ESR 연대측정법

3. 활성단층 연구에의 활용

일반적으로 제4기(250만 년 전~현재)에 활동한 단층을 '''활성단층'''(active fault)이라 한다. 지진은 제4기에 활동한 활성단층에서 발생한다고 알려져 있다.^[7] 활성단층의 위험도를 평가하기 위해서는 단층 운동의 평균 변위 속도, 단층이 마지막으로 운동한 시기 및 재발 주기 등을 분석해야 한다.^[1] 이 중 단층이 언제 마지막으로 활동했는지 분석하기 위해 ESR 연대측정법을 활용하며 국내에서도 활성단층 연구에 ESR 연대측정법을 사용한다.

지표의 온도와 압력 조건에서는 단층비지 내 ESR 신호가 0이 되기 어렵기 때문에 ESR 연대측정을 실시할 때 약 10만 년보다 젊은 단층 운동을 분석하기 어렵다.^[1] 실제로 한국의 단층을 대상으로 ESR 연대측정을 실시한 결과가 10만 년(100 ka)보다 적게 나온 경우는 현재까지 없다.

4. ESR 연대측정 방법

ESR 연대측정 순서는 다음과 같다. 아래의 방법은 국내 여러 학자들이 단곡 단층, 금왕 단층이나 양산 단층과 같은 한국의 단층을 대상으로 ESR 연대측정을 실시할 때 실제로 사용한 방법이다.^[1][11][12]

# 단층비지 시료를 채취한다. 단층핵과 모암의 양쪽 경계부에 발달하는 단층비지띠에 발달된 전단면으로부터 약 1 cm 이내의 폭에서 적어도 2~3개의 단층비지 시료를 채취한다. 채취 후 가능한 한 빠른 시간 내에 약 100 g 정도를 이용하여 수분함량을 측정한다. 수분 증발을 막기 위해 시료를 비닐백에 담는다. 단층암 시료는 잘게 부순 후 잘 섞어 두 개의 시료를 준비한다. 한 개는 조사율 결정에, 다른 한 개는 상응 조사량 결정에 사용한다.

# 건조된 시료를 파우더로 제작한 후 감마핵종분석을 의뢰하여, 단층비지 시료에 함유된 우라늄, 토륨, 칼륨 함량을 측정하여 단위시간당 조사율(μGy/year)을 계산한다.

# 불순물을 제거하기 위해 묽은 염산(12M)과 묽은 질산(12M)의 혼합액을 이용하여 단층비지 시료 내에 포함된 유기물, 방해석을 포함한 탄산염광물 그리고 점토광물을 제거한 후, 산 성분이 제거될 때까지 희석시킨다. 녹이는 과정을 1주일 동안 2~3차례 반복한다.

# 습식 체분석(wet-sieving)과 건식 체분석(dry-sieving)을 통해 단층비지 시료를 25 μm 이하, 25~45 μm, 45~75 μm, 75~100 μm, 100~150 μm, 150~250 μm의 입자크기 별로 분류한다.

# Frantz 자력선별기를 이용하여 비자성광물인 석영과 장석을 분리하고 건조시킨다.

# 초음파세척기를 이용하여 석영 입자에 붙어있는 미세입자들을 제거한다.

# 각 입자크기 별로 100 mg씩 10개의 튜브를 준비한다. 따라서 한 개의 시료 당 총 50개의 튜브를 준비한다.

# (한국의 경우, 한국원자력연구원 첨단방사선연구소에 의뢰하여) 준비된 시료에 코발트-60 감마선을 선량별(100 Gy, 200 Gy, 400 Gy, 800 Gy, 1200 Gy, 1600 Gy, 2000 Gy, 2400 Gy, 3200 Gy, 6400 Gy)로 조사한다. 조사율은 0.11~0.33 mGy/s이다.

# 갑작스러운 감마선 조사에 의해 생성된 불안정한 E' 신호를 제거하기 위해, 시료를 170°C 에서 15분 동안 가열시킨다.

#* 토요다와 슈바르츠(1997)는 일부 시료에 불안정한 E' 신호가 생성되므로 ESR 연대측정 과정에 불안정한 E' 신호의 존재 유무를 확인해야 하며, 이러한 불안정한(counterfeit) E' 신호는 170°C에서 15분 동안 가열함으로써 제거할 수 있다고 하였다.^[13] 양주석(2005)은 한반도 남동부 지역의 활성단층 조사 당시 불안정한 E' 신호는 170℃에서 15분 동안 가열함으로써 제거할 수 있다고 보고하였다. OHC, Al 그리고 Ti 신호는 감마선 조사에 의해 불안정한 신호가 생성되지 않아 ESR 수치연대 측정에 영향을 미치지 않는다고 보고하였다.^[1]

