Research Article

Journal of the Korean Geographical Society. April 2021. 201-213
https://doi.org/10.22776/kgs.2021.56.2.201

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서론

  • 2. 연구지역

  • 3. 연구방법

  •   1) LiDAR를 이용한 지형분석

  •   2) 야외조사

  • 4. 결과

  •   1) 지형분석 결과

  •   2) 야외조사 결과

  • 5. 토의

  •   1) 지표형성작용(surface process)을 고려한 변위 계산

  •   2) 연구지역 단층운동 특성 해석 및 지형발달과정

  •   3) 양산단층 남부분절 월산리 일대의 변위율

  • 6. 결론

1. 서론

유라시아판 내에 위치하는 우리나라는 큰 규모의 지진에 비교적 안전한 지역으로 여겨졌다. 그러나 2016년 9월 12일 경주시 내남면 화곡저수지 인근에서 규모 5.8의 지진이 발생하였다. 이 지진은 계기지진 관측 이래 최대 규모였으며, 학계는 물론 일반인에게도 우리나라가 지진의 안전지대가 아니라는 것을 다시 상기시켰다. 경주가 속해있는 한반도 동남부 일대는 우리나라의 주요 문화재, 원자력 발전소 그리고 기간산업 시설이 다수 분포하고 있기 때문에 경주지진과 같은 규모의 지진, 혹은 그 이상의 지진이 그 주변에 일어난다면 피해가 심각할 것이다. 이러한 상황을 미리 대비하기 위해, 지진과 관련 있는 여러 분야에서 연구가 이루어지고 있으며, 이를 통해 지진으로 인해 발생할 수 있는 여러 자연재해를 대비하는 연구 또한 많이 이루어지고 있다.

한반도 동남부에 분포하는 주요 단층대는 크게 6개로 밀양단층, 모량단층, 양산단층, 동래단층, 일광단층, 울산단층이 있다. 이 주요 단층대 가운데 2016년에 발생한 경주지진은 양산단층대(Yangsan Fault zone)에서 발생했다. 양산단층은 영덕에서부터 시작하여 부산의 낙동강 하구에 이르는 공간적 범위를 가지고 있으며, 전반적으로 NNE-SSW 주향을 가지고 있다. 양산단층은 양산단층대로 부르기도 하는데 이는 양산단층대 안에 단일한 단층이 아닌 무수한 소단층과 부수단층을 포함하고 있기 때문이다. 양산단층대는 시기상으로 제3기에 만들어졌으나, 제4기 동안 기존의 단층면이 재활성(reactivation)되거나 기존의 소단층을 절단하는 새로운 단층면이 생성되는 형태로 운동하였다(최진혁・김영석, 2017).

일반적으로 규모 5.5 이상의 지진으로 인해 생긴 단층파열은 지표면의 변형을 야기하며 지진발생 이전의 지형을 변형시킨다(Bonilla, 1988). 예를 들어, 제4기에 지진이 일어난 경우 그 변형은 제4기 지형에 수직 혹은 수평의 변위를 유발한다. 단층과 관련된 지형학적 분석은 중, 대규모 지진의 정보를 획득하고 미래에 발생할 수 있는 지진의 특성을 평가하는데 활용될 수 있기 때문에 고지진 정보를 획득하기 위해서는 노두 및 트렌치 조사와 더불어 제4기 지형조사가 동반되어야 한다(박충선・이광률, 2018; 오정식・김동은, 2019; 이광률 등, 2018; 신재열 등, 2019; 이초희 등, 2019; 김남권 등, 2020).

지형학 분야에서 양산단층대에 대한 연구는 조화룡 등(1994)박충선・이광률(2018), 그리고 이초희 등(2019)이 있다. 조화룡 등(1994)의 연구는 양산단층곡 중앙부에 위치한 하안단구를 대상으로 지질 및 지형조사를 실시하여 상하변위와 수평변위를 추정하였다. 박충선・이광률(2018)의 연구는 2016년 경주지진이 일어난 경주시 내남면 일대를 대상으로 단층지형을 분류하고 이를 토대로 경주지역의 단층선을 추정하고 단층선도를 작성하였다. 이초희 등(2019)의 연구는 양산단층 분절의 북쪽 분절을 대상으로 지형분석, 선형구조 분석 및 하천종단곡선 분석을 통해 연구지역 일대의 단층운동의 특성을 밝히고 지형발달의 모형을 제시한 바 있다.

지표에 변형이 일어날 경우 발생하는 오프셋은 크게 단층파열 거동 특성을 반영하는 지진동시성 오프셋(coseismic offset)과 오프셋이 축적된 누적오프셋(cumulative offset)으로 나누어 살펴볼 수 있다. 지진동시성 오프셋의 경우 단층 기하와 지진 거동의 상관성을 분석하고 해석하는데 활용된다(Cowie and Scholz, 1992; Sieh et al., 1993; Haeussler et al., 2004; Scholz and Lawler, 2004; Klinger et al., 2005; Vallage et al., 2015, 2016; Choi et al., 2018). 반면, 누적오프셋은 변형된 시기부터 현재까지 평균적인 단층 변위율(slip rate)을 구할 수 있기 때문에 지진의 재발주기, 최대 규모 등을 추정할 수 있는 기초자료로 이용된다(Brune, 1968; Wallace, 1970; Young and Coppersmith, 1985).

