Constructing Geological Cross-sections at Depth and Interpreting Faults Based on Limited Shallow Depth Data Analysis and Core Logging: Southern Section of the Yangsan Fault System, SE Korea

제한된 천부자료와 시추코어분석을 통한 심부지질단면도 작성과 단층 인지법: 한반도 남동부 양산단층대 주변에서의 적용

Abstract

Deep geological cross-sectional data is generally not common nor easy to construct, because it is expensive and requires a great deal of time. As a result, geological interpretations at depth are limited. Many scientists attempt to construct geological cross-sections at depth using geological surface data and geophysical data. In this paper, we suggest a method for constructing cross-sections from limited geological surface data in a target area. The reason for this study is to construct and interpret geological cros-sections at depth to evaluate heat flow anomaly along the Yangsan fault. The Yangsan Fault passes through the south-eastern part of the Korean Peninsula. The cross-section is constructed from Sangbukmyeon to Unchonmyeon passing perpendicularly through the Yangsan Fault System trending NW-SE direction. The geological cross-section is constructed using the following data: (1) Lithologic distributions and main structural elements. (2) Extensity of sedimentary rock and igneous rock, from field mapping. (3) Fault dimension calculated based on geometry of exposed surface rupture, and (4) Seismic and core logging data. The Yangsan Fault System is composed of the Jain fault, Milyang fault, Moryang fault, Yangsan fault, Dongnae fault, and Ingwang fault which strike NNE-SSW. According to field observation, the western section of the Yangsan fault bounded by igneous rocks and in the eastern section sedimentary rocks are dominant. Using surface fault length we infer that the Yangsan Fault System has developed to a depth of kilometers beneath the surface. According to seismic data, sedimentary rocks that are adjacent to the Yangsan fault are thin and getting thicker towards the east of the section. In this study we also suggest a new method to recognize faults using core loggings. This analysis could be used to estimate fault locations at different scales.

심부지질조사에는 많은 경비와 시간이 필요해 심부지질을 해석하는데 많은 어려움이 있다. 그러나 지열모델링과 같이 많은 경비를 투자할 수는 없지만 심부의 지질정보가 필요한 경우 제한적이지만 천부의 지질정보를 이용하여 심부의 지질을 해석하고 추정할 수 있다. 이번 연구에서는 이러한 제한된 심부자료를 가진 지역에서 천부지질자료를 활용하여 어떻게 심부의 지질에 대한 정보를 추정할 수 있는지를 보여주고자 하였다. 이번 연구의 목적은 한반도 남동부를 관통하는 양산단층이 이 지역의 지열분포에 어떠한 영향을 주고 있는지를 연구하기 위하여 심부지질단면도를 획득하기 위한 것이다. 따라서 양산단층과 주변 단층들의 특징을 가장 잘 반영할 것으로 판단되는 울주군 상북면과 웅촌면 지역에서 양산단층을 가로지르는 NW-SE 방향으로 단면을 설정하였다. 이 심부 지질단면을 작성하기 위하여 먼저 기존 지질도를 검토하여 발달하는 암상의 분포와 주요 지질구조를 확인하였으며, 야외조사자료를 기반으로 도학적인 분석을 실시하여 지층의 심부연장성을 추정하였고, 지표에서 노출된 단층 등의 발달규모 및 자세를 통해 심부로의 연장가능성을 추정하였다. 또한 비록 천부자료이긴 하지만 기존 물리검층자료와 시추자료를 종합하여 한반도 남동부 양산단층대의 심부단면도를 작성하였다. 양산단층 주변의 암상에 대한 야외지질조사 결과 양산단층의 서쪽지괴에는 화강암이 주를 이루며, 양산단층의 동쪽지괴는 퇴적암류와 이를 관입한 화성암류가 주로 발달하고 있다. 지표상 드러난 양산단층의 연장성을 통해 규모를 추정해 볼 때 지하로 수 km 이상 발달할 것으로 추정되며, 물리검층자료를 분석한 결과 양산단층과 인접한 퇴적암류는 그 깊이가 얇고, 동쪽으로 갈수록 두꺼워지는 양상을 보인다. 이러한 자료를 종합 해석하여 모식적인 지질단면을 제작하였다. 비록 지질학적 개념에 기초하여 가능한 정보를 수집하였지만 이러한 천부자료에 기초한 심부단면도의 작성은 신뢰성이 매우 제한적이라는 것을 고려하는 것이 필요하다. 또한 이번 연구에서는 시추코어의 단열분석을 통해 단층의 존재를 인식할 수 있는 새로운 방법을 제시하였다. 이는 앞으로 시추자료 분석을 통해 단층의 존재와 규모를 판단하는데 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

서 론

우리나라 내륙지역의 심부지질특성은 주로 관입 및 단층 작용과 밀접한 관련이 있으며, 이들은 주로 자원 개발, 지열에너지 개발, 지진특성 이해 및 최근에 관심사로 떠오른 이산화탄소지중저장 부지선정 등 다양한 실용지질분야에서 매우 중요한 요소이다. 그러나 심부지질자료는 접근 및 비용 등의 요인으로 인해 양질의 자료를 획득하기 쉽지 않으며, 심부지질의 특성을 해석하는 것은 비교적 자료획득이 용이한 천부지질에 비해 매우 제한적이다. 따라서 대부분의 심부지질특성은 해당 지역에 대한 기존의 기본 지질자료와 상대적으로 적은 비용으로 획득할 수 있는 천부의 지질조사결과를 바탕으로 해석하거나 구축된 심부지질모델에 기초해 연구되고 있다.

