서 론

유체는 전 지구적 기후변화, 지형 형성, 침식 및 퇴적작용 등 지표에서의 작용 뿐만 아니라 지진발생, 변성작용, 열수 및 마그마 활동과 같은 심부의 지질작용에도 중요한 역할을 한다. 또한 광상, 석유 및 가스, 지하수와 같은 지하자원의 형성과 분포에도 밀접하게 관여한다. 따라서 지질매체에서의 유체유동 특성을 이해하는 것은 인류사회의 자원 이용과 지구과학적 현상을 해석하기 위해 반드시 필요하다.

결정질 암반과 같이 저투수율 암반에서 유체유동은 2차 공극인 지질구조(단열)에 강하게 영향을 받는다(Nelson, 1985). 이러한 구조지질학적 제어요소로 단열의 밀도와 연결성이 주로 고려됨에 따라(Lucca et al., 2020; Martinelli et al., 2020; Nixon et al., 2020; Berio et al., 2022), 광산 및 석유자원 탐사(e.g. Antonellini and Aydin, 1994; Cox et al., 2001; Yang et al., 2013, 2022; Neng et al., 2018), 핵폐기물처분장 부지조사(e.g. Nordgulen and Saintot, 2006; Nordbäck and Mattila, 2018; Jin and Kim, 2021), 이산화탄소 지중저장 시설물 부지조사(e.g. Dockrill and Shipton, 2010; Bond et al., 2017; March et al., 2018) 등 다양한 분야에서 지질구조와 연관된 유체유동의 특성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이때 단층은 인장성 단열과 달리, 단층 말단부 양쪽 지괴에서 상대적 운동특성의 차이로 인한 응력상태(압축과 인장)가 달라져서 비대칭성을 보인다. 또한 큰 규모의 단층에서 단층 내부는 단층핵(fault core)과 단층손상대(fault damage zone)로 구분되며, 단층핵은 낮은 투수율을, 손상대는 상대적으로 높은 투수율을 보이며 상반된 특성을 보인다(Mitchell and Faulkner, 2008; Faulkner and Armitage, 2013). 따라서 단층의 기하학적, 운동학적 특성에 대한 세심한 이해는 지질매체에서의 유체유동 특성을 효과적으로 예측하고 관리하는 데 필수적이다.

따라서 본 논문에서는 거제도 신선대에 발달한 주향이동단층을 대상으로, 단층손상대 유형을 구분하고, 각 손상대에서의 단열밀도와 연결성을 정량적으로 분석하였다. 이를 통해 단층손상대의 구조적 특성이 암반 내 유체유동에 미치는 영향을 규명하고, 향후 국내 암반평가 및 지질매체 유체유동 해석에 단층손상대 개념을 적용할 수 있는 기초자료로 활용하고자 한다.

단층의 역학적 거동과 단층손상대의 구조적 분류

단열역학(fracture mechanics)에서는 단열이나 균열 말단부에서의 말단부 발달 방향과 운동학적 특성에 기초하여 일반적으로 3개의 모드(mode)로 분류한다(Segall and Pollard, 1980; Scholz, 2019). Mode-I은 최소 하나의 응력축이 음의 값을 가져, 단열에 수직한 방향의 확장 변위를 보이는 개방(확장) 모드로 인장단열(tensile fracture)이 이에 해당한다. Mode-II는 전단단열(shear fracture)의 미끌림(전단)에 수직한 방향의 말단부 방향을 나타내며, Mode-III는 말단부의 방향에 평행한 방향의 미끌림(찢김)에 해당한다. 따라서 Mode-II 또는 Mode-III는 하나의 전단단열에서 3차원 공간 내 위치에 따라 결정된다(Fig. 1; Kim et al., 2004; Choi et al., 2016). 이때 전단단열에 해당하는 단층은 인장단열을 포함하여 다양한 특성과 방향을 갖는 부수단열을 동반하며, 성장 과정에서 주전단면(principal slip zone, PSZ) 주변에 복잡하게 발달한다. 이러한 성질로 인해 하나의 단일면으로 고려되기 보다는 어느 정도의 폭과 부피를 가지는 주전단면과 단층손상대로 이루어진 3차원의 복잡한 구조로 이해되고 있다.

일반적으로 큰 규모의 단층대는 전단이 집중되어 단층암이 발달하는 단층핵 부분과 주전단면 주변에서의 변형에 의해 2차적인 단열들이 발달하는 단층손상대로 구분된다(Chester and Logan, 1987; Aydin and Schultz, 1990; Caine et al., 1996; Childs et al., 2009; Kim et al., 2004; Shipton et al., 2006; Peacock et al., 2017).