지형학 분야에서 이루어졌던 연구들은 일반적으로 제4기 지형을 대상으로 수직변위 혹은 수평변위에 초점을 맞춰 이루어졌다. 특히, 지진 발생당 시 거동특성을 반영하는 지진동시성 오프셋보다는 변형이 지형에 반영되어 있는 누적오프셋을 구하는데 집중하였다. 누적오프셋의 경우 변형이 일어난 지형의 연대를 파악할 경우 이격된 거리와 시간을 이용하여 단층의 평균 변위율을 계산할 수 있으나 변형이 일어난 지형의 보존 여부 및 존재를 찾기 어렵기 때문에 수직 혹은 수평의 변위를 지시하는 단구면이나 천이점과 같은 지형들의 오프셋만 구할 수 있었다.

본 연구는 경주지진이 발생한 경주시 내남면 주변의 지형분석을 통해 지형학적 시간 규모(102 – 105 년)에서 조구조운동에 의한 지형발달과정에 대해 논의하고자 한다. 특히 우수향 주향이동성분과 역단층 성분이 있다고 알려진 양산단층의 특성을 고려하여(채병곤・장태우, 1994), 주향이동단층과 역단층으로 인해 생긴 지형을 중심으로 다뤘다. 예를 들어 주향이동 운동으로 인해 수평적인 변위를 보이는 굴절하천, 국지적인 공간규모에서 발생하는 전단압축(transpression)과 전단인장(transtension)으로 인해 생기는 소규모의 돌출지형(예, 압쇄능선; pressure ridge), 와지지형(예, 새그폰드; sag pond), 역단층운동을 지시하는 천이점 등을 고려하여 분석하였다. 또한 지형분석 결과를 바탕으로 앞서 제시한 단층관련지형(fault-related landforms)이 관찰되는 지점을 대상으로 현장답사를 실시하여 제4기 퇴적물의 퇴적시기를 지시하는 시료의 연대측정을 수행하였다. 최종적으로, 실내분석, 현장답사 결과를 바탕으로 연구지역 일대의 단층운동의 특성을 밝히고 지형발달 모형을 제시하고자 한다.

2. 연구지역

양산단층대는 육상에서 나타나는 길이가 약 200 km이며, 행정구역상 공간범위는 경상북도 영덕에서부터 시작하여 부산의 낙동강 하구에 이른다. 이 단층대의 주향은 NNE-SSW 방향이고, 화강암류의 분포를 기준으로 할 때 에오세 이후(약 50 Ma) 우수향 주향이동을 하였으며, 수평변위는 약 21 km에 달한다(황병훈 등, 2004). 양산단층은 앞서 언급한 우수향 운동 외에도 역단층 운동과 같이 다양한 운동감각과 관련된 변형을 겪었으며(채병곤・장태우, 1994), 노두조사와 트렌치조사를 통해 관찰된 양산단층의 제4기 단층운동은 북부지역(포항, 영덕, 울진)과 남부지역(울산, 양산)에 집중되어 있다.

노두조사와 트렌치조사를 통해 보고된 양산단층대의 제4기 단층운동 특성은 기반암으로 구성된 지괴가 제4기 퇴적층보다 높이 있는 역단층을 보이거나(경재복・장태우, 2001; Kyung and Lee, 2006), 혹은 수평에 가까운 운동감각을 보인다는 것이다(경재복 등, 1999). 이러한 해석은 지진 및 지구물리학적 자료(Park et al., 2007)와도 비교적 일치하는데, 양산단층의 일반적인 주향과 제4기 동안의 응력장(동-서 내지 동북동-서남서 방향의 압축력)을 고려할 때, 양산단층은 제4기 동안 주로 우수향 단층운동 또는 일부 역단층성 이동성분을 포함하는 우수향 사교이동 단층(oblique slip)운동을 겪었을 것으로 추정된다(김영석 등, 2017).

