월성지역 단층대에서 응력 변형사 및 단층 형태 예측
강성승1)* ․ 윤건신2)․ 김영석3)․ 김정빈4)
Estimation of Stress Deformation History and Fault Types in Fault Zone, Weolseong Area
Seong-Seung Kang
*, Kern-Shin Yoon, Young-Seog Kim and Cheong-Bin Kim
Abstract :This study is focused on defining the stress deformation history and the capable fault type under the stress state in a fault zone, Weolseong area, using calcite twin, healed microcrack, hydraulic fracturing test. From the average twin strain, thickness and intensity, and the appearance of twins, it is estimated that calcite twins were produced under temperatures approximately lower than 70℃. The maximum shortening axis obtained from twins in calcite veins was oriented in NNE-SSW, and the fault type estimated from the stress states of calcite twins is a normal fault. The maximum horizontal stress determined from healed microcracks in quartz was dominantly oriented in NE-SW. Comparing the results of paleostress from calcite twins and healed microcracks and those obtained from previous studies, it is suggested that paleostress was applied to NNE-SSW or NE-SW direction in the late Oligocene to the early Miocene. In addition, the magnitudes of vertical, maximum and minimum horizontal stresses calculated by a hydraulic fracturing test were σv= 1.121 MPa, σh= 2.800 MPa, σH= 3.187 MPa, respectively. It means that these stress states are related with a thrust fault. The calculated average stress ration (Kave) is 2.670, the tensile strength (σT) is 4.267 MPa, and the maximum horizontal stress was oriented in 163.5° (NNW-SSE) from the true north.
Considering the directions of stress fields obtained from above three methods, it is suggested that the state of stress in the study area might be changed from NNE-SSW or NE-SW in the past to NNW-SSE in the present.
Key words :Calcite twin, Healed microcrack, Hydraulic fracturing test, Stress deformation history, Stress state 요 약: 본 연구는 단층대가 관찰되는 월성지역에 대해 방해석 쌍정 아문미세균열 수압파쇄시험 등을 이용하여, ,
연구지역에 대한 응력의 변형사와 응력상태하에서 발달 가능한 단층의 형태를 규정하는데 중점을 두었다 쌍정의.
평균 변형률 두께 치밀도와 쌍정의 형태로부터 연구지역에서 쌍정의 생성 온도를 추정해 보면 약, , 70 ℃이하였 다 방해석 맥내의 쌍정으로부터 얻은 최대수축 방향은. NNE-SSW이며 이때 작용한 응력장으로부터 발생될 단층,
의 형태는 정단층일 것으로 판단된다 그리고 석영내의 아문미세균열로부터 결정한 최대수평응력은 뚜렷한.
방향을 가리켰다 기존의 고응력장과 이 연구의 결과를 비교해 볼 때 연구지역에는 제 기 올리고세 후기
NE-SW . , 3
부터 마이오세 초기 동안NNE-SSW나NE-SW방향의 고응력장이 작용했음을 시사한다 수압파쇄시험에 의해. 산정한 수직 최소 및 최대수평응력의 크기는, σv= 1.121 MPa, σh= 2.800 MPa, σH=3.187 MPa으로 나타났으며,
이들 응력상태는 스러스트단층을 발생시키는 응력상태와 관련됨을 의미한다 수압파쇄에 의한 평균측압계수.
(Kave)는2.670,인장강도(σT)는4.267 MPa이며 최대수평응력의 방향은 진북을 기준으로, 163.5°(NNW-SSE)로 나타 났다 이상의 세 방법으로부터 얻어진 응력장의 방향을 고려해 볼 때 연구지역의 응력상태는 과거의. , NNE-SSW나
방향에서 현재의 방향으로 변화하였음을 지시한다
NE-SW NNW-SSE .
