한반도 활성단층지도 제작과정 및 해결과제

1. 서 론

지진은 상대적으로 짧은 시간 동안 극심한 피해를 줄 수 있는 자연재해이다. 지진동과 지표파열로 인한 건물붕괴와 인명피해를 유발할 뿐만 아니라 지진해일, 산사태, 화재, 액상화, 방사능 누출 등 2차 피해를 유발할 수 있다(Ministry of Construction and Transportation, 1997). 일반적으로 규모 6 이상의 지진이 발생할 경우 본진 이후에도 수차례 여진이 반복적으로 발생하기 때문에 장기간 동안의 피해와 정신적 불안에 시달리게 된다. 지진이 발생하는 원인은 대부분 기존에 존재하고 있던 활성단층이 재활동하는 것이지만, 한반도에서는 발생하는 대규모 지진의 발생빈도가 상대적으로 낮기 때문에 특정 단층대와 지진의 연관성을 규명하는 것은 쉽지 않다. 또한 한반도는 지체구조적으로 판의 가장자리에 위치하고 있어 변위율(slip rate)이 낮고 재발주기(recurrence interval)가 상대적으로 길다. 따라서 이와 같은 지진의 특성 때문에 지진에 대한 대비가 어렵고 소홀하기 쉽다.

최근 경주 지진(2016년 9월 12일; M_W=5.5)은 양산단층대에서 발생하여 지진과 단층의 연관성이 한반도에서 최초로 규명된 바 있다(Kim, K.-H. et al., 2016; Kim, Y. et al., 2016; Kim, Y.-S. et al., 2017). 또한 포항 지진(2017년 11월 15일; M_W=5.4)은 비슷한 규모의 지진이었음에도 불구하고 얕은 진원과 지반특성으로 인하여 액상화 현상과 함께 포항시에 많은 피해를 발생시켰다(Kim et al., 2018, 2020). 이러한 두 번의 지진을 계기로 국민들의 지진에 대한 관심이 크게 증가하였으며, 동시에 원전관련 시설의 안전성과 활성단층에 대한 관심도 높아졌다.

한반도는 지리적으로 인접한 중국 북동부나 대만 및 일본에 비하여 지진활동이 활발하지 않은 편이며, 큰 규모 지진의 발생빈도도 상대적으로 낮다. 2020년 1월 31일 기준으로(KMA, 2020), 1960년 이후 약 60년간 관측된 규모 3.0 이상의 지진 발생횟수는 총 418회이며, 규모 5 이상의 지진은 10회인 것을 통해 주로 중소규모의 지진이 간헐적으로 발생하는 것을 알 수 있다. 그러나 과거 역사기록에 성곽이 붕괴되고, 100여명이 사망할 정도의 파괴적인 지진이 발생한 기록 등 많은 지진피해 기록이 보고되어 있어 상대적으로 주기가 길기는 하지만 규모 6 이상의 대규모 지진이 발생할 가능성이 없지는 않다(Lee, 1998; Jin et al., 2011; KMA, 2012).

중규모 이상의 천발지진은 기존에 존재하고 있던 활성단층(active fault)에서 대부분 발생하고 있기 때문에 선진국에서는 활성단층도(active fault map) 및 지진재해도(seismic hazard map)를 제작하여 지진재해에 대비한다. 활성단층에 대한 정의는 각 나라와 활용대상에 따라 약간씩 다르게 정의되어 활용되고 있다. 그러나 활성단층은 개념적으로는 “최근 지질시대에 활동을 하였고, 미래에 다시 활동할 수 있는 단층”을 의미하여, 정의의 모호성 때문에 최후 활동시기를 통하여 활성단층을 정의하는 것이 일반적이다. 그러나 사용자들의 목적에 따라 이 최근 지질시대를 언제까지로 정하느냐에 대한 많은 이견이 존재하는데 보통은 과거 1만년 전(Holocene) 이내에 활동한 단층을 의미하지만 경우에 따라서는 제4기(Quaternary)에 활동한 단층들을 활성으로 고려하기도 한다(e.g., https://en.wikipedia.org/wiki/Active_fault).

이렇듯 국가 및 기관마다 활성단층에 대한 기준 및 정의가 상이한 관계로 우리나라에서도 조사·연구의 대상선정에서부터 논란의 여지가 있어 왔다. 따라서 우리나라에서는 2015년 활성단층정비기획단(단장 경재복)을 통하여 우리나라에 적합한 활성단층을 정의하고 단층이 활동한 시기를 기준으로 활성단층을 제4기(~2,588 ka)내에서 4개의 범주로 구분하기로 한 바 있다. 이 정비기획단에서는 우리나라의 지체구조적 특성과 지진발생 양상에 기초하여 제4기 단층을 활성의 가능성이 있는 단층으로 보고 조사대상으로 삼기로 하였으며, 활성단층의 시대구분을 위하여 ICS (International Commission on Stratigraphy)의 국제 층서 연대표(International Chronostratigraphic Chart, 2019, http://www.stratigraphy.org/index.php/ics-chart-timescale)를 근거로 삼았다. 따라서 최근 지질시대 단층들을 최후기 활동시기를 근거로 다음과 같이 4개의 그룹으로 구분하고, 활성단층지도에 각 군별로 다른 색으로 표시하기로 하였다; 그룹 I 단층(~ 11.7 ka), 그룹 II 단층(11.7 ~ 126 ka), 그룹 III 단층(126 ~ 781 ka), 그룹 IV군 단층(781 ~ 2,588 ka).

