지형인자를 활용한 한반도 남동부 주요 단층들의 지구조 활성도 평가

1. 서 언

지형인자(geomorphic indices)는 구조지형학(tectonic geomorphology) 분야에서 주로 활용되는 도구로, 넓은 지역의 지구조 활성도(tectonic activity)를 정량적으로 표현할 수 있다는 장점이 있다(Keller and Pinter, 2002). 이러한 장점으로 인해 지진발생 빈도가 높고 중규모 이상의 지진이 다수 발생하는 인도, 중국, 튀르키예, 스페인 등과 같은 국가에서는 일찍이 신뢰성 높은 지형인자를 개발하거나 이를 활용한 지구조 활성도 평가를 진행해 왔다(e.g., El Hamdouni et al., 2008; Mahmood and Gloaguen, 2012; Viveen et al., 2012; Khalifa et al., 2019). 예를 들어 유역분지의 성숙도를 지시하는 Hypsometric Integral (HI), Hypsometric Curve (HC), Basin Shape ratio (BS)나 지구조운동으로 인한 경동에 따른 비대칭 정도를 지시하는 Asymmetry Factor (AF), Transverse topographic symmetry Factor (T), 유역분지 길이에 따른 하천의 경사 변화도를 나타내는 Stream Length-gradient (SL), 산 전면부의 융기율과 침식율의 비를 의미하는 Mountain-Front Sinuosity (Smf), 계곡의 바닥 형태와 침식율을 비교하는 Ratio of Valley-Floor width to valley height (Vf) 등 다양한 지형인자들이 개발되었고, 활성도가 높은 지역에 적용되고 있다(e.g., Ramírez‐Herrera, 1998; Cox et al., 2001; Pérez-Peña et al., 2010; Troiani et al., 2014; Baioni, 2016; Partabian et al., 2016; Moumeni et al., 2021).

한반도에는 2016년 경주지진(M_L 5.8)과 2017년 포항지진(M_L 5.4)뿐만 아니라, 2022년 10월의 충북 괴산 지진(M_L 4.1), 2023년 1월의 인천 강화군 해역 지진(M_L 3.7)과 같은 중규모의 지진이 최근 연이어 발생하고 있다. 이렇듯 한반도의 지진 발생빈도가 높아짐에 따라, 지진재해대책 수립에 있어 가장 기본이 되는 활성단층지도의 제작과 지진위험지도의 빠른 갱신이 필요한 상황이다. 하지만 한반도 전역을 대상으로 하는 활성단층지도의 제작과 지진위험지도의 개선에 관한 연구를 신속히 수행하는 것은 인적·물적·시간적으로 현실적인 어려움이 따른다. 따라서 국내에서도 비교적 짧은 시간 내 넓은 지역의 지구조 활성도를 평가할 수 있는 지형인자를 활용한 연구가 병행될 필요가 있다. 이번 연구는 국내 여러 지역 중, 지구조 활동성과 함께 지진위험성이 가장 높은 곳으로 알려져 있으며 최근에도 중규모 이상의 지진이 다수 발생한 한반도 남동부의 주요 단층인 양산단층, 울산단층, 밀양단층 일원을 대상으로 지형인자를 이용한 상대적인 지구조 활성도 평가를 진행하였다.

2. 연구방법

하천, 능선, 유역분지, 분수계 등의 지형들은 강수량, 기온, 암상, 지구조운동 등의 요인에 의해 다양한 모습으로 변화한다. 계절별 강수량과 기온차가 큰 한반도는 기후의 특이성에 따라 높은 침식·삭박율로 인해 원지형이 훼손되어 지표상의 지형변화 관찰이 쉽지 않으나(Kim et al., 2020), 유역분지의 경우 비교적 다른 지형들에 비해 침식·삭박의 영향을 적게 받으며, 지구조운동에 따른 원지형의 특성을 가장 잘 보존한다(Park, 2007). 따라서 이번 연구에서는 유역분지를 기반으로 하는 지형인자 Hypsometric Curve (HC), Hypsometric Integral (HI), Basin Shape ratio (BS), Asymmetry Factor (AF), Stream Length-gradient (SL)를 사용하여 분석을 진행하였다(그림 1).

Fig. 1.