단층핵은 변위를 대부분 흡수하는 부분으로 단층활동에 의한 변형으로 파쇄되고 마모되어 모암의 성질을 거의 잃은 단층암이 발달하는 구역을 의미한다(Chester et al., 1993; Scholz, 2019). 모암의 성질을 알아보기 힘든 단층암으로 구성된 단층핵은 생성환경과 단층의 누적변형 정도에 따라 다양한 양상으로 나타난다(Sibson, 1977). 미립의 단층암은 낮은 공극률과 높은 모세관압에 의해 낮은 투수성을 가져 유체이동에 대해 방벽으로 작용한다(Caine et al., 1996).

단층손상대는 단층 자취 상 위치에 따라 서로 다른 손상대 양상으로 분류될 수 있다. 이러한 분류는 단층의 자취(trace)가 종지되는 말단부에서 나타나는 말단손상대(tip damage zone), 두 단층 자취가 연결되는 연결손상대(linking damage zone), 단일 단층자취의 양쪽 벽에서 나타나는 벽손상대(wall damage zone)로 구분된다(Fig. 1; Kim et al., 2004; Choi et al., 2016). 각 손상대는 단열의 발달 범위, 발달 양상의 차이를 보이며, 일반적으로 부수단열은 벽손상대에 비해 연결손상대와 말단손상대에 더 넓게 높은 밀도로 발달한다(Kim et al., 2004; Peacock et al., 2017; Torabi et al., 2020). 벽손상대는 주전단면을 따라 미끄러짐이 증가하면서 발생하는 손상대 양상으로 과거의 말단손상대 뿐만 아니라 변형의 누적으로 인해 생성되는 새로운 부수단열들을 포함한다. 연결손상대는 단층분절(segment)이 인접한 분절과 연결되면서 두 분절의 자취 사이에 발달하는 손상대 양상으로, 연결부는 두 단층분절의 연결방향과 운동감각에 따라 압축되거나 인장될 수 있다. 이로 인해 연결부에 부수단열의 발달이 집중될 수 있으며, 단층분절 간 상호작용 및 국부적인 응력장 회전 등으로 인해 상당히 복잡하고 높은 밀도의 단열망이 발달한다(Maerten et al., 2002; Rotevatn and Fossen, 2011; Stohler et al., 2022). 말단손상대는 단층의 전파가 종지되고 변위가 0이 되는 단층의 말단부에서 나타나는 손상대 양상으로, 단층면을 통해 해소되지 못한 잔류응력이 2차 단열의 형성을 통해 해소되며 발달한다(Gupta and Scholz, 2000; Shipton and Cowie, 2003). 말단손상대는 단층의 3차원 공간 내에서 모든 말단에서 발달할 수 있으며, 말단의 모드에 따라 발달양상이 달라진다(Kim et al., 2003). 단층의 Mode-II 말단에서는 단층 양쪽 지괴에서의 상대적 운동특성 차이에 의해 단층의 양쪽에서 상반된 응력상태(압축과 인장)를 보여 비대칭적인 단층손상대를 발달시킨다. 반면 Mode-III 말단에서는 주로 대칭적이며 짧은 자취를 가지는 단열들이 계단상으로 배열되는 안행상 배열을 보인다(Kim et al., 2004; Peacock et al., 2017).

Fig. 1.

(a) Fault damage zones around a segmented left-lateral fault (modified form Kim et al., 2003; 2004; Choi et al., 2016). Fault damage zones are categorized into cross-fault, along-fault, and around-tip damage zones. The dominant fracture mode and fracture patterns vary with the the location relative to the fault.

단열밀도 및 연결성의 정량적 분석 방법

단층의 공간적 특성을 분석하기 위해 Mauldon et al. (2001)이 제시한 원형 조사창(circular scanline) 분석 방법을 사용하였다.

단열밀도 분석은 단열의 공간적 분포특성에 대한 정량적 분석기법으로 특정 길이, 면적 또는 부피 내에 단열이 얼마나 존재하는지를 나타낸다. 단열밀도는 표본영역의 차원(x)과 단열의 차원(y)에 따라 세분되는데, 이는 Pxy와 같이 표기한다. 표본영역의 차원은 1 (선), 2 (면적), 3 (부피)으로 구분하며, 단열의 차원은 0 (개수), 1 (길이), 2 (면적), 3 (부피)으로 나뉜다(Sanderson and Nixon, 2015; Fig. 2a). 본 연구에서는 단위면적당 길이로 정의되는 P₂₁를 측정하였다.