활성단층도 및 지진재해도 제작을 위해서는 활성단층의 분포, 길이, 분절, 단층활동 연대, 재발주기, 변위율 등 많은 데이터가 필요하다. 이러한 데이터를 얻기 위한 가장 일반적인 방법은 고지진학(paleoseismology)을 바탕으로 한 조사이다(e.g., McCalpin, 2009). 고지진학적 조사를 통한 활성단층지도의 제작은 미국, 일본, 이탈리아, 대만 등 지진위험성이 높은 국가들에서 먼저 시작되었다(Lin et al., 2012; AIST, 2020; USGS, 2020). 한국에는 그 필요성이 꾸준히 제기되어 왔음에도 불구하고 정밀조사를 위한 본격적인 예산배정은 경주지진 이후에 이루어져 현재 활성단층지도 제작사업 1단계가 진행 중이다.

지진재해도는 특정 지역에서 지진으로 인해 발생 가능한 지반운동의 수준을 예측하는 평가를 통해 제작되며, 수행방법에 따라 결정론적 방법과 확률론적 방법으로 구분될 수 있다(Kang and Yoo, 2018). 현재 국내에서는 원전부지 지진재해도 평가에 집중을 하고 있으며, 국내·외에서 발표된 역사지진 및 계기지진 목록을 주로 사용하여 평가하고 있다. 따라서 지진원을 선정할 때 불확실성이 있는 단층대에 대해 선형지진원으로 고려하기가 힘들다(Kang and Yoo, 2018). 따라서 활성단층 정보를 바탕으로 지진재해에 효과적으로 대비하기 위해 활성단층지도가 필요한 상황이며, 이에 따라 정부에서는 2017년도에 국가활성단층 지도제작에 착수하였다. 양산-울산 단층과 같은 대규모 단층의 해양 연장에 대한 조사는 해양수산부에서 2018년부터 발주한 독립적인 해저활성단층 사업에 의해 추진되고 있다.

이 논문에서는 국가 활성단층지도 제작에 대한 계획, 문제점 및 해결과제에 대해 간략히 정리하고자 한다. 논문 작성중인 시기는 1단계 중 3차 년도 종료 후 4차 년도 협약단계에 있다. 따라서 현재까지 수립되고 진행된 해당 사업의 목적, 체계와 연구방법, 단층분절 산정기준, 단층표기법 등을 간략하게 소개하고 이에 대한 문제점을 제시하여 해결방안을 토론하고자 한다. 이를 통해 국가 활성단층지도 제작사업이 더욱 효율적이고 성공적으로 수행될 수 있기를 희망한다.

2. 추진배경

국내 활성단층은 1992년 Okada 연구팀과 한국자원연구소(현 한국지질자원연구원)의 굴착 조사로 양산시 월평마을에서 최초로 발견되었다(Okada et al., 1994). 이후 주로 방사성폐기물 및 원자력부지의 안전성 및 지진재해 평가 차원에서 한국지질자원연구원, 한국전력연구원 및 한국원자력안전기술원을 중심으로 다양한 연구가 수행되었다. 그러나 우리나라 전체를 대상으로 한 활성단층조사는 2008년 지진재해대책법이 수립되면서 시작되었고, 이에 따라 정부에서는 2009~2012년 ‘활성단층지도 및 지진위험지도 제작 R&D (舊, 소방방재청; Choi et al., 2012)’ 사업을 추진하였다. 그러나 이 사업은 비록 성공적으로 수행되었지만 그 결과는 전문가들 사이에서 많은 논쟁거리가 되었고, 결국 이 연구로 산출된 결과인 활성단층지도는 당시 국민들에게 공개되지는 못하였다. 따라서 이 결과를 바탕으로 더욱 정밀한 활성단층지도 조사사업을 수행해야 한다는 의견을 바탕으로 후속 사업이 추진되었다. 후속사업에서는 먼저 우리나라의 현실에 맞는 활성단층의 정의를 명확히 할 필요성이 제기되어 2014년 ‘활성단층정비기획단’을 구성하여 외국의 사례를 바탕으로 우리나라에 적합한 활성단층을 정의하는 임무를 수행하였다. 이 과정을 통해 정해진 활성단층의 정의를 바탕으로 2017년부터 5년씩 4단계에 걸쳐 20년 동안 국가활성단층지도를 완성한다는 계획을 갖고 있다.

지진에 의한 실질적인 피해를 예측하고 내진설계 등에 활용하기 위해서는 지진위험지도에 활성단층과 지반특성에 대한 정보도 반영되어야 한다. 따라서 이번 활성단층지도 사업은 그동안 취약했던 국내 활성단층 및 지진지질학 연구의 한계점을 극복하고 선진화를 도모하여, 향후 신뢰성 높은 활성단층 자료를 확보하여 지진재해의 대비에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이를 위해 전 국토를 대상으로 제4기 동안에 지표파열을 일으킨 큰 규모의 지진에 의한 흔적을 추적하고 이에 대한 정보를 획득하여 이를 지도화하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 자료는 활성단층을 반영한 국가지진위험지도를 고도화하여 신규로 설치되는 주요시설물(산업단지, 사회기반시설 등)에 대한 지진위험 요소를 파악하는데 기여할 수 있을 것이다.