주요어:방해석 쌍정 아문미세균열 수압파쇄시험 응력변형사 응력상태, , , ,
년 월 일 접수 년 월 일 채택
2006 12 28 , 2007 1 30
순천대학교 기초과학연구소 1)
주 특수건설 기술연구소 2) ( )
부경대학교 환경지질과학과 3)
순천대학교 과학교육과 4)
*Corresponding Author(강성승) E-mail; [email protected]
Address; Research Insititute of Basic Sciences, Sunchon National University, 315 Maegok, Suncheon, Jeonnam 540-742, Korea 연구논문
서 론
암반에 대한 응력의 정성적 평가는 지질공학적 또는 암반공학적인 측면을 고려해 볼 때 한계성이 있다 예를. 들면 중요 기간산업 구조물의 입지선정 설계 시공 보, , , , 존단계까지 일련의 과정을 수행할 때 정성적인 평가방법 만으로는 불충분하다 이러한 문제를 효율적으로 보완하. 기 위해선 정성적 및 정량적인 평가방법도 함께 고려되 어져야 한다 응력의 정량적 평가방법은 크게 고응력장. 과 현재응력장으로 나누어 볼 수 있다 고응력장 평가방. 법들로는 방해석내의 쌍정을 이용하는 방해석 변형률 측 정법 석영내의 아문미세균열을 이용하는 아문미세균열, 측정법 그리고 노두면상에 발달해 있는 단층을 측정하, 는 단층구조 분석법 등을 예로 들 수 있다 현재응력장을. 평가하기 위한 방법들로는 수압파쇄법과 응력해방법 등 이 널리 이용되고 있다 대상지역에 대한 응력장의 변형. 사를 살펴보기 위해서는 과거에서 현재까지의 응력상태 를 파악하는 것이 필요하다 방해석과 석영내에 발달해. 있는 쌍정과 아문미세균열의 방향성은 이들을 생성시킬 당시에 작용한 과거의 응력상태 현지 암반의 수직 시추, 공을 이용한 수압파쇄시험 결과는 현재 암반에 작용하고 있는 현재의 응력상태를 나타내는데 유용하다 본 연구. 에서는 이상의 세 가지 방법을 이용하여 과거에서 현재 까지의 응력상태를 살펴보고자 한다 각각의 방법에 대. 하여 간단히 기술하면 다음과 같다.
첫째 결정질 석회암에서 흔하게 관찰되는 방해석 쌍정, 은 약10 MPa이상의 매우 낮은 차응력(differential stress) 하에서 역학적 변형에 의하여 생성된다(Turner 1953; Tullis, 이때 생성되는 방해석 쌍정은 원자나 이온의 상대 1980).
적 변위를 유발하는 입자내 이동의 결과로 방해석 자체 와는 다른 결정축을 가지게 되므로 현미경하에서 소광축 이 다르게 되어 쉽게 판별된다 쌍정이 만들어지면서 발. 생하는 변형률은 부피의 변화가 없는 단순전단변형으로 크기가 같은 압축응력과 인장응력이 직각으로 작용한다.
는 각각의 쌍정면에서 압축응력 및 인장응 Turner(1953)
력의 방향을 계산한 후 압축응력 및 인장응력의 방향을 평사투영하여 최적의 방향을 계산하는Turner Dynamic 법을 개발하였으며 이 방법은 고응력장 연구에
Analysis ,
많이 이용되었다(Freedman and Conger, 1964; Rowe and 은 텐서를 이용한
Rutter, 1990). Spang(1972) Numerical 법으로부터 주응력의 상대적인 크기와 Dynamic Analysis
방향을 결정하였고, Groshong(1972)은 쌍정의 두께 개수, 를 이용하여 주변형률의 크기와 방향을 계산해내는Strain
를 개발하였다
Gauge Technique . Evans and Groshong 은 주응력 및 주변형률의 크기와 방향은 물론 쌍 (1994)
정의 평균 두께 쌍정의 치밀도 쌍정의 변형률 등을 계, , 산해내는 방해석 변형률 측정법(Calcite Strain Gauge,
을 개발하였다
CSG) . Groshong et al.(1984)은 스위스 동 부의Helvetic thrust belt 내에서 대규모 습곡과 트러스 트의 역학적 상호관계를 밝히기 위해서 방해석 쌍정을 이용하였다. González-Casado and García-Cuevas(1999) 는 방해석 맥내에 쌍정을 측정하여Iberian Peninsula동 부에 위치한Iberian Chain서부의 변형사를 보고하였다. 은 대만의 에서 방해석 쌍정을 Lacombe(2001) Foothills
이용한 지구조적 해석으로부터Mountain belts의 발달과 연관된 고응력의 크기를 보고하였다 방해석 쌍정을 측정. 하여 구한 응력의 상태로부터 단층의 형태를 추정할 수 있다(Turner, 1953; Groshong, et al., 1984; Spang, 1972;
Schmid et al., 1987; Rowe and Rutter, 1990; Burkhard, 1993; Evans and Groshong, 1994; Ferrill, 1998; Kang et al., 2002).
둘째 결정질 암석 내에서 흔하게 관찰되는 미세균열, 은 응력 열 충격 등의 다양한 원인에 의하여 생성된다, , 특히 화강암 내에는 주구성광물인 석영
(Kranz, 1983). ,
장석 운모의 탄성계수 차이 및 열팽창 이방성으로 인하, 여 많은 미세균열이 발달한다 일반적으로 미세균열은 작. 용한 응력이 암석이나 입자의 강도보다 클 때 생성된다.
따라서 미세균열의 자세한 연구는 미세균열의 생성 당시 에 작용한 응력장의 규명에 유용한 수단이 될 수 있다.