# JES-TE 200 ESR 분광계 또는 X-band (8.5~10.4 GHz) ESR 분광계를 이용하여, E' 신호는 상온에서 측정하고, 스핀 완화 시간(spin relaxation time)이 짧은 Al 및 Ti 신호는 77 K의 저온에서 측정한다. ESR 분광계의 기계 설정은 다음과 같다:

#* 마이크로파 주파수(microwave frequency) : 9.443 GHz^[1] 또는 9.437 GHz^[1], 9.43 GHz (상온), 9.17 GHz (저온)^[1]

#* 마이크로파 세기(microwave power) : 100 uW (E' 신호), 2 mW (OHC, Al 및 Ti 신호)^[1]

#* 주사폭(scan width) : 5.0 mT^[1] (상온), 15.0 mT (저온)^[1], 2.5 mT^[1]

#* 주사시간(scan time) : 1.5 분^[1], 84초^[1], 60초^[1]

#* 변조 주파수(modulation frequency) : 100 KHz

#* 변조폭(modulation amplitude) : 0.1 mT^[1]

#* 시간상수(time constant) : 0.03초^[1][1][1] 또는 164밀리초^[1]

#* 저온에서 측정하는 Al 신호는 주사폭 20 mT^[1] 또는 5 mT^[1], 마이크로파 세기 2 mW, 주사시간 30초^[1]로 설정한다.

# 각 신호(E' 신호, Al 신호)마다 단층운동 이후에 증가한 등가선량($D\_E$)을 석영 입자 크기별로 계산한다.

#* ESR 신호의 세기 자체를 이용하여 ESR 연령을 결정하지 못하기 때문에 축적된 에너지의 형태(단위는 Gy)로 전환시켜야 한다. 상응조사량(equivalent dose, $D\_E$)은 부가조사법에 의해 결정하는데, 조사율(dose rate)은 모암과 단층암 시료 속의 우라늄, 토륨, 칼륨)의 양을 감마조사법을 이용해 결정한 후 조사율로 변환한다. 상응조사량을 결정하기 위해 컴퓨터 프로그램(VFIT)을 사용하는데 오차는 대체로 5~20%정도이다. 조사율의 오차는 단층 암석의 수분함량(5~10%), 단층암석 속 방사성원소의 농도(1~10%)등을 결정할 때 발생한다.^[1]

# 감마선 스펙트럼 분석 방법으로 단층암 속의 우라늄, 토륨, 칼륨의 함량을 결정한다. 우라늄, 토륨, 칼륨의 양을 구한 후 이 자료를 사용하여 다음 식을 사용하여 조사율을 결정한다.

#:$d\; =\; C\_U(KW\_\{\backslash alpha\}G\_\{U-\{\backslash alpha\}\}D\_\{\backslash alpha\}+W\_\{\backslash beta\}G\_\{U-\{\backslash beta\}\}D\_\{\backslash beta\}+W\_\{\backslash gamma\}D\_\{\backslash gamma\})+C\_\{Th\}(KW\_\{\backslash alpha\}G\_\{Th-\{\backslash alpha\}\}D\_\{\backslash alpha\}+W\_\{\backslash beta\}G\_\{Th-\{\backslash beta\}\}D\_\{\backslash beta\}+W\_\{\backslash gamma\}D\_\{\backslash gamma\})+C\_K(KW\_\{\backslash alpha\}G\_\{K-\{\backslash alpha\}\}D\_\{\backslash alpha\}+W\_\{\backslash gamma\}D\_\{\backslash gamma\})+\{G\_\{cos\}\}\{D\_\{cos\}\}$ ($C\_\{U,\; Th,\; K\}$ : 단층암 속의 방사성 원소의 농도, $K$ : $\{\backslash alpha\}$-효율, $W\_$ : $\{\backslash alpha\},\; \{\backslash beta\},\; \{\backslash gamma\}$에 대한 수분보정 인자, $G\_\{\{\backslash alpha\},\; \{\backslash beta\},\; \{\backslash gamma\},\; cos\}$ : $\{\backslash alpha\},\; \{\backslash beta\},\; \{\backslash gamma\}$와 우주선에 대한 감소인자, $G\_\{\backslash alpha\},\; \{\backslash beta\}$ : 단위 농도에 대한 조사율, $D\_\{cos\}$ : 우주선 조사욜)^[1]

# 석영 입자크기별로 계산한 등가선량을 조사율로 나누어 각각의 ESR 연대를 결정한다.

# 석영 입자크기 대 ESR 연대 그래프에서 연대 평탄역을 결정하여 단층비지 시료의 마지막 활동시기를 규명한다. 입자의 크기(x축)와 ESR 연령(y축)의 그래프에 도시된 평탄역 내의 ESR 연대들은 다음과 같은 방법으로 가중 평균치를 구하게 된다.

