SHRIMP Zircon U-Pb Ages of Basement Rocks in the Danyang National Geopark

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Korean J. Mineral. Petrol. Vol. 33, No. 4, p. 339~347, 2020 https://doi.org/10.22807/KJMP.2020.33.4.339

단양 국가지질공원 기반암류의 SHRIMP 저어콘 U-Pb 연령

정원석¹·한기운¹·김태환²·엄현우¹·김윤섭¹*

1충북대학교 자연과학대학 지구환경과학과, ²극지연구소 극지지구시스템연구부

SHRIMP Zircon U-Pb Ages of Basement Rocks in the Danyang National Geopark

Wonseok Cheong¹, Giun Han¹, Taehwan Kim², Hyun Woo Aum¹, and Yoonsup Kim¹*

1Department of Earth & Environmental Sciences, Chungbuk National University, Cheongju 28644, Republic of Korea

2Division of Polar Earth-System Sciences, Korea Polar Research Institute, Incheon 21990, Republic of Korea

요 약: 단양 국가지질공원 남쪽에 분포하는 기반암에서 저어콘 U-Pb 연령측정을 수행하였다. 연령 측정은 2개의 시료에서 실시하였으며, 이들 시료는 우흑질과 우백질이 뚜렷이 구분되는 혼성암질 편마암으로 흑운모

±규선석±석류석+장석+석영의 광물조합을 가진다. 함규선석 및 함석류석 편마암시료에서 각각 수집한 저어콘 결정들에 대해 고분해능 이차이온질량분석기(SHRIMP)를 사용하여 U-Pb 동위원소 성분비를 측정하였으며, 이 로부터 1870±10 Ma (2)와 1863±6 Ma (2)의 변성 연령을 구하였다. 1.87~1.86 Ga의 변성 연령은 영남육괴 고원생대 고온-저압의 광역변성작용의 시기(1.87~1.85 Ga)와 일치한다. 저어콘 결정들의 상속핵 연령을 기반으 로 두 시료에서 얻어진 최고 퇴적연령은 2.06 Ga로 혼성암질 편마암 모암의 퇴적시기는 2.06~1.87 Ga 사이 일 것으로 추정된다.

핵심어: 단양 지질공원, 영남육괴, 혼성암질 편마암, 저어콘, U-Pb 연령

Abstract: We carried out the U-Pb age dating of zircon from basement rocks in the southern part of the Danyang National Geopark. Two migmatitic gneisses composed of biotite±sillimanite±garnet+feldspar+

quartz were dated. Leucosomes in the samples were clearly distinguished from their melanosomes. The U- Pb isotopic compositions of zircon from sillimanite- and garnet-bearing migmatitic samples were measured using a secondary ion microprobe, yielding metamorphic ages, 1870±10 Ma (2^)와 1863±6 Ma (2^), respectively. 1.87~1.86 Ga metamorphic ages are consistent with those of the Paleoproterozoic low-P and high-T regional metamorphism (1.87~1.85 Ga) in the Yeongnam Massif. The maximum depositional age based upon the apparent ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb ages of detrital zircon in the samples was estimated as 2.06 Ga, and thus sedimentation age of the protolith of the migmatitic gneisses ranges between 2.06 and 1.87 Ga.

Keywords: Danyang National Geopark, Yeongnam Massif, migmatitic gneiss, zircon, U-Pb age

서 론

한반도는 크게 낭림육괴, 경기육괴 그리고 영남육 괴의 선캠브리아기 기반암으로 구성되어 있으며, 고 생대 태백산분지와 옥천변성대가 경기육괴와 영남육 괴 사이에 놓여 이 두 육괴를 구분하고 있다(Fig. 1a).

영남육괴의 선캠브리아기 기반암에 대한 현재까지 변 성암석학, 지구화학, 동위원소 연대측정 연구 결과를 다음과 같이 다섯 가지로 종합할 수 있다. (1) 영남 육괴 선캠브리아기 기반암은 퇴적암 기원의 편암, 편 마암, 혼성암류와 화성암기원의 화강편마암류, 우백질 화강편마암, 그리고 한반도에서 유일하게 산출하는 회 장암으로 이루어져 있다(e.g., Kim and Cho, 2003;

Kwon et al., 2003; Cheong et al., 2009; Kim et al., 2014; Lee et al., 2014; Lee et al., 2018).

