IEG 환경지질연구정보센터
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(2) 226. 최진혁․고경태․김재윤․김영석. Pukyong National University, Busan 608-737, Korea & Petroleum and Marine Research Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 305-350, Korea). 1. 서 론 최근 전 세계적으로 대규모 지진에 의한 많은 인명 및 재산 피해가 발생하고 있으며, 이에 따라 지진으로 인한 재해특성을 이해하고 이를 대비하기 위한 연구 가 중요시 되고 있다. 이는 과거의 지진 자료를 획득하 고 분석하여 미래에 발생할 수 있는 지진의 시기, 위 치, 규모 등에 대한 정보를 얻고자 하는 고지진학을 중심으로 이루어지고 있다(e.g., McCalpin, 1996, 2009; Kyung, 1997; Kyung et al., 1999a, b; Kim et al., 2004; Kyung and Lee, 2006; Kim, Y.-S. et al., 2011). 지금까지의 고지진학 연구는 대부분의 지진이 활성 단층을 따라 발생하기 때문에, 지형적 변위 또는 신 기 지층에 기록된 층서적 절단을 이용하여 활성단층 을 따른 지진 및 단층의 활동이력에 대해 중점적으 로 이루어졌다(Kim, Y.-S. et al., 2011). 그러나 신기 퇴적층의 부재뿐만 아니라 이들에 대한 명확한 연대 측정 및 조사방법에서의 어려움으로 인하여 고지진. 정보를 유추하는데 한계가 있다. 최근 이러한 한계점을 극복하기 위하여 활성단층 및 대규모 단층 주변의 문화재와 유적지의 파괴를 이용 하여 고지진의 특성을 이해하고자 하는 고고지진학적 연구가 활발히 수행되고 있다(e.g., Ambraseys, 1973, 2006; Caputo and Helly, 2005; Decker et al., 2006; Marco, 2008; Jin et al., 2011). 이는 문화재 및 고대 유적지가 만들어진 시점을 확인 할 수 있다는 장점 으로 인해 그 시점 이후의 지진에 대한 발생시기와 규모를 추론할 수 있어 고지진 및 지진재해 연구에 매우 유용하게 이용되고 있으며, 최근 국내에서도 이러한 연구결과가 도출된 바 있다(Jin et al., 2009, 2011). 이와 유사한 연구 중 하나는 석회동굴의 동굴 생성물 파괴특성을 이용하는 것으로(e.g., Cadorin et al., 2001; Lacave et al., 2004; Kagan et al., 2005), 특히 동굴생성물은 지난 500,000년까지의 정확한 연 대측정이 가능한 장점이 있어 역사지진 및 계기지진 자료만으로는 접근이 어려운 비교적 재발주기가 긴. Fig. 1. An example of a paleoseismological study using speleothems in Soreq and Har-Tuv caves near the Dead Sea transform fault (from Kagan et al., 2005). Open stars and solid ellipses mark pre-earthquake and post-earthquake deposits, respectively, and scale bars=10 cm. (a) Stalagmite with severed top and post-seismic regrowth. (b) Collapsed ceiling with pre-seismic stalactites (below) and post-seismic stalactites (above). (c) Core sample taken from a flowstone deposit exposing: fallen ceiling pieces (1), thin stalactites (2), and detritus layers (3). (d) Section of severed stalagmite with post-earthquake unconformable regrowth, dashed line is the paleoseismic contact. (e) Schematic cross section of severed stalagmite with regrowth, U-Th-dated laminae indicated by α..
(3) 석회동굴 내 동굴생성물의 파괴특성을 이용한 고지진 연구: 경북 울진 성류굴의 예. 대규모 지진의 정보를 획득하는데 유용하다고 할 수 있다. 동굴생성물을 이용한 고지진 연구의 대표적인 사례는 Kagan et al. (2005)에 의해 수행된 사해변환단층(Dead Sea transform) 주위의 석회동굴 내 파괴된 동굴생성 물을 이용한 단층의 활동성 및 고지진 연구로, 이는 그 림 1에 잘 나타난다. 이 연구는 절단된 석순의 상부와 이에 재성장한 석순(그림 1a), 부러진 후 낙하되어 바 닥에 떨어진 파편과 재성장한 석순(그림 1b), 그리고 동굴바닥면에 대한 수직시추조사를 통한 퇴적층 분석 (그림 1c) 등을 바탕으로 고지진의 정보를 획득하였 다. 뿐만 아니라 절단 및 재성장한 석순을 비롯한 잘 보존된 광범위한 수의 지진관련 동굴생성물에 대한 연대측정(그림 1d, 1e)을 실시하였으며, 특히 산소동 위원소 기록을 바탕으로 동굴생성물의 파괴시기와 사 해변환단층에서 발생한 고지진 사이의 시간적 상관관 계를 제시하였다. 이 사례에서 볼 수 있듯이 동굴생성 물을 이용한 연구는 비교적 오랜 기간 동안의 명확한 고지진 시기들을 추론할 수 있어 지진의 재발주기 및 지진재해 연구에서 매우 중요하다고 할 수 있다. 국내의 석회동굴 연구는 주로 동굴생성물의 성인과 성장(Ahn and Hwang, 2008; Choi et al., 2010) 그 리고 고기후 변화(Yum et al., 2004; Choi et al., 2005; Jo et al., 2006a, b; Jo and Woo, 2008; Ji et al., 2011)에. 227. 관해 강원도 동굴지대 및 제주도를 중심으로 진행되 어 왔다. 최근에는 지질유산으로서의 가치 및 보존 과 관련된 연구가 이루어지고 있으며(Sohn et al., 2009), 동굴 내 단열을 따른 유체이동 특성에 관한 연 구가 보고된 바 있다(Kim and Sanderson, 2010). 그러나 앞서 언급한 바와 같이 석회동굴이 고지진 해석에 대한 충분한 활용가치가 있다고 판단됨에도 불구하고, 고지진학 분야에서의 동굴조사는 현재까 지 거의 이루어지지 않은 실정이다. 따라서 본 논문에서는 상대적으로 파괴특성들을 많이 보여주고 있는 석회동굴 중 하나인 경북 울진 군의 성류굴을 대상으로 동굴생성물의 파괴 및 재성 장 특성과 고지진 사이의 상관성을 알아보고자 하였 다. 우선 성류굴의 발달 및 주변 지역에 대한 지질특 성을 살펴본 후, 성류굴 내에서 관찰되는 동굴생성 물의 종류에 따른 파괴 및 재성장 형태를 기재하고 이들의 변형특성을 분석하였다. 그리고 성류굴 주변 지역에 대한 지체구조, 고지진 자료, 그리고 대규모 또는 신기 단층의 발달특성에 대한 고찰을 통하여 동굴생성물의 파괴원인을 토론하였다.. 2. 연구지역 성류굴은 경상북도 울진군 근남면에 위치한 석회동. Fig. 2. Location map (a) and geological map (b; modified from Yun and Shin, 1963) of the study area. (c) Lineament distribution around Seongryu Cave. This shows two dominant lineament sets and the locations of the Maehwa and Gusan faults..
