• Development history of fault rock researches using the Shape Preferred Orientation (SPO) analysis

• Calculation of statistical information on fault kinematics based on big data

• Vitalization of structural geological research of faults using the latest technology X-CT

최근 광물화학적 분석과 미구조적 관찰을 토대로 전반적인 단층 활동의 역사를 추적하려는 시도가 급격히 늘고 있다. 그러나 지구연대학적 및 광물화학적 최근 연구의 트렌드가 분석기기의 발전에 따라 진보하고 있는 것과 달리 여전히 단층암의 구조에 관한 연구는 다소 전통적인 방식에 의존하는 경향이 있다. 예를 들어, 리델전단, 단층활면, 변위된 암편, 안행상 세맥, 단층굴곡(fault bend)와 같은 증거들은 취성변형을 받은 단층면의 움직임을 추정할 수 있는 구조로 대표되어왔다(Tjia 1964; Fleuty, 1975; Simpson and Schmid., 1983; Moore et al., 1989; Thomas and Pollard., 1993; Passhier, 2005; Nelson, 2006). 결국 야외에서 판별 가능한 구조를 찾거나 미구조적 증거를 찾기 위해 시편이나 박편을 제작하여 관찰하는 방식은 여전히 해당 분야의 전문성과 시간을 요구한다. 더불어 위와 같은 지시자들은 대부분 단층면의 움직임을 특정 단면만을 보고 판단해야 하며, 이 때문에 공간적 움직임을 추정하기 어렵다. 정확한 추정을 위해 보다 다양한 방향의 단면에 대한 증거를 제시하곤 하지만, 단층면이 매우 얇게 나타나는 경우 연구 접근성이 제한적이다.

단층비지 내 광물의 Shape Preferred Orientation (SPO)를 분석하는 연구 방법은 단층면의 움직임을 판단하는 증거로서 제시되어왔다(Masuda et al., 1995; Cladouhos, 1999). 단층암 내 강성체는 지속적인 전단력에 의해 점토 광물로 구성된 기질(matrix) 위에서 강성체 회전(rigid body rotation)을 통해 P-전단 방향으로 다수가 정렬된다. 이를 이용하여 단층비지 내 입자들의 SPO를 조사하면, 단층면의 움직임 방향을 역산할 수 있다(Cladouhos, 1999). 강성체의 회전에 따른 SPO 분포를 이용한 연구는 본디 연성전단대에 포함된 시료들을 대상으로 연구되었는데(Shelley, 1995; Arbaret et al., 2001), 이후 취성단층에 포함된 시료에서도 강성체 회전을 통해 전단의 성질에 따라 보다 세분화된 SPO 분석 모델이 제시되었다(Cladouhos, 1999). SPO 측정법은 단층비지가 존재하는 대부분의 단층에서 적용할 수 있는 방법이며, 3D로 측정할 경우 단층면의 움직임을 입체적으로 추정할 수 있는 방법이다. 더불어 최근 micro X-ray Computational Tomography (XCT)를 이용하여 단층암 내 광물들의 SPO를 빠른 속도로 분석하는 방법이 개발되었다(Sim et al., 2020a). X-CT를 이용한 SPO 분석은 CT 이미지 특성상 광물의 구분이 명확하지 않은 점토광물에 대해 분석이 제한적이나, 석영, 장석 등의 암편을 포함하는 입자들과 점토광물로 이루어진 기질의 구분은 용이하여 단층 비지 내 입자들의 SPO 분석에 대한 연구가 진행되었다. 이에 본 논문에서는 단층면의 움직임을 추정할 수 있는 SPO 측정법을 이용해 단층 활동을 분석한 사례들을 비교 분석하고, 광물학 및 지질연대학과 연결지어 단층 활동 역사를 추적할 수 있는 최신 SPO 분석법의 활용도와 그 중요성에 대해 논하고자 한다.