*Corresponding author Tel: +82-43-261-2731 E-mail: [email protected]

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340 정원석 · 한기운 · 김태환 · 엄현우 · 김윤섭

(2) 이 암석들은 부칸 변성상 계열의 연속성을 보여 주는 저압-고온변성작용을 받아 각섬암상부터 백립암 상까지의 변성도를 보여준다(Kim and Cho, 2003;

Kwon et al., 2003; Cheong et al., 2009; Lee et al., 2018). (3) 화강암 기원의 편마암들에 대한 전암 지구화학 분석결과는 화산호-조산대-충돌후 화강암의 지구조 환경을 지시한다(Cheong et al., 2000; Kim and Cho, 2003; Cheong and Na, 2008; Lee et al, 2010). (4) 저어콘과 모나자이트 점분석 U -Pb 연 령측정 결과는 화성암류들의 관입 시기를 대략 1.9- 1.85 Ga, 저압형 광역변성작용 시기를 1.87-1.85 Ga 로 제한한다(e.g., Lee et al., 2010; Lee and Cho, 2012; Kim et al., 2014; Lee et al., 2014; Cho et al., 2018; Lee et al., 2018). (5) 변성퇴적암류에서 산출하는 쇄설성 저어콘 연령분포와 이를 관입하는 화성암의 관입연령은 이 변성퇴적암들의 퇴적시기를 2.05-1.98 Ga 사이로 제한한다(e.g., Kim et al., 2014).

소백산 육괴의 편마암들은 모암에 따라 흑운모(-석 류석) 화강암질 편마암, 반상변정질 편마암, 혼성암질 편마암으로 세분된다. 국가지질공원 단양 지역 인근 에서 측정한 이들 암체들의 변성 연령은 고원생대(1.9 Ga; Kim & Cho, 2003)와 신원생대(~617 Ma; Kwon et al., 2003)으로 보고된 바 있다. 이 변성 연령들은 서로간의 차이가 클 뿐만 아니라 정밀도가 상대적으 로 떨어지는 Sm-Nd, Pb-Pb 등시선 연령으로 변성작 용의 시기를 정확하게 규명하기에는 신뢰도가 떨어진 다. 이들 연령중 약 1.9 Ga는 북중국 지괴에서 논란 이 되고 있는 고원생대(약 1.9-1.8 Ga) 조산대의 형 성 시기 및 메카니즘과연관되어 있는 것으로 판단된 다(e.g., Wan et al., 2013; Zhang et al., 2015; Lee et al., 2018). 따라서, 소백산 육괴의 변성 시기를 정 확하게 규명하는 것은 영남 육괴의 지체구조의 유래 를 밝히는데 있어서 중요할 뿐만 아니라, 고원생대 북중국 지괴의 진화 과정을 이해하는데 필수적인 정 보를 제공할 것이다. 이 연구에서는 고분해능 이차이 온질량분석기를 이용하여 단양 지질공원 일대에 분포 하는 혼성암질 편마암의 저어콘 U -Pb 연령을 측정하 여 변성 시기를 제한하고 기존 연구 결과와 비교하고 자 한다.

지질 개요

연구 지역인 단양 국가지질공원과 소백산은 충청북

도 북동부와 경상북도 북서부에 걸쳐 위치하고 있다.

이 지역에는 고원생대 기반암류 이외에도 조선누층군 과 평안누층군으로 구분되는 고생대 퇴적암류, 반송 층군으로 불리는 중생대 퇴적암류, 그리고 다양한 화 성암류들이 산출한다(Fig. 1b; Kwon et al., 2003).

이 지역에서 가장 오래된 지층인 고원생대 기반암류 들은 고변성 편마암으로 단양읍을 기준으로 남동부에 넓게 분포하고 있다(Fig. 1b). 영남육괴 기반암류는 고생대 퇴적암류가 부정합으로 피복하고 있으며 이를 다시 중생대 퇴적암층이 부정합으로 피복하고 있다.

변성암류와 직접적으로 접촉하고 있는 퇴적암류들은 영남육괴 기반암에 발달하는 주향 방향과 평행하게 북동-남서방향으로 길게 분포한다. 중생대 이후 화강 암류들이 이들 변성암류와 퇴적암류들을 관입하고 있 다(Fig. 1b; Lee et al., 2010; Aum et al., 2019).