양산단층대는 지진학적 특성과 단층의 기하 및 특징을 기준으로 북부, 중부, 남부 분절(northern, central, and southern segment) 총 3개의 분절(segment)로 나눌 수 있다(이기화・진영근, 1991; 장천중・장태우, 2009; 최진혁・김영석, 2017). 연구지역은 그 중 중부 분절과 남부분절의 경계에 위치하고 있으며, 행정구역상으로는 경상북도 경주시 내남면 일대와 울산광역시 울주군 일대를 포함한다(그림 1). 연구지역은 양산단층대를 기준으로 동편과 서편의 기반암이 다른 특성을 보인다(그림 2(B)). 준주봉 일대를 포함하고 있는 높은 산지를 이루는 서쪽은 중생대 백악기 신라층군 안산암이 주 지층이며 대표암상은 안산반암, 각력질 안산암 및 안산암이다(김남장 등, 1971). 구릉성 산지를 이루는 동편은 중생대 백악기 신라층군 대구층이 분포하고 있으며 대표 암상은 적색 셰일, 사암 녹회색 셰일 및 호온휄스가 분포하고 있다(김남장 등, 1971). 제4기층은 대부분이 하천에 의해 퇴적되어 하안단구와 범람원을 이루며 넓게 분포하고 있다.

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그림 1

한반도 동남부 양산단층대(노란색 점선). 붉은색 상자는 본 연구의 연구지역을 표시한 것이다.

양산단층대를 기준으로 연구지역의 경관은 대조적이다. 양산단층대의 서쪽은 준주봉(355.6 m)을 포함하여 비교적 높은 산지를 이루고 있으며, 동쪽은 비교적 낮은 구릉성 산지가 위치한다. 서쪽의 높은 산지에서 발원한 하천들은 동쪽으로 흘러 형산강으로 유입된다. 연구지역 남쪽의 복안천은 서에서 동으로 흐르며 울주-봉계 일반산업단지 인근에서 형산강과 합류하여 북으로 흐른다. 연구지역은 형산강의 최상류에 위치하고 있으며, 복안천과 합류한 형산강은 양산단층대를 따라 남에서 북으로 흐르며 경주를 가로질러 동해로 유입한다. 하천을 따라 양안에는 하안단구와 범람원이 넓게 분포한다(그림 2(A)).

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그림 2

연구지역의 위성사진(A), 연구지역의 지질도(B). 검은색 실선은 기반암 단층을, 점선은 추정단층선을 의미한다. 연구지역을 기준으로 동편의 퇴적암(Ksd)과 서편의 안산암(Kan)이 뚜렷하게 관찰된다. 논과 밭으로 보이는 부분은 모두 충적층에 해당함(출처: 한국지질자원연구원 지질정보서비스 시스템)

3. 연구방법

1) LiDAR를 이용한 지형분석

연구지역은 경부고속도로가 통과하는 곳으로 현재 개발된 정도가 매우 심하여 원지형을 관찰하기 어려운 상태이다. 하천의 경우 경부고속도로를 건설하기 위해 정비공사가 이루어졌으며, 저수지를 축조하여 원래의 유로를 확인할 수 없는 곳이 많다. 이러한 이유로 최근에 촬영된 위성영상만을 이용하여 지형분석을 하는 것보다는 경부고속도로가 생기기 이전 원지형이 상대적으로 잘 보전된 시기인 1960년대 초반의 항공사진과 고해상도 수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM)을 이용하여 지형분석을 시행하였다.

지형분석을 위해 본 연구에서는 항공 LiDAR 영상기법을 통해 구축된 고해상도 DEM을 이용하였다. 항공 LiDAR는 항공기에 부착된 레이저를 이용하여 항공기와 지표상의 특정지점 사이의 거리를 측정하고 이를 보정하여 고도 자료를 구축하는 원리이다. 이는 항공기에 부착된 하나의 레이저를 이용하여 다수의 지상 반사파를 측정하고 식생이나 집과 같은 인위적인 지형들을 제거하고 보정하기에 더 정확한 고도 자료이다(Walker and Jackson, 2002; Cunningham et al., 2006; Hunter et al., 2011; 김현태 등, 2014). 우리나라는 식생이 조밀한 산악지역이 많기 때문에 항공 LiDAR는 많은 관심을 받고 있다(오정식・김동은, 2019).

두 자료의 장점을 극대화하기 위해 연구지역 일대를 포함하는 항공 LiDAR를 이용하여 정확한 DEM을 제작한 후 ArcGIS를 이용하여 음영기복도를 추출하였고, 국토지리정보원에서 제공하는 수치지형도에서 추출한 수계정보를 이용하여 기초적인 지형분석자료를 만들었으며, 1960년대 항공사진을 이용하여 분석한 지형들의 원지형을 반영한 지형자료를 최종적으로 완성하였다.

단층 관련 지형은 박충선・이광률(2018)의 연구에서 제시한 유형과 이초희 등(2019)에서 제시한 유형을 참조하여 분류하였다. 본 연구에서 초점을 맞춘 대표적인 단층지형은 변위 하도(offset channel) 또는 굴절 하도(deflected channel), 단층 안부(fault saddle), 단층 구릉(kernbut) 또는 개폐 능선(shutter ridge) 등이 있다. 만약 단층으로 인해 제4기 퇴적층의 수직 혹은 수평 변위가 일어났다면 선상지와 하안단구를 동정하여 변위를 확인할 수 있다. 하지만 연구지역의 제4기 충적층은 대부분이 농경지로 개간이 이루어졌기 때문에 농경지로 개간된 부분은 분류에서 제외하였다.

