Review

Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers. October 2021. 491-502
https://doi.org/10.32390/ksmer.2021.58.5.491

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • DFDP 개요

  •   대상 단층 및 프로젝트 목표

  •   단계별 목표 및 수행 계획

  • 주요 연구 수행 내용(activities) 및 교훈(lessons learned)

  •   시추 중 지진 모니터링

  •   지질 모델 수립

  •   심부 시추공 굴착 및 코어 시료 회수

  •   시추공 지구물리검층

  •   DFDP-2B 시추공 완결

  • 주요 연구 성과

  •   알파인 단층대 지질구조 및 변형 특성 파악

  •   활성단층대에서 고온 지열수 환경 관찰

  • 맺음말

서 론

일반적으로 심부 단층에 대한 직접 관통 시추 및 모니터링을 목표로 하는 여러 과학시추 프로그램의 주요 연구 목적 중 하나는 과거 지질시대 동안 단층의 진화 과정(how faults evolve)을 파악하고, 이 단층이 어떻게 지진을 만들어 냈는지(how produce earthquakes)를 규명하는 것이다. 또한 활성단층에서 조사할 수 있는 일부 거동 특성(예를 들어, 온도, 압력, 지화학 상태 등)을 관찰하여 미래에 발생 가능한 지진을 예측하고 분석하기 위함에 있다.

국제 대륙 과학시추 프로그램(ICDP, International Continental Scientific Drilling Program)에서는 이러한 문제들에 접근하기 위하여 심부 단층을 타겟으로 하는 과학시추 프로젝트들에 대해, 적합한 연구 주제들을 발굴하고, 국제공동연구에 대한 기획 및 기술지원 등을 수행한다. 이 프로그램을 통해 수행된 과학시추 프로젝트들 중 하나인 Deep Fault Drilling Project – Alpine Fault, New Zealand(이하 ‘DFDP’)는 뉴질랜드 남섬 서부에 위치하는 알파인 단층(Alpine fault)에 대한 직접 관통을 목표로 하는 연구로 2008년 기획되었다.

본 프로젝트의 대상 단층은 아래와 같은 몇 가지 이유로 인해 흥미로운 연구 대상으로 인식되었다(Sutherland et al., 2007; Townend et al., 2009).

∙ 알파인 단층이 미끄러짐에 따라 주변부 암반의 수평 및 수직으로 이동이 발생하며, 이를 통해 과거 심부에 있던 암반이 지표로 비교적 빠른 연대로 노출된다.

∙ 대상 단층은 약 45°의 경사각을 가지므로 단층대 관통을 위한 특별한 방향 시추 기술(예를 들어 SAFOD 프로젝트)이 요구되지 않으며, 연직 시추공을 이용해 보다 용이하게 단층대의 시료를 채취할 수 있다.

∙ 알파인 단층은 가까운 시일 내 대규모 지진(~M8)을 발생시킬 수 있을 것으로 예측되므로, 지진 발생 이전에 단층의 상태를 관찰할 수 있는 드문 기회를 제공할 수 있다.

이후 ICDP 주관의 국제 공동 워크숍(2009) 및 연구 제안서 검토(2011) 등의 절차를 거쳐 DFDP의 주요 연구 주제를 확정하고, DFDP-Phase 1(2011) 및 DFDP-Phase 2 (2012-2015)의 단계를 통해 프로젝트가 수행되었다.

DFDP를 통해 알파인 단층에 대한 시추 코어 회수, 다양한 종목의 시추공 물리검층, 심부 지열수 채취 등의 활동이 수행되었으며, 알파인 단층 및 주변 암반의 지질 조건, 응력 상태, 지하수 유동 특성, 기반암의 높은 지온 경사 특징 등의 여러 가지 새롭거나 발전된 연구 결과들이 보고되었다.

최근 들어 국내에서도 동남권에 분포하는 단층대(또는 활성단층) 및 지진 발생 메커니즘에 대한 국민적 관심 증가와 함께 여러 연구들이 수행되고 있으며, 추후 일부 주요 단층을 대상으로 하는 단층 시추 프로젝트에 대한 필요성이 대두되고 있다. 이를 위해서는 먼저 외국 각지 주요 단층대에서 수행되었던 다양한 형태의 심부 시추 프로젝트들에 대해 기획 – 진행 및 연구 – 후행계획 등의 내용들을 미리 살펴보고 국내 실정에 적합한 프로그램을 도입 또는 개발할 필요가 있다. 이러한 활동의 일환으로 본 고에서는 DFDP에서 수행된 주요 연구 내용들과 교훈(lessons learned), 그리고 프로젝트로부터 얻어진 주요 연구 성과들을 소개하고자 한다.

