인장 분지 형성을 구현하기 위한 상사 모델링 벤치마크 실험 및 원심모형실험의 적용성 평가

1. 서 론

과거 수십년 동안 지질구조가 생성되는 현상 및 과정을 실험적으로 모사하고 증명하기 위한 상사 모델링(analogue modeling) 연구들이 수행되어 왔다(Ramberg, 1981; Koyi, 1997). 상사 모델링 실험은 지질구조가 형성되는 과정들을 직접적으로 관찰하여 그 결과를 확인할 수 있으며, 지질구조를 형성시키는데 중요한 요소들에 대하여 직관적으로 이해할 수 있다는 점에서 장점이 있다. 이러한 지질학적 현상을 연구하는 상사 모델링 실험의 경우, 반복성이 확보될 때 실험 결과의 신뢰성을 증대시킬 수 있으며, 수치 모델링과의 교차 검증과 현장에의 적용을 가능하게 한다. 그럼에도 불구하고 상사 모델링 실험을 수행할 때, 사용하는 장비 및 재료, 연구자의 경험과 배경, 그리고 변형 유발 및 계측, 분석 등에 대한 기술차이 등으로 인해 같은 실험을 수행함에도 연구자들 간의 결과에 차이가 발생하며, 직접적인 대조가 불가한 경우가 발생한다. 이러한 문제를 보완하기 위해 서로 다른 기관의 연구자들이 동일한 재료, 방법 및 절차를 논의하여 결정한 후, 각자 실험을 수행하여 그 결과를 비교 분석하여 실험의 의미를 논하는 벤치마크 연구가 수행되고 있다(Buiter et al., 2016).

Schreurs et al. (2006)은 여러 상사 모델링 관련 실험 기관이 참여하여 같은 실험을 수행한 실험의 조건 및 결과를 정리하여 제시하였다. 모든 기관이 같은 재료 및 장비들을 이용하여 수행하기 보다 각 기관이 보유한 재료와 장비 및 실험 기술 등으로 같은 실험을 수행하고 비교한 것은 큰 의미가 있다. 하부 지각 및 약한 층을 모사한 점성 재료인 Polydimethylsiloxane(PDMS)에 모래를 덮어 취성 특성의 상부 지각을 모사한 실험 모델(길이 20~29.2 cm, 폭 25~90 cm)에 대해 수평방향으로 인장력을 발생시켜 모래와 점성재료의 리올리지(rheology)적 변화를 유발하는 실험을 하였다. 모든 실험 기관 결과에서 인장력에 의한 정단층 및 지구조 형성 과정이 매우 유사하게 나타났으며, 이는 실험에 대한 반복성 및 재현이 가능하다는 것을 의미한다.

본 연구에서는 Schreurs et al. (2006)에서 제시된 다섯 기관에서 수행한 상사 모델링 실험을 벤치마크 하였으며, 모델 구성 및 제작 방법 등을 동일하게 반복함으로써 얻어진 결과를 비교하였다. 상사 모델링 실험을 위해, 토조 상부에 모래를 낙사(sand raining)하여 상부 지각을 모사하였으며, 인장력을 발생시켜 정단층 및 인장 분지의 형성 과정을 벤치마크 하였다. 인장 분지는 한반도와 그 주변에 다수 존재하며, 형성 메커니즘에 대한 비교적 많은 연구들이 수행되었다는 점에서 상사 모델링 연구의 잠재성이 높다(Park et al., 2005; Sato et al., 2014; Yoon et al., 2014).

Ramberg (1967)는 상사 모델링을 지구 중력 조건보다 높은 중력가속도 조건에서 수행하는 원심모형실험에 적용하였다. 국외에서는 원심모형실험을 지질 분야에 적용하여 다양한 상사 모델링 연구가 수행되고 있지만 국내에서는 적용된 사례가 아직 없다(Sokoutis et al., 2007; Corti, 2012). 원심모형실험은 모형을 회전시켜 인위적으로 큰 가속도를 가함으로써 실제 크기의 모형보다 작은 축소 모형을 사용하여 실제의 응력조건을 재현하여 실험을 수행할 수 있는 이점이 있다(Park and Kim, 2013; Park et al., 2017). 이는 상사 모델링에서 사용된 모형의 크기를 더욱 축소시켜 실험을 수행할 수 있다는 것을 의미하며, 따라서 조산대 등의 광역 지구조 사건 연구에 활용될 수 있음을 시사한다.

