연질퇴적변형구조의 고지진학적 활용

1. 서 론

2016 경주지진과 2017 포항지진을 기점으로 지진 및 지진재해에 대한 국민적 관심도가 높아짐과 동시에 지질재해 예방의 필요성이 대두되며 전 국토를 대상으로 고지진(paleoearthquake) 연구가 활발히 수행되고 있다. 과거 지진에 의해 발생한 지표파열(surface rupture)의 기록을 대상으로 주로 연구되었으며, 단층에 의한 급격한 지형변화나 지진동에 의해 형성된 미고결 퇴적물의 변형구조 또한 고지진 정보를 제공해 줄 수 있으므로 이와 관련된 연구가 국내·외 다수의 연구자에 의해 수행되었다(Grant and Sieh, 1994; Fumal et al., 2002; Tuttle et al., 2002; Galli et al., 2008; McCalpin, 2009; Obermeier et al., 2009; Kim et al., 2017, 2020; Lee et al., 2018; Sawai, 2020).

연질퇴적변형구조(soft-sediment deformation structure; SSDS)는 퇴적과정 중 또는 직후의 미고결 퇴적물이 변형된 구조를 의미하며, 변형을 유발한 원인이 지진일 때 이를 지진성(seismically-induced) SSDS라 한다. 지진성 SSDS는 일반적으로 지진동에 의해 발생하는 액상화(liquefaction) 및 이에 수반된 유체화(fluidization)에 의해 발생되며, 미고결 퇴적물의 전단강도가 감소하여 경사면에서의 중력이나 퇴적경계면의 밀도 또는 하중 차이와 같은 매우 작은 힘에 의해서도 변형구조가 형성된다(Owen et al., 2011).

SSDS는 퇴적과정과 동시기에 형성되므로 지진성 SSDS의 경우 변형을 유발한 지진의 발생시기와 재발주기, 규모, 진앙위치를 간접적으로 지시할 수 있다. 또한, 지진성 SSDS는 피해를 유발하나 지표파열을 발생시키지 않는 규모 5 이상의 지진정보를 제공해 줄 수 있으며, 지표 아래에서 형성되는 특성상 지표면에서 발생하는 침식작용의 영향으로부터 상대적으로 자유로워 보존 가능성도 높다(McCalpin et al., 2023). 따라서, 지진성 SSDS에 대한 연구는 퇴적분지의 발달 과정과 관련된 지구조 운동 혹은 지구조 환경과 관련된 지진이력을 이해하는 것은 물론 제4기 활성단층 및 지진재해 평가에도 유용하다. 한반도 제4기 활성단층 조사에서 지진성 SSDS 연구가 병행될 때 더욱 다양한 고지진 정보를 획득할 수 있을 것으로 기대된다(Owen et al., 2011; Ghim and Ko, 2019).

현재까지 국내에서 연구된 지진성 SSDS(표 1) 연구의 대부분은 중생대 백악기의 경상분지와 백악기 소분지에서 이루어졌다. 이에 비해 제4기 지층의 연질퇴적변형구조는 전반적으로 부족한 상황이다. 2017 포항지진 당시 액상화에 의해 발달한 모래화산(sand volcanoes)(Ghim et al., 2018; Lee et al., 2018)과 포항지역에 발달하는 해안단구에서 발달한 말린엽층리(convoluted lamination)와 물빠짐 구조(water-escaped structres)가 연구된 바 있으며(Lee et al., 2014; Ghim et al., 2020), 일부 트렌치 조사에서 지표파열과 함께 보고되기도 하였다(e.g., Cheon et al., 2020; Song et al., 2020; Kim et al., 2022).

Table 1.

List of earthquake-induced soft-sediment deformation structures reported in Korea.

따라서 이번 연구에서는 1) SSDS의 정의와 산상, 변형원인 및 변형과정을 간략하게 정리하고, 2) 지진성 SSDS의 고지진학적 의미와 사례연구를 통해 최근 연구동향과 연구방법을 제시하였다. 이를 통해 지진성 SSDS를 이용한 고지진 연구의 의의와 필요성을 조명하고, 국내에서의 적용 가능성을 평가하고자 한다.

