Characteristics of Large-Scale Fault Zone and Quaternary Fault Movement in Maegok-dong, Ulsan

울산 매곡동 일대의 대규모 단층대 특성과 제4기 단층운동

Abstract

Structural analysis for a large-scale fault in Maegok-dong, Ulsan, was carried out based on filed-works to investigate the geometric and kinematic characteristics of the fault as well as its Quaternary slip. As results, a series of repeated stratigraphy, minor faults, fracture zones, and deformation band clusters are observed over a distance of about 100 m in the first studied site consisting of sedimentary rocks, which may indicate the damage zone of a large-scale fault in this site. In the second site, mainly composed of granitic clastic rocks, a large-scale thrust fault is expected based on low-angle dipping faults showing branched and/or merged patterns. Age of the last slip on this fault was restrained as after 33,275 ± 355 yr BP based on radiocarbon dating for organic material included in the gouge zone. Dimension of fault damage zone, dominant sense of slip, and age of the slip event associated with the fault suggest that these structures have a close relationship with the Ulsan Fault and/or Yeonil Tectonic Line, which are well-known large-scale neotectonic structural features around the study area. Therefore, it is necessary to study the characteristics of the faults in detail based on structural geology and paleoseismology in order to ensure seismic and geologic stability of the buildings under construction, and to prevent geologic hazards in this area.

울산광역시 매곡동 일대에서 새롭게 발견된 단층대의 기하학적, 운동학적 특성 및 제4기 단층운동에 대해 알아보고자 야외조사를 통한 지질구조분석을 실시하였다. 그 결과, 퇴적암이 분포하는 첫 번째 조사지점에서는 100 m 내외의 절취사면을 따라 반복층서, 소규모 단층, 단열대, 변형띠대 등이 연속적으로 관찰되고 있어, 이 지점은 대규모 단층의 손상대에 속하는 것으로 해석된다. 한편 주로 화강암 암편으로 구성된 쇄설성 퇴적층이 분포하는 두 번째 조사지점에서는 저각의 경사를 보이는 여러 조의 단층이 서로 분지 또는 결합하는 형태로 발달하고 있어 대규모 역단층이 발달하는 것으로 판단된다. 이 단층의 단층비지 내에 포함된 유기물의 방사성탄소연대에 기초해 추론된 단층의 최후기 운동시기는 33,275 ± 355년 전 이후로 제한된다. 이번 조사에서 확인된 단층대의 손상대 규모, 운동감각, 운동시기 등은 이 단층대가 연구지역 인근의 대규모 신기단층으로 알려진 울산단층 또는 연일구조선과 밀접한 관련이 있음을 시사한다. 따라서 연구지역 일대에 조성 중인 산업단지와 아파트를 비롯한 여러 시설물에 대한 지진 및 지질학적 안정성을 확보하고 이 지역에서의 지질재해에 대비하기 위해서는 보다 정밀한 구조지질학 및 고지진학 관점에서 이 단층에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

서 론

지질재해는 주로 발생 장소와 시점을 예측하기 어려운 지질학적 현상(지진, 산사태 등)에 기인하기 때문에, 큰 피해를 일으키는 자연재해에 속한다. 우리나라에서 가장 빈번하게 발생하는 지질재해 중 하나는 여름철 국지성 집중호우로 인한 산사태로, 특히 주택 및 사회기반 시설을 건설하면서 생겨난 절취사면의 붕괴로 인한 피해사례가 증가하고 있다. 한편 최근 10여 년 간 한반도 주변국에서 연속적으로 발생한 규모 7 이상의 대규모 지진(2004~2010년 인도네시아 수마트라 연속지진, 2009년 중국 쓰촨성 지진, 2011년 일본 도호쿠 지진, 2015년 네팔 구르카 지진 등)으로 인한 극심한 피해사례들이 보고되면서, 지진재해에 대한 국민적 관심이 매우 높아진 상황이다. 이에 따라 지질재해의 발생 요인을 규명하고 적절한 방재시스템을 구축하고자 하는 국가 및 지방자치단체 차원에서의 지질재해저감에 관한 연구의 중요성이 부각되고 있다(KIGAM, 2008; Chi et al., 2010; Rhee et al., 2012).

지질재해의 측면에서 가장 취약한 지질요소 중 하나는 대규모 단층대로, 이는 1) 산악 위주의 우리나라 지형 특성상 많은 인구밀집지역과 국가 주요시설물이 상대적으로 저지인 대규모 단층대를 따라 위치하고 있고, 2) 대규모 단층대는 수 백 m의 폭에 달하는 파쇄대, 즉 지반 및 지질안정성에 취약한 연약대로 구성되어 있으며, 3) 대규모 단층대에서의 지진은 강력한 지진동 및 지표변형을 수반할 수 있기 때문이다. 따라서 대규모 단층대의 분포 및 운동 특성을 파악하는 것은 지질재해를 실질적으로 줄이고 대비하는데 매우 중요한 문제로 판단된다.

