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Analysis of the Causes of Clustered Scismicity Registered in Yeoncheon, the Middle Part of the Korean Peninsula through Gravity Field Interpretation and Modeling
중력이상 수치해석을 통한 연천지역 군발지진 원인분석
Econ. Environ. Geol. 2022 Dec;55(6):633-48
Published online December 31, 2022;  https://doi.org/10.9719/EEG.2022.55.6.633
Copyright © 2022 The Korean Society of Economic and Environmental Geology.

Sungchan Choi1, Sung-Wook Kim1,*, Eun-Kyeong Choi1, Younghong Shin2, Tae-Kyung Hong3
최승찬1 · 김성욱1,* · 최은경1 · 신영홍2 · 홍태경3

1Geo-information Institute, GI Co. Ltd., Busan 47598, Republic of Korea
2Active Tectonics Research Center, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 34132, Republic of Korea
3Department of Earth System Sciences, Yonsei University, Seoul 03722, Republic of Korea
1(주)지아이 지반정보연구소
2한국지질자원연구원 활성지구조연구센터
3연세대학교 지구시스템과학과
Received November 15, 2022; Revised December 19, 2022; Accepted December 19, 2022.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
 Abstract
Gravity data were analyzed to identify the cause of clustered seismicity that occurred intensively in Yeoncheon, located in the central part of the Korean Peninsula. Our analysis suggests that the En echelon faults developed in the northwest-southeast direction. In addition, in the eastern part of the Dongducheon Fault, it was interpreted that high-density lower bedrock intermittently lifts close to the surface due to vertical tectonic movement accompanied by a flower structure. The fracture zone of the Dongducheon Fault is estimated that the width is about 200 m, the depth is at least 5 km, and the density is about 15% lower than the adjacent rocks. It is analyzed that the shallow earthquakes that occurred within 5 km depth was concentrated along the low-density En echelon fault fracture zone developed between the high-density rocks intruding close to the surface. Therefore, the earthquakes can be interpreted as the result that the north-south stress caused by the dextral tectonic movement of the Dongducheon Fault activated the En echelon fault in the northwest-southeast direction.
Keywords : clustered seismicity, Bouguer anomalies, curvature analysis, Dongducheon Fault, En echelon fault
Research Highlights
  • Clustered seismicity occurred intensively in Yeoncheon.

  • Gravity Analysis confirmed the En echelon Fault in the NW-SE direction derived from the Dongducheon Fault.

  • Earthquakes within 5 km depth occurred intensively along Lowdensity En echelon Faults.

1. 서 언

한반도 중부의 수도권 지역에는 2016년에 경주지진을 일으킨 양산단층보다 규모가 큰 추가령 단층대(Fig. 1A의 CFS 단층선)가 북북동-남남서 방향으로 관통하고 있다(Choi et al., 2012; Chung et al., 2014; Choi et al., 2021a; Kil et al., 2021; Lee et. al., 2022). 만약 추가령 단층대가 활성화되어 경주지진과 비슷한 규모의 지진이 발생할 경우, 2,500만 명 이상의 인구가 집중된 수도권 지역에 미치는 물리적, 심리적 충격은 경주지진 비해 몇 배 더 클 것으로 예측된다. 실제로 경주지진 이후 추가령 단층대에서 발생한 지진의 빈도가 이전에 비해 현저하게 증가하였다는 보고가 있다(Choi et al., 2021a). 특히 임진강대와 경기육괴가 만나는 연천 지역의 동두천 단층 경계 지역(Fig. 1C)에서 발생한 지진의 빈도는 경주지진 이전 2009년부터 2017년까지 9년 동안 총 26여 회(Fig. 1C의 빨간색 세모)의 지진이 관측되었고 최대 규모와 평균 규모는 M2.9와 M1.4였다. 반면, 경주지진 이후 2018년부터 2021년까지 4년간 303 회로 지진의 발생 빈도가 증가하였고(Kil et al., 2021; Lee et al., 2022), 지진규모가 1.0 미만의 군발성 지진을 특징으로 한다(연세대학교 자

Figure 1. Location and geology of study area. (A) Study area, located in the north-western part of the Gyeonggi-Massif, the central part of Korean peninsula. (B) Geological map, which shows that the western and eastern part of the research area are mainly covered by Paleozoic Misan Fm. and Cretaceous volcanics, respectively. (C) Location of earthquake epicenters and a seismic profile by Malehmir et al. (2022), which across the Dongducheon fault (DF). CFS represents Chugaryung Fault System and ① Dongducheon fault.

료 제공). 더욱이 이 지역에서 최근에 발생한 미소지진의 대부분이 동두천 단층과 인접한 지역에서 집중적으로 발생하였다는 것이 우려되는 점이다(Fig. 1C의 검은색 점).

이와 같은 군발지진이 동두천 단층의 본격적인 움직임을 촉발하여 대형 지진을 일으킬 수 있는 전조 현상인지 아니면 지엽적인 단층 운동에 의한 것인지에 대한 답을 찾고자 2020년 11월에 연세대학교와 스웨덴의 웁살라(Uppsala) 대학교는 동두천 단층을 가로지르는 2차원 탄성파탐사(Fig. 1C의 십자 기호)를 실시하였으며, 대부분의 미소지진들이 4~10 ㎞의 낮은 심도에서 발생하였다는 결과를 발표하였다(Malehmir et al., 2022). 그러나, 이 결과는 탄성파탐사 측선에 나타난 동두천 단층의 위치와 지진들의 수직 분포에 대한 정보는 제공하지만, 동두천 주변 파생단층과 지진의 연관성을 규명하는 데는 2차원적인 탐사라는 공간적 제약의 한계가 있다. 한 예로 Fig. 1C에서 보이는 것처럼, 경주지진 이전의 진앙지(epicenter, 빨간색 세모)들은 동두천 단층(DF) 방향을 따라서 발생한 것이 아닌 북서쪽에서 남동쪽으로 가로지르는 분포를 보인다.

이 연구는 위에서 언급한 탄성파탐사의 2차원적인 해석을 토대로 중력장 해석과 수치해석을 실시하고 이를 통해서 3차원 단층 구조와 군발지진과의 상관관계를 밝히고자 하였다. 신뢰성 있는 결과를 도출하기 위해서, 지난 1년간에 걸쳐서 탄성파탐사 지역을 중심으로 반경 10㎞ 범위에서 219개의 중력 측점을 추가로 확보하였다. 그로부터 지각 내부의 밀도 분포를 확인할 수 있는 부게 이상을 계산하였으며 곡률 분석(curvature analysis)이라는 중력장 해석 방법을 이용하여 연구 지역의 수평적인 단층 예상 선을 찾고자 하였다. 최종적으로 지금까지 확보된 연구 지역의 지질, 암석 및 지구물리학적인 자료를 통합하여 지하 밀도 모델링을 실시하여 단층들의 수직분포와 숨은 단층의 위치와 규모를 제시하였다.

2. 연구 지역

연구 지역(Fig. 1)은 경기도 북부 연천 지역으로, 지구조적으로는 임진강 구조대(Imjingang Belt)와 경기육괴(Gyeonggi Massif) 사이에 위치하며, 추가령 단층대(Fig. 1A에서 CFS)의 주 단층인 동두천 단층(Fig. 1B의 DF)에 의해서 동쪽과 서쪽 지역의 지형 및 지질 특성이 뚜렷하게 구분이 되는 곳이다. 지형은 비교적 평탄한 저지대를 이루는 서부, 높은 산지를 이루는 중부와 비교적 높은 구릉지를 이루는 동부로 구분된다. 이 같은 지형 발달은 분포된 암석의 물리적 성질에 의해 제어되는데, 서부에는 풍화와 침식에 약한 데본기 미산층(Fig. 1B, 1C의 DM)과 같은 변성퇴적암류가 분포하며 중부에는 풍화와 침식에 강한 화산암류, 그리고 동부에는 심성암류와 변성암류가 각각 분포하는 것과 연관된다(Kee et al., 2005; 2008; Choi et al., 2012b).