일반적으로 심부지질정보는 중력탐사, 탄성파탐사, 자력탐사, 전기비저항 탐사 등의 물리탐사를 통해 간접적으로, 또는 시추코어분석과 같은 직접적인 관찰을 통해 획득할 수 있다. 물리탐사의 경우, 시추조사에 비해 비용이 저렴한 장점이 있는 반면 자료의 해상도에 따라 해석의 신뢰도가 매우 낮아질 수 있는 단점이 있다. 특히 광역적인 지역에 대한 물리탐사의 경우 비교적 많은 비용이 요구되기 때문에, 주로 유용자원 개발 등의 특정한 목적이나 대규모 지진단층과 같이 지질학적으로 중요한 지역을 제외하면, 그 자료를 얻기가 쉽지 않다. 우리나라의 경우, 대게 시추코어를 획득하는데 막대한 비용이 소요되기 때문에 지구물리탐사를 통해 분석된 연구결과에 기초해 일부 지점에서의 시추조사가 실시되고 있다.

암석에서의 유체유동은 공극률이나 투수율과 같은 암석의 1차적인 특성 뿐 만아니라 단층 및 단열과 같은 2차적인 지질구조에 의해 제어되는 것으로 알려져 있다(e.g. Bolton and Maltman, 1998; Konstantinovskaya et al., 2014). Kim and Lee (2007)는 양산단층 주변부를 따라 상대적으로 높은 지열유량이 나타남을 제안하였는데(Fig. 1a), 이번 연구에서는 양산단층계가 광역 지열분포에 어떠한 영향을 주고 있는지를 밝히기 위한 지열모델링작업의 일환으로 심부지질단면도를 구축하고자 하였다. 중점 연구지역은 양산 단층계의 주단층대에 속하며 비교적 지구물리탐사 및 시추코어분석 등의 천부지질자료 획득이 용이한 울주군 상북면과 웅촌면 일대를 선정하였다. 심부지질단면도를 작성하고자, 1) 기존의 지질도를 검토하고, 2) 동래단층과 모량단층 사이의 구간에서 획득한 시추자료 및 물리탐사자료(e.g. Kim and Lee, 1988; Shon et al., 2000)를 바탕으로 심부지질을 추정하였고, 3) 일부 지역에 대해서는 직접적인 야외조사를 통해 지질구조자료를 획득하였으며, 4) 지질도학적인 방법을 활용하여 이들의 심부 연장성을 추정하였다. 이들 자료를 종합하여 심부지질단면도를 작성하였으며, 따라서 조사결과의 신뢰도는 기존자료의 정확도, 수집한 자료의 양, 해석의 적절성 등에 의해 평가될 수 있다.

Fig. 1.(a) Distribution of heat flow on Korean peninsula (modified from Kim and Lee (2007). (b) Satellite image of the study area. XX’ (yellow line) is the main section line in the study area.

또한 이번 연구에서는 시추코어의 단열분석을 통해 단층의 존재를 인식할 수 있는 새로운 방법을 제시하였다. 단층을 가로지른 단층대의 구성은 크게 단층핵(fault core)과 단층손상대(fault damage zone)로 구분된다(e.g., Chester and Logan, 1986; Caine et al., 1996; Cowie and Shipton, 1998; Shipton et al., 2006; Fig. 2). 단층핵은 단층비지를 비롯한 단층파쇄암과 각력암 등으로 구성되어 있으며, 대부분의 파쇄작용 및 단층변위가 흡수되는 단층의 중심부분이다. 단층손상대는 소규모 단층을 비롯한 단열, 세맥, 습곡 등과 같은 2차적인 지질구조들이 발달하는 단층핵을 둘러싸는 주변부분이다(e.g., Peacock et al., 2000; Shipton et al., 2002; Kim et al., 2003, 2004). 이들 2차적인 지질구조는 주 단층의 단층운동에 의한 산물로서 주 단층의 운동특성 및 이력을 추론할 수 있는 다양한 정보를 포함한다. 단층손상대의 가장 큰 특징 중 하나는 단층의 중심부로 갈수록 단열밀도가 증가하는 것으로, 이는 단층 주변의 유체이동 특성을 결정하는 주요 요인 중 하나로 알려져 있다(e.g., ;Faulkner et al., 2003; Kim and Sanderson, 2010).

Fig. 2.Schematic fault zone model commonly used for strike-slip fault zones (modified from Choi et al., 2009). The block-diagram model shows fault-zone architectural components and main structural features in each component. Features of cross-fault damage zone on the drilled core sample could be used to estimate fault locations at depth.