본 연구에서는 지구 중력 조건 하에서 실시한 상사 모델링 벤치마크 실험과 더불어 원심모형실험을 통해 보다 높은 중력가속도 조건에서 추가적으로 실험하였다. 원심모형실험 조건으로써 원심중력장 10g 조건을 사용하였고, 획득된 결과를 1 g 조건에서 수행된 실험 결과와 비교하였으며, 이를 통해 원심 모형실험의 적용성에 대해 논의하고자 한다.

2. 실험 방법 및 구성

2.1 벤치마크 실험

본 연구에서는 Schreurs et al. (2006)과 유사한 실험조건을 갖추기 위해, 이용한 토조 크기(길이 120 cm, 폭 45 cm, 높이 70 cm)를 고려하여 알루미늄으로 길이 19.4 cm, 폭 44.7 cm, 높이 5 cm의 내부 크기를 가지고 중앙 부분에서 인장을 유발할 수 있도록 L-모양의 이동식 구조물(mobile wall)과 고정식 구조물(fixed wall)을 제작하였다(그림 1). 구조물 두께의 경우, 벌어지는 구조물의 두께(구조물과 토조바닥과의 높이 차이)로 인해 발생할 수 있는 모래의 변형을 최소화하기 위해 0.1 cm로 가능한 얇게 제작하였다.

상부 지각의 취성환경을 모사하기 위해 건조 상태의 규사(silica sand)를 이용하였다. 규사는 인공적으로 파쇄하여 제작하였으며, 최대, 최소 밀도는 각각 1.65 g/cm³, 1.24 g/cm³ 이며, 균등계수(C_u)와 곡률계수(C_c), 평균입경(C₅₀)은 각 1.96, 1.11, 0.22으로 통일분류법에 의해 입도분포가 불량한 모래(SP)로 분류된다. 상부 지각에서 단층을 유발하는 약한 층(weak layer)을 모사하기 위해 점성 유체인 Polydimethylsiloxane(PDMS)을 이용하였다. Schreurs et al. (2006)에서 사용된 PDMS와 같은 모델의 제품을 이용하였으며, PDMS의 점성은 실온과 3 × 10^-3 s^-1의 변형률 조건 하에서 5 × 10⁴ Pa·s이다(Weijermars, 1986; Ten Grotenhuis et al., 2002; Cruden et al., 2006).

상사 모델링 실험에서 일정한 마찰 특성을 가지는 취성 재료들은 쿨롱의 파괴 기준을 따라 변형한다고 가정하고 있지만, 본 실험에서 이용한 규사는 탄성 및 소성 거동을 보이며, 역학적인 거동이 암석과 유사하다는 연구 결과가 있다(Jaeger and Cook, 1979; Lohrmann et al., 2003; Barnhoorn et al., 2004; Panien, 2004). 모래의 내부마찰각이 33°에서 45°의 범위에 포함되면 상부 지각 암석을 모사할 수 있다(Byerlee, 1978). 본 실험에서 이용된 모래의 내부마 찰각은 41°로 범위에 포함된다(Kim, 2016).

실험 모델은 Schreurs et al. (2006)의 실험들과 유사한 방법으로 조성 및 제작하였다. 먼저, 두 개의 구조물을 토조 바닥에 설치한 후 이들이 벌어지는 부분(인장력 유발)인 장비 중앙부에 길이 10 cm, 높이 0.5 cm, 폭 44.7 cm 크기의 PDMS로 구성된 약한 층을 조성하였다(그림 1). 상부 지각은 손으로 조작할 수 있는 낙사 장치를 활용하여 모래가 1분에 약 250g씩 일정하게 나오도록 시브(sieve) 크기를 조절한 후 20 cm 높이를 유지하며 규사를 자유낙하 시켜 조성하였다. 인장 정도에 따른 단층 및 균열 형성과정과 실험 전, 후 변형을 가시적으로 확인하기 위해 상부 지각 층의 가운데 부분(1 cm)을 붉은색으로 염색된 규사를 이용하여 총 3개의 층으로 구분되게 조성 하였다(그림 1).

