단층

단층(斷層, )은 지진 등의 지질 활동으로 인해 지층이 어긋나 있는 것을 말한다. 단층의 움직임을 단층운동이라고 부르며, 어긋난 면을 단층면라고 부른다. 또한, 다수의 단층면이 밀집하는 띠 모양의 지역을 단층대(帶)라고 부른다.
단층의 구성.
단층은 전단(剪斷; 방향이 반대인 두 힘) 작용이 가장 집중되어 형성되는 단층핵(fault core)과 단층핵의 양쪽뿐만 아니라 말단부에서 모암(母巖)의 형태를 유지하며 미세 균열, 절리, 맥 그리고 부수 단층 등의 구조들이 발달하는 단층손상대(fault damage zone)로 구성되어 있다.
연성 전단대.
단층은 일반적으로 지표면 아래 10~15 km 이내의 깊이에서 취성 변형작용(脆性變形作俑; brittle deformation)에 의해 형성되는 구조이다. 지각 10~15 km에는 취성-연성 전이대(轉移帶)가 있으며, 이보다 더 깊은 곳에서는 연성 변형작용(ductiledeformation)에 의해 연성 전단대(延性剪斷帶; ductile shear zone)가 형성된다. 한반도에는 호남 지역을 중심으로 수 매의 우수 주향 이동성 연전단대인 순창 전단대, 광주 전단대, 전주 전단대, 영광 전단대)가 발달되어 있다. 이들 중 북동-남서 방향으로 발달하고 있는 순창 전단대는 연장성이 가장 우세하여 해남-순창-진안 연결선을 따라 단양 지역까지 연장되고, 점촌 부근에서 (동)북동-(서)남서 방향의 우수 주향 이동성 예천 전단대로 분리되며, 분리된 예천 전단대는 북후면-평은면 지역을 지나 봉화군 상운면 지역에서 그 방향성을 동-서로 전환하여 장군봉 지역과 영양-울진 지역의 기성층 분포지로 연장된다.
단층 관련 용어.
단층의 종류.
지층이 힘을 받아 끊어지고, 절단된 면의 양쪽 암석이 움직인 구조를 단층(Fault)이라 한다. 단층은 생성 당시의 힘이 가해지는 방향에 따라 크게 세 종류로 분류된다.
정단층 (양단층).
양쪽으로 잡아당기는 힘인 장력(張力)이 작용하여 형성된 단층을 정단층(正斷層, normal fault)이라 한다. 한반도 육지에 정단층은 흔하지 않으며 육상에는 십자가 단층이 거의 유일하다. 해상에는 후포 단층을 비롯해, 그 동쪽의 울릉 분지에는 다수의 정단층이 발달한다.
역단층.
양쪽에서 밀어붙이는 힘인 횡압력(橫壓力)이 작용하면 역단층(逆斷層, reverse fault)이 생긴다. 판의 충돌 지대나 침강 지대에서 흔히 나타나는 단층이다. 역단층 중에서 단층면의 경사가 45°이하인 경우를 충상(衝上)단층이라 한다. 한국의 역단층으로는 읍천 단층, 안동 단층, 영월 인편상 구조대 (영월 트러스트 시스템)의 평창(주천)트러스트, 각동 트러스트, 공수원 트러스트 단층, 북쌍리 역단층 등이 있다.
주향 이동 단층.
주향이동 단층(strike-slip fault)은 단층 이동이 단층면의 주향(走向:단층선이 향하는 방향)에 대체로 평행한 단층으로 정의된다. 좌수향 주향이동 단층(sinistral fault)은 단층면을 중심으로 왼쪽의 지괴가 움직인 단층이며 우수향 주향이동 단층(dextral fault)은 단층면을 기준으로 오른쪽의 지괴가 이동한 단층이다.주향 이동 단층은 한반도의 가장 주된 단층의 형태이며, 대표적인 예로 양산 단층대, 공주-금왕 단층대, 가음 단층대, 인제 단층, 광주 단층, 전주 단층, 신갈 단층, 왕숙천 단층 등이 있다.
선상구조.
단층은 암석을 파쇄(破碎)시키기 때문에 단층과 지표가 교차하는 부분은 쉽게 풍화작용을 받아 선형(線形)의 저지대나 계곡을 형성한다. 이와 같은 구조를 선상 구조(線狀 構造), 선형 구조(lineament)라 하며, 이는 항공사진으로도 확인할 수 있다. 한국에서는 양산 단층대와 울산 단층이 저지대의 선상 구조를 발달시키는 대표적인 예시이며 이외에 횡성군의 당골 단층이나 익산시 용안면의 함열 단층 또한 선형 구조를 발달시키고 있다. 함열 단층의 경우 특이하게도 계곡이 아니라 구릉(丘陵)지 형태의 선상 구조를 발달시키고 있다.
