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충상단층

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목차

1. 개요

충상단층은 층리면에 평행한 '플랫'과 층리면을 가로지르는 '램프'로 구성된 지질 구조로, 주로 조산 운동이 활발한 지역에서 비대칭 습곡과 함께 나타난다. 오래된 암석이 젊은 암석 위로 밀려 올라가는 형태로, 스러스트 판, 듀플렉스, 인편상 구조 등의 특징을 보이며, 맹충상단층, 역단층, 램프-플랫 구조, 단층 굴곡 습곡, 단층 전파 습곡, 이중층 등의 다양한 형태로 나타난다. 한국, 일본, 스위스 등지에서 발견되며, 횡압력을 받는 환경에서 형성된다. 충상단층 연구는 19세기 후반 알프스와 스코틀랜드 등에서 이루어졌다.

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  • 구조지질학 - 단층
    단층은 지각 변동으로 암석이 끊어져 어긋난 구조로, 전단력에 의해 형성되며, 지진 발생의 주요 원인이 되고 다양한 자연재해와 사회적 문제를 유발하며, ESR, OSL 연대측정법 등으로 연구된다.
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  • 단층 - 양산 단층
    양산 단층은 한반도 동남부 경상 분지를 가로지르는 북북동-남남서 방향의 주향 이동 단층으로, 여러 단층들의 집합체인 양산 단층대에 속하며, 과거 활동 이력과 최근 지진 발생으로 활성단층으로 주목받고 있다.
충상단층
개요
유형역단층
설명단층면의 경사가 45도 이하인 역단층
특징
발생 위치습곡산맥
조산대
응력 유형압축
관련 구조배사 (지질학)
향사 (지질학)
단층
습곡

2. 기하학적 구조

스러스트 단층(충상단층)은 횡압력이 작용하는 조산 운동 활발한 지역에서 비대칭 습곡과 함께 나타난다. 스러스트 단층은 오래된 암석을 더 젊은 암석 위로 밀어 올리는데, 이때 이동된 상반의 오래된 암석들을 스러스트 판(Thrust Sheet)이라 한다. 스러스트 판이 상부와 하부 모두 단층으로 둘러싸인 것을 포로암(Horse)이라 하며, 포로암이 모여 있는 경우를 듀플렉스(Duplex)라 한다. 듀플렉스는 바닥 스러스트와 지붕 스러스트 및 그 사이의 인편상 스러스트(Imbricate thrust)들에 의해 사방이 둘러싸인 포로암들로 구성된다. 또한 스러스트 판들이 지붕의 기와장이 쌓여 있는 것과 같은 형태를 인편상 구조(Imbricate structure)라 한다.[14]

보이어와 엘리엇(1982)은 스러스트 시스템을 인편팬(Imbricate Fan)과 듀플렉스로 구분하고, 단층면의 경사와 판의 이동거리 등에 따라 듀플렉스를 후방 경사, 배사형, 전방 경사 듀플렉스로 구분하였다. 인편팬은 여러 단층들이 바닥 스러스트로부터 갈라져 나와 단층 끝부분(tip)을 형성하여 지붕 스러스트가 없지만, 듀플렉스는 상부에 지층에 평행한 지붕 스러스트가 존재한다. 또 인편팬은 하부에 후부 분절선만 가지지만 듀플렉스는 지붕 스러스트가 존재하기 때문에 전부 분절선(leading branch line)을 형성한다.[15]

충상단층의 활동(이동) 모습을 보여주는 단면도.


단층각 45도 이상의 고각 역단층에 비해 변위량이 크고, 표층에 대한 큰 수렴력을 효율적으로 소화할 수 있는 활동적인 구조이며, 활발한 수렴형 경계에 많이 나타난다. 이 수렴형 경계의 충상단층을 메가스러스트(Megathrust)라 하고, 이 활동으로 발생하는 지진을 Megathrust earthquake|메가스러스트 지진영어이라고 한다. 또한 지표에 지진 단층을 나타내지 않는 충상단층을 블라인드 스러스트(Blind thrust), 스러스트 단층 상반측에서 형성되는 역으로 기울어지는 분기 단층을 백스러스트(Back thrust)라고 한다. 활발한 충상단층에서는 누적 변위량이 수십 km에 이르는 매우 큰 것도 드물지 않다. 그 활동은 광범위하게 걸쳐 융기를 가져오므로, 조산 운동에 크게 기여하고 있다.

