활성단층

왜 배우는가: 활성단층은 원자력발전소, 댐, 고층건축물 등 중요 시설의 부지 적합성 판단과 내진설계 지반운동 결정에서 가장 먼저 확인하는 지질 위험요소다. 지반공학 기술사 시험에서도 지반운동·지진재해와 연계해 반복적으로 출제되는 개념이다.

출제 이력: 제136회 1교시 1번, 제121회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

활성단층은 최근 지질시대에 활동했거나 장래에 다시 지진을 일으킬 가능성이 있는 단층이다.

• 활성단층(active fault)
• 제4기 단층(Quaternary fault)
• 단층 재활동(fault reactivation)
• 재발주기(recurrence interval)
• 단층 변위 속도(slip rate)
• 부지 적합성 평가(site suitability evaluation)
• 지표 파열(surface rupture)
• 직하형 지진(intraplate earthquake)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 활성단층은 "지금도 살아서 움직일 수 있는 단층"이다. 단층은 암석이 끊어져 어긋난 면이며, 그중 최근에 움직였거나 앞으로 움직일 가능성이 있는 것을 활성단층이라 부른다.

정식으로는 단층 중 최근에도 지진이 발생하였고 미래에도 지진을 일으킬 가능성이 높은 단층을 말한다. 학계에서는 보통 제4기(약 200만 년 전부터 현재까지) 동안 활동한 단층을 활성단층으로 본다. 다만 공학적 정의는 목적에 따라 더 좁게 정해진다. 예를 들어 미국 원자력발전소 건설 지침에서는 관련 기준이 정한 기간 동안 정해진 횟수 이상 운동한 단층을 활동성 단층으로 본다.

활성단층의 위험도는 단층 변위 속도, 마지막 활동 시기, 재발주기로 평가한다. 그 결과가 지진 규모 추정과 부지 판정의 근거가 된다. 연대 측정에는 ESR, OSL, 방사성 탄소연대, 우주선유발 베릴륨-10 등이 쓰인다.

국가마다 시간 기준이 다르다. 일본 국토지리원은 단층 규모에 따라 A급에서 C급으로 나눈다. 일본 지진조사연구추진본부는 30년 내 발생 확률로 S급(3% 이상), A급(0.1~3%), Z급(0.1% 미만), X급(확률 불명)으로 구분한다.

3. 등장 배경과 필요성

판 경계 사이의 지역은 지진 활동이 활발해 활성단층이 많이 분포한다. 한반도처럼 판 내부에 있는 지역에서도 내륙 지각 내 지진을 일으키는 단층이 확인되면서 이 개념의 중요성이 커졌다. 과거에는 지진을 일으키지 않은 단층을 무시하기 쉬웠으나, 최근 지진 기록과 연대 측정 연구로 제4기 단층 활동이 여러 곳에서 확인되었다.

건설 측면에서는 활성단층 위를 지나는 구조물이 지표 파열과 변위를 직접 받는다. 따라서 부지 선정 단계에서 활성단층 여부를 확인하고, 설계지진을 정할 때 단층 위치와 활동성을 반영해야 한다. 내진설계 기준은 설계지반운동을 지진구역, 위험도계수, 지반 분류로 정하지만, 단층 근접 부지는 부지 고유의 평가가 필요하다.

또한 지진 발생 후 피해를 줄이려면 사전에 단층 분포를 지도로 만들어야 한다. 활성단층지도와 지진위험지도는 이 목적으로 작성된다. 활성단층이 지반 액상화, 산사태, 낙석, 지진해일 같은 2차 재해와 연결되는 점도 필요성을 높인다.

4. 구성요소·원리·절차

활성단층은 지각 내에서 최근의 지질시대에 운동 흔적이 확인되고 향후에도 지진을 일으킬 가능성이 있는 단층이다. 단층의 활성 여부는 활동 시기, 변위 속도, 재발 주기의 세 요소로 판단한다. 공학적 판단에서는 이 세 요소가 부지 안정성과 내진설계 입력의 근거가 된다.

표의 구성요소는 단층 조사에서 서로 보완하는 자료다. 변위 기록만으로는 운동 시기를 알 수 없고, 연대 자료만으로는 변위량을 알 수 없다.

판정 원리는 활동 시기 기준이다. 학문적 정의는 제4기 동안 움직인 단층을 모두 활성으로 본다. 공학적 정의는 국가별로 다르며, 미국 원자력 시설 기준은 관련 기준이 정한 기간 동안 정해진 횟수 이상 운동한 단층을 활동성단층으로 본다.

활성단층 조사 절차는 다음과 같다.

• 지형·항공사진 판독으로 선구조와 단차를 찾는다.
• 노두 조사와 시추로 단층면, 단층대, 제4기 지층의 관계를 확인한다.
• 제4기 지층의 연대 측정으로 마지막 운동 시기를 정한다.
• 변위량과 연대를 나누어 평균 변위 속도를 산정한다.
• 재발 주기와 최대 지진 규모를 추정하고 설계지반운동 입력에 반영한다.

판정 기준 기간은 국가와 기준에 따라 다르다. 학문적으로는 제4기 기준이 널리 쓰이고, 공학적으로는 설계 대상 시설의 중요도에 맞춘 기간을 쓴다. 연대 측정 결과가 짧은 기간만 보여 주면 운동이 없었다고 단정하지 않는다. ESR 연대측정법은 지표 조건에서 약 10만 년보다 젊은 운동을 분석하기 어렵다는 한계가 있다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 내진설계의 지반운동 기준은 「건설기술 진흥법」 체계와 연계된 내진설계 기준 KDS 17 10 00(내진설계 일반)에 있다. 이 기준은 설계지반운동 수준, 지진구역계수, 위험도계수, 지반 분류를 정한다. 활성단층의 위치와 활동성 판정은 이 기준 밖의 지질·지진 조사 자료를 함께 쓴다. 기준 본문은 지진 재해 대응 목적과 시설물 중요도에 따른 내진성능 수준을 정한다.

기준값은 다음 표로 모은다.

표의 값은 기준 본문 원문에 따른다. 표 칸 값은 지진구역과 재현주기에 따라 달라지므로 이 절에서는 구조만 제시한다.

기준 개정 연혁은 다음과 같다. KDS 17 10 00은 기준 체계가 바뀔 때마다 지반 분류와 설계응답스펙트럼 항목이 조정되었다. 기초 내진 설계기준(KDS 11 50 25)은 구조물 기초의 설계지반운동을 KDS 17 10 00 4.2.1 을 따르도록 연결한다. 활성단층 자체의 판정 기준은 이 기준이 정하지 않으므로, 학문적 정의와 공학적 정의를 구분하여 쓴다.

국제 기준에서는 미국 원자력 시설의 활동성단층 기준이 대표적이다. 기준 간 차이는 판정 기간과 운동 횟수 조건에 있다. 국내 기준과 수치를 직접 비교하지 않고 정의 방식의 차이만 답안에 쓴다.

6. 유형과 비교

활성단층은 활동 시기와 판단 기준에 따라 학문적 정의와 공학적 정의로 나뉜다. 두 정의를 구분해야 조사 범위와 설계 대상을 정확히 정할 수 있다. 아래 표는 두 기준의 차이를 정리한다.