충청북도 음성군 쌍정리 지점에 발달한 금왕단층의 특성 및 ESR 연대

1. 서 론

2016년 9월 12일 경상북도 경주시에서 발생한 규모 5.8의 지진과 2017년 11월 15일 포항시 북구 흥해읍에서 발생한 규모 5.4의 지진으로 인하여, 지진 및 지진을 일으키는 활성단층에 대한 관심이 증가되고 있다. 중·대규모 지진의 약 70% 정도는 활성단층에서 발생하는 것으로 알려져 있으며, 지진에 의한 재난을 예측 및 대비하기 위해서는 활성단층에 대한 조사 및 연구가 필수적이다(Kim et al., 2011).

Choi (1996)에 의해 명명된 금왕단층은 충청북도 진천군~음성군 일대에서 음성분지 내에 분포하는 백악기 퇴적암과 기반암인 쥐라기 흑운모화강암과의 경계부에 발달해 있으며 강원도 인제군 설악산 일대까지 170 km²의 연장성을 가진다(Choi, 1996; Lee and Kim, 2005; Choi and Choi, 2007; Kim and Lee, 2017).

단층핵 및 단층손상대에 관한 연구결과에 따르면 금왕단층은 약 1~50 m 폭의 단층비지로 이루어진 단층핵과 이를 둘러싼 약 30~100 m 폭의 단층손상대로 이루어져 있다고 알려져 있다(Choi, 1996; Lee and Kim, 2011; Hong and Lee, 2012; Jang and Lee, 2012; Park and Lee, 2012; Kim and Lee, 2017). Kim and Lee (2016)은 금왕단층을 따라 분포하는 단층암의 특성을 분석하여 서로 다른 변형환경, 변형시기, 변형기작에 의해 구별되는 최소 6단계의 단층운동에 대하여 보고하였다. 첫 번째 단계에는 좌수향 연성전단에 의해 압쇄암 계열이 형성되었고, 두 번째 단계에서는 취성변형환경에서 파쇄암 계열이 압쇄암 계열에 중첩되었다. 세 번째 단계인 백악기 초기에 금왕단층을 따라 단층비지가 형성되었으며, 좌수향 주향이동 운동으로 인하여 충청북도 음성군 일대에 인리형 퇴적분지(pull-apart basin)인 음성분지가 형성되었다(Choi, 1996; Ryang and Chough, 1999; Ryang et al., 1999; Choi and Choi, 2007). 네 번째 단계에서는 백악기에 금왕단층의 재활동으로 인하여, 퇴적분지 내에 좌수향 주향이동 운동을 지시하는 안행상의 습곡, 절리 및 단층 등의 지질구조가 형성되었다. 금왕단층을 따라 관입한 안산암(70~84 Ma; Cheong and Kim, 1999)에 우수향 주향이동 단층운동을 지시하는 전단면과 전단띠가 발달하였으며, 이는 좌수향 주향이동 운동에서 우수향 주향이동 운동으로 역전현상이 일어난 것으로 해석하여 제3기에 다섯 번째 단층운동이 일어난 것으로 해석하였다. 여섯 번째 단계에서는 제4기에, 활동기에는 단층운동이 집중적으로 일어나고 휴지기에는 일어나지 않았으며, 주향방향을 따라 단층운동이 이동하는 경향을 보여준다고 보고하였다(Kim and Lee, 2016).

Hong and Lee (2012)는 A 지점에서 단층핵에서 북동방향으로 약 7 km² 떨어진 B 지점(충청북도 음성군 맹동면 두성리)에서, 폭이 약 3 m인 단층핵에서 채취한 단층비지를 ESR 연대측정하여 710±70 ka, 480±40 ka, 330±20 ka의 재활동시기를 보고하였으며 단층핵의 동쪽에서 서쪽으로 갈수록 ESR 연대가 젊어지는 경향을 보인다고 하였다(그림 1; Hong and Lee, 2012).

Fig. 1.

Geological maps of the study area and sampling locations. (a) Geologic map of Eumseong basin showing the sampling locations. (b) Inset map shows the study area and the Cretaceous sedimentary basins developed along the Kongju fault system (modified from Cheong et al., 1976; Choi and Choi, 2007).

Bae and Lee (2014)는 진천군~음성군 일대(A 지점; 충청북도 진천군 오갑리)에 발달한 폭이 약 1 m인 단층핵에서 채취한 단층비지의 ESR 연대측정 결과, 약 370±100 ka, 310±60 ka의 재활동시기를 보고하였다(그림 1). 약 7 km² 떨어진 A, B 두 지점의 단층핵에서 ESR 연대가 오차범위 내에서 일치하며 화강암과 단층핵의 경계부에 발달된 단층비지띠가 약 310~330 ka에 마지막으로 재활동한 것으로 보인다.

이번 연구의 목적은 첫째, C 지점(충청북도 음성군 맹동면 쌍정리)의 단층핵에 발달한 지질구조 특성을 제4기 동안의 금왕단층의 단층운동감각을 규명하는데 있다. 둘째, Hong and Lee (2012)가 보고한 단층핵(B 지점)에서 주향방향을 따라 약 3 km² 떨어진 음성군 쌍정리 지점(C 지점)에 노출된 단층핵으로부터 단층비지를 채취하여 ESR 연대를 얻어 A, B 및 C 지점의 ESR 연대를 비교 및 분석하여 금왕단층의 남서 말단부(A 지점; Bae and Lee, 2014)로부터 약 10 km² (B, C 지점)에 걸친 금왕단층의 제4기 단층운동 특성을 파악하는데 있다.

