서 론
2016년 경주 지진(Mw = 5.5)과 2017년 포항 지진(Mw = 5.4) 발생 이후, 2017년부터 20년간 5년 단위로 4단계에 걸쳐 국가 활성단층 지도를 완성하기 위한 중장기 연구 과제가 추진되고 있다(Kim et al., 2020). 활성단층 조사는 일반적으로 기존 문헌 검토, 영상 및 지형 분석, 야외 지질조사, 지구물리탐사, 트렌치 조사, 연대 측정, 고지진학적 해석의 순서로 진행된다. 이 중 고지진학적 조사를 수행하기 위해서는 트렌치 조사를 통해 제4기 지층이 단층에 의해 절단되었는지를 확인하는 과정이 필수적이며, 이에 따라 조사 대상지는 주로 제4기 지층으로 피복된 지역이 선정된다. 국내에서는 피복된 활성단층을 탐지하기 위한 방법으로 전기비저항탐사가 가장 활발히 활용되고 있으며, 이는 전기비저항 분포가 단층 파쇄대의 지질학적 특성을 효과적으로 반영하기 때문이다(Park, 2024).
지금까지 축적된 현장 사례와 연구 경험에 따르면, 2차원 전기비저항 분포에서 상대적으로 고비저항과 저비저항의 경계가 수직 방향으로 나타날 경우, 해당 경계부에 단층이 존재할 가능성이 높은 것으로 해석되어 왔다(Lee et al., 2017; Gwon et al., 2021; Cheon et al., 2023). 그러나 지층의 풍화나 변질에 의해 형성된 저비저항 이상대일 경우, 트렌치 조사를 통해 얻은 실제 지질 정보와의 해석 불일치가 발생하는 경우도 있다. 이러한 한계를 보완하기 위해, 전기비저항탐사를 실시할 때 유도분극탐사 자료를 동시에 획득하고, 지층의 전기비저항 분포와 충전율 분포를 종합적으로 분석함으로써 단층 파쇄대에 대한 해석의 신뢰도를 향상시키는 방법을 제안하고자 한다.
유도분극탐사 기술 개요
유도분극탐사(Induced Polarization, IP)는 지하에 인위적으로 전류를 인가한 후 이를 순간적으로 차단했을 때, 황화광물 또는 점토광물의 표면과 이를 둘러싼 공극 사이에 축적된 전하가 방전되며 발생하는 지연 전위(decay potential)를 측정하는 탐사 기법이다. 활성단층 조사에서 유도분극 효과를 기대할 수 있는 이유는, 단층면을 따라 발달하는 단층비지에 포함된 점토광물이 막 분극 효과(membrane polarization effect)를 유발하기 때문이다. 미세한 입자를 가진 점토광물의 표면은 일반적으로 음전하(–)를 띠며, 직류 전류가 인가될 경우 광물 표면 주변에는 양이온(+)이 흡착된다. 이후 전류를 차단하면 이러한 이온 분포의 재배열과 전하의 방전에 의해 시간 지연 전위가 발생하게 된다(Fig. 1).
Fig. 1
Schematic diagram of membrane polarization due to the presence of negatively charged clay minerals (modified Reynolds, 1997).
IP 탐사 수행 시, 전류전극은 일반적으로 스테인리스 전극을 사용하며, 전위전극은 전극 자체에서 발생할 수 있는 전기화학적 분극 현상을 최소화하도록 설계된 비분극 전극(non-polarizable electrode)을 사용하여, 지중 분극에 의해 발생한 순수한 전위만을 정밀하게 측정해야 한다. IP 탐사에서 널리 사용되는 비분극 전극은 구리봉(Cu)과 황산구리용액(CuSO4)으로 구성되며, Fig. 2와 같이 간단한 구조로 제작이 가능하여 상용화된 제품을 비교적 저렴한 가격에 구입할 수 있다.
