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문제 정의
- 본 연구에서는 단층점토의 일라이트 폴리타입의 광물학적 정량분석과 K-Ar 연대측정을 통해 단층의 활동 및 재활동연대를 직접적인 방법을 통해 결정할 수 있음을 성공적으로 제시하였다. 특히 한반도의 주요 지구조선인 추가령단층대에 대한 직접적인 단층 재활동 연대를 상세히 결정함으로써, 후기 백악기부터 제3기에 걸쳐 일어난 불국사조산운동과 한반도 지구조진화 연구에 대한 보다 구체적인 연대정보를 제공할 수 있을 것이다.
- 본 연구에서는 한반도 중부지역에서 제4기까지 단층활동이 이어진 추가령단층대 내 단층인 신갈단층과, 추가령단층(대광리단층)과 평행하게 발달된 왕숙천단층의 단층점토에 대한 입도별 일라이트 폴리타입 정량분석과 K-Ar 연대측정 결과의 IAA법 적용, 해석을 통해 백악기 이 후 추가령단층대 단층 재활동 절대연대를 결정하고, 결정된 연대의 지구조적 의미를 논의하고자 한다.
제안 방법
- <0.1 µm 입도구간 원심분리 혼탁액에 대해서는 NaCl 포화용액을 가하여 1일정도 응집 침강시켜 부피를 최소화 한 후 투석(Dialysis) 법을 이용하여 NaCl 이온을 제거하였다.
- STB-1-9, STB8-14 및 KS-1 단층점토는 입도별 시료를 분석하였으나, 2M1 일라이트 만을 함유한 WSC-8 시료의 경우 0.4~1.0 µm 입도에 대해서만 분석하였다.
- 본 연구에서 결정한 단층활동 연대와 대상지역과 연관된 추가령단층대 대광리단층에서 결정된 단층활동연대(Song et al., 2014) 및 화성암체 연대를 정리하여 비교하였다(Fig. 8). 단층활동연대 비교에서 몇 가지 뚜렷한 특징이 확인된다.
- 비교 정량하는 방법은 각 step당 이론값과 실측값의 상대적 일치정도((Σ|이론값−측정값|/이론값)/n×100, R%), 즉 백분율 차이의 평균이 최소값이 될 때까지 뉴턴법을 이용하여 R% 값이 최대 10% 이내로 최소화함으로써 그 신뢰도를 정량적으로 제시하였다(Chung et al., 2013).
- 일라이트 폴리타입 정량분석 결과와 K-Ar 연대측정 결과를 40Ar/K과 일차함수 관계인 eλt −1에 대한 일라이트 내 2M1 펄리타입 상대함량의 정량 분석 결과를 도시하여 혼합연대 해석(Illite-Age-Analysis, IAA)을 시도하였다(Figs. 6, 7).
- 일라이트 폴리타입 정량분석 과정은 Mo-target으로 2° ~50° 2θ, 0.01° 단계검출(step scanning) 조건에서 측정된 XRD자료를 CMPR 프로그램이 지원하는 선형 내사법을 통해 Cu-target, 0.02° 단계검출 조건의 피크강도 값으로 변환하여 일라이트 폴리타입 관련 피크들이 관찰되는 15° 에서 40° 사이의2θ 각도구간을 대상으로 이루어졌다.
- 미세관 내 시료의 충진을 돕기 위해 약간의 에탄올에 시료를 녹여 막자와 막자사발로 갈아서 시료를 준비하였다. 일반적으로 점토광물은 X-선 회절패턴을 얻을 시 일정정도 정방위(Preferred orientation) 상태가 되는데, 이를 막기 위한 방법으로 back-packing 및 side-packing 기법 등이 알려져 있으나, 본 실험에서는 Micro-focused multi-purpose (cone focal) XRD와 capillary, 2-D image plate를 이용하여 극소량의 시료만으로 미세관을 회전시키며 회절패턴을 얻는 방식을 사용함으로써, 부정방위(Random orientation) 상태를 극대화하였다. 이는 일라이트 폴리타입 정량분석 과정 시의 오차를 최소화하는 효과를 제공한다.
- 채취된 4개 시료에 대해서 약 40 g을 NaHCO3(pH 10) 용액에 넣어 혼탁액을 1~2일 동안 교반한 후 원심분리방법을 이용하여 <0.1 µm, 0.1 µm~0.4 µm, 0.4 µm ~1.0 µm, 1.0~2.0 µm 구간에 대하여 입도분리하였다.
