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(1)지질학회지 제 42 권 제 3 호, p. 383-396, (2006년 9월). 한반도 남부의 중력이상과 화강암의 분포 1,2. 신영홍 1. 2. 한국천문연구원 부산대학교 과학교육연구소. 요 약. 한반도 남부지역에서 관측한 11,248개의 중력 자료를 바탕으로 고도이상, 부우게이상, 지각평형이상도를 작성하고 화강암류의 분포와의 관계를 살펴보았다. 넓은 지역에서 천부의 지질 및 지각구조를 밝히기 위해서 는 지금까지 흔히 사용되어 온 부우게이상도보다는 지각평형이상도가 더 적합하다는 것을 제시한다. 중력이 상은 지표지질에서 드러나지 않는 화강암의 수직적 분포와 양을 보일 수 있다. 화강암의 분포특징은 첫째, 화 강암의 밀도가 주위보다 비교적 낮기 때문에 낮은 중력이상대를 따라서 분포하고 있다는 점이다. 한반도 남부 의 화강암은 백악기에서 고제3기에 관입된 젊은 화강암을 제외하면 주로 남서-북동 방향으로 분포하고 있는 데, 본 연구결과는 지각평형이상도가 이와 잘 일치함을 보여준다. 둘째, 화강암의 수직적인 규모면에서는 연구 지역의 중부와 서부에 대규모로 분포하는 것으로 예상되며, 경기육괴의 동부는 비교적 깊지 않을 것으로 보인 다. 셋째, 지리산 북쪽의 남원에서 덕유산에 이르는 지역의 쥬라기 화강암을 제외하면 영남육괴와 경상분지 및 태백산지역, 소백산지역은 화강암의 분포가 비교적 작은 규모일 것으로 나타나서 백악기 이후의 젊은 화강암 들이 표면의 분포뿐만 아니라 깊이에서도 규모가 작을 것으로 보인다. 넷째, 추가령지구대의 화강암에 대한 중 력역산으로부터 이 지역의 화강암이 깊이 18 km에 이르는 등, 쥬라기의 화강암들은 분포 깊이가 10~20 km 정 도 이를 것으로 추정된다. 주요어: 중력, 고도이상, 부우게이상, 지각평형이상, 화강암 Young Hong Shin, 2006, Gravity anomaly and the distribution of granitoids in the southern part of the Korean Peninsula. Journal of the Geological Society of Korea. v. 42, no. 3, p. 383-396. ABSTRACT: The subsurface distribution of granitoids was investigated in the southern part of the Korean Peninsula according to gravity anomaly calculated from the gravity data at 11,248 points in this region. The isostatic anomaly rather than the Bouguer anomaly was used in this study because the former is found to be more suitable for revealing the shallow subsurface structure and geology of wide areas than the latter. In addition, the gravity anomaly map can uncover the vertical distribution and amount of granitoids that were not exposed in the surface. On the characteristics of granitoids distribution: First, it is found that due to their low density the granitoids are distributed along the low gravity anomalies. Isostatic anomaly map shows the consistent surface distribution patterns of the granitoids, which are aligned along the south-west to the north-east direction in the southern part of the Korean peninsula except the younger ones of Cretaceous to Tertiary. Second, it is also found that a great amount of subsurface granitoids are distributed in the middle and western part of the study area, while those of the eastern part of the Gyeonggi Massif are smaller than the case. Third, the young Cretaceous granitoids are thought to be small in size not only in surface but also in vertical distribution since the low gravity signals are not remarkable along the areas of Gyeongsang Basin, Yeongnam Massif, Taebaeksan and Sobaeksan area except the Jurassic granitoids of Namwon to Dukyusan. Forth, the older granitoids are inferred to extend to depth up to 10-20 km. Our gravity inversion analysis results suggest that the Chugaryeong granites are extended to 18 km thick. Key words: gravity, free-air anomaly, Bouguer anomaly, isostatic anomaly, granite, granotoids (Young Hong Shin, Korea Astronomy and Space Science Institute, Hwaam-dong Yuseong-gu Daejeon 305-348 and Research Institute for Science Education, Pusan National University, Geumjeong-gu Pusan 609-735) ‡. Corresponding author: Tel. +82-42-865-3240, E-mail. [email protected].