Illustration of geomorphic indices. (a) Schematic diagram showing the principle of Hypsometric Curve (HC; modified from Keller and Pinter, 2002). Area a is the surface area of the drainage basin above a given elevation line h, while area A is the total area. H is the total height. (b) HC graph plotted with the relative height (h/H) against the relative area (a/A) (modified from Strahler, 1952). Hypsometric Integral (HI) can be calculated integrally under the HC graph. (c) Description for calculating Asymmetry Factor (AF; modified from Hare and Gardner, 1985). Ar is the area of the basin to the right of the main stream. (d) Discription of Basin Shape ratio (BS; modified from Cannon, 1976). Bl is the length and Bw is the width of the drainage basin. (e) Description of Stream Length-gradient (SL; modified from Hack, 1973). dL is the distance change and dH is the elevation change between given points along the stream. L is the length from the given midpoint to the highest point on the stream.

3. 연구지역

한반도 남동부의 음영기복도와 위성지도 상에 북북동 방향의 뚜렷한 선형구조를 만드는 양산단층계는 서쪽에서부터 자인, 밀양, 모량, 양산, 동래, 일광단층으로 구성된다(그림 2). 그중 가장 규모가 큰 양산단층은 약 200 Km 연장과 수백 m 이상의 단층대 폭을 가지며 중생대 이후로 다양한 운동감각으로 다중변형을 겪은 것으로 알려져 있다(Reedman an Um, 1975; Choi et al., 1980; Um et al., 1983; Chang et al., 1990; Hwang et al., 2004, 2007a, 2007b; Cheon et al., 2017, 2019). 특히, 양산단층은 양편의 대비되는 백악기 퇴적암와 화산암류 그리고 알칼리장석 화강암이 현재 우수향으로 뚜렷한 변위를 보이고 있어(Chang et al., 1990; Hwang et al., 2004, 2007a), 다중변형 과정에서 신생대초의 우수향 주향이동 단층운동이 가장 우세하였던 것으로 해석된다. 이번 연구는 청송군 부남면~포항시 남구 오천읍 일원을 지나가는 북부 양산단층을 대상으로 하였다(그림 2b). 단층의 양편에는 백악기 퇴적암류와 화산암류 그리고 이를 관입하는 화강암류가 분포하고, 특히 동편 지괴에는 마이오세의 동해 확장과 관련한 지각변형의 결과인 포항분지의 충전물이 분포한다(Son et al., 2015). 또한 양산단층을 따라 발달하는 단층곡을 따라 제4기 충적층이 퇴적되어 있다.

Fig. 2.

(a) Topographic Landsat TM satellite image map of SE Korea with the location of major faults: Yangsan Fault (YSF), Yeongdeok Fault (YDF), Jain Fault (JF), Miryang Fault (MYF), Moryang Fault (MRF), Dongnae Fault (DF), Ilgwang Fault (IF), Ocheon Fault System (OFS), Yeonil Tectonic Line (YTL), Ulsan Fault (USF), Quaternary Fault (QF) (modified from Kim, Y.-S. et al., 2011; Kim, M.-C. et al., 2016; Choi et al., 2017; Ha et al., 2022) (b) Regional geological map of SE Korea showing major faults (modified from Chang et al., 1990; Hwang, J.H. et al., 1996; Kim et al., 1998; Hwang, B.H. et al., 2007a, 2007b; Son et al., 2015; Song, 2015; Kang et al., 2018; Ha et al., 2022). The study area is marked with the red dashed boxes.

약 60 Km 길이로 경주와 울산을 잇는 북북서 방향의 울산단층과 마이오세 지각변형 서쪽 한계로 알려진 연일구조선 사이에는 역이동 운동감각이 우세한 제4기 단층들이 남-북 내지 북북서 방향으로 발달한다(Okada et al., 1998; Park et al., 2022a). 이번 연구에는 경주시 용강동에서 울산시 방어동까지 울산단층 일원 거의 전체를 대상으로 지형분석이 실시되었다(그림 2b). 이곳에는 백악기 퇴적암류와 화산암류가 분포하고 백악기말~고진기 화강암류가 이를 관입한다. 또한 동쪽 연일구조선 동편에는 마이오세 분지의 충전물이 산출되며, 울산단층을 따라 형성된 저지에는 제4기 충적층이 분포한다.

