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ISSN : 1225-309X(Print)
ISSN : 2288-7172(Online)
Journal of the mineralogical society of korea Vol.28 No.2 pp.109-126
DOI : https://doi.org/10.9727/jmsk.2015.28.2.109

A Study on Mineralogical and Basic Mechanical Properties of Fault Gouges in 16 Faults, Korea

Seong-Woo Moon1, Hyun-Seok Yun1, Chang Oh Choo2, Woo-Seok Kim3, Yong-Seok Seo1*
1Department of Earth and Environmental Sciences, Chungbuk National University, Cheongju, 362-763, Korea
2Department of Geology, Daegu, 702-701, Korea
3Geotechnical Engineering Research Division, Goyang, 411-712, Korea
Corresponding author: +82-43-261-2765, ysseo@cbu.ac.kr
June 4, 2015 June 18, 2015 June 26, 2015

Abstract

Because fault gouge developed at the center of fault is recognized as one of the most important weak sites, it is evident that clay mineralogy and physical properties greatly affect the rock stability. The purpose of this study is to establish the relationship of mineralogy and physical factors that control rock stability in fault zones. We analyzed a total of 51 samples from 16 main faults which were selected from a Korea fracture map, using XRD, SEM, and physical analyses like unit weight, friction and cohesion properties. Though it is considered that the most common clay minerals comprising fault gouge are kaolinite, illite and smectite, clay mineralogy slightly varies depending on lithology: illite > smectite > kaolinite and chlorite in volcanic rocks, kaolinite and chlorite > illite > smectite in sedimentary rocks, and illite > smectite > kaolinite and chlorite in abundance, respectively. Friction angle decreases with increasing clay content. Cohesion increases with increasing clay content below the 45 % region while it decreases with increasing clay content at the region higher than 45%, with some scatters in the data. It is likely that these results are ascribed to the physical heterogeneity of fault gouges with varying content of different clay minerals.


국내 16개 단층대 단층비지의 광물학적 및 기초물성에 관한 연구

문 성 우1, 윤 현 석1, 추 창 오2, 김 우 석3, 서 용 석1*
1충북대학교 지구환경과학과
2경북대학교 지질학과
3한국건설기술연구원 지반연구소

초록

단층비지는 단층의 중심부에 분포하면서 연약대를 형성하므로 단층비지의 광물학적 특성과 물 성은 암반의 안정성에 크게 영향을 미친다. 본 연구에서는 단열구조도를 참고하여 중, 대규모의 주요 단층을 선정하였으며, 총 16지역의 단층 코어부분에서 51종류의 시료를 채취하였다. XRD, SEM을 이 용한 광물학적 분석과 단위중량, 마찰각, 점착력을 측정하였다. 점토광물은 대표적으로 카올리나이트, 일라이트, 스멕타이트로 나눠질 수 있으며, 화산암에는 일라이트 › 스멕타이트 › 카올리나이트와 녹 니석의 순으로 함유된다. 퇴적암에는 카올리나이트와 녹니석 › 일라이트 › 스멕타이트의 순으로 풍부 하다. 화강암에는 일라이트 › 스멕타이트 › 카올리나이트와 녹니석 순으로 함유된다. 마찰각은 점토 함량이 높을수록 감소하며, 점착력은 분산이 심하게 나타났다. 점토광물의 함량이 45% 이하에서는 점 토광물의 함량이 증가할수록 점착력이 높아지나 45% 이상에서는 점착력이 낮아지는 추세를 보인다. 이는 단층비지가 불균질하며, 점토광물의 종류와 함량에서도 넓은 범위를 가지기 때문인 것으로 보인다.


    Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement

    서 언

    단층은 지각에서 관찰할 수 있는 불연속 구조로 서는 가장 크며, 취성변형(brittle deformation)에 의해 형성되는 것으로서, 규모가 큰 경우에는 대부 분이 지각운동과 관련되어 있거나 지진성(seismic) 단층이 흔하다(Sibson, 1977, 1986). 단층은 오래 전부터 터널, 지하철, 지하구조물, 댐, 교량 등과 같은 일반적인 토목환경 뿐만 아니라 핵발전소와 핵폐기물처분장 부지의 안정성 평가에서 기초정보 로 중요하게 인식되어 온 가장 대표적인 지질구조 이다. 단층을 구성하는 단층암(fault rock)의 물리 화학적 특성은 단층비지 내 점토광물의 특성에 따 라서 크게 영향을 받는데, 점토광물의 화학조성과 구조, 생성환경, 팽창특성은 파쇄지반의 안정성에 매우 중요하다.

