영덕 서부 지품화산암층의 SHRIMP U-Pb 연대측정과 화산과정
황 상 구*
안동대학교 자연과학대학 지구환경과학과
SHRIMP U-Pb Dating and Volcanic History of the Jipum Volcanics, Western Yeongdeok, Korea
Sang Koo Hwang*
Department of Earth and Environmental Science, Andong National University, Andong 36729, Korea
요 약: 영덕 서부에서 산출되는 지품화산암층은 하부로부터 유문암질 화성쇄설암, 층회암, 안산암질 유리쇄설 암, 유문암 용암, 응회질 역암, 안산암 용암 순으로 구성되는 층서단위이다. 유문암질 화성쇄설암은 SHRIMP U-Pb 연대측정에 의해 68.5±1.6 Ma로 측정되었다. 이 층서단위는 이 무렵에 대부분 유문암질 화산작용에 의 해 형성되었으며 국부적이지만 다른 화구로부터 안산암질 화산작용에 의해 추가되었다. 유문암질 화산작용은 먼저 수증기마그마성 폭발작용으로 인해 화성쇄설층을 형성시켰고, 나중에 유문암질 화산작용이 재개되어 기 존 화구로부터 용암 분류작용으로 유문암질 용암돔을 형성하였다. 1차 및 2차 유문암질 화산작용 사이에 화 산 말단부의 낮은 저지는 침수되어 층회암층이 퇴적되었고 연이어 다른 화구에서 안산암질 화산작용이 일어 나 흘러나온 용암이 호수물과의 접촉에 의해 급냉파쇄작용으로 유리쇄설암을 형성하였으며, 마지막으로 다시 안산암질 용암이 재차 흘러들어와 지품화산을 얇은 안산암 용암층으로 덮었다.
핵심어: 지품화산암층, SHRIMP U-Pb 연대측정, 유문암질 화산작용, 수증기마그마성 폭발작용, 용암 분류작 용, 급냉파쇄작용
Abstract:
The Jipum Volcanics, occurred in western Yeongdeok, are a stratigraphic unit that is composed of rhyolitic pyroclastic rocks, tuffites, andesitic hyaloclastites, rhyolite lavas, tuffaceous conglomerates and andesite lavas. The SHRIMP U-Pb zircon dating yielded eruption ages of 68.5±1.6 Ma from the rhyolitic pyroclastic rocks. Around the time, the unit was generated by dominant rhyolitic volcanisms and locally added by concomitant andesitc volcanisms from another vents. The rhyolitic volcanisms first produced the pyroclastic rocks by phreatomagmatic explosions from rhyolitic magma, later made of the rhyolite lava dome by lava effusions from reopening of the rhyolitc magma at the existing vent. At the time between first and second rhyolitic volcanisms, the tuffites were deposited at a shallow depression in the distal volcanic edifice, and andesitic volcanisms first made of the hyaloclastites by quench fragmentation when hot andesite lavas flew into the depression to contact with cold water. and the Jipum volcano was finally covered with the thin andesitic lavas by lava effusions from another vent.Keywords:
Jipum Volcanics, SHRIMP U-Pb dating, Rhyolitic volcanism, Phreatomagmatic explosion, Lava effusion, Quench fragmentation서 언
연구지역은 영덕 서부에 위치하며 주왕산국립공
원의 북동부에 속한다. 특히 주왕산 지역은 지형경 관이 매우 뛰어나기 때문에 1976년에 국립공원으 로 지정되었으며, 또한 학술적 가치가 높은 다양한 지질유산을 보유하기 때문에 여러 테마로 연구되 어 왔다. 그러나 영덕 서부의 지품화산암층은 주왕 산국립공원 내에 있으면서도 학술적 가치가 뛰어
*Corresponding author Tel: +82-54-820-5469 E-mail: [email protected]
산암층에 대한 연대와 화산과정에 관한 연구는 이 루어지지 않은 상태이다. 지품화산암층은 화성쇄설 암(pyroclastic rocks), 용암, 자가쇄설암(autoclastic rocks), 관입암과 지표쇄설암(epiclastic rocks) 등의 화산암류로 구성되는 층서단위이다.
화성쇄설암은 마그마 자체에서 분리된 가스폭발 로 인해 일어나는 마그마성 분출(magmatic eruption) 에 의하거나, 지표수나 지하수에 의해 지배되는 분 출환경에서 수증기마그마성 분출(phreatomagmatic eruption)에 의해 생성된다(Fisher and Schmincke, 1984; Cas and Wright, 1987). 수증기마그마성 화 성쇄설암은 마그마에 대한 물의 혼합비에 의해 암 상(lithofacies)과 지형(landform) 등이 다르게 결정 된다. 따라서 이 화성쇄설암은 분출 당시의 화구주 변의 수리지질학적 환경 변화에 따라 분출작용이 결정되는 것으로 생각할 수 있다(Kokelaar, 1986;
Wohletz, 1986; White, 1996).
