단층

 

1. 개요
2. 원인 및 과정
3. 형태 및 분류
3.1. 경사 이동 단층 (Dip-direction Faults)
3.2. 주향 이동 단층 (Strike-slip Faults)
3.3. 이 외의 용어들
4. 영향
5. 현존하는 단층
5.2. 해외

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1. 개요

斷層 / Fault[1]
암층이나 암괴가 어떤 면을 따라 움직여 불연속성이 생긴 것을 말한다. 이 때 그 면을 단층면이라고 한다.[2]
작은 단층은 센티미터 크기일 수도 있지만, 큰 경우에는 수십, 수천 킬로미터의 연장성을 보이기도 한다.

2. 원인 및 과정

단층은 어떤 방식으로든 해당 암층에 차별적인 힘이 가해져서 그 힘이 해소되어야 할 때 발생하게 된다. 특히 암석이 연성(延性) 변형되지 않고 취성(脆性) 변형이 더 안정적일 때 발생하므로, 보통 단층은 상부지각에 국한되는 현상으로 생각할 수 있다. 그러나 연성변형이 선호되는 깊은 곳이라도, 강한 전단 응력(剪斷應力)이 연성 변형만으로 해소되지 않을 때나 이미 발달해 있는 불연속면이 제동될 때도 단층면이 확장될 수 있다.
일단 어느 지역에 응력장이 걸리게 되면, 암석은 이 응력장에 반응하게 된다. 힘이 약한 경우에는 물론 암석이 그저 견디겠지만, 그 응력장은 해소되지 않고 유지된다. 응력장이 충분히 강해서 암석이 견딜 수 있는 한계를 넘어서게 되면 암석은 '변형'된다. 취성 변형이 더 유리한 조건인 경우, 이 암석은 이 응력장을 해소하기 위해 '깨지게' 된다. 이 때 새롭게 깨진 면을 따라 암석이 이동하게 되고 이를 통해 응력차를 해소하게 된다. 그리고 이 때 해소된 응력에 의한 포텐셜 에너지가 파동의 형식으로 퍼져나가게 되는데, 이것이 지진이 된다.
주변이 공기와 같이 매우 무른 물질인 경우에는 암석이 깨질 때 그 사이에 빈 공간이 허용되어 산산조각나는 형태를 보이겠지만, 지표 아래에서는 주변에 암석이 가득 차 있기 때문에 단층 사이에 빈 공간은 없다. 대신에 단층은 깨끗하게 하나만 일어나기보다는 단층이 다발로 일어나고, 또 파쇄대가 발달하여 실제로는 꽤 복잡한 구조를 갖게 된다. 따라서 변위가 주로 집중된 면과 그 면 주변에 나타나는 변위 다발을 묶어 단층대(fault zone)라고 말한다.
단층은 어떤 종류의 응력장이 걸렸고, 주변의 압력이 어떻게 작용하고 있느냐에 따라 형태 및 변위 방향 등이 달라지게 된다. 그렇다면 이 응력장, 즉 변성을 유도하는 힘은 어디서부터 기원하는 것인가? 이는 판구조론에 기반한다. 지구 내부는 정적이지 않고, 수십 억 년 동안 해소되지 않고 있는 내부와 외부의 온도차이를 해소하기 위해 끊임 없이 움직이고 있다. 이 결과로 지표의 얇은 층(약 100km 두께)이 마치 "떠다니듯" 움직이고 있음이 알려지게 되는데, 이는 판구조론의 기본적인 개념 방향이 된다. 즉, 지구 내부 에너지가 지각에 응력을 주게 되는 것이다. 고작 수십 킬로미터의 얇은 암층에 불과한 지각은 이 강력한 에너지를 견디기 힘들며, 어느 정도 에너지가 누적되면 단층이라는 구조를 만들면서 조금씩 움직이게 되는 것이다.
한 번 형성된 단층면은 그 지역 혹은 그 암체의 "약대"(weak zone)가 되기 때문에, 이후 다시 힘이 작용할 때 그 단층면이 재활성화 및 확장되는 것이 일반적이다. 흔히 단층은 하나의 선과 같이 생각하지만 사실은 넓적한 면을 이루고 있다. 그리고 아주 커다란 암석 덩어리 안에서 만들어진 이러한 면을 따라 그 경계까지 가보면 암석이 변형되지 않은 부분에 이르게 된다. 즉, 단층면의 변위는 중심부에서 가장 크고, 가장자리로 갈수록 작아지게 된다. 이 단층면이 재활성화되면 중심부의 변위가 더 커지면서 주변부의 값이 조금씩 늘어나게 되고, 가장자리의 변위가 누적되면서 단층면이 전진(propagation)하게 된다.