미세균열은 크게 열린 미세균열(open microcrack)과 아 문미세균열(healed microcrack)로 나눌 수 있다 화강암. 내의 석영이나 장석 입자에서 이차적인 유체포유물로 이 루어진 면으로 관찰되는 아문미세균열은 대부분이 인장 응력에 의한 형태이며 거의 수직의 경사를 보인다(Pêcher et al., 1985; Kowallis et al., 1987; Jang et al., 1989).
아문미세균열의 방향성은 생성 당시에 작용한 최대주응 력의 방향과 일치하며 이러한 특성은 고응력장의 연구, 에 많이 이용되었다(Pêcher et al., 1985; Kowallis et al., 1987; Ren et al., 1989; Jang, 1991, 1992;장보안과 김정 애, 1996). Pêcher et al.(1985)과Lespinasse and Pêcher
에 의하면 프랑스 서부 에 분포하
(1986) , Massif Central
는 화강암 내의 아문미세균열들은 암체가 고결된 후 그 지역에 발생한 번의 변형 작용의 결과로 생성되었고3 , 아문미세균열의 방향은 생성 당시에 작용한 최대주응력 의 방향과 일치함을 발표하였다. Kowallis et al.(1987) 과Jang et al.(1989)은 미국 중부의 선캠브리아기의 화 강암 내의 아문미세균열은 암체가 초기 냉각될 때 생성 되었으며 그 당시의 고응력장이 현재의 응력장과, 90o 차이가 남을 발표하였다.
이와 함께 수압파쇄법은 시추공내의 일정구간을 팽창
성 팩커로 밀폐한 뒤 이 구간내에 수압을 가하여 공벽을 인장파괴시킨 후 가압과 중지의 과정을 반복하여 발생된 균열의 열림과 닫힘에 따른 압력변화 양상을 측정하여 결 정된 압력변수들과 탄성이론에 근거하여 초기지압 성분 을 산정하는 방법이다(Haimson, 1977; Brown and Hoek, 1978; Pine and Kwakwa, 1989; Enever et al., 1992;
이 방법으로부터 현지 Amadei and Stephansson, 1997).
암반에 작용하고 있는 응력상태를 산정할 수 있으며 응, 력의 작용방향은 발생된 파쇄균열의 형태와 발생방향 으로부터 알 수 있다. Hayashi and Ito(1993)는 일본의 광산에 작용하고 있는 응력상태를 수압파쇄시 Kamaishi
험을 실시하여 평가하여 최대압축응력이 일본 북부의 응 력상태와 일치함을 보고하였다. Lund and Zoback(1999) 은 스웨덴 중부Siljan지역에 위치한6.5 km의 심부 시추 공에 수압파쇄시험을 수행하여 현재응력장의 방향과 크 기를 구하였고 그 지역의 응력상태가 주향이동단층과 일 치함을 밝혔다. Haimson et al.(2003)은 남한의 서부와 남 부지역의 응력장을 조사하여 이 지역의 최대수평응력 방 향이Amurian plate의 지구조 운동방향 발생지진, 의 진원 기작(forcal mechanism)분석 그리고, borehole breakout 의 방향 등과 일치함을 밝혔다 최성웅 외. (2005)는 수압 파쇄시험으로 양산단층대 주변의 현지 암반응력 분포특 성을 살펴본 결과 이 지역에서의 최대수평주응력 방향이 단층면의 방향과 유사함을 규명하였다.
응력의 상태로부터 단층의 형태를 추정할 수 있는 다 양한 연구들이 보고되었는데(Anderson, 1951; Rummel, 1986; Herget, 1993; Amadei and Stephansson, 1997),
은 그 한 예를 보여준다 정단층
Fig. 1 (Anderson, 1951).
은 최대주응력의 방향이 수직
(normal fault) (σv= σ1)이 고 중간 및 최소주응력의 방향이 수평, (σH= σ2, σh= σ3) 일 때 발생한다 반면 스러스트단층. (thrust fault)의 경우, 최대 및 중간주응력의 방향은 수평(σH= σ1, σh= σ2)이고 최소주응력의 방향이 수직(σv= σ3) 일 때 발생한다 주. 향이동단층(strike-slip fault)은 최대 및 최소주응력의
방향이 수평(σH= σ1, σh= σ3)이고 중간주응력의 방향이, 수직(σv= σ2)일 때 발생한다.