2. 1. 램프-플랫 구조

역단층, 특히 얇은 지각 변형 양식에 관여하는 역단층은 "램프-플랫(ramp-flat)" 기하학적 구조를 가진다. 역단층은 주로 셰일이나 할라이트 층과 같이 퇴적층 서열 내의 약한 지대를 따라 전파된다. 역단층의 이러한 부분을 "이탈면"이라고 한다. 이탈면의 효과가 감소하면 역단층은 다른 효과적인 이탈면에 도달하여 층리면에 평행한 평면으로 계속될 때까지 단면을 더 높은 지층 수준까지 절단하는 경향이 있다. 두 개의 평면을 연결하는 역단층 부분을 "램프"라고 하며, 일반적으로 층리면에 대해 약 15°–30°의 각도로 형성된다. 램프를 따라 역단층의 지속적인 변위는 "램프 향사" 또는 더 일반적으로 "단층 굴곡 습곡"으로 알려진 특징적인 습곡 기하학적 구조를 생성한다.

단층 전파 습곡의 진화 다이어그램


램프 풋월(footwall)의 점진적인 파괴에 의한 역단층 복합체(thrust duplex)의 발달


알래스카 브룩스 산맥 구릉지대에서 시추를 통해 증명된 역단층 엇겹침(imbricates)의 반형태(antiformal) 스택

2. 2. 단층 굴곡 습곡

역단층, 특히 얇은 지각 변형 양식에 관여하는 역단층은 "램프-플랫(ramp-flat)" 기하학적 구조를 가지고 있다. 역단층은 주로 퇴적층 서열 내의 약한 지대, 예를 들어 셰일이나 할라이트 층을 따라 전파된다. 역단층의 이러한 부분을 "이탈면"이라고 한다. 이탈면의 효과가 감소하면 역단층은 다른 효과적인 이탈면에 도달하여 층리면에 평행한 평면으로 계속될 때까지 단면을 더 높은 지층 수준까지 절단하는 경향이 있다. 두 개의 평면을 연결하는 역단층 부분을 "램프"라고 하며, 일반적으로 층리면에 대해 약 15°–30°의 각도로 형성된다. 램프를 따라 역단층의 지속적인 변위는 "램프 향사" 또는 더 일반적으로 "단층 굴곡 습곡"으로 알려진 특징적인 습곡 기하학적 구조를 생성한다.

2. 3. 단층 전파 습곡

단층 전파 습곡은 단층면을 따라 전파가 멈추었지만 단층 끝 뒤쪽의 역단층 운동은 계속되는 역단층의 끝 부분에서 형성된다. 비대칭적인 향사-배사 습곡쌍의 형성은 지속적인 변위를 수용한다.[1] 변위가 계속됨에 따라 역단층 끝은 배사축을 따라 전파하기 시작한다.[1] 이러한 구조는 ''단층 끝선 습곡''으로도 알려져 있다.[1] 결국 전파하는 역단층 끝은 다른 효과적인 단층면에 도달할 수 있으며, 단층 굴곡 및 단층 전파 습곡의 특징을 가진 복합 습곡 구조가 발달할 것이다.[1]

2. 4. 듀플렉스 구조

스러스트 단층(충상단층)에서 포로암(捕虜巖, Horse)은 스러스트 판 상부와 하부 모두가 단층에 의해 둘러싸여 있는 것이며, 이 포로암이 모여 있는 경우를 '''듀플렉스'''(Duplex)라 한다. 듀플렉스는 바닥 스러스트(Floor thrust)와 지붕 스러스트(Roof Thrust) 및 이들 사이의 인편상 스러스트(Imbricate thrust)들에 의해 사방이 둘러싸인 포로암들로 구성된다.[14]

보이어와 엘리엇(1982)은 스러스트 시스템을 인편팬(鱗片―, Imbricate Fan)과 듀플렉스(Duplex)로 구분하고, 스러스트 단층면의 경사와 판의 이동거리 등에 따라서 듀플렉스를 후방 경사 듀플렉스(Hinterland Dipping Duplex), 배사형 듀플렉스(Antiformal Stack), 전방 경사 듀플렉스(Foreland Dipping Duplex)로 구분하였다. 인편팬은 여러 조의 스러스트 단층들이 바닥 스러스트로부터 갈라져 나와 단층 팁(tip; 끝부분)선을 형성하여 지붕 스러스트가 없지만, 듀플렉스는 상부에 지층에 평행한 지붕 스러스트가 존재한다. 또 인편팬은 하부에 후부 분절선만을 가지지만 듀플렉스는 인편팬과 달리 지붕 스러스트가 존재하기 때문에 전부 분절선(前部分節線, leading branch line)을 형성한다.[15]