단층비지를 이루는 기질에는 단층암이 생성되는 과정에서 유입된 열수와 모암의 조성에 따라 층상 규산염 광물, 탄산염 광물 등 다양한 광물들이 나타난다. 특히 일라이트, 스멕타이트, 녹니석 등은 단층비지에서 잘 나타나는 점토광물들이다(Wu, 1978; Vrolijk and van der Pluijm., 1999; Saffer and Marone., 2003). 이런 점토광물들로 이루어진 기질부 사이에 독립된 형태로 나타나는 입자들은 대부분 석영, 장석, 탄산염 광물들이 주를 이룬다. 특히, 모암이 화강암, 편마암, 퇴적암 등의 규산염 광물들로 이루어진 암석의 경우 단층암에 나타나는 입자들은 상당수가 석영으로 이루어져 있다(Rutter et al., 1986; Sim et al., 2020a). 상대적으로 강도가 높고 물리적 마모에 강한 석영, 장석을 비롯한 다양한 암편을 포함하는 강성체들은 지속적인 전단력이 가해질 경우, 보다 연질의 기질위에서 독립적인 강성체 회전을 하게 된다(Fig. 1; Shelley, 1995; Arbaret et al., 2001; Marques and Coelho., 2003). 강성체 회전 과정에서 강성체 입자들은 장축의 방향에 따라 회전 속도가 변화하는데, 이 때문에 통계적으로 장축은 P-전단 방향을 나타내게 된다(Cladouhos, 1999). 이 과정에서 모든 입자들이 P-전단 방향으로 장축이 배열되는 것은 아니며, 가장 높은 빈도로 P-전단 방향을 가리킨다(Fig. 2c, d). 이로 인해 단층암 내 입자들의 SPO를 측정함으로써 단층면의 움직임을 역산하는 방법은 적은 수의 입자들을 대상으로 진행할 경우 신뢰성의 문제가 발생할 수 있다. 또한, 입자의 형태에 따른 연구의 특성상, 박편과 주사전자현미경 이미지 등의 평면 형태에서 관찰 되어온 경우가 대부분이므로, 방향성 예측이 평면적으로 이루어질 수 밖에 없는 한계점 또한 명확하였다. 이 때문에 SPO에 관한 대부분의 오래된 연구들은 상당히 적은 수의 입자 표본들을 대상으로 분석되었으며, 지표에 평행한 단면에 대해 분석이 진행되어 주향이동단층의 운동학적 연구가 주를 이루었다 (Cladouhos, 1999). 그러나 2010년에 이르러 CT 이미지를 활용하여 SPO를 측정한 사례가 등장하면서, 3D-SPO 측정법과 그 활용에 대한 논의가 대두되었다(Fig. 2e, f). Sills (2010)은 포행(creeping)이 일어나는 산 안드레아스 단층대의 단층암을 대상으로 입자들의 3D-SPO를 측정하였다. 시추 코어 시료를 이용한 X-CT 측정 장비의 측정법의 한계 때문에 조사 대상 입자 수는 약 100~200개로 신뢰성을 입증하기에 다소 부족하였으나, 해당 연구에서는 장축 및 단축의 방향성과 더불어 추가적인 미구조 관찰을 토대로 단층대의 운동학적 변형과 단층 비지 내 유체의 흐름에 대해 논하였다. 상술된 단점을 보완하고자, 최근 입자가속기의 X-CT에서 촬영된 고해상도의 이미지를 통해 3D-SPO를 측정한 사례가 보고되었다(Fig. 2g; Sim et al., 2020a). 이미지로부터 분석된 입자는 수만개이며, 측정된 입자들의 장축, 중축, 단축과 입자의 형태에 대한 다양한 정보들을 토대로 단층면의 운동에 대해 상세히 논하였다. 나아가 단층면해 해석법을 이용해 SPO에 나타난 강성체의 장축, 중축, 단축 방향성의 밀집도에 대해 통계적으로 접근하여 고 단층의 움직임을 야기시킨 힘의 방향에 대해 언급하였다(Fig. 2h; Sim et al., 2020b).

Figure 1. The graph showing the circularity of particle rotation due to the continuously given shear strain. The result of analyzing each particle starting with different φ_i values and R=3, and the rotation result of the strain ellipse in the direction of the major axis are shown together (modified from Marques and Coelho., 2003). φ: The angle of rotation; R: Particle’s aspect ratio (=a/b); S_r: The rates of pure and simple shear components.

Figure 2. Development history of SPO analysing method. (a) SPO of 2400 quartz measured from Takaka Hill quartzite and the orientation of c-axes given principle compressive stress for aspect ratio are shown. (b) The orientation of major axis is aligned differently according to the aspect ratio of the grain. (c), (d) The rose diagram shows the direction of the 2D-SPO in samples taken from the fault gouge. (e, f) The results of measuring 3D-SPO of samples taken from the San Andreas Fault Zone using X-CT are shown on lower-hemisphere equal area projections. (g, h) The results of measuring the 3D-SPO of a fault gouge sample from Yangsan fault for thousands of particles using synchrotron X-CT are shown in lower-hemisphere equal area projections with a result interpreted using a focal mechanism solution. (Modified from Shelley, 1995; Cladouhos, 1999; Sills, 2010; Sim et al., 2020a, 2020b).

