1. 서론

활성단층(active fault)은 최근 지질시대에 활동하였으며, 가까운 미래에도 재활동할 가능성이 있는 단층을 의미한다(Keller and Pinter, 2002). 활성단층의 기준은 국가별 지구조 환경과 지진 발생 특성에 따라 다소 차이를 보이며, 좁게는 홀로세 동안 활동한 단층을 의미하고 넓게는 제4기에 활동한 단층을 의미한다. 때에 따라서는 약 5만 년 이내에 한 번 이상 혹은 50만 년 이내에 두 번 이상의 활동이 있었던 단층을 활동성 단층으로 분류하기도 한다(임창복 등, 2004; 김영석 등, 2011).

우리나라는 판 내부에 위치하고 중규모(≥M4.0) 이상의 지진 발생 빈도가 상대적으로 낮다는 인식으로 인해 지진 위험성에 대한 사회적 관심이 크지 않았으며, 활성단층 연구 또한 미국이나 일본과 같은 활성단층 연구 선진국보다 상대적으로 부족했다. 그러나 2016년 경주 지진(M5.8)과 2017년 포항 지진(M5.4)을 계기로 국내에서도 지진 위험성에 대한 인식이 크게 변화하였으며, 활성단층 조사와 지도 제작의 필요성이 학계와 사회 전반에서 강조되고 있다. 일반적으로 중규모 이상의 지진은 활성단층에서 발생한다고 알려져 있으며(최진혁 등, 2017; 김영석 등, 2011; Slemmons and McKinney, 1977), 이에 따라 지진방재 선진국에서는 활성단층을 체계적으로 조사하고 지도화하여 지진 재해 대응을 위한 기초 자료로 활용하고 있다.

활성단층의 조사와 추적은 단층의 분포와 기하학적 특성뿐 아니라 지형 발달 과정, 지각 물성, 지질구조 등 다양한 요소를 종합적으로 고려하여 수행된다. 특히, 제4기 지형의 변형 여부는 활성단층을 판단하는 중요한 기준으로 활용되며, 이러한 지형 변형은 지표에서 선형적인 형태의 지형 특징, 즉 선형구조(lineament)로 나타나는 경우가 많다. 따라서 활성단층 연구에서는 선형구조 분석을 통해 단층의 존재 가능성을 추정하고, 이후 구조지질학적 조사나 지구물리탐사 등을 통해 실제 단층의 존재 여부를 확인하는 연구 절차가 일반적으로 적용된다(김영석 등, 2020). 최근에는 지형학, 구조지질학, 연대측정학, 지구물리학 등 다양한 분야의 연구자들이 참여하는 학제 간 연구가 확대되면서 국내 활성단층 연구가 점차 발전하고 있다(김영석 등, 2020; 최승찬 등, 2021; 이성준 등, 2022).

선형구조 분석은 활성단층 연구에서 가장 기본적인 단계로 활용됐으며, 국내외를 망라하고 초기 연구에서는 항공사진이나 지형도를 이용한 ‘시각적 판독’을 통해 선형구조를 추출하였다. 이후 GIS와 원격탐사 자료의 활용이 확대되면서 수치표고모델(DEM), LiDAR(Light Detection and Ranging), 위성영상 자료 등을 활용한 디지털 기반 분석과 자동추출 기법 등이 사용되고 있으며, 분석 자료와 방법의 변화로 선형구조 분석의 정량성과 재현성이 다소간 향상되었다. 그러나 이러한 방법에도 한계가 존재한다. 시각적 판독의 경우 연구자의 경험과 판단에 따라 결과가 달라질 수 있으며 같은 지역에서도 연구자에 따라 선형구조의 개수, 길이, 주향 등이 다르게 산출될 수 있다. 자동추출 기법 또한 사용하는 영상 자료의 특성과 알고리즘 설정에 따라 결과가 달라질 수 있으며(이민부･김남신, 2002), 추출된 선형구조가 실제 단층 활동과 관련된 것인지를 직접 판단하기 어렵다는 한계를 지닌다(오정식･김동은, 2019). 따라서 자동추출 결과는 주로 지반운동과 이와 관련한 지형 발달에 대한 간접적 해석자료 혹은 복수의 연구자료로 사용될 수 있으며, 활성단층 추적에 직접 활용하는 데는 한계가 있다(김동은･오정식, 2026).

