Research Paper

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Econ. Environ. Geol. 2024; 57(1): 73-81

Published online February 29, 2024

https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.1.73

© THE KOREAN SOCIETY OF ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL GEOLOGY

Displacement of Dongducheon and Wangsukcheon Fault Observed by Gravity Field Interpretation

Sungchan Choi1, Sung-Wook Kim1,*, Eun-Kyeong Choi1, Younghong Shin2

1Geo-information Institute, GI Co. Ltd., Busan, 47598, Korea
2Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 34132, Republic of Korea

Correspondence to : *suwokim@chol.com

Received: December 21, 2023; Revised: February 22, 2024; Accepted: February 23, 2024

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 original work is properly cited.

Abstract

To estimate the tectonic displacement of the Chugaryeong Fault System (CFS), gravity surveys were conducted along the Dongducheon fault (DF) and the Wangsukcheon fault (WF). A total of 1,100 stations for the DF and WF regions have been added to the current gravity database. The results of the gravity interpretation indicate that (1) the dextral displacement of the DF is about 3,000 m, similar to the tectonic displacement (2,900-3,100 m) shown in the geological map. (2) The dextral displacement of the WF is about 3,200 m. (3) Taken together, the tectonic displacement of the CFS is estimated to be about 3,000 m on average. To investigate more accurate tectonic displacement of the CFS, further gravity surveys is planned for the Pocheon fault, Gyeonggang fault, and Inje fault.

Keywords gravity interpretation, tectonic displacement, Chugaryeong Fault System, Dongducheon fault, Wangsukcheon fault

중력장 해석으로 관측된 동두천 및 왕숙천 단층의 변위

최승찬1 · 김성욱1,* · 최은경1 · 신영홍2

1지아이 지반정보연구소
2한국지질자원연구원

요 약

추가령 단층대의 지구조적인 이동을 확인하기 위해 경기 북부와 양주 및 서울 지역을 통과하는 동두천 단층과 서울 동쪽 지역에서 북동-남서 방향으로 발달한 왕숙천 단층을 따라서 중력장을 측정하였으며 두 지역에서 약 1,100여 점의 중력 자료를 획득하였다. 두 단층대의 중력장 해석 결과는 다음과 같다. (1) 동두천 단층이 우향으로 약 3,000 m 정도 이동하였으며 이는 지질도에서 관찰되는 동두천 단층 일원 암석의 우향 이동 규모(2,900-3,100 m)와 일치한다. (2) 왕숙천 단층의 우향 변위는 약 3,200 m이다. (3) 이를 종합하면, 추가령 단층대의 우향 변위는 평균 약 3,000 m 정도로 판단된다. 추가령 단층대의 변위를 좀 더 정확히 확인하기 위해서, 포천 단층, 경강 단층 및 인제 단층의 변위 정도를 파악하기 위한 중력 측정과 해석이 추가로 필요하다.

주요어 중력장 해석, 지구조적 변위, 추가령 단층대, 동두천 단층, 왕숙천 단층

  • Gravity fields were measured along the Dongducheon fault and Wangsukcheon fault in the Chugaryeong fault system.

  • The gravity anomalies of the two faults indicate a dextral strike slip movement, and the displacements of the faults are 3.0 km and 3.2 km, respectively.

  • The Chugaryeong fault system is dominated by dextral movement, and the average displacement is about 3.0 km.

한반도 중부의 수도권 지역은 남-북 방향 및 북북동-남남서 방향으로 발달하는 추가령 단층대(Fig. 1A의 CFS) 가 분포한다(Choi et al., 2012; Chung et al., 2014; Choi et al., 2021; Kil et al., 2021; Lee et al., 2022). 추가령 단층대는 동해안 원산에서 추가령에 이르는 협곡을 지나며한반도 중부 지역인 평강, 철원, 연천 및 서울의 삼각산과 북한산을 통과하여 남쪽으로 충청남도 서해안까지 이어지는 대규모 구조대로 최소 4개 이상의 단층으로 구분된다(Fig. 1B 참조, Chung et al., 2014; Choi et al., 2021).

Fig. 1. (A) The Chugaryung Fault system (CFS) is located in the central part of the Korean Peninsula. The study area (red rectangle in Fig. 1B) is located in the Yangju area, north of Seoul, and is divided in half by the Dongducheon fault line(DF). Several faults belong to the CFS are numbered in Fig. 1B.

추가령 단층대의 가장 서쪽 부분은 동두천 단층(Fig. 1B 의 ①)이 발달하며 철원-연천-동두천-양주-의정부-서울로이어지는 약 100 km길이의 대규모 단층이다. 동두천 단층의 동쪽에는 포천 단층이 경기 북부의 철원에서 시작하여 포천을 지나서 양주 동쪽 지역까지 이어진다(Fig. 1B 의 ②). 포천 단층의 동쪽으로는 북동-남서 방향의 왕숙천(Fig. 1B 의 ③)과 경강 단층(Fig. 1B 의 ④)이 발달하며, 한강의 남쪽으로 남-북 방향의 신갈 단층(Fig. 1B의 ⑤) 과 곤지암 단층(Fig. 1B의 ⑥), 그리고 인제 단층(Fig. 1B 의⑦)이알려져있다(Chung et al., 2014; Choi et al., 2021). 추가령 단층대 중에서도 인구 약 2,500 만 명이 거주하는수도권을 관통하는 동두천 단층대의 지구조적 움직임에관한 지구과학적인 관심이 매우 크다. 특히, 2018년부터 2021년까지 300 여회발생했던 연천 지역 군발지진(Fig. 1B 에서 YEA 로 표시, Kil et al., 2021; Malehmir et al., 2022; Lee et al., 2022; Choi et al., 2021; 2022)이 발생한 이후동두천 단층의 활성화 여부에 관한 관심은 더욱 커졌다. 이를 위해서는 동두천 단층의 지구조 운동 규모에 관한연구는 필수적이라고 할 수 있다.

이 연구는 지형과 지질 그리고 중력장 데이터의 통합해석을 통해서 우향의 동두천 및 왕숙천 단층의 지구조적 변위 정도를 파악하기 위해 수행되었으며 수도권에서동두천 단층을 따라서 발생한 지진의 원인을 이해하는데 중요한 정보로써 활용될 것이다.

추가령 단층대는 동두천 단층, 포천 단층, 왕숙천 단층,신갈 단층, 곤지암 단층, 인제 단층 등 대규모 단층들의집합체이다(Fig. 1, Choi et al., 2012; Chung et al., 2014; Choi et al., 2021; 2022; Kil et al., 2021; Lee et al., 2022). 그중에서 동두천 단층, 포천 단층, 왕숙천 단층들은 서울북쪽 및 북동쪽에 위치하며, 서울의 남쪽 및 남동쪽으로는 신갈 단층, 곤지암 단층, 인제 단층이 잘 알려져 있다. 동두천 단층과 포천 단층은 의정부에서 합류되며 포천단층과 평행하게 북북동-남남서 방향으로 발달하는 왕숙천 단층은 서울 동쪽 즉 남양주 및 구리 등을 지나서 성남까지 연장된다(Kim, 1973). 암석학적인 연구 결과(Kim, 1973; Yoon, 1997)는 서울 및 경기지역에 널리 분포하고있는 서울화강암이 추가령 단층대를 따라서 분포한다는것에 착안하여, 추가령 단층대의 형성은 서울화강암이 관입한 쥬라기 이전으로 판단하였으며 암석의 변위로 볼때 이후 시기까지 활동한 단층으로 해석할 수 있다. 철원도폭설명서(Chwae et al., 1996)는 변성 작용이 일어났던 약 250 Ma. 시기 이전에 이미 추가령 단층대가 존재했던 것으로 판단하였다. 즉 추가령단층에 의해 분포가규제되는 변성암류의 광역변성작용 시기(250 Ma) 와 제4 기 평강현무암의 분포에 근거하여 추가령단층대는 고생대부터 중생대를 거쳐 신생대까지 단층운동이 간헐적으로 반복되었고 최소 250 Ma 이전부터 활동을 시작하였을 것으로 판단하였다.

포천도폭설명서(Kee et al., 2005)에서는 동두천 단층이 철원 분지의 서쪽 경계부를 규제하며, 철원 분지의 형성과 진화를 주도하였을 것으로 보았고, 우향 주향이동단층을 주장하였다. 더불어 의정부도폭설명서(Kho and Song, 2005)에서도 동두천 단층에 의해서 쥬라기의 함석류석화강암(Fig. 2A 에서 Jgbgr) 이 우향으로 수평 이동하였음을제시하였다.

