**ESR 연대측정법** 또는 **전자자기공명법**은 암석 내 방사성 에너지를 이용하여 단층 비지의 연대측정을 통해 단층의 마지막 활동 시기를 결정할 수 있는 방법이다. ESR 연대측정법은 일본의 이케야 모토지 외(1982)에 의해 처음 제안되었으며 이 방법으로 많은 연구자가 ESR 연대측정법을 통해 단층의 마지막 활동시기를 규명할 수 있었다. 또한 이 방법을 활용해 대한민국 내 분포하는 여러 한국의 단층들이 활성단층으로 인정받을 수 있었다.

## 개요
암석 내에 분포하는 우라늄, 토륨, 칼륨과 같은 방사성 원소는 붕괴하며 이온화 방사선 에너지를 방출한다. 석영과 같은 광물이 이 방사선에 노출되어 에너지를 공급받으면 광물의 결정(結晶) 속에서 이온화 작용이 일어나 원자의 오비탈에 전자 1개가 들어있는 홀전자(unpaired electron)가 형성된다. 홀전자는 가전자대에서 전도대로 이동하게 되고 이후에 홀전자가 다시 가전자대로 돌아오게 되는데, 이온화작용에 의해 형성된 이 자유 전자의 일부가 결정의 격자결함(lattice defect)에 잡혀 ESR 센터가 된다. ESR 센터는 산소의 결원과 관련된 E' 센터, 규소의 결원과 관련된 OHC 센터, 석영 격자 속의 규소가 알루미늄 또는 타이타늄으로 치환된 Al 및 Ti 센터가 있다. 격자결함에 잡혀있는 홀전자의 수는 시간이 지남에 따라 점점 증가하게 되며, 이에 따라 ESR 신호의 세기가 점점 커지게 된다. 

단층의 활동이 일어나면(=단층이 움직이면) 단층활동에 의한 응력이 석영의 격자결함에 집중되어 입자경계 마찰미끌림(grain boundary frictional sliding), 마찰열(摩擦熱; frictional heating) 및 격자변형작용(lattice deformation)에 의해 격자결함에 잡혀있던 홀전자가 빠져나와 ESR 신호의 세기는 0이 된다. 단층 활동 이후, 암석 내의 방사성 원소에 의한 이온화 작용으로 인해 시간이 지남에 따라 ESR 신호의 세기가 다시 증가한다. 같은 단층비지띠가 여러 번 재활동할 경우 이전의 활동기록은 지워지고 마지막 활동기록만 남기게 된다. ESR 연대측정법은 주로 단층 운동 당시에 단층대 주변에 생성된 단층비지(Fault gouge) 내의 석영 입자를 대상으로 연대측정을 실시한다. 따라서 채취한 단층 비지 시료의 ESR 신호 세기는 마지막 단층 활동 이후에 증가한 ESR 신호의 세기를 지시한다. ESR 신호의 세기를 측정하기 위해 ESR 분광계(ESR spectrometer)를 사용한다. 

마지막 단층 활동 이후부터 단층 비지가 받은 에너지의 양은 **부가조사법**(additive dose method)에 의해 계산되며, 이를 **등가선량**이라 한다. 시료 채취 지점 주변의 방사성 원소 함량을 분석하여 단층비지가 받은 단위시간당 조사율을 계산한다. ESR 연대는 등가선량과 단위시간당 조사율의 비로 결정한다. 즉, 

이다.

## 활성단층 연구에 활용
일반적으로 제4기(250만 년 전~현재)에 활동한 단층을 **활성단층**(active fault)이라 한다. 지진은 제4기에 활동한 활성단층에서 발생한다고 알려져 있다. 활성단층의 위험도를 평가하기 위해서는 단층운동의 평균 변위 속도, 단층이 마지막으로 운동한 시기 및 재발주기 등을 분석해야 한다. 이중 단층이 언제 마지막으로 활동했는지 분석하기 위해 ESR 연대측정법을 활용하며 국내에서도 활성단층 연구에 ESR 연대측정법을 사용한다. 

지표의 온도와 압력 조건에서는 단층비지 내 ESR 신호가 0이 되기 어렵기 때문에 ESR 연대측정을 실시할 때 약 10만 년보다 젊은 단층 운동을 분석하기 어렵다. 실제로 한국의 단층을 대상으로 ESR 연대측정을 실시한 결과가 10만년(100 ka)보다 적게 나온 경우는 현재까지 없다.

### 관련 인물
강원대학교의 이희권 교수는 구조지질학자이며 대한민국 ESR 연대측정 분야의 전문가로, 1999년 강원특별자치도 정선군 지역의 단곡 단층에서 ESR 연대측정을 실시하였고 신고리원자력발전소 5, 6호기 건설 당시 원전 부지와 가까운 단층으로 추정되는 곳에서 ESR 연대측정법이 사용되지 않았으며 한국수력원자력이 사용한 단층암의 연대측정 방법(칼륨-아르곤 연대 측정)이 잘못되었다는 점을 지적하였다. 그리고 그린피스와 시민들이 제기한 신고리 5, 6호기 원전건설허가처분 취소 청구 소송

## ESR 연대측정 방법
ESR 연대측정 순서는 다음과 같다. 아래의 방법은 국내 여러 학자들이 단곡 단층, 금왕 단층이나 양산 단층과 같은 한국의 단층을 대상으로 ESR 연대측정을 실시할 때 실제로 사용한 방법이다.

