[논문]경상분지 내 주요단층의 K-Ar 연대: 신생대 단층활동의 시·공간적 특성

송윤구; 심호; 홍성식; 손문

doi:10.9719/eeg.2019.52.5.449

경상분지 내 주요단층의 K-Ar 연대: 신생대 단층활동의 시·공간적 특성
K-Ar Age-dating Results of Some Major Faults in the Gyeongsang Basin: Spatio-temporal Variability of Fault Activations during the Cenozoic Era 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.52 no.5, 2019년, pp.449 - 457

송윤구 (연세대학교) , 심호 (연세대학교) , 홍성식 (연세대학교) , 손문 (부산대학교)

초록
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본 연구에서는 경상분지에 나타나는 주요 단층의 단층 gouge 대상으로 단층 gouge bulk 시료 및 선별시료의 $0.1{\mu}m$ 이하 입도시료를 대상으로 수행한 K-Ar 연대측정 결과를 제시하였다. 이 결과를 대상 시료의 광물학적 특성에 기초한 해석을 통해 단층의 활동시기를 해석하고, 기존의 단층 활동연대자료와 종합하여 신생대의 단층활동의 시 공간적 특성을 알아보고자 하였다. 대상시료의 광물학적 특성을 고려한 K-Ar 연대 측정값의 의미를 종합해 보면, 경상분지 주요 단층에서는 전기 신생대인 약 50 Ma 전후시기, 30 Ma 이 후 시기, 그리고 20 Ma 이 후 시기 등 최소 3차례의 단층활동이 있었던 것으로 해석할 수 있다. 양산단층은 공간적으로 단층 북단에서 단층활동 연대가 젊게 나타나는 경향을 보이고 있다. 오천단층 및 그 연계단층, 그리고 경주지역 지점 단층에서는 30 Ma 이 후 시기 및 20 Ma 이 후 시기의 단층활동이 집중되어 나타나고 있다. 이는 보다 정밀한 단층 활동연대를 결정하는 혼합연대 결정법인 illite-age-analysis(IAA)법 적용을 통해 보완될 것이다. 본 연구와 같은 경상분지 내 주요 단층에 대한 복수의 단층 활동연대 결정은 신생대 시기의 한반도 동남부 지역의 지구조 진화모델 확립에 결정적인 정보를 제공할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