    대부분의 단층연구는 단층의 핵심요소인 단층비 지(fault gouge)의 생성과정, 역학적 성질이나 투수 성, 단열구조 등에 집중되어 왔다(Sibson, 1977, 1986; Chester and Logan, 1986; Chester et al., 1993; Caine et al., 1996; Holdsworth et al., 2011). 또한 단층비지 내 점토광물의 특성이나 미 세조직에 의한 광물학적 연구를 통한 단층활동 메 커니즘 해석(Wu, 1978; Rutter et al., 1986; Solum et al., 2003; Solum and van der Pluijm, 2004; Offler et al., 2009; Caine et al., 2010; Kuo et al., 2012; Song et al., 2012), 일라이트질 점토 광물의 연대측정을 통한 단층의 활동시기 설정 (Chang and Choo, 1998, 1999; Choo and Chang, 2000; Bense et al., 2014; Song et al., 2014; Torgersen et al., 2014) 등의 연구가 수행되어져 왔다.

    그동안 국내에서는 단층의 분포나 활동성, 안정성 평가나 물리적 특성에 기반을 둔 구조지질학적 및 암반공학 측면에서 연구가 이루어져 왔으며, 이들 연구는 주로 개별단층에 국한되어 있다. 최근에는 단층비지대가 단층분포 지반의 안정성 해석에 중 요한 요소임을 인식하여 이에 대한 기초적인 물성과 공학적 특성연구가 수행된 바 있다(Lee et al., 2007; Lee and Lee, 2009; Moon et al., 2014). 우 리나라에는 다양한 지질시대에 걸쳐서 수많은 단 층들이 형성되어 있으며, 결과적으로 단층과 관련 된 연약대가 널리 분포함에도 전국단위나 광역적 인 규모에 걸친 지질학적 연구는 여전히 미흡한 실 정이다.

    단층의 중심부에 형성되는 단층비지대에는 극미 세립질 점토로 구성되기 때문에 점토광물의 종류와 특성에 따라서 단층암의 물성에도 차이가 나타난다. 단층생성 당시에 가장 응력이 집중된 부분에서만 발달하는 단층비지는 극미립질이어서 구성물질의 특성파악이 쉽지 않는데, 점토광물에 대한 광물학적 연구와 생성환경 해석이 암반공학적으로도 중요하다. 왜냐하면 단층암 중에서 특정한 점토광물은 팽윤 성이 매우 커서 물이나 습기에 노출되면 팽창하게 되거나, 암반의 점착성이나 마찰특성에도 영향을 끼쳐 암반의 강도를 약화시킨다. 양산단층 내 점토 물질은 주변암에 비하여 전단강도가 상대적으로 낮다(Lee et al., 2007). 이는 결과적 단층대를 지 나는 터널이나 사면, 기초지반의 안정성에 변화를 야기한다.

    단층비지는 단층의 중심부에 분포하면서 연약대를 형성하므로 지반공학적인 측면에서 볼 때 매우 강 도가 약한 부분이다. 그러므로 이는 방사성폐기물 처분장, 댐, 교량, 해저 케이블, 원자력발전소, 터널, 지하공간개발, 해저터널 같은 대규모 시설의 부지 로는 약점이 많다. 또한 향후 지진이 발생할 경우에 단층비지대가 응력에 가장 취약한 부분이므로 이 곳을 중심으로 또 다시 심한 변형을 받게 된다. 따 라서 단층비지의 발달분포와 물성, 구성물질의 종 류와 특성 등에 대한 지반공학적 연구가 중요하다. 본 연구의 목적은 양산단층을 비롯해서 국내의 주요 단층을 대상으로 단층암의 광물학적 특성을 규명 하고, 암반공학적 물성을 검토하는데 있다.Fig .1

    단층암의 발달과 조사지점의 지질

    단층대의 구성

    일반적으로 단층대는 다중변형작용의 산물이며 단층대는 손상대와 단층핵으로 구성되며, 단층핵은 각력대와 비지대로 세분된다. 단층대의 중심을 향 해 부수단층과 단열이 발달하며, 단층의 전체 슬립 (slip)성 분쇄작용이 약한 지역은 손상대(damage zone), 원암의 구조가 거의 파쇄된 지역은 파쇄대 (cataclasitic zone), 육안상으로 반상쇄편을 관찰하 기 어려우며 점토질의 극미립질로 구성되며 단층 슬립의 최대 국지화 지역은 단층비지대(fault goue zone)가 형성된다(Caine et al., 1996). 이 중에서 파쇄대와 비지대를 단층핵(fault core)으로 간주한 다(Chester, et al,, 1993; Woodcock and Mort, 2008). 연장선이 길며 폭이 넓은 국내의 대표적인 양산단층과 동래단층의 경우 단층대는 내부적으로 대상구조를 가지며, 여러 개의 단층핵이 존재한다 (Chang and Choo, 1998, 1999).