본 사업은 ‘제4기 이후 적어도 한 번의 고지진(역사지진 포함)에 의해 지표파열 또는 지표변형을 유발시킨 단층’을 조사대상으로 하며, 이들 단층의 분포를 웹 기반의 디지털 활성단층지도로 도시하여 국민들에게 공개하는데 목표를 두고 있다. 활성단층 조사에 있어 가장 기본적인 개념 중 하나는 ‘대부분의 대규모 지진은 이미 존재하고 있는 큰 규모의 단층을 따라 발생한다.’는데 있다(*여기서 말하는 지표파열을 유발하는 대규모의 지진은 일반적으로 규모 6 이상의 지진으로 알려져 있다; Wells and Coppersmith, 1994). 이는 기존 단층들의 고지진 이력을 파악함으로써 미래 잠재지진의 특성을 평가할 수 있음을 의미한다. 매우 드물지만, 지진이 활성이 아닌 것으로 판명된 단층을 따라 발생하는 경우도 있다(Morino et al., 2008; Azad et al., 2011; Barnhart et al., 2019)

이번 ‘한반도 단층구조선 조사 및 평가기술 개발’ 사업의 목표는 제4기 동안의 고지진에 의한 변형기록이 없는 단층은 제외하며, 우리나라 육상 전역을 대상으로 제4기 동안 고지진 이력을 가진 단층들의 분포와 특성을 파악하는데 주력하고 있다. 활성단층지도 제작의 가장 중요한 목적 중 하나는 ‘활성단층의 분포와 기하를 파악하고 이를 바탕으로 단층분절화를 실시하는 것’이다. 단층분절화(fault segmentation)는 하나의 대규모 단층을 형태적, 구조적 또는 지진학적으로 구분되는 최소 두 개 이상의 구간으로 나누는 작업이다. 아무리 큰 규모의 지진이 발생하여도 모든 단층분절이 동시에 파열되는 것이 아니므로 각각의 단층분절에 대한 지질구조 요소와 고지진 자료를 수집하고 평가할 필요가 있다. 따라서 활성단층 DB는 각 단층분절 단위로 구축되어야 하며, 단층의 노두 및 굴착 분석과 같은 지점 자료는 지점이 속하는 단층분절의 특성을 평가하는 데 활용된다. 총 사업기간은 2017년 ~ 2036년(20년, 전국 대상; 그림 1)까지이며, 현재 진행 중인 1단계 사업기간은 2017년 ~ 2021년(5년, 한반도 남동부 대상; 그림 2)까지이다.

Fig. 1.

Long-term roadmap (upper) and short-term roadmap (lower). Each stage has five years and first-stage study area is the southeastern part of Korean peninsula.

Fig. 2.

First stage (2017 ~ 2021) survey and research areas (modified from Choi et al., 2012).

3. 추진체계 및 전략

이번 사업에서 활성단층 조사에 적용한 세 가지의 주요 방법은 1) 제4기 지형분석을 통한 전문적인 선형 구조 분석을 가장 초기 단계의 기본 조사 절차에 포함시켰고, 2) 활성 가능 주요 대규모 단층에 대한 항공 LiDAR (Light Detection And Ranging) 자료를 이용하여 지형 분석의 질적 향상을 도모하였으며, 3) 표준 절차 및 지침서의 작성을 통하여 새로운 연구인력의 투입 시에도 쉽게 이해하고 적용할 수 있도록 하였다.

활성단층의 운동에 의해 제4기 지형면에 남겨진 단층운동의 흔적을 ‘지형지시자(geomorphic indicator)’ 라고 부른다. 이러한 지형지시자는 활성단층을 추적하고 인지하는데 매우 중요하며, 활성단층지도 제작에서는 원격탐사 및 야외조사를 통한 지형면 분류와 이러한 지형지시자의 분석이 매우 중요하게 수행된다. LiDAR는 원격탐사 방법 중 하나이며 항공기에서 레이저 빔을 이용하여 점단위의 자료(point cloud data)를 획득한 후 기술적으로 수목 등의 효과를 제거하여 지표면의 지형을 나타낸 영상이다. 해당 방법은 건물이나 식생 등 지형분석에 방해가 되는 요소들을 제거할 수 있어 국내와 같이 식생이 풍부하게 발달한 지역에 적합하다. 그러나 영상 획득 비용이 비교적 고가이기 때문에 주요 단층대를 따라서만 획득되고 있다.

표준 절차 및 지침서(이하 지침서)는 ‘한반도 단층구조선 조사 및 평가기술 개발’ 사업의 목적, 조사대상 및 범위, 그리고 추진체제와 중장기 로드맵(그림 1)을 정립하고, 사업 결과물인 활성단층지도의 신뢰도를 높이기 위해 지도제작의 표준절차를 제공하며, 국내 환경에 적합한 표준화된 조사/평가 방법 및 그 기준을 제시하는데 목적이 있다. 활성단층 조사는 일반적으로 기존문헌분석, 영상/지형분석, 야외지질조사, 지구물리탐사, 굴착조사, 연대측정, 고지진학적 해석 순서로 진행되며, 이에 따라 연구단은 상호 유기적으로 관련된 지형분석부(영상/지형분석 수행), 구조분석부(야외지질조사, 지표지질물리탐사, 굴착조사, 고지진해석 수행), 연대분석부(연대측정 수행)로 구성된다(그림 3). 연차별 연구지역은 20 구역(각 200 km²) 내외이며, 육상 조사에 국한된다.