SPO 측정법은 보다 정량적이고 정확한 단층 운동 방향을 제시하는데 특화되어있다. 그럼에도 불구하고 과거 SPO를 활용한 단층연구가 크게 활성화되지 못했던 이유는 크게 두 가지로 꼽힌다. 1) 측정하고자 하는 대상 정방위시료의 인위적 변형 및 방향성 오차 발생. 2) 적은 수의 입자를 분석할 수 밖에 없었던 한계 때문에 주어진 신뢰성 부족. 먼저, 상대적으로 무른 특성을 갖는 단층 비지를 대상으로 하는 대부분의 정방위시료 채취과정은 지하에서 시추된 시료를 이용하거나, 지표에 드러난 단층 노두에 단단한 코어를 삽입하여 채취하는 형태를 띤다. 시추 과정에서 코어는 다양한 형태의 물리적 변형을 받게 되고, 이로 인해 코어 내 입자들의 방향이 변화될 수 있다(Acton et al., 2002; Keren and Kirkpatrick., 2016; Funato and Ito., 2017). 정량적인 3차원 벡터로 방향성을 제시하고자 하는 SPO 분석법에서 시료의 물리적 변형은 큰 오차요인으로 작용할 수 있다. 이 같은 문제는 비단 시추 시료 뿐만 아닌 단층 노두에서 채취된 코어 시료에서도 유사한 문제가 발생하는 경향이 있다. 이를 완화하기 위해 단층 노두에서 작은 코어 틀을 이용해 시료를 채취할 시, 사각형 형태의 코어를 이용하여 코어 내에서 시료가 회전하는 것을 방지할 수 있다(Fig. 3a). 또한 시료의 물리적 변형 효과를 저감하기 위해 상대적으로 변형이 적은 코어의 중심 부분 시료만을 이용하는 방법이 효과적이다(Gao et al., 2022). 둘째로, 신뢰성의 문제에 관하여 과거 연구에서 SPO 분석 대상 입자의 수가 부족했던 이유는 각각의 입자를 야외에서 개별로 측정하였거나, 편광현미경, 주사전자현미경 등의 기구를 이용한 이미지상에서 수기로 측정된 결과였기 때문이다 (Cladouhos 1999). CT를 SPO 연구에 접목시킨 후에도 대상 입자 수의 부족은 고질적인 문제였다 (Sills et al., 2010). 그러나 입자가속기 X-CT를 활용한 방법이 제시된 후, 보다 많은 수의 입자를 통해 연구의 신뢰성을 확보할 수 있게 되었다. 획득된 CT 이미지에 체계적인 필터링 과정을 거친 뒤 내부에 포함된 수만개 이상의 입자를 타원체로 피팅하여 입자의 정보를 일괄적으로 취득하는 방법은 비용적, 시간적 소모를 크게 줄이며 SPO 분석법의 필수요소인 다량의 입자 분석 프로세스를 간단하게 만들었다(Fig. 3b; Sim et al., 2020a). 이로써 SPO 분석법은 과거와 비교하여 신뢰도 높고 빠른 분석을 통해 과거 단층 활동의 운동학적 연구 결과를 정량적으로 제시할 수 있는 방법으로 제안될 수 있게 되었다.

Figure 3. A schematic diagram showing the process of estimating the fault motion from the major axis direction of the rigid grains included in the core sample taken from the fault gouge. (a) A schematic diagram showing the core sample taken from the fault gouge and the separation of direction vectors according to the fault motion direction. (b) The orientation of grains included in the core sample is measured on the X-CT image. (c) Direction of fault motion (V_fm) and rake values are estimated through the grain SPO and plotted on a stereo-net (Modified from Sim et al., 2020b). Vss: vector of strike-slip; V_ds: vector of dip-slip; V_fm: vector of fault motion; and V_SPO: vector of densest point of SPO.

