• Seismic anisotropy gradually decreased as the strength of the olivine fabric decreased, regardless of the pattern of olivine fabrics.

• In all samples, the polarization direction of the fast S-wave was aligned subparallel to the lineation.

• Seismic anisotropy originating from the Yugu peridotites is primarily influenced by the fabric strength rather than the fabric type.

감람석(olivine)은 강한 고유 탄성 이방성(elastic anisotropy)을 가진 상부 맨틀(upper mantle)의 주요 광물이며, 이는점진적인 소성 변형(progressive plastic deformation)에 반응하여 격자선호방향(lattice preferred orientation, LPO)과같은 특정 방향의 패턴 혹은 경향성을 형성하고 진화한다. 고온고압 암석변형 실험 연구에 따르면 응력, 온도,광물 내 물(OH) 함량 등의 다른 변형 조건에 따라 다양한 감람석 격자선호방향(A-, B-, C-, D-, and E-type) 형태가 형성되는 것으로 알려져 있다(Jung and Karato, 2001; Katayama et al., 2004; Jung et al., 2006; Katayama and Karato, 2006). 따라서 상부 맨틀에서 발생하는 대부분의지진파 비등방성(seismic anisotropy)은 이와 같은 다양한감람석의 LPO에서 직접적으로 기인한다고 가정하여 상부 맨틀의 흐름 패턴 및 특성을 추론하는데 사용된다(Hess, 1964; Nicolas and Christensen, 1987; Savage, 1999; Mainprice, 2007; Karato et al., 2008).

수 cm 규모의 맨틀 포획암(mantle xenolith)과는 달리 수 km 규모의 큰 노두 형태인 페리도타이트 암체(peridotite body)는 지구조적으로 지표면에 노출되는 과정에서 전단변형국지화(shear localization)현상에 기인한 암상 및 변형 (미)구조의 변화양상과 같은 중요한 정보들이 기록되어 있기 때문에 지질학적으로 매우 중요한 연구 대상이다. 따라서 이와 같은 맨틀 전단대(mantle shear zone)의형성과정을 이해하기 위해 지금까지 많은 연구가 수행되었다(Handy, 1989; Drury et al., 1991; Precigout et al., 2007; Skemer et al., 2010; Park and Jung, 2017). 그러나전단변형국지화 현상으로 형성된 압쇄암(mylonite)의 미구조가 지진파 비등방성에 미치는 영향에 대한 이해는아직 잘 알려져 있지 않다(Jung et al., 2014; Shao et al., 2022). 또한, 국내의 압쇄암화된 페리도타이트 암괴에서직접적으로 추론한 지진파 비등방성 연구는 전무하다. 따라서 본 연구에서는 맨틀 전단대 내의 감람석의 변형 미구조와 격자선호방향을 소개하고, 이들의 변형 정도와 격자선호방향 결과에 따른 지진파 비등방성의 특성 및 상관관계를 파악해보고자 한다.

경기육괴는 낭림육괴, 영남육괴와 함께 한반도의 기반을 이루고 있으며, 경기육괴의 북쪽과 남쪽은 임진강대와 옥천대가 각각 분포한다(Fig. 1a). 경기육괴는 북중국판과 남중국판의 충돌로 생긴 친링-다비-수루 충돌대(Qinling–Dabie–Sulu HP/UHP terrane)의 동쪽으로 확장될 가능성이 있는 중요한 지역으로 여겨져 왔다(Oh et al., 2005; Kim et al., 2006; Kwon et al., 2009). 최근 홍성-임진강대도 이러한 충돌대의 확장 가능 지역으로 제안되고 있으나(Kim et al., 2018; Kee et al., 2019; Kim et al., 2019), 충돌대의 궤적에 대한 모델과 관련하여 현재까지 많은 논란이 존재한다. 경기육괴는 주로 선캄브리아기의 변성암과 중생대 화강암으로 구성되어 있다(Lee et al., 2003). 경기육괴의 남서부 지역인 충남 홍성과 유구에 초염기성암체(ultramafic bodies)가 드물게 노출되어있다. 홍성 지역의 경우, 고립된 렌즈상의 초염기성암체가 1 km 미만으로 주 단층과 평행한 NNE 트렌드 형태로 분포한다(Seo et al., 2013). 유구 지역의 초염기성암체는 큰 규모의 노두(2 × 4 km)로 분포한다(Fig. 1b).