Fig. 2. Geological map (A) shows that the study area is divided in half by the NS-directing Dongducheon fault (DF), and its eastern part is characterized by a prominent ring-form structure composed of Garnet-bearing Biotite Granite (Jgbgr). Dextral displacement of the DF is approximated to be about 3,000 m by comparing locations of fault lines (e.g., Jeongok fault, Choseong Trust in B) and different rocks (e.g., Quartzite and Jgbgr in C) in western-and eastern DF. Bouguer anomaly map (D) shows NW-SE directing low anomalies, which are probably caused by NS striking dextral movement of the DF.

연구 지역(Fig. 1B) 은 추가령 단층대의 중부에 해당하는 곳으로 행정 구역상으로는 경기도 연천군과 서울 북쪽 접경지역 사이에 위치하는 경기도 양주시이다. 이 지역은 경기변성암복합체(Fig. 2A 의 PEbgn) 를 기반으로 쥬라기에 관입한 화강암 중에서도 회색 계열의 중-조립질흑운모 화강암(Fig. 2A 의 Jbgr) 과 담홍색-담회색 계열의함석류석화강암(Fig. 2A의 Jgbgr) 이 관입하여 동두천 단층을 따라서 남-북 방향으로 넓게 분포한다(Yoon, 1997).

2.1. 동두천 단층의 지구조 운동

동두천 단층은 추가령 단층대의 가장 서쪽에 위치하며, 경기도 및 서울 지역을 남북으로 통과한다(Fig. 2에서DF). 2018 년부터 2021 년까지 300 여 회 발생했던 연천 지역 군발지진(Fig. 1B에서 YEA 로 표시된 지역, Kil et al., 2021; Malehmir et al., 2022; Lee et al., 2022; Choi et al., 2022) 이후 동두천 단층의 활성화 여부에 관한 관심은 더욱 커졌으나, 우향의 이동 변위를 보인다는 보고 이외에는 지구조 운동의 규모에 관한 연구가 부족하다(Kim, 1973; Chwae et al., 1996; Kee et al., 2005; 2008; Kho and Song, 2005).

동두천 단층의 변위 정도를 파악하기 위해 지질도에서동두천 단층을 중심으로 서부와 동부의 암석과 지질구조를 비교하였다. Fig. 2B 에서 전곡 단층(JF)은 동두천 단층을 경계로 약 3,200 m, 그리고 초성 트러스트(CT)는 약2,900 m 우향의 변위가 뚜렷하게 관찰된다. 또한, 경기변성암복합체에 관입 된 적성층(TRJjs)과 규암(Q) 등은 동두천 단층에 의해서 약 2,900 m 및 3,100 m 각각 우향 이동하였다는 것을 보여 준다. 쥬라기에 관입한 함석류석화강암(Jgbgr)은 동두천 단층의 우측 지반이 약 2,900 m 남쪽으로 이동하였다는 것을 보여 준다(Fig. 2C). 이를 종합하면, 동두천 단층의 우향 이동 평균 변위는 연구 지역에서 약 3,000 m 정도 임을 알 수 있다.

2.3. 연구 지역의 암석 밀도

철원-연천-동두천-양주-의정부-서울로 이어지는 동두천단층(Fig. 2에서 DF) 을 따라서 다양한 종류의 암석들이분포하며 점유하는 면적에서 경기변성암복합체(PEbgn)와화강암(Jbgr)이 우세하다. 미산층, 적성층 등의 변성퇴적암과 규암 및 경기편마암복합체, 화강암의 평균 밀도는 각각 2.69 g/cm3, 2.63g/cm3, 2.67 g/cm3, 2.63g/cm3이다(Table 1, Park et al., 2009). 지표면을덮고있는제4기충적층(Table 1 에서 Alluvium) 에 대한 실험실 밀도 자료는 없으나, 이전연구 결과(Choi et al., 2021; 2022) 를 참고로 충적층의 최대 밀도 값은 2.30 g/cm3 정도로 추정하였다.

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

Rock TypeSampleDensity (g/cm3)
RangeMeanSD
Alluvium (Qa)< 2.30
Basalt (Qba)32.62 ~ 2.832.720.10
Seoul Biotite Granite (Jsgr)792.55 ~ 2.792.620.05
Hornblende Granodiorite (Jhgd)82.55 ~ 2.762.660.07
Garnet bearing Biotite Granite (Jgbgr)22.60 ~ 2.612.600.01
Biotite Granite (Jbgr)1262.54 ~ 2.792.630.04
Porphyritic Biotite Granite (Jpbgr)72.58 ~ 2.752.670.06
Jeokseong Fm. (TRJjs)112.46 ~ 2.862.710.1
Misan Fm. (DM, Sandstone)772.53 ~ 2.962.690.07
Quartzite (Qz)292.53 ~ 2.972.630.09
Gyeonggi Gneiss Complex (PEbgn)62.61 ~ 2.752.670.05

서울을 포함한 수도권 지역에 대한 측지학 및 지구물리학적인 연구를 목적으로, 국토지리정보원(NGII, National Geographic Information Istitute of Korea), 한국지질자원연구원(KIGAM, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources), ㈜지아이에서 중력을 측정하였고 연구 지역에서 1,100 여 점의 중력 자료가 확보하였다(Fig. 2D 의 원). 중력이상의 계산은 GRS1980 계를 기준계로 결정하여 수행되었으며, 조석 보정을 위한 기조력은 Tamura(1982) 의논문에서 인용된 식을 이용하여 계산하였다. 국토지리정보원이 제공하는 30 m 해상도의 육상 지형자료 및 국립해양조사원(Korea Hydrographic and Oceanographic Agency) 이 제공하는 수심 자료를 이용하여 고도이상(Free-Air anomaly), 단순부게이상(Simple Bouguer Anomaly) 및 완전부게이상(Complete Bouguer Anomaly)을 계산하였다.단순부게이상 계산을 위해서 적용한 지각의 평균 밀도는2.67 g/cm3이다. 지형에 의한 중력효과(Terrain effect) 를 계산하기 위해서 NGII 의 1 km×1 km 지형자료를 사용하였으며 그때 사용한 적분 공식은 Nagy(1966) 의 식이다(Shin, 2006; KIGAM, 2014). 이로부터 계산한 지형에 의한 중력효과의 변위는 최대 5.5 mGal 정도이며, 평균값은 약3.0 mGal이다. 이 값을 단순부게이상에서 보정하여 완전부게이상(Complete Bouguer Anomaly)을 계산하였으며 연구 지역으로부터 직경 160 km 주변(Heyford zone) 의지형에 의한 중력효과(terrain effect) 을 보정에는 서해안의 수심자료를 포함하였다. Fig. 2D 는 연구 지역에서 관측된 완전부게이상 지도이다. 평균 부게이상은 약 –10.0 mGal이며, 최소 약 –20.0 mGal 에서 최대 약 20.0 mGal 의범위를 보인다.

Fig. 2D 의 완전부게이상 분포는 전곡 단층(JF)에 의해서 북쪽과 남쪽이 뚜렷하게 차이가 있다는 것을 보여 준다. 즉 평균 부게이상보다 높은 부게이상 값은 주로 전곡 단층의 북서쪽 지역에 나타나지만, 평균 부게이상보다 낮은 값들은 전곡 단층의 남쪽에 우세한 분포를 보인다. 이는 전곡 단층의 북쪽 지역의 기반암인 미산층의 평균 밀도(2.70 g/cm3)가 남쪽 지역의 기반암인 경기변성암복합체와 화강암의 평균 밀도(2.64 g/cm3)보다 큰 것에 의한 것으로 해석할 수 있다(Choi et al., 2022). 논문의 연구지역에 해당하는 전곡 단층의 남쪽 양주지역에는 매우특이하게도 동두천 단층을 중심으로 –15 mGal 보다 낮은부게이상이 북서쪽에서 남동쪽으로 분포하고 있으며, 이는 연구 중심지에 분포하고 있는 제4기 충적층(Qa) 및쥬라기 화강암(Jbgr, Jgbgr)의 분포와 대체로 일치한다. 이를 통해서 연구 지역에 나타난 낮은 중력 분포는 기반암으로서의 선캄브리아기 경기변성암복합체(Fig. 2B 에서PEbgn)의 밀도(2.67 g/cm3, Table 1 참조)와 쥬라기 화강암류의 평균 밀도(2.61 g/cm3, Table 1 참조)와의 차이로 해석할 수 있다. 같은 화강암이지만 밀도가 높은 흑운모화강암(2.62 g/cm3, Fig. 2Table 1에서 Jbgr) 지역이 밀도가 상대적으로 낮은 서울흑운모화강암(2.62 g/cm3, Fig. 2Table 1에서 Jsgr) 및 함석류석화강암(2.60 g/cm3, Fig. 2Table 1에서 Jgbgr) 지역보다 중력값이 더 낮게 나타난다. 이는 흑운모화강암의 깊이가 다른 화강암에 비해서 뚜렷하게 깊으며, 원통형으로 분포하고 있음을 의미한다. 다른 가능성은 흑운모화강암 하부에 뚜렷하게 낮은 밀도층이 존재하는 경우이다. 예를 들어서 온도가 매우 높아서액체화된 마그마방 같은 것이 있을 수 있지만, 그 가능성은 크지 않을 것으로 추측된다.