2. 연구지역의 일반지질

연구지역에는 선캠브리아 누대 편마암류와 쥐라기의 흑운모화강암을 기반암으로 하여, 백악기의 초평층군이 분포하고 있다. 기반암과 초평층군은 금왕단층과 공주단층을 경계단층으로 하여 접하고 있다(그림 1). 쥐라기 화강암과 백악기 초평층군은 풍화 및 침식 정도의 차이에 의해 명확한 지형상의 고저를 보인다(그림 2).

Fig. 2.

Digital elevation model (DEM) of the study area showing the locations of localities A, B and C along the Keumwang fault. Black arrows indicate the trace of the Keumwang fault.

기반암에 해당하는 선캠브리아 누대 편마암류는 음성분지의 남동부에 걸쳐 분포하고 있으며(그림 1), 호상편마암과 화강암질 편마암으로 구성되어 있다. 호상편마암의 입자크기는 중립 내지 조립질이며(그림 3a, 3b), 일부 지역에서는 뚜렷한 편마구조를 보이지 않고 괴상의 형태를 보이기도 한다. 박편상에서 석영, 흑운모, 백운모 등의 광물이 관찰되며 석영, 장석이 우세한 우백대와 흑운모, 백운모가 우세한 우흑대로 이루어진 명확한 호상구조가 관찰된다(그림 3c, 3d).

Fig. 3.

Outcrop photographs (a, b) and microphotographs (c, d) of gneiss in the study area (Bt: biotite, Qtz: quartz).

연구지역 북서부와 남동부에 걸쳐 넓게 분포하고 있는 쥐라기 흑운모화강암은 기반암인 선캠브리아 누대 편마암류를 관입하고 있으며 백악기 퇴적암과는 단층접촉하고 있으며(그림 1), 비교적 풍화 정도가 심한 상태로 산출된다(그림 4a). 조립질의 등립상 조직을 보이며(그림 4b), 현미경상에서 석영, 장석, 사장석 및 흑운모가 주 구성광물로 관찰된다(그림 4c, 4d).

Fig. 4.

Outcrop photographs (a, b) and microphotographs (c, d) of biotite granite in the study area (Bt: biotite, Mc: microcline, Qtz: quartz).

연구지역 중앙부에는 금왕단층을 따라 음성분지가 발달해 있다(그림 1). 음성도폭(Cheong et al., 1976)에서는 분지 내 분포하는 퇴적층을 하부의 초평층과 상부의 백야리층으로 구분 짓고 이들을 초평층군이라 명명하였으나(Cheong et al., 1976) 분지의 퇴적환경을 고려해 분지 내 분포하는 퇴적층을 초평층으로 단일화하기도 하였다(Chun et al., 1993). 분지 형성 이후 분지를 충진한 퇴적물에 대하여 Kim and Cheong (1999)은 역암상, 사암상, 이암상 및 화산쇄설암상으로 암상을 구분하였고 선상지, 선상지 평원 및 호수환경으로 퇴적환경을 해석하였다. Choi (1996)는 역암, 역질 사암 및 사암으로 구성된 역암 멤버, 적색 이암, 사암 내지 역질 사암으로 구성된 적색 이암과 사암의 호층 멤버, 적색 이암 멤버, 녹색 내지 흑색 이암으로 구성된 녹색 이암 멤버, 그리고 녹색 내지 흑색 이암과 사암 내지 역질 사암으로 구성된 녹색 이암과 사암의 호층 멤버 등 퇴적상을 고려하여 5개의 멤버로 나누었다. 이번 연구에서는 Cheong et al. (1976), 그리고 Choi and Choi (2007)의 지질도를 바탕으로 일부 수정하여 사용하였다(그림 1).

Ryang (2013)은 음성분지 경계부에는 조립질 충적퇴적층이 우세하고 하류방향인 남쪽으로 진행될수록 조립질과 세립질의 퇴적층이 교호하는 하천계 퇴적층이 발달해 있으며, 분지의 퇴적중심에는 세립질 호소퇴적층이 퇴적되었다고 보고하였다. 지질조사 결과, 역암/사암 호층대가 분지 북부 중앙에 분포하는 것으로 인지되었다(그림 1). 역암은 흑색 내지 회색을 보이며, 역의 크기는 그래뉼 사이즈에서 약 6 cm까지로 다양하게 나타난다. 역암의 역은 석영, 편마암, 화강암 및 안산암 등의 암편으로 구성되어 있으며, 기질은 사암 내지 조립질 사암으로 구성되어 있다(그림 5a, 5b). 현미경상에서 역암의 기질은 석영입자, 사장석 및 점토광물 등을 포함하고 있다(그림 5c, 5d). 역암층과 호층을 이루는 사암층은 흑색 내지 회색으로 나타나며 사암의 입자크기는 중립 내지 조립이다(그림 6a, 6b). 현미경상에서 석영입자와 기질로 이루어져 있으며 원마도는 낮은 편이며 분급도는 불량한 편이다(그림 6c, 6d). 이암은 분지의 남서부에 우세하게 분포하고 있다(그림 1). 야외에서 적색 내지 녹회색으로 나타나며 괴상의 또는 층리가 발달된 형태로 나타난다(그림 7a, 7b). 현미경 관찰시 점토광물로 이루어져 있으며, 미립의 석영입자를 포함하기도 한다(그림 7c, 7d). Choi et al. (1995)는 음성분지 남단의 녹회색 내지 암회색 이암층에서 산출된 윤조화석 연구를 통하여 초평층군 하부 초평층의 지질시대 하한은 백악기 초 오트리브세(Hauterivian), 상한은 백악기 초 압트세(Aptian)라 보고하였다.

Fig. 5.

Outcrop photographs (a, b) and microphotographs (c, d) of conglomerate in the study area (Rf: Rock fragment).

Fig. 6.