We present the K-Ar age-dating results of the bulk and the less than $0.1{\mu}m$ fraction of the fault gouges collected from some major faults in the Gyeongsang basin. We try to determine the timings of fault activation based on the mineralogical characteristics, and to interpret the spatio-temporal variability of the major fault events during the Cenozoic Era by considering together with the previous results. We propose at least the 3-times of major fault events at about 50 Ma, and just after 30 Ma and 20 Ma in the Gyeongsang basin, which were inferred from the combined approach of the K-Ar ages and the clay mineralogy of the bulk fault gouges and the <$0.1{\mu}m$ fractions. The fault activation timings of the Yangsan fault tend to be younger in the northern part than in the southern part. In particular, the inferred fault events just after 30 Ma and 20 Ma are mainly detected in the Ocheon fault and the related faults, and the fault in the Gyeongju area. The fault activation timings of the major faults can be revised accurately by using illite-age-analysis(IAA) method. These geochronological determinations of the multiple events of the major faults in the Gyeongsang basin are crucial to establish the tectonic evolution in the southeastern part of the Korean Peninsula during the Cenozoic Era.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Summary of the age-dating results for the faults occurred in the Gyeongsang basin. Geological map is modified from the map of KIGAM(1:1,000,000). The age-dating results collected from 1. KIGAM (2018), 2. Song et al. (2016), and 3. Sim et al. (2017). 4 is the sampling sites of this study. Blue color data are K-Ar age-dating results, red ones are ESR age results, and green ones are OSL age results.
그림 Fig. 2. Bulk XRD results of the representative fault gouges collected from some major faults in the Gyeongsang basin. Abbreviation: sm; smectite, qz: quartz, il; illite, kf; Kfeldspar, IS; illite-smectite interstratification, chl; chlorite, pl; plagioclase, lmn; laumontite, kal; kaolinite, pal; palygorskite, 1M; 1M polytype illite, 2M1; 2M1 polytype illite.
$Fig. 3. Bulk XRD results of the representative fault gouges for size fraction, collected from some major faults in the Gyeongsang basin. Abbreviations are the same as those in Fig. 2.$ 그림 Fig. 3. Bulk XRD results of the representative fault gouges for size fraction, collected from some major faults in the Gyeongsang basin. Abbreviations are the same as those in Fig. 2.
$Fig. 4. Random-oriented micro-focused XRD results for the less than 0.1 μm fraction of the fault gouges, collected from some major faults in the Gyeongsang basin. Na-sm indicates Na-saturated smectite. Other abbreviations are the same as those in Fig. 2.$ 그림 Fig. 4. Random-oriented micro-focused XRD results for the less than 0.1 μm fraction of the fault gouges, collected from some major faults in the Gyeongsang basin. Na-sm indicates Na-saturated smectite. Other abbreviations are the same as those in Fig. 2.
$Table 1. K-Ar age-dating results for the bulk and the less than 0.1 μm size fraction of the fault gouges, collected from some major faults in the Gyeongsang basin$ 표 Table 1. K-Ar age-dating results for the bulk and the less than 0.1 μm size fraction of the fault gouges, collected from some major faults in the Gyeongsang basin
그림 Fig. 5. Summary of the K-Ar age-dating results determined by this study and some previous studies for the major faults occurred in the Gyeongsang basin. Geological map is modified from the map of KIGAM(1:1,000,000). The K-Ar age-dating results collected from 1. Song et al. (2016) and 2. Sim et al. (2017).

AI 본문요약
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문제 정의

이 결과를 대상 시료의 광물학적 특성에 기초한 해석을 통해 단층의 활동시기를 해석하고, 기존의 단층 활동연대자료와 종합하여 신생대의 단층활동의 시·공간적 특성을 알아보고자 하였다.
이 결과를 대상 시료의 광물학적 특성에 기초한 해석을 통해 단층의 활동시기를 해석하고, 기존의 단층 활동연대자료와 종합하여 신생대의 단층활동의 시·공간적 특성을 알아보고자 하였다. 이를 통해 이후 수행될 IAA법 적용을 통한 정밀 단층활동연대 결정 연구에 기초 정보를 제공하고, 활성단층 특성 파악에 직접적인 정보를 제공하고자 하였다.