Fig. 3.

Active fault survey and research management system.

3.1 지형분석부의 연구분야

지형분석부 조사는 다음과 같다; 1) 선형구조 분포도 작성, 2) 정밀조사구역 선정, 3) 제4기 지형면 및 단층관련지형 분류, 4) 지형분석보고서 작성. 먼저 선형구조 분포도 작성은 수치표고모델(Digital Elevation Model; DEM)을 구축하여 선형구조 1, 2등급을 분류한 후 선형구조 분포도를 제작한다. DEM은 국토지리정보원이 제공하는 1:5,000 축척 수치지도를 기반으로 5 m 공간해상도로 구축되며, LiDAR 영상 촬영지역은 LiDAR 자료를 활용하여 보완 분석이 진행된다. 항공사진을 사용하게 되면 연구자의 판단에 따라 항공사진 획득 시기와 해상도를 고려해서 분석에 적합한 것을 선정한다. 표준절차 및 지침서에 따라 선형구조상에서 활성단층이 보고되었거나, 단층관련 지형(fault-related landforms)이 인지되고 제4기 지형변위가 확인되거나 제4기 지형변위를 수반할 가능성이 큰 선형구조를 1등급으로 분류하였다. 2등급 선형구조는 1등급을 제외한 나머지의 뚜렷한 선형구조이다. 추출된 선형구조는 각각 붉은색(1등급), 검은색(2등급)의 실선으로 음영기복도에 표현한다. 선형구조의 연속성에 대한 정보가 불확실한 경우 파선을 활용하여 표시한다.

정밀조사구역 선정은 제4기 지형면이 분포하는 지역 중, 1등급 선형구조가 통과하는 지점을 대상으로 트렌치 작업이 가능하고 고지진학적 자료를 획득할 수 있는 지역을 우선 선정한다. 이는 1등급 선형구조를 대상으로 야외조사를 실시하여 결정하며, 가능한 구조분석부와 야외조사 일정을 공유하여 공동으로 조사하고 선정한다. 정밀조사 구역은 최소 1×1 km² (지도화 구역)로 하되 필요에 따라 조정하고, 약식보고서 형식으로 작성(선정근거 및 각종 근거자료 제시)하여 구조분석부에 전달하고 토론한다.

영상을 이용해 제4기 지형면 및 단층관련 지형 동정 및 분류 후 야외조사를 거쳐 단층관련 지형분류도를 작성한다. 표준절차 및 지침서에서 제4기 지형면 코드, 기호, 표현방식을 정립하였으며, 단층관련 지형목록 및 지도화 범례를 구축하였다(Appendix 1, 2). 결과물은 shp 파일로 제4기 지형면 및 단층관련 지형분류도와 최종 등급별 선형구조 분포도를 구조분석부에 전달한다. 지형분석보고서 작성은 제4기 지형분석 결과를 종합하여 작성한다. 선형구조 분포도는 각 조사구역별로 결과물을 제시하며(그림 4), 지형분류도는 각 조사 구역 내 정밀조사구역이 있을 경우에 제시한다(그림 5).

Fig. 4.

Example of a lineament map. The results of first- and second-class lineament analysis are presented on DEM-based shaded relief image. Yellow-boxed are intensive research areas.

Fig. 5.

Example of a geomorphic classification map (Sinnyeong A). Quaternary geomorphology and fault-related structures identified in the research area are displayed together with lineaments (first and second classes).

3.2 구조분석부의 연구분야

지형분석부의 선형구조 및 지형분류를 기반으로 야외조사를 수행하며, 필요시 별도의 원격탐사를 실시하여 야외조사 시 참고한다. 구조분석부에서는 활성단층에 대한 야외분포 추적 등 구조지질학적 조사뿐만 아니라 트렌치 단면을 이용한 고지진학적 연구를 주로 수행한다. 야외조사 결과 기반암 단층 및 추정 활성단층을 발견하면 필요에 따라 물리탐사 및 굴착조사를 수행한다(그림 6). 이 조사를 통해 단층의 자세, 운동감각, 변위량, 단층활동 횟수, 변위율, 재발주기 등 최대한 획득 가능한 자료를 생산한다. 조사를 통해 발견된 지점을 명명하고 정밀조사를 통해 획득한 정보를 데이터베이스화 한다(Appendix 3, 4). 단층의 명명법은 조사방법(굴착조사 또는 단층노두), 조사날짜, 조사지점(행정구역)을 고려해서 명명한다. 예를 들어 2017년 8월 17일, 경북 경주시 내남면 용장리에서 수행된 굴착조사인 경우; T_170817_GBgny로 명명한다(T: 굴착조사, 170817: 2017년 8월 17일, GB: 경북, g: 경주시, n: 내남면, y: 용장리). 단층 명명방법은 1:50,000 지질도, 보고된 논문, 단층 분포지역을 고려해서 명명한다. 기존에 발간된 지질도에 보고된 단층명이 있으면 이를 해당단층의 이름으로 사용한다. 새롭게 발견된 단층은 발견된 지점에 기 보고된 단층이 없으면 해당 지역명을 고려해서 단층명을 명명한다. 단층의 분절명은 분절 내 가장 처음 보고된 노두 이름을 사용하고, 기 보고된 노두가 없는 경우 가장 처음 발견된 지역의 대표지명을 사용하며, 각각 다른 분절로 구분되지 않는 여러 조의 가지단층은 뒤에 숫자를 사용하여 구분한다. 예를 들어 양산단층 내 기 보고된 가천지점이 포함된 각기 다른 분절로 구분되지 않는 2조의 분절인 경우; 양산단층/가천분절-1, 가천분절-2로 표기한다.

