트렌치에서의 단열분석을 통해 도출한 단열발달사 및 고응력 해석: 울산 신암리의 예

Interpretation of Deformation History and Paleostress Based on Fracture Analysis Exposed in a Trench

Abstract

연구지역인 울산시 신암리 지역은 각섬석화강암을 기반암으로 하여 이를 관입하고 있는 규장질 및 고철질 암맥, 열수주입과 관련된 석영맥 그리고 단층파쇄대가 형성되어 있다. 이 지역에는 역학적으로 균질한 화강암이 우세하게 발달하는 지역이지만 지역적으로 발달한 암맥의 영향으로 불연속면을 형성하여 지반의 불안정과 단층의 재활을 유도하였다. 이러한 화강암 내 불연속면에 집중된 응력의 특성을 해석하기 위하여 우리는 N-S방향으로 트렌치를 개설하였고, 이를 통해 노출된 지질구조요소들을 활용하여 단열발달사 및 이와 관련된 고응력 방향을 추론하기 위하여 기하학적 및 운동학적 분석을 실시하였다. 이를 위해 먼저 연구지역에 발달하는 단열들 간의 상호절단관계와 인접한 지역에서 수행된 선행연구들을 토대로 구조변형사를 수립하였으며, 단열발달 시 작용한 고응력 방향을 유추하여 최대수평주응력(σ_Hmax)과 최소수평주응력(σ_Hmin)으로 나타내었다. 단열분석 결과 (1) 기반암인 각섬석화강암 관입 이후 적어도 NNE-SSW, ENE-WSW, E-W, WNW-ESE 방향의 단열들이 존재하였을 것으로 추정되며, 이후 (2) NNE 내지 N-S 방향의 σ_Hmax/E-W 방향의 σ_Hmin 하에서 NNE-SSW 및 E-W방향의 규장질 암맥이 관입하고, (3) E-W 내지 ENE-WSW 방향의 σ_Hmax/N-S 내지 NNW-SSE 방향의 σ_Hmin 하에서 E-W 내지 ENE-WSW 방향의 고철질 암맥이 관입하였으며, (4) E-W 내지 WNW-ESE 방향의 σ_Hmax/N-S 내지 NNE-SSW 방향의 σ_Hmin 하에서 열수주입과 관련된 석영맥들의 발달, ENE-WSW 방향의 주단층 우수향 운동이 있었고, (5) NNE-SSW 내지 NE-SW 방향의 σ_Hmax/WNWESE 내지 NW-SE 방향에서 작용하는 σ_Hmin 하에서 E-W 주향의 열수관련 석영맥 좌수향 재활과 ENE-WSW 방향 주단층의 정이동성 좌수향 재활운동이 있었고, 최종적으로 (6) NW-SE 방향의 σ_Hmax/NE-SW 방향의 σ_Hmin 하에서 ENE-WSW 방향의 주단층은 역이동성 우수향 재활을 겪은 것으로 해석되었다. 단열발달사 및 고응력장 복원결과는 기존에 제시된 포항-울산 지괴내의 신생대 지구조운동사와 잘 대비된다. 이는 양산단층과 울산단층으로 경계된 울산단층의 남쪽 지역이 신생대에 포항-울산 지괴와 유사한 지구조 운동을 겪었음을 시사한다. 이러한 연구결과는 본 연구지역과 인접한 주요 시설물의 안정성 평가 및 차후의 지진재해 대책을 수립하는데 있어 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 사료된다.

The study area, located in Sinam-ri, Ulsan, in the southeastern part of the Korean Peninsula, is mainly composed of hornblende granite (ca. 65 Ma). Fracturing and reactivation of a fault striking ENE-WSW was strongly controlled by the intrusion of a mafic dyke (ca. 44 Ma), which behaves as a discontinuity in the mechanically homogeneous pluton, increasing the instability of the basement in this area. A geometric and kinematic study undertaken to interpret the faults and fractures was performed in a trench excavated almost perpendicular to the orientation of the dyke. The analysis of structural elements, such as dykes, veins, and faults, is used to infer the deformation history and to determine the paleostress orientations at the time of formation of the structures. The deformation history established based on this analysis is as follows: (1) NNE-SSW, E-W, ENE-WSW, and NE-SW trending fractures had already developed in the pluton before dyke intrusion; (2) felsic dykes intruded under conditions of σ_Hmax oriented N-S and σ_Hmin oriented E-W; (3) mafic dykes intruded under conditions of σ_Hmax oriented E-W and σ_Hmin oriented N-S; (4) dextral reactivation of the main fault associated with the development of hydrothermal quartz veins under conditions of σ_Hmax oriented E-W and σ_Hmin oriented N-S; (5) sinistral reactivation of the main fault and high-angle normal faults under conditions of σ_Hmax oriented NE-SW and σ_Hmin oriented NW-SE; and (6) dextral reactivation of the main fault and NE-SW low-angle reverse faults under conditions of σ_Hmax oriented NW-SE and σ_Hmin oriented NE-SW. These results are consistent with the tectonic history of the Pohang-Ulsan block in the southeastern part of the Korean Peninsula, and indicates the tectonic deformation of the southern area of the Ulsan fault bounded by Yangsan fault was analogous to that of the Pohang-Ulsan area from the Cenozoic. This work greatly aids the selection of sites for critical facilities to prevent potential earthquake hazards in this area.

서 언

지질공학적 측면에서의 단열발달 특성은 그 지역의 지반 안정성을 평가하는데 중요하게 사용될 수 있을 뿐만 아니라 정밀하게 분석되고 해석된다면 그 지역의 고응력장을 복원하는 데에도 매우 유용하게 활용될 수 있다(Jin and Kim, 2007). 또한 이들 단열이 매우 복잡하게 발달하지만 그들의 상호절단관계를 해석할 수 있다면 이들 사이의 상대적인 연대해석을 통하여 이들의 변형사를 수립할 수 있을 것이다(Choi, 1998; Choi et al., 1999a; Choi et al., 1999b; Choi et al., 2002; Kim et al., 2001; Kim and Park, 2006; Choi et al., 2007; Jin and Kim, 2007; Choi et al., 2015). 이러한 변형사의 수립은 최종적인 단열과 현재의 응력장 사이의 관계를 밝힘으로써 이러한 구조들의 활성여부를 규명하는데 중요하게 기여할 수 있을 것이다. 이러한 조사는 일반적으로 잘 노출된 야외노두를 통하여 해석할 수 있으나 노두의 발달이 미약하거나 원지형이 보존되어 있지 않은 지역에서는 트렌치 조사를 통해 필요한 정보를 수집할 수 있다.