DFDP 개요

대상 단층 및 프로젝트 목표

뉴질랜드 남부 호주판과 태평양판의 경계를 형성하는 알파인 단층은 뉴질랜드 남섬 서부에 위치한 우수향 역단층(dextral-reverse fault)으로, 과거 200-400년 주기로 대규모 지진(Mw ~7.9)을 발생시킨 것으로 알려져 있다. 아래 Fig. 1은 뉴질랜드 남섬의 북서부 지역을 가로지르는 알파인 단층의 대략적인 형태와 각 단계가 수행된 지역(Whataroa)의 위치를 보여준다. 고지진 기록들은 단층의 파열(rupture)이 1430 AD부터 1717 AD까지 내륙으로부터 멀어지며 발생하였다고 보고했으며, Sutherland et al. (2007)은 이를 근거하여 가까운 시일 내에 수백 km 거리에서 대규모의 지진이 발생할 가능성에 대하여 시사하였다.

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Fig. 1

Map of South Island, New Zealand showing principal features of the Australia-Pacific plate boundary and some key locations (modified from Sutherland et al., 2007).

지진 발생에 대한 가능성 외에도 프로젝트 기획 당시 해당 단층이 주요 연구 대상으로 인식된 이유로는 (1)판 경계의 활성 단층이 어떠한 기작으로 움직이는지 연구하기에 지리적으로 유리한 위치에 있으며, (2)단층 운동에 의한 비교적 빠른 호기율(exhumation rate)로 상대적으로 젊은 연대의 암석(~1 Ma)이 최대 30 km 깊이에서부터 빠르게 융기하여, (3)지표면에 노출된 암석이 과거 지질 시간 동안 겪은 지하 깊은 곳에서의 지각 변동, 지진 발생 및 광물 변성에 대한 기록을 비교적 잘 보존하고 있기 때문이다(Norris and Cooper, 2007; Sutherland et al., 2007; Toy et al., 2015).

2009년 ICDP 워크숍을 통해 도출된 DFDP의 세 가지 주요 연구 테마는 (1)조산계(orogenic system)의 진화, (2)취성-연성 전이대의 변형 메커니즘 및 상호 작용 규명 및 (3)지진의 발생(seismogenesis)과 지진의 근원지에 대한 연구이다. 이를 달성하기 위해 제안된 DFDP의 기술목표로는 (1)심부 암석, 유체 및 가스에 대한 샘플링, (2) 다양한 시추공 물리검층의 수행과 (3)장기 모니터링용 센서의 설치 등이 있다.

단계별 목표 및 수행 계획

DFDP에서 제안한 포괄적 연구 및 기술 목표는 어떠한 물리적 조건에 의해 활동성 대륙 단층대가 진화하며, 지진을 일으키는가에 대한 해답을 찾는 것이며, 이를 위해 얕은 심도부터 조사를 수행하여 점진적으로 깊은 심도까지 시추 및 암석 시료(코어 또는 커팅)을 얻는 것이다. 이를 위해 본 프로젝트는 조사 단계(Phase 1, 이하 DFDP-1)와 본 단계(Phase 2, 이하 DFDP-2)로 구분되어 수행되었다.

2011년 수행된 DFDP-1은 단층대를 관통하는 시추코어의 연속적인 획득, 단층대를 관통하는 시추공의 물리검층 자료 취득 및 단층내 주변부 시추공 수리시험 수행 등을 목표로 하였다. 1단계 프로젝트가 수행된 Whataroa 남부 Gaunt Creek 지역에는 알파인 단층에 대한 기존 연구가 가장 활발히 진행된 노두가 위치하며(GNS Science, 2013), 이에 인접하여 총 2개의 조사시추공 DFDP-1A(심도101 m)와 DFDP-1B(심도 152 m)가 굴착되었다. 각 시추공의 91 m, 128 m 깊이에서 단층대를 관통하여 코어시료를 회수하였다(Fig. 2).

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Fig. 2

Summary of geological logs of DFDP-1A (left), and DFDP-1B (right) (modified from GNS Science, 2013).