고전적인 의미에서의 ‘단층(fault)’이라는 용어는 변위를 가진 개별적인 2차원의 평면구조를 가리키는 반면, 현대적 의미에서는 다양한 종류의 단층암 및 단열대/파쇄대로 구성된 3차원의 단층대를 가리킨다. 일반적으로 취성변형에 의한 상부지각에서의 단층은 대부분의 변위와 변형을 흡수하는 단층핵(fault core)과 단열 및 변형띠와 같은 2차적인 취성변형구조가 발달하는 손상대(damage zone)로 구성된다(Caine et al., 1996; Choi et al., 2009). 일부 대규모 단층대는 단층핵과 단층손상대가 반복되거나 이들의 특성이 복합적으로 나타나는 매우 복잡한 구성을 보이기도 하는데, 이는 주로 판구조 운동에 의한 반복적인 단층 재활성 및 이와 관련한 소규모 단층들이 연결 및 결합된 단층의 진화특성에 기인한다(Childs et al., 1997, 2009; Faulkner et al., 2003, 2010). 따라서 대규모 단층대가 관통하는 지역에서의 단층대 특성 조사 및 지질 안정성 평가 시 보다 면밀한 구조지질학 관점에서의 접근이 요구된다.

나아가 대부분의 지진은 이미 발달해 있는 신기단층의 재활성으로 유발되고 단층과 지진의 규모가 서로 비례관계를 보이는 것으로 알려지면서(Wells and Coppersmith, 1996; Kim and Sanderson, 2005), 신기지체구조운동과 관련된 대규모 단층의 활동이력을 이해하는 것이 지진재해를 예측하고 대비하는데 중요하다는 것을 인식하게 되었다(Kim et al., 2011). 즉, 지형 및 신기퇴적층에 기록된 단층운동의 증거를 통해 과거에 발생한 지진의 규모, 위치, 시기 등을 추론하는 고지진학적 관점에서의 조사를 수행하고, 이를 바탕으로 잠재적인 지진재해에 대비할 수 있는 기술을 습득할 필요가 있다. 특히 이러한 연구는 지진 및 지질학적 안정성에 매우 민감한 국가주요시설물 또는 대형 지진재해가 발생할 수 있는 인구 및 산업시설 밀집지역의 부지 조사 및 평가 시 매우 큰 도움을 줄 수 있다.

이번 연구에서는 최근 울산광역시 북구 매곡동 일대의 산업단지 조성공사로 인해 새롭게 노출된 대규모 단층대에 대해 조사하였다. 우선, 야외지질조사를 통해 단층대에서 관찰되는 소규모 단층, 단열, 변형띠 등의 다양한 지질구조에 대한 기하학적 및 운동학적 분석을 실시하였다. 또한 이 단층대의 연장선상에 위치한 절취사면에서 새롭게 확인된 제4기 단층운동의 운동감각과 활동시기에 대한 분석을 시도하였다. 특히, 이번 연구지역은 기존에 알려진 한반도 남동부의 대규모 신기구조선인 울산단층 및 연일구조선의 연장선상에 위치하여 이 단층과 기존 구조선과의 상관성 및 신기지체구조운동의 특성을 이해하고자 하였다. 이를 바탕으로 현재 조성 중인 산업단지를 비롯한 연구지역의 전반적인 지진 및 지질학적 안정성에 대해 검토하였다.

 

연구지역의 지형 및 지질

유라시아판의 내부에 위치한 한반도 남동부 일원은 신생대 이후 비교적 활발한 지각변형을 겪었으며, 이는 주로 태평양판과 필리핀판의 섭입 및 인도판 충돌의 영향으로 알려져 있다(Yoon and Chough, 1995; Jin and Park, 2007; Fig. 1). 이러한 지각변형을 주도한 주요 지질구조로는 양산단층과 울산단층이 있으며, 이들 단층의 동측부에 발달하는 연일구조선과 오천단층 또한 마이오세 분지의 형성을 비롯한 주요 지체구조운동을 제어한 것으로 알려져 있다(Yoon and Chough, 1995; Chough et al., 2000; Son et al., 2013; Fig. 1b). 이들 단층대를 따라 역사지진 및 계기지진이 비교적 높은 규모와 빈도의 분포특성을 보이고(Lee and Yang, 2006; Houng and Hong, 2013), 다수의 지점에서 제4기 단층운동이 보고된 바 있다(Kee et al., 2009; Fig. 1b). 계기지진의 진앙분석 및 제4기 단층운동에 대한 응력장 분석 결과는 주로 동-서 내지 동북동-서남서 방향의 압축력에 의해 이들 단층대(또는 그 주변에 존재하는 소규모 단층)들이 재활성하는 운동특성을 보인다(Choi et al., 2001; Ree et al., 2003; Park et al., 2007; Jun and Jeon, 2010; Fig. 1a).