연천 일원의 지질은 남부 및 동부에는 장락층군(PRsch)을 기반암으로 하여 이를 관입한 감악산변성섬장암(PRgms), 화강편마암(PRgms) 등의 신원생대의 관입암체들이 분포하고 있으며, 서부는 임진강대를 구성하고 있는 연천층군의 최하부인 데본기 미산층(DM)이 주로 분포하고 있다(Fig. 1B). 중앙부에는 신서각력암(Ksb), 동막골응회암(Kdt) 등의 화산암류 등으로 구성된 백악기 철원층군이 분포하고 있으며, 주로 소규모 암주 또는 암맥으로 산출하는 백악기 중/산성 관입암류(Kad)들이 산재한다(Kee et al., 2005; 2008; Choi et al., 2012b).

2.1. 지질구조 및 단층

연구 지역의 지질구조는 발생 시기와 운동학적 특성을 달리하는 약 4회의 지각 변형 운동으로 형성된 것으로 보고되었다(Kee et al., 2008): 첫 번째 변형 작용은 연천층군에서 관찰되는 남-북 방향의 압축 변형으로 시기적으로 페름기말~트라이아스기초에 일어났다. 두 번째는 경기 전단대를 형성시킨 신장성 연성 전단 및 정단층 작용으로 트라이아스기 중기에서 말기 사이에 일어난 것으로 보고되었다. 세 번째는 초성드러스트 형성과 관련된 북북서-남남동 방향의 압축 변형 작용으로 김포층군의 퇴적 이후인 쥬라기 중기에서 말기 혹은 백악기 이전 시기에 발생하였고, 네 번째 변형 작용은 백악기 철원 분지의 형성과 관련된 남-북 방향의 단층을 따르는 좌수향 주향이동 단층 운동인데 백악기에 집중적으로 발생하였다(Kee et al., 2005; 2008; Choi et al., 2012b).

추가령 단층대(Fig. 1A의 CFS)는 남-북 및 북동-남서주향으로 북한의 동해안 안변 지역에서 추가령에 이르는 협곡을 지나서 한반도 중부 지역인 평강, 철원, 연천 및 서울의 삼각산과 북한산을 지나 남쪽으로 충청남도 서해안까지 이어지는 대규모 구조대로서 최소 4개의 단층대로 나뉜다(Choi et al., 2012a; Chung et al., 2014; Choi et al., 2021a). Chwae et al. (1996) 은 소요산 부근의 대동층군과 규암층이 서로 우수향으로 어긋나 있음을 증거로 하여 추가령 지구대가 백악기 혹은 고제삼기에 일어난 우수향 주향이동으로 결론 지었다.

동두천 단층의 서쪽 지역은 임진강대를 구성하는 데본기 미산층(Fig. 1B, 1C에서 DM)이 주를 이루고 부분적으로 제4기 충적층(Fig. 1B, C에서 Qa)이 분포하고 있다. 추가령 단층대의 서쪽 경계선인 동두천 단층은 철원-연천-동두천-양주-의정부-서울로 이어지는 약 100㎞의 길이를 가진 대형 단층으로서 철원 분지의 서쪽 경계부를 규제하며, 철원 분지의 형성과 진화를 주도하는 우수향주향 이동 운동을 한 것으로 보고되었다(Kee et al., 2005; Choi et al., 2012b). Fig. 1B와 1C에서 보이는 것처럼, 동두천 단층(DF)의 동쪽 부분에는 퇴적층이 주를 이루는 서쪽 지역과 달리 신서각력암(Ksb), 동막골응회암(Kdt)등의 화산암이 넓게 분포하고 있으며, 그 사이에 백악기 관입암류 및 백악기 화강암(Kgp) 등이 관입 되어 있다.

2.2. 암석 밀도

수도권 북부 지역은 주로 편마암, 화강암으로 덮여있으며, 서쪽 지역에는 부분적으로 화산암과 화강편마암이 분포하고 있다. 특히 철원-연천-동두천-양주-의정부-서울로 이어지는 동두천 단층(Fig. 1에서 DF로 표시된 검은색 실선)을 따라서 다양한 종류의 암석들이 분포하는데, 연구 지역 지표면에서 채취하여 실험실에서 분석한 자료에 의하면, 퇴적암, 화강편마암, 화강암 및 화산암들의 평균 밀도는 각각 2.67 g/㎤, 2.68 g/㎤, 2.62 g/㎤, 2.55 g/㎤이다(Table 1, Park et al. 2009). 이를 토대로 연구 지역의 암석들에 대한 밀도 값을 정리하였다(Fig. 2A).

Table 1 . Densities of various rock types sampled from the middle part of the Korean peninsula (Park et al., 2009)

Rock TypeSampleDensity (g/㎤)
RangeMeanSD
Andesite (Kban)1382.43 ~ 3.002.700.08
Basalt (Qba)32.62 ~ 2.832.720.10
Biotite Granite (Jbgr)3152.26 ~ 2.832.640.05
Breccia (Ksb)92.42 ~ 2.702.530.08
Granitic Gneiss (PRgrgn)3912.48 ~ 3.102.680.07
Granite Prophyry (Kgp)212.52 ~ 2.702.590.04
Rhyolite (Krh)112.45 ~ 2.732.560.07
Sand Stone (DM)2032.44 ~ 3.092.670.07
Schist (PRsch)222.64 ~ 3.182.770.15
Metasyenite (PRgms)22.69 ~ 3.142.920.30
Tuff (Kdt)1492.44 ~ 2.862.620.08

Figure 2. Rock densities. (A) Densities of igneous, sedimentary, and volcanic rocks from Park et al. (2009) (see also Table 1). (B) Vp-ρ (black line) and Vs-ρ (grey line) relationship that was used for calculating densities from the seismic velocities (Hermann, 2005, Cho et al., 2007).

동두천 단층의 서쪽 지역에 있는 미산층 퇴적암(Fig. 1과 2에서 DM)의 밀도는 약 2.67 g/㎤로 이 지역의 평균밀도를 갖고 있다. 이 보다 낮은 밀도의 암석은 백악기화강암과 화산암(Fig. 1B에서 Jbgr, Kgp, Ksb, Kjat) 으로서 동두천 단층을 따라 동쪽 지역에 주로 분포하고 있다. 연구 지역에서 가장 밀도가 높은 암석은 시원생대 각섬석(Fig. 1과 2A에서 PRgms, 2.92 g/㎤)과 편암(PRsch, 2.77 g/㎤)으로 경기육괴의 기반암에 해당한다. 시원생대 화강편마암(PRgrgn, 2.68 g/㎤)과 제4기 현무암(Qba, 2.72 g/㎤)도 평균보다 높은 밀도를 나타낸다. 이들 암석의 밀도 값은 3차원 밀도 구조 모델링을 수행하는데 중요한 입력 자료로 사용되었다.

