서 론
경상분지의 동중앙부에 발달되어 있는 NNE-SSW 방향의 양산단층계는 서쪽으로부터 자인단층, 밀양단층, 모량단층, 양산단층, 동래단층, 일광단층 등을 포함한다(Fig. 1). 동래 단층은 부산시의 동래에서 부터 울산시 서쪽 범서면 일대를 지나 경주시 외동읍까지 NNE-SSW 방향으로 계곡을 따라 발달되며, 서쪽의 양산단층과는 대체적으로 평행하게 발달 되어 있다. 그러나 동래단층은 울산을 가로지르는 태화강을 중심으로 남쪽 지역 지질도폭(Lee and Lee, 1972)과 양산 지역지질도폭(Lee and Kang, 1964)에는 그 연장이 잘 기재 되어 있으나, 그 보다 북쪽의 울산지역 지질도폭(Park and Yoon, 1968)과 감포지역 지질도폭(Tateiwa, 1922)에는 기재 되어 있지 않다.
위성영상자료나 야외조사에 의하면, 동래단층은 NNE\-SSW 방향으로 일직선으로 연장되는 것이 아니라, 다소 다른 방향성을 가지는 여러 조의 단층들이 모여서 단층대를 형성하는 것으로 알려져 있다. 즉, 울산 북부에서는 대체로 NNE-SSW방향으로 연장되나, 울산-양산-언양 일원에서는 국부적으로 NE-SW 방향으로 분지되거나, N10oE~N30oE 범위에서 1조 또는 여러 조의 방향으로 나타난다(Chwae et al., 1998). 또한, 위성영상자료나 여러 가지 증거들에 의하면, 동래단층은 울산단층과 교차되는 것이 사실로 받아들여 지고는 있다. 그러나 동래단층이 통과할 것으로 추정되는 경상북도 경주시 외동읍 구어리 일대와 동래단층과 울산단층의 교차삼중점이 위치할 것으로 추정되는 경상북도 경주시로부터 동남쪽으로 약 15 km 떨어져 위치한 외동읍내는 전체적으로 충적층이 피복되어 있으며, 또한 외동읍내의 경우는 도시화에 의해 단층대의 직접적인 지질학적 증거를 지표 지질조사로는 확인할 수 없다.
이 연구에서는 지구물리탐사들을 이용하여 충적층 하부에 존재할 것으로 추정되는 동래단층의 북단부 위치와 단층파 쇄대의 규모 및 주향연장성을 파악하고, 최종적으로 동래단층과 울산단층이 교차하는 삼중점의 위치를 해석하는 것을 연구의 목적으로 한다. 교차삼중점이 위치하는 것으로 추정 되는 외동읍내는 탐사환경(예, 전기자기잡음, 접촉저항 등)이 매우 불리하여 양질의 물리탐사자료를 획득하기가 불가능하다. 그러므로 동래단층의 주향을 고려하여 추정 교차삼 중점에 가장 근접한 지역, 즉 남남서방향으로 약 2km 떨어 진 외동읍 구어리 일대를 물리탐사 조사지역으로 선정하였다. 일반적으로 단층작용에 의해 형성된 주 파쇄대는 지표수 유입 및 지하수 유동과 밀접한 관계가 있고, 단층파쇄대 이외 주변 암석과 비교하여 상대적으로 풍화에 매우 취약하다. 그러므로 단층파쇄대에 나타나는 대표적인 물리적 성질 인 전기비저항은 파쇄대 이외의 주변 암석과 비교하여 상대적으로 낮은 값을 가지므로 암석의 전기비저항 대비를 이용하는 전기비저항탐사(direct current electircal resistivity survey)와 주파수영역 전자탐사(frequency domain electro\-magnetic survey)를 수행하였다. 또한 단층작용에 의해 형성된 약선대를 따라 관입할 수도 있는 암맥과 주변 암석의대 자율 대비를 고려하여 자력탐사(magnetic survey)도 병행하여 수행하였다.