Fig. 6.

Example of trench photo mosaic and trench log showing faults and different lithological units exposed on the trench wall of Chungun site.

단층은 기존에 발달한 약대(weak zone)를 따라 재활하여 단층대(fault zone)로 성장을 하며(Holdsworth et al., 1997) 지표파열을 발생시킬 수 있는 중규모 이상의 지진은 기존에 발달한 활성단층이 재활되어 발생할 가능성이 크다. 그러나 개별적인 지진이 발생할 때마다 해당 단층의 전 구간이 파열되는 것이 아니기 때문에 단층 전체에 대해 활성 여부를 판단하기 위해서는 단층을 구성하는 각 구간에 대한 정보를 획득하여야 한다. 이때, 유사한 주향/경사 및 유사한 단층특성을 보이는 구간을 ‘분절(segment)’이라고 하며, 이는 전체단층을 구성하는 기본적인 단위이다. 미국, 일본 등의 사례를 살펴보면, 특정 단층의 분절화를 규명하는 것은 향후 지진재해평가에 중요한 요소 중 하나로서 분절화 개념 및 기준에 따라 크게 구조적 분절(geometric segment)과 운동학적 분절(behavior segment)로 구분한다(Schwartz and Coppersmith, 1984; HERP, 2010; 그림 7).

Fig. 7.

Fault segmentation concepts and type (map view).

운동학적 분절은 개별적인 지진사건으로 인해 동시에 파열될 수 있는 단층 구간을 의미한다. 이 때 하나의 운동학적 분절은 2개 이상의 구조적 분절을 포함할 수 있다. 일반적으로 이웃하는 운동학적 분절은 한 번의 지진에 의해 동시에 파열되지 않는다. 따라서 이웃하는 운동학적 분절의 경계부는 대개 수 km 이상의 비교적 큰 단층 불연속성을 가진다. 특정 지역에서 운동학적 분절을 정의하기 위해서는 단층의 주향을 따라 변위분포, 단층활동 연대 및 횟수, 변위율, 재발주기 등 양질의 고지진학적 자료가 필요하며, 이러한 자료는 주로 대규모 지진이 잦은 판 경계 단층에서 얻을 수 있다.

구조적 분절은 단층의 기하와 분포를 기준으로 구분되는 단층의 기본 단위이다. 이웃하는 분절은 단층의 기하학적 불연속성을 기준으로 구분된다. 일반적으로 지진재발모델 및 지진재해평가를 위한 활성단층 조사에서는 대부분 ‘구조적 분절’ 개념을 사용하고 있다(Mann, 2007; Klinger, 2010; Mignan et al., 2015). 그러나 대부분의 경우 역사지진에 의한 지표파열이 발생한 단층구간에 적용되고 있어 구조적 분절과 지진거동(개별적인 지진에 의한 지진파열의 발생범위)과는 직접적인 관련성을 설명할 수 있다. 한편 최근에 지표파열이 명확히 보고되지 않은 과거의 지진발생거동을 해석할 때는 더 많은 정보와 각별한 주의가 필요하다. 즉 개별적인 지진으로 인해 하나의 구조적 분절이 부분파열(partial rupture) 또는 완전파열(entire rupture)될 수 있으며, 2개 이상의 이웃하는 구조적 분절이 동시에 파열될 가능성도 있다. 이러한 지진거동 특성은 주로 지진의 규모에 따라 좌우된다.

한반도가 판 내부에 위치하며 양질의 고지진학적 자료를 획득하기 어렵기 때문에 이번 사업에서의 ‘단층분절’은 구조적 분절에 국한한다. 구조적 분절은 그 특성에 따라 4 가지로 구분하였다. 1) 계단식 분절(stepover 또는 jog); 주단층을 기준으로, 지표상에서 단층의 방향성이 5° 이내로 평행 내지 아평행한 이웃하는 단층구간이 수직방향으로 1 km 이상 이격될 경우(그림 8a), 2) 단층 굴곡(bend); 주단층을 기준으로, 지표상에서 최소 2.5 km 길이를 보이는 이웃하는 두 단층구간이 약 5° 이상의 방향성 변화를 보이는 경우(그림 8b), 3) 가지 단층(branch); 주단층에서 가지단층이 갈라지는 지점인 분기지점으로부터 최소 2.5 km 이상 연장되면서 주 단층과의 최대 이격거리가 1 km 이상인 가지단층은 새로운 분절로 평가(그림 8c), 4) 불연속성(fault gap); 상기 조건들에는 해당되지 않으나, 1 km 이상의 단속성 또는 불연속성을 보이다 다시 출현하여 2.5 km 이상 연장되는 단층을 새로운 단층분절로 구분하였다(그림 8d).

