서언

단층은 지표와 지하암반에서 볼 수 있는 가장 큰 연약 파쇄대이며, 단층의 심도는 최대 10~15 km, 그 연장선은 노두규모에서부터 수백 km에까지 이르기도 한다. 단층은 취성(brittle)파괴가 대표적인 특성이므로, 이로 인하여 단층과 그 주변 암반의 안정성은 급격히 저하한다. 특히 지각운동에 의해 발생하는 단층인 경우 단층면을 기준으로 양쪽지괴가 미끄러지거나, 이동하는데, 이 경우에는 단층면을 따라 심한 파쇄가 발생하게 된다. 이런 단층에서 응력은 특정한 구역에 강하게 집중되기 때문에 단층암은 파쇄되는 동시에 기존의 암석과는 전혀 다르게 그 성질이 변하게 된다. 단층활동에 의해 모암은 파쇄되고 분쇄될 뿐만 아니라, 지하로부터의 열의 공급, 단층운동시 발생하는 마찰열, 또는 지하로부터 마그마성 유체가 공급되기 쉬우므로, 파쇄된 단층암은 강도약화 외에도 후속변질작용에도 취약하다. 궁극적으로 단층암의 성질은 모암과는 전혀 다르게 변하게 되므로 암반의 역학적 특성과 안정성에도 영향을 미친다.

국내 심부지층 및 활성단층 연구는 지난 20여년간 한반도 남동부 일원에서 발견된 제4기 단층을 비롯하여 양산 단층대 일대와 동해안의 핵심부지 부근에 발달하는 단층대 위주로 수행되어 왔다(Chae and Chang, 1994; Kyung and Chang, 2001; Chang and Chang, 2009; Choi et al., 2009). 대부분의 기존 연구들은 활성단층의 분포와 단층의 재활동 가능성, 단층의 연대측정, 지진계나 GPS에 의한 지진활동의 계측 등에 집중되어 왔다(Chang and Choo, 1998, 1999; Kyung, 2010). 이는 궁극적으로 원자력발전소 및 방사성폐기물 처분장 부지의 확보와 그 안정성에 관한 특성파악 단계에서 단층, 특히 활성단층이 차지하는 비중이 높았기 때문이다. 그 외 일부 단층연구에서는 단층대에 존재하는 단층비지(fault gouge)와 단층파쇄암의 미세조직 패턴분석과 연대측정을 통하여 단층활동 동안 진행된 파쇄작용과 그 후속작용을 해석하는데 중점을 두어 왔다(Choo and Chang, 2000; Chang et al., 2005; Song et al., 2017).

최근 들어 그 강도와 횟수가 증가추세에 있는 지진활동에 대한 체계적인 모니터링은 매우 긴급한 상황이며, 활용도가 증가하고 있는 심부암반에 대한 지질공학적 안정성 평가나 대단층 부근의 심부암반의 지질공학적 특성연구 또한 필수불가결한 단계에 와 있다. 현실적으로 우리나라의 지질특성은 구조선이나 단층대를 따라 관입, 형성된 화성암체가 흔하며, 국토의 상당부분을 차지하는 주요 결정질암(화강암류 또는 편마암류)은 장구한 지질시대를 거치는 동안에 후속 단층작용의 영향을 받지 않은 암체가 드물 정도이다. 단층과 같은 불연속면에서는 절리충전물, 단층비지물이 흔하며, 파쇄대에서는 모암이 파쇄되어 대부분 미립질로 나타나므로 암석의 강도는 약하다.

그 동안 국내의 심부처분 또는 심부암반 연구 분야에서는 단층대의 존재여부, 단층의 분포, 규모 특징에 집중하다보니, 이들의 정성적인 분포파악과 발달패턴에 관한 연구가 주를 이루어 왔다. 최근에는 터널이나 거대 토목현장, 또는 주요 단층대에서 발견되는 단층암의 공학적, 물성파악 연구가 수행되고 있다(Moon et al., 2014. 2015, 2017).

현재 국내에서는 심부암석의 공학적 안정성과 물성에 관한 연구는 드문 상황이다. 특히 파쇄대가 발달한 암체에서의 절리충전물, 파쇄암의 미세구조, 공극률, 투수성 등에 관한 연구는 여전히 미진한 상태에 있는데, 이는 불안정한 지반의 분포파악에 우선순위가 정해지는 현실에 기인한다. 이들 암석에 발달하는 불연속면, 파쇄대, 단층대는 암석의 공학적 특성과 직결되는데, 향후 방사성폐기물 처분장의 대상으로 최우선적으로 고려되는 결정질암, 또는 심부암석의 지질공학적 특성평가에서 중요한 요소가 된다. 심부시추 암석은 미세균열, 단층파쇄대, 절리대와 같은 불연속면의 발달특징을 그 상태로 파악할 수 있는 장점을 지닌다. 비록 심부의 결정질암이라고 할지라도, 지질시대를 거쳐 빈번하게 발생했던 단층작용에 의한 파쇄작용을 겪었을 가능성은 충분히 있다. 암반의 안정성의 측면에서 심부지반에서는 지표풍화작용에 의한 요소는 배제되므로, 실제적인 심부암반의 공학적 물성은 주로 불연속면, 파쇄대에 의해 크게 좌우될 수밖에 없다.