Outcrop photographs (a, b) and microphotographs (c, d) of sandstone in the study area (Qtz: quartz).

Fig. 7.

Outcrop photographs (a, b) and microphotographs (c, d) of mudstone in the study area.

3. 단층핵의 지질구조적 특성

3.1 단층핵의 지질구조적 특성 및 시료채취

맹동면 쌍정리 일대(북위 36°46′~37°02′, 동경 127°28′ ~127°37′)에는 단층비지로 이루어진 단층핵이 약 2 m의 폭으로 발달되어 있다. C-1과 C-2 노두는 주향방향으로 약 9 m 떨어져 있다. C-1 노두에 발달한 단층핵의 북서쪽으로는 쥐라기 흑운모화강암에서 유래한 파쇄암이 분포하고 있으며, 파쇄암에는 N57°E/83°NW의 방향을 가지는 파쇄엽리가 발달해 있다(그림 8). 남동쪽으로는 백악기의 역질 사암이 분포하고 있다. 단층핵의 북서쪽에는 파쇄암에서 유래한 폭이 약 20~50 cm인 단층각력암이 발달되어 있다. 단층각력암과 단층핵 사이에는 폭이 약 8~15 cm인 암회색 단층비지띠가 발달해 있으며 단층면의 방향은 N36°E/87°NW이다. 북서쪽으로는 역질 사암과 단층핵 사이에 폭이 약 3~12 cm인 암회색 단층비지띠가 발달되어 있으며 단층면의 방향은 N43°E/85°NW이다(그림 9). C-2 노두에 발달한 단층핵의 남동쪽에는 백악기의 역질 사암이 분포하며, 북서쪽에는 화강암에서 유래된 파쇄암이 분포한다. 단층핵과 역질 사암 사이에 폭이 약 20~25 cm인 괴상의 담회색 단층비지띠가 발달해 있으며, 단층면의 방향은 N32°E/79°NW이다. 남동쪽으로는 파쇄암과 단층핵 사이 폭이 약 7~10 cm인 황색의 단층비지띠가 발달되어 있으며, 단층면의 방향은 N27°E/88°SE이다(그림 15).

Fig. 8.

Outcrop photographs of the cataclasite in the study area. The dashed red lines showing the trace of the foliations developed with in the cataclasite.

Fig. 9.

Outcrop photographs of the fault core of the Keumwang fault at the C-1 site. The dashed red lines showing fault surfaces bounding the fault core, the dashed yellow line showing boundary between fault breccia and cataclasite and the blue line showing foliations in the fault core.

3.1.1 C-1 지점

C-1 지점의 단층핵은 지질구조적 특성에 따라 5개의 영역으로 구분되며(그림 10), 스테레오넷을 이용해 각 영역에 발달되어 있는 지질구조요소의 방향성 분석을 실시하였다. Domain 1은 백악기 퇴적암과 단층핵 사이에 발달한 폭 약 3~12 cm의 암회색 비지띠로 이루어지며(그림 10a, 10b), 점토광물의 정향배열에 의한 엽리가 우세하게 발달되어 있으며, 원마도가 좋은 0.5~3 cm 크기의 암편들이 단층비지 내에 포함되어 있다. N36~43°E/84~89°NW 방향(Y-전단방향)의 전단면 및 전단띠들이 우세하게 발달되어 있으며, N01~23°E/47~85°SE 방향의 S-엽리면들이 우세하게 발달되어 있다(그림 11c). N64~72°E/30~43°SW 방향의 인장단열면들이 발달되어 있는 것이 특징이다. Domain 2는 단층각력암으로, 기질부에 전단띠가 매우 잘 발달해 있으며 야외에서 관통상의 형태로 나타난다(그림 10a, 10c). 주단층면과 유사한 주향을 갖는 N32~43°E/68~89°NW 방향의 Y-전단면들과 N09~15°E 및 N01~14°W 방향의 P-전단면들 및 N44~56°E/54~83°SE 방향이 우세한 R-전단면들이 발달되어 있다(그림 11d). Domain 3은 단층각력암으로, 기질부에 일부 전단띠가 발달된 형태를 보인다(그림 10a, 10d). 주로 N04~20°W 내지 N03~21°E/70~88°NW 방향의 P-전단면 및 전단띠들이 우세하게 발달해 있다(그림 11e). Domain 4는 단층각력암으로, 기질부에 전단띠가 매우 잘 발달되어 있어, 관통상의 형태로 관찰된다(그림 10a, 10e). 주로 N08~21°E/63~84°NW 또는 77~89°SE의 경사를 갖는 P-전단방향의 전단면들이 발달되어 있다(그림 11f). Domain 5는 흑운모화강암에서 유래한 파쇄암과 단층핵 사이에 발달된 암회색 비지띠로(그림 10a, 10f), 단층비지띠 내에 발달한 엽리면의 주향이 주단층면의 방향과 유사한 방향으로 우세하게 발달한 것으로 보아 Domain 1~5 중 가장 전단변형을 심하게 받은 것으로 판단된다. 암회색 비지띠 내 전단면들은 Y-전단방향(N31~39°E/83~88°NW)과 P-전단방향(N07~18°E/57~66°NW 또는 84~86°NW)이 우세하게 발달해 있다(그림 11g).

Fig. 10.

(a) Internal structure of the fault core of the Keumwang fault. (b) Close-up photograph of domain 1; foliated dark-gray fault gouge. (c) Close-up photograph of domain 2; fault gouge with penetrative shear bands. (d) Close-up photograph of domain 3; fault breccia with shear bands, (e) Close-up photograph of domain 4; fault gouge with penetrative shear bands, (f) Close-up photograph of domain 5; foliated dark-gray fault gouge.

Fig. 11.