Figure 1. (a) A simplified tectonic map of Northeast Asia indicating the position of the study site in Yugu, South Korea. IB (Imjingang Belt), GM (Gyeonggi Massif), TB (Taebaeksan Basin), OB (Okcheon Belt), YM (Yeongnam Massif), and GB (Gyeongsang Basin). (b) Geologic map of the Yugu peridotite body in the southwestern Gyeonggi Massif, South Korea. Modified after 1:50,000 geological map from the Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM); Um and Lee (1963). For a detailed geological map related to sampling locations and structural information (strike and dip), readers are referred to Park and Jung (2017). (c, d) Outcrop photographs of mylonitic peridotites from the studied area.

유구 페리도타이트의 기저암은 선캄브리아기 유구 화강편마암(1863 ± 9 Ma; Kim et al., 2006)으로 주로 흑운모, 각섬석, 석류석, 규선석, 백운모, 사장석, 그리고 석영으로 구성되어 있다. 유구 편마암과 유구 페리도타이트는 단층 접촉부를 따라 강한 사문석화 작용을 보여주고,이로 인해 소규모 단층들이 재활성화 된 것으로 보고되었다(Park and Jung, 2017). 유구 페리도타이트는 대부분첨정석 하즈버가이트(spinel harzburgite)와 소량의 러졸라이트(lherzolite), 더나이트(dunite), 휘석암(pyroxenite) 등으로 구성되어 있다. 석류석이나 사장석을 함유한 페리도타이트는 현재까지 보고된 바가 없다. 유구 페리도타이트의 암석지화학 연구(Arai et al., 2008)에 의하면, 이지역의 페리도타이트는 주로 심해저 페리도타이트(abyssal peridotite)와 유사한 지화학적 특성을 보이며, 휘석 지온계를 통해 압쇄암의 반상쇄정(porphyroclast)과 네오블라스트(neoblast)에서 계산된 평형온도는 각각 1000°C와 800 °C로 보고 되었다. 유구 페리도타이트의 미구조 연구(Park and Jung, 2017)에 의하면, 다양한 변형 정도에따라 원압쇄암, 압쇄암, 초압쇄암으로 분류되었고, 이들의 감람석 격자선호방향이 점진적으로 변화하는 것이 보고 되었다.

유구 페리도타이트는 대부분 첨정석 하즈버가이트이며,국부적으로 러졸라이트, 더나이트, 휘석암 등으로 구성되어 있다. 대부분의 페리도타이트는 사문석화작용이 심하게 진행되어 원래의 암석 조직을 관찰하기 어렵지만 일부 변질되지 않은 신선한 시료에서는 전형적인 페리도타이트의 조직과 변형 미구조들이 잘 관찰된다(Fig. 1c and d).이러한 페리도타이트들은 감람석, 사방휘석, 단사휘석, 그리고 첨정석 등으로 구성되어 있다(Fig. 2). 주로 상대적으로 큰 사방휘석과 첨정석 결정들이 일정한 방향으로길게 늘어난 반상쇄정(porphyroclast) 형태를 보이며, 이들에 의해 엽리(foliation)와 선구조(lineation)가 뚜렷하게발달한다. 엽리에 수직(Z축)하고 선구조에 평행(X축)한XZ면의 박편을 통해 미구조를 관찰한 결과, 원압쇄암질(proto-mylonitic; PM) 페리도타이트(Fig. 2a and b), 압쇄암질(mylonitic: M) 페리도타이트(Fig. 2c and d), 그리고초압쇄암질(ultra-mylonitic; UM) 페리도타이트(Fig. 2e and f)와 같은 세 개의 뚜렷한 조직 그룹이 확인되었다. 그룹PM, M 및 UM 페리도타이트 기질(matrix)의 감람석 입자 크기는 각각 300–500 μm, 150–170 μm 및 14–20 μm사이를 보인다. 반상쇄정을 보이는 입자의 경우, 파동소광(undulose extinction)과 킹크밴드(kink band), 그리고 아입자경계(sub-grain boundary)가 잘 발달하지만(Fig. 2),그 주변을 둘러싼 재결정화된 네오블라스트 입자에는 이러한 특징이 상대적으로 적게 발달한다(Fig. 2).

Figure 2. Optical photomicrographs of the studied samples (XZ plane thin sections). The long axes of the photomicrographs are parallel to the lineation (X), and the short axes are normal to the foliation (Z). (a, b) Proto-mylonitic peridotite (PM; YG-4). (c, d) Mylonitic peridotite (M; YG-8). (e, f) Ultra-mylonitic peridotite (UM; YG-10). Ol (olivine). White arrowheads represent sub-grain boundaries.