연구 지역 북서부에 분포하는 고원생대 편마암류는 상부의 조선누층군과 난정합 경계를 이루며 소백산을 기준으로 남서-북동 방향으로 분포하고, 부분적으로 취성 또는 연성 변형의 전단대가 발달한다(Kwon et al., 1995). 이 편마암류는 혼성암질 편마암과 이를 관입하고 있는 반상변정질 편마암, 흑운모±석류석 화 강암질 편마암으로 구성되어 있으며(Fig. 1b), 변성고 철질암(metabasite)이 화강암질 편마암류와 혼성암질 편마암 내에 작은 포획체(xenolith) 또는 잔류물 (restite) 형태로 산출한다(Kwon et al., 2003). 화강 편마암류는 연구 지역에 존재하는 변성암체의 중부와 서부에 주로 분포하고 있다(Fig. 1b). 흑운모±석류석 화강편마암은 주로 흑운모에 의해 정의되는 미약한 엽리가 관찰되긴 하지만, 대부분 괴상의 화강암질 구 조로 나타난다. 주 구성광물은 석영, 사장석, K-장석, 흑운모이며, 일부 암체에서는 1 cm 내외의 석류석이 산출한다. 부수적으로 규선석, 티탄철석, 모나자이트, 저어콘이 산출한다. 반상변정질 편마암은 단양 남부 지역과 소백산 일대에 소규모로 분포하며(Fig. 1b), 2 cm 이상의 직경을 갖는 조립의 알칼리장석의 산출 이 특징적이다. 이 암석의 기질부는 주로 석영, 사장 석, 흑운모로 구성되어 있으며, 소량의 각섬석과 녹염 석, 저어콘, 모나자이트 등을 포함하고 있다. 호상구 조가 잘 발달한 혼성암질 편마암은 이 지역에서 가장 오래된 퇴적기원 변성암으로 판단된다(Kwon et al., 2003; Kim and Cho, 2003). 이 암체는 연구지역에 존재하는 변성암체의 중부와 동부에 주로 분포하고 있다(Fig. 1b). 주 구성광물로는 석영, 사장석, K-장석,

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흑운모, 백운모가 있으며, 이밖에도 석류석, 규선석, 근청석과 티탄철석이 부분적으로 산출한다(Kwon et al., 2003; Kim and Cho 2003). 혼성암질 편마암 내의 석류석의 존재는 지리적 분포에 따라서 상이하 다. 조사지역의 남동부에 산출하는 혼성암질 편마암

의 경우 석류석을 주로 함유하고 있는 반면 조선누층 군과 접하고 있는 북서부 지역에서는 석류석이 나타 나지 않는다(Fig. 1b). 이러한 석류석의 존재 유무는 기존 연구에서도 언급된 바 있으며(e.g., Kwon et al., 2003; Kim and Cho, 2003), 이는 영남육괴의 Fig. 1. (a) Tectonic map of the southern Korean Peninsula showing location of the study area and Yeongnam Mas- sif (YM). IB: Imjingang Belt, GM: Gyeonggi massif, OMB: Ogcheon Metamorphic Belt, TB: Taebaeksan Basin, GB: Gyeongsang Basin. (b) Geological map of the Danyang area with sample locations modified from Kwon et al. (2003). Mineral assemblages are also shown for representative samples from each metamorphic zone together with isograds of previous studies (Kwon et al., 2003; Kim and Cho, 2003). Mineral abbrevia- tions are from Kretz (1983).

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암체의 동남부로 갈수록 변성도가 증가한다는 기존 연구결과와 일치한다(Kwon et al., 2003).

분석 방법

저어콘 결정의 분리는 유압파쇄기와 바이브레이팅 컵밀(vibrating cup mill)을 이용하여 시료를 파쇄한 후 선광팬과 흐르는 물을 이용해 저어콘을 분리하는 방식을 사용한 후 추가적으로 자석을 이용한 자성광 물 분리와 요오드화 메틸렌(diiodomethane; d=3.32)을 이용한 중액선별 방식을 활용하였다(Cheong et al., 2013). 분리한 저어콘 결정들을 표준시료와 함께 에 폭시마운트에 시료별로 고정시킨 후, 저어콘 결정들 이 절반 정도가 드러날 때까지 연마하였다. 저어콘 결정들의 내부 구조 관찰은 한국기초과학지원연구원 오창센터의 JEOL-6610LV 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM)을 이용해 후방산란전자 (backscattered electron image; BSE) 및 음극선발광 영상(cathodoluminescence image; CL)을 촬영하여 수행하였다. 저어콘 U -Pb 동위원소 성분 분석은 한국 기초과학지원연구원 오창센터에 설치된 고분해능 이 차이온질량분석기(SHRIMP)를 이용하였다. 분석 시 사용한 일차 이온 빔의 크기와 전류는 각각 ~20 µm,

~3 nA이었다. 저어콘의 U 농도 측정과 ²⁰⁶Pb/²³⁸U 검정선 수립을 위해서 각각 SL13 (238 ppm U;