연구지역은 월성지역 주변을 경계로 반경 수km이내 에서는 수 개의 제 기 단층 읍천단층 수렴단층 그리고4 ( , ), 반경 수십km이내에서는 크고 작은 규모의 단층 왕산단( 층 유계단층 벽계단층 마동단층 등 들이 관찰된다 단, , , ) . 층의 발생은 응력의 크기와 방향에 밀접한 관계가 있으므 로 연구지역 주위에 발달해 있는 단층의 형태와 특성을 살펴보는 것이 중요하다 이 연구의 목적은 방해석 변형. 률 측정법 아문미세균열 측정법 그리고 수압파쇄법 등을, 이용하여 단층대가 관찰되는 연구지역에 대한 응력상태 를 정량적으로 평가하고 응력의 변형사와 응력상태하에 서 발달 가능한 단층의 형태 및 특성을 파악하는데 있다.
연구지역 지질
연구지역은Fig. 2에 나타낸 바와 같이 백악기의 퇴적 암층을 기반암으로 이들을 관입한 제 기의 화강암류와3 관입암류, Dacite로 분류된 장석반암과 규장암으로 이루 어져 있으며 국부적으로 제 기의 응회질 사암과 해안단, 3 구 퇴적층이 노출 되어있다 김동학 외( , 1998).연구지역 이 포함되는 양산 울산단층대의 경우 비교적 젊은 퇴적- 층과 구조들이 잘 발달해 있다 김영석 외. (2002)의 항공 사진분석에 의한 연구지역의 선형구조들의 방향성을 살 펴보면 주로N-S, NNE-SSW그리고NE-SW 등의 방향 성이 우세하게 나타나며, ENE-WSW, NW-SE그리고 방향성등도 함께 관찰된다 이러한 방향성
WNW-ESE .
을 나타내는 구조들은 이 지역의 기반암인 백악기 퇴적 암을 최기저로 여러 암석들의 층서를 고려해 볼 때 백악, 기 이후의 구조운동과 연관된 지구조적 진화와 관련되는 것으로 보고되었다 또한 연구지역에서 관찰되는 절리. , 들의 주방향성은WNW-ESE와ENE-WSW방향이 가장 우세하게 나타난다 이러한 변형사에 근거하여 이 지역. 에서의 단층형태 및 특성을 추정해 보면 연구지역에서,
Fig. 1. Types of fault under σv, σH, σh. Normal fault: σv> σH> σh, thrust fault: σH> σh> σv, strike-slip fault: σH> σv> σh.
는NE-SW방향의 최대주응력에 의한 우수향 주향이동 단층이 우세했던 것으로 해석할 수 있다.
시료채취 및 시험 위치
고응력장을 측정하기 위하여 월성지역 주변에 분포하 는 석회암과 화강암 지역을 조사하였다 그 결과 연구지. , 역내에는 석회암 대신 소규모의 방해석 맥들이 관찰되었 으며 화강암은 전체적으로 잘 분포하였다 방해석 맥은. 읍천단층으로부터 가까운 거리에 있는 수렴리의 수렴단 층 진입로변 서측 사면노두에서 제 기 화산암류내에 세3 맥상으로 거의 수직하거나 수평하게 발달하고 있었으며, 이곳에서 개의 시료2 (C-1, C-2)를 채취하였다(Fig. 2와 화강암은 읍천단층 주변으로부터 가까운 곳 Fig. 3(a)).
인 해안선을 따라 신선한 암반노두가 잘 관찰되었으며,
개 의 시료를 채취하였다
5 (G-1, G-2, G-3, G-4, G-5) (Fig.
과 시료는 노두에서 채취하기 전에 편평하고 2 Fig. 3(b)).
평행하지 않는 두 면의 주향과 경사를 측정하여 시료의 방향을 노두에서와 같이 유지하는 정향시료법(oriented sampling method)을 이용하였다 또한 현재응력장을. , 측정하기 위하여 기존의 시추주상도를 참고하여 연구지
역 부근에 네 곳의 수압파쇄시험용 시추공(HF-1, HF-2, 을 천공하였다 수압파쇄시험이 가능한 시 HF-3, HF-4) .
추공을 선정하기 위하여 시추코아를 비교 관찰한 결과, 세 곳의 시추공의 경우 이미 존재하고 있는 균열이 심하 여 수압파쇄시험용 시추공으로는 부적합한 것으로 판명 되었다 다만. , HF-1(N35o43'19.2''/E129o28'58.8'') 한 곳 의 시추공에서는 기존균열이 존재하지 않는 최소70 cm 이상의 견고한 구간이 관찰되어 수압파쇄시험이 가능하 다고 판단되었다(Fig. 2).