2. 연질퇴적변형구조

SSDS는 지표 근처에서 퇴적과정 중이나 퇴적 직후 미고결 상태의 퇴적물에 발달하는 변형 구조이다(Allen, 1982). 여러 연구에서 SSDS의 분류기준과 용어에 대한 논의가 이어져 왔으며, SSDS는 형태와 크기, 성인에 따라 다양한 명칭을 갖는다. 대표적인 SSDS로는 하중구조(load structures), 물빠짐 구조(water-escaped structures), 말린(엽)층리(convoluted beddings/laminations), 슬럼프 구조(slump structures) 등이 있다(그림 1)(Allen, 1982; Maltman, 1984; Owen, 1987; Rodrı́guez-Pascua et al., 2000; Montenat et al., 2007; Van Loon, 2009; Owen et al., 2011).

Fig. 1.

Schematic diagram illustrating examples of earthquake-induced soft-sediment deformation structures. (a) Slump structures where convoluted lamination and recumbent folds are developed. (b) Various load structures, including simple and pendulous load structures, ball-and-pillow structures, and diapirs. (c) Water-escaped structures like dish-and-pillar structures, flame stuctures, and autoclastic breccias. Sand volcanoes, along with an injected clastic dyke and flame stuctrues.

2.1. SSDS의 형성과정과 변형원인

SSDS는 변형원인(trigger), 변형기작(deformation mechanism), 변형동력(driving force)에 의해 형성된다. 변형원인은 지진, 홍수, 쓰나미와 같이 퇴적환경 내외부적으로 발생한 지질학적 사건으로 변형기작을 유발한다. 변형기작은 미고결 퇴적물의 전단강도를 상실시키는 기작으로 액상화와 유체화가 대표적인 변형기작이다. 변형기작이 발생한 퇴적물은 퇴적경계면 상하부의 밀도 차이, 하중 차이 또는 중력과 같은 매우 작은 힘에 의해서도 변형이 발생될 수 있으며, 이와 같이 변형을 일으키는 힘을 변형동력이라고 한다. 즉, 지진 등의 변형원인이 액상화나 유체화 같은 변형기작을 유발시키며, 이와 동시에 변형동력이 작용해 SSDS가 형성된다(Owen, 1987; Obermeier, 2009; Owen et al., 2011; Ghim and Ko, 2019).

변형원인은 퇴적환경 내에서 발생한 내적원인(endogenic trigger)과 퇴적환경의 퇴적작용과 무관한 외적원인(exogenic trigger)으로 구분할 수 있다(Van Loon, 2009; Owen et al., 2011). 예를 들어 홍수와 조석작용은 퇴적환경 내에서 퇴적과정 중에 발생하는 지질작용으로 내적원인으로 분류할 수 있으며, 지진이나 운석충돌 등은 외적원인으로 분류한다. 그러나 쓰나미처럼 퇴적환경 내외부에 동시에 영향을 미치는 경우도 존재한다. 대표적인 변형원인은 표 2와 같으며 이 외에도 다양한 변형원인이 존재한다(Suter et al., 2011; Shanmugam, 2017).

Table 2.

List of representative triggers responsible for the formation of soft sediment deformation structures.

2.2. 지진성 SSDS

대부분의 변형원인이 급격한 지질학적 사건 및 지질재해와 연관되기 때문에 SSDS를 이용하여 변형원인을 규명하고자 하는 많은 연구가 이루어져 왔다. 특히 지진에 의해 형성된 SSDS, 즉 지진성 SSDS는 퇴적분지의 형성과정과 관련된 지구조 해석과 더불어 고지진 연구에 활용할 수 있어 많은 관심을 받았다.

지진성 SSDS와 유사한 의미로 지진암(seismite)이라는 용어가 제안되기도 하였다. 지진암은 지진동에 의해 변형된 퇴적층을 의미하는 성인적 용어이다(Seilacher, 1964). 이후 원래 의미가 확장되어 지진과 관련된 지질구조를 통칭하는 용어로 사용되기도 하였으나(Montenat et al., 2007) 지나친 의미 확장에 따른 남용과 변형원인 결정의 불확실성이 지적되기도 하였다(Wheeler, 2002; McCalpin, 2009).