시추코어 분석을 통한 단층대 연구에서는 단층핵에 해당하는 시료의 시추코어회수율이 매우 낮기 때문에 단층의 존재 유무 및 규모를 파악하기 힘들다. 이 경우, 비교적 회수율이 높은 기반암에서의 단열밀도분포를 통해 단층대의 발달여부를 확인할 수 있는데, 이는 단층손상대 내 단열의 밀도가 단층핵에 가까워질수록 증가하기 때문이다(Fossen et al., 2007). 이번 연구에서는 시추코어에서 확인된 누적단열밀도를 바탕으로 단층의 존재뿐만 아니라 단층대의 규모를 추정하고자 하였다. 이는 향후 시추자료 분석을 통해 단층의 존재와 규모를 판단하는데 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

 

연구지역의 지질특성

연구 대상지역은 행정구역상 울산광역시 울주군 상북면 이천리에서 울산광역시 울주군 웅촌면 통천리까지의 약 23 km 구간이며, 이는 모량단층부터 양산단층을 지나 동래단층까지 단층대의 주향에 수직방향으로 가로지른 단면이다(Figs. 1b, c). 이 지역에는 중생대 백악기의 퇴적암 및 화산암류와 이를 관입한 화성암이 분포하고 있다(Lee and Kang, 1964; Lee and Lee, 1972). 모량단층과 양산단층 사이에는 주로 백악기 화강암류 및 화산암이 분포하며, 부분적으로 암맥의 관입과 응회질 퇴적층이 관찰된다. 양산단층과 동래단층 사이에는 중생대의 담자색 및 회색 사암, 자색과 회색의 셰일 및 자색의 셰일이 주를 이루고, 부분적으로 화산암이 분포하고 있다.

지형적으로는 양산단층의 서측지괴는 높은 산악지형을 이루고 있으며, 동측지괴는 비교적 낮은 구릉지형이 형성되어 있다. 이러한 차이는 양산단층을 중심으로 한 양측 지괴의 지질 및 지질구조적 차이를 반영하는 것으로 해석된다(Choi et al., 2009). 양산단층계는 밀양, 모량, 양산, 동래, 일광 단층으로 구성되어 있다(Lee and Lee, 1972; Hong and Choi, 1988; Kim and Jin, 1971). 이들은 북북동-남남서 방향으로 서로 아평행하게 발달하며, 우수향 주향이동성 운동감각을 우세하게 보여준다(Chae and Chang, 1994). 양산단층계 중에서 가장 큰 규모로 발달하고 있는 양산단층은 누적수평변위가 25-35 km 정도로 추정되며, 그 연장은 약 200 km에 이르는 것으로 보고되었다(Choi et al., 1980; Chang et al., 1990; Chang and Chang, 2009; Kyung, 2010). 양산단층은 N10°E 내외의 주향을 갖고 동쪽으로 75-90° 정도로 경사한다. 양산단층은 우수향의 주향이동 운동성분이 우세한 것으로 알려져 있으나 역단층 및 정단층 성분이 부분적으로 관찰되고 있어 여러 번 재활된 단층임을 지시하고 있다(Chae and Chang, 1994). 또한 양산단층대 내에는 다수의 제4기 단층노두가 보고된 바 있다(Okada et al., 1994; Kyung et al., 1999a; Ryoo et al., 2002). 모량단층과 동래단층에 대한 연구는 상대적으로 미약한 실정이나, 단층의 자세와 운동감각은 양산단층과 거의 유사하며, 모량단층은 약 48 km 정도의 연장을 갖는 것으로 알려져 있다(Kim et al., 1971).

Choi et al. (2009)는 양산단층대를 가로질러 관찰되는 다양한 지질구조의 분석을 통해 단층운동사를 제시하였는데, 이들은 연구지역이 양산단층의 굴곡부로, 양산단층의 우수향 주향이동 운동에 수반된 열림-당겨 분지가 발달한 이후 지구조적 응력체계의 변화로 인해 역단층 운동을 겪었음을 제안하였다. 이러한 제안은 현재까지 연구된 양산단층 주변의 지체구조 변화에 대한, 즉 마이오세초 동해확장운동과 관련된 주향이동 운동과 마이오세 후기에 시작된 일본 남서부의 충돌과 관련된 주향이동 운동의 재활성에 수반된 역단층의 발달, 그리고 플라이오세 이후 최대압축력이 동서 내지 동북동-서남서로 변화하여 현재까지 계속되고 있다는 기존 연구결과와 일치한다(e.g. Son et al., 2007; Chough and Sohn, 2010).

 

연구방법

이번 연구에서는 자료의 신뢰도를 높이기 위하여 단층을 가로질러 시추된 4개의 시추공을 포함하는 방향으로 단면을 작성하였다. 단면도 작성 대상 지역의 지질은 1:50,000 언양도폭(1972)과 양산도폭(1964)을 참고하였고, 단면도 기준선 X-X’에서 나타나는 암상의 경계부는 야외지질조사를 통해 확인하였다. 두 개의 지질도폭은 서로 다른 조사자에 의해 작성되었으며, 따라서 암상기재에 다소 차이가 존재하는데 이러한 부분은 야외조사에서 직접 얻은 데이터를 우선적으로 고려하여 작성하였다.