2.3. 한반도 속도-밀도 관계식

음파의 속도와 밀도 사이의 관계는 탄성파탐사와 중력장의 통합 해석을 수행하는 데 매우 중요한 의미가 있다. 즉, P파와 S파 속도 모델을 통해서 지각 밀도 모델링의 가장 중요한 요소인 밀도와 지각 구조에 대한 정보를 동시에 얻을 수 있는 것이다. 속도-밀도 관계식은 Nafe and Drake (1963)로부터 시작되으며 다양한 출처의 퇴적물과 화성암, 퇴적암 및 변성암에 대한 실험적 속도 데이터를 기반으로 주로 상부 맨틀에서의 관계식에 적용되었으나 근거가 된 자료가 한 지역에 편중된 단점이 있다. Christensen and Mooney (1995)는 전세계에서 확보된 데이터를 이용하여 화성암과 변성암에 대한 속도와 밀도에 대한 관계식을 정립하였다. Christensen and Stanley (2003)는 변성암, 화성암 그리고 퇴적암 지층에서 확보한 약 2,000여 개의 시추 데이터를 분석하여 전 세계 모든 지역의 기준이 될 수 있는 속도-밀도 관계식을 제시하였다. Herrmann (2005)는 한반도 남부 지역의 광대역 지진관측소에서 관측한 데이터를 분석하여 한반도 속도-밀도 간의 관계식을 제시하였다(Cho et al., 2007). Fig. 2B는 Herrmann (2005)이 제시한 한반도 속도-밀도 관계로서 P파(Vp) 및 S파(Vs)와 밀도(ρ)와의 관계식은 다음과 같이 각각 정의되었다:

ρ=0.28Vp+0.980

ρ=0.52Vs+0.987

이 두 식은 위 식들은 본 연구에서 P파와 S파 속도 모델로부터 지각 밀도 모델링의 가장 중요한 요소인 밀도와 지각 구조에 대한 정보를 얻는 관계식으로 사용되었다.

2.4. 군발지진과 탄성파탐사

Fig. 1C에서 볼 수 있는 것처럼, 연천 지역에서 발생한 지진들의 진앙 분포는 경주지진 이전 시기(2009~2016년)와 그 이후 시기 사이에 상당한 차이를 보인다. 전자 시기의 지진(Fig. 2A에서 빨간색 세모)들은 주로 북북서-남남동 방향의 분포를 보여주는데 반해서 경주지진 이후에 발생한 지진(Fig. 1C에서 검은색 점)은 동두천 단층으로 부터 동쪽 약 1㎞ 지역에 집중적으로 분포한다. 이와 같은 군발지진이 동두천 단층의 본격적인 움직임을 일으킬 수 있는 전조 현상인지 아니면 지엽적 단층 운동에 의한 것인지에 대한 답을 찾고자 연세대학교와 스웨덴 옵살라 대학교는 동두천 단층을 가로지르는 약 5.6 ㎞의 측선에서 탄성파탐사를 시행하였다(Fig. 1C 참조). Fig. 3A는 2020년 11월에 연세대학교와 옵살라 대학교가 실시한 2차원 탄성파탐사(reflection seismic profile) 결과(Malehmir et al., 2022)에 기상청에서 발표한 미소지진 분포를 비교한 것이다. 탄성파탐사에 의한 속도 모델에는 약 1, 3, 5, 7과 8㎞ 깊이에 뚜렷한 속도 불연속면(reflectivity)이 관찰된다(Fig. 3A에서 R1, R2, R3, R4, R5로 표시). 또한 동두천 단층의 파쇄대(Fig. 3A에서 DF)라고 생각되는 곳에서는 서쪽의 지층에 비해서 동쪽의 지층이 약 1㎞ 수직 상향 이동을 한 흔적이 뚜렷하게 나타난다(검은색 화살표, Malehmir et al., 2022). 한편, 미소지진들의 수직적 분포를 보면 경주지진 이전의 미소지진(세모 기호)들은 대부분은 동두천 단층의 파쇄대 약 4㎞ 깊이에서부터 그 아래로 비교적 골고루 분포한 반면에, 경주지진 이후에 발생한 지진(원형 기호)들은 파쇄대 동쪽 약 8~9㎞ 깊이에 밀집된 것으로 나타난다. 이는 지진들이 동두천 단층을 사이에 두고 시간적으로 차이를 두고 일어났다는 것인데, 그 원인은 동두천 단층의 지구조적 운동과 연결되어 있을 것이라고 추측되었다(Malehmir et al., 2022).

Figure 3. Construction of subsurface density structure model along the seismic profile. (A) Seismic reflection profile (Malehmir et al., 2022; see Fig. 1C for its location), which shows prominent reflectivities at depths of about 1, 3, 5, 7 and 8 km (R1 – R5). Comparing these reflectivities and the geologic map (Fig. 1B), we speculated rock types at each depth. (B) P-wave velocity distribution, which shows the core of the Dongducheon fault (DF) corresponds to the low velocity zone with a width of about 200 m. (C) Density distribution, which was calculated from the P-wave velocity (Fig. 2B). (D) the shear wave velocity model (Kil et al., 2021) along the seismic profile. The western region from the DF is characterized by high shear wave velocity to a depth of 3 km, while the eastern region shows relatively low velocity. Densities for each 1 km thick layer are calculated from the shear-wave velocity (Fig. 2B). (E) Comparison of all available geophysical information, which will be used as constraints for the gravity forward modeling.

불연속면 R1과 R2 사이의 깊이(1.0~2.5㎞)의 지층은 기반암인 미산층(DM)의 퇴적암일 가능성이 가장 크며, 그 아래의 2.5~4.0㎞의 지층은 경기육괴의 기반암인 장락층군(Fig. 1에서 PRsch)일 가능성이 매우 크다. 또 4.0㎞ 이하의 깊이에서 나타나는 불연속면은 경기육괴의 상부 지각(Upper Crust)일 것으로 판단된다. 그러므로, 약 5.0㎞ 깊이에서 발생한 군발지진은 장락층군과 경기육괴 기반암과의 사이에서 작용한 응력과 관련성이 있고, 약 9.0㎞ 깊이에서 발생한 경주지진 이후의 지진들은 동두천 단층을 따라 경기육괴의 상부와 하부 사이에서 응력이 불균형하게 작용한 결과로 추정된다.

2.5. 지표층의 P파 속도 분포

Fig. 3B는 연세대학교와 옵살라 대학교가 실시한 2차원 탄성파탐사의 결과(Malehmir et al., 2022)의 한 부분으로 지표에서부터 약 500 m 깊이까지 P파의 속도 분포가 나와 있다. 지표면으로부터 30~50 m 깊이까지의 평균 P파 속도는 약 3.5㎞/s이며, 50 m에서 약 500 m 깊이의 평균 속도는 약 4.5㎞/s이다. 이 값을 Fig. 2B에서 제시한 Vp-ρ 관계식(ρ = 0.28 Vp + 0.98)에 대입하면 표면층(30~50 m)과 그 밑 지층의 평균 밀도는 각각 약 1.95 g/㎤와 2.25 g/㎤로 계산된다. 이 두 지층간의 속도 및 밀도차이는 아마도 두 지층 간의 암석 성분이나 공극률 차이에 의한 것으로 판단된다. 흥미로운 점은 동두천 단층이 지나가는 선을 따라 약 200 m 넓이의 저속도층이 최소 약 500 m 깊이까지 존재한다는 사실이다. 이는 단층 파쇄대의 위치와 규모를 직접적으로 잘 나타내고 있다. 이 파쇄대의 평균 속도는 약 3.2㎞/s이고 밀도로 환산하면 약 1.90 g/㎤이다. 즉 파쇄대의 속도 및 밀도는 지표 아래 30 m 깊이까지는 주변에 비해서 큰 차이가 없지만, 보다 깊어지면 약 15% 정도 저속도와 저밀도가 되는 특징을 보인다.

2.6. S파 속도 분포

경주지진 이후 증가하고 있는 수도권 지역의 지진 위험도 평가를 위해 연세대학교는 기상청 사업의 한 부분으로 2019년 이후부터 수도권 지역에서 고해상도 상부지각 구조를 규명하기 위한 3차원 전단파 속도구조 탐사(ambient noise S-wave tomography)를 수행하였다(Kil et al., 2021). 이를 위해서 수도권 권역에 설치된 77개의 광대역 관측소에서 5개월 동안 관측된 수직 지진파 기록들이 취합되었으며, 그중에서 0.5~10초 사이의 전단파 속도들을 추출하여 약 10㎞ 깊이까지 3차원 S파 속도 분포를 제시하였다. 제시된 전단파 속도모델은 동두천 단층을 중심으로 서쪽 지역은 뚜렷하게 고 속도층이 존재하는 반면 동쪽 지역은 상대적으로 낮은 전단파 속도를 나타내고 있는 것을 보여준다.