DFDP-1A의 시추코어는 단층 상반의 압쇄암(mylonite) 층서 및 20-30 m 두께의 열수변질대와 약 90 m 깊이에서 약 5 cm 두께의 전단면(slip surface), 그리고 단층 하반의 역퇴적층(fluvial gravle)을 회수하였다. DFDP-1B에서 또한 유사한 상반의 층서를 관찰할 수 있었으며, 약 128 m 깊이에서 20 cm 두께의 주전단면을 관찰하였다. 또한 하반(foot wall) 경계 약 130 m 깊이에서 석영과 장석이 다량 포함된 광범위한 변질대가 관찰되었다.

두 시추공에서는 초음파 영상(acoustic televiewer) 검층, 중성자(neutron) 검층, 완전파형 음파(full-waveform sonic) 검층, 밀도(density) 검층, 공곡(dipmeter) 검층 등의 광범위한 시추공 지구물리 검층 자료가 수집되었다. 이후DFDP-1A 시추공은 81 m 깊이까지 케이싱 처리 후 하부에 시추공 지진계를 설치하였으며, DFDP-1B 시추공에는 하반 깊이에 지진계를 설치하고, 1인치 직경의 유체 샘플링 튜브와 4개의 진동 감지 센서, RTD 온도센서 등의 단층의 거동을 감시할 관측소가 설치되었다.

DFDP-1(2011)의 성공적인 수행 후 DFDP-2(2012-2015)는 보다 깊은 심도에서 단층을 관통하는 시추공을 굴착하고, 다양한 깊이에서 암석과 유체 등을 샘플링 하는 것을 목표로 하였다. 이를 위한 DFDP-2 시추공은 약 1000 m 심도에서 알파인 단층을 관통하는 최종 심도 1300 m(또는 단층을 만나지 못했을 경우 1500 m) 깊이로 설계되었으며, 본 프로젝트에 참여한 연구팀들이 요구하는 코어회수, 시추공 물리검층, 수리시험, 센서 설치 등의 수요를 반영하여 시추공 굴진 계획을 확정하였다(Fig. 3). 이후 DFDP-1부지에서 약 7 km 이격된 Whataroa valley 지역에서 2014년 8월 DFDP-2A부터 2015년 1월 DFDP-2B까지 시추를 진행하였다. 몇 가지 기술적인 문제로 893 m깊이에서 시추가 종료되었지만, 이 시추공을 통해 다양한 지질학, 지구물리학, 지구화학 및 수리지질학적 연구 자료들이 수집되었다. 또한 여러 심도에서 암석 및 유체를 샘플링 하였고, 시추공 지진계를 포함하는 장기 모니터링 관측소가 설치되었다.

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Fig. 3

Summary of geology and technical plans (left) and planned well completion details (right) for the DFDP-2 deep borehole (modified from GNS Science, 2015).

이후 소개될 내용들은 DFDP-2에서 수행한 주요 연구 활동(activity) 및 시추 중 얻어진 기술적 교훈들(lessons learned)을 포함하며, 그리고 프로젝트 결과로부터 얻어진 몇 가지 연구 성과들을 보여준다.

주요 연구 수행 내용(activities) 및 교훈(lessons learned)

시추 중 지진 모니터링

DFDP연구 대상인 알파인 단층은 200-400년 주기(가장 최근은 1717 AD)의 역사 지진 기록을 가지고 있으며, 호주판과 태평양판 경계 운동의 60-80%를 수용한다. Sutherland et al.(2006), Norris and Cooper(2007), Langridge et al.(2010) 등에 따르면 알파인 단층의 전단율(slip rate)은 최대 ~31 mm/년으로, 프로젝트 기간 중에도 단층 운동과 이에 수반한 지진이 지속적으로 발생할 수 있을 것이라 예상되었다.

이에 연구팀은 DFDP-2 단계의 시추 행위가 단층의 파열(및 지진 발생)을 촉진시킬 가능성이 있는가에 대한 검토가 필요했으며, 이를 위해 기존 ICDP 과학시추 프로젝트에 참여한 경험이 있는 연구진들로 구성된 독립적인 평가단을 설치하고 엄격한 안정성 평가의 과정을 수행하였다. 평가단의 안정성 검토(safety review)에서 주로 논의된 내용은 (1) 시추 작업이 알파인 단층의 지진 활성에 상당한 영향을 미칠 가능성이 있는가? (2) DFDP 시추기술팀은 이에 대한 적절한 대응 프로토콜을 갖출 수 있는가? 그리고 (3) 시추 행위가 영향을 미친다면 이를 억제하기 위한 운영 절차의 수정이 가능한가? 에 대한 것이다.