단면도상의 위경사(apparent dip)는 지질구조들의 자세와 단면 사이각에 기초한 위경사 보정법인 Alignment diagram을 통해 결정하였다. 단면도 기준선 X-X’의 수평거리는 약 23 km이며, 목표하는 심도는 약 3 km로 설정하였으나, 수평거리에 대한 수직 심도가 너무 낮아 층리의 자세나 암상의 구분을 보기 어려워 1:2의 비율로 수직심도를 과장하여 작도하였다.

시추코어 분석을 통한 단층대의 인지를 위해 서로 다른 대규모 단층(모량, 양산, 동래단층)의 단층손상대 혹은 그 주변에서 획득된 총 4개의 수직 시추코어들을 대상으로 각 단층들의 일반적인 특성과 시추코어에서 인지되는 단층들의 특징에 대해 조사하였다. 이를 위해 이번 연구에서 새롭게 고안한 시추코어 분석용 챠트(Fig. 3)를 이용하였고, 시추코어 내 단층대에 대하여 단층의 태위(주로 경사)와 운동감각을 정밀 기재하고 분석하여 단층의 특성과 규모를 추정하였다. 이 챠트는 국내에 시추코어의 지질구조적 분석이 취약한 점을 고려하여 부경대 지질구조재해연구실에서 단층 및 단열분석을 위해 새롭게 고안하였다. 각각의 단열에 대한 종류, 방향성, 단열면의 거칠기 등을 포함한 단열에 대한 다양한 정보를 기재하고, 시추(구조)주상도를 제작하여 본 연구에 활용하고자 하였다(Fig. 4). 특히, 이번 연구에서는 심도변화에 따른 단열분포 특성을 그래프로 도시하여 전반적인 지질구조 및 심도에 따른 단열발달 특성을 해석하고자 하였다. 단, 단층과 단열의 방향성은 시추자료의 특성상 경사각만을 획득할 수 있으므로 추후 다른 지구물리학적 탐사자료와 인근지역에서의 야외조사자료가 확보된다면 이들과의 비교검토를 통하여 이들 단층이나 단열의 주향에 대한 자료도 추정할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 3.Structural core logging chart designed by PKNU GSGR (Loc : location, Lith : lithology, and Aper : aperture).

Fig. 4.One of the minor faults which is parallel to the Yangsan Fault. (a) Attitudes of bedding differ in terms of orientation with respect to the minor fault. (b) The rake of slickenline shows that this fault has a strike-slip component of slip.

단층과 관련된 단열의 분포특성은 누적단열분포의 기울기 변화를 통해서도 확인할 수 있다. 즉, 단층 및 단열의 분포를 심도에 대한 누적개수로 도시할 경우 단층 및 단열대가 발달하고 있는 심도에서는 상대적으로 가파른 기울기를 보여줄 것이다. 따라서 이러한 누적단열분포를 이용할 경우, 단열대가 집중되는 심도의 범위를 추정할 수 있다는 점에서 앞으로의 시추코어를 통한 단열특성 분석에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

 

연구결과

심부 지질단면도의 작성

기존자료의 검토와 분석

양산단층의 동측에 분포하는 퇴적암은 1:50,000 양산도폭(1964)에서는 대양동층(Kdy)으로 명명되어 있으나, 1:50,000 언양도폭(1972)에서는 대구층(Ksd)으로 명명되어 있다. 장기홍(1975)에 의해 대비된 경상분지 내의 지역별 층서분류표를 살펴보면, 대구층은 진동층과 함안층에 대비된다. 진동층의 최대 층후는 약 2,400 m 이상이며, 함안층의 층후는 약 1,300-1,400 m로 알려져 있다. Shon et al. (2000)의 전기, 전자탐사를 통한 심부구조 연구에 의하면, 언양지역의 퇴적층 두께는 양산단층을 중심으로 동쪽으로 500 m 정도 거리에서 약 600 m로 나타난다. 층서상으로 대구층을 기반으로 하여 화산암이 분출 혹은 관입하였으며, 그 이후에 화강암류의 관입이 있었다(Chang, 1978). 이와같이 기존에 조사된 암층서 사이의 관입관계는 이번 연구의 단면도 제작에 활용되었다.

지표지질조사

울산광역시 울주군 상북면에서부터 청량면 중리에 이르는 북서-남동 방향의 약 25 km 구간에 걸쳐 야외조사를 실시하여 1:50,000의 양산 및 언양도폭에서 기재된 지질경계를 확인하였으며, 크고 작은 다수의 단층을 관찰할 수 있었다. 야외지질조사에서 관찰되는 다수의 단층들은 N10°E 내외의 주향과 80°내외의 동쪽 경사를 보이며, 단층조선의 선경사 값은 12° 내외로 주향이동성분이 우세함을 지시하고 있다 (Fig. 4). 양산단층의 상반(동측)은 쇄설성 내지 응회질 퇴적암이 주를 이루며, 부분적으로 관입과 분출암이 관찰되고, 하반(서측)은 거의 화강암이 주를 이루고 있다. 양산단층을 비롯하여 모량, 동래단층은 하나의 단순한 단층면 보다는 다양하고 복잡하게 군집을 이루고 있어 그 규모를 야외관찰로 알기는 어렵다. 하지만, 단층대 내에 발달하는 소규모 단층들의 밀도나 변위, 그리고 파쇄대의 규모를 통해 그 크기를 짐작 할 수 있으며, 위성사진으로 관찰되는 연장성과 지질도상의 변위를 통하여 그 발달 규모를 짐작할 수 있다. 수십 수백 km의 수평적 연장성은 수직적인 연장성과 비례하므로(Polit et al., 2009), 지질 단면으로 표현한 지하 심도 3 km 내외의 깊이까지는 충분히 연장된다고 판단하였다