하지만 단열분포가 높은 밀도값을 갖는다 하더라도 단열 간에 연결성이 낮다면 유체의 투수성은 낮을 수 있다. 위상기하분석(topological analysis)은 단열계의 연결성을 정량화한 분석방법으로 주어진 객체의 연속적인 변형에 의해서 기하학적 특성(길이, 면적 등)은 변할 수 있지만, 위상기하학적 특성(연결 개수 등)들은 변하지 않는다는 개념에서 시작한다. 2차원 위상기하에서 한 단열은 자취를 따라 단열선(line), 노드(node), 노드 사이를 잇는 브랜치(branch)로 정의된다(Fig. 2b; Sanderson and Nixon, 2015). 노드는 다시 단열의 말단을 나타내는 I-노드, 한 단열이 분기하거나 다른 단열에 붙는 Y-노드, 두 단열이 교차하며 절단하는 관계인 X-노드로 구분한다. 브랜치는 양 끝에 위치하는 노드의 유형에 따라 I-노드로만 구성된 II-브랜치, I-노드와 Y-노드 혹은 X-노드로 구성된 IC-브랜치, Y-노드와 X-노드로만 구성된 CC-브랜치로 구분할 수 있다(Morley and Nixon, 2016; Sanderson and Nixon, 2015, 2018). 이번 연구에서는 각 샘플링 원내 단열망의 X-노드와 Y-노드의 합, 즉, 연결노드 총합을 사용하였으며, 해당 지표는 Nyberg et al. (2018)이 개발한 오픈소스 QGIS 플러그인 NetworkGT를 활용하여 분석하였다.

Fig. 2.

(a) Naming convention for fractures (modified from Sanderson and Nixon, 2015). (b) Example of a topological analysis, in which the fracture network is composed of nodes and branches. For circular sampling, the length of each branch that intersects the boundary is counted as twice the length within the circle.

거제도 신선대 지역에서의 단층손상대에 따른 단열밀도 및 연결성 차이

한반도 동남부에 위치한 거제도 남부면의 신선대 일대는 경상누층군 성포리층에 해당하며 지반 융기에 의해 형성된 해안단구로 단층 및 단열의 밀도가 높아 단층손상대의 구조적 특성을 정밀하게 분석하기에 적합한 지질학적 환경을 제공한다(Fig. 3; Won et al., 1980; Kee et al., 2019). 연구지역의 최상부 해안단구에는 서로 다른 고도에 위치한 네 개의 평탄면이 확인되며, 높은 고도에서 낮은 고도순으로 평탄면 1–4 (이하 F1–F4)로 명명하였다. Hategekimana and Kim (2021) 및 So and Kim (2022)은 본 지역의 단열을 방향성과 운동감각에 기초해 총 4개의 단열군(Set 1–4)으로 구분한 바 있으며, 각 단열군의 특징은 Table 1에 정리하였다.

Fig. 3.

(a) Map of the Korean Peninsula. The study area (red box) is located in the southeastern part of South Korea (modified from Kee et al., 2019). (b) Map of Geoje Island, showing the location of the study area (red box). (c) Geological map of the Nambu-myeon area, located in the southern margin of the Gyeongsang Basin (modified from Won et al., 1980). Grey Dashed line indicates the fault. (d) Sinseondae outcrop on Geoje Island, SE Korea. The Seonpori Formation is composed of purple mudstone and light grey sandstone.

연구지역에는 Set 1에 해당하는 고각의 북서 방향 주향이동단층(161°/88°)이 발달하고 있으며, 본 연구는 이를 주 단층(target fault)으로 정의하여 분석하였다. 해당 단층은 녹염석과 석영의 세맥으로 충진되어 있고 좌수향 운동감각을 보인다. 각 평탄면 및 그에 수직한 단면에서는 단층의 주전단면 뿐만 아니라 말단손상대의 기하학적 특성이 함께 관찰된다(Fig. 4). 이를 통해 단층손상대의 구조지질학적 특성을 평가할 수 있다. 단열군 간 절단관계를 분석한 결과, Set 3 및 4 단열군은 주 단층(Set 1)과의 교차절단관계를 통해 운동감각을 추론할 수 있으며, 이는 단열 발달에 따른 단열 네트워크의 발달양상 및 복잡성을 정량적으로 해석하기에 중요한 근거가 된다. Set 3 단열군(046°/84°)은 주 단층과 마찬가지로 녹염석과 석영으로 충진되어 있으며, 일반적으로는 Set 1을 우수향 운동감각으로 절단하고 있으나, 일부 단열은 오히려 주 단층에 의해 좌수향 운동감각으로 절단되는 양상이 관찰된다. Set 4 단열군(126°/88°)은 주 단층의 2차 단열(인장단열)로 발달하는 양상이 우세하며, 일부 우수향 단층으로 Set 1을 절단하는 양상이 확인된다. 평탄면 별로는, 가장 높은 층인 F1에서 단층은 전단면이 안행상 단열로 바뀌며 Mode-III 말단손상대가 관찰된다. 평탄면 고도가 낮아짐에 따라 주 단층은 안행상 단열에서 단일 전단면으로 관찰되며(F2, F3), F4에서는 단층의 Mode-III 말단손상대에서의 Set 4 안행상 인장단열이 뚜렷하게 발달한다. 이러한 수직적 구조 변화는 단층의 심도에 따른 손상대 발달 양상의 변화를 반영하며, 단열망의 연결성과 투수성의 수직적 분포 차이에 중요한 영향을 미칠 수 있음을 지시한다.