지질개요
동래단층과 울산단층의 교차삼중점 및 주변지역의 지질은 백악기 화강암류(흑운모 화강암, 각섬석 화강암, 화강섬록암)로 대표된다(Fig. 1). 화강암류는 경주시에서 울산시에 이르는 지역에 걸쳐 비교적 큰 규모의 저반상으로 산출되는 데, 구성광물과 조직에 따라 여러 개의 암체로 구분된다. 연구지역을 중심으로 입실 -구어리-모화리 일대에는 세립내지 중립질의 흑운모 화강암(Kbg)이 비교적 큰 규모로 나타난 다. 이 흑운모 화강암체는 동쪽에서는 중립내지 조립질 화강섬록암(Kgd)을, 그리고 서남쪽의 동래단층 서부에서는 각섬석 화강암(Khg)과 관입접촉하고 있다. 화강암류는 이러한 하양층군 진동층(Ks)을 관입하고 있다. 진동층은 백악기의 쇄설성 퇴적암류로 암회색 내지 흑색 셰일로 이루어지며 실트암이나 사암, 역암 또는 석회질 셰일이 협재한다. 울산 부근에서는 다량의 저색층이 함유되어 있어 이들 중 일부는 진동층 하부의 함안층에 대비될 수도 있다. 동쪽에서는 제 3기 어일층군(T)에 의해 부정합으로 덮여 있고 이들은 고제 3기층들에 해당하며 현무암질 응회암 및 응회암이 퇴적된 사암, 역암들로 이루어져있다. 그 밖의 서쪽에서는 국지적으로 백악기 화산암류인 유천층군(Kv)이 분포한다. 유천층군은 유문암 및 유문암질 응회암으로 연구지역에서는 치술령 지역 화산암류로 분류된다. 규장질의 용결응회암이며 화강 암류가 주기적으로 3회 반복 관입이 있었던 것이 큰 특징 이다. 그리고 제 4기 충적층(Qa)은 동래단층과 울산단층대를 따라서 분포하고 있다.
대부분 충적층으로 덮여 있어서 기반암의 노두를 직접 확인할 수는 없으나, 가장 인접한 지역의 노두관찰에 의하면 지구물리탐사 측선 지역은 충적층 하부에 백악기 흑운모 화강암이 분포하는 것으로 추정된다. Fig. 2 의 물리탐사 측선 Ln#1-3의 중심을 기준으로 북쪽방향 약 15 m 떨어져 있는 구어리 원삼국시대 문화재 발굴현장(Fig. 3(A))노두에서는 심하게 파쇄되고 풍화된 중립질 흑운모 화강암이 나타나며, 특징적으로 분홍색 알카리 장석을 다량 함유하고 있다.
Fig. 3.
Photographs of outcrops exposed during excavation of an ancient tomb (A), located ~20 m south of the center of line Ln#1-3. (B) Severely crushed and weathered biotite granite containing abundant pink alkali feldspar. Basic dykes are common within the fractured biotite granite and display a dark green color and strongly discolored surfaces due to weathering.
구어리 일대 흑운모 화강암의 파쇄대 내에는 염기성 암 맥들이 도처에 관입해 있다(Fig. 3(B)). 염기성 암맥은 암록색을 띠며, 표면은 풍화에 의해 심하게 탈색되었다. 암맥의 폭은 위치에 따라 달라지나 대부분 1 m 이하이다. 암맥의 연장성은 양호한 경우도 있으나 여러 조의 암맥이 합쳐지거 나 또는 연장이 길게 되지 않고 첨멸하는 경우도 많다. 염기성 암맥의 관입방향은 전반적으로 N10oE~N30oE이나, 불규칙한 경우도 있다.
연구방법
연구지역에서 동래단층의 존재유무와 규모 그리고 단층의 방향성을 파악하기 위하여 여러 지구물리 탐사방법들 중 자력탐사(Magnetic), 전기비저항탐사(Direct current resistivity: DC resistivity), 전자탐사(Electromagnetic: EM)를 선정하였다. 일반적으로 단층작용에 의해 형성된 파쇄대는 지표수 유입 및 지하수 유동과 밀접한 관계가 있고, 단층파쇄대 이외 주변 암석과 비교하여 상대적으로 풍화에 매우 취약하다. 그러므로 단층파쇄대에 나타나는 대표적인 물리적 성질인 전기비저항은 파쇄대 이외의 주변 암석과 비교하여 상대적으로 낮은 값을 가지므로 암석의 전기비저항 대비를 이용하는 전기비저항탐사와 주파수영역 전자탐사를 수행하였다. 또한 단층작용에 의해 형성된 약선대를 따라 관입할 수 있는 암 맥과 주변 암석의 대자율 대비를 고려하여 자력탐사도 병행하여 수행하였다.