(2) 384. 신영홍. 1. 서 론 직접적으로 접근이 불가능하고 가시적인 방법으 로 확인할 수 없는 지하구조에 대한 파악은 주로 지 구물리학적인 방법들을 통하여 추정되고 있다. 매우 다양한 지구물리탐사 방법이 개발되어 활용되고 있 는데, 개별 방법들이 가지고 있는 장단점을 고려하여 탐사목적에 맞는 방법들을 한 가지 이상 선택하여 활 용하고 있다. 거시적인 지각구조를 파악할 때 주로 활용되고 있는 것으로 대규모의 탄성파탐사나 중력 탐사가 있다. 중력탐사를 통한 지하구조 역산은 이론 적으로는 무수히 많은 해(solutions)를 가질 수 있기 때문에 탄성파탐사에 비해 호소력이 떨어지는 것으 로 여겨지지만, 여러 가지 지질 및 지구물리적 자료 와 결합하여 유용한 결론을 만들 수 있는 도구로 활 용되고 있다. 특히 심부에 대한 구조나 광역적인 연 구에 있어서는 적은 비용으로도 우수한 결과를 얻을 수 있고, 중력만의 특성을 활용하여 모호면의 휨/변 형구조 계산(Shin et al., 2006c)이나 지각평형 및 유 효탄성두께(e.g. 신영홍, 2004) 등의 연구에 대한 가 장 유용한 도구가 된다. 최근에는 GRACE위성을 이 용하여 전 지구에 걸친 고해상도의 중력자료가 확보 되었고, 장파장 중력장의 시간변화 관측 자료는 지구 내의 질량 이동/변화에 대한 활발한 연구를 끌어내 고 있다. 이는 지형적 요인 때문에 지구물리탐사가 크게 제약된 지역에 대해서도 지각구조의 계산을 가 능하게 하였고, 티벳 지역 같은 대륙충돌지역의 독특 한 지하구조를 찾을 수도 있게 하였다(Shin et al., 2006b). 우리나라 내륙지역을 대상으로 한 대규모의 굴절 파탐사는 최근에서야 수행되었는데, 김기영 외(2005) 와 Cho et al.(2006)에 의한 한반도 지각의 속도구조 연구가 있다. 이 탐사를 통해서 294 km의 서북서-동 남동 측선과 335 km의 북북서-남남동 측선을 따른 이차원적인 지하구조가 제시되었으며, 이 연구결과 는 향후 우리나라에서 지진파를 이용한 지각구조 연 구의 발전을 위한 중요한 계기가 될 것으로 기대된 다. 한편 한반도의 지진연구를 바탕으로 우리나라의 광역적인 지각구조를 제시한 연구로는 박종찬 외 (2003)와 Chang and Baag (2005)가 있는데, 지진 관 측망을 고려하면 그 해상도는 상당히 부족하다. 중력자료를 통한 지각구조 연구는 Kwon and. Yang(1985), 최광선 외(1993)가 있는데, 우리나라 육 상지역에서 10,000점 이상의 중력자료를 확보하고 지 구물리연구에 활용한 것은 최광선 외(2002)와 Choi et al.(2003) 때부터 비로소 시작되었다. 이 자료는 한반 도 남부의 내륙에 대해서 9 km2 당 1점이라는 비교 적 양호한 양이지만, 각 지체구조구별로도 편차가 심 할 뿐만 아니라 일부 특정 탐사지역에 자료가 집중되 는 문제가 있다(신영홍, 2006). 지표지질과 천부지하 구조 해석을 위해 우리나라 여러 지역에서 중력탐사 가 이루어졌으나, 우리나라의 광역적인 지질이나 지 체구조적 특징을 규명하기 위한 중력학적 연구로는 Choi et al.(1999)에 의해서 수행된 연구가 유일하였 다. 이들의 연구는 부우게이상도에 대한 정성적인 해 석을 바탕으로 각 지질 및 지체구조구별 중력특성과 지진과의 연관성을 제시한 것이다. 신영홍(2006)은 최근에 우리나라 중력자료와 지형자료를 각 지체구 조구별로 구분하여 분석하고 지각평형과 대륙충돌 경계에 대해 논의하였다. 좌용주(2004)는 지각의 부분용융으로 생성되는 화 강암으로부터 지각의 구성과 진화를 살필 수 있다고 하였다. 또 Sagong and Kwon (2005)은 화강암류는 대륙지각의 주된 구성요소로서 이들의 형성과정은 대륙지각의 진화를 이해하는데 중요하며, 판의 수렴 경계가 화성암류 형성에 가장 중요한 장소라고 하였 다. 중력이상과 화강암과의 관계에 대한 연구의 가장 중요한 이점은 지표지질만으로는 파악하기 힘든 화 강암의 깊이 규모를 추정 할 수 있고, 또한 비록 지표 에 드러나지는 않았더라도 숨겨진 위치와 규모를 예 상할 수 있다는 점이다. 따라서 본 연구에서는 우리 나라의 화강암의 분포와 중력이상의 관계를 밝힘으 로써 한반도 지질 및 지체구조에 대한 이해증진에 기 여하고자 한다.. 2. 화강암류의 분포와 지형 및 중력자료 지체구조구의 분류와 현생이언의 화강암 분포도 는 Chough et al.(2000)을 따랐으며, 그림 1에 나타 냈다. 지체구조구는 경상분지(GB), 영남육괴(YM), 옥 천습곡대(OFB), 경기육괴(GM)의 네 지역으로 나누 었다(그림 1). 우리나라 현생이언 화성암은 한반도 남부의 3분의 1에 이르며, 화강암질 암석이 고철질암 보다도 훨씬 넓게 분포한다. 한반도 남부의 화강암은.

(3) 한반도 남부의 중력이상과 화강암의 분포. 385. Fig. 1. Distribution of Phanerozoic granitoids: Tectonic zoning and classification of granoitoids are referred to Chough et al. (2000); IB denotes Imjingang Belt, GB Gyeongsang Basin, YM Yeoungnam Massif, OFB Okcheon Fold Belt, and GM Gyeonggi Massif, respectively; The younger granite, Cretaceous to early Tertiary; The older granite, Permian to Jurassic.. 연대에 있어서 고생대 페름기에서 신생대 3기에 분 포하여 대부분 중생대에 속한다. 이들은 백악기-3기 의 젊은 그룹과 페름기-쥬라기의 늙은 그룹으로 구 성되고, 두 그룹 사이에는 160~100 Ma 정도의 간극 이 있다(Kwon and Sagong, 1998). 한편 최근의 연 구로서 Sagoong and Kwon (2005)은 남한의 중생 대 화성활동을 트라이아스기(248-210 Ma)와 쥬라기. (197-158 Ma) 및 백악기후기-고제3기(110-50 Ma)로 나누고, 쥬라기후기에서 백악기전기까지의 50 Ma의 간극이 있다고 하였다. 늙은 그룹은 경상분지를 제외 한 넓은 지역에 분포하며, NE 혹은 NNE 주향의 저 반으로 나타난다. 이들 중 엽리상 조직을 가지는 것 들은 주로 영남육괴나 옥천대의 전단대에 분포하고 있다. 젊은 그룹은 대부분 경상분지와 옥천대의 중앙.