쌍정 및 아문미세균열 관찰용 박편제작
방해석 쌍정과 석영의 아문미세균열을 측정하기 위하 여 쌍정 관찰용 박편 개 아문미세균열 관찰용 박편 개4 , 5 등 총11개의 특수박편을 각각 제작하였다 방해석 쌍정. 관찰용 박편(Kang et al. 2002)의 경우는 남북방향에 평 행하면서 수평한 박편 개와 동서방향에 평행하면서 수1 직한 방향의 박편 개를 각각 제작하였다 아문미세균열1 . 관찰용 박편 장보안과 김정애( , 1996)의 경우는 남북방향 에 평행하면서 수평한 방향의 박편을 개씩 개를 제작1 5 하였으나 개의 시료에서는 아문미세균열이 관찰되지 않2 았다 박편의 두께는 쌍정을 용이하게 측정하기 위하여. 일반 박편보다 얇은 두께인5 mμ 로 제작하였다 제작된. 각각의 박편들은15 m, 9 m, 1 mμ μ μ 등의 다이아몬드
Fig. 2. Geological map of study area, and sampling and hydraulic fracturing test locations. Calcite veins: C-1, C-2, healed microcracks: G-1, G-2, G-3, G-4, G-5, hydraulic fracturing: HF-1, HF-2, HF-3, HF-4. C: Cretaceous, T:
Tertiary, Q: Quaternary.
Fig. 3. Oriented samples for calcite veins and granitic rocks, and latitude and longitude of samples.
연마제를 이용하여 박편의 표면을 깨끗하게 연마하였다.
고응력장 측정 결과
축 만능재물대가 장착된 광학용 암석 편광현미경을 4
이용하여 방해석 쌍정과 아문미세균열을 측정하였다 측. 정된 방해석 쌍정의 자료처리는 포트란언어로 작성된 방해석 변형률 계산 NCSG(New Calcite Strain Gauge)
프로그램을 이용하였다 방해석 쌍정과 아문미세균열의. 측정 결과를 정리하면 Table 1과 같다.
방해석 쌍정
방해석 맥내의 쌍정을 관찰한 결과 쌍정의 형태는 주, 로 한 방향을 갖는 직선형의 얇거나 두꺼운 쌍정이 우세 하게 나타난 반면 두 방향의 쌍정은 적게 나타났다, (Fig.
이것은 쌍정이 이하의 높지 않은 온도 환 4(a)). 150 ℃
경에서 생성되었음을 지시한다(Burkhard, 1993).쌍정의 변형률은 약190℃까지는10%이하로 거의 변화가 없 다가 그 이상의 온도에서는10%이상의 값을 보이고 쌍, 정의 치밀도는150 ℃이하에서는 분산된 형태를 보이나 그 이상의 온도에서는50 twin/mm 이하의 값을 보이는
Table 1. Results of calculated calcite twins and healed microcracks. tave is average twin thickness. ρave is average twin intensity. is total twin strain by twinning and J2 is calculated from the three principal strains, namely, J2 is = -(e1e3+e3e1+e1e2). e1, e2and e3are percent elongations and orientations of principal strain axes are given as trend/plunge of their axes
Calcite twins
No. tave
( m)μ
ave ρ
(twins/mm)
Strain elongation (%) Orientation of principal strain
e1 e2 e3
60 0.51 9.97 0.285 0.192
316°/22°
0.135 61°/33°
-0.328 199°/49°
Healed microcracks
Orientation of maximum horizontal principal stress
G-1 G-3 G-4
N60°E N60°E N55°E
Fig. 4. Results of observed and measured calcite twins. (a) Microphotographs of veins, which contains twinned calcite grains, (b) orientations of principal strains, compression axes and extension axes.
것으로 보고하였다(Ferrill, 1991). 평균 쌍정의 두께는
이하에서는 이하 사이에
150℃ 1 mμ , 150℃∼190℃ 서 는1 m 3 m,μ ∼ μ 그리고200℃이상에서는3 mμ 이상의 값을 보여 방해석 쌍정이 온도와 밀접한 관계가 있음을 보였다 본 연구지역에서 관찰되는 방해석 쌍정의 평균. 변형률은0.285 m,μ 두께는0.51 m,μ 그리고 치밀도는
등으로 기존의 연구결과들
9.97 twins/mm (Ferrill, 1991;
장보안과 강성승, 1998)과 비교해 볼 때 매우 낮은 값을 나타냈다 이상의 결과들을 고려하면 이 지역의 방해석. , 쌍정은 약70 ℃이하의 온도에서 생성되었을 것으로 판 단된다 쌍정의 생성 온도를 이용하여 정상적인 지온증온. 율인30℃/km를 가정하여 심도를 추정해 볼 때 쌍정은, 약2.3 km보다 얕은 심도에서 생성되었음을 지시한다.