용암은 가스 고갈속도가 마그마 제거속도보다 큰 상태에서 마그마의 계속적인 공급에 의해 발생되는 용암분천(lava fountain) 혹은 용암분류(lava effusion) 의 주된 분출기구에 의해 지배된다(Houghton and Hackett, 1984; Cas and Wright, 1987). 자가쇄설 암은 용암이 흘러가면서 표피와 내부의 냉각속도 차이에 따른 흐름 파쇄작용(flow fragmentation)에 의해 생성될 수도 있고, 용암이 호수 혹은 강과 같은 지표수와 만남으로서 급냉 파쇄작용(quench fragmentation)으로 만들어질 수 있다(Cas and Wright, 1987).
주왕산국립공원의 북동부는 급경사 사면을 이루 고 있고 작은 개천으로 절개되어 많은 노두를 드 러내고 있기 때문에 지품화산암층은 이를 구성하 는 암층들의 입체모양(geometry), 암질(lithology)과 내부구조(internal structure) 등으로부터 암상을 분 석 및 기재할 수 있고 이 암상으로부터 분출유형 을 해석할 수가 있으며 이들의 상하 암상변화로부 터 분출과정을 포함한 화산과정을 엮을 수가 있다.
따라서 이 연구는 지품화산암층에 대해 지질학
연구지역은 지질학적으로 경상분지 북부의 영양 소분지 남부에 위치한다(Fig. 1a, b). 이 지역은 영 양소분지 아래에 놓이는 페름-트라이아스기 심성암 류가 노출되며, 백악기 퇴적암류 및 화산암류, 신 생대 고신기(Paleogene) 유문암이 분포한다(Fig.
1c).
페름-트라이아스기 심성암류는 영덕심성암체로 불리어지며 여러 곳에서 변성암류를 포획체 혹은 현수체로 포함한다. 영덕심성암체는 주로 K-장석 반정을 흔히 함유하는 각섬석 흑운모 화강섬록암 이며 253 Ma에서 247 Ma 연대를 나타낸다(Yi et al., 2012).
중생대 백악기 퇴적분지를 탄생시킨 조구조적 배 경은 동아시아 대륙 밑으로 섭입하는 고태평양판 인 이자나기판의 영향으로 알려졌으며, 이 섭입작 용에 의해 한반도 남동부에 대륙성 화산호가 생겨 났고 이 화산호 뒤에 배호분지로서 경상분지가 만 들어졌다(Hwang and Kim 1994; Chough and Sohn, 2010). 경상분지에는 육성 쇄설성 퇴적물 혹 은 화산암류가 쌓여 경상누층군을 이루었고, 경상 누층군은 신동층군, 하양층군과 유천층군으로 나뉘 었다(Chang, 1975).
백악기 퇴적암류는 트라이아스기 심성암류를 부 정합적으로 덮고 있으며, 모두 하양층군에 해당된 다. 하양층군은 영양소분지에서 동화치층과 가송동 층이 소규모로 분포하고 도계동층이 매우 넓게 분 포하며 도계동층 상부에는 소규모의 대전사현무암 이 협재된다.
백악기 화산암류는 백악기 퇴적암류를 부정합으 로 덮고 있으며(Hwang et al., 2016), 입봉안산암, 지품화산암층, 주왕산응회암, 너구동층과 무포산응 회암(67.08 Ma)으로 구분된다.
신생대 고신기 유문암은 여러 곳에서 암주 혹은 암맥으로 관입되어 있다. 특히 주왕산 북부에서는 청송 암맥군이 방사상으로 관입하고 있다(Hwang et al., 2015).
지품화산암층
영덕 서부의 지품면에서의 유문암질 화성쇄설암, 용암 및 관입암과 이에 조합된 지표쇄설암, 안산암 질 용암과 유리쇄설암(hyaloclastite) 등은 지품화산 암층을 형성한다(Fig. 2a, b). 이 지품화산암층은 전체적으로 북서-남동 방향으로 대상으로 분포하지 만 중간부에서 가장 두꺼운 렌즈 모양을 이룬다 (Fig. 2b). 구체적으로 이 화산암층은 대부분 유문 암질 화성쇄설암과 용암으로 구성되며, 남동부에서 이 화성쇄설암과 용암 사이에 회색 내지 녹회색 층회암(tuffite)이 렌즈상으로 협재되고 이의 상부에 안산암질 유리쇄설암이 협재된다(Fig. 2a). 이들 위 에 유문암 용암이 놓이며 이는 유상엽리를 발달시 키는 용암류이고 각력암을 협재하고 있다. 그리고 이 유문암 용암 위에는 국부적으로 응회질 역암이 놓이면서 안산암 용암이 덮고 있다. 결과적으로 이 안산암 용암은 하위의 지품화산암층과 상위의 주 왕산응회암을 경계짓는 열쇠층(key bed) 역할을 한 다. 이 화산암층은 두께가 최고 약 550 m이고 전 반적으로 노출이 양호하여 기저와 상단을 볼 수 있다.
여기서 이 지품화산암층은 유문암 관입체를 함 께 고려한다면 하나의 화산복합체를 형성한다. 즉 지품화산암층에서 안산암질의 용암 및 유리쇄설암 과 지표쇄설암을 제외시키고 유문암질 응회암과 용 암을 유문암 관입체와 관련시키면, 이들 3자는 아 마도 공급지가 같은 하나의 단일한 유문암질 복합 체를 이루었을 것으로 생각할 수 있다.