듀플렉스는 퇴적층서 내에서 두 개의 데콜레망(decollement)(이탈면)이 서로 가까이 위치할 때 발생한다. 예를 들어, 상대적으로 약한 두 개의 이암층 사이에 끼인 상대적으로 강한 사암층의 상부와 하부를 들 수 있다. '바닥 단층'(floor thrust)으로 알려진 하부 이탈면을 따라 전파된 역단층이 '지붕 단층'(roof thrust)으로 알려진 상부 이탈면까지 도달하면, 더 강한 층 내에 램프(ramp)가 형성된다. 단층의 변위가 계속됨에 따라, 단층의 굴곡으로 인해 램프의 하반부(footwall)에 더 높은 응력이 발생한다. 이는 바닥 단층이 다시 전파되어 지붕 단층에 합류할 때까지 지속될 수 있다. 그 후, 새로 생성된 램프를 통해 추가적인 변위가 발생한다. 이 과정은 여러 번 반복되어, 각각 작은 변위의 단층 굴곡 습곡(fault-bend fold)의 형태를 갖는 '임브리케이트'(imbricates) 또는 말(horses)로 알려진 일련의 단층 경계 역단층 조각(thrust slices)을 형성한다. 최종 결과는 일반적으로 마름모꼴의 이중층이다.

대부분의 듀플렉스는 말(horses) 사이의 경계 단층에서 작은 변위만을 가지며, 이는 전방지(foreland)에서 멀어지는 방향으로 경사져 있다. 때때로 개별 말의 변위가 더 커서 각 말이 거의 수직으로 다른 말 위에 위치하는 경우가 있는데, 이를 '역전형 스택'(antiformal stack) 또는 '''임브리케이트 스택'''(imbricate stack)이라고 한다. 개별 변위가 더 크면 말은 전방지(foreland) 방향으로 경사져 있다.

듀플렉스 형성은 습곡과 변형보다는 단면의 두께를 증가시킴으로써 지각의 단축을 수용하는 매우 효율적인 메커니즘이다.[5]

2. 5. 인편상 구조

충상단층들이 지붕의 기와장이 쌓여 있는 것과 같은 형태를 '인편상 구조'(Imbricate structure)라고 한다.[14]

3. 내프와 클리페

횡압력이 매우 크면 지반이 수평에 가까운 낮은 각도로 이동할 수 있다. '''내프'''(Nappe영어)는 스러스트 단층이 발달한 지역에서 원래 위치보다 10 km 이상 이동한 지괴로서 이동 후 원래의 지층과 단절되어 독립적으로 분포한다. '''클리페'''(klippede)는 내프 구조에서 스러스트의 상반이 하반으로 둘러싸여 나타나는 고립된 지형이다. 클리페는 스러스트 주변부에서 침식작용이 하반의 심도까지 도달하여 발달하게 되며, 지질도 상에서 상반의 암체가 하반의 암체로 둘러싸여 있는 형태로 나타난다. 즉 층서적으로 더 오래된 암석이 스러스트 단층을 경계로 더 젊은 암석의 상위에 구조적으로 완전히 고립된 것이다.[16]

4. 맹충상단층 (Blind thrust fault)

단층면이 지표면에 도달하기 전에 끝나는 경우, 이를 ''맹충상단층''(blind thrust fault)이라고 한다. 지표면에 증거가 없기 때문에, 맹충상단층은 파열이 발생하기 전까지는 감지하기 어렵다. 파괴적인 1994년 노스리지 지진은 이전에 발견되지 않았던 맹충상단층에 의해 발생했다.

경사가 낮기 때문에, 역단층은 지질도 작성에서도 인식하기 어렵다. 암석 단면의 변위는 일반적으로 미묘하고, 특히 평야 지역에서는 지층의 반복을 감지하기 어렵기 때문이다.

5. 역단층 (Reverse faults)

역단층은 45도 이하의 경사를 가진 일종의 역단층이다.[1][2]

단층면의 각도가 더 낮고(수평면에서 종종 15도 미만[3]), 상반의 이동 거리가 크다면(종종 킬로미터 단위[4]), 이 단층을 '추력단층' 또는 '추진단층'이라고 한다. 침식 작용으로 상반의 일부가 제거되어 하반이 상대적으로 작은 영역에서 노출될 때 '펜스터'(또는 '창')가 생성된다. 침식 작용으로 상반의 대부분이 제거되어 하반 위에 섬처럼 남은 잔류 부분을 '클리펜'(단수형 '클리페')이라고 한다.