(a) Outcrop photoraphs of the fault core of the Keumwang fault. (b) The directional nomenclature and geometrical relationships of the structural elements followed Rutter et al., 1986; Passchier and Trouw, 1996. (c) Stereo plots of shear surfaces and shear bands, foliations and fractures within domain 1. (d) Stereo plots of shear surfaces and shear bands and fractures within domain 2. (e) Stereo plots of shear surfaces and shear bands, fractures in the relics and shear surfaces and shear bands within domain 3. (f) Stereo plots of shear surfaces and shear bands within domain 4. (g) Stereo plots of shear surfaces and shear bands and foliations within domain 5.

C-1 지점 Domain 1과 5 내에 발달한 S-엽리면의 방향은 N01~23°E/75~85°NW로, 그림11b와 같이 우수향 주향이동 운동감각을 지시한다. 이는 단층핵 내에 발달된 지질구조요소들이 우수향 주향이동 운동에 의해 발달된 것임을 지시한다. 만약, 좌수향 주향이동 운동이 우세했다면 S-엽리면들은 ENE 방향으로 발달된다(그림 11b). 단층핵 내 발달된 전단띠들 중 일부는 전단면들간 절단이 일어남으로써 명확한 우수향 주향이동 운동감각을 보여준다(그림 12). 그림 12a에서는 우수향의 운동감각을 가지는 Y-전단면(N31°E/67°SE)에 의해 P-전단면(N05°E/72°NE)이 절단되어 약 2 cm의 변위를 가지게 된 것으로 인지되며, 그림 12b에서는 우수향의 운동감각을 가지는 R-전단면(N88°E/70°SE)에 의해 P-전단면(N09°E/87°NW)이 절단되어 약 2 cm의 변위를 가지고 어긋난 것으로 보인다. 우수향의 운동감각을 가지는 Y-전단면(N27°E/60°SE)에 의해 P-전단면(N17°E/77°SE)이 절단되어 약 0.7 cm의 변위를 가지고 어긋났으며(그림 12c), R-전단면(N84°E/64°NW)에 의해 P-전단면(N08°E/80°NW)이 절단되어 약 0.6 cm의 변위를 갖게 된 것으로 추정된다(그림 12d). 따라서, 우수향 주향이동 운동을 고려할 때, 가장 우세하게 발달한 N32~43°E/84~89°NW 방향의 전단면 및 전단띠들은 Y-전단면이며, N44~56°E/54~83°SE 방향의 전단면 및 전단띠들은 R-전단면, N07~18°E/57~66°NW 또는 84~86°NW 방향으로 발달한 전단면 및 전단띠들은 P-전단면에 해당한다. 다만, Domain 3의 모암의 잔유물에 발달한 NW 방향의 인장단열면들은 좌수향 주향이동 운동을 지시하며, N02~16°W 내지 N11~19°E 방향의 주향을 갖는 전단면 및 전단띠들은 운동감각을 구분하기 어렵다. Domain 3의 나머지 부분에서 측정한 N04~20°W 내지 N03~21°E 방향의 주향을 갖는 전단면 및 전단띠들은 P-전단면에 해당한다.

Fig. 12.

Outcrop photographs showing dextral movement. (a) P-shear band (N05°E/72°NE) transected by Y-shaer surface (N31°E/67°SE), (b) P-shear band (N09°E/87°NW) transected by R-shaer surface (N88°E/70°SE), (c) P-shear band (N17°E/77°SE) transected by Y-shaer surface (N27°E/60°SE), (d) P-shear band (N08°E/80°NW) transected by R-shaer surface (N84°E/64°NW).

3.1.2 C-2 지점

C-2 지점의 단층핵은 C-1 지점의 단층핵으로부터 금왕단층의 주향방향인 북북동 방향으로 약 9 m 떨어진 곳에 발달한 약 2 m 폭을 갖는 단층핵이다. 특성에 따라 5개의 영역으로 구분된다(그림 13). Domain 1은 백악기 퇴적암과 단층을 경계로 접하고 있으며 폭이 약 20~25 cm인 담회색 단층비지로 이루어져 있는데(그림 13a, 13b), 괴상의 형태를 보이며 1~2 mm 크기의 원마도가 좋은 역들을 포함하고 있다(그림 13b). Domain 2는 폭이 약 1 cm 미만인 백색의 단층비지띠들이 망상의 형태로 발달되어 있다(그림 13c). Domain 3는 단층비지띠가 발달된 단층각력암으로 구성되어 있다(그림 13d). Domain 4는 화강암으로부터 유래된 잔유물이 많은 단층비지로 구성되어 있다(그림 13e). Domain 5는 엽리가 발달된 두 개의 황색 단층비지띠로 이루어진다(그림 13f). 파쇄암과 단층핵의 경계에 발달한 단층면의 방향은 N27°E/88°NW이다.

Fig. 13.

Outcrop photograph of the fault core at the C-2 site showing internal characteristic features. (b) Close-up photograph of domain 1; massive light-gray fault gouge. (c) Close-up photograph of domain 2; fault gouge with shear bands. (d) Close-up photograph of domain 3; fault breccia with shear bands, (e) Close-up photograph of domain 4; fault gouge with relics of host rocks, (f) Close-up photograph of domain 5; foliated brown fault gouge.

3.2 시료채취

ESR 연대측정을 위하여 C-1 지점에서 단층암 시료 21개, C-2 지점에서 단층암 시료 6개를 채취하였다(그림 14, 15).