3. 형태 및 분류

단층은 형태에 따라 몇 가지로 구분되는데, 특히 변위의 방향이 중력장에 대해 어떤 방향으로 누워있는지에 따라 구분하게 된다.

3.1. 경사 이동 단층 (Dip-direction Faults)

경사 이동 단층은 단층의 변위가 위아래, 즉 중력장에 수직한 방향인 경우를 의미한다.[3] 단층면은 보통 기울어져 있다. 암석에 힘을 가하게 되면 발달하는 단층면은 보통 수축면과 확장면이 교차로 발달하기 때문에 수직으로 발달하는 단층은 흔하지 않다. 그래서 단층면이 발달하면 중력장에 대해 이 단층면의 위에 놓인 암층을 상반이라고 하고, 아래에 놓인 암층을 하반이라고 부른다. 그리고 상, 하반의 변위 관계에 따라 다음 두 가지로 세분된다.
  • 정단층 : 하반에 대해 상반이 미끄러져 내려간 경우이다. 정단층이 발생하게 되면 이 단층면을 포함하는 암체의 수평 길이가 증가하게 된다. 이 때문에 정단층은 암석이 인장력을 받게 되었을 때 이를 해소하기 위해 발달하게 된다.
  • 역단층 : 하반에 대해 상반이 미끄러져 올라간 경우이다. 역단층이 발생하게 되면 이 단층면을 포함하는 암체의 수평 길이가 줄어들게 된다. 이 때문에 역단층은 암석이 압축력을 받게 되었을 때 이를 해소하기 위해 발달하게 된다.

3.2. 주향 이동 단층 (Strike-slip Faults)

주향 이동 단층은 단층의 변위가 좌우, 즉 중력장에 수평한 방향인 경우를 의미한다. 여기서는 상반과 하반은 중요하지 않지만, 정,역단층과 마찬가지로 변위의 방향성은 구분된다. 만약 주향 이동 단층에 서 있을 때 변위가 왼손을 당기는 방향이면 좌수향(left-lateral, sinistral), 오른손을 당기는 방향이면 우수향(right-lateral, dextral)이라고 한다.
그렇지만 주향 이동 단층은 독특한 성질의 단층을 포함하기 때문에, 좌수향과 우수향에 따라 분류하지 않고 아래의 대분류가 선행된다.
  • 변류단층(transcurrent fault) : 이 단층은 일반적인 단층과 마찬가지로 변위가 커지면 커진 만큼 단층면의 면적 혹은 단층선의 길이가 증가하게 된다. 전통적인 개념의 주향 이동 단층은 변류단층을 의미한다.
  • 변환단층(transform fault) : 이 단층은 단층의 변위가 커져도 단층면의 길이가 보존되거나, 적어도 비례하지 않는다는 독특한 성질을 가지고 있다. 이 단층은 20세기에 해령에 대한 연구가 가속되면서, 지구물리의 벡터 움직임을 정립하다 이론상으로 구축된 개념이다. 후에 이 개념이 해령 축 사이에서 흔하게 발달하는 구조라는 것이 밝혀졌다. 단층 변위가 커짐에도 불구하고 단층선 길이가 유지되려면 양 끝단의 구조는 발산이나 수렴하는 구조를 가져야 하며, 이 때문에 수렴 및 발산 경계를 잇는 판경계의 주요 지질 구조 중 하나가 되었다. 샌 앤드리어스 단층은 아주 유명한 변환단층에 해당한다.

