구조지질학

구조지질학의 개념 및 정의

구조지질학은 지구의 역사를 연구하는 지질학의 한 분야로, 암석 내에 기록되어 있는 변형을 이해하고 궁극적으로 변형을 야기한 응력을 규명하고자 하는 학문이다. 이러한 응력이 지판과 지판 사이의 운동에 의한 것으로 해석될 때 지구조학(地球照學, tectonics)의 영역으로 확대될 수 있다. 예를 들면, 지판의 분리에 의해 해양이 형성될 수 있으며 이는 주변 암석 내에 정단층이나 인장 단열과 같은 구조로써 기록된다.

접근방법 및 주요 연구영역

기하학적 분석(geometric analysis)

기하학적 분석이란 야외에서 인지된 구조들의위치(location), 형태(shape), 방향(orientation) 그리고, 크기(size)를 기재하고 측정하는 단계이다. 일반적으로 선구조(예: 습곡축, 단층조선 등)와 면구조(단층, 층리 등)의 방향자료를 입체 투영(stereographic projection)을 이용해 나타내는 것은 기하학적 분석에서 매우 유용하다. 이외에도 지질도, 단면도, 장미도(rose diagram) 등을 이용하여 기하학적 구조를 표현한다.

운동학적 분석(kinematic analysis)

운동학적 분석은 선행된 기하학적 분석을 이용하여 변형 동안의 운동경로를분석하는 단계이다. 이러한운동경로는 위치 변화(translation), 방향의 변화(rotation), 부피의 변화(dilation) 그리고모양의변화(distortion)로구분되며, 자연 상태에서는이들이복합적인 변형 경로를 가진다.

역학적 분석(dynamic analysis)

역학적 분석은 구조를 형성하거나 응력 변형(strain)을 집적하는 응력 또는 힘을 연구하는 단계이다. 일반적으로 역학적 분석은 구조를 형성시킨 응력의 방향과 크기를 복원하는데 그 목적이 있다.

지구조 분석(tectonic analysis)

지구조 분석은 분지나 조산대 규모에서의 역학적, 운동학적 그리고 기하학적 분석을 해석하는 단계이다. 따라서 구조지질학 이외의 여러 지질학적 접근을 함께 필요로 한다.

구조지질학의 연구영역

암석의 강도(strength)를 초과하는 응력은 암석 내에 변형을 발생시킨다. 이러한 변형은 암석에 가해지는 응력의 크기, 온도와 압력, 암석의 물성 등에 따라 취성 변형 구조와 연성 변형 구조로 구분된다.

취성 변형 구조(brittle deformation structures)

탄성체의 성격을 가지는 암석일 경우, 탄성 한계점보다 작은 응력을 가했다가 제거하면 원래의 모양을 회복하지만, 탄성한계점 이상의 응력이 가해지면 암석이 깨지거나 균열이 생기는 취성 변형이 발생하게 된다. 상대적으로 온도와 압력이 낮은 환경에서 형성되며 단열(fracture), 단층(fault) 등이 대표적이다. 단열은 외부(예 : 지구조적) 또는 내부(예 : 열적 또는 잔류) 응력의 결과로 형성되는 매우 좁은 평면 내지 준평면의 불연속면이다. 단열이 형성되는 동안 단열면의 양쪽 지괴의 상대적인 움직임에 따라, 단열면에 수직 한 움직임에 의해 형성되는 인장 단열(extensional fracture)과 단열면에 평행한 움직임에 의해 형성되는 전단 단열(shear fracture)로 구분된다. 단층은 일반적으로 큰 변위를 갖는 전단 단열로써, 여러 개의 미끌림면, 단층 암, 부수 단열, 변형 띠 등으로 구성되는 복잡한 형태의 변형대이다. 규모, 기하, 운동감각 등에 따라 지각의 융기 또는 침강을 수반하기도 한다.

연성 변형 구조(ductile deformation structures)

소성체의 성격을 가지는 암석일 경우, 응력의 영향 하에서 소성 유동에 의해 영구적인 연성 변형 구조를 수반한다. 상대적으로 온도와 압력이 낮은 환경에서 형성되며 습곡(fold), 엽리(foliation) 등이 대표적이다. 습곡은 퇴적층과 같이 원래는 판상이었던 지층이 변형 동안 구부러지거나 휘어져서 형성된 파도 모양의 변형 구조이다. 엽리는 광의의 의미에서 암석 내에서 어떠한 조직(fabric)을 형성하는 평면상 또는 굴곡 면상의 구조이며, 퇴적물의 퇴적 또는 마그마의 결정화 동안 만들어지는 일차 엽리(primary foliation)와 응력에 의한 결과인 이차 엽리(secondary foliation)로 구분된다. 구조지질학적 의미에서의 엽리는 이차 엽리에 제한된다.