이 연구에서는 심부 시추암석에서 발달하는 파쇄대에서 발달하는 슈도타킬라이트(pseudotachylite)의 산출특징과 이의 지질공학적 의미를 고찰하고자 한다. 슈도타킬라이트는 강력한 지진성(seismic) 단층활동 동안 지괴의 마찰용융 작용에 의하여 형성되는 특별한 암석이므로 이것의 산출이 가지는 의미는 지반안정성 평가에서 매우 중요하다. 이 연구에 사용된 결정질암의 시추코어는 900 m 시추공으로부터 회수되었다.

슈도타킬라이트 개요

슈도타킬라이트의 정의

슈도타킬라이트는 염기성 화산암 기원의 유리질 암석인 타킬라이트와 외관이 흡사한 관계로 붙여진 명칭이다. 색상은 주로 흑색이지만, 회색, 갈색을 띠는 경우도 있다(Wang et al., 2015). 슈도타킬라이트는 지진성 단층에서 마찰용융에 의하여 형성되는 암흑색의 비현정질 암석이므로 그 산출지 자체만으로 가지는 지체구조적 가치는 특별하다(Shand, 1916; Philpotts, 1964; Magloughlin, 1992). 슈도타킬라이트는 대부분의 경우 고기 지진활동과 밀접히 관련되어 있어서 단층대와 파쇄대에서 암맥 상으로 산출된다(Sibson et al., 1975; Shimamato and Nagahama, 1992). 따라서 슈도타킬라이트는 유리질이나 미립질의 암석으로 맥이나 변형대에서 암흑색의 기질로 구성되는 것이 일반적이나, 기질에는 모암 부분이나 마모암편을 포함한다. Fig. 1은 울릉도에서 흔하게 발달하는 실제 “타킬라이트(tachylite)”의 산출특징을 보여준다. 염기성암맥이나 현무암질 암이 해수면 부근이나 지하수면 아래와 같은 포화대 환경에서 급랭하게 되면 검은 유리질 냉각대가 형성되는데, 이같이 독특한 암상이 충분히 발달하게 되면 이를 타킬라이트라고 한다.

Fig. 1.

An example of tachylite formed due to rapid cooling in the marginal part of basaltic dikes in Ulleung Island shows typical black glassy texture.

슈도타킬라이트는 Shand (1916)가 Vaal river 부근 화강암체에서 검은 광택을 띠는 관입체에 대하여 최초로 이 용어를 사용하였는데, 화학분석 결과 화강암 모암과 검은 암맥은 동일하게 나타난 바 있다. 슈도타킬라이트는 인접한 암체 간 마찰용융(friction melting)에 의해서 흔히 생성되나(Sibson, et al., 1975), 항상 맥상으로 산출되지는 않는 경우도 있다. 예를 들면 Sudbury 운석충돌 구조에서 폭 500m, 길이 11 km 까지 슈도타킬라이트가 발달한다(Spray and Thompson, 1995). 또한 슈도타킬라이트가 대규모로 산출되는 경우에도 단층의 마찰작용 때문인가에 대한 논쟁도 있었다. 현재 대부분의 경우에는 강력한 지진성(seismic) 단층활동 동안에 암반이 마찰용융 작용에 의하여 슈도타킬라이트가 형성되는 것으로 인정된다. 따라서 슈도타킬라이트가 발견되는 그 자체로도 암반의 안정성 평가에 중요한 고려사항이 된다. 물론 슈도타킬라이트가 활성단층 기원인지를 파악하기 위해서는 연대측정과 함께 단층의 활동성을 파악해야 한다.

활성단층 여부와 상관없이 슈도타킬라이트가 암반공학적으로 중요한 점은 이것이 가지는 취약한 물성 때문이다. 즉 슈도타킬라이트는 급랭작용으로 생성된 유리질 암석이므로 그 강도는 매우 약하다. 또한 미세냉각 균열조직이 발달하기 때문에 화학적 풍화변질 작용과 수화작용에도 민감하며, 이것이 암맥 상으로 발달하는 경우에는 슈도타킬라이트를 포함하는 지반에는 연약대가 쉽게 발달하게 된다.

