포항 달전리 주상절리와 뇌성산 뇌록산지의 현무암 비교 분석
김재환1·유영완1·정승호1·김태형1·문동혁2·공달용1*
1국립문화재연구소 자연문화재연구실, 2국립문화재연구소 보존과학연구실
Petrological Study on Basaltic Rocks of the Daljeon-ri Columnar Joint and the Noeseongsan Noerok Site in Pohang, Korea
Kim Jae hwan1, Yu Yeong-wan1, Jung Seung-Ho1, Kim Tae-Hyeong1, Moon Dong Hyeok2 and Kong Dal-Yong1*
1Natural Heritage, National Research Institute of Cultural Heritage, Daejeon 35204, Korea
2Conservation Science, National Research Institute of Cultural Heritage, Daejeon 35204, Korea
요 약: 포항 달전리 주상절리(천연기념물 제415호)와 뇌성산 뇌록산지(천연기념물 제547호)는 중요한 지질 유산적 가치를 지니고 있기 때문에 두 지역의 현무암체에 대한 암석학적 연구를 수행하였다. 달전리 주상절 리의 현무암은 감람석과 휘석이 반정으로 나타나며 침상의 사장석, 휘석, 불투명 광물 등이 기질을 이루는 반 상조직을 보인다. 반면 뇌록산지의 현무암은 미정질의 기질에 사장석, 감람석, 휘석 반정을 함유하고 있으며, 사장석 반정이 특징적으로 나타난다. 또한, 전암대자율, XRD, XRF 분석 결과에서도 두 지역의 현무암은 서 로 뚜렷이 구분되는 특성을 가진다. 화학분석 결과를 TAS와 Zr-Ti 다이어그램에 도시 결과, 전자는 대부분 알칼리 계열의 포노테프라이트(phonotephrite)의 조성을 가지며 판내부환경(within-plate basalt)에서 형성된 것 으로 판단되며, 후자는 칼크-알칼리 계열의 현무암질 안산암 내지 안산암 조성을 가지며, 화산호(volcanic arc basalt)의 영역에 도시된다. 따라서 두 현무암은 기원 맨틀 물질에 차이가 있으며, 이러한 차이는 신생대 마이 오세의 지체구조 환경 변화에 기인한 것으로 판단된다.
핵심어: 천연기념물, 포항분지, 장기분지, 포항 달전리 주상절리, 뇌록산지, 현무암
Abstract: The basaltic rocks of Daljeon-ri columnar joint (Natural Monuments # 415) and Noeseongsan Noerok site (Natural Monuments # 547) were analysed in order to understand basalt types of two areas.
The basaltic rocks of the Pohang Daljeon-ri columnar joint show a typical porphyritic texture containing phenocrysts (olivine and clinopyroxene) and groundmasses composed of clinopyroxene, plagioclase, and opaque minerals,. In contrast, basaltic rocks of Noeseongsan Noerok are characterized by fine-grained groundmass with large phenocrysts of plagioclase. Other analysis such as magnetic susceptibility, X-ray diffraction and X-ray fluorescence also support the petrological differences of two basalt rocks. The Daljeon-ri basaltic rocks are plotted on phonotephrite volcanic rocks of alkaline series in TAS(total alkali silica), and on within plate basalt in Zr-Ti diagram. The Noeseongsan basalts, on the other hand, are plotted on basaltic andesite to andesite of sub-alkaline series in TAS, and on volcanic arc basalt in Zr-Ti diagram. These results indicate that the original mantle materials between two basalt rocks were different each other, which probably originated from the change of a tectonic setting in the southeastern Korean peninsula during the Miocene.