양산단층계를 구성하는 북북동 방향의 밀양단층은 유천도폭에 따르면 N25°E 주향과 동쪽으로 수직에 가까운 경사 그리고 우수향의 운동감각을 가지는 것으로 알려져 있으나(Hong and Choi, 1988), 단층곡을 따라 제4기 충적층이 두껍게 피복하고 있어 실제 야외에서 단층핵을 관찰하는 것이 쉽지 않다. 이번 연구에서는 밀양단층 거의 전 구간이 포함된 영천시 북안면에서 양산시 원동면 일원을 대상으로 지형분석이 실시되었다. 연구지역은 넓은 분포를 보이는 백악기 화산암류, 북부에 소규모의 백악기 퇴적암류 그리고 이들을 관입한 소규모 백악기말~고진기 화강암체로 구성된다(그림 2b).

양산단층과 울산단층 일원은 제4기 단층의 존재가 다수 보고되어 있어(Okada et al., 1994; Ryoo et al., 1996, 1999, 2001, 2002, 2006; Kyung, 1997, 2003; Chwae et al., 1998; Kyung et al., 1999a, 1999b; Lee, B.J. et al., 1999; Chang, 2001; Kyung and Chang, 2001; Choi, W.-H., 2003; Im et al., 2003; Lee, 2003; Kim, Y.-S. et al., 2004, 2011; Choi, P., 2005; Kim and Jin, 2006; Kee et al., 2007; Kang and Ryoo, 2009; Ryoo, 2009; Choi et al., 2012; Jin et al., 2013; Lee, J. et al., 2015; Kim, M.-C. et al., 2016; Lee, Y. et al., 2017; Song et al., 2020; Ha et al., 2022; Park et al., 2022a, 2022b; 그림 2), 이곳 지형인자 분석 결과는 선행 제4기 단층 연구결과(Ha et al., 2022; Lee et al., 2022; Naik et al., 2022; Park et al., 2022b)와 비교·분석하였다. 한편, 밀양단층 일원은 야외조사를 통해 제4기 단층이 현재까지 보고된 바는 없으나, 최근 다수의 미소지진이 밀양단층을 따라 면상(planar)으로 발생하고 있어(Kim et al., 2022) 과거 중규모 이상의 지진으로 인한 지표변형의 발생 유무가 관심사이다.

양산단층, 울산단층 그리고 밀양단층의 세 연구지역의 단층선은 1:50,000 지질도폭과 기존 연구들을 참고하여 검은색의 기반암 단층과 빨간색의 제4기 단층운동에 의한 지표파열을 구분하여 표기하였다(그림 3; 양산단층: Tateiwa, 1924, 1928; Um et al., 1964; Kim et al., 1968; Kwon and Lee, 1973; Oh and Jeong, 1975; 울산단층: Tateiwa, 1924, 1928; Lee and Kang, 1964; Park and Yoon, 1968a, 1968b; Kim and Jin, 1971; Lee and Lee, 1972; Son et al., 2007; 밀양단층: Tateiwa, 1928; Lee and Kang, 1964; Kim and Jin, 1971; Lee and Lee, 1972; Park and Yoon, 1973; Hong and Choi, 1988; Kim and Hwang, 1988; 지표파열: Ha et al., 2022; Lee et al., 2022; Naik et al., 2022; Park et al., 2022b).

Fig. 3.

Maps showing drainage basins, streams and longest flow paths of the study area. (a) 24 drainage basins along the Yangsan Fault (modified from Tateiwa, 1924, 1928; Um et al., 1964; Kim et al., 1968; Kwon and Lee, 1973; Oh and Jeong, 1975); (b) 26 drainage basins along the Ulsan Fault (modified from Tateiwa, 1924, 1928; Lee and Kang, 1964; Park and Yoon, 1968a, 1968b; Kim and Jin, 1971; Lee and Lee, 1972; Son et al., 2007); (c) 33 drainage basins along the Miryang Fault (modified from Tateiwa, 1928; Lee and Kang, 1964; Kim and Jin, 1971; Lee and Lee, 1972; Park and Yoon, 1973; Hong and Choi, 1988; Kim and Hwang, 1988). The longest flow paths and streams in each drainage basin are useful for analysis of geomorphic indices. Locations of Quaternary fault (QF) and surface rupture are from Ha et al. (2022), Lee et al. (2022), Naik et al. (2022), and Park et al. (2022b).