Claoué-Long et al., 1995)과 미국 둘루스 복합체 (Duluth Complex)로부터 분리된 FC1 표준 저어콘 (²⁰⁶Pb/²³⁸U=0.1859; Paces and Miller, 1993)을 사용 하였다. 분석한 저어콘의 U -Pb 동위원소 성분/연령 계산과 다이어그램 도시는 Prwan 6.5.5와 Isoplot/Ex 프로그램을 각각 이용하였다(T. Ireland, written communication; Ludwig, 2008). 보통 Pb 보정은 보 통 Pb 모델 성분(Cumming and Richard, 1975)을 이용한 ²⁰⁴Pb 보정법을 적용하였다(Williams, 1998).

불확실도 계산에는 계측통계학적(counting statistics) 오차, 배경값에 기인한 오차와 함께 표준시료의 검정 선 수립에서 발생한 오차 ±0.5%를 반영하였다. 이로

부터 구한 연령의 불확실도는 95% 신뢰수준으로 계 산하였다. 분석 결과 중에서 ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb과 ²⁰⁶Pb/²³⁸U 의 연령 차이(discordance)가 10%가 넘게 차이 나는 경우는 가중평균연령 계산에서 제외하였다.

시료 기재

고원생대 변성작용의 시기를 보다 정밀하게 제한하 기 위해 2개의 혼성암질 편마암 170211-01과 170212- 03 시료들로부터 저어콘 결정을 분리하여 U-Pb 연령 측정을 수행하였다. 분석에 이용된 두 시료의 채취 위치와 구성광물은 Table 1에 정리하였다.

함규선석 혼성암질 편마암 170211-01 시료에서 분 리한 저어콘 결정들은 1:1부터 3:1의 장단축 비를 가 지며, 입자의 크기는 장축기준으로 100-250 µm 사이 로 다양한 편이다. 대부분의 저어콘은 주사전자현미 경의 음극선발광 영상에서 상대적으로 밝게 빛나는 불규칙한 형태의 상속핵(inherited core)과 이에 비해 상대적으로 어둡고 진동 누대 조직(oscillatory zoning texture)가 관찰되는 과성장 띠(overgrowth rim)를 가 진다(Fig. 2). 후방산란전자 영상으로 관찰한 저어콘 들은 대부분 균열과 포유물도 적은 편이지만, 상속핵 에는 종류를 알 수 없는 매우 작은 (<5 µm) 포유물 이 상대적으로 많이 분포한다.

함석류석 혼성암질 편마암 170212-03 시료에서 분 리한 저어콘 결정들의 장단축 비는 1:1부터 4:1까지 나타나며, 입자의 크기는 장축기준 50-350 µm 사이로 다양하다(Fig. 2). 음극선발광 영상에서 저어콘은 내 부 구조에 따라서 상속핵 없이 진동 누대 조직만 나 타나는 결정, 밝은 색의 상속핵과 상대적으로 어두운 색의 과성장 띠를 갖는 결정, 어두운 색의 상속핵과 과성장 띠를 갖는 결정, 그리고 마지막으로 입자가 작아 뚜렷한 누대구조를 관찰하기 힘든 결정으로 구 분된다. 이 시료의 저어콘 결정들은 다양한 누대구조 와 결정형을 갖지만, 대부분의 저어콘에서 진동누대 를 갖는 어두운 과성장 영역이 일관되게 나타난다 (Fig. 2).

Table 1. Lithologies, GPS coordinates and mineral assemblages of samples for SHRIMP U-Pb zircon dating

Sample No. Lithology Location Mineral assemblage

170211-01 Migmatitic gneiss 36°55'26.80"N/128°27'49.42"E Sillimanite, biotite, K-feldspar, quartz 170212-03 Migmatitic gneiss 36°54'16.67"N/128°27'35.27"E Garnet, biotite, muscovite, K-felspar,

quartz

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분석 결과

두 개의 혼성암질 편마암 시료로부터 분리한 저어 콘 결정에서 총 51개의 점분석을 실시하였으며(Table 2), 이중 36개의 점분석은 결정의 과성장 띠에서, 15개

의 점분석은 결정의 상속핵을 대상으로 수행하였다. 혼 성암질 편마암 170211-01 시료에서 분석한 U 함량은 저어콘의 과성장 영역(400-1000 ppm)이 상속핵 부분 (140-730 ppm)에 비해 약간 높거나 비슷한 수준이다.