페리도타이트의 조직 그룹(PM, M, UM)에 따라 각기다른 감람석 격자선호방향(LPO) 유형이 발견되었다(Fig. 3)(Park and Jung, 2017). 그룹 PM 페리도타이트(YG-4)의경우, 감람석의 격자선호방향은 [100] 축이 선구조에 아평행하게 배열되어 있고, [010] 축은 엽리에 아수직하게배열되어 있다(Fig. 3a). 이 패턴은 (010)[100]의 지배적인 슬립 시스템을 나타내는 A-type 감람석 격자선호방향으로 알려져 있다. 반면, 그룹 M 페리도타이트(YG-8)의경우, 감람석의 격자선호방향은 [100] 축이 선구조에 아평행하게 배열되어 있고, [010]축과 [001]축이 둘 다 선구조에 거의 수직한 거들(girdle)의 형태로 배열되어 있다 (Fig. 3b). 이는 {0kl}[100]의 다중 슬립 시스템의 활성화를 나타내는 D-type 감람석 격자선호방향으로 인식된다. 그리고 그룹 UM 페리도타이트(YG-10)의 경우, 감람석의 격자선호방향은 [100] 축이 선구조에 아평행하게배열되어 있고, [001] 축이 엽리에 거의 수직하게 배열되는 특징을 보인다(Fig. 3c). 이는 (001)[100]의 지배적인슬립 시스템을 나타내는 E-type 감람석 격자선호방향으로 알려져 있다. 감람석 격자선호방향의 배열 강도(fabric strength)를 나타내는 J-index의 경우, 감람석 입자 크기가감소함에 따라 그룹 PM(J: 4.50)에서 그룹 M(J: 2.64)을거쳐 그룹 UM(J: 1.60)으로 진행하면서 체계적으로 격자선호방향의 배열 강도(J-index)가 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 3 and Table 1) (Park and Jung, 2017).

Table 1 . Olivine fabrics and seismic properties in the studied samples..

Sample	Olivine fabrics			Seismic properties
	Groupa	Olivine fabrics	Olivine J-indexb	AVp (%)	max. AVs (%)	Avg. Vp (km/s)	Avg. Vs (km/s)
YG-4	PM	A-type	4.50	11.5	8.48	8.39	4.83
YG-8	M	D-type	2.64	7.3	4.99	8.40	4.84
YG-10	UM	E-type	1.60	4.1	2.91	8.37	4.83

^a PM: proto-mylonite, M: mylonite, UM: ultra-mylonite..

^b Olivine fabric (LPO) strength is denoted as J-index (Bunge, 1982), calculated using the MTEX toolbox for MATLAB with a kernel half-width of 10° (Bachmann et al., 2010)..

Figure 3. Pole figures illustrating the lattice preferred orientation (LPO) of olivine. (a) Proto-mylonitic peridotites (PM; YG-4). (b) Mylonitic peridotites (M; YG-8). (c) Ultra-mylonitic peridotites (UM; YG-10). The stretching lineation (X) aligns with the east-west direction, while the north-south direction (Z) is perpendicular to the foliation. The color-coding indicates the density of data points. Equal-area and lower-hemisphere projection methods were employed with a half-scattering width of 30°. N represents the number of measured grains. The strength of the olivine fabric (LPO) is indicated by J (J-index) (Bunge, 1982). This figure is modified after Park and Jung (2017), in which detailed descriptions and interpretations of these olivine LPOs can be found.

맨틀 전단대에서 변형 정도(원압쇄암, 압쇄암, 초압쇄암)와 감람석 격자선호방향(A-, D-, E-type LPOs) 및 배열 강도에 따른 지진파 비등방성의 특성 및 상관관계를우선적으로 비교하기 위해 총 여섯 개의 시료 중 각각의특징을 대표할 수 있는 세 개의 시료(YG-4, YG-8, YG-10)를 선별하여 계산하였다. 또한, 연구된 시료의 암상은주로 하즈버가이트를 보이기 때문에 페리도타이트 구성광물 중 감람석만을 이용하여 지진파 특성을 계산하였다. 지진파 비등방성은 광물의 밀도와 단일 결정 탄성 계수(Abramson et al., 1997), 그리고 격자선호방향(LPO) 데이터(Park and Jung, 2017)를 이용하여 계산하였다. 지진파 비등방성의 평균은 보이트-루이스-힐 평균화 방식(Voigt-Reuss-Hill average scheme)을 사용했으며, 포트란기반의 계산 소프트웨어(Mainprice, 1990)를 활용하여 계산하였다.