    파쇄물질의 입자가 매우 감소하게 되면서 파쇄 물질의 양이 증가하면 단층슬립이 최대로 국지화된 지역, 즉 가장 단층응력이 강해진 곳에서는 단층비 지가 형성되며, 후속 단층작용이 발생하게 되면 단 층비지대는 미끄럼면으로 작용하여 연약대의 특성을 가지거나 파쇄유동을 보이게 된다(Chang and Choo, 1998).

    Chang et al. (2003)은 지질도로부터 추출해 낸 단층정보와 항공자력탐사, 음영기복도를 종합하여 종합광역단열도를 완성하였는데, 거의 단층에 기반 하여 보정한 것이다(Fig. 2). Chang (2003)은 단층 의 길이를 고려하여 주요 단층의 등급을 4개로 세 분한 바 있다. 한반도 서남부에서는 주요 단층의 발달분포가 미약한데, 이는 평야와 저지대가 광범 위하게 발달하므로 실제로 단층의 존재여부가 명 확하게 드러나지 않은 이유도 있다.

    본 연구에서는 단층의 발달분포에 근거한 이 단 열구조도를 참고하여 중, 대규모의 주요 단층을 선 정하였다. 양산단층, 입실단층, 범곡단층, 울산단층, 왕산단층, 충청도에 나타나는 십자가단층 등을 대 상으로, 총 16지역의 단층 코어부분에서 29개의 시료를 채취하였다. Fig. 2은 한반도의 주요 중· 대규모 단층대와 그 주변의 샘플채취 위치를 나타 낸 것이다. 대표적인 조사지점의 상세한 지질은 다 음과 같다(Table 1).

    대표 조사지점의 지질

    008 지점 단층노두

    단양시 별곡리에 위치하고 있으며, 단층면은 N48°W/60°NE의 방향성을 가지며 발달한다(Fig. 3a). 단층면 상에 발달하는 단층조선은 26/228의 방향성을 나타나고 있으며, 정단층의 구조를 보인 다. 단층면 주변에는 끌림습곡(drag fold)이 같이 동반되어 나타난다. 단층핵 부분은 검은색으로 나 타나며, 모암이 중생대 쥬라기에 속하는 대동계 반 송층의 탄질셰일(coaly shale)이기 때문에 모암의 영향을 받은 것으로 판단된다. 단층 핵의 폭은 약 30~70 cm로 나타나며, 일부 핵 내에 암맥이 관입 한 흔적을 관찰하였다.

    014 지점의 노두

    양산단층의 북쪽지역에 해당하며, 포항시 송라면에 위치한 보경사 군립공원 내에 위치하고 있다(Fig. 3b). 중생대 백악기의 안산암 및 안산암질 응회암 과 적색셰일의 경계지역으로 하천가에 노출되어 있는 노두이다. 이 지역은 양산단층이 발달하는 곳 으로서 단층코어의 폭이 약 1 m로 분포한다. 안산암 및 안산암질 응회암이 모암이며, 단층 비지대가 녹 색을 띠고 있다. 단층의 감각은 우수향의 역단층으로 관찰되며, 단층면은 N10°E/84°NW, 단층조선은 20/190 방향성을 가진다. 이 노두는 모암이 적색셰일 및 적색사암 등 중생대 백악기 퇴적암(낙동통 가송 동층)으로 이루어진 노두와 경계를 이루고 있다.

    023 지점의 노두

    울산시 삼남면에 위치하는 하천 노두에서 채취 하였으며, 이곳의 단층은 양산단층에 속한다(Fig. 3c). 모암은 중생대 백악기의 퇴적암으로 박리성이 뚜렷한 셰일과 사암이 교호하고 있다. 이 노두에 발달하는 단층은 좌수향의 정단층이며, 단층핵의 폭은 약 50 cm 정도로 발달한다. 단층면의 방향성은 층리와 아평행하게 N30°E/88°NW의 방향성을 가 지고 있다.

    027 지점의 노두

    경주시 외동읍에 위치하고 있으며, 입실단층에 해당한다(Fig. 3d). 모암은 백악기 불국사층군에 해 당하는 흑운모화강암이다. 단층점토는 연갈색, 녹 회색, 적갈색 등 여러 색으로 나타나고 있는 것으로 보아 다수의 단층작용과 열수변질작용이 있었던 것으로 판단된다. 단층은 우수향의 역단층이며, 단 층조선의 방향은 12/086으로 발달하고 있다. 현장 노두에서 단층비지대와 파쇄대는 혼재하여 분포하 며, 단층 점토의 폭이 약 30 cm로 발달하고 있다. 단층 비지대 내의 암편(cataclastic rock)이 불규칙 적으로 분포하며, 손상대와의 접촉면에서는 단층활 면(slickenside)이 N02°E/86°SE의 방향성을 가지고 발달하고 있다.