트렌치 조사는 최근 다양한 분야에서 활용되고 있는데, 특히 활성단층의 연구에서는 매우 중요한 연구방법 중 하나로 적절하게 굴착이 된다면 단층의 운동특성(지진성 또는 비지진성, 운동횟수, 운동시기, 단층규모)에 대한 매우 유용한 정보를 획득할 수 있다(McGill and Rockwell, 1998; Rockwell et al., 2000; Meghraoui et al., 2003; Yen et al., 2008; McCalpin, 2009; Kim et al., 2011a; Kim et al., 2011b). 한반도 남동부 지역에서도 제 4기 단층들의 특성을 규명하고자 트렌치 조사를 통해 많은 연구가 진행되었다(Choi et al., 2007 and references therein). 그러나 이러한 연구들은 대부분 제4기 미고결 퇴적층이나 단층대에 대한 트렌치를 통하여 신기단층운동의 특성을 이해하고자 한 연구였다. 우리의 이번 연구는 미고결 신기퇴적층이 분포하지 않는 지역에서의 신기단층운동을 이해하기 위하여 기반암에 발달한 단열의 특성을 분석하고, 이를 통하여 고응력을 복원하여 이들이 현재의 응력장과 어떤 연관이 있는지 이해하고자 하였다. Kim and Park (2006)은 단열분석을 통하여 고응력장을 해석하는 유사한 연구를 수행한 바 있으나, 이는 다양한 시대의 지층을 대상으로 자료를 수집하였으며, 이번 연구와 같이 하나의 암석(또는 지층)에서의 단열자료분석을 통해 구조발달사를 해석하는 연구는 많은 어려움이 있어 국내에서는 거의 시도되지 않았다. 따라서 이번 연구는 자료가 제한적인 지역에서의 단열분석 및 이를 통한 변형사 해석에 매우 중요하고 의미가 있다.

이 연구의 목적은 역학적으로 균질한 암석인 화강암체에 발달한 암맥을 따라 응력이 집중되어 재활된 예를 통하여 단열발달사를 수립하고 고응력장의 변화를 추론하는데 있다. 특히 야외노두가 불량한 지역에서는 물리탐사나 시추자료를 통하여 보조적인 자료를 획득할 수 있고, 경우에 따라서는 중요한 지역에 대해 트렌치 조사를 통하여 더욱 정밀한 자료를 획득하여 단층의 운동특성을 해석할 수 있다. 그러나 트렌치 조사는 정밀한 조사이기는 하지만 비용이 많이 들고 매우 제한된 지역만을 대상으로 조사를 실시하는 것이기 때문에 적절한 해석을 위한 충분한 자료를 획득하기가 매우 어렵다. 따라서 이번 연구에서는 매우 제한된 자료를 통하여 구조발달사를 수립하고 고응력장의 변화를 유추하는 방법을 보여주고자 하였다. 이를 위해 연구지역 내의 주요 구조대 방향에 수직 방향인 N-S 방향으로 트렌치를 개설하였으며, 추가적으로 발견된 구조들의 동측 연장특성을 확인하기 위하여 동측 윗단에 추가적인 굴착을 실시하였다.

 

연구방법

울산광역시 신암리에 개설된 트렌치 사면과 추가적으로 굴착한 평면노두에서 발달하는 단층, 단열, 암맥 및 석영세맥 등 지질구조요소들의 발달특성과 이들의 발달 시 작용한 고응력 방향을 알아보기 위하여 아래와 같은 기하학적 및 운동학적 분석을 실시하였다. 먼저 N-S방향으로 개설된 트렌치 내에서 동측과 서측 단면 그리고 추가적으로 동측사면 윗단에 굴착한 평면노두에 각각 독립된 격자(1 ×1m)를 설정하여 지질구조요소들에 대한 정밀기재를 실시하였다. 단열들의 발달순서와 그 특성을 알아보기 위하여 야외에서 관찰되는 노두에서 단층, 단열, 암맥 및 석영세맥의 다양한 발달특성을 기재하였고, 실내에서 이들에 대한 통계처리 및 사진합성을 통한 단열발달 특성을 분석하였다. 이후 수 차례의 현장답사를 통하여 이들 결과를 확인하고 검증하였다.

단열 간의 선후관계 및 접합관계(Hancock, 1985; Eyal et al., 2001; Bai et al., 2002)와 단층과 이에 수반된 2차 단열들 간의 시·공간적 상관성(Kim et al., 2001; Peacock, 2001; Kim et al., 2004)을 토대로 단열발달 순서를 정립하였다. 또한 이들 단열발달 시 작용한 고응력 방향을 복원하기 위하여 단열들의 기하 및 운동학적 특성(Anderson, 1951; Ramsay, 1980; Angelier, 1984; Delaney et al., 1986; Dyer, 1988; Pollard and Aydin, 1988; Angelier, 1994; Baer et al., 1994; Jolly and Sanderson, 1997; Engelder, 1999; Andret al., 2001; Wilkins et al., 2001; Clemente et al., 2007)을 토대로 피셔평균벡터(fisher mean vector), 입체투영망 작도방법과 소단층 자료를 이용한 PT-이면각법(PT-dihedral method)을 이용하였다. 이를 위해 소단층들의 주향과 경사, 단층면상에서 관찰되는 단층조선(slickenside lineation)의 자세를 측정하였으며, 단층면상에서 관찰되는 운동학적 지시자(Petit, 1987; Angelier, 1994; Doblas, 1998)와 이에 의해 절단된 암맥 및 석영맥 등의 변위감각을 토대로 단층의 이동감각을 결정하였다.

주단층의 최종 운동감각은 단층비지대 내에서 관찰되는 점토엽리(P-foliation)를 이용하여 결정하였다. 이는 연성전단대에서 발달하는 S-C 열구조(S-C fabrics)와 유사하게 해석된다(Lister and Snoke, 1984; Cladouhos, 1999). 단층점토엽리는 S-C 열구조의 S엽리에 해당하며 Y전단은 C엽리에 해당하는 것으로 주단층면의 배향을 의미한다. 주단층의 운동양상에 따른 단층대 내의 미구조적인 특성 및 주단층면과 2차 단열 사이의 특징적인 각 관계에 대해서는 이미 잘 알려져 있다(Shipton and Cowie, 2001; Lee and Kim, 2005; Toy et al., 2012). 이러한 방법을 통해 수립된 단열 발달사 및 단열발달 시 작용한 고응력 방향변화를 인접한 지역 내에서 수행된 선행 연구결과들(Choi, 1998; Choi et al., 1999a; Choi et al., 1999b; Kim and Park, 2006; Jin and Kim, 2007; Choi et al., 2015)과 비교·검토하였다.

 

지질개요

경상분지 남동부에 위치한 연구지역 일대는 백악기 퇴적암류를 기반암으로 이를 관입 및 분출한 백악기 후기 내지 제3기 화성암류, 화산암류 및 암맥류들이 널리 분포하며, 제4기 충적층에 의해 피복되어 있다(Kim et al., 2003; Fig. 1). 백악기 퇴적암류는 후기 화성활동에 의해 호온펠스화되어 있으며, 주로 역암, 사암, 이암 등으로 구성된다(Son et al., 1978). 이들은 경상누층군의 소위 신라통에 속하는 ‘이천리층’이라 명명된 바 있다(Son et al., 1978). Kim et al. (1998)는 이를 다시 유천층군의 ‘다대포층’에 대비하였으나, 이들 층준 내에 상대적인 연령을 확인할 수 있는 화석이 산출되지 않아 그 대비가 불명확하다. 백악기말 화산암류들은 석영안산암질 응회암과 안산암질 응회암으로 구성되며(Kim et al., 2003), 이들은 각섬석화강암에 의해 관입되어 있다(Kim et al., 2003; Kee et al., 2003).

Fig. 1.(a) Geological map and major faults within the Gyeongsang Basin (modified from Lee, 2000). (b) Geological map of the study area (modified from Kee et al., 2003).