유문암질 화성쇄설암
유문암질 화성쇄설암은 영덕군 지품면에서 렌즈 상으로 크게 분포하며, 흔히 바위산을 형성하여 식 생이 불량하고 항공에서 희게 보인다. 이 화성쇄설 암은 입봉안산암 위에 정합적으로 놓이지만 신양 동층을 직접 피복하기도 한다. 또한 이 화성쇄설암 은 대개 응회질 사암에 의해 덮이지만 유문암 용 암에 의해 직접 덮이기도 한다(Fig. 2b). 두께는 중간부에서 최고 150 m에 달한다.
이 화성쇄설암은 대부분 회백색 내지 담갈색의 라필리응회암과 응회암에 속한다. 이질 암편 (accidental lithics)은 저색 사암과 암록색 안산암이 있고 기타 암편으로 회백색 유리질 파편이 있다 (Fig. 3a). 기질은 회백색 내지 유백색을 띠며 화산
Fig. 1. Generalized geological map around the Jipum Volcanics. D, Daedunsan; T, Taehaengsan; G, Gamebong; J,
Juwangsan.
회로 구성된다(Fig. 3a, b). 경하에서 결정편과 날 카로운 샤아드가 거의 발견되지 않고 대부분 유리 편으로 구성된다. 이 유리편은 그 내부에 결정과 기공을 가지지 않고 모양이 뾰족하지도 판상이지 도 않으며 불규칙적으로 다소 오목하거나 볼록한 블록상(blocky)을 나타낸다(Fig. 3c). 그리고 이 유 리편은 압착되거나 달라붙는 용결 현상을 보이지 않고 화산회 기질에 의해 지지되거나 입자들 끼리 서로 기계적으로 지지되는 양상을 나타낸다. 그러 므로 이 화성쇄설암은 유리응회암(hyalotuff)이라는 것을 암시한다.
이상을 종합하면 화성쇄설암은 유리편이 풍부하 고 이의 외형이 블록상이며 화산회가 풍부하면서 층리의 발달이 불량한 점이 특징인데 이는 아마도 수증기마그마성 활동(phreatomagmatic activity)에 의해 유래되었던 것으로 해석된다. 그리고 층리 발 달이 불량하고 두께가 150 m로 두꺼운 것임에도 불구하고 용결현상을 보이지 않는 것도 수증기마 그마성 분출의 저온성 분연주의 붕괴로부터 집적
되었다는 것을 지지한다.
입도에 의하면 화성쇄설암은 라필리응회암과 응 회암으로 구성되며 전자가 훨씬 우세하다. 라필리 응회암은 대부분 수 m~수십 m 두께로 산출되지만 상부에서 10 cm 내외 두께도 나타난다(Fig. 3d).
라필리들은 세립의 화산회에 의해 기질지지되어 있 으며 분급은 매우 불량하다(Fig. 3a). 라필리는 대 부분 암편이고 드물게 부석이 포함된다. 암편들은 입도가 0.5~5 cm가 우세하고 최고 8 cm에 달하며 가끔 정점이현상을 보여주고 최하부에서 역점이현 상을 관찰할 수 있다. 부석들은 드물게 나타나지만 1×3 cm 크기가 우세하다. 기질은 담회색 내지 갈 회색을 띠며 비교적 견고하다. 이 암상은 유문암 관입체 근처에서는 큰 암편을 함유하는 응회각력 암을 나타내며 측방으로 점차 얇아지고 상위에는 얇은 화산회 응회암으로 덮이는 경우가 가끔 나타 난다. 라필리응회암은 불량한 분급, 암편의 정점이 변화, 하부의 역점이변화, 기질의 견고성 등에 의 하면 상당히 습윤한 화쇄류가 사면을 따라 암설류
Fig. 2. Geological section and map. (a) Vertical section showing the relationships of lithostratigraphical divisions in
the Jipum Volcanics; (b) Detailed geologiccal map of the Jipum Volcanics, together showing a sampling location for
SHRIMP U-Pb dating.
(debris flow)로 정치되었음을 지시한다. 이 습윤한 슬러리(slurry) 상태의 암설류는 화구를 채운 슬러 리가 폭발적으로 분출됨으로써 유래되었을 것으로 해석된다.
응회암은 유백색 내지 회백색을 띠며 중 · 조립 질 화산회로 대부분 구성되고 암편을 거의 함유하 지 않는다(Fig. 3b). 각 층은 2~20 cm 두께로서 측방으로 지속적이지만 첨멸되거나 단속적으로 연 속된다. 이 암상은 주로 라필리응회암의 상위에서 종종 산출된다. 이 응회암이 라필리응회암 위에서 흔하게 산출되는 것은 고밀집 화쇄류에 결부되어 뒤따르는 동시화쇄류강하(co-ignimbrite fall)에 의 해 형성된 것으로 해석된다.
