1. 서론
2. 장대단층 및 모곡리 지점 개관
3. 연구 방법
1) 루미네선스 연대 측정
2) 최대 변위-모멘트 지진 규모 경험식
4. 결과
1) 루미네선스 연대 측정 결과
2) 변위 기반 지진 규모 산정
5. 토론
1) 모곡리 지점 단층의 최후기 운동 시기
2) 추정 지진 규모의 의미와 기존 사례와의 비교
6. 결론
1. 서론
제4기 단층은 가까운 지질시대 동안 발생한 단층 활동의 이력을 보존하고 있어, 신기 지각 운동의 특성과 잠재적 지진 재해도를 평가하는 데 중요한 연구 대상이다. 지표에 남겨진 제4기 단층의 고지진학적 정보는 과거 지진의 위치, 시기, 규모를 추정하는 데 활용될 수 있으며(김영석 등, 2011; 최진혁 등, 2017), 계기 지진 및 역사 지진 기록만으로 파악하기 어려운 장기간의 지진 활동 이력을 복원할 수 있기 때문이다. 우리나라에서 제4기 단층에 대한 연구는 1990년대 이후 꾸준히 수행되어 왔으며, 특히, 한반도 동남부의 양산단층대, 울산단층대, 연일구조선 등을 중심으로 다수의 제4기 단층이 보고되었다. 반면, 양산단층계 이외의 지역에서 제4기 퇴적층을 변위시킨 단층이 보고된 사례는 제한적이다(홍영민･신재열, 2021).
양산단층계 이외의 지역에서 제4기 단층이 보고된 사례로는 경남 고성군의 서외 지점, 장대단층 중부 구간의 모곡리 지점(모곡리 단층), 금왕단층 북부 구간의 수하 지점, 충북 청주시 외북 지점, 충북 음성군의 백마령 지점, 공주단층 중부, 철원분지 일대의 연구가 대표적이다(이윤성 등, 2017; 홍영민･신재열, 2021; 김태형 등, 2022; Shin et al., 2020; Kim et al., 2024a; 2024b). 이윤성 등(2017), 김태형 등(2022), Shin et al.(2020), Kim et al.(2024a; 2024b)의 연구에서는 석영 OSL(Optically Stimulated Luminescence) 연대 측정 결과를 바탕으로 단층의 최후기 운동 시기를 보고하였으며, 이윤성 등(2017)과 김태형 등(2022)은 단층 변위에 근거한 추정 지진 규모도 함께 제시하였다. 반면, 홍영민･신재열(2021)의 연구 결과는 지형 분석과 경남 함안군 모곡리에서 관찰되는 단층의 노두 분석을 통해 장대단층의 운동 특성, 기하, 제4기 활동 가능성 등에 대한 중요한 정보를 제공하였지만, 미고결 퇴적층의 수치 연대에 기반한 최후기 운동 시기와 지진 규모의 추정은 구체적으로 논의하지 못하였다. 고지진학 연구에서 단층의 활동 시기와 지진 규모 추정은 과거 지진의 특성을 복원하고 잠재적 지진 재해를 평가하는 데 중요한 기초 자료가 된다는 점에서 이에 대한 추가적인 논의가 필요하다.
이 연구는 장대단층 중부 구간 모곡리 지점에서 관찰되는 미고결 퇴적층을 대상으로 루미네선스 연대 측정을 수행하여 모곡리 지점 단층의 최후기 운동 시기를 논의하고자 한다. 또한, 노두에서 산정된 변위를 바탕으로 최대 변위-모멘트 지진 규모 경험식을 적용하여 모곡리 지점의 단층 운동에 수반되었을 가능성이 있는 모멘트 규모를 추정하고자 한다. 이를 통해 장대단층 중부 구간에서 제4기 단층의 최후기 운동 시기와 고지진학적 특성을 논의하고, 장대단층에 대한 지속적인 고지진학적 연구의 필요성을 제시한다.
2. 장대단층 및 모곡리 지점 개관
장대단층은 경남 의령군 일대에서 함안군, 창원시, 김해시 방향으로 연장되는 서북서-동남동 방향의 주향 이동 단층으로(그림 1a), 류충렬 등(2008)에 의해 처음으로 보고되었다. 류충렬 등(2008)은 위성영상 분석과 기반암 단층대의 구조 분석을 바탕으로 장대단층을 경상분지 남부의 주요 서북서 방향 단층으로 해석하였으며, 기반암 단층대의 기하와 주변 제4기층의 경사 구조를 근거로 장대단층의 제4기 활동 가능성을 제기하였다. 그러나 이 연구에서는 장대단층을 따라 퇴적층이 변위된 직접적인 제4기 운동 증거는 제시되지 못하였다.