(4) 386. 신영홍. 부에 나타나는데, 공통적으로 동시대의 화산암과 관 련이 있다(Sagong and Kwon, 2005). 화강암의 분포 연구에 중력이상이 활용될 수 있는 것은 화강암의 밀도가 낮은 편이어서 주위보다 낮은 중력이상을 보여주는데서 시작된다. 신희순과 권광 수(1988)에 의하면 서울, 포천, 강화, 제천, 익산, 문 경, 상주, 거창, 함양 등 전국에 걸쳐 분포하는 화강암 을 대상으로 한 연구에서 총 1,352개 표품의 밀도는 2610± 50 kg/m3 로 계산 되었다. 육상의 지형자료는 미국 NIMA (National Imagery and Mapping Agency)의 DTED (Digital Terrain Elevation Data) 자료 중 3″× 3″ 평균고도 지형자 료를 바탕으로 하였으며, 연구지역 인근의 수심자료. 는 국립해양조사원의 자료를 활용하였다. 이들 자료 들을 토대로 1 km 간격의 지형자료를 만들었고, 지 형기복도를 그림 2에 나타내었다. 본 연구에 사용된 중력 자료는 신영홍(2004)과 Choi et al.(2003)에 의한 자료 중, 백령도와 제주도, 울릉도, 독도 등과 같이 멀리 떨어진 일부 도서 지방 을 제외한 육상중력 자료로 11,248개이다. 중력이상 의 계산은 GRS1980계를 기준계로 설정하여 수행되 었다. 조석보정을 위한 기조력은 Tamura (1982)를 이용하여 계산하였으며, 이때 G-값은 1.18로 하였다. 하루 중 중력계 스프링의 변화 때문에 생기는 영향에 대해서도 선형변화를 한다는 가정 하에 보정이 이루 어졌고, 최종적으로 최소자승법에 기초하여 망조정. Fig. 2. Topography of the study area: we have used the same labels for tectonic zoning as in Fig. 1..

(5) 한반도 남부의 중력이상과 화강암의 분포. 을 수행하여 관측중력을 계산하였다. 고도이상 산출 을 위해 대기질량보정과 고도보정을 하였는데, 고도 보정은 높이의 제곱항까지 고려하여 수행되었다. 이 렇게 계산된 연구지역의 고도이상도를 그림 3에 나 타내었다. 부우게이상을 산출함에 있어 지형보정을 하게 되 는데, 과거 지형도에서 경위도를 독취하였기 때문에 좌표값이 부정확한 1995년 이전 자료에서는 15˝× 15˝지형자료를 이용하였다. 이후 GPS를 이용한 중 력측정방법(최광선 외, 1998)을 통해 얻어진 자료에 대해서는 정밀한 3˝× 3˝지형자료를 이용하여 적 분반경 50 km까지 지형보정이 이루어졌다. 지형의 3 밀도는 2670 kg/m 로 하였다. 이렇게 계산된 부우. 387. 게이상도를 그림 4에 나타내었다. 지역적인 지각평형을 가정하고, 지각의 뿌리(root) 및 반뿌리(anti-root)에 의한 중력효과를 보정하기 위해서 1 km × 1 km 지형자료를 사용하였고, 적분 반경을 100 km 로 하였으며, 적분공식은 Nagy (1966) 의 식을 이용하였다. 지각평형설은 Airy-Heiskanen 의 방식을 채택하였고, 보상면에서의 등질량을 가정 하였으며, 3 차항 이후를 무시한 뿌리 및 반뿌리의 깊이 공식(Heiskanen and Vening Meinesz, 1958)을 이용 3 하였다. 지각의 밀도는 2670 kg/m 로, 해수의 밀도 는 1030 kg/m3 로, 지각과 맨틀의 밀도차는 500 kg/m3 로 두었으며, 표준지각두께(normal crustal thickness)는 30 km 로 두었다. 한편 최광선 외. Fig. 3. Free-air anomaly map: Dots show gravity data distribution and thick lines tectonic zoning..

(6) 388. 신영홍. (2002)는 한반도 남부 일원의 평균지각두께가 30 km 정도라고 하였다. 이렇게 계산된 지각평형이상도는 그림 5에 나타내었다. 본 연구에 표현된 그림들은 횡축 메르카토르법(Transverse Mercator Projection)을 썼 으며, 동경 127도와 북위 38도를 중심으로 하였다.. 3. 지형 및 중력이상도 분석 연구지역의 지형: 그림 2에서 우리나라의 지형은 동해안을 따라 발달한 태백산맥과 옥천대와 영남육 괴를 따라 발달한 소백산맥이 두드러지게 나타나고 있으며, 광주산맥, 차령산맥, 노령산맥 등이 보인다. 이동영(1999)은 산맥들이 한반도의 조구조운동과 이 에 따라 발달한 지질조건과 밀접하게 관련되어 있다 고 하였으며, 지형은 실제로 지체구조의 논의에 있어 서 중요한 자료가 되고 있다. 소백산맥은 우리나라 지질구조의 주된 방향의 하나인 북동 방향을 가지고 있으며, 대륙충돌경계부에서 작용한 압력으로 형성 되었을 가능성을 보여준다. 이는 그림 1에서의 엽리 상 화강암의 분포가 옥천대와 영남육괴를 따라 주로 발달하는 것과도 연관될 수 있을 것이다. 차령산맥과 노령산맥의 형성도 같은 영향을 받았을 것이다. 이동 영(1999)은 광주, 차령, 노령산맥의 형성이 대보조산 운동과 관련한 것이라 하였다. 박수진과 손일(2005) 은 소백산맥이 영남육괴와 옥천대를 나누는 경계가 되며, 대보화강암의 관입과 그에 따른 습곡작용, 그 리고 경상분지의 융기 등의 영향을 동시에 지시해 준 다고 지적하는 한편, 이러한 성인 역시 지체구조구의 경계와 어떠한 인과관계를 가지는지를 명시적으로 설명하기에는 현재로선 한계가 있다고 하였다. 