A model of the formation of fish-bone vein system in the Buan area

1. 서 언

광맥 또는 세맥(vein)은 단열을 따라 흐르는 유체로부터 침전된 광물의 결정조합체로, 주변암과의 조성차이 및 이에 기인한 색상대비로 인해 야외에서 쉽게 관찰되는 지질구조이다. 광맥은 형성 당시 유체의 물리·화학적 조건 및 기원(Banks et al., 1991; Kirschner et al., 1993, 1995; McCaig and Kerrich, 1998), 모암변형의 운동학적 특성(Hanmer, 1982; Smith, 1996; Koehn and Passchier, 2000)에 대한 정보를 제공하며, 특히 고응력장 및 변형경로(Durney and Ramsay, 1973; Hancock, 1985; Cox, 1987; Lee et al., 1997)에 대한 정보를 간직하는 몇 안되는 지질구조라는 점에서 큰 의의를 가진다. 따라서 광맥의 기하학적 형태, 내부구조, 그리고 광맥과 내부 유체포유물의 지화학적 특성 등은 구조지질학, 광상학, 지구화학, 변성암석학 등 다양한 분야에서 중요한 연구대상이 되어왔다(Bons et al., 2012 and references therein).

광맥의 형성을 위해서는 단열 내 유체가 유입될 수 있는 공간이 마련되어야 하므로, 단열벽과 수직으로 열리는 인장단열(extension fracture) 혹은 비스듬하게 열리는 혼성단열(hybrid fracture)이 대부분 광맥의 형성을 제어한다(Secor, 1965; Gudmundsson, 2011). 이론적으로 지표 아래에서 절대적인 장력(absolute tension)이 발생하기 어려움을 고려할 때(Secor, 1965; Mandl, 2005; Twiss and Mores, 2007; Zang and Stephansson, 2010), 암석 내 유효응력(effective stress)을 낮춰 궁극적으로 장력을 야기할 수 있는 높은 공극유압(pore fluid pressure)의 존재는 광맥을 발달시키는 주된 역학적 요인이다(Secor, 1965; Sibson, 1981; Etheridge, 1983; Cox, 2010; Gudmundsson, 2011). 이렇듯 유체압의 영향을 받아 형성되는 단열을 총칭하여 수압단열(hydrofracture)이라 부른다(Mandl, 2005; McDermott et al., 2013; Philipp et al., 2013).

연구지역인 부안군 모항지역에는 수 매의 화산쇄설암(부안 화산암: Koh et al., 2013)이 분포한다. 이 화산쇄설암류의 일부 층준에는 두 조의 석영맥군이 서로 아수직하게 교차하여 생선뼈와 유사한 형태를 보이는 독특한 광맥계가 발달한다. 본 논문에서는 이 광맥계를 ‘어골형 광맥계(Fish-bone vein system)’라 명명하였으며, 그 산상을 기재하고 수압단열의 관점에서 형성모델 및 제어요인을 제시하고자 하였다.

2. 연구노두

부안군 변산면 도청리에 위치한 모항해수욕장 남측에는 백악기 부안화산암(Koh et al., 2013)에 해당하는 수 매의 유문암질 함부석응회암이 발달한다(그림 1). 이 화산쇄설암은 입자크기에 따라 응회암, 화산력응회암 및 응회각력암으로 구분되며, 이들의 경계는 침식면 또는 급격한 암상변화에 의해 인지된다(그림 2a). 동일한 조성을 가지는 화산쇄설암에서 수직적 암상변화 및 뚜렷한 침식면이 관찰되는 점은 연구노두의 화산쇄설암이 다양한 분출사건을 통해 퇴적되었음을 지시한다. 연구노두를 구성하는 각 암상단위의 특징은 표 1에 정리하여 기술하였다.

Fig. 1.

Geologic map around the studied outcrop, Mohang beach, Buan area (After Koh et al., 2013).

Table 1.

Brief description and interpretation of pyroclastic rocks in the studied area.