그림 1.
a: 장대단층 및 모곡리 지점의 위치와 지형 발달. b: 모곡리 지점 노두 전경(홍영민･신재열(2021) 일부 수정). Af는 선상지(Alluvial fan)를 의미한다. Af1은 가장 최근에 형성된 저위면(低位面)에 해당하며, 이를 기준으로 지형면의 명칭은 오름차순으로 명명되었다(Af1: 가장 최근 형성, Af4: 가장 오래전에 형성)
이후, 홍영민･신재열(2021)은 장대단층 중부 구간에 위치한 경남 함안군 모곡리 일대에서 미고결 퇴적층을 변위시킨 단층을 보고하고 이를 모곡리단층이라 명명하였다(다만, 이번 연구에서는 대규모 단층대 내에서 보고된 개별 단층 노두에 대해 “지점”이라는 용어로 지칭하는 최근의 경향을 반영하여 “모곡리단층”을 “모곡리 지점의 단층”으로 지칭한다). 또한, 미고결 퇴적층의 변위를 근거로 단층이 제4기 동안 재활하였음을 주장하였다. 연구 결과에 따르면, 모곡리 지점에서 단층은 기반암인 규장암(felsite)과 미고결 퇴적층을 절단한다. 단층면의 경사는 하부에서 약 70°SW 내외의 고각으로 발달하다가 상부로 갈수록 점차 저각으로 완만해지는 양상을 보인다. 모곡리 지점에서 단층에 의해 절단된 미고결 퇴적층은 지형면 분류상 선상지 3면(Af3)의 퇴적층에 해당하며, 이 퇴적층은 6개의 층준으로 구분되었다(Unit 1~6; 그림 2). 이들 퇴적층 중 Unit 4와 Unit 5에서는 단층 운동과 관련된 변형 구조가 확인되며, Unit 6은 단층에 의해 변형되지 않고 하부 퇴적물을 피복한다. 상반의 기반암과 하반의 Unit 4가 단층면을 따라 접촉하는 구간에서는 단층비지대가 관찰된다.
그림 2.
모곡리 지점의 노두 스케치 및 루미네선스 연대 측정을 위한 시료 채취 지점(홍영민･신재열(2021) 일부 수정). Unit 6은 홍영민･신재열(2021)의 연구에서 Top soil에 해당함
모곡리 지점에서 관찰되는 단층의 운동 감각은 상반인 남서측 지괴가 북동측으로 상승한 역이동성 운동으로 해석되었다. 그러나 장대단층은 기존 연구에서 좌수향의 주향 이동 성분을 가지는 단층으로 논의되어 왔기 때문에, 모곡리 지점에서 관찰되는 역이동성 운동 감각은 장대단층의 전체 운동 특성과 다소 차이를 보인다. 이에 대해 홍영민･신재열(2021)은 모곡리 지점이 장대단층의 가지단층 분기점 일대에 위치하며, 장대단층의 좌수향 운동 과정에서 국지적으로 발생한 전달압축(transpression)에 의해 형성된 역단층일 가능성을 제시하였다. 모곡리 지점에서 관찰되는 양의 꽃구조 발달 양상은 이러한 해석을 뒷받침하는 근거로 제시되었다(그림 1b). 노두에서 관찰된 겉보기 변위는 약 0.8m, 지형 분석을 통해 추정되는 장대단층 중부 구간의 누적 수직 변위량은 약 1~2.5m이다.
3. 연구 방법
1) 루미네선스 연대 측정
이 연구에서는 모곡리 지점의 미고결 퇴적층을 대상으로 총 9개의 루미네선스 연대측정용 시료를 채취하였다(그림 2). 단층의 하반에서는 6개, 상반에서는 2개의 시료를 채취하였으며, 이들 시료는 단층에 의해 절단된 퇴적층의 퇴적 시기를 파악하여 최후기 운동 시기의 하한을 제한하기 위해 채취되었다. 또한 단층에 의해 절단되지 않은 최상부 퇴적층인 Unit 6에서 1개의 시료를 채취하였으며, 이 시료는 최후기 운동 시기의 상한을 제한하기 위해 채취되었다.
시료의 전처리는 최정헌 등(2004) 및 홍성찬 등(2013)에서 제시된 방법에 따라 수행하였다. 채취된 시료는 실험실에서 전처리 과정을 거쳐 90-250 ㎛ 크기의 석영과 K-장석으로 분리하였으며, 각각 석영 OSL 및 K-장석 IRSL(InfraRed Stimulated Luminescence) 연대 측정에 활용하였다. 석영 OSL 신호의 등가선량은 Murray and Wintle(2000)이 제안한 단일 시료 재현법(Single-Aliquot Regenerative-dose protocol; 이하 SAR protocol)을 이용하여 측정하였으며, 장석 IRSL 신호의 등가선량은 Buylaert et al.(2009)이 제안한 SAR protocol을 이용하여 측정하였다.