층회암
층회암은 남부에서 유문암질 화성쇄설암 위에 렌 즈상으로 길게 분포한다. 이는 응회암 위에 정합적 으로 놓이며 유리쇄설암에 의해 덮이고 유문암 용 암에 의해 덮인다(Fig. 2a). 두께는 최고 약 70 m 이지만, 북서쪽으로 갈수록 급격히 얇아지고 남쪽 으로 갈수록 서서히 얇아진다(Fig. 2b).
이 사암은 가장 두꺼운 곳에서 회색 내지 담회 색을 띠고 얇은 곳에서 회백색 내지 담록색을 띤 다. 대부분 조립질 사암에 해당하지만(Fig. 3e). 이 의 상부에서 세립질 사암 혹은 셰일을 협재한다.
이들은 화산 성인의 각상 쇄설물과 결정편을 많이 함유한다. 이 암층의 하부는 조립질 화산쇄설성 성 격이 우세하여 하위의 정상적인 화성쇄설암과 구 별하기 어려운 경우도 있다.
그러므로 이러한 특징은 주요 화산사건에 뒤따 른 화산활동의 한 맥동의 휴지기를 나타내거나 아 니면 폭발활동에서 분류활동으로 도래된 시기에 이 의 영향을 받지 않는 보다 낮은 저지에 일어나는 퇴적작용을 지시하는 것으로 해석된다.
안산암질 유리쇄설암
안산암질 유리쇄설암은 남부에서 얇지만 남북으 로 길게 분포한다(Fig. 2b). 이 암층은 대부분 응 회질 사암 위에 정합적으로 놓이지만 이의 남쪽 끝부분에서 응회암 위에 직접 놓이며, 이의 북쪽 끝부분에서 유문암 용암에 의해 덮이고 대부분 주 왕산응회암에 의해 덮인다(Fig. 2a). 두께는 최고 약 40 m 정도로 얇은 편이다.
이 유리쇄설암은 대부분 암록회색 안산암의 암 괴들로 구성되는 각력암이다. 암괴들은 대개 5~10 cm 크기의 다각형으로서 각 면이 판상이고 이들의 모서리가 날카롭게 거의 직각을 이룬다(Fig.
3f). 암괴 간에는 금만 생겨 조각화만 되어 있을 뿐 간격 없이 붙어있거나 약간의 회전으로 벌어져 작은 녹회색 조각들로 채워져 있는 상태로서 이동 없는 현지 각력암을 이룬다.
이러한 안산암편의 조직은 아마도 물과 접촉하 는 뜨거운 용암이 급히 냉각됨으로써 쉽게 각력화 되었다는 것을 암시한다. 유리쇄설암이라는 용어는 Rittmann(1962)에 의해 처음 제안되었는데, 그는 뜨거운 필로우(pillow)에 대해 유리질 외피가 분쇄 에 의해 형성된 퇴적물을 기재할 때 사용하였다.
이후 이러한 타입의 유리쇄설암은 극히 제한되어 용암이 물속으로 들어갈 때 생성되는 것까지 확대 되었다. Silvestri(1963)는 공급지로부터 흘러나온 직후에 형성되는 초생 유리쇄설 각력암(hyaloclastite breccia)으로부터 공급지에서 좀 떨어져 퇴적물질을 함유할 수 있는 재이동 유리쇄설암(reworked hyaloclastite)으로 확대하는 성인적 분류를 제안하 였다. 그래서 본역에서 이러한 특징을 나타내는 현 저한 암형을 유리쇄설암이라고 부르게 되었으며 이 분류에 따르면 급냉 파쇄작용에 의한 유리쇄설 각 력암에 해당된다. 그러므로 이 유리쇄설암은 뜨거 운 용암이 응회질 사암이 쌓이던 곳으로 흘러갈 때 물과 접촉함으로써 각력화된 것으로 해석된다.
그러나 남쪽에서 응회암 위에 직접 놓이는 이 유 리쇄설암은 암록회색의 괴상 안산암으로 연결된 다. 이는 아마도 물이 있는 환경에 도달되지 못했 음을 나타내고 안산암 용암의 공급지의 방향을 암 시한다.
유문암 용암
유문암은 주왕산 국립공원 북동부 산복에서 현 저한 바위산을 형성하면서 용암류(lava flow)로 산 출되며 남서부에서 북서부까지 대상으로 뻗치면서 분포한다(Fig. 2b). 이 용암은 유문암질 화성쇄설암 혹은 층회암 위에 놓이지만 북서부에서 하양층군 도계동층의 저색 퇴적암 위에 직접 놓인다. 그리고 상위에서 안산암 용암으로 덮이거나 주왕산응회암 에 의해 직접 덮인다(Fig. 2a). 이는 아마도 주왕 산 계곡으로 넘어가는 느지미재의 횡단면에서 약
330 m로서 가장 두꺼우며 여기서 북서쪽으로 갈수 록 점차 얇아지고 남동쪽으로 갈수록 급격히 얇아 진다. 그래서 이의 입체적 양상은 중앙부를 중심으 로 완만한 용암도움(lava dome) 양상을 나타내고 현재 이의 서반부가 남아 있는 것으로 보인다.
