‡Corresponding author: +82-42-868-3045, E-mail: [email protected]
진안분지의 지구조변형과 지구조운동사
황재하‡․ 최범영
한국지질자원연구원 국토지질연구본부
요 약
진안분지에서 발달하는 소단층 군집을 이용해 고응력장과 지구조운동사를 복원하였다. 모두 2회의 신장응 력기와 3회의 압축응력기가 복원되었으며, 이를 통해 지구조운동사가 재편되었다. 진안분지는 최초로 남-북 압 축응력기를 거쳤으며, 이어 북동-남서 방향의 신장응력기, 북서-남동 향의 압축응력기, 북동-남서향의 압축응 력기 그리고 북서-남동향의 신장응력기를 순차적으로 경험하였다. 이러한 지구조운동사는 경상분지에서 복원 된 전기 백악기 이후의 구조운동사와도 잘 일치하고 있다. 그러나 경상분지에서 나타나는 초기 구조운동 사건 들이 진안분지에서는 확인되지 않는다는 것은 진안분지의 열림이 경상분지보다 늦게 시작되었음을 암시하는 것으로 해석할 수 있다.
주요어: 진안분지, 소단층, 고응력, 지구조운동사, 압축응력기, 신장응력기
Hwang Jae Ha and Choi Pom-Yong, 2012, Tectonic deformation and sequence of the Jinan Basin. Journal of the Geological Society of Korea. v. 48, no. 3, p. 241-248
ABSTRACT: Paleostress and tectonic sequence of the Jinan Basin have been reconstructed with minor fault tectonics based on the analyses of minor fault population from the selected 4 sites. The tectonic sequence of the Basin are composed of two extensional and three compressional tectonic events reconstituted and the sequence of the events established by relative chronology of the minor fault tectonics. The Basin had experienced N-S compressional, NE-SW extensional, NW-SE compressional, NE-SW compressional and NW-SE extensional events sequentially. The tectonic sequence of the Jinan Basin coincides with that of the Gyeongsang Basin in general.
But earlier two tectonic events found in the Gyeongsang Basin are absent in the Jinan Basin. The absence of the earlier events suggests that the opening of the Jinan Basin is later than that of the Gyeongsang Basin.
Key words: Jinan Basin, minor fault tectonics, paleostress, tectonic sequence, compressional event, extensional event
(Hwang Jae Ha and Choi Pom-Yong, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, 124 Gwahang-ro, Yuseong-gu, Daejeon 305-350, Korea)
1. 서 언
지각에 미치는 지구조적 응력의 영향으로 발생하 는 취성변형은 지각 천부에서 단층을 포함하여 단열 의 형태로 나타난다. 따라서 노두에서 인지되는 취 성변형 요소들에서 지구조응력을 복원하여 지각의 변형운동사를 재구성하고자 하는 연구들이 이루어 지고 있다(Huang and Angelier, 1989; Hwang and Angelier, 1992; Hwang, 1994; Chang and Baek,
1995; Moon et al., 2000; Choi et al., 2002; Chang et al., 2007). 국내에서 이러한 연구는 주로 상대적으로 변형이 적고, 변형사가 짧은 경상분지에서 여러 번 시도 되었다. 그러나 동일한 조건에 있으나 분지의 규모가 작은 진안분지에서는 아직 이러한 시도가 없 었다. 진안분지는 분지를 충진하고 있는 암층의 퇴 적시기가 경상분지와 대동소이한 백악기 암층들로 이루어지고 있으므로 지구조 변형사도 경상분지에 서 얻어지는 지구조변동사와 동일한 변동사를 가지
Fig. 1. Geological map of Jinan Basin (based on the Geological map of Kwangju Sheet 1:250,000 (Lee, B.J.
et al., 1997)). A; Location map of the studied area.
numbers; selected sites for paleostress analysis.
고 있을 것으로 판단되나, 경상분지와는 달리 옥천 대의 연변에 위치하고 있어 유사한 응력조건 아래에 서도 다른 거동을 보였을 가능성이 예상할 수 있다. 특 히 진안분지는 지구조적으로 극히 제한된 규모를 가 지는 육괴이고, 분지의 경계 양측이 모두 상대적으로 규모가 큰 대규모 단층들에 의해 규제되고 있으므 로, 주어진 광역응력이 분지에 발생시키는 변형은 경상분지와 다를 수도 있다. 이 연구에서는 이러한 지구조적 차이가 어떤 형태로 분지에 기록되어 있는 가 하는 것을 알아보고자 하였다.