소백산맥이 지체구조구의 경계에서 형성된 것과 는 달리 더 큰 규모로 발달한 태백산맥의 경우, 산맥 이 습곡작용을 적게 받으며 융기하였으며 지체구조 구의 경계와는 상관없이 발달하고 있다. 즉 산맥을 경계로 양쪽의 단층이나 지질구조가 연속되어 나타 나고 있어서 산맥의 생성이 판의 경계부와는 직접적 인 관련이 없었음을 보여준다. 한편 박수진과 손일 (2005)은 한반도의 산맥구조를 형성하는데 가장 결 정적인 역할을 한 것을 동해 형성이라고 하였으며, 이와 관련되어 형성된 융기산맥으로 태백산맥과 낭 림산맥 및 함경산맥을 들었다.. 고도이상: 지형을 가장 잘 표현할 수 있는 중력이 상은 고도이상이다. 높은 곳으로 가면서 지구질량중 심에서 멀어지게 되므로 관측중력은 작아지게 되지 만, 관측지점의 높이 차이에 의한 중력효과를 보정해 준 고도이상의 경우는 측정지점과 지오이드면과의 질량체 때문에 더 커지게 된다. 따라서 고도이상은 높은 지대는 크고 낮은 지대는 작게 나타나기 때문에 지형을 가장 잘 반영하는 중력이상이 되는 것이다. 연구지역의 고도이상도(그림 3)는 태백산맥이나 지 리산지역 등에서 높은 고도이상을 보여주고, 저지대 에 낮은 이상을 보여주기는 하지만, 연구지역 지형 (그림 2)을 제대로 반영하지 못하고 있는 것으로 나 타난다. 가장 큰 원인은 중력측정밀도가 부족하기 때 문이며, 또 하나는 광역이상 때문이다. 연구지역의 중력자료는 총 11,248점에 이르며, 측점 밀도는 평균 2 9.0 km 당 1점에 이르러 측점 밀도가 낮은 것은 아 니나, 지체구조구에 따라서 측점 밀도의 차이가 많이 나서 낮은 곳은 31.8 km2 당 1점에서 높은 곳은 3.1 2 km 당 1점에 이르고 있다(신영홍, 2006). 게다가 그 림 3을 보면, 한 지체구조구 내에서도 중력 자료의 분 포가 고르지 못함을 볼 수 있다. 지형의 높이는 연구 지역 전체 평균이 249.4 m 이며, 중력 자료의 경우는 150.4 m 이다. 이들의 표준편차도 각각 249.5 m 와 170.9 m 이다. 이는 중력 자료의 분포가 높이의 평균 이나 편차 모두에서 실제 지형보다 매우 작게 나타나 고 있어서 전체 지형을 제대로 반영하지 못함을 보여 주는 것이다(신영홍, 2006). 이를 더 자세히 고찰하기 위해서 고도이상과 부우 게이상(그림 4) 및 지각평형이상(그림 5)에 대해서 1 km 간격으로 내삽된 자료들을 만들었고, 이들의 높 이와의 관계를 그림 6에 나타내었다. 또 이들 자료를 원래의 관측된 중력자료와 비교하기 위하여 그림 6 에 같이 도시하였다. 내삽을 통해 얻어진 중력자료는 공간적 분포가 고르게 되는데, 특히 고도가 높은 지 역에 대한 중력자료의 증가가 뚜렷하게 나타난다. 그 러나 그림에서처럼 내삽된 중력이상자료인 경우, 고 도이상은 관측자료를 제대로 반영하지 못함이 여실 히 드러나고 있다. 반면에, 부우게이상이나 특히 지 각평형이상은 서로 간에 비교적 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 또 이들에 대한 선형회귀분석 결과를 표 1 에 나타내었다. 표에서 (1)은 관측한 중력자료 11,248 개를 바탕으로 선형회귀를 한 것이고, (2)는 이를 바.

(7) 389. 한반도 남부의 중력이상과 화강암의 분포. Fig. 4. Bouguer anomaly map: White dots show gravity data distribution. White thick lines denote tectonic zoning and black thin lines distribution of granitoids. Table 1. Linear regression of gravity anomalies with respect to height: Yo means the intercept, R the correlation coefficient, and Yerr the standard error of gravity anomaly; we have compared the observed gravity data (1) with the interpolated grid data (2). Free-air anomaly. Bouguer anomaly. Isostatic anomaly. (1). Slope 0.0593. Y0 15.38. R 0.5526. Yerr 15.28. Slope -0.0459. Y0 16.27. R Yerr -0.4536 15.42. Slope -0.0150. Y0 27.76. R -0.2129. Yerr 11.73. (2). 0.0318. 11.81. 0.4818. 14.18. -0.0244. 9.14. -0.4157 13.09. 0.0026. 18.95. 0.0606. 10.63. 탕으로 연구지역에서 등간격자료로 만들었을 때의 경우로서, 격자의 평균고도가 해면보다 높은 육상지 역만 대상으로 한 자료의 수는 97,262개이다. 전체적 으로 내삽된 자료에서 중력이상의 기울기 절대값이 작아지고 있음을 볼 수 있고, 상관계수를 비롯하여 y. 절편과 표준오차도 같은 경향을 보여주고 있다. 지각 평형이상의 경우는 기울기가 0에 접근하게 되고 상 관계수도 0에 접근하여 지각평형이상-높이 관계가 보다 더 이상적인 상태에 가까워짐을 보이는데, 이는 공간적 분포가 크게 개선되었기 때문이다. 이들 분석.