층서적으로 하부에 발달하는 두께 1.2 m 미만의 괴상응회암(mT)은 세립에서 중립질 화산회로 구성되어 있으며, 잔자갈 크기의 유문암편이 층 내에 국부적으로 흩어져 있다. 분급은 보통 내지 불량하다. 응회암의 하부경계는 뚜렷하며, 비침식적이다(그림 2a, 2b).

Fig. 2.

Lithological characteristics of the studied outcrop. (a) A columnar log of the studied outcrop, consisting of several rhyolitic pyroclastic units. (b) An outcrop photograph showing an irregular and erosional contact between the massive tuff (mT) and massive tuff breccia (mTB). Lithic blocks (black arrows) occur above the scoured base. (c) An outcrop photograph showing that the pores and fractures of the tuff breccia are pervasively filled with quartz precipitate (black arrows). (d) An outcrop photograph of the massive lapilli tuff (mLT1) characterized by coarse sand- to pebble-size pumice (greenish colored) and lithic clasts embedded in a fine ash matrix. Elongated pumice fragments (black arrow) are aligned parallel or subparallel to bedding plane. (e) A circular-shape fumarolic pipe filling with a fine vitric ash within the lapilli tuff (mLT1). (f) Fish-bone vein system (black arrow) within the lapilli tuff (mLT1). (g) An outcrop photograph showing the boundary between the lapilli tuff layers (mLT1 and mLT2).

응회암 상위에 분포하는 약 4 m 두께의 응회각력암(mTB)은 괴상이며, 조립사에서 거력(최대 직경 약 1.5 m)크기의 암편, 부석편 및 결정편들이 세립의 화산회 기질에 지지되어 있으며, 분급은 불량하다(그림 2b, 2c). 암편은 각형 내지 아원형의 유문암과 안산암으로 구성되며, 결정편은 주로 사장석으로 이루어져 있다. 암녹색의 부석편은 층리와 아평행하게 신장되어 있다. 하부경계는 뚜렷하고 침식적이며, 침식된 자리에는 거력 크기의 암편들이 나타난다(그림 2a, 2b). 이 응회각력암 내부에는 공극 및 단열이 석영으로 광범위하게 채워져 있는 양상이 특징적으로 관찰된다(그림 2c).

응회각력암의 상위로는 약 19 m 두께의 괴상 화산력응회암(mLT1)이 분포하며, 두 층간의 경계는 비침식적이다(그림 2a). 이 화산력응회암은 조립사에서 잔자갈 크기의 부석편, 암편 그리고 결정편들이 세립의 화산회 기질에 지지되어 있으며 분급은 불량하다. 암녹색 부석편들은 층리면에 평행 내지 아평행하게 신장·배열되어 용결구조를 나타내나(그림 2d), 용결 강도는 암석의 역학적 이방성을 뚜렷하게 정의할 정도로 강하지는 않다. 암편은 각형 내지 아각형의 유문암으로 이루어져 있으며, 결정편은 주로 사장석으로 구성되어 있다. 이 층의 하부에는 퇴적 직후 뜨거운 가스 혹은 수증기의 이동통로로서 작용한 것으로 보이는 원통형 파이프(최대 직경 30 cm 미만)가 발달하는데(그림 2e), 그 내부는 주변 화산력응회암과 달리 암편이 없고 세립의 화산회로 충전되어 있으며, 매우 치밀하다. 본 연구의 대상인 어골형 광맥계는 특징적으로 이 화산력응회암 층준 내에 국한되어 발달하며(그림 2a, 2f), 전형적인 층상규제단열계의 형태를 보인다.

상술한 화산력응회암(mLT1) 상위에는 유사한 암상을 보이는 또 다른 화산력응회암(mLT2)이 분포한다. 두 층간의 경계는 뚜렷하며, 비침식적이다(그림 2a, 2g).

3. 어골형 광맥계의 산상

어골형 광맥계는 두 조의 석영맥군(광맥군 1과 2)의 아수직한 교차에 의해 형성된다(그림 3a∼3c). 이들 광맥군은 기하학적 형태, 층리와의 상호관계 측면에서 서로 다른 특성을 보인다.

Fig. 3.