3D-SPO 분석법을 이용하면 단층면의 움직인 방향을 공간 벡터값으로 나타낼 수 있다. Sim et al. (2020a)은 가장 높은 빈도를 보이는 강성체 입자들의 장축 방향을 단층면에 정사영하여 단층면의 움직임을 복원하였고, 이로부터 선주각 값을 도출하였다(Fig. 3c). 또한 장축의 방향성 분포 데이터를 스테레오넷 상에 표시하여 노두에 나타난 여러 개의 단층면의 각각의 움직임을 직관적으로 확인할 수 있게 하였다. 데이터의 신뢰도를 위해 각 이미지마다 최소 1000개 이상의 입자들을 대상으로 조사하였는데, 이는 SPO를 이용한 단층면 운동 방향 분석의 원리가 입자들의 통계적 분포에 있기 때문이다(Cladouhos, 1999). 3D-SPO를 분석하기 위해 데이터를 처리하는 과정에서 장축의 방향성 외에도 다양한 정량적인 결과들이 함께 도출되는데, 중축, 단축의 방향성 분포에 관한 정보와 조사 대상 입자들의 크기, 형태에 관한 정보들이 그것이다. Sim et al. (2020b)은 가장 높은 빈도를 갖는 방향뿐만 아닌 입자들의 장축, 중축, 단축 방향 공간벡터의 분포도를 이용해 단층면해 해석법을 적용할 수 있음을 제시하였다(Fig. 2h). 특히, 단층비지에서 산출되는 강성체의 SPO의 밀집도 분포를 장/중/단축 모두 매우 좋은 타입, 장축이 밀집되고 이에 수직한 평면에 중/단축이 분포하는 타입, 단축이 밀집되고 이에 수직한 평면에 장/중축이 분포하는 세 가지 타입으로 구분하였다(Fig. 4a). 조사 대상 입자들은 편원(oblate), 장구형(prolate) 혹은 더 다양한 타입으로 세분할 수 있는데, 이들은 단층암 내에서 각기 다른 방식으로 회전하려 한다(Barrett, 1980; Walter et al., 2011; Wegner et al., 2014). 이 때문에 입자의 형태에 대한 자료는 단층의 움직임을 추정하는데 좋은 정보가 될 수 있을 뿐만 아니라, SPO 분석법 적용시 유의해야 할 요인으로 판별된다. 여러 연구에 따르면 입자의 크기는 방향성에 영향을 주는 인자는 아니었으나, 입자의 형태는 강성체 회전 결과에 영향을 끼칠 수 있는 요소임이 분명하다(Fig. 2b; Shelley 1995; Walter et al., 2011). 따라서 입자의 형태는 SPO 분석법 적용시 단층면의 운동을 추정하는데 상당한 오차요인으로 작용할 수 있고, 이 때문에 Sim et al., (2020a)은 가급적 1.5 이상의 장단축비를 갖는 입자에 대해 조사하는 것을 권장하였다(Fig. 4b).

Figure 4. The results of measuring the 3D-SPO of a fault gouge sample are shown in lower-hemisphere equal area projections. (a) The SPO analysis results of each representative sample with different orientation distributions of three axes are shown. The distribution of major/middle/minor axes are colored by red, blue, green, respectively. (b) the SPO analysis results according to the aspect ratio value are shown (Modified from Sim et al., 2020a, 2020b). Vc: the densest orientation vector of c axes; SDI: SPO Distribution Index.

공간적인 제약 혹은 시료 취득 방법에 제약 없이 획득 가능한 3D-SPO 정보는 단층 연구에서 매우 안정적으로 단층면 운동 방향을 추정할 수 있게 해준다. 이와 더불어 SPO 분석법은 야외에서 나타나는 미구조의 직접 관찰을 통한 것이 아닌 빅데이터를 이용한 통계적 접근 방법이다. 추가로, 연구 과정에서 부차적으로 얻을 수 있는 단층암 내 입자들의 형태학적 정보와 여러 축에 대한 방향성 정보는 단층 연구자들에게 많은 가능성을 제시한다. 예로서, 단층핵의 가장자리는 특히 입자들이 잘게 부서지면서 비교적 작은 크기로 나타나는데 이는 단층 활동 당시 나타나는 국부적 변형과 깊은 상관관계를 가진다(Mair and Abe., 2008). 따라서 단층암 내 입자들의 형태학적 특성 규명은 다소 복잡한 변형을 받은 대규모 단층노두에 단층 활동 당시에 주어진 전단력에 의한 국부적 변형 이력을 추론할 수 있는 근거가 될 수 있다. 또한, 장축, 중축, 단축 3D-SPO의 분포와 조사대상 입자들의 형태학적 특성이 서로 상관관계가 있으며(Sim et al., 2020b), 이는 전단력에 의한 취성단층영역에서 발생하는 단층암 파쇄과정을 좀 더 면밀하게 살펴볼 수 있는 가치 있는 연구주제가 될 것이다.

