지질구조(geologic structure)를 지배하는 주요한 구조적 요소는 습곡(단층)․부정합․절리․선구조로서 이들이 지각을 복잡하게 만든다.
가. 주향(strike)와 경사(dip)
수평으로 퇴적된 지층이 후에 받은 변동으로 기울어졌을 때 그 성층면이 기울어진 모양을 기재하려면 주향과 경사를 측정해 두어야 한다.
주향(走向)은 성층면과 수평면과의 교선(交線)이 남북 선(線)과 이루는 각도를 북을 기준으로 하여 나타낸 것이다. <그림 3.2-5>에서 암석의 기울어진 면이 성층면이고 물과의 교선은 주향이 되며, 이 주향선이 남북 선의 북으로부터 30° 동쪽으로 회전되어 있으면 N30E라고 기재한다.
경사(傾斜)는 성층면과 수평면이 이루는 각 중 90°이하이면서 가장 큰 것을 말한다. 이는 성층면상의 주향선에 직각으로 그은 선과 수평면 사이의 각이 된다. 주향선에 직각이 아닌 모든 선과 수평면 사이의 각도는 언제나 경사보다 작으면 이를 위경사(apparent 또는 partial dip)라고 한다. 경사를 기재할 때는 35E, 50E, 50SE와 같이 각도를 쓴 다음에 경사한 방향을 기입한다.
나. 습곡구조
습곡은 퇴적된 지층이 횡압력을 받으면 물결처럼 굴곡된 단면을 갖는 구조를 갖는다. 습곡의 형성은 지구표면에 접선 방향의 힘이 작용하여 지각이 압력에 반응하여 암석이 휘어져 생성된다.
(1) 습곡의 각 부분 명칭
습곡구조는 <그림 3.2-6>과 같다. 배사와 향사사이의 경사진 부분을 날개(limb)라고 한다. 배사에서 두 날개가 마주치는 부분을 정부라 하며, 정부를 연결한 선을 배사축이라 한다. 또한 향사에서 두 날개가 마주치는 부분을 저부라 하며, 저부를 연결한 선을 향사축이라 한다. 습곡날개의 각을 양분하는 평면을 축면(axial surface)이라 하며, 단면에서 축면이 경사져 있을 때에는 정부외에 가장 고도가 높은 곳이 존재한다. 이와 같이 배사의 가장 높은 부분을 관(crest)이라 하고, 향사의 가장 낮은 부분을 곡분(trough)라 한다. 습곡의 길이는 지층의 주향에 즉 단면에 직각인 방향의 평행한 길이를 나타낸다.
(2) 습곡의 구별 방법
(가) 직접적인 관찰지표의 노두를 직접 관찰함으로서 식별 가능하다.
(나) 지층의 주향과 경사 작도,지층의 주향과 경사를 측정하여 도상에 작도함으로서 인지가 가능하다.
(라) 지형이나 지형도로 인지하는 방법지형이 대칭으로 나타나거나 능선이 교차형태(Zigzag Pattern)로 있을 때 습곡임을 인지할 수 있다.
다. 단층
지각 중에 생긴 틈을 경계로 하여 그 양측의 지괴가 상대적으로 전이(轉移)하여 어긋나면 이 큼을 단층(斷層 : fault)이라 한다. 단층은 모든 암석 중에 생길 수 있으나 화성암이나 변성암 같은 괴상 암석 중에서는 단층 양쪽의 암석의 차이가 발견되지 않는 경우가 많으므로 단층을 인식하기 곤란하다. 그러나 퇴적암에서는 단층 양쪽의 암석이 달라지는 경우가 많으므로 단층을 발견하기 쉬울 뿐 아니라 전이의 양까지도 알아 낼 수 있다.
(1) 단층의 운동
단층면은 취성재료가 압축을 받을 경우 힘이 작용한 방향에 대해 경사진 전단면을 따라 파괴가 일어나 형성된다. 두 단층면 사이에는 단층이 생성될 때 암석이 점토로 변하여 단층면을 채우고 있는 것을 단층점토라 한다. 단층면 사이에 각력이 포함되어 있으면 단층각력(斷層角礫)이라 하며, 이것이 고화되면 단층각력암이라 한다<그림 3.2-9>.
경사진 단층의 위쪽에 존재하는 암반을 상반(上盤. hanging wall)이라 하고, 아래에 존재하는 암반을 하반(下盤, foot wall)이라고 한다 <그림 3.2-9>.
본래의 암반에 존재하던 두 인접한 점이 단층면을 따라 일어난 변위는 직교하는 3축을 기준으로 3개 요소로 표시된다. 수직 변위를 낙차(落差, throw) 단층면에 대해 직각인 수직평면에 대한 변위를 수평이동(heave), 단층면의 주향방향에 평행으로 측정되는 변위를 주향이동(strike-slip)이라고 하면, 총 변위를 실이동(實移動, slip)이라고 한다. 또 다른 하나의 요소인 경사방향의 변위는 경사이동(dip slip)이라고 한다<그림 3.2-9>.