또 다른 한계는 선형구조가 단층뿐 아니라 하천의 침식, 암상경계, 구조선 등 다양한 요인에 의해 형성될 수 있어, 그 존재만으로 단층 관련성을 판단하기 어렵다는 점이다. 특히, 넓은 지역에서 수백~수천 개에 이르는 선형구조가 추출되는 경우, 실제 단층 활동과 관련된 선형구조를 선별하는 체계적인 기준은 아직 충분히 정립되어 있지 않다. 특히, 국내와 같은 판 내부 환경에서는 단층 활동에 수반한 지형의 변형이 미약하게 나타나는 경우가 많아, 선형구조 추출만으로 활성단층과 직접 관련된 선형구조를 판별하는 데는 한계가 있다. 따라서 국내 활성단층 연구에서는 광역적으로 추출된 다수의 선형구조 중에서 실제 단층 활동과 관련될 가능성이 큰 선형구조를 단계적으로 축소･선별하고, 제한된 현장조사 자원을 효율적으로 활용할 수 있는 국내 환경에 적합한 단계적 평가 절차의 정립이 요구된다. 즉, 선형구조 분석 결과는 이후에 수행되는 야외조사나 지구물리탐사의 효율성에 직접적인 영향을 미치므로 선형구조 분석 결과를 단층 관련 지형(fault-related landforms)이나 현생 응력장(current stress-field)과 같은 지형･지질학적 정보와 결합하여 해석하는 과정이 필요하다.

한편, 국내의 활성단층 연구는 그동안 양산단층과 울산단층을 중심으로 한 한반도 동남부 지역에서 주로 이루어졌으며(예, 최진혁 등, 2009; 김영석 등, 2011; 신재열 등, 2019; 이초희 등, 2019; 천영범 등, 2020; 홍영민 등, 2021), 충청권을 포함한 한반도 중부 지역은 상대적으로 연구가 부족한 실정이다. 이러한 상황에서 2022년 발생한 괴산 지진(M4.1)으로 충청권에도 활성단층의 존재 가능성이 제기되며 해당 지역의 지구조적 특성과 활성단층 분포에 관한 연구 필요성이 환기됐다(김태형 등, 2022). 기존 연구에 따르면 충청권 주변에도 전주단층, 광주단층, 순창단층 등 추정활성단층이 다수 분포하는 것으로 보고되었으나(소방방재청, 2012), 이들 단층의 연장 여부와 실제 활동성에 관한 연구는 아직 충분히 이루어지지 않았다.

본 연구의 목적은 그간 연구가 부족했던 한반도 중부의 충청권에서 나타나는 선형구조를 체계적으로 분석하고, 단층 관련 지형과 현생의 응력장을 종합적으로 고려하여 활성 가능 선형구조를 선별하는 데 있다. 이를 통해 광역 지역에서 확인된 다수의 선형구조 중 실제 단층 활동과 관련성이 큰 선형구조를 식별하고, 단층 연구의 효율적인 대상 지역을 제시하고자 한다. 본 연구에서 주목한 활성 가능 선형구조란 제4기 지질시대 동안 단층 활동과 관련된 지형 변형을 반영하거나 혹은 반영할 가능성이 있으며, 현생 응력장 조건에서 재활성화될 수 있는 선형구조를 의미한다. 따라서 본 연구는 활성 가능 선형구조의 단계적 선별을 위해 선형구조에서 주도적으로 관찰되는 지형지시자를 기준으로 단층 유형을 해석하고, 이를 현생 응력장 조건과 비교하여 활동성이 큰 선형구조를 선별하는 단계적 분석 절차를 적용하였다. 이는 지형의 단순한 선형성 분석에 머무르는 기존 연구와 달리, 지형지시자와 현생 응력장을 통합하여 선형구조의 활성 가능성을 단계적으로 평가한다는 점에서 차별성을 가지며, 국내의 지형･지질 환경과 연구 여건에 적합한 실용적 선별 절차를 체계화하였다는 점에서 그 의의가 있다.

2. 연구지역

연구지역의 총면적은 약 1,967㎢이며, 행정구역상으로 충청북도 보은군, 옥천군, 영동군에 해당한다(Figure 1A). 이 지역은 소백산맥 북서 사면에 해당하는 지역이며, 산지와 구릉지의 발달이 탁월하고 곳곳에 산지에 둘러싸인 침식분지와 구조분지가 분포한다. 산지는 전반적으로 북동–남서 주향의 구조선과 평행하게 배열되어 있으며, 북동부와 남부는 상대적으로 고도가 높은 산지가 분포하고 중부는 상대적으로 기복이 완만한 저산성 산지가 분포한다.

하계망은 수지상(dendritic) 패턴을 보이며, 주요 하천으로는 금강과 이에 유입하는 초강천과 보청천 등이 있다. 좁은 산지 사이를 통과하는 하천 구간은 감입곡류의 특성을 보이며 특히, 옥천군 일대에서 잘 나타난다. 한편, 금강 본류는 대청댐 건설로 형성된 인공호수인 대청호가 위치한다(Figure 1C).

Figure 1.

Study area and its geological and geomorphic setting. (A) Location of the study area and inferred active faults in the surrounding region: ❶ Gongju Fault, ❷ Gyeryongsan Fault, ❸ Jeonju Fault, ❹ Gwangju Fault, ❺ Sunchang Fault, and ❻ Gaeum Fault. Source: Inferred active fault lines were adapted from the data of the National Emergency Management Agency (2012). (B) Geological structure of the study area. Source: Lithology was adapted from the 1:50,000 digital geological map, and the fault lines were derived from the same map. (C) Topography and administrative boundaries. Source: The hillshade map was generated using the 1:5,000 digital topographic map, and satellite imagery was displayed using QGIS basemaps.