주향과 경사.
주향(strike;走向)은 진북을 기준으로 단층의 방향이 향하는 곳의 방위, 경사(dip)는 수평면을 기준으로 단층면이 기울어진 각도를 말한다.
면선각.
면선각(rake)은 단층의 하반에 대한 상반의 미끄러진 방향이 주향과 이루는 각도를 말하는데, 면선각이 (+)이면 역단층을, (-)이면 정단층을 의미하며, 면선각이 0° 이면 좌수향 주향이동단층이고 ±180°이면 우수향 주향이동 단층이 된다.
분절.
대규모 단층을 따라 지진이 발생하는 경우 보통 단층 전체의 일정한 부분이 한 번의 시기에 파열되는 것으로 알려져 있다. 이렇게 단층이 여러 조각으로 나누어져 있는 것을 분절현상(segmentation)이라고 하며 각각의 조각을 분절(segment)이라 한다.
단층암.
단층 운동이나 전단 작용이 일어날 때 지각 깊이에 따라 온도와 압력 조건 등이 달라지면서 다양한 종류의 단층암이 생성된다. 지표 밑 1~4 km에서는 취성(脆性) 변형 작용이 우세하여 응집력이 없는 단층비지(fault gouge)나 단층각력암(斷層角礫巖; faultbreccia) 등이 형성되고, 지하 1~4 km 보다 깊고 10~15 km 보다 얕은 곳에서는 응집력이 있는 파쇄암 계열(cataclasite series)이 상부 지각 내에 형성된다. 10~15 km 보다 깊은 곳에서는 연성(延性) 변형 작용이 우세하여 연성 전단대 내에 응집력이 있는 압쇄암 계열(mylonite series)이나 변성압쇄암(blasto-mylonite)이 중부 지각 내에 형성된다. 지하 깊은 곳(15 km 이하)에서 연성 변형 작용에 의해 형성된 연성 전단대가 융기 한 후 취성 변형 환경(지하 15 km 이내)에서 취성 단층대(brittle faultzone)로써 재활동하여 파쇄암 계열 및 단층비지가 압쇄암 계열에 중첩될 수 있다.
기타.
최대의 힘이 수평으로 작용하는 경우에도 수직 방향의 힘의 크기에 의해 단층면이 수직이 되는 경우가 있다. 이러한 경우에는 단층의 양쪽 블록이 수평 방향으로 빗나간다. 이것을 회전단층이라고 한다. 회전단층은 판의 약간 빗나간 경계 등에서 발달하기 쉽다. 미국의 샌안드레아스 단층처럼 규모가 큰 것이 많다. 여기에서는 이상적인 상태에서 단층을 분류했으나 자연계에는 이들의 중간적인 것이 대부분이다.
ESR 연대측정법.
ESR 연대측정법은 단층비지의 ESR 연대측정을 통해 단층의 마지막 활동시기를 결정할 수 있는 방법이다. 암석 내에 분포하는 우라늄, 토륨, 칼륨과 같은 방사성 원소는 붕괴를 하며 이온화 방사선을 방출한다. 석영과 같은 광물이 이 방사선에 노출되어 에너지를 공급받으면 광물의 결정(結晶) 속에서 이온화 작용이 일어나게 된다. 이온화작용에 의해 형성된 자유 전자는 결정의 격자결함(defect)에 잡혀 ESR 센터가 된다. 시간이 지남에 따라 ESR 센터의 수가 증가하게 되며, 이에 따라 ESR 신호의 세기가 점점 커지게 된다. 단층의 활동이 일어나면(=단층이 움직이면) 입자경계 마찰미끌림(grain boundary frictional sliding), 마찰열(摩擦熱; frictional heating) 및 격자변형작용(lattice deformation)에 의해 ESR 신호의 세기는 0이 된다. 단층 활동 이후, 암석 내의 방사성 원소에 의한 이온화 작용으로 인해 시간이 지남에 따라 ESR 신호의 세기가 다시 증가한다. 따라서 채취한 단층 비지 시료의 ESR 신호 세기는 마지막 단층 활동 이후에 증가한 ESR 신호의 세기를 지시한다. 같은 단층비지띠가 여러 번 재활동할 경우 이전의 활동기록은 지워지고 마지막 활동기록만 남기게 된다.
마지막 단층 활동 이후부터 단층 비지가 받은 에너지의 양은 부가조사법(additive dose method)에 의해 계산되며, 이를 등가선량(equivalent dose)이라 한다. 시료 채취 지점 주변의 방사성 원소 함량을 분석하여 단층비지가 받은 단위시간당 조사율(照射率; dose rate, d)을 계산한다. ESR 연대는 등가선량을 조사율로 나누어 계산한다.
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 석영입자의 ESR 신호가 완전히 영이 되기 위해서는 단층면에 작용하는 수직응력이 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.