Fig. 3D는 탄성파탐사 측선(위치 Fig. 1C 참조)을 따라서 추출한 2차원 전단파 속도 모델이다. 위에서 언급한 것처럼, 동두천 단층을 중심으로 서쪽 지역은 3㎞ 깊이까지 뚜렷하게 높은 전단파 속도를 특징으로 하며, 동쪽지역은 상대적으로 낮은 속도를 나타낸다. 이는 지질도에서 나타난 지역별 암석들의 분포와 지질학적인 특성으로 설명할 수 있다. 즉 3㎞ 깊이까지는 밀도가 상대적으로 높은 미산층(DM, 2.67 g/㎤)과 밀도가 낮은 화산암(Fig. 3D에서 Kdt, Ksb)과의 밀도 차이에 의해서 전단파속도의 차이가 나타난 것으로 해석할 수 있다. 반면, 3㎞보다 더 깊은 곳에서는 동두천 단층의 서쪽과 동쪽의 속도 차이는 뚜렷하게 나타나지 않는다. 이는 지질도에 나타난 암석들이 최대 3㎞ 정도의 두께를 가진다는 것을 암시하며, 그 하부에는 장락층군(PRsch)과 같은 시원생대 기반암들이 고르게 분포하는 것으로 추측할 수 있다. Fig. 3D에서 제시한 속도값에 속도-밀도 관계식(E2, Fig. 2B)을 적용한 결과, 동두천 단층의 서쪽의 밀도는 2.60 g/㎤ 동쪽은 2.55 g/㎤으로 계산되어 1㎞ 깊이까지 양쪽의 밀도 차이는 약 0.05 g/㎤ 정도이었다. 이는 동두천 단층의 서쪽과 동쪽에는 지질학적으로 뚜렷하게 다른 성분을 가진 지층이 있다는 것을 의미한다. 1~3㎞ 사이의 서쪽 지층의 평균 밀도는 약 2.66 g/㎤로 미산층이 이 깊이까지 분포한다는 것을 강력히 암시한다. 반면 이 깊이의 동쪽 지각의 밀도는 약 2.63 g/㎤로 나와서 미산 퇴적암과 화산암이 혼재된 것으로 판단된다. 전단파 속도로부터 계산한 밀도와 각 암석의 실험실 밀도(Table 1) 그리고 탄성파탐사에서 제시한 불연속면들을 종합적으로 비교하여 깊이별 밀도 및 예상 암석들을 추측하였다(Fig. 3E). 이 밀도 및 지층구조 모델은 아래에 설명하는 3차원 중력 모델링을 실시하는 데 가장 중요한 입력 자료로 활용하였다.

3. 중력장 해석

서울을 포함한 수도권 지역에 대한 측지학 및 지구물리학적 연구를 목적으로, 국토지리정보원과 한국지질자원연구원 등이 지난 20여 년에 걸쳐서 중력 측정을 시행하였고 이로부터 연구 지역에서 약 322개 지점의 중력 자료를 확보하였으며(Shin et al., 2018) 이는 1㎢ 당 평균 측점 수가 0.75 개로 정밀 지각구조 해석을 위해서는 충분하지 않기 때문에 180개 지점에서 중력 측점을 추가하여 1㎢ 당 평균 측점 수를 1.7개가 되었으며 이는 광역적 중력 해석을 위해서는 충분한 측점이 확보된 것으로 판단한다(Fig. 4A의 회색 원). 또한 미소지진이 집중적으로 발생한 지역(Fig. 4B)은 1년에 걸쳐서 탄성파탐사 측선을 중심으로 반경 5㎞ 구역에서 39개 지점에서 중력 측점을 추가하여 1㎢ 당 평균 측점 수의 밀도는 4점에 해당한다.

Figure 4. The complete Bouguer anomaly map of the study area. Higher gravity anomalies are observed in the west region of the Dongducheon fault (DF), while lower gravity anomalies are observed on the east side. Microseismicities are concentrated mainly in the low gravity region between high gravity anomalies (HG1 and HG2).

중력이상의 계산은 GRS1980계를 기준계로 결정하여 수행하였고, 조석 보정을 위한 기조력은 Tamura (1982) 방식을 이용하여 계산하였다. 또 미국 NIMA (National Imagery and Mapping Agency)가 제공하는 육상 지형자료 및 국립해양조사원이 제공하는 수심 자료를 이용하여 고도이상(Free-Air anomaly) 및 부게이상(Bouguer Anomaly)을 계산하였다. 부게이상을 위해 적용한 평균 지각 밀도는 2.67 g/㎤이다. 지형에 의한 중력효과(terrain effect) 값을 계산하기 위해서 NIMA의 1㎞×1㎞ 지형자료를 사용하였으며 이 때 사용한 적분 공식은 Nagy(1966)의 식이다(Shin, 2006).

2021년 11월에 탄성파탐사 측선(Fig. 5A의 십자 기호)을 따라 중력을 측정한 결과 Fig. 5B와 같이 동두천 단층의 동쪽 1㎞ 부근에서 고 중력 이상대가 관찰되며 다시 급격하게 저 이상대로 변하는 분포를 보여준다. 2㎞이내의 좁은 범위에서 중력의 크기가 2mGal 이상 급변하는 현상은 이례적이기 때문에 7개월 후인 2022년 6월에 19개 지점을 대상으로 반복 측정하였다(원, 사각 기호). 그 결과 탐사 측선에서의 평균 부게이상은 약 6mGal이며, 최대 10mGal 최소 4mGal의 범위 안에서, 대체로 서쪽에서 동쪽으로 갈수록 중력값이 낮아지는 경향을 보인다(Fig. 5B 참조). 특이한 것은 동두천 단층(DF)의 동쪽 약 1㎞ 지점에 고중력 이상(Fig. 5B에서 HG1)이 나타난 후에 다시 급격하게 저이상대로 변하는 분포를 보여주는 것이다. 즉 약 2㎞ 이내의 좁은 간격에서 중력이 약 2mGal 이상이 급격하게 변화하는 현상은 매우 이례적이기 때문에, 7개월 후에 같은 측점에서 재측정을 시행하였는데 반복 측정한 중력 이상값들에서도 고 이상대가 관찰되어 측정에 의한 오류가 없다는 것을 확인하였다. 따라서 동두천 단층의 동쪽에 나타난 고 이상대(HG1)의 원인은 지각 내부에 있음이 확인된 것이다.

Figure 5. Location of gravity measurements along seismic profile. The existence of high gravity anomaly region (HG1) is reliable because the two gravity data sets obtained at different times agree well with each other.

3.1. 부게이상

연구 지역에서 관측된 부게이상 지도에서 평균 부게이상은 약 4.0mGal이며 최소 약 –18.0mGal에서 최대 약 17.0mGal의 범위를 보인다(Fig. 4A). 부게이상 분포는 동두천 단층(Fig. 4A에서 DF)을 경계로 동쪽과 서쪽이 뚜렷하게 차이를 보인다. 즉 평균 부게이상보다 높은 값은 주로 동두천 단층의 서쪽 지역에 광범위하게 나타나지만, 평균 부게이상보다 낮은 값들은 단층의 동쪽에 주로 분포한다. 또한 전곡 단층(Fig. 4A에서 JF)을 기준으로 북쪽이 대체로 중력이 높으며, 남쪽으로 갈수록 중력값이 낮아지는 경향을 보인다. 흥미로운 점은 동두천 단층의 동쪽에서도 몇 군데에 걸쳐서 높은 중력 이상이 단층선을 따라 북북서-남남동 방향으로 나타난다는 점이다(Fig. 4A에서 HG1~HG4). 이와 같이 특이한 고중력 이상의 원인은 아직 확실하지 않다. 다만 탄성파탐사 단면(Fig. 3A)에 나타난 것처럼, 동두천 단층의 파쇄대를 따라 동쪽의 지층이 약 1㎞ 상승한 흔적이 있는데 이와 연관성이 있을 것으로 판단된다(Fig. 3A에서 검은색 화살표, Malehmir et al., 2022). 즉 동두천 단층의 동쪽 경계면을 따라서 밀도가 상대적으로 높은 기반암 혹은 제4기 현무암들이 지표면까지 상승하여 이러한 부분적인 고중력 이상대가 나타난 것으로 추측할 수 있다. 또한 이와 같은 고중력 이 상대의 방향이 대체로 샘골 단층(Fig. 4A에서 SF)의 방향과 거의 유사하게 북북서-남남동 방향으로 단절되는 것으로 보아서 고중력 이상대 사이에 지금까지 알려지지 않은 동두천 단층의 파생단층들이 있는 것으로 생각된다.