등가선량의 측정 장비는 한국기초과학지원연구원(Korea Basic Science Institute; KBSI)의 루미네선스 측정 장비(모델명: Risø TL/OSL-DA-20)를 이용하였다. 여기 광원은 blue LEDs(470nm, 약 80mW/cm2)와 IR LEDs(875nm, 약 135mW/cm2)를 사용하였으며, 시료의 방사선 조사는 장비에 부착된 90Sr/90Y 베타선원을 이용하였다. 석영 OSL 연대 측정에는 7.5mm Hoya U-340 필터를 통과한 자외선 영역의 신호를 이용하였고, K-장석 IRSL 연대 측정에는 blue filter pack(4mm Corning 7-59와 2mm Schott BG 39)을 통과한 청색 파장 영역의 신호를 이용하였다.
연간선량은 KBSI의 저준위 고분해능 감마 스펙트로미터(low-level high resolution HPGe gamma spectrometer)를 이용하여 시료 내 방사성 동위원소인 U, Th, K 핵종들의 방사능(activity, 단위: Bq/kg)을 측정한 뒤, Liritzis et al.(2013)이 제시한 식으로 환산하여 도출하였다. 퇴적물 내 수분함량의 영향은 Zimmerman(1971)의 자료를 이용하여 보정하였으며, 우주선(cosmic ray)에 의한 영향은 시료 채취 지점의 위도, 경도, 고도, 매몰 깊이 등을 고려하여 Prescott and Hutton(1994)의 식을 이용하여 계산하였다.
K-장석의 IRSL 연대 계산에서는 K-장석 입자 내부의 40K 및 87Rb 붕괴에 의한 내부선량을 추가로 고려하였다(internal dose rate). K-장석의 K 함량은 12.5 ± 0.5 %로 가정하였으며(Huntley and Baril, 1997), Rb 함량은 Mejdahl(1987)의 경험식에 따라 467.455 ± 100 ppm으로 산정하였다. K 및 Rb 함량에 따른 연간선량은 Adamiec and Aitken(1998)이 제안한 방법으로 계산되었다. K-장석 IRSL 신호의 비정상적 감쇠현상(anomalous fading)에 대한 보정은 Huntley and Lamothe(2001)에서 제시된 방법을 이용하였다.
2) 최대 변위-모멘트 지진 규모 경험식
지진에 수반된 지표 변형은 지진 규모와 경험적인 상관관계를 가지며, 고지진학 연구에서는 이를 이용하여 과거 지진의 규모를 추정한다(Wells and Coppersmith, 1994). 지진 규모 산정에는 지표 파열 길이, 파열 면적, 평균 변위, 최대 변위 등이 활용된다. 다만, 판경계부와 같이 지구조 활동이 활발한 지역의 대규모 단층대에서도 지표 변형은 쉽게 관찰되지 않으며, 은닉단층(blind fault)의 발달, 침식에 의한 퇴적물 제거, 두꺼운 퇴적층 및 식생의 피복 등은 지표 변형의 추적을 더욱 어렵게 만드는 요소이다(홍영민 등, 2025). 따라서 우리나라와 같이 제4기 단층 활동에 의한 지표 변형을 추적하기 어려운 환경에서는 노두 또는 굴착 단면에서 산정 가능한 변위량을 이용하는 방법이 활용되어 왔고, Wells and Coppersmith(1994)의 최대 변위-모멘트 지진 규모 경험식을 적용하여 단층 운동에 수반되었을 가능성이 있는 모멘트 규모를 추정한 사례가 보고되어 왔다(김영석･진광민, 2006; 진광민 등, 2013; 이윤성 등, 2017; 송영석 등, 2020; 권오상 등, 2021; 김태형 등, 2022). 다만, Wells and Coppersmith(1994)의 경험식은 단층 운동 유형별 회귀식의 통계적 유의성 및 표본 수 측면에서 한계가 있다고 알려져 왔으며, 이러한 한계를 보완하거나 특정한 단층 운동 유형에 적용하기 위해, 여러 후속 경험식들이 제시되어 왔다(Youngs et al., 2003; Moss and Ross, 2011; Petersen et al., 2011; Leonard, 2014; Thingbaijam et al., 2017). 그러나 이러한 후속 경험식들은 주로 확률론적 단층 변위 재해도 분석 또는 지진원 scaling의 맥락에서 제시･활용되어 왔으며 국내 제4기 단층의 고지진 규모 산정에 직접 적용된 사례는 아직 제한적이다. 따라서 이번 연구에서는 국내의 기존 제4기 단층 연구와의 비교 분석을 고려하여 Wells and Coppersmith(1994)의 경험식을 적용하였다.