    031 지점의 노두

    경주시 장항리에 위치하며, 범곡단층에 해당하는 단층대이다(Fig. 3e). 모암은 신생대 제3기 장기통 범곡리층군에 속하며, 안산암 및 응회암으로 구성 되어 있다. 단층 감각은 우수향의 정단층으로 관찰 되며, 단층면이 N26°W/24°SW, 단층 조선이 24/258로 측정된다. 단층핵 부분은 약 10~25 cm의 폭으로 나타나며, 자색의 단층점토와 녹색의 단층점토가 혼재하여 존재하는 것으로 보아 다수의 단층작용 및 열수변질작용이 있었던 것으로 판단된다.

    039 지점의 노두

    경주시 범곡리에 위치하며, 상범단층에 해당한다 (Fig. 3f). 이곳은 신생대 제3기 장기통 범곡리층군 에 해당하는 안산암 및 응회암이 분포한다. 단층은 N86°E/46°SE의 방향성을 갖는 역단층으로 관찰되 며, 단층핵의 폭은 50 cm가량으로 나타난다. 단층 점토는 자색, 녹색 및 백색이 혼재하여 나타나며, 단층비지대 내의 단층각력이 다수 포함되어 있다.

    시료채취 및 실험방법

    시료채취 및 물성시험

    단층암의 강도특성은 각력, 기질 등 구성물질의 함유율, 모암의 종류, 점토의 팽창성 등 다양한 변 수에 의해 결정된다. 또한 동일한 단층대에서 채취 한 시료라 하더라도 동일한 구성물질 비를 가지는 시료는 존재하지 않으므로 암석이나 흙과 달리 강 도의 분산이 심하게 나타난다.

    단층대의 지반정수를 획득하기 위해서 단층코어 부는 블록 및 링샘플러를 이용하여 불교란 시료로 채취하였으며, 손상대의 경우 약간의 외력이 가해 지면 바로 부스러지기 때문에 시료의 성형이 어려워 비정형 시료로 채취하여 실내시험에 이용하였다.

    불교란 시료의 채취방법은 위험지반이 발달한 면을 일정한 크기 이상의 직육면체(블록) 또는 링 샘플러 등을 이용하여 채취하며(Fig. 4), 채취 후 실내 시험을 위한 성형시 박리 또는 부스러짐을 방 지하기 위한 작업을 수행하여야 한다. 크기는 블록의 경우 20 cm 정도의 크기로 채취하며, 현장상황에 따라 시료의 크기는 달라질 수 있다.

    블록 및 링샘플을 한 후, 시료의 교란 방지 및 자연상태로 보존하기 위하여 비닐랩 및 호일로 포 장하였다. 단위중량시험과 비중시험을 통해 얻은 값을 계산식에 대입하여 포화단위중량과 공극률을 산정하였다. 본 논문에서는 단층 비지대와 파쇄대 에서 채취한 불교란 시료를 이용하여 직접전단시 험 및 입도분석을 실시하였다. 단층암은 점토의 비 율이 높고, 원마도와 구형도가 매우 불량한 각력을 포함하고 있는 점 등 일반적인 토양과는 다른 특징 을 가지고 있다. 그렇지만 기본적으로 토양 표준시 험법을 따르면서, 단층대 시료 특성이 반영된 시험 결과를 얻기 위하여 전단시험 후 시료로 입도분포 분석을 진행하였다.

    X선 회절분석(XRD)에 의한 광물정량 계산

    본 연구에서는 51개의 단층암을 XRD 분석하였다. 단층암 구성광물의 종류와 상대적 함량비를 파악 하기 위해 X선 회절분석(XRD)을 시행하였다. 단층 비지대의 경우 대부분 단층점토로 구성되어 있고 매우 세립으로 파쇄된 암편이 일부 함유되어 있다. 야외에서 채취한 단층비지 시료를 그대로 상온에 서 건조시킨 다음 분말화 한 후 XRD분석을 시행 하였다. 이를 위하여 한국기초과학지원연구원 대구 센터의 Philips X’ Pert-PRO/MRD모델을 사용하여 5∼65°2θ 범위에서 부정방위법으로 40 kV/30 mA 에서 분석하였다. 측정된 회절패턴에 대해 Rietveld법 정량분석 프로그램인 Siroquant V3.0으로 단층암 구성광물의 정량계산을 실시하였다.

    주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)

    전계방출형 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, HITACHI model S-4200)으 로 건조시료의 형태와 미세조직을 관찰하고, 이에 부착된 에너지 분산 스펙트럼(energy dispersive spectrum, EDS)을 이용하여 화학분석을 실시하였다. 본 연구에서는 시료표면을 오스뮴(osmuim, Os; 원 자번호 76)으로 코팅하여 시편을 제작하였다. FESEM 관찰시의 가속전압과 전류는 각각 20 kV 및 10 ㎁ 조건이었으며, 주로 1,000~5,000 배율에서 관찰을 실시하였다.