3.2.1 C-1 지점

C-1 지점의 쥐라기 흑운모화강암에서 유래한 파쇄암과 단층핵의 경계에는 약 50 cm 폭의 단층각력암이 발달해 있으며, 이곳에서 역은 제외한 기질부만으로 시료 HJ055-1#을 채취하였다(그림 14a, 14c). 이의 동쪽에는 약 20 cm 폭을 가지는 엽리가 발달된 암회색 단층비지띠가 발달해 있는데, 암회색 단층비지띠와 단층각력암과의 경계부를 따라 약 25 cm 정도 간격을 두고, HJ055-1, HJ055-2, HJ055-3, HJ055-4 그리고 HJ055-5를 채취하였다(그림 14a, 14b, 14c). 그리고 암회색 단층비지띠의 중앙부에서는 시료 HJ055-2#를 채취하였다(그림 14a, 14c). 암회색 단층비지띠와 담회색 단층비지띠의 경계에서 약 20 cm 간격을 두고 암회색 단층비지 시료 HJ055-6과 HJ055-7을 채취하였으며(그림 14a, 14c), 해당 단층비지띠의 경계를 따라 약 25 cm 정도의 간격을 두고 HJ055-8을 채취하였다(그림 14a, 14b). 암회색 단층비지띠의 경계와 맞닿아 있는 담회색 단층비지띠에서 시료 HJ055-3#을 채취하였고, 이곳에서 동쪽으로 약 4 cm 떨어진 곳에서 녹회색 단층비지 시료 HJ055-4#을 채취하였다(그림 14a, 14c). 시료 HJ055-4# 채취 지점으로부터 동쪽으로 약 20 cm 떨어진 괴상의 단층비지띠 내에서 담색 단층비지시료 HJ055-12를 채취하였다(그림 14a, 14c). HJ055-4# 채취 지점에서 약 35 cm 떨어진 괴상의 단층비지띠 내에서 적색 단층비지시료 HJ055-5#를 채취하였으며, 이로부터 동쪽으로 약 7 cm 떨어진 암회색 단층비지띠에서 시료 HJ055-6#을 채취하였다(그림 14a). 이곳에서 동쪽으로 약 50 cm 떨어진 지점의 백색 단층비지띠에서 시료 HJ055-19를(그림 14), HJ055-19의 엽리방향의 남쪽 연장선에 있는 흑색 비지띠에서 단층비시료 HJ055-7#을 채취하였다(그림 14a). 백악기 퇴적암과 암회색 단층비지띠의 경계에서 단층비지시료 HJ055-21을 채취하였다(그림 14a). 동일 암회색 단층비지띠와 서쪽에 발달한 담회색 단층비지띠의 경계에서 암회색 단층비지시료 HJ055-10#와 담회색 단층비지 시료 HJ055-9#을 채취하였다(그림 14a). 시료 HJ055-9# 채취지점의 서쪽에 위치한 렌즈상의 잔유물로부터 시료 HJ055-8#을 채취하였다(그림 14a).

Fig. 14.

Outcrop photographs of the fault core with sampling locations and ESR ages at the C-1 site. Symbol; Satu. representing saturation of ESR signals.

3.2.2 C-2 지점

C-2 지점은 C-1 지점으로부터 금왕단층의 주향방향인 북북동 방향으로 약 9 m 떨어져있다. 단층핵의 가장 서쪽에 발달한 황색 단층비지띠에서 단층비지시료 HJ055-11#을, 동쪽으로 약 10 cm 떨어진 곳에 N25°E/89°NW의 방향으로 발달한 황색 단층비지띠에서 단층비지시료 HJ055-12#를 채취하였다(그림 15a, 15d). HJ055-12#으로부터 약 80 cm 동쪽에 발달한 백색 단층비지띠에서 HJ055-13#, 경사방향으로 약 10 cm 간격을 두고 녹회색 단층비지띠에서 HJ055-14#을 채취하였다(그림 15a, 15c). 괴상의 황색 단층비지띠에서 HJ055-15#, 괴상의 담회색 단층비지띠에서 HJ055-16#을 채취하였다(그림 15a, 15b).

Fig. 15.

Outcrop photographs of the fault core with sampling locations and ESR ages at the C-2 site. Symbol; Satu. representing saturation of ESR signals.

4. 금왕단층의 ESR 연대

4.1 C-1 지점 ESR 연대

C-1 지점에서 채취한 21개 시료의 연대측정에 이용된 자료는 표 1과 표 2에 제시되어 있다.

Table 1.

Amounts of U (ppm), Th (ppm) and 40K (%) for each sample of Keumwang fault gouges and fault breccia.

시료 HJ055-1에서 분리한 석영의 E′ 신호 세기는 ESR 신호의 성장곡선(growth curve)를 통해 보았을 때, 모든 입자크기에서 조사된 감마에너지의 양이 증가함에 따라 규칙적으로 증가한다(그림 16a). Al 신호의 세기는 0.025~0.045 mm 입자크기에서 규칙적으로 증가하나, 나머지 입자크기에서는 불규칙하게 증감한다(그림 16b). 시료 HJ055-2에서 분리한 석영의 E′ 신호의 세기는 모든 입자크기에서 조사된 감마에너지의 양이 증가함에 따라 규칙적으로 증가한다(그림 16c). Al 신호의 세기는 모든 입자크기에서 조사된 감마에너지의 양이 증가함에 따라 불규칙하게 감소 및 증가한다(그림 16d). 시료 HJ055-3에서 분리한 석영 시료에 조사된 감마에너지의 양이 증가함에 따라, E′ 신호는 0.025~0.075 mm 입자크기까지는 대체로 규칙적으로 증가하나, 나머지 입자크기의 E′ 신호 및 Al 신호의 모든 입자크기에 대하여 ESR 신호가 일정하거나 불규칙하게 증감한다(그림 16e, 16f). 시료 HJ055-4에서 분리한 석영 시료에 조사된 감마에너지의 양이 증가함에 따라, E′ 신호는 0.025~0.045 mm 입자크기까지는 비교적 규칙적으로 증가하나, 나머지 입자크기 및 Al 신호의 모든 입자크기에 대하여 ESR 신호가 일정하거나 불규칙하게 증감한다(그림 16g, 16h). 시료 HJ055-1#에서 분리한 석영의 E′ 신호는 0.15~0.25 mm 입자크기를 제외한 나머지 입자크기에서는 조사된 감마에너지의 양이 증가함에 따라 규칙적으로 증가한다(그림 17a). Al 신호는 모든 입자크기에서 조사된 감마에너지의 양이 증가함에 따라 불규칙하게 감소 및 증가하는 경향을 보인다(그림 17b). 시료 HJ055-7#에서 분리한 석영의 E′ 신호는 0.025~0.045 mm, 0.045~0.075 mm, 0.075~0.1 mm 그리고 0.1~0.15 mm의 입자크기에서 조사된 감마에너지의 양이 증가함에 따라 규칙적으로 증가하는 양상을 보이며, 0.15~0.25 mm 입자크기에서 계단상 혹은 불규칙적으로 증감한다(그림 17c). Al 신호 또한 모든 입자크기에서 불규칙하게 증가 및 감소한다(그림 17d).