(2) 단층파쇄대
(가) 단층․파쇄대․구조선의 정의 두드러지게 파쇄된 대상의 지질불량지역을 단층․파쇄대․구조선 등으로 부르고 있으며, 이들 용어에 대해 설명은 아래와 같다.
단층
지각의 응력에 의해 생긴 일정 규모이상의 전단파괴면에서 양측에 상대적으로 어긋남을 가지는 선상 또는 대상의 부분을 말한다. 파괴면을 단층면이라 부르고 암반상호의 전단에 의해 미끄러진 흔적이 있는 매끄러운 면이 존재하며 이 면을 단층활면(slickenside)이라 부른다.
파쇄대․단층파쇄대․전단대
단층이 발생하면 그 면을 따라 암석강도가 저하하기 때문에 반복하여 파괴가 일어난다. 그 결과 크기가 다른 여러 가지 규모의 파괴면이 밀집되고, 어느 방향으로 방향성을 가지는 zone이 형성된다. 이들을 파쇄대 또는 단층파쇄대라고 부르고, 면과 면간에 얇은 판상으로 파괴면들이 총총 모여 이루어진 것을 전단대라고 한다. 단층파쇄대 중에는 압쇄된 점토나 각력이 생기고 있다. 역단층은 압축력에 의해 생긴 단층이기 때문에 인장에 의해 생긴 정단층에 비해 파쇄작용이 크다.
단층점토․단층각력
단층운동에 의해 생긴 암석의 파쇄편들은 풍화작용, 열수작용을 받아 점토광물로 변화된다. 이와 같이 생성된 점토를 단층점토라 부르고, 단층 운동에 의해 생긴 각렬상의 파쇄암편을 단층각력이라 부른다.
구조선․구조대
어느 장대한 선상의 좁은 지대를 따라서 지각운동이 일어나고, 그 선에 의해 지질구조가 크게 달라져 있을 때 이 선을 구조선이라 부른다. 구조대는 2개의 의미로 사용되며, 첫째는 구조선 중에는 어느 정도의 폭을 가지고 그 부분만의 복잡한 지질구조와 고유의 발달사를 나타내는 것과 둘째는 다른 지역과는 다른 독특한 구조발달사와 구조형태를 나타내는 지역을 말한다.
(3) 단층의 구분 방법
(가) 지형으로 판정하는 방법 단층부분은 암반보다 연질로서 침식이 일어나기 쉽기 때문에 단층특유의 지형을 형성한다. 따라서 지형도나 공중사진의 관찰에 의해 판독할 수 있다.
① 단층애(斷層崖) : 지층의 어긋남이 지표에 직접 나타나 급격한 직선애가 된다. 산기슭이 일직선이고 단층애추(斷層崖錐), 삼각형의 말단절단면이나 선상지를 동반한다<그림 3.2-10>.
② Kerncol(단층안부)․Kembut(단층부기) : 단층은 주위 암석보다 차별적으로 많이 침식이 되어 산능선의 일부지역에 낮은 지역이 형성되어 산능성의 말단부분이 오히려 높아져 있는 곳이 있다. 이 곳을 Kermcol이라 하며, 산능성의 말단부분의 높은 부분을 Kembut라고 한다<그림 3.2-11>.
③ 단층선곡(斷層線谷) 단층을 따라 발생된 직선상의 계곡
④ 단층분지 : 단층군에 둘러싸여 생긴 분지
⑤ 용수지점, 연못, 소, 온천원이 직선상에 놓인다.
⑥ 지형 등고선상에서의 혼란이 일어난 부분
(나) 야외에서 단층을 판정하는 방법
① 균열을 경계로 하여 양측으로 다른 암석이 분포한다.
② 균열의 면에 단층경면이나 조선이 있다.
③ 폭이 넓은 암맥이 광맥이 갑자기 없어지거나 좁아진다.
④ 소규모의 2차 습곡․단층각력․단층점토가 분포한다.
⑤ 시추나 터널 굴진중에 돌연 용수나 가스가 분출하는 장소는 단층의 존재가 의심스러운 곳이다.
⑥ 물리탐사(탄성파, 전기, 중력, 자기, 방사능 등)에 의한 이상이 존재한다.
⑦ 수분을 좋아하는 식물(대나무, 낙엽송, 칡 등)이 연속하여 분포하는 지역.
