단층(斷層, 영어: fault, 문화어: 땅끊임)은 지각에 작용하는 압력 또는 응력에 의해 암석이 부서지고, 단층면을 경계로 양쪽의 지괴(地塊)가 상대적으로 어긋나거나 미끄러진 지질 구조를 말한다. 지질학에서 널리 사용되는 핵심 용어로, 지진 등 지각 변동과 밀접한 관련을 가진다.
정의와 기본 개념
단층은 퇴적암, 화성암, 변성암 등 모든 암석에서 형성될 수 있으나, 층서 구조가 뚜렷한 퇴적암 내의 단층이 비교적 쉽게 인지된다. 단층의 움직임을 단층운동, 어긋난 면을 단층면(fault plane)이라 하며, 단층면이 지표에 나타난 선을 단층선(fault line)이라 한다. 다수의 단층면이 밀집하여 띠 모양의 지역을 이루는 경우 단층대(斷層帶, fault zone)라고 부른다.
단층의 양쪽 지괴 중 경사진 단층면의 위쪽에 놓인 지괴를 상반(上盤, hanging wall), 아래쪽에 놓인 지괴를 하반(下盤, foot wall)이라고 한다.
단층의 분류
단층은 작용한 응력의 방향과 이동 양상에 따라 여러 가지로 분류된다.
첫째, 정단층(正斷層, normal fault)은 인장력(張力)에 의해 상반이 단층면을 따라 아래로 미끄러진 단층이다. 지각이 늘어나는 환경에서 주로 발달한다.
둘째, 역단층(逆斷層, reverse fault)은 횡압력(橫壓力)에 의해 상반이 하반 위로 밀려 올라간 단층이다. 판의 수렴형 경계에서 흔히 나타난다. 역단층 중 단층면의 경사각이 45도 이하인 것을 충상단층 또는 스러스트 단층(thrust fault)이라 따로 구분한다.
셋째, 주향이동단층(走向移動斷層, strike-slip fault)은 단층면을 따라 지괴가 수평 방향으로 이동한 단층이다. 단층면을 기준으로 건너편 지괴가 오른쪽으로 이동하면 우수향 주향이동단층, 왼쪽으로 이동하면 좌수향 주향이동단층이라 한다.
이외에도 단층면이 수직인 수직단층, 단층의 어긋나는 정도가 위치에 따라 달라지는 경첩단층(힌지단층) 등이 있다. 자연계에서는 이러한 이상적인 유형들 사이의 중간적인 형태가 대부분이다.
단층의 구성 요소
대규모 단층대는 크게 단층핵(fault core), 단층손상대(fault damage zone), 그리고 모암(wall rock)으로 구분된다. 단층핵은 전단 변형이 가장 집중되어 모암이 파괴된 부분으로, 단층비지(fault gouge), 단층각력암(breccia), 파쇄암(cataclasite) 등의 단층암이 생성된다. 단층손상대는 단층핵 양쪽에서 미세균열, 절리, 부수 단층 등이 발달하는 부분이다.
단층면이 오랜 마찰 작용으로 연마되어 매끄러워진 상태를 단층경면(斷層鏡面, slickenside)이라고 하며, 단층면 위에 운동 방향과 평행하게 나타나는 줄무늬를 단층조선(斷層條線)이라고 한다.
단층과 지진
단층의 급격한 전단 운동은 지진의 주요 원인이 된다. 지진 발생 시 단층 운동에 따른 지반 변형과 응력의 국지적 재분배는 여진의 발생 위치와 관련이 있으며, 이를 분석하는 쿨롱 응력 전파(Coulomb stress transfer) 분석법이 최근 활발히 활용되고 있다.
단층의 마지막 활동 시기를 알아내기 위해 단층비지의 ESR(전자자기공명) 연대측정법과 OSL(광여기루미네선스) 연대측정법 등이 사용된다. 또한 단층의 연장선은 지표에서 직접 확인하기 어려운 경우가 많아, 지구물리 탐사(탄성파 반사법, 전기비저항 탐사 등)가 활용된다.
단층 지형
단층 활동은 지형 형성에도 큰 영향을 미친다. 단층면을 따라 급사면이 형성된 것을 단층애(fault scarp)라고 하며, 단층선을 따라 차별적 풍화·침식이 일어나면 단층선곡(fault-line valley)이 나타난다. 두 개의 평행한 정단층 사이의 지괴가 상대적으로 내려앉아 형성된 지역을 지구(地溝, graben), 상대적으로 솟아오른 지역을 지루(地壘, horst)라고 한다. 주향이동단층과 만나는 하천 구간에서 유로가 꺾이거나 휘어진 변위 하도·굴절 하도가 관찰되기도 한다.
한국의 단층
한반도는 비교적 안정 지괴에 속해 일본 등 주변부에 비해 단층운동이 미약하지만, 중생대에 발생한 여러 지구조 운동으로 인해 전국에 약 450여 개의 단층이 분포하는 것으로 추정된다. 대표적인 단층으로는 양산 단층대, 울산 단층대, 추가령 단층, 공주-금왕 단층대, 광주 단층, 전주 단층, 왕숙천 단층, 인제 단층 등이 있다. 특히 부산·양산·경주·포항을 연결하는 양산 단층대와 울산 단층대는 활성단층의 대표 사례로 꼽힌다. 활성단층에 대한 연구는 발전소, 댐 등 주요 구조물의 안전성 평가 측면에서 중요한 의미를 가진다.
해외의 주요 단층
세계적으로 유명한 단층으로는 미국 캘리포니아주를 남북으로 가로지르는 샌안드레아스 단층(북아메리카판과 태평양판의 경계), 튀르키예의 북아나톨리아 단층과 동아나톨리아 단층, 뉴질랜드의 알파인 단층(태평양판과 오스트레일리아판의 경계), 사해 단층, 일본의 주오 구조선 등이 있다. 이들 단층 중 일부는 대규모 지진을 유발하는 것으로 알려져 있다.