2.2.1. 지진성 SSDS의 형성

지진성 SSDS를 형성하는 대표적인 변형기작에는 액상화와 유체화가 있다. 액상화는 미고결 퇴적물이 액체처럼 거동하는 현상이다. 지진이 발생하면 지층을 따라 전단력이 전파되고, 느슨하게 배열되어 있던 미고결 퇴적물의 입자들이 조밀하게 재배열된다. 이때 공극의 부피가 감소하고, 증가한 공극수압은 퇴적물의 무게와 같거나 커져 퇴적물을 부유시키게 된다. 그 결과 입자 사이 접촉에 의해 유지되던 전단강도가 상실됨에 따라 마치 액체처럼 거동하게 되고, 이를 액상화라 한다. 액상화가 발생한 퇴적물은 변형에 취약한 상태가 되어 작은 힘에도 변형 구조가 발달한다. 유체화는 액상화에 의해 발생한 공극수압을 해소하기 위해 공극수가 미고결 퇴적물과 함께 이동하는 현상으로 기존의 퇴적구조와 조직을 변형시킨다(Ambraseys and Sarma, 1969; Lowe, 1975; Obermeier, 2009; Owen and Moretti, 2011; Ghim and Ko, 2019).

액상화와 유체화는 퇴적물의 물리적 성질에 많은 영향을 받는다. 입도가 조립질 실트에서 세립질 모래 크기 사이에서 잘 일어나며, 상하부에 점토층과 같은 불투수층이 교호할 때 공극수압이 커져 액상화 가능성이 높아진다. 또한 퇴적물의 조성과 연대, 밀도, 입자 모양 등도 영향을 끼치는 것으로 알려져 있다(McCalpin et al., 2023). 이 외에도 지층이 느슨할수록, 지하수위가 높을수록, 이전에 액상화를 경험하지 않았을 경우 액상화가 잘 일어나는 것으로 알려져 있다(Owen and Moretti, 2011; Ghim and Ko, 2019).

2.2.2. 지진성 SSDS의 종류

야외에서 쉽게 인식 가능한 대표적인 지진성 SSDS는 그림 1과 같다. 퇴적물의 물리적 성질과 지진의 진도 및 진앙지와의 상대적인 거리에 따라 변형기작과 변형동력의 차이가 발생할 수 있으며, 그 결과 동일한 지진에 의해서도 다양한 종류의 SSDS가 형성된다(Molenaar et al., 2024). 이러한 지진성 SSDS는 연성변형구조와 취성변형구조로 구분된다(Montenat et al., 2007; Berra and Felletti, 2011).

연성변형구조에는 말린(엽)층리, 슬럼프 구조, 하중구조, 소성관입(plastic intrusion) 등이 속한다(그림 1a, 1b). 말린(엽)층리(그림 1a)는 여러 매의 층리가 복잡하게 구부러지고 휘어진 형태로, 지진에 의한 전단력, 역밀도구배(reverse density gradient) 등 다양한 변형동력 및 이들의 복합적인 작용에 의해 형성된다. 슬럼프 구조(그림 1a)는 경사면에서 발생한 퇴적물의 사태로 인해 습곡구조가 상,하부의 비변형층 사이에 발달한 것으로, 다른 연성변형구조가 함께 나타나기도 한다(Alsop and Marco, 2011; Owen et al., 2011).

하중구조(그림 1b)는 퇴적경계면 상하부의 밀도 차이 또는 층 상부에 연흔, 사구 등의 층면구조의 발달로 발생하는 하중 차이에 의해 형성된다. 변형 정도에 따라 다양한 형태(simple load casts, pendulous load casts, attached pseudonudules, detached pseudonodules, ball-and-pillow structure)로 나타난다(Owen, 2003). 소성관입(그림 1c)은 유체화에 수반되는 경우가 많으며, 형태에 따라 물빠짐 구조, 접시와 기둥구조(dish-and-pillar structures), 불꽃구조(flame structures) 등으로 불린다. 또한 소성 관입이 상위 지층을 통과하면서 암맥이나 암상의 형태로 발달하거나, 지표까지 도달하여 모래화산을 형성하기도 한다(Berra and Felletti, 2011).

취성변형구조에는 쇄설성 암맥(clastic dyke)과 자가쇄설성 각력암(autoclastic breccias)등이 있다(그림 1c). 쇄설성 암맥은 액상화와 유체화가 일어난 퇴적물이 균열이나 단층을 따라 상부로 이동하며 형성되며, 지표에 모래화산을 형성하기도 한다(Lowe, 1975; Sieh, 1978; Nichols et al., 1994; Obermeier, 2009). 자가쇄설성 각력암은 지진에 의해 파쇄되고 각력화된 파편 사이에 액상화 및 유체화된 퇴적물이 채워지며 형성된다(Berra and Felletti, 2011).