현장에서 IP 탐사를 수행할 때에는 비분극 전극을 사용하는 것이 바람직하지만, 전극의 유지관리 및 교정이 까다롭고, 일반 전기비저항 탐사에 비해 측선 설치에 더 많은 시간이 소요되는 단점이 있다. 이러한 이유로, 탐사 대상지의 환경 조건과 탐사의 목적에 따라 스테인리스 전극을 사용하여 IP 탐사를 수행하는 사례도 존재한다(Gundogdu et al., 2022). 활성단층 조사에 스테인리스 전극을 사용할 경우, 전극과 지표면 접촉부에서 발생하는 전기화학적 분극 현상으로 인해 지하에서 발생한 실제 유도분극 신호와 인위적인 분극 신호가 혼합될 수 있다. 그러나 단층비지는 점토광물, 미세한 황화물, 수분 등이 풍부하여 강한 유도분극 반응을 유발하므로, 이러한 경우에는 스테인리스 전극에서 발생하는 인위적 분극 효과보다 지하에서 기인한 유도분극 신호가 상대적으로 지배적일 수 있다(Jeong et al., 2022). 따라서, 지층의 전기비저항 및 충전율 분포를 기반으로 단층면의 지질학적 특성을 해석하고자 할 경우, 현장 작업의 효율성을 고려하여 스테인리스 전극의 사용을 검토하는 것도 하나의 대안이 될 수 있다.
활성단층 지역 IP 탐사 사례
연구지역 지질 및 IP 탐사 개요
남부 양산단층에 위치한 미호리 지역에서는 트렌치 조사를 통해 활성단층의 존재가 확인되었다. 조사지역의 지질은 Fig. 3에 나타난 바와 같이 주로 백악기 퇴적암으로 구성되어 있으며, 후기 백악기에 형성된 화산암 또는 화성암이 관입하고, 그 위를 부정합으로 제4기 퇴적물이 피복하고 있다(Park et al., 2024). 전기비저항 및 IP 탐사를 위한 측선은 기존의 트렌치 조사 결과를 바탕으로, Fig. 3(d)에 붉은 점선으로 표시된 제4기 단층선을 횡단하도록 논 경작지에 설치하였다.
Fig. 3
(a) Tectonic framework of the eastern margin of the Eurasian plate, (b) Digital elevation model(DEM) showing major fault systems in southeastern Korea, (c) Regional geological map of southeastern Korea (modified from Kim et al., 2023). (d) Geological setting of the Miho site, indicating the trace of the Quaternary fault, the locations of electrical resistivity and induced polarization (IP) surveys, and the trench site (modified from Park, 2024).
탐사 측선의 길이는 27 m이며, 전극 간격은 1 m로 설정하였고, 쌍극자 배열을 적용하여 전기비저항 및 IP 탐사 자료를 동일 측선에서 획득하였다. IP 탐사에서 현장 작업 효율성과 분극 효과를 비교·검증하기 위해 스테인리스 전극과 비분극 전극을 각각 사용하여 두 종류의 탐사 자료를 취득하였다.
두 가지 탐사 방식을 적용하였다. 첫 번째 방식은 전류전극과 전위전극 모두 스테인리스 전극을 사용하는 방식이며, 두 번째 방식은 전류전극으로는 스테인리스 전극을, 전위전극으로는 비분극 전극을 사용하는 방식이다. 첫 번째 방식은 전극 설치가 간편하고 전기비저항 및 IP 탐사 자료를 동시에 획득할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 IP 탐사는 전류 차단 직후의 전위 변화를 시간 지연 전위로 측정해야 하므로, 동일한 측선 길이에서도 일반 전기비저항 탐사에 비해 최소 두 배 이상의 측정 시간이 소요되는 단점이 있다. 두 번째 방식은 Fig. 4(b)와 같이 총 28개의 스테인리스 및 비분극 전극을 설치하였으며, 스테인리스 전극 1번과 2번을 전류전극으로 사용하고, 비분극 전극 3번부터 13번까지(n = 10)를 전위전극으로 활용하여 자료를 획득하는 방식으로 진행하였다. 송신 전압과 전류는 논 경작지의 특성상 전극의 접지저항이 100 Ω 이하로 비교적 낮게 유지되어, 출력 전압과 송신 전류의 초기 설정 값은 각각 800 V 및 500 mA로 하였으며, 실제 송신 전류는 전극의 접지저항에 따라 483 mA ~ 554 mA의 범위로 인가되었으며, 172회 측정 자료의 송신 전류 평균은 518 mA이다.