#:$Y\; =\; (Y\_1/S\_\{1\}^2)\; +\; Y\_2/S\_\{2\}^2)\; +\; ...)/(1/S\_\{1\}^2\; +\; 1/S\_\{2\}^2\; +\; ...)$

#* 그리고 가중 평균치의 오차는 다음 식에 의해 결정된다.

#:$S\; =\; \{1/(1/S\_\{1\}^2\; +\; 1/S\_\{2\}^2\; +\; )\}^\backslash frac\{1\}\{2\}$

#* 여기서 $Y\_\{1,\; 2,\; 3\}$는 각 입자 크기의 ESR 연대이고, $S\_\{1,\; 2,\; 3\}$는 각각 인용된 오차의 한계이다.

5. ESR 연대측정 시 고려 사항

단층비지의 ESR 연대는 단층비지의 마지막 활동 시기를 나타내지만, 여러 요인으로 인해 실제 단층 활동 시기와 차이가 날 수 있다. 단층비지띠와 단층손상대 사이에 발달한 단층면을 따라 마지막 단층 활동이 일어날 경우, 단층비지 내 ESR 신호가 완전히 0이 되지 않아 ESR 연대가 과대평가될 수 있다.^[1][14]

단층비지 내 석영 입자의 ESR 신호가 완전히 0이 되려면, 단층면에 작용하는 수직 응력이 약 3 MPa 이상이어야 하고, 약 0.3 m 이상의 변위량이 필요하다. 이러한 조건을 만족시키는 지진 규모는 약 6.5 이상이다. 또한, 단층 활동 시기에 충분한 수직응력을 받으려면 단층비지가 최소 수십 m 이상 깊이에 있어야 한다.^[1][14]

따라서 지표에서 채취한 단층비지의 ESR 연대는 단층비지가 수십 m 이상 깊이에 있을 때 단층이 재활동했던 시기를 나타낸다. 만약 융기한 이후에 재활동했다면, 단층면에 작용하는 수직응력이 충분하지 않아 ESR 신호가 감소하지 않으므로 ESR 연대는 단층의 마지막 활동 시기를 반영하지 못한다. 또한, 단층 운동으로 단층비지가 생성될 당시 충분한 수직 응력(3 MPa 이상)을 받지 못했다면, 석영 입자의 ESR 신호가 완전히 초기화되지 않아 실제 단층 운동 시기보다 과대평가된 연대 결과가 나올 수 있다.^[1][14]

단층 운동 시기를 정확하게 결정하려면 위 조건들을 만족해야 하며, 연구 지역 단층의 주향 및 경사각, 응력 상태(크기 및 방향), 융기율/침식률 등의 자료가 필요하다. 신영호 등(2013)은 수압파쇄법과 응력개방법에 의한 측정 자료를 종합하여 한반도의 응력 상태를 분석하고, 심도-응력 관계식을 제시했다. 현재 한반도에 작용하는 최대 수평응력 방향은 약 71°이며, 한반도 남동부 융기율은 약 0.08~0.25 mm/year이다.^[1][15]

예를 들어, 주향이 북동 30°, 경사각이 약 90°(수직)인 금왕 단층대의 경우, ESR 신호 세기가 0이 될 수 있는 깊이(수직 응력 약 3 MPa)는 지하 약 21 m로 계산되었다. 한반도 융기율을 고려하면 약 21 m 융기하는 데 걸리는 시간은 약 8~25만 년이며, 이는 단층비지 ESR 연대의 하한이 된다. 금왕 단층대와 유사한 주향 이동 단층(왕숙천 단층대, 양산 단층대)의 경우, 약 8~25만 년 전 이후에 재활동한 단층은 ESR 신호가 완전히 0이 되는 조건을 만족하지 못해 ESR 연대 결정이 어렵다. ESR 성장 곡선에서 ESR 신호 세기가 포화되는 방사성 에너지는 약 4,500 Gy이며, 단위 시간당 조사율을 고려하면 '''단층비지의 ESR 연대 상한선은 약 200만 년이 된다.'''^[1]