Fig. 1.(a) Locality map of the study region. Bars indicate present day maximum horizontal stress orientations, with fault types determined by focal mechanisms from 40 earthquakes greater than or equal to MW 3 from 1996 to 2014 (from the Saint Louis University Earthquake Center). (b) Simplified regional geologic map of the Gyeongsang Basin, SE Korea (modified from Chough and Sohn, 2010; Son et al., 2013).

연구지역은 울산단층의 중부 및 연일구조선의 남부에 위치하며, 이 지역은 울산단층의 단층대 내에 위치한 다수의 지점(말방, 개곡, 입실, 원원사, 모화, 이화, 화정, 차일단층지점)에서 제4기 단층운동이 확인된 바 있다(Figs. 1b, 2). 울산단층은 경주시와 울산시 동부를 잇는 남-북 내지 북북서-남남동 방향의 단층곡 및 동측 지괴의 융기를 지시하는 지형학적 특성을 통해 그 존재가 추정되나, 지구물리탐사 및 야외지질조사 등을 통해 대규모 단층대의 내부 특성을 직접적으로 지시하는 연구결과는 아직 불충분하다. 한편 연일구조선은 전기 마이오세 포항분지, 와읍분지, 울산분지의 서측 경계를 따라 발달하는 수 십 m 폭의 연속적인 단층파쇄대를 통해 확인된 바 있으며, 울산단층으로부터 2-5 km 동쪽으로 떨어져 발달한다(Kim et al., 1998; Son et al., 2002). 연구지역 인근에서 보고된 제4기 단층운동은 주로 동측의 기반암 지괴가 서측의 화강암 암편을 다량 포함한 쇄설성 퇴적층인 붕적층 또는 하안단구층을 충상하는 역단층성 기하를 보이며, 현재까지 밝혀진 최후기 운동시기는 30만 년 전 이후에서 수천 년 전까지로 비교적 최신까지도 단층운동이 있었음을 지시한다(Kee et al, 2009; Kyung, 2010).

Fig. 2.An oblique view displaying major geomorphic and structural features around the study area. Note that geomorphic features can be mainly classified into three categories: fault valley, its eastern mountainous part, and mountainfoot alluvial fans between them. Ulsan Fault and Yeonil Tectonic Line are the major faults around the study area. Solid lines indicate tectonic fautls and/or lineaments.

연구지역 일대의 지형은 1) 약 2 km 폭의 단층곡, 2) 험준한 산악지형을 보이는 동측 지괴, 3) 주로 동측 지괴에서 유래되어 서쪽으로의 완만한 경사를 보이는 충적선상지로 구분된다(Fig. 2). 이러한 지형 특성은 주로 남-북 방향의 단층대와 평행하게 발달하며, 따라서 지형이 지질구조의 특성을 반영하는 것으로 판단된다. 한편 이들 지형 특성은 중점조사지역인 매곡일반산업단지를 중심으로 다소 불연속적인 특성을 보이는데, 1 km 내외의 폭을 갖는 왼쪽으로 건너뛰는 분절 양상을 보인다(Fig. 2). 이는 위성사진 상에서 관찰되는 선형구조의 분절양상과 일치한다.

연구지역의 지질은 하위로부터 경상분지에 속하는 백악기 하양층군의 퇴적암류, 이를 관입/분출한 불국사화강암류 및 고제3기 화산암류, 전기 마이오세 연일층군에 대비되는 퇴적암류로 구성되어 있다(Chough and Sohn, 2010; Son et al., 2013). 이들을 피복하는 제4기 충적 퇴적층은 주로 단층곡과 동측 지괴로부터의 선상지 및 하천을 따라 분포한다. 지질 특성 또한 중점조사 지역을 중심으로 큰 차이점을 보이는데, 북측으로는 화강암류가 주로 분포하는 반면, 남측으로는 퇴적암류가 분포한다. 또한 차일단층지점을 제외한 인근의 기보고된 모든 제4기 단층지점들은 중점조사지역의 북측에 분포한다.

이러한 지형 및 지질 특성들로 미루어볼 때 연구지역은 이 지역의 대규모 신기단층으로 알려진 울산단층 및 연일구조선의 운동특성을 밝히기에 적합한 지역이다. 따라서 이번 연구에서는 서로 다른 종류의 기반암을 보이는 2개의 지점에 노출된 단층대에 대한 구조분석을 중점적으로 실시하였다. 또한 이들 지점은 최대 3 km의 폭에 달하는 단층곡 및 선상지가 발달한 지역으로 최근 울산시의 도시확장에 의한 택지 및 산업단지가 조성되고 있어 지반 및 지질공학적 의미에서도 중요하다.

 

단층대 지질구조 분석

대규모 단층대 분석(Site. 1)

첫 번째 중점조사지점은 매곡일반산업단지의 남부에 조성 중인 새로운 산업단지 부지에 노출된 다양한 방향의 절취사면을 중심으로 이루어졌다(Fig. 3). 대체적으로 퇴적암류로 구성되어 있으나, 서로 다른 연대와 특성을 보이는 지층이 반복적으로 분포하고, 이들 지층의 자세가 다양하게 관찰된다. 따라서 이번 조사에서는 각 지층의 분포 특성 및 서로 다른 암상에 따라 관찰되는 특징적인 지질구조의 발달특성을 중심으로 기재하였다.