지질도(Fig. 1B)의 암석 분포와 부게이상을 비교하면 동두천 단층의 서쪽 지역에 주로 나타난 높은 중력이상은 밀도가 상대적으로 높은 미산층(DM, 2.67 g/㎤, Table 1Fig. 2A 참조)과 연관되며, 동쪽 지역의 낮은 부게이상은 보다 밀도가 낮은 동막골 응회암(Kdt, 2.62 g/㎤, Table 1Fig. 2A 참조), 신서각력암(Ksb, 2.55 g/㎤, Table 1Fig. 2A 참조)과 같은 화산암들의 분포와 관계가 있다.

Fig. 4B는 탄성파탐사가 측선 주변의 부게이상 지도를 확대한 것이다. 다른 지역과 마찬가지로, 대체로 동두천 단층을 경계로 서쪽은 고 부게이상, 동쪽은 저 부게이상의 분포가 특징적이나 자세히 살펴보면, 탄성파탐사 측선을 경계로 북쪽 지역은 동두천 단층 서쪽으로 약 1㎞정도에 저 이상대(Fig. 4B에서 LG)가 나타나고 탐사 측선의 남쪽에서는 반대로 동두천 단층의 동쪽으로 고 이상대(Fig. 4B에서 HG2)가 1~3㎞ 정도 연장되어 분포한다는 점이 특이하다. 그림에서 LG로 표시된 저 이상대는 동두천 단층의 파쇄대일 가능성이 크고 이에 반해 흥미로운 점은 동두천 단층 동쪽에 나타난 두 군데의 고 중력이상대(Fig. 4B에서 HG1 와 HG2) 사이에서는 북서에서 남동의 방향성을 가지고 미소지진이 집중하여 발생했다는 점이다. 이는 지금까지 알려지지 않았던 동두천 단층을 가로지르는 파생단층이 존재한다는 것을 강하게 암시한다. 이와 같은 파생단층의 존재 또는 그 위치를 좀 더 정확히 특정하기 위해서 부게이상의 곡률 분석을 시행하였다.

3.2. 중력곡률 분석과 예상 단층선

중력장의 곡률 분석(curvature analysis)은 지표면 가까운 곳에 존재하는 밀도의 경계면을 알아내기 위해서 사용되는 방법이다(Choi et al, 2020; 2021a; 2021b). 이 분석 방식은 3차원 탄성파탐사 자료에서 속도 불연속 경계면을 좀 더 뚜렷하게 나타내려는 방법으로 처음 개발되었다(Roberts, 2001). 이후에 중력장 및 자기장 데이터의 경계면을 계산하는데도 그 이론이 적용되었다(Choi et al., 2019; 2020; 2021a). 수학적인 이론은 다음과 같다: Fig. 6A에 도식한 것처럼, 밀도가 같은 2개의 지표면 하부 구조(ρ1, ρ3) 사이에 밀도가 낮은 한 개의 하부 구조(ρ2)가 끼어있다고 가정하면, 이 가운데 구조의 중력 효과는 음의 값을 나타내는 것은 당연하다. 각 측점에서 중력장의 곡률(curvature, 식(E3)의 k)은 그 측점에 접하는 원의 반경(Fig. 6A에서 R)의 크기로 나타낼 수 있고, 이는 다시 중력곡선의 일차 미분식 즉 곡면의 접선(tangent, Fig. 6A에서 T)이 된다. 다른 식으로 표현한다면, 한 곡면의 접선은 곡선의 각(Fig. 6A에서 dω)과 길이(Fig. 6A에서 ds)에 좌우되므로, 곡면의 기울기는 k = dω /ds 이다. 이로부터 다음과 같은 식이 유도된다.

Figure 6. Reconstructed fault system inferred from the dip-curvature analysis of gravity. (A) Schematic illustration of dip-curvature analysis. (B) Dip-curvature map, which shows anticipated fault lines with a NW-SE direction (EE1 ~ EE6 and WSF) across the Dongducheon fault (DF) and a N-S direction (SF1 ~ SF3). (C) Reconstructed fault system, where the NW-SE directing- and N-S extending fault lines are assumed to be the En echelon lines and strike-slip duplex structure, which are formed by dextral strike slip movement of the DF.

k=dy2dx2/1+ dydx23

이차 미분식에 의해서 계산된 값(k)이 0에 가까이 접근하는 경우, 이는 이 지역의 하부에 중력장에 영향을 미치는 밀도의 변화가 없다는 것을 뜻한다(Fig. 6A에서 노란색과 초록색으로 표시된 지점). 밀도가 음의 값에서 양의 값으로 변하는 경계 지점의 경우에는 2차 미분 값(k)은 당연히 양의 값을 갖게 되고(Fig. 6A에서 빨간색 선으로 표시된 지점), 반대의 경우에는 음의 값을 갖게 된다(Fig. 6A에서 파란색 선으로 표시된 지점). 그러므로 전체 중력 측정 지역을 곡률 분석 방식을 적용했을 때, Fig. 6A의 맨 아래 그림과 같이, 빨간색과 파란색이 교차하는 곳은 지각 내에 밀도의 변화가 급격하게 있다는 것을 나타내므로, 밀도 차이를 수반하는 지층 경계 또는 단층 등의 지질구조 경계가 될 가능성이 크다(Choi et al, 2019; 2020; 2021a).

Fig. 6BFig. 4A에 제시된 부게이상을 곡률 분석 방식을 이용하여 위에서 나타낸 분포도이다. 기존에 잘 알려진 동두천 단층(DF)을 따라서 대체로 파란색과 빨간색의 경계선이 잘 나타나고 있는데 이는 동두천 단층이 매우 뚜렷한 밀도의 경계라는 것을 의미한다. 지질도(Fig. 1B)에 나타난 암석들의 밀도 값들(Table 1, Fig. 2A 참조)과 비교해 보았을 때, 곡률분석 방식에 의해서 나타난 동두천 단층의 뚜렷한 색깔의 경계들은 대체로 서쪽의 데본기 미산층(Fig. 1B에서 DM)과 중앙 부분에 동두천 단층을 따라서 분포하고 있는 밀도가 가장 낮은 제 4기 퇴적층(Fig. 1B에서 Qa), 그리고 동두천 단층의 동쪽에 주로 분포하고 있는 밀도가 미산층에 비해서 낮은 화산암(Fig. 1B에서 Kdt)과의 밀도 경계들을 잘 나타낸 것으로 판단된다. 또한 무명단층(Fig. 6B에서 NN1, NN2), 샘골(SF) 및 전곡 단층대(JF)을 따라서도 곡률 분석에 의한 색깔의 경계들이 대체로 잘 나타난다.