    결과 및 토의

    단층암의 광물구성

    각 시료마다 다양한 종류의 광물이 포함되어 있 는데 점토광물의 경우 종류와 함량비는 시료에 따 라서 매우 다양하다. 대표적인 단층암의 XRD 회 절선은 Fig. 5 및 Fig. 6과 같다. 단층비지는 일라 이트, 녹니석, 스멕타이트, 카올리나이트, 버미큘라 이트, 석영, 장석류, 각섬석, 방해석, 돌로마이트, 오팔, 제올라이트 등으로 구성된다. 스멕타이트의 (001) 회절선을 비롯한 주요 회절선의 위치와 형태 에 근거하면 단층암에서 혼합층상구조 광물은 산 출되지 않는 것으로 판단된다. 스멕타이트는 (060) 결정면의 회절값으로 보아 이팔면체(dioctahedral) 구조로 나타나 몬모릴로나이트로 보인다. 카올리나 이트는 녹니석과 저각도에서 회절선이 중첩될 수 있겠지만, 14Å 부근에서 녹니석의 (001) 회절선이 확실하게 나타나는 경우에는 추가적인 실험없이도 두 광물의 구분이 어느 정도 가능하다. Fig. 7은 단 층암의 모암을 세 개로 구분한 후에, 암질별로 점 토광물의 함량을 나타낸 것이다. 여기에서 카올리 나이트와 녹니석의 함량을 합하여 나타내었다. 화 산암의 경우에는 일라이트 > 스멕타이트 > 카올리 나이트와 녹니석의 순으로 함유된다. 퇴적암의 경 우에는 카올리나이트와 녹니석 > 일라이트 > 스멕 타이트의 순으로 풍부하다. 화강암에서는 일라이트 > 스멕타이트 > 카올리나이트와 녹니석 순으로 함유 된다. 가장 풍부한 점토광물은 일라이트인데, 특히 화산암과 화강암에서 높다.

    대부분의 단층암 시료에서 점토광물의 함량이 높게 나타나는데, 동일한 단층(14와 15, 30과 31, 47~49)에서는 단층파쇄대에 비하여 단층핵에서 그 함량이 높다. 단층 손상대보다는 단층핵에서 점토 광물이 풍부한 것은 단층슬립이 집중되어 미세하 게 분쇄되고, 후속 변질작용동안 미립질에서 점토광 물이 생성되었기 때문이다. 이는 일반적인 현상으 로 볼 수 있겠지만, 지질현장에서 단층대의 핵 부 분에서 물성이 취약함을 예상할 수 있다.

    단층암의 미세구조와 점토광물의 화학조성

    단층점토는 시료에 따라서 다양한 미세조직과 점토광물의 특징을 보인다. 잔류암편은 일라이트질 기질 속에서 원형으로 마모되어 있거나, 비교적 등 립질의 10 μm 내외의 점토광물이 집합체를 형성한다 (Fig. 8).

    일라이트는 엽편상의 결정형이 특징이며, EDS 성분분석 결과에 의하면 K 외에도 Fe가 일부 함유 된다(Fig. 9). 이는 일라이트 기질에 비정질상태의 철이 일부 피복하거나 산점상으로 포함되었기 때 문으로 보인다.

    스멕타이트와 녹니석은 집합체로 발달하며 공극 이나 틈새에 주로 형성되어 있다. 스멕타이트는 입 자의 말단부 경계부가 명확하지 않고 여타 점토광 물에 비하여 입자가 작은 것이 특징이다(Fig. 10). 카올리나이트는 장석질 잔류암편 사이에서 잘 발 달하며 입자들은 집합체를 이룬다(Fig. 11). 그 외의 광물로는 제올라이트나 탄산염이 있는데 이들은 후기에 이차적으로 생성된 것들이다. 제올라이트는 자형으로 형성되어 있는데, 이는 공극이나 파쇄틈 새에서 이차적으로 생성되었기 때문이다. 이는 단 층후기단계에서 단층의 닫힘(sealing)과정에서 생 성된 것이다. 즉 단층에 의한 파쇄대가 압력이 감소 하게 되면 주변의 유체가 틈새를 채우는 과정에서 과포화되어 결정화된 것이다. 이로써 단층파쇄대의 공극은 이차광물의 충진작용으로 인하여 상당히 감소하게 된다. 제올라이트 입자를 피복(coating)하는 카올리나이트는 단층작용 최후기에서의 형성과정과 관련됨을 지시한다.

    알바이트 사장석은 카올리나이트와 스멕타이트로 이루어지는 점토기질에 잔류입자로 남아있는 경우도 있고, 마모작용을 많이 받았다.