Wells and Coppersmith(1994)의 경험식에 따르면, 최대 변위와 모멘트 규모의 관계는 MW = A + BlogSt로 표현된다. 여기서 MW는 모멘트 규모, St는 실제 변위(true displacement, m), A와 B는 단층의 운동 감각에 따른 회귀계수(regression coefficients)이다. 또한, Wells and Coppersmith(1994)는 단층 운동 감각을 주향 이동 단층, 역단층, 정단층 및 전체 단층 유형으로 구분하여 각각의 경험식을 제시하였다. 연구 대상인 모곡리 지점은 기존 연구에서 역이동성 운동 감각을 보이는 단층으로 해석되었으므로, 이 연구에서는 역단층에 대한 모멘트 지진 규모 경험식인 MW = 6.52 + 0.44logSt를 적용하였다.
한편, 노두 또는 굴착 단면에서 관찰되는 변위가 항상 단층의 실제 변위를 의미하는 것은 아니다. 단층면의 경사, 기준면의 자세, 그리고 단층 조선의 방향 등에 따라 단면에서 관찰되는 겉보기 변위와 실제 변위 사이에 차이가 발생할 수 있다(Xu et al., 2009). 따라서 노두 또는 굴착 단면에서 측정된 변위를 경험식에 적용하기 위해서는 관찰된 변위를 실제 변위로 보정하는 과정이 필요하다(그림 3). 먼저 노두 또는 굴착 단면에서 측정된 겉보기 수직 변위(Svm)는 관찰면의 경사각(α)을 이용하여 수직 변위 (Sv)로 보정된다(Sv=Svm*Sinα). 다음으로 수직 변위 (Sv)는 단층 경사각(β)을 이용하여 단층면의 경사 방향 변위인 경사 분리(Sm)로 환산된다(Sm=Sv/Sinβ).
경사 분리는 단층면의 경사 방향을 기준으로 한 변위로, 단층 운동이 순수 경사 이동일 경우 실제 변위와 같아질 수 있다. 그러나 단층 운동에 주향 이동 성분이 포함될 경우, 실제 미끄럼 방향은 단층면의 경사 방향과 일치하지 않는다. 따라서 단층조선의 선주각(γ)을 이용하여 경사 분리(Sm)를 실제 변위(St)로 환산한다(St=Sm/Sinγ). 선주각이 90°에 가까울수록 단층 운동은 단층면의 경사 방향 운동에 가까우며, 선주각이 작아질수록 주향 이동 성분의 비율이 증가한다. 따라서 동일한 경사 분리가 관찰되더라도 선주각이 작아질수록 실제 변위는 증가한다.
4. 결과
1) 루미네선스 연대 측정 결과
먼저 채취된 시료를 대상으로 석영 OSL 연대 측정을 수행하였다. 석영 OSL 연대 측정에 앞서, 채취된 시료가 석영 OSL 연대 측정에 적합한지 확인하기 위해 전처리 과정을 통해 준비된 시료에 대해 적외선 실험(IR test)과 선량재현 실험(dose recovery test)을 수행하였다. 적외선 실험은 준비된 시료 내에 장석 입자의 잔류 여부를 확인하기 위한 실험으로, IR LEDs로 여기하여 얻은 IRSL 신호와 blue LEDs로 여기하여 얻은 OSL 신호를 비교하여(IR/Blue), 장석 입자들이 충분히 제거되었는지 확인한다. 적외선 실험결과, 모든 시료들의 IR/Blue 비율이 10 % 미만으로 나타났으며, 이는 전처리 과정에서 장석이 충분히 제거되었음을 의미한다.
선량재현 실험은 석영 시료가 SAR protocol을 이용한 OSL 연대 측정에 적합한지를 평가하는 실험이다. 석영 시료를 루미네선스 측정 장비에 부착된 Blue-LEDs에 1,000초 동안 노출시켜 자연 OSL 신호(natural OSL signal)를 모두 제거하고 임의의 실험실 선량(given dose)을 조사한 후, SAR protocol을 이용해 측정한 선량(measured dose)이 조사된 실험실 선량을 잘 회복하는지를 평가하는 과정을 거친다. SAR protocol의 열 전처리 온도(preheat temperature)를 220°C에서 295°C까지 15°C 간격으로 증가시키며 실험한 결과, 열전처리 온도가 높아질수록 Measured/Given dose 비가 낮아지는 경향이 관찰되었다(그림 4). 따라서, 이 연구에서는 석영 OSL 등가선량 측정을 위한 열 전처리 조건을 220°C로 설정하였다(표 1).
표 1.