슈도타킬라이트의 성인과 구성물의 특징

Fig. 2는 단층대에서 슈도타킬라이트를 비롯한 다양한 특징들이 심도에 따라서 다양하게 분포함을 보여주는 모식도이다. 슈도타킬라이트는 다양한 심도에서 형성될 수 있으나, 일반적으로 압쇄암(mylonite)보다는 천부에서 형성된다. 단층활동과 관련된 대부분의 취성파괴는 10~15 km 범위 내에서 발생하는데, 천부에는 단층각력암과 단층비지(gouge)가 형성되며, 점차 심부로 가면서 파쇄암(cataclasite)과 슈도타킬라이트가 형성된다(van der Pluijm and Marshak, 2004). 보다 더 심부로 가면 연성파괴(ductile)의 산물인 압쇄암이 형성되며, 온도는 일반적으로 250~350oC를 초과한다. 심도가 깊어질수록 지열에 의해 온도가 상승하게 되므로 단층발생에 중요한 요소인 취성변형(brittle deformation)은 점차약화되는 반면에 단층은 연성변형(ductile deformation)의 성격을 띠게 된다. 한편, 심부로 갈수록 온도가 증가하므로 함수광물인 점토광물의 층간이나 구조 내에 존재하던 수산기와 수분은 탈착하게 된다. 따라서 점토광물의 격자구조가 불안정해지므로 더 이상 점토광물은 존재하기 어렵게 된다. 슈도타킬라이트는 마찰용융에 의하여 생성되므로, 특정한 심도에 국한되지 않고 다양한 환경에서 나타날 수 있다. 예를들면 지각 최하부에서 형성되는 슈토타킬라이트는 granulite나, eclogite 변성상이나 심도 60 km에서도 생성될 수 있다. 슈도타킬라이트가 마찰에 의해 생성될 시 용융체의 순간온도는 750~1450oC 범위까지 나타난다(Maddock, 1983; Camacho et al., 1995; Di Toro et al., 2005). 슈도타킬라이트의 성인은 운석충돌에 의한 경우를 제외하면, 파쇄나 마찰용융의 두 가지 가설로 설명될 수 있으나(Sibson, 1977), 대부분의 슈도타킬라이트는 단층작용동안 마찰에 의한 용융작용과 밀접하게 관련된 것으로 보고 있다(Sibson et al., 1975; Spray, 1995). 또한 슈도타킬라이트는 저온의 용융점을 갖는 함수성 파쇄암이나(Magloughlin, 1989), 마찰미끄러짐 실험에서도 형성될 수 있다(Spray, 1987, 1995).

Fig. 2.

A conceptual model showing the change in fault zone width and types of structures with depth (after van der Pluijm and Marshak, 2004).

슈도타킬라이트 맥에서 흔히 관입구조(injection), 유동성의 흐름띠(flow band)가 나타나는 데, 이는 슈도타킬라이트가 유체상태에서 생성되었음을 지시한다. 구과상, 수지상 또는 결정립(crystallite)은 용융체로부터 냉각에 의하여 탈유리 질화(devitrification)로부터 생성되므로 이들은 급랭하는 화성암에서 생성되는 구조와 흡사하다. 슈도타킬라이트 맥의 연변부의 미립질은 냉각연변부의 특징이며, 암맥 벽에 수직하는 절리는 냉각절리(cooling fracture)에 해당된다(Camacho et al., 1995). 따라서 이들은 화산암의 냉각주변부에서 나타나는 암석학적 구조와 혼동될 수 있다. 물의 존재할 시단층면에서 유효응력을 감소시켜 불충분한 열이 발생되어 암석을 용융시키기 때문에 슈도타킬라이트는 비교적 고온하의 건조암(dry rocks)에서 형성되는 것이 유리하다(Spray, 1987, 1995).

슈도타킬라이트는 흔히 비정질을 함유하고 있으므로 모암이 용융된 후에 급랭되었음을 나타낸다. 슈도타킬라이트의 기질에는 모암의 각진 파편이나 마모된 파편이 포함되어 있거나, 이들의 분급이 불량하며, 파편/기질 비는 높다. 슈도타킬라이트에는 유리질과 은미정질 암편이 포함되므로 흔히 편광현미경하에서 기질부는 등방성을 보인다. 또한 색깔변화에 의하여 흐름밴드가 기질에서 발달하거나, 구과상(spherulite), 수지상 결정(dentritic crystal), 결정립(crystallite), 또는 미립반정(microphenocryst) 등을 함유하기 때문에 박편상에서는 불투명하거나 무색 또는 등방성을 나타낸다. 슈도타킬라이트에서 석영과 장석파편은 모암에 비하여 흔하며, 흑운모와 같은 함수성 광물은 드물다. 암편주위를 따라 광학적으로 등방성의 띠(rim)를 보이거나, 입자의 만입구조(embayment), 준 마이크론입자, 행인상구조(amygdale) 등도 발달한다.