이에 연구팀에서는 DFDP-2 운영에 기인한 지진의 발생 가능성을 감지하기 위한 모니터링 시스템 및 대응 프로토콜을 작성하였다(Fig. 4). 총 4개의 시추공 지진계(28 m 깊이)를 시추 부지 반경 1 km 이내에 설치하고, 실시간 네트워크를 운영하여 발생한 진동에 대한 요약 정보, 파형, 진앙 위치 등이 담긴 e-mail 알람 시스템을 운영하였다.

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Fig. 4

Traffic light system and communication chains to be used in the seismic event near the DFDP-2 drill site (modified from GNS Science, 2015).

실시간 네트워크가 운영되는 5개월의 기간 동안 총 1121건의 지진이 감지되었으며, 이들 중 492 건의 지진에 대하여는 추후 그 발생 위치와 규모를 재결정하였다. 같은 기간 중 시추 부지 5 km 이내에서는 지진이 감지되지 않았으며, 가장 가까운 지진은 시추 현장 남서쪽으로 약 5.3 km 떨어진 위치에서 규모 약 1.8 ML의 지진이 감지된 바 있다.

지질 모델 수립

당초 DFDP-2 시추공은 약 1000 m 깊이에서 단층대를 관통하도록 설계되었으며, 안정적인 시추공 굴진(및 케이싱 설치) 계획 수립을 위해 지질 조건에 대한 예측이 필요하였다. 알파인 단층 노두들에 관한 기존 연구결과들과 DFDP-1 수행 경험을 바탕으로 연구팀은 DFDP-2 시추 부지 및 주변에 대한 지질 조건을 약 8 m 깊이까지 홀로세의 자갈 충적층, 이후 약 80 m 깊이까지 자갈과 바위가 포함된 빙하 퇴적층, 그리고 약 250 m 깊이까지 모래 또는 자갈이 혼재된 점토층을 지나 기반암이 출현할 것으로 예상하였다(Fig. 5). 이후 기반암으로서 단층 상반의 Alpine Schist, 단층부의 취성 파쇄석, 그리고 화강암 또는 편마암으로 이루어진 단층 하반을 포함하는 지질 모델을 수립하였다.

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Fig. 5

Schematic Geologic cross section through the DFDP-2 drill site and drilling plans (modified from GNS Science, 2015).

또한 알파인 단층이 지하수 흐름에 대한 수리적 방벽 역할을 할 수 있기 때문에 유한요소법을 활용해 초과지하수두(over pressure)에 관한 가능성을 검토하였고, 이를 대비하기 위한 적절한 시추 이수(drilling mud) 시스템을 도입하였다.

심부 시추공 굴착 및 코어 시료 회수

상기 지질 모델을 기반으로 시추공 굴착에 필요한 비트(drill bit)의 구경, 롯드(rod), 시멘팅, 코어 회수 방법 등에 대한 시추공 굴진 계획과 지구물리검층 및 수리시험 등의 현장 시험에 대한 계획을 수립하였다(Fig. 3 참조). 시추공의 굴진은 크게 두 단계로 계획하였는데, 첫 단계는 천부 구간 굴착 후 철재 케이싱을 설치하여 시추공과 심부 굴진에 대한 안정성을 확보하고, 하부 구간에 대하여는 코어회수를 목표로 하였다.

실제 DFDP-2 시추공의 굴착은 2014년 8월부터 2015년 1월까지 진행되었다. 시추공 굴착에는 비트 굴진과 동시에 케이싱이 회전하며 전진하는 이중 회전식(dual rotary) 방법을 채택하였으며, 시추 암편(drill cutting)을 순환하기 위한 유체로는 공기 또는 물이 사용되었다. DFDP-2A의 경우 천부 구간에서 29 m 깊이까지 12인치 케이싱을, 이후 126 m 깊이까지 10인치 케이싱을 설치하였다. 이후 심부 구간 조사를 위해 임시로 6인치 케이싱을 설치하고, 212.6 m 심도까지 PQ 규격의 코어 시추를 수행하여 일부 구간의 시료를 회수하였다. DFDP-2A시추공 상부구간을 굴착하는 과정에서 예상한 심도보다 퇴적층이 깊게 출현하여, 안정적인 하부구간 굴착을 위해 보다 큰 공경에서부터 시추공을 굴진을 시작하도록 일부 설계를 변경하였다.

