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Chapter 7. 단층

1. 용어설명(Some Definitions and Distinctions)
2. 단층 인지법(Recognizing the Physical Character of Faults)
3. 단층암(Fault rocks)
4. 지질도와 단면도에서의 단층(Map and Subsurface Expressions of Faults)
5. 단층과 관계된 용어(The Naming of Faults)
6. 단층의 형성기구(Faults Mechanics)

1. 용어설명
(1) 단층 (faults): 한쪽 지괴(block)가 다른 지괴(block)에 대해서 서로 평행하게 상대적으로 다른 방향으
                         로 움직이는 불연속면.
(2) 단층대 (fault zone): 수많은 단층으로 이루어진 지역
(3) 전단대 (Shear zone): 연성변형작용(plastic deformation)에 의해 전단 변이를 수용함.

2. 단층 인지법(Recognizing the Physical Character of Faults)
(1) 단층절벽(Fault scarps)
1) fault scarps(단층절벽): 단층활동에 의해 형성된 조그만 절벽.
2) fault-line scarps(단층선절벽): 단층위에 차별 침식에의해 형성된 조그만 절벽.
3) triangular facets(삼각절면): 단층면에 의해 형성된 삼각형 모양의 절벽.
(2) 단층면(Fault Surfaces)
1) tip line loop(끝선고리): 단층면은 대체로 타원형의 모양을 가짐: 단층면이 끝나는 부분을 연결한 선.
2) 미끄럼면(slickensides)과 미끄럼선(slikenlines)
    가. slickensides(미끄럼면): 평탄하고 빛나는 단층면
    나. 섬유상광물(neomineral coatings): 변이가 일어날 때 단층면에 형성된 광물
   다. slickenlines(미끄럼선): 단층면에 발달한 선구조 변이의 방향을 지시
      i) striations(단층조선): 마찰 마모에 의해 형성된 홈
     ii) streaks(줄무늬): 마모된 물질에 의해 형성된 줄무늬
     iii) 이랑 및 홈 선구조(ridges and grooves): 단층면이 강한 입자에 의하여 긁히거나 파인 결과 형성됨
     iv) 결정섬유선구조(crystal fiber lineations(slip-fiber lineation, slickenfibers: 미끄럼섬유):
           단층의 움직인 방향에 평행한 방향으로 성장하는 긴 섬유상 결정→단층작용에 의하여 형성된 빈
           공간을 채움.
     v) 슬리콜라이트(slickolites): 압력용해 작용에 의해 형성된 단층면상의 선구조.
    라. 수다자국(chatter mark): 단층조선에 수직으로 발달된 계단형태의 구조
(3) 단층대
1) 예인습곡(drag fold): 단층 주변에 형성된 습곡

3. 단층암(Fault rocks)
(1) 취성 단층암
1) 특징 :
    가. 10∼15km 보다 얕은 깊이에서 형성.
    나. 취성 변형작용 동안에 암석이 작은 입자로 깨짐.
      다. 개개의 암편: 주로 각이져 있으며, 암편에 많은 균열을 포함하고 있다.
      라. 변형작용에 의한 암석내부에서 판상 혹은 선구조가 형성되지 않음.
      마. 각력암 계열(breccia series): 1∼4km 깊이에서 형성.
           파쇄암(cataclasite): 4∼15km 깊이에서 형성.
2) 각력암 계열: 각력의 크기로 구분(1mm 이상).
      가. 거대각력암(megabreccia> 0.5m): 깨어진 암편이 주종.
      나. 각력암(breccia: 0.5m >clast size > 1mm): 깨어진 암편이 주종.
    다. 미각력암(microbreccia: 1mm >clast size > 0.1mm): 광물편이 주종.
    라. 단층비지(fault gouge): 깨어진 입자의 크기가 0.1mm 이하.
     - 각력암계열의 단층암과 단층비지는 일반적으로 응집되어있지 않음 (noncohesive).
        그러나 지하수가 유동하면서 SiO2 나 CaCO3를 침전시켜 암석화된다.
3) 파쇄암계열(cataclasite series): 고화되어 있고 응집력이 있는 단층암.
      가. 파쇄암(cataclasite:10mm > clast size > 0.1mm): indurated and cohesive
      나. 초파쇄암(ultracataclasite:1mm >clast size > 0.1mm)
4) 슈도타킬라이트(pseudotachylite): 건조한 환경에서 운동의 속도가 빠르면 마찰열 때문에
       암석의 일부분이 용융→이 용융된 물질이 암석의 깨우진 틈을 따라 관입.
      가. 유리질(glassy) 혹은 cryptocrystalline 물질로서 주위의 암석을 관입하기 도 한다.
      나. 기질(matrix): 갑자기 식게 되므로, 입자의 크기가 1 m보다 작으며 결정 모양이 생기지 않고 유리질
           혹은 탈유리(devitrified glass)로 구성.