국내의 슈도타킬라이트 산출지

그동안 국내에서 노두규모의 슈도타킬라이트의 산출은 학술지 수준으로 보고된 예는 없었는데, 이는 유리질 암석은 풍화변질 작용에 매우 취약하므로 오랜 지질시대에 걸쳐 암체보존이 어렵기 때문이다. 예를 들면, 슈도타킬라이트와 물성이 비슷한 유리질암인 흑요암(obsidian)의 경우, 전 세계적으로 볼 때 백악기 이전에 생성된 흑요암이 노두수준으로 발견된 경우는 없을 정도이다. 그만큼 유리질암은 취약하기 때문이다. 일례로, 울릉도의 타킬라이트(Bae et al., 2012)나 흑요암(Lim and Choo, 2017)같은 유리질 암에는 급랭작용에 의해 수많은 냉각균열(cooling crack)이 흔히 형성되어있다. 이 같은 유리질 암석의 냉각균열을 따라서 수화작용(hydration)이 쉽게 일어날 수 있으므로(Lim and Choo, 2017), 이는 후기 변질작용에도 취약하다. 결과적으로 흑요암과 비슷하게 유리질 암의 특성이 있는 슈도타킬라이트가 고기암에서 노두 상으로 보존되기 어려운 것이 사실이다.

최근 들어 경주시 양북면 봉길리 해변에서 북서-남동으로 발달하는 암흑색의 맥상암체를 슈도타킬라이트로 간주하는 견해(Kang et el., 2017)가 있었는데, 이는 암석학적 특징에 의하면 현무암질 안산암맥으로 해석된 바 있다(Hwang et al., 2007). 그런데 이 암맥이 진짜 슈도타킬라이트가 맞는지는 여전히 의문점이 있다. 이를 정확하게 판단하기 위해서는 추후에 여러 가지 지질학적 증거가 요구된다. 즉 육안관찰 및 현미경하에서 나타나는 특유의 유리광택, 용융조직, 비정질 내지 유리질 기질물의 비율, 탈유리질화 작용(devitrification), 급랭 유리질 암에서 발달하는 고유한 균열조직, XRD에 의한 기질부의 광물조성, 전자현미경(TEM, SEM, EPMA/BSE)상에서의 독특한 유리질 미세조직 등이 슈도타킬라이트를 판별하는 중요한 요소가 된다. 슈도타킬라이트의 지질학적 의미도 중요하지만, 그 만큼 슈도타킬라이트를 정확하게 판별하는 것은 쉽지 않다. 왜냐하면 슈도타킬라이트의 가장 큰 특징인 마찰작용에 의한 용융과 급랭의 증거가 필수적이기 때문이다.

본 연구의 시추코어에서는 다양한 심도구간에서 슈도타킬라이트가 종종 산출된다. 슈도타킬라이트의 색상, 표면특징, 발달패턴, 폭 등이 심도에 따라서 다양하거나, 동일한 층준의 코어 내에서 여러 단계의 슈도타킬라이트가 존재할 시, 지진활동이 중첩되어 있을 가능성이 있다. 슈도타킬라이트의 존재는 지반 안정성 평가 차원에서 매우 중요하다. 왜냐하면 슈도타킬라이트 산출지가 바로 고기에 강력한 지진성 단층활동이 발생했던 그 지역이기 때문이다.

시료 및 연구방법

경북 ○○ 지역에서 심부시추공 심도별로 코어시료를 채취하고, 파쇄대와 불연속면 발달특징을 파악하였다. 심부시추는 화강암 지역에서 500 m, 변성암 지역에서는 900 m까지 각각 굴진되었는데, 시추 즉시 현장에서 로깅을 통하여 암상을 파악하였고, 파쇄대와 슈도타킬라이트가 발달하는 구간에서 집중적으로 시료를 채취하였다. 선캄브리아기 각섬석편마암 지역의 경우, 천부를 제외하면 암상은 중생대 쥬라기 흑운모화강암과 혼재하며, 심부로 갈수록 점차 흑운모 화강암의 비율이 증가한다.