석영 OSL 연대 측정을 위한 SAR protocol
각 시료에서 측정된 석영 OSL 신호는 여기를 시작한 후, 약 0.6초 내외에 초기 신호의 10% 수준까지 도달하는 것으로 확인되었다. 이는 시료의 석영 OSL 신호가 fast component에 주로 지배된다는 것을 간접적으로 지시하며, 적외선 실험 및 선량재현 실험 결과와 함께 연구 지역의 시료가 석영 OSL 연대 측정에 적합하다는 것을 의미한다.
다만, 석영 OSL 연대 측정 결과, 모든 시료에서 등가선량이 특성선량(characteristic dose, 2D0)에 근접하거나 초과하는 것으로 나타났다(그림 5). 이는 석영 OSL 신호가 선량 포화 상태(dose saturation level)에 도달했거나 연대 측정 상한을 초과했음을 의미한다. 이 경우 산정된 연대는 실제 퇴적 연대를 과소 평가할 가능성이 있으며(Murray and Funder, 2003), 자연 선량 측정에 약간의 오차가 있어도 등가선량 값은 큰 오차를 보여 연대 결과의 신뢰도를 확보하기 어렵다(홍성찬 등, 2013). 따라서, 각 시료의 특성선량 값을 이용하여 퇴적 연대 하한(lower limit of depositional age)을 산정하였다(표 2).
표 2.
석영 OSL 연대 측정 결과
연구 지역 석영 시료의 2D0 값은 180 ± 17 Gy에서 231 ± 9 Gy의 범위를 보였으며, 이를 바탕으로 계산한 퇴적 연대 하한은 〉 73 ± 2ka에서 〉 112 ± 6ka의 범위로 나타났다. 이 결과는 모곡리 지점의 미고결 퇴적층이 이들 하한 연대보다 오래 전에 형성되었음을 지시하지만, 단층의 최후기 운동 시기를 직접 제한하기에는 한계가 있어 K-장석을 이용한 IRSL 연대 측정을 추가로 수행하였다.
K-장석의 IRSL 연대 측정은 MGR-05~09 시료를 대상으로 수행하였다. 일반적으로 K-장석의 IRSL 신호는 50°C에서 측정하여 검출된 신호를 의미하는데, 50°C에서 측정한 IRSL 신호는 감쇠현상이 커서, 보정 모델을 적용하더라도 연대 결과의 신뢰도를 담보하기 어렵다. 이러한 한계를 보완하기 위해 50°C에서 시료를 IR-LEDs에 노출시켜 감쇠현상이 큰 신호 요소를 제거한 후, 50°C보다 높은 온도에서 측정된 IRSL 신호를 연대 측정에 사용한다. 이때, 높은 온도에서 측정된 IRSL 신호를 post IR-IRSL(pIRIR) 신호라 한다(홍성찬 등, 2013; pIRIR 신호의 측정 온도는 아래 첨자로 표기).
이 연구에서는 K-장석의 pIRIR225 신호를 이용하여 등가선량을 산정하였으며, 이를 위해 사용한 세부 실험 조건은 표 3과 같다. K-장석의 pIRIR225 연대 측정 결과(표 4), 등가선량은 491 ± 32 Gy에서 683 ± 53 Gy의 범위로 측정되었으며(그림 6), 연간선량은 2.83 ± 0.07 Gy/ka에서 3.42 ± 0.08 Gy/ka 범위로 측정되었다. 이를 바탕으로 산출된 보정 전(before fading correction) K-장석의 pIRIR225 연대는 158 ± 11ka에서 200 ± 16ka의 범위로 나타났다.
표 3.
K-장석 pIRIR225 연대 측정을 위한 SAR protocol
표 4.
K-장석 pIRIR225 연대 측정 결과
| Sample | Total dose rate (Gy/ka) | De (Gy)1) | Uncorrected age (ka) | g-value (%/dec.) | Corrected age (ka) |
| MGR-05 | 2.92 ± 0.06 | 515 ± 34 | 177 ± 12 | 2.3 ± 0.6 | 211 ± 13 |
| MGR-06 | 2.83 ± 0.07 | 534 ± 27 | 189 ± 10 | 1.6 ± 1.0 | 212 ± 10 |
| MGR-07 | 3.38 ± 0.07 | 657 ± 13 | 195 ± 4 | 1.4 ± 0.4 | 218 ± 8 |
| MGR-08 | 3.42 ± 0.08 | 683 ± 53 | 200 ± 16 | 1.4 ± 0.6 | 222 ± 18 |
| MGR-09 | 3.11 ± 0.07 | 491 ± 32 | 158 ± 11 | 1.6 ± 0.7 | 178 ± 12 |
각 시료의 비정상적 감쇠율(fading rate; g-value)은 1.4 ± 0.4 %/decade에서 2.3 ± 0.6 %/decade의 범위로 측정되었다. 이를 바탕으로 Huntley and Lamothe(2001)이 제안한 모델을 적용한 보정 후(after fading correction) K-장석의 pIRIR225 연대는 MGR-05에서 211 ± 13ka, MGR-06에서 212 ± 10ka, MGR-07에서 218 ± 8ka, MGR-08에서 222 ± 18ka, MGR-09에서 178 ± 12ka로 산출되었다.