연구지역의 트렌치 내에 분포하는 기반암은 각섬석화강암이며, 이를 고철질 암맥이 관입하고 있어 이들의 관입시기를 알기 위하여 방사성 연대측정이 실시된 바 있다(KOPEC, 2007). 3곳에서 채취한 시료로부터 측정된 각섬석화강암의 각섬석 K-Ar 연대는 65.8 ± 1.3Ma와 63.2 ± 1.3 Ma로, 흑운모 Rb-Sr 연대는 63.9 ± 0.3Ma, 64.5 ± 0.3Ma, 62.8 ± 1.3Ma로, 흑운모 K-Ar 연대는 67.3 ± 1.3Ma, 69.0 ± 2.0Ma로 나왔다. 또한 고철질 암맥에 대한 K-Ar 연대측정 결과는 약 44Ma를 지시하는 것으로 나타났다(KOPEC, 2007).

 

단열의 발달특성 및 발달사

단열 발달특성

N-S 방향으로 개설된 트렌치 주위에는 각섬석화강암을 기반암으로 이를 관입하고 있는 규장질 및 고철질 암맥과 열수주입과 관련된 석영맥 그리고 다양한 운동감각을 갖는 단층들이 발달하고 있으며, 이들은 부지조성을 위한 매립토로 피복되어 있다(Figs. 2 and 3). 트렌치 내에서 발달하는 규장질과 고철질 암맥들, 열수주입과 관련하여 생성된 것으로 판단되는 석영맥(quartz vein) 그리고 단층들의 자세를 측정하여, 그 방향성을 장미도를 이용하여 도시화하였다(Fig. 4). 수집된 지질구조요소들의 방향성 자료는 지도상 북으로부터 자북방향으로 7.6°W 편각(declination) 보정된 값이다.

Fig. 2.(a, b) Overview and (c) photographs and overlapping simplified sketches of eastern and western sides of the trench.

Fig. 3.(a) Photomosaic grid map (b) and detailed sketch of the study area.

Fig. 4.Rose diagrams for the strikes of (a) felsic dykes, (b) mafic dykes, (c) hydrothermal quartz veins and (d) small faults.

규장질 암맥들은 NNE-SSW와 E-W 방향으로 관입해 있으며, 고철질 암맥들은 다소 주향의 변화가 관찰되나 주로 E-W 내지 ENE-WSW 방향을 갖고 일부는 NNE-SSW로 배향한다(Fig. 4). 열수관련 석영맥들도 이와 유사하게 E-W 내지 ESE-WNW로 배향한다. 트렌치 내에서 발달하는 주단층은 ENE-WSW 방향으로 발달하며, 소단층들의 경우 NNW-SSE, NNE-SSW, NE-SW, WNW-ESE 방향으로 발달해 있다. 담홍색 내지 적갈색의 변질대 형태로 발달하는 석영맥들은 고철질 암맥들 사이에 집중된 양상을 보인다. 또한 트렌치의 남쪽에 발달한 암맥을 따라 활동한 주단층을 경계로 기반암인 화강암에서의 풍화양상이 현저한 차이를 보이고 있다.

단열발달사

규장질 암맥

연구지역 내 기반암인 각섬석화강암을 관입하고 있는 3매의 규장질 암맥들(맥폭 약 4~5 cm)이 관찰되며, 이들은 NNE-SSW 또는 E-W 방향으로 발달한다(Fig. 4). 규장질 암맥들은 후기에 관입한 고철질 암맥들에 의해 절단되어 있으며, 후기의 단층운동에 의해 변위되어 있다(Fig. 5). 이는 규장질 암맥이 조사지역에서 기반암인 각섬석화강암의 관입 이후 그리고 고철질 암맥의 관입 이전에 발달한 구조요소임을 지시한다. 그러나 규장질 암맥들의 자료가 빈약하여 이들의 형성 시 작용한 고응력의 방향을 추론하는 데는 무리가 있을 것으로 판단된다. 따라서 규장질 암맥의 관입 시 작용한 응력조건은 기존 연구(KOPEC, 2009)를 참조하였다. KOPEC (2009)은 본 연구지역 내에서 관찰되는 것과 유사하게 N-S 내지 NNE-SSW 방향 그리고 E-W 방향의 암맥이 발달함을 보고하였다.

Fig. 5.(a) Felsic dyke (white dashed line) with a NNE-SSW strike truncated by a mafic dyke, is displaced by an E-W striking fault and secondary NNW-SSE striking faults with dextral and sinistral shear sense, respectively. (b) E-W striking hydrothermal alteration indicates a sinistral displacement along the WNW-ESE striking fault, and displacement of the felsic dyke indicates reactivation of the fault. Yellow triangles indicate dike piercing points.

고철질 암맥

고철질 암맥은 주로 E-W 내지 ENE-WSW 방향으로 발달한다(Fig. 4). 북쪽에 노출된 암맥은 약 1.8 m의 맥폭으로 발달하며, 서쪽에서 동쪽으로 가면서 그 주향이 ENE-WSW에서 WNW-ESE 방향으로 변화한다(Fig. 3). 암맥과 화강암의 북쪽 관입 접촉경계는 불규칙한(jog) 형태를 가지며, 일부 역이동성 단층에 의해 절단되어 있다. 남쪽에 발달하는 암맥은 N82E/83SE로 태위하며, 트렌치의 서쪽사면 상단에서는 E-W와 N32E 두 방향으로 분지되는 것이 관찰된다. 암맥의 맥폭은 동쪽에서부터 서쪽으로 가면서 약 1.3 m에서 0.5 m로 그 폭이 감소하다 다시 최대 2.5 m 폭으로 넓어지다 약 1 m의 맥폭을 갖는 암맥으로 갈라지며 변한다. 이처럼 맥폭의 변화가 심하게 나타나는 것은 다양한 단층과 단열이 발달하고 있는 천부환경에서 유압을 갖는 마그마 물질이 기존 약대를 따라 응력의 영향을 받으며 관입하면서 나타나는 현상으로 해석된다(Delaney et al., 1986; Yang et al., 2008; Martínez-Poza et al., 2014).

열수관련 석영맥

석영맥들은 육안상 다소 담홍색을 띠는 열수변질대와 암맥 및 단층대 내부에 발달되어 있다(Fig. 3 and 6a). 이는 열수변질과 관련된 석영맥의 발달이 적어도 고철질 암맥의 관입 이후임을 지시한다. 열수변질대와 석영세맥은 고철질 암맥들로 규제된 영역 내에서 E-W에서 WNW-ESE 방향으로 시계방향으로 휘어지면서 암맥을 따라 발달한 단층대에 접하고, 약 10~20 cm의 간격(spacing)으로 집중적으로 발달한다(Fig. 4 and 6a). 반면 화강암 풍화대 내에서 석영맥들의 발달빈도는 암맥 사이의 구간에 비해 상대적으로 낮고, 넓은 간격(30 cm>)으로 발달한다. 이러한 양상은 단층운동에 수반된 2차 인장단열들이 단층에 예각으로 접하는 날개모양(pinnate) 구조로 판단되며(Segall and Pollard, 1983; Martel et al., 1988; Martel and Boger, 1998; Flodin and Aydin, 2004), 이들의 발달은 주단층의 우수향 단층운동과 동시기적인 산물로 해석된다.