시추코어에서 발달하는 불연속면은 절리와 단층이 가장 대표적인데, 절리와 단층파쇄대는 공극률이 높고, 투수성이 높아 지하수로부터 과포화된 특정성분이 광물로 침전되면서 충전되어 있다. 이들 충전물은 불연속면을 따라 이동하는 지하수의 통로가 되거나, 지열수와 물-암석반응이 일어나기 쉽다. 이런 곳은 향후 응력을 받을 경우에 연약대로 작용하게 된다. 단층파쇄대는 부분적으로 발달하는데, 이는 대부분 극미립질인 점토질로 이루어지며, 국부적으로는 일부 미립 내지 세립질의 분쇄물질을 소량 함유한다. 또한 심한 파쇄대는 단층비지(gouge)로 구성되어 있거나, 흑색 내지 암적색의 슈도타킬라이트가 발달한다.

단층파쇄대에 존재하는 마이크론 크기의 점토물질은 육안이나 현미경 분석으로는 감정이 어렵지만, X-선 회절분석(XRD)법을 이용하면 빠르고 정확하게 분석할 수 있다. 이들 구성광물을 규명하기 위하여 먼저 단층비지와 슈도타킬라이트 원시료(bulk sample)에 대하여 XRD 분석을 실시하였다. 점토광물인 경우 회절선이 여러 다른 광물과 중첩될 수 있어 정확한 감정이 어려운데, 저면간격(d-spacing)을 측정하면 보다 정확한 감정이 가능하다. 이를 위하여 2 μm 이하의 크기로 점토광물을 분리한 후에, 정방위시료(oriented specimen)로 제작하여 추가적인 XRD 분석을 실시하였다. 본 연구에서는 X-선회절분석(XRD)을 통하여 구성물질의 광물분석을 실시하였고, 정량계산 프로그램인 Siroquant 프로그램 v.3.을 이용하여 구성광물의 함량과 종류를 정량분석하였다.

또한 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 슈도타킬라이트의 미세조직과 화학성분을 분석하였다. 전자현미경 분석은 한국기초과학지원연구원 대구센터의 전자현미경 연구실의 전계방출 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM, Hitachi S-4200)을 이용하였다. 시료표면을 오스뮴(Os)로 코팅하였고, 가속전압 20 kV, 10 nA에서 40~15,000 범위의 배율에서 관찰하였다. 미세조직의 화학분석은 에너지분산스펙트럼(energy dispersive spectrum, EDS)을 이용하여 반정량분석(semi-quantitative analysis) 분석을 실시하였다.

결과

시추코어의 파쇄특징과 슈도타킬라이트의 산출

대부분의 시추코어에서는 취성변형이 우세하며, 슈도타킬라이트는 불규칙한 간격의 심도에서 나타나지만, 단층비지는 주로 상부구간에서 발견된다. 폭이 수~20 cm인 슈도타킬라이트는 모암인 쥬라기 화강암과 선캄브리아기 각섬석편마암과 접촉하거나 교호하는데, 약한 취성, 소성변형를 수반한다. 슈도타킬라이트는 다양한 심도에서 산출되는데 조직, 두께, 색상에서 약간 상이한 특징을 보여준다(Fig. 3).

Fig. 3.

Fractured rocks and pseudotachylite at drill cores. (a) 466 m depth, (b) 529~535 m depths, (c) 618~627 m depths, (d) 790~798 m depths.

① 시추코어 BH-1 : <500 m

시추코어 암석은 화강암질 내지 화강암질 편마암 계열이며 분홍색 장석질 페그마타이트가 부분적으로 관입하고 있다. 절리간격은 다양하게 나타나며, 약한 단층파쇄대도 일부 확인된다. 단층파쇄대는 치밀하게 각력화되거나, 암편의 틈새가 후속과정에서 다시 봉합(healing)되거나, 얇게 단층비지가 발달한다. 단층비지는 단층조선(slickenside)이 발달하는 구간도 있으며, 심한 파쇄구간은 넓게 발달하지 않는다. 심도 272 m, 466 m에서는 단층비지대가 잘 발달하는데, 272 m에서는 단층면을 따라서 백색의 충전물이 단층비지대를 맥상으로 채우고 있으며, 466 m에서는 단층면은 광택이나며 슈도타킬라이트로 발달한다.

② 시추코어 BH-2 : 500~1000 m

주 암석은 각섬암편마암이고 화강암질 암맥이 흔히 포함된다. 시추코어는 파쇄되거나 단층비지대 또는 슈도타킬라이트가 특징적으로 발달한다. 각섬암질 편마암은 파쇄된 경우에 녹니석같은 이차광물로 변질되어 있다. 절리틈새는 이차광물로 충진되거나, 화강암질 페그마타이트 암맥으로 채워지는 경우도 흔하다.

Fig. 4.

Representative XRD diffraction patterns of the 527 m core 1 sample containing pseudotachylite. The upper graph is for randomly oriented sample while the bottom graph is for preferred oriented sample. Ch: chlorite, Fd: feldspar, Cc: calcite.