(4) 228. 최진혁․고경태․김재윤․김영석. 굴로 전체적으로 북동-남서 방향으로 발달하고 있다. 성류굴 주변의 지질은 기존의 울진도폭(Yun and Shin, 1963)에 의하면 대부분 선캄브리아기의 화강편마암 과 중생대의 흑운모화강암으로 이루어져 있으며 단속 적으로 선캄브리아기의 장군석회암이 분포하는 것 으로 조사되었다(그림 2b). 그러나 최근 이 일대의 지질이 하부고생대의 조선누층군과 대비되고 장군 석회암은 단일층이 아닌 총 6개의 지층(매산층, 구 산리층, 남수산층, 송촌층, 몽천층, 금매리층)으로 구 성되며, 각 지층의 암상특성이 조선누층군 태백층군 (묘봉층, 대기층, 화절층, 동점층, 두무골층, 막골층)에 대비될 수 있음이 제시된 바 있다(Woo et al., 2007). 이후의 성류굴 관련 조사에서는 주로 후자의 지질분 류에 따라 연구가 진행되었으며, 성류굴은 대부분 결정질 석회암으로 이루어진 두무골층에 발달하고 있다(Cave Research Institute of Korea, 2007; Kim et al., 2010). 두무골층은 회색 또는 녹회색의 석회암 내지 돌로마이트, 그리고 이질 석회암, 석회질 셰일 내지 셰일 등 다양한 암질로 구성되어 있다. 성류굴 주변에서 우세하게 관찰되는 변형사건은 주로 남-북 내지 북북동-남남서 방향과 북동-남서 방 향의 습곡 및 충상단층에 의한 것으로 보고된 바 있다 (Im et al., 2003). 성류굴의 서측으로는 석회암체를 변위시킨 것으로 추정되는 남-북 방향의 매화단층이 발달하고 있으며, 남서쪽으로 2.5 km 지점에는 제4기. 단층운동이 관찰되는 북동-남서 방향의 구산단층이 발달하고 있다(그림 2). 연구지역의 대규모 지질구조를 파악하기 위해 위 성사진과 항공사진을 판독하여 선형구조 분석을 실 시한 결과 크게 두 방향의 선형구조군이 관찰되며, 가장 우세한 선형구조군은 매화단층과 평행한 남-북 방향임이 확인된다(그림 2c). 다른 하나의 선형구조 군은 동북동-서남서 방향으로 구산단층 및 성류굴의 방향과 대체로 평행하다. 특히 이들은 남-북 방향의 선형구조군에 의해 제어되는 단속적인 발달형태를 보이고 있어 상대적으로 후기에 발달한 지질구조를 반영하는 것으로 판단된다.. 3. 성류굴 및 동굴생성물의 발달특성 천연기념물 제155호로 지정된 성류굴은 전체길이 가 약 870 m로 주굴의 연장은 470 m에 달하는 대규 모 석회동굴로, 현재는 약 270 m구간이 일반인들에게 개방되고 있다. 이 동굴은 국내 석회암지대에 흔히 분포하는 용식동굴 중 하나로, 지하수의 용식작용으로 인한 암석의 용해로부터 발달되었다(Cave Research Institute of Korea, 2007). 이 경우에 동굴발달에 가 장 큰 영향을 미치는 것 중 하나는 유체가 흐를 수 있 는 지질구조로서, 이러한 역할을 할 수 있는 대표적 인 구조들은 층리, 엽리, 그리고 절리 및 단층을 비롯. Fig. 3. Distributional maps of the fractures (a; modified from the Cave Research Institute of Korea, 2007), dominant speleothems (b), and damaged speleothems (c) in the Seongryu Cave..
(5) 석회동굴 내 동굴생성물의 파괴특성을 이용한 고지진 연구: 경북 울진 성류굴의 예. 한 단열과 같은 면상의 지질구조이다. 성류굴 내에서 관찰되는 층리면은 일반적으로 북 동-남서 방향의 주향을 보이며, 수직에 가까우나 대 체로 남동쪽으로 경사한다. 그림 3a는 동굴의 발달에 영향을 미친 지질구조의 분포를 보여주는 것으로, 주로 북동-남서 방향의 단열에 의해 동굴의 발달이 제어되었음을 알 수 있다. 동굴생성물이란 이차적인 광물의 침전에 의한 동굴 내부의 형성물을 의미하는 것으로(Moore, 1952), 성 류굴 내에는 다양한 종류의 동굴생성물이 발달한다. 2007년 6월에 발간된 성류굴 종합학술조사 보고서 (Cave Research Institute of Korea, 2007)에 의하면, 성류굴 내에는 종유관, 종유석, 석순, 석주, 유석, 휴. 229. 석, 동굴방패, 커튼, 베이컨시트와 일부 구간에서의 소규모 동굴진주, 석화, 곡석, 부유방해석 등이 분포 하고 있다(그림 3b). 특히 이 조사에서는 수중에서 성장할 수 없는 종유석, 석순, 유석, 석주와 같은 동 굴생성물을 국내 최초로 동굴호수에서 발견하였으 며(Cave Research Institute of Korea, 2007; Kim and Woo, 2007), 이는 해수면 변동과 같은 연구 분 야에 학술적 가치가 높은 것으로 평가된 바 있다. 성류굴 내에 분포하는 동굴생성물의 특징 중 하나 는 이들 중 일부가 파괴된 특성을 보인다는 것이다. 그림 3c는 성류굴에서 관찰되는 파괴된 동굴생성물 의 분포를 보여주는 것으로, 전 구간에 걸쳐 다양한 동굴생성물이 파괴된 특성을 보인다. 대표적인 파괴. Fig. 4. Damaged speleothems inside Seongryu Cave (dotted circle: cutting tip of stalagmites, arrow: key markers of displacement, square with a solid line: fractured zone, and pentagram with a dashed line: regrowth of the speleothems)..