4. 연구결과

1:5,000 수치지형도로 구축된 5 m 해상도의 DEM (Digital Elevation Model)을 기반으로 ArcGIS Pro (v.3.0.3)를 활용하여 연구지역의 수계와 유역분지를 추출하였다. 하천정의(stream definition) 임계값에 대해 셀 갯수 5,000,000으로 유역분지를 산출하고, 각 유역분지에 고차수 하천이 포함되도록 설정하였으며, 그 결과 양산단층, 울산단층, 밀양단층을 따라 각각 24개, 26개, 33개의 유역분지가 분류되었다(그림 3). 세 연구지역이 모두 동일한 기후를 가지며, 암상과 지구조운동이 지형인자를 제어하는 주요인으로 가정하였다.

각 지형인자를 특성에 따라 3개 혹은 5개의 등급으로 분류하여 지구조 활성도를 구분하였다. Hypsometric analysis에서 HI는 3개의 등급 즉, 0.5 이상이면 ‘높음(high)’ 활성도(class 1), 0.4 이상 0.5 미만이면 ‘보통(moderate)’ 활성도(class 2), 0.4 미만이면 ‘낮음(low)’ 활성도(class 3)로 구분하였다(El Hamdouni et al., 2008). 분석결과, 양산단층은 24개 유역분지 중 18개가 ‘높음’ 활성도를 보였고 6개가 ‘보통’ 활성도를 보인다(그림 4a; 표 1). 울산단층의 경우, 26개 유역분지 가운데 22개가 ‘높음’ 활성도를 가지고 4개가 ‘보통’ 활성도를 보인다(그림 4b; 표 2). 밀양단층은 33개 유역분지 중 32개가 ‘높음’ 활성도를 보이며 최남단 1개의 유역분지만 ‘보통’ 활성도를 보인다(그림 4c; 표 3). 세 연구지역에서 0.4 미만의 ‘낮음’ 활성도의 HI는 나타나지 않으며 모두 ‘높음’ 활성도가 우세하다.

Table 1.

Comprehensive evaluation for Relative Tectonic Activity of the Yangsan Fault based on four geomorphic indices: Hypsometric Integral (HI), Hypsometric Curve (HC), Asymmetry Factor (AF), Basin Shape ratio (BS).

Table 2.

Comprehensive evaluation for Relative Tectonic Activity of the Ulsan Fault based on four geomorphic indices: Hypsometric Integral (HI), Hypsometric Curve (HC), Asymmetry Factor (AF), Basin Shape ratio (BS).

Table 3.

Comprehensive evaluation for Relative Tectonic Activity of the Miryang Fault based on four geomorphic indices: Hypsometric Integral (HI), Hypsometric Curve (HC), Asymmetry Factor (AF), Basin Shape ratio (BS).

Fig. 4.

Drainage basins classified by Hypsometric Integral (HI) along (a) the Yangsan, (b) Ulsan, and (c) Miryang faults.

Hypsometric analysis의 HC는 그래프의 모양이 볼록형이면 ‘높음’ 활성도(class 1), S형과 직선형일 경우 ‘보통’ 활성도(class 2), 오목형일 경우에는 ‘낮음’ 활성도(class 3)로 분류하였다(Strahler, 1952). HC 등급 산정결과, 세 연구지역에서 모두 볼록형인 ‘높음’ 활성도는 나타나지 않았다. 양산단층을 따라 S형과 직선형이 각각 2개를 보여 ‘보통’ 활성도의 유역분지가 4개이며, 나머지 20개는 ‘낮음’ 활성도를 보였다(그림 5a; 표 1). 울산단층를 따라 3개의 S형과 6개의 직선형이 나타나 ‘보통’ 활성도의 유역분지가 총 9개이며, 나머지 17개의 유역분지가 ‘낮음’ 활성도를 보였다(그림 5b; 표 2). 밀양단층 일원은 S형이 9개, 직선형이 12개로 ‘보통’ 활성도의 유역분지가 21개이며 나머지 12개는 ‘낮음’ 활성도를 보인다(그림 5c; 표 3). 21개의 ‘보통’ 활성도의 유역분지는 대부분 밀양단층과 인근 모량단층의 곡부를 따라 나타난다.