2) 야외조사

단층 관련 지형의 확인 및 검증을 위한 야외조사는 최근 3년간 식생 밀도가 낮은 가을철과 봄철(2017년 11월, 2018년 3월, 2019년 3월)을 중심으로 진행했으며, 단층 관련 지형의 분포와 특성을 확인하고 단층 작용과의 관련성을 파악하였다. 그리고 단층곡의 하도 유형(channel pattern)과 지형 기복 특성, 단층 관련 지형의 분포 특성, 야외조사 결과 등을 종합하여, 단층 작용과 관련한 지형발달 과정을 추론하였다(그림 3). 이 과정에서 개발로 인해 신선한 면이 노출된 제4기 퇴적층 노두를 발견하여 이 퇴적층의 퇴적시기를 밝히기 위해 OSL 연대측정을 위한 시료를 채취하였다(그림 4).

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그림 3

연구순서. (A) 항공사진을 이용한 원지형분석. (B) 항공LiDAR를 이용한 원지형분석결과와 현재 지형분석 비교 및 야외답사지역 선정. (C) 야외조사.

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그림 4

OSL 시료채취 노두전경사진. 하천 양안에 있는 퇴적층들을 대상으로 OSL 연대측정을 수행하였다. (A) 북쪽을 바라보며 찍은 사진. 양산단층의 서편에 위치. (B) 남쪽을 바라보며 찍은 사진.

OSL 연대측정을 위해 3개의 시료를 채취하여 한국기초과학지원연구원(Korea Basic Science Institute, KBSI)에 의뢰하였다(표 1). 등가선량은 단일시료재현법(Single-Aliquot Regenerative-Dose protocol, SAR protocol)에 따라 측정하였고, 모든 시료는 50-150-250-350Gy의 재현선량(regeneration dose)과 20Gy의 시험 선량(test dose)을 조사하였다(최정헌 등, 2004).

표 1.

OSL 연대측정 결과

Sample Code depth Dose Rate
(Gy/ka)
Water content1
(%)
Equivalent Dose
(Gy)
Aliquots used
(n/N)
OSL age2
ka
WSR-1 2.5 m 5.14±0.13
(4.64±0.12)
11.3
(21.8)
393±25 16/16 76±5
(85±6)
WSR-2 2.5 m 5.98±0.16
(4.90±0.13)
9.5
(30.3)
448±16 15/16 75±3
(91±4)
WSR-4 2.5 m 4.95±0.13
(4.37±0.12)
12.1
(25.1)
264±21 14/16 53±4
(60±5)

1괄호 안에 있는 숫자들은 포화수분함량을 기준으로 한 값

2central age ± 1 σ standard error

4. 결과

1) 지형분석 결과

고해상도 음영기복도와 위성영상, 1960년대 항공사진을 이용하여 연구지역 내 단층 지형을 동정하였으며 그 분포도를 항공사진에 작성하였다(그림 5). 연구지역 내에서 양산단층을 따라 굴절하천과 절개된 능선이 주로 인지되었다. 굴절하천은 수직적 혹인 수평적 운동으로 인해 유로가 굽어진 하천으로 과거 단층운동의 방향을 지시하는 중요한 지형지시자(geomorphic marker) 역할을 한다. 연구지역의 하천들은 서에서 발원하여 동으로 흐르는데, 직선형 하천이 발달하고 있다. 이러한 직선형 하천들은 양산단층대를 따라 우수향을 지시하는 선형성을 띠며 연속적인 유로의 변화가 다수 인지된다. 이렇게 우수향으로 굴절된 하천은 동으로 흘러 범람원과 하안단구를 지나 형산강으로 유입된다(그림 5). 형산강 주변의 하안단구와 선상지와 같은 제4기 퇴적층 주변에서는 단층운동으로 인해 변화된 지형을 관찰할 수 없었다.