(6) 230. 최진혁․고경태․김재윤․김영석. 유형으로는 단열에 의한 절단 및 낙하와 기울어짐, 그리고 단층운동 등이 있으며, 일부는 재성장된 동 굴생성물과 함께 관찰된다(그림 4). 이번 연구에서 는 종유석, 석순, 석주, 동굴커튼 등 비교적 뚜렷한 파괴를 보이는 총 4종류의 동굴생성물에 대한 정밀 동굴조사를 실시하여 이들에 대한 기하 및 운동학적 특성을 분석하였다.. 4. 동굴생성물의 파괴 및 재성장. 일부 낙하된 종유석 파편이 퇴적되어 있다(그림 5b). 한편 절단면에는 새롭게 성장하는 소규모 종유석이 관찰되기도 하는데(그림 5d), 이는 종유석의 파괴 이후 에도 지속된 유체의 공급으로 인한 종유석의 재성장 으로 판단된다. 일부 벌통형태의 종유석에 대해서도 그 내부에서 관찰되는 깨진 흔적을 통해 이러한 형 태가 종유석의 파괴 후 재성장과 관련되어 있음이 추론된 바 있다(Cave Research Institute of Korea, 2007).. 4.1 종유석. 4.2 석 순. 종유석은 석회동굴에서 가장 흔하게 발견되는 동굴 생성물 중의 하나로, 동굴의 천장으로부터 떨어지는 유체에 의해 성장한다. 성류굴 내에 발달하는 종유 석은 전 구간에 걸쳐 관찰되며(그림 3b), 종유석의 수직 길이는 1~5 m로 그 크기가 매우 다양하다. 특히 다수의 종유석에는 하단부가 절단되어 떨어져 나간 파괴 특성이 관찰되며(그림 4a, 4c, 5), 대부분의 절단면은 수평에 가까운 저각의 경사를 나타낸다. 이를 통해 확인되는 종유석 단면상에는 수목의 나이 테와 같은 성장선이 관찰된다. 또한 동굴바닥에는. 석순은 동굴천장에서 떨어지는 유체에 의해 생성 되는 동굴생성물로 종유석이 발견되는 지점의 동굴 바닥에서 흔히 관찰된다. 석순은 주로 수직으로 성장 하는 형태로, 유체가 떨어지는 높이를 비롯한 유체의 속도, 공급량 정도, 포함하는 이온의 양 등에 따라 크게 막대기형, 테라스형, 원뿔형으로 분류될 수 있다 (Franke, 1965). 성류굴에는 다양한 형태와 크기의 석순이 성장하고 있으나, 일반적으로 테라스형 내지 원뿔형이 우세하게 관찰되며 이들의 크기는 수직으로 약 1.5~2 m에 이른다. 일부 석순은 낙반 및 이미 부러. Fig. 5. Characteristics of damaged stalactites. Tips are cut sub-horizontally (a) and are scattered along the bottom of the cave (b). Cut tips show smooth sections (c) and some regrowth patterns (d)..
(7) 석회동굴 내 동굴생성물의 파괴특성을 이용한 고지진 연구: 경북 울진 성류굴의 예. 져 넘어진 소규모 석순 위에서 성장하는 형태를 보이 고 있다(Cave Research Institute of Korea, 2007). 석순은 다른 동굴생성물에 비해 그 파괴 정도 및 빈도수가 미약하나, 이 중 일부는 기울어지거나 넘 어진 형태의 파괴양상을 보인다. 그림 6은 성류굴 내 에서 관찰되는 기울어진 석순을 보여주는 것으로, 이들의 기울어진 양상을 파악하기 위해 기울어진 방 향과 각도를 측정하였다. 그 결과 이들은 각각 동쪽 으로 13°, 북동쪽으로 21°, 그리고 남동쪽으로 20° 기울어져 있음을 확인하였고, 이를 그림 6d에 도시 하였다. 다소 차이는 있으나, 대체로 60°~135° 범위 내에서 동쪽으로 기울어진 경향을 보이며 기울어진. 231. 각도가 약 20° 내외로 비교적 잘 일치한다. 또 다른 흥미로운 점은 기울어진 석순을 덮고 있 는 새로운 동굴생성물의 성장형태가 관찰된다는 것 이다(그림 6c). 이들은 기울어진 석순과 수직 방향의 경계를 기준으로 색깔차이를 보이고 있어 구분이 되 며, 이는 기존의 석순이 기울어진 후 지속적인 유체 의 공급으로 인한 재성장 구조로 판단된다. 4.3 석 주. 석주는 앞서 거론된 종유석과 석순이 오랜 시간 동안 성장함에 따라 이들이 접촉하여 발달하는 동굴 생성물이다. 이들은 일반적으로 수직의 기둥형태를. Fig. 6. Most of the damaged stalagmites show a tilting pattern (a~c). Tilting directions are generally towards the east with low tilting angles: about 20° (d). It is possible to identify regrowth through color differences between the tilted growth and the newly developed growth.. Fig. 7. Most of the damaged columns are displaced by sub-horizontal fault planes (a, b). Some of them show typical characteristics of thrust faulting (c)..