2.2.3. 변형원인의 결정

SSDS의 변형원인 결정은 단순한 형태적 특징만이 아니라 퇴적층의 퇴적환경과 퇴적 당시의 지질학적 정보를 종합적으로 고려해 결정한다. 변형기작과 변형동력은 SSDS가 발달하는 퇴적층과 이들 퇴적층의 상, 하부 지층의 물리적 특성 차이로 확인할 수 있으나 변형원인은 직접적인 관찰이 불가능하다. 또한, SSDS의 형태는 변형동력과 변형기작의 함수로서 변형원인이 다르더라도 변형동력과 변형기작이 같으면 동일한 SSDS가 형성될 수 있다(Suter et al., 2011).

일반적으로 퇴적상 분석을 통해 내적원인과 외적원인 여부를 결정한 다음 변형구조의 분석을 통해 잠재적인 변형원인을 하나씩 소거하여 가장 가능성이 큰 변형원인을 검증하는 방식으로 변형원인을 결정한다(그림 2)(Owen et al., 2011; Moretti et al., 2016).

Fig. 2.

Methodology for determining the trigger for the soft-sediment deformation structures (modified from Owen et al., 2011).

잠재적인 변형원인이 지진인 경우 이를 검증하기 위한 몇 가지 기준이 마련되어 있다. 지진은 진앙을 중심으로 넓은 범위에 영향을 미치며 주기적으로 발생하는 특성이 있으므로, 이를 반영하여 제안된 기준들은 다음과 같다: 1) 변형구조의 넓은 산상과 우수한 측방 연장성, 2) 수직 퇴적단면에서 변형구조의 반복 산출, 3) 지진원 단층으로부터의 측방 산상 변화, 4) 변형구조 형성 당시의 지진활동도(Sims, 1975; Wheeler, 2002; Hilbert-Wolf et al., 2009; Obermeier, 2009; Owen et al., 2011; Ghim and Ko, 2019). 이 밖에도 내부구조의 액상화 흔적 유무, 퇴적물의 입도 조건, 경사면의 부재 등을 기준으로 삼기도 하며 퇴적환경에 따른 별도의 기준이 제안되기도 하였다(Lunina and Gladkov, 2016). 그러나 이러한 기준들에도 예외 사례가 존재하기 때문에 인접지역의 단층 유무와 같은 지질학적 정보를 종합하여 변형원인을 결정해야 한다(Moretti et al., 2014).

3. 지진성 SSDS를 이용한 고지진 연구

고지진학(paleoseismology)은 역사시대 혹은 역사기록 이전에 발생한 선사지진(prehistoric earthquake)에 대한 연구로 지질학적 증거들을 종합해 고지진의 발생 위치, 지진 발생시기 및 재발주기, 규모를 평가한다. 이는 향후 발생할 지진의 재발 주기 및 발생 규모와도 밀접한 관련이 있으므로 제4기 활성단층 연구의 기초자료와 지진재해 평가에 응용될 수 있다.

고지진 연구에 주로 사용되는 지표파열은 인공위성 원격탐사 및 트렌치 조사 등을 통해 단층의 기하와 변위, 활동시기, 지진 규모 등 여러 정보를 얻는다. 규모 5의 지진에서도 지표파열이 발달할 수 있지만, 일반적으로 규모 6 미만의 지진에서는 파열 규모가 작고 불연속적으로 나타나 식별이 매우 어렵다(Bonilla, 1988). 또한 지표에서의 퇴적 및 침식작용에 의해 훼손될 가능성이 높다(McCalpin, 2009). 반면 지진성 SSDS는 형성에 필요한 최소 규모(M_w>5)가 비교적 낮고, 수 km에 걸쳐 형성되므로 더 작은 규모의 고지진도 기록할 수 있다(Galli, 2000; Tuttle et al., 2002). 또한 대부분 지표 아래 전단강도가 약한 미고결 퇴적층에 형성되므로 보존 가능성이 높다(Ghim et al., 2018).