제안 방법

대부분의 시료에서 1 wt.% 내외의 K 원소를 함유하고 있어 K-Ar 연대측정을 실시하였다. K-Ar 연대측정은 오카야마 이과대학(Okayama University of Science)의 K-Ar 질량분석연구실에서 total K 함량과 방사성(radiogenic)⁴⁰Ar 함량을 측정함으로써 이루어졌다.
<0.1 μm 입도구간 원심분리 혼탁액에 대해서는 NaCl 포화용액을 가하여 약 1일 동안 응집 침강(flocculation)시켜 부피를 최소화한 후 투석 법(dialysis)을 이용하여 NaCl 이온을 제거하였다.
% 내외의 K 원소를 함유하고 있어 K-Ar 연대측정을 실시하였다. K-Ar 연대측정은 오카야마 이과대학(Okayama University of Science)의 K-Ar 질량분석연구실에서 total K 함량과 방사성(radiogenic)⁴⁰Ar 함량을 측정함으로써 이루어졌다. Total K 함량은 원자흡광분석기(atomic absorption spectroscopy)를 이용하여 2회 반복 측정을 통해 ±2% 이내의 오차 값을 갖도록 분석하였으며, 방사성 ⁴⁰Ar은 이방성 희석 방법(anisotopic dilution method) 을 적용, 질량분석기를 이용하여 분석하였다.
OC 시료를 제외한 3개 시료에서 약 12.6Å 회절선은 스멕타이트, 혹은 스멕타이트층 함량이 높은 IS 혼합층광물의 존재를 지시한다(Fig. 4).
단층 gouge bulk 시료에 대해서는 건조 후 분말화하여 Rigaku Miniplex II XRD system (Cu-Kα radiation) 을 이용하여 step-scan mode에서 0.02°step, 1 sec/step 의 측정시간 조건으로 2θ 2~60° 구간에서 X-선 회절 분석을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 경상분지에 나타나는 주요 단 층의 단층 gouge 대상으로 장시간이 소요되는 IAA법 적용에 앞서 예비단계로 gouge bulk 시료, 그리고 비교적 단층활동시기에 생성된 일라이트, 혹은 illitesmectite (IS) 혼합층광물의 상대함량이 높을 것으로 보이는 0.1 μm 이하의 극미립질 입도시료를 대상으로 K-Ar 연대측정을 수행하였다.
선별된 단층 gouge bulk 시료 8개 및 <0.1 μm 입 도구간 시료 7개에 대해서 SEM-EDS(energy dispersive spectroscopy, Oxford instruments, UK)을 이용하여 K 함량을 반정량하여 K-Ar 연대측정 가능 여부를 확인하였다.
입도분리 시료에 대한 X-선 회절분석(X-ray diffractometry)은 RIGACU사의 micro-focused multipurpose X-ray diffractometer system(VariMax-007HF M, Motarget, imaging plate detector)을 이용하였다. 이 X-선 회절분석기는 image plate상 나타나는 Debye cone을 이용한 2D-image processing을 지원하고, X-선의 타깃 금속은 Mo-Kα(λ=0.
투석 횟수는 약 5~7회이며, 매 투석마다 시료 부피의 10배 이상의 증류수를 이용하였다. 투석의 완료는 질산은 수용액을 이용하여 염화은 불용성염 생성 여부를 통해 결정하였다. 입도분리된 현탁액은 액체질소에 급속 냉 동 후 동결건조 하였다(Chung et al.

대상 데이터

본 연구에서는 경상분지 내 주요단층인 양산단층(5개 지점), 울산단층(2개 지점), 오천단층(1개 지점), 그리고 울산단층의 연계단층(2개 지점) 등 총 10개 지점으로부터 15개 단층 gouge 시료를 채취하였다(Fig. 1). 단층 gouge bulk 시료에 대해서는 건조 후 분말화하여 Rigaku Miniplex II XRD system (Cu-Kα radiation) 을 이용하여 step-scan mode에서 0.
7093Å)이다. 분석에는 0.5 mm직 경의 붕소 (boron) 미세관(capillary, Charles-supper Co.)을 이용하였다. 이 방법은 층형의 결정구조를 갖는 점토광물을 대상으로 또한 붕소 미세관과 2D-image plate를 이용하기 때문에 극소량의 시료만으로 회절패턴을 얻을 수 있어 입도분리 시 극소량인 <0.
현재까지 많은 연구자들에 의해 수행된 주요 단층의 단층활동연대, 혹은 활동연대를 추측 할 수 있는 연대정보가 KIGAM(2018)에 종합되어 있다. 종합된 자료에는 단층 gouge 대상 활성단층 여부를 판단하는 주요 정보인 ESR 연대와 제 4기 비고화 퇴적층의 퇴적시기를 제공하는 OSL 연대, 그리고, 이 전에 단층 gouge를 대상으로 결정된 K-Ar 연대자료들이 포함되어 있다. 이 자료와 함께 최근 결정된 양산단층 2개 지점의 IAA법 적용 연대(Song et al.