이 용암은 도홍색 내지 홍회색을 띠고 반정이 거의 관찰되지 않는 비반상을 나타내며 도처에서 1 mm 내외의 유백색대와 홍회색대가 조밀한 간격 으로 반복되는 유상엽리(flow foliation)를 잘 발달
시킴으로서 유대상 유문암(flow-banded rhyolite)에 해당된다(Fig. 4a). 이 유상엽리는 비대칭 유상습곡 (flow fold)으로부터 이의 주된 방향성을 제시해주 기도 한다. 용암류 경계부는 특히 흐를 때에 표피 와 내부의 냉각속도 차이로 발생하는 자동각력작 용(autobrecciation)에 의해 형성된 흐름 각력암도 흔히 협재되어 있다(Fig. 4b).
박편에서 이 용암은 석영과 장석의 미정질대와 미립의 불투명산화철 외에 거의 결정화되지 않은
Fig. 3. Rhyolitic pyroclastic rocks, tuffites and andesitic hyaloclastites in the Jipum Volcanics. (a) Rhyolitic fine lapilli
tuff; (b) Rhyolitic tuff; (c) Photomicrograph of the rhyolitic fine lapilli tuff, open nicol; (d) Interbedding of rhyolitic tuff
and lapilli tuff; (e) Pale grey tuffaceous sandstone; (f) Aphyric andesite with some amygdules.
유리질대가 교호된다(Fig. 4c). 간혹 이들은 모자익 상 결정질대 혹은 미구과상대와도 교호된다. 유상 엽리 즉 유백색대와 홍회색대의 색차이는 결정도 의 차이에 의해 정의되고 홍회색으로부터 회색으 로의 전이는 아마도 불투명산화철의 종류에 따라 달라진다. 전체적으로 유리질 석기 내에 아주 작은 침상 장석 미정이 드물게 산재되어 있는 유리양모 상 석리(hyalopilitic fabric)를 나타내며 매우 드물 게 사장석 미반정이 관찰된다. 이차적인 결정작용
은 다양하며, 부분적으로 미립의 석영과 장석 결정 이 작고 선명하게 구과상으로 성장되고 반면에 보 다 조립의 결정이 모자익상으로 결정화되어 있는 경우도 있다.
이 유문암에서 유상엽리는 용암류가 이동할 때 전단작용을 받아 나타나는 전단변형의 흔적을 지 시한다. 이 유상엽리대의 상부는 동일한 속도의 집 단류(mass flow)로 따라가기 때문에 유상엽리를 나 타내지 않는 부분도 있다.
Fig. 4. Rhyolite lavas and intrusion, tuffaceous conglomerates and andesite lavas in the Jipum Volcanics. (a) Flow-
banded rhyolite; (b) Flow breccia of he flow-banded rhyolite; (c) Photomicrograph of the flow-banded rhyolite, open
nicol; (d) Stony rhyolite; (e) Tuffaceous sandstone; (f) Amygdaloidal andesite.
유문암 관입체도 북동부에서 하트에 가까운 원통 상으로 산출된다(Fig. 2b). 이 관입체는 회백색 내지 유백색을 띠는 석정질 유문암(stony rhyolite)으로 이루어지며, 희미하지만 유상엽리가 고각도로 발달 된다(Fig. 4d). 이곳은 석정질 유문암의 원통상 산 출과 고각도 유상엽리는 유문암질 화성쇄설암과 용 암을 분출시킨 화구의 유문암 플러그로 해석된다.
응회질 역암
응회질 역암은 지형고도 약 500 m 능선의 두 군데에서 소규모로 국지적으로 산출된다(Fig. 2b).
이 역암은 유문암 용암 위에 놓이며 북쪽에 있는 것은 안산암 용암에 의해 덮이지만 남쪽에 있는 것은 상위에 덮이는 암층이 없이 노출된다(Fig.
2a). 두께는 약 20 m 정도로서 측방으로 연장이 제한된다. 이는 아마도 국부적인 지형저지에 퇴적 된 것으로 해석된다.
이 역암은 담록회색 기질에 유문암편과 안산암 편을 다량 함유한다(Fig. 4e). 이중에 유문암편이 더 큰 편이고 최고 35 cm에 달하며 하부로 갈수록 더 풍부해진다. 안산암편은 상부에서 더 풍부하고 각상을 나타낸다. 이 역암은 상하로 입도 변화가 심하고 희미하지만 층리를 발달시킨다. 이들은 좁 은 분포와 얇은 두께에도 불구하고 그 화산암편의 구성비가 측방 및 수직으로 심하게 변하는 편이다.
그러나 이 암층의 상부는 더 조립질인 화산쇄설암 이 우세해진다.
이 역암은 다양한 화산암 역들의 구성원, 불량한 분급, 비조직화 등에 의하면 1차 용암류의 분출이 끝난 후 화산휴지기에 화산 사면에 쌓인 미고결 화산쇄설물(volcaniclast)이 암설류(debris flow)에 의해 운반되어 용암층 위의 저지에 퇴적된 것으로 해석된다. 그러므로 이는 화산사건의 휴지기에서
다른 화산활동의 시작을 나타내는 한 맥동을 암시 하는 것으로 해석된다.