주변형률 및 압축응력과 인장응력 방향을 등면적 하반 구 투영법을 이용하여Fig. 4(b)에 도시하였다 최대수축. 변형률(e3⇔ σ1)은NNE-SSW, 최대인장변형률(e1⇔ σ3) 은NW-SE 방향으로 작용했음을 지시하며 이들 방향은, 압축 및 인장응력 방향과 대체적으로 잘 일치하였다 응. 력상태로부터 단층 형태를 추정해 보면 최대수축방향이, 거의 수직이고 중간응력방향(e2⇔ σ2)과 최대인장방향이 약간의 수평경사를 나타내는 정단층의 양상을 보인다.
아문미세균열
화강암의 석영 입자내에서 관찰된 아문미세균열의 발 달 형태를 관찰한 결과 한 방향의 아문미세균열이 우세 하게 발달하고 있음을 알 수 있다(Fig. 5(a)). 각 시료에 서 측정된 아문미세균열의 방향을10°간격의 백분율 로 즈다이어그램으로 나타내면Fig. 5(b)와 같다 그림에서. 알 수 있듯이G-1과G-3의 주방향성은N60°E, 그리고
는 의 주방향성을 보여 연구지역에는 주로
G-4 N55°E ,
방향의 최대수평응력이 작용했을 것으로 판단 NE-SW
된다.
수압파쇄시험 결과
연구지역의 현재응력장을 알아보기 위하여 수압파쇄 시험을 이용한 응력의 크기와 방향을 측정하였다 수압. 파쇄시험은“ISRM Suggested Methods for Rock Stress 의 시험 과정 및 Estimation(Haimson and Cornet, 2003)”
분석 방법에 준하여 실시하였다 응력측정을 위한 현장시. 험은 시추코아 분석을 통하여 시험구간을 선정하고 심도 별 수압파쇄시험을 실시하여 응력의 크기를 측정하였다. 응력 방향은 수압파쇄의 균열된 부분에 임프레션 팩커 를 사용하여 측정하였고 측정된 결과 (Impresson Packer) ,
해석은 미국Hydrofrac Company software를 사용하여 이중선형 압력감쇄 속도법(Bilinear pressure-decay-rate
을 이용하여 균열폐쇄압력
method) (Shut-in pressure, Ps) 을 산정하였다 또한 최대수평주응력은 압력 시간 곡선에. - 서 중첩을 이용한 균열재개방압력(Reopening pressure, Pr)을 산정하여 산출하였다(Lee and Haimson, 1989).
수압파쇄시험은 직경이70 mm이고 심도가44.0 m인 수직시추공 중20.7 m, 39.8 m그리고42.3 m등 세 지 점에서 수행되었지만42.3 m 지점을 제외한 두 지점의 시험 결과는 기존에 발달하고 있는 균열대의 영향으로 정확한 자료를 얻는 것이 불가능 하였다. Fig. 6은 시추 공 심도42.3 m에서 실시한 수압파쇄시험 결과를 보여 주며 각 매개변수들과 이들로부터 계산한 주응력 및 측, 압계수의 값을 정리하면Table 2와 같다 여기서 수직응. ,
Fig. 5. Results of observed and measured healed microcracks. (a) Microphotographs of healed microcracks in samples G-1, G-3, and G-4, (b) orientations of maximum horizontal principal stresses.
Breakdown Pressure (PC) Reopening Pressure (Pr2)
Reopening Pressure (Pr3) Reopening Pressure (Pr4)
Shut-in Pressure (Ps2) Shut-in Pressure (Ps3)
Shut-in Pressure (Ps4)
Fig. 6. Results of hydraulic fracturing test at a depth of 42.3 m.
력 σv는 상재하중 단위밀도( : 0.0265 MPa/m)으로부터 추 정한 값이며 시험에 의해 계산된 각 방향의 주응력 크기 는 아래와 같다.
σv= 0.0265 MPa/m × 42.3 m = 1.121 MPa σh= Ps= 2.80 MPa
σH= 3σr- Pr= 3.187 MPa
각 주응력은 σH> σh> σv의 관계로써 스러스트단층을 발 생시키는 응력상태와 관련된다(Amadei and Stephansson,
수직응력과 수평응력의 비인 측압계수
1997). (K 와 인장)
강도(σT)는 아래와 같다.
Kmin= σh/σv= 2.498, Kmax= σH/σv= 2.843, 2.497 < K < 2.843(Kave= 2.670)
σT= Pc- Pr= 4.267 MPa
수압파쇄시험에 의한 임프레션 패커 시험으로부터 살펴 본 균열의 방향 및 경사를Fig. 7에 나타냈다 그림에서. 와 같이 파쇄 균열은 경사와 수직이며 파쇄 균열의 방향 인 최대주응력은 진북을 기준으로163.5°로NNW-SSE 방향을 가리킨다.