Fig. 4.

Uppermost marine terrace and fault damage zones in the Sinseondae outcrop. The section is divided into four depth levels (Flat 1 to Flat 4; F1–F4).

본 연구에서는 평탄면을 가로질러 연속적으로 추적되는 단층을 중심으로 손상대를 구분하고, 각 손상대의 구조적 특성과 2차원적인 분포 양상을 분석하였다. 이러한 손상대 특성을 정량적으로 비교하기 위하여 직경 1 m 및 30 cm의 원형 조사영역(circular sample area, 이하 SA)을 설치하였으며, 조사창은 단층을 기준으로 전단면뿐만 아니라 벽손상대, 연결손상대, 말단손상대를 포함하도록 배치하였다.

직경 1 m 원형 조사영역(SA₁)은 각 평탄면을 따라 8개를 설치하여 손상대 유형 간 단열 네트워크 특성을 비교하였으며(Figs. 5 and 6), 직경 30 cm 원형 조사영역(SA₃₀)은 총 9개를 설치하여 말단손상대 내에서 Mode-II 및 Mode-III 말단손상대 양상을 구별하고, 단열의 기하학적 특성과 단열 모드 차이를 보다 세부적으로 분석하였다(Figs. 7, 8, 9, 10). 이때 F2에서는 단열의 최소 단열 수(30개)가 충분히 확보되지 않아(Rohrbaugh et al., 2002) 분석 신뢰도 확보를 위해 F1, F3, F4에서 조사창을 설치하였다. 각 조사 영역의 단열 네트워크의 단열밀도와 연결노드 수를 산정하여, 손상대 유형 및 분석 스케일에 따른 단열 네트워크의 구조적 연결성과 기하학적 복잡성을 비교 및 분석하였다. 각 조사영역의 손상대 유형 분류는 Table 2와 Table 3에 요약하였으며, 조사구간 내에는 주 단층과 교차하는 Set 3 및 Set 4 단열이 함께 발달하는 특징을 보인다. 이러한 단열군의 발달은 손상대 유형에 따라 단열 네트워크의 구조적 연결성과 기하학적 복잡성이 어떤 차이를 나타내는지를 정량적으로 비교·해석할 수 있는 기반을 제공한다.

1 m 규모의 조사영역에 대한 단열밀도는 전체 평균 0.25 cm^-1이며, SA₁-3 지점에서 0.09 cm^-1로 가장 낮은 값을, SA₁-7 지점에서 0.36 cm^-1로 가장 높은 값을 보였다(Fig. 6a). F1에서는 연결손상대에 해당하는 SA₁-2 (0.20 cm^-1)가 벽손상대인 SA₁-1 (0.30 cm^-1)보다 낮은 단열밀도를 보였다. F3의 SA₁-4와 5는 주 단층의 벽손상대 영역에 해당하며, 0.22 cm^-1로 유사한 단열밀도 값을 보였다. F4에 속하는 SA₁-6, SA₁-7, SA₁-8은 0.29 cm^-1 이상으로 다른 평탄면에 비해 상대적으로 높은 단열밀도를 보이고 있다.

연결된 노드 수는 전체 평균 159.25개이며, SA₁-3에서 29개로 가장 낮았고, SA₁-7에서 298개로 가장 높은 개수를 보였다(Fig. 6a). SA₁-1은 145개로 SA₁-5 (132개)와 유사하고 SA₁-4 (178개)보다 낮은 값을 보였으나, 같은 평탄면인 SA₁-2 (92개) 지점과 SA₁-3 (29개)에 비해 상대적으로 높은 연결노드 수를 가진다. F4에 해당하는 SA₁-6, SA₁-7, SA₁-8은 모두 높은 연결노드 수를 기록하여, 벽손상대에 비해 말단손상대 영역에서 연결성이 더 발달된 양상을 보였다.

단열밀도와 연결노드 수 사이의 상관관계를 분석한 결과(Fig. 6b), 결정계수 0.83로 상대적으로 높은 상관관계를 보이며, 단열밀도가 증가할수록 단열 간의 연결성 또한 함께 증가하는 경향을 나타낸다.

Fig. 5.

Locations of 1 m diameter circular sample areas (SA₁) along the target fault, including main fault planes and associated damage zones.

Fig. 6.

(a) Scatter plot showing 2D fracture intensity and the number of connected nodes in each sample area. (b) Correlation between 2D fracture intensity and the number of connected nodes, indicating a strong positive relationship (R² = 0.83).