또한, 연구 지역 내에서 가장 낮은 밀도를 특징으로 하지만, 지표층으로서 그 두께가 최대 100 m 이내인 충적층(예상 밀도: 2.30 g/cm3)도 이 지역에 나타난 음의 중력값에 영향을 미친 것으로 판단된다. 북서쪽에서 남동쪽으로 분포하는 중력 분포에 대한 원인은 여러 가지가 있으나, 주된 이유는 동두천 단층의 우향 이동으로 판단된다. 즉 동두천 단층 이전에 형성된 환상형의 지질구조가동두천 단층의 우향 이동으로 인해서 동쪽 지역이 약3,000 m 남쪽으로 이동한 결과로 현재와 같은 중력 분포가 형성된 것으로 판단된다. 이와 같은 추론을 확인하기위해서 연구 지역 남쪽 의정부 지역에서 동두천 단층을따라서 중력을 평균 약 100 m 간격으로 정밀하게 측정하였다(측점은 Fig. 2D 의 원).

3.1. 부게이상에 나타난 동두천 단층의 주향이동

Fig. 2C 에서 나타난 것처럼, 동두천 단층의 서쪽과 동쪽 지역에서 확인된 함석류석화강암의 위치(Jgbgr)를 비교하면 동두천 단층의 우향 이동으로 단층의 동쪽 지역에 있던 함석류 화강암의 분포가 서쪽에 대해 상대적으로 약 3,000 m 남쪽으로 이동하였다는 것은 이미 인지되었다. 이와 같은 동두천 단층의 지구조 운동의 흔적이 중력장 분포에서도 나타나는지를 확인하기 위해서 의정부와 서울 접경지역에 평균 약 100 m 간격으로 중력장을정밀 측정하였다.

Fig. 3A에서 보이는 것처럼, 양주 남쪽, 서울과 접경되는지역의 평균 부게이상은 약 –15 mGal 이며, 최소 약 –20 mGal에서 최대 약 –12 mGal 의 범위를 보인다. 양의 부게이상이 지역 평균값보다 큰 영역은 밀도가 상대적으로높은 경기변성암복합체의 분포(2.67 g/cm3)와 거의 정확하게 일치한다. 반대로 음의 중력이상이 지역 평균값보다작은 영역은 경기변성암복합체보다 낮은 밀도가 특징인흑운모화강암(2.62 g/cm3, Table 1 참조)과 함석류석화강암(2.60 g/cm3, Table 1 참조)의 분포와 일치하는 것을 볼 수있다. 흥미로운 점은 동두천 단층 서쪽의 함석류석화강암(Fig. 3A에서 Jgbgr) 분포지까지 관찰되는 음의 중력이평균(–15 mGal) 보다 작은 영역의 남쪽 경계 부분(Fig. 3A 에서 WB 로 표시)이 동두천 단층을 따라서 동쪽 지역에나타난 함석류석화강암 분포지(Fig. 3A에서 EB 로 표시) 까지 이동한 흔적이 뚜렷하게 보인다. Fig. 3C는 동두천단층의 서쪽과 동쪽의 남-북 경계선을 따라 계산한 부게이상을 비교한 것이다. 파란색 선으로 표시된 서쪽 부게이상(Fig. 3A와 3C의 W-Line) 은 남쪽으로부터 WB 로 표시된 지점(남쪽으로부터 약 6 km 북쪽)까지 평균 중력값(–15 mGal) 보다 높은 이상대를 보이며, 북쪽 지역은 평균값보다 낮아지는 경향을 보인다. 반면 갈색으로 표시된 동쪽 부게이상(Fig. 3A와 3C의 E-Line) 은 남쪽 지점으로부터 EB 로 표시된 지점(남쪽으로부터 약 3 km 지점)까지평균(–15 mGal) 보다 높은 부게이상을 보이다가 북쪽 지역으로 계속 갈수록 평균보다 낮은 부게이상을 나타낸다.

Fig. 3. The Bouguer anomaly map (A) and calculated Dip-curvature values (B) in the southern part of the study area show well a tectonic displacement of about 3,000 m, which is caused by dextral movement of the DF. C: The comparison of Bouguer anomaly field measured along the east-and the west side of the DF shows that the eastern side of the DF shifted 3,000 m south relative to the west. D: The comparison of Dip-Curvature value calculated along the east-and the west side of the DF shows also the tectonic displacement of about 3,000 m caused by the dextral movement of the DF.

경기변성암복합체(Fig. 3A의 PEbgn) 와 함석류석화강암(Fig. 3A의 Jgbgr) 의 경계를 정확히 파악하고, 동두천 단층의 주향이동 변위를 정확히 확인하기 위해 곡률분석(Curvature analysis) 을 사용하였다. 곡률분석의 이론적인배경은 이전 연구(Roberts, 2001; Choi et al., 2023)에서자세하게 설명되어 있으므로, 여기에서는 간단히 소개하고자 한다: 중력장의 영향을 미치는 밀도의 경계는 중력장의 값이 점진적으로 변하는 경향을 보인다. 한 예로, 밀도가 같은 2개의 지질구조(ρ1, ρ3) 사이에 밀도가 낮은다른 지질구조(ρ2)가 위치하는 경우, 이론적인 중력값은밀도가 높은 ρ1로부터 밀도가 낮은 ρ2 지점으로 서서히낮아지다가 ρ3 지점으로 갈수록 다시 서서히 높아지게된다. 이렇게 나타난 중력 분포를 2차 미분에 의한 곡면의 기울기 값을 색깔로 표시할 수가 있다. 만약 곡률값이 0에 접근하면, 흰색 계통으로 표시하여 이 지역의 하부에 중력장에 영향을 미치는 수평 공간에서의 밀도의변화가 없다는 것을 표시하고자 한다. 또한, 중력값이 양에서 음으로 넘어가는 지점(예로, ρ1에서 ρ2로 넘어가는경계면)의 곡률값은 음의 값을 갖게 되며, 이 경우에는파란색으로 표시하고자 한다. 그 반대가 되는 지점(예로, ρ2에서 ρ3로 넘어가는 경계면)에서의 곡률값은 당연히 양의 값을 갖게 되며, 이 경우에는 빨간색으로 표시하고자한다. 그러므로, 곡률의 크기를 색깔로 구분한 지도에서빨간색 계통과 파란색 계통이 만나는 지점들은 지층 내에서 암종의 차이에 의한 밀도의 경계일 가능성이 매우큰 지점이라는 것을 의미한다. Fig. 3BFig. 3A의 부게이상들을 최대 곡률 분석(Dip-Curvature analysis, Roberts, 2001)을 이용하여 계산한 곡률의 크기를 위에서 언급한색깔로 표시한 지도이다. 이 지도는 다음과 같은 특징을보여 준다.

(1) 동두천 단층(Fig. 3B의 DF) 을 중심으로 서쪽과 동쪽 지역의 곡률값 분포가 뚜렷하게 구분된다. 이는 동두천 단층 사이로 밀도 경계가 존재한다는 것을 의미한다. 그러나, 지질도에서 관찰되는 동두천 단층의 경계는 곡률값에 의해서 나타난 밀도의 경계와는 차이가 있다. 즉Fig. 3B의 남쪽에 분명하게 확인되는 곡률값 경계(검은색 파선)는 지질도의 동두천 단층(DF)보다 서쪽으로 치우쳐 있다. 그 원인은 지표면의 암종과 지질구조를 나타내는 지질도의 동두천 단층 위치가 지각 내부에 실재하는 밀도의 경계와 다르기 때문으로 판단된다. 이와 같은 현상은 이전 연구에서도 몇 차례 언급된 것이다(예, Choi et al., 2022; 2023). 그러므로, 단층의 정확한 위치를 파악하기 위해서는 지표면 단층 연구와 더불어 지각 내의암반의 분포에 의한 밀도 경계를 병행해서 연구하는 것이 필요하다.