Fig. 16.

Growth curves of ESR signals for four fault gouge samples (HJ055-1, 2, 3, 4) collected in the C-1 site.

Fig. 17.

Growth curves of ESR signals for two fault gouge samples (HJ055-1#, 7#) collected in the C-1 site.

시료 HJ055-5, HJ055-6, HJ055-7, HJ055-8, HJ055-12, HJ055-19, HJ055-21, HJ055-2#, HJ055-3#, HJ055-4#, HJ055-5#, HJ055-6#, HJ055-8#, HJ055-9# 및 HJ055-10#에서 분리한 석영의 E′ 신호 및 Al 신호는 조사된 감마에너지의 양이 증가함에 따라 거의 증가하지 않거나 불규칙하게 증가 및 감소하며, 이는 단층활동 시에 ESR 신호가 줄어들었다가 단층활동 이후에 주변 방사성 원소로부터 방사성 에너지를 받아 ESR 신호가 포화된 것으로 판단된다. 따라서 이들에 대한 그림은 생략하였다.

C-1 지점의 각각의 시료에 대한 ESR 연대와 그 특징은 다음과 같다. 시료 HJ055-1의 E′ 신호의 0.025~0.045 mm, 0.045~0.075 mm, 0.075~0.1 mm 및 0.1~0.15 mm의 입자크기를 이용하여 구한 평탄 ESR 연대는 340±30 ka, Al 신호의 0.025~0.045 mm 입자크기를 이용하여 구한 최대 ESR 연대는 380±80 ka이며 다른 입자크기에서는 ESR 신호가 포화되어 연대를 결정 할 수 없었다. E′, Al 신호로 가중평균을 이용하여 구한 다센터 평탄 ESR 연대는 340±30 ka이다(그림 18a). 시료 HJ055-2의 Al 신호는 모든 입자크기에 대하여 ESR 신호가 포화되어 그 연대를 결정 할 수 없었으며, E′ 신호의 0.025~0.045 mm, 0.045~0.075 mm, 0.075~0.1 mm 입자크기에서 연대평탄을 보이고 가중평균을 이용하여 구한 평탄 ESR 연대는 330±40 ka이다(그림 18b). 시료 HJ055-3의 Al 신호는 모든 입자크기에 대하여 ESR 신호가 포화되어 그 연대를 결정 할 수 없었으며, E′ 신호의 0.025~0.045 mm, 0.045~0.075 mm, 0.075~0.1 mm 입자크기에서 연대평탄을 보이고 가중평균을 이용하여 구한 평탄 ESR 연대는 330±50 ka이다(그림 18c). 시료 HJ055-4의 Al 신호는 모든 입자크기에 대하여 ESR 신호가 포화되어 그 연대를 결정 할 수 없었으며, E′ 신호의 0.025~0.045 mm, 0.045~0.075 mm 입자크기에서 연대평탄을 보이고 가중평균을 이용하여 구한 평탄 ESR 연대는 370±60 ka이다(그림 18d). 시료 HJ055-1#의 Al 신호는 모든 입자크기에 대하여 ESR 신호가 포화되어 그 연대를 결정 할 수 없었으며, E′ 신호는 0.025~0.045 mm, 0.045~0.075 mm, 0.075~0.1 mm 및 0.1~0.15 mm 입자크기에서 연대평탄을 보이고 가중평균을 이용하여 구한 평탄 ESR 연대는 430±50 ka이다(그림 18e). 시료 HJ055-7#의 Al 신호는 모든 입자크기에 대하여 ESR 신호가 포화되어 그 연대를 결정 할 수 없었으며, E′ 신호의 0.025~0.045 mm, 0.045~0.075 mm 입자크기에서 연대평탄을 보이고 가중평균을 이용하여 구한 평탄 ESR 연대는 500±120 ka이다(그림 18f).

Fig. 18.

ESR ages vs. Grain sizes for six fault rock samples collected in the C-1 site.

4.2 C-2 지점 ESR 연대

C-2 지점에서 채취한 6개 시료에 대한 ESR 연대측정 자료는 표 1과 표 2에 제시되어 있다.

Table 2.

Analytical data for ESR dating of fault gouges and fault breccia in the study area. Weighted mean is calculated from the ESR ages within the plateau (shown as rectangle in column of ESR age) and the values have been rounded up.

시료 HJ055-11#에서 분리한 석영의 E′ 신호는 모든 입자크기에서 조사된 감마에너지의 양이 증가함에 따라 비교적 규칙적으로 증가한다(그림 19a). Al 신호는 모든 입자크기에서 불규칙하게 증가하거나 감소한다(그림 19b).