고응력장 및 현재응력장의 방향
방해석 쌍정 아문미세균열 그리고 수압파쇄시험의 결, , 과로부터 연구지역에서 나타난 고응력장과 현재응력장의 상태를 비교해 불 때 고응력장의 주방향성은 대체적으로,
를 현재응력장은
NE-SW NNE-SSW ,∼ NNW-SSE의 주 방향성을 보인다 이들 응력장의 주방향성만을 고려할. 때 연구지역은 과거의, NE-SW이나NNE-SSW 응력장 에서 현재의NNW-SSE 응력장으로 변화하였을 것으로 사료된다.
토 의
동해 확장 이후 한반도에서 나타나는 응력장의 변화에 대한 관심이 고조되면서 현재까지 많은 연구자들에 의하 여 다양한 연구가 수행되었다 김인수( , 1992; Lim and
문태현 외
Lee, 1995; , 2000; Choi et al., 2001;손문 외, 김영석 외 연구자들에 따르면 첫째 마이
2002; , 2002). , ,
오세 초에NE-SW방향의 압축력에 의한 정단층의 형성 과NW-SE 방향의 우수향 주향이동단층 그리고 이와, 수반되는30° 50°∼ 시계방향의 수평회전 이후 둘째 마, , 이오세 후기에 시작된NW-SE 방향의 횡압력에 의한 기 존 주향이동단층의 좌수향으로의 재활성화와 정단층들 의 역단층으로의 역전이 일어나기 시작했으며 이는 필, Table 2. Results of hydraulic fracturing test. Pc : initial breakdown pressure, Po : pore pressure, Ps : shut-in pressure, Pr: reopening pressure, σv: vertical stress, σh : minimum horizontal principal stress, σH : maximum horizontal principal stress, Kmin= σh/σv, Kmax= σH/σv, σT : tensile strength
Depth (m)
Pc
(MPa) Po
(MPa) Ps
(MPa) Pr
(MPa) σv
(MPa) σh
(MPa) σH
(MPa) Kmin Kmax
σT
(MPa) 20.7
39.8 42.3
- - 9.10
0.17 0.36 0.38
1.20 2.00 2.80
- - 4.833
0.549 1.055 1.121
1.20 2.00 2.80
- - 3.187
- - 2.498
- - 2.843
- - 4.267
Test No.
HF-1 2 3
Fig. 7. Orientation of fracture determined by hydraulic fracturing test.
리핀판의 충돌로 해석하고 있다 김인수( , 1992). 마지막 으로 태평양판의 섭입과 인도판의 충돌에 기인한 것으, 로 해석하며 주로 한반도에 역단층 운동을 일으킨 제, 3 기말 플라이오세 이후의E-W 방향의 압축력으로 나누 어 볼 수 있다 연구지역에 분포하고 있는 제 기의 화강. 3 암류와 화산암류의 시대를 추정하기 위하여 수렴단층 입 구 방해석 맥 부근에서 채취한 응회암질 현무암을K-Ar 법 절대연령을 실시하였다 계산된 절대연령 결과는. 13 로 이 지역에서 보고된 현무암질 절대연령 와
Ma 14 Ma
거의 일치하였다 이현구 외( , 1992).이상의 사실과 방해석 쌍정과 아문미세균열의 측정으로부터 얻어진 고응력장의 방향 및 응력상태에 따른 단층의 형태를 고려하면 연구지 역에는 제 기 마이오세에3 NNE-SSW또는NE-SW 방향 의 압축력에 의한 고응력장이 작용하였을 것으로 추정 할 수 있다.
는 국내 현지에서 교란되지 않은 Lim and Lee(1995)
암반내의 초기응력을 결정하기 위하여 17개 지역 50개 장소에서310회 이상의 응력을 측정하여 그 결과를 보고 한바 있다 그리고 최근에. Haimson et al.(2003)은 국내 서남부지역에서 수압파쇄시험을 수행하였는데 그 결과 최대수평응력이 ENE-WSW와E-W의 주방향성을 가리 키고 있음을 밝혀냈다 기존에 보고된 국내 현재응력장의. 최대주응력이 대체적으로E-W 뱡향성을 가리키지만 이 연구에서 얻어진 최대수평응력의 방향은 NNW-SSE로 나타났다 더군다나 연구지역과 가까운 곳에 위치한 울. 산지역에서 응력해방법의 하나인USBM(US Bureau of 법을 이용하여 현지응력장을 측정한 결과 최대주 Mines)
응력의 방향이N55°E또는N34°E로 나타났다(Lim and 이렇듯 본 연구지역에서 실시한 최대수평응 Lee, 1995).