심부 지질단면도 제작

지표지질조사를 통해 획득된 양산단층계의 운동학적 특성과 기존연구에서 보고된 자료를 기반으로 단층의 낙차를 추정하였다. 위성사진에서 인지되는 단층의 길이를 통하여 단일 단층면의 수직적 높이가 횡적인 길이보다 약 2배 내지 3배 작다는 점을 감안하여도(Barnett et al., 1987) 본 연구의 목표 심도인 3 km 이상은 길이가 200 km 내외인 양산단층계가 충분히 연장된다고 판단하였다. 또한 연구지역 인근에서 실시된 물리탐사의 결과(e.g. Kim and Lee, 1988; Shon et al., 2000; Kim et al., 2005)와 도폭설명서를 기초하여 단층대 주변 암상의 층후를 추정하였으며, 야외조사 결과 획득한 구조들의 자세를 이용해 위경사를 추정하였다. 화성암의 관입 산상 및 층서관계를 기초하여 관입관계를 표시하였으며, 화강암과 화강반암이 지표상에서 점이적이라는 관계를 통해 분화과정에 의한 결과로 추정하였다(Fig. 5).

Fig. 5.Cross-section map of the study area (Fig. 1b X-X’).

가천리의 시추코어 분석

본 연구에서 단층인지를 위해 정밀 분석된 시추코어는 양산단층 인근의 서측지괴 화강암에서 획득된 것이다(Fig. 6a). 이 코어는 500 m 심도까지의 암상변화가 관찰되지 않은 것으로 판단되어, 단층 및 단열에 대해서만 기재하였다.

Fig. 6.(a) Geological map near the drilling site. (b) Cross-section along the line A-A’ (Choi et al., 2009).

소규모 단층분석

가천리 시추코어에서는 대규모 내지 중규모의 단층이 관찰되지 않는다. 그러나 1 m 이하의 단층대 폭을 보이는 소규모 단층들이 잘 관찰된다. 이들 소규모 단층은 주로 단층 주변의 단열밀도변화를 통해 추적하였으며, 소규모의 단층 비지 또는 단층각력암과 같은 단층암을 통해 확인하였다(Fig. 7).

Fig. 7.Examples of structural core description from Gacheon-ri core samples (FRZ : Fracture Zone, FAZ : Fault Zone, FC : Fault Core, and FDZ : Fault Damage Zone.).

시추코어에서 발견되는 대부분의 소규모 단층들은 60-70°의 경사를 보이며, 수 cm 내외의 단층핵과 이를 둘러싼 단층손상대로 구성된다. 특히 단층손상대는 단층과 거의 평행하게 발달하는 부수단층으로 해석되는 단열들을 통해 인지할 수 있으며 일부 단층손상대는 파쇄에 따른 틈을 유체가 흘러 변질된 양상을 보인다. 심도 215.4 m에서 확인된 소규모 단층의 단층면 상에는 단층면의 경사와 평행한 단층조선이 관찰되는데, 이것은 이 단층이 경사이동단층운동을 겪었음을 지시한다. 또한 단열대의 발달과 분포는 주로 단층핵을 중심으로 비대칭적으로 관찰되는데, 주로 단층핵 보다 상대적으로 얕은 심도에서 단열의 밀도가 높은 것으로 보아, 최근 많이 보고되고 있는 단층상반에서의 집중된 파쇄작용(Mandl, 1988, 2000; Knott et al., 1996; Berg and Skar, 2005)과 잘 일치하는 결과로 해석된다. 따라서 시추코어 내 소규모 단층들은 경사각, 단층조선의 방향, 단층 상·하반의 비대칭적 파쇄작용 등을 감안할 때 정단층 운동 혹은 역단을 겪은 단층들로 판단된다.

사실상 시추코어는 1.5차원적인 지질학적 자료로써, 이를 통해 단층의 변형이력 및 규모를 파악하는 것은 쉽지 않다. 그러나 이러한 경우, 일반적으로 단층의 규모에 대한 추정은 여러 단층요소들 간의 상관관계에 의존한다(e.g., Knott et al., 1996; Shipton and Cowie, 2001; Kim and Sanderson, 2005; Savage and Brodsky, 2011; Torabi and Berg, 2011). 특히 시추코어에서의 단층손상대는 앞서 설명한 바와 같이 단층핵보다 손실될 가능성이 적기 때문에, 이번 분석에서는 단층손상대의 폭을 이용하여 단층의 변위량을 추정하는데 초점을 맞추었다. 단, 단층손상대의 경사를 고려하기 위해 각각의 손상대 폭은 시추코어에서 확인되는 수직거리를 단열의 경사에 수직한 거리로 보정하여 분석하였다.