(8) 232. 최진혁․고경태․김재윤․김영석. 보이고 있으며, 대체로 중간부분이 잘록하다. 성류굴 내 전 구간에 걸쳐 다수의 석주가 관찰되 는데, 이 중 일부는 상하가 분리되거나 어긋나 있는 형태의 파괴특성을 보인다(그림 4a~4c, 7). 즉 석주 에 단층면이 발달하고, 이를 따라 상하부의 전단운 동이 관찰되는 것이다. 이 중 일부는 수평에 가까운 면을 따라 상호 분리되어 있으며, 일부는 저각의 경 사를 보이는 단층면을 따라 경사이동 분리되어 있다. 어긋난 형태의 석주 주변에서는 앞서 언급한 하단부 가 파괴된 종유석이 흔히 관찰된다(그림 7c). 석주 자체가 변위지시자의 역할을 하며 기하학적 특성을 보이는 총 5조의 변위된 석주에 대하여 단층 면의 주향/경사 및 운동감각 등의 단층운동 특성을 분석하였다. 그 결과, 이들은 주로 북북동-남남서 방 향의 주향과 20°~30° 내외의 경사를 보이는 단층면 을 따라 역단층성 단층운동을 겪었음이 확인된다(그 림 8a). 또한 20 cm의 변위량을 보이는 1조를 제외 한 나머지 단층의 변위는 모두 10 cm 내외로 비교적 일정한 값을 보인다(그림 8b). 4.4 동굴커튼. 동굴커튼은 경사진 천장이나 벽면을 따라 유체가 흘러내리면서 생성되는 것으로, 유체의 공급처 역할 을 하는 절리나 단열로부터 판상의 형태로 기반암을 피복하며 성장하는 특성을 보인다. 성류굴 내의 동 굴 커튼은 주로 종유석 내지 유석의 형태와 결합되 어 발달하고 일부 지점에서는 이미 생성된 동굴 커 튼을 피복하는 새로운 동굴커튼이 관찰되며, 이는 다량의 유체가 흐를 때 생성되는 것으로 알려져 있다. (Cave Research Institute of Korea, 2007). 성류굴 내의 동굴커튼은 종유석과 함께 가장 높은 빈도의 파괴 형태를 보이는데, 이들은 주로 소규모 의 단열이 발달하고 있는 특징을 보인다(그림 4a, 9). 단열들은 동굴커튼 면상에서 다소 돌출된 형태 및 기울어진 후 재성장한 석순과 유사하게 기존의 동굴 생성물과 뚜렷한 색깔차이를 나타내어 식별할 수 있 으며, 이는 새롭게 발달한 단열을 따라 공급되는 유체 로 인한 동굴생성물의 재성장에 의한 것으로 판단된 다(그림 9). 이러한 단열들의 기하학적 특성을 알아보 기 위하여 이들의 주향/경사를 측정하였다. 그 결과 비록 다양한 방향성을 보이기는 하나 대체로 두 단 열군으로 분류할 수 있으며, 이들은 각각 N60°E~E-W 와 N30°~50°W의 주향을 보이며, 주로 20° 내외의 경 사를 보인다(그림 9e). 4.5 종류별 파괴 및 재성장 특성. 성류굴의 대표적인 동굴생성물인 종유석, 석순, 석주 및 동굴커튼에서 관찰되는 파괴형태를 조사한 결과, 동굴생성물의 종류에 따라 손상 및 파괴형태 가 절단, 기울어짐, 단층운동 또는 단열의 발달과 같 이 매우 다양함을 확인하였다. 이와는 대조적으로 각각의 동굴생성물에서 관찰되는 파괴형태 및 특성 은 비교적 일관되게 나타난다. 이를 요약하면, 우선 종유석은 그 하단부가 수평에 가까운 절단면에 의해 분리되어 낙하되어 있고, 석순의 경우는 기울어진 형태로 기울어진 방향과 각도가 대체로 일치한다. 석주는 수평의 단층면을 따라 분리되거나 역단층성 단층운동을 겪었으며, 이들의 운동감각 및 변위량은. Fig. 8. Lower-hemisphere stereographic projection of fault planes (a) and displacement analysis along the faults (b) on the stalatic-columns. This data shows a strongly systematic pattern..
(9) 석회동굴 내 동굴생성물의 파괴특성을 이용한 고지진 연구: 경북 울진 성류굴의 예. 대체로 동일하게 나타난다. 마지막으로 동굴커튼에 는 소규모의 단열들이 발달하고 있으며, 이들은 크 게 두 단열군으로 분류가 가능하고 이들의 경사는 약 20° 내외로 나타난다. 서로 다른 종류의 동굴생성물임에도 불구하고 이 들의 파괴형태에서 공통적으로 확인되는 흥미로운 점 하나는 종유석, 석주 및 동굴커튼에서 관찰되는 절단면과 단층 또는 단열이 대부분 수평에서 20° 내 외의 비교적 저각의 경사로 발달하고 있다는 것이 다. 특히, 석주에서 관찰되는 단층면과 동굴커튼에 서 관찰되는 단열 중 일부는 북동-남서 방향의 주향 을 보이고 있다. 이는 비록 더 많은 자료수집이 요구 되는 것은 사실이나, 각 종류의 동굴생성물에 나타 나는 파괴의 기하학적 특성이 일부 일치하는 것을 의미한다. 각각의 동굴생성물에서 관찰되는 재성장의 형태 또한 동굴생성물의 종류에 따라 다양하게 관찰된다. 종유석은 주로 절단면으로부터 수직방향으로 재성 장하는 형태를 보이고, 석순의 경우는 이전에 기울 어진 석순의 외부를 피복하는 형태를 보인다. 동굴 커튼에서는 단열을 따른 돌출형태 및 단열 하위에서 이전 동굴생성물을 피복하는 형태를 보이고 있다. 이는 동굴생성물의 종류에 따른 각각의 파괴형태가 서로 다르고 동굴생성물의 손상과 파괴 이후에도 유. 233. 체의 공급이 지속된 결과로 해석된다. 4.6 파괴원인 및 고지진과의 상관성. 앞서 기술한 동굴생성물들의 파괴형태적 특성을 바탕으로 동굴생성물의 파괴원인에 대하여 논의하 면 다음과 같다. 우선, 종유석의 파괴 원인은 관광개 발, 도굴꾼이나 과거 주민 등의 인간 활동에 의한 인 위적 요인과 동굴 내 홍수 등과 같은 자연적 요인이 있을 수 있으며, 지진 또한 주요 원인 중 하나로 보고 된 바 있다(Kagan et al., 2005). 성류굴 내에서 관찰 되는 파괴된 종유석의 절단면은 저각의 경사와 비교 적 매끄러운 특성을 보이고, 이 중 일부가 사람의 손이 닿지 않는 높은 위치에서 관찰되고 있어 자연에 의 한 파괴 현상에 의한 것으로 추정된다. 그러나 인간 활동에 의해 파괴된 종유석 또한 주로 망치와 같은 도구에 의한 것으로 수평에 가까운 절단면이 형성될 수 있으므로, 인위적인 요인 또한 배제할 수 없다. 기울어진 형태의 석순은 동굴바닥에서의 지질학적 변형 없이 발생하기 매우 어려우며, 이러한 현상을 일으킬 수 있는 인위적 요인은 예상하기 어렵다. 따 라서 성류굴 내에서 관찰되는 기울어진 석순의 형성 원인은 자연적인 힘으로 판단되며, 이는 크게 두 가 지 요인으로 나눌 수 있다. 첫 번째는 석순이 성장하 기 전 동굴바닥에 쌓인 퇴적물에 의한 것으로, 석순. Fig. 9. Damage patterns on curtains show minor fractures and regrowth of speleothems along them (a~d). These fractures can be classified into two dominant fracture sets (e)..