Fig. 3.Satellite image (a) and photographs (b-d) of the study site-1. Structural analysis was mainly carried out on cut-slopes showing variations in lithology and deformation structures.

우선 조사지점의 중심에 이 지역의 기반암인 백악기 퇴적암이 분포하고, 층 두께는 50 m 내외에 달한다(Fig. 3b). 이들은 대체적으로 괴상의 견고한 암상 특성을 보이는데, 이는 백악기 이후 조사지역 인근에서 발생한 관입활동에 의한 접촉변성작용으로 판단된다. 퇴적암류 내에는 수 cm 폭의 단층비지와 단층각력암이 발달하는데 이를 통해 다수의 소규모 단층이 발달함을 알 수 있다(Fig. 4). 또한 비교적 높은 밀도의 단열이 발달한다. 소규모 단층들은 주로 북북동-남남서 방향의 주향을 보이고 동쪽으로 약 60° 경사하며, 이들 단층의 주향은 울산 단층대 내에서 지형변위를 보이는 선형구조 방향과 비교적 평행하다. 이러한 소규모 단층 및 단열대는 암색으로 구별되는 서로 다른 풍화정도의 경계부에 발달하고 있어, 취성 지질구조가 암석 내 유체의 이동에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.

Fig. 4.Photographs and simple sketches of the fault zones in Cretaceous sedimentary rocks. See the locations in Figure 3d. Most of structures, such as slip surfaces, gouge zones, breccias, and fractures, are closely related to the internal architectures of fault zones.

백악기 퇴적암의 서측 경계부에는 암석의 색과 고화정도에서 뚜렷이 구별되는 흑색의 이암이 단층접촉 관계를 보인다(Figs. 3b, 5a). 이암 층 내에는 연안에서 서식하는 마이오세 시기의 연체동물 화석으로 알려진 Vasticardium ogurai, Mercenaria chitaniana, Dosinia(Phacosoma) nomurai 등과 유사한 화석이 다수 관찰되어, 이 지층의 퇴적시기를 추론할 수 있다(Yoon, 1979; Fig. 5b). 이 지층 내에서 다수의 소규모 단층이 관찰되는데, 이들 단층의 자세는 이 층의 전반적인 층리인 남-북 방향의 주향 및 동쪽으로의 경사방향과 평행하다(Fig. 5). 주변 암층에 비해 비교적 다수의 미끌림면 및 전단대가 집중되는 것으로 미루어 변형작용이 주로 상대적으로 연약한 이 지층을 따라 집중된 것으로 판단된다.

Fig. 5.Photographs and simple sketches of the fault-related structures in a mudstone layer. See the locations in Figure 3a and 3b. (a) Thrust-over of the Cretaceous rocks on the mudstone layer. (b) One of the Tertiary molluscan fossils. A series of minor faults (c), shear fabrics (d), and bedding parallel faults (e-f) are densely developed in the mudstone layer, and this implies that strain localization has occurred in the mudstone layer.

한편 흑색 이암층의 서측부에는 비교적 고각의 층리를 가진 사암층이 분포한다(Fig. 6). 이 지층 내에는 얕은 바다환경을 지시하는 퇴적구조인 온코이드(oncoid)가 관찰되며, 따라서 연구지역 일대의 지질을 고려할 때 이지층 또한 마이오세에 형성된 해성 퇴적암으로 판단된다. 이 지층 내에서 다공질 사암에 잘 발달하는 변형특성 중 하나로 알려진 변형띠(deformation band)가 다수 관찰된다(Fossen et al., 2007). 이들 변형띠는 수 cm 내외의 변위를 보이며, 정단층 및 역단층 운동감각을 모두 보인다. 한편 층리를 수평으로 복원할 경우 모든 변형띠가 60° 내외의 경사를 보이는 정단층 운동감각을 보이는데, 이는 정단층 작용과 관련된 변형띠가 이후 지층의 기울어짐과 관련되어 재변형되었을 가능성을 시사한다.

Fig. 6.Photographs and simple sketches of fault-related deformations; tilted beddings and deformation bands, in Tertiary sandstone layers. See the locations in Figure 3d.

이 사암층은 앞서 언급된 백악기 퇴적암의 동측부에도 분포하지만(Fig. 3d), 층리가 비교적 수평에 가까운 점에서 서측부에서 분포하는 사암층과 구분된다. 이 지층 내에는 비교적 높은 밀도의 변형띠가 망상으로 발달하는데, 대체적으로 북북서-남남동 방향의 주향이 우세하다(Fig. 7). 일부 변형띠를 따라 정단층의 변위가 관찰되며, 이러한 변위대의 내부 및 주변에서 주로 군집대를 이룬다. 이들은 기존의 연구들과 유사하게 특징적으로 변위대 및 변형띠대에서 멀어질수록 변형띠의 밀도가 감소하는 양상(Chester and Logan, 1986; Chester et al., 1993; Caine et al., 1996)과 이들의 하반에 비해 상반에 변형띠가 집중되는 양상(Knott et al., 1996; de Joussineau and Aydin, 2007)을 보이는데, 이는 이 사암층 내에 발달하는 변형띠와 단층작용과의 관련성을 강력히 지시한다(Fig. 7).