Fig. 5.

Drainage basins classfied by Hypsometric Curve (HC) along (a) the Yangsan, (b) Ulsan, and (c) Miryang faults.

AF는 10 이상이면 ‘높음’ (class 1), 5 이상 10 미만이면 ‘보통’ (class 2), 5 미만이면 ‘낮음’ 활성도(class 3)의 3개 등급으로 분류하였다(Khalifa et al., 2019). 분석결과, 양산단층 일원에는 16개가 ‘높음’, 5개가 ‘보통’ 그리고 3개의 유역분지가 ‘낮음’ 활성도를 보였다(그림 6a; 표 1). 울산단층을 따라서는 ‘높음’이 18개, ‘보통’이 2개, ‘낮음’ 활성도의 유역분지가 6개 산출되었다(그림 6b; 표 2). 양산단층과 울산단층 일원의 유역분지들은 지형인자 AF에 대해 ‘높음’ 활성도가 우세하다. 한편 밀양단층 일원의 경우에는 ‘높음’과 ‘낮음’ 활성도가 각각 13개로 나타났으며, 7개의 유역분지에서 ‘보통’ 활성도를 보인다(그림 6c; 표 3).

Fig. 6.

Drainage basins classified by Asymmetry Factor (AF) along (a) the Yangsan, (b) Ulsan, and (c) Miryang faults.

BS는 El Hamdouni et al. (2008)의 기준에 따라 4 이상일 때 ‘높음’ (class 1), 2 이상 4 미만이면 ‘보통’ (class 2), 2 미만이면 ‘낮음’ 활성도(class 3)의 3개 등급으로 분류하였다. 먼저 양산단층을 따라 ‘높음’ 활성도의 유역분지가 1개로 유일하게 나타나며, 나머지는 ‘보통’ 7개와 16개의 ‘낮음’ 활성도의 유역분지로 구성된다(그림 7a; 표 1). 울산단층을 따라서는 5개가 ‘보통’을 그리고 21개의 유역분지가 ‘낮음’의 활성도를 보인다(그림 7b; 표 2). 밀양단층의 경우, ‘보통’ 6개와 ‘낮음’ 활성도의 유역분지 27개가 산출되었다(그림 7c; 표 3). 양산단층 일원에서 나타나는 1개의 ‘높음’ 유역분지를 제외하면, 세 연구지역에서 모두 2 미만의 BS 값이 우세하게 나타나 ‘낮음’ 활성도를 보인다.

Fig. 7.

Drainage basins classified by Basin Shape ratio (BS) along (a) the Yangsan, (b) Ulsan, and (c) Miryang faults.

SL은 앞선 지형인자들과는 달리 유역분지가 아닌 유역분지 내 주 하천을 기준으로 분석이 이루어진다. 따라서, SL 값은 주 하천을 따라 지점 자료로 도출되며, 값의 등급화를 위해 공간 보간(interpolation) 기법 중 정규 크리깅(ordinary kriging)을 통하여 이를 도시하였다(그림 8). SL에 따른 활성도 등급은 다음과 같다(El Hamdouni et al., 2008).

• - 200 이상: ‘매우 높음(very high)’ 활성도
• - 150 이상 200 미만: ‘높음(high)’ 활성도
• - 100 이상 150 미만: ‘보통(moderate)’ 활성도
• - 50 이상 100 미만: ‘낮음(low)’ 활성도
• - 50 미만: ‘매우 낮음(very low)’ 활성도

Fig. 8.

Maps showing the distribution of graded Stream Length-gradient (SL) values (points) obtained along the main streams and their interpolation in the vicinities of (a) the Yangsan, (b) Ulsan, and (c) Miryang faults. Detailed geological maps in the vicinities of (d) the Yangsan fault (modified from Tateiwa, 1924, 1928; Um et al., 1964; Kim et al., 1968; Kwon and Lee, 1973; Oh and Jeong, 1975), (e) the Ulsan fault (modified from Tateiwa, 1924, 1928; Lee and Kang, 1964; Park and Yoon, 1968a, 1968b; Kim and Jin, 1971; Lee and Lee, 1972; Son et al., 2007), and (f) the Miryang fault (modified from Tateiwa, 1928;Lee and Kang, 1964; Kim and Jin, 1971; Lee and Lee, 1972; Park and Yoon, 1973; Hong and Choi, 1988; Kim and Hwang, 1988).