파쇄대의 구성광물 XRD 정량분석 결과

슈도타킬라이트는 검정색이 우세하며, 광택을 강하게 띠는데 파단면은 매끄러운 유리질이 특징적이다. Table 1은 파쇄암과 슈도타킬라이트에 대한 XRD 정량분석 결과표이다. 조암광물로는 석영, 장석류, 각섬석 등이 주를 이루며, 녹니석은 시료 전반에 걸쳐 잘 나타난다. 그외 녹염석, 석류석과 같은 변성암 기원의 광물이 포함된다. 파쇄대 충진물인 맥상광물은 방해석, 장석류, 석영, 돌로마이트 등으로 구성된다.

① 466 m 코어 시료

이 구간의 슈도타킬라이트에는 녹니석, 석영, 장석류가 산출된다. 슈도타킬라이트가 비정질 특성을 가지는 경우에는 회절선의 배경치가 높게 나타나야 한다. 그런데, 본 연구에서는 일반적인 배경치는 결정질의 배경치와도 흡사하게 나타나서 비정질부분이 적음을 알 수 있다. 방향성 시료분석에서는 녹니석의 회절선이 더욱 분명하게 구분된다.

② 527 m 코어 시료 1

이 구간의 코어시료는 암적색(dark pnk)을 띠는 슈도타킬라이트인데, 녹니석이 풍부하며, 장석류 및 방해석으로 구성된다(Fig. 4). 슈도타킬라이트가 비정질 특성을 가지는 경우에는 회절선의 배경치가 높게 나타나야 한다. 그런데 본 연구에서는 일반적인 배경치는 결정질의 배경치와도 흡사하게 나타나서 비정질부분이 적음을 알 수 있다. 방향성 시료분석에서는 녹니석의 특징적인 회절선의 형태와 저면간격을 잘 보여주고 있다.

③ 527 m 코어 시료 2

이 구간의 코어시료는 진한 보라색(deep purple)를 띠는 슈도타킬라이트인데, 녹니석이 풍부하며, 각섬석, 장석류 및 방해석으로 구성된다. 슈도타킬라이트에는 비정질의 함량이 적음을 알 수 있다. 방향성 시료분석에서는 녹니석은 특징적인 저면간격과 회절패턴을 잘 보여준다.

④ 527 m 코어 시료 3

이 구간의 코어시료는 흑적색을 띠는 슈도타킬라이트인데, 녹니석, 장석류, 방해석 등으로 구성되어 있다. 배경치가 특별하게 높아지는 현상이 없는 것으로 보아 실제 비정질의 함량분포는 매우 적을 것으로 보인다. 방향성 시료 분석결과에서는 녹니석은 전형적인 저면간격과 회절패턴을 보여준다.

⑤ 791 m 코어 시료

이 구간의 코어시료는 암흑색으로서, 광택을 강하게 내는 슈도타킬라이트이다. 녹니석, 석영, 장석류 및 약간의 방해석이 함유되어 있다. 녹니석의 (001) 회절선은 약간 비대칭인데, 전암시료에서는 날카롭고 그 폭이 좁아 결정도가 높은 것처럼 보인다. 방향성 시료분석에서는 오히려 (001) 회절선의 폭은 넓게 나타난다. 그러나 전반적으로 녹니석의 일반적인 회절패턴을 잘 보여 주고 있다.

미세조직 분석: 주사전자현미경(SEM)

① 466 m 코어 시료

육안상 슈도타킬라이트로 간주된 시료이다. 표면은 매끄럽고, 특정한 형태가 발달하지 않는다. 특정한 방향으로 미끌린 방향성 흔적이나 조선(striation)이 발견된다(Fig. 5). 유리기질 속에서는 드물게 잔류입자도 관찰되는데(Fig. 5b) 입자의 크기는 1 μm~수 μm 내외의 직경을 가진다. 반응성이 높은 영역인 스텝(step)이나 경계부에서 간혹 발견되는 입자에 대하여 EDS 분석을 실시한 결과, 이는 철, 마그네슘을 함유하는 규산염광물에 해당한다(Fig. 6). 유리기질 외에도 이차광물로서 가장 풍부한 녹니석은 이들 주변에서 성장하므로 성인적으로도 밀접한 관련성이 있다. 녹니석에도 풍부하게 포함되는 성분인 철, 마그네슘은 이들 광물로부터 공급되었을 가능성이 매우 높다.

Fig. 5.