3.2. 고지진의 규모와 진도

지진발생 지역의 현장조사와 시뮬레이션 결과에 따르면(Atkinson et al., 1984; Allen, 1986; Ambraseys, 1988; Audemard and De Santis, 1991; Marco and Agnon, 1995; Galli, 2000; Wheeler, 2002), 모래-실트 크기 입자로 구성된 퇴적층의 경우 중규모(M_w＞5) 이상의 지진에서 지진기원 SSDS가 형성되는 것으로 알려져 있다. 이와 반대로 역질 퇴적물의 경우 7 이상 규모의 지진에서 발달하는 것으로 보고되었다(Obermeier, 1996). 규모 5 미만의 지진은 지진동 지속시간과 전단력이 액상화가 일어날 만큼 충분하지 못하여 유의미한 변형을 일으키지 못한다. 하지만 퇴적물의 입도 이외에도 포화정도와 응집력, 진앙과의 거리, 지반 특성에 따른 감쇠 또는 증폭 효과에 의해 SSDS 형성에 필요한 최소 규모는 변화할 수 있다(Molenaar et al., 2024).

SSDS를 이용해 고지진의 규모와 진도를 추정하기 위한 다양한 방법이 시도되었으며 그 중 대표적인 접근법은 다음과 같다.

3.2.1. 지진성 SSDS의 종류

지진성 SSDS의 형태는 지진 규모뿐 아니라 변형동력과 퇴적물의 성질 등 다양한 요인의 영향을 받기 때문에 형태만으로 지진 규모를 추정하는 것은 불가능하다(Rodríguez-Pascua et al., 2000; Moretti and Sabato, 2007). 동일한 암상 및 퇴적환경 내에서는 고지진의 상대적인 규모를 비교할 수 있지만, 퇴적물의 포화도와 고결정도에 따라 형태가 달라질 수 있다(Obermeier, 1996; Berra and Felletti, 2011).

3.2.2. 최대 액상화 거리

지진의 규모와 액상화 발생 범위는 서로 비례한다. 이는 지진성 SSDS의 공간적 분포범위와 지진의 규모가 서로 관련이 있음을 시사한다. Kuribayashi and Tatsuoka (1975)는 일본에서 발생한 액상화가 수반된 44번의 지진을 분석하여 모래화산 분출 및 건물 침하 등 액상화가 일어난 지점과 지진 규모 간의 관계를 경험식으로 제시하여 지진 규모와 최대 액상화 거리 사이 관계를 나타내었다(그림 3).

Fig. 3.

Relationship between the maximum epicentral distance of liquefied sites R and magnitude M (modified from Kuribayashi and Tatsuoka, 1975). Each gray dot with a number represents a specific earthquake event form the original dataset, which encompasses Japanesse earthquakes from 1872 to 1968.

$$

(1)

식(1)에서 R은 최대 액상화 거리이며, M은 지진의 규모이다. 이후 여러 연구에서 다양한 지역의 데이터를 추가하고, 지역적 조건을 고려하여 수정된 경험식이 제안되었다(Youd, 1977; Keefer, 1984; Papadopoulos and Lefkopoulos, 1993; Galli, 2000; Castilla and Audemard, 2007; Maurer et al., 2015). 지역마다 지각 구조, 단층 특성, 지진파 전파 경로, 퇴적물의 성질이 다르기 때문에 특정 지역의 경험식이 보편적으로 적용되기에는 한계가 있으며, 각 지역의 지질과 지반 특성을 반영한 경험식 개발이 필요하다.

3.2.3. SSDS를 포함하는 층의 두께

지진동의 지속시간이 길고, 전단력의 강도가 클수록 SSDS를 포함하는 지층이 두껍게 발달한다는 점을 근거로 변형층의 두께를 이용해 지진의 규모를 추정하는 경험식이 제안되기도 하였다(Hibsch et al., 1997; Rodríguez-Pascua et al., 2003). Mugnier et al. (2011)은 변형층의 두께를 제어하는 요소로 지진의 수평 가속도와 변형률 약화(strain softening), 입도 및 퇴적상의 수직 변화를 제시했다. 지진의 규모와 변형층의 두께 사이의 관계는 지역적 조건에 크게 의존하므로, 앞서 언급한 경험식을 일반화하여 다른 지역에 적용하기에는 한계가 있다. 최근 사해분지(Dead Sea Basin)에서 수행된 연구들은 이러한 지역적 요소를 고려하여 변형층의 두께를 정량적으로 평가하고, 이를 통해 지진의 규모 및 재발주기를 평가하였다(Wetzler et al., 2010; Lu et al., 2020).