Keywords: natural monument, Pohang Basin, Janggi Basin, Pohang Daljeon-ri columnar joint, Noerok source, Basalts
*Corresponding author Tel: +82-42-610-7630
E-mail: [email protected]
서 론
한반도 남동부에 위치하고 있는 경북 포항에는 천 연기념물 제415호로 지정되어 있는 포항 달전리 주 상절리와 이로부터 약 20 km 정도 떨어진 곳에 최근 천연기념물 제547호로 지정된 뇌성산 뇌록산지가 있 다(Fig. 1a). 과거 채석 과정에서 발견된 포항 달전리 주상절리는 신생대 마이오세에 관입한 현무암질 마그 마에 의해 형성되었으며, 수직한 방향으로 주상절리 가 잘 발달하고 있다. 주상절리의 규모는 높이 20 m, 길이 약 100 m에 달하고 있으며, 마치 병풍을 펼쳐
놓은 형상을 보인다(Fig. 1b). 남한의 주상절리 분포 지역은 최소 68개 이상이며, 이 중 천연기념물로 지 정된 대표적인 주상절리는 중생대에 형성된 무등산 주상절리대(제465호), 신생대 마이오세의 포항 달전리 주상절리(제415호), 신생대 제4기의 제주도 대포동 주 상절리(제443호) 등이 있다. 한반도 남동부에 해당하 는 포항-경주-울산 지역에는 8개 지역에서 수직 및 수평 방향의 주상절리 및 돔형, 방사상 절리가 잘 발 달하고 있다. 이들 모두는 신생대 에오세(54 Ma)에서 마이오세 말(4.6 Ma)의 화산활동으로 형성된 화산암 에 발달하고 있다(Ahn, 2014).
Fig. 1. Location and panoramic photograph of the Pohang Daljeon-ri columnar joint (b), Occurrence of Noerok (c) and Pohang Blue-velley construction site (d).
또한, 우리나라 내 유일한 뇌록 산출지로 알려져 있는 경북 포항 장기면 뇌성산 동남쪽 사면 일대에는 현무암질 내에 맥상 또는 간극 충전형태로 뇌록이 국 부적으로 확인되어 천연기념물 제547호로 지정되어 있다(Fig. 1c). 뇌록은 조선시대 건축물의 바탕칠(가칠) 에 사용된 광물 안료로서, 세종실록지리지를 통해 경 상도 장기현(현재 포항시 장기면), 황해도 풍천군, 평 안도 가산군 등에서 산출된 것으로 기록 되어 있다 (Lee et al., 2007; You, 2013; Lee et al., 2018).
최근 2016년에는 뇌성산 일대 ‘포항 블루밸리 국가산 업단지’ 조성 현장에서 대량의 뇌록이 보고되었다(Fig.
1d)(Jang, 2017). 이러한 포항 뇌록 산출지에 대한 연 구는 Do et al., (2008), Lee et al., (2018)에 의해 이루어진바 있으나, 주로 뇌록의 입자 특성 및 기능 성에 주안점을 두고 있다.
최근 국·내외적으로 지질학적으로 가치가 있는 지 질유산에 대하여 보호 및 관리 뿐만 아니라 관광자원 으로 활용을 위한 많은 연구가 진행되어 왔으며(Hose, 1995; Stueve et al., 2002; Hose, 2003; Koh et al., 2005; Dowling and Newsome, 2006, Dowling and Newsome, 2008), 특히 국립문화재연구소에서는 지속적으로 포항 인근에 발생하고 있는 지진 발생 등 으로 인하여 천연기념물로 지정되어 있는 포항 달전 리 주상절리와 뇌성산 뇌록산지에 대해 ‘중점관리대 상’으로 지정하여 정기적으로 보존 관리를 위한 모니 터링을 수행하고 있다. 이번 연구에서는 이 천연기념 물을 대상으로 하였으며, 신생대 마이오세 퇴적분지 인 포항분지와 장기분지에 위치하고 있다. 이에 신생 대 마이오세 퇴적분지에 대한 층서 관계를 살펴보았 으며, 포항 달전리 주상절리와 뇌성산 뇌록산지를 구 성하고 있는 두 현무암질암에 대해 암석학적 특징을 비교하고자 하였다. 이번 연구의 결과는 경관적으로 뛰어난 다양한 지질유산에 대한 가치와 중요성을 더 욱 증대시켜줄 수 있는 기초자료로 활용될 것으로 기 대된다.