기존의 단층들(Fig. 6B에서 검은색 실선)과 더불어 지금까지 안 알려진 밀도의 경계선(단층 예상선, Fig. 6B와 6C에서 검은색과 빨간색 파선)들도 잘 나타난다:

(1) 무명단층(NN1)으로부터 샘골단층(SF)으로 이어지는 북북서-남남동 방향의 밀도 경계선(Fig. 6C에서 WSF)이 아주 뚜렷하게 나타나는데, 이는 동두천 단층의 우수향 이동에 의한 파생단층의 움직임이 그 원인일 것으로 판단된다. 이와 비슷한 방향의 파생단층(Fig. 6B에서 EE1~EE6)들이 샘골 단층으로부터 북쪽으로 동두천 단층을 따라서 발단된 것으로 나타난다. 이 예상선들은 무명단층(NN1)으로부터 시작하여 남남동 방향으로 진행하다가 동두천 단층 부근에서 거의 남쪽으로 방향이 바뀌다가 동두천 단층 동쪽으로 다시 남남동 방향으로 전환하는 공통점을 갖는다. 이와 같은 구조선들은 우수향 운동을 하는 단층에서 전형적으로 나타나는 안행상 단층(Enechelon fault, Twiss and Moores, 1992, Fig. 7B 참조)인 것으로 판단된다.

Figure 7. Comparison of our fault system model with the classical model of the strike-slip duplex structure model. (A) Distribution of microseismicities and anticipated fault lines. (B) A classical tectonic model of the strike-slip duplex structure (Twiss and Moores, 1992). (C) Application of the classical model to our study area. It is observed that the microseismicities are distributed along the fault lines inferred by gravity analysis. Distribution of microsesmicities and consistency with the classical strike-slip duplex model support that our model of En echelon lines and strike-slip duplex structure across and along the Dongducheon Fault (DF) are reliable.

(2) 동두천 단층의 동쪽, 화산암이 분포하는 지역에 남서-북동 방향으로 발달하는 무명단층(NN2)으로부터 북쪽으로 최소 3개의 단층 추적선(Fig. 6B와 6C에서 빨간색 파선)이 관찰된다. 추적선의 형태는 꽃구조(flower structure)의 형태를 분기되며 우수향 운동을 하는 단층에서 전형적으로 나타나는 파생단층으로 판단된다(strikeslip duplex, Twiss and Moores, 1992, Fig. 7B 참조).

지금까지 제시된 탄성파탐사(Fig. 3) 및 곡률 분석에 의한 중력장 해석의 결과들을 종합하여 볼 때, 연구 지역 내에서 동두천 단층을 따라서 발달한 파생단층들은 교과서적인 예(Twiss and Moores, 1992, Fig. 7B 참조)에서 제시된 것처럼, 동두천 단층을 따라서 다음과 같은 지구조 운동을 한 결과라고 결론을 낼 수 있다:

(1) 우수향 운동을 하는 동두천 단층의 영향으로 동두천 단층과 전곡 단층 사이에는 남북 방향의 압축력이 작용하여 북북서-남남동 방향의 안행상 구조(EE1~EE6 & WSF)가 발달함과 동시에 동두천 단층과 평행으로 duplex 단층(SF1~SF3)들이 형성되었다.

(2) 이와 같은 지구조 운동의 영향으로 동두천 단층을 따라서 꽃다발 구조(flower structure)가 발달하였으며, 이 구조를 통해서 동두천 단층의 동쪽 지역에는 부분적으로 밀도가 상대적으로 높은 암석(예, 제4기 현무암 등)들이 지표까지 상승하였다. 이는 연천 지역에서 실시한 탄성파탐사의 결과와도 일치한다(Malehmir et al., 2022, Fig. 3A, 3E 및 7C 참조).

(3) 반면, 동두천 단층의 서쪽 지역은 수직 하강 운동이 일어나면서 제4기 퇴적암(Fig. 1B에서 Qa)과 같은 밀도가 낮은 물질들이 두껍게 퇴적되어 밀도가 낮은 해방 곡부(release bend, Fig. 7A에서 검은색 파선)를 형성하였다.

4. 중력장의 순산 모델링

위에서 언급한 중력장 곡률 분석법은 측정된 중력값들을 해석하여 부게이상의 원인이 되는 지질 경계를 시각적으로 잘 드러내는 장점이 있다. 여기서 더 나이가 중력값을 일으키는 지각 내부의 밀도 및 지질/지구조학적인 해석이 필요한데 이를 위해서는 중력 역산이나 순산 모델링과 같은 과정을 수행하게 된다. 여기서는 순산 모델링을 적용하였는데, 다음과 같은 방식으로 진행된다. 첫째로, 원인이 되는 지각 밀도의 분포를 먼저 가정한 다음에 순산 방식의 알고리듬(예, Talwani et al., 1959; Götze and Lahmeyer 1988)을 이용하여 지각 물성의 중력장 효과를 계산하는 것이다. 둘째로, 이렇게 계산된 효과 값들을 실제로 측정된 중력장 값들과 비교한다. 실제 값과 차이 나는 부분에 대해서는 초기모델을 변화시켜가며 모델을 수정한다. 마지막으로 계산된 효과 값들이 측정된 실제 값들과 만족할 정도로 근접한 지각 모델이 도출되면 이를 지질/지구조학적으로 해석한다.

중력장을 이용한 2차원 순산 수치해석 알고리듬은 Talwani(1959)에 의해서, 그리고 3차원 해석의 이론은 Götze(1984)에 의해서 제시되었다. 2차원 방식은 수평과 수직의 두 개 축으로 구성된 지질 단면에 대해서 밀도를 가정하고 이론적인 중력을 가우스 법칙에 의한 적분 방식으로 계산하는 것이다(Talwani, 1959). 이 경우 지질구조는 이 단면에 수직 방향으로 무한히 연장된다고 가정하고 중력 효과를 근사값으로 계산하였다는 한계가 있다. 이와 같은 단점을 보완하기 위해서 제시된 방법이 Götze(1984)의 3차원 계산 방식이다. 몇 개의 2차원적 모델들이 삼각형으로 연결되어 있다고 가정할 경우, 각각의 2차원 수치모형은 Green 2차 적분 식으로 계산된다. 이렇게 각각 계산된 2차원 모형은 가우스 적분 식으로 연결하면 3차원적인 중력장 효과 값들을 계산해 낼 수 있다(Geotze and Lahmeyer 1988).

수치해석 과정에서 가장 중요한 것은 초기에 주어져야 할 지각 모형의 정확성이다. 그러므로 초기 입력 변수(input parameter)로서 모형을 결정할 수 있는 가능한 많은 연구 자료가 종합적으로 비교 분석되어야 한다. 지난 30년 동안 베를린 자유대학, 킬 대학 그리고 포츠담 지구과학연구소(GFZ)에서 개발한 3차원 중력장 및 자기장 순산 수치해석 프로그램인 IGMAS+ 프로그램은 3D 지반정보 체계(geoinformation system)와 객체 및 응답형 기능(interactive function)이 탑재되어 다양한 형태의 연구 결과들을 3차원적으로 비교 분석하여 최적의 중력장 모형을 도출할 수 있다(Schmidt et al., 2004; 2010). 그런 기능으로 인해서 IGMAS+에 의해서 제시된 최종 모형은 신뢰성 높은 3차원 밀도 및 자기장 분포를 제시하는 것으로 인정되고 있으며, 지질학적인 해석과 지구물리학적인 의미 부여에 효과적으로 활용되고 있다(Choi et al., 2013; 2019; 2020; 2021a). 중력장을 이용한 순산방식의 자세한 수치해석 방법은 Choi et al.(2021c)에 제시되어 있다.

4.1. 동-서 방향선 모델링

연천 지역에서 탄성파탐사 라인(Fig. 8A에서 검은색 파선)을 따라서 측정한 중력장 자료를 이용하여 순산법의 밀도 구조 모델링을 실시하였다. Fig. 8B의 빨간색 실선은 서쪽에서 동쪽으로 횡단한 부게이상 분포이다. 평균 부게이상은 약 5.1mGal이며 최소 약 –1.3mGal에서 최대 약 11.9mGal의 변화를 보인다. 동두천 단층(Fig. 8B에서 DF)을 중심으로 서쪽 지역의 평균 부게이상은 약 7mGal, 동쪽 지역의 부게이상은 약 2mGal로 단층을 경계로 동쪽과 서쪽이 뚜렷히 다른 중력 변화를 보인다. 특히 동두천 단층을 따라 서쪽 경계 부분은 약 5 mGal로 낮은 부게이상이지만 동쪽 경계 부분에서는 최소 10mGal로 급격하게 높아지는 특징을 보인다.