이를 위해 DFDP-2B 시추공은 심도 76.8 m까지 16인치 케이싱, 197 m까지 14인치 케이싱, 236.6 m까지 12인치 케이싱, 그리고 243 m 깊이의 기반암 구간까지 10인치 케이싱을 설치하였다. 이후 추가로 9.5인치 공경으로 274.9 m 깊이까지 나공(open hole) 구간을 확보하였으며, 심부로는 8.5인치 대구경 굴진과 코어 시추를 수행할 계획이었다.

893.2 m 이후 굴진하는 과정에서 PWT 케이싱의 파손(436 m)으로 시추공 굴착이 중단되었으며, 목표했던 단층대 구간의 통과와 1300 m 깊이의 도달에는 실패하였다. 하지만 DFDP-2를 통해 굴착된 두 시추공 DFDP-2A 125-212 m 구간과 DFDP-2B 437-478.3 m 구간에서 연구에 중요한 코어시료를 얻었으며, 시추공 전 구간에 대한 암편을 획득하였다(Table 1, 2).

Table 1.

Summary of samples collected from DFDP-2A

Types Location Age Purpose Total # Depth, m
Cuttings Onsite Quaternary Geologic description 127 0-126
Fossil Age dating 4 58-61.5
Core Geologic description 37 125.5-212.6
Table 2.

Summary of samples collected from DFDP-2B

Types Location Age Purpose Total # Depth, m
Cuttings Onsite Quaternary Geologic description 80 0-238.5
Fossil Age dating 24 19.9-238
Cuttings Basement Geologic description 334 238.5-893.2
Drilling mud Quaternary + Basement Geological analysis 153 47-893.2
Fossil Quaternary Age dating 1 235-9-236
Core Basement Geologic description 80 437-478.3
Cuttings Basement Thin section 265 238.5-893.2
Unwashed cuttings Offiste Basement Thin section and geochemical analysis 22 280.1-893.2
Unwashed cuttings Basement Mechanical tests 4 299-886
Washed cuttings Basement Thin section and geochemical analysis 202 243.5-884
Carbonaceous material Quaternary Age dating 23 20-233
Gas extracted from drill mud Quaternary + Basement Chemical analysis 36 236-892

시추공 지구물리검층

DFDP-2A 및 DFDP-2B 시추공에 대한 지구물리검층을 수행하였다. Robertson Geo 사의 1500 m 와이어라인 로깅 케이블이 사용되었으며, 온도, 전기전도도, 유량, 감마선, 감마선 분광, 초음파 영상 등의 다양한 항목에 대한 물리검층이 이루어졌다(Fig. 6).

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Fig. 6

Summary of borehole geophysical logs obtained from DFDP-2B wellbore (GNS Science, 2015).

온도 검층의 경우 시추 중 발생하는 이수 순환과 공벽 청소 과정에서 지층의 온도를 교란시켜, 심부의 지온구배를 정확히 측정하기 어려운 문제가 있기 때문에, 다수의 반복 측정으로 자료를 수집하였다. 특별한 경우 이 작업에만 수일이 소요되기도 했지만, 시추공 온도 평형 조건에 대한 귀중한 기록을 획득하였다. DFDP-2B 시추공에서 수행된 20 번의 시추공 물리검층 기간 중 총 19 km 이상의 자료가 획득되었으며, 4.5 km 이상의 초음파 영상 자료가 취득되었다.

DFDP-2B 시추공 완결

케이싱 파손에 의해 굴착이 중단된 DFDP-2B 시추공에 대해서 추가적인 굴진이 어렵다고 판단하여 수정된 시추공 완결(well completion)계획이 수립되었다. 100 m 깊이까지 공벽과 케이싱 사이의 틈(annulus)에 대해 시멘팅 처리하였고, 약 400 m 깊이까지 재굴진(reaming)을 수행하여 안정적이고, 밀폐된 구간을 확보하였다. 그리고 최종 시추 심도까지 BQ 규격의 파이프를 활용해 광섬유 케이블을 설치하였다(Fig. 7). 이후 케이싱이 설치된 400 m 깊이에 3성분 시추공 지진계를 설치하였고, 정두(well head)와 설치된 장치들을 정리하여 시추공을 완결하였다.