(2) 동두천단층서쪽지역에서경기변성암복합체(PEbgn)와 함석류석화강암(Jgbgr)의 경계부(Fig. 3B에서 WB 로표시)는 곡률값이 음의 값에서 양의 값으로 변하는 것을볼 수 있다.

(3) 동두천 단층의 동쪽 지역에서 경기변성암복합체(PEbgn) 와 함석류석화강암(Jgbgr)의 경계부는 지질도에는없으나, 서쪽 경계 지역에서 보이는 급격한 곡률값의 변위와 비슷한 값이 함석류석화강암(Jgbgr)과 흑운모화강암(Jbgr)의 경계(Fig. 3B에서 EB 로 표시)에서 관찰된다.

(4) 서쪽과 동쪽에 나타난 급격한 곡률값의 변화 지점간의 거리는 약 3,000 m이며 지질도에서 확인되는 동두천 단층의 지구조적 변위(약 3,000 m, Fig. 2C 참조)와 일치한다. 이는 지질도에서 동두천 단층의 우향 이동이 중력장 해석에서 동일하게 나타나는 것을 의미한다.

3.2. 부게이상에 나타난 왕숙천 단층의 주향이동

양주지역의 중력장 해석(Fig. 3) 은 동두천 단층을 따라서약 3,000 m의 우향 이동이 있었다는 지질 해석을 뒷받침한다. 이는 중력장 측정 및 해석 방법이 지질도에서는 나타나지 않는 다른 지역의 단층 운동(예, 왕숙천단층)에대한 흔적과 운동의 방향과 규모를 파악하는데 있어서도매우 효과적인 지구물리학적 방법이라는 것을 의미한다.

동두천 단층의 동쪽에 북북동-남남서 방향으로 발달하는 왕숙천 단층은 철원군 서면으로부터 남양주시 진전읍왕숙천 일대까지 발달한 총연장 약 80 km의 우향 주향이동이 우세한 단층으로 알려졌다(Bae and Lee, 2016). 왕숙천 단층은 인구가 밀집한 수도권에 위치하지만, 단층의 지구조 운동에 관한 연구가 거의 없다. 의정부도폭(Kho and Song, 2005)에 제시된 남양주 지역(Fig. 4A)의지질도에서는 이 지역 대부분이 경기변성암복합체(Fig. 3A의 PEbgn) 가 분포한다. 연구진은 왕숙천 단층을 따라서중력장 측정을 수행하였으며 반경 약 6 km 면적에서 약90여 점의 중력 측점을 획득하였다. 기존의 중력 측점과연계해서 작성한부게이상도(Fig. 4B) 는최소약 –8.0 mGal 에서 최대 약 1.0 mGal 의 변화를 보인다. 연구 지역은 대부분 평균 –5.0 mGal 의 중력값을 나타내는데, 이 평균값은이 지역에 가장 많이 분포하고 있는 경기변성암복합체(Fig. 3A에서 PEbgn) 에 기인한 것으로 판단된다. 흥미로운 점은 왕숙천 단층(Fig. 4B에서 WF) 을 따라서 서쪽과동쪽 지역에 지엽적으로 뚜렷하게 높은 중력값(〉0mGal)이 나타난다. 이는 경기변성암복합체 중에서도 상대적으로 밀도가 높은 암체(예로, 정편마암)가 존재한다는 것을 의미한다. 또한, 중력장 지도(Fig. 4B)는 우향의 지구조운동을 하는 왕숙천 단층의 움직임에 의해서 밀도가 높은 암체의 서쪽 부분에 비해서 암체의 동쪽 부분이 남쪽(혹은 남남서)으로 약 3,000-3,200 m 정도 더 많이 이동하였을 것으로 해석된다. 이 지역에 대한 정밀중력장 비교 결과(Fig. 4C 참조) 왕숙천 단층의 우향 이동 변위는약 3.2 km 임을 확인하였다.

Fig. 4. A shows that the NE-SW extending Wangsukcheon fault (WF) is located east of the Dongducheon fault (DF). The Bouguer anomaly map along the WF shown in B ranges from –8.0mGal to 1.0 mGal. The tectonic displacement of the WF is assumed to be about 3,200 m which is caused by the dextral movement of the WF (C).

서울과 경기도 일원을 남-북 방향으로 통과하는 동두천 단층 및 왕숙천 단층의 지구조 변위를 파악하기 위해각 단층대를 따라서 중력장 측정을 하였으며, 1,100여 점의 중력 측점을 추가로 획득하였다. 이를 기존의 중력장데이터와 통합하여 완전부게이상 지도를 완성하였다. 양주지역의 완전부게이상 지도는 동두천 단층을 중심으로뚜렷하게 낮은 값의 부게이상이 북서부와 남동부에서 관찰되며 이는 양주지역의 환상형으로 분포하는 쥬라기 화강암과 대체로 일치한다. 북서쪽에서 남동쪽으로 비대칭적으로 분포하는 중력이상은 동두천 단층의 우향 이동이원인으로 판단된다. 즉 동두천 단층 이전에 형성된 양주지역의 환상형 지질구조가 동두천 단층의 우향 이동으로인해서 동쪽 지역이 약 3,000 m 남쪽으로 이동하여 현재와 같은 중력이상이 형성된 것으로 해석할 수 있다. 중력이상의 분포는 지질도에서 관찰되는 동두천 단층의 우향 이동 변위와 일치하며, 또한 중력장 해석이 단층의 지구조 운동의 변위 규모를 파악하는데 효과적인 지구물리학적인 방법임을 시사한다. 이를 토대로 서울 동쪽 남양주 지역의 왕숙천 단층을 따라서 동쪽과 서쪽을 횡단하며 측정된 중력장을 해석하였으며, 중력이상에서 동두천단층과 유사하게 왕숙천 단층의 변위가 약 3,000-3,200 m 정도임을 확인하였다. 이러한 결과는 동두천 단층과 왕숙천 단층에 속하는 추가령 단층대가 약 3,000 m 정도우향 이동한 것을 강력하게 시사한다.

추가적인 중력장 측정 및 해석을 통해서 경강 단층과인제 단층 등의 이동과 규모를 확인하면 추가령 단층대의 운동에 대한 종합적인 해석이 가능할 것이다.

이 연구는 기상청 주관 연구사업(KMI2022-00710) 의 지원으로 수행되었습니다.

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Article

Research Paper

Econ. Environ. Geol. 2024; 57(1): 73-81

Published online February 29, 2024 https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.1.73

Copyright © THE KOREAN SOCIETY OF ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL GEOLOGY.

Displacement of Dongducheon and Wangsukcheon Fault Observed by Gravity Field Interpretation

Sungchan Choi1, Sung-Wook Kim1,*, Eun-Kyeong Choi1, Younghong Shin2

1Geo-information Institute, GI Co. Ltd., Busan, 47598, Korea
2Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 34132, Republic of Korea

Correspondence to:*suwokim@chol.com

Received: December 21, 2023; Revised: February 22, 2024; Accepted: February 23, 2024

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 original work is properly cited.

Abstract

To estimate the tectonic displacement of the Chugaryeong Fault System (CFS), gravity surveys were conducted along the Dongducheon fault (DF) and the Wangsukcheon fault (WF). A total of 1,100 stations for the DF and WF regions have been added to the current gravity database. The results of the gravity interpretation indicate that (1) the dextral displacement of the DF is about 3,000 m, similar to the tectonic displacement (2,900-3,100 m) shown in the geological map. (2) The dextral displacement of the WF is about 3,200 m. (3) Taken together, the tectonic displacement of the CFS is estimated to be about 3,000 m on average. To investigate more accurate tectonic displacement of the CFS, further gravity surveys is planned for the Pocheon fault, Gyeonggang fault, and Inje fault.