연구지역의 지질은 선캄브리아기 변성암, 고생대 퇴적암 및 변성암, 중생대 관입암과 화산암 등 다양한 암석이 복잡한 분포를 보인다(지오빅데이터 오픈플랫폼, Figure 1B). 남동부에는 선캄브리아기 변성암이 주로 분포하며, 북서부에는 캄브리아기 그리고 캄브리아-오르도비스기에 걸친 퇴적암류 및 변성퇴적암류가 복잡한 분포를 보인다. 동부와 서부에는 중생대 쥐라기 관입암이 분포하며 백악기 화산암 및 퇴적암이 부분적으로 나타난다. 이러한 복잡한 지질구조는 옥천변성대에 해당하는 지질학적 특성과 관련이 있으며, 조선누층군과 평안누층군 등의 고생대 퇴적암은 옥천변성대의 일반적인 방향성과 유사한 북동–남서 주향의 대상 분포를 보인다. 또한, 옥천누층군의 변성퇴적암은 문주리층과 황강리층 등으로 구성되며, 중생대 쥐라기 옥천화강암과 백악기 석영반암의 관입을 받았다(오창환 등, 1997).

연구지역 내에는 명확히 규명된 활성단층이 보고된 바 없지만,¹⁾ 그 주변에는 전주단층, 광주단층, 순창단층 등의 추정활성단층(소방방재청, 2012; Figure 1A)과 구조분지(영동분지) 경계부에 발달한 영동단층 등이 분포한다(Figure 1B). 전주단층과 광주단층은 서로 평행한 구조선을 이루며, 두 단층 모두 주향이동단층으로 후기 백악기까지 활동한 것으로 추정된다(하영지 등, 2014). 이와 같은 지질구조의 특성은 연구지역에서 관찰되는 선형구조 분포와 지형 발달에도 큰 영향을 미쳤을 것으로 해석된다. 한편, 추정활성단층은 연구지역 남서부에 맞닿아 있으며, 이 일대는 추정활성단층의 말단부(fault tip)에 해당하는 곳으로 해석된다. 따라서 연구지역 내 추정활성단층의 연장 여부에 관한 조사와 연구가 요구되며, 이러한 측면에서 연구지역 내 발달한 선형구조 중 단층 활동과 관련된 구조를 판별하는 연구 또한 필요하다.

3. 연구방법

1) 선형구조 추출

선형구조는 지각 내 지질학적 불연속면에 반응하여 발달한 지표의 선형적인 특징을 의미하며, 단층, 절리, 암맥, 암상경계 등 다양한 지질 구조와 관련되어 있다. 활성단층 연구에서는 지표에 나타나는 선형구조 분석을 통해 단층 활동과 관련된 지형 변형을 파악하고, 단층의 위치와 연장을 추적한다.

본 연구에서는 연구지역 내 선형구조 추출을 위해 1:5,000 수치지형도를 활용하여 수치표고모델을 구축하고, 이를 기반으로 음영기복도(hillshade)를 제작하였다. 음영기복도는 태양고도와 방위각에 따라 기복 표현의 차이가 발생하여 선형구조의 시각적 판독에 영향을 준다. 따라서 다양한 방위각 조건(45°, 135°, 225°, 315°)에서 음영기복도를 작성하고 교차 판독을 수행하였다. 이와 더불어 위성영상과 수치지질도(1:50,000)를 중첩하여 도로나 제방과 같은 인위적 요인의 선형구조를 식별하고, 단층과 암상경계 등 선형구조 발달에 영향을 주는 지구조적 요소를 검토하였다. 도시나 농경지 개발 등으로 인해 원지형의 흔적이 사라진 곳에서는 과거 항공사진을 활용한 선형구조 판독을 수행하였다.

2) 지형지시자 기반 선형구조 분류

추출된 선형구조를 대상으로 단층 관련 지형을 의미하는 지형지시자(geomorphic markers)를 분석하였다. 선형구조는 단층 활동뿐 아니라 하천 침식이나 암상경계 등 다양한 요인에 의해 형성될 수 있으므로 지형지시자의 분포 여부를 통해 선형구조의 단층 관련성을 평가하는 과정이 필요하다.

본 연구에서는 활성단층 표준절차 및 지침서를 기준으로 선형구조를 1등급과 2등급으로 분류하였다(국립재난안전연구원, 2022). 1등급 선형구조는 단층 활동과 관련한 제4기 지형의 변형이 확인되거나 혹은 의심되며 선형구조상에서 두 지점 이상 단층 활동을 직접 지시하는 지형지시자가 확인되는 경우를 말한다. 2등급 선형구조는 지형지시자가 분포하지만, 제4기 지형 변위가 확인되지 않는 선형구조이다.