양산단층을 따라서는 연구지역의 북부와 남부에서 산출되는 ‘높음’ 또는 ‘매우 높음’ 활성도 지역을 제외하면 대부분 지역에서 ‘낮음’과 ‘매우 낮음’ 등급이 고르게 나타난다(그림 8a). 또한 울산단층의 SL 값도 ‘높음’ 또는 ‘매우 높음’을 보이는 북동부의 마이오세 분지지역 그리고 동편의 동래단층 북단을 제외하면, 대부분 지역에서 ‘매우 낮음’ 또는 ‘낮음’ 활성도가 넓게 산출되었다(그림 8b). 두 단층과 달리 밀양단층의 경우에는 연구지역 중부와 남부 일부 지역을 제외하면 ‘보통’ 등급의 SL 값이 우세하게 관찰된다(그림 8c).

5. 토 의

지형인자들은 구성요소, 분석방법, 내포된 의미 등이 서로 다르므로 같은 유역분지에서 얻어진 결과라 해도 인자별 특성에 따라 등급이 달라질 수 있다. 이번 연구에서 사용된 지형인자 HI, HC, AF, BS는 모두 유역분지를 3등급으로 구분하는데, 이들을 종합·해석하기 위하여 4가지 지형인자별 등급의 평균값을 이용해 상대적 지구조 활성도(Relative Tectonic Activity, RTA)를 구하였다(El Hamdouni et al., 2008). 각 유역분지의 RTA를 3개의 등급 즉, 1.75 이하이면 ‘매우 높음(very high)’ (class 1), 1.75 초과 2 이하이면 ‘높음(high)’ (class 2), 2를 초과하면 ‘보통(moderate)’ 활성도(class 3)로 분류하였다.

양산단층 일원의 유역분지들에 대한 RTA 산정결과, ‘매우 높음’과 ‘높음’ 활성도를 보이는 것이 각각 7개로 나타났으며, 10개가 ‘보통’ 활성도를 보였다. 이중 제4기 지표파열(Ha et al., 2022; Lee et al., 2022)이 확인된 2, 3, 8, 10, 11번 유역분지 중 10번을 제외하면 모두 ‘높음’ 이상의 활성도를 보인다(그림 9a; 표 1). 또한 ‘매우 높음’을 보이는 유역분지들이 대부분 양산단층의 동편에 위치하고 있어 단층을 중심으로 활성도의 비대칭성을 보여준다. 이러한 비대칭성은 북북동 방향의 양산단층을 따라 발견된 제4기 단층들이 대부분 동쪽으로 경사지고 우수향 주향이동과 함께 동편 지괴가 충상된 역이동 성분을 포함하고 있어(Kyung et al., 1999a, 1999b; Kim and Jin, 2006; Kim et al., 2016; Song et al., 2020; Ha et al., 2022; Lee et al., 2022), 양산단층의 동쪽 지괴가 서쪽에 비해 보다 활발한 신기 지각변형을 겪었음을 보여주는 결과일 수 있다.

Fig. 9.

Drainage basins classified by Relative Tectonic Activity (RTA) along (a) the Yangsan, (b) Ulsan, and (c) Miryang faults.

울산단층 일원은 각각 9개의 유역분지가 ‘매우 높음’과 ‘높음’의 활성도를 보이며 8개에서 ‘보통’의 활성도가 산출되었다. 이곳에서 확인된 제4기 지표파열(Park et al., 2022b)은 1번 유역분지를 제외하면 ‘매우 높음’ 활성도와 무관하게 위치한다. 그러나 양산단층 일원과 유사하게 울산단층 일원의 ‘매우 높음’의 유역분지들이 대부분 울산단층의 동편에 집중되어 분포함은 특이하다(그림 9b; 표 2). 이러한 비대칭성은 RTA뿐만 아니라 HC, AF와 SL 보간 결과에서도 관찰된다(그림 5b, 6b, 8b). 울산단층 일원의 제4기 단층들은 남북 내지 북북서 주향으로 동쪽의 상반 지괴가 서쪽으로 충상하는 역이동성 운동감각을 보이며 주로 울산단층 동편에서 발견되었다(Kyung, 2010; Choi et al., 2012; Park et al., 2022a, 2022b). 또한, Seo (2021)에 의하면 울산단층 동편은 지진다발지역으로 동북동-서남서 압축력에 의한 역이동성 단층운동이 활발함을 보고하고 있어, 울산단층 일원의 비대칭적 활성도 분포는 동쪽 지괴의 융기와 상대적으로 활발한 지각변형과 관계할 가능성이 높다.