물리탐사를 위한 조사지역에 설정한 측선은 총 5개 측선(Ln#1-1~Ln#1-5)이다(Fig. 2). 모든 측선들의 방향은 N72oE로 서로 평행하며, 탐사측선 Ln#1-1, Ln#1-2, Ln#1-3, Ln#1-4, Ln#1-5의 측선길이와 각 측선에서 수행된 물리탐사 방법은 Table 1에 제시하였다. 모든 측선에서 자료측정시 측 정진행방향은 모두 동일하게 서쪽에서 동쪽으로 이동하면서 자료를 측정하였다.
자력탐사의 경우는 총 3개 측선(Ln#1-1, Ln#1-2, Ln#1\-3)에서 20 m 간격으로 총자력을 측정하였다. 측선 중 가장 긴 Ln#1-2의 총 측점수는 601개이며, 이 측선에서 자력측정에 소요된 시간은 2시간 이내이다. 연구지역의 지질매체에 대한 자력값의 변동(약 300 nT)과 비교할 때, 2시간 동안의 지자장세기의 일일변동은 약 5~10 nT로서 매우 작기 때문에 측정값의 일일변동에 대한 일변화 보정은 별도로 수행하지 않았다. 자력측정에 사용한 탐사기기는 미국 Geometric 사의 양자자력계(proton magnetometer)를 사용하였다.
쌍극자-쌍극자배열을 사용한 2차원 전기비저항탐사는 4개 측선(Ln#1-1, Ln#1-2, Ln#1-4, Ln#1-5)에서 수행하였다. 쌍극자 길이는 측선 Ln#1-1, Ln#1-4 그리고 Ln#1-5에서는 30 m를 사용하였고, 측선 Ln#1-2의 경우는 쌍극자 길이로 20 m를 사용하였다. 각 측선에서 전기비저항탐사의 가탐심도를 100 m 내외로 설정하고 전극전개수를 1에서 10까지 증가시키면서 지질매체의 겉보기 전기비저항 값을 측정하였다. 전기비저항탐사에서 획득된 겉보기 전기비저항 값은 암석의 참전기비저항 값이 아니며, 겉보기 전기비저항 값이 측정된 심도는 진심도를 의미하지 않는다. 그러므로, 유한요소법 수치모델링과 역산(inversion)프로그램인 DiproWin (Kim, 1998)을 이용하여 지하매질의 참전기비저항 값과 심도단면도를 구하였다.
연구지역의 주파수영역 전자탐사는 측선 Ln#1-2에서 20 m 간격으로 수행하였다. 측선의 각 측점에서 지질매체에 대한 전자반응 값은 2개의 배열(동축 배열과 공면루프배열)로부터 측정되었다. 또한 각 측점에서 각 배열마다 송·수신기의 길이를 10 m, 20 m, 40 m로 증가하면서 전자반응 값을 측정하였다. 역산 프로그램은 MicroSoft C# 언어로 자체 개발하였으며, 역산 알고리즘은 층서구조를 기본으로 비선형 최소자승법(Jupp and Vozoff, 1975)을 적용하였다.
지구물리탐사 자료해석
측선 Ln#1-1, Ln#1-2, Ln#1-3에서 수행한 자력탐사에서 획득된 총자력 값을 Fig. 4의 자력 단면도(Magnetic profile)에 도시하였다. Fig. 4에서 가로축(거리)은 측선 중 가장 긴 측선인 Ln#1-2를 기준으로 시작측점과 마지막 측점을 각각 0 m와 1,200 m로 도시하였다. 연구지역의 배경자력 값은 측선 Ln#1-1은 약 49,000 nT, 측선 Ln#1-2는 약 49,200 nT, 측선 Ln#1-3은 약 49,100 nT로서, 측선마다 다소 차이(~200 nT)가 있다. 각 측선에서 배경자력 값과 최대 측정자력 값의 차이는 약 300 nT로서, 측선 Ln#1-1, Ln#1-2, and Ln#1-3에서 판단되는 상대적인 자력이상대는 측선별로 각 각 400~700 m, 650~750 m, 700~850 m 구간에서 나타난다. 각 측선에서 상대적으로 높은 자력 값을 갖는 자력이상대 구간들은 단층운동에 의해 모암인 흑운모 화강암반에 형성된 단층파쇄대를 따라 관입한 염기성 암맥(Fig. 3(B))에 의한 반응으로 해석된다.