6. 주요 충상단층

한국과 일본, 스위스의 주요 충상단층은 다음과 같다.


도베 충상단층

  • '''고베 마루야마 충상단층'''(神戸丸山衝上断層|고베마루야마쇼조단소일본어): 일본 효고현 고베시 나가타구에 있는 충상단층으로, 1937년 일본의 천연기념물로 지정되었다.

고베 마루야마 충상단층

  • '''요코야마니레하라 충상단층'''(よこやまにれはらしょうじょうだんそう|요코야마니레하라쇼조단소일본어): 일본 도야마현 도야마시, 기후현 히다시에 있는 충상단층으로, 1941년 일본의 천연기념물로 지정되었다.
  • '''스위스 동부의 대규모 충상단층''': 누적 변위량이 100km를 넘으며, 관찰이 용이하여 충상단층 연구에 중요한 역할을 하였다. 유네스코 세계유산에 등재된 살도나(Sardona)의 일부이다.

6. 1. 한국의 충상단층

강원도 영월군에는 '''영월 스러스트 시스템''' 또는 '''영월인편상구조대'''라 불리는 일련의 스러스트 단층들의 집합체가 발달한다. 이 지질 구조에는 평창, 마차리, 각동, 공수원 스러스트 단층 등 일련의 스러스트 단층들이 모여 있으며 이 단층들에 의해 조선 누층군 영월층군이 여러 차례 반복되어 나타난다.

경기도에서 북한강을 따라 발달하는 '''경강 단층'''은 가평군 일부 지역에서 스러스트 단층의 특성을 보인다. '''각동 스러스트 단층'''은 조선 누층군 태백층군 및 영월층군과 영월군 및 단양군의 지질을 규제하는 중요한 지질 구조이다.

정선군에는 옥갑산 스러스트 단층, 가사리 스러스트 단층 등 많은 충상단층들이 발달하며 특히 북평면 남평리 지역에서는 오음봉, 남평, 배골, 샘골, 백운동 6개의 스러스트 단층들이 인편상 구조를 형성하고 있다.[17]

6. 2. 일본의 충상단층



'''도베 충상단층'''(砥部衝上断層|도베쇼조단소일본어)은 에히메현 도베정에서 볼 수 있는 중앙구조선(中央構造線|주오코조센일본어)의 노두이다. 오래된 지층이 새로운 지층 위에 겹쳐진 역단층이 도베가와砥部川|도베가와일본어의 흐름에 의해 깎여 나가면서, 강에 거의 직각으로 가로지르는 형태로 노두가 드러나 있다. 강바닥에는 단차가 생겨 작은 폭포와 같은 모습을 하고 있다. 단층은 1,200만 년~1,400만 년 전의 지각변동에 의해 형성된 것으로 추정된다. 이 단층은 후기 백악기(白亜紀|하쿠아키일본어)의 이즈미층군(和泉層群|이즈미소군일본어)이 중기 신생대 제3기 이오세의 역암으로 이루어진 메이진층(明神層|메이진소일본어) 상부에 덮여 있는 것이다. 1921년에 규슈대학(九州大学|규슈다이가쿠일본어)(당시)의 가와무라 모키오(河村幹雄|가와무라 미키오일본어) 박사에 의해 발견되어 1938년에 국가 천연기념물로 지정되었다.[11]

2007년, 일본의 지질 100선에 선정되었다.

  • 충상단층공원(衝上断層公園|쇼조단소코엔일본어) - 국도 379호선에 접해 있으며, 주변은 주차장을 갖춘 공원으로 정비되어 있다.


'''고베 마루야마 충상단층'''(神戸丸山衝上断層|고베마루야마쇼조단소일본어)은 효고현 고베시 나가타구 메이센지마치에 있는 충상단층이다. 1937년에 일본국의 천연기념물로 지정되었다.

'''요코야마니레하라 충상단층'''(よこやまにれはらしょうじょうだんそう|요코야마니레하라쇼조단소일본어)은 도야마현 도야마시, 기후현 히다시에 있는 충상단층이다. 1941년에 국가의 천연기념물로 지정되었다.

6. 3. 스위스의 충상단층

스위스 동부에 있는 대규모의 충상단층이다. 누적 변위량은 100km를 넘으며, 관찰이 용이하여 최적의 연구 대상이 되었다. 현재의 충상단층 개념이 나오게 된 계기가 된 단층이다. 유네스코 세계유산에 등재된 스위스의 활발한 지각 변동 지역인 살도나(Sardona)의 일부이다.