지형지시자는 단층애(fault scarp), 굴절하천(deflected stream), 선형곡(linear valley), 단층안부(fault saddle) 등과 같이 단층 활동에 반응하여 발달한 지형이며, 다양한 유형이 있다. 또한, 단층의 유형에 따라 주도적으로 발달하는 지형지시자는 차이가 있다. 일반적으로 주향이동단층에서는 굴절하천과 변위하천(offset stream), 셔터능선(shutter ridge), 역단층에서는 단층애(fault scarp)와 배사구조(anticline), 정단층에서는 삼각말단면(triangular facets) 등의 발달이 주도적으로 나타난다(Keller and Pinter, 2002).

본 연구에서는 다양한 유형의 지형지시자 중에서도 그간 국내 활성단층 연구에서 보고되었고, 한반도의 지형발달환경에서 유효하게 적용 가능한 지형지시자를 해석에 활용하였으며(예, 박충선･이광률, 2018; 이광률 등, 2018; 신재열 등, 2019; 오정식, 2019; 오정식･김동은, 2019; 이초희 등, 2019; 김남권 등, 2020; 김동은･성영배, 2021; Table 1), 각 선형구조에서 주도적으로 관찰되는 지형지시자를 기준으로 해당 선형구조의 발달을 지배한 단층 유형을 해석하였다.

3) 현생 응력장과 선형구조 해석

지형지시자를 기반으로 해석된 단층 유형과 선형구조의 주향을 현생 응력장 조건과 비교하여, 현재의 응력 환경에서 활동하거나 재활성화될 가능성이 있는 선형구조를 평가하였다. 한반도는 신기 지구조 환경에서 동-서 방향의 압축 응력이 우세한 것으로 보고되어 있으며(한승록 등, 2009; 김민철 등, 2016), 이러한 응력 조건에서는 특정 유형의 단층(주향이동단층, 정단층, 역단층)이 일정한 주향 범위 내에서 상대적으로 발달하기 쉽다.

본 연구에서는 각 선형구조에 대하여 i) 선형구조의 주향이 동-서 압축 응력 조건에서 발달 가능한 단층의 주향과 기하학적으로 부합하는지 여부, ii) 지형지시자를 통해 해석된 단층 유형이 해당 응력 조건에서 형성 가능한 단층 유형인지를 평가하였다. 이러한 두 조건을 동시에 만족하는 경우, 해당 선형구조를 현생 응력장 환경에서 활동 또는 재활성화될 가능성이 있는 선형구조로 분류하였다.

4) 전기비저항탐사

선형구조 분석 결과를 종합하여, 활동 가능성이 큰 선형구조 중 제4기 지형 변위가 의심되는 1등급 선형구조를 대상으로 전기비저항탐사(Electrical Resistivity Tomography, 이하 ERT)를 수행하였다. ERT는 지표 아래의 전기비저항 분포를 측정하여 지하구조를 추정하는 지구물리탐사 방법으로 단층 파쇄대와 같은 천부 지하구조를 파악하는 데 활용된다(이치섭 등, 2001; 박삼규, 2024). 단층대에서는 암석이 파쇄되어 공극이 증가하고 지하수나 유체가 집중되므로 주변보다 낮은 전기비저항을 나타내는 저비저항대(low resistivity zone)가 형성되는 경우가 많다. 이러한 특성을 이용하면 지표에 노출되지 않은 매몰 단층이나 단층 파쇄대를 간접적으로 탐지할 수 있다.

본 연구에서는 1등급 선형구조가 확인된 영동군 봉현리 4개 지점, 만계리 4개 지점, 옥천군 법화리 3개 지점에서 총 11개의 측선을 설치하고, 쌍극자 배열(dipole-dipole array) 방식의 ERT를 수행하였다. 탐사 측선은 가능한 한 해당 선형구조에 수직으로 설정하였으며, 측선의 길이는 20~150m, 탐사 심도는 20m 내외 범위이다.

4. 결과

1) 선형구조의 분포와 주향

연구지역에서 시각적 판독을 통해 총 211개의 선형구조가 추출되었다. 이들 선형구조의 총연장은 595.52㎞이며, 주요 통계는 Table 2와 같다. 선형구조의 방향성은 북동(NE) 주향이 가장 우세하며, 남-북(N-S) 및 북서(NW) 방향의 선형구조도 비교적 높은 빈도로 나타난다. 이러한 방향성은 연구지역 남부와 중부에서 특히 두드러지며, 유사한 주향을 갖는 선형구조가 여러 조를 이루어 밀집 분포하는 경향을 보인다(Figure 2).

공간적으로 보면 선형구조는 주로 산릉과 계곡을 따라 분포하며, 특히 산지 경계부나 계곡의 선형 지형을 따라 집중하는 경향이 나타난다. 반면, 연구지역 중･북부의 분지와 금강을 따라 분포하는 곡저평야 및 범람원에서는 선형구조의 밀도가 상대적으로 낮고 연속성도 약한 경향을 보인다(Figure 2).

Figure 2.