Fig. 4.
Magnetic profiles along lines Ln#1-1, Ln#1-2, and Ln#1-3. The background magnetic values along the three survey lines were ~49,100 nT. We observe positive magnetic anomalies at 400-700, 650-750, and 00-850 m in Ln#1-1, Ln#1-2, and Ln#1-3, respectively, interpreted as representing basic dykes within the fracture zone.
Fig. 5는 측선 Ln#1-1에서 수행한 쌍극자-쌍극자배열 2차원 전기비저항탐사의 측정자료에 대한 2.5D 역산결과이다. 전기비저항탐사 측선들은 평탄한 농로를 따라 설정되었기 때문에 역산과정에서 지형보정은 별도로 수행하지 않았다.
Fig. 5의 겉보기 비저항에 대한 유사단면도(pseudo-section)와 전치모델링(forward modelling)에 의해 계산된 이론적 겉보기 전기비저항값의 유사단면도에서 전체적인 겉보기 비저항값의 분포는 50~1,000 Ω-m이며, 측선의 중앙부에서 100 Ω-m 내외의 상대적으로 낮은 겉보기 전기비저항 값을 보이고 있으며, 이를 중심으로 측선의 양 측면부에는 상대적으로 높은 겉보기 전기비저항값이 나타난다. 그러므로 지전 기적 지하구조의 해석을 위해 일반적으로 수행하는 역산(inversion)수행 이전에도 쌍극자-쌍극자배열의 바지가지랑이(pant)효과를 고려할 경우, 측선의 중심부에 거의 수직적인 경사를 가지는 낮은 전기비저항대가 존재함을 유추할 수 있다.
Fig. 5.
Inversion result from line Ln#1-1, showing field and theoretical pseudosections, and 2D resistivity structure. We observe a lowresistivity area at all depths (blue; 100 Ω·m) between points 15 and 20 (620-770 m on the horizontal axis of Fig. 4) that extends to 150 m depth (target depth of the resistivity survey) and is well correlated with a magnetic anomaly.
컴퓨터 역산을 통해 산출된 지전기적 2차원 단면도상에서 측점 15~20(Fig. 4의 가로축으로 환산하면 620~770 m)사이에 100 Ω-m 이내의 낮은 전기비저항대(파랑색)가 천부에서 심부로 갈수록 넓게 분포하고 있다(Fig. 5). 이 같은 낮은 전기비저항대는 가탐심도인 150 m까지 연장되어 발달 하고 있으며, Fig. 4의 측선 Ln#1-1의 자력이상대와도 매우 잘 일치하고 있다. 또한, 전기비저항 이상대가 자력이상대의 폭보다 좁게 나타나고 있다. 전기비저항 이상대의 폭은 주 향이동단층인 동래단층의 중심부에 분포하는 단층점토와 단층파쇄대를 따른 지표수 유입, 지하수 유동 및 이에 따른 암석의 풍화도만을 반영하는 반면에, 단층파쇄대를 따라서 여러 조의 염기성 암맥의 관입으로 인해서 염기성 암맥의 분포 범위가 넓으므로 자력이상대의 폭은 전기비저항 이상 대의 폭보다 넓게 나타난다.
Fig. 6은 측선 Ln#1-2의 전기비저항 탐사자료에 대한 역산결과이다. 지전기적 단면도에서 100 Ω-m이내(파랑색 부분)의 낮은 전기비저항대는 측점 27~29 (Fig. 4의 가로축으로 환산하면 400~560 m) 그리고 측점 34~38 (Fig. 4의 가로축으로 환산하면 660~740 m)에 분포하고 있다. 측점 34~38 사이에 존재하는 낮은 전기비저항대는 Fig. 4의 중간 그림(측선 Ln#1-2)의 자력이상대와 매우 잘 일치하고 있다. 이 같은 낮은 전기비저항 이상대는 Fig. 5의 경우와 같이 동래단층의 단층 중심부에 분포하는 단층점토, 그리고 단층 파쇄대를 따라 유입된 지표수 및 지하수의 유동 및 이에 따른 암석의 풍화정도를 매우 잘 반영하는 것으로 해석된다.