안산암 용암
안산암 용암은 지품화산암층의 구성암 중에서 최 상부에 해당하며 중서부의 느지미재에서 Y자형으 로 분포하고 남동쪽으로 뻗치며 북서부와 중앙부 에서 소규모로 분포한다(Fig. 2b). 이 용암은 북서 부와 중앙부에서 응회질 역암 위에 정합적으로 놓 이지만 느지미재에서 유문암 용암을 직접 피복한 다(Fig. 2a). 두께는 느지미재에서 최고 약 70 m 정도이다.
이 암층은 대부분 안산암 용암으로 구성되며 드 물지만 하부에 각력암을 얇게 협재하고 느지미재 에서 상부에 유문암 용암을 국부적으로 가진다. 이 용암의 암질은 암록회색 내지 암회색을 띠며 드물 지만 행인이 형성되어 있고 육안상 반정이 보이지 않는 비반상이다(Fig. 4f). 행인은 방해석, 녹니석과 옥수 등으로 구성되며 녹니석이 2×3 mm 내외로서 작지만 기타는 4×6 mm 내외의 타원형을 이룬다.
이의 암질은 입봉안산암의 것과 거의 동일하다.
경하에서 드물게 사장석, 각섬석과 휘석이 미반 정으로 함유되며 사장석 미반정은 대부분 방해석 으로 변질되어 불명료한 가상을 나타낸다. 석기는 작은 사장석 미정들이 거의 유리질 내지 은미정질 바탕 위에 방향성을 가지면서 배열되어 양모배열 상 석리(pilotaxitic fabric)를 나타내고 간혹 침상 사장석 미정이 유리질 바탕 위에 드물게 산재하는 유리양모상 석리를 나타낸다. 유리질 석기는 전반 적으로 녹니석과 불투명산화물 등으로 다소 변질된 부분이 산재되어 있는데 이는 곳에 따라 원래 마그 마성 석리를 식별할 수 없을 정도로 파괴되었다.
Fig. 5. Representative Cathodoluminescence images of the analysed zircon grains, showing the location of analytical
spots and
206Pb/
238U ages in Ma, separated from the rhyolitic pyroclastic rocks (HC711) in the Jipum Volcanics.
연대측정
이 연구는 지품화산암층을 구성하는 암석 중에 서 유문암질 응회암을 대상으로 저어콘 U-Pb 법에 의한 연대측정을 한국기초과학지원연구원에서 실 시하였다. 연구시료에 대한 정밀분석자료는 Table 1에 주어졌고, 분석 저어콘의 대표적인 CL 영상은 Fig. 5에 나타냈다.
저어콘 입자는 대부분 자형 내지 반자형 주상이 고 날카로운 끝을 가지는데, 이는 화성성인을 지시 한다. CL 영상은 동심원상 진동누대의 특징을 나 타낸다(Fig. 5). 13개 분석은 동심원상 진동누대를 가진 저어콘에서 실시하였으며, 2개를 제외하고 모 든 분석치는 64.2~68.7 Ma 범위의 젊은 연대를 갖는다(Table 1). 11개는 가중평균 206Pb/238U 연대 68.5±1.6 Ma(MSWD=1.9)를 갖는 조화적 군집을 형성하는데(Fig. 6), 이는 이 응회암의 결정연대이 며 분출연대로 해석할 수 있다. 늙은 입자 중에 한 입자는 202 Ma로 주변의 쥬라기 심성암체에서 나온 외래결정으로 해석되고 다른 한 입자는 79.5 Ma로 부남암주와 같은 심성암체(Hwang et al., 2016)에서 유래된 것으로 해석된다.
토 의
지품화산암층은 대부분 유문암질 화성쇄설암, 용 암과 관입암으로 구성되고 이들 사이에 지표쇄설 암과 안산암질 용암과 유리쇄설암이 협재되어 있 다. 따라서 지품화산암층의 정치시기에 대해 먼저
Fig. 6. Concordia diagrams of sample HC711 from the rhyolitic pyroclastic rocks.
Table 1. Summary of SHRIMP U-Pb isotope data of the analyzed zircons from the rhyolitic pyroclastic rocks in the Jipum Volcanics
Spot no.