연구방법
이번 연구에서는 천연기념물로 지정된 포항 달전리 주상절리와 뇌성산 뇌록산지에 분포하는 두 현무암체 에 대한 암석학적 특징을 비교하였다. 이를 위해 한 반도 남동부에 대한 지질구조에 대해 문헌조사 및 광 역적인 지질조사를 실시하였다. 포항 달전리 주상절
리와 뇌성산 뇌록산지는 포항분지와 장기분지에 각각 위치하고 있어, 분지의 충전물인 두 현무암체에 대한 암석학적 연구를 실시하였다. 이를 위해 전암대자율 분석, 편광현미경분석, X-선 회절 분석, X-선 형광 분석을 통해 광물 조합 및 지구화학적 특징을 비교하 였다. 전암대자율 측정은 전암대자율 측정기 SM- 30(GF Instruments社, Czech)을 이용하였다. X-선 형 광분석은 경상대학교 공동실험실습관에서 보유하고 있는 X-선형광분석기(S8 TIGER, Bruker AXS)를 이용하였다. Collimator mask는 34 mm, Cu mask, 최대허용 전압·전류는 30 kv, 170 mA이며, 경원소가 전압에 영향을 많이 받기 때문에 분석 순서를 Na, Ma, Al, Si, P, K, Ca, Ti, Mn, Fe 순으로 설정하 였다. 또한 구성광물 동정의 경우 더욱 정밀하게 하 기 위해 추가적으로 X-선 회절 분석을 실시하였다.
X-선 회절 분석은 경상대학교에서 보유하고 있는 Bruker社의 D8 Advance를 이용하였으며, 분석 조건 은 40 kV, 40 mA하에서 구간은 5~90o, 스텝간격은 0.02o, 주사시간은 0.3초로 설정하였다.
지질 개요
한반도 남동부 지역에는 올리고세 말부터 마이오세 동안 동해의 확장에 따른 북북서-남남동 방향의 우수 향 주향이동단층운동에 기인한 다수의 신생대 마이오 세 분지들이 발달한다(Fig. 2a). 이러한 퇴적분지들은 지리적 위치와 퇴적물의 특징에 따라 포항, 장기, 와 읍, 어일, 하서, 정자, 울산분지 등으로 구분되며, 포 항분지와 장기분지는 오천단층을 경계로 인접해 있고, 장기분지 남쪽으로는 와읍, 어일분지와 기반암으로 분 리되어 있다(Kim, 1970; Lee et al., 1992; Son and Kim, 1994; Son, 1998; Son et al., 2000, 2005;
Kim et al., 2011). 이 중 장기분지는 전기 마이오세 분지 중 가장 큰 분지로, 기반암은 백악기부터 고신 생기의 유문암질 또는 데사이트질 화산암 및 관입암 으로 구성되어 있다(Kim et al., 2011; Jung et al., 2012). 전기 마이오세 동안 이원성 화산 활동이 발생 하였으며, 분지충전물은 하위의 장기역암과 상위의 성 동리층으로 나누어지며, 후기의 뇌성산현무암질암으 로 구분된다(Fig. 2c). 장기분지 최하부 지층인 장기 역암은 역암과 사암으로 구성되어 있으며, 데사이트 질 응회질 사암이 협재되어 있다. 성동리층은 주로 데사이트질 응회암 또는 응회질 사암으로 구성되며,
최상부층인 뇌성산현무암질암은 하위의 암석을 분출 또는 관입한 용암류와 응회질각력암, 맥암류로 야외 산상은 다양하게 나타난다. 이러한 뇌성산 현무암질 암의 다양한 야외산상은 복잡한 퇴적 환경을 반영하 며, 동시기의 일련의 화산활동의 결과라 보고하였다 (Kim et al., 2011, 2015). 반면 포항분지는 전기 마 이오세 말(17 Ma)부터 중기 마이오세에 걸쳐 퇴적물 이 충전된 분지로서, 대규모 단층운동에 따라 빠른 분지의 침강으로 분지 서쪽 경계를 따라 선상지-삼각 주계 퇴적물이 먼저 퇴적한 후 분지 동쪽이 깊어짐에 따라 해침이 발생하여 해양성 부유 퇴적물이 그 상부 를 덮게 두껍게 피복하였다(Fig. 2b). 포항분지 충전 물은 전체적으로 화산물질을 포함하고 있지 않으며, 초기의 일부 육성 퇴적물을 피복하는 다량의 천해성 퇴적물로 구성되어 있어 전기 마이오세 분지의 충전 물과는 뚜렷이 구별된다(Song et al., 2015).