Fig. 19.

Growth curves of ESR signals and ESR ages vs. grain sizes for fault rock sample (HJ055-11#) collected in the C-2 site.

시료 HJ055-12#, HJ055-13#, HJ055-14#, HJ055-15# 및 HJ055-16#에서 분리한 석영의 E′ 신호와 Al 신호는 모든 입자크기에서 조사된 감마에너지의 양이 증가함에 따라 불규칙하게 증가 및 감소한다. 이는 앞에서 언급한 것과 마찬가지로 단층활동 시 ESR 신호가 줄어든 뒤 단층활동 이후 주변의 방사성원소로부터 공급받은 방사성 에너지로 인해 포화된 것으로 추정된다.

시료 HJ055-11#의 Al 신호는 모든 입자크기에 대하여 ESR 신호가 포화되어 ESR 연대를 결정 할 수 없었으며, E′ 신호는 0.025~0.045 mm 및 0.045~0.075 mm의 입자크기에서 연대평탄을 보인다. 이를 이용하여 구한 평탄 ESR 연대는 330±60 ka이다(그림 19c).

5. 토 의

5.2 금왕단층 남서 말단부 단층비지의 ESR 수치연대 분석

5.2.1 ESR 수치연대의 일관성

C-1 지점 단층암의 연대측정 결과, 21개의 단층비지 시료 중 15개의 시료는 ESR 신호가 포화되어 ESR 연대측정법으로 재활동시기를 결정할 수 없었으며, 적어도 제4기 이전에 재활동한 것으로 추정된다. Domain 2 내에 발달된 Y-전단띠에서 채취한 시료 HJ055-7#의 ESR 연대는 500±120 ka이다. 서쪽의 흑운모화강암에서 유래한 파쇄암과 단층핵의 경계에 발달한 단층비지띠에서 채취한 시료 HJ055-1(340±30 ka), HJ055-2 (330±40 ka), HJ055-3(330±50 ka) 그리고 HJ055-4 (370±60 ka)는 오차범위 내에서 일치하며 이들의 가중평균 ESR 연대는 340±20 ka이다(그림 20c). 약 2 m 폭의 단층핵 중 ESR 연대를 얻은 단층비지띠들 폭의 총합은 약 8 cm에 불과하며 이는 전체 단층핵의 약 4% 만이 제4기에 재활동한 것으로 추정된다.

Fig. 20.

Schematic sketches of fault cores developed along the southwestern end of the Keumwang fault, sampling sites and ESR ages. Symbol; Satu. representing saturation of ESR signals.

C-2 지점의 연대측정 결과, 6개의 단층비지 시료 중 5개의 시료는 ESR 신호가 포화되어 ESR 연대측정법으로 재활동시기를 결정할 수 없었으며, 적어도 제4기 이전에 재활동한 것으로 추정된다. 흑운모화강암에서 유래한 파쇄암과 단층핵의 경계에 발달한 단층비지띠에서 채취한 시료 HJ055-11#에서 얻은 ESR 연대는 330±60 ka이다(그림 20d). C-1 지점 및 C-2 지점은 주향방향으로 약 9 m 떨어져 있음에도 불구하고 화강암에서 유래한 파쇄암과 단층핵 사이에 발달한 단층비지띠의 ESR 연대가 오차범위 내에서 일치하고 있다. C-1 지점의 가중평균 ESR 연대는 340±20 ka이며, C-2 지점의 ESR 연대는 330±60 ka이다. C-1 및 C-2 지점에서 채취한 단층비지 시료들의 가중평균 ESR 연대는 340±20 ka이다.

A 지점(Bae and Lee, 2014)의 단층손상대와 단층핵의 경계부에 발달한 단층비지띠에서 채취한 HK001-1 (370±100 ka)과 화강암으로부터 유래한 파쇄암과 단층핵의 경계에 발달한 단층비지띠에서 채취한 HK001-3 (310±60 ka)는 오차범위 내에서 일치하며 이들의 가중평균 ESR 연대는 330±50 ka이다(Bae and Lee, 2014; 그림 20a).

B 지점(Hong and Lee, 2012)에서는 ESR 연대측정 결과, 단층핵과 파쇄암으로 이루어진 단층손상대 사이에 발달한 단층비지띠에서 채취한 KW-5 및 KW-6의 각 ESR 연대는 290±30 ka, 350±30 ka이고 이들은 오차범위 내에서 일치하며 가중평균 ESR 연대는 320±20 ka이다(Hong and Lee, 2012; 그림 20b).

이들 결과를 종합해보면, A 지점(Bae and Lee, 2014)의 가중평균 ESR 연대는 330±50 ka, B 지점(Hong and Lee, 2012)의 가중평균 ESR 연대는 320±20 ka이다. C 지점의 가중평균 ESR 연대는 340±20 ka이다. A 지점, B 지점 및 C 지점 각각의 가중평균 ESR 연대는 오차범위 내에서 일치하며 이들의 가중평균 ESR 연대는 330±10 ka이다(그림 20).

B 지점(Hong and Lee, 2012)의 단층비지띠 시료 KW-4(480±40 ka)과 C-1 지점의 단층비지띠 시료 HJ055-7#(500±120 ka)의 ESR 연대가 오차범위 내에서 일치하며 이들의 가중평균 ESR 연대는 480±40 ka이다(그림 20).