4. 지질도나 단면상에서의 단층(Map and Subsurface Expressions of Faults)
(1) 지질도상에서(Geologic Map Expressions)
    1) 암석단위의 절단이나 어긋나기(truncation and offset of bedrock units)
    2) 층의 반복이나 생략(repetition and omission of strata)
(2) Expressions in Drilling Data
(3) Gravity and Magnetic Signatures
(4) Seismic Expression

5. 단층과 관계된 용어 (The Naming of Faults)
(1) 단층의 구성(Anatomy of Faults)
   1) 지괴(fault block) : 불연속면에 의하여 나누어진 암체
    ① hanging wall(상반) : 단층면의 상반부
    ② footwall(하반) : 단층면의 하반부
   2) 이동(Slip)
    ① 경사이동(dip-slip) : 단층의 경사 방향에 평행한 변이(up 혹은 down)
    ② 주향이동(strike-slip) : 단층면의 주향에 평행한 변이
    +-right-lateral, dextral : 우수향 주향이동
    +-left-lateral, sinistral : 좌수향 주향이동
    ③ 사각이동(oblique slip) : dip slip + strike slip
    ④ 순이동(net slip:true displacement): 변이 방향에 평행하게 측정한 변이량
   3) 분리(Separation)
    ① 분리 : 눈으로 확인되는 변이량
    ② 주향분리(strike separation) : 단층면의 주향방향으로의 분리
    ③ 경사분리(dip separation) : 단층면의 경사방향으로의 분리
    ④ 순분리(net separation) : strike separation + dip separation
   4) Heave and throw
    ① heave : dip separation의 수평성분(단층면의 strike에 수직)
    ② throw : dip separation의 수직성분(dip을 포함하는 수직면에서 측정)
(2) 단층의 종류
   1) Normal fault(정단층) : 상반이 하반에 대해 내려간 dip-slip fault.
   * graben and host
   2) Reverse faults(역단층) : 상반이 하반에 대해 올라간 dip-slip fault
   3) Strike Slip faults(주향이동단층)
    ① sinistral strike-slip fault
    ② dextral strike-slip fault
   4) Transform faults
    ① plate boundary가 또 다른 plate boundary로 변환될 때 생기는 단층.
    ② ridge-ridge, ridge-arc, arc-arc
   5) En echelon fault, radial faults, concentric faults
   6) bedding faults

6. 단층의 형성기구(Faults Mechanics)
(1) Amonton's law and The Coulomb-Mohr hypothesis
   1) Amonton's law
    ① F = μsW
       where : F = shear force
       W = normal force
       μs = coefficient of sliding friction(마찰계수)
    ② 양변을 면적(surface area : A)으로 나누면