(10) 234. 최진혁․고경태․김재윤․김영석. 이 성장 한 후 이들이 침식되면서 발생하는 빈 공간 으로 인해 기울어졌다는 것이다. 성류굴 내에는 침 식된 동굴퇴적물이 전 구간에 걸쳐 발견되고 있으 며, 이러한 원인에 의해 유석의 하위에 비어있는 가 바닥(false floor)이 종종 발견되고 있어 이러한 가능 성을 뒷받침한다. 두 번째는 지진과 같은 갑작스런 지반운동으로, 비록 일부 석순에서만 기울어진 형태 의 파괴 특성을 보이고 있어 더욱 정밀한 분석이 요 구되는 것은 사실이나, 석순들의 기울어진 방향과 각도가 대체로 일치하고 있다는 점이 이를 간접적으 로 뒷받침한다. 석주의 파괴 형태는 동굴의 천장부와 바닥부의 서로 다른 상대적인 지반운동, 즉 단층운동에 의한 결과물로 자연적인 힘에 의한 파괴의 가능성을 가장 잘 보여준다. 단층들의 기하학적 특성과 변위량이 비교적 잘 일치하며, 이들 주위에 파괴된 종유석이 흔히 발달하고 있다는 사실 또한 이를 뒷받침한다. 특히 일부 석주는 인위적으로는 파괴가 불가능한 크 기를 갖고 있으며, 이들이 단순히 잘려져 나간 것이 아니라 명백히 변위된 형태를 보여주고 있어 단층작 용에 의한 파괴를 강하게 지시하고 있다. 마지막으로 동굴커튼에 발달하고 있는 단열의 경 우는 이들의 방향성과 경사가 비교적 일관되게 나타 나고 있어, 이는 기반암에 발달하고 있는 단열의 연 장부임을 알 수 있다. 다시 말해서 성류굴 및 주변지 역에 작용했던 지체구조적 힘에 의해 파괴되었을 가 능성이 높다.. 이상과 같이 동굴생성물의 파괴형태가 보이는 규 칙성 및 유사성은 인위적인 요인뿐만 아니라 지진과 같은 자연적인 힘에 수반된 지진동 및 단층운동으로 발생한 것임을 지시한다. 비록 동굴생성물의 파괴특 성과 고지진 사이의 상관성에 대한 보다 면밀한 검 토가 뒷받침되어야 하겠으나, 현재까지의 분석결과 는 이들의 파괴가 지진 및 단층작용과 관련되었을 가능성을 강하게 지시하고 있다. 이러한 해석 결과 를 바탕으로 성류굴 내 동굴생성물의 고지진에 의한 파괴특성을 모식도로 도시하였다(그림 10).. 5. 토 의 5.1 연구지역의 지체구조 및 고지진 특성. 성류굴 내 동굴생성물의 파괴특성과 고지진 사이 의 상관성을 보다 명확히 규명하기 위해서는 성류굴 이 발달하고 있는 울진군 주변 지역의 지체구조에 대한 접근이 요구된다. 이에 따라 주변지역에서 발 생한 고지진 자료의 분석결과를 수집하여 이를 바탕 으로 한 지체구조적 특성을 알아보았다. 울진 연안에서 발생한 최근 지진을 살펴보면 지 난 2004년에 규모 5.1의 중규모 지진이 기록된 바 있 으며, 비록 대부분이 진도 4를 넘지 않는 소규모이기 는 하나, 이러한 지진이 비교적 자주 발생하는 특성을 보인다(Kim, H.-J., 2011). 역사지진 및 계기지진의 분포도 또한 울진 지역을 중심으로 한 동해안 연안 에 비교적 다수의 중‧소규모 지진이 발생한 것을 보. Fig. 10. A Schematic diagram showing possible damage to speleothems during paleo-earthquakes..
