1. 개념 및 정의
구조지질학( 構 造 地 質 學, structural geology)은 지구의 역사를 연구하는 지질학의 한 분야로, 암석 내에 기록되어 있는 변형(變形, deformation)을 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 인장단열과 같은 구조로써 기록된다. 이러한 구조의 기하(幾何, geometry)와 운동학적 특성(kinematics)을 이해함으로써 우리는 그 원인이 되는 응력을 해석할 수 있으며 지판과 지판 사이의 상대적인 움직임에 대해서도 유추가 가능하다.지각을 구성하는 암석 내에는 다양한 구조가 기록되어 있으며 이는 다양한 변형에 의해 형성될 수 있다. 구조는 크게 두 가지로 나뉘는데, 암석이 생성되는 동안에 형성되는 일차구조(primary structure)와 암석화 과정 이후의 응력에 의해 형성된 이차구조(secondary structure)로 구분된다. 일차구조는 퇴적작용과 관련된 층리, 건열, 연흔, 사층리 등과 화성활동과 관련된 주상절리, 유동구조, 베개용암 등이 있으며, 이차구조에는 단층, 습곡, 절리, 전단대, 엽리 등이 포함된다. 구조지질학의 연구 대상은 암석 생성 이후의 변형 동안 생성된 이차구조를 주로 하지만, 변형을 수반하며 형성된 일차구조를 포함하기도 한다.
2. 역사와 발전단계
15세기경 레오나르도 다빈치는 이탈리아의 어느 산에서 습곡된 지층을 그림으로 자세히 묘사하였지만, 그 의미를 이해하지 못했다. 17세기에 이르러 암석의 변형에 대한 최초의 기재가 수행되었다. 니콜라스 스테노(Nicholas Steno)는 층리가 발달하는 기울어진 퇴적층을 유심히 관찰하고, 그 지층이 처음부터 기울어진 채로 퇴적되지 않았으며 어떠한 방법으로든 변형되었을 것으로 추론하였다. 스테노가 주장한 퇴적층 수평의 원리(principle of original horizontality)는 최초의 구조지질학적 해석이라 할 수 있다.18세기 초에 이르러 알프스산맥과 같은 복잡한 구조들이 널리 알려지기 시작하면서 이에 대한 지적 요구가 확대되었고, 18세기 중반과 19세기에 이르러 지질학적 발견과 학문적 발전은 더욱 활발히 진행되었다. 제임스 허튼은 1795년 저서 Theory of the Earth with Proofs and Illustrations를 통해 동일과정설(uniformitarianism)을 제안하였으며 최초로 부정합에 대해서 서술하였다.
그의 저서 이후 최초로 자신을 지질학자(geologist)라 칭하는 이들이 생겨났으며 이들은 지질도를 작성하는 방법, 산맥의 기하, 이러한 구조의 기원 등에 몰두하였다. 이러한 산맥에 대한 연구는 지각수축설(contraction theory of the earth)과 지향사설(geosyncline theory) 등이 태어나는 원동력이 되기도 하였다.
20세기에 이르러 산맥의 형성과 관련된 연구는 큰 반전의 계기를 가지게 되는데, 그 중심에는 알프레트 베게너와 아서 홈스(Arthur Holmes), 그리고 해리 헤스(Harry Hess)가 있었다. 베게너는 1913년 『대륙과 해양의 기원(The origin of continent and ocean)』에서 대륙표이설을 주장하였으나 가설의 메커니즘을 설명하지 못하는 치명적 약점을 가지고 있었다. 이에 영향을 받은 홈스는 1928년 맨틀 대류설(mantle convection)을 통해 대륙표이설을 설명하면서 베게너를 지지하였으나 이 또한 받아들여지지 못했다.
이후 대륙표이설은 사장될 위기에 이르지만 1962년 해군장교 출신의 해리 헤스가 제시한 해저확장설(theory of sea-floor spreading)을 통해 다시 부활하게 되고 1963년 프레더릭 바인(Frederick Vine)과 드러먼드 매슈스(Drummond Matthews)의 증명에 의해 판 구조론으로 새로 태어나게 된다. 판구조론은 움직이는 판과 판의 경계에서 일어나는 지진, 화산, 산맥 그리고 해양분지의 형성과 같은 다양한 지질학적 현상들에 대해 충분히 설명을 가능하게 한다.
3. 접근방법 및 주요 연구영역
3.1. 구조분석
1) 구조분석수천에서 수천만 년에 이르는 오랜 기간 동안의 변형과정을 이해하기 위해서는 단계적인 구조분석이 필수적이다. 일반적으로 구조분석은 기하학적 분석, 운동학적 분석, 역학적 분석 그리고 지구조적 분석으로 구성된다.
