2019 심화교육 – 고체지구과학(지질1) 강의노트 2

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2019-09-28 경남과학고등학교 오유신 작성

#지각의 변형작용 – 습곡(Fold)과 단층(Fault)을 중심으로

주향(Strike)과 경사(Dip)

주향(Strike): 공간(층리, 단층, 엽리면)과 수평면이 교차하면서 만드는 선의 방향

경사(Dip): 암석의 면구조와 수평면 사이에서 만들어지는 예각. 항상 주향과 경사는 수직 방향. 경사 방향은 자연스럽게 물체가 암석면 상에서 흘러내리는 방향이고, 그 사이각도가 경사각

모든 주향 방향은 북쪽을 기준으로, 동/서쪽으로 몇 도 기울어졌는가?로 표기.

> Ex: 주향 방향이 진북 방향에 대해 동쪽으로 35도 기울어짐 = N35E, 주향 방향이 진북방향에 대해 서쪽으로 45도 기울어짐 = N45W

주향과 경사는 지형도 위에서 암석의 분포 상태를 그려넣는 지질도 작성에 참고됨.

그림 참고.

암석들은 어떻게 휘어지는가?

습곡이나 단층이 형성되는데 주요하게 작용하는 4개 요소는 다음과 같다.

> 그 과정에서 가해진 힘의 종류(가장 주요한 작용), 압력, 온도, 암석의 광물구성

변형작용(Deformation): 암석의 위치, 방향, 모양, 크기 등이 바뀌는, 암석의 모든 변화를 지각 혹은 암석의 변형(변형작용)이라 한다.

응력(Stress): 단위 면적당 작용하는 변형력의 크기

변형작용(Deformation)

세 가지의 종류가 있다.

1. 탄성(Elastic) 변형 – 외력이 제거되면 원형으로 복귀

2. 연성(Ductile/plastic) 변형 – 외력이 제거되어도 변형상 유지, 휘거나 쭉-늘어남(외력에 의해) - 지하 깊은 곳에서 온도가 높으므로 습곡의 생성에서 연성 변형 작용이 우세하게 작용

3. 취성(Brittle(rupture or facture)) 변형 – 외력이 제거되어도 변형상 유지, 뚝뚝 끊어짐(파열)(외력에 의해) - 지표 근처에서 온도가 낮으므로 깨지는 취성 변형 작용이 우세하게 작용 – 이에 의하여 습곡(Folding)되거나, 신장(Streching)되거나, 전단운동하거나(뒤틀리면서 늘어남, Shearing) 한다. -> 단층이나 절리 등이 해당(어떤 지층이 취성 작용을 받아 깨지는 경우에 나타남)

역단층(Reverse faulting): 상반이 하반의 위로 올라간 단층: 압축력 우세

정단층(Nomal faulting): 상반이 하반의 아래로 내려간 단층: 장력 우세

주향이동단층(Strike-strip faulting): 주향 방향을 따라 발달한 단층

암석의 온도가 높다면 연성 변형이 우세, 온도가 낮으면 취성 변형이 우세. -> 지온 경사를 생각할 때 암석 생성 깊이와 크게 연관

응력(Stress)

암석에 가해지는 힘을 뜻하는 용어

균등응력(모든 방향에서 크기가 같은 힘 like 수압)과 차별응력(방향에 따라 크기가 다른 힘)으로 나눌 수 있다.

차별 응력은 암석의 모양을 바꾸는데 기여하며, 차별 응력에는 대표적으로 압축력(압축응력, Compression), 장력(인장응력, Tension), 전단응력(Shear)이 있음.

압축응력(Compression): 횡압력으로 흔히 생각하면 됨. 양쪽에서 눌러서 압축

인장응력(Tension): 양쪽에서 잡아땡겨서 연장

전단응력(Shear): 물질과 평행하게 힘이 작용하여, 물체가 이른바 ‘미끄러지는 운동’을 하게 됨.

암석에 더 많은 응력을 가할수록, 암석의 변형이 더 커진다.
멀쩡한 암석에 힘을 주면, 탄성한계점까지는 탄성적인 변형을 보이다가(Elastic region) 탄성한계점을 지나면 연성 변형이 일어나고(Plastic region), 암석이 결국 깨지는 파열점(Fracture)에 도달하게 된다.(파열점이 넘으면 취성)

변형(Strain) - 변형 작용인 Deformation과는 다른 개념

암석에 Stress가 가해져서, 암석에 일어나는 되돌아갈 수 없는 영구적 변화

변형 작용의 깊이(Depth of deformation)

변형 작용이 일어나는 깊이에 따라서도 암석의 변형 작용 경향성이 달라짐. 얕은 깊이에서는 취성 우세, 깊은 깊이에서는 연성 우세.

단층(Faults)

단층은 판 구조 운동에 의해서 발생한 Stress로 암석이 깨지면서 위치의 변화(움직임)가 있는 지질구조.

지층면에서는 연속적이지 않고 뚝-뚝 끊기는 것을 보고 단층임을 판별 가능해야 함. 단층면 보고 정/역단층 판단 가능해야 함.

단층의 유형(Types of Faults)

1. 전사이동단층(Dip-slip faults)

> 단층면의 경사방향을 따라서 지괴가 이동하여 만들어진 단층

2. 주향이동단층(Strike-slip faults)

> 단층면의 주향방향을 따라서 지괴가 이동하여 만들어진 단층

3. 사교이동단층(Oblique-slip faults)

> 단층면의 경사/주향 방향 모두 따라서 지괴가 이동하여 만들어진 단층. 수직/수평 운동을 모두 한 단층이라고 생각하면 됨.