2. 지체구조적 위치
진안분지를 형성하는 퇴적암의 암층서는 島村新 兵衛(Shimamura, 1925)에 의하면 하부로부터 만덕 산층, 달길층, 산수동층, 마이산역암층으로 구분된 다. Son (1969)는 島村新兵衛의 만덕산층은 마이산 역암의 연속이고, 달길층의 대부분도 마이산역암에 귀속된다고 하여 이를 웅치역암으로 달리 명명하였 다. 이로서 진안분지는 웅치역암을 기저역암으로 하 고 상위에 산수동층이 놓이는 층서로 이루어진다 하 였다. 이후 마이산역암의 형성과 관련하여 또 다른 층서연구들이 수행되면서 마이산역암은 단층애에
연하여 형성된 거력상(Boulder-conglomerate)으로 해석되었고, 이에 따라 마이산역암은 달길층, 산수 동층(Chang, 1985, 1987), 나아가 만덕산층(Lee, Y.U., 1992)까지 모두 동시에 퇴적된 층들로 해석되 기도 하다.
한반도를 북동-남서 방향으로 가로지르는 옥천구 조대의 경계를 따라 여러 곳에서 작은 규모의 백악 기 퇴적분지가 발달하고 있다(Hwang et al., 2001).
이들은 모두 지체구조적 경계부에 발달하는 구조분 지들로 분지의 열림이 대형 지구조단층과 관련되어 있다고 해석되어(Lee and Paik, 1990; Lee, Y.U., 1992; Lee, H.K., 1998, 2010) 분지 충진물의 퇴적 완 료 이후에도 얼마간 이러한 지구조단층작용의 영향 을 지속적으로 받았을 것으로 생각한다. Lee, Y.U.
(1999)도 분지 형성은 옥천대 남쪽 경계를 이루는 단 층의 주향이동운동에 의해 형성된 것으로 보았으며, 후속 단층운동에 의해 분지의 상승이 있었던 것으로 해석하고 있다. 진안분지는 옥천대 남서쪽에 위치하 며 옥천대와 영남육괴를 경계 짓는 영동단층의 남부 연장선과 광주단층의 북부 연장부 사이에 위치한다 (그림 1A). 따라서 이 분지는 영동단층이 남서쪽으 로 연장되면서 분지되는 지점에 쐐기 모양으로 발달 되어 있어 분지의 남, 북 양측 경계가 모두 단층으로 구획되고 있다. 이는 분지의 경계가 각각 단층과 부 정합으로 이루어지는 영동분지(Kim et al., 2002)와 는 다른 양상을 보이며 분지 양측이 단층 경계를 이 루는 음성분지(Choi, Y.S., 1996)와 유사한 구조적 특징을 가진다.
3. 단열구조
진안분지에서 단열구조의 통계학적 처리를 가능 하게 하는 정도의 자료를 수집할 수 있는 노두는 극 히 제한되어 있다. 경계단층에 인접한 지역에서 국 부적으로 단층들과 습곡이 기재되어 있기는 하나 (Lee, Y.U., 1998) 경계단층의 영향으로 연성변형이 중복되어 있어 고응력장 복원을 위한 자료 취득에는 어려움이 있었다. 더욱이 분지의 경계부는 모두 극 조립질인 역암 등이 분포하고 있어 취성변형 요소들 의 기록을 찾아볼 수 없었으며, 분지의 내부에서도 주로 역암과 이질암, 화산암의 분포가 넓어 단층군 집 자료의 수집은 용이하지 않았다. 또 분지 경계단
Fig. 2. Fault slip criteria of normal fault: groove (g) and ridge (r) based on hard mineral and striation (s).
Fig. 3. Photos show relative chronology of the fault striations. Striation prior (S1) and posterior (S2) are representative of each fault movement in each photo.