Fig. 1.

Setup of the extension experiment. A thin viscous material of PDMS, 10 cm wide and 0.5 cm high, lied in the central of the test model. Half of the PDMS is located on the mobile wall sheet. The mobile wall was moved constant velocity by actuator.

실험 모델 제작을 완료한 후 토조 위에 수직방향으로 하중을 가할 수 있는 선형 엑츄에이터(actuator)를 거치하고 인장 하중을 가하기 위한 시스템을 설치하였다. 인장 응력은 모델의 전면 중앙, 높이 2/3지점에 가하였으며, 변위제어 방식으로 일정한 속도로 변위를 유발시켰다. 인장 속도는 Schreurs et al.(2006)에서 이용한 2.5 cm/h와 유사하게 0.007 mm/s로 결정하였다. 모델과 토조바닥과의 마찰, 토조 벽면과의 마찰, 모래의 무게 등과 같은 여러 원인에 의해 실험 모델 전체에 균일하게 인장을 유발하는 것에 어려움이 존재하는데, 모델 전면에 두 개의 레이저 센서를 설치하여 모델의 기울어짐 또는 일정한 속도로 인장이 유발되는지 여부를 확인하였다.

토조 전면과 실험 모델의 상부에 카메라(Gopro Hero4)를 설치하여 1초당 1장의 연속적인 사진을 촬영하였으며, 이를 단층의 형성과정 분석에 활용하였다. 실험을 완료한 후 레이저 센서를 설치한 수평 엑츄에이터를 토조 위에 거치하여 일정한 높이에서 속도 차이로 인한 왜곡 제거 및 균일한 결과 취득을 위해 일정한 속도(4 mm/s)로 제어하여 거리를 측정하였다. 인장 방향으로 거리를 측정하였으며, 일정 간격(2.5 cm)으로 총 15개 지점에서 측정하였다.

2.2 원심모형실험

연구에서는 중력가속도 10 g 조건에서의 원심 모형실험을 통해 1 g(대기압) 조건에서 수행한 실험과 비교하였다. KAIST에 위치한 KOCED 지오센트리퓨지 실험센터의 원심모형실험기를 이용하였으며(그림 2), 회전 반경 5.0 m, 최대 2,400 kg의 모형 하중을 100 g까지 가속할 수 있는 최대 용량 240 g·tons인 장비이다(Kim et al., 2013). 축소 모형을 회전시켜 인위적으로 원심력을 가하여 실제 현장과 동일한 응력 상태를 재현할 수 있어 다양한 실험이 가능하다.

Fig. 2.

KOCED Geo-centrifuge facility at KAIST.

원심모형실험은 고중력(N g) 환경에서 실험을 수행하기 때문에 그에 맞는 상사비를 적용해야 한다. 지반공학 분야에서 널리 활용되고 있는 원심모형실험의 경우, 상사비와 관련하여 많은 연구들이 수행되어 있으며, 기본적인 물리량들에 대한 상사비가 정립되어 있다(Schofield, 1980; Taylor, 1995). 지반공학 분야의 원심모형실험에서는 일반적으로 현장과 동일한 밀도의 재료를 사용하여 원심중력장 하에 현장의 응력을 모사할 수 있다. 한편 지구조 규모의 상사성을 원심중력장에서 표현하기 위해서는 실제 지구조 환경과 실험 재료 사이의 점성과 밀도, 그리고 시간에 대한 물리량에 대하여 보다 큰 상사성을 표현할 수 있는 물리적 표현이 필요하다. 이를 요약하면 표 1과 같다(Ramberg, 1981).

Table 1.

Model ratios used in centrifuged models.