Fig. 7.(a) Photograph and simple sketch of the DBCZ (Deformation Band Cluster Zone) in a Tertiary sandstone layer. Deformation bands are characterized by a dominant trend of NW-SE direction. See the locations in Figure 3c. (b) A detailed view of the DBCZ. Distribution of deformation bands is characterized by higher density around the DBCZ, and in hanging-wall than footwall. This implies that the DBCZ is closely associated with fault movement.

한편 이 사암층 내에는 부분적인 탈색대가 발달하는데, 대체적으로 수평에 가까운 층리를 따라 관찰된다(Fig. 8). 따라서 투수율이 높은 일부 지층을 따른 유체의 이동과 관련된 화학적 변질로 인한 탈색현상으로 판단된다. 그러나 이러한 탈색대는 변형띠가 발달하는 부분을 중심으로 매우 불규칙한 형태를 보이며 휘어지는 양상을 보이기도 하는데, 이는 변형띠와 같은 지질구조가 유체유동에 영향을 미쳤음을 지시한다.

Fig. 8.(a) Photograph and simple sketch of the bleached layers by fluid flow in a Tertiary sandstone layer. See the location in Figure 3c. (b-d) Detailed views for complexity and/or irregularity of the bleached layers at the intersections with deformation bands.

첫 번째 지점에서의 조사 결과를 종합적으로 살펴보면 다음과 같다. 우선, 마이오세 퇴적암 지층이 백악기 퇴적암 지층의 상하위에 모두 분포한다. 특히 백악기 퇴적암 지층의 서측 경계부는 마이오세 퇴적암 지층을 충상하는 역단층 접촉관계를 보이며, 그 서측부에 분포하는 대부분의 지층들은 고각의 층리를 보인다. 따라서 조사지역의 퇴적암체가 단순한 정합관계가 아닌 구조적으로 반복된 층서관계를 가지는 것으로 판단된다. 또한 연구지점 전반에 걸쳐 소규모 단층, 단열대, 변형띠대 등의 지질구조가 연속적으로 관찰되며, 이들에 의해 제어된 것으로 판단되는 유체이동에 의한 탈색대가 관찰된다. 결론적으로 이는 단층손상대의 전형적인 특성으로, 이 지점 전반에 걸쳐 관찰되는 층서 및 구조적 특성은 이 지점이 대규모 단층의 단층손상대에 속한다는 것을 지시하는 것으로 해석된다.

제4기 단층운동 분석(Site. 2)

두 번째 중점조사는 매곡일반산업단지의 북부에서 실시되었으며, 주로 남-북 방향의 절취사면을 중심으로 이루어졌다(Fig. 9). 이 지점은 견고한 암체가 아닌 화강암 암편을 다량 포함하는 쇄설층으로, 역의 분급이 매우 불량하고 일부 거력을 포함하며 대체적으로 미고결된 특성을 보인다. 따라서 주변 화강암체의 침식 및 풍화에 의해 공급된 퇴적물이 비교적 신기에 선상지나 산록층으로 퇴적된 결과인 화강암 붕적층 또는 그라니트 워시(granite wash)로 판단된다. 일부 층들은 주로 흑색을 띄며 앞서 언급한 붕적층과 구분되는데, 이 층 내에는 화강암을 비롯해 화산암, 퇴적암 등 다양한 종류의 역들이 포함되어 있다. 이들 쇄설성 퇴적층 내에는 수평에 가까운 저각의 단층이 다수 발달하는데, 그 중 단층대가 잘 관찰되는 두 개의 절취사면을 중심으로 단층의 운동특성 및 최후기 운동시기에 대해 중점적으로 조사하였다.

Fig. 9.Satellite image (a) and photographs (b) of the study site-2. Quaternary colluvium deposits are cut by a large-scale thrust fault, and fault analysis is focused on its geometric and kinematic characteristics and the age of the last slip event.

첫 번째 절취사면에는 북동-남서 방향의 주향을 보이는 2조의 단층이 발달하며, 이들은 모두 북서 방향으로 30° 미만의 각도로 경사한다(Fig. 10a). 이들 단층의 경사방향은 제4기 단층운동이 확인된 연구지역 인근의 다른 단층들과는 반대이다. 이 두 단층의 흥미로운 점 하나는 두 단층이 서로 절단관계가 아닌 분지 또는 결합하는 양상을 보인다는 점이다(Fig. 10b). 단층핵은 주로 단층비지대로 구성되는데, 최대 30 cm의 두께를 보이며, 화강암을 비롯한 다양한 암석의 역을 포함한다(Fig. 10c). 이들은 서로 다른 색으로 구분되는 3 조의 단층비지대로 구성되며, 일부 단층비지는 이후의 단층운동에 의해 다시 변형된 특성을 보인다(Fig. 10c). 단층비지대에서 관찰되는 단층조선은 대체적으로 미끌림면의 주향에 수직한 방향이다(Fig. 10d).