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Fig. 7

Schematic diagrams of geology and well completion of borehole DFDP-2B (GNS Science, 2015).

주요 연구 성과

DFDP를 통해 얻어진 32개의 예비 연구 결과들이 AGU (American Geophysical Union) Fall Meeting 2015에서 특별세션 논문으로 소개되었으며, 최근까지도 DFDP 활동으로 얻어진 수 많은 다양한 형태의 연구 결과들이 지속적으로 발표되고 있다(2021년 9월 검색 ICDP Publications 데이터베이스 제공 기준, 총 1146건, https://www.icdp-online.org/index.php?type=145&id=38). 이들 중 DFDP에서 수행된 심부 시추공 굴착, 암편 및 지하수 샘플 회수 등의 직접적인 프로젝트 운영 단계로부터 얻어진 몇 가지 연구 성과들을 소개한다.

알파인 단층대 지질구조 및 변형 특성 파악

DFDP-2B 시추공을 굴진하는 동안 기반암 심도(238.5 – 893 m, measured depth)에서 지속적인 암편(또는 일부 구간에서 암추) 등의 지질 시료 회수 및 이들에 대한 분석이 수행되었다(Toy et al., 2017)(Fig. 8). 종합적으로 분석된 알파인 단층대의 암반 층서는 기반암으로써의 Alpine Schist, 이후 단층부로 가까워지며 접촉 압쇄암(protomylonite)과 후퇴적 복합지형 모암에서 파생된 압쇄암 등으로 구성된다. 연속적인 암편 분석을 통해 규명된 층서 변화는 주변 알파인 단층 노두에서 관찰할 수 있는 것과 유사한 양상을 보인다. DFDP-2B 시추공 일부 구간에서 회수된 암추 시료에서 밀접한 간격의 압쇄암 엽리(foliation)와 전단면의 발달 특성을 관찰하였다(Fig. 9). 전단면은 대개 수 cm 미만의 규모로 이격되어있으며, 엽리와 약 30° 내외의 낮은 경사로 취성 변형의 특징을 보이고 있다.

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Fig. 8

Datasets of rock samples obtained from the DFDP wellbores, and lithological-, structural-, and chemical interpretations (Toy et al., 2017).

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Fig. 9

Structural observations using drill cores from the depths of 475.5 – 476 m MD of the DFDP-2B borehole (Toy et al., 2017).

DFDP-1 시추공으로부터 관찰된 결과들과 종합하여 DFDP- 2B 시추 종료 심도(bottom depth) 이후 약 200 – 400 m 깊이에 알파인 단층의 PSZ가 존재할 것으로 예측하였으며(Fig. 10), 알파인 단층의 최대 경사는 약 62° 내외로 추정하였다.

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Fig. 10

Compiled lithological summary log derived from DFDP-1 and DFDP-2, showing sequence of Alpine fault zones (Toy et al., 2017).

활성단층대에서 고온 지열수 환경 관찰

지역마다 다른 지하수의 온도 및 압력구배는 암반의 변형에 관여하며, 또한 단층대의 광화작용(mineralization)과 지진 발생 분포에도 영향을 미치는 요소로 알려져있다(Sibson, 1982). 일반적으로 판 내부 대륙 지각에서는 대개 정수압(hydrostatic)의 지하수압 및 약 31 ± 15°C/km의 지온구배를 가지지만(Pollack et al., 1993), 드물게 활성 판 경계 단층부를 대상으로하는 심부 시추 프로젝트 들에서 고온의 지열수 환경이 관찰된 바 있다(대표적으로 산안드레아스 단층 등). DFDP에서도 알파인 단층 상반을 굴진하는 동안 유체의 온도 및 압력에 대한 자료가 수집되었다(Sutherland et al., 2017).

DFDP-2B 시추공 893 m 구간에서 정수압보다 약 10%를 상회하는 지하수압과 평균 125 ± 55°C/km의 지온구배가 관찰되었다(Fig. 11). 이러한 극단적인 열수 환경은 비교적 빠른 단층 운동에 의한 열 운반과 지열수가 계곡으로 집중되는 지형적 특성에 기인한 것으로 해석되었다(Fig. 5 참조). 이 과정에서 단층면의 전단에 의한 지하수의 가열에 대한 가능성은 배제하였다.