밀양단층 일원의 RTA는 ‘매우 높음’ 활성도의 유역분지가 8개, ‘높음’ 활성도가 10개, ‘보통’이 15개로, 양산단층과 울산단층 일원에 비해 ‘보통’의 유역분지 비율이 높다(그림 9c; 표 3). ‘매우 높음’ 활성도의 유역분지는 밀양단층의 일부 구간과 함께 서편의 자인단층과 동편의 모량단층을 따라 분산되어 나타나며, 밀양단층을 중심으로 양편의 활성도에서 눈에 띄는 비대칭성이 인지되지 않는다. 한편, 현재까지 밀양단층을 따라 제4기 단층노두나 지표파열이 확인된 바는 없으나, 최근 연구(Kim et al., 2022)는 밀양단층 바로 지하에서 단층과 평행하고 거의 수직한 경사를 가진 면상에서 지진들이 다발로 발생하고 있음을 보고하였다. 이러한 사실들을 종합하면, 밀양단층을 따라 현재 작은 규모의 지진들이 다수 발생하고 있기는 하나, 제4기 또는 최근 지질시대 동안 지표를 변형 또는 파열시킬 정도로 큰 지진이 밀양단층에서 발생하지 않아 지형인자에서 활성도의 비대칭성이 관찰되지 않을 가능성이 있다.

이번 연구에서 RTA 산정에 포함되지 않은 SL 값은 기반암의 암상에 영향을 많이 받기 때문에 지구조 활성도 평가에 있어 주의가 필요하다. 일반적으로 SL은 퇴적암에서 낮고, 화성암과 변성암에서 높은 값을 보인다(Hack, 1973). 상대적으로 넓게 분포하는 백악기 퇴적암류와 마이오세 퇴적암류 그리고 백악기 화산암류와 화강암류가 산재되어 나타나는 양산단층과 울산단층 일원의 SL 값은 50 이하의 낮은 값이 우세한 반면(그림 8a, 8b, 8d, 8e), 백악기 화산암류가 주를 이루는 밀양단층 일원의 SL은 100 이상의 높은 값을 보여주고 있어(그림 8c, 8f), 암상에 따른 기존 SL 연구결과와 잘 부합한다. 암상에 따른 SL 값들은 고도와 상관없이 같은 암상에서 비교적 일정한 값을 보여주는 것이 일반적이나, 이들 중 눈에 띄게 높은 값이 인지되는 부분을 SL 이상대(SL anomaly)로 정의된다. 이러한 이상대는 급격한 암상의 변화 또는 지구조운동에 의한 천이점 즉, 지진에 의한 지표변형을 찾는데 중요한 실마리가 될 수 있다. 이번 세 연구지역의 유역분지 내 주하천을 따라 다수의 SL 이상대가 관찰되었다. 이중 일부는 제4기 지표파열과 지질도폭에 표시된 기존 단층의 위치와 거의 일치한다. 연구지역 유역분지의 주하천에 따른 고도 변화와 SL 값의 변화를 비교하여 그래프로 도시한 결과, 특히 양산단층의 유역분지 2와 울산단층의 유역분지 10에서 고도와 SL 값이 급격히 변화하는 지점이 근사하게 위치하였고, 이곳에 제4기에 발생한 지표파열 단층이 지나가고 있다(그림 10). 이는 지형인자 SL 이상대가 최근에 지구조운동이 발생한 지역을 찾고 새로운 활성단층지도를 작성하는데 있어 사전 예비자료로 충분히 활용될 수 있음을 보여준다.

Fig. 10.

Stream Length-gradient (SL) values and the locations of fault or surface rupture plotted on the longitudinal profiles along main streams in (a) drainage basin No. 2 of the Yangsan Fault and (b) drainage basin No. 10 of the Ulsan Fault.