(8) 390. 신영홍. 을 통해서 부우게이상이나 지각평형이상과는 달리, 고도이상의 내삽을 위해서는 훨씬 더 고밀도의 중력 자료가 필요하다는 것을 확인할 수 있으며, 지각평형 이상의 내삽이 지형의 영향을 가장 적게 받는 것을 확인할 수 있다. 따라서 고도이상의 내삽은 단순한 내삽보다는 지형의 영향을 고려하여 보완해야 할 것 이다. 부우게이상: 부우게이상은 지하 밀도 분포를 반영 하는 중력이상이기 때문에 지하구조의 추정을 위해 서는 보통 이것을 사용하고 있다. 그림 4에 연구지역 의 부우게이상도를 나타내었다. 그림은 비교적 높은 지역에서는 부우게이상이 작고 낮은 지역에서는 높 게 나타나는 경향을 보여주고 있다. 지각평형의 관점 에서 높은 지역일수록 모호면이 깊게 분포할 것이므 로 부우게이상이 작아지게 된다. 부우게이상은 모호 면의 기복에 크게 영향을 받지만, 다른 한편으로 천부 의 밀도불연속면이나 지표지질에도 관련이 크므로 이들을 분리해서 해석하여야 하는 큰 어려움이 있다. Choi et al.(1999)는 한반도 남부에서 약 5,000점의 중력자료로 작성한 부우게이상도를 분석하여 지질 이나 지체구조환경 및 지진과의 관계에 대해 연구하 였다. 이들은 중력이상의 특징을 따라서 경기육괴, 비변성대, 옥천대, 태백산지역, 소백산지역, 경상분 지, 영동-광주저지대 등의 7개의 지역으로 나누었는 데, 지질학적인 지체구조구의 구분과는 많은 차이가 나고 있다. 본 연구에서는 지질이나 지체구조 연구를 위해서 부우게이상보다는 지각평형이상을 활용하기 때문에 기존의 연구들과는 접근 방식도 다르고 결과 도 다르다. 지각평형이상: 지각평형이상을 지표 화강암류의 분포와 함께 그림 5에 나타내었다. 광역적인 측면에 서 경상분지, 영남육괴 및 태백산지역은 높은 중력이 상을 보이고 있으며, 나머지 지역은 낮은 이상을 보 인다. 또 경상분지와 영남육괴의 북부지역을 제외하 면 중력의 저이상대가 화강암의 분포를 따라서 나란 히 북동-남서 방향을 가지고 있음이 잘 관찰된다. 본 연구에서는 천부지질과 중력이상과의 관계를 드러내기 위해서는 부우게이상보다 지각평형이상이 더 유리하다고 제시한다. 이는 천부지각구조를 계산 할 때에 통상적으로 부우게이상에서 장파장 성분의. 광역이상을 뺀 잔류이상을 구하여 이용하는 보편적 인 방식과는 다른 것이다. 이것은 부우게이상의 장파 장은 깊은 곳의 밀도불연속면의 영향을 받은 것이고 단파장은 얕은 곳의 영향을 받은 것이라는 가정이 전 제된 것이다. 그러나 천부구조라 할지라도 장파장을 가질 수 있기 때문에 이러한 가정은 제한될 수밖에 없으며, 일의적인 해석을 만들 수 없는 중력만으로는 이를 구분할 수 있는 뚜렷한 방법은 없다. 그럼에도 불구하고 우리가 알고 있는 지질이나 각종 지구물리 적인 근거들을 통해 더 나은 모델을 추구할 수 있는 데, 본 연구에서는 지각평형의 개념을 광역이상의 제 거에 활용한 것이라 할 수 있다. 이것은 단순히 파장의 긴 정도로 광역이상을 구하는 단순한 방식보다는 지 각평형이라는 지구물리적 지식이 더 활용된 것으로 서, 결과적으로도 지표지질과의 관계가 뚜렷이 개선 되었음을 그림 4와 5의 비교를 통해 확인할 수 있다. 그림 5에서 화강암의 분포 지역은 낮은 중력이상 대에 나타나고 있어서 화강암의 밀도가 주위보다 비 교적 낮음을 보였다. 화강암의 밀도가 비교적 낮다는 점은 잘 알려진 사실이며, 신희순과 권광수(1988)에 의한 우리나라의 화강암 표품 밀도 측정에서도 2610 3 ±50 kg/m 로 나타났다. 한반도 남부의 화강암은 백 악기에서 고제3기에 관입된 젊은 화강암을 제외하면 주로 남서-북동 방향으로 분포하고 있는데, 그림의 지각평형이상도가 이와 잘 일치함을 보였다. 표면의 지질에서 드러나지 않는 깊이 규모를 중력 이상을 통해 추정할 수 있는데, 이를 바탕으로 화강 암은 중부와 서부에 대규모로 깊게 분포하는 것으로 예상되며, 경기육괴의 동부는 비교적 깊지 않을 것으 로 보인다. 동부지역에서도 화강암의 관입과 정치 깊 이가 비슷하였다고 한다면, 이 지역이 융기와 침식을 비교적 더 크게 받았음을 지시하게 된다. 한편 지리 산북쪽으로 남원에서 덕유산에 이르는 지역을 제외 한 영남육괴와 태백산지역 및 소백산지역은 그 분포 가 아주 빈약한 것으로 보인다. 중력이상을 통해서 백악기이후의 젊은 화강암들은 표면의 분포뿐만 아 니라 깊이에서도 규모가 미약한 것으로 나타난다. 조 등룡과 권성택(1994)은 각섬석 지압계를 통해서 불 국사 화강암이 10 km 이내의 천부에서 정치되었고, 반면에 대보화강암이 12~28 km의 깊은 곳에서 정치 되었다고 하였는데, 본 연구의 중력이상을 통해 드러 난 화강암류의 수직규모와도 잘 일치한다..

(9) 한반도 남부의 중력이상과 화강암의 분포. 391. Fig. 5. Isostatic anomaly map and distribution of granitoids: White dots show gravity data distribution. White thick lines denote tectonic zoning and black thin lines distribution of granitoids. From the gravity anomalies, one can deduce the scale of granitoids (e.g. a large scale of granitoids are expected at the areas surrounded by pink dashes and hidden subsurface granitoids at the areas surrounded by white dashes); two-dimensional gravity inversion model along XX' is given in Figure 7.. 화성암이 가장 깊을 것으로 추정되는 지역은 추가 령지구대를 따라 발달한 화강암 지역으로 서울 북쪽 에서 동두천 남쪽과 포천 북동쪽 등지이며, 또 영남 육괴에서 남원, 장수, 덕유산을 잇는 지역이다. 이외 에도 그림 5에서 핑크색의 파선으로 표시된 영역들 은 화강암이 비교적 큰 규모로 분포할 것으로 추정된 다. 한편, 지표 지질에는 화강암의 노두로 드러나지 않았지만, 지표 화강암이 분포하는 인근 지역의 지하 에 화강암이 더 넓게 분포하고 있음을 중력이상을 통 해 추정할 수 있는데, 그림 5에서 흰색 파선으로 표시 한 부분이 이런 경향을 잘 나타내는 곳들이다.. 화강암의 깊이 규모 모델: 화강암의 수직규모를 그림 5의 중력이상도를 통해 대략적으로 추정할 수 있으므로 우리나라의 화강암 연구에 기여할 수 있을 것이다. 본 절에서는 중력이상과 화강암의 수직규모 의 관계를 정량적으로 보이고자 중력역산모델의 예 를 제시하고자 한다. 추가령지구대를 따라 발달한 화 강암 지역을 대상으로 그림 5의 단면선 XX'를 따라 서 이차원적인 지하구조를 계산하였다. 이 지역은 화 강암이 대규모로 분포하는 지역 중의 하나이면서 현 재 중력탐사가 가장 밀도 높게 이루어진 지역이다. 추가령지구대 일원에서 중력자료를 이용한 지하.