가천리 시추코어에서 확인되는 단층손상대의 폭은 최소 0.1 m에서 최대 1 m까지 확인되며, 직접적인 단층암이 관찰되지 않지만 국부적으로 단열이 집중되는 단열대는 1.5 m의 폭까지 관찰된다(Fig. 7). 단층손상대의 폭과 변위의 상관관계를 통해 0.1-1.5 m의 단층손상대 폭을 보이는 단층은 0.02-1 m의 변위를 가진다는 것을 알 수 있다(Fig. 9). 따라서 각 단층들은 비교적 작은 변위를 보이는 소규모 단층들로 양산단층과 같은 대규모 단층대 내에 속하는 부수단층 내지 진화 초기단계의 독립적인 단층들로 판단된다. 양산단층대 주변의 모암특성뿐만 아니라 단층대의 기하학적 및 운동학적 특성을 고려한 단층대 시추조사를 실시할 경우, 이러한 단층규모, 유체이동 및 단열분포 등을 보다 명확히 이해할 수 있을 것으로 기대한다.

또한 현재 시추된 위치가 양산단층의 단층손상대를 벗어난 서측(하반)에서 시추된 것으로 추정되기 때문에 이 1개 지점에 대한 시추자료를 통해 이들 소규모 단층들이 인근 양산단층의 운동과 어떻게 연관되어 있는지를 해석하는데에는 무리가 있다. 이는 양산단층이 주로 경사가 거의 수직에 가까운 주향이동단층 운동을 겪었으며, 후기에는 주로 역단층 운동을 겪었으나 이는 주로 단층의 상반인 양산단층의 동측에 발달하는 경상누층군의 백악기 퇴적암에서 주로 흡수된 것으로 추정되고 있다. 즉, 단층대 하반에서의 수직시추는 단층대와 단층대의 상반을 가로지르기 힘들기 때문에 단층대의 특성을 파악하기에 적절하지 않다. 그러므로 코어시추에서 관찰되는 전반적인 단열분포 특성을 확인하고자 할 때에는 단층대의 상반에서 경사시추를 실시하는 것이 회수율은 낮겠지만 이 단층대의 특성을 파악하는데 매우 유용할 것으로 판단된다.

단열분포 및 발달특성 분석

가천리 시추코어를 따라 관찰되는 단층 및 단열들의 분포특성을 알아보기 위해, 앞서 언급한 소규모 단층 및 단열대를 중심으로 심도 5-300 m까지의 단열들에 대한 분석을 우선적으로 시도하였다. 총 1,092개의 단열에 대해 5° 단위의 경사각을 측정하였으며, 이를 깊이에 따른 전체 단열의 누적개수와 1 m 당 단열의 개수로 그래프에 도시하였다(Fig. 8). 앞서 확인된 소규모 단층과 단열대의 심도는 화살표로 표시하였다.

Fig. 8.Result of fracture distribution from Gacheon-ri samples. (a) Cumulative number of fractures (all) on core samples. (b) Density of fractures per unit area (N/m). (c) Cumulative number of fractures divided by degree of dips. (d) Density of fractures without low angle fractures (modified from Choi et al., 2016).

Fig. 9.The relationship between fault damage zone and its displacement (from Choi et al., 2016). This graph shows that the geometrical features are controlled by kinemetic movement of the fault.

시추코어를 따라 단열은 일반적으로 1 m 당 3.7개 분포하고 있으나, 1m 당 단열의 개수는 심도에 따라 매우 불규칙적이며, 최대 15개까지로 확인된다(Fig. 8). 단열의 밀도(N/m)가 비교적 높은 심도는 대체적으로 소규모 단층 및 단열대가 발달하는 심도와 일치하며, 이는 단열의 분포특성이 단층의 존재와 밀접한 관련이 있음을 지시한다. 특히 심도 80-100 m 구간과 200-250 m 사이 구간에서는 1 m 당 단열의 개수가 깊이에 따라 서서히 증가하다가 갑자기 감소하는 비대칭적인 분포양상을 보이기도 하는데(Fig. 8b), 이는 단층의 상반에 집중되는 파쇄작용의 결과로 판단된다. 이러한 양상은 시추코어를 따라 여러 곳에서 관찰되고 있는데 이는 경사이동의 단층에서 단층상반의 파쇄가 단층하반에 비해 일반적으로 더욱 높은 단열밀도를 보인다는 기존의 연구결과(Mandl, 1988, 2000; Knott et al., 1996; Berg and Skar, 2005)와 잘 일치하는 결과이며, 단층조선 분석에서 확인한 경사이동 단층들과도 부합되는 결과로 해석된다.