- 반투과성 투석 막을 통한 확산은 온도에 비례한 속도 값을 가지므로 60°C 오븐을 사용하고 물의 교환은 6시간 이상의 간격을 택하였다. 투석의 완료는 질산은 수용액을 이용하여 염화은 불용성염 생성 여부를 통해 결정하였다. 나머지 입도구간 시료에 대해서는 증류수에 잘 풀어내어 원심분리기에서 4000 rpm으로 1시간 16분 가동하고 상등액을 버리는 방법을 약 3회 수행하여 NaHCO3를 씻어내었다.
대상 데이터
- 8 mm의 외경을 가진 붕소(boron) 미세관(capillary, Charles-supper社)을 이용하였다. 미세관 내 시료의 충진을 돕기 위해 약간의 에탄올에 시료를 녹여 막자와 막자사발로 갈아서 시료를 준비하였다. 일반적으로 점토광물은 X-선 회절패턴을 얻을 시 일정정도 정방위(Preferred orientation) 상태가 되는데, 이를 막기 위한 방법으로 back-packing 및 side-packing 기법 등이 알려져 있으나, 본 실험에서는 Micro-focused multi-purpose (cone focal) XRD와 capillary, 2-D image plate를 이용하여 극소량의 시료만으로 미세관을 회전시키며 회절패턴을 얻는 방식을 사용함으로써, 부정방위(Random orientation) 상태를 극대화하였다.
- 본 연구의 대상 단층은 추가령단층대 연장선의 남단에 위치한 신갈단층과 단층대 우측에 위치한 왕숙천단층이다. 신갈단층은 경기육괴 내 연천-포천-의정부-서울-평택에 이르는 추가령단층의 연장선상의 단층으로, 남북방향의 뚜렷한 선구조로 나타난다(KIGAM, 2002).
- 본 연구의 대상 단층인 신갈단층 및 왕숙천단층으로부터 각각 2개 시료씩, 총 4개의 단층점토 시료를 채취하였다. 신갈단층 2개 시료는 Kwon et al.
- 7093Å)이다. 분석에는 0.6 mm내경에 0.8 mm의 외경을 가진 붕소(boron) 미세관(capillary, Charles-supper社)을 이용하였다. 미세관 내 시료의 충진을 돕기 위해 약간의 에탄올에 시료를 녹여 막자와 막자사발로 갈아서 시료를 준비하였다.
- 왕숙천단층 시료는 강원도 철원군 서면 사곡리(WSC-8, N38° 15' 09.9'', E127° 26' 44.3'') 및 경기도 포천시 일동면 기산리(KS-1, N37° 57' 16.6'', E127° 19' 44.8'') 지점으로부터 채취하였다.
데이터처리
- 6, 7). 도시 결과, 모든 시료에서 뚜렷한 일차함수 관계를 보이며, 따라서 일차회귀분석을 통해 얻은 일차함수식을 이용하여 2M1 일라이트 함량이 0% 및 100% 절편값으로 부터 순수 1M/1Md 및 2M1 일라이트 연대를 결정하였다 (Figs. 6, 7)(Pevear, 1992, 1999; Grathoff and Moore, 1996; van der Pluijm et al., 2001).
이론/모형
- 연대 및 오차 값은 Itaya et al.(1991)의 방법을 따라 계산되었다.
- 2008)을 개선하여 정확도를 높인 Chung et al.(2013)이 제시한 Full-pattern-fitting(FPF)법을 사용하였다. FPF법은 부정방시료의 XRD자료를 이용하여 Cu-target 대상 22°에서 33° 2θ간격의 피크를 대상으로 WILDFIREⓒ 시뮬레이션(Reynolds, 1994)을 통해 결정한 2M1, 1M 및 1Md 폴리타입 X-선 회절패턴의 혼합비(상대적 함량) 및 scale factor를 변수로 하여 실측된 X-선 회절패턴과의 최적 일치 값을 찾는 방법으로 실행되었다.
- 4. Random-oriented micro-focused XRD results for all size fractions of KS-1 fault clay samples and illite-polytype quantification results for each size fraction of the fault clay using full-pattern-fitting method. (a) <0.
- 2. Random-oriented micro-focused XRD results for all size fractions of STB-1-9 fault clay samples and illite-polytype quantification results for each size fraction of the fault clay using full-pattern-fitting method. (a) <0.
- 3. Random-oriented micro-focused XRD results for all size fractions of STB-8-14 fault clay samples and illite-polytype quantification results for each size fraction of the fault clay using full-pattern-fitting method. (a) <0.
- Total K 함량은 원자흡광분석기(Atomic Absorption Spectroscopy)를 이용하여 2회 반복 측정을 통해 ±2% 이내의 오차 값을 갖도록 분석하였으며, 방사성 40Ar은 이방성 희석방법(Anisotopic dilution method)을 적용, 질량분석기를 이용하여 분석하였다.