2) 야외조사 결과

야외조사를 실시한 결과 양산단층을 기준으로 서편의 하천에서 두께 약 2.5 m의 퇴적층을 발견하였다(그림 4). 이 퇴적층은 항공/위성사진을 이용하여 확인한 결과 2010년 이후 하도정비를 하는 과정에서 노출된 노두로 퇴적층은 역지지(clast supported massive structure)를 보여주었으며, 퇴적물의 크기는 왕자갈(cobble) 크기가 대부분이었으며 왕자갈과 거력(boulder)사이의 퇴적물도 보였다. 퇴적물의 원마도는 아각력이 주를 이루었다. 그리고 그 틈 사이로 모래가 patch 형태로 퇴적되어 있다(그림 4). LiDAR를 이용하여 관찰한 결과 서편이 동편보다 북쪽으로 이격된 우수향을 지시하였다(그림 5(B)). 양산단층의 운동방향을 고려하였을 때 이 퇴적층은 서편의 하천 상류에서 급격한 에너지로 인해 상류로부터 운반되었으며, 퇴적물의 크기와 원마도를 통해 살펴볼 수 있듯이 퇴적사건은 짧은 시기에 한 번에 이루어진 것으로 추정된다. 이를 바탕으로 이 퇴적층은 양산단층의 우수향 이동으로 인해 유로가 일시적으로 막혔을 시기에 퇴적되었다고 볼 수 있다. 이러한 가설을 살펴보기 위해 기반암과 퇴적층의 경계에서 나타나는 모래 patch를 대상으로 OSL 시료를 총 4점을 채취하였다. 노두는 북쪽면에서 3점, 남쪽면에서 1점을 채취하였다(그림 4). 모래 patch가 노두에서 많이 나타나지 않기 때문에 남쪽면(그림 4(B))에서 채취한 시료는 인접해있는 모래 patch에서 채취하였다. 시료채취는 2018년 3월과 2019년 3월에 이루어졌다.

OSL은 퇴적물의 퇴적시기를 추정하는 연대측정방법으로 두께에 따른 퇴적시기가 다를 수 있다. 퇴적사건이 한 번에 이루어진 것인지 살펴보기 위해 최대한 다양하면서 접근이 가능한 곳에서 시료를 채취하였다. 구체적으로, 제4기 퇴적층과 기반암의 경계에서 채취하였으며, 같은 깊이에 있는 맞은편 퇴적층에서도 시료를 채취하였다.

OSL 연대측정 결과, 북쪽면에서 채취한 WDR-3은 시료의 문제로 인해 결과값이 나오지 않았다. 나머지 3 시료를 대상으로 현재수분함량(present water content)을 기준으로 한 OSL 연대측정에서 연구지역은 평균 68±4 ka로 추정된다. OSL 연대측정법에서 수분함량은 연간선량(dose rate)에 영향을 주어 연대측정 결과에 영향을 미친다(Aitken, 1998). 이러한 영향을 줄이기 위해 최정헌 등(2004)은 현재수분함량을 기준으로 한 연대와 포화수분함량을 기준으로 한 연대를 동시에 제시하는 것을 제안하였다. 포화수분함량을 기준으로 할 때 연구지역의 연대는 평균 78±5 ka이다. 현재수분함량과 포화수분함량을 비교하여 볼 때 큰 차이가 나지 않는다고 할 수 있다. 또한 지점별 OSL의 연대들이 비교적 비슷한 시기를 지시하고 있는 점에 비추어 볼 때, 야외답사 결과 세운 가설과 같이 짧은 시기에 퇴적사건이 일어났다고 볼 수 있다.

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그림 5

항공사진을 이용한 지형분류 결과. (A) 1960년대 항공사진 위에 도시함. (B) LiDAR를 이용하여 만든 음영기복도. 붉은색 원은 OSL 시료채취 지점

5. 토의

1) 지표형성작용(surface process)을 고려한 변위 계산

현재 한반도 동남부 일대를 대상으로 하는 단층운동에 대한 연구는 대부분 노두와 굴착단면을 대상으로 이루어진다. 국지적 단면에서 단층을 관찰할 경우 제한적인 정보만을 얻을 수 있기 때문에 변위량 및 운동감각이 과대추정 혹은 과소추정될 수 있다. 양산단층의 경우 제4기 동안 우수향 운동이 일어났음이 여러 연구를 통해 증명되었기 때문에 수평오프셋을 기록하고 있는 지형지시자를 같이 분석해야 한다(김남권 등, 2020). 하지만 지형지시자를 활용한 연구의 경우 다음과 같은 점에서 주의가 필요하다.

지형지시자를 이용한 해외의 연구 사례에서 지표형성작용 고려한 Geomorphic fault zone(이하 GFZ)이라는 개념을 이용하여 실제 최초의 변위율과 현재 관찰된 지형지시자로부터 도출된 변위율 과소추정되었을 가능성을 시사하였다(Reitman et al., 2019). Reitman et al.(2019)의 연구에서 3천 년 주기의 우수향 주향이동 지진을 발생시킨 후 수치지형발달모형(Landscape Evolution Model)을 이용하여 우수향 주향이동 지진이 발생한 이후 하천의 발달을 살펴보았다(그림 6). 그림 6(A)는 지진이 발생하기 전 북에서 남으로 흐르는 직선 하천이다. 우수향 주향이동 지진이 발생한 직후 우수향 이동을 지시하는 변위하도(offset channel)가 형성된다(그림 6(B)). 지진발생 후(post-earthquake) 그림 6(C)의 회색부분과 같이 지진이 발생한 주변에서는 하천의 침식력과 사면의 삭박작용이 강하게 일어나기 때문에 주변 지형 및 하천의 형태가 변화한다. 또한 그 힘이 강하게 일어날 경우 붉은색 점과 같은 지진발생 직후 하천의 형태를 지시하는 부분이 점점 사라지게 된다. 그림 6(D)는 이와 같은 지형의 변화를 도식화한 것이다. 만약 이러한 가능성을 간과하게 된다면 현재의 지형지시자만을 가지고 과소추정된 변위율을 계산할 수 있다.