Fig. 6.(a) East wall of the trench showing an ENE-WSW striking fault that has developed along a mafic dyke. (b) S-C fabrics developed in clay-rich fault gouge and E-W striking quartz veins intersect the ENE-WSW striking main fault at an acute angle, indicating dextral slip-sense along the fault. (c) S-C fabrics developed in the ENE-WSW striking fault gouge show a dextral shear sense. (d) Brecciated hydrothermal vein fragments are incorporated into a part of the S-C fabric of the fault zone. (e) Fault striations and groove marks on the fault plane indicate reverse dextral shear sense. Pencil for scale. Qtz: Quartz.

주단층 발달특성

천부지각에서 단층대는 취성변형작용의 산물로 생성된 응력변형(strain)의 집중구역으로(Sibson, 1977; Billi, 2005), 일반적으로 단층운동에 수반된 이차단열들이 무수히 발달하는 단층손상대(fault damage zone)와 대부분의 변위가 누적되는 단층핵(fault core)으로 구분된다(Caine et al., 1996). 단층핵은 파쇄암(cataclastic rock)을 구성하는 입자의 크기 및 입자와 기질의 함량비에 따라 단층비지(fault gouge)와 단층각력(fault breccia)으로 구분된다(Sibson, 1977; Chester and Logan, 1987). 단층대는 지하 암체 내에서 광화유체, 탄화수소, 열수 및 지하수와 같은 유체의 수평 및 수직적인 유동을 제어(통로 혹은 제어막)하는 주요한 요인으로 알려져 있다(Caine et al., 1996; Evans et al., 1997).

연구대상인 트렌치 내에서 발달하는 가장 큰 단층은 단층비지대와 단층파쇄대의 폭을 기준으로 남쪽 고철질 암맥의 경계 또는 암맥의 내부를 절단하며 발달하는 단층으로서 그 태위는 N65E/86SE이다((Figs. 3 and 6). 이 단층을 따라 단층운동으로 인한 파쇄물질들이 암맥 내부에 집중되어 있으며, 파쇄대는 최대 1.3 m의 폭으로 발달하며, 암적색을 띠는 단층파쇄물질로 채워져 있다. 암녹색 내지 녹회색을 띠는 단층비지대는 약 0.4~0.7 m 폭으로 발달하며, 점토엽리가 잘 발달해 있다(Figs. 6b and c). 단층대 내에 발달한 점토엽리는 흔히 연성전단대에서 발달하는 S-C 열구조와 유사하게 해석되며(Lister and Snoke, 1984; Cladouhos, 1999), 단층 운동감각의 지시자로서 이용된다(Petit, 1987; Doblas, 1998; Toy et al., 2012). 주단층대 내부에서 관찰되는 S-C 열구조의 배향특성으로부터 주단층은 우수향 이동감각을 지시한다. 단층파쇄대 내부에 석영세맥의 파편들이 각력화되어 있는데(Fig. 6c), 이는 주단층이 석영세맥이 발달하는 우수향 단층운동 이후에 적어도 1회 이상 재활하였음을 시사한다. 또한 평면노두 상에 노출된 주단층의 북동쪽 종지에서 단층면 상에 관찰되는 단층조선은 주단층이 최종 재활 시 역이동성 우수향 단층으로 활동하였음을 지시한다(Fig. 6e).

소단층 발달특성

주단층 이외에도 거의 NE-SW의 방향성을 가지며 다양한 이동감각 및 경사를 갖는 단층들(소규모의 고각 정단층과 저각 역단층)이 석영맥들을 절단하며 발달한다(Figs. 7 and 8). 소단층의 운동감각은 단층면상에서 관찰되는 운동감각 지시자들(Petit, 1987; Angelier, 1994; Doblas, 1998)과 절단된 암맥의 변위감각을 토대로 결정하였다.

Fig. 7.(a) Anticlockwise block rotation associated with NNE-SSW dextral faults that in turn are associated with an E-W sinistral fault. (b) Hydrothermally injected quartz veins are displaced by ENE-WSW striking sinistral faults. S-C fabric in a contractional step indicates a dextral shear sense. (c) Hydrothermal veins are truncated by NE-SW and ENE-WSW striking faults. (d) Fault striations on the fault planes indicate normal-sinistral shear sense.

Fig. 8.(a) E-W and NNE-SSW striking conjugate faults are cut by NW-SE reverse faults. (b) Small NNE-SSW striking fault is dextrally displaced by E-W striking low-angle reverse fault.

열수주입 관련 석영맥들은 소단층들에 의해 정이동성 감각으로 절단되어 있으며, 일부 석영맥들은 정이동성 감각의 단층들로 재활되었다(Fig. 7). 평면노두의 북서쪽 영역에서, NNE-SSW 및 WNW-ESE 방향의 소단층들에 규제된 단층 지괴의 반시계 방향 회전과 NE-SW 방향 2차 인장단열의 존재는 이들이 NE-SW 방향에서 작용하는 압축력 하에서 발달한 것임을 지시한다(Fig. 7a). 평면노두 상의 암맥으로 규제된 내부영역에서 WNW-ESE로 주향하는 열수변질대들은 ENE-WSW 방향의 소단층들에 의해 좌수향 감각으로 절단되어 있다(Fig. 7b). 이들 소단층의 전단면상에서 관찰되는 단층조선은 좌수향성 정단층 내지 정이동성 좌수향 운동감각을 지시한다(Fig. 7c).

한편 평면노두 상에서 단층으로 경계된 무딘(blunt) 암맥의 종지부와 주단층이 이루는 마름모꼴 형태의 구간 내에 발달하는 열수변질대는 그 자취를 추적하기 힘들 정도로 교란되어 있다(Fig. 7b). 교란된 열수변질대는 주단층대 내에 발달한 점토엽리들과 아평형하게 발달하고 있으며, 이는 내부에 누적된 압축력으로 인한 강한 변형에 의한 것임을 시사한다. 일반적으로 알려진 주향이동단층대의 지표면상 자취들의 기하와 운동감각에 규제되어 발달하는 지질구조적 특성을 고려했을 때(Woodcock and Fischer, 1986; Sylvester, 1988; Dewey et al., 1998; Kim et al., 2004), 이들 구간은 후기에 주단층의 역이동성 우수향 단층운동 시 압축성 굴곡부(contractional bend)로 작용하여 강한 압축력에 의한 변형작용을 받은 것으로 해석된다.

저각의 역단층들은 북쪽 고철질 암맥의 관입경계, 서측 사면의 암맥 사이 구간 그리고 화강암의 풍화대 내에 발달해 있으며, 고각의 기존단열들을 절단하고 있다(Figs. 2c, 3 and 8). 화강암 풍화대 내에 발달한 NNE-SSW 방향의 우수향 단층과 E-W 방향의 좌수향 단층의 상호절단관계 및 NE-SW 방향의 2차 인장단열의 존재를 토대로 이들 소단층들이 NE-SW 방향에서 작용한 압축력 하에서 발달한 공액상 단층(conjugate fault)으로 해석된다(Fig. 8a). 특히 E-W 방향의 좌수향 단층은 NE-SW 방향의 단층에 의해 역이동 감각으로 절단되어 있다. 이 역이동성 단층의 자취를 따라 주단층쪽으로 가면서 그 변위량은 감소하며, 평면노두 상에서 NNE-SSW 방향의 우수향 소단층을 E-W 방향으로 우수향 변위시키고 있다(Fig. 8b). 이는 저각의 NE-SW 역단층이 WNW-ESE 내지 NW-SE 방향에서 작용한 σHmax 하에서 발달하였으며, NE-SW 방향의 압축력하에서 발달한 공액상 단층운동보다 후기 단층운동의 산물임을 지시한다.