7. 형성 환경

대규모의 역단층은 두 개의 대륙 지각판 충돌이나 섭입대 부가 작용과 같은 큰 압축력을 받은 조산대에서 발생한다.[6]

이러한 압축력은 히말라야 산맥, 알프스 산맥, 애팔래치아 산맥과 같은 산맥을 형성한다. 역단층은 조산대의 가장자리에 있는 전방 분지에서 발생하는데, 이곳에서는 지층 단면의 두께를 증가시키는 역할을 한다.[6]

섭입대의 해구 가장자리에 있는 부가체에서도 역단층과 복합단층이 발견된다. 여기서 해양 퇴적물은 섭입판에서 긁히고 축적되며, 부가체는 최대 200%까지 두꺼워진다. 이는 파괴된 암석 혼합물에서 역단층 위에 역단층을 쌓아 혼란스러운 습곡을 형성함으로써 이루어진다.[6]

8. 역사

알프스의 글라루스 충상단층을 연구한 아놀드 에셔 폰 데어 린트, 알베르트 하임, 마르셀 알렉상드르 베르트랑과; 스코틀랜드 고지의 모인 충상대 일부를 연구한 찰스 랩워스, 벤 피치, 존 혼과; 스칸디나비아 칼레도니드를 연구한 알프레드 엘리스 퇴르네봄과; 캐나다 로키 산맥을 연구한 R. G. 맥코넬의 연구가 있기 전까지는 충상단층이 인지되지 않았다.[7][8] 1880년대에 이들 지역의 지질학자들은 더 오래된 지층이 단층 작용을 통해 더 젊은 지층 위에 위치할 수 있다는 사실을 거의 동시에 독립적으로 깨달았다. 아치볼드 가이키는 1884년 이 특수한 단층 집합을 설명하기 위해 "충상면"(thrust-plane)이라는 용어를 만들었다. 그는 다음과 같이 썼다.

역단층계에 의해, 지층군은 광범위한 지역을 덮고 실제로 동일 계열의 더 높은 부분 위에 놓이게 된다. 그러나 가장 특별한 변위는 우리가 구분하기 위해 충상면이라고 명명한 것이다. 그것들은 엄격하게 역단층이지만, 경사가 매우 완만하여 그들의 상반(upthrown side)에 있는 암석들은 마치 수평으로 앞으로 밀려나간 것처럼 보인다.[9][10]

참조

[1] 웹사이트 dip slip https://earthquake.u[...] United States Geological Survey 2017-12-05
[2] 웹사이트 How are reverse faults different than thrust faults? In what way are they similar? http://scienceline.u[...] University of California, Santa Barbara 2012-02-13
[3] 논문 High Angle Dips at Erosional Edge of Overthrust Faults http://archives.data[...]
[4] 서적 Glossary of Geology American Geological Institute
[5] 논문 Structural Plays in Ellesmerian Sequence and Correlative Strata of the National Petroleum Reserve, Alaska https://pubs.usgs.go[...] 2022-07-05
[6] 논문 Effects of initial rift inversion over fold-and-thrust development in a cratonic far-foreland setting 2019-04-00
[7] 서적 The Geological Structure of the North-west Highlands of Scotland https://archive.org/[...] His Majesty's Stationery Office
[8] 간행물 Report on the geological structure of a portion of the Rocky Mountains Geol. Surv. Canada Summ. Rept.
[9] 웹사이트 Thrust Tectonics http://www.see.leeds[...]
[10] 논문 The Crystalline Rocks of the Scottish Highlands 1884-11-13
[11] 서적 愛媛の地質 愛媛文化双書
[12] 웹인용 dip slip https://earthquake.u[...] USGS 2018-05-10
[13] 논문 Performance Review of the Global Seismographic Network for the Sumatra-Andaman Megathrust Earthquake https://pubs.geoscie[...] 2018-05-10
[14] 서적 지구과학개론 교학연구사
[15] 논문 Thrust Systems https://www.research[...] 1982-01-00
[16] 웹인용 옥천대 주천-평창 지역 지질구조의 기하학적 형태 및 키네마틱스 연구 http://www.riss.kr/s[...]
[17] 논문 Geological Structure of the Nampyeong Area, Jeongseon Coalfield (旌善炭田 南坪地域의 地質構造) https://www.dbpia.co[...] 1981-06-00


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