단층과 관련된 단열의 분포특성은 누적단열분포의 기울기 변화를 통해서도 확인할 수 있다. 즉, 대체적으로 일정한 기울기의 분포양상을 보이지만 자세히 살펴보면 소규모 단층 및 단열대가 발달하고 있는 심도에서는 상대적으로 가파른 기울기가 확인된다(Fig. 8a). 누적단열분포를 이용할 경우, 기울기의 변화가 확인되는 지점을 통해 단열대가 집중되는 심도의 범위를 추정할 수 있다는 점에서 앞으로의 시추코어를 통한 단열특성분석에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

다음으로 심도에 따른 단열경사각의 변화와 인위적 균열의 영향을 확인하기 위하여, 단열의 경사각을 기준으로 크게 4개의 단열군으로 분류하였다(수평 단열군: 0-22.5°, 저각 단열군: 22.5-47.5°, 고각 단열군: 47.5-77.5°, 수직 단열군: 77.5-90°). 경사각을 통해 분류된 각각의 단열군에 대해 단열의 누적개수를 도시하였으며(Fig. 8c), 단층과 단열대가 확인된 심도 구간은 회색의 막대로 표시하였다. 단열의 경사를 고려한 분석은 인공적인 균열의 영향을 받은 것으로 판단되는 저각의 단열군을 제외하면 대부분 전체단열분포와 유사한 결과를 보인다

우선 경사가 20° 이하인 수평적인 단열들은 시추코어에서 관찰되는 전체 단열의 약 50%를 차지한다(Fig. 8c). 이들 누적단열분포 그래프의 기울기는 낮은 심도에서 다소 불규칙한 양상을 보이기는 하나, 300 m 심도까지 큰 변화가 없이 거의 일정함을 보여준다. 이는 다른 경사범위에 있는 단열군들의 누적단열그래프 기울기가 단층이나 파쇄대가 존재하는 심도에서 큰 변화를 보이는 것과 매우 상이한 것으로 수평 단열군의 발달은 단층작용과 밀접하게 연관되지 않음을 간접적으로 지시한다. 수평 단열들은 대부분 불규칙하고 거친 단열면 특성을 보이고, 단열면을 따라 침전이나 풍화작용의 흔적을 찾아볼 수 없다. 또한 수평의 단열은 일반적으로 역단층과 밀접한 관련이 있어야 하나, 시추지점 인근의 양산단층이 대규모 주향이동단층이라는 점과 시추코어에서 인지된 소규모 단층들이 정단층으로 추정된 점을 감안할 때, 수평적인 단열들은 시추과정 또는 시추이후에 발생한 보압하강에 의한 것이거나 시추작업 시 발생한 인공적인 파괴면으로 추론할 수 있다.

위 분석결과를 바탕으로 수평 단열군을 제외한 모든 단열들에 대해 단열의 밀도(N/m)와 누적단열분포를 다시 도시하였으며, 이를 분석하였다(Figs. 8c, d의 붉은색 자료). 그 결과 단층 및 단열대와 관련된 단열의 분포특성이 Fig. 8a와 8b에 비해 더욱 뚜렷함을 보여준다. 특히 누적단열분포 그래프를 통해 기울기가 서로 다른 구간을 구분할 수 있을 뿐만 아니라, 각 구간별 기울기의 정도를 평가할 수 있다. 예를 들어, 심도 80-90 m 및 215-230 m 구간에서의 기울기가 가장 가파르며, 이는 해당구간의 단열밀도가 가장 높음을 의미한다. 또한 심도 145-175 m 구간은 비교적 일정한 기울기가 지속되는 구간으로 분석된 시추코어에서도 가장두꺼운 단열대가 발달하고 있는 것으로 분석된다.

또한 흥미로운 점은 단열의 밀도(N/m)에서 확인되는 비대칭적인 단열 증가양상이 저각단열을 포함한 단열의 분석(Fig. 8b)에서보다 저각의 단열들을 제외하였을 경우(Fig. 8d) 더욱 뚜렷한 경향을 보이고 있어, 수평에 가까운 많은 단열들은 시추작업 중에 인위적으로 발생하였을 가능성을 강하게 지시하고 있다. 일부 심도에서는 직접적으로 단층을 확인할 수 없으나 단열대가 존재하기도 한다. 이는 시추코어가 단층대를 관통하지 못하였을 경우에도 주변에 발달하고 있는 단층의 존재를 추정할 수 있는 매우 유용한 증거로 활용될 수 있다.

 

토 론

화성암류의 관입순서

양산단층을 중심으로 서쪽에는 화강암 및 화강반암이 주를 이루고 있으며, 동쪽에는 퇴적암이 주를 이루지만 이를 관입한 화강암, 화강반암, 안산암 및 섬록암이 부분적으로 발달하고 있다(Fig. 1b). 단면도를 제작한 X-X’ 선상에서 양산단층의 동부에 위치한 삼남면 상천리 일원에 부분적으로 분포하는 섬록암은 1:50,000 언양도폭에서 안산암을 관입한 것으로 보고되고 있으나, 야외조사결과 노두를 찾기 힘들었다. 섬록암류의 관입경계를 확인 할 수 없었기에 이 섬록암류가 마그마 분화과정에 의한 결과인지, 혹은 다른 마그마 챔버에서 다른 시기에 관입한 것인지 명확히 알 수 없었다. 하지만 연구지역과 인접한 지역에 분포하는 섬록암류의 연대가 42.2Ma로 보고되었으며(e.g. Kim et al., 1995), 언양지역 인근에 분포하는 화강암의 경우 67.1Ma에서 72.4Ma까지로 보고되고 있다(e.g. Na, 1994; Lee et al., 1995). 따라서 본 연구지역에서 관찰되는 섬록암류의 정확한 연대는 알지 못하지만 인접한 지역에 보고된 연대측정자료를 이용하여 그 연령차이가 큰 것을 바탕으로 추후에 관입한 것으로 해석하였으나, 정확한 연구를 위해서는 연구지역에 대한 정밀한 암석학적, 지구화학적 연구가 필요할 것으로 판단된다.