Outcrop photographs of fish-bone vein system. The fish-bone vein system is defined by intersection between mutually subperpendicular primary set 1 and secondary set 2 veins. The set 2 veins have extremely large aspect ratio as their length tends to be limited to alteration zone due to fluid-rock interaction along the set 1 veins. (a) A photograph of the set 1 veins showing branching structure. (b) A photograph showing that the set 2 veins retain subperpendicular to the set 1 veins even though the set 1 veins are curved. (c) Full traces of the set 2 veins in a section perpendicular to both the set 1 and set 2 veins. (d) Partial traces of the set 2 veins in a section parallel to the set 1 veins.

광맥군 1은 전체적으로 층리 및 용결엽리에 수직 내지 아수직하며, 후술할 광맥군 2에 비해 연장성이 좋게 발달한다(그림 3a∼3c). 이들의 주향은 지층 내에서 대체로 북북서-남남동 내지 북서-남동의 방향을 가진다. 각 광맥들은 평면이 아닌 곡면의 형태를 보이며, 망상으로 합쳐지거나 갈라지는 형상을 나타내기도 한다(그림 2f). 더불어 국부적으로는 길이가 짧은 가지 광맥들이 주 광맥과 사교하거나 직교하며 발달하는 형태를 보인다(그림 3a). 광맥군 1의 주변으로는 수 cm 미만의 폭으로 모암이 변색되어 있는 현상이 특징적으로 관찰된다(그림 3a∼3c).

광맥군 2는 광맥군 1을 관통하며 발달한다(그림 3a∼3c). 이들은 공간적으로 광맥군 1에 의해 뚜렷하게 제어되어 분포하는데, 주로 광맥군 1 주변의 변색대에 국한되어 발달하는 경향을 보인다(그림 3a∼3c). 이들은 전반적으로 광맥군 1에 아수직하고, 층리 및 용결엽리에 아평행한 양상을 보인다. 광맥군 1이 국부적으로 휘어있거나 가지광맥 형태를 보이는 경우 광맥군 2의 자세가 변화하기도 하지만, 이들의 아수직 관계는 대부분 일관되게 유지된다(그림 3b). 광맥군 2의 연장성은 관찰단면에 따라 큰 차이를 보인다. 두 광맥군을 모두 수직으로 절단하는 관찰단면에서는 그 길이가 짧은 반면, 첫 번째 광맥군에 평행하고 두 번째 광맥군에 수직인 관찰단면에서는 상대적으로 매우 길다(그림 3c, 3d). 즉, 광맥군 2는 3차원적으로 폭(width)과 높이(height)에 비해 길이(length)가 매우 긴 터널형 단열('tunnel' fracture: Schultz and Fossen, 2002)에 해당한다.

현미경 하에서 광맥군 1과 2는 괴상(blocky) 혹은 신장형 괴상(elongate blocky)의 내부조직을 보인다(그림 4). 광맥군 2에서 단열이 열린 방향을 지시하는 광물의 신장방향은 단열 벽과 거의 수직하다(그림 4).

Fig. 4.

Internal textures of the set 1 and set 2 veins. They show blocky or elongate blocky textures. The elongation direction is subperpendicular to fracture wall indicating opening direction.

상술한 바와 같이 광맥군 2가 광맥군 1을 관통하고 있으며, 자세가 변화하더라도 두 광맥군의 아수직 관계가 일관되게 유지되는 점은 1) 광맥군 2가 광맥군 1보다 상대적으로 후기에 형성되었으며, 2) 이들이 광역적인 응력장 회전 및 이에 따른 독립적인 파괴작용(fracturing)에 의한 산물이 아니라 동일 응력장 내에서 기원적으로 밀접한 관계를 가지고 발생되었음을 시사한다. 더불어 광맥군 1 주변에 발달하는 변색대는 광맥군 1을 따라 유체가 흐르는 동안 모암으로의 유체확산작용(diffusion) 및 유체-암석상호작용(fluid-rock interaction)이 발생하였음을 의미한다. 내부조직의 경우 균열발달 및 봉합(cracking and sealing)의 빈도, 광물신장면(growth plane)의 위치 등에 의해 제어되는데, 벽에서부터 안쪽으로 덧 자라는 동향광맥(syntaxial vein)의 경우 ‘괴상(blocky)’, ‘신장형 괴상(elongate blocky)’, ‘늘어난(stretched)’ 형태를 보이는 반면, 내부에서 벽으로 덧 자라는 이향광맥(antitaxial vein)은 일반적으로 ‘섬유형(fibrous)’을 보인다(Fisher and Brantley, 1992; Bons, 2000; Bons et al., 2012 and references therein). 이러한 맥락에서 어골형 광맥계를 이루는 석영맥들이 괴상 혹은 신장형 괴상조직을 보이는 양상은 이들이 동향광맥에 해당함을 지시한다. 특히 수압단열의 발달과 수반된 빠른 유체유입 및 광물침전이 동향광맥의 특징을 야기한다는 사실을 고려하면(Bons, 2000), 어골형 광맥계가 수압단열계로 발달되었음을 추정할 수 있다.