단층운동의 시기를 결정하기 위해서는 위의 조건을 만족시켜야 하며, 해당 연구지역의 단층의 주향 및 경사각, 응력상태(크기 및 방향), 융기율/침식률 등의 자료가 필요하다. Synn et al. (2013)은 수압파쇄법과 응력개방법에 의한 측정 자료를 종합하여 한반도의 응력상태를 분석하였으며 다음과 같은 심도-응력 관계식을 제시하였다. 현재 한반도에 작용하는 최대 수평응력의 방향은 약 071°이며 한반도 남동부의 융기율은 약 0.08~0.25 mm/year이다.
σv = 0.0266Z, σh = 0.0202Z + 1.5405, σH = 0.0352Z + 1.5759
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.
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(왕숙천 단층대, 양산 단층대), 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.
측정 방법.
단층비지의 ESR 연대를 측정하기 위해 다음과 같은 과정을 거친다.
단층 파쇄대.
길거리를 지나다 보면 단층면과 단층 활동에 의해 암석이 갈라져 생긴 각력암(角礫岩)과 점토를 볼 수 있다. 단층면은 오랜 세월 동안 풍파에 깎여 맨들맨들해진 것이 많으며, 단층면 위에 직선으로 된 줄이 그려져 있다. 이 줄은 단층면을 사이에 두고 양쪽 블록의 상대적인 운동 방향과 평행하다. 각력암은 단층이 형성될 당시에 암석이 파쇄되어 생긴 것이다. 각력암의 표면도 맨들맨들하고 줄이 쳐져 있는 것이 많다. 각력암이 더욱 많이 파쇄되어 미세해지면 단층 점토가 된다. 규모가 큰 단층에서는 어떤 범위에 단층면이 밀접하게 발달하거나 단층 각력암이나 점토가 폭넓게 분포한다. 이와 같은 장소를 단층 파쇄대(單層破碎帶)라고 한다.
단층 면해.
단층면해는 단층의 움직임을 2차원 원형으로 투영하여 기하학적인 형태로 구현한 그림이다. 단층면해 분석은 지진이 단층의 운동의 결과로 발생한다는 것을 가정하고, 지진을 유발시킨 단층의 이동방향 등을 알아내는 방법이다. 한반도에서 발생하는 지진의 단층 면해에 대해서는 한국의 지진 문서를 참고하라.
단층 지형.
단층 지형(斷層地形)은 단층의 활동으로 만들어진 지형이다.
지루와 지구.
정단층 여러 개가 평행하게 발달했을 때 층이 생기는데, 그 중 지괴가 올라간 부분을 지루라고 하며, 내려간 부분을 지구라 한다. 또, 한쪽은 올라가고, 한쪽은 내려간 부분을 경동지괴(傾動地塊)라고 한다.
주향 이동 분지.
주향이동 분지(strike-slip basin) 또는 인리형 분지(pull-apart basin;당겨-열림형 분지)는 주향이동 단층 또는 단층계에 의해 형성된 분지로, 한반도에는 중생대 백악기에 형성된 공주 분지, 음성 분지, 부여 분지, 진안 분지 등이 존재한다. 공주 분지와 음성 분지는 주변 단층인 공주 단층과 금왕 단층 등의 이동에 의해 형성되었다.
변위, 굴절 하도.
변위 하도(變位河道, offset channel)는 하천의 유로(流路)가 심하게 꺾이거나 휘어진 부분으로, 대체로 주향 이동 단층에서 잘 형성된다.굴절 하도는 일부 구간이 주향이동 단층을 따라 형성된 하도로서, 두 지형 모두 주향 이동 단층과 만나는 부분에서 하도가 꺾이거나 휘어진 부분을 갖는다.
삼각말단면.
삼각말단면(三角末端面, triangular facet)은 산지 능선의 말단부가 삼각형의 면을 이루는 지형으로, 수직으로 변위를 갖는 단층에 의해 잘 발달한다.
벤치.
벤치(bench)는 산사면 또는 능선이 계단 모양으로 변화되어 경사급변대 전면에 완경사를 이루는 지형이다. 주로 단층의 양측에 나타난다.
한국의 단층.
오래전에 형성된 한반도 수많은 단층들이 분포하며 그 수는 약 450개로 추정된다.이들 중 일부는 중생대에 발생한 격렬한 지구조운동으로 생성되었다. 한반도 단층의 대표적인 예로 양산 단층대와 추가령 단층대, 공주-금왕 단층대, 광주/전주 단층 등이 있으며 이외에도 전국 곳곳에 길이 100km 내외의 단층들이 흩어져 있다. 한국어 위키백과에 제시된 단층들의 이름은 대한지리학회, 대한지질학회 등의 학술지에 수록된 논문 또는 한국지질자원연구원이 사용하는 명칭을 그대로 사용하였다.