Keywords gravity interpretation, tectonic displacement, Chugaryeong Fault System, Dongducheon fault, Wangsukcheon fault

중력장 해석으로 관측된 동두천 및 왕숙천 단층의 변위

최승찬1 · 김성욱1,* · 최은경1 · 신영홍2

1지아이 지반정보연구소
2한국지질자원연구원

Received: December 21, 2023; Revised: February 22, 2024; Accepted: February 23, 2024

요 약

추가령 단층대의 지구조적인 이동을 확인하기 위해 경기 북부와 양주 및 서울 지역을 통과하는 동두천 단층과 서울 동쪽 지역에서 북동-남서 방향으로 발달한 왕숙천 단층을 따라서 중력장을 측정하였으며 두 지역에서 약 1,100여 점의 중력 자료를 획득하였다. 두 단층대의 중력장 해석 결과는 다음과 같다. (1) 동두천 단층이 우향으로 약 3,000 m 정도 이동하였으며 이는 지질도에서 관찰되는 동두천 단층 일원 암석의 우향 이동 규모(2,900-3,100 m)와 일치한다. (2) 왕숙천 단층의 우향 변위는 약 3,200 m이다. (3) 이를 종합하면, 추가령 단층대의 우향 변위는 평균 약 3,000 m 정도로 판단된다. 추가령 단층대의 변위를 좀 더 정확히 확인하기 위해서, 포천 단층, 경강 단층 및 인제 단층의 변위 정도를 파악하기 위한 중력 측정과 해석이 추가로 필요하다.

주요어 중력장 해석, 지구조적 변위, 추가령 단층대, 동두천 단층, 왕숙천 단층

Research Highlights

  • Gravity fields were measured along the Dongducheon fault and Wangsukcheon fault in the Chugaryeong fault system.

  • The gravity anomalies of the two faults indicate a dextral strike slip movement, and the displacements of the faults are 3.0 km and 3.2 km, respectively.

  • The Chugaryeong fault system is dominated by dextral movement, and the average displacement is about 3.0 km.

1. 서언

한반도 중부의 수도권 지역은 남-북 방향 및 북북동-남남서 방향으로 발달하는 추가령 단층대(Fig. 1A의 CFS) 가 분포한다(Choi et al., 2012; Chung et al., 2014; Choi et al., 2021; Kil et al., 2021; Lee et al., 2022). 추가령 단층대는 동해안 원산에서 추가령에 이르는 협곡을 지나며한반도 중부 지역인 평강, 철원, 연천 및 서울의 삼각산과 북한산을 통과하여 남쪽으로 충청남도 서해안까지 이어지는 대규모 구조대로 최소 4개 이상의 단층으로 구분된다(Fig. 1B 참조, Chung et al., 2014; Choi et al., 2021).

Figure 1. (A) The Chugaryung Fault system (CFS) is located in the central part of the Korean Peninsula. The study area (red rectangle in Fig. 1B) is located in the Yangju area, north of Seoul, and is divided in half by the Dongducheon fault line(DF). Several faults belong to the CFS are numbered in Fig. 1B.

추가령 단층대의 가장 서쪽 부분은 동두천 단층(Fig. 1B 의 ①)이 발달하며 철원-연천-동두천-양주-의정부-서울로이어지는 약 100 km길이의 대규모 단층이다. 동두천 단층의 동쪽에는 포천 단층이 경기 북부의 철원에서 시작하여 포천을 지나서 양주 동쪽 지역까지 이어진다(Fig. 1B 의 ②). 포천 단층의 동쪽으로는 북동-남서 방향의 왕숙천(Fig. 1B 의 ③)과 경강 단층(Fig. 1B 의 ④)이 발달하며, 한강의 남쪽으로 남-북 방향의 신갈 단층(Fig. 1B의 ⑤) 과 곤지암 단층(Fig. 1B의 ⑥), 그리고 인제 단층(Fig. 1B 의⑦)이알려져있다(Chung et al., 2014; Choi et al., 2021). 추가령 단층대 중에서도 인구 약 2,500 만 명이 거주하는수도권을 관통하는 동두천 단층대의 지구조적 움직임에관한 지구과학적인 관심이 매우 크다. 특히, 2018년부터 2021년까지 300 여회발생했던 연천 지역 군발지진(Fig. 1B 에서 YEA 로 표시, Kil et al., 2021; Malehmir et al., 2022; Lee et al., 2022; Choi et al., 2021; 2022)이 발생한 이후동두천 단층의 활성화 여부에 관한 관심은 더욱 커졌다. 이를 위해서는 동두천 단층의 지구조 운동 규모에 관한연구는 필수적이라고 할 수 있다.

이 연구는 지형과 지질 그리고 중력장 데이터의 통합해석을 통해서 우향의 동두천 및 왕숙천 단층의 지구조적 변위 정도를 파악하기 위해 수행되었으며 수도권에서동두천 단층을 따라서 발생한 지진의 원인을 이해하는데 중요한 정보로써 활용될 것이다.

2. 지질개요

추가령 단층대는 동두천 단층, 포천 단층, 왕숙천 단층,신갈 단층, 곤지암 단층, 인제 단층 등 대규모 단층들의집합체이다(Fig. 1, Choi et al., 2012; Chung et al., 2014; Choi et al., 2021; 2022; Kil et al., 2021; Lee et al., 2022). 그중에서 동두천 단층, 포천 단층, 왕숙천 단층들은 서울북쪽 및 북동쪽에 위치하며, 서울의 남쪽 및 남동쪽으로는 신갈 단층, 곤지암 단층, 인제 단층이 잘 알려져 있다. 동두천 단층과 포천 단층은 의정부에서 합류되며 포천단층과 평행하게 북북동-남남서 방향으로 발달하는 왕숙천 단층은 서울 동쪽 즉 남양주 및 구리 등을 지나서 성남까지 연장된다(Kim, 1973). 암석학적인 연구 결과(Kim, 1973; Yoon, 1997)는 서울 및 경기지역에 널리 분포하고있는 서울화강암이 추가령 단층대를 따라서 분포한다는것에 착안하여, 추가령 단층대의 형성은 서울화강암이 관입한 쥬라기 이전으로 판단하였으며 암석의 변위로 볼때 이후 시기까지 활동한 단층으로 해석할 수 있다. 철원도폭설명서(Chwae et al., 1996)는 변성 작용이 일어났던 약 250 Ma. 시기 이전에 이미 추가령 단층대가 존재했던 것으로 판단하였다. 즉 추가령단층에 의해 분포가규제되는 변성암류의 광역변성작용 시기(250 Ma) 와 제4 기 평강현무암의 분포에 근거하여 추가령단층대는 고생대부터 중생대를 거쳐 신생대까지 단층운동이 간헐적으로 반복되었고 최소 250 Ma 이전부터 활동을 시작하였을 것으로 판단하였다.

포천도폭설명서(Kee et al., 2005)에서는 동두천 단층이 철원 분지의 서쪽 경계부를 규제하며, 철원 분지의 형성과 진화를 주도하였을 것으로 보았고, 우향 주향이동단층을 주장하였다. 더불어 의정부도폭설명서(Kho and Song, 2005)에서도 동두천 단층에 의해서 쥬라기의 함석류석화강암(Fig. 2A 에서 Jgbgr) 이 우향으로 수평 이동하였음을제시하였다.

Figure 2. Geological map (A) shows that the study area is divided in half by the NS-directing Dongducheon fault (DF), and its eastern part is characterized by a prominent ring-form structure composed of Garnet-bearing Biotite Granite (Jgbgr). Dextral displacement of the DF is approximated to be about 3,000 m by comparing locations of fault lines (e.g., Jeongok fault, Choseong Trust in B) and different rocks (e.g., Quartzite and Jgbgr in C) in western-and eastern DF. Bouguer anomaly map (D) shows NW-SE directing low anomalies, which are probably caused by NS striking dextral movement of the DF.

연구 지역(Fig. 1B) 은 추가령 단층대의 중부에 해당하는 곳으로 행정 구역상으로는 경기도 연천군과 서울 북쪽 접경지역 사이에 위치하는 경기도 양주시이다. 이 지역은 경기변성암복합체(Fig. 2A 의 PEbgn) 를 기반으로 쥬라기에 관입한 화강암 중에서도 회색 계열의 중-조립질흑운모 화강암(Fig. 2A 의 Jbgr) 과 담홍색-담회색 계열의함석류석화강암(Fig. 2A의 Jgbgr) 이 관입하여 동두천 단층을 따라서 남-북 방향으로 넓게 분포한다(Yoon, 1997).