반면 SPO 연구에 관해 여전히 해결되지 않는 몇 가지 제약점으로 1) 강성체 입자 존재 유무에 의한 제약성 2) 가속기 X-CT의 접근성 부족, 3) 정방위 시료의 오차 및 신뢰성, 4) 시료의 대표성을 꼽을 수 있다. 먼저, SPO 분석법은 강성체의 회전에 의한 통계적 추론을 기반으로 하기 때문에, 강성체의 존재 여부가 가장 중요하다. 석영, 장석 등의 암편의 비율이 적고 보다 강도와 풍화에 대한 저항이 떨어지는 광물들이 주된 입자로 구성되는 단층암(모암이 염기성암 혹은 탄산염암 등)의 경우, SPO 분석결과를 해석할 때 주의를 요한다. CT 이미지상에서 광물종별로 강성체로 인정되는 입자들을 구분하여 SPO를 조사할 수 있게 된다면, 추가과정을 거쳐 대상 시료를 모든 단층암으로 확대할 수 있을 것으로 기대된다. 둘째로, SPO 분석법은 통계적 추론을 바탕으로 하기 때문에 조사 대상 입자수가 많아야 하고, 이를 위해서 고해상도의 X-CT 이미지를 얻는 것이 필수적이다. 이를 위해, 최근 사용된 가속기 X-CT는 연구실용 CT에 비해 고해상도의 양질의 데이터를 획득할 수 있지만, 가속기 특성상 실험에 시간적, 공간적 제약이 있으며 시료별로 다소 복잡하고 경험적인 실험조건을 필요로 한다. 또한, 가속기 XCT의 대상시료 크기는 최대 약 2~3mm 내외로 매우 제한적이다. 따라서 단층암의 3D-SPO 측정을 보편화하기 위해서는 적절한 파장 영역의 X-선 발생장치와 적절한 크기의 Field Of View (FOV)를 갖는 연구실용 CT의 도입과 활용이 시급할 것이다. 셋째로, 정방위 시료의 방향성 오차에 대한 문제는 언제나 정방위 시료를 대상으로 하는 연구에 적용되는 문제점이다. 다만, 정확한 각도를 정량적으로 추론하는 3D-SPO 분석법은 단지 5도 이내의 작은 오차도 무시할 수 없기 때문에 더더욱 정밀한 시료채취가 관건이다. 넷째로, 단층노두는 복합적인 다중 단층 활동을 거치면서 지역에 따라 수십~수백 미터의 너비로 광범위하게 나타날 수 있다. 이 때문에 구조지질학 연구자들은 대규모 단층에 대한 조사 진행 시 넓은 지역에서 많은 야외 노두와 광범위한 분석을 통해 단층활동에 대한 증거를 찾아낸다. 이 과정은 대규모 단층의 활동 역사를 규명하는 연구의 기초이며, SPO 분석법 또한 유사한 역할을 수행할 수 있으나, 한정된 구역에서만의 세밀한 분석은 자칫 큰 규모의 단층을 잘못 해석하는 원인이 될 수 있다. SPO 분석의 원리가 통계적 접근에 있는 만큼, SPO 분석에 채취되는 시료 또한 넓은 범위의 대표성 있는 다량의 시료들로 구성되어야 할 것이다. 상기 제약점들에도 불구하고, 주의할 요소와 보완점들을 잘 고려한다면 3D-SPO 분석법은 단층 연구에서 기초 데이터로 활용되는 단층의 운동학적 정보와 더불어 입자들의 형태학적 정보를 제공한다. 이로서 3D-SPO 분석법은 전문가들의 관찰과 경험에 의존하던 영역이었던 단층의 운동학적 연구 결과를 정량화하고 보편화하는 방법으로 평가된다. 이는 비전문가에게는 더 쉬운 접근성을, 구조지질학 연구자들에게는 데이터를 숫자로 확인시켜 줄 수 있는 신뢰성을 부여하게 될 것이다.

이 연구는 한국연구재단의 광화유체 진화의 미시적 해석: 마그마성-열수 광화작용의 새로운 이해 사업의 (NRF-2018R1D1A1B07051418)의 일환으로 수행되었음을 밝힙니다.