Distribution of lineaments extracted from the study area. Red lines indicate Grade-1 lineaments and black lines represent Grade-2 lineaments. Yellow dashed boxes mark areas where high-priority lineaments were identified (Beophwa-ri, Bonghyeon-ri, and Mangye-ri). Arrows indicate the dominant orientations of lineaments observed in the study area

연구지역 남부 영동군 일대에서는 북동 주향의 선형구조가 밀집하여 나타나며, 이러한 방향성은 연구지역 남서부에 분포하는 추정활성단층인 광주단층의 주향과 유사하다. 또한, 보은군과 옥천군 경계를 중심으로는 북서 또는 서북서 주향의 선형구조가 밀집하여 나타나며, 이는 가음단층의 주향과 유사한 방향성을 보인다.

추출된 선형구조에서는 선형곡, 경사급변점(knick point), 삼각말단면, 단층안부, 굴절하천, 풍극(wind gap)과 같은 다양한 지형지시자가 확인된다.

2) 선형구조의 단층 유형

선형구조의 발달 원인을 해석하기 위해 각 선형구조에서 주도적으로 관찰되는 지형지시자의 유형을 분석하였다. 본 연구는 국내 활성단층 연구에서 반복적으로 보고된 지형지시자를 정리한 기준을 활용하여 선형구조 주변의 지형지시자를 판독하였으며, 지형지시자의 유형과 분포를 종합적으로 검토하여 각 선형구조의 발달을 주도한 것으로 추정되는 단층 유형을 분류하였다. 일반적으로 단층 유형에 따라 특징적으로 발달하는 지형지시자는 차이를 보이며, 이러한 지형지시자의 조합을 기준으로 연구지역에서 추출된 선형구조의 단층 유형을 분류한 결과는 Figure 3A와 같다.

Figure 3.

Classification of extracted lineaments based on fault-type interpretation and present-day stress-field compatibility. (A) Lineaments classified according to fault types inferred from the fault-related geomorphic model (strike-slip, reverse, normal, and undefined). (B) Reclassification of lineaments showing only those compatible with the current stress field

분류 결과 연구지역에서는 주향이동단층과 관련한 선형구조가 가장 높은 비율(38.4%)을 차지하며, 일부 지역에서는 정단층(12.3%) 또는 역단층(12.3%)과 관련한 선형구조가 확인된다. 한편, 명확한 지형지시자가 확인되지 않거나, 단층 유형을 특정하기 어려운 경우는 미분류(undefined, 37.0%)로 정의하였다(Table 3). 이러한 결과는 연구지역에서 관찰되는 선형구조가 단순한 침식 지형이나 암상경계에 의한 구조뿐 아니라 단층 운동과 관련된 지형 변형을 반영하는 구조가 포함될 가능성을 시사한다.

3) 활성 가능 선형구조 판별

선형구조의 활동성을 평가하기 위해 단층 유형 분류 결과와 함께 현생 응력장 조건과의 기하학적 적합성을 검토하였다. 한반도는 신기 지구조 환경에서 동-서 방향의 압축 응력이 우세한 것으로 알려져 있으며(김민철 등, 2016), 이러한 응력 환경에서는 주향이동단층과 역단층 계열의 구조가 상대적으로 발달하기 유리하다. 특히, 단순 전단(simple shear) 환경에서 형성되는 공액 전단 파괴면(conjugate shear fractures)은 최대 압축 응력축에 대해 사교 방향으로 발달하며, 일반적인 암석의 내부마찰각을 고려할 경우 약 30° 내외의 방향성을 가지는 것으로 알려져 있다(Figure 4; Sylvester and Smith, 1976; Fossen et al., 2016).

Figure 4.

Conceptual model illustrating conjugate shear fractures and associated contractional and extensional structures expected under an east–west compressional stress regime. R and R′ shears develop obliquely to the maximum compressive stress axis (σ1). The dashed circle and solid ellipse represent undeformed and shear-deformed zones, respectively (modified from Keller and Pinter, 2002).

본 연구에서는 이러한 공액 전단 기하(geometry)와 응력장 조건을 바탕으로 현생 응력 환경에서 활성 또는 재활성화 가능성이 상대적으로 큰 주향을 보이는 단층 유형 및 이와 관련한 선형구조를 우선 선별하였다. 구체적으로는 동–서 방향의 최대 압축 응력축(σ1)에 대해 사교 방향으로 발달하는 공액 전단 계열의 선형구조를 현생 응력 환경에서 상대적으로 재활성화 가능성이 큰 주향이동단층 계열의 선형구조로 해석하였으며, 압축 및 신장 환경에서 형성 가능한 주향을 띠는 정단층 및 역단층 계열의 선형구조를 선별하였다. 반면, 현생 응력장 조건과 기하학적으로 부합하지 않는 단층 유형을 보이는 선형구조는 검토 대상에서 제외하였다. 그 결과, 연구지역에서 추출된 211개의 선형구조 중에서 현생 응력장 환경에서 활동 가능성이 상대적으로 높은 선형구조 100개가 선별되었다(Table 3, Figure 3B).