3.3. 이 외의 용어들

위의 용어들은 단층면이 평면이라는 가정에 따라, 직각 관계에 있는 '단종'에 대한 용어이다. 실제로 변위는 주향과 경사 방향 모두로 움직일 수도 있고, 단층면이 곡면일 수도 있다. 또한 변위가 단순히 직선이 아니라 곡선을 이루어 움직이는 것도 가능하다. 이 때는 단층면의 모습이나 변위의 형태에 따라 세부명을 정하게 된다.
  • 점완단층(listric fault) : 굳이 말하자면 정단층의 일종이다. 단순히 미끄러지는 것이 아니라 상반이 회전하면서 굽어 내려가는 것이다.
  • 환상단층(ring fault) : 단층이 고리 모양을 이룰 때이다. 보통 마그마가 관입하거나 칼데라가 형성될 때, 아래의 빈 공간을 메우기 위해 상부 암석이 함몰되면서 발달하게 된다.
  • 사교단층(oblique fault) : 주향 방향과 경사 방향 모두 변위가 발생한 단층이다.
  • 충상단층(thrust fault) : 역단층 중에서 저각의 규모가 큰 단층을 가리키는 말이다. 쉽게 말해 경사면을 따라 위 암석이 아래 암석에 거의 올라타는 셈. 충돌대나 섭입대에서 흔히 발생하는 것으로, 충상단층에 의해 암층이 포개지는 구조를 네프(nappe)라고 한다.
  • 분리단층(detachment fault) : 굉장한 규모로 발달하는 정단층으로, 보통 단층면이 저각이고 상부의 여러 크고 작은 일련의 정단층을 모두 감싸안은 채 큰 변위를 보존하고 있다. 상반과 하반을 분리하고 있는 큰 지구조선으로 상반은 저변성의 퇴적암인데 하반은 고압, 고온 변성암이 놓이는 경우가 흔하다.[4] 분리단층은 특히 발산경계나 강한 인장력이 작용하고 있는 지판에서 지판을 어슷하게 잘라내는 대구조로, 훗날 해령이 발달하게 되면 양 대륙을 찢는 주 절취선이 된다. 현재 가장 유명하고 규모가 큰 분리단층은 미국의 Basin and Range Province 전체에 걸쳐 뉘어 있는 거대한 정단층면이다.

4. 영향

한 번 단층이 발달하게 되면 그곳은 약대가 되어 다시 응력장이 걸릴 때 취약한 곳이 된다. 따라서 건축에서 지반에 단층이 어떻게 분포하는지를 조사해야 할 때가 있다. 달리 말하면 한 번 지진이 일어나면 그곳에서 다시 지진이 발생하게 되는 기작이 된다.
단층은 어쨌거나 암석의 균열과 같은 것으로, 이 사이로는 지하수와 같은 유체의 흐름이 보다 용이하다. 따라서 단층이 발달한 곳의 아래쪽에 갇혀 있던 천연 가스나 유체는 단층을 따라 누출될 수 있다. 이산화탄소를 땅 속 깊이 저장하려는 기술에서는 단층의 형태와 성질을 조사하여 상부판이 이산화탄소라는 유체를 가둘 수 있는지 평가한다. 또한 단층을 통해 스며나온 지하수가 종종 아름다운 지형을 만들어내기도 하는데, 대표적인 예가 정단층을 따라 석회를 침전시킨 터키의 파묵칼레가 있다.

5. 현존하는 단층


5.1. 한국

아래에 있는 단층은 전체 단층 중 극히 일부분의 단층이다. 한반도에 존재하는 활성단층의 총 갯수는 최대 '''450개'''이고, 현재 발견된 활성단층은 약 30개 가량이다. 아직 발견되지 않은 단층이 수백개이기 때문에 일본처럼 모든 활성단층을 조사할 것으로 보인다.
출처는 활성단층지도 및 지진위험 지도제작(2012).

5.1.1. 영남권


5.1.1.1. 동남권
부산광역시 및 동남권의 활성 단층. 문제는 이 위로 원전과 산업지대, 국제항 등이 대거 분포해 있다는 것이다.

5.1.1.2. 대경권

5.1.2. 수도권


5.1.3. 충청권


5.1.4. 호남권


5.1.5. 강원권


5.2. 해외



[1] 일상용어로서는 '잘못', '결점'이라는 뜻도 가지고 있다.[2] 단면 상에서는 선으로 나타난다고 하여, 단층선이라고 표현하기도 한다.[3] 100%일 필요는 없고 그 방향 성분이 주요 성분이면 된다.[4] 이를 변성핵복합체?(metamorphic core complex)라고 한다.

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