야외기재학적 특성
포항분지 내 달전저수지 주변에 위치하고 있는 포 항 달전리 주상절리의 높이는 약 20 m이며, 길이는 100 m로 신생대 마이오세 현무암질 마그마의 관입에 의해 형성되어 있다. 관입한 현무암질 마그마는 온도 차에 의해 냉각·수축 되어 암체의 외부에서부터 절리 가 형성되어 내부로 전파됨에 따라 주상절리가 잘 발 달하고 있다(Fig. 3a). 주상절리는 전체적으로 북동 주향에 남동쪽 방향으로 70o이상 경사져 있으나, 북 동 경계부에서는 수평에 가까운 경사를 보이기도 한 다(Fig. 3b, c). Song et al. (2015)에 의하면 달전현 무암은 분출한 용암류가 아닌 마그마가 연일층군 퇴 적암류의 층리면을 관입한 암상(sill)으로 해석 한 바 있다. 포항 달전리 주상절리의 단면의 형태는 대체로 5~6각형으로 나타나며, 이러한 주상절리의 형태는 냉 각속도가 빠른 표면 부근에서는 오각형 이하인 반면 Fig. 2. Regional geologic and structural map of the Miocene basin province in southeast Korea (a) and geological map of the Pohang (b) and Janggi (c) basins with sampling site (●).
Fig. 3. Outcrop photographs of Pohang Daljeon-ri columnar joint and around the Noeseongsan. (a~d) Pohang Daljeon columnar joint (e, f) Occurrence of Noerok in Noeseongsan (g) Noerok in Pohang Blue-velley construction site (h) dacitic tuff in the Janggi Basin.
천천히 냉각하는 내부로 갈수록 육각형의 모양을 띤 다고 보고하였다(Toramaru and Matsumoto, 2004).
주상절리가 노출된 사면의 동측의 경우 대부분 붕괴 되었으며, 최근까지도 낙석이 빈번히 발생하고 있다 (Fig. 3d). 절리면은 주상절리의 형성 과정에 있어서 냉각면에서부터 내부로 진행되는 일련의 단속적인 전 파에 의해 형성된다(DeGraff and Aydin, 1984). 따 라서 주상절리 내부에는 열전도에 의한 상대적 약대 가 형성되고 이러한 약대를 따라 풍화가 진행되어 나 타나는 것으로 판단된다.
포항분지 이남의 장기분지 내에는 과거 우리나라 내 유일한 뇌록 산출지로 알려진 뇌성산 뇌록 산출지 가 있으며, 뇌성산 현무암질암 내에 맥상 또는 간극 충전형태로 뇌록이 관찰되며, 채굴 흔적으로 보아 과 거 수차례 채굴한 것으로 판단된다(Fig. 3e, f). 뇌성 산 일대 성동리층의 데사이트질 응회암에서는 뇌록이 관찰되지 않지만, 최근 뇌성산과 광정산 사이 포항 블루밸리 조성 단지 내에서 현무암 단열을 암맥상으 로 충전하고 있는 뇌록이 발견되었다(Fig. 3g, h).
전암대자율 분석
대자율은 암석의 외부자기장에 대한 자화강도를 측 정하는 것으로, 육안으로 판단하기 힘든 암석 시료들 을 구분하는데 유용하게 사용되어 왔다. 이러한 전암 대자율 측정 방법은 암석의 성인 연구뿐만 아니라 최 근에는 암석의 동질성을 파악하여 석조문화재의 산지
추정 연구에 있어 많이 활용되고 있다(Jwa et al., 2006; Uchida et al., 2007; Kim and Jwa, 2010).
이에 포항 달전리 주상절리와 뇌성산 뇌록 산출지 일 대에 분포하는 현무암질암에 대하여 전암 대자율을 측정한 후 비교하였다. 포항 달전리 주상절리의 경우 전체적인 전암대자율 값을 알아보기 위해 주상절리가 노출된 사면의 서측에서 동측에 이르기까지 크게 세 부분으로 나누어 측정하였다. 측정 결과, 포항 달전리 주상절리 구성하고 있는 현무암의 경우 북서쪽 지점 은 14.5~21.5(×10-3SI), 북쪽지점은 10.7~14.6(×10-3 SI), 북동쪽 지점은 10.6~16.8(×10-3SI)의 범위를 보인다.