Figure 8. Gravity forward model along the seismic profile. A 2D gravity forward model is suggested by using all available constraints from gravity field (A, B), geologic map (A), rock type with densities (C), and spatial distribution of seismic reflectivities (Malehmir et al., 2022). The final model indicates that the prominent gravity lows (DF, SF1~SF3 in B) are mainly affected by the fault cores, which are characterized by low densities about 15% less than surroundings.

중력 자료를 이용한 수치해석에서는 지층이나 암석의 구조(polygon) 그리고 각 구조의 밀도(density) 값을 주어야만 측정점들에서의 중력 효과를 계산할 수 있다. 모형(polygon) 제작을 위해 참고한 자료(constraints)는 지질도에 표시된 암석 분포(Fig. 8A 및 8C), P파 탐사결과(Fig. 3B)와 그로부터 제시된 속도 불연속면(Reflectivity)의 분포(Fig. 3E, 8D에서 회색 실선)를 활용하였다. 또한, 실험실에서 측정한 암석들의 밀도(Table 1Fig. 2A), S파 분포로부터 계산한 수직 밀도 분포(Fig. 3D)를 초기 밀도결정을 위한 자료로 활용하였다. 다만, 동두천 단층의 지표면 가까운 곳에서는 제4기 지층(Fig. 8C와 8D에서 Qa)과 데본기 미산층(Fig. 8C와 8D에서 DM)이 혼재되어 공극율이 대략 3%가 될 것으로 판단하여, 2.60 g/㎤의 밀도를 가진 혼합층(Fig. 8D에서 DMP)으로 해석 하였다. 동두천 단층 동쪽 지표 부근 암반의 밀도는 Table 1Fig. 2A를 참조하여 신서각력암(Ksb) 및 동막골응회암(Kdt)의 평균 밀도를 약 2.40 및 2.63 g/㎤ 으로 설정하였다. 더불어 최하부 지층에 존재할 것으로 판단되는 경기육괴 기반암(Fig. 8D에서 GM), 시원생대 감섬석(Fig. 1BFig. 2A에서 PRgms) 및 편암(Fig. 1BFig. 2A에서 PRsch)이 혼재된 장락층군(Fig. 8D에서 J.-Gp.)의 밀도는 Table 1Fig. 2A 및 S파 분포(Fig. 3D)를 참고로 2.80과 2.75 g/㎤로 각각 결정하였다.

Fig. 8B의 회색 점선은 위에서 언급한 지표 부근 수평지층(Fig. 8C)과 암석의 밀도 값에 의해서 계산한 부게이상이다. 이 계산값들은 측정된 부게이상(빨간색 실선)과 대체로 일치하였다. 이는 Fig. 8C의 수평 지각 구조와 밀도 분포가 신빙성이 있다는 것을 의미한다. 즉 동두천 단층 서쪽 지역의 높은 부게이상은 밀도가 상대적으로 높은 기반암인 미산층의 퇴적암(DM, 2.60 g/㎤)에 의한 것이며, 동쪽 지역의 낮은 부게이상은 반대로 밀도가 상대적으로 낮은 화산암인 신서각력암(Ksb, 2.40 g/㎤)에 의한 것이다. 또한 동두천 단층선의 동변으로 국지적으로 상승한 부게이상 값은 그 사이에 있는 동막골응회암(Kdt, 2.63 g/㎤)의 중력 효과로 설명할 수 있다. 그러나 동두천 단층이 지나가는 곳(Fig. 8B의 DF)과 곡률 분석으로 밝혀진 추정 단층(Fig. 8A에서 SF1~SF3)의 연장에서 계산된 중력 효과(Fig. 8B의 회색 점선)와 측정된 부게이상값(Fig. 8B의 빨간 실선)이 부분적으로 서로 일치하지 않는 것으로 나타났다.

P파 분석에서 확인된 동두천 단층 파쇄대의 규모(Fig. 3B), 계산된 밀도(Fig. 3C) 및 그 최대 깊이(Fig. 3E) 등을 참고로 하여 파쇄대의 규모 및 밀도 분포를 수치해석에 추산하였고, 탄성파탐사로부터 제시된 속도 불연속면의 분포(Malehmir et al., 2022, Fig. 8D에서 회색 실선들)와 곡률 분석으로 제시된 파생단층(Fig. 8에서 SF1~SF3)의 위치에 최대 약 1㎞의 파쇄대들을 수치해석에 추가하였다. 이렇게 개선된 최종적인 수치모형의 중력 효과 값(Fig. 8B에서 굵은 파선)은 측정된 부게이상과 오차 범위 내에서 일치하였다. Fig. 8D는 연구 지역에서 지각 내 5㎞ 깊이까지의 구조가 제시된 최종 밀도 모델이며 이 모델을 통해서 다음과 같은 결론을 얻었다:

(1) 동두천 단층 파쇄대의 규모는 폭이 약 200 m, 깊이는 최소 5 ㎞이다. 파쇄대의 밀도는 주변 수평 지층의 평균 밀도보다 약 15% 낮은데, 이는 탄성파탐사에 의한 결과(Fig. 3B, 3C 참조, Malehmir et al., 2022)와 일치한다.

(2) 동두천 단층의 동쪽 접경 지역의 국지적 높은 부게이상(Fig. 8A에서 HG1 & HG2)은 지하의 고밀도 물체(Fig. 8D에서 HD, >2.75 g/㎤)가 동두천 단층을 따라 지표 부근까지 수직 상승한 영향으로 연구 지역에 넓게 분포하고 있는 제4기 현무암(Fig. 1B에서 Qba)이나 장락층군의 고밀도 암체(시생대 각섬석 혹은 편암)일 가능성이 매우 높다.

(3) 동두천 단층 동쪽 화산암 지층에서 나타나는 국지적인 저 부게이상(Fig. 8B에서 SF1~SF3)은 파생단층들의 지구조 운동(Fig. 8D에서 검은색 파선)으로 형성된 파쇄대의 효과로 판단된다.

(4) 탄성파탐사와 중력장 해석 그리고 밀도 모형에서 동두천단층의 동부는 같은 크기의 밀도층이 서부에 비해 높은 고도에 위치하며 단층을 경계에서 동부와 서부의 수직적인 변위가 큰 지역에서 군발지진이 집중된 것으로 추측된다.

(5) 최근에 집중적으로 발생한 것으로 보고된 심발지진(>9㎞)의 원인 파악을 위한 중력 해석은 좀 더 넓은 지역의 중력 데이터가 확보되어야 하므로, 유감스럽지만 본 연구에서는 생략하였다.

4.2. 남-북 방향선 모델링

동-서 단면 수치해석에서 사용한 참고 자료(constraints)를 적용하여 동두천 단층을 따르는 남북 방향(Fig. 9A에서 빨간색 파선)의 밀도 모형을 제작하였다. Fig. 9B의 단면은 빨간색 실선은 남에서 북으로 종단한 부게이상도이다. 평균 부게이상은 약 6.4mGal이며 최소 값은 약 4.0mGal, 최대 값은 약 9.3mGal이다. 이 라인을 따라서 측정된 부게이상 분포(Fig. 9B에서 빨간색 실선)는 남쪽으로부터 약 0.5㎞ 지점부터 급격하게 중력이 증가하여 최대 중력값에 이르며, 그 후 낮아지다가 북쪽으로 가면서 다시 한번 높아지는 특징을 보인다. 이전에 제시된 수치해석 결과를 참고하여 지상으로부터 동막골응회암(Fig. 9C에서 Kdt, 2.63 g/㎤), 미산층(Fig. 9C에서 DM, 2.67 g/㎤), 장락층군(Fig. 9C에서 J-Gp, 2.75 g/㎤) 및 최하부 지층으로 경기육괴 기반암(Fig. 9C에서 GM, 2.80 g/㎤)의 밀도 층을 해석하였다. 또한 남쪽으로부터 0.5 및 2.5㎞ 지역에 나타난 높은 부게이상(Fig. 9A와 9B에서 HG2 및 HG1) 들은 심부로부터 관입한 고밀도 지각 물질(Fig. 9C에서 HD2 및 HD1, 2.80 g/㎤)을 해석에 반영하였다. 그 결과 계산된 중력 효과 값(Fig. 9B에서 파란색 실선)은 오차 범위 내에서 관측된 중력이상 값(Fig. 9B에서 빨간색 실선)과 잘 일치하였고, 따라서 Fig. 9C에 제시된 지각 구조 모형과 밀도 분포가 지질학적으로도 의미 있다고 판단된다. 동두천 단층을 따라서 실시한 순산 모델링 결과(Fig. 9C)는 다음과 같이 해석된다.