    돌로마이트는 자형의 입자로 산출되지만 모서리나 가장자리가 마모되어 있다. 이들 입자는 파쇄되지 않았는데, 이는 단층으로 인한 파쇄화 작용을 거의 받지 않았으며 단층작용 최후기단계의 변질작용이나 지하수에 의하여 표면의 일부가 약간 용식되었기 때문이다.

    저배율에서는 특정한 방향으로 표면의 거칠기가 나타나거나, 방향성이 없는 이미지를 보이기도 한다. 방향성을 보이는 경우, 단층의 슬립(slip)에 의한 증거인데 비교적 마찰력이 작용하는 마찰 미끄러짐 (frictional sliding)에 의한 것이다. 이런 경우 치밀 하여 광택이 상당하며, 육안 상으로는 slickenslide로 나타나는 것이다. 이것은 단층암의 원래 표면에서 형성되거나, 단층비지나 파쇄암(cataclasite)의 박층 표면에서도 잘 형성된다(van der Pluijm and Marshak, 2004).

    일부 시료에서는 단층 발생시에 특정한 방향으로 변위가 일어나면서 형성된 단층 조선(striation)이 형성되어 있다(Fig. 9, Fig. 10). 이러한 단층조선에는 점토광물이 일정한 방향으로 배열되거나 방향성을 보인다. 특히 조선이 발달하는 경우에 기질을 구성 하는 점토광물은 일라이트와 스멕타이트이다. 이는 점토광물이 형성된 후에도 단층활동이 계속 발생 하였기 때문인데 점토광물이 발달한 면을 따라서 단층의 슬립이 효과적으로 일어남을 보여 준다.

    점토광물의 함량과 단위중량

    단층대의 경우 중심부인 비지대는 기질부분(matrix)이 풍부하며, 점토로 구성되어 있다. 본 조사대상 단 층암에서 점토광물은 대표적으로 카올리나이트, 일 라이트, 스멕타이트 등으로 나눠질 수 있는데, 점 토광물의 종류에 따라서 팽창률의 차이가 크게 나 타난다. 스멕타이트의 경우 버미큘라이트와 층간전 하가 약간 차이가 나며, 기본구조나 팽윤성 같은 물성이 비슷하기 때문에 단층암의 물리적 특성에 기여하는 정도가 비슷한 것으로 간주하 본 연구의 물성분석에서는 이를 하나로 묶어 분류하였다. 또한 이는 단층암이 여러 종류의 점토광물과 미세입자를 포함하는 복합체이므로 각각의 점토광물을 물리적 으로 분리하기도 어려울 뿐만 아니라, 실제 단층암 상태에서의 물성측정이 중요하기 때문에 팽창성이 높은 위 두 광물의 총량을 하나로 합산하였다. 이에 관한 함량계산 가중치는 Table 1에 표시되어 있다.

    팽창성 광물의 함량이 물성에 미치는 영향을 살펴 보기 위해 점토광물의 함량과 물성을 비교·분석 하였다(Table 2, 3, 4). 대부분의 단층물질 시료에 는 점토광물의 함량이 30% 이상 분포한다. 스멕타 이트가 평균적으로 많이 함유된 암종은 화강암기 원이며, 화산암기원의 단층물질에서는 일라이트가 비교적 많이 포함되어 있다. 모암이 퇴적암인 단층 물질의 경우 점토광물의 함량이 비교적 낮은데, 조 사된 모든 시료에서 카올리나이트가 관찰되었다.

    모암의 종류와 상관없이 비슷한 점토광물 함유 량을 가지고 있는 시료들 중에 스멕타이트의 함량 이 많은 경우 단위중량이 낮게 측정되었으며, 이는 스멕타이트가 일라이트와 카올리나이트에 비하여 팽창성이 높으므로 링 샘플러를 이용하여 같은 부 피의 시료를 채취했기 때문에 단위 부피당 중량이 낮아지면서 나타난 결과로 판단된다. 화강암을 모 암으로 하는 단층물질에서 스멕타이트의 함량이 높게 나타나는 경우가 많으며, 퇴적암을 모암으로 하는 단층에서는 대다수가 10% 이하이다. 내부마 찰각은 범위가 넓으며, 점착력은 수분함량이 높을 수록 감소한다.

