습곡관련 구조요소들을 이용한 다양한 습곡축 측정방법의 실제적 적용성과 문제점: 충북 단양지역에서의 예 Various Measurement Methods for Fold-axis from Fold-related Structural Elements: An Example from Danyang, Chungcheongbuk-do원문보기
대표적인 연성변형구조인 습곡에서 습곡축의 자세는 3차원 습곡구조의 발달양상뿐만 아니라 변형 당시의 최대 수평주응력 방향에 대한 정보를 수집하는데 중요한 역할을 한다. 이러한 이유로 습곡축의 자세를 파악하는 것은 매우 중요하나 습곡축이 노출되는 경우가 흔하지 않기 때문에 습곡과 관련된 구조요소들을 이용한 다양한 방법들이 제시되고 이용되어 왔다. 따라서 이러한 다양한 측정방법에 대해 간략히 소개하고, 이들 방법들에 대한 신뢰성을 평가하기 위하여 같은 습곡에 대해 다른 측정법을 사용하여 측정한 습곡축들을 비교분석 하였다. 이를 위해 습곡구조가 잘 발달해 있는 충북 단양지역 조선누층군의 석회암층들과 평안누층군의 만항층에 걸쳐 6곳의 노두에서 습곡구조의 습곡축 자세를 측정하고 비교하였다. 비교결과 다른 방법에 의해 측정된 것들도 대부분 서로 잘 일치하는 양상을 보여 다양한 측정방법들의 실제 활용이 가능함을 보여주었다. 또한 단양지역의 습곡구조는 서북서 방향의 습곡축을 가지는 한 곳을 제외한 나머지 노두에서 모두 북-북북동 내지 북동 방향의 습곡축을 보였으며, 이는 서북서-동남동 내지 북서-남동 방향의 최대수평주응력 환경에서 만들어진 습곡들로 판단된다. 서북서 방향의 습곡축은 다른 시기의 습곡작용을 지시하는 것으로 보이며, 북-북북동 방향의 습곡축을 가지는 습곡구조와 북동 방향의 습곡축을 가지는 습곡구조 사이의 주향 차이는 하나의 습곡작용에서 습곡구조의 규모에 따라 다소 차이가 생긴 것으로 해석하였으나, 증거를 확인하는 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
대표적인 연성변형구조인 습곡에서 습곡축의 자세는 3차원 습곡구조의 발달양상뿐만 아니라 변형 당시의 최대 수평주응력 방향에 대한 정보를 수집하는데 중요한 역할을 한다. 이러한 이유로 습곡축의 자세를 파악하는 것은 매우 중요하나 습곡축이 노출되는 경우가 흔하지 않기 때문에 습곡과 관련된 구조요소들을 이용한 다양한 방법들이 제시되고 이용되어 왔다. 따라서 이러한 다양한 측정방법에 대해 간략히 소개하고, 이들 방법들에 대한 신뢰성을 평가하기 위하여 같은 습곡에 대해 다른 측정법을 사용하여 측정한 습곡축들을 비교분석 하였다. 이를 위해 습곡구조가 잘 발달해 있는 충북 단양지역 조선누층군의 석회암층들과 평안누층군의 만항층에 걸쳐 6곳의 노두에서 습곡구조의 습곡축 자세를 측정하고 비교하였다. 비교결과 다른 방법에 의해 측정된 것들도 대부분 서로 잘 일치하는 양상을 보여 다양한 측정방법들의 실제 활용이 가능함을 보여주었다. 또한 단양지역의 습곡구조는 서북서 방향의 습곡축을 가지는 한 곳을 제외한 나머지 노두에서 모두 북-북북동 내지 북동 방향의 습곡축을 보였으며, 이는 서북서-동남동 내지 북서-남동 방향의 최대수평주응력 환경에서 만들어진 습곡들로 판단된다. 서북서 방향의 습곡축은 다른 시기의 습곡작용을 지시하는 것으로 보이며, 북-북북동 방향의 습곡축을 가지는 습곡구조와 북동 방향의 습곡축을 가지는 습곡구조 사이의 주향 차이는 하나의 습곡작용에서 습곡구조의 규모에 따라 다소 차이가 생긴 것으로 해석하였으나, 증거를 확인하는 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
Fold axis of fold, a representative ductile deformation structure, is important for collecting information on the 3D fold structure and the orientation of maximum horizontal principal stress at the time of deformation. For this reason, several fold axis measurement methods based on the fold-related ...