5.2.2 금왕단층 남서 말단부에서의 제4기 단층운동패턴

충청북도 진천군~음성군 일대 금왕단층의 남서 말단부(A, B 및 C 지점)에서의 제4기 단층운동패턴은 활동기와 비활동기로 나누어지며, 약 33만 년 전 이후에는 단층비지의 재활동이 발생하지 않은 것으로 해석된다(그림 21). 금왕단층의 북동 말단부에서는 약 33만 년 전 이후에도 금왕단층의 단층비지가 재활동한 것으로 보고되어 있으며(Kim and Lee, 2016; Kim, 2018), 이는 단층운동이 금왕단층의 주향방향을 따라 이동한 것으로 추정된다(Hong and Lee, 2012; Kim and Lee, 2016; Kim, 2018). 약 48만 년 전에 B 지점(Hong and Lee, 2012)과 C 지점에서 단층운동이 일어났으며(그림 21), A 지점(Bae and Lee, 2014)에서는 마지막 단층운동에 의해 그 이전의 단층운동 기록(ESR signal)이 지워졌기 때문에 A 지점에서는 해당 시기의 단층운동을 파악할 수 없었던 것으로 생각 되어진다. 약 43만 년 전에는 C 지점에서 단층운동이 일어났으며(그림 21), A 지점(Bae and Lee, 2014)와 B 지점(Hong and Lee, 2012)에서는 마지막 단층운동에 의해 그 이전의 단층운동 기록(ESR signal)이 지워졌기 때문에 A 지점과 B 지점에서는 해당 시기의 단층운동을 파악할 수 없었던 것으로 생각 되어진다. 이 시기에는 C 지점으로부터 금왕단층의 북동부로 연장성을 가지고 단층활동이 일어났을 가능성도 있을 것으로 보인다. 약 33만 년 전에는 A 지점(Bae and Lee, 2014), B 지점(Hong and Lee, 2012) 및 C 지점 모두에서 단층운동이 일어났으며, 그 연장은 적어도 약 10 km² 이상이다(그림 20, 21).

Fig. 21.

Temporal activity pattern at the southwestern end of the Keumwang fault during the Quaternary period (modified from Hong, 2013; Kim and Lee, 2016).

B 지점(Hong and Lee, 2012)과 C-1 지점에서는 단층핵의 남동쪽에서 북서쪽으로 갈수록 ESR 연대가 젊어지는 경향을 보인다(그림 20b, 20c).

6. 결 론

첫째, Lee and Kim (2005), Hong and Lee (2012) 그리고 Bae and Lee (2014)에 따르면 금왕단층은 백악기에 좌수향 주향이동 운동이 우세한 것으로 보고되었으나, Kim and Lee (2016)은 안산암 관입(70~80 Ma; Cheong and Kim, 1999) 이후 안산암 내 발달한 현미경 규모의 전단면 및 전단띠의 방향 분석 결과, 백악기 후기 이후 우수향 주향이동 운동이 우세함을 보고하였다(Hong, 2013; Kim and Lee, 2016). 충청북도 음성군 맹동면 쌍정리 지점(C-1 지점)에 발달한 금왕단층의 단층핵 내에 발달한 전단면 및 전단띠들은 주단층면의 방향과 평행한 Y-전단면(N32~43°E/84~89°NW)이 가장 우세하며, R-전단면과 P-전단면은 각각 N44~56°E/54~83°SE 방향, N04~17°E/70~88°NW 방향으로 우세하게 발달하여있다. 단층비지 내 발달한 S-엽리면의 방향은 N01~17°E/75~85°NW 방향이 우세하며 이는 우수향 주향이동 운동을 지시한다(그림 11). 따라서, 금왕단층은 제3기 이전에는 좌수향 주향이동 운동이 우세했으나, 제3기 이후에는 우수향 주향이동 운동이 우세했을 것으로 추정된다.

둘째, 충청북도 음성군 맹동면 쌍정리 일대의 C 지점에 발달한 금왕단층의 단층핵 및 단층손상대로부터 채취한 27개의 시료 중 20개의 시료는 ESR 신호가 포화되어 ESR 연대를 결정할 수 없었으며, 나머지 7개의 단층암 시료로부터 얻은 ESR 연대는 500 ~ 340 ka에 이른다. 약 2 m 폭의 단층핵 중 ESR 연대를 얻은 단층비지띠들 폭의 총합은 약 8 cm (약 4%)에 불과하다. 따라서, 전체 단층핵의 폭 중 약 4%의 단층비지띠만이 제4기에 재활동 하였을 것으로 추정된다(그림 14).

셋째, A 지점(Bae and Lee, 2014)에서 채취한 단층비지 시료들의 가중평균 ESR 연대는 330±50 ka이며, A 지점으로부터 북동쪽으로 약 7 km² 떨어진 B 지점(Hong and Lee, 2012)에서 채취한 단층비지 시료들의 가중평균 ESR 연대는 320±20 ka 그리고 B 지점으로부터 북동쪽으로 약 3 km² 떨어진 C 지점에서 채취한 단층비지 시료들의 가중평균 ESR 연대는 340±20 ka으로 약 10 km² 이상에 걸쳐 ESR 연대가 오차범위 내에서 일치하며 그들의 가중평균 ESR 연대는 330±10 ka이다(그림 20).

넷째, 충청북도 진천군~음성군 일대 금왕단층의 남서 말단부(A, B 및 C 지점)에서의 제4기 단층운동 패턴은 활동기와 비활동기로 나누어진다. 약 33만 년 전 이후에는 단층비지의 재활동이 일어나지 않은 것으로 추정된다(그림 21).

Acknowledgments

이 연구는 기상청 기상·지진기술개발사업(KMI2018-02010), 강원대학교 학술연구조성비(연구과제번호 D1000430-01-01)의 지원으로 수행되었습니다. 이 논문은 행정안전부장관의 지진방재분야 전문인력 양성사업으로 지원되었습니다. 건설적인 조언으로 이 논문의 질을 향상시켜주신 장천중 박사님, 최영섭 박사님께 감사드립니다.

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