P파 속도의 비등방성(AVp), S파 속도의 비등방성(AVs), P파 평균속도(Avg. Vp), 그리고 S파 평균속도(Avg. Vs)는 아래의 수식들을 이용하여 계산하였다.

AVp = 200 × (Vp_max − Vp_min)/(Vp_max + Vp_min)

AVs = 200 × (Vs1 − Vs2)/(Vs1 + Vs2)

Avg. Vp = (Vp_max + Vp_min)/2

Avg. Vs = (Vs1_max + Vs1_min + Vs2_max + Vs2_min)/4

여기서 Vp_max와 Vp_min은 각각 P파의 최대 속도와 최소 속도를 나타내며, Vs1과 Vs2는 각각 한 방향을 따라 전파되는 빠른 S파와 느린 S파의 속도를 나타낸다.

각각의 그룹별 페리도타이트 샘플에 따른 계산된 감람석의 지진파 특성(지진파 전파속도 및 비등방성) 결과는Fig. 4에 도시되어 있다. 모든 페리도타이트 샘플에서Vp_max 값과 빠른 S파의 편파방향(Vs1 polarization)은 모두 감람석 극점도의 [100] 축과 아평행하게 배열되는 경향을 보인다(Fig. 4). 따라서 감람석 격자선호방향에 관계없이, Vp_max 값과 빠른 S파의 편파방향은 모든 샘플에서 선구조와 아평행하게 배열한다(Fig. 4). 그룹 PM 페리도타이트(YG-4)에서 기인한 지진파 비등방성의 경우, P파의 비등방성(AVp: 11.5%)과 S파의 최대 비등방성(max. AVs: 8.48%)이 가장 높게 나타났다(Fig. 4a and Table 1).이와 대조적으로 그룹 UM 페리도타이트(YG-10)에서 기인한 지진파 비등방성의 경우, P파의 비등방성(AVp: 4.1%)과 S파의 최대 비등방성(max. AVs: 2.91%)이 가장 낮게 나타났다(Fig. 4c and Table 1). 그룹 M 페리도타이트(YG-8)에서 기인한 지진파 비등방성의 경우, P파의 비등방성(AVp: 7.3%)과 S파의 최대 비등방성(max. AVs: 4.99%)이 그룹 PM과 그룹 UM 페리도타이트 사이의 값을 보여주었다(Fig. 4b and Table 1). 지진파 비등방성과 격자선호방향의 배열강도 사이의 관계를 도시한 결과(Fig. 5)를 살펴보면, 지진파 비등방성은 감람석 격자선호방향의배열강도(J-index)가 감소함에 따라 분명하게 감소하는 경향을 보인다(Fig. 5 and Table 1). 연구된 샘플의 P파 평균속도(Avg. Vp)와 S파 평균속도(Avg. Vs)의 경우, 그룹에 따른 특정한 경향성은 보이지 않았으며, 이들은 각각8.37–8.40km/s와 4.83–4.84km/s로 나타났다(Table 1).

Figure 4. Seismic anisotropies of olivine aggregates in the studied samples. (a) Proto-mylonitic peridotites (PM; YG-4). (b) Mylonitic peridotites (M; YG-8). (c) Ultra-mylonitic peridotites (UM; YG-10). All data are presented in lower hemisphere using equal area projection. The east‐west direction corresponds to the stretching lineation (X), and the north‐south direction (Z) is normal to foliation.

Figure 5. Correlation between seismic anisotropy (AVp and max. AVs) and olivine fabric strength (J-index) for each group of the Yugu peridotites. PM (proto-mylonite), M (mylonite), UM (ultramylonite).