따라서 지형지시자를 이용하여 변위율을 계산할 경우 지표형성작용의 가능성을 염두하여 과소추정과 과대추정의 가능성을 모두 고려할 필요가 있다. 한반도는 판의 경계에 위치한 지역에 비해 지진의 발생 주기가 길고, 한반도는 판의 경계에 비해 지진 발생빈도와 규모가 상대적으로 약하며, 풍화와 침식작용으로 인해 원지형면의 보존이 힘들다. 따라서 지형지시자를 이용할 경우 최소추정될 가능성을 염두하여 최대 변위율 또한 고려할 필요가 있다. 다음으로 그림 6(C)에서 살펴볼 수 있듯이 지진이 일어날 경우, 지진이 발생한 지점뿐만 아니라 그 주변 지역은 강한 지표형성작용을 받는다. 그렇기 때문에 지진이 발생했다고 여겨지는 지점뿐만 아니라 더 넓은 공간범위를 포함하는 그 주변 지역을 반드시 포함하여 지형의 비이상대를 찾아야 할 것이다. 그림 6(C)에서 볼 수 있듯이 지진이 발생한 이후 지형은 점점 광범위하게 변하기 때문이다. 만약 더 강한 지진이 일어났다면 지표형성작용으로 인해 변하는 공간범위는 더욱 커질 것이며, 약하다면 그 공간범위는 작아질 것이다. 또한 한 차례 지진이었다면 비교적 지형의 변이가 명확하게 나타날 것이고, 여러번차례 재활 되었다면 지형의 변이가 인지되지만 여러 차례 지진에 의한 변위가 누적되었기 때문에 단일 지진에 의한 변위를 분류하기 힘들 것이다. 따라서 국내 연구에서 변위율을 계산할 때 최대 변위율(maximum slip rate)을 계산하는 것도 의미가 있다.

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그림 6

지진 발생 전-후로 나타나는 하천지형의 변화과정 및 Geomorphic fault zone에 대한 개념(출처: Figure 10 from Reitman et al., 2019. 수정후 재인용.)

2) 연구지역 단층운동 특성 해석 및 지형발달과정

분석결과를 종합하면, 연구지역의 지형은 우수향 주향이동 단층의 영향을 제4기 동안 지속하여 받았음을 지시한다. 특히, 동-서 방향으로 평행하게 발달한 하천과 능선은 양산단층을 기준으로 우수향 운동을 지시하는 굴절이 이루어졌다고 할 수 있다. 이러한 주장에 대한 근거는 크게 두 가지가 있다. 첫째, 연구지역에서 관찰된 하천들의 지형적 특성에서 살펴볼 수 있다. 연구지역에서 관찰된 하천들은 규모가 매우 작은 하천으로 형산강과 복안천에 비해 모두 직선형에 가까운 하천들이며, 그 배후유역 또한 매우 협소하다. 이는 연구지역에서 관찰된 하천들의 형성시기가 적어도 제4기 이내에 만들어졌음을 지시하며, 이후 우수향 주향이동의 영향을 받아 굴절되었다고 볼 수 있다. 두 번째로 제4기층에서 도출된 OSL 연대측정 결과 역시 하천들의 형성시기가 오래되지 않았음을 시사한다. 이러한 사실을 바탕으로 볼 때 연구지역에서 관찰된 하천은 제4기 단층운동의 영향을 받아 형성되었을 가능성이 높다.

1960년대 항공사진을 이용하여 원지형을 복원한 것이 그림 7(A)이다. 원지형단계에서 하천이나 능선의 방향은 모두 동-서 방향으로 아평행하게 그리고 연속성이 있게 존재하였으며 형산강과 복안천으로 자연스럽게 합류하였다. 현재의 지형과 달리 복원된 원지형에서는 남쪽에 위치한 단구면 역시 단층선을 따라 연속성이 매우 자연스럽게 이어지고 있는 것을 볼 수 있다. 원지형으로부터 우수향 성분의 지형변위가 발생하여 단층선 양측 산지의 동서 방향 주능선 배열과 하천 유로에 큰 변화가 발생하였다. 그림 7(B)의 A-A', B-B', C-C', D-D', E-E', F-F', G-G'를 잇는 유로에서 우수향 주향이동을 지시하는 하천변위가 관찰되며, 특히, D-D'를 잇는 유로는 개폐 능선(shutter ridge)에 의해 분수계가 크게 변화한 것을 볼 수 있다. 그림 7(C)에서는 하천유로에 비하여 동서 방향의 연속성이 자연스러운 양상을 보인다. 서로 다른 하천유역을 가지고 있던 유로 C-B', D-C', E-D'가 연결되어 하나의 유역을 갖는 하천으로 변화한 것을 볼 수 있다. 그림 7(D)는 현재 하천유로와 능선배열을 보여준다. 마지막 단계에서 가장 큰 변화를 보이는 곳은 검은색 점선 원으로 표시된 지역이다. 그림 7(C)에서 연결되었던 D-C'의 유로가 단절되고 새로운 유로가 형성되었다. 유로 D는 북쪽 능선을 침식・절단하고 유로 C로 유입되며, 이렇게 합류한 유로 C와 D은 다시 유로A'로 흘러든다. 유로 A'의 곡구를 중심으로 형성된 선상지와 2단의 단구는 유로 C와 D가 A'로 합류함에 따라 유량 및 하중이 급격히 증가하여 형성된 지형으로 해석된다.