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Fig. 11

Mean temperature observed during a 7–14 month period after drilling and estimated fluid pressure (left) and temperature gradient with inferences for aquifers and aquitards (right) (modified after Sutherland et al., 2017).

DFDP-2B에서 관찰된 지하수 온도에 대한 지속적인 모니터링 자료는 판 경계 단층대 직상부에서 전단면의 미끄러짐, 암석 변형 및 파쇄 등에 의해 매우 높은 유체 압력과 온도 구배가 생성될 수 있음을 보여주었다.

맺음말

DFDP(Deep Fault Drilling Project)는 태평양판과 호주판의 활성 경계에 형성되어있는 알파인 단층에서 수행된 심부 단층 과학시추 프로젝트이다. 이 단층의 고지진 주기를 감안할 때 비교적 가까운 미래에 대규모 지진이 발생할 가능성이 보고 되었으며, 지진의 전조에 단층대 주변에서 관찰할 수 있는 심부 암반 변형, 온도/압력 조건, 광물 충진 특징, 지열수 및 지화학 특성 등의 변화 양상을 모니터링하기 위한 단층 직접 관통 시추를 목표로 수행되었다.

DFDP 현장 운영 및 시추공 굴착 단계에서 취득된 암편, 암추, 시추 이수(및 가스) 등에 대한 실시간 분석이 이루어졌으며, 기존 알파인 단층 노두를 통한 연구들로부터 추론되어 온 심부 단층대 주변 지질 구조를 보다 자세히 관찰하였다. 암추 분석을 기반으로 단층 인근 암반 파쇄대의 변형 및 미구조 발달 특성을 파악하고 기존 연구 내용들과 종합하여 알파인 단층의 심부 구조를 제시하였다. 또한, 활성 단층대에서 드물게 관찰할 수 있는 빠른 열 유동에 의한 고온의 지열수 환경을 관찰하였으며, 조산 및 단층대를 포함하는 지구조 모델을 종합한 수리 모형이 제시되었다. 예기치 못한 문제로 단층대 관통 이전 시추가 중단되었으나, 시추공 완결 이후 심부 시추공 지진계 및 모니터링 시스템 등을 설치하여 알파인 단층의 거동에 대한 모니터링이 수행되고 있다. 또한 DFDP-2B 수행 현장 및 남아있는 시추공, 암편, 암추 등의 보존 자료들은 뉴질랜드 및 인근 지역 뿐만 아니라 전세계 관련 기관의 방문 및 교육 자료들로 다수 활용되고 있다.

최근 들어 국내에서도 동남권 주요 단층(예를 들어, 양산단층 등) 및 주변 지역에서 발생하는 지진에 대한 국민적 관심이 지속적으로 증가함에 따라, 이들 단층들에 대하여 노두 조사 또는 트렌치(trench) 분석, 지구물리기법 등을 활용한 다양한 형태의 연구들이 선행되고 있다. 이 같은 방법들은 한반도 내 광역적 단층 분포도 작성 및 단층들의 운동 감각과 그 시기에 대한 연대 측정, 심부 단층의 자세(geometry) 등에 대한 기초적인 자료를 제공할 수 있을 것이다. 이를 기반하여 추후 일부 주요 단층들에 대한 상세 조사를 수행한다면, 심부 시추 조사 기법은 아마도 교란되지 않은 심부 단층암의 역학적/구조적 특성, 내부 충진물의 구성, 지진 발생 기작 등의 연구를 위한 가장 직접적인 자료를 생산하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

현재 여러가지 방법으로 진행 중인 동남권 단층들에 대한 기초 연구들이 종료된 이후에는 향후 예상되는 지진 발생 빈도 및 그 규모 등을 기준으로 추가적인 연구가 요구되는 특정 단층들에 대하여 과학시추 프로그램을 포함한 보다 심도 깊은 연구가 수행되어야 할 것이다.

Acknowledgements

본 연구는 한국지질자원연구원 기본사업 ‘한반도 동남권 지진 ‧ 단층 활동 평가를 위한 심부 복합지구물리 모니터링 시스템 구축’ 과제(GP2018-009)의 일환으로 작성되었음을 밝힌다.

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