IP 탐사 결과
현장에서 획득한 전기비저항 및 IP 탐사 자료는 한국지질자원연구원에서 개발한 DC_2DPro 소프트웨어(Kim, 2009)를 이용하여 역산 해석을 수행하였으며, 이를 통해 지층의 전기비저항 및 충전율 분포를 도출하였다. Fig. 5는 기존 트렌치 조사 결과에서 확인된 지층 단면을 기준으로, 전기비저항 분포와 충전율 분포를 비교한 것이다. Park(2024)의 조사에 따르면, 전기비저항 분포상 측선 거리 13 m를 경계로 하여 서북서 방향에는 63 Ω·m 이상의 고비저항대가 분포하며, 이는 화산암인 용결 응회암(dacitic welded tuff)에 해당한다. 반면, 동남동 방향에는 25 Ω·m 이하의 저비저항대가 나타나며, 이는 단층비지(fault gouge)와 백악기 퇴적암에서 유래된 각력암(breccia)으로 구성되어 있어, 이들 암석 경계가 곧 단층선의 위치를 지시하고 있음을 보여준다(Kim et al., 2023).
Fig. 5(b)~5(c)는 각각 스테인리스 전극과 비분극 전극을 사용하여 획득한 충전율 분포를 나타낸 것이다. 두 경우 모두, 트렌치 조사에서 단층비지가 확인된 측선 거리 13~20 m 구간에서 상대적으로 높은 충전율이 나타나고 있으며, 이를 통해 스테인리스 전극을 사용하더라도 점토질 단층비지에 의한 멤브레인 분극 효과를 탐지할 수 있음을 확인할 수 있다. 한편, 상대적으로 충전율이 높게 나타나는 영역은 스테인리스 전극보다 비분극 전극을 사용한 경우에 더 넓게 분포하고 있는데, 이는 단층대 주변의 지중 분극 현상으로부터 발생한 전위를 측정하는데 있어 비분극 전극이 더 높은 신호-잡음비(S/N비)를 제공함을 시사한다.
Fig. 5
(a) Stratigraphic cross-section based on trench investigation and corresponding electrical resistivity distribution (Park, 2024), (b) Chargeability distribution obtained using stainless steel electrodes, (c) Chargeability distribution obtained using non-polarizable electrodes.
토의 및 결론
피복된 활성단층을 조사하는 과정에서 전기비저항 탐사만으로는 풍화 및 변질대와 단층 파쇄대를 명확히 구분하기 어려운 한계가 존재한다. 이러한 한계를 보완하기 위해 유도분극(IP) 탐사를 병행하면, 측정 자료 획득에 더 많은 시간이 소요되는 단점이 있으나, 단층비지와 같이 충전율이 높은 영역에서 발생하는 유도분극 반응을 탐지할 수 있어 단층 파쇄대 해석의 신뢰도를 높일 수 있다. 일반적으로 IP 탐사에는 비분극 전극을 사용하는 것이 바람직하지만, 단층비지가 충분히 발달한 지역에서는 스테인리스 전극을 사용하더라도 충전율 분포를 통해 단층 파쇄대의 특성을 효과적으로 해석할 수 있을 것으로 판단된다. 다만, 스테인리스 전극은 금속 전극으로서 지표면과의 접촉부에서 전기화학적 분극이 발생할 수 있으며, 이로 인해 실제 지하에서 발생한 유도분극 신호가 인위적인 분극 신호와 혼합되거나 왜곡되어 충전율이 과소평가될 수 있다는 점을 해석 시 고려해야 한다. 또한 IP 탐사에서는 분극 현상에 의해 발생하는 지연 전위(decay potential)를 충분히 확보하기 위해 최소 500 mA 이상의 송신 전류가 요구되기 때문에 설치된 전극의 접지 저항이 1 kΩ이하가 되도록 접지저항 관리가 필요하다.
이 연구에서 이미 트렌치 조사가 수행된 남부 양산단층의 미호리 활성단층 지역을 대상으로 전기비저항 및 IP 탐사를 실시하고, 전위 전극으로 스테인리스 전극과 비분극 전극을 각각 사용하여 획득한 충전율 분포를 비교하였다. 그 결과, 트렌치 조사에서 단층비지로 확인된 측선 거리 약 13~20 m 구간에서 두 방식 모두 고충전율 반응을 나타내었으며, 스테인리스 전극을 사용한 경우에도 단층비지의 분극 효과가 강할 경우 유의미한 해석이 가능하고 현장 작업 효율성 또한 확보할 수 있음을 확인하였다. 따라서 향후 활성단층 조사에서 IP 탐사 기법을 전기비저항 탐사와 병행하여 적용할 경우 단층 파쇄대 해석의 신뢰도를 높이는 효과적인 수단이 될 수 있으며, 특히 충전율 분포를 기반으로 한 단층 위치 해석은 트렌치 조사와 연계할 때 매우 유용한 보조 자료로 활용될 수 있다.