2.1. 동두천 단층의 지구조 운동

동두천 단층은 추가령 단층대의 가장 서쪽에 위치하며, 경기도 및 서울 지역을 남북으로 통과한다(Fig. 2에서DF). 2018 년부터 2021 년까지 300 여 회 발생했던 연천 지역 군발지진(Fig. 1B에서 YEA 로 표시된 지역, Kil et al., 2021; Malehmir et al., 2022; Lee et al., 2022; Choi et al., 2022) 이후 동두천 단층의 활성화 여부에 관한 관심은 더욱 커졌으나, 우향의 이동 변위를 보인다는 보고 이외에는 지구조 운동의 규모에 관한 연구가 부족하다(Kim, 1973; Chwae et al., 1996; Kee et al., 2005; 2008; Kho and Song, 2005).

동두천 단층의 변위 정도를 파악하기 위해 지질도에서동두천 단층을 중심으로 서부와 동부의 암석과 지질구조를 비교하였다. Fig. 2B 에서 전곡 단층(JF)은 동두천 단층을 경계로 약 3,200 m, 그리고 초성 트러스트(CT)는 약2,900 m 우향의 변위가 뚜렷하게 관찰된다. 또한, 경기변성암복합체에 관입 된 적성층(TRJjs)과 규암(Q) 등은 동두천 단층에 의해서 약 2,900 m 및 3,100 m 각각 우향 이동하였다는 것을 보여 준다. 쥬라기에 관입한 함석류석화강암(Jgbgr)은 동두천 단층의 우측 지반이 약 2,900 m 남쪽으로 이동하였다는 것을 보여 준다(Fig. 2C). 이를 종합하면, 동두천 단층의 우향 이동 평균 변위는 연구 지역에서 약 3,000 m 정도 임을 알 수 있다.

2.3. 연구 지역의 암석 밀도

철원-연천-동두천-양주-의정부-서울로 이어지는 동두천단층(Fig. 2에서 DF) 을 따라서 다양한 종류의 암석들이분포하며 점유하는 면적에서 경기변성암복합체(PEbgn)와화강암(Jbgr)이 우세하다. 미산층, 적성층 등의 변성퇴적암과 규암 및 경기편마암복합체, 화강암의 평균 밀도는 각각 2.69 g/cm3, 2.63g/cm3, 2.67 g/cm3, 2.63g/cm3이다(Table 1, Park et al., 2009). 지표면을덮고있는제4기충적층(Table 1 에서 Alluvium) 에 대한 실험실 밀도 자료는 없으나, 이전연구 결과(Choi et al., 2021; 2022) 를 참고로 충적층의 최대 밀도 값은 2.30 g/cm3 정도로 추정하였다.

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

Rock TypeSampleDensity (g/cm3)
RangeMeanSD
Alluvium (Qa)< 2.30
Basalt (Qba)32.62 ~ 2.832.720.10
Seoul Biotite Granite (Jsgr)792.55 ~ 2.792.620.05
Hornblende Granodiorite (Jhgd)82.55 ~ 2.762.660.07
Garnet bearing Biotite Granite (Jgbgr)22.60 ~ 2.612.600.01
Biotite Granite (Jbgr)1262.54 ~ 2.792.630.04
Porphyritic Biotite Granite (Jpbgr)72.58 ~ 2.752.670.06
Jeokseong Fm. (TRJjs)112.46 ~ 2.862.710.1
Misan Fm. (DM, Sandstone)772.53 ~ 2.962.690.07
Quartzite (Qz)292.53 ~ 2.972.630.09
Gyeonggi Gneiss Complex (PEbgn)62.61 ~ 2.752.670.05

3. 중력장 해석

서울을 포함한 수도권 지역에 대한 측지학 및 지구물리학적인 연구를 목적으로, 국토지리정보원(NGII, National Geographic Information Istitute of Korea), 한국지질자원연구원(KIGAM, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources), ㈜지아이에서 중력을 측정하였고 연구 지역에서 1,100 여 점의 중력 자료가 확보하였다(Fig. 2D 의 원). 중력이상의 계산은 GRS1980 계를 기준계로 결정하여 수행되었으며, 조석 보정을 위한 기조력은 Tamura(1982) 의논문에서 인용된 식을 이용하여 계산하였다. 국토지리정보원이 제공하는 30 m 해상도의 육상 지형자료 및 국립해양조사원(Korea Hydrographic and Oceanographic Agency) 이 제공하는 수심 자료를 이용하여 고도이상(Free-Air anomaly), 단순부게이상(Simple Bouguer Anomaly) 및 완전부게이상(Complete Bouguer Anomaly)을 계산하였다.단순부게이상 계산을 위해서 적용한 지각의 평균 밀도는2.67 g/cm3이다. 지형에 의한 중력효과(Terrain effect) 를 계산하기 위해서 NGII 의 1 km×1 km 지형자료를 사용하였으며 그때 사용한 적분 공식은 Nagy(1966) 의 식이다(Shin, 2006; KIGAM, 2014). 이로부터 계산한 지형에 의한 중력효과의 변위는 최대 5.5 mGal 정도이며, 평균값은 약3.0 mGal이다. 이 값을 단순부게이상에서 보정하여 완전부게이상(Complete Bouguer Anomaly)을 계산하였으며 연구 지역으로부터 직경 160 km 주변(Heyford zone) 의지형에 의한 중력효과(terrain effect) 을 보정에는 서해안의 수심자료를 포함하였다. Fig. 2D 는 연구 지역에서 관측된 완전부게이상 지도이다. 평균 부게이상은 약 –10.0 mGal이며, 최소 약 –20.0 mGal 에서 최대 약 20.0 mGal 의범위를 보인다.

Fig. 2D 의 완전부게이상 분포는 전곡 단층(JF)에 의해서 북쪽과 남쪽이 뚜렷하게 차이가 있다는 것을 보여 준다. 즉 평균 부게이상보다 높은 부게이상 값은 주로 전곡 단층의 북서쪽 지역에 나타나지만, 평균 부게이상보다 낮은 값들은 전곡 단층의 남쪽에 우세한 분포를 보인다. 이는 전곡 단층의 북쪽 지역의 기반암인 미산층의 평균 밀도(2.70 g/cm3)가 남쪽 지역의 기반암인 경기변성암복합체와 화강암의 평균 밀도(2.64 g/cm3)보다 큰 것에 의한 것으로 해석할 수 있다(Choi et al., 2022). 논문의 연구지역에 해당하는 전곡 단층의 남쪽 양주지역에는 매우특이하게도 동두천 단층을 중심으로 –15 mGal 보다 낮은부게이상이 북서쪽에서 남동쪽으로 분포하고 있으며, 이는 연구 중심지에 분포하고 있는 제4기 충적층(Qa) 및쥬라기 화강암(Jbgr, Jgbgr)의 분포와 대체로 일치한다. 이를 통해서 연구 지역에 나타난 낮은 중력 분포는 기반암으로서의 선캄브리아기 경기변성암복합체(Fig. 2B 에서PEbgn)의 밀도(2.67 g/cm3, Table 1 참조)와 쥬라기 화강암류의 평균 밀도(2.61 g/cm3, Table 1 참조)와의 차이로 해석할 수 있다. 같은 화강암이지만 밀도가 높은 흑운모화강암(2.62 g/cm3, Fig. 2Table 1에서 Jbgr) 지역이 밀도가 상대적으로 낮은 서울흑운모화강암(2.62 g/cm3, Fig. 2Table 1에서 Jsgr) 및 함석류석화강암(2.60 g/cm3, Fig. 2Table 1에서 Jgbgr) 지역보다 중력값이 더 낮게 나타난다. 이는 흑운모화강암의 깊이가 다른 화강암에 비해서 뚜렷하게 깊으며, 원통형으로 분포하고 있음을 의미한다. 다른 가능성은 흑운모화강암 하부에 뚜렷하게 낮은 밀도층이 존재하는 경우이다. 예를 들어서 온도가 매우 높아서액체화된 마그마방 같은 것이 있을 수 있지만, 그 가능성은 크지 않을 것으로 추측된다.