라. 절리
(1) 절리의 종류
절리는 모든 암석에서 나타나며, 공학적인 면에서 암석과 암반에 많은 영향을 주는 흔한 구조로 거의 모든 암종에 존재한다. 절리는 운동이나 서로 상대되는 암반에 대해 상대적인 변위가 없다는 점이 단층과 구분되어 진다. 지표에서는 보통 절리가 응력의 개방이나 침식, 특히 풍화의 결과로 열려 있다. 서로 주향이 평행한 절리의 그룹을 절리군(節理群, joint set)이라고 하며, 어느 정도 일정한 각도로 2개이상의 절리군이 교차되는 것을 절리계(節理系, joint system)라 한다. 쌍 절리군(conjugate joint system)은 다른 구조선이나 구조면을 대칭적으로 교차하고 있는 시스템이다.
(가) 퇴적층의 습곡에서의 절리 일반적으로 서로 직각으로 교차하는 두 개 절리군이 발달되며, 성층면에 수직인 경우가 많이 있다<그림 3.2-12>. 경사지거나 습곡진 퇴적암에서 절리군중의 한 방향은 지층의 주향과 일치하고, 다른 절리군의 방향은 지층의 경사방향과 일치하는 경우가 많이 있다. 따라서 이러한 절리를 각각 주향절리와 경사절리라고도 하고, 이들 주향 및 경사절리에 사교하는 절리를 사교절리라 한다<그림 3.2-12참조>. 습곡이 일어나는 동안에 인장이 가장 크게 일어난 습곡의 정부에서 축면에 평행한 절리가 집중되어 나타난다<그림 3.2-12 인장절리>. 퇴적암에서의 절리는 다른 층리면으로 연장되지 못하고, 하나의 지층에서 끝나는 경우가 많다.
(나) 화성암에서의 절리 화성암에서의 절리는 뜨거운 용암체가 찬 재질과의 접촉하거나 고결될 때 수축에 의해 절리가 생성된다. 관입 화강암체에서의 절리계는 관입 후 암체가 냉각되면서 생긴다. 냉각은 먼저 암체의 천정과 바닥에서 일어나며, 하부에 액상이나 소성으로 남아 있는 용암의 운동이 더 고체화된 바깥부분으로 열극을 일으키기도 하고 관입되기도 한다. 화강암에서 길게 늘어진 광물들과 같이 방향성을 갖는 관입의 선들을 유선(流線, flow-line)이라 한다. 유체의 점성에 의해 이것은 암체의 천장 가까이에서 평행하게 형성된다<그림 3.2-12>.
① 직교절리(cross joint) : 급경사 또는 수직이며 유선에 수직되게 나타난다. 이것은 바깥부분의 부분적으로 강성인 껍질이 점성물질의 당김에 의해 열려진 인장열극이다.
② 종절리(longitudinal joint) : 유선구조와 같은 방향이고 직교절리에 직각인 급경사의 면이며 직교절리보다 후에 생성된 것이다.
③ 사교절리(diagonal joint) : 유선에 대해 45°로 교차하는 절리
④ 횡와절리(flat lying joint) : 직교절리와 종절리에 서로 직각이며 나중에 형성된 절리로 표면침식과 제하가 일어나는 동안에 형성된다.
⑤ 판상절리(sheet joint) : 횡와절리와 같은 방향성을 가지고, 화강암체의 천정부분에 특히 발달되며, 지표침식동안 암체의 제하에 의해 발생되는 인장응력에 의한 것일 가능성이 높다.
(다) 단층부근의 절리 단층주위에 단층과 절리들이 많이 관찰되는 것은 이 절리들이 단층생성시 같은 응력 시스템에 의해 생성되어 진 것들이며, 단층으로부터 멀어지면서 분포빈도가 적어지게 된다 . 단층에 대해 예각으로 놓인 작은 균열들을 우모상 절리(羽毛狀, feather- joints 혹은 pinnate)라 부른다. 이러한 것들은 주요 균열면을 따라 발생된 전단운동의 방향을 알 수 있다. 즉 예각인 경우 우모상 절리 구조가 생긴 측면의 이동방향으로부터 멀어진다.
(라) 절리의 간격과 크기 절리면에 나타나는 절리의 크기 정도는 매우 범위가 넓다. 퇴적층의 경우 100m 이상의 연장을 갖는 경우도 많이 있다. 절리간격의 범위도 매우 다양하다. 이러한 것은 토목공사, 채석, 채굴에서 매우 중요한 요소로 작용한다. 큰 간격의 절리를 가지는 암석의 경우는 큰 암괴를 발생키시지만, 간격이 적은 경우는 파쇄된 암석의 크기가 적어진다. 터널작업, 채석, 채굴 등의 작업의 난이도는 절리의 규칙 또는 불규칙한 성질에 매우 좌우되며 간격과 방향에 의해 영향을 받는다. 또한 절리는 지하수의 이동문제 그리고 풍화와도 관련되는 중요한 요소이다.