층에 인접한 지역에서는 응력의 국부적인 변화가 심 하게 있을 수 있어 통계처리 결과를 왜곡시킬 수 있 으므로 단층군집의 측정대상에서 제외하였다. 따라 서 상대적으로 노두의 상태가 양호한 4개소에서 소 단층군집의 수집이 이루어졌으나, 그나마 2개 지점 은 측정치가 아주 제한적이었다. 이들은 측정위치에 따라 각각 152 - 155 번의 위치번호가 주어졌다(그림 1). 소단층 군집의 측정이 이루어진 4개의 노두는 모 두 사질암이 우세하고 이질암이 교호되거나 협재하 고 있는 층들로 주로 조립 내지 세립질 사질암에서 군집의 발달이 양호하다. 4개 지점에서 모두 354개 의 소단층 군집이 측정되었다(그림 2). 단층들의 운 동학적 특성은 주향이동단층 성향을 보이는 것이 전 반적으로 가장 우세하고 정단층이나 역단층성 운동 감각을 보이는 것들은 지역에 따라 차이를 보이나 주향이동 성향의 단층들에 비해 상대적으로 수량이 많지 않다.
4. 고응력 해석
각각의 노두에서 취득한 소단층 군집에서 응력텐서 를 구하고 여기에서 주응력축을 복원하는 방법이 사용 되었다(Angelier, 1983; Choi, P.Y., 1991). 이러한 방법 은 Anderson (1942)과 Bott (1959)에 근거하는 것으 로 국내에서는 주로 변형사가 짧은 경상분지 지역에 서 많이 적용되었으며(Hwang and Angelier, 1992;
Hwang, 1994; Chang and Baek, 1995; Moon et al., 2000; Choi et al., 2002; Chang et al., 2007), 보다 고 기 암석의 분포지에서도 시도된 바 있다(Kim et al., 1992). 또 광역적인 응력해석 뿐 아니라 특정 단열구 조의 변형사에 대한 해석에도 응용되고 있다(Kim et al., 1992; Chae and Chang, 1994; Lee and Hwang, 1997; Chang and Chang, 1998; Choi et al., 2002).
이번 연구지역인 진안분지에서는 모두 4 지점으 로부터 소단층 자료가 수집되었고, 이들을 통하여 고응력장이 복원되었다. 복원된 고응력장을 응력기 별로 구분하고 각 응력기 간의 상대적인 단층운동 순서를 결정하여 보았다. 상대연대 순서를 결정하기 위하여 야외조사시 단층면에서 관찰된 단층조선의 상호 관계를 보여주는 증거들(그림 3)을 이용하였 다. 대부분의 단층면에서는 이러한 증거를 관찰하기 어려웠지만 전체적으로 41개의 단층면에서 상대연 대 순서를 확인할 수 있었다. 그러나 이 가운데 26개 단층면의 경우는 비교적 명확하게 순서를 보여주고 있으나, 15개의 단층면에서는 다소 신뢰도를 확신하 기 어려웠다. 그러나 이 15개의 단층면에서 관찰한 상호연대 증거들도 해석 과정에서 몇 개의 경우를 제외하고는 대부분 전체적인 상대연대사와 일치하 는 경향을 보여 진안분지 구조운동사 구성에 큰 영
Fig. 4. Analysis of minor fault population of the site 152. Diagrams show tectonic events as extensional event (E) and compressional event (C) respectively.
향을 주지는 않았다.
152번 노두 지점에서는 3번의 신장응력기와 5번 의 압축응력기 등 총 8개의 지구조운동기가 복원되 었다(그림 4). 복원된 8회의 구조운동기들의 상대연 대 순서를 확인하기 위하여 노두에서 확인되는 증거 들을 고려하면 3회의 신장응력기 사이에는 E1, E2, E3의 순서로 시대가 젊어졌고, 압축응력기는 C1, C2, C3의 순서로 젊어지는 것이 확인되었다. 그러나 C4와 C5의 경우는 C2보다는 신기로 확인되나 C3와 의 관계는 확실하지 않았다. 또 3회의 신장응력기와 압축응력기 간의 선후 관계도 뚜렷하게 밝혀지지 않 는다.
그림 5는 153번 노두 지점에서 얻어진 소단층 군 집들의 해석으로 얻어진 5회의 지구조운동기를 보 여준다. 2회의 신장응력기와 3회의 압축응력기로 나 누어지는데 C2와 C3 압축응력기는 군집의 수가 많 지 않아 신뢰도가 상대적으로 낮다. 이들의 상대운 동 순서는 E1, C1, C2, C3, E2로 젊어지는 것으로 나 타난다. 다만 뒤에서 계속 논의 되겠지만 E1과 C1의 상대순서는 기존의 연구 결과와 상반되는 결과이므 로 추후에라도 검토되어야 할 것으로 생각한다.