또한, 연구 지역 내에서 가장 낮은 밀도를 특징으로 하지만, 지표층으로서 그 두께가 최대 100 m 이내인 충적층(예상 밀도: 2.30 g/cm3)도 이 지역에 나타난 음의 중력값에 영향을 미친 것으로 판단된다. 북서쪽에서 남동쪽으로 분포하는 중력 분포에 대한 원인은 여러 가지가 있으나, 주된 이유는 동두천 단층의 우향 이동으로 판단된다. 즉 동두천 단층 이전에 형성된 환상형의 지질구조가동두천 단층의 우향 이동으로 인해서 동쪽 지역이 약3,000 m 남쪽으로 이동한 결과로 현재와 같은 중력 분포가 형성된 것으로 판단된다. 이와 같은 추론을 확인하기위해서 연구 지역 남쪽 의정부 지역에서 동두천 단층을따라서 중력을 평균 약 100 m 간격으로 정밀하게 측정하였다(측점은 Fig. 2D 의 원).

3.1. 부게이상에 나타난 동두천 단층의 주향이동

Fig. 2C 에서 나타난 것처럼, 동두천 단층의 서쪽과 동쪽 지역에서 확인된 함석류석화강암의 위치(Jgbgr)를 비교하면 동두천 단층의 우향 이동으로 단층의 동쪽 지역에 있던 함석류 화강암의 분포가 서쪽에 대해 상대적으로 약 3,000 m 남쪽으로 이동하였다는 것은 이미 인지되었다. 이와 같은 동두천 단층의 지구조 운동의 흔적이 중력장 분포에서도 나타나는지를 확인하기 위해서 의정부와 서울 접경지역에 평균 약 100 m 간격으로 중력장을정밀 측정하였다.

Fig. 3A에서 보이는 것처럼, 양주 남쪽, 서울과 접경되는지역의 평균 부게이상은 약 –15 mGal 이며, 최소 약 –20 mGal에서 최대 약 –12 mGal 의 범위를 보인다. 양의 부게이상이 지역 평균값보다 큰 영역은 밀도가 상대적으로높은 경기변성암복합체의 분포(2.67 g/cm3)와 거의 정확하게 일치한다. 반대로 음의 중력이상이 지역 평균값보다작은 영역은 경기변성암복합체보다 낮은 밀도가 특징인흑운모화강암(2.62 g/cm3, Table 1 참조)과 함석류석화강암(2.60 g/cm3, Table 1 참조)의 분포와 일치하는 것을 볼 수있다. 흥미로운 점은 동두천 단층 서쪽의 함석류석화강암(Fig. 3A에서 Jgbgr) 분포지까지 관찰되는 음의 중력이평균(–15 mGal) 보다 작은 영역의 남쪽 경계 부분(Fig. 3A 에서 WB 로 표시)이 동두천 단층을 따라서 동쪽 지역에나타난 함석류석화강암 분포지(Fig. 3A에서 EB 로 표시) 까지 이동한 흔적이 뚜렷하게 보인다. Fig. 3C는 동두천단층의 서쪽과 동쪽의 남-북 경계선을 따라 계산한 부게이상을 비교한 것이다. 파란색 선으로 표시된 서쪽 부게이상(Fig. 3A와 3C의 W-Line) 은 남쪽으로부터 WB 로 표시된 지점(남쪽으로부터 약 6 km 북쪽)까지 평균 중력값(–15 mGal) 보다 높은 이상대를 보이며, 북쪽 지역은 평균값보다 낮아지는 경향을 보인다. 반면 갈색으로 표시된 동쪽 부게이상(Fig. 3A와 3C의 E-Line) 은 남쪽 지점으로부터 EB 로 표시된 지점(남쪽으로부터 약 3 km 지점)까지평균(–15 mGal) 보다 높은 부게이상을 보이다가 북쪽 지역으로 계속 갈수록 평균보다 낮은 부게이상을 나타낸다.

Figure 3. The Bouguer anomaly map (A) and calculated Dip-curvature values (B) in the southern part of the study area show well a tectonic displacement of about 3,000 m, which is caused by dextral movement of the DF. C: The comparison of Bouguer anomaly field measured along the east-and the west side of the DF shows that the eastern side of the DF shifted 3,000 m south relative to the west. D: The comparison of Dip-Curvature value calculated along the east-and the west side of the DF shows also the tectonic displacement of about 3,000 m caused by the dextral movement of the DF.

경기변성암복합체(Fig. 3A의 PEbgn) 와 함석류석화강암(Fig. 3A의 Jgbgr) 의 경계를 정확히 파악하고, 동두천 단층의 주향이동 변위를 정확히 확인하기 위해 곡률분석(Curvature analysis) 을 사용하였다. 곡률분석의 이론적인배경은 이전 연구(Roberts, 2001; Choi et al., 2023)에서자세하게 설명되어 있으므로, 여기에서는 간단히 소개하고자 한다: 중력장의 영향을 미치는 밀도의 경계는 중력장의 값이 점진적으로 변하는 경향을 보인다. 한 예로, 밀도가 같은 2개의 지질구조(ρ1, ρ3) 사이에 밀도가 낮은다른 지질구조(ρ2)가 위치하는 경우, 이론적인 중력값은밀도가 높은 ρ1로부터 밀도가 낮은 ρ2 지점으로 서서히낮아지다가 ρ3 지점으로 갈수록 다시 서서히 높아지게된다. 이렇게 나타난 중력 분포를 2차 미분에 의한 곡면의 기울기 값을 색깔로 표시할 수가 있다. 만약 곡률값이 0에 접근하면, 흰색 계통으로 표시하여 이 지역의 하부에 중력장에 영향을 미치는 수평 공간에서의 밀도의변화가 없다는 것을 표시하고자 한다. 또한, 중력값이 양에서 음으로 넘어가는 지점(예로, ρ1에서 ρ2로 넘어가는경계면)의 곡률값은 음의 값을 갖게 되며, 이 경우에는파란색으로 표시하고자 한다. 그 반대가 되는 지점(예로, ρ2에서 ρ3로 넘어가는 경계면)에서의 곡률값은 당연히 양의 값을 갖게 되며, 이 경우에는 빨간색으로 표시하고자한다. 그러므로, 곡률의 크기를 색깔로 구분한 지도에서빨간색 계통과 파란색 계통이 만나는 지점들은 지층 내에서 암종의 차이에 의한 밀도의 경계일 가능성이 매우큰 지점이라는 것을 의미한다. Fig. 3BFig. 3A의 부게이상들을 최대 곡률 분석(Dip-Curvature analysis, Roberts, 2001)을 이용하여 계산한 곡률의 크기를 위에서 언급한색깔로 표시한 지도이다. 이 지도는 다음과 같은 특징을보여 준다.

(1) 동두천 단층(Fig. 3B의 DF) 을 중심으로 서쪽과 동쪽 지역의 곡률값 분포가 뚜렷하게 구분된다. 이는 동두천 단층 사이로 밀도 경계가 존재한다는 것을 의미한다. 그러나, 지질도에서 관찰되는 동두천 단층의 경계는 곡률값에 의해서 나타난 밀도의 경계와는 차이가 있다. 즉Fig. 3B의 남쪽에 분명하게 확인되는 곡률값 경계(검은색 파선)는 지질도의 동두천 단층(DF)보다 서쪽으로 치우쳐 있다. 그 원인은 지표면의 암종과 지질구조를 나타내는 지질도의 동두천 단층 위치가 지각 내부에 실재하는 밀도의 경계와 다르기 때문으로 판단된다. 이와 같은 현상은 이전 연구에서도 몇 차례 언급된 것이다(예, Choi et al., 2022; 2023). 그러므로, 단층의 정확한 위치를 파악하기 위해서는 지표면 단층 연구와 더불어 지각 내의암반의 분포에 의한 밀도 경계를 병행해서 연구하는 것이 필요하다.

(2) 동두천단층서쪽지역에서경기변성암복합체(PEbgn)와 함석류석화강암(Jgbgr)의 경계부(Fig. 3B에서 WB 로표시)는 곡률값이 음의 값에서 양의 값으로 변하는 것을볼 수 있다.

(3) 동두천 단층의 동쪽 지역에서 경기변성암복합체(PEbgn) 와 함석류석화강암(Jgbgr)의 경계부는 지질도에는없으나, 서쪽 경계 지역에서 보이는 급격한 곡률값의 변위와 비슷한 값이 함석류석화강암(Jgbgr)과 흑운모화강암(Jbgr)의 경계(Fig. 3B에서 EB 로 표시)에서 관찰된다.