선별된 100개의 선형구조 중 주향이동단층과 관련된 것은 76개로 가장 많았으며, 이어서 역단층 22개, 정단층 2개로 나타났다. 현생 응력장 조건에 따른 제외 비율은 정단층 관련 선형구조에서 92%로 가장 높았고, 역단층 관련 선형구조에서 15%, 주향이동단층 관련 선형구조에서 6% 순으로 나타났다. 이러한 결과는 현생의 동-서 방향 압축 응력 환경에서는 정단층 계열의 선형구조가 지닌 주향보다 주향이동 또는 역단층 계열의 선형구조가 지닌 주향이 상대적으로 재활성화에 유리할 가능성을 시사한다. 특히, 주향이동단층 관련 선형구조의 제외 비율이 가장 낮게 나타난 점은 연구지역 내 주향이동 계열 선형구조의 다수가 현생 응력장 환경에서 재활성 가능한 주향을 가지고 있기 때문이다. 다만, 본 연구는 특정 지역을 대상으로 수행된 결과이므로 이를 국내 활성단층의 일반적인 특성으로 확대하여 해석하기 위해서는 추가적인 지역 연구와 비교 검토가 필요하다.

이상의 분석 결과를 통해 광역 지역에서 추출된 다수의 선형구조를 지형지시자 기반 단층 해석과 현생 응력장 조건을 이용하여 단계적으로 축소함으로써, 실제 단층 활동과 관련된 선형구조를 효율적으로 선별할 수 있음을 확인하였다.

4) 활성 가능 선형구조의 지형 특성과 ERT 결과

선형구조 분석, 단층 유형 해석, 현생 응력장과의 적합성 검토를 종합하고, 이를 토대로 현장조사를 수행한 결과 연구지역에서는 활성 가능성이 큰 1등급 선형구조가 총 3개 지점에서 확인되었다(Figures 2, 5). 이들 선형구조의 총연장은 약 12.52㎞이며, 평균 길이는 약 4.18㎞이다.

영동군 만계리에서 확인된 선형구조는 북동 주향이며 길이는 약 2.99㎞이다. 해당 선형구조를 따라 굴절하천과 풍극 등 우수향의 지형 변위를 지시하는 지형지시자가 다수 확인되며, 산록부 능선을 가로지르는 단층안부와 선형곡이 연속적으로 나타난다(Figure 5A).

Figure 5.

High-priority lineaments and results of electrical resistivity tomography (ERT) surveys at three study sites. (A) Mangye-ri, (B) Bonghyeon-ri, and (C) Beophwa-ri. The solid red lines represent Grade-1 lineaments identified through a sequential procedure involving lineament extraction, geomorphic marker-based classification, evaluation of compatibility with the current stress field, and final field validation. Yellow circles indicate geomorphic markers identified along the lineaments (D: deflected stream, F: fault saddle, W: wind gap, S: shutter ridge, L: linear valley). White arrows indicate the locations of ERT survey lines. The right panels show the corresponding ERT profiles illustrating subsurface electrical resistivity distributions.

영동군 봉현리에서 확인된 선형구조는 남-북 주향이며 길이는 약 7.30㎞이다. 선형구조를 따라 굴절하천이 반복적으로 나타나며, 하도 변형과 하천쟁탈과 관련된 풍극이 확인된다. 또한, 선형곡과 단층안부 등 단층 관련 지형이 선형구조를 따라 연속적으로 분포한다(Figure 5B).

옥천군 법화리에서 확인된 선형구조는 서북서 주향이며 길이는 약 2.23㎞이다. 해당 선형구조는 퇴적암과 화강암의 경계를 따라 분포하며, 뚜렷한 선형곡과 다수의 단층안부가 관찰된다(Figure 5C).

이들 선형구조를 대상으로 수행한 ERT 탐사 결과 여러 측선에서 주변 지층과 구별되는 저비저항대가 확인되었다(Figure 5). 만계리와 봉현리에서는 모든 탐사 측선에서 뚜렷한 저비저항대가 나타났으며, 이는 단층 파쇄대 또는 기반암 변위와 관련된 천부 지하구조가 선형구조를 따라 존재할 가능성을 시사한다.

한편, 법화리에서는 2개 탐사 측선(ERT-C2, C3)에서 저비저항대가 확인되었으나, 1개 측선(ERT-C1)에서 저비저항대가 확인되지 않았다. 이는 구하도에 형성된 두꺼운 충적층으로 인해 탐사 심도(25m) 내에서 기반암이 확인되지 않았기 때문으로 해석된다. 따라서, 활성 가능성이 큰 선형구조의 검증을 위한 ERT 등의 천부지하구조탐사는 지역의 지형 조건을 고려한 충분한 가탐 심도 확보와 복수의 탐사 기법을 활용한 교차 검증 또한 필요할 것으로 보인다.