154번 노두는 대규모로 절개된 노두이나 소단층 군집의 발달은 매우 빈약하다. 여기서 확인되는 응
력기는 압축응력기 1회에 불과하였다(그림 6). 다만 상대적으로 후기의 것으로 판단되는 정단층의 발달 도 인지되고 있으나 응력텐서를 구하기에는 충분하지 못하였다. 155번 노두에서도 3개의 응력기가 복원되 는데 그쳤다(그림 7). 1회의 신장응력기와 2회의 압 축응력기가 확인되는데 이들 간에 상대연대순서는 분명하지 않으며, 압축응력기를 시사하는 C2도 통 계적으로 신뢰도가 높지 못하다는 약점은 있다.
5. 구조운동사
고응력장 복원에서 얻어진 응력기들의 상대운동 사를 이용하여 진안분지의 구조운동사를 구성하여 보았다. 표 1에 이번 연구에서 복원된 진안분지의 지 구조운동사와 경상분지 및 포항-울산 지역에서 얻어 진 구조운동사를 비교하였다. 남북 방향의 압축응력 기를 시작으로 북동-남서 방향의 신장응력기가 뒤따 르며, 북서-남동향의 압축응력기, 북동-남서향의 압 축응력기 그리고 북서-남동향의 신장응력기가 순차 적으로 진안분지 변형에 영향을 미친 것으로 판단된 다. 152번 노두지점에서 복원된 8개의 응력기 중에 유사한 응력축 방향을 가지는 C2와 C3 그리고 C4와 C5는 각각 동일한 응력기에 포함되는 세부 응력기
Fig. 5. Analysis of minor fault population of the site 153.
Fig. 6. Analysis of minor fault population of the site 154. Fig. 7. Analysis of minor fault population of the site 155.
를 지시하는 것으로 해석하여 모두 5개의 응력기로 크게 구분하였다. 다만 153번 노두에서 야외조사 자 료에 의하면 남-북향의 압축응력기보다 북동-남서 향의 신장응력기가 먼저 있었던 것으로 나타나고 있 어 후속 연구에서 확인이 필요하다.
이러한 구조운동사는 대체로 경상분지에서 얻어 진 연구 결과와 잘 대비되고 있어 적어도 백악기 후 반으로부터 진안분지도 경상분지와 동일한 응력장 의 영향을 경험하였다는 것을 지시하고 있다. 다만 진안분지의 각 응력기의 응력축 방향이 최대 응력축 방향이든 최소 응력축 방향이든 경상분지의 그것에 비해 반시계 방향으로 미소한 정도의 회전이 감지되 고 있다(표 1).
島村新兵衛(1925)는 진안층군의 퇴적 시기를 후 기백악기 하부로 추정하였고, Son (1969)은 마이산 역암을 기저역암으로 보고 튜로니안(Turonian) 말 로 보아 대체로 일치되는 의견을 보였다. 그러나 이 후 식물화석이나 포자화석에 근거하여 진안층군을 경상누층군의 하양층군에 대비(Reedman and Um,
1975; Chang, 1982, 1985, 1987)하고, 그 시대를 바 레미안(Barremian)으로 보는 견해(Yi et al., 1998)도 제시 되었다. 이렇듯 지질시대에 관해서는 아직 추 가적인 연구가 필요하기는 하나 대체로 경상분지의 최하위 층준에 대비되는 층은 진안분지에는 분포하 지 않는다는 의견은 일치되고 있다. 이번 연구 결과 도 이러한 해석들과 잘 일치되는 것으로 확인되는 데, 표 1에서 보는 것과 같이 경상분지에서는 확인되 는 전기 백악기의 지구조운동기가 진안분지에서는 확인되지 않는다. 이러한 사실은 진안분지의 퇴적시 기가 전기 백악기 이후, 적어도 경상분지 하위층준 의 퇴적 이후일 것임을 분명하게 시사하고 있다고 해석할 수 있다.