데이터처리

측정 된 X-선 분석 자료는 CMPR 프로그램이 지원하는 선형 내사법을 통해 Cu-target, 0.02° 단계검출 조건의 피크 강도 값으로 변환되었다(Song et al., 2014; Chung et al., 2014; Klulganakhuu et al., 2015).

이론/모형

연대 및 오차 값은 Itaya et al.(1991)의 방법을 따라 계산되었다.
Total K 함량은 원자흡광분석기(atomic absorption spectroscopy)를 이용하여 2회 반복 측정을 통해 ±2% 이내의 오차 값을 갖도록 분석하였으며, 방사성 40Ar은 이방성 희석 방법(anisotopic dilution method) 을 적용, 질량분석기를 이용하여 분석하였다.

성능/효과

0.1 μm 이하로 입도분리 시료에서는 bulk X-선 회절분석에서 소량 나타나는 것으로 확인된 K-장석이 모든 시료에서 나타나지 않는 것으로 보아 입도분리 과정을 통해 거의 제거되었음을 알 수 있다.
2). 14~15.5Å d-pacing의 회절선 을 갖는 광물로는 KJ 및 YH 시료에서는 녹니석이, JH, MD 및 TR 시료에서는 스멕타이트가 각각 나타나는데, 이 중 스멕타이트는 15Å 내외의 d-spacing 회절선을 갖는 것으로 보아 약간의 일라이트 층을 갖는 IS 혼합층광물일 가능성이 높은 것으로 보인다(Fig. 2). 일라이트는 KJ 시료와 TR-1, 2 및 4 시료(Table 1)에서 소량 나타나며, YH 시료에서는 약 11Å의 d-spacing을 갖는 일라이트층 함량이 높은 IS 혼합층광물 이 나타난다.
2와 3에 제시하였으며, 주구성광물 을 Table 1에 요약하였다. Bulk 시료만으로 연대측정을 실시한 시료의 X-선 회절분석 결과, TR-3 시료를 제외한 모든 시료에서 뚜렷한 석영 회절선이 확인되며, KJ 시료에서는 상당량의 사장석이, 그리고 MD 및 TR-3 시료에서는 소량의 K-장석이 함유되어 있는 것으로 나타난다(Fig. 2). 14~15.
K-Ar 연대측정은 대부분의 시료에서 100~200 μg 내외의 양으로 측정하였고, 모든 결과가 최대 오차인 3.3%(PR <0.1 μm 시료) 이내의 오차범위 내에서 비교적 정확하게 측정되었다.
3). OC 시료에서는 카올린나이트가, WA 시료에서는 뚜렷한 14.2 및 7,1Å의 회절선의 녹니석이 확인되며, PR 시료에서는 특징적으로 팔리고스카이트(palygorskite) 광물이 매우 높은 함량을 갖는 것으로 나타난다(Fig. 3). 10Å d-spacing의 일라이트는 OC, PR 및 UY-2 시료에서 소량 확인되고 있다(Fig.
따라서 TR 시료에 함유된 일라이트가 특정 연대를 갖는지 여부와 정확한 단층 활동연대는 추가적인 입도분리 및 혼합연대 해석 연구가 있어야 가능할 것으로 보인다. TR-3의 일라이트 함량이 거의 없는 시료, 그리고 일라이트 함량을 달리하는 나머지 시료 모두에서 K-Ar 연대측정 분석이 성공적으로 이루어진 점으로 볼 때, 이 들 시료의 스멕타이트는 소량의 일라이트층이 함유된 IS 혼합층광물의 가능성이 높고, 그 생성은 32 Ma 이후의 단층활동의 결과로 이루어졌을 것으로 판단된다. 다른 지점의 단층 gouge bulk 시료 또한 31.