30 cm 규모에서의 단열밀도 분석(Figs. 7, 8, 9)은 전체 평균 0.87 cm^-1이며, SA₃₀-1에서 1.33 cm^-1으로 가장 높은 단열밀도 값을, SA₃₀-5에서 0.44 cm^-1로 가장 낮은 값을 보였다(Fig. 10). F1의 SA₃₀-1은 주 단층의 연결손상대인 SA₃₀-2 (1.08 cm^-1) 및 말단손상대인 SA₃₀-3 (1.18 cm^-1)에 비해 높은 단열밀도를 기록하였으며, 이는 1 m 규모 조사에서의 결과와 유사한 경향성을 나타낸다. 특히 F1 평탄면의 전체 평균 단열밀도는 1.19 cm^-1로, 다른 평탄면들보다 전반적으로 높은 값을 보이는 것이 특징이다. 한편, F3, F4 평탄면의 경우 주 단층의 안행상 Mode-III 말단손상대에 위치한 SA₃₀-9 (0.93 cm^-1)를 제외한 벽손상대(SA₃₀-4, 5, 6)와 Mode-II 말단손상대(SA₃₀-7, 8)는 모두 평균 이하의 단열밀도 값을 보였다.

연결된 노드 수는 전체 평균 200.44개이며, SA₃₀-1에서 483개로 가장 높은 연결노드 값을, SA₃₀-5에서 38개로 가장 낮은 연결노드 값을 보였다(Fig. 10). 연결노드 수 또한 단열밀도와 유사한 분포경향을 보이며, F1의 평균은 355개로 F3 (97.5개), F4 (123개)보다 현저히 높았다.

Fig. 7.

(a) High-resolution drone photograph of the F1 flat surface. (b), (c) Detailed fracture mapping and locations of circular sample areas (diameter = 30 cm). SA₃₀-1, SA₃₀-2, SA₃₀-3 represent the wall damage zone, linking damage zone, and Mode-III tip damage zone.

Fig. 8.

(a) High-resolution drone photograph of the F3 flat surface. (b), (c) Fracture map and locations of circular sample areas (diameter = 30 cm). All sample areas along the F3 fault (SA₃₀-4 and SA₃₀-5) are located within the wall damage zone.

Fig. 9.

(a) High-resolution drone photograph of the F4 fault surface. (b), (c) Fracture map and locations of circular sample areas (diameter = 30 cm). Sample area SA₃₀-6 is located within the wall damage zone; SA₃₀-7 and SA₃₀-8 represent the Mode II tip damage zone; and SA₃₀-9 corresponds to the Mode-III tip damage zone.

Fig. 10.

2D fracture intensity and the number of connected nodes derived from circular sample areas with a diameter of 30 cm. The plot shows variations across all sample areas (SA₃₀-1 to SA₃₀-9).

단열 네트워크의 위상기하적 특성과 단층의 구조적 역할을 정량적으로 평가하기 위해, 이번 연구에서는 주 단층대를 따라 설정된 지름 30 cm 원형조사 영역에 대한 두 가지 구조적 시나리오 모델을 구상하였다(Fig. 11).

시나리오 1은 단순히 주 단층과 부수단열을 제거하는 방식으로, 단층이 존재하지 않는 상태를 가정하되 주변 단열은 그대로 유지하였다. 이는 단층 제거로 인해 단열 간 연결이 단절되었을 경우를 모사하며, 최저 연결성 조건을 가정하는 데 목적이 있다.

시나리오 2는 주 단층과 부수단열을 제거함과 동시에, 원래 주 단층에 접했던 단열들의 방향성을 유지한 채 연장시켜, 주변 단열과의 연결될 수 있도록 구성한 모델이다. 이때, 단열을 접한 방향으로 원래 단열길이만큼 연장시켰으며, 단열이 양쪽방향 모두 접하고 있는 경우 두 방향 모두 기존의 단열길이만큼 연장하였다. 또한 해당 단열이 기존의 단층면을 절단하지 못하였기 때문에 관통력이 낮았을 것으로 추정할 수 있으며, 이에 따라 연장선 상에서 다른 단열과 만나는 경우 Y-노드를 형성하며 종지되는 것으로 처리하였다. 이는 단층이 형성되지 않았을 경우, 단열이 형성될 될 수 있는 최대 연결성 조건을 가정하는 것이다.

시나리오 1과 2에서 도출된 단열밀도를 기존 단열밀도와 비교한 결과, 각 단층손상대 유형별로 구분되는 영역별 경향이 시각적으로 뚜렷하게 나타났다(Fig. 12a and c). 그래프 상의 각 영역의 경계는 해당 손상대 유형 내에서 확인된 최소 및 최대 기울기값의 중간값을 기준으로 설정하였다. 그 결과, 벽손상대는 시나리오 1과 2 모두에서 기존 단열밀도와의 차이가 작아, 기울기 1에 근접한 영역 1에 포함되었다. 연결손상대와 Mode-II 말단손상대는 시나리오 1에서는 기울기 0.80, 시나리오 2에서는 0.79를 기준으로 벽손상대와 구분되어 영역 2에 속한다. 한편 Mode-III 말단손상대는 두 시나리오 모두에서 단열밀도 변화가 상대적으로 크며, 연결손상대 및 Mode-II 손상대와는 각각 기울기 0.70 (시나리오 1), 0.58 (시나리오 2)를 경계로 구분되는 영역 3에 해당하였다.