Fold axis of fold, a representative ductile deformation structure, is important for collecting information on the 3D fold structure and the orientation of maximum horizontal principal stress at the time of deformation. For this reason, several fold axis measurement methods based on the fold-related structural elements have been suggested and used even in areas where it is impossible to measure it directly. Thus, these various measurement methods are briefly introduced here, and the measured data with different methods are compared to estimate these methods' reliability. For this purpose, we acquired fold axes at six sites across the Manhang formation of the Pyeongan supergroup and limestones of the Joseon supergroup in Danyang, Chungcheongbuk-do, where fold structures are well developed. The data from the different methods are generally consistent, indicating practical applicability. Most of the fold axes from the measured sites show NNNE or NE trends indicating WNW-ESE or NW-SE trending maximum horizontal principal stress, except for the one site with a WNW trend. The WNW-ESE trending fold axis might be related to a different orogeny or secondary folding. The minor difference in the trends between N-NNE and NE was interpreted as being due to different scale; however, further research is needed to confirm this.
Fold axis of fold, a representative ductile deformation structure, is important for collecting information on the 3D fold structure and the orientation of maximum horizontal principal stress at the time of deformation. For this reason, several fold axis measurement methods based on the fold-related structural elements have been suggested and used even in areas where it is impossible to measure it directly. Thus, these various measurement methods are briefly introduced here, and the measured data with different methods are compared to estimate these methods' reliability. For this purpose, we acquired fold axes at six sites across the Manhang formation of the Pyeongan supergroup and limestones of the Joseon supergroup in Danyang, Chungcheongbuk-do, where fold structures are well developed. The data from the different methods are generally consistent, indicating practical applicability. Most of the fold axes from the measured sites show NNNE or NE trends indicating WNW-ESE or NW-SE trending maximum horizontal principal stress, except for the one site with a WNW trend. The WNW-ESE trending fold axis might be related to a different orogeny or secondary folding. The minor difference in the trends between N-NNE and NE was interpreted as being due to different scale; however, further research is needed to confirm this.
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문제 정의
후자는 얇은 습곡날개에 비해 두꺼운 힌지를 가지는 유사 습곡(similar fold)의 형태로 많이 만들어진다 (Ramsay, 1967). 본 연구에서는 이러한 습곡들의 형성기작은 고려하지 않고 연구지역에서 관찰되는 다양한 습곡들의 생성과정에서 함께 발달하는 구조요소들을 이용한 습곡축의 측정에 초점을 맞추어 연구를 수행하였다.
따라서 습곡구조를 연구할 때 습곡축의 자세에 대한 정보를 얻기 위해 다양한 습곡축의 측정방법을 습득하는 것은 매우 중요하며, 연성 변형 지역에서 발달하는 구조요소들 간의 상관성을 이해하는데 큰 도움이 될 수 있다. 본 연구에서는 이전의 연구를 통해 이미 알려진 다양한 측정 방법들을 간략히 소개하고, 우리나라에서 습곡구조가 잘 관찰되는 충북 단양지역에서 이러한 다양한 측정 방법을 이용하여 자료를 획득하고 이를 서로 비교분석 하였다. 이를 통해 이러한 측정방법의 실제적 활용에서 발생할 수 있는 문제점을 검토하고자 하였다.
본 연구에서는 이전의 연구를 통해 이미 알려진 다양한 측정 방법들을 간략히 소개하고, 우리나라에서 습곡구조가 잘 관찰되는 충북 단양지역에서 이러한 다양한 측정 방법을 이용하여 자료를 획득하고 이를 서로 비교분석 하였다. 이를 통해 이러한 측정방법의 실제적 활용에서 발생할 수 있는 문제점을 검토하고자 하였다.
2). 이미 잘 알려진 방법들이지만 이러한 방법들에 대해 본 장에서 간략히 소개하고자 한다.
이번 연구는 야외조사를 기반으로 단양지역 6곳의 노두에서 다양한 방법으로 습곡축의 자세를 측정하여 그 결과를 비교하고 토론하였다. 과거 선행연구들에 의해 알려진 측정법들을 실제로 적용하며 문제점을 확인한 결과 실제로 노두에서 명확한 습곡축 자세를 측정하기 위해서는, 올바른 층리면의 자세를 구하는 방법에 대한 습득과 가능한 많은 자료를 측정한 후 평균값을 통해 측정오차를 줄여나가는 것이 중요하다고 판단하였다.