반면에, Th 함량은 입자의 과성장 부분(10-30 ppm Th) Fig. 2. Cathodoluminescence images of zircon separated from samples 170211-01 and 170212-03. Spot numbers,

apparent ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb ages and discordances in Table 2 are also shown in each image. Ellipses denote the ana- lytical spots.

Table 2. U-Pb isotopic data of zircon from two migmatitic gneisses in the study Spot

number U (ppm) Th

(ppm) Th/U Common

206Pb (%)

207Pb*

/²³⁵U ± % ²⁰⁶Pb*

/²³⁸U ± %

207Pb*

/²⁰⁶Pb* ± %

206Pb/²³⁸U Age (Ma)

207Pb/²⁰⁶Pb Age (Ma)

Discor- dancy (%) Sample 170211-01

1.1 654 140 0.22 0.02 6.040 2.3 0.333 2.2 0.132 0.6 1851 ± 36 2120 ± 10 15 2.1 726 61 0.09 -0.01 19.610 2.2 0.577 2.2 0.247 0.6 2935 ± 51 3163 ± 9 9 3.1 702 12 0.02 0.01 4.680 2.3 0.298 2.2 0.114 0.7 1679 ± 33 1866 ± 12 11 4.1 447 27 0.06 0.06 4.390 2.6 0.281 2.3 0.114 1.1 1595 ± 33 1853 ± 20 16 5.1 511 29 0.06 -0.03 4.900 2.4 0.309 2.3 0.115 0.8 1734 ± 35 1881 ± 15 9 6.1 970 10 0.01 0.02 4.850 2.2 0.307 2.1 0.114 0.5 1728 ± 32 1869 ± 9 9 7.1 508 27 0.05 0.01 4.370 1.6 0.281 1.1 0.113 1.2 1595 ± 15 1845 ± 22 15 8.1 516 28 0.06 0.00 5.010 2.4 0.318 2.2 0.114 0.8 1779 ± 34 1870 ± 15 6 9.1 468 24 0.05 0.02 5.650 2.3 0.357 2.2 0.115 0.8 1966 ± 37 1879 ± 15 -5 10.1 550 20 0.04 0.00 7.990 4.4 0.406 3.7 0.143 2.3 2195 ± 69 2263 ± 39 4 10.2 476 14 0.03 0.01 7.280 1.8 0.392 1.7 0.1350.3 2134 ± 32 2158 ± 5 1 11.1 667 189 0.29 0.00 5.700 2.2 0.318 1.3 0.130 1.8 1781 ± 21 2096 ± 31 17 12.1 141 1250.91 -0.01 9.630 3.9 0.423 3.6 0.165 1.52275± 68 2507 ± 25 11 12.2 458 14 0.03 0.00 4.400 5.6 0.286 5.3 0.112 1.7 1620 ± 76 1829 ± 31 13 13.1 505 26 0.05 0.00 5.370 1.9 0.339 1.8 0.115 0.8 1883 ± 29 1878 ± 15 0

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Table 2. U-Pb isotopic data of zircon from two migmatitic gneisses in the study Spot

number U (ppm) Th

(ppm) Th/U Common

206Pb (%)

207Pb*

/²³⁵U ± % ²⁰⁶Pb*

/²³⁸U ± % ²⁰⁷Pb*

/²⁰⁶Pb* ± %

206Pb/²³⁸U Age (Ma)

207Pb/²⁰⁶Pb Age (Ma)