연결노드 수 변화 또한 단열밀도와 유사한 경향을 보였다(Fig. 12b and d). 두 시나리오 모두에서 벽손상대가 영역 1, 연결손상대 및 Mode-II 말단손상대는 영역 2, Mode-III 말단손상대는 영역 3으로 구분되었다. 영역 1과 영역 2의 경계는 시나리오 1에서 기울기 0.65, 시나리오 2에서는 0.52였으며, 영역 2와 영역 3의 경계는 각각 시나리오 1에서 0.52, 시나리오 2에서는 0.58로 나타났다.

Fig. 11.

Two modeling scenarios applied to the circular sample SA₃₀-8. Scenario 1 represents the minimum connectivity by removing target faults and secondary fractures, and Scenario 2 represents the maximum potential connectivity by extending abutting fractures.

Fig. 12.

Changes in 2D fracture intensity and the number of connections under (a, b) Scenario 1 and (c, d) Scenario 2. Each area in the plots is divided based on the average of the minimum and maximum slope values observed within each damage zone type. In both scenarios, samples from the wall damage zone are located in Area 1, indicating the smallest deviation from the original values. Samples from the linking damage zone and the Mode-II tip damage zone fall into Area 2, showing moderate changes. In contrast, samples from the Mode-III tip damage zone fall into Area 3 and exhibit the greatest changes in both 2D intensity and connectivity.

토 론

단층손상대 유형별 단열밀도 및 연결성

단열밀도와 연결노드 수 사이의 상관관계를 분석한 결과(Fig. 6b), 결정계수 0.83로 높은 상관관계를 보이며, 단열밀도가 증가할수록 단열 간의 연결성 또한 함께 증가하는 경향을 나타낸다.

손상대 유형에 따른 단열특성 차이는 뚜렷하게 나타났다. 1 m 규모 조사구간을 기준으로 할 때, 연결 및 말단손상대의 평균 단열밀도는 0.29 cm^-1로, 벽손상대의 평균값 0.21 cm^-1보다 약 39.6% 높은 수치를 보였으며, 연결된 노드 수 또한 연결 및 말단손상대에서 평균 197.5개로 벽손상대의 평균(121개)보다 약 38.7% 많았다. 30 cm 규모에서 말단손상대의 단열밀도를 Mode-II와 III로 구분한 결과, 벽손상대 SA₃₀의 평균(0.79 cm^-1)이 연결손상대(SA₃₀-2, 1.08 cm^-1), Mode-III 말단손상대 평균(1.06 cm^-1)보다 각각 약 26.6%, 약 24.9%, 낮았다. 반면 Mode-II 말단손상대 평균(0.75 cm^-1)은 벽손상대보다 다소 낮은 수준을 보였다. 연결노드 수는 연결손상대(284개)와 Mode-III 말단손상대 평균(238.5개)이 벽손상대 평균(199.25개)보다 각각 42.5%, 19.7% 더 높은 값을 보였으나, Mode-II 말단손상대 평균은 126개로 벽손상대보다 36.8% 더 낮은 값을 보였다. Mode-II와 Mode-III 말단손상대를 통합하는 경우, 말단손상대의 단열밀도 평균(0.90 cm^-1)은 벽손상대(0.79 cm^-1)보다 높았으나, 연결노드 수 평균(182.25개)은 벽손상대(199.25개)보다 다소 낮았다. 이는 30 cm 규모에서 단열밀도가 증가하더라도 교차 및 분기하는 구조가 충분히 발달하지 않은 경우 연결노드 수가 반드시 증가하지 않을 수 있음을 시사한다(예: Table 3, SA₃₀-7). 평탄면 별로 비교하였을 때, 1 m 규모에서는 F4가 Mode-III 단층손상대를 포함하고 있어 단열밀도 평균(0.32 cm^-1)과 연결노드 수(232.67개)에서 가장 높은 수치를 기록하였다. 반면, F2에서는 배경단열이 적고 단일 전단면으로 구성되어 있어 평균 단열밀도(0.09 cm^-1)와 연결노드 수(29개)가 가장 낮은 값을 보였다. 30 cm 규모에서는 F1에서 가장 높은 단열밀도와 연결노드 개수를 기록하였는데(Fig. 10). SA₃₀-1이 Set 3 단층손상대 영역에 포함되어 있기 때문으로 해석된다. 또한, F3에서는 단열밀도 및 연결노드 개수가 감소하였다가 F4에서 다시 높아지는 경향이 나타났는데, 단열의 밀도와 연결성이 국지적으로 강화된 결과로 해석된다.