3.3. 진앙 위치

지진의 규모에 따라 진앙지로부터 액상화 발생지점의 거리가 증가하는 것은 지진 규모에 따라 지진성 SSDS의 분포가 달라짐을 의미한다. 규모 5-6의 지진은 진앙지 40 km 이내에, 규모 7이상의 지진은 100-120 km까지 액상화를 일으키는 것으로 알려져 있다(Obermeier, 1996; Rossetti, 1999; Galli, 2000; Rodrı́guez-Pascua et al., 2003; Berra and Felletti, 2011; Üner et al., 2019). 또한 지진성 SSDS는 암상이 동일할 경우 진앙지를 중심으로 산상의 측방 변화가 나타난다. 단층 근처에서는 변형층의 두께가 두껍고 복잡한 구조가 발달하는 반면, 멀리 떨어진 곳에선 변형층의 두께가 얇고 단순한 구조가 발달한다(Ringrose, 1989; Guiraud and Plaziat, 1993; Tuttle et al., 2019).

지진성 SSDS의 공간적 분포와 변형정도 분석을 통해 고지진의 진앙을 파악하려는 연구가 계속되어 왔다. 예를 들어 역사지진과 고지진에 의해 형성된 SSDS의 분포를 비교하여 그 중심을 진앙지로 추정하거나(Tuttle, 2001), 변형정도의 양상으로 진앙의 위치를 추정하는 연구가 수행된 바 있으며(Brandes and Winsemann, 2013), SSDS와 주요 단층들 사이의 거리를 비교하여 지진을 일으켰을 가능성이 가장 높은 단층을 해석하기도 하였다(Üner et al., 2019). 또한 입도에 따라 SSDS 액상화가 발생하기 위한 지진동의 세기가 다르므로 변형구조를 입도 별로 분류하여 진앙 범위를 추정하는 방법이 제안되기도 하였다(그림 4)(Rodríguez-Pascua et al., 2010). 이 외에도 지진에 의해 형성된 주입형 쇄설성 암맥의 방향과 지표파열 주향과의 유사성을 이용한 고진앙 위치 추정의 가능성이 제기되기도 했다(Lunina and Gladkov, 2016).

Fig. 4.

(a) Scheme of liquefaction structures developed in gravel and silt, along with their spatial distribution. The areas of greatest deformation intensity are identified, with the highest intensity corresponding to liquefied gravels and the epicentral area. (b) Distribution map of the spatial gradient for the deformation intensity (paleoseismic isoclines) associated with the paleoearthquake in the Tierras Blancas Basin (modified from Rodríguez-Pascua et al., 2010).

4. 사례연구

4.1. 사해분지(Dead Sea Basin)

사해분지는 제4기 단층 연구와 지진성 SSDS를 이용한 고지진 연구가 성공적으로 수행된 대표적인 지역이다. 제4기에 형성된 SSDS가 광범위하게 분포하고 수직단면에서 뚜렷한 반복성이 나타난다. 건조한 기후로 장기간(~220 ka)의 고지진 기록이 보존되어 있다. 특히 이 지역은 지진성 SSDS의 정량적인 분석을 통해 고지진의 규모와 재발주기 추정 연구가 활발히 이루어진 곳이므로 사례연구를 통해 구체적인 연구방법을 살펴보고자 한다.

사해분지를 구성하는 최대 4 km 두께의 리산층(Lisan Formation)은 우기에 유입된 흑색의 쇄설성 퇴적물과 여름철 증발로 형성된 아라고나이트층이 교호하며 엽층리를 이룬다. 리산층에는 말린엽층리와 슬럼프 구조가 발달하며, 말린엽층리는 형태적 특징과 변형정도를 기준으로 linear waves, asymmetric billows, coherent vortices, breccia로 분류된다(그림 5a, 5b, 5c). Heifetz et al. (2005)은 이들 말린엽층리가 켈빈-헬름홀츠 불안정(Kelvin-Helmholtz instability)에 의해 형성되었다고 해석하였다. 켈빈-헬름홀츠 불안정이란 두 유체 사이에 속도 차이가 있을 때, 그 경계면에서 와류가 발생하는 현상이다. 지진파에서 발생한 전단력이 작용할 때, 하중에 의해 하부로 갈수록 밀도가 증가하는 미고결 퇴적물의 특성상 상·하부층이 같은 방향이지만 서로 다른 속도로 움직이게 된다. 이로 인해 켈빈-헬름홀츠 불안정이 변형동력으로 작용하여 변형구조를 형성할 수 있다. 이러한 해석은 유체역학 모델링을 통해 검증되었으며, 또한 변형구조를 정량적으로 평가하여 변형구조를 형성한 지진의 지반가속도를 추정할 수 있음을 제안하였다(그림 5c).