(11) 석회동굴 내 동굴생성물의 파괴특성을 이용한 고지진 연구: 경북 울진 성류굴의 예. 여준다(Kim et al., 2006; 그림 11). 이러한 한반도의 동쪽 대륙연변부에서 발생한 고 지진에 관하여 많은 구조지질학적, 지구물리학적, 그리고 지진학적 연구가 수행된 바 있으며(e.g., Lee et al., 2001; Kang and Baag, 2004; Kim et al., 2004; Kang and Shin, 2006; Park et al., 2006; Choi et al., 2007; Jun and Jeon, 2010; Kim H.-J. et al., 2011), 이들 연구에서는 주로 동해의 열림과 그 이후의 닫 힘 과정으로 설명되는 지체구조의 역전현상과 밀접 한 관련이 있는 것으로 해석하였다. 이를 요약하자 면, 신생대 마이오세 동안 동해의 형성과 함께 광역 적인 지각확장 및 대규모 정단층운동(주로 남-북 내 지 북북동-남남서 방향의 주향)으로 인하여 후배호 분지 및 울릉분지가 발달하였으며(e.g., Ree and Lee, 2003; Kim et al., 2007), 그 이후부터 현재까지 수평적 인 압축력이 한반도에 영향을 미치면서 기존에 분지. 235. 경계단층으로 작용한 후포단층 및 울릉단층 등이 주 향이동단층 내지 역단층성의 재활성 단층운동을 겪 었다는 것이다(e.g., Kang and Baag, 2004; Kim et al., 2004). 특히, Jun and Jeon (2010)는 20세기에 발생한 규모 4.5 이상의 18개 지진에 대한 지진학적 분석을 통하여, 한반도 및 인접지역에서 발생한 지진의 대 부분이 동북동-서남서 방향의 수평적인 압축력에 의 한 역단층 혹은 역단층을 수반하는 주향이동단층임 을 제시하였다. 한편, Choi et al. (2007)은 제4기 지 층에 대한 단층구조분석을 통해 제4기 지구조 사건 동안 북서-남동 내지 서북서-동남동 방향의 압축력 에 의한 단층작용 사건이 인지됨을 보고한 바 있다. 이들은 이를 통해 히말라야 지구조구(동북동-서남 서 방향의 압축력)뿐만 아니라 필리핀해 지구조구 또한 제4기 동안 한반도에 영향을 미친 것으로 해석 하였다.. Fig. 11. Earthquake distribution around the Seongryu Cave (data from Kang and Baag, 2004; Kang and Shin, 2006; Kim et al., 2006; Jun and Jeon, 2010). The focal mechanisms of the relatively large earthquakes show strike-slip faulting with thrust slip component and the direction of the maximum principal stress was estimated as ENE-WSW..
(12) 236. 최진혁․고경태․김재윤․김영석. 성류굴 내 변위된 석주들은 주로 북북동-남남서 방향의 주향과 30° 미만의 경사를 보이는 단층면을 따라 역단층 운동을 하였음을 지시한다. 이들의 주 향과 운동감각은 동굴생성물의 파괴가 서북서-동남 동 방향의 최대주응력 및 수직방향의 최소주응력이 작용한 응력체계와 관련이 있음을 시사한다. 다른 동굴생성물의 파괴특성 또한 이를 뒷받침하는데, 종 유석과 석주에서 관찰되는 절단면이 대부분 수평에 가까운 저각의 경사를 보이고 있다는 점과 동굴커튼 에서 관찰되는 두 단열군의 경사 역시 20° 내외의 저 각을 보인다는 점이다. 따라서 비록 파괴된 동굴생 성물의 기하학적 특성은 이들이 특정 응력체계에서 의 단층작용 사건(고지진)과 관련이 있을 수 있음을 지시하나, 이들이 파괴된 시기에 대한 정보는 향후 보 다 많은 자료수집과 분석을 통해 밝혀질 것으로 기 대된다. 5.2 매화단층 및 구산단층과의 연관성. 동굴생성물의 성장 및 파괴특성은 동굴의 인접지 역에 발달하고 있는 단층에 대한 단층운동 및 단층을 따른 유체이동 특성과 같은 유용한 정보를 제공할 수 있다(e.g., Kagan et al., 2005; Kim and Sanderson, 2010). 특히, 동굴생성물의 파괴특성은 인접 단층을 따른 단층운동(지진)에 대한 발생시기 및 규모 등의 정보를 제공하며, 이는 고지진학적 해석에 큰 도움 을 줄 수 있다. 따라서 성류굴 주변에 발달하고 있는 단층들에 대한 자료수집 및 야외지질조사를 실시하 여 이들이 성류굴의 발달 및 동굴생성물의 파괴특성 과 어떠한 관련성을 보이는지 알아보고자 하였다. 이를 위해 주변지역의 단층들 중 비교적 큰 규모를 보이는 매화단층과 제4기 단층운동이 확인된 구산 단층에 대해 중점적으로 조사하였다. 매화단층은 성류굴 서측의 매화천을 따라 관찰되 는 약 27 km 연장의 남-북 내지 북북동-남남서 방향 의 선형구조로부터 확인되었다(Jin et al., 2010). 이 단층은 비교적 뚜렷한 일직선상의 선형구조, 단층대 노두에서 높은 밀도로 관찰되는 남-북 방향의 수직 단열군, 그리고 추정되는 지질경계로부터 주로 좌수 향 주향이동단층운동을 겪었을 것으로 판단된다. 구산단층은 수직의 도로사면에 노출되는 단층으 로 N30°E/55°SE의 태위를 보이며, 부정합면 상위 에 퇴적된 제4기 하안단구층을 절단하는 제4기 단층. 이다. 기반암을 관통하는 단층면상에서는 좌수향 주 향이동단층운동을 지시하는 24°→220°의 단층조선 이 우세하고, 단층노두 상에서 관찰되는 제4기 퇴적 층의 겉보기 수직변위는 약 25 cm이다. Kang et al. (2009)은 이 단층을 따른 제4기 단층운동에 대해 우 수향 주향이동 성분과 역단층 성분을 포함하는 사교 단층임을 제안하였다. 한편 구산단층에 의해 절단되 는 하안단구층 및 단층비지에서 측정된 연대결과를 기초로 할 때, 구산단층은 지금으로부터 약 40만년 이내에 최소 2번의 단층활동이 있었음이 보고되었 다(Kang et al., 2009; Jin et al., 2010). 비록 매화단층 및 구산단층을 따른 단층운동과 성류굴 내 파괴된 동굴생성물의 연관성에 대한 명확 한 해석은 어려우나, 이들 단층자료를 종합하여 추 론할 수 있는 사실은 다음과 같다. 매화단층의 발달 특성 및 기반암을 관통하는 구산단층의 단층면 상에 발달하는 단층조선은 이 지역에서 남-북 내지 북북 동-남남서 방향의 주향이동단층이 우세하였음을 간 접적으로 지시한다. 이는 성류굴 주변지역에서 우세 하게 관찰되는 선형구조군의 방향과 일치한다(그림 2c). 특히, 구산단층은 비교적 신기에 단층운동을 겪 었음을 보여주고 성류굴의 주방향과 평행하게 발달 되어 있다. 매화단층과 구산단층을 통하여 연구지역의 지체 구조 및 고지진 특성을 파악하기에는 이들의 단층자 료가 매우 부족한 것은 사실이다. 그러나 이들 두 단 층이 성류굴 주변에서 확인되는 대규모 또는 제4기 단층임을 감안한다면, 성류굴 내 동굴생성물의 파괴 를 유발시킨 고지진과 밀접한 관련이 있을 가능성을 배제할 수 없으므로, 이를 밝히기 위해서는 보다 다 양한 방법을 통한 면밀한 연구가 필요할 것으로 판 단된다. 5.3 앞으로의 연구 방향. 동굴생성물을 이용한 연구의 장점 중 하나는 안 정동위원소 고해상도 기록을 통해 정확한 연대측정 이 가능하다는 것이다(e.g., Richards and Dorale, 2003; McDermott, 2004; Jo and Woo, 2008). 특히 고지진학적 관점에서 이러한 연대측정의 정밀성은 고지진의 발생시기 및 재발주기 등을 추론하는데 매우 중요한 역할을 할 수 있다(e.g., Kagan et al., 2005). 파괴된 동굴생성물로부터는 파괴이전 부분과 파괴.