1 g 조건과 같은 속도로 인장을 유발하기 위해 상사비를 고려하여 0.07 mm/s를 적용하였다. 원심모형실험은 1 g 조건에서 수행한 절차와 같은 방법으로 수행하였으며, 중력가속도를 10 g까지 가속하는 동안 발생할 수 있는 수직 변위(모래의 침하 발생)를 확인하기 위해 수직 방향으로 레이저 센서를 설치하여 측정하였다. 10 g의 중력가속도에 도달한 후 수직 변위가 발생하지 않는 것을 확인하고 엑츄에이터를 이용하여 변위 제어로 수평 인장 하중을 가하여 실험 모델의 인장을 유발하였다.

1 g 실험과 마찬가지로 인장을 유발하는 중에 토조 전면과 실험 모델의 상부(표면)에서 카메라를 이용하여 매초 한 장씩 사진을 촬영하였다. 그리고 중력가속도 10 g 가속하는 중에는 모델 전체의 수직변위 측정이 불가하여 실험 완료 후 원심모형시험기를 멈춘 다음 레이저 센서를 이용하여 측정하였다. 그림 3은 인장 실험을 위해 준비된 엑츄에이터 시스템과 원심모형실험 직전의 실험 시스템 설치 완성 모습을 보여준다.

Fig. 3.

(a) Setup of the extension experiment system with actuator and Gopro measurement system. (b), (c) Installed two Gopro measure top and side view of model.

3. 실험 결과

3.1 벤치마크 실험 결과

벤치마크 실험 수행 결과, 10 mm 수준의 인장을 유발하였을 때부터 실험 모델 상부 표면의 중앙 부분에서 정단층들이 형성되는 것을 확인하였다. 이는 Schreurs et al. (2006)의 실험결과와 대체로 유사하며, 10 mm 인장 되기 전부터 내부에서 균열이 형성되고 있음을 의미한다. 추가적으로 인장을 계속 유발할수록 모델의 중앙 부분을 중심으로 단층대가 양방향으로 확장한다. 그러나 처음 발생한 단층대가 형성된 이후에는 양방향이 아닌 주로 인장 방향으로 단층대가 확장되는데, 이는 새로운 단층들이 인장 방향 지괴에서 추가적으로 발달한다는 점을 의미한다.

그림 4는 모델의 표면을 촬영한 사진으로, 그림 4(a)는 실험 전, 그림 4(b-d)는 각 20 mm, 60 mm, 70 mm 인장했을 때의 사진이다. 약 20 mm 인장했을 때 인장 방향의 벽면을 따라 발생하는 마찰로 인해 형성되는 끌림 구조가 관찰된다(그림 4(b)). 이는 Schreurs et al. (2006) 실험 결과와 비교적 유사한데, 이러한 곡률 형태의 정단층은 벽면과 모래와의 주향이동으로 인해 최소 주응력(σ₃)의 방향이 모델의 중앙에서 벽면으로 갈수록 회전하는 것으로 이해할 수 있다(Schreurs et al., 2006).

Fig. 4.

Surface views of natural gravity field test model evolution at (a) 0 mm displacement, (b) 20 mm displacement, (c) 60 mm displacement and (d) 70 mm displacement.

실험 완료 후 레이저 센서를 이용한 변위 측정을 통해 모델의 전체적인 형상을 도시하였다(그림 5). 가로축, 높이축, 세로축은 각각 실험모델의 길이, 높이, 폭을 의미한다. 그림 5(a)는 0.007 cm/s의 속도로 1 cm 인장하고 3~5분 대기한 후 다시 인장하는 방법으로 이를 반복하여 총 7 cm 인장을 유발하였고, 그림 5(b)는 같은 속도로 연속적으로 7 cm까지 유발하였다. 두 실험 결과 단층대 및 정단층의 구조가 유사하게 관찰되는 것으로 보아 1 cm 인장 후 대기하는 동안 시간에 의한 PDMS 변형으로 인해 모래의 구조적 변형은 유발되지 않는 것으로 생각된다. PDMS는 모래에 의해 구속되어 있기 때문에 변형되려면 더 많은 시간이 필요할 수 있다. 수직 변위가 가장 크게 발생한 부분은 인장을 유발시키는 장비의 끝 부분이며, 전형적인 지구(graben) 양상 및 대칭성을 보인다. 인장력의 단속성과 연속성은 실험 수행 시 엑츄에이터의 기술적 작용, 이동거리 및 형상 계측, 그리고 선행 벤치마크 실험과의 비교를 위해 설정되었으며, 향후 이와 연관된 지질학적 현상이 정립되고 이를 기술적으로 반영할 수 있다면, 정단층의 발달과 관련된 다양한 지질학적 연구 수행이 가능할 것으로 기대된다.