6. 한국의 주요 활성단층 연구 사례

ESR 연대측정법을 이용하면 단층이 언제 마지막으로 활동했는지 알아낼 수 있다. 한국에서도 활성단층 연구와 관련하여 전국 곳곳의 여러 단층들에서 ESR 연대측정이 실시되었다. 대표적인 예로, 이희권(1999)은 강원특별자치도 정선군에 위치한 단곡 단층에서 ESR 연대측정을 실시해 최저 213±7 ka의 값을 산출하여 단곡 단층이 약 21만 년 전에 마지막으로 활동한 단층이라는 사실을 밝혀냈다.^[1] 활성단층 보고서(2012)에서도 전국의 여러 단층들에서 ESR 연대측정이 실시되어 왕숙천 단층, 신갈 단층, 금왕 단층, 공주 단층, 십자가 단층, 의당 단층, 가음 단층 등 여러 단층이 신생대 제4기에 활동한 활성단층임이 입증되었다.^[1]

아래는 ESR 연대측정이 실시되어 단층의 마지막 활동 연대가 보고된 한국의 주요 단층 목록이다.

• 양산 단층
• 울산 단층
• 일광 단층
• 신갈 단층
• 왕숙천 단층
• 오십천 단층
• 단곡 단층
• 금왕 단층
• 공주 단층
• 의당 단층
• 십자가 단층
• 가음 단층
• 신녕 단층

참조

_[1] 저널 Dating of a Fault by Electron Spin Resonance on Intrafault Materials https://www.jstor.or[...] 1982
_[2] 저널 강원도 정선군 문곡지역 단곡 단층대의 전자자기공명 절대연령 측정 및 지질구조 연구 (ESR dating and structural analysis of the Dangok fault zone in the Mungok region, Jeongson-gun, Kangwon-do) https://www.dbpia.co[...] 1999-03
_[3] 저널 강원도 원주시 일대에 발달한 금왕단층의 제4기 활동형태 (Quaternary activity patterns of the Keumwang Fault in the Wonju-si area) https://www.dbpia.co[...] 2017-02
_[4] 저널 단층비지의 ESR 연대측정 - 리뷰 (ESR dating of fault gouge - review) https://www.dbpia.co[...] 2020-04
_[5] 웹인용 인제지역에 발달한 단층들의 제4기 단층 운동 패턴 (Pattern of Quaternary fault movements in Inje-gun area) https://scienceon.ki[...] 강원대학교, 대한민국 기상청 2018
_[6] 웹인용 [보고서] 활성단층의 연대측정 장법 연구 https://scienceon.ki[...] 강원대학교, 대한민국 기상청 2021
_[7] 저널 Understanding of active faults: A review for recent researches (최근의 연구에 대한 고찰) https://www.dbpia.co[...] 2011-12
_[8] 법원판례 서울행정법원 2016구합75142 [신고리 5, 6호기 원전건설허가처분 취소청구의 소] https://casenote.kr/[...]
_[9] 뉴스 지질학자 "신고리 5‧6호기 지진 단층 조사 잘못" 이희권 교수, 신고리 5‧6호기 허가취소 재판서 증언 "활동성 단층 조사하는데 부족" https://www.mediatod[...] 미디어오늘 2018-11-21
_[10] 뉴스 신고리 5·6호기 허가취소 소송, 대법원서 최종 패소했다 https://www.joongang[...] 중앙일보 2021-08-04
_[11] 웹인용 한반도 남동부 제 4기 단층 운동 (Quaternary fault activity in the southeastern part of the Korean peninsula) https://m.riss.kr/se[...] 강원대학교 대학원 2005
_[12] 웹인용 활성단층지도 및 지진위험지도 제작 (Active Fault Map and Seismic Harzard Map) http://www.ndmi.go.k[...] 한국지질자원연구원 2012-10
_[13] 저널 The hazard of the counterfeit E1' signal in quartz to the ESR dating of fault movements https://www.scienced[...] 1997
_[14] 웹인용 한반도 동남부 지역의 활성단층(제4기 단층)에 대한 루미네선스 연대측정 연구 (Luminescence Dating of Active (Quaternary) Faults in the Southeastern Part of Korean Peninsula) http://www.riss.kr/s[...] 2022
_[15] 저널 한반도지역의 현지응력장 분포 패턴 및 지질시대별 전이 추이 (Regional Distribution Pattern and Geo-historical Transition of In-situ Stress Fields in the Korean Peninsula) http://koreascience.[...] 2013