Fig. 8.

Classification of fault segmentation types based on fault geometry (map view).

단층 조사지점과 단층분절에서 수집된 자료들은 D/B화를 위해 표준화된 표로 수집하고 있으며, 이를 종합하여 디지털 지도제작을 할 예정이다(Appendix 3, 4). 이렇게 수집된 자료들 중에 활성단층의 그룹을 결정하는데 중요한 ‘최후기 운동시기’ 가 있다. 특정 지역에서 발견된 단층의 마지막 운동시기를 의미하는 최후기 운동시기는 범위로 표현한다. 예를 들어 20 ka 연대를 가지는 퇴적층이 단층에 의해 절단되어 있지만 5 ka 연대를 가지는 퇴적층은 절단되지 않은 경우에 최후기 운동시기는 5 ~ 20 ka 시기에 국한된다. 단층분절 그룹은 최후기 운동시기에 의해 결정되기 때문에(그림 9) 이 경우는 그룹 I ~ II 에 속하게 되며, 절단된 층서(20 ka)를 기준으로 지도에는 그룹 II 의 색(주황)으로 표현한다.

Fig. 9.

Classification groups of Korean active faults based on geological time scale and their colors displayed on the map, accordingly.

지형분석을 통해 얻어진 선형구조를 따라 야외조사 또는 굴착조사에 의해 제4기층을 절단한 단층을 발견하더라도 발견지점이 소수일 경우 선형구조 전체를 활성단층으로 결정하기는 어렵다. 또한 과거의 지표파열을 발생시킨 단층의 흔적은 활성단층을 따라 모든 지역에서 발견하기 힘들며, 한반도와 같이 제4기 단층운동이 판경계 지역에 비해 강하지 않거나 경작활동 및 도시화로 인해 단층 흔적이 발견되기 힘들 수 있다. 이를 해결하고자 지형분석 및 정밀 야외조사를 통해 굴착조사를 선별적으로 실시하고 있지만 토지를 임대하여 굴착하는 조사 특성상 모든 지역에 굴착을 하기 힘들며, 시간 및 비용 문제도 만만치 않다. 따라서 이러한 경우에는 활성단층 확인지점(굴착조사 또는 단층노두)을 기준으로부터 선형구조를 따라 최소 연장길이를 산정할 필요가 있다.

단층의 변위량, 지진규모, 지표파열 길이에 관한 여러 상호 경험식들 중 다양한 단층을 포함할 수 있어 상대적으로 한반도 환경에 적합한 Wells and Coppersmith (1994)가 제시한 경험식을 토대로 최소 발생 가능 지표파열 길이를 2 km로 설정하였다. 따라서 확인된 활성단층지점에서 양쪽으로 1 km씩 실선으로 표기하고, 이를 벗어나는 지점부터는 제4기 지형변위와 선형구조가 뚜렷한 경우 선형구조를 따라 파선으로 활성단층을 표기한다. 이에 대한 근거는 지표파열을 발생시키는 지진의 최소 규모를 5.5로 가정하면, Wells and Coppersmith (1994)의 경험식에 의하면 이때 단층의 변위는 약 0.21 m 이고 단층 파열길이는 약 2.3 km로 계산된다. 마찬가지로 최소 규모를 5.5로 가정하고 Slemmons (1982)와 Bonilla et al. (1984)의 경험식에서 변위와 지표 파열길이는 각각 1 cm 와 0.17 km, 3 cm와 1.65 km가 도출되지만 해당 연구자들이 제시한 제한 범위는 Slemmons (1982): 0.3<변위<4 m, 4<지표파열 길이<120 km; Bonilla et al. (1984): 0.4<변위<9.5 m, 18<지표파열길이<120 km이기 때문에 규모 5.5로 가정했을 때 Slemmons (1982)과 Bonilla et al. (1984)의 경험식은 우리나라 활성단층의 범위에 맞지 않아 사용하기 어렵다. 따라서 가장 넓은 범위를 포함하는 Wells and Coppersmith (1994)의 경험식에서 계산된 파열길이 2.3 km의 오차 가능성을 고려하여 제4기층을 절단한 활성단층을 발견한 지점에서 양편 최대 1 km까지 실선으로 표기 하기로 하였다(그림 10).

Fig. 10.

Schematization standard for the extent of active fault lines.

3.3 연대분석부의 연구분야

연대분석부는 다음과 같은 업무를 담당한다; 1) 시료의 채취, 2) 시료의 전처리(시료준비), 3) 연대측정 실험, 4) 연대결과의 해석. 시료의 채취는 지형분석부와 구조분석부의 야외조사가 종료되기 이전 실시한다. 시료 채취 대상은 활성단층으로 절단되거나 활성단층을 피복하고 있는 미고결 지층, 활성단층 비지(fault gouge), 그리고 활성단층과 관련된 기반암 시료이다. 연구진에서 실시하는 연대측정의 종류에는 OSL (Optically Stimulated Luminescence, 광여기루미네선스) 연대측정, ESR (Electron Spin Resonance, 전자스핀공명) 연대측정, 우주기원핵종(Cosmogenic Nuclide) 연대측정, 방사성 탄소동위원소(¹⁴C) 연대측정 등이 있다. 시료표기법은 조사시기, 굴착 지점명(영문 3자리), 시료번호 순서이다(시료 채취기준 우측 하단부터 01, 02, 03 ~), 적용 연대측정 방법[탄소(C), OSL (O), ESR (E), Cosmic Ray (CM)]. 예시는 다음과 같다; 2018년 3월 16-17일 경주시 천군동 굴착에서 채취한 OSL 연대측정 시료의 경우: 1803CHG-01-O.