Fig. 10.(a) Photograph and simple sketch of two low-dipping faults. See the location in Figure 9. (b) Two faults are geometrically characterized by branched and/or merged pattern. (c) Fault core is mainly composed of several different gouge zones. (d) Slickenlines on gouge zones are perpendicular to the strike of slip surface. Note that all these characteristics indicate that this fault has repeatedly underwent thrust movements.

첫 번째 사면에서 동쪽으로 약 50 m 떨어진 지점에서는 대형 굴착작업으로 인해 단층의 3차원적인 기하특성이 잘 관찰된다(Fig. 11a). 가장 흥미로운 점은 단층비지대가 발달함으로써 그 존재가 확인되는 단층이 주로 앞서 언급한 흑색의 붕적층 내에 서 수평에 가까운 저각의 경사각으로 발달하는 것이다(Fig. 11b~d). 이 단층의 단층비지대 또한 화강암 각력과 자갈을 포함한다. 일부 단층비지대 내에는 붕적층의 퇴적 및 단층비지의 주입등으로부터 유래된 것으로 판단되는 유기물을 포함한다(Fig. 11e). 이러한 유기물은 그 연대를 측정함으로써 붕적층의 퇴적시기 또는 단층비지의 주입시기를 제한할 수 있으며, 이는 결국 단층 운동시기의 하한을 추론할 수 있음을 의미한다. 따라서 단층비지대 내에서 채취된 유기물 시료에 대한 방사성탄소연대측정법을 시도하였으며(Beta Analytic Inc.), 그 결과는 33,275 ± 355 cal yr BP를 나타낸다(Fig. 11f).

Fig. 11.(a) Overview of the studied sections displaying 3D geometry of a thrust fault. See the location in Figure 9. (b, c) Photographs of and simple sketches of the thrust fault in the western and northern sections, respectively. (d) Photograph of and simple sketch of the thrust fault in the eastern section. In all sections, the thrust fault is sub-horizontal, and is mainly developed within a blackish colluvium layer. (e) Charcoals sampled in the fault gouge zone for radiocarbon dating analysis. (f) Result of the age dating shows the calibrated age of 33,275 ± 355 cal yr BP, and this indicates that the last slip event along this fault has occurred after at least about 30 thousand years ago.

두 번째 중점조사지점의 여러 절취사면에서 관찰되는 단층들은 대체적으로 수평에 가까운 저각의 경사를 보이고, 미끌림면 상의 단층조선이 경사이동단층운동을 지시하며, 서로 분지 및 결합하는 기하 특성을 보인다. 따라서 조사지점 전반에 걸쳐 광역적인 압축응력이 작용한 것으로 해석되며, 그 결과 다수의 역단층들이 발달한 것으로 판단된다. 특히 일부 서쪽으로 경사하는 단층들은 이 일대에서 동측 지괴의 융기를 주도한 것으로 알려진 단층의 경사방향과 반대되는 점이 흥미롭다. 이는 이러한 역단층들이 주단층에 작용하는 압축응력을 해소하기 위하여 발달한 소규모의 2차 단층임을 지시하는 것으로 판단된다. 한편 단층핵이 서로 다른 단층비지대로 구성된 점과 방사성탄소연대측정결과을 바탕으로 이 역단층은 화강암 붕적층이 퇴적된 이후에도 반복적인 단층운동을 겪었으며, 일부 가지단층을 따른 최후기 단층 운동시기는 3만 3천 년 전 이후로 추론된다.

 

토 의

대규모 단층대와의 상관성

이번 연구에서 새롭게 확인된 단층대의 가장 큰 특성중 하나는 폭 100 m 이상의 대규모 단층대가 발달한다는 점과 제4기 단층운동이 관찰된다는 것이다. 특히 단층대의 연장선상을 따라 약 1.2 km 떨어진 두 조사지점에서 매우 다른 양상의 단층 기하특성이 나타나는데, 이는 서로 다른 기반암의 특성에 제어된 것으로 판단된다. 남측부의 퇴적암 지역에서는 비교적 강도가 약한 이암층을 따라 변위 및 단층운동과 관련된 변형작용이 집중된 것으로 판단된다. 반면 주로 미고결의 화강암 붕적층이 분포하는 북측부 지점에서는 지표 가까이에서 수평에 가까운 저각의 단층이 서로 분지 또는 결합하는 전형적인 역단층을 보인다.