Fig. 7은 측선 Ln#1-4와 Ln#1-5에서 수행한 전기비저항탐사자료에 대한 역산으로 부터 산출된 지전기적 단면도이다. 측선 Ln#1-4의 낮은 전기비저항대는 측점 6~9사이에 존재한다. 측선 Ln#1-5의 경우, 낮은 전기비저항 이상대가 천부에서는 측점 10~12에 분포하며, 심부로 갈수록 이 같은 낮은 전기비저항대가 넓어지며, 측선의 시작점을 향하여 경사지게 분포하는 경향을 갖고 있다.
Fig. 6.
Inversion result from line Ln#1-2, showing field and theoretical pseudosections, and 2D resistivity structure. We observe lowresistivity areas (blue; 100 Ω·m) between points 27 and 29, and 34 and 38 (400-560 and 660-740 m on the horizontal axis of Fig. 4, respectively) that extend to 100 m depth (target depth of the resistivity survey) and are well correlated with a magnetic anomaly.
측선 Ln#1-2에서 수행한 주파수영역 전자탐사에 대한 프로파일링과 1차원 역산결과는 Fig. 8에 도시하였다, 수직 쌍극자 송신원을 사용한 공면(coplanar)루프배열의 경우에는 매질에 대한 전자반응값이 일반적으로16 mS/m 이내이다. 공면루프배열의모든 송·수신간격에서 상대적으로 높은 전자반응을 나타내는 구간은 640~720 m이다. 이 같은 전자 반응 이상대 구간에서 송·수신간격이 20 m인 전자반응 프로파일에서 쌍봉낙타 형태가 나타난다. 이 같은 쌍봉낙타형태는 수직 쌍극자 송신원과 공면루프배열일 경우, 전도체 의 직상부에서 나타나는데, 그 이유는 매질에 대한 전자반응의 플럭스(flux)와 수신기 간의 전자기 결합(EM coupling)이 최소이기 때문에 나타나는 전형적인 현상이다. 수평 쌍극자 송신원을 사용한 동축(coaxial)루프배열의 경우(중앙 그림), 모든 송·수신간격에서 상대적으로 높은 전자반응대는 수직 쌍극자 송신원의 경우와 같이 측선구간 640~720 m에 분포한다. 이 같은 전자탐사의 결과들은 동일한 측선에 서 수행해석된 자력결과(Fig. 4의 자력이상대) 그리고 전기 비저항 2차원탐사의 결과(Fig. 6의 전기비저항 이상대)와 매우 잘 일치하고 있다.
Fig. 8의 공면루프배열과 동축 루프배열의 전자탐사 측정자료에 대한 1차원 복합역산에서 높은 전자반응을 보이는 구간은 3층 구조, 그 외의 측점에서는 2층 구조를 가정 하여 지전기적 단면도를 만들었다. 지전기적 단면도에서 70 Ω-m 이내의 낮은 전기비저항대가 측선의 600~750 m에 존재하고 있으며, 이 같은 결과는 전자탐사 단면·해석 결과와 매우 잘 일치한다.
Fig. 8.
Electromagnetic data along line Ln#1-2, showing vertical (coplanar loop array) and horizontal (dipole coaxial loop array) source electromagnetic (EM) profiles, and the resistivity structure derived from the 1D EM inversion. We observe an area of low resistivity (< 70 Ω·m) in geoelectrical cross-sections at 600-750 m, consistent with results obtained from the magnetic and electrical resistivity surveys.