본 사업에서의 단층 활동시기 결정은 위에서 언급한 다양한 방법 중에서 최소 2개 이상의 방법을 적용하여 논리적으로 해석하려 노력하고 있으며, 같은 방법의 경우에도 중복적인 검증을 통해 연대측정의 오류를 줄이고신뢰도를 높이기 위해 노력하고 있다. 이 논문에서는 우리나라의 제4기 지층연대측정에 가장 광범위하게 적용될 수 있는 연대측정 방법인 OSL 연대측정에 대해 간략하게 서술하고자 한다: ESR, 우주기원핵종, 방사성탄소 연대측정법 등 활성단층 연대측정 전반에 대해서는 별도의 논문으로 다룰 예정이다. OSL 연대측정은 단층에 의해 변형 혹은 절단되거나, 단층을 피복하고 있는 퇴적층의 연대측정에 적용되어, 단층운동의 시기를 제한하는 데 사용된다. OSL 연대측정이라 함은, 석영을 청색파장으로 여기시켜 발생된 루미네선스 신호를 이용한 OSL 연대측정과 장석을 적외선파장으로 여기시켜 발생된 루미네선스 신호를 이용한 IRSL (InfraRed Stimulated Luminescence) 연대측정을 통칭한다. OSL 연대측정 결과는 측정대상 물질인 석영이나 장석입자가 퇴적되어 햇빛으로부터 차단된 후, 경과한 시간을 의미하며 일반적으로 “천년 전”을 의미하는 “ka (kilo annum)” 단위로 표현된다.

OSL 연대측정을 위한 시료의 전처리(시료준비)는 등가선량(equivalent dose) 측정을 위한 시료준비와 연간선량(dose rate) 측정을 위한 시료준비로 나눌 수 있다. 등가선량 측정을 위해 노두에서 회수한 OSL 시료채취용 파이프를 암실에서 절단하여 조립질(90-250 μm) 혹은 세립질(4-11 μm)의 석영과 장석을 분리한다. 석영과 장석의 분리절차는 다음과 같다; (1) 표준망체를 이용한 습식체질로 90-250 μm 크기의 입자를 분리한다. 세립질입자는 Stokes’ law of settling을 사용하여 분리한다. (2) 습식체질을 실시하며 걸러진 입자들을 10% 염산(약 1-3시간, 반응이 없을 때까지)과 10% 과산화수소수(반응이 없을 때까지)로 처리하여 시료에 포함된 탄산염광물과 유기물을 제거한다. (3) 조립질입자들은 10% 불산으로 40분-1시간 정도 처리하여, 석영과 장석을 제외한 다른 광물을 제거하고 세립질 입자들은 hexafluorosilicic acid로 2주간 처리하여 순수한 석영입자를 추출한다. (4) 중액분리를 통해 불산으로 처리한 시료들을 석영과 장석으로 분리(세립질 입자들은 중액분리가 불가능함)한다. 연간선량 측정을 위한 시료는 시료를 오븐에서 완전하게 건조시킨 후, 시료를 분쇄하고 시료가 동위원소 세차평형(secular equilibrium)을 이룰 수 있도록 감마스펙트로미터 측정용 컨테이너에 약 3주 동안 보관하여 준비한다.

OSL 연대측정을 위한 등가선량 측정은 현재 가장 신뢰도가 높은 것으로 평가받고 있는 단일시료재현법(Single-Aliquot Regenerative-Dose법, SAR법)을 적용한다(표 1). 석영 OSL 신호의 발생은 청색광원(blue-LED, 470 nm, FWHM = 20 nm, max. power density: ~ 80 mW/cm²)을 사용하며, 석영 OSL 신호는 광증폭배관(photomultiplier tube)을 사용하여 검출한다(검출파장: ~ 340 nm). 장석 IRSL 및 pIRIRSL 연대측정을 위한 등가선량 측정도 기본적으로는 단일시료재현법을 사용한다. 장석 IRSL/pIRIRSL 신호의 발생은 850 nm (FWHM = 40 nm) 파장의 적외선광원을 사용하며, 장석 IRSL/pIRIRSL 신호는 광증폭배관 앞에 Blue filter pack (BG39 + Corning 7-59) 광학필터를 검출필터로 사용하여 측정한다. 석영 OSL 및 장석 IRSL/pIRIRSL 신호의 감쇄곡선과 성장곡선은 그림 11(예시)과 같다. 각 성장곡선의 특성선량(2D₀) 값은 연대측정 상한(즉, 퇴적층의 최소연대)을 추정하는 데 사용된다.

Table 1.

Single-Aliquot Regenerative-Dose protocol for measuring quartz equivalent dose.

Fig. 11.