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그림 7

항공사진을 이용하여 복원한 연구지역 지형발달 순서. 각 단계에 대한 설명은 토의 2에 있음

변위량을 계산하기 위해 다양한 지시자를 이용하여 그 거리를 추론하였다. 첫 번째로 지질도에서 표시되는 기반암의 차이를 바탕으로 거리를 추정하였다. 연구지역의 서편은 안산암이고 동편은 퇴적암으로 되어 있다. 연구지역 서편의 북쪽에 위치한 퇴적암과의 거리를 측정한 결과 최대 700 m의 우수향 오프셋이 나타났다. 두 번째로 그림 7과 같이 1960년대 항공사진을 이용하여 T0시기의 지형을 복원하고, 그 최대 거리(E-E’)를 추정한 결과 최대 480 m의 우수향이동이 있었음을 관찰할 수 있다(그림 8(A)-빨간색). 그림 8과 같이 LiDAR를 이용하여 OSL 시료를 채취한 주변능선의 이동거리를 측정한 결과 160m의 변위가 나왔다(그림 8(A)-초록색). 그림 8(B)에서 볼 수 있듯이 시료를 채취한 하천(E-D’)을 기준으로 변위량을 계산했을 경우 약 130m의 우수향이동이 관찰되었다(그림 8(A)-파란색). 첫 번째 방법과 두 번째 방법은 모두 T0시기의 지형에서 도출된 거리로 누적변위량(cumulative displacement)으로 볼 수 있다. 따라서 LiDAR를 이용하여 그림 7의 T2시기를 지시하는 능선과 하천에서 나온 거리인 130에서 160m의 거리가 OSL 결과와 종합했을 때 지난 8만년 동안 이동한 최대거리(maximum displacement)라고 보는 것이 합리적이다.

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그림 8

연구지역 변위율 계산. (A) LiDAR를 이용한 변위 계산. 녹색선: 능선을 기준으로 이동한 거리. 파란선: 하천을 기준으로 이동한 거리. 붉은선: 항공사진을 이용한 최초시기를 기준으로 이동한 거리 (B) 항공사진을 이용한 지형지시자 분석 결과. 검은 점선: 지형지시자 E-D’하천의 위치를 표시

3) 양산단층 남부분절 월산리 일대의 변위율

본 연구에서 얻은 연대측정 결과는 단층운동으로 인해 우수향 변형을 받은 이후에 퇴적이 되었다고 가정하고 있기 때문에 단층운동시기를 직접적으로 지시하지 않는다. 그렇기 때문에 이 연대는 퇴적시기 이후의 단층운동시기를 가정하고 있다. 이 연대를 이용하여 토의2)에서 도출된 T2시기의 변위량을 이용하여 변위율(slip rate)을 계산하면 지난 8만년 동안 1.6 - 2 mm/yr으로 추정된다. 이러한 값은 양산단층과 마찬가지로 판내부 위치하고 있으며, 주향이동단층의 영향을 받는 몽골의 연구사례와 비교해 볼 필요가 있다. 260 km의 연장을 가지는 Bogd fault의 경우 지점에 따라 변위율이 다르지만 0.5-1 mm/yr의 범위를 가지는 결과를 보였다(Rizza et al., 2011). Bulnay fault의 경우 지난 후기 플레이스토세와 홀로세동안 약 3 mm/yr의 수평변위가 있었다(Rizza et al., 2015). 따라서 본 연구결과는 몽골지역의 변위율과 비슷한 수준으로 볼 수 있으며, 도출된 변위율의 범위는 비교적 합리적인 값이라 할 수 있다. 또한 양산단층을 대상으로 수평 변위율을 추정한 기존 연구를 살펴보면 본 연구에서 도출된 변위율은 다른 양상을 보인다. 조화룡 등(1994)의 연구에서는 양산단층의 수직 변위율은 0.02~0.03 mm/yr, 우수향 주향이동 변위율은 0.05~0.1 mm/yr로 추정하였다. Cheon et al.(2020)의 연구는 본 연구지역의 남쪽에 위치한 울산광역시 울주군 두서면 인보리에서 지형분석과 트렌치를 실시하여 제4기 단층을 추적하였다. 8 m 깊이의 트렌치에서 발견된 제4기 단층에서 추정된 수직변위율은 0.11 mm/yr로 나왔으며 수평 변위율은 최소 2배 이상으로 제안하였다.