Discor- dancy (%) Sample 170212-03

1.1 232 40 0.18 -1.17 2.690 33.1 0.176 31.8 0.111 9.2 1043 ± 306 1817 ± 167 46 1.2 484 11 0.02 1.06 4.320 16.6 0.280 15.8 0.112 5.0 1589 ± 223 1834 ± 91 15 2.1 275 69 0.26 0.56 5.930 3.2 0.377 1.5 0.114 2.8 2062 ± 26 1867 ± 51 -12 2.2 281 69 0.25 0.58 6.420 5.7 0.404 4.8 0.115 3.0 2187 ± 89 1884 ± 54 -19 3.1 55 20 0.38 1.52 9.370 5.8 0.482 5.7 0.141 1.0 2537 ± 121 2238 ± 16 -16 3.2 230 750.34 -0.10 5.170 1.7 0.342 1.6 0.110 0.6 1898 ± 26 1793 ± 10 -7 4.1 249 66 0.27 1.27 5.660 1.9 0.362 1.5 0.114 1.3 1989 ± 25 1859 ± 23 -8 5.1 252 54 0.22 0.90 5.910 24.4 0.419 22.9 0.102 8.4 2258 ± 436 1666 ± 155 -42 6.1 658 182 0.29 0.38 8.540 2.4 0.406 2.0 0.152 1.3 2198 ± 37 2372 ± 22 9 7.1 362 77 0.22 0.13 6.110 10.0 0.402 9.2 0.110 4.0 2177 ± 169 1805± 73 -24 8.1 299 72 0.25 0.12 5.620 3.5 0.350 1.5 0.116 3.2 1936 ± 24 1901 ± 58 -2 8.2 697 4 0.01 -1.76 4.700 2.2 0.301 1.50.113 1.51698 ± 22 1850 ± 28 9 9.1 216 54 0.26 -0.22 5.080 4.2 0.310 1.4 0.119 4.0 1739 ± 22 1940 ± 71 12 10.1 268 48 0.19 1.88 5.140 23.1 0.350 21.0 0.107 9.6 1932 ± 350 1743 ± 176 -13 11.1 238 76 0.33 0.24 4.090 4.4 0.246 1.4 0.121 4.1 1417 ± 18 1967 ± 74 31 12.1 269 60 0.23 -0.656.250 16.0 0.407 14.7 0.111 6.3 2203 ± 274 1821 ± 114 -25 12.2 704 32 0.05 1.14 4.350 3.8 0.278 1.4 0.113 3.5 1583 ± 19 1852 ± 63 16 13.1 293 54 0.19 0.03 5.340 12.6 0.366 11.8 0.106 4.3 2008 ± 203 1730 ± 79 -19 13.2 1246 39 0.03 1.056.170 4.1 0.323 1.3 0.138 3.8 1806 ± 21 2208 ± 67 21 14.1 697 271 0.40 0.01 5.440 2.6 0.324 2.5 0.122 0.4 1809 ± 40 1983 ± 8 10 15.1 1249 54 0.04 0.37 5.630 13.1 0.318 11.9 0.129 5.3 1779 ± 185 2079 ± 94 17 16.1 249 64 0.27 -0.06 5.600 4.7 0.334 1.4 0.122 4.5 1855 ± 23 1983 ± 80 7 17.1 234 43 0.19 0.61 4.900 9.1 0.298 8.2 0.119 4.0 1681 ± 121 1945± 71 15 18.1 717 44 0.06 0.756.940 1.6 0.351 1.4 0.144 0.7 1937 ± 23 2271 ± 12 17 18.2 258 59 0.24 0.63 5.680 11.6 0.368 11.6 0.112 0.4 2018 ± 201 1833 ± 7 -12 19.1 273 46 0.17 -0.56 4.600 8.0 0.290 6.3 0.115 4.9 1640 ± 92 1882 ± 88 15 19.2 159 108 0.70 -0.03 8.240 5.0 0.417 4.8 0.143 1.5 2247 ± 91 2267 ± 26 1 20.1 265650.25 0.02 4.580 13.9 0.306 13.8 0.109 2.2 1720 ± 208 1777 ± 40 4 20.2 518 3 0.01 -11.34 5.120 9.4 0.312 8.4 0.119 4.2 1749 ± 129 1944 ± 74 11 21.1 281 71 0.26 0.20 6.020 1.8 0.344 1.4 0.127 1.1 1905± 22 2058 ± 19 9 22.1 40 20 0.52 -0.16 5.740 3.0 0.313 2.3 0.133 1.9 1756 ± 35 2138 ± 34 20 22.2 304 53 0.18 2.66 5.390 7.7 0.338 7.7 0.116 0.3 1876 ± 125 1893 ± 6 1 23.1 222 49 0.23 -0.12 6.700 7.8 0.454 5.9 0.107 5.2 2414 ± 118 1750 ± 95 -46 23.2 382 33 0.09 0.69 5.590 8.8 0.305 8.0 0.133 3.8 1715 ± 120 2139 ± 66 23 24.1 1476 78 0.06 0.87 5.350 1.7 0.341 1.7 0.114 0.2 1890 ± 27 1863 ± 3 -2 24.2 306 78 0.26 -0.054.200 3.6 0.266 1.4 0.114 3.3 1521 ± 19 1871 ± 59 21 Errors are 1; Pb^* denotes radiogenic Pb; Common ²⁰⁶Pb (%) represents the proportion of common ²⁰⁶Pb in total ²⁰⁶Pb.

