에오세 이후 주로 우수향 운동을 겪었으며, 좌수향 및 경사이동 단층운동 또한 겪었음을 지시한다(e.g., Chang and Chang, 1998). 비교적 복잡한 구조운동사는 동해의 확장 및 닫힘으로 대표될 수 있는 신생대 이후의 지구조 환경변화 및 이에 따른 지각변형의 산물로 해석된 바 있다(Yoon and Chough, 1995).

Fig. 15. 
(a) Simplified regional geologic map of the Gyeongsang Basin, SE Korea (modified from Chough and Sohn, 2010; Son et al., 2013). Segmentation of the Yangsan Fault proposed by (b) previous studies (Lee and Jin, 1991; Chang and Chang, 2009), and (c) this study. Note that our criteria for fault segmentation are locations of fault bend, jog, and branch points with the Ulsan Fault, and the result indicates that the Yangsan Fault is composed of 9 individual fault segments.

양산단층에 대해 ‘활성단층’으로서의 가능성이 제기된 이후(Lee and Na, 1983), 이를 규명하기 위한 다양한 고지진학적 연구가 수행된 바 있다. Lee and Jin (1991)은 AD 2년부터 1989년까지 양산단층에서 발생한 총 126회의 역사지진 및 14회의 계기지진 자료를 바탕으로 양산단층이 총 3개의 분절(북부, 중부, 남부)로 구성되어 있음을 제안하였다(그림 15b). 이들은 비교적 지진이 드물게 발생하는 지점을 분절 경계부의 기준으로 판단하였다. 이후 Chang and Chang (2009)은 단층의 주향변화, 단층대 폭의 변화, 단층대 내에 발달하는 소규모 단층들의 기하학적 및 운동학적 특성 등에 기초해 포항시와 양산시 사이 80 km 길이의 단층구간을 총 5개의 구역으로 구분하였고, 각 구역의 단층거동 특성에 대해 논하였다(그림 15b). 양산단층의 북부와 남부분절의 일부 지점에서는 제4기 퇴적층을 변위시킨 지표파열에 대한 고지진학적 조사가 수행된 바 있다(Okada et al., 1994; Kyung et al., 1999; Lee, B.J. et al., 1999; Kyung and Chang, 2001; Kyung, 2003, 2010; Kim and Jin, 2006; Lee, J. et al., 2015). 이들 연구결과에 따르면, 양산단층의 북부와 남부는 각각 0.1 mm/yr과 0.02 - 0.07 mm/yr 이하의 제4기 후기 수직 변위률을 보이고, AD 636년(1,314 yr BP) 이후와 홀로세(Holocene) 이전에 각각 최후기 단층운동을 겪었다고 보고되었다(Kyung and Lee, 2006). 다만 양산단층이 제4기 동안 동-서 내지 동북동-서남서 방향의 압축 환경 하에서 주로 우수향 주향이동이 우세한 단층운동을 겪은 것으로 알려져 있음에도 불구하고(Park et al., 2007), 양산단층의 수평 변위률에 대한 정보는 단지 수직 변위률의 수배에 달하는 것으로 추정만 되었을 뿐이다. 최근 양산단층의 자연노두가 비교적 잘 남아있는 일부 지역을 대상으로 연구가 이어져 오고 있으며, 대표적인 연구 사례로는 1) 야외지질조사에 기초한 단층대 내부구조 해석(Choi et al., 2009), 2) 단층비지의 ESR (Electron Spin Resonance) 연대에 기초한 제4기 단층운동의 시공간적 이력 해석(Yang and Lee, 2014), 3) 단층비지의 전단속도변화 실험을 통한 전단특성 해석(Woo et al., 2015; Kim et al., 2016) 등이 있다.