206Pbc (%)
U (ppm)
Th (ppm)
232Th /238U ±%
207Pb /206Pb ±%
206Pb /238U ±%
206Pb/(2)238U Age
207Pb/(1)206Pb
Age HC711_1.1 10.05 95.36 58.94 0.638 0.8 0.1270 15.4 0.0352 6.1 66.4 ±3.2
HC711_2.1 2.26 260.08 122.87 0.488 0.6 0.0653 4.4 0.0291 3.2 66.5 ±2.1 -1088 ±1112 HC711_3.1 1.45 287.40 148.55 0.534 0.9 0.0589 3.9 0.0334 2.5 68.7 ±2.3 201 ±232 HC711_4.1 1.03 454.75 262.69 0.597 1.0 0.0555 3.5 0.0299 2.7 68.1 ±1.5 212 ±165 HC711_5.1 1.05 314.28 195.05 0.641 1.4 0.0557 3.8 0.0337 1.3 68.4 ±2.8 81 ±229 HC711_6.1 0.73 424.07 233.15 0.568 1.0 0.0532 3.5 0.0320 1.1 66.4 ±1.2 387 ±95 HC711_7.1 1.15 400.97 206.04 0.531 1.1 0.0566 4.1 0.0308 1.4 71.3 ±1.0 474 ±90 HC711_8.1 4.04 131.45 74.68 0.587 0.9 0.0795 16.4 0.0348 2.2 71.1 ±1.9 -180 ±1216 HC711_9.1 5.07 285.73 239.89 0.867 0.3 0.0875 16.1 0.0353 1.6 64.2 ±2.0
HC711_10.1 1.77 312.32 190.01 0.628 2.3 0.0614 4.1 0.0312 1.4 68.7 ±3.9 364 ±213 HC711_10.2 1.83 152.75 88.13 0.596 0.9 0.0618 5.9 0.0314 4.4 67.1 ±3.2 490 ±238 HC711_11.1 0.73 132.01 76.61 0.600 0.5 0.0534 7.0 0.0307 6.4 79.5 ±1.3
HC711_12.1 1.14 108.65 49.39 0.470 1.0 0.0593 3.7 0.0994 1.3 202 ±6.0 -42 ±313
Errors are 1-σ; Pb
cand Pb* indicate common and radiogenic portions, respectively.
(1) Common Pb corrected using measured
204Pb.
(2) Common Pb corrected by assuming
206Pb/
238U-
207Pb/
235U age-concordance.
저어콘 U-Pb 측정에 의하면 68.5±1.6 Ma 연대를 나타낸다. 이 연대는 아마도 유문암질 응회암의 분 출시기를 나타내는 것으로 해석된다. 그런데 달산 면 남부에서 채취한 달산안산암이 지품화산암층에 협재되는 안산암 용암에 대비되는데 68.1±1.2 Ma 연대로 측정되었으며(황상구, 미발표 자료), 층서적 으로 지품화산암층보다 위에 놓이는 무포산응회암 이 67.08±0.96 Ma 연대로 측정된 것으로 보고되었 다(Hwang et al., 2016). 따라서 지품화산암층도 백악기가 끝나는 무렵의 68.5~68.1 Ma 시기에 여 러 차례 분출활동으로 형성된 것으로 생각된다.
화산과정
지품화산암층은 노두가 제한적임에도 불구하고 뚜렷한 상하 암상변화를 관찰할 수 있어 분출유형 과 분출과정을 알 수 있게 한다. 이 지역은 영양 소분지 남부에 위치하므로 상승하던 마그마는 외 부물과 직간접적으로 접할 수 있는 환경이었다. 따 라서 화산과정은 환경 변화에 따라 여러 분출유형 으로 전이되면서 분출과정이 진행되었을 것으로 생 각된다.
지품화산암층에서 1차 분출활동은 처음부터 화 구에 외부물의 접근이 유입되는 환경에 놓였던 것 으로 해석된다. 그래서 이 분출작용은 외부물의 영 향을 받는 환경에서 마그마 자체가 보유한 휘발성 분보다 외부물의 유입에 따라 수증기마그마성 폭 발을 일으켰다(Branney, 1991; Allen and Cas, 1998). 이때 수증기마그마성 분출은 유문암질 마그 마에 외부물의 유입이었기에 수증기플리니언 분출 (phreatoplinian eruption)이었다. 뜨거운 마그마가 물과 접할 경우 그 접촉부에는 얇은 수증기막 (vapor film) 또는 증기핵생성(vapor nucleation)으 로 인하여 강력한 접촉면 수증기폭발(contact- surface steam explosivity)을 일으키고 세립질의 화산유리 파편을 만들어낸다(Kokelaar, 1986). 이러 한 수증기마그마성 폭발은 주로 화산회가 풍부한 화쇄밀도류를 형성한다. 이 화쇄밀도류는 기저를 따라 이동하면서 라필리응회암을 형성했던 것으로
로 낙하시켰다.
그리고 1차 분출작용이 정지되면서 남쪽의 저지 에 침수로 인해 지표쇄설작용이 일어났다. 왜냐하 면 유문암질 응회암층 위에는 층회암과 같은 지표 쇄설암층이 국부적으로 덮여있기 때문이다. 이 지 표쇄설암층은 산사면에 쌓인 미고결 화산쇄설물이 침식 운반되어 낮은 저지에 퇴적되었던 응회질 사 암이다. 이 응회질 사암은 분출 휴지기에 빗물과 유수에 의해 화산쇄설물이 재이동으로 재퇴적된 것 이다.