(10) 392. 신영홍. Fig. 6. Dependence of free-air anomaly (A), Bouguer anomaly (B), and isostatic anomaly (C) on gravity station height: black dots represent observed data and gray dots interpolated ones; gravity anomalies and height are present in units of mgal and meter, respectively.. 구조 해석은 Lee and Lee (1991)와 박신규 외(2001) 에 의한 것이 있다. Lee and Lee (1991)는 네 개의 단 면선을 따라서 이차원 지하구조를 계산하고, 화강암 이 세 개의 단면선에서 각각 7 km, 5 km, 4.8 km 정 도 깊이로 분포한다고 하였다. 이때 밀도차는 120 kg/m3로 하였다. 박신규 외(2001)는 남서부 추가령 단층대에서 중력탐사를 실시하고 이차원 지하구조 모델을 제시하였다. 중력측점은 두 개의 측선을 따라 각각 61개와 40개였으며, 측선을 따라서 암석밀도측 정도 행하였다. 화강암의 깊이는 각각 약 6.5 km와 3 4.0 km로 나타났다. 화강암의 밀도는 2620 kg/m , 주위 암석의 밀도는 2690 kg/m3를 기본으로 하고, 3 일부 주위 암석에서 2650, 2690, 2760 kg/m 의 밀도. 를 가지는 것으로 가정 하였다. 본 연구에서 설정한 측선은 이보다 약 15 km 정도 북동쪽에 위치한다. 이차원적 해석에 적합하도록 위치를 선정하려면, 측 선과 수직인 방향으로 길게 늘어진 구조를 가져야 하 므로 측선 XX'는 서북서-동남동 방향을 가지도록 하 였다. Parker (1972)는     과     ( 은 x-y 평면에서의 위치)로 둘러싸인 구조에 의한 중력효과 ( )를 다음의 식으로 유도하였다..        ∞. . .             .

(11) 한반도 남부의 중력이상과 화강암의 분포. 여기서  는 만유인력상수이고  는 밀도이다. Shin et al.(2006a)은 위의 식을 역산에 맞게 변형하고 FFT (fast Fourier transform) 알고리즘을 채택하여 효율 적인 중력 순산 및 역산 프로그램을 제시하였다. 본 연구의 중력역산을 위해서는 이들 프로그램을 적용 하였으며, 다층구조에 적용할 수 있도록 프로그램을 부분적으로 수정하여 사용하였다. 화강암의 밀도는 신희순과 권광수(1988)를 따라 2610 kg/m3 로 두고, 3 또 지각의 밀도를 2670 kg/m 로 가정하여 밀도차 3 가 60 kg/m 로 하는 모델을 설정하였다. 필터설계 에는 kp=1 와 w1=0.314 및 w2=0.33로 하였는데, 이 는 19-20 km 이하의 파장을 억제하게 된다 (역산에 대한 자세한 토의는 Shin et al. (2006a) 참고). 지질도 상에서 화강암노두의 경계와 XX'가 만나는 지점은 X로부터 약 11과 28 km 지점인데, 이들 지점에서 각 각 35NW 와 20SE 로 경사면을 따라 화강암과 주위 암석의 경계가 형성된 것으로 가정하였다. 또 중력과 지형의 등격자 자료를 만들 때에는 spline보간법을 이용하였으며, 단면선 XX'의 양 끝단 값이 약 20 km 씩 연장되도록 하였다. 계산된 지하구조를 그림 7(B) 에 나타내었다.. 393. 역산결과를 검증하기 위하여 계산된 지하구조를 바탕으로 중력효과를 다시 계산하고 입력한 관측중 력과 비교하였다. 이러한 순산과정을 위해서는 Shin et al.(2006a)의 순산프로그램을 사용하였는데, Nagy (1966)가 유도한 임의의 직육면체에 의한 중력효과 계산식도 같이 이용하여 재차 검증하였다. 두 가지 순산 프로그램은 거의 같은 결과를 보였으며, 그 중 Shin et al.(2006a)의 순산프로그램에 의한 결과를 그 림 7(A)에 점들로 나타내었다. 계산된 화강암의 깊이는 지하 18 km 까지 이르고 있다. 그림 7(A)를 보면 순산한 중력이상의 변화폭이 관측치보다 작음을 볼 수 있는데, 이는 모델을 부분 적으로 더 수정할 여지가 있음을 의미한다. 이럴 경 우 중심부의 깊이 분포하는 화강암의 심도는 더 깊어 지게 되고 주위의 얇은 화강암은 더 작은 폭을 가지 3 게 될 것이다. 참고로 밀도차가 60 kg/m 인 400 m 두께의 무한평판이 가지는 중력효과가 약 1 mgal 정 도가 된다. Lee and Lee (1991)의 결과 중에서 화강 암의 깊이가 7 km 깊이에 이른 지역의 경우는 밀도 를 본 연구와 같이 둘 경우에 약 2배 정도의 깊이인 14 km 정도가 될 것이다. 또 박신규 외(2001)는 여러. Fig. 7. Two-dimensional gravity inversion model along XX': (A) shows observed gravity (line) and re-computed gravity (dots) from the subsurface granite structure model of (B), which was estimated from the observed gravity of (A). Two inverse triangles of (B) represent boundaries of the granite outcrop on geological map. Topography along XX' is also given in (B)..