3.1.1. 기하학적 분석(geometric analysis)
기하학적 분석이란 야외에서 인지된 구조들의 위치(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 입체투영(stereographic projection)을 이용해 나타내는 것은 기하학적 분석에서 매우 유용하다. 이외에도 지질도, 단면도, 장미도(rose diagram) 등을 이용하여 기하학적 구조를 표현한다.3.1.2. 운동학적 분석(kinematic analysis)
운동학적 분석은 선행된 기하학적 분석을 이용하여 변형동안의 운동경로를 분석하는 단계이다. 이러한 운동경로는 위치변화(translation), 방향의 변화(rotation), 부피의 변화(dilation) 그리고 모양의 변화(distortion)로 구분되며, 자연 상태에서는 이들이 복합적인 변형경로를 가진다.3.1.3. 역학적 분석(dynamic analysis)
역학적 분석은 구조를 형성하거나 응력변형(strain)을 집적하는 응력 또는 힘을 연구하는 단계이다. 일반적으로 역학적 분석은 구조를 형성시킨 응력의 방향과 크기를 복원하는데 그 목적이 있다.3.1.4. 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.3.2. 구조지질학의 연구영역
암석의 강도(strength)를 초과하는 응력은 암석 내에 변형을 발생시킨다. 이러한 변형은 암석에 가해지는 응력의 크기, 온도와 압력, 암석의 물성 등에 따라 취성변형구조와 연성변형구조로 구분된다.(1) 취성변형구조(brittle deformation structures)
탄성체의 성격을 가지는 암석일 경우, 탄성한계점보다 작은 응력을 가했다가 제거하면 원래의 모양을 회복하지만, 탄성한계점 이상의 응력이 가해지면 암석이 깨지거나 균열이 생기는 취성변형이 발생하게 된다. 상대적으로 온도와 압력이 낮은 환경에서 형성되며 단열(fracture), 단층(fault) 등이 대표적이다.
① 단열: 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 수직한 움직임에 의해 형성되는 인장단열(extensional fracture)과 단열면에 평행한 움직임에 의해 형성되는 전단단열(shear fracture)로 구분된다.
② 단층: 일반적으로 큰 변위를 갖는 전단단열로써, 여러 개의 미끌림면, 단층암, 부수단열, 변형띠 등으로 구성되는 복잡한 형태의 변형대이다. 규모, 기하, 운동감각 등에 따라 지각의 융기 또는 침강을 수반하기도 한다.
(2) 연성변형구조(ductile deformation structures)
소성체의 성격을 가지는 암석일 경우, 응력의 영향 하에서 소성유동에 의해 영구적인 연성변형구조를 수반한다. 상대적으로 온도와 압력이 낮은 환경에서 형성되며 습곡(fold), 엽리(foliation) 등이 대표적이다.
① 습곡: 퇴적층과 같이 원래는 판상이었던 지층이 변형동안 구부러지거나 휘어져서 형성된 파도모양의 변형구조이다.
② 엽리: 광의의 의미에서 암석 내에서 어떠한 조직(fabric)을 형성하는 평면상 또는 굴곡면상의 구조이며, 퇴적물의 퇴적 또는 마그마의 결정화 동안 만들어지는 일차엽리(primary foliation)와 응력에 의한 결과인 이차엽리(secondary foliation)로 구분된다. 구조지질학적 의미에서의 엽리는 이차엽리에 제한된다.
3.3. 구조지질학의 응용분야
3.3.1. 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 저류암, 덮개암 그리고 트랩의 존재를 파악해야 한다. 석유를 함유하는 저류암(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 저류암이 존재하는 경우, 정단층 또는 역단층에 의해 트랩이 형성될 수 있다.
광상이란 경제성 있는 광물 또는 준광물이 지표나 지각 안에 농집되어 있는 것을 일컫는다. 광상을 형성하는 유형 중 열수광상은 지각 내 단열이나 공극을 통해 유동하는 열수용액에 의해 원소가 농집되는 형태로, 단층작용을 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 단층작용에 의해 지층이 휘어지거나 절단될 수 있어, 지질구조의 해석은 광체의 추적 및 규모산정에 필수적이다. 이외에도 고온·고압상의 다이아몬드와 같은 광체는 지판과 지판이 충돌하는 경계나 지하심부의 암체가 지표로 노출될 정도로 지각이 확장된 곳에서 관찰되므로, 이러한 광체의 형성과 발달을 이해하기 위해서는 구조지질학과 지구조학적인 접근이 중요하다.
3.3.2. 자연재해
지진은 지구 내부의 에너지가 급작스럽게 해소되면서 지진파를 수반한 단층작용이 일어나면서 발생한다. 일반적으로 지진은 기존 단층의 재활에 의해 발생할 가능성이 높다. 이러한 단층의 재활성 분석을 위해서는 단층의 공간적 분포, 기하와 운동학적 특성, 단층암의 특성(규모, 종류, 마찰강도 등), 그리고 현생응력장에 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.
