습곡

왜 배우는가: 습곡은 지층이 휘어진 구조를 해석하는 출발점이어서 지질 조사와 지질공학 설계에서 빠지지 않는 개념이다. 지층의 반복과 생략을 일으켜 터널과 댐의 계획에 직접 영향을 주므로 실무에서 중요하다. 시험에서는 정의, 종류, 구조물 영향이 함께 묻는 형태로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제129회 4교시 1번, 제123회 1교시 2번, 제122회 2교시 4번, 제110회 2교시 2번, 제102회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

습곡은 평평하게 쌓인 지층이 횡압력을 받아 깨지지 않고 물결 모양으로 휘어진 구조이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 습곡: 지층이 물결 모양으로 휘어진 구조 전체를 가리킨다.
• 배사: 습곡에서 위로 볼록하게 휜 부분이다.
• 향사: 습곡에서 아래로 오목하게 휜 부분이다.
• 날개: 배사와 향사 사이의 경사진 부분이다.
• 축면: 배사와 향사를 좌우로 나누는 가상의 면이다.
• 힌지: 습곡이 가장 크게 굽은 부분이다.
• 연성변형: 암석이 깨지지 않고 모양과 체적이 바뀌는 변형 과정이다.

2. 개념 풀이

습곡의 정식 정의는 층리나 엽리 같은 판상의 면구조가 구조적 변형작용을 받아 규칙적인 파형을 이룬 구조이다. 단층이 암석을 파단하여 면을 따라 변위를 만드는 것과 달리, 습곡은 암석이 끊기지 않고 연속적으로 휘어진 결과이다. 그래서 습곡은 변형을 받은 암석에서 가장 쉽게 관찰되며, 퇴적암의 층리, 변성암의 편리, 벽개처럼 면상구조를 가진 암석에서 흔히 생긴다.

원리는 암석의 변형 거동에서 출발한다. 응력이 가해지면 암석은 깨지기 전에 소성체처럼 반응하여 체적이 줄거나 늘고 모양이 변한다. 이러한 변형 과정을 연성변형이라 하며, 습곡은 이 연성변형의 대표적인 결과이다. 횡압력과 전단응력이 지층에 작용하면 판상의 지층이 좌굴작용을 받아 파형으로 휘어진다. 그 결과 습곡은 조산대 전역에 걸쳐 발달한다.

습곡의 기하는 몇 가지 요소로 설명한다. 배사는 습곡의 봉우리 부분으로 지층이 위로 볼록하게 휜 부분이고, 향사는 골짜기 부분으로 지층이 아래로 오목하게 휜 부분이다.

배사와 향사를 구분할 때는 지층의 나이가 기준이 된다. 배사 구조에서는 가장 오래된 지층이 안쪽에 있고 젊은 지층이 바깥쪽에 있다. 반대로 향사 구조에서는 가장 오래된 지층이 바깥쪽 날개에 있고 중심으로 갈수록 젊은 지층이 나타난다.

배사와 향사의 경사진 부분을 날개라고 부르며, 배사와 향사를 좌우로 나누는 가상의 면을 축면이라 한다. 축면의 기울기와 날개의 경사에 따라 습곡의 형태가 달라진다.

습곡의 굽힘이 가장 크게 집중되는 부분은 힌지이다. 힌지를 따라 두 날개의 방향이 바뀌므로, 힌지의 위치와 방향은 습곡 전체 형태를 결정하는 기준이 된다.

습곡의 규모는 다양하다. 한 개의 물결 사이 거리인 파장이 작은 것부터 수 km 이상에 달하는 큰 것까지 있다. 작은 규모의 습곡은 노두에서 직접 관찰되고, 큰 규모의 습곡은 지질도와 주향·경사 자료로 파악한다.

습곡의 종류는 향사축을 중심으로 형태가 좌우대칭을 이루는지, 두 날개의 경사각이 같은지 다른지에 따라 결정한다. 이 기준으로 정습곡, 경사습곡, 횡와습곡 등으로 나뉘며, 날개의 경사와 축면의 경사에 따라 더 세분되기도 한다.

침식에 따른 지형 역전도 함께 이해해야 한다. 배사부는 장력을 받아 약화되기 쉬워 풍화와 침식을 상대적으로 강하게 받는다. 반면 향사부는 압축을 받는 부분이라 상대적으로 남아 있기 쉽다. 그 결과 처음의 지형과 반대로 향사부가 산맥을 이루고 배사부가 하곡으로 바뀌는 경우가 많다.

3. 등장 배경과 필요성

습곡이 생기는 배경은 지각의 수평 압축이다. 판과 판이 서로 밀리거나 지각이 짧아지는 조산운동이 일어나면, 본래 수평으로 쌓여 있던 퇴적층이 횡압력을 받아 휘어진다. 그래서 습곡은 조산운동이 활발했던 조산대에 집중된다. 습곡이 넓게 누적된 지역은 습곡 산맥을 이루며, 알프스 산맥, 히말라야 산맥, 로키 산맥, 안데스 산맥이 대표적인 예이다. 히말라야 산맥은 신생대 제3기의 조산운동으로 형성된 거대한 습곡 산맥이다.

지질 연구 측면에서 습곡은 지각 형성 과정을 읽는 단서이다. 습곡의 방향, 기하, 분포를 연구하면 암석에 작용한 힘과 응력의 방향을 추정할 수 있다. 같은 자료는 지하 지질을 예측하는 데에도 쓰인다. 접힌 지층에 단층이 함께 발달한 지역에서는 지표의 습곡 형태로부터 지하 지층의 분포와 위치를 짐작할 수 있다.

공학적 필요성은 지층의 반복과 생략에서 나온다. 습곡은 지층의 경사와 주향을 노선을 따라 바꾸므로, 같은 지층이 여러 번 나타나거나 예상하지 못한 지층이 나타날 수 있다. 이 경우 지층의 성질이 설계 가정과 달라져 공사비, 공기, 안전성에 영향을 준다. 따라서 교통 터널, 수력 터널, 댐과 저수지의 부지 선정, 도로와 교량의 노선 결정에서는 습곡의 존재를 반드시 고려해야 한다. 습곡을 제대로 조사하고 해석하지 않으면 구조물은 경제성이 떨어질 뿐 아니라 안전성도 확보하기 어렵다.