4. 어골형 광맥계의 형성기작 및 제어요인

4.1 역학적 설명

본 연구에서 제시하는 역학적 설명은 단열의 끝(tip)에 발생하는 응력집중과 파괴모드에 따른 응력강도요소(stress intensity factor) 등 입자 혹은 원소규모에서의 파괴역학적 개념을 다루지는 않는다. 좀 더 큰 규모에서 공극유압이 최소주응력과 인장강도의 합과 같거나 이를 넘어설 때 수압단열이 발생한다는 것이 본 설명의 기본 개념이며, 이는 거시적 규모에서의 그리피스 파괴기준으로 설명된다(Secor, 1965; Sibson, 1998). 유체압의 경우 암석기질 내 공극유압(pore fluid pressure)과 단열 내 유체압(fracture fluid pressure)을 서로 독립적인 개념으로 다루었으며(Mandl, 2005; Gudmundsson, 2011), 수압단열작용에 따른 이차적인 응력교란은 등방성 탄성매체를 전제하여 해석하였다(Jaeger et al., 2007).

어골형 광맥계 형성의 역학적 설명을 위한 간소화된 지층모델(그림 5)은 투수성이 좋은 저류암에 해당하는 지층 A와 상대적으로 투수성이 불량한 지층 B, C로 구성되며, 각 지층의 경계는 역학적인 불연속면으로 작용한다. 즉, 공극 및 단열이 광범위하게 석영으로 채워져 있는 응회각력암(mTB), 어골형 광맥계가 발달하는 화산력응회암(mLT1), 최상부의 화산력응회암(mLT2)이 각기 지층 A, B, C에 해당한다. 이 모델에서 기준틀(reference frame)의 x, y, z-축(그림 5)은 각기 광맥군 1의 수직방향, 광맥군 2의 수직방향 그리고 두 광맥군의 교차방향과 평행하며, 층리면을 하나의 주응력면(principal plane of stress)으로 가정하면 최초 각 축의 방향은 주응력 방향과 일치한다(σ₁ = σ_z^o, σ₂ = σ_y^o, σ₃ = σ_x^o로 고정).

Fig. 5.

Simplified model of fish-bone vein system and wall rock.

거시적 규모에서의 그리피스 파괴기준을 고려하였을 때, 수압단열이 형성되기 위해서는 공극유압이 암석에 작용하는 최소주응력과 암석자체 인장강도의 합과 같아야하기 때문에 수식 1이 성립된다(Secor, 1965; Sibson, 1998).

이 때 지층 B에서 가장 높은 공극유압이 발달하는 위치는 가장 긴 배수 경로(drainage path)를 가지는 지층 중앙부(Terzaghi, 1943) 혹은 유체의 공급이 활발하게 발생할 수 있는 지층 A와의 경계부일 것으로 판단되며(McDermott et al., 2013), 단열의 발생 및 전파는 이곳에서부터 시작된다. 일련의 일차적인 수압단열들이 x-축 방향에 수직으로 발생되면, 1) 하부 저류암 및 주변 기질로부터 단열을 따라 주입된 유체의 압력과 2) 본래 벽면에 작용하고 있던 수직응력의 차이만큼 여분의 응력(extra stress ∆σ_x : Mandl, 2005)이 단열벽면을 통해 모암에 전달된다(그림 6a, 6b). ∆σ_x는 단열형성 시 모암의 공극유압(P_i), 단열로의 유체유입 및 모암으로의 유체침투에 기인한 단열 내 유체압 변화분(∆P_f) 그리고 본래 작용하고 있었던 x축의 수직압축응력(σ_x^o)에 의해 결정된다(수식 2).