    점토광물의 함량과 마찰각

    Fig. 12a는 점토광물의 함량과 마찰각의 상관 성을 나타낸 것이다. 일반적으로 점토광물의 함량이 증가할수록 전단강도가 낮아지므로 마찰각이 줄어 드는 경향을 보이는데, 본 시험결과에서도 유사한 경향을 나타낸다. 그러나 위의 결과로는 구체적으로 특정한 점토광물의 종류(일라이트, 카올리나이트, 스멕타이트)가 마찰각에 미치는 영향이 얼마인지 파악하기가 어렵다. 점토광물의 함량이 일정한 조 건에서 일라이트, 카올리나이트, 스멕타이트의 비 율을 변화시켜가며 시험을 진행하면 각각의 점토 광물이 마찰각과 어느 정도의 상관성이 있는지 판 단할 수 있으나, 단층물질의 특성상 전단시험시 불 교란 상태로 시험을 진행하기 때문에 위의 조건을 만족시킬 수 없었으며, 자연상태의 시료마다 점토 광물의 함량 차이가 크기 때문에 단순하게 이를 비 교하기에는 어려움이 따른다. 각 광물종에 따라서 세분하여 물성을 측정하게 된다면 더욱 마찰계수와 점착력간 상관성이 더욱 분명하게 구분될 수 있을 것으로 보인다.

    점토광물의 함량과 점착력

    Fig. 12b는 점토광물의 함량과 점착력의 상관 성을 나타낸 것이다. 일반적으로 점토광물의 함량이 증가하면 점착력이 증가할 것으로 예상되나, 45% 이하에서는 점토광물의 함량이 증가할수록 점착력이 높아지는 경향을 나타나며 점토광물의 함량이 약 45% 이상으로 높아질수록 점착력이 낮아지는 추 세를 보인다. 이는 점착력이 입자의 크기 및 위치 등 다른 요인에 의해 영향을 받기 때문에 분산이 크게 나타나는 것으로 판단된다. 이는 단층비지가 불균질하며, 점토광물의 종류와 함량에서도 넓은 범위를 가지기 때문인 것으로 보인다.

    이처럼 다소간의 경향성의 분산은 단층의 종류와 발달정도가 다양하며, 암질에 따라서도 점토광물 조성이 달라지므로 이에 따른 물성도 일관성 있는 특성을 보이기 어려운 것으로 보인다. 단층대 내에 서도 파쇄정도나 비지대의 발달폭, 광물조성에 따 라서 점착력도 달라지므로 동일한 단층대 내에서 파쇄구간별로 이 같은 특성을 각각 검토할 필요가 있다. 또한 각 점토광물의 함량을 물성변수와 가중 치별로 해석한다면 주요 광물별 물성변화를 보다 정확하게 추출할 수 있을 것으로 보인다.

    단층암에서 점토광물의 특성평가의 중요성

    점토광물의 구조는 소성, 팽창력, 수축력에 크게 영향을 미치는데 스멕타이트와 일라이트는 습도변 화에 매우 민감하여 강도변수에 영향을 준다. 카올 리나이트는 비교적 안정한 광물이며 낮은 점착력을 가지며, 몬모릴로나이트는 물에 매우 민감하며 높은 점착력을 가진다. 일라이트는 중간의 특성을 가진다. 흔히 점토광물의 함량이 증가할수록 마찰강도는 감소한다(Tembe et al., 2010). 전단강도는 카올리 나이트가 높으며, 일라이트, 몬모릴로나이트 순으 로 낮다(Olson, 1974). 또한 동일한 수분함량 조건 에서는 일라이트가 카올리나이트보다 약간 더 강 하다.

    국내의 단층대의 구성광물은 일라이트, 스멕타이트, 카올리나이트, 녹니석, 제올라이트, 탄산염, 장석류 등이 흔하다(Chang and Choo, 1998, 1999, Choo and Chang, 2000; Lee et al., 2007; Lee and Lee, 2009, Song et al., 2012). 본 연구에서도 점토광물 이나 수반광물의 종류는 기존의 연구결과와 흡사 하게 나타났다.

    점토광물을 많이 포함하는 단층비지는 지하에서 유체의 흐름의 정도와 패턴에 큰 영향을 주는데 대 체로 방벽의 역할을 한다(Faulkner and Rutter, 2001; Faulkner, 2004). 투수성은 단층의 외곽부에서 내 부로 갈수록 증가하나, 단층비지가 밀집된 단층핵 에서는 점토질의 불투수성으로 인하여 급감하게 된다(Chester and Logan, 1986). 그러므로 동일한 단층에서도 세부적인 단층파쇄정도나 모암에 따라 서 물리적 특성에 차이를 보일 수 있다. 실제 단층 현장에서는 단층의 연장선이 길면 다양한 모암을 통과하게 되며, 동일한 단층대 내에서도 파쇄구간 별로 물성의 차이를 보일 수 있어 이러한 점을 고 려할 필요가 있다. 국내 암반에서 흔한 단층암의 취약성을 파악하는 데에는 수분함량에 민감한 점 토광물의 형성환경과 특성연구가 중요하다. 특히 팽창성이 높은 광물의 경우 함량, 모암 내에서의 발달조직은 암반의 전체적인 물성에 크게 영향을 줄 수 있으므로, 이에 대한 검토가 필요하다.