(13) 석회동굴 내 동굴생성물의 파괴특성을 이용한 고지진 연구: 경북 울진 성류굴의 예. 이후의 재성장 부분에 대한 연대측정결과를 획득함 으로써 고지진 발생시기를 유추할 수 있으며, 동굴 바닥면에서의 시추를 통해 파괴된 동굴생성물의 파 편을 포함하는 퇴적기록 분석을 바탕으로 고지진의 발생횟수 및 재발주기에 대한 접근이 가능하다 (Kagan et al., 2005). 성류굴에서 관찰되는 파괴된 동굴생성물의 특징 중 하나는 비록 다양한 형태이기는 하나 동굴생성물의 재성장이 확인된다는 점이다. 종유석의 절단면에서 새롭게 성장하는 소규모 종유석, 기울어진 석순을 피복하는 수직방향의 재성장, 그리고 동굴커튼 상에 발달하는 단열을 따른 돌출된 형태의 재성장 구조가 이러한 예가 될 수 있으며, 낙반 내지 파괴된 석순 위 에 새롭게 성장한 소규모 석순 등이 관찰된다(그림 4d, 4e). 따라서 추후 연구에서 연대측정결과를 포함한 동굴생성물 파괴특성 분석 및 이를 통한 고지진과의 명확한 상관성 해석이 필요할 것으로 판단된다. 성류굴 내 동굴생성물의 파괴형태뿐만 아니라 파 괴 및 재성장 시기에 대한 자료를 획득한다면 보다 명확한 고지진 자료를 확보할 수 있을 것으로 판단 된다. 물론 다양한 고지진학적 연구 자료가 종합적 으로 검토되어야 하겠지만, 이러한 추후 연구는 매 화단층과 구산단층을 비롯한 동굴 주변의 단층에 대 한 신기단층운동 해석에 큰 도움을 줄 것이며, 나아 가 한반도 지체구조를 해석하고 논의하는데 유용하 게 활용될 수 있을 것이다.. 6. 결 론 석회동굴 내 동굴생성물의 파괴특성을 이용한 고 지진과의 상관성을 알아보고자 경북 울진군의 성류 굴을 중심으로 동굴조사를 실시하였다. 서로 다른 종류의 동굴생성물인 종유석, 석순, 석주, 그리고 동굴 커튼에 대한 파괴 및 재성장 형태를 분석하였으며, 이를 바탕으로 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 1) 종유석은 주로 수평에 가까운 절단면에 의해 하단부가 낙하되어 있는 파괴형태를 보이고, 일부는 이 절단면에서 새롭게 성장하는 특성이 관찰되며, 이들의 파괴원인은 인간 활동 및 고지진과 같은 자 연적인 힘에 의한 것으로 추정된다. 2) 석순은 대체로 기울어진 파괴특성을 보이며, 이들의 기울어진 방향과 각도는 주로 동쪽으로 약. 237. 20° 내외이다. 일부 석순은 재성장한 동굴생성물에 의해 피복되어 있는데, 이는 석순이 동굴퇴적물의 침식 혹은 고지진과 같은 원인에 의해 기울어진 후 지 속된 유체의 공급으로 인해 형성된 것으로 추정된다. 3) 석주의 경우 절단되거나 어긋난 형태의 파괴특 성을 보이는데 이들에서 관찰되는 단층은 보통 북북 동-남남서 방향의 주향과 30° 미만의 저각인 경사를 보이며, 역단층성 단층운동을 겪었음이 확인된다. 4) 동굴커튼 상에는 다수의 소규모 단열이 발달하고 있으며, 단열을 따른 동굴생성물의 재성장으로 인하 여 돌출된 형태를 보인다. 이들 단열은 모두 20° 내외 의 저각인 경사를 보이며, 크게 두 단열군(N60°E~E-W 와 N30°~50°W)으로 분류된다. 5) 각각의 동굴생성물 종류에 따라 매우 규칙적인 파괴형태가 관찰되고, 단층 및 단열의 태위를 비롯 한 일부 특성은 동굴생성물의 종류에 무관하게 일관 성 있게 관찰된다. 6) 비록 이러한 동굴생성물 파괴들이 인간 활동 및 동굴퇴적물의 침식과 같은 다른 요인에 의해 발 생할 수 있으나, 석주가 보이는 변위특성을 비롯한 규칙적인 동굴생성물의 파괴특성들은 이들 동굴생 성물이 단층작용과 같은 자연적인 힘에 의해 파괴되 었을 가능성을 뒷받침하며, 고지진과 연관된 것으로 추정된다. 성류굴 내 동굴생성물의 파괴형태로부터 유추할 수 있는 파괴특성 및 원인은 성류굴 주변지역의 지 체구조 및 고지진 특성과 잘 일치하는 양상을 보이 며, 이를 검증하기 위해서는 추후 동굴생성물에 대 한 연대측정 등과 같은 추가적인 정밀한 연구가 필 요할 것이다. 본 연구는 국내에서는 처음으로 시도 된 석회동굴의 동굴생성물을 이용한 고지진학적 연 구로서 추후 이 분야가 국내 고지진학 및 지진재해 연구에 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 더불어 파 괴된 석조문화재 및 천연동굴과 같은 천연문화재가 파괴된 형태로 잘 보존되어 있다면 이러한 고지진학 적 연구에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이다.. 사 사 이 논문은 2011년 국토해양부의 재원으로 한국해 양과학기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구임(연 안지질 위험요소 연구). 이 연구를 위해 많은 조언을.