가설 설정
대규모의 습곡은 노출되지 않거나, 야외규모에서의 관찰이 용이하지 않기 때문에 층리와 엽리의 교차선구조를 통해 습곡축을 간접적으로 추정하는 측정방법들을 이용하면 습곡축이 노출되지 않은 지역에서도 습곡축에 대한 정보를 얻어 큰 규모의 지질구조를 해석할 수 있다. 그러나 이러한 과정은 야외노두에서 관찰할 수 있는 규모의 습곡구조들이 기본적으로 원통형으로 발달한다는 가정에 기초한다. 따라서 습곡구조를 연구할 때 습곡축의 자세에 대한 정보를 얻기 위해 다양한 습곡축의 측정방법을 습득하는 것은 매우 중요하며, 연성 변형 지역에서 발달하는 구조요소들 간의 상관성을 이해하는데 큰 도움이 될 수 있다.
제안 방법
이 노두는 특히 학생들이 습곡의 3차원적인 형태를 이해하고 다양한 습곡축의 측정방법을 실습해볼 수 있는 매우 좋은 위치이며, 측정결과를 통해 하나의 습곡구조에서 여러 측정방법의 적용이 가능함을 확인할 수 있다. 그리고 세 번째 노두에서는 또 다른 소규모 습곡의 습곡날개에서 층리면 자세를 측정하였으며, β-axis (27 /N3 E)와 π-axis (27 /N2 E)를 확인하였다(Fig. 4c, f).
본 연구에서 고려한 습곡구조의 습곡축 자세를 구하는 방법은 크게 3가지로 습곡축의 자세를 직접적으로 측정하는 방법, 습곡작용에 수반된 구조요소들 간의 관계를 이용하여 입체투영망 상에서 값을 간접적으로 추정하는 방법, 그리고 습곡구조와 동반되어 만들어진 소습곡 이나 선구조의 자세를 측정하는 방법 등이 있다(Fig. 2). 이미 잘 알려진 방법들이지만 이러한 방법들에 대해 본 장에서 간략히 소개하고자 한다.
층리면의 자세 측정에서의 오차는 습곡축의 값을 구하는데 있어 오차를 발생시키는 직접적인 요인이기 때문에, 올바른 자세 측정이 필수적이다. 본 연구에서는 층리면의 경사가 드러난 노두와 그렇지 않은 노두를 측정하였는데, 후자의 경우 습곡구조의 일부분을 뜯어내어 층리면의 경사 방향을 확인하였다. 층리면의 경사가 노출되지 않는 경우 편평한 야장 등을 층리면의 연장선상에 두고 측정하면 오차를 줄일 수 있다.
수 있다. 본 위치에서는 파랑선구조의 자세, 그리고 2개의 소규모 습곡에서 습곡축의 자세를 측정하였다.
습곡 축의자세를 측정하기에 용이한 연구위치 6개 지점을 선정하고, 죽령단층의 남부 3개 지점과 북부 3개 지점에서 층서적으로 하부에서 상부로 가며 각각의 위치에서 적용 가능한 측정방법을 적용하여 그 결과를 서로 비교하였다.
6a). 습곡날개의 층리면 자세를 측정하여 β-axis (61 /N85 W)와 π-axis (62 /N77 W)를 확인하였다(Fig. 6b). 이러한 결과는 본 연구에서 관찰한 단양지역 내 다른 습곡구조의 습곡축 방향과는 다른 양상으로, 다른 습곡들과는 다른 기작 혹은 시기의 습곡작용에 의해 만들어진 것으로 판단하였고, 서북서 방향의 선주향을 가지는 것으로 확인하였다.
관찰된다. 이 노두에서는 습곡축이 노출되어있지 않아, 직접 측정이 어려워 습곡날개의 층리면 자세를 측정하여 β-axis (58 /N40 E)와 π-axis (59 /N42 E)를 확인하였다(Fig. 3a, c).
대상 데이터
본 연구에서는 우리나라에서 습곡구조가 매우 잘 발달하고 다양한 3차원적 습곡구조의 인식이 가능한 단양지역을 연구대상 지역으로 선정하였다. 습곡 축의자세를 측정하기에 용이한 연구위치 6개 지점을 선정하고, 죽령단층의 남부 3개 지점과 북부 3개 지점에서 층서적으로 하부에서 상부로 가며 각각의 위치에서 적용 가능한 측정방법을 적용하여 그 결과를 서로 비교하였다.