연구지역 일대에 대규모 신기단층으로 알려진 울산단층이 발달하는 점을 감안할 때, 이 단층대는 그 동안 선형구조 분석과 물리탐사 등과 같은 간접적인 자료를 통해서만 그 존재가 추정되어 왔던 울산단층(Lee and Um, 1992; Song and Kyung, 1996; Okada et al., 1998)의 단층대 일부인 것으로 판단된다. 이러한 해석은 야외지질조사에서 관찰된 반복층서와 단층의 기하학적 및 운동학적 특성 등이 울산단층의 주요 운동감각으로 알려진 역단층 운동과 밀접한 관련이 있다는 점에 의해 뒷받침된다. 특히 동측 지괴의 융기를 주도한 울산단층대 내 단층들이 주로 동쪽으로 경사하는 반면, 이번 조사에서 확인된 일부 소규모 역단층이 서쪽으로 경사하고 있는 것은 울산단층의 반향 역단층(back thrust)으로 해석이 가능하다.

조사지점의 위치는 대규모 단층파쇄대로 발달하는 연일구조선의 남측 연장성상(Kim et al., 1998; Son et al., 2002) 및 17 Ma 경 형성된 마이오세 울산분지의 최북단 경계부에 속한다(Son et al., 2013). 따라서, 연일구조선의 존재자체 및 울산단층과의 구분에 대한 학자들 간에 이견이 있긴 하지만, 새롭게 관찰된 단층대가 연일구조선에 해당될 가능성 또한 배제할 수 없다. 또한 위성사진 상에서 관찰되는 지형특성과 분절양상 등을 고려하면 연구지역 일대에서 울산단층과 연일구조선이 분지/결합하는 것으로 해석할 수 있다(Fig. 2). 나아가 지금까지 분리되어 연구되어온 울산단층과 열일구조선이 하나의 대규모 단층대에 속하나, 신생대 이후 겪은 일련의 단층성장 및 진화과정으로 인해 그 특성을 달리 보이는 것으로 해석할 수 있다. 보다 정확한 해석을 위해서는 지금까지 제안된 울산단층 및 연일구조선을 가로 지르는 단층대의 내부 구성에 대한 면밀한 검토와 조사가 요구된다.

연구지역 일대의 제4기 단층운동

연구지역 일대는 지금까지 한반도에 보고된 제4기 단층지점이 가장 집중적으로 분포하는 곳 중 하나이다. 연구지역 일대의 제4기 단층들은 동-서 내지 동북동-서남서 방향의 최대압축력에 의한 역단층이 우세하며, 이는 최근 발생하고 있는 지진의 단층운동감각과 유사하다(Kyung, 2010). 이번 연구에서 확인된 단층이 매우 최신기까지 활동한 것으로 추론됨에 따라, 연구지역 일대 각각의 제4기 단층지점에서 획득된 단층의 운동시기에 대한 연구결과를 살펴보았다. 신기의 지질학 연대에 대해 보다 신뢰할 수 있는 절대연대측정법으로 알려진 방사성탄소 및 루미네센스(OSL)에 기초한 자료를 주로 수집 하였으며, 북부지점으로부터 그 결과를 정리 및 요약하면 다음과 같다.

1) 말방지점에서의 단층운동은 25,000 yr BP에 형성된 것으로 추론되는 극저온층을 절단하므로, 최후기 단층운동은 그 이후로 판단된다(Kyung, 1997). 2) 개곡지점에서의 단층은 31,250 ± 420 및 30,680 ± 450 yr BP의 퇴적층을 절단하고, 이후 7,470 ± 40 yr BP의 퇴적층을 다시 절단한다. 그러나 2,290 ± 40 yr BP의 하상 퇴적층에 피복되어 있으며, 따라서 약 3만 년 전 이후부터 약 2천 년 전까지 최소 2회의 단층운동을 겪은 것으로 해석된다(Inoue and Choi, 2006). 3) 입실단층지점에서의 단층운동은 27,000 및 39,100 ± 2,000 yr BP의 하안단구층을 절단하는 최후기 단층운동을 겪었다(Kee et al., 2009). 4) 원원사 지점의 경우 단층에 의해 절단된 퇴적층이 34 ± 2 및 33 ± 2 ka의 OSL 연대와 33,270 ± 230 yr BP의 방사성탄소연대를 보임에 따라, 그 이후에 최후기 단층운동을 겪은 것으로 보인다(Chwae et al., 2000). 5) 이화지점에서의 최신기 단층운동은 단층 비지대에 대한 ESR 연대측정을 통해 획득되었으며, 그 결과는 660 ± 50 ka이다(Lee and Schwarcz, 2001). 6) 화정지점의 트렌치 조사에서 24 ka의 화산회 층이 단층을 피복하고 있어, 이 지점에서의 최후기 단층운동은 적어도 2만 4천년 이전으로 판단된다(Inoue and Choi, 2006). 7) 차일지점에서의 단층은 47,363 ± 12,535 yr BP의 탄화물이 포함된 퇴적층을 절단하여, 최후기 단층운동은 적어도 5만 년 전 이후로 판단된다(Son et al., 2001).