Attenuation curve and growth curve (blue line) of quartz OSL signal. Attenuation curve and growth curve (red and brown lines) of feldspar IRSL signal and pIRIRSL signal.

OSL 연대측정 가능상한은 석영이나 장석시료마다 혹은 석영이나 장석 개별입자(individual grains)의 물리적 특성에 따라 다양하지만, 일반적으로 석영 OSL 연대측정 가능상한은 약 150-200 ka (15-20 만년), 장석 IRSL 연대측정 상한은 약 500 ka (50만년)으로 알려져 있다. 퇴적당시 측정대상 물질들이 햇빛에 충분한 시간(수 초~수 분)동안 노출되지 못하여 OSL 신호가 충분히 제거되지 않았거나, 퇴적이후의 교란작용으로 인해 퇴적층 내에서 입자의 상하 이동이 심각했을 경우 OSL 연대측정결과는 해당 퇴적층의 퇴적시기를 정확하게 지시하지 못할 가능성이 있다. OSL 연대측정 가능상한 이상의 퇴적연대를 보이는 시료의 경우에는 특성선량(characteristic dose, 2D₀)값을 사용하여 최소 퇴적연대를 부등호로 표시한다. 예를 들어, 퇴적층 시료의 OSL 연대가 “> 100 ± 10 ka”로 표현되었다면, 이는 해당 퇴적층이 100 ± 10 ka (10 ± 1 만년)보다 이전에 형성된 퇴적층임을 의미한다. 특성선량(characteristic dose, 2D₀)이란, 측정대상 물질인 석영이나 장석입자내의 격자결함 중 약 86%가 전자(trapped electrons)로 채워졌을 때의 선량(dose)을 의미한다(그림 12).

Fig. 12.

Estimating method for the minimum deposition age with a upper age limit.

4. 토론: 국가활성단층 지도제작의 문제점과 해결방안

5. 결 론

한반도는 큰 규모 지진의 발생이 빈발한 판의 경계보다는 가장자리에 위치하고 있지만 역사지진 기록에 있는 대규모 지진기록, 최근 울산해역지진, 경주지진 그리고 포항지진으로 인해 국가활성단층 지도제작의 필요성이 제기되었다. 대규모 지진의 대부분은 기존의 활성단층을 따라 발생하고 있기 때문에 지진재해를 최소화하기 위해서는 활성단층 조사가 무엇보다 중요하다. 이를 위해 2008년 지진재해대책법에 기초해 2009~2012년 사이에 소방방재청에서 ‘활성단층지도 및 지진위험지도 제작 R&D 사업’을 성공적으로 수행하였지만 국민에게 공개하는 것은 많은 이견이 있어 이루어지지 못하였다. 따라서 후속사업이 추진되고 있는 와중에 9.12 경주지진이 발생하여 국민들의 원전 안정성에 대한 우려가 높아졌으며, 범정부 차원의 적극적인 대책수립이 필요하게 되었다. 이에 2017년도에 ‘한반도 단층구조선의 조사 및 평가기술 개발’ 사업이 시작되었으며 현재 조사가 진행 중이다.

해당 사업의 추진전략은 다음과 같다; 1) 지점조사가 아닌 활성단층 선형화를 통한 활성단층지도 구축, 2)　지형분석부, 구조분석부, 연대측정부의 전문성을 바탕으로 한 체계적이고 유기적인 조사, 3) 활성단층 지도제작을 위해 ‘표준 절차 및 지침’을 작성하여 조사 및 평가방법을 표준화, 4) 연구지역에 발달하는 주단층을 따라 LiDAR 영상을 구축하는 자료의 고도와 등이다. 특히, 제4기 지형분석, 고지진 및 구조해석, 그리고 제4기 연대측정 전문가들의 협동연구로 업무의 분업화를 실현하고, 킥오프 미팅, 자체평가회의, 국내 및 국외 전문가 자문을 통해 연구의 객관성 및 질적 향상을 위해 노력하고 있다.

따라서 사업을 계획적으로 추진하고 수행하려고 노력하고 있지만 국내 연구인력과 기술력의 부족뿐만 아니라 국민과 공무원의 활성단층에 대한 이해부족으로 많은 어려움을 겪고 있다. 특히, 활성단층 조사를 위해 매우 중요한 굴착조사를 위한 토지사용의 허가를 받는데 많은 어려움이 있다. 또한 급격한 도시화로 원지형이 많이 훼손되어 양질의 연구자료를 획득하는데 어려움이 있어 특히 다음 단계인 수도권 지역의 조사에는 새로운 기술의 도입이 요구된다. 이러한 예상하지 못했던 많은 문제점들을 해결하기 위해 관리기관과 다양한 해결방안을 모색하고 있으며, 국민들에게도 해당 사업의 중요성을 적극 홍보하여야 할 것이다. 이러한 과정에 의해 체계적으로 제작된 활성단층지도는 국민들에게 공개되었을 때 신뢰를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 실질적인 지진재해의 대비에 활용될 수 있으며, 지진에 대한 과도한 두려움을 극복하는데에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgments

본 논문을 개선하도록 도움을 주신 익명의 심사위원님, 편집위원님, 그리고 편집위원장님께 감사드립니다. 본 연구는 행정안전부 극한재난대응기반기술개발 사업의 연구비 지원(2017-MOIS31-006)에 의해 수행되었습니다.

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