(14) 238. 최진혁․고경태․김재윤․김영석. 해주신 한국동굴연구소의 김련 부소장님과 동굴조 사에 적극적으로 협조해주신 울진군의 관계자 여러 분들께 진심으로 감사를 드린다. 또한 이 논문의 심 사과정에서 꼼꼼한 검토와 건설적인 조언을 통해 논 문의 질적 향상에 많은 도움을 주신 우경식 교수님 과 강희철 박사님께 깊은 감사를 드린다.. 참고문헌 Ahn, U.S. and Hwang, S.K., 2008, Interpretation of Formation and Growth Processes of Manjang Lava Tube through Detailed Surveying with Electronic Total Station. Journal of the Geological Society of Korea, 44, 657-672 (in Korean with English abstract). Ambraseys, N.N., 1973, Earth sciences in archaeology and history. Antiquity, 47, 229-230. Ambraseys, N.N., 2006, Earthquakes and archaeology. Journal of Archaeological Science 33, 1008-1016. Cadorin, J.F., Jongmans, D., Plumier, A., Camelbeeck, T., Delaby, S. and Quinif, Y., 2001, Modelling of speleothems failure in the Hotton cave (Belgium): Is the failure earthquake induced?. Netherlands Journal of Geosciences / Geologie en Mijnbouw, 80, 315-321. Caputo, R. and Helly, B., 2005, Archaeological evidences of past earthquakes: a contribution to the Sha of Thessaly, central Greece. Journal of Earthquakes Engineering, 9, 199-222. Cave Research Institute of Korea, 2007, Scientific investigation of the Seongnyu Cave, Uljingun, Gyeongsangbukdo, Korea. 28-163 pp (in Korean with English abstract). Choi, B.Y., Lee, H.-K. and Chwae, U., 2007, Tectonic 'aggression and retreat' in the Quaternary tectonics of southern Korea. Journal of the Geological Society of Korea, 43, 415-425 (in Korean with English abstract). Choi, D.W., Woo, K.S., Kim, L., Kim, T.H., Kong, D.Y. and Kil, Y.-W., 2010, Origin of the boxwork in Ondal Cave (Natural Monument No. 261), Korea. Journal of the Geological Society of Korea, 46, 1-11 (in Korean with English abstract). Choi, D.W., Woo, K.S. and Lee, K.C., 2005, Opal cave corals in the lava tubes in Jeju Island, Korea: Implications for local paleoenvironmental change. Journal of the Geological Society of Korea, 41, 465-480 (in Korean with English abstract). Decker, K., Gangl, G. and Kandler, M., 2006, The earthquake of Carnuntum in the fourth century AD-archaeological result, seismologic scenario and seismotectonic implications for the Vienna Basin fault, Austria. Journal of Seismology, 10, 479-495.. Franke, H.W., 1965, The theory behind stalagmite shapes. Studies in Speleology, 1, 89-95. Im, B.R., Kim, J.-H. and Lee, K.-M., 2003, Geologic structures around Geunnam and Wonnam-myeon, Uljin-gun: about what is called Janggun Limestone. 2007 Fall Joint Annual Conference of The Geological Societies in Korea (Abstract), Chuncheon, October 25-26, 11 p (in Korean). Ji, H.S., Woo, K.S., Jo, K.N., Cheng, H., Edwards, R.L. and Yi, S.H., 2011, Paleoclimatic reconstruction of the past 300 years using textural data of the YC-2 stalagmite from the Yongcheon Cave on Jeju Island, Korea. Journal of the Geological Society of Korea, 47, 139-153 (in Korean with English abstract). Jin, K., Kim, Y.-S. and Shin, H.J., 2010, Neotectonics of the Uljin area in Gyeongbuk. 2010 Fall Joint Annual Conference of The Geological Societies in Korea (Abstract), Gyeongju, October 27-30, 57 p (In Korean). Jin, K., Lee, M. and Kim, Y.-S., 2009, Geological study on the collapse of a carved stone Buddaha statue in Yeolam valley of Namsan, Kyeongju, Korea. Journal of the Geological Society of Korea, 45, 235-247 (in Korean with English abstract). Jin, K., Lee, M., Kim, Y.-S. and Choi, J.-H., 2011, Archaeoseismological studies on historical heritage sites in the Gyeongju area, SE Korea. Quaternary International, 242, 158-170. Jo, K.N. and Woo, K.S., 2008, Paleoclimatic investigations using speleothems: State of the art and future perspectives. Journal of the Geological Society of Korea, 44, 93-104 (in Korean with English abstract). Jo, K.N., Woo, K.S., Hong, G.H., Lee, H.M. and Suk, B.C., 2006a, Geochemical study of the five-year old soda straw in Seopdong Cave, Korea: Implications and validity as a paleoclimatic proxy. Journal of the Geological Society of Korea, 42, 607-624 (in Korean with English abstract). Jo, K.N., Woo, K.S., Kim, J.C., Yang, D.Y., Edwards, R.L., Cheng, H. and Wang, Y.J., 2006b, Paleoclimatic implications recorded in the late Pleistocene stalagmite, Eden Cave, Danyang, Korea. Journal of the Geological Society of Korea, 42, 127-142 (in Korean with English abstract). Jun, M.-S. and Jeon, J.S., 2010, Focal Mechanism in and around the Korean Peninsula. Jigu-Mulli-wa-MulliTamsa, 13, 198-202 (in Korean with English abstract). Kagan, E.J., Agnon, A., Bar-Matthews, M. and Ayalon, A., 2005, Dating large infrequent earthquakes by damaged cave deposits. Geology, 33, 261-264. Kang, H.C., Ree, J.-H., Seong, Y.B. and Kimm, H.-S., 2009, Characteristics and ages of the Gusan fault in the northest part of the Yangsan fault. 2009 Summer.
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