구조지질학의 응용분야

자원

지질구조에 대한 이해는 석유, 석탄 및 각종 광상의 분포와 산상 그리고 채산성의 평가에 있어서 매우 중요한 평가 요소 중 하나이다. 석유 탐사의 경우, 석유가 배태되기 위한 필수 조건인 저류 암, 덮개암 그리고 트랩의 존재를 파악해야 한다. 석유를 함유하는 저류 암(reservoir rock)과 차수벽 역할의 덮개암(cap rock)이 존재하더라도 석유를 가둘 수 있는 그릇(트랩: trap)이 없다면 효율적으로 석유가 배태되기 어렵다. 퇴적층이 위쪽을 향해 굴곡진 배사구조는 가장 일반적으로 알려진 트랩으로 말안장과 유사한 기하(saddle reef)의 공간을 가지며, 이 공간 내에 석유가 집적될 수 있는 환경이 갖춰진다. 배사구조 이외에도 불투수성의 덮개암 사이에 저류 암이 존재하는 경우, 정단층 또는 역단층에 의해 트랩이 형성될 수 있다. 광상이란 경제성 있는 광물 또는 준광물이 지표나 지각 안에 농집 되어 있는 것을 일컫는다. 광상을 형성하는 유형 중 열수광상은 지각 내 단열이나 공극을 통해 유동하는 열수 용액에 의해 원소가 농집 되는 형태로, 단층 작용을 겪어 구조적으로 복잡한 지역은 열수 유체(hydrothermal fluids)의 투수성이 높아 금속 광석이 침전되기 좋은 환경이 형성된다. 한편, 석탄층과 같이 층상으로 배태된 광체의 경우, 습곡이나 단층 작용에 의해 지층이 휘어지거나 절단될 수 있어, 지질구조의 해석은 광체의 추적 및 규모 산정에 필수적이다. 이외에도 고온·고압 상의 다이아몬드와 같은 광체는 지판과 지판이 충돌하는 경계나 지하심부의 암체가 지표로 노출될 정도로 지각이 확장된 곳에서 관찰되므로, 이러한 광체의 형성과 발달을 이해하기 위해서는 구조 지질학과 지구 조학적인 접근이 중요하다.

자연재해

지진은 지구 내부의 에너지가 급작스럽게 해소되면서 지진파를 수반한 단층 작용이 일어나면서 발생한다. 일반적으로 지진은 기존 단층의 재활에 의해 발생할 가능성이 높다. 이러한 단층의 재활성 분석을 위해서는 단층의 공간적 분포, 기하와 운동학적 특성, 단층 암의 특성(규모, 종류, 마찰 강도 등), 그리고 현생 응력장에 대한 이해가 필수적이다. 한편, 광산의 개발 및 광해방지사업에서도 구조지질학적 접근이 필요하다. 광산개발 중에 발생하는 광물찌꺼기, 침출수 등은 지표수나 지하수에 녹아들어 지각의 단열을 따라서 이동할 수 있다. 이러한 광산폐기물의 무분별한 확산을 막기 위해서는 단열계의 분포에 대한 이해가 필요하다. 또한, 채광이 종료된 지점의 붕괴 등으로 인한 지표의 함몰과 균열을 대비하기 위해서도 이와 관련된 지층의 구조적 특성을 정확히 이해해야 한다.

토목, 시공

암반을 대상으로 하는 공사는 터널, 댐, 사면, 광산, 원자력 발전 시설 건설 등 여러 분야에서 이루어지고 있다. 이러한 암반 구조물을 안전하고 경제적으로 시공하기 위해서는 대상 암반의 공학적 특성을 정확히 파악하여야 한다. 암석 내에 발달하는 단층, 절리, 벽개, 엽리 그리고 습곡과 같은 구조적 결함들은 암반구조물을 안정적으로 시공함에 있어 상당한 불안요소이기 때문에 이들에 대한 이해는 필수적이다. 또한, 인공적으로 절개된 비탈면의 경우에는 자연 비탈면에 비해 새로운 형태의 파괴를 야기할 수 있어, 이들의 파괴 원인에 대한 명확한 분석을 바탕으로 한 적절한 대비가 요구된다.