5. 논의

선형구조 분석은 활성단층 연구에서 단층의 위치와 연장을 추적하는 기초적인 단계로 활용된다(오정식, 2019; 김영석 등, 2020). 그러나 선형구조 추출만으로 단층 활동 관련성을 판단하기는 어렵다. 따라서 선형구조와 함께 나타나는 단층 관련 지형지시자의 분포를 종합적으로 해석하는 과정이 필요하다. 본 연구는 국내 활성단층 연구에서 반복적으로 보고된 지형지시자를 활용하여 선형구조를 따라 분포하는 지형지시자를 판독하였다. 이러한 지형지시자는 단층 유형에 따라 특징적으로 발달하는 경향이 있으며, 이를 통해 선형구조의 발달을 지배한 단층 유형을 해석할 수 있다(Keller and Pinter, 2002; Burbank and Anderson, 2012).

연구지역에서 추출된 선형구조를 대상으로 지형지시자를 분석한 결과, 선형구조의 발달을 지배한 것으로 해석되는 단층 유형을 구분할 수 있었다. 이 결과는 연구지역에서 관찰되는 선형구조 중 일부가 단순한 침식 지형이나 암상경계에 의한 구조가 아니라, 단층 운동에 반응한 지형 변형의 가능성을 보여준다. 다만, 하나의 선형구조 내에서도 서로 다른 유형의 단층을 지시하는 지형지시자가 복합적으로 나타나는 예도 있었다. 이 경우 해당 선형구조의 발달을 주도한 단층의 유형을 일반화하기는 어렵다. 또한, 국내에서 그간 연구된 활성단층의 기하(fault geometry) 특성을 보면 경사(dip-slip) 및 주향이동 성분이 복합적으로 나타나는 경우(예, 황상일 등, 2012; 송영석 등, 2020)가 많아 단층 운동에 의한 지형 발달이 그리 단순하지 않음도 확인된다.

한편, 연구지역이 포함된 옥천변성대에서는 북동 계열의 습곡축, 엽리, 암상 경계 등 기존 지질구조의 영향으로 선형적인 지형 요소가 발달한 가능성도 존재한다(윤인혁, 2001; 강지훈･이철구, 2003; Choi et al., 2012). 따라서 일부 선형구조는 차별침식으로 형성된 수동적 지형(passive geomorphology)을 반영할 가능성을 배제하기 어렵다. 그러나 본 연구에서 제시한 1등급 선형구조는 단순한 선형성뿐만 아니라 굴절하천, 풍극, 단층안부, 선형곡 등 단층 관련 지형지시자가 반복적으로 나타나며, 일부 구간에서는 ERT 탐사를 통해 저비저항 이상대가 함께 확인되었다는 점에서 단순한 암상 경계 또는 구조선과는 구별될 가능성이 있다. 다만, 이러한 구조의 실제 활동성과 운동 시기를 규명하기 위해서는 굴착조사를 수반한 고지진학적 연구가 필요하다.

이러한 한계에도 불구하고 선형구조의 지형지시자를 활용한 단층 유형 해석은 단순히 선형구조의 존재 여부를 확인하는 수준을 넘어, 선형구조의 형성 원인을 지형학적 측면의 단층지형 발달모델로 해석할 수 있다는 점에서 의미가 있다. 즉, 선형구조에서 관찰되는 지형지시자의 조합을 이용하면 해당 선형구조가 어떤 유형의 단층 운동과 관련되어 발달했는지를 추정할 수 있으며, 이는 선형구조 분석 결과를 구조지질학적 해석과 연결하는 중요한 단계라 할 수 있다.

한편, 선형구조가 과거 단층 활동과 관련하여 형성된 구조라 하더라도 현재의 지구조 환경에서 재활성화될 가능성이 있는지는 별도의 검토가 필요하다. 단층은 과거에 형성된 구조라 하더라도 현생 응력장과 기하학적으로 적합한 경우 재활성화될 가능성이 있기 때문이다(Sibson, 1985; Celerier, 2008). 따라서 응력 조건을 고려하면 현재의 응력 환경에서 활동하거나 재활성화될 가능성이 상대적으로 큰 선형구조를 판별할 수 있다. 본 연구에서는 지형지시자를 기반으로 해석된 단층 유형과 선형구조의 주향을 현생 응력장 조건과 비교하여 오늘날의 지구조 환경에서 발달할 가능성이 큰 선형구조를 분류하였다(Figure 4B). 이 과정은 단순히 단층 관련 지형의 존재 여부만을 기준으로 선형구조를 해석하는 것보다 현재의 지구조 환경과의 관계를 고려한 해석이라는 점에서 의미가 있다.