전사이동단층의 유형(Dip-slip faults)

정단층(Nomal faults): 상반이 하강, 하반이 상승한 전사이동단층, 인장응력의 우세 작용

역단층(Reverse faults): 상반이 상승, 하반이 하강한 전사이동단층, 압축응력의 우세 작용

정상 이동 방향이 상반 하강, 하반 상승임을 기억할 것.

단층의 시간에 따른 변화

초기 정단층이 형성된 이후, 침식과 풍화에 의해 단층면이 잘 드러나다가, 이후 같은 원리로서 다시 평평해져 잘 보이지 않게 될 수 있음.

단층이 일어나는 대표적인 지형 – 발산형 경계 부근

발산형 경계 부근 지역에서 발산형 경계를 중심으로 하여 정단층이 발달.

쓰러스트 단층(Thrust Faults)

역단층 중에서 경사각이 30도 미만인 단층을 특별히 분리하여 쓰러스트 단층이라고 말함.

하부에 쌓여있던 오래된 암석이 역전되어 더 나중에 퇴적된 암석 위로 올라가는 경우.

주향이동단층(Strike-slip Faults)

우리가 수평면에서 단층을 관찰할 때, 먼 쪽에 있는 지괴가 이동한 방향을 기준으로 좌/우수향 주향이동단층을 판별.

어느 한 쪽의 지괴에 관측자가 서 있을 때, 멀리 있는 지괴가 왼쪽으로 이동시 좌수향 주향 이동단층, 오른쪽으로 이동시 우수향 주향이동단층

주향이동단층 중에서도 그 경사가 거의 수직인 주향이동단층을 특별히 변환단층이라고 말함.

대표적 예: 산 안드레아스(San Andreas) 단층 – 우수향 변환단층이다.

사교이동단층(Oblique-slip Faults)

두 지괴에 장력 또는 압축력, 전단응력 등이 복합적으로 작용하여 나타나는, 단층면의 경사 방향과 주향 방향 모든 방향으로 움직임이 일어나는 단층

위 그림의 경우, 수직으로는 상반이 아래로 이동했으므로 정단층, 수평으로 볼 때는 관측자 기준 멀리 있는 단층이 좌향으로 이동했으므로 좌수향 정단층의 사교이동단층

습곡(Folds)

습곡은 단층처럼 깨지지 않고, Stress에 의해 암석이 휘어져서 나타나며, 다양한 규모로서 발생.

다양한 종류의 습곡이 존재

> 배사습곡(Anticline), 향사습곡(Syncline), 단사습곡(Monocline), 횡와습곡(Recumbent fold)로 크게 나누어짐.

습곡들을 구분하는 기준은 습곡축(Fold Axis – 습곡에서 경사가 바뀌는 변곡점들을 모두 이은 선), 이 깊이에 따라 무수히 존재하는 습곡축들을 모두 포함하고 있는 하나의 면을 습곡축면(Axial plane)이라 한다.

습곡에 따라서, 습곡선이 수평일 수도 있고, 기울어져있을 수도 있다. 수평인 경우는 수평습곡(Horizontal fold), 기울어진 경우는 침강습곡(Plunging fold)라고 칭한다.

침강 습곡의 경우는 2가지 형태가 가능한데, 침강배사습곡(Plunging anticline)과 침강향사습곡(Plunging syncline)이 그것이다. 침강배사습곡은 습곡축이 기울어져 있으면서 배사습곡인 것이고, 침강향사습곡은 습곡축이 기울어져 있으면서 향사습곡인 것이다.

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위의 침강배사습곡과 침강향사습곡에서 지질도와 주변 암석의 연대를 보고 이 둘을 구분하거나, 그 정보들을 토대로 이렇다는 것과, 축의 기울어진 방향을 판별할 수 있어야 함.

배사습곡(anticline)과 향사습곡(syncline)

배사습곡(anticline)은 쉽게 말하여 위로 볼록 올라간 습곡으로서, 정확한 정의는 지층이 굽어진 안쪽에 가장 오래된 지층이 있는 습곡이다.

향사습곡(syncline)은 쉽게 말하여 위로 오목하게 들어간 습곡으로서, 정확한 정의는 지층이 굽어진 안쪽에 가장 젊은 지층이 있는 습곡이다.

이런 배사/향사 습곡은 모양과 지층의 선후관계가 모두 만족되어야 온전히 정의될 수 있음.

대칭습곡(Symmetrical Folds)과 비대칭습곡(Asymmetrical Folds)

습곡에서 모든 습곡축면들이 거의 평행하게 배열되어 있으면서 수직인 경우 그 습곡은 대칭습곡이고, 습곡에서 모든 습곡축면들이 평행하지 않거나 평행해도 수직이 아닌 경우 그 습곡은 비대칭습곡이라 한다.

역전된 습곡(Overturned fold)

습곡 축면의 경사각이 매우 작을 경우는, 하부의 암석이 위로 올라탄 경우에 해당.

횡와습곡(Recumbent fold)

습곡 축면이 거의 누워있는 습곡으로서, 오래된 지층이 올라탄 Overturned fold에 해당