      τ = μsσ
   2) Coulomb criterion of failure
    | τ| = S0 + μiσ
   where : τ = shear stress(strength)
     S0 = inherent shear strength
     μi = coefficient of internal friction
     σ = normal stress
    * τ가 criticial value 이상으로 커지면 fracturing이 일어난다.
   3) Mohr envelope
    ① = τ0 + σtanØ
     where : τ0 = cohesive strength of the material at zero normal stress
     tanØ = μi = coefficent of internal friction
     Ø = the angle of internal friction
    ② Experiment(Mohr envelope을 구하기 위한)
     i) triaxial test apparatus를 이용
     σ2 = σ3 값을 바꿔가면서 암석 sample이 깨질 때까지 σ1 값을 올림.
     ii) 각 test의 data(σ2 과 σ3)를 이용하여 Mohr circle을 그림.
     iii) 각 Mohr circle의 접선을 이으면 Mohr envelope가 된다.
(2) Anderson's Fault types
   1) Anderson's fundamental assumptions
    ① the crust was initially "intact”and "unfractured”
    ② one principle stress direction is vertical
    ③ the two other principal stresses must be horizontal and probably maintain a constant orientation
        for thousands to millions of years
    ④ forces must balance each other in a body in equilibrium
   2) Type 1. Thrust fault
    ① principal stresses σ1 and σ2 are horizontal. The least principal stress σ3 is vertical, and the dip
        on the fault plane will be about 30°.
    ② variations in the relative strength and other properties of different rock types permit more steeply
        and shallowly dipping segments to form in nature.
    ③ commonly only one dominant shear plane becomes a fault
    ④ Mohr-circle analysis of thrust faulting
    +- increasing values of σ1
    +- decreasing values of σ3
    → increase the stress difference(σ1 - σ3)
   3) Type 2. Strike-slip faults
    ① maximum and minimum principal stresses σ1 and σ3 are horizontal, implying that the
        intermediate stress σ2 is vertical and that the fault plane will have a near-vertical dip.
    ② Mohr-circle analysis of strike-slip faults
    +- increasing values of σ1
    +- decreasing values of σ3
    → increase the stress difference(σ1 - σ3)
   4) Type 3. Normal faults
    ① principal stress σ1 is vertical. The fault plane will dip about 60°.
    ② Mohr-circle analysis of normal faults
     i) starting at a large confining pressure
     ii) decreasing values of σ3 → incresaing the stress difference(σ1 - σ3).
(3) Role of Fluids
   1) Effective normal stress
        σ′= σ - Pf
       where σ′= effective normal stress
       σ = normal stress
       Pf = fluid pressure
   2) In Mohr diagram: Mohr circles are shifted to the left toward the failure envelope and then touch it
        leading to rupture and movement along the fault.
(4) Frictional Sliding Mechanisms
   1) Amonton's first law: slip을 일으키는 fracture 면에 평행한 tangential force(전단력)은 fracture 면에
      수직으로 작용하는 힘에    비례한다. Stress로 나타내면,
       τ = μσ
       where τ : tangential (shear) stress
       σ : normal stress
       μ : coefficient of friction
   2) Amonton's second law : frictional resistance to motion is independent of the contact area.
3) If water occurs in the fault zone
       τ = μ( σ - Pf )
       Pf : fluid pressure
(5) Movement mechanism
   1) Movement on faults
    ① stick slip (unstable frictional sliding): sudden movement on the fault after long-term
        accumulation of stress.
    ② stable sliding (continuous creep)
     i) uninterrupted motion along a fault
     ii) stress is relieved continuously and does not accumulate
    ③ active fault
     i) withdrawal of ground water: stable sliding → stick slip
     ii) pumping fluid into a fault zone can relieve accumulated elastic strain energy.
     iii) rapid pumping → trigger earthquakes
   2) Fault surfaces and frictional sliding
    ① asperity : microscopic to megascopic irregularities and imperfections
    ② displacement 증가 → contact area가 증가 → resistance to frictional sliding 증가
        (strain hardening) → 계속된 movement에 의해 asperity 수가 감소(contact area 감소) →
        the strength of the fault surface 감소(strain softening)
    ③ Byerlee's law of rock friction
     i) effective normal stress (s) < 0.2 GPa ← upper crust
        τmax = 0.85 S
     ii) 0.2 GPa < S < 2 GPa ← greater depth in the crust
        τmax = 50 MPa + 0.6 S