그리고 가중 평균치의 오차는 다음 식에 의해 결정된다.

여기서 는 각각 인용된 오차의 한계이다.

## 조건
단층비지의 ESR 연대는 단층비지의 마지막 활동시기를 지시한다. 하지만 단층비지띠와 단층손상대 사이에 발달한 단층면을 따라 마지막 단층활동이 일어난다면, 단층비지 내의 ESR 신호가 0이 되지 않기 때문에 ESR 연대는 단층활동의 시기를 과대평가하게 된다. 단층비지 내 석영 입자의 ESR 신호가 완전히 영이 되기 위해서는 단층면에 작용하는 수직 응력이 적어도 약 3 MPa 이상이어야 하며, 약 0.3 m 이상의 변위량도 필요하다. 이러한 조건을 만족시키는 지진의 규모는 적어도 약 6.5 이상이어야 한다. 또한 단층 활동 시기에 충분한 수직응력을 받기 위해서는 단층비지가 적어도 수십 m 이상의 깊이에 있어야 한다. 따라서 지표에서 채취한 단층비지의 ESR 연대는 단층비지가 수십 m 이상의 깊이에 있을 때 단층이 재활동했던 시기를 지시한다. 융기한 이후에 재활동하였다면, 단층면에 작용하는 수직응력이 충분하지 않아 ESR 신호가 감소하지 않기 때문에 ESR 연대는 단층의 마지막 활동시기를 지시하지 않는다. 또한 단층 운동으로 인해 단층비지가 생성될 당시 충분한 수직 응력(3 Mpa 이상)을 받지 못하였다면, 석영입자의 ESR 신호가 완벽하게 초기화되지 않아 실제 단층 운동 시기보다 과평가된 연대 결과를 얻을 수도 있다.

단층 운동의 시기를 결정하기 위해서는 위의 조건을 만족시켜야 하며, 해당 연구지역의 단층의 주향 및 경사각, 응력상태(크기 및 방향), 융기율/침식률 등의 자료가 필요하다. 신영호 등(2013)은 수압파쇄법과 응력개방법에 의한 측정 자료를 종합하여 한반도의 응력상태를 분석하였으며 다음과 같은 심도-응력 관계식을 제시하였다. 현재 한반도에 작용하는 최대 수평응력의 방향은 약 71°이며 한반도 남동부의 융기율은 약 0.08~0.25 mm/year이다.

( : 깊이 (m) 단위는 메가파스칼(Mpa))

예를 들어, 주향이 북동 30°, 경사각은 약 90°(수직)인 금왕 단층대의 경우, 최대 및 최소 수평응력의 방향과 단층면의 주향이 이루는 각도는 각각 41°와 49°이다. 금왕 단층대의 단층면에 작용하는 수직응력은 다음과 같이 계산된다.

( : 최대 및 최소 수평응력의 방향과 단층면의 주향 사이의 각도)

이 식에 의해 단층면에 작용하는 수직 응력이 약 3 MPa이 되는 깊이(ESR 신호의 세기가 0이 될 수 있는 깊이)는 지하 약 21 m로 계산되었다. 위의 자료와 한반도의 융기율을 이용하여 계산하였을 때 약 21 m 융기하는데 걸리는 시간은 약 8~25만 년이며, 이는 단층비지의 ESR 연대의 하한이 된다. 금왕 단층대의 방향과 유사한 주향 이동 단층의 경우, 약 8~25만 년 전 이후에 재활동한 단층은 ESR 신호가 완전히 0이 되는 조건을 만족시키지 못해 단층 비지의 ESR 연대를 결정하기 어렵다. ESR의 성장곡선에서 ESR 신호의 세기가 포화되는 방사성 에너지는 약 4,500 Gy이며 단위 시간당 조사율을 고려 할 때, **단층비지의 ESR 연대의 상한선은 약 200만 년이 된다.**

## ESR 연대측정법에 의해 활성단층으로 인정받은 한국의 단층
ESR 연대측정법을 이용하면 단층이 언제 마지막으로 활동했는지 알아낼 수 있는 바, 한국에서도 활성단층 연구와 관련하여 전국 곳곳에 여러 단층들에서 ESR 연대측정이 실시되었다. 대표적인 예로, 이희권(1999)은 강원특별자치도 정선군에 위치한 단곡 단층에서 ESR 연대측정을 실시해 최저 213±7 ka의 값을 산출하여 단곡 단층이 약 21만 년 전에 마지막으로 활동한 단층이라는 사실을 밝혀냈다. 아래의 단층들은 대한민국의 여러 학자들에 의해 ESR 연대측정이 실시되어 단층의 마지막 활동연대가 보고된 단층이다. 자세한 내용에 대해서는 각 단층의 문서를 참조할 것.