단면도의 신뢰성

Martin et al. (2013)에 의하면 지질단면도는 야외조사와 지질도, 그리고 항공사진 혹은 위성사진 등의 영상자료와 시추코어분석 및 지구물리 탐사자료 등의 천부자료 그리고 3차원적인 모델해석 등의 자료가 적절하게 종합되고 해석되어야 신뢰도가 높은 지질단면을 해석할 수 있다. 최근에는 레이저장비(total station)등을 이용한 정밀한 좌표자료를 통한 지질학적 해석과 더불어 지상 레이져 스캐너등을 이용해 지질단면해석을 시도하고 있다(e.g. Xu et al., 2001;Buckley et al., 2008).

이와 반해 본 연구에서는 지질도를 기초하여 도학적 해석을 시도하였으며, 작성된 단면도의 위치에서 깊은 심도의 신뢰도가 높은 물리탐사가 실시되지 않아 정확한 심부구조를 유추하는데 많은 어려움이 있었다. 따라서 이러한 물리탐사자료가 더욱 풍부하게 획득된다면 더욱 신뢰성이 높은 지질단면도가 얻어질 수 있을 것이다. 우리가 작성한 지질단면도는 주변지역에 대한 일부 물리탐사자료 및 지질도와 참고문헌을 종합 분석한 결과를 바탕으로 추정하였기 때문에 상당한 해석에서의 오류가 존재할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 추후 단면작성 위치에서 물리탐사, 물리검층 등의 연구가 좀 더 심도 있게 진행되어 보완자료가 획득된다면, 보다 신뢰도가 높은 단면자료를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

 

결 론

제한적인 시간과 예산 내에서 지하심부에 대한 정보를 얻기란 쉽지 않다. 하지만 주어진 상황에서 필요한 정보를 획득하여 지하심부단면을 도학적 방법을 통해 해석하는 것은 매우 유용하다. 본 연구에서는 한반도 남동부의 양산단층을 중심으로 기존자료와 야외조사 및 시추코어 분석결과를 종합적으로 해석하여 도학적으로 지하심부단면도를 작성하였다. 특히 대규모 단층들을 포함하고 있으므로 암석학적 특징뿐만 아니라 단층의 운동학적, 지형학적 특성을 이용하여 그 낙차를 고려하였고, 주변지역에서 진행된 물리검층자료 및 도폭설명서 등을 참고하여 층후 등을 결정하였다.

모량단층, 양산단층, 그리고 동래단층은 우수향 주향이동성 운동이 우세하며, 이 세 단층 이외에도 크고 작은 아평행한 단층들이 그 사이에 다수 발달하고 있다. 양산단층과 모량단층, 그리고 동래단층의 규모를 생각했을 때, 심부로의 연장 또한 매우 깊을 것으로 추정된다. 양산단층은 다른 양산단층계에 속하는 단층들에 비해 그 규모가 크고, 더 큰 변위를 갖는 것으로 알려져 있는데, 양산단층의 서측과 동측의 지표에서 관찰되는 암상의 차이가 극명한 것은 이에 기인한 것으로 해석된다. 물리탐사자료와 시추자료뿐만 아니라 야외조사를 통해 획득된 자료에 도학적 해석을 접목하여 제작된 양산단층주변의 지질단면은 실제로 3차원 모델링에도 응용될 수 있으며, 그 활용가치는 높을 것으로 판단된다.

시추코어 분석을 통해 획득된 소규모 단층 및 전반적인 단열분포를 해석하고자, 단층요소 간 상관관계, 단열경사를 고려한 단열분포, 누적단열분포 특성분석 등을 시도하였다. 그 결과 단층대 주변에서는 단열의 밀도가 증가하는 양상을 보여주고 있어서 단층의 존재를 인지하기 위한 하나의 방법으로 단열밀도의 분석이 유용하게 활용될 수 있음을 보여준다. 특히 단층의 상반에 해당하는 부분에서 단열의 밀도가 더욱 높게 나오는 것은 경사이동 단층의 영향을 비교적 많이 받았음을 시사하고 있다. 그러나 양산단층은 주로 주향이동의 운동을 하였기 때문에 이 단층에 대한 심부에서의 특성을 더욱 자세히 이해하기 위해서는 이 단층을 가로지르는 경사시추를 수행하는 것이 매우 유용할 것으로 판단된다. 또한 이번 초기연구에서 수평의 단열들은 시추작업 중에 인위적으로 발생한 것들이 많은 것으로 해석된 바, 추가적인 시추 시에는 주단층대를 심부에서 가로지르는 시추를 수행하는 것이 양산단층대의 특성을 이해하는데 유용할 것으로 판단된다. 이러한 방법을 이용한 시추코어에 대한 분석은 단층의 규모와 심도를 이해하는데 매우 유용할 뿐만 아니라 단층대를 따른 유체의 이동과 이와 관련된 지열의 분포특성을 이해하는데 큰 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.