토모그래피에 의한 북한지역의 지각구조 연구 . 2003 = Crustal structure of North Korea using seismic tomography

국문 초록 (Abstract)

지진위험과 지구내부구조를 명확히 판단하기 위해 지진파 토모그래피(seismic tomography) 연구가 부각되고 있으며 지진파 토모그래피를 이용한 지각구조의 3차원 영상화(3-D)는 최근에서야 활발하게 연구되어지고 있다. 본 연구는 지금까지 한반도 중부와 남부지역에 비해 연구가 미비한 북부지역의 3차원 지각속도구조를 지진파 국지 토모그래피(local tomography)방법을 적용하여 결정하였다.

북한지역의 60 km 깊이까지의 지각구조결과를 토모그래피방법으로 결정하였다. 본 연구에서는 북한지진관측소와 IRIS (Incorporated Research Institutions for Seismology)의 중국-북한 임시관측소(PASSCAL-Experiment) 그리고 한국관측소 등에서 기록된 국지 이벤트(local event)의 P파와 S파의 주행시간(travel time)을 이용하였다. 관측소에서 관측된 이벤트의 P파와 S파 주행시간의 개수는 1013개이고 모든 지진은 진원재결정 알고리즘(localization algorithm)에 기초하여 진원위치를 결정 하였으며 속도구조의 변수는 파선밀도(ray density) 분포에 따라 연구지역에서의 격자(node)을 이용하여 구성하였다.


연구공간에서 4면체 블럭(block)을 구성하기 위하여 삼각모양의 프리즘(prisms)을 만들어 위와 아래의 레벨(level)에 위치한 격자들을 이용하여 4면체 블럭(tetrahedral blocks)을 만들었다.


연구결과 낭림육괴 지역의 8 km 깊이에서는 P파 속도는 높게 S파 속도는 낮게 나타났다. 반면에 평남분지 지역의 24 km에서는 P파와 S파 속도 모두 낮게 나타났다. 이는 낭림육괴지역에 지하수나 Hot Springs을 포함하고 있는 많은 단층과 균열이 있다는 것이다.

특히, 백두산지역의 8, 16, 24 km 깊이에서는 P파와 S파 속도 모두 빠르게 나타났으며 38 km 깊이에서는 모두 느리게 나타나는 것으로 볼 때, 낮은 깊이에서는 마그마(magma) 도랑(conduit) 속이 고체화 되어있고, 깊은 곳에서는 부분용융(partial melting) 되어있는 것으로 생각된다. 결과적으로 백두산은 모호불연속면(moho discontinuity)에 가까이 갈수록 부분적으로 녹아있는 Magma Chamber가 있는 휴화산으로 판정되며 이는 기존의 연구결과(백두산 총서, 지질, 1993)와 일치한다.

옹진분지에 있는 사리원(Sariwon)지역은 수직 단면도 결과 지각두께가 55 km의 깊이로 깊게 나타으며, 반면에 백두산 부근은 38 km 로 나타났다.

낭림육괴(Rangnim Massif) 가장자리의 묘향산 근처 40 km 깊이에서는 P파와 S파 속도가 매우 높은 물질이 존재한다는 것을 발견하였다. 이는 Archean Basement속에 밀도가 매우 높고 Kimberlite Type를 포함하는 초염기성 암석(ultramafic rock)과 연관성이 있다. 박천-기송리(Bakchon-Kisongri)지역에서 Kimberlites가 발견되었다고 보고 되어 있다.

북서에서 남동방향으로 삭주(Sakju)에서부터 원산(Wonsan)까지 Crust-Mantle Deep Faults가 이어지고 있는 것을 볼수 있으며 이는 낭림육괴와 평남분지사이의 경계부근에 상당히 큰 구조운동(tectonic movements)이 있었다는 것을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

P- and S-wave velocity anomalies of the Rangnim Massif at depth of 8 km are relatively high and low, respectively. This indicates that the Rangnim Massif contains Archean-early Lower Proterozoic Massif foldings with many faults and fractures in saturation with underground water and/or hot springs. On the other hand, the Pyongnam Basin is characterized by low P- and S-wave velocities up to 24km depth. The Pyongnam Basin is an intraplatform depression which was filled with sediments of Upper Proterozoic, Silurian and Upper Paleozoic, and Lower Mesozoic origin.
The high P- and S-wave velocity anomalies are observed at depths of 8, 16, and 24 km beneath Mt. Backdu, suggesting the shallow conduits of the solidified magma bodies, while the low P- and S-wave velocity anomalies at depth of 38 km are most likely to be a the magma chamber of low velocity bodies with partial melting. The high ratio of P- to S-wave velocity at Moho suggests the existence of a partially melted body near the boundary between the crust and mantle. Consequently, we may well consider Mt. Backdu as a dormant volcano underlain by the intermediate magma chamber near the Moho discontinuity.
The Moho discontinuities beneath the Ongjin Basin including Sariwon and the Chugarong Rift Zone are estimated to be at about 55 km and 40 km depths, respectively. The low P- and high S-wave velocities of the upper crust in the Ongjin Basin-Sariwon are interpreted to correlate with upwelling and subsidence in this region, respectively. The reliance of the data for the Chugaryong Rife Zone is not high due to the low ray-density.

목차 (Table of Contents)

• 요 약 문 1
• 제 1 장 서 론 4
• 제 2 장 본 론 8
• 1. 한반도 북부지역의 지체구조 8
• 1) 두만강 습곡대 (Tumangang Fold Belt) 12
• 2) 관모봉 육괴 (Kwanmo Massif) 13
• 3) 길주-명천 분지 (Kilju-Myongchon Basin) 14
• 4) 마천령 육괴 (Machollyong Massif) 15
• 혜산-리원분지 (Hyesan-Riwon Sedimentary Basin) 15
• 5) 낭림육괴 (Rangnim Massif) 18
• 6) 평남분지 (Pyongnam Sedimentary Basin) 20
• 2. 토모그래피(tomography)방법 23
• 1) 토모그래피 23
• 2) 연구방법(Method) 26
• 제 3 장 토모그래피 해석 43
• 제 4 장 결론 및 논의 77
• 참고문헌 80
• Abstract 84
• Appendix Ⅰ. Program (1) 86
• Appendix Ⅱ. Program (2) 94
• Appendix Ⅲ. Residual Travel Time 113
• 감사의 글 133