(12) 394. 신영홍. 가지 밀도를 가지는 암석들을 가정하였지만, 주된 주 위 암석과 화강암의 밀도차를 70 kg/m3 로 두었으 므로, 이를 본 연구와 비슷한 밀도로 둘 경우 화강암 이 약 6.5 km 깊이까지 이른 지역은 대략 7.6 km 정 도가 될 것이다. 비록 서로간의 탐사측선이 일치하지 도 않고 밀도차도 다르게 가정하였더라도 본 연구의 화강암의 깊이는 상기의 선행연구들보다 상당히 깊 게 나타난 것이다. 또 다른 차이는 선행연구들이 부 우게이상에서 다항식 적합법을 이용하여 광역이상 을 제거하고 잔류이상을 추출하여 지하구조를 계산 하였는데 비해서, 본 연구에서는 앞 절에서 논의한 바처럼 단순히 파장에 따른 분리보다는 지각평형의 개념을 도입하여 장파장 분리에 사용하였다. 결과에 별다른 영향을 미치지는 않았겠지만 계산 방법도 차 이가 있는데, 선행연구들은 각각 Won and Bevis (1987)의 프로그램과 GRAVMAG 프로그램(Pedley, 1991)을 이용하여 순산하는 일종의 시행착오법을 이 용하였고, 본 연구는 상기의 FFT 알고리즘을 활용하 는 역산법을 이용하였다. 그림 5에서 핑크색 파선으로 표시된 지역들은 대 체적으로 화강암이 깊이 분포할 것으로 추측되는데, 본 절의 예를 비추어 볼 때 약 10~20 km 정도의 깊이 를 가지게 될 것이다. 이는 조등룡과 권성택(1994)이 각섬석 지압계를 통해서 불국사 화강암이 10 km 이 내의 천부에서 정치되었고, 반면에 대보화강암이 12~28 km의 깊은 곳에서 정치되었다고 한 부분과도 관련이 있을 것이며, 이후의 풍화작용을 거쳐 그 깊 이가 점차 얕아졌을 것이다.. 4. 결론 및 토의 한반도 남부의 중력자료를 이용하여 여러 가지 중 력이상도를 작성하고, 화강암의 분포와 관련하여 토 의하였다. 연구에 사용된 중력자료는 총 11,248개이 며, GPS를 활용한 중력측정이 본격적으로 이루어진 1997년 이후 그 수가 급격히 늘었다. 측점 밀도는 평 균 9.0 km2 당 1점에 이르는 많은 자료이나 공간적 인 편중이 심하고, 측정 높이는 150.4±170.9 m 로 249.4±249.5 m 를 보이는 지형을 잘 반영하기에는 부족하였다. 그러나 부우게이상은 고도이상에 비해 지형의 영향을 비교적 적게 받으며, 지각평형이상은 고도와의 상관관계가 거의 나타나지 않았다. 연구지. 역에서 심부의 지각구조를 파악하기에는 충분한 중 력자료를 확보하였다고 볼 수 있는 반면에, 천부의 지질분포를 충분히 반영하기 위해서는 아직까지 추 가적으로 많은 중력자료의 확보가 필요할 것으로 보 인다. 중력이상을 이용한 지각구조의 추정은 지형의 영 향을 제거한 이후의 중력이상을 드러내는 부우게이 상을 이용하고 있다. 그러나 본 연구에서는 천부지각 구조를 추정하기 위해서 지각평형이상을 이용할 것 을 제안하였고 또 지표지질과 부합되는 결과를 드러 내었다는 것이 차별화된 특징이 된다. 이는 지하구조 의 계산에 부우게이상을 활용하는 것이 부적절하다 는 것이 아니라, 광역이상을 필터링하는 과정에서 파 장분석이나 이동평균법, 다항식적합법 등의 여러 방 식으로 단순히 장파장을 제거하기보다는 추가적인 지구물리적인 정보, 즉 지각평형설을 가정한 모호면 의 영향을 고려하여 필터를 설계하였다는 의미로 받 아들이는 것이 타당할 것이다. 결과적으로 본연구의 결과는 지각평형이상으로 우리나라 화강암의 분포를 아주 잘 표현할 수 있음을 보였고, 화강암의 지하분포 경향을 파악하는데 기여 할 수 있었다. 낮은 중력이상대가 화강암의 분포와 잘 일치하여 나타나고 있으며, 경상분지를 제외하고 는 주로 남서-북동 방향을 보이고 있다. 그림 5의 중 력이상을 통해서 화강암의 지표에서의 분포 규모뿐 만 아니라 깊이 규모를 파악할 수 있는데, 대규모로 분포하는 지역을 그림에 핑크색 파선으로 표시하였 다. 또한 지표에는 노두로 드러나지 않지만 지하에 분포하고 있을 것으로 추정되는 지역도 중력이상도 를 통해 파악할 수 있다. 백악기이후의 젊은 화강암 은 지표의 분포에서 뿐만 아니라 지하의 분포에서도 빈약함을 보였으며, 쥬라기의 대보 화강암은 지하분 포 규모도 상당히 크고 깊다는 것이 드러났다. 대보 화강암의 지하규모면에서 중부와 서해안을 따라서 는 깊이 분포하고 있지만, 경기육괴의 동부 쪽으로는 상대적으로 얕게 나타난다. 이것은 동해안을 따른 지 각의 융기와 침식이 상대적으로 컸음을 반영하는 것 이다. 추가령 지구대를 따라서 분포하는 화강암의 깊이 규모를 파악하기 위해서 단면선 XX'를 따라 이차원 적 지하구조 역산을 수행하였다. 화강암은 선행연구 들보다 상당히 깊은 약 18 km까지 분포하는 것으로.