이러한 구조적 특성의 차이는 단층의 존재 유무에 따라 단열 네트워크가 어떻게 반응하는지를 평가하기 위한 구조적 시나리오 실험을 통해 더욱 명확히 확인되었다. 시나리오 1 (단층 제거)과 시나리오 2 (단층 제거 및 단열 연장)의 결과에 따르면, 벽손상대는 두 시나리오 모두에서 단열밀도와 연결노드 수 변화가 작아, 구조적으로 안정된 연결성을 유지하였다. 반면 연결손상대와 Mode-II 말단손상대는 시나리오 적용 후에도 비교적 높은 연결성을 보여 구조적 민감도가 벽손상대보다 컸으며, 특히 Mode-III 말단손상대는 두 시나리오 모두에서 가장 큰 변화폭을 나타냈다. 이는 Mode-III 손상대가 단층의 존재에 가장 민감하게 반응한다는 것을 시사하며, 연결구조가 단층에 의해 집중적으로 강화되었음을 의미한다. 이는 단일 전단면으로 구성된 벽손상대에 비해, 말단손상대와 연결손상대는 상대적으로 더 넓은 폭을 가지며 발달하고, 특히 연구 지역에서 Mode-III 말단손상대는 안행상 단열로 발달하고 있어 배경단열과 교차되는 양상을 보이기 때문에 가장 큰 영향을 받았을 것이라고 판단된다. 또한 Mode-II 말단손상대는 30 cm 규모의 절대값 비교에서는 단열밀도와 연결노드 수가 벽손상대에 비해 다소 낮게 나타났으나, 시나리오 적용 시 변화폭이 벽손상대보다 크고 연결손상대와 유사하게 나타나 단층의 영향이 말단부 네트워크에 작용함을 시사한다. 따라서 단층에 의한 단열밀도 및 연결성 재구성은 주로 연결손상대와 말단손상대에서 집중되는 경향을 보이며, 말단손상대 내부에서도 Mode에 따라 그 양상이 달라질 수 있다.

단층 규모에 따른 단열밀도와 연결성 차이

본 연구에서 조사된 단층은 노두 규모로, 단층핵이 명확히 확인되지 않으며 광물이 충진되어 있는 단층면을 보인다. 이러한 단층은 상대적으로 변위 규모가 작지만, 외부 응력이 반복적으로 작용할 경우 재활성화되어 더 큰 규모로 성장할 수 있다. 단층이 성장하면서 주변 암반에 새로운 단열이 발생하고 손상대가 확장되기 때문에, 단층의 발달단계는 단열밀도와 연결성의 공간적 변화와 밀접하게 관련되어 있다. 일반적으로 단층의 길이, 두께, 변위는 서로 양의 상관관계를 가지며, 단층의 규모가 커질수록 더 넓은 손상대와 복잡한 단열망이 형성되는 것으로 알려져 있다(Kim and Sanderson, 2005; Torabi and Berg, 2011).

앞선 단열밀도와 연결성 값을 분석한 결과, 연결손상대와 Mode-III 말단손상대는 벽손상대보다 더 높은 단열밀도와 연결성을 보였다. 이러한 차이는 분절(segment) 간 연결이 활발히 일어나는 부분일수록 응력집중이 커지고 다양한 방향의 부수단열이 형성되었기 때문으로 해석된다. 특히 Mode-III 말단손상대에서는 변위가 0으로 점차 감소함에도 불구하고 인장응력이 집중되어 안행상 단열이 발달하고, 이 단열이 배경단열과 교차하면서 높은 연결성이 형성되었다. 이러한 현상은 단층이 성장하면서 분절 간의 연결이 진행되고, 그 과정에서 응력이 재분배되며 손상대가 확장되는 단층진화 메커니즘을 반영한다.

따라서 본 연구에서 관찰된 단열밀도 및 연결성의 차이는 단층의 진화단계와 응력재분배 양상과 밀접하게 연관된 것으로 판단된다. 단층의 발달이 진행될수록 손상대 내 단열 네트워크는 더욱 복잡해지고, 서로 다른 방향의 단열 세트가 교차하면서 연결성이 강화된다. 이는 기존 연구에서 보고된 단층의 성장과 함께 손상대 폭이 확장되고 단열망의 연결성이 증가한다(Kim et al., 2003; Rotevatn and Bastesen, 2012; Nixon et al., 2020)는 경향성과 일치한다. 또한, 연결손상대와 말단손상대는 이러한 단층성장 과정에서 구조적 불연속성을 흡수하며 새로운 단열 네트워크를 생성하는 구간으로 작용하므로, 유체 유동이 집중되는 주요 통로로 발전할 가능성이 크다.