Fig. 6.

Schematic diagram showing the extra loading by fluid on a set 1 fracture wall, the fluid-rock interaction, and the subsequent increase in pore fluid pressure within wall rock.

이 압축응력에 의해 모암은 x-축 방향으로 탄성변형을 경험하지만( >0), 지층이 수평 및 수직적으로 규제받는 경우를 가정하면 y, z-축으로의 탄성변형은 발생되지 않는다( )(Mandl, 2005; McDermott et al., 2013). 이러한 조건을 등방성 탄성체에서의 변형-응력 관계(Hooke’s law: 수식 3)에 적용하면, 수식 4와 같이 ∆σ_x에 의해 수동적으로 야기되는 y, z-축 수직응력(∆σ_y, ∆σ_z)을 구할 수 있다(Jaeger et al., 2007).

더불어 단열 내 유체(fracture fluid)로부터의 압축작용 및 유체공급은 주변 모암 내 공극유압(pore fluid)의 추가적인 증가(Mandl, 2005; McDermott et al., 2013)를 야기할 수 있다(그림 6c). 따라서 단열 내 유체의 작용에 의한 모암 내 x, y, z-축 유효수직응력의 변화분(∆σ_x′, ∆σ_y′, ∆σ_z′)은 수식 5와 같으며, 최종적인 유효응력 텐서(T_m)는 수식 6과 같이 표현된다.

만약 다음 두 가지의 조건이 만족된다면, x축과 평행하였던 최소주응력 방향이 y축과 평행하게 전환(switch)되며 y축과 수직으로 또 다른 수압단열이 이차적으로 형성되게 된다.

T = P_i - ∆σ_x^o, δσ_d1 > 0를 고려하여 위 식을 통해 ∆σ_x, ∆P_i, δσ_d1의 상호간 부등식을 도출하면 다음과 같다.

상기 조건은 최소주응력(σ₃ = σ_x^o)과 중간주응력(σ₂ = σ_y^o) 사이의 축차응력이 작을수록 최소주응력 방향전환(switch)에 유리하며, y축에 수직인 이차적인 수압단열이 발생하기 위해서는 모암 내 이차적인 공극유압 증가가 일정구간 내에서 이루어져야 한다는 것을 의미한다. 어골형 광맥계의 형성을 위해 만족시켜야 하는 δσ_d1와 ∆P_i의 범위는 결국 ν와 ∆σ_x에 의해 좌우된다. 응회암 시료에 대한 실내실험을 통해 구해진 물성의 범위(Price, 1983; Ciancia and Heiken, 2006; Wehletz, 2006)를 고려하여, 0 < ν < 0.3, 0 < ∆σ_x < 30Mpa조건에서 어골형 광맥계의 형성에 필요한 ∆P_i, δσ_d1 영역을 도시하면 그림 7과 같다. 그래프에서 보여주는 바와 같이 v는 작을수록 그리고 ∆σ_x는 클수록 최소주응력 방향의 교차 및 이차적 수압단열의 형성에 필요한 δσ_d1와 ∆P_i의 범위가 넓어져 어골형 광맥계 형성에 유리하다.

Fig. 7.

Relationship graph between Poisson’s ratio, extra stress, secondary increase in pore fluid pressure, and differential stress (σyo - σxo) required for the development of fish-bone vein system.