성능/효과
첫 번째 노두에서는 파랑선구조의 자세를 측정하여 30 /N-S의 값을 얻었으며(Fig. 4a, d), 두 번째 노두인 3차원으로 관찰되는 소규모 습곡에서는 습곡축을 직접 측정하여 38 /N7 E의 값을 얻었고, 습곡날개의 층리면 자세를 측정하여 β-axis (40 /N10 E)와 π-axis (39 /N9 E)를 확인하였다(Fig. 4b, e).
단양지역 내 습곡축에 대한 전반적인 데이터를 정리한 결과, 북-북동 방향의 선주향을 보이는 다수의 습곡구조와 Site 4.4에서 서북서 방향의 선주향을 보이는 습곡구조를 확인하였다(Fig. 9). 좌굴 습곡 이라 가정하였을 경우 최대수평주응력 방향과 수직한 방향으로 습곡축이 형성되기 때문에, 북-북동 방향의 선주 향을 보이는 습곡의 경우 동-서 내지 북서-남동 방향의 최대수평주응력 환경에서 만들어진 것으로 판단하였으며, 서북서 방향의 선주향을 보이는 습곡의 경우 북북동-남남서 방향의 최대수평주응력 환경에서 만들어진 것으로 판단하였다.
단양지역의 이번 연구에서 다양한 측정방법으로 도출된 습곡축은 대부분 북-북동으로 잘 일치하지만 N-N48 E 사이에서 선주향의 차이를 다소 보이는 습곡구조가 발달하고, 주 방향과 달리 서북서 방향의 선주 향을 가지는 습곡구조가 일부 발달하는 것을 확인하였다. 이들은 다른 조산운동이나 2차적인 습곡작용과 연관되었을 것으로 판단되지만 이번 연구에서는 습곡축의 다양한 측정방법을 야외자료에서 실질적으로 적용하고 검토하는데 초점을 맞추었기 때문에 이들의 원인에 대한 분석은 정밀하게 실시하지 않았다.
5c, d). 두 구조 모두 북북동 방향의 선주향을 가지는 유사한 양상을 보여 하나의 습곡작용에 의해 만들어진 것으로 판단하였다.
노두에서의 측정 시 가장 문제가 되는 것은 β-axis와 π-axis를 구할 때 층리면이 드러나지 않아 층리면의 경사를 알 수 없는 경우로, 이러한경우 층리면을 인위적으로 일부 노출시키거나 편평한 물건을 보조적으로 이용하여 가능한 층리면과 평행한 연장 면상에서 측정하는 것이 좋다. 또한 β-axis의 경우 측정오차를 줄이기 위하여 교차선을 다수 측정하여 최빈값을 구하는 방법이 오차를 줄이는데 효과적임을 확인하였다.
본 연구에서 북-북동 방향의 습곡축을 가지는 습곡구조는 N-N48 E 사이의 범위에서 선주향의 차이를 보였는데, 규모가 크고 층이 두꺼운 노두일수록 북동 방향으로 발달하는 양상을 보였다. 물론 물성의 차이를 고려해야 하겠지만, 이는 규모가 작은 소습곡구조와 선구조는 습곡작용의 초기 단계에 형성되며 이후의 습곡작용에 더 쉽게 반응하고, 규모가 큰 습곡구조의 경우 습곡작용의 후기단계에 형성되는 양상을 보이기 때문에(Fossen, 2010), 선주향의 차이가 나타난 것으로 판단하였다.
4c, f). 세 구조 모두 북 내지 북북동 방향의 선주향을 가지는 유사한 양상을 보여 하나의 습곡작용에 의해 만들어진 것으로 판단하였다.
8a). 습곡날개의 층리면 자세를 측정하여 β-axis (29 /N14 E)와 π-axis (32 /N13 E)를 확인하였고(Fig. 8b), 만항층에서의 습곡은 다른 지층들과는 달리 평안누층군에 해당하는지 층에서의 습곡구조이지만 다른 조선누층군에 속하는 지층들에서의 습곡들과 유사한 북북동 방향의 선주 향을 지시하고 있어, 북북동 방향의 우세한 습곡작용이 평안누층군의 퇴적 이후에 발생하였다는 것을 지시하는 것으로 판단하였다.