(13) 한반도 남부의 중력이상과 화강암의 분포. 계산되었다. 이외에도 구체적인 역산 모델링은 제시 하지 않았지만, 그림 5에서 핑크색으로 표시된 지역 은 화강암이 약 10~20 km에 이를 것으로 추측된다. 이에 비추어 우리나라에 널리 분포하는 대보화강암 들은 침식을 고려할 때에 상당히 깊은 곳에서 정치되 었다는 것을 추측할 수 있다. 본 연구에서는 화강암 의 밀도차를 신희순과 권광수(1988)의 측정결과를 참고해서 60 kg/m3 로 두고 계산 한 것이며, 밀도가 이보다 작으면 화강암의 깊이는 더 깊게 계산될 것이 다. 그림 5의 중력 분포를 살펴보면, 본 연구에서와 같이 중력이상을 통해 화강암을 비롯하여 우리나라 지질구조를 드러내는 작업은 추가적인 중력측정을 통해 향상될 여지가 많이 남아 있음을 알 수 있다.. 사 사 본 논문을 꼼꼼히 검토해 주신 권병두 교수님과 박영록 교수님께 감사드리며, 박사후연수를 지원해 주신 한국천문연구원에 감사드린다.. 참고문헌 김기영, 홍명호, 이정모, 문우일, 박창업, 정희옥, 2005, 대규 모 발파자료 초동주시 역산을 통한 한반도 지각 속도구조 연구. 지구물리, 8(1) 45-48. 박수진, 손일, 2005, 한국산맥론(I): DEM을 이용한 산맥의 확인과 현행 산맥도의 문제점 및 대안모색. 대한지리학 회지, 40(1), 126-152. 박신규, 기정석, 민경덕, 김원균, 2001, 남서부 추가령 단층 대에서의 중력탐사 연구. 대한자원환경지질학회, 한국 자원공학회, 한국지구물리탐사학회, 대한지질학회 2001 년도 춘계 공동학술발표회 논문집, p.160-162. 박종찬, 함인경, 김우한, 최광선, 2003, PmP파의 주행시간 을 이용한 한반도 남부지역의 지각두께 연구. 지질학회 지, 39(2), 225-234. 신영홍, 2004, 동해 울릉분지의 중력이상과 지각구조, 지각 평형 및 유효탄성두께에 대한 종합 분석. 부산대학교 대 학원 이학박사 학위 논문, 179p. 신영홍, 2006, 한반도 남부의 지체구조구별 중력특성 연구. 지질학회지 (in press). 신희순, 권광수, 1988, 국내 화강암의 역학적 성질간의 상관 성. 광산지질, 21(4), 359-365. 이동영, 1999, 한국의 지형 (in:) 대한지질학회편, 한국의 지 질. 시그마프레스, p.14-31. 조등룡, 권성택, 1994, 남한의 중생대 화강암에 대한 각섬석 지압계와 지각 두께의 진화. 지질학회지, 30(1), 41-61.. 395. 좌용주, 2004, 우리나라 중생대 화강암의 근원물질과 동아 시아의 지각진화. 대한지질학회 2004년 추계학술발표 회 초록집, p.5. 최광선, 공영세, 이화경, 1993, 중력자료해석에 의한 한반도 일원의 지각구조. 한국지구과학회지, 14(2), 225-230. 최광선, 김정희, 신영홍, 2002, 한반도 남부 지각평형과 암석 권의 유효탄성두께. 지구물리, 5(4), 293-303. 최광선, 박필호, 신영홍, 1998, GPS를 이용한 중력측정. 한 국지구과학회지, 19(2), 120-126. Chang, S.-J. and Baag, C.-E., 2005, Crustal Structure in Southern Korea from Joint Analysis of Teleseismic Receiver Functions and Surface-Wave Dispersion. Bulletin of the Seismological Society of America, 95(4), 1516-1534. Cho, H.M., Baag, C.E., Lee, J.M., Moon, W.M, Jung, H., Kim, K.Y., and Asudeh, I., 2006, Crustal velocity structure across the southern Korean Peninsula from seismic refraction survey. Geophysical Research Letter, 33, L06307. Choi, K.S., Kumar, G.V.R. and Kim, K.Y., 1999, Qualitative interpretation of Bouguer anomaly in the southern part of the Korean peninsula. Geosciences Journal, 3(1) 49-54. Choi, K.S., Yang, C.S., Shin, Y.H. and Ok, S.S., 2003, On the improvement of precision in gravity surveying and correction, and a dense Bouguer anomaly in and around the Korean Peninsula. The Journal of the Korean Earth Science Society, 24(3), 205-215. Chough, S.K., Kwon, S.T., Ree, J.H. and Choi, D.K., 2000. Tectonic and sedimentary evolution of the Korean peninsula. Earth-Science Reviews, 52, 175-235. Heiskanen, W.A. and Vening Meinesz, F.A., 1958, The Earth and its gravity field, McGraw-Hill Book Co.Inc. Kwon, B.D. and Yang, S.Y., 1985, A Study on the Crustal Structure of the Southern Korean Peninsula through Gravity Analysis. Journal of Korean Institute of Mining and Geology, 18(4), 309-320. Kwon, S.T. and Sagong, H., 1998, Geochemical and Sr-Nd Isotopic Study of Phanerozoic Granites in South Korea: Temporal and Spatial differences, paper presented at SRG/SEG Joint Symposium on Granite Types and Mineralization, Soc. of Resource Geol., Tokyo. Lee, K. and Lee, Y.M, 1991, A gravity study of the Chugaryeong Rift Valley (I). Jour. Geol. Soc. Korean, 27(3), 309-318. Nagy, D., 1966, The gravitational attraction of a right rectangular prism. Geophysics, 31(2), 362-371. Parker, R. L., 1972, The Rapid Calculation of Potential Anomalies. Geophys. J. R. Astr. Soc., 31, 447-455. Pedley, R.C., 1991, GRAVMAG-Interactive 2.5D gravity and magnetic modeling program-User manual. British.

(14) 396. 신영홍. Geological Survey. Sagong, H. and Kwon, S.T., 2005, Mesozoic episodic magmatism in South Korea and its tectonic implication. Tectonics, 24, TC5002, doi:10.1029/2004TC001720. Shin, Y.H, Choi, K.S., and Xu, H., 2006a, Three-dimensional forward and inverse models for gravity fields based on the Fast Fourier Transform. Computers & Geosciences, 32, 727-738. Shin, Y.H., Xu, H., Braitenberg, C., Fang, J. & Wang, Y., 2006b, Moho undulations beneath Tibet from GRACEintegrated gravity signal. Geophy. J. Int., in review Shin, Y.H., Xu, H., Park, P.H., Park, J.U., 2006c, Folding of Moho and GPS survey in Tibet. Proceedings of 3rd IAG Symposium on Geodesy for Geotechincal and. Structural Engineering & 12th FIG Symposium on Deformation Measurement, Baden, Austria. Tamura, Y., 1982, A computer program for calculating the tide generating force. The publications of the international latitude observatory of Mizusawa, 16, 1-19. Won, I.J. and Bevis, M., 1987, Computing the gravitational and magnetic anomalies due to a polygon: Algorithms and Fortran subroutines, Geophysics, 52, 232-238.. ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 투 고 일 : 2006년 6월 27일 심 사 일 : 2006년 7월 13일 심사완료일 : 2006년 9월 4일.

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