2차 화산작용은 남쪽에서 이동된 안산암질 용암 류에 의한 유리쇄설암이다. 이 암층을 2차 활동의 연속 분출물로 보지 않는 것은 남쪽으로 용암류와 연결되지만 유문암질 응회암층과 연결되지 않기 때 문이다. 이 용암류는 마그마에 외부물의 접근이 완 전히 차단된 남쪽 지역에서 마그마성 폭발작용을 일으킬 만큼 마그마 자체의 증기압도 낮았던 조용 한 분출에 의한 것이었다. 용암류의 점성은 비교적 낮았기 때문에 유동성이 좋아서 북쪽의 낮은 저지 로 흘렀으며 결국 호수물과 만나 급냉 파쇄작용으 로 자가각력화되어 유리쇄설암으로 지표쇄설암층 위에 정치되었다.
3차 분출작용은 유문암질 용암층이다. 이 용암층 은 공급지를 정확하게 알 수는 없지만 아마도 유 문암질 응회암과 같은 마그마에서 유래된 것으로 생각된다. 이때 비폭발적 분출은 외부물의 접근이 완전히 제한되었을 뿐만 아니라 자체의 휘발성분 의 부족으로 마그마성 폭발작용을 일으킬 만한 증 기압이 낮았던 것이다. 이때 흐름은 유문암질로서 점성이 비교적 낮았기 때문에 유상엽리를 잘 발달 시켰던 것으로 판단된다. 그러나 이 유문암질 용암 은 현무암질 용암에 비하면 점성이 상당히 컸기 때문에 유동성이 활발하지 못하여 먼저 굳은 외피 가 흐름 각력화작용으로 조각으로 각력화되면서 용 암들 사이에 각력암을 협재하게 되었다.
그리고 유문암질 용암의 정치 후에는 분출휴지 기가 도래되었다. 왜냐하면 이 용암층 위에는 지표 쇄설암층으로서 응회질 역암이 국부적으로 놓이기
때문이다. 이 지표쇄설암층은 산사면에 쌓인 미고 결 화산쇄설물이 국부적인 낮은 저지에 암설류로 운반되어 퇴적되었던 응회질 역암이다.
4차 분출작용은 안산암질 용암층이다. 이 용암층 은 공급지를 알 수는 없지만 북서쪽 어느 지역에 서 비폭발적 분출로 흘러내러 현재 위치로 이동되 었다. 이때 비폭발적 분출은 자체의 휘발성분의 부 족으로 마그마성 폭발작용을 일으킬 만한 증기압 이 낮았던 것이다. 이때 흐름은 점성이 안산암질로 서 비교적 낮았기 때문에 유동성이 커서 종횡비가 낮은 용암류로서 멀리 이동할 수 있었지만 먼저 굳은 외피가 큰 조각으로 각력화되면서 용암류 아 래에 국부적으로 각력암층을 가지기도 한다.
결 론
지품화산암층은 하부로부터 유문암질 화성쇄설 암, 층회암, 안산암질 유리쇄설암, 유문암 용암, 응 회질 역암, 안산암 용암 순으로 구성되는 층서단위 이다.
지품화산암층에서 안산암질의 용암 및 유리쇄설 암과 지표쇄설암을 제외시키고 유문암질 응회암과 용암을 유문암 관입체와 관련시키면, 이들 3자는 아마도 공급지가 같은 하나의 단일한 유문암질 복 합체를 이루었을 것으로 생각할 수 있다. 유문암 관입체는 석정질 유문암의 원통상 산출, 고각도 유 상엽리에 의하면 유문암질 화성쇄설암과 용암을 분 출시킨 유문암 플러그로 해석된다.
유문암질 화성쇄설암은 SHRIMP 저어콘 U-Pb 연대가 68.5±1.6 Ma로 측정되었다. 지품화산암층은 백악기 후엽이 끝날 무렵 68.5±1.6 Ma에 유문암질 화산작용이 일어났으며 동시에 국부적으로 안산암 질 화산작용도 수반되었다. 즉 유문암질 마그마가 수증기마그마성 폭발작용 및 분류작용, 안산암질 분류작용이 복합적으로 일어남으로서 지품화산암 층을 형성하였다.
유문암질 화산작용은 먼저 수증기마그마성 분출 로 인해 화성쇄설층을 형성시켰으며, 이 화산의 말 단부가 침수되어 층회암층이 퇴적되었고 연이어 안 산암질 용암이 흘러들어와 얇은 안산암층을 협재 시켰는데, 용암은 일부가 물과 접촉으로 급냉파쇄 작용으로 유리쇄설암을 형성하였다. 그리고 유문암 질 화산작용이 재개되어 기존 화구로부터 용암이
서쪽으로 흘러나가 두꺼운 유문암질 용암돔을 형 성하였으며, 마지막으로 다시 안산암질 용암이 재 차 흘러들어와 지품화산을 얇은 용암층으로 덮었 다. 결국 이 화산은 여러 화산과정에 의해 복합적 인 지품화산암층을 형성하였다.
사 사
이 연구는 1990년대 후반기에 주왕산 일대의 매 핑한 지질도와 자료 해석, 그리고 최근의 연대측정 에 의한 자료를 추가함으로서 이루어졌다. 심사과 정에서 논문의 질 향상을 위해 비평과 조언을 해 준 부경대 박계헌 교수님과 부산대 윤성효 교수님 께 감사를 드린다. 그림은 안동대 화산학실 이소진, 김광연과 김경엽의 도움으로 작성되었다.
References