습곡날개의 층리면 측정을 통해 습곡축을 얻는 측정 방법의 경우, π-axis는 측정한 다수의 극점을 대원으로 연결하는 과정에서 근삿값을 얻을 수 있으며, β-axis의 경우 기본적인 방법은 습곡날개의 층리면 두 개를 구하여 교차선을 구하는 방법이지만, 측정의 오차를 고려하여 다수의 측정값을 얻어서 교차 선들의 최빈값을 사용하는 것이 더욱 정확도를 높일 수 있음을 확인하였다. 즉, 측정한 각각의 β-axis는 다소 차이를 보였으며, 입체투영망 상에서 β-axis의 밀도분포를 확인한 결과 밀도의 중심점은 같은 습곡에서 측정한 π-axis와 매우 근사한 값을 보임을 확인하였다.
6b). 이러한 결과는 본 연구에서 관찰한 단양지역 내 다른 습곡구조의 습곡축 방향과는 다른 양상으로, 다른 습곡들과는 다른 기작 혹은 시기의 습곡작용에 의해 만들어진 것으로 판단하였고, 서북서 방향의 선주향을 가지는 것으로 확인하였다.
이러한 측정을 실시한 결과 습곡축은 42 /N22 E, β-axis와 π-axis는 각각 51 /N30 E와 50 /N30 E로 나왔으며, 교차선구조는 36 /N19 E의 값을 얻었다(Fig. 7d). 측정값에서 미소한 차이는 있으나 대체적으로각기 다른 방법으로 습곡축의 자세를 구해도 유사한 결과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
9). 좌굴 습곡 이라 가정하였을 경우 최대수평주응력 방향과 수직한 방향으로 습곡축이 형성되기 때문에, 북-북동 방향의 선주 향을 보이는 습곡의 경우 동-서 내지 북서-남동 방향의 최대수평주응력 환경에서 만들어진 것으로 판단하였으며, 서북서 방향의 선주향을 보이는 습곡의 경우 북북동-남남서 방향의 최대수평주응력 환경에서 만들어진 것으로 판단하였다.
확인하였다. 즉, 측정한 각각의 β-axis는 다소 차이를 보였으며, 입체투영망 상에서 β-axis의 밀도분포를 확인한 결과 밀도의 중심점은 같은 습곡에서 측정한 π-axis와 매우 근사한 값을 보임을 확인하였다. 이러한 과정은 층리면의 경사를 확인하기 어려운 노두에서의 측정오차를 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
물론 물성의 차이를 고려해야 하겠지만, 이는 규모가 작은 소습곡구조와 선구조는 습곡작용의 초기 단계에 형성되며 이후의 습곡작용에 더 쉽게 반응하고, 규모가 큰 습곡구조의 경우 습곡작용의 후기단계에 형성되는 양상을 보이기 때문에(Fossen, 2010), 선주향의 차이가 나타난 것으로 판단하였다. 그러나 본 연구에서 고응력방향을 판단하고 규모 및 층의 두께와 습곡축 간의 상관관계를 해석하기에는 표본이 부족하기 때문에, 이를 확인하기 위해서는 추가적인 자료가 필요하다. 또한, 시기에 따른 습곡축의 생성방향에 대한 해석도 북동 방향의 습곡이 평안누층군의 퇴적 이후까지 우세했던 것으로 보이지만, 지층별로 좀 더 상세히 다양한 구조요소를 분석하는 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
이들은 다른 조산운동이나 2차적인 습곡작용과 연관되었을 것으로 판단되지만 이번 연구에서는 습곡축의 다양한 측정방법을 야외자료에서 실질적으로 적용하고 검토하는데 초점을 맞추었기 때문에 이들의 원인에 대한 분석은 정밀하게 실시하지 않았다. 따라서 이후 추가적인 정밀조사를 통해 더 많은 습곡축 자세를 수집하고, 중복변형 지역에서 습곡작용의 중첩을 고려한 연구가 추가적으로 수행될 필요가 있을 것으로 사료된다.
그러나 본 연구에서 고응력방향을 판단하고 규모 및 층의 두께와 습곡축 간의 상관관계를 해석하기에는 표본이 부족하기 때문에, 이를 확인하기 위해서는 추가적인 자료가 필요하다. 또한, 시기에 따른 습곡축의 생성방향에 대한 해석도 북동 방향의 습곡이 평안누층군의 퇴적 이후까지 우세했던 것으로 보이지만, 지층별로 좀 더 상세히 다양한 구조요소를 분석하는 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
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