- 입도분리 시료에 대한 X-선 회절분석(X-ray diffractometry)은 RIGACU사의 Micro-focused Multi-purpose X-ray Diffractometer System (VariMax-007HF M, Mo-target, Imaging Plate Detector)을 이용하였다. 이 X-선 회절분석기는 Image plate상 나타나는 Debye cone을 이용한 2-D image processing을 지원하고, X-선의 타깃 금속은 Mo-Kα(λ=0.
- 입도분리시료의 K-Ar 연대측정은 오카야마 이과대학(Okayama University of Science)의 K-Ar 질량분석연구실에서 Total K 함량과 방사성(radiogenic) 40Ar 함량을 측정함으로써 이루어 졌다. Total K 함량은 원자흡광분석기(Atomic Absorption Spectroscopy)를 이용하여 2회 반복 측정을 통해 ±2% 이내의 오차 값을 갖도록 분석하였으며, 방사성 40Ar은 이방성 희석방법(Anisotopic dilution method)을 적용, 질량분석기를 이용하여 분석하였다.
성능/효과
- 2) 및 STB-8-14(Fig. 3) 시료 모두에서 입도가 증가함에 따라 2M1 일라이트 피크가 뚜렷하게 강해지는 경향을 보이며, 전형적인 1M 일라이트 피크는 뚜렷하지 않으며, 1Md 일라이트에 의한 피크 broadening이 세립질 입도에서 뚜렷해진다. STB-1-9 시료에서는 일라이트 외에 소량의 석영, 카올린나이트, 녹니석 및 K-장석이 나타난다.
- 단층점토에 대한 일라이트 혼합연대 해석(IAA) 결과에서 나타나는 가장 뚜렷한 결과는 K-Ar 연대값과 2M1 폴리타입 상대함량 사이에 뚜렷한 양(+)의 일차 함수관계(r2=0.99) (Figs. 6, 7)를 보이는 것이다. 특히 STB-1-9 시료에서는 소량의 K-장석이 존재함에도 불구하고, 일차함수관계가 뚜렷한 것은 그 함량이 세립질 입도 구간으로 가면서 일정 비율로 감소하고, 또한 그 함량이 낮기 때문인 것으로 판단된다.
- 이는 후기 백악기에 추가령단층대를 따라 비교적 큰 규모의 단층을 재활동시킨 지구조운동이 있었음을 지시한다. 둘째, 현재까지 해석된 추가령단층대를 따라 단층활동의 산물로 생성된 1M/1Md 일라이트 연대가 약 87 Ma 이 후의 값을 보이고 있다. 대광리단층의 경우 모암인 동막골 응회암이 열수변질작용을 받아 기질 및 공극에 침전된 일라이트가 모두 1M 폴리타입이며, 이 연대 또한 87.
- 0 µm 구간에 대하여 입도분리하였다. 모든 입도분리과정에 NaHCO3 용액을 사용하여 미세입자들의 이온결합을 약화시켜 뭉침을 방지함과 동시에 일라이트 내 교환 가능한 K를 제거함으로써 K-Ar 연대측정값의 오차요인을 최소화하였다. <0.
- 방사성 40Ar 값의 분석정밀도 (precision)와 정확도(Accuracy)는 Standard calibration 과정과 non-radiogenic 40Ar 측정값을 이용한 보정과정을 ±1% 이내로 측정되었다.
- 셋째, 신갈단층에서 27.2±0.51 Ma의 상대적으로 젊은 단층활동연대가 확인되었다.
- 첫째, 추가령단층대의 연장선인 신갈단층 활동연대 중 69.2±0.3 Ma 연대가 대광리단층의 활동연대 중 하나(69.1±0.6 Ma)와 일치하고 있다.
후속연구
- 이는 현재 추가령단층대에서 확인된 고기 재활동연대 중 가장 젊은 연대로, 단층재활동이 제3기까지 지속되어 왔음을 지시한다. 또한 대광리단층에서 최소 4회의 단층재활동이 7~11 Ma의 주기를 갖고 일어났음이 확인된 바, 신갈단층에서도 다수의 단층시료에 대한 추가적인 연대측정이 이루어진다면, 다수의 단층연대가 확인될 가능성이 높을 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 단층점토의 일라이트 폴리타입의 광물학적 정량분석과 K-Ar 연대측정을 통해 단층의 활동 및 재활동연대를 직접적인 방법을 통해 결정할 수 있음을 성공적으로 제시하였다. 특히 한반도의 주요 지구조선인 추가령단층대에 대한 직접적인 단층 재활동 연대를 상세히 결정함으로써, 후기 백악기부터 제3기에 걸쳐 일어난 불국사조산운동과 한반도 지구조진화 연구에 대한 보다 구체적인 연대정보를 제공할 수 있을 것이다.
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