교차삼중점이 위치하는 것으로 추정되는 외동읍내는 탐사 환경(예, 전기·자기잡음, 접촉저항 등)이 매우 불리하여 양질의 물리탐사자료를 획득하기가 불가능하다. 그러므로 동래단층의 주향을 고려하여 추정 교차삼중점에 가장 근접한 지역, 즉 남남서방향으로 약 2 km 떨어진 외동읍 구어리 일대를 물리탐사 조사지역으로 선정하였다. 조사지역에서 수집된 지질학적 자료(Fig. 3), 자력탐사 자료(Fig. 4), 전기비 저항탐사 자료(Fig. 5~7), 전자탐사 자료(Fig. 8)를 종합적으로 해석하여 산출한 동래단층의 존재와 단층방향에 대한 해석결과는 Fig. 9와 같다. 동래단층이 연구지역을 관통하고 있으며, 단층의 우세한 연장방향은 N14oE이다. 또한 지질학 적 그리고 물리탐사에 의해 확인된 동래단층을 연장하면 관거리 입실교 부근에서 울산단층과 교차하는 것으로 해석된다. 또한 충적층에 의해 피복되어 있어서 지표지질조사로는 단층작용에 의한 단층파쇄대의 폭을 확인할 수 없으나, 물리탐사의 해석결과에 의하면, 연구지역 내의 단층파쇄대의 폭은 약 200 m이상이고, 단층대의 폭은 연구지역의 북부보다 남부에서 더 넓을 것으로 추정된다.
결 론
이 연구에서는 동래단층의 북단부와 울산단층이 교차하고 있는 것으로 추정되는 교차삼중점으로부터 물리탐사 측면에서 탐사가능하며, 거리상 가장 가까운 지역인 경상북도 경주시 동남쪽 약 15 km의 외동읍 구어리 일대에서 지구물리 탐사(자력탐사, 전기비저항탐사, 주파수영역 전자탐사)를 실시하여, 동래단층의 존재유무를 파악하고, 또한 단층대의 정확한 위치와 방향을 확인하였다.
자력탐사결과, 각 측선에서 배경자력값과 최대 측정자력 값의 차이는 약 300 nT이며, 측선 Ln#1-1, Ln#1-2, and Ln#1-3에서의 자력이상대는 각각 400~700 m, 650~750 m, 700~850 m 구간에서 나타난다. 이들 자력이상대들은 흑운 모화강암의 파쇄대를 따라 관입한 염기성 암맥을 지시하는 것으로 판단된다.
쌍극자-쌍극자배열 2차원 전기비저항탐사 결과, 측선 Ln#1-1의 역산 모델링에 의하면 지전기적 2차원 단면도에서 620~770 m 사이에서 100 Ω-m 이내의 낮은 전기비저항 대가 천부에서 심부로 갈수록 넓어지며 가탐심도인 150 m까지 연장된다. 이는 측선 Ln#1-1의 자력이상대와도 잘 일치하고 있다. 측선 Ln#1-2 의 전기비저항탐사의 결과, 지전 기적 단면도 상에서 100 Ω-m 이내의 낮은 전기비저항대는 400~560 m 구간의 낮은 비저항대는 자력이상대와 매우 잘 일치하며, 이는 이 구간의 염기성 암맥의 높은 풍화도를 지시한다.
주파수영역 전자탐사 결과, 측선 Ln#1-2에서 수직 쌍극자 송신원을 사용한 공면(coplanar)루프배열의 경우, 매질에 대한 전자반응 값이 16 mS/m 이내이고, 모든 송·수신간격에서 상대적으로 높은 전자반응을 나타내는 구간은 640~720 m이다. 한편 수평 쌍극자송신원을 사용한 coaxial 루프배열의 경우, 모든 송·수신간격에서 높은 전자반응대는 수직 쌍극자 송신원의 경우와 같이 측선구간 640~720 m에서 나타난다. 이 같은 결과들은 자력이상대 및 전기비저항이상대와 매우 잘 부합한다.
지질조사, 자력탐사, 전기비저항탐사, 주파수영역 전자탐사를 종합적으로 해석하면, 연구지역에서 동래단층의 우세 한 연장방향은 N14oE이고, 관거리입실교 부근에서 동래단층이 울산단층과 교차하는 것으로 추정된다. 충적층으로 피 복되어 있어서 지표지질조사로는 단층작용에 의한 파쇄대의 폭을 확인할 수 없으나, 물리탐사 결과에 의하면, 연구지역 내의 단층파쇄대의 폭은 약 200 m 이상이라고 추정된다. 또한, 단층대의 폭은 연구지역의 북부보다 남부에서 더 넓을 것으로 보인다. 추후 연구에서는 시추조사 등의 방법을 통해서 물리탐사의 결과를 직접 확인함으로써 본 연구가 효과적이며 유용하다는 것을 입증할 계획이다.