2) 변위 기반 지진 규모 산정
상술한 바와 같이, 일반적으로 노두 또는 굴착단면에서 관찰되는 변위는 실제 단층 변위량을 직접 지시하지 않을 수 있다. 이는 관찰 단면이 단층 주향에 정확히 수직하지 않거나, 단층면의 실제 운동 벡터가 단층면의 경사 방향과 일치하지 않는 경우가 많기 때문이다(진광민 등, 2013; 이윤성 등, 2017; 송영석 등, 2020; Xu et al., 2009). 또한, 단층 상반의 퇴적층은 단층 운동 이후 침식･삭박에 의해 일부 유실될 수 있으므로, 절단된 동일 지층을 상･하반에서 모두 추적하여 변위 기준면을 설정하기 어려운 경우도 많다. 이 경우에는 노두 또는 굴착 단면에서 확인되는 기준면의 변위를 이용하여 겉보기 변위를 먼저 산정한 뒤, 단층면의 자세와 단층조선의 선주각 등을 고려하여 실제 변위로 환산하는 과정이 필요하다(Xu et al., 2009).
모곡리 지점에서는 상반의 기반암과 하반의 미고결 퇴적층이 단층면을 따라 접촉하며, 기반암 부정합면으로 인지되는 기준면의 변위가 명확하게 관찰된다. 또한, 노두의 단면은 수직에 가깝고, 단층의 주향에 직교하는 방향으로 노두가 노출되어 있어 노두 단면에서 관찰되는 겉보기 변위가 단층의 경사 방향 변위를 잘 반영하는 것으로 판단된다. 이에 따라 이 연구에서는 노두에서 관찰되는 약 0.8m의 겉보기 변위를 실제 변위 산정을 위한 경사 분리로 산정하였다. 이때, 0.8m의 변위는 한 번의 단층 활동에 수반된 변위로 가정한다.
한편, 모곡리 지점에서는 단층 조선이 명확하게 관찰되지 않아 실제 운동 벡터의 방향을 고려하기 어렵다. 따라서, 이 연구에서는 순수 역이동성 경사 이동을 가정하고, 단층조선의 선주각을 90°로 설정하였다. 이 조건은 단층 운동이 단층면의 경사 방향으로만 발생한 경우에 해당하므로, 실제 변위를 가장 작게 산정하게 된다.
순수 역이동성 경사 이동을 가정할 경우, 모곡리 지점 단층의 실제 변위는 약 0.8m로 산정되며(St=0.8/Sin90), Wells and Coppersmith(1994)의 역단층에 대한 모멘트 지진 규모 경험식에 적용한 결과(MW=6.52+0.44log0.8), 모곡리 지점의 단층 운동에 수반되었을 가능성이 있는 추정 모멘트 규모는 약 6.5로 계산되었다. 추가로 실제 단층 운동에 주향이동 성분이 포함되었을 가능성을 고려하기 위해 단층 조선의 선주각을 70°, 60°, 45°, 30°로 가정하고 실제 변위와 모멘트 규모를 계산하였다(표 5). 단층조선의 선주각이 45° 인 경우와 30° 인 경우는 주향이동 성분이 우세해지므로, 주향이동 단층에 적용되는 경험식을 적용하였다(MW=6.81+0.78logSt). 계산 결과, 선주각이 감소함에 따라 실제 변위는 최대 약 1.6m까지 증가한다. 이를 모멘트 지진 규모 경험식에 적용하면, 모멘트 규모는 약 6.5~7.0 범위로 계산되었다.
표 5.
선주각 변화에 따른 모멘트 규모 변화
| Rake of slickenline (γ) | True displacement (St) | Moment magnitude scale (Mw)1) |
| 90° | 0.8m | ≈ 6.5 |
| 70° | 0.83m | ≈ 6.5 |
| 60° | 0.92m | ≈ 6.5 |
| 45° | 1.13m | ≈ 6.9 |
| 30° | 1.60m | ≈ 7.0 |
모멘트 규모는 log 스케일이므로 0.1의 차이도 큰 물리적인 에너지의 차이를 수반한다. 다만, 고지진학적 규모 추정에는 변위 산정의 불확실성, 경험식 자체의 회귀 오차 등이 함께 포함되므로, 개별 계산값의 작은 차이를 과도하게 해석하는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 이 연구에서는 순수 역이동성 경사 이동을 가정한 약 Mw 6.5를 최소 추정값으로 제시하며, 주향이동 성분이 우세해질 경우 추정 규모가 증가할 수 있음을 함께 제시한다.