Fig. 5.

Laser scanning for natural gravity field test after induced extension (7 cm): (a) In this test, displacement was extended in step 1 cm by actuator. (b) In this test, displacement was directly extended by actuator. The mobile wall moves leftward. Red line is location of edge of mobile sheet, and blue line is initial center.

3.2 원심모형실험 결과

그림 6은 중력가속도 10 g에서 인장 중에 촬영한 사진으로 그림 6(a)는 실험 전, 그림 6(b-d)는 각 20 mm, 60 mm, 70 mm 인장을 유발한 후 촬영한 사진이다. 약 10 mm 인장이 유발된 이 후 모델의 중앙 부분에서 단층이 발생하였는데, 이는 원심모형실험 결과 1 g 실험 결과와 유사하다. 원심모형실험 결과에서도 1 g 실험 결과와 같이 끌림 구조가 관찰되나, 약 40 mm 이상 인장 된 후 관찰된다. 한편 표면에 나타나는 단층대 선형구조의 패턴은 1 g 실험의 경우 준선형적으로 연결성을 가지며 형성되는 반면 10 g 실험의 경우 초기에는 단속적으로 형성되다가 점차 이들이 연결되어 형성됨을 보인다(그림 6(b-d)).

Fig. 6.

Surface views of centrifuge test model evolution at (a) 0 mm displacement, (b) 20 mm displacement, (c) 60 mm displacement and (d) 70 mm displacement.

토조 전면에서 카메라를 이용하여 모델의 측면을 촬영한 결과(그림 7), 인장력의 증가에 따른 정단층 형성과정이 잘 나타난다. 또한 인장을 유발할수록 PDMS의 길이가 길어지고 얇아지는 것이 보인다. 이는 실험목적에 맞게 PDMS가 모래의 변형을 유발하고, 단층을 형성하였음을 의미한다.

Fig. 7.

Side view of centrifuge test model evolution at (a) 0 mm displacement, (b) 20 mm displacement, (c) 60 mm displacement and (d) 70 mm displacement.

실험 후 레이저 센서를 이용한 변위 측정을 통해모델의 전체 형상을 도시하였다(그림 8). 인장을 유발시키는 장비의 끝 부분에서 가장 큰 변형이 발생하였고, 1 g 실험 결과와 같은 지구 형상을 보이며, 전체적인 형상이 유사하게 나타난다.

Fig. 8.

Laser scanning for centrifuge test model after induced extension (7 cm). In this test, displacement was extended in step 1 cm by actuator. The mobile wall moves leftward. Red line is location of edge of mobile sheet, and blue line is initial center.

4. 토 론

한반도 중부, 남부 지역에 분포하는 분지들 중에는 주향이동 단층에 수반된 당겨열림분지(pull-apart basin), 단층 휨 분지(fault-bend basin)에 의해 형성되었다. 그 중에서도 인장력에 의한 횡인장(transtension) 분지가 압축력에 의한 횡압축(transpression) 분지보다 많이 분포한다(Ryang, 2013). 횡인장 분지 즉 인장력에 의해 형성된 분지는 정단층이 생성되고 지구(graben) 또는 반지구(half-graben) 형태를 가진다(Gibbs, 1984). 따라서 국내 횡인장 분지에 대한 연구 시 인장력에 의한 지구조 변형이 중요하며, 본 실험에서 인장력에 의한 정단층 생성 및 지구의 형성까지 모사하였고, 다른 벤치마크 실험 결과와의 유사성을 확인하였다. 주향이동 분지의 경우 복잡한형성 과정을 겪기 때문에 이 연구 결과를 국내 분지에 대해 직접적인 적용에는 한계가 있지만, 정단층형성 및 인장 분지를 대상으로 기초적인 상사 모델링을 시도한 것에 의미가 있다(Nilsen and Sylvester, 1995).