6. 토 의
분지의 북쪽 경계를 이루는 단층은 남쪽으로 광 주단층으로 연장되는데, Paik et al. (1979)은 광주단 층이 대보조산운동과 밀접한 관련을 갖는 것으로 보 고, 후기 백악기 화산활동 직전에 그 활동이 종료되 었다고 주장 하였다. 나아가 Kim et al. (1982)은 관 입암과의 상호관계에서 광주단층의 단층활동 시기 를 79 Ma 이후, 75 Ma 이전으로 추정하여 백악기 말로 한정하였다. 만일 단층운동의 시기가 이들의 주장대로라면, 진안분지의 퇴적과 진안분지 북측 경 계단층(광주단층)의 단층운동은 일정한 시간차를 보이는 것으로 볼 수 있다. 진안층군의 퇴적시기가 적어도 튜로니안 혹은 그 이전이라면 단층운동 시기 인 캄파니안(Campanian)과는 상당한 시간의 차이 가 나타나므로 광주단층의 단층운동과 진안층군의 퇴적분지 형성은 관련성이 있다고 하기 어렵다. 이 경우 영동분지나 진안분지 등의 분지 열림이 단층운 동과 관련이 있다고 하는 기존의 생각과는 큰 괴리
Table 1. Correlation of tectonic sequences.
가 발생한다. 어떻든 광주단층이나 영동단층의 단층 운동이 진안분지의 분지 충진물 퇴적 이후에 있었다 하더라도 진안분지 퇴적층들은 단층작용의 영향을 받을 수밖에 없다. 따라서 이번 연구에서 진안분지 에서 복원된 각 응력기의 응력축 방향이 경상분지에 비해 반시계 방향으로 미소한 회전이 나타나고 있는 것은 진안분지 퇴적물들의 퇴적 이후, 이 경계단층 의 단층운동에 따른 영향이라고 해석할 수도 있다.
즉, 뚜렷하지는 않으나 작은 규모의 회전이 분지 경 계단층의 좌수향 주향이동에 따른 지괴의 회전을 보 여주는 것일 가능성이 있고, 또 진안분지에서 경상 분지와 동일한 응력기가 확인되는 것은 광역적인 응 력장 아래에서 진안분지 경계단층에 따른 응력의 해 소는 극히 미약하였던 것으로 해석할 수도 있다. 그 러나 이러한 해석은 보다 명확한 증거들이 뒷받침되 는 후속연구가 진행된다면 보다 명확해질 것이다.
7. 결 언
진안분지의 소단층 군집들에서 고응력장을 복원 하여 보았다. 총 4개 지점에서 소단층 군집의 측정이 이루어졌고 이들의 해석에서 대체로 5회의 응력기 가 확인되었다. 2회의 신장응력기와 3회의 압축응력 기가 진안분지에 광역적 취성변형을 야기한 것으로 해석되었다. 이에 따라 복원된 진안분지의 구조운동 사는 최초에 남북 방향의 압축응력기를 시작으로 북 동-남서 방향의 신장응력기, 북서-남동향의 압축응 력기, 북동-남서향의 압축응력기 그리고 마지막으로
북서-남동향의 신장응력기가 순차적으로 진안분지 에 변형을 발생시킨 것으로 판단된다. 이러한 구조 운동사는 진안분지와 시기적으로 퇴적시기가 유사 한 경상분지가 경험하였던 구조운동사와도 대부분 잘 일치하고 있다. 특히 이번 연구결과는 진안분지 에서는 경상분지에서 나타나는 초기 응력기가 나타 나지 않고 있어, 진안분지가 경상분지의 형성과는 약간의 시간적 차이를 두고 열렸을 것임을 암시해주 고 있다. 이와 함께 진안분지의 고응력 축방향들이 반시계 방향으로 미소한 회전운동을 시사하고 있어, 이는 퇴적 이후에도 지속된 분지 경계단층의 단층운 동에 따른 회전운동이 분지 전체에 발생하였을 가능 성을 암시하고 있다고 해석된다.
사 사
이 논문은 한국지질자원연구원의 도폭지질조사 사업 수행 과정에서 이루어진 연구 결과이며, 이 논 문을 위하여 많은 도움을 주신 최성자 박사, 김유봉 박사께 감사드린다. 아울러 이 논문을 자세하게 검 토하여주시고 오류를 보완할 수 있도록 도와주신 이 희권 박사와 또 한분의 심사위원, 그리고 김영석 편 집위원께 심심한 사의를 표하고자 한다.
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투 고 일 : 2012년 4월 23일 심 사 일 : 2012년 4월 24일 심사완료일 : 2012년 6월 15일