본 연구에서 도출된 변위율은 기존연구결과와 5-10배 정도 차이가 난다. 이렇게 차이가 나는 이유는 크게 1) 시간 범위(time scale)의 차이, 2) 각 단층분절이 가지고 있는 특성으로 인한 차이, 3) 변위량 오차, 4) 퇴적물의 매몰시기와 단층운동시기에 대한 가정으로 인한 차이에서 나올 수 있다. 본 연구에서 제시한 수평변위율은 OSL 연대측정 값을 바탕으로 나온 지난 8만년 동안의 평균 변위율이기 때문에 제4기 전체 시간범위를 포함하지 않는 제한적인 변위율이다. 그렇기 때문에 더 긴 시간을 지시하거나 더 짧은 시간을 지시하는 연대측정 결과값이 나온다면 변위율은 바뀔 수 있다. 다음으로 단층분절의 특성상 매우 복잡한 기하를 가지기 때문에 연구지역에서 나온 변위율은 양산단층 중에서도 그 변형이 가장 크게 일어난 곳의 변위율이라고 할 수 있으며, 다시 말해 이 지점의 변위율이 양산단층을 대표한다고 보기는 힘들다. 추가적으로 변위율을 계산하는 연구들이 축적된다면 공간적인 패턴이 나타날 것으로 보인다. 세 번째로 LiDAR를 이용하여 지형을 분석하였다고 하더라도 원지형면의 복원을 방해하는 여러 가지 요인으로 인해 어느 정도의 불확실성을 포함하고 있다(Gold et al., 2013). 굴절하천 및 능선과 같은 수평변위를 지시하는 지형을 이용하여 이동한 거리를 계산하였기 때문에 오차가 발생할 수 있다. 왜냐하면 본 연구에서 사용한 항공사진은 1960년대 사진으로 개발로 인해 하도의 인위적인 교란의 가능성이 있으며, 이를 이용하여 굴절하천과 능선의 수평변위를 추정하였기 때문이다. 마지막으로 본 연구에서는 OSL 시료를 채취한 지점의 퇴적시기가 단층운동시기와 일치한다고 가정하여 변위율을 추정하였다. 이는 최소추정치로 실제 변위율은 이보다 더 클 가능성이 있다.

위에서 언급한 조건들을 보다 제한하고, 양산단층의 변위율을 추정할 수 있는 연구 가능성을 살펴보기 위해서는 기존의 한반도 단층 연구로부터 추정된 여러 인자들을 바탕으로 한국의 지표형성작용 상황에 맞는 수치지형발달모형(LEM)을 이용하여 이론적으로 우선 살펴볼 필요가 있다.

6. 결론

본 연구는 지질도 및 고해상도 지형도, 항공사진을 이용하여 실내조사를 수행하고 그 결과를 바탕으로 야외조사를 통해 양산단층 중부의 단층지형분석을 진행하였으며, 이를 통해 연구지역의 지형분류도를 작성하였다. 연구결과 단층운동으로 인해 제4기 퇴적층이 잘린 형태의 노두를 관찰할 수 없었다. 하지만 하천과 능선에 우수향 주향이동을 지시하는 굴절을 다수 관찰할 수 있었으며, 현장답사를 실시하여 제4기 퇴적층에서 약 8만 년의 퇴적시기를 지시하는 연대를 얻을 수 있었다. 이 연대자료와 지형지시자를 바탕으로 항공사진을 통해 원지형을 복원할 수 있었다. 복원한 결과 나온 수평 변위율은 몽골의 Bogd fault 보다는 높게, Bulnay fault의 수평 변위율과는 비슷하게 나왔다. 하지만 본 연구에서 얻은 수평 변위율은 한 지점만의 변위율을 대표하기 때문에 수 백km의 공간범위를 아우르는 두 지역의 변위율과는 규모에서 차이가 있다. 그러나 이는 단층분절의 특성에서 기인한 차이일 가능성도 갖고 있다. 양산단층을 대표하는 수평 변위율을 얻기 위해서는 많은 지점을 대상으로 본 연구에서 시도한 것과 마찬가지로 수평 혹은 수직으로 변위가 있는 지형지시자를 다수 관찰하고, 이 일대를 대상으로 단층관련 지형의 연대를 측정한 이후에 원지형을 복원하여 변위율을 계산할 것을 제안한다.

Acknowledgements

현장조사에 많은 도움을 준, 오정식 교수, 홍성찬 교수, 이초희 학생에게 고마움을 전합니다.

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