 

주응력 방향 복원

암맥 관입 시 주응력 방향

암맥은 지하심부에서 지표를 향해 유동하는 마그마성 유체(magmatic fluid)가 단열면을 따라 관입하다 고화되어 형성된 면구조로(Speight et al., 1982; Delaney et al., 1986), 운동학적으로는 일반적으로 단열면에 수직한 방향으로 변위를 가지는 인장단열의 일종으로 간주한다(Price, 1966; Hancock, 1985). 암맥이 관입하기 위해서는 마그마성 유체 압력이 충분히 증가하여 지하 암체 내 새로운 인장단열을 형성시키거나 유체압력이 암체 내에 발달한 기존단열(preexisting fracture)면상에 작용하는 수직응력(normal stress)보다 높아야 한다(Hubbert and Willis, 1957; Delaney et al., 1986; Engelder, 1999). 따라서 암맥, 세맥 그리고 절리와 같은 인장단열들은 그 형성 시 작용한 최소주응력 방향을 추론하는데 이용된다(Olson and Pollard, 1989; Baer et al., 1994; Jolly and Sanderson, 1995; Sibson, 2003). 그러나 기존단열이 발달하고 있는 지역에서 마그마의 관입이 있을 경우에는 기존단열들의 발달방향, 관입 시의 응력조건 및 지하유체의 압력이 관입암의 형태와 발달방향을 제어하는 중요한 요소가 될 수 있음이 보고되고 있다(Delaney et al., 1986; Jolly and Sanderson, 1997; Yang et al., 2008; Martínez-Poza et al., 2014).

규장질 암맥 관입 시 주응력 방향

연구지역 내에서 규장질 암맥이 일부 관찰되지만 이들의 관입 시 응력조건은 자료가 빈약하여 직접적으로 주응력 방향을 추론하는 데는 무리가 있어 연구지역에 인접한 기존 연구자료(KOPEC, 2009)와의 비교·검토를 통해 추론하였다. (KOPEC, 2009)은 (1) 암맥들이 N-S 내지 NNE-SSW 방향 그리고 E-W 방향으로 발달하고, (2) 두 방향의 암맥들이 서로 직교하며, N-S 방향성을 갖는 암맥의 종지들이 Hooking-type의 기하를 가지며, (3) NNW-SSE로 주향하는 암맥들이 다소 불규칙하나 좌수감각으로 안행상 배열을 하며, 암맥 경계의 불규칙면들은 관입 시 ENE 내지 E-W 방향의 확장을 지시한다고 보고하였다. 이러한 발달특성은 인장단열 발달특성(Pollard and Aydin, 1988; Gross, 1993; Eyal et al., 2001) 및 기존 단열을 따라 암맥 관입 시 흔히 관찰되는 특성(Delaney et al., 1986; Yang et al., 2008; Martínez-Poza et al., 2014)들로 알려져 있다. 이들의 발달특성은 N-S 방향에서 작용하는 σHmax 하에서 발달할 수 있는 구조들로 해석 가능하다. 따라서 본 연구지역과 인접지역 내에서 관찰되는 규장질 암맥의 기하적 특징을 종합해보면, 이들은 거의 N-S 방향의 σHmax /E-W 방향의 σHmin 하에서 관입한 것으로 해석된다.

고철질 암맥 관입 시 주응력 방향

제한된 노두와 후기 단층운동에 의한 교란으로 인해, 암맥 관입 시 작용한 응력방향을 추론할 수 있는 방법 중의 하나인 관입 경계면 양측의 기하적인 형태를 대비시키는 방법을 사용할 수 없었다(Yang et al., 2008; Martínez-Poza et al., 2014). 따라서 우리는 이 암맥들의 관입 시 응력방향을 추론하기 위해 전체 암맥들의 폴(pole)에 대한 밀집도를 도시하였다(Fig. 9a). 또한 층리의 폴이나 고지자기 방향과 같은 선구조의 평균적인 자세를 구하는데 이용되는 피셔평균벡터를 이용하여 고철질 암맥들의 폴에 대한 평균벡터를 구하여 입체투영망에 도시화하였다(Mark, 1973; Kent, 1982; Onstott, 1980; Allmendinger et al., 2011). 고철질 암맥의 폴에 대한 밀도가 가장 높게 나타나는 구간은 거의 N-S 방향이며, 폴에 대한 피셔평균벡터는 22/165.2 (plunge/trend)로 나타났다.

Fig. 9.Density plots of (a) poles to dykes and (b) poles to hydrothermal veins. The Fisher mean vectors (plunge/trend) of dykes and veins are 22°/165.2° and 19.4°/178.7°, respectively.

통계적으로 평균값은 최빈값(mode)으로부터 편차가 큰 자료의 존재에 의해 영향을 받을 수 있으며, 특히 수집된 모집단(population)의 수가 작은 경우 계산된 평균값은 이러한 편차가 큰 자료의 방향으로 이동하는 효과가 나타날 수 있다. 고철질 암맥들의 주향이 거의 E-W방향에서 ± 15° 이내로 주향함에도 불구하고 트렌치 상단에서 NE-SW로 주향하는 암맥의 자세로 인해 평균값 벡터의 방향이 다소 SSE 방향으로 치우쳐 선주향(trend)하는 경향이 나타나는 것으로 해석된다. 따라서 통계적 관점에서 고철질 암맥의 관입 시 작용한 σHmin 방향은 N-S 내지 NNW-SSE 방향으로 해석된다.

열수 석영맥 발달 시 주응력 방향

석영맥 발달 시 작용한 최소주응력의 방향을 추론하기 위해, 세맥의 폴에 대한 밀집도와 피셔평균벡터를 입체투영망에 도시화하였다(Fig. 9b). 석영맥의 폴들은 N-S방향에서 높은 밀집도를 보이며, 피셔평균벡터는 19.4/178.7 방향으로 나타난다. 특히 폴에 대한 밀집도을 살펴보면, 최빈 밀집구간으로부터 경사 방향을 따라 약 ± 30° 정도의 범위까지 석영맥의 폴들이 분포한다. 최빈 밀집구간을 순수인장단열 구간으로 본다면, 이들 세맥은 운동학적으로 순수인장단열 뿐만 아니라 혼성 내지 소규모적인 전단단열의 발달과 함께 이루어졌을 가능성이 있다(Hancock, 1985; Engelder, 1999). 앞서 석영맥의 발달은 주단층의 우수향 단층운동에 수반된 동시기적인 변형작용의 산물로 해석되었다(Figs. 6a and b), 반면, 석영맥에 대한 주응력 방향 복원 결과는 정단층성 응력조건(E-W 방향의 σHmax )을 지시하는 것으로 해석된다(Fig. 9b). 이러한 응력조건의 불일치가 나타나는 원인을 규명하기 위해서는 주향이동단층대를 따라 발달하는 지질구조적 특성들에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.