Fig. 5.

Numerical simulation on in situ folded layer and intraclast breccia structures in the Dead Sea sedimentary sequences. (a) Representative structures observed in Core 5017-1 from the Dead Sea depocenter and their corresponding numerical simulation results. (b) Representative structures observed in onshore outcrops of the Dead Sea Basin. (c) Schematic diagrams derived from simulation snapshots illustrating the formation mechanisms of the four structural types. (d) Quantitative estimation of the minimum accelerations required to initiate each of the four structures at varying thickness. The color scale represent the effective Reynolds number (Re), highlighing zones where inertial forces dominate over viscosity. As Re increases, turbulent Kelvin-Helmholtz deformation becomes more pronounced, progressing from linear waves to breccia. Such deformations typically occurs when Richardson number is ≤ 0.125 (modified from Lu et al., 2020).

Wetzler et al. (2010)은 300개 이상의 변형구조에서 얻어진 변형층의 두께와 길이, 전단력에 의한 지반가속도, 퇴적층의 밀도와 점성도, 수압에 의한 수직 압력을 고려하여 직접적인 수치 모의실험(direct numerical simulation)을 수행하였다. 그 결과 고지진의 최대지반가속도를 추정하였으며, 진앙의 위치와 감쇠효과를 고려하여 이를 지진의 규모로 변환할 수 있음을 제안하였다.

이후 사해의 퇴적중심지에서 얻은 시추 코어(ICDP Core 5017-1, 길이 약 457 m, 최대 연대 220 ka)를 이용해 더 긴 시간 범위의 고지진 연구를 수행하였다. 이를 통해 총 413개의 지진성 SSDS가 식별되었고, Lu et al. (2020)은 Wetzler et al. (2010)의 모델을 개선해 변형층의 두께와 지반 가속도의 상한값을 높여 더 정밀한 분석을 수행하였다. 이를 통해 linear waves, asymmetric billows, coherent vortices, intraclast breccia는 각각 최소 0.13 g, 0.18 g, 0.34 g, 0.50 g의 지반 가속도가 필요하며, 이를 진앙거리와 감쇠효과를 고려하여 지진의 규모로 변환하여 각각 M_w 5.3, 7.0, 7.3, 7.8에 해당함을 제안하였다(그림 5d).

이 연구는 또한 고지진의 재발주기 분석에도 중요한 기여를 했다. 시추 코어의 연대측정 자료를 이용하여 지반가속도 0.13 g와 0.34 g 이상의 지진에 대해 각각 530 ± 40 년과 1500 ± 190 년의 평균 재발주기가 산출되었고, Mw 7.0 이상의 강진의 재발주기는 1400 ± 160 년으로 나타났으며, 특히 지난 40 ka 동안에는 이 주기가 700 ± 110 년으로 더 짧아지는 경향을 보였다. 이와 같은 주기는 기존 연구(Begin et al., 2005; Kagan et al., 2011)에서 제시된 M_w≥7.0 지진의 평균 재발주기인 4600 ± 1500 년과 비교했을 때 유의미하게 짧은 값이다. 이는 사해단층의 복잡한 기하학적 구조와 느린 변위율로 인해 지진 발생이 비주기적으로 이루어졌음을 시사하며, 기존 지진재해 위험이 과소평가 되었을 가능성을 보여준다.

5. 토의 및 결론

제4기 지층에 발달한 지진성 SSDS는 고지진의 발생시기와 재발주기, 규모, 발생위치를 간접적으로 제공한다. 지표파열에 비해 상대적으로 낮은 규모이나 피해를 유발할 수 있는 고지진 정보를 얻을 수 있으며, 지표면 아래에 형성되어 보존에 유리하다. 이러한 이점 때문에 해외에서는 지진성 SSDS 연구는 지속적인 관심을 받으며 꾸준히 수행되고 있다. 최근에는 정량적 분석과 컴퓨터 시뮬레이션, 트렌치 조사와 시추 조사를 병행하는 등 다양한 방법이 시도되고 있다.