그럼에도 불구하고 양산단층의 기하학적 특성 및 각 분절간 서로 다른 고지진 시기 등을 토대로 한 지진원 규모의 분절시스템이 현재까지 명확하게 규명되지 못한 실정이다. 비록 활성단층정밀지도를 비롯한 보다 많은 자료가 확보되어야 하겠으나, 지금까지 조사된 지진학적, 구조지질학적, 고지진학적 자료 및 위성영상에서 인지되는 단층의 기하학적 특성(i.e., 단층의 굴곡 및 계단식 분절, 가지단층의 분기점)을 바탕으로 양산단층이 크게는 3조의 분절로 구성되고, 작게는 총 9조의 분절로 구성되어 있음을 제안한다(그림 15c). 이들 단층분절은 주로 5 - 15° 내외의 단층 굴곡에 의해 경계지어지며, 각 단층분절의 길이는 약 25 ± 5 km로 지금까지 알려진 경상분지의 지각 두께(26 - 38 km; Chang and Baag, 2005; Yoo et al., 2007; Lee, 2010)를 초과하지 않고 대체적으로 유사하다. 이러한 특성은 비교적 구조적 성숙도가 높은 대형 주향이동단층의 일반적인 분절특성과 일치한다. 따라서 여기서 제안된 양산단층의 분절시스템은 향후 이 단층을 따른 대규모 지진의 특성을 평가하기 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

양산단층을 따라 가장 분명하게 관찰되는 분절경계부 중 한 곳은 울산시 울주군 두서면 일대로, 이 지역은 1) 양산단층의 단층곡이 불연속적(또는 계단식 분절)이고, 2) 이웃한 두 단층분절의 주향이 다르고, 3) 지진학적 및 구조지질학적 자료에서 급격한 차이점이 나타난다(Lee and Jin, 1991; Chang and Chang, 2009; 그림 15c). 이 지점은 양산단층 중부와 남부의 경계부로 오랜 기간동안 지진파열의 전파 및 확장을 방해하는 ‘장벽’역할을 했을 것으로 추정된다. 여기서 주목할 만한 사실은 이 분절경계부 주변에서 지난 9.12 경주 연쇄지진 및 이후 한 달간 이어진 약 470여 차례의 여진이 발생했다는 점이다. 따라서 이번 경주 연쇄지진으로 인해 양산단층의 중부 내지 남부분절에서의 지진이 촉발될 가능성이 있다고 할 수 있다. 이들 두 단층분절은 비교적 구조적 성숙도가 높은 것으로 판단되기 때문에 만약 대규모 지진이 발생할 경우 파괴적인 지진재해가 발생할 수 있을 것으로 추정된다.

한편 양산단층의 남동부에 발달하는 북북서-남남동 방향의 울산단층대를 따라 비교적 많은 지점에서 제4기 퇴적층을 변위시킨 지표파열이 보고된 바 있다(Kyung and Lee, 2006; Kim et al., 2011; 그림 15a). Han et al. (2009)은 양산-울산단층계를 울산단층이 양산단층의 중부로 수렴하는 λ-단층 시스템(Du and Aydin, 1995)으로 해석하고, 현생 지구조적 응력장 하에서 양산단층의 북부와 울산단층의 동측지괴에 응력이 주로 집중되고 있다고 주장하였다. 이는 제4기 단층지점 및 근래의 소규모 지진분포와 비교적 일치하는 결과로, 대규모 고지진의 이력 또한 양산-울산 단층시스템의 기하학적 특성과 밀접한 관련이 있음을 시사한다. 따라서 양산단층과 울산단층이 접하는 지역을 중심으로 한 정밀 단층조사를 통해 이들 두 단층의 관계를 명확하게 밝힐 필요가 있으며, 양산단층의 고지진 재발특성을 논함에 있어 지진파열의 경로전환을 유도할 수 있는 ‘가지단층’으로써의 울산단층에 대한 정밀분석과 연구가 요구된다.

결론적으로 양산단층에서의 고지진 이력에 대한 보다 심도 있는 접근을 위해서, 지형학적 변위에 기초한 활성단층 추적이 최우선적으로 요구된다. 따라서 고해상도 위성영상과 LiDAR기법 등의 최신 연구기술 도입이 시급한데, 이는 활성단층의 추적뿐만 아니라 향후 미래지진으로 지표파열이 발생할 경우 지표파열 이전의 지형을 기록한다는 점에서도 매우 중요하다. 또한 우리나라의 경우 수 m의 지형적 변위를 유발하는 대규모 지진에 비해 약 1 m 내외의 작은 변위를 수반하는 중규모의 지진이 상대적으로 빈번하게 발생할 확률이 높기 때문에, 신기 퇴적층과 같은 지표지질의 단면분석을 통해 양질의 고지진 자료가 꾸준히 수집되어야 할 것으로 판단된다.