(7)

이 상속핵(20-190 ppm Th)보다 현저히 낮다(Table 2). 이에 따라 Th/U 비율도 과성장 부분이 0.1 이하 로 상대적으로 낮은 편이다(Table 2). 결정의 가장자 리를 분석한 12개의 점분석 중 네 개(1.1, 2.1, 10.2, 11.1)는 상속핵(inherited core)과 혼합 연령(mixing age), 혹은 결정의 쇄설성 기원을 의미하므로 평균연 령 계산에서는 제외하였다(Table 2). 불일치도에 관계 없이 과성장 영역 분석 결과 중에서 교차연령과 평균 연령을 정의하기 힘든 한개의 분석점(12.2)를 제외한 8개의 점분석의 결과로부터 구한 교차연령과 가중평균

207Pb/²⁰⁶Pb 연령은 각각 1867±16 Ma (2; MSWD=

0.21) 및 1870±10 Ma (2; MSWD=0.49)이다(Fig. 3a).

혼성암질 편마암 170212-03 시료에서 분석한 저어 콘의 U과 Th의 함량은 170211-01 시료와 유사한 범 위를 갖지만, 보통 Pb 함유량이 상대적으로 매우 높 다(Table 2). 이로 인해 총 36개의 점분석 결과 중에 12개만이 ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb 연령과 ²⁰⁶Pb/²³⁸U 연령의 불일치 도(discordance)가 10% 이하이며, 불일치도가 10%를 초과하는 24개의 분석점은 이후 연령 계산에서 제외 하였다(Table 2). 저어콘 결정의 과성장 부분을 분석 한 점분석 중 연령 불일치도가 10% 이하로 뚜렷한 Pb 손실과 혼합 연령의 영향을 배제할 수 있는 3개 의 분석 결과(4.1, 8.2, 24.1)로부터 측정한 교차 및 가중평균 ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb 연령은 각각 1862±9 Ma (2;

MSWD=0.16)와 1863±6 Ma (2; MSWD=0.88)이다 (Fig. 3b).

토의 및 결론

단양 지역 영남 육괴의 변성 작용의 시기는 함석류 석 화강암질 편마암에서 보고되었다(Kwon et al., 2003). Kwon et al. (2003)은 이 시료에서 채취한 저어콘 결정들의 U -Pb 동위원소 성분을 열이온화 질 량분석기(thermal ionization mass spectrometry;

TIMS)를 이용하여 측정하였으며, 각각 1904±10 Ma 와 150±156 Ma (2; MSWD=6.7)의 상, 하부 교차 연령을 구하였다. 저자들은 이중 상부 교차 연령을 화강암질 편마암의 관입연령으로 해석하였다. 또한, 동일한 시료에서 전암과 석류석에 대한 Sm-Nd 동위 원소 성분을 측정하여, 617±38 Ma (2; MSWD=2.7) 의 오차선(errorchron) 연령을 구하였으며, 이를 변성 작용의 시기로 해석하였다. Kim and Cho (2003)은 단양 지역에 인접한 영주 지역에서 우백질 화강암 시 료들로부터 전암 Sm-Nd과 Pb-Pb 동위원소 성분을 분석하였다. 이를 토대로 1926±41 Ma (MSWD=41) 의 Sm-Nd 등시선 연령과 1862±41 Ma (MSWD=20) 의 Pb-Pb 연령을 구하였으며, 저자들은 연구 지역의 우백질 화강암의 관입 시기(1.93~1.86 Ga)를 저압형 변성작용의 시기와 동일한 것으로 해석하였다.

이번 연구에서 분석한 대부분의 저어콘 결정들은 상속핵과 이를 둘러싸고 있는 과성장 띠가 뚜렷이 구 분되는 조직적 특징을 나타낸다(Fig. 2). 170211-01 시료의 과정상 띠의 분석 결과 중에서, 혼합 연령이 Fig. 3. Tera-Wasserburg plots and weighted mean ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb ages of (a) sample 170211-01, and (b) sample 170212- 03, respectively. Error ellipses of data points in Tera-Wasserburg plots are 1σ at 95% confidence level. Solid ellipses are metamorphic overgrowth rim data, and dashed ones are inherited core or discordant data.

(8)

거나 쇄설성 기원으로 판단되는 경우를 제외하면, 과 성장 띠에서 분석한 Th/U 비는 0.06 이하로 상대적 으로 낮게 측정되며(Table 2), 이는 변성작용 중에 성 장한 저어콘의 특징으로 해석할 수 있다(Hoskin and Schaltegger, 2003). 저어콘 결정들의 과성장 띠에서 측정한 8개의 점분석들은 1870±10 Ma(2; MSWD=

0.49)의 ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb 가중 평균 연령을 정의한다(Fig.