1 μm 이하로 입도분리 시료에서는 bulk X-선 회절분석에서 소량 나타나는 것으로 확인된 K-장석이 모든 시료에서 나타나지 않는 것으로 보아 입도분리 과정을 통해 거의 제거되었음을 알 수 있다. 또한 micro-focused X-선 회절분석 결과에서 2M1 일라이트 폴리타입 (hkl) 회절선이 확인되지 않는 것으로 보아 K-Ar 연대측정의 대상광물은 주로 IS 혼합층광물과 1M/1Md 폴리타입 일라이트인 것으로 판단된다(Fig. 4), 따라서 입도분리 시료의 K-Ar 연대측정 값은 단층의 활동연대에 매우 근접한 연대로 해석할 수 있다. OC, PR 및 WA 지점에서 결정된 19.
본 연구에서 수행한 광물학적 특성에 기초한 단층 gouge bulk 시료 및 0.1 μm 이하 입도구간 시료 대 상 K-Ar 연대측정 결과는 대상단층에서 전기 신생대인 약 50 Ma 전후시기, 30 Ma 이 후 시기, 그리고 20 Ma 이 후 시기 등 최소 3차례의 단층활동이 있었을 가능성을 제공해 주고, 양산단층 및 오천단층의 공간적 단층활동 특성에 대한 매우 유의미한 결과를 제공 해 주었다.
4 Ma 연대(Table 1) 를 보이는 것은 TR-3 시료에는 함유되지 않은 일라이트의 존재에 기인하는 것으로 해석할 수 있을 것이다. 일라이트 함량이 상대적으로 높아 보이는 TR-1과 2 시료의 연대가 TR-4 보다 약 10 Ma 정도 오래된 연 대 값을 보이는 것 또한 상대적인 일라이트 함량 차이 에 기인할 가능성이 매우 클 것으로 판단된다. 따라서 TR 시료에 함유된 일라이트가 특정 연대를 갖는지 여부와 정확한 단층 활동연대는 추가적인 입도분리 및 혼합연대 해석 연구가 있어야 가능할 것으로 보인다.
입도분리 대상 단층 gouge의 bulk X-선 회절분석 결과, 모든 시료에서 석영과 소량의 K-장석, 혹은 사장석이 함유되어 있으며, SR 시료를 제외한 대부분의 고령석이 소량 확인되었다(Fig. 3). 대부분의 시료에서 뚜렷한 14~15.
5 Ma의 K-Ar 연대는 백악기 후기에서 전기 신생대로, 최소한 이 연대보다는 이 후 의 지각운동 시기를 지시한다. 특히 UY-3 시료에 1M 과 2M1 일라이트 폴리타입이 함유된 것으로 보아 혼합연대 해석이 가능하며, 따라서 60 Ma 보다는 상당히 젊은 약 50 Ma 전후로 단층활동이 있었을 가능성이 매우 높다, 위에서 언급한 대상시료의 광물학적 특성을 고려한 K-Ar 연대 측정값의 의미를 종합해 보면, 본 연구의 대상단층에서는 전기 신생대인 약 50 Ma 전후시기, 30 Ma 이후 시기, 그리고 20 Ma 이후시기 등 최소 3차례의 단층활동이 있었던 것으로 해석 할 수 있다.