그림 8은 어골형 광맥계의 형성을 종합적으로 설명하는 개념적인 역학적 모델이다. 암석 내 공극유압의 상승이 일차적으로 야기되면 각 축방향의 유효수직응력(σ_x′, σ_y′, σ_z′)이 점차적으로 줄어들게 되며, 결국 최소주응력 σ_x′이 -T에 접근하게 되어 x축에 수직인 수압단열이 형성되게 된다(σ_z′ > σ_y′ > σ_x′ = ㅡT; 그림 8a, 8b). 이때 수압단열을 채우는 유체에 의해 벽면에 작용하는 수직응력(∆σ_x)은 인접한 모암에 작용되는 각 축 유효수직응력의 차등적 상승을 야기하며(수식 4), 이로 인해 그 내부에서는 최소주응력 방향과 중간주응력 방향이 전환(switch)된다(σ_z′ > σ_x′ > σ_y′; 그림 8a). 한편 시간이 지남에 따라 단열 내 유체는 주변 모암의 공극유압에 영향을 미친다. 즉 단열 내 유체압에 의한 압축작용(compression) 및 단열에서 모암으로의 유체확산작용(diffusion)에 의해 추가적으로 공극유압의 증가가 발생하는 것이다(Mandl, 2005; McDermott et al., 2013). 이렇듯 이차적으로 야기된 공극유압의 증가분(∆P_i)은 각 축방향 유효수직응력의 감소를 야기하며(수식 5, 6), 결국 최소 주응력 σ_y′가 -T에 접근하게 되어 y축에 수직인 수압단열이 형성되게 된다(σ_z′ > σ_x′ > σ_y′ = ㅡT; 그림 8a, 8b).

Fig. 8.

Model for the development of fish-bone vein system (modified from Collettini et al., 2006). (a) The graph shows effective stress change within wall rock during the development of fish-bone vein system. (b) Stress state plots as Mohr circles, with the Griffith failure envelope, when each set of hydrofractures is about to be developed.

본 연구에서 제시한 역학적 모델에서는 광맥군 1의 발달에 따라 야기된 공극유압의 이차적인 증가가 광맥군 2의 형성에 매우 중요한 제어요인으로 작용한다. 제시한 모델에서 만약 이차적인 공극유압 증가 및 이에 따른 유효응력 감소가 이루어지지 않는다면 광맥군 2는 형성될 수 없다. 단열에서 모암으로의 유체 확산작용 및 이차적인 공극유압 증가는 1) 광맥군 1의 주변으로 모암이 변색되어 있는 현상과 2) 광맥군 2의 대부분이 이 변색대에 국한되어 발달하는 경향을 보인다는 점에 의해 뒷받침될 수 있다(그림 3).

5. 결 론

본 연구에서 명명한 어골형 광맥계는 주로 화산쇄설류의 빠른 퇴적 및 비평형적 다짐작용에 의해 심부에 야기된 독특한 형태의 수압단열계로 판단되며, 그 발달은 1) 모암의 물성(포아송비), 2) 축차응력, 3) 일차적으로 형성된 수압단열 내 유체에 의해 모암으로 전달되는 수직응력 그리고 4) 이에 의해 이차적으로 발생되는 모암 내 공극유압 상승에 의해 제어되는 것으로 해석된다. 탄성이론 및 파괴이론에 근거한 역학적 설명은 축차응력이 매우 작고 이차적인 공극유압 증가가 일정구간 내에서 이루어져야 어골형 광맥계가 형성될 수 있으며, 만족시켜야하는 축차응력의 범위와 이차 공극유압 증가분의 범위는 포아송비와 일차 수압단열 내 유체압의 크기에 의해 좌우됨을 제안한다. 연구지역 어골형 광맥계는 전형적인 층상규제 형태를 보이며, 이러한 현상은 지층 내 공극유압의 공간적 변이 혹은 서로 다른 분출단위 간 경계면의 역학적 불연속성에 기인한 것으로 추정된다.

Acknowledgments

이 논문은 한국지질자원연구원의 주요사업인 ‘지질도폭 조사연구(14-1111)’에 의해 지원되었다. 논문초안 작성 시 유익한 조언을 주신 연세대학교 권상훈 교수님과 한국지질자원연구원의 고경태 연구원께 감사드리며, 논문의 질적향상을 위해 세심하고 건설적인 비평을 해주신 부산대학교 손문 교수님, 충남대학교 장찬동 교수님, 익명의 심사위원님 그리고 편집위원님께 깊은 사의를 표한다.

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