소단층을 이용한 주응력 방향 복원

연구지역에서 수집한 소단층 간의 상호절단관계와 방향성, 단층조선의 자세들을 바탕으로 주단층과 이에 수반된 소단층들의 재활 시 작용한 고응력 방향을 구하였다(Fig. 10). 불균질한(heterogeneous) 소단층 자료들로부터 고응력 방향 및 그 선후관계를 밝히기 위해서는 먼저 균질한(homogeneous) 소단층 군집으로의 세분이 필수적이며, 이를 위한 다양한 방법들이 제안된 바 있다(Yamaji, 2000 and references therein). 여기서 균질한 소단층 군집이란 하나의 유사한 응력조건 하에서 운동학적, 기하적으로 연관성을 가지며 발달할 수 있는 모든 소단층의 집합을 의미한다. 또한 소단층을 이용한 고응력 복원방법들은 기본적으로 단층면 상의 변위(slip)가 면상에 작용하는 전단응력에 평행하게 즉, M-plane (movement plane)을 따라 발달한다고 가정한다(Wallace, 1951; Bott, 1959; Marshak and Mitra, 1988).

Fig. 10.(a) Lower hemisphere stereographic projection of fault slip data. (b) PT-dihedral axis plot of fault slip data. (c) PT-axis plot of fault plane solution on NNE-SSW maximum horizontal principal stress subset. The inferred principal stress orientation of conjugate faults and joints (from fig. 8a) are plotted. Yellow-colored circle, triangle and rectangle indicates maximum, intermediate and minimum principal stress orientation, respectively. They are calculated using geometric relationships of conjugate fault system and secondary extensional fractures. (d) PT-axis plot of fault plane solution on NW-SE maximum horizontal principal stress subset. Red dot: P-axis, blue dots: T-axis.

본 연구지역 내에서 수집한 소단층 자료를 하위조로 세분하기 위해 PT-이면각법을 이용하여 도시하였다(Fig. 10b; Angelier and Mechler, 1977; Marrett and Allmendinger, 1990; Allmendinger et al., 2011). 이 방법은 각각의 소단층에 대한 최대주응력 축(P-axis)과 최소주응력 축(T-axis)을 쉽게 구할 수 있어, 균질한 소단층들의 군집화에 용이하다. 연구지역에서 수집한 자료의 군집화를 위해 노두에서 확인되는 상호절단관계와 PT축을 비교하여 2개의 하위 단층 조로 분류하였다(Fig. 10c and d). 분류된 하위 조들은 σHmax 방향을 기준으로 NE-SW 방향 압축 조(Fig. 10c)와 NW-SE 방향 압축 조(Fig. 10d)로 나뉘어진다.

NE-SW 방향 압축 조에 대해 구해진 최대주응력축 방향(선경사/선주향)은 06.5/013.2이고, 최소주응력축 방향은 18.6/281로 NNE-SSW 압축/WNW-ESE 인장을 나타낸다(Fig. 10c). 소단층을 이용한 고응력 복원 결과 및 단층과 이에 수반된 이차단열의 운동학적 관련성(Petit, 1987; Angelier, 1994; Doblas, 1998)을 고려했을 때, 연구지역 내의 주단층은 석영맥의 발달을 수반한 우수향 단층운동 이후 NE-SW 방향의 압축력에 의해 좌수향 단층으로 재활하였을 가능성을 시사한다. NW-SE 방향 압축 조에 대해 구해진 최대주 응력축 방향은 02.7/321.1, 최소주응력축 방향은 75.6/040.9로 NW-SE 방향 압축/수직방향 인장을 나타낸다(Fig. 10d). 이는 NE-SW 방향의 소단층들이 NW-SE 방향으로 작용하는 σHmax 하에서 역이동성 단층들로 발달한 것으로 해석된다. NE-SW 방향성을 갖는 역이동성 단층들은 본 연구지역 내에 발달하는 최후기 취성변형작용의 산물로 해석된다. 따라서 주단층의 최종 단층운동 시 작용한 응력조건과의 관련성에 대한 비교·검토가 필요할 것으로 생각된다.

주단층 운동 시 주응력 방향 복원

주단층의 최종 운동 시 작용한 주응력 방향을 복원하기 위해, 주단층대 내에 발달한 점토엽리의 배향으로부터 주단층면 상의 단층조선 배향을 M-plane 방법(Marshak and Mitra, 1988)을 이용하여 복원하였다(Fig. 11a). 주단층면 상에서 관찰된 단층조선들의 자세와 함께 PT-이면각법을 이용하여 σHmax /σHmin 방향들을 복원하였다(Fig. 11b). 점토엽리를 이용하여 복원한 주단층의 우수향 단층운동 시 작용한 σHmax /σHmin 축 방향은 05.4/113.3 압축과 15.2/021.8 인장을 나타낸다. 이는 앞서 소단층 자료를 토대로 NW-SE 압축시기에 대해 복원한 σHmax 의 방향과 유사함을 보인다. 따라서 저각의 소규모 역단층은 주단층의 역이동성 우수향 단층운동에 수반된 것으로 해석되며, 이들이 발달 시 작용한 σHmax 의 방향은 WNW-ESE 내지 NW-SE 방향으로 판단된다.

Fig. 11.(a) Inferred orientation of fault striation at the time of dextral movement along the N65E striking main fault from orientation of P-foliation. (b) Inferred principal stress directions at the time of dextral movement along the N65E striking main fault.

 

토 의

단열발달사 종합 및 인근 지역과의 비교

트렌치 사면에 발달하는 단열 및 단층들의 기하학적 및 운동학적 특성분석을 통해 이들의 발달 시 작용한 고응력 방향의 복원과 이들의 선후관계를 수립하였으며, 이를 블록 다이어그램으로 모식화하였다(Fig. 12). 기반암인 각섬석화강암(약 65 Ma)의 관입 이후 고응력 방향의 변화는 (1) NNE 내지 N-S 방향의 σHmax /E-W 방향의 σHmin (규장질 암맥 관입), (2) E-W 내지 ENE-WSW 방향의 σHmax /N-S 내지 NNW-SSE 방향의 σHmin (고철질 암맥 관입, 약 44Ma), (3) E-W 내지 WNW-ESE 방향의 σHmax /N-S 내지 NNE-SSW 방향의 σHmin (주단층의 우수향 운동과 세맥들의 발달), (5) NNE-SSW 내지 NE-SW 방향의 σHmax /WNW-ESE 내지 NW-SE 방향에서 작용하는 σHmin (주단층의 정이동성 좌수향 재활), 최종적으로 (6) NW-SE 방향의 σHmax /NE-SW 방향의 σHmin (주단층의 역이동성 우수향 재활)로 해석되었다.

Fig. 12.Block-diagram for the deformation history of the trench site. (a) NNE-SSW, E-W, ENE-WSW, and NE-SW trending fractures had already developed in the pluton before dyke intrusion. (b) Felsic dykes intruded under conditions of σHmax oriented N-S and σHmin oriented E-W. (c) Mafic dykes intruded under conditions of σHmax oriented E-W and σHmin oriented N-S. (d) Dextral reactivation of the main fault associated with the development of hydrothermal quartz veins under conditions of σHmax oriented E-W and σHmin oriented N-S. (e) Sinistral reactivation of the main fault and high-angle normal faults under conditions of σHmax oriented NE-SW and σHmin oriented NW-SE. (f) Dextral reactivation of the main fault and NE-SW low-angle reverse faults under conditions of σHmax oriented NW-SE and σHmin oriented NE-SW.