력의 방향이 국내의 광역적 뿐만 아니라 국지적 최대주 응력의 방향과도 다르게 나타남을 보였다 따라서 이에. 대한 고찰이 필요하며 다음과 같은 몇 가지 가능성을 고 려해 불 수 있다 첫째 현지암반은 중력에 의한 지반의. , 자체하중 뿐만 아니라 과거의 지각운동 지표의 퇴적이, 나 침식 등의 작용을 받아 왔다 이로 인한 지형학적 지. , 질구조적 영향을 받는 조건에서 현재응력장은 지역적 특 성 및 심도에 따라 크기와 방향이 다르게 나타날 수 있 다 둘째 수평응력의 경우 수평응력비가 심부에서는. , 1 에 근접하는 정수압 상태를 보이지만 천부에서는 최대 이상의 차이를 보여 천부에서의 변화가 심하다 이 연
3 .
구에서 수압파쇄시험의 깊이가42.3 m인 비교적 천부에 해당하는 것을 고려할 때 시험결과가 광역적 응력상태, 가 아닌 국지적 응력상태를 지시할 가능성이 있다 마지. 막으로 연구지역에는 다수의 크고 작은 절리나 파쇄대, 가 관찰된다 이러한 불연속면들이 시험결과에 영향을.
미쳤을 가능성도 배제할 수 없다 더군다나 이 연구지역. 이 지구조적으로 복잡한 위치에 놓여 있는 만큼 광역적 및 국지적 응력상태를 함께 고려하는 것이 바람직할 것 으로 사료된다 또한 개의 시추공에서 한 번의 시험결. 1 과만으로 응력상태와 최대주응력 방향을 결정하기에는 다소 무리가 있으므로 이후에 추가적인 시험을 실시하여 충분한 자료를 얻어야 할 것으로 사료된다.
결 론
단층대가 관찰되는 월성지역에 대한 응력상태를 정량 적으로 평가하여 이 지역에 대한 응력의 변형사와 응력 상태하에서 발달 가능한 단층의 형태 및 특성을 살펴보 았다 그 결과를 요약하면 아래와 같다. .
1. 연구지역에서 관찰된 방해석 쌍정의 형태는 주로 한 방향을 갖는 직선형의 얇거나 두꺼운 쌍정이 우세하 였다 계산된 쌍정의 평균 변형률은. 0.285 m,μ 두께는
그리고 치밀도는 등으로 나타
0.51 m,μ 9.97 twins/mm
났다 이 값들과 쌍정의 형태를 고려하여 방해석 쌍정의. 생성 온도를 추정해 볼 때 약70 ℃이하이며 정상적인, 지온증온율 인30 ℃/km를 가정하면 연구지역의 쌍정은 약2.3 km보다 얕은 심도에서 생성되었을 것으로 추정 된다.
2. 방해석 쌍정의 주변형률 및 주응력의 크기와 방향을 계산한 결과 최대수축은, NNE-SSW,최대인장은WNW- 방향으로 발생했던 것으로 나타났으며 응력상태로
ESE ,
부터 단층 형태를 추정해 보면 최대수축방향이 거의 수, 직이고 중간과 최대인장방향이 약간의 수평경사를 나타 내는 정단층의 양상을 보였다 석영내의 아문미세균열로. 부터 구한 최대수평응력의 주방향성은 뚜렷한NE-SW 를 보였다 이상의 두 방법으로부터 얻어진 고응력장의. 방향 및 응력상태에 따른 단층의 형태를 고려하면 연구 지역에는 제 기 마이오세에3 NNE-SSW또는NE-SW 방 향의 압축력에 의한 고응력장이 작용하였을 것으로 판단 된다.
3. 시추공 심도42.3 m에서 수행한 수압파쇄시험 결과, 최소 및 최대수평응력의 크기는 σh= 2.800 MPa, σH= 3.187
이고 수직응력은
MPa , σv=1.121 MPa로 나타났으며 스, 러스트단층의 응력상태와 일치한다 수직응력과 수평응력. 의 비인 측압계수는2.498 < K < 2.843(Kave=2.670)이며, 인장강도는4.267 MPa이였다 수압파쇄시험에 의한 최대. 수평응력의 방향은 진북을 기준으로163.5°(NNW-SSE) 로 나타났다.
4. 방해석 쌍정 아문미세균열 수압파쇄시험 등으로부, , 터 구한 최대주응력의 방향만을 고려해 볼 때 연구지역,
의 응력상태는 과거의NE-SW나NNE-SSW방향에서 현 재의NNW-SSE 방향으로 변화하였을 것으로 판단된다.
사 사
이 연구는 산업자원부 전력산업연구개발사업의 일환으 로 한국전력공사 전력연구원 과제번호( : R-2002-0-279)의 지원으로 수행되었으며 이에 감사드린다.
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현재 순천대학교 과학교육과 교수 (E-mail; [email protected])