SEM images at the 466 m core sample showing glassy texture with some slip evidence. (a) Low magnification (200×), (b) Enlarged image of a box area in (a) showing a residual grain in glassy matrix (1,500×), (c) Slight slip texture (500×), (d) Enlarged image of a box area in (c) showing glassy texture (2,000×).

Fig. 6.

SEM and EDS images at the 466 m core sample showing residual grains covered glassy material with chlorite and amphibole compositions. EDS analysis was done on the small grain with less than 1 μm, which is marked as a circle. Magnification: 15,000×.

② 527 m 코어 시료

슈도타킬라이트는 표면이 2500 배율에서조차 상당히 부드럽고 매끄럽게 나타난다(Fig. 7). 그러나 표면이 깨진 자리나 돌출부에는 이차광물이 약하지만 성장한다. 기질의 표면은 특정한 방향으로 기복을 가져 그루브(groov)나 약한 미끌림의 조직을 보이기도 한다.

Fig. 7.

SEM images at the 527 m core sample showing glassy textures resulted from melting. (a) Magnification 40×, (b) Magnification 300×, (c) Magnification 130×, (d) Magnification 2,500×.

③ 537 m 코어 시료

매끄러운 기질의 표면에서 다량의 녹니석이 생성되었으며, 녹니석은 비교적 등립질이다. 이는 녹니석이 후기작용에 의하여 동시적으로 생성되었음을 지시한다. 일부 잔류 입자는 5 μm 이하로서 매우 작으며, 녹니석 기질에 둘러싸이기도 한다(Fig. 8). 이런 입자는 마모가 심하게 일어났으며, 특히 입자의 모서리 부분은 원마도가 높다. 녹니석 기질부에 사장석이 잔류입자로 존재한다. 이 같은 특징은 EDS 성분에서도 확인된다.

Fig. 8.

SEM and EDS images at the 537 m core sample. A grain with embayed shape in the chlorite matrix shows abrasion texture during faulting. A circle denotes the analyzed area by EDS. Magnification 7,000×.

④ 706 m 코어 시료

기질부는 매끄럽고 특정한 방향을 단층조선 내지 슬리켄사이드 같은 방향성 미끌림 구조를 일부 나타난다. 후속단계에서 기질이 변질되면 이차광물이 형성되는데 이들은 대부분 녹니석이다. 기질부에도 철, 마그네슘 함량이 높다. 이는 각섬석이 풍부한 모암에 영향을 받았기 때문인 것으로 해석된다.

⑤ 791 m 코어 시료

Fig. 9, 10은 슈도타킬라이트가 잘 발달한 부분에 대하여 SEM 이미지 관찰과 EDS 성분분석을 실시한 것이다. 기질부는 고배율에서도 표면이 매끄럽고 특정한 결정질이 생성되지 않았으므로, 이는 조직과 형태적으로는 비정질에 가깝다. 화학성분은 철, 마그네슘이 풍부한 규산염에 해당하며, 유리질의 기질부에서 변질작용을 통하여 형성된 이차광물은 녹니석이다. 녹니석과 기질부의 화학조성의 차이는 크지 않다. 이는 각섬석, 흑운모류가 용융, 변질되어 기원된 성분들로 판단된다. EDS 성분분석 결과는 각섬석, 사장석류임을 지시한다.

Fig. 9.

SEM and EDS images at the 791 m core sample. (a) Glassy textures. Magnification 450×, (b) Enlarged image of the box in (a). Thin glassy flakes marked as an arrow in (a) are shown. A circle denotes the analyzed area by EDS. Magnification 1,500×, (c) EDS result showing amphibole composition.

Fig. 10.

SEM and EDS images at the 791 m core sample. (a) Glassy textures. Magnification 2,500×, (b) Enlarged image of (a). A circle denotes the analyzed area by EDS. Magnification 2,500×, (c) EDS result showing plagioclase.

토의

슈도타킬라이트는 과거 지진활동의 산물로 간주되는데 단층의 거동이나 공학적 안정성 판단에 중요하다. 단층작용 동안 마찰열에 의하여 모암이 용융되어 형성되는 슈도타킬라이트는 지진단층대에서는 지표부근에서부터 심부까지 다양한 심도에서 형성될 수 있다. 방향성을 보이는 경우, 단층의 슬립(slip)에 의한 증거인데 비교적 마찰력이 작용하는 마찰 미끄러짐(frictional sliding)에 의한 것이다(van der Pluijm and Marshak, 2004).