3.3.3. 토목, 시공
암반을 대상으로 하는 공사는 터널, 댐, 사면, 광산, 원자력 발전 시설 건설 등 여러 분야에서 이루어지고 있다. 이러한 암반구조물을 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 자연비탈면에 비해 새로운 형태의 파괴를 야기할 수 있어, 이들의 파괴 원인에 대한 명확한 분석을 바탕으로 한 적절한 대비가 요구된다.4. 주요 용어 및 관련 직업군
4.1. 주요 용어
- 지구조학: 지구조학(tectonics)의 어원은 영어로 ‘builder’의 뜻을 가지는 그리스어 ‘tektos’에서 유래되었다. 지구조학은 광역적 범위로 암석권의 기원과 지질학적 진화에 대해 연구하는 학문이다. 지구조학 이론 중 가장 일반적으로 알려진 것이 판구조론이다.
- 응력: 응력(stress)은 단위면적 당 주어진 힘으로써, σ(응력)=F(힘)/A(면적)로 나타낼 수 있으며 단위로는 1Pa(파스칼)=1N/㎡이다. 힘이 주어지는 면에 수직하게 작용하는 것을 수직응력(normal stress), 면에 평행하게 작용하는 것을 전단응력(shear stress)이라 한다.
- 변형: 일반적으로 구조지질학에서 ‘deformation’과 ‘strain’은 한글로 모두 변형이라 해석되지만 이는 엄연히 구분되어 사용되어야 한다. 흔히 임의의 물체가 응력(stress)을 받아 야기된 물체의 변화를 통칭하여 ‘deformation’이라 한다. 이 중 위치와 방향의 변화인 강체변형(rigid body deformation)을 제외한, 모양과 크기의 변화인 비강체변형(non-rigid body deformation)에 한해서 strain이라 표현한다. 이와 같은 혼동을 피하기 위하여 strain을 응력변형으로 해석하는 역자도 있다.
- 지각수축설: 18세기 유럽의 지질학자들은 산맥의 형성에 관하여 많은 궁금증을 가지고 있었다. 이들 중 지구가 냉각과정을 통해 수축하게 되고 이를 통해 다양한 단층과 습곡들이 만들어지면서 산맥을 형성하는 것으로 설명한 이론이 지각수축설이다.
- 지향사설: 1859년 미국의 지질학자 제임스 홀(James Hall)이 애팔래치아 산맥에 대해 연구하며 처음 사용한 용어로써 지각(地) 아래를 향해서 구부러진 곳(向斜)이란 의미를 담아 지향사(地向斜, geosyncline)라 일컬었다. 지향사에 대한 연구는 두꺼운 퇴적층으로 구성된 습곡산맥에 관한 것으로서 애팔래치아 산맥, 알프스 산맥이 대표적이었다. 판구조론이 대두되기 이전 100여 년 동안 지질학의 큰 이슈였으나 대규모 습곡산맥이 판구조론에 의해 충돌대에 의한 조산운동의 결과로 밝혀지면서 현재에는 거의 사용되지 않는 이론이다.
- 탄성체(elastic body): 물체에 응력을 증가시킬 경우, 응력과 비례하여 변형이 증가되며 응력을 제거하면 변형도 회복되는 특성을 보인다. 탄성체에서 응력과 변형은 일차함수의 형태로 나타날 수 있으며 이때의 기울기는 응력(stress)/변형(strain)으로서 탄성체 고유의 특성을 타나낸다.
- 소성체(plastic body): 물체에 일정한 응력을 가해도 변형이 증가하며 응력을 제거해도 변형은 회복되지 않는다.
- 입체투영법(stereographic projection): 야외조사를 통한 3차원 면구조 또는 선구조를 2차원 상에 도면화하기 위해 사용하는 방법으로 투영방법에 따라 등적투영법, 등각투영법, 극투영법이 있다. 구조지질학에서는 주로 등적투영법을 사용하며 실제 측정이 어려운 구조의 계산과 해석에도 효율적으로 사용될 수 있다.(유사어: 평사투영법)
4.2. 관련 직업군
- 연구기관: 한국지질자원연구원, 한국해양과학기술원, 한국기초과학지원연구원, 한국원자력연구원, 한국시설안전공단, 한국건설기술연구원 등의 정부출연연구소
- 국영기업체: 한국광물자원공사, 한국농어촌공사, 한국석유공사, 한국가스공사, 한국원자력환경공단, 대한석탄공사, 석탄개발 합리화사업단, 한국수자원공사, 한국원자력안전기술원, 국립환경연구원 그리고 한국전력공사 등
- 해외자원개발회사
- 광산회사, 천연광물자원을 이용하는 각종 산업체(제올라이트 또는 벤토나이트 제품 제조회사, 요업회사 등)
- 건설회사 및 지질지반회사