후속연구

일라이트 함량이 상대적으로 높아 보이는 TR-1과 2 시료의 연대가 TR-4 보다 약 10 Ma 정도 오래된 연 대 값을 보이는 것 또한 상대적인 일라이트 함량 차이 에 기인할 가능성이 매우 클 것으로 판단된다. 따라서 TR 시료에 함유된 일라이트가 특정 연대를 갖는지 여부와 정확한 단층 활동연대는 추가적인 입도분리 및 혼합연대 해석 연구가 있어야 가능할 것으로 보인다. TR-3의 일라이트 함량이 거의 없는 시료, 그리고 일라이트 함량을 달리하는 나머지 시료 모두에서 K-Ar 연대측정 분석이 성공적으로 이루어진 점으로 볼 때, 이 들 시료의 스멕타이트는 소량의 일라이트층이 함유된 IS 혼합층광물의 가능성이 높고, 그 생성은 32 Ma 이후의 단층활동의 결과로 이루어졌을 것으로 판단된다.
이는 보다 정밀한 단층 활동연대를 결정하는 혼합연대 결정법인 IAA법 적용의 비용 및 시간적 제한점을 보완 주었다는 점에서 매우 의미가 있으며, 이 후 지속적으로 수행될 IAA법 적용을 통해 결정될 정밀 단층 활동연대에 의해 보완될 것이다. 본 연구와 같은 주요단층에 대한 복수의 단층 활동연대 결정은 신생대 시기의 경상분지 및 한반도 동남부 지역의 지구조 진화모델 확립에 결정적인 정보를 제공할 것이다.
1 μm 이하 입도구간 시료 대 상 K-Ar 연대측정 결과는 대상단층에서 전기 신생대인 약 50 Ma 전후시기, 30 Ma 이 후 시기, 그리고 20 Ma 이 후 시기 등 최소 3차례의 단층활동이 있었을 가능성을 제공해 주고, 양산단층 및 오천단층의 공간적 단층활동 특성에 대한 매우 유의미한 결과를 제공 해 주었다. 이는 보다 정밀한 단층 활동연대를 결정하는 혼합연대 결정법인 IAA법 적용의 비용 및 시간적 제한점을 보완 주었다는 점에서 매우 의미가 있으며, 이 후 지속적으로 수행될 IAA법 적용을 통해 결정될 정밀 단층 활동연대에 의해 보완될 것이다. 본 연구와 같은 주요단층에 대한 복수의 단층 활동연대 결정은 신생대 시기의 경상분지 및 한반도 동남부 지역의 지구조 진화모델 확립에 결정적인 정보를 제공할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단층의 활동연대를 결정하기 위한 우리나라 방식은 무엇인가?	(2001)에 의해 제안된 후 국내에서 Chung et al. (2013)이 일라이트의 부정방위 배열을 극대화한 micro-focused X-선 회절분석법과 full-pattern-fitting(FPF)법 적용을 통해 일라이트 폴리타입을 정량함으로써 보다 개선된 IAA 법으로 이루어지고 있다(Song et al., 2014; Chung et al.
	한반도 동남부의 경상분지에 대한 기초정보가 필요한 이유는 무엇인가?	이 지역은 국가적으로도 다수의 기반시설이 밀집되어 있고, 최근의 경주 및 포항지진 발생으로 인해 지 진재해에 매우 민감한 지역으로, 그 대책 마련을 위한 활성단층 잠재성 높은 단층의 분포, 활동연대, 주기성 등의 핵심 기초정보가 요구되고 있다. 따라서 이를 위한 이 지역 주요 단층의 활동연대 결정 및 공간적 분포특성 규명을 통한 신생대 이후 한반도 동남부 지구 조진화의 보다 정확한 시간대(time-scheme) 결정 연구가 매우 중요하다.
	활성단층의 존재의 의의는 무엇인가?	활성단층의 존재는 지진재해의 발생가능성과 직결되어있어 이를 확인하고 지질시대를 통한 단층 생성 및 활동연대, 그리고 활동 주기성 등의 특성을 규명하는 것은 지진재해 대책 마련의 핵심 요소이다. 대부분의 활성단층은 신생대 이후의 지구조운동 결과로 생성된 단층과 연관되어 있으며, 따라서 신생대 동안 생성된 단층의 활동연대 및 공간적 분포에 대한 정보를 결정하고 그 특성을 파악하는 것은 활성단층 연구에서 매우 중요하다.

참고문헌 (21)

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Song, Y., Park, C., Sim, H., Choi, W., Son, M. and Khulganakhuu C. (2016) Reactivated Timings of Yangsan Fault in the Sangcheon-ri Area, Korea. Econ. Environ. Geol., v.49, p.97-104.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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