일반적으로 감람석에서 기인한 지진파 비등방성은 감람석의 격자선호방향의 타입에 따라 크게 달라 질 수 있다(Jung et al., 2006; Karato et al., 2008). 상부맨틀에서나타나는 지진파 비등방성은 주로 감람석의 A-type 격자선호방향에 의해 설명되어 왔으나, 물의 양과 응력의 세기에 따라 감람석의 다양한 격자선호방향이 발견되었다(Jung and Karato, 2001; Katayama et al., 2004; Jung et al., 2006; Katayama and Karato, 2006). 이로 인해 이전까지 A-type으로 설명하기 어려운 지역들(해구, 열점 등)에대해 독특한 지진파 비등방성(특히, B-type, C-type)으로설명이 가능하게 되었다. 하지만, 감람석 격자선호방향중 A-, D-, E-type의 경우는 전반적으로 유사한 특성을보인다. 이들(A-, D-, E-type)이 수평 흐름(horizontal flow)형상에서의 빠른 S파의 편파방향은 흐름방향과 거의 평행한 형태로 모두 동일하다. 따라서 연구된 모든 페리도타이트 샘플에서 Vp_max 값과 빠른 S파의 편파방향(Vs1 polarization)은 모두 감람석 극점도의 [100] 축과 아평행하게 배열되는 경향을 보였다(Fig. 4). 또한, 감람석 격자선호방향(A-, D-, E-type)에 관계없이, Vp_max 값과 빠른 S파의 편파방향은 모든 샘플에서 선구조와 아평행하게 배열하는 것을 보여 주었다(Fig. 4). 이는 감람석 결정의 강한 고유 탄성 이방성에 의해 [100] 축과 [010] 축은 각각가장 빠른(Vp = 9.89 km/s) 방향과 가장 느린(Vp = 7.72 km/s) 방향의 특성을 보이기 때문이다.

이전 연구(Park and Jung, 2017)에서 유구 페리도타이트 내 감람석의 미구조와 격자선호방향의 발달 및 전이과정이 보고된 바 있다. 전단 변형률과 물의 활성도가 증가함으로 인해 감람석의 재결정화된 입자 크기가 감소하고 격자선호방향이 변화하는 특징을 보이면서 원압쇄암(A-type)에서 압쇄암(D-type)을 거쳐 초압쇄암(E-type)으로 전이되는 진화 과정이 설명되었다. 또한, 이 과정에서변형 메커니즘이 각각 원압쇄암의 경우 전위 크리프(dislocation creep), 압쇄암의 경우 전위가 적용된 입자 경계슬라이딩(dislocation-accommodated grain-boundary sliding),그리고 초압쇄암의 경우 전위 및 확산 크리프(dislocation and diffusion creep)로 변화하는 것으로 해석되었다. 특히 압쇄암과 초압쇄암에서 나타난 변형 메커니즘(grain-boundary sliding, diffusion creep)의 경우, 일반적으로 광물의 입자 사이즈에 민감한 변형으로 이들의 작용이 우세해질수록 광물의 격자선호방향을 약화시키는 것으로알려져 있다. 따라서 연구된 유구 페리도타이트의 격자선호방향 배열 강도도 원압쇄암(J: 4.50)에서 압쇄암(J: 2.64)을 거쳐 초압쇄암(J: 1.60)으로 변화하면서 점차 약해지는 것을 볼 수 있으며(Fig. 3), 이로 인해 지진파 비등방성이 감소하는 경향을 설명할 수 있다(Fig. 4 and 5).그러므로 유구 페리도타이트 내 감람석에서 기인한 지진파 비등방성은 격자선호방향의 타입보다 배열 강도에 의해 지배된다고 설명할 수 있다. 또한, 경기육괴 유구 지역의 맨틀과 연관된 지진파 비등방성을 관측하게 된다면,원압쇄암의 A-type 감람석 격자선호방향에서 기인한 강한 지진파 비등방성과 압쇄암/초압쇄암의 D-/E-type 감람석 격자선호방향에서 기인한 약한 지진파 비등방성을 모두 고려해야 할 것이다. 그러나 유구 페리도타이트 노두가 산발적으로 나타나고 연장성이 좋지 않기 때문에 샘플링이 편향될 수 있어 큰 공간 규모에서의 맨틀 흐름과지진학 관측의 해석을 위해서는 정밀한 야외조사를 기반으로 한 추가적인 시료 분석 및 계산이 필요하다. 이를통해 유구 페리도타이트 내 원압쇄암, 압쇄암, 초압쇄암의 분포 양상과 비율을 고려한 지연 시간(delay time)을계산한다면 맨틀 전단대에 적용 가능한 지진파 비등방성모델에 대한 정보를 제공할 수 있을 것이다.

이 논문은 한국연구재단 우수신진연구과제(No. 2022R1 C1C1005243)의 지원과 2021년도 충북대학교 학술연구지원사업의 연구비 지원으로 연구되었습니다. 논문의 세심한 검토와 질적 향상을 위해 유익한 제안을 주신 두 익명의 심사위원과 편집위원께 감사를 표합니다.