Figure 9. Gravity model along the Dongducheon Fault line. A 2D gravity forward model is suggested by using all available constraints from gravity field (A, B) and geologic map (A), and rock type with densities (C). The final model indicates that the prominent gravity highs (HG1 and HG2 in A and B) are mainly caused by the high density material (HD1 and HD2 in C), which may be uplifted from the basement of the Gyeonggi Massiv (GM). The vertical stress distribution (D) at depth of 4.5 km shows a prominent vertical stress change from 3 MPa to –3 MPa in the area between EE1 and EE2 that can be explained by the density difference between En echelon lines.

(1) 동두천 단층의 동편에는 국지적으로 밀도가 매우 높은 지각 물질(2.80 g/㎤)이 지표 가까이 관입한 곳이 있으며, 이 물질들은 전곡 단층을 따라서 분출된 화산성 마그마인 것으로 판단된다. 또한 이는 전곡 지역과 마찬가지로 이 지역에도 활발한 화산 활동이 있었음을 지시한다.

(2) 기상청에서 발표한 천부(<5㎞) 미소지진의 진앙지(Fig. 9A에서 빨간색 세모)는 고밀도 지역 사이에 밀집되어 있으며, 동두천 단층을 가로지르는 안행상 단층(En echelon, Fig. 9A에서 EE1~EE3)들 중에서도 특히 EE2 단층 부근에 집중적으로 발생한다. 이는 우수향 운동을 하는 동두천 단층의 응력이 밀도가 높은 지역 사이에 저밀도 지역으로 존재하는 EE2 단층에 집중되기 때문으로 추측된다.

(3) 지진과 밀도 분포의 연관성을 확인하고자 밀도 모델로부터 깊이 4.5㎞ 지점의 수직 응력(σN) 분포를 계산하였다(이론적인 배경은 Choi et al., 2019 참조). Fig. 9D에 보이는 것처럼, 밀도 모형에 따라 계산된 평균 수직응력값은 2.65MPa이며, 변이는 0.5~7.45MPa이다. 우수향으로 움직이는 동두천 단층의 지구조적 움직임(Fig. 9D에서 검은색 화살표)에 의한 수평 응력이 일정하게 작용할 경우, 높은 응력에서 낮은 응력으로 급격하게 변하는 지점에서 총 응력(total stress=vertical stress+horizontal stress)의 변화가 가장 크다는 것은 이론적으로 당연하다. 즉 동두천 단층을 따라서 계산된 수직 응력의 분포는 안행상 단층(EE1)과 단층(EE2) 사이에서 가장 큰 변이를 일으키며, 그렇기 때문에 5㎞ 이내의 천발지진이 이 지역에 집중적으로 발생하고 있는 것이다.

5. 결 론

한반도 수도권 북쪽 동두천 단층 주변에서 발생한 군발지진의 원인을 파악하고자 기존의 탄성파탐사 측선을 중심으로 약 200여 점의 중력값을 새롭게 측정하였으며, 기존에 측정된 중력장 데이터(약 150여 측점)와 통합하여 연구 지역의 부게이상 지도를 작성하였다. 연구 지역에서의 부게중력이상은 최소 약 –18mGal에서 최대 약 17mGal의 분포를 보인다. 평균 부게이상보다 높은 부게 이상은 주로 동두천 단층의 서쪽 지역에 나타나며, 그와 반대로 동쪽 지역은 비교적 낮은 중력이상의 특징을 보인다. 이와 같은 분포는 동두천 단층을 중심으로 서쪽에는 밀도가 비교적 높은 미산층(2.67 g/㎤)이 분포하며 동쪽에는 보다 밀도가 낮은 화산암이 주로 분포하는 양상과 일치한다. 특이한 점은 동두천 단층과 접하여 나타난 고 중력이상이며, 그 사이의 저 중력이상대를 따라서 북북서-남남동 방향으로 군발지진이 집중적으로 발생하는 점이다. 이는 동두천 단층을 가로지르는 파생단층이 존재한다는 것을 시사한다. 이러한 파생단층의 존재와 그 정확한 위치를 파악하기 위해서 곡률 분석을 실시한 결과 다음과 같은 가능성이 제기되었다.

(1) 동두천 단층의 우수향 지구조 운동의 영향으로 이를 가로지르는 북북서-남남동 방향의 안행상 단층(En echelon fault)이 다수 발달하였다.

(2) 동시에 동두천 단층선을 따라 꽃다발구조(flower structure)가 발달하여, 동두천 단층의 동쪽 지역에서는 국지적으로 높은 밀도의 하부 지각 물질(예, 현무암)이 지표 부근까지 올 수 있는 수직 상승 운동이 가능하게 되었다.

(3) 이와 반대로 동두천 단층의 서쪽 지역에서는 완만한 하강 운동이 일어나서 단층선을 따른 해방곡부(release bend)에서는 제4기 퇴적암 등의 밀도가 낮은 물질들이 두껍게 퇴적되었다.

또한 기존에 제시된 탄성파탐사 결과, S파 전단파 속도구조 모형, 실험실에서 측정한 암석별 밀도 데이터 등을 활용하여 2차원 탄성파탐사 지역을 중심으로 동-서 및 남-북 방향의 3차원 밀도 수치해석을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

(4) 동두천 단층 파쇄대의 넓이는 약 200 m, 깊이는 최소 5㎞이며, 밀도는 인접한 지층의 밀도보다 평균 약 15% 낮다.

(5) 동두천 단층의 동쪽 경계부에 나타난 높은 부게이상은 연구 지역에 넓게 분포하고 있는 고밀도(> 2.75 g/㎤) 암석들(예, 제4기 현무암과 시생대 각섬석)의 효과로 판단된다.

(6) 지하 5㎞ 이내의 천발지진은 지표 부근까지 관입한 고밀도 암석들 사이에 발달된 저밀도의 안행상 단층 파쇄대를 따라서 집중적으로 발생하였다. 이 저밀도 안행상 파쇄대는 동두천 단층의 우수향 운동 때문에 남북 방향으로 작용한 응력의 결과이며, 계속되는 응력은 단층을 활성화해 지속적으로 지진을 유발하는 것으로 판단된다.

(7) 지진이 집중적으로 발생한 4.5㎞ 깊이의 수직 응력을 계산한 결과, 총 응력(total stress)이 가장 급격하게 변화하는 지점에 지진이 밀집되는 것으로 판명되었다. 결국 안행상 단층 중에서도 밀도가 뚜렷하게 낮은 단층은 동두천 단층의 우수향 운동에 의한 응력에 취약하며, 그렇기 때문에 집중적으로 발생하는 군발지진의 진원이 되는 것이다.

Acknowledgement

이 연구는 한국연구재단 기초연구사업(2020R1F1A1054863)과 기상청 주관 연구사업(KMI2022-00710)의 공동 지원으로 수행되었습니다.

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December 2022, 55 (6)