Paleoseismic investigation of the southern Ulsan Fault Zone, south Korea

Abstract

Historical earthquake and paleoseismic data suggest that the Ulsan Fault Zone is highly prone to large earthquakes in Korea. Therefore, it is important to understand the paleoseismic characteristics of the Ulsan fault to reduce future earthquake hazards. It is known that the NNW-trending Ulsan fault is dominantly a reverse fault. However, paleoseismic studies to understand the characteristic pattern of earthquake occurrence along the Ulsan fault are limited, especially in the southern segment of the fault. In this study, we evaluated the paleoseismic characteristics of an active fault in Buk-gu, Ulsan that was traced using remote sensing and field surveys. First, we traced the lineament of the fault based on geomorphic analysis using light detection and ranging images, aerial photographs, and unmanned aerial vehicles. Thereafter, excavation surveys were conducted using data from electrical resistivity survey. In the trench wall of Site 1, the sediment stratigraphy was divided into two layers based on grain size, type, and content; roundness of gravel; degree of sorting; and color. Four east dipping faults were identified and slickenlines were observed on the main fault plane, which indicate the predominance of strike-slip movement. In the trench wall of Site 2, the sediment stratigraphy was divided into five layers. Two east dipping faults were identified and slickenlines were observed on the main fault plane, which indicate the predominance of reverse movement. The true displacement associated with the last faulting event was calculated from the apparent vertical displacement of the displaced sediment and unconformity (~1.41 m) at Site 2. The moment magnitude was estimated using the maximum displacement-moment magnitude empirical equation (~ Mw 6.6) at Site 2. The estimated magnitude was consistent with the inferred magnitude (~ Mw 6.5-6.6) of an earthquake that occurred around the Ulsan coast in 1643. Further studies are required to estimate the timing of the latest faulting.

울산단층대는 우리나라에서 대규모 지진발생 가능성이 높은 단층대이며 역사지진과 고지진학적 자료에 따르면 과거 대규모 지진들이 발생하였다. 따라서 울산단층대에 대한 이해는 지진재해 측면에서 중요하다. 울산단층대는 북북서 방향으로 발달하고 있으며, 역단층이 우세한 단층으로 보고되어져 왔다. 그러나 울산단층대 남부지역은 북부, 중부지역에 비해 고지진학적인 연구가 수행되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 연구지역을 울산단층대 남부지역으로 설정하였고, 울산단층대 남부지역에서의 단층활동 특성을 파악하는데 목적을 두고 연구를 수행하였다. 야외조사에 앞서 LiDAR를 통해 획득된 영상, 위성사진, 항공사진 등을 활용하여 선형구조분석 및 지형분석을 실시하였다. 선형구조분석 및 지형분석 결과를 바탕으로 지하에서의 단층대를 확인하기 위해 물리탐사 방법 중 전기비저항탐사를 실시하였다. 전기비저항탐사 결과에서 비저항이상대가 확인된 지점에서 고지진학적 정보를 얻고자 굴착조사를 실시하였다. 제 1지점 굴착단면에서 퇴적층을 입자크기, 역의 종류와 함량, 원마도, 분급, 색상 등을 기초로 상부로부터 2개의 단위층으로 구분하였다. 단층은 동쪽 경사를 보이는 4매를 관찰했으며, 주 단층면에서 관찰되는 단층조선의 특성은 주향이동성분이 우세한 단층임을 지시한다. 제 2지점 굴착단면에서 퇴적층을 5개의 단위층으로 구분하였다. 동쪽으로 경사하는 단층 2매를 인지하였으며, 주 단층면에서 관찰되는 단층조선의 특성은 역이동성분이 우세한 단층임을 지시한다. 절단된 퇴적층의 겉보기 수직변위, 굴착단면의 경사각, 단층면의 경사각, 단층조선 등을 활용하여 계산된 실제변위량은 1.41 m로 계산되었다. 이 값을 최대변위-모멘트 지진규모 경험식에 대입하여 얻은 모멘트 지진규모(Mw)는 약 6.6이다. 역사지진기록을 살펴보면 1643년 07월 24일 울산연안에서 모멘트 지진규모 약 6.5~6.6의 지진이 발생했음이 기록되어 있다. 두 지진규모가 일치하지만 정확한 확인을 위해, 굴착단면에서 발견한 단층의 최후기 운동시기 등을 도출할 필요가 있다.