5. 토론
1) 모곡리 지점 단층의 최후기 운동 시기
석영 OSL 연대 측정 결과는 퇴적 연대의 하한만을 제시할 수 있었으며, K-장석의 pIRIR225 연대 측정을 통해 상부 퇴적층의 퇴적 시기를 도출할 수 있었다. 전술한 바와 같이, 이 연구에서 모곡리 지점 미고결 퇴적층의 K-장석 pIRIR225 연대결과는 Huntley and Lamothe(2001)가 제안한 보정모델을 사용하여 도출되었다. 이 모델 외에도 지금까지 K-장석의 비정상적 감쇠현상을 보정하기 위한 여러 가지 방법이 제안되어 왔지만(예. Lamothe et al., 2003; Kars et al., 2008), 각 보정 방법의 바탕이 되는 기본 가정의 한계나 실험실에서 측정된 감쇠율의 큰 불확도로 인해 아직까지 최적의 모델에 대한 논의가 계속되고 있다(Riedesel, 2025). Huntley and Lamothe(2001) 모델은 K-장석 pIRIR225 신호 성장곡선의 선형구간에 해당하는 시료에 잘 적용되는 것으로 알려져 있다. 하지만, K-장석 pIRIR225 연대측정에 대한 기존 연구에서 K-장석 pIRIR225 성장곡선의 비선형 구간에 해당하는 신호의 보정에 Huntley and Lamothe(2001) 모델이 성공적으로 적용된 사례가 다수 보고되어(Buylaert et al., 2011; Sohbati et al., 2012; Thiel et al., 2015), 이 보정 방법의 적용 범위가 반드시 성장곡선의 선형 구간에만 국한된다고 보기 어렵다. 모곡리 지점에서 채취한 시료들의 자연 pIRIR225 신호는 대체로 성장곡선의 선형구간에서 내삽되는 것으로 나타나(그림 6), 이 보정 방법이 모곡리 지점의 최후기 운동 시기를 제한하는 데 큰 문제가 없을 것으로 판단된다. 다만, 보정 모델에 따른 연대 결과의 오류 가능성을 완전히 배제할 수는 없으므로, 추후 보정 모델에 따른 연대 결과의 신뢰도 검토와 층서 관계를 종합한 모곡리 지점의 최후기 운동 시기에 대한 논의가 지속적으로 진행될 필요가 있다.
Huntley and Lamothe(2001)의 보정 모델을 이용하였을 때, 단층에 의해 변위 된 퇴적층 중 하반의 최상부 퇴적층(Unit 5)에서 채취된 MGR-06 시료는 212 ± 10ka의 연대가 산출되었으며, 단층에 의해 변위되지 않은 퇴적층(Unit 6)에서 채취된 MGR-09 시료는 178±12ka의 연대를 보인다. 이에 근거했을 때, 모곡리 지점의 최후기 운동 시기는 Unit 5 퇴적 이후, Unit 6 퇴적 이전인 약 212~178ka로 제한할 수 있다.
한편, 홍영민･신재열(2021)은 모곡리 지점의 단층 연장을 따라. 선상지 3면에서는 지형 누적 변위가 인지되는 반면, 선상지 2면(Af2)에서는 뚜렷한 지형 변위가 인지되지 않는다는 점을 근거로 단층 활동 시기가 선상지 3면 형성 이후에서 선상지 2면 형성 이전에 집중되었을 가능성을 제시하였다. 향후, 연구 지역 일대의 선상지 2면과 3면의 퇴적 연대가 산출된다면, 지형 층서와 수치 연대 간의 비교･검증이 가능할 것으로 생각된다.
현재 장대단층에서 수치 연대가 확보된 제4기 단층 노두는 이번 연구에서 제시된 모곡리 지점에 한정되어 있어, 이 결과만으로 장대단층 전체의 제4기 활동 시기를 일반화하기는 어렵다. 따라서, 장대단층의 여러 구간에서 수치 연대 확보를 통해 장대단층의 활동 이력에 대한 시간 정보가 확보되어야 한다.