이번 연구를 통해 수립된 고응력 방향의 변화를 연구지역이 위치한 한반도 남동부 지역에서 수행된 기존연구들(Choi, 1998; Choi et al., 1999a; Choi et al., 1999b; Kim and Park, 2006; Jin and Kim, 2007; Choi et al., 2015)과 비교·검토하였다. Choi (1998)는 소단층을 이용한 고응력 복원을 통해 한반도 남동부 지역에서 백악기 초 이후 작용한 7개의 지구조사건을 설정한 바 있다. 최대 압축력 방향만을 고려했을 때, E-W 방향의 압축력(T_1, Barremian), N-S 방향의 압축력(T_2, Aptian-Cenomanian), NNW 내지 NW-SE 방향의 압축력(T_3, Campanian-Eocene), NE-SW 방향의 압축력(T_4, Oligocene-middle Miocene), WNW-ESE 방향의 압축력(T_5, upper middle Miocene-late Miocene), E-W 방향의 압축력(T_6, Pliocene), ENE-WSW 방향의 압축력(T_7, Quaternary) 순이다.

이와 본 연구지역에서 단열분석을 통해 수립된 고응력장 방향의 변화순서를 비교해 보면, 규장질 암맥(약 65 Ma 이후, T_3에 해당)과 고철질 암맥(약 44Ma, T_4에 해당) 관입 시 추정된 고응력 방향에 대해 시계방향으로 약 20°~40° 정도 회전된 방향을 지시한다. Choi et al. (1999b)는 또한 양산단층과 울산단층으로 경계된 포항-울산 지괴 내에 발달한 소단층들을 이용한 고응력장 복원을 통해, 5개의 신생대 지구조사건들을 복원한 바 있다. 이를 통해 수립된 지구조사건들은 시간적으로 경상분지 내부 지역에서 수립된 T_3~T_7에 해당하며(Choi et al., 1988), 포항-울산 지괴 내에서 수행된 다른 단열발달사 연구들(Kim and Park, 2006; Jin and Kim, 2007; Choi et al., 2015)과도 일치한다. 그러나 Choi et al. (1999a)는 양산단층을 경계로 그 서편(경상분지 내부)과 동편(울산-포항 지괴)에서 신생대 고응력장 방향의 불일치가 나타나며, 이는 마이오세 중~후기 무렵 한반도 남동부에 작용한 NW- 내지 WNW-ESE 방향의 압축력에 의해 포항-울산 지괴가 20°-60° 시계방향 회전함(T_5 시기; Choi et al., 1988)에 기인한 것이라 보았다.

우리는 본 연구를 통해 수립된 고응력 방향의 변화순서와 포항-울산 지괴 내의 신생대 지구조 사건들(Choi et al., 1999b)을 비교·검토하였다. 규장질 암맥을 기반암의 후기 화성활동 산물(Price, 1966; Bergbauer and Martel, 1999)로 본다면, 규장질 암질은 T_3와 고철질 암맥은 T_4와 잘 부합한다. 주단층의 우수향 단층운동에 수반된 세맥발달 시기는 T_5 내지 T_6에 해당한다.

이러한 지구조운동사 대비가 합당하다면, 두 가지 흥미로운 가능성들이 대두된다. 첫째, 본 연구지역에서 수립된 고응력 방향의 변화순서는 포항-울산지역의 지구조사건들과 잘 일치하는데, 이는 양산단층 동편에서의 지괴회전이 울산 단층 북쪽의 포항-울산 지역에만 국한 된 것이 아닐 수 있다는 것을 시시한다. 그러나 불행하게도 이를 비교하기 위해 필요한 울산단층 남쪽 일대의 구조변형사에 대한 연구는 전무한 실정이다. 따라서 한반도 동남부 지역의 지질구조적 진화와 이에 수반된 단층활동의 특성규명을 위해서는 이 지역에 대한 추가적인 구조지질학적 연구가 필요할 것으로 판단된다. 둘째, 연구지역 내에 발달한 주단층의 좌수향 및 역이동성 우수향 단층운동 시 작용한 고응력 방향들은 포항-울산지역에서 수립된 제 4기 지구조 응력 방향(T_7)에 해당하며, 이는 이들 단층이 제4기 지구조 활동의 산물일 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 제4기 단층운동과 관계된 지구조 응력조건 및 이들의 운동특성에 대한 검토가 필요할 것으로 보인다.

암맥에 규제된 단열의 집중 및 단층발달

연구지역에서 단층 및 단열발달의 주요한 특징은 고철질 암맥의 자취를 따라 발달한 주단층의 반복적인 재활과 고철질 암맥 주위에 집중된 열수주입 물질의 발달로 특징지을수 있다(Figs. 3 and 6). 일반적으로 화강암질 암석 내에 발달한 기존단열들은 후기의 단층재활 및 전파와 성장에 중요한 요소로 알려져 있다(Segall and Pollard, 1983; Martel et al., 1988; Pachell and Evans, 2002). 특히 화강암질 암석과 같이 등방성의 암석을 관입한 암맥들은 불연속면으로 작용하여 그 내부에 단열작용을 집중시킴으로써(d'Alessio and Martel, 2005), 단층(Ernst et al., 2001; d'Alessio and Martel, 2005) 및 전단대(Segall and Simpson, 1986) 발달에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 따라서 연구지역 내에서 고철질 암맥들은 주단층의 반복적인 재활과 이에 수반된 파쇄작용의 집중을 제어한 주요한 요인으로 해석된다.

한편, 연구지역 내 석영맥의 발달은 주단층의 우수향 단층운동과 동시기적인 것으로 해석된다(Figs. 6a and b). 이들의 발달 시 작용한 응력 조건에 대한 분석결과는 이들의 발달이 국지적인 정단층성 응력 조건 하에서 발달한 것으로 해석된다(Fig. 9b). 흔히 주향이동단층의 기하적인 불규칙성은 주단층의 운동감각과 단층의 굴곡방향에 따라 인장성(releasing) 내지 압축성(restraining)의 특징적인 변형구조들을 발달시키며(Woodcock and Fischer, 1986; Sylvester, 1988; Kim et al., 2004), 이와 관련된 변형작용들은 횡인장성(trantensional) 내지 횡압축성(transpressional) 응력변형에 대비되는 것으로 알려져 있다(Dewey et al., 1998). 따라서 연구지역 내 석영맥의 발달은 주단층의 우수향 단층운동 시 고철질 암맥의 전체적인 기하가 우수감각 굴곡(right bend)의 형태를 가짐으로써, 횡인장성 응력변형에 의해 제어된 것으로 해석된다(Fig. 3).