3a). 함석류석 혼성암질 편마암 170212-03 시료의 저 어콘 성분 분석 결과는 전반적으로 높은 보통 Pb의 함유 양상을 나타낸다(Table 2). 이는 이 시료의 저어 콘 결정들이 결정화 이후 닫힌계를 계속 유지하지 못 하여 Pb 손실과 같은 성분 변화가 있었을 가능성을 지시한다(e.g., Cherniak and Watson, 2003). 이 시료 에서 획득한 1862±9 Ma(2; MSWD=0.16)와 1863±

6 Ma(2; MSWD=0.13) 교차 및 가중평균 ²⁰⁷Pb/

206Pb 연령은 함석류석 혼성암질 시료에서 구한 가중 평균 연령과 오차범위에서 일치한다. 따라서 단양 국 가지질공원 주변 기반암류의 광역 변성작용의 시기는 1.87~1.86 Ga로 추정된다. 함규선석 혼성암질 편마암 시료의 분석치 중 3개의 상속핵(10.1, 11.1, 12.1) 겉 보기 ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb 연령은 각각 2263 Ma, 2096 Ma, 2507 Ma이다(Table 2). 또한 함석류석 혼성암질 편마 암 시료에서는 혼합 연령, Pb 손실, 연령의 불일치도 를 고려하여 분석점 21.1의 겉보기 ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb 연령 2058 Ma가 가장 젊은 상속핵 연령으로 판단된다. 비 록 상속핵 분석결과가 많지 않고, 관입 암체인 화강 편마암류의 연령측정 결과가 없지만, 오직 가장 젊은 상속핵의 연령과 변성 연령을 기준으로 혼성암질 편 마암 모암의 퇴적 시기는 2.06~1.87 Ga 사이일 것으 로 추정된다. 비록 이 결과가 삼척지역 영남육괴의 저어콘 상속핵의 연령과 관입 연령으로부터 얻어진 퇴적암류의 퇴적시기(2.10-1.98 Ga; Kim et al., 2014)보다는 더 넓은 범위를 나타내지만, 연구지역에 서 관입암류의 관입시기를 보강하게 된다면, 비슷한 퇴적시기를 얻을 수 있을 것으로 보인다.

단양 국가지질공원 주변 혼성암질 편마암에서 얻은 1.87~1.86 Ga의 변성작용 시기는 Kwon et al. (2003) 의 617 Ma와는 큰 차이를 보이고, Kim and Cho (2003)의 우백질 화강암에서 구한 정치 연령(1.93~

1.86 Ga)과는 중첩된다. 또한, 영남육괴에서 저어콘 U-Pb 연령을 기반으로 보고된 고온 변성 연령(1.87~

1.86 Ga)과 동일한 결과이다(Kim et al., 2012, 2014;

Lee et al., 2014, 2018). 따라서, 단양 국가지질공원

주변 혼성암질 편마암에서 인지되는 저압-고온 변성 작용은 고원생대 영남육괴 전역에서 일어난 광역변성 작용의 결과로 해석된다(Fig. 3). 삼척 인근에서 보고 된 우백질 화강암의 저어콘 U-Pb 연령(1.87~1.85 Ga) 이 보고 된 바 있어(Lee et al., 2010; Kim et al., 2014), 우백질 화강암의 정치 시기와 영남육괴의 고 원생대 저압-고온의 광역변성작용의 시기가 일치한다 는 주장을 뒷받침한다(e.g., Kim et al., 2014). 그러 나 우백질 화강암에서 산출되는 저어콘은 높은 U 함 량으로 인해 변질 및 Pb 손실이 흔하게 발생하기 때 문에 결정의 폐쇄성을 담보할 수 있는 연령지시 광물 에 대한 추가적인 후속연구가 필요할 것으로 판단된 다.

사 사

논문에 건설적인 비평을 해주신 한국지질자원연구 원의 김현철 박사와 익명의 심사자께 감사드린다. 또 한 저어콘 연대측정을 지원해준 한국기초과학지원연 구원의 오창센터 SHRIMP 분석 담당자께 감사드린 다. 이 논문은 충북대학교 국립대학육성사업(2019) 지 원을 받아 작성되었음.

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Received December 19, 2020 Review started December 21, 2020 Accepted December 26, 2020

[ 저 자 정 보 ]

• 정원석 : 충북대학교 지구환경과학과/전임연구원

• 한기운 : 충북대학교 지구환경과학과/대학원생

• 김태환 : 극지연구소/연수연구원

• 엄현우 : 충북대학교 지구환경과학과/대학원생

• 김윤섭 : 충북대학교 지구환경과학과/교수