슈도타킬라이트가 가지는 가장 중요한 지질공학적 의미는 이것이 지진동시성(coseismic)의 지표라는 점이다. 그런데 슈도타킬라이트를 생성시키는 마찰용융은 지진동안에 중요한 작용을 함에도 슈도타킬라이트가 단층암의 후기 지진응력에 어떤 영향을 미치는 지, 또는 왜 많은 단층대가 항상 슈도타킬라이트를 수반하지 않는 이유도 아직 명확하지 않다(Kirkpatrick et al., 2009). 또한 최근 연구(Protor and Lockner, 2016)에 의하면, 건조암은 용융냉각동안 단층슬림면을 접합(welding)시키는데, 이는 지진 후에 오히려 단층을 더 강화시킬 수 있으며 단층슬립의 재활동을 억제하는 기능도 있어서 슈도타킬라이트가 지반안정에 더 유리할 수 있는 이견도 있다. 그렇다 하더라도, 슈도타킬라이트는 단층대의 모암에 비하여 본질적으로 그 강도가 매우 낮으며, 유리질암의 특성상 응력에 취약하므로 향후 균열이 발생하거나, 화학변질 작용에도 취약한 것은 분명하다.

본 슈도타킬라이트는 여전히 유리질 암의 특성을 상당부분 보존하고 있기 때문에, 심한 변질작용을 겪지 않았다고 판단된다. 슈도타킬라이트에서 관찰되는 이 같은 매끄러운 유리질 암 특성은 향후 강한 응력이 작용할 시 마찰력을 감소시키고 단층의 슬림미끄러짐에 유리한 조건으로 작용할 수 있다. 기질 내에서 만입된 석영, 사장석 입자가 관찰되고, 슈도타킬라이트의 표면은 마이크론 스케일에서조차도 매끄러운 유리질 기질이 특징적이다. 이 같은 현상은 본 지역의 슈도타킬라이트가 강한 지진활동에 의한 마찰용융에 의하여 생성되었음을 지시한다. 슈도타킬라이트의 색상 띠가 다양한 것은 슈도타킬라이트의 생성시기가 다양했음을 지시하며, 이는 강한 지진이 반복적으로 발생했음을 의미한다.

본 심부 시추암에서 산출하는 슈도타킬라이트 기질 속에서 만입구조를 보이는 용식, 마모된 석영, 사장석 입자는 용융체의 유동특성과 관련된다. 녹니석을 비롯한 이차광물의생성환경을 고려하면, 슈도타킬라이트를 포함하는 파쇄대의 환경은 최대 300oC 이하로 볼 수 있으며, 평균적인 지하증온율을 고려하면 심도는 10 km를 넘지 않을 것으로 보인다. 함수성이 높은 일부 점토광물의 존재는 단층이 파쇄된 후에 유체의 공급이 있었음과 관련된다.

본 연구에서 기질부는 SEM 관찰에 의하면 상당부분이 유리질화되었지만, X선 결정학적으로 볼 때에 실제로 비정질의 구조와 존재 증거는 미약하거나 잘 확인되지 않는다. 이는 분석 시료범위의 차이에 기인하는 것으로 보인다. 추후에 투과전자현미경(TEM)과 비정질 분석 연구를 통하여 슈도타킬라이트에서 나타나는 비정질의 특성을 상세히 규명할 필요가 있다. 슈도타킬라이트의 진위 판정은 슈도타킬라이트 고유의 마찰용융 특성분석이 전제되어야 하며, 슈도타킬라이트의 전단강도, 마찰력과 같은 물성분석치가 주변암의 물성치와 어떻게 다른지를 파악하는 것도 중요하다. 현재까지 이 일대에서 분포하는 단층이나 주요 구조선을 따라 단층의 재활성 여부는 확인된 바 없으나, 슈도타킬라이트가 의미하는 지반공학적 중요성을 고려하면 향후에 이에 대한 연대측정도 필요하다.

결언

슈도타킬라이트는 강력한 지진성 단층에 의하여 형성되는만큼 지반의 안정성을 평가할 시에 매우 중요한 지질학적 기록물이 된다. 본 슈도타킬라이트는 다양한 심도에서 산출하는데 조직과 두께 또한 약간 상이한 특징을 보여준다. 대부분의 시추코어에서는 취성변형이 우세하며, 슈도타킬라이트는 불규칙한 간격의 심도에서 나타나지만, 단층비지는 주로 상부구간에서 발견된다. 슈도타킬라이트의 표면은 마이크론 스케일에서조차도 매끄러운 유리질 기질이 특징적인데, 이 같은 현상은 본 지역의 슈도타킬라이트가 강한 지진활동에 의한 마찰용융에 의하여 생성되었음을 지시한다. 슈도타킬라이트는 강한 지진활동의 산물이므로, 이것의 산출특징은 심부지반의 고기 지진활동 해석이나, 고준위방사성 폐기물 처분장 후보지의 지질공학적 지반안정성 평가에 중요한 지질기준으로 활용될 수 있다.