이격거리 설정에서 단층손상대 구별의 중요성

이러한 단층손상대의 구조적 특성은 처분장 부지선정과 터널공사 시 고려되는 최소 이격거리(respect distance) 설정에도 적용할 수 있다. 스웨덴 방사성폐기물 회사(SKB)에서 정의한 이격거리란, 부지의 구조물에서 광역적 또는 지역적인 단열대와의 최단거리를 의미한다(Munier and Hökmark, 2004). 이때 단열대는 단층핵뿐 아니라 주변 손상대, 절리, 암맥을 포함한다. 단층과 같은 지질학적 불연속면의 주변에서 발생하는 지질현상들(지체구조적 변형, 부수단열 발달, 지진파열 등)은 여러 지질재해를 유발시켜 주요 구조물에 피해를 발생시킬 수 있다. 이에 따라 고준위 방사성폐기물 부지선정, 터널공사와 같은 암반 안정성 평가 분야에서 최소 이격거리를 설정해서 이러한 피해를 줄이려는 노력을 하고 있다. 예를 들어, 방사성폐기물처분장의 지질은 처분기간 동안 방사성 핵종이 생태계로 이동하거나 누출되는 것을 효과적으로 억제할 수 있어야 하며, 따라서 방사성 핵종의 빠른 이동 경로로 작용할 수 있는 단층이나 전단대 등 지질학적 불연속면으로부터 충분한 거리를 확보하는 것이 필수적이다(IAEA, 1994). Andersson et al. (2000)에서는 방사성폐기물처분장 건설 시 광역적인 단열대(regional fracture zone)와는 최소 100 m 이상, 지역적인 주요 단열대(local major fracture zone)와는 최소 수 십 m 이상 거리를 유지하도록 권고하고 있다(Table 4).

본 연구 결과에 다르면, 단층손상대 유형에 따라 단열밀도와 연결성 값은 유의미한 차이를 보였다. Mode-III 말단손상대와 연결손상대는 벽손상대보다 상대적으로 더 높은 밀도와 연결성 평균값을 나타냈으며, 두 가지 시나리오 모두에서 단열 밀도와 연결성 평가에 가장 높은 민감도를 보였다. 따라서 방사성폐기물 처분장 부지 선정 혹은 터널 공사 과정에서는 단층과의 이격거리를 단일 기준으로 설정하기 보다는 단층의 운동감각과 발달 양상에 따른 손상대의 세부 유형을 구분하여 고려할 필요가 있다. 특히, 연결손상대와 말단손상대에 대해 더 넓은 이격거리를 설정함으로써, 단층 주변의 지반 안정성 확보와 유체유동 경로 차단 가능성을 높일 수 있으며, 이러한 결과는 향후 실질적인 이격거리 설계 지침으로 활용될 수 있을 것이다(Jin and Kim, 2021; Hong, 2022).

결 론

(1) 단열밀도와 연결노드 수 사이에 높은 상관성이 나타나(R² = 0.83), 단열밀도가 증가할수록 연결성 또한 함께 증가하는 경향을 보였다. 손상대 유형별 비교 결과, 1 m 규모에서는 연결손상대와 말단손상대의 평균 단열밀도 및 연결성은 벽손상대 보다 높게 나타났다. 반면 30 cm 규모에서는 말단손상대 내부의 mode 차이에 의해 연결노드 수가 달라져, 단열밀도와 연결성의 관계가 동일하게 나타나지 않을 수 있음을 확인하였다.

(2) 단층의 존재 유무에 따른 단열 네트워크의 구조적 반응을 평가하기 위해 두 가지 시나리오를 적용하여 밀도와 연결성을 평가한 결과, 손상대 유형별로 뚜렷한 차이가 나타났다. 벽손상대의 경우, 변화 폭이 작아 구조적으로 안정된 연결성을 유지한 반면, 연결손상대와 Mode-II 말단손상대는 단층제거 후에도 비교적 높은 연결성을 유지하고, 구조적인 면에서 상대적으로 민감하게 반응하였다. 특히, Mode-III 말단손상대는 두 시나리오에서 모두 가장 큰 변화 폭을 보여, 단층 존재에 가장 민감하게 반응하며 단층 주변에서 연결구조가 집중적으로 강화됨을 시사한다.

(3) 본 연구대상 단층은 노두 규모의 주향이동단층으로, 단층핵이 확인되지 않았으나 단층손상대 내부에서 뚜렷한 단열밀도와 연결성 차이가 나타났다. 특히 연결손상대와 말단손상대는 벽손상대에 비해 구조적으로 더 넓은 폭과 높은 연결성을 보여 이로 인해 유체유동의 주요 통로 역할을 수행할 가능성이 크다는 것을 지시한다.

(4) 단층손상대의 구조적 특성은 지하 구조물 설계나 방사성폐기물처분장 부지선정 시에도 활용할 수 있다. 이번 연구의 결과는 단층손상대의 유형에 따라 단열대의 폭, 밀도, 연결성이 상이하므로, 지하 구조물 설계 및 방사성폐기물처분장 선정 시 단층과의 이격거리를 단일 기준으로 설정하는 것은 적절하지 않음을 보여준다. 따라서 단층의 운동감각과 손상대 유형을 고려한 세분화된 이격거리의 평가와 설정이 필요하다.