이번 연구에 사용된 지형인자들은 높은 신뢰성과 적용성을 보이는 해외사례(El Hamdouni et al., 2008; Khalifa et al., 2019)를 기반으로 분석되었고 분석결과는 기존 신기 지각변형 연구(Ha et al., 2022; Lee et al., 2022; Naik et al., 2022; Park et al., 2022b)와 상당히 부합하는 양상을 보였다. 따라서 향후 국내 다른 여러 지역에 대한 분석을 통해 새로운 지형인자를 개발하거나, RTA 산정 시 AHP (Analytical Hierarchy Process)와 JA (Judgement Analysis), Swing (Swing weight method)과 같은 가중치(weight) 추출기법을 적용하여 보다 신뢰도 높은 활성도 평가로 개선될 수 있다. 또한, 지형인자 분석의 기본 데이터베이스인 DEM 구축 시 높은 해상도와 정밀도를 기반으로 하는 LiDAR 자료를 토대로 분석을 진행한다면 더욱 신뢰성 있는 지구조 활성도 평가결과를 도출할 수 있을 것으로 기대된다.

6. 결 론

지형인자 분석은 넓은 지역을 대상으로 구역별 지구조 활성도를 빠르게 평가하여 정량적으로 표현할 수 있다. 한반도 남동부에 위치한 양산단층, 울산단층, 밀양단층 주변의 유역분지들에 대해 지형인자 Hypsometric Integral (HI), Hypsometric Curve (HC), Asymmetry Factor (AF), Basin Shape ratio (BS), Stream Length-gradient (SL)를 사용하여 활성도 분석을 진행하였고 인자별 등급을 종합하여 상대적 지구조 활성도 (RTA)를 산정하였다. 주요 결과는 다음과 같다(표 1).

1) 양산단층은 모두 0.4 이상의 HI 값을 보여 70%의 유역분지가 ‘높음’ 활성도를 보인다. HC의 경우, 오목형 그래프가 우세하여 80%의 유역분지가 ‘낮음’ 활성도를 나타낸다. AF는 75%의 유역분지가 ‘높음’ 활성도를 보이고, 60%의 유역분지가 BS에 대해 ‘낮음’ 활성도를 보인다.

2) 울산단층의 HI는 유역분지 85%가 ‘높음’ 활성도를 보이지만, HC는 65%가 ‘낮음’ 활성도를 나타낸다. 울산단층의 AF는 유역분지 70%가 ‘높음’ 활성도에 해당하고, BS의 경우 60%가 ‘낮음’ 활성도를 나타낸다.

3) 밀양단층 또한 HI가 0.4 이상으로, 94%의 유역분지가 ‘높음’ 활성도를 보이고 유역분지 65%가 HC ‘낮음’ 활성도를 나타낸다. AF는 ‘높음’, ‘보통’, ‘낮음’ 활성도가 고르게 나타나며, BS에 대해 81%의 유역분지가 ‘낮음’ 활성도를 보인다.

4) RTA 종합결과, 제4기 지표파열과 단층들이 다수 보고된 양산단층과 울산단층 일원은 상대적으로 높은 활성도가 나타났으며, 단층을 기준으로 동쪽 유역분지의 활성도가 더 높은 비대칭적인 활성도 분포를 보였다. 반면 다수의 미소지진이 보고되지만 제4기 단층의 존재가 알려지지 않은 밀양단층 일원의 유역분지는 많은 수가 ‘보통’의 활성도를 보였고 단층을 기준으로 동쪽과 서쪽 지괴의 활성도가 유사한 대칭성을 보여주었다.

5) 주하천을 따라 분석된 SL 값은 기반암의 암상에 많은 영향을 받으나 일부 구간에서 암상에 따른 일반적인 값에서 벗어나는 이상대가 존재함이 확인되었다. 이들 이상대는 빠른 고도 변화 지점 그리고 제4기 지표파열 단층과 근사하게 위치하기 때문에 향후 활발한 신기 지각변형 지역과 활성단층을 찾는데 있어 예비자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgments

이 연구는 행정안전부 지진 위험분석 및 관리기술 개발사업(2022-MOIS62-001)과 한국기상산업기술원 강원 내륙 및 동해 중부해역 지하 단층구조 분석사업(KMI2022-00610)의 지원을 받아 수행되었습니다. 세심한 심사와 건설적인 조언을 해주신 익명의 심사위원분들께 감사드립니다.

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