활성단층 연구에서는 단층의 위치와 활동성을 확인하기 위해 다양한 조사 방법이 활용된다. 그러나 광역적인 지역에서 확인되는 모든 선형구조를 대상으로 상세한 현장조사나 굴착 조사를 수행하는 것은 시간과 비용 측면에서 현실적으로 어려운 경우가 많다. 따라서 선형구조 분석을 통해 단층 활동과 관련될 가능성이 큰 구조를 우선 선별하는 과정은 활성단층 연구에서 시사하는 바가 크다. 선형구조 분석, 지형지시자 분석, 현생 응력장 검토를 결합하여 활성 가능성이 큰 선형구조를 단계적으로 선별하는 분석 절차는 단순한 선형구조 추출 결과에 의존하는 기존 연구와 달리, 선형구조의 형성 원인과 현재의 지구조 환경을 함께 고려하여 선형구조의 활성 가능성을 평가한다는 점에서 차별성을 가진다.

또한, 이러한 분석 결과를 바탕으로 선형구조의 활동 가능성이 큰 지역을 우선 선정함으로써 향후 수행되는 야외조사나 지구물리탐사의 대상 지역을 보다 효율적으로 설정할 수 있다. 실제로 본 연구에서 선별된 1등급 선형구조를 대상으로 수행한 ERT 탐사 결과 저비저항대가 확인되었으며, 이는 선형구조를 따라 단층과 관련된 천부 지하구조가 존재할 가능성을 시사한다. 따라서 본 연구에서 제시한 접근은 광역 지역에서 다수의 선형구조 중 실제 단층 활동과 관련될 가능성이 큰 선형구조를 선별하고 향후 활성단층 조사 대상 지역을 선정하는 데 유용한 지형학적 분석 방법이 될 수 있을 것으로 판단된다.

6. 결론

본 연구는 충청북도 옥천･보은･영동 일대를 대상으로 선형구조 분석과 단층 관련 지형지시자 분석, 현생 응력장 검토, ERT 탐사를 종합적으로 수행하여 연구지역에서 활성 가능성이 큰 선형구조를 판별하고자 하였다.

DEM 기반 지형 분석을 통해 연구지역에서 총 211개의 선형구조가 추출되었으며, 북동 주향이 가장 우세하고 남-북 및 서북서 주향도 비교적 높은 빈도로 나타났다. 이러한 방향성은 연구지역 주변에 분포하는 광주단층이나 가음단층과 같이 기존에 알려진 추정활성단층의 주향과도 유사한 경향이다.

추출된 선형구조에서는 굴절하천, 풍극, 선형곡, 단층안부 등 다양한 지형지시자가 확인되었다. 국내 활성단층 연구에서 주로 보고된 지형지시자와 단층지형 발달모델을 바탕으로 선형구조 주변의 지형지시자를 판독한 결과, 일부 선형구조에서는 특정 단층 유형과 관련된 지형지시자가 반복적으로 나타나는 특징이 확인되었다. 이러한 지형지시자의 분포를 이용하여 선형구조의 발달을 지배한 것으로 해석되는 단층 유형을 구분할 수 있었다.

또한, 선형구조의 주향과 단층 유형을 현생 응력장 조건과 비교하여 현생 응력장 환경에서 활동 또는 재활성화될 가능성이 큰 선형구조를 선별하였다. 앞선 분석 결과를 종합하여 연구지역에서는 3개의 선형구조가 활성 가능성이 큰 1등급 선형구조로 분류되었다. 이들 선형구조를 대상으로 수행한 ERT 탐사 결과 여러 탐사 지점에서 주변 지층과 구별되는 저비저항대가 확인되었으며, 이는 선형구조를 따라 단층 파쇄대 또는 기반암 변위와 관련된 천부 지하구조가 존재할 가능성을 시사한다.

본 연구는 선형구조 분석 결과에 단층 관련 지형지시자 분석과 현생 응력장 검토를 결합하여 활성 가능성이 큰 선형구조를 단계적으로 선별하는 지형학적 분석 절차를 제시하였다. 이러한 접근은 광역 지역에서 추출된 다수의 선형구조 중 활성단층과 관련성이 높은 선형구조를 우선 식별하고, 이후 수행되는 지구물리탐사와 구조지질학적 연구 대상 지역을 효율적으로 선정하는데 유용한 방법이 될 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 본 연구에서 제시한 방법은 광역 지역 활성단층 탐색을 위한 선형구조 선별 절차를 제시한다는 점에서 의의가 있다.

다만, 본 연구에서 단층 유형이 미분류 되었거나 현생 응력장 조건과의 적합성이 낮아 제외된 선형구조가 반드시 활성단층과 무관함을 의미하는 것은 아니다. 일부 선형구조는 단층에 의한 지형 변형 이후 진행된 지형 발달 과정이나 침식･삭박 작용으로 단층 관련 지형지시자가 불명확하게 나타날 가능성이 있으며, 제한된 자료 해상도와 해석 과정의 한계로 활성 가능성이 큰 선형구조가 잠재적으로 포함되지 않았을 가능성도 존재한다. 따라서, 향후 지형의 이상징후를 정량적으로 분석하는 접근이나, 고해상도 지형자료 기반의 비교 분석 등을 도입하여 미분류 선형구조에 대한 추가적인 검토와 해석이 필요하다.