    결 론

    단층비지는 일라이트, 녹니석, 스멕타이트, 카올 리나이트, 버미큘라이트, 석영, 장석류, 각섬석, 방 해석, 돌로마이트, 오팔, 제올라이트 등으로 구성된다. 점토광물이나 수반광물의 종류는 기존의 연구결과와 흡사하게 나타났다. 화산암의 경우에는 일라이트 > 스멕타이트 > 카올리나이트와 녹니석의 순으로 함유 된다. 퇴적암의 경우에는 카올리나이트와 녹니석 > 일라이트 > 스멕타이트의 순으로 풍부하다. 화강암 에서는 일라이트 > 스멕타이트 > 카올리나이트와 녹니석 순으로 함유된다. 가장 풍부한 점토광물은 일라이트인데, 특히 화산암과 화강암에서 높다. 마 찰각은 점토함량이 높을수록 감소하며, 점착력은 분산이 심하게 나타났다. 점토광물의 함량이 45% 이하에서는 점토광물의 함량이 증가할수록 점착력 이 높아지는 경향을 보이나 45% 이상에서는 점착 력이 낮아지는 추세를 보인다. 이는 점토광물의 함 량이 일정 이상인 경우 점착력에 미치는 영향보다 미끄러짐에 미치는 영향이 더 커지기 때문으로 판단 된다. 그러나 뚜렷한 상관성이 보이지 않으며, 대 략적인 경향만 보이는 것은 단층비지가 불균질하 며, 점토광물의 종류와 함량에서도 넓은 범위를 가 지기 때문인 것으로 판단된다. 국내 암반에서 흔한 단층암의 취약성을 파악하는 데에는 단층활동에 민감한 점토광물의 특성연구가 중요하다.

    Figure

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    A fracture map of southern Korea derived from faults and lineament structures (after Chang et al., 2003).

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    Sampling locations of the study area.

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    Outcrop photographs of the representative fault zones in the present study. (a) Danyang, (b) Yangsan fault, Pohang, (c) Yangsan fault, Ulsan, (d) Ipsil fault, Gyeongju, (e) Beomgok fault, Gyeongju, (f) Sangbeom fault, Gyeongju.

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    Sampling of undisturbed fault gouges using the ring sampler.

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    XRD diffraction profiles of smectite-rich gouges. Samples 13 (top) consists of abundant smectite and trace kaolinite. Sample 45 (middle) composed of abundant smectite with quartz and albite. Sample 50 (bottom) is composed of abundant smectite associated with clinoptilolite, quartz and lesser albite. Smectite: Sm, Il: illite, Cl: clinoptilolite, Qz: quartz, Al: albite.

    JMSK-28-109_F6.gif

    XRD diffraction profiles of illite-rich gouge and kaolinite-rich gouge. Samples 4 (upper) consists of illite, kaolinite, quartz and calcite while samples 19 (below) consists of kaolinite, quartz and dolomite. Il: illite, Ka: kaolinite, Qz: quartz, Cc: calcite, Do: dolomite.

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    Average contents of clay minerals according to lithology.

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    SEM microphotographs of illite and residual grains. Samples 32: (a), (b), sample 37: (c), (d). Note rounded residual grains in (c).

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    SEM microphotographs of illite-rich fault gouges. (a) Fractured grains and matrix at low magnification, (b) Illite at high magnification, (c) and (d) EDS data, (e) Fault striation at low magnification, (f) Illite aggregates at high magnification. (g) and (h) EDS data. Sample 16: (a)~(d), sample 31: (e)~(h).

    JMSK-28-109_F10.gif

    SEM microphotographs of smectite-rich fault gouges. (a) Fractured grains and matrix at low magnification, (b) Smectite at high magnification, (c) and (d) EDS data, (e) Fault striation at low magnification, (f) Smectite aggregates at high magnification. (g) and (h) EDS data. Sample 13: (a)~(d), sample 43: (e)~(h).

    JMSK-28-109_F11.gif

    SEM microphotographs of kaolinte-rich fault gouges. (a) Fractured grains and matrix at low magnification, (b) Kaolinite aggregate at high magnification, (c) and (d) EDS data, (e) Clay matrix at low magnification, (f) Kaolinite coating dolomite, (g) and (h) EDS data. Sample 12: (a)~(d), sample 19: (e)~(h).

    JMSK-28-109_F12.gif

    Relationships friction angle(a) and cohesion(b) with clay content.

    Table

    Summary of the fault rock samples

    Unit weights and clay mineralogy of fault gouges in volcanic rocks

    *Smectite = smectite content + (0.8 × vermiculite)

    Unit weights and clay mineralogy of fault gouges in sedimentary rocks

    *Smectite = smectite content + (0.8 × vermiculite)

    Unit weights and clay mineralogy of fault gouges in granite (except 033)

    *Re = Red, Gr = Green
    **Smectite = smectite content + (0.8 × vermiculite)

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