한편 실험 중 인장 정도에 따른 모델의 단면에 대한 형상 및 계측 결과 도출에 기술적인 어려움이 있었으며, 이에 인장에 의한 모래와 PDMS의 리올리 지적 변화 및 내부 단층의 형성 과정 등에 대해 연구하는 데에는 한계를 지닌다.

국내에 분포하는 인장 분지의 지구조, 지질구조, 층서, 응력 등의 조건을 상사 모델링에 적용하면 국내의 인장 분지의 형성과 진화사 및 지구조 대한 연구에 활용될 수 있고, 국내에서 상사 모델링에 대한연구가 활발해질 것으로 기대된다.

5. 결 론

본 연구에서는 인장 응력에 의해 형성되는 정단층과 인장 분지 구조와 관련된 벤치마크 인장 실험을 수행하였다. 이를 위해 지각 암석을 모사할 수 있다고 알려진 재료를 선택하고, 토조의 경계조건을 최소화할 수 있도록 실험을 구성하였다. 또한 대형 원심모형실험 시설을 이용하여 원심중력장 하에서 벤치마크 실험의 상사성과 적용성을 검토하였다. 원심중력장이 가해지는 동안 원격으로 인장 응력을 가하기 위하여 엑츄에이터를 통해 일정한 인장 응력을 가하였고, 모형 토조의 고속 회전 중 인장 상태를 원격으로 계측하기 위한 시스템을 구축하였다.

벤치마크 실험 수행 결과, 10 mm 수준의 인장을 유발하였을 때부터 실험 모델 상부 표면의 중앙 부분에서 단층들이 형성되는 것을 확인하였다. 추가적으로 인장을 계속 유발할수록 모델의 중앙 부분을 중심으로 단층대가 양방향으로 확장하였다. 일정한 인장 응력이 가해진 이후에는 주로 인장 방향으로 단층대가 확장되었고, 추가적으로 새로운 단층들이 인장 방향으로 발생하였다. 10 g 상태의 원심중력장 하에서도 1 g 실험 결과와 유사하게 약 10 mm 인장이 유발된 후부터 모델의 중앙 부분에서 단층이 발생하였다. 1 g 실험 결과에서 보인 끌림 구조가 원심모형 실험 결과에서는 약 40 mm 이상 인장 된 후 나타났다. 그리고 표면에 나타나는 단층대의 선들이 1 g 실험의 경우 준선형적으로 연결성을 가지며 형성되지만, 10 g 실험에서는 단층이 보다 부분적으로 형성 되었다. 1 g 실험과 10 g 실험 모두, 인장을 유발시키는 장비의 끝 부분에서 가장 큰 변형이 발생하였고, 레이저 센서를 이용한 스캐닝을 통하여 전체적으로 유사한 표면 형상을 얻을 수 있었다.

대형 센트리퓨지는 경계조건을 최소화하고, 상사비를 유연하게 조절할 수 있을 수준의 큰 모델 실험이 가능하게 하였으며, 이를 통해 인장 응력뿐 아니라 다양한 응력 조건에서의 지구조 변형을 예측하는데에 있어 신뢰성 높은 실험결과를 도출할 수 있을 것이라 기대된다.

Acknowledgments

본 논문의 심사에 응해주시고, 세심하게 검토해주신 두 분의 위원님, 그리고 편집위원님께 깊이 감사드립니다. 본 연구가 시작될 수 있도록 해외 관련 연구사례를 공유해 주신 소병달 교수님, 그리고 연구 수행 과정에서 통찰력 있는 조언과 아낌 없는 격려를 해 주신 이창열 교수님께 진심으로 감사드립니다. 이 논문은 2014년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업입니다(No. NRF-2014R1A6A3A04056405).

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