이러한 결과를 종합해 볼 때, 대부분의 지점에서 약 3만년 이후의 단층운동이력을 확인할 수 있으며, 이러한 특성은 이번 연구에서 새롭게 발견된 단층대에서 추론된 연대가 기 보고된 최후기 운동시기와 비교적 잘 일치한다는 것을 보여준다. 특히 흥미로운 점 중 하나는, 보다 면밀한 검토가 필요하겠으나, 조사지점의 남측부에 위치한 차일지점에서의 결과와도 어느 정도 유사한 결과를 보인다는 점이다. 이번 연구지역 일대가 제4기 단층지점의 분포 및 지형특성을 바탕으로 대체적으로 울산단층의 중부와 남부를 구분하는 경계부임을 감안할 때, 이번 연구의 결과는 울산단층의 분절화 연구에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 사료된다.

지질공학적 의미와 중요성

연구지역 일대에는 면적 약 550,000 m2에 달하는 매곡일반산업단지가 위치하고 있으며, 주변으로 기존 산업단지의 확장 및 새로운 도시개발구역이 조성되고 있다. 그 외에도 연구지역을 남-북 방향으로 관통하는 도로 및 터널 등이 건설 중에 있다. 한편 이러한 부지 및 시설물의 위치는 이번 조사를 통해 확인된 대규모 단층손상대, 즉 연약지반인 심한 파쇄대 내에 속한다. 추가적으로 동측 지괴 내에 건설 중인 터널의 경우 대규모 단층대의 상반에 해당되는데, 일반적으로 단층의 상반은 하반에 비해 파쇄대의 폭이 더 넓게 발달하며 지진동에 의한 피해가 더 큰 것으로 알려져 있다.

앞서 언급한 바와 같이 연구지역 일대는 신기지체구조운동에 의한 지각변형 및 지진활동이 비교적 활발하게 진행되고 있다. 따라서 대규모 산업단지 및 국가시설물에 대한 합리적인 건설과 효율적인 운용을 위해서 지진 및 지질학적 안정성에 대한 고려가 더욱 필요할 것으로 사료된다. 특히 울산단층과 연일구조선의 상관성 및 운동 특성을 이해함과 더불어 이들 대규모 단층대를 따른 신기의 단층이력에 대한 보다 정밀한 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다. 결론적으로 신기지체구조운동 특성을 기초로 한 구조지질학 및 고지진학적 접근을 통해 지반 및 지질공학적 안정성을 평가하여, 지질재해에 보다 적극적으로 대비하여야 그 피해를 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

 

결 론

울산광역시 북구 매곡동 일대에 발달하는 대규모 단층대의 기하 및 운동특성을 파악하고자 야외지질조사를 실시하였다. 또한 이 단층대 주변에서 새롭게 확인된 제4기 단층운동에 대해 알아보고자, 단층비지대 내에 포함된 유기물에 대한 방사성탄소연대측정을 실시하였다. 이들 조사결과를 토대로 연구지역 일대의 대규모 신기단층 및 신기지체구조운동에 대해 이해하고자 하였으며, 이를 바탕으로 연구지역 일대에 조성 중인 시설물에 대한 지진 및 지질공학적 안전성에 대해 논의하였다. 이를 통해 얻어진 결론을 정리하면 다음과 같다.

1) 퇴적암이 분포하는 조사지점의 전반에 걸쳐 반복층서가 관찰되며 비교적 높은 밀도의 소규모 단층, 단열, 변형띠 등이 연속적으로 발달하는 것으로 미루어, 울산단층 또는 연일구조선과 같은 대규모 단층대의 단층손상대에 속하는 것으로 판단된다.

2) 두 번째 조사지점에의 대규모 단층대는 서로 분지/결합하는 여러 조의 역단층으로 구성되어 있으며, 이는 비교적 신기에 퇴적된 화강암 붕적층을 절단한다. 단층의 운동시기는 약 3만 년 전 이후로 추론되며, 이는 연구지역 인근의 제4기 단층운동에 대한 이전의 연구결과와 매우 유사하다.

3) 두 조사지점에서 확인된 단층의 기하특성이 차이를 보이는 것은 기반암이 가지는 암질의 차이에 의한 것으로 판단된다. 반면 반복층서, 저각의 단층경사, 단층면에 수직한 단층조선 등의 운동 특성을 바탕으로 추론한 대규모 단층대의 운동감각은 역단층이 우세하며, 이는 울산단층을 따라 발견된 제4기 단층의 운동감각 및 최근 발생한 지진의 단층운동감각과 일치한다.

4) 이번 연구를 통해 확인된 단층대의 규모와 신기단층운동을 감안할 때, 연구지역 일대에 조성 중인 산업단지의 지진 및 지질학적 안전성을 확보하는 노력이 요구된다. 특히 대규모 단층대의 특성에 기초한 구조지질학 및 고지진학 관점에서의 연구는 앞으로 발생할지 모르는 지질재해를 줄이는 데 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.