(4) 서쪽과 동쪽에 나타난 급격한 곡률값의 변화 지점간의 거리는 약 3,000 m이며 지질도에서 확인되는 동두천 단층의 지구조적 변위(약 3,000 m, Fig. 2C 참조)와 일치한다. 이는 지질도에서 동두천 단층의 우향 이동이 중력장 해석에서 동일하게 나타나는 것을 의미한다.

3.2. 부게이상에 나타난 왕숙천 단층의 주향이동

양주지역의 중력장 해석(Fig. 3) 은 동두천 단층을 따라서약 3,000 m의 우향 이동이 있었다는 지질 해석을 뒷받침한다. 이는 중력장 측정 및 해석 방법이 지질도에서는 나타나지 않는 다른 지역의 단층 운동(예, 왕숙천단층)에대한 흔적과 운동의 방향과 규모를 파악하는데 있어서도매우 효과적인 지구물리학적 방법이라는 것을 의미한다.

동두천 단층의 동쪽에 북북동-남남서 방향으로 발달하는 왕숙천 단층은 철원군 서면으로부터 남양주시 진전읍왕숙천 일대까지 발달한 총연장 약 80 km의 우향 주향이동이 우세한 단층으로 알려졌다(Bae and Lee, 2016). 왕숙천 단층은 인구가 밀집한 수도권에 위치하지만, 단층의 지구조 운동에 관한 연구가 거의 없다. 의정부도폭(Kho and Song, 2005)에 제시된 남양주 지역(Fig. 4A)의지질도에서는 이 지역 대부분이 경기변성암복합체(Fig. 3A의 PEbgn) 가 분포한다. 연구진은 왕숙천 단층을 따라서중력장 측정을 수행하였으며 반경 약 6 km 면적에서 약90여 점의 중력 측점을 획득하였다. 기존의 중력 측점과연계해서 작성한부게이상도(Fig. 4B) 는최소약 –8.0 mGal 에서 최대 약 1.0 mGal 의 변화를 보인다. 연구 지역은 대부분 평균 –5.0 mGal 의 중력값을 나타내는데, 이 평균값은이 지역에 가장 많이 분포하고 있는 경기변성암복합체(Fig. 3A에서 PEbgn) 에 기인한 것으로 판단된다. 흥미로운 점은 왕숙천 단층(Fig. 4B에서 WF) 을 따라서 서쪽과동쪽 지역에 지엽적으로 뚜렷하게 높은 중력값(〉0mGal)이 나타난다. 이는 경기변성암복합체 중에서도 상대적으로 밀도가 높은 암체(예로, 정편마암)가 존재한다는 것을 의미한다. 또한, 중력장 지도(Fig. 4B)는 우향의 지구조운동을 하는 왕숙천 단층의 움직임에 의해서 밀도가 높은 암체의 서쪽 부분에 비해서 암체의 동쪽 부분이 남쪽(혹은 남남서)으로 약 3,000-3,200 m 정도 더 많이 이동하였을 것으로 해석된다. 이 지역에 대한 정밀중력장 비교 결과(Fig. 4C 참조) 왕숙천 단층의 우향 이동 변위는약 3.2 km 임을 확인하였다.

Figure 4. A shows that the NE-SW extending Wangsukcheon fault (WF) is located east of the Dongducheon fault (DF). The Bouguer anomaly map along the WF shown in B ranges from –8.0mGal to 1.0 mGal. The tectonic displacement of the WF is assumed to be about 3,200 m which is caused by the dextral movement of the WF (C).

4. 결론

서울과 경기도 일원을 남-북 방향으로 통과하는 동두천 단층 및 왕숙천 단층의 지구조 변위를 파악하기 위해각 단층대를 따라서 중력장 측정을 하였으며, 1,100여 점의 중력 측점을 추가로 획득하였다. 이를 기존의 중력장데이터와 통합하여 완전부게이상 지도를 완성하였다. 양주지역의 완전부게이상 지도는 동두천 단층을 중심으로뚜렷하게 낮은 값의 부게이상이 북서부와 남동부에서 관찰되며 이는 양주지역의 환상형으로 분포하는 쥬라기 화강암과 대체로 일치한다. 북서쪽에서 남동쪽으로 비대칭적으로 분포하는 중력이상은 동두천 단층의 우향 이동이원인으로 판단된다. 즉 동두천 단층 이전에 형성된 양주지역의 환상형 지질구조가 동두천 단층의 우향 이동으로인해서 동쪽 지역이 약 3,000 m 남쪽으로 이동하여 현재와 같은 중력이상이 형성된 것으로 해석할 수 있다. 중력이상의 분포는 지질도에서 관찰되는 동두천 단층의 우향 이동 변위와 일치하며, 또한 중력장 해석이 단층의 지구조 운동의 변위 규모를 파악하는데 효과적인 지구물리학적인 방법임을 시사한다. 이를 토대로 서울 동쪽 남양주 지역의 왕숙천 단층을 따라서 동쪽과 서쪽을 횡단하며 측정된 중력장을 해석하였으며, 중력이상에서 동두천단층과 유사하게 왕숙천 단층의 변위가 약 3,000-3,200 m 정도임을 확인하였다. 이러한 결과는 동두천 단층과 왕숙천 단층에 속하는 추가령 단층대가 약 3,000 m 정도우향 이동한 것을 강력하게 시사한다.

추가적인 중력장 측정 및 해석을 통해서 경강 단층과인제 단층 등의 이동과 규모를 확인하면 추가령 단층대의 운동에 대한 종합적인 해석이 가능할 것이다.

Acknowledgement

이 연구는 기상청 주관 연구사업(KMI2022-00710) 의 지원으로 수행되었습니다.

Fig 1.

Figure 1.(A) The Chugaryung Fault system (CFS) is located in the central part of the Korean Peninsula. The study area (red rectangle in Fig. 1B) is located in the Yangju area, north of Seoul, and is divided in half by the Dongducheon fault line(DF). Several faults belong to the CFS are numbered in Fig. 1B.
Economic and Environmental Geology 2024; 57: 73-81https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.1.73

Fig 2.

Figure 2.Geological map (A) shows that the study area is divided in half by the NS-directing Dongducheon fault (DF), and its eastern part is characterized by a prominent ring-form structure composed of Garnet-bearing Biotite Granite (Jgbgr). Dextral displacement of the DF is approximated to be about 3,000 m by comparing locations of fault lines (e.g., Jeongok fault, Choseong Trust in B) and different rocks (e.g., Quartzite and Jgbgr in C) in western-and eastern DF. Bouguer anomaly map (D) shows NW-SE directing low anomalies, which are probably caused by NS striking dextral movement of the DF.
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Fig 3.

Figure 3.The Bouguer anomaly map (A) and calculated Dip-curvature values (B) in the southern part of the study area show well a tectonic displacement of about 3,000 m, which is caused by dextral movement of the DF. C: The comparison of Bouguer anomaly field measured along the east-and the west side of the DF shows that the eastern side of the DF shifted 3,000 m south relative to the west. D: The comparison of Dip-Curvature value calculated along the east-and the west side of the DF shows also the tectonic displacement of about 3,000 m caused by the dextral movement of the DF.
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Fig 4.

Figure 4.A shows that the NE-SW extending Wangsukcheon fault (WF) is located east of the Dongducheon fault (DF). The Bouguer anomaly map along the WF shown in B ranges from –8.0mGal to 1.0 mGal. The tectonic displacement of the WF is assumed to be about 3,200 m which is caused by the dextral movement of the WF (C).
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Table 1 . Densities of various rock types sampled from the middle part of the Korean Peninsula (Park et al., 2009).

Rock TypeSampleDensity (g/cm3)
RangeMeanSD
Alluvium (Qa)< 2.30
Basalt (Qba)32.62 ~ 2.832.720.10
Seoul Biotite Granite (Jsgr)792.55 ~ 2.792.620.05
Hornblende Granodiorite (Jhgd)82.55 ~ 2.762.660.07
Garnet bearing Biotite Granite (Jgbgr)22.60 ~ 2.612.600.01
Biotite Granite (Jbgr)1262.54 ~ 2.792.630.04
Porphyritic Biotite Granite (Jpbgr)72.58 ~ 2.752.670.06
Jeokseong Fm. (TRJjs)112.46 ~ 2.862.710.1
Misan Fm. (DM, Sandstone)772.53 ~ 2.962.690.07
Quartzite (Qz)292.53 ~ 2.972.630.09
Gyeonggi Gneiss Complex (PEbgn)62.61 ~ 2.752.670.05

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Feb 29, 2024 Vol.57 No.1, pp. 1~91

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