2) 추정 지진 규모의 의미와 기존 사례와의 비교
경험식에 근거한 모곡리 지점의 모멘트 규모 산정 결과, 모곡리 지점 단층의 운동에 수반되었을 가능성이 있는 모멘트 규모는 최소 약 6.5로 추정된다. 기존 연구에서 양산단층계의 제4기 단층을 대상으로 산정된 모멘트 규모는 대체로 6.5 이상의 값을 보인다. 양산단층 북부 및 중남부 구간에서는 6.5~7.7 범위의 모멘트 규모가 제시된 바 있으며, 울산단층에서도 약 6.6 수준의 모멘트 규모가 보고되었다(그림 7)(김영석･진광민, 2006; 진광민 등, 2013, 송영석 등, 2020; 권오상 등, 2021; Ha et al., 2025). 또한, 모곡리 지점에서 약 30 km 떨어진 경남 고성군 서외 지점에서도 약 6.7 수준의 모멘트 규모가 제시되었다(이윤성 등, 2017).
기존 사례와 비교하면 모곡리 지점 단층의 추정 지진 규모는 상대적으로 낮은 편에 속할 수 있으나, 지표 변형을 수반할 수 있는 규모라는 것에 주목해야 한다. 또한, 이 연구에서 제시된 모멘트 규모는 최소 추정값이다. 따라서, 실제 단층 운동에 주향이동 성분이 포함되었을 경우, 실제 변위와 이에 따른 모멘트 규모는 이보다 크게 산정될 가능성이 있다. 이러한 점을 고려하면, 모곡리 지점의 모멘트 지진 규모 산정 결과는 장대단층 중부 구간의 고지진학적 의미를 검토하는 데 중요한 기초 자료로 활용될 수 있다.
한편, 장대단층이 위치한 함안군 일대의 역사 지진 기록에는 비교적 높은 진도로 추정되는 기록들이 포함되어 있다(표 6). 이는 연구 지역 주변에서 과거에도 반복적인 지진 활동이 있었을 가능성을 보여준다. 다만, 역사 지진 기록만으로 개별 지진을 모곡리 지점 또는 장대단층의 활동과 직접 연결하기는 어렵다. 특히, 역사 지진 자료는 진앙의 위치와 규모 산정에 불확실성이 크고, 기록된 피해 또는 감지 범위가 실제 지진 발생 단층을 직접 지시하는 것은 아니다. 그러나 모곡리 지점의 제4기 활동성과 변위 기반 지진 규모 추정 결과를 함께 고려하면, 장대단층이 김해, 창원 진주 등 인구가 밀집한 도시 지역 및 주요 산업 시설과 인접해있다는 점에서 장대단층 및 주변 단층들의 활동 가능성은 지진 재해 평가 측면에서 지속적으로 검토될 필요가 있으며, 추가적인 단층 노두 조사, 지형 변위 분석, 변위율 산정 등이 필요함을 시사한다.
표 6.
함안군 일대의 역사 지진 기록(기상청)
6. 결론
이 연구는 장대단층 중부 구간에 위치한 모곡리 지점에서 관찰되는 단층을 대상으로, 최후기 단층 운동 시기와 변위 기반 지진 규모를 검토하였다. 이를 위해 모곡리 지점의 미고결 퇴적층을 대상으로 석영 OSL 및 K-장석 pIRIR225 연대 측정을 수행하고, 노두에서 산정된 단층 변위를 최대 변위-모멘트 지진 규모 경험식에 적용하였다.
K-장석의 pIRIR225 연대 측정 결과, 단층에 의해 절단된 Unit 5의 MGR-06 시료는 212 ± 10ka, 단층에 의해 절단되지 않은 최상부 Unit 6의 MGR-09 시료는 178 ± 12ka로 산정되었다. 층서적 관계와 연대 결과를 종합하면, 모곡리 지점의 최후기 운동 시기는 Unit 5 퇴적 이후, Unit 6 퇴적 이전인 약 212~178ka로 판단된다.
모곡리 지점의 경사 분리는 0.8m로 산정하였으며, 단층 조선이 관찰되지 않았기 때문에 순수 역이동성 경사 이동을 가정하여 이를 모멘트 지진 규모 경험식에 적용하였다. 그 결과, 모곡리 지점의 단층 운동에 수반되었을 가능성이 있는 지진의 모멘트 규모는 약 6.5로 추정된다.
이 연구는 장대단층 중부 구간에서 단층의 최후기 운동 시기와 변위 기반 지진 규모를 함께 제시하였다는 점에서 의미가 있다. 다만, 현재 장대단층에서 수치 연대가 확보된 제4기 단층 사례는 제한적이므로, 이 연구 결과를 장대단층 전체의 활동성으로 일반화하기 위해서는 추가 자료의 보완이 필요하다. 향후 장대단층을 따라 지속적인 단층 노두 조사, 지형 변위 분석, 수치 연대 측정 등이 이루어진다면, 장대단층의 제4기 활동성과 고지진학적 특성을 보다 구체적으로 평가할 수 있을 것으로 기대한다.