한반도 동남부 일원의 제4기 단층활동과 지구조응력 조건

연구지역 내에서 ENE-WSW 방향으로 발달하는 주단층의 최종운동은 역이동성 우수향 단층운동으로 WNW 내지 NW-SE 방향의 압축력에 의한 것으로 해석된다. 단층대의 잠재 재활 가능성 평가에 있어 단층계(fault system)의 기하적 발달특성과 지구조응력 조건은 중요한 요소로 알려져 있다(Zoback and Healy, 1984; Sibson, 1992; Beekman et al., 2000). 한반도를 포함한 극동아시아 연변부에서, 압축력 축 방향의 궤적은 남서 일본으로부터 한반도 남부지역으로 가면서 NW-SE에서 ENE-WSW로 반시계 방향으로 회전하는 경향을 보인다(Heidbach et al., 2010; Jeon and Jun 2010). Nakamura and Uyeda (1980)는 활성단층, 지진기구해 그리고 제 4기 암맥의 관입방향에 대한 기존연구들을 토대로 남서 일본 지역에 적어도 2 Ma부터 현재에 이르기까지 NW-SE 방향의 압축력이 작용한다고 주장하였다. 이는 현재의 필리핀해판(Philiphine Sea Plate)의 수렴방향과 일치한다(Seno et al., 1993). Itoh et al. (2002)는 계기지진 자료 분석을 통해 남서 일본의 북부지역이 E-W 방향의 압축력 하에 있으며, 이는 필리핀해판의 사교섭입(oblique subduction)에 의한 것이라 보았다. 반면 Seno (1999)는 이 지역에의 E-W 방향 압축의 원인을 동중국해 아래에서의 맨틀용승에 의한 것으로 보았다. 이러한 남서 일본의 북부지역에서 나타나는 응력조건의 전이(transition)는 섭입대로부터 호후방으로 가면서 최대압축응력 축의 공간적인 변화로도 설명될 수 있다(Nakamura and Uyeda, 1980). 한편 한반도 남부일원에서 보고된 소수의 중소규모의 계기지진은 NW-SE 방향의 압축력에 수반된 단층활동을 보고하였다(Jeon and Jun 2010). 소수의 자료이긴 하나, 이는 한반도 남부 지역이 필리핀해판의 섭입에 의한 영향을 받고 있다는 것을 의미한다.

Choi et al. (2002)와 Choi et al. (2007)는 한반도 남동부 지역에서 확인된 제4기 활성단층에 대한 이전연구들을 종합하여 이들 단층운동과 관계된 3개의 지구조응력 방향을 구하였다. (1) 히말라야 조산운동과 관계된 ENE-WSW 방향의 압축력, (2) 필리핀해판의 섭입과 관계된 WNW 내지 NW-SE 방향의 압축력, (3) 앞서 두 지구조운동의 합력에 의한 N-S 방향의 압축력이다. Choi et al. (2007)은 제 4기 단층들의 연대측정 기존연구결과들을 바탕으로 이러한 지배적인 3개의 지구조응력 방향들이 반복적으로 나타나며, 이를 지구조 ‘공격 및 후퇴’로 설명한 바 있다(Choi et al., 2007). 이와 유사한 개념은 동시기적인 직교절리의 발달을 설명하는데 제안된 바 있다(Caputo, 1995; Eyal et al., 2001).

최근 한반도 동남부지역에서 연이어 발생한 두 차례의 계기지진 자료는 흥미로운 지구조응력 방향들을 보여준다. 2014년 9월 23일 경주시 일원(35.8138°N, 129.3934°E)에서 ML 3.6 규모(심도 10.9 km)로 발생한 지진에 대한 분석결과는 ENE-WSW 방향의 압축력에 의한 역단층성 지진활동을 지시한다. 반면 9월 25일 본 연구지역과 인접한 부산광 역시 기장군 동남동쪽 65 km 해역(35.0710°N, 129.8970°E) 에서 ML 4.0 규모(심도 17.4 km)로 발생한 지진은 NW-SE 방향의 압축력에 의한 지진활동을 보고하였다. 이 사건으로부터 추정된 단층활동면(nodal plane)과 단층조선의 선주각은 각각 N23W/67NE, -176로 좌수향 단층운동을 지시한다. 특히, 추정 공액상 단층의 자세와 운동감각은 본 연구지역 내에 발달하는 주단층의 특성과 매우 유사하다. 이는 극소수의 계기지진 자료이긴 하나, 한반도 동남부 지역의 제 4기 단층활동과 관계된 지구조응력과 일치한다(Choi et al., 2002; Choi et al., 2007). 따라서 한반도 남동부 지역에 발달하는 단층대의 재활 가능성 평가에 있어 ENE-WSW 방향의 압력축을 공통된 현생 응력조건으로 고려하는 것은 상당히 위험할 수 있다는 것을 시사한다.

연구지역을 포함한 한반도 동남부 지역에서는 다수의 제 4기 단층이 보고되었으며, 저준위 방사성폐기물처리장을 비롯한 원자력발전시설이 분포하고 있어서 원전부지의 안정성 평가를 위해 부지 인근에 발달하는 단층대의 지질구조적 발달특성 및 현생 지구조응력 방향에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

 

결 론

본 연구는 울산광역시 신암리 소재 건설현장 내에서 발견된 E-W 방향의 연약대에 대한 구조지질학적 특성을 이해하기 위하여 실시되었다. 이를 위해 N-S 방향으로 개설된 트렌치 사면과 추가적으로 굴착한 평면노두에 발달하는 암맥, 석영맥, 단층 및 단열의 상호 절단관계와 발달특성을 분석하였다. 이를 통해 조사지역 내 구조변형사를 수립하였으며, 노출된 지역의 자료로 충분한 해석이 불가능한 경우에는 인접한 지역에서 수행된 선행 연구결과들과 비교·검토하였다.

연구지역에 발달하는 단열들 간의 상호절단관계 및 인접한 지역에서 수행된 선행연구들을 토대로 이 연구를 통해 인지될 수 있는 구조변형사를 수립하였으며, 이와 관계된 주응력 방향을 최대수평주응력(σHmax )과 최소수평주응력(σHmin)으로 나타내었다. 단열 및 암맥에 대한 분석결과 (1) 기반암인 각섬석화강암 관입 이후 적어도 NNE-SSW, ENE-WSW, E-W, WNW-ESE 방향의 단열들이 존재하였을 것으로 추정된다. 이후 (2) NNE 내지 N-S 방향의 σHmax /E-W 방향의 σHmin 하에서 NNE-SSW 및 E-W 방향의 규장질 암맥 관입 → (3) E-W 내지 ENE-WSW 방향의 σHmax /NS 내지 NNW-SSE 방향의 σHmin 하에서 E-W 내지 ENE-WSW 방향의 고철질 암맥 관입 → (4) WNW-ESE 방향의 σHmax /N-S 내지 NNE-SSW 방향의 σHmin 하에서 ENEWSW 방향의 주단층 우수향 운동 및 이에 수반된 열수주 입과 관련된 석영맥의 발달, WNW-ESE 주향의 소규모 단층의 좌수향 운동 → (5) NNE-SSW 내지 NE-SW 방향의 σHmax /WNW-ESE 내지 NW-SE 방향에서 작용하는 σHmin 하에서 주단층의 정이동성 좌수향 재활, E-W 주향의 열수 관련 석영맥의 좌수향 재활, NNE-SSW 방향 단층의 우수향 운동 → (6) NW-SE 방향의 σHmax /NE-SW 방향의 σHmin 하에서 ENE-WSW 방향의 주단층이 역이동성 우수향 재활, NE-SW 방향의 저각 역단층 운동, NNE-SSW 방향 단층의 좌수향 재활의 순서로 구조운동을 겪은 것으로 해석되었다.

본 연구결과를 종합해 볼 때 연구지역에서 ENE-WSW 방향으로 발달하는 주단층의 최종운동은 NW-SE 방향의 최대수평주응력 하에서 활동한 역이동성 우수향 단층운동이었음을 지시한다. 이러한 연구결과는 본 연구지역과 인접한 주요 원전부지의 안정성 평가 및 차후의 지진재해 대책을 수립하는데 있어 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 사료된다.