사례연구에서 다룬 사해분지의 연구는 새로운 변형과정을 제시하고 변형구조를 정량적으로 분석하여 고지진 규모 및 재발주기 추정 모델을 정밀화하여 지진재해 위험 평가에 기여했다는 점에서 의미가 크다. 하지만 사해 지역에 특화된 지질과 지반 특성을 바탕으로 한 연구라는 점에서 이를 국내에 적용하기 위해선 제4기 지층에 대한 기초연구들이 선행되어야 한다.

콘쿠드단층의 연구에서는 시추 코어를 이용할 경우 더 넓은 시간 범위의 고지진 기록을 얻을 수 있고 연속적인 퇴적기록을 확인할 수 있다는 장점을 확인할 수 있었다. 이는 지표 침식이 활발하고, 긴 재발주기를 갖는 우리나라 고지진 연구에도 시추 코어를 이용한 연구방법이 적합할 것을 시사한다. 그러나 시추 코어에서는 제한된 코어 직영에 의해 퇴적층 내의 변형구조를 완전히 파악하기 어렵기 때문에 변형원인 결정에 한계가 있다. 또한 일부 변형구조가 누락되거나 중복되어 고지진의 횟수가 과소 또는 과대평가될 수 있다. 따라서 시추 코어를 활용할 경우 복수의 지점에서 시추 코어를 획득할 필요가 있으며, 정밀한 퇴적상 분석을 수행해야 한다. 또한 노두에서의 산상과 퇴적상, 암상, 변형구조의 분포를 종합적으로 고려하여야 한다(Ezquerro et al., 2015, 2016) 최근에는 X-선 CT 촬영으로 시추코어 내부의 지진성 SSDS를 3차원 영상으로 복원하는 방법이 제안되기도 하였으며(Nakashima and Komatsubara, 2016), 향후 이런 방법을 도입한다면 보다 구체적인 연구가 가능할 것이다.

국내 지진성 SSDS 연구에 해외의 다양한 연구방법이 적용된다면 고지진 연구의 정밀성과 지진재해 평가의 정확성을 높이는 데 도움을 줄 것으로 보인다. 하지만 이러한 연구방법의 적용을 위해서는 호수 퇴적물처럼 안정된 환경에서 연속적으로 퇴적된 퇴적기록체 확보가 필수적이다. 국내에서는 이러한 퇴적체 확보가 어려운 실정이므로 다양한 퇴적 기록체를 활용하는 접근이 필요하다. 제4기 고기후 연구 역시 동일한 어려움을 가지며, 이를 극복하기 위해 지난 20여 년간 국내 연안퇴적물, 범람원, 석호, 저수지, 습지, 고토양을 대상으로 한 연구가 이루어졌다(Park, 2023). 이러한 퇴적체들은 수직 및 측방 연속성은 다소 떨어지지만, 지진성 SSDS가 발달할 수 있으므로(Van Loon, 2009) 고지진 연구에도 활용할 가치가 있다.

또한 기존 고기후 연구 과정에서 얻어진 시추 코어를 검토하여 고지진 기록을 확인할 수 있을 것으로 보이며, 향후 고기후 연구에서 부수적으로 얻어지는 고지진 기록 역시 체계적으로 정리하고 분석하는 통합적 연구 수행을 제안한다. 특히 주요 단층대 인근에서 얻어진 시추 코어는 지진의 영향을 받았을 가능성이 높으므로 고지진 연구에 중요한 자료가 될 수 있다. 이 외에도 토목 및 건설 공사에서 얻어진 시추 코어에서도 지진성 SSDS가 포함되어 있을 가능성이 있으며, 이는 노두 노출과 트렌치 조사가 제한적인 도심지역의 고지진 연구에 기여할 수 있을 것으로 보인다. 국내에서도 지진성 SSDS에 대한 충분한 데이터가 축적된다면 유의미한 연구 결과를 도출할 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgments

이 논문은 행정안전부 지진 위험분석 및 관리기술 개발사업(2022-MOIS62-001)의 지원을 받아 수행된 연구결과입니다. 본 논문에 대해 건설적인 비평을 주신 두 분의 심사위원과 담당 편집위원께 감사드립니다.

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