대체적으로 측정지점에 따라 유사한 값을 보이나 일 부분은 낮은 값을 보인다. 또한 포항 뇌성산 일대 뇌 록 산출지의 현무암의 경우 8.20~17.8(×10-3SI)로 포 항 달전리 주상절리와 유사한 값을 보이나, 포항 블 루벨리 일대 현무암의 경우 28.5~45.8(×10-3 SI)로 포 항 달전리 주상절리에 비해 다소 높은 값을 보인다 (Fig. 4).
광물학적 분석 결과
포항 달전리 주상절리 및 뇌록 산출지 일대에 분포 하는 암석에 대해 광물학적 특성을 알아보기 위해 광 역적인 지질조사를 바탕으로 지질 시료를 확보하였다.
이를 편광현미경분석 및 X-선 회절 분석을 실시하여 구성광물을 파악하였다. 편광현미경 분석 결과, 포항 달전리 현무암의 경우 감람석과 휘석을 반정으로 하
Fig. 4. Comparison of magnetic susceptibility for the Pohang Daljeonri columnar joint and the Noeseongsan Basaltic rock.
는 반상조직을 가지며, 사장석 반정은 거의 나타나지 않는다. 기질은 미정질로서 감람석, 휘석, 사장석, 불 투명광물 등을 포함하고 있다. 이러한 광물 조합은 전형적인 알칼리 현무암의 특징을 보이고 있다. 반면 뇌성산 현무암질암의 경우 미정질의 기질에 사장석, 감람석, 휘석 반정을 함유하고 있으며, 특징적으로 사 장석 반정이 나타난다. 사장석의 경우 알바이트-칼스 바드 쌍정으로 나타난다. 두 암석의 광물조합 및 조 직은 전혀 다른 특징을 보인다(Fig. 5). 두 현무암의 기질은 미정질로 편광현미경하에서 동정이 어려워 X- 선 회절 분석을 통해 추가적으로 구성광물을 동정하 였다. 포항 달전리 주상절리의 구성 광물은 방비석 (analcime), 단사휘석, 알칼리장석, 몬모릴로나이트 (montmorillonite), 흑운모, 녹니석, 뇌성산 뇌록산지
일대 현무암은 안데신, 단사휘석, 몬모릴로나이트 등 이 동정되었다(Fig. 6).
지구화학적 특성
포항 달전리 주상절리와 뇌성산 뇌록산출지 일대에 분포하는 두 현무암체에 대해 지구화학적 특성을 비 교하였다(Table 1). 포항 달전리 주상절리를 구성하고 있는 암석의 경우 SiO2의 함량은 51.80~52.1 wt.%, Na2O는 5.46~6.32 wt.%, K2O는 3.39~3.54 wt.%의 분포를 보이는 반면 뇌성산 일대 현무암질암의 경우 SiO2의 함량은 55.20~57.47wt.%, Na2O는 3.29~
3.61 wt.%, K2O는 1.59~1.61 wt%로 측정되었다. SiO2 의 함량은 뇌성산 현무암질에서 다소 높게 측정된 반 면 Na2O, K2O의 함량은 포항 달전리 주상절리에서 Fig. 5. Microscope photograph of the Pohang Daljeon-ri columnar joint and basaltic rocks. (a) Pohang Daljeon-ri columnar joint, (b) Occurrence of the Noerok in Noeseongsan, (c) Pohang Blue-velley construction site.
Table 1. Chemical composition of the Pohang Daljeon-ri columnar joint and Noeseongsan basaltic rock
포항 달전리 주상절리 뇌성산 현무암질암
PDC-1 PDC-2 PDC-3 PDC-4 PDC-5 PBB-1 PBB-2 PBB-3
SiO2 51.80 51.6 52.1 51.9 51.4 57.47 55.2 56.30
TiO2 1.717 1.634 1.79 1.69 1.775 0.862 0.856 0.857
Al2O3 17.55 17.67 17.5 17.2 17.33 18.38 17.3 17.50
Fe2O3 6.390 6.30 6.81 6.70 6.749 7.024 7.07 7.05
MgO 6.163 5.929 6.55 6.32 6.346 3.060 3.29 3.170
MnO 0.104 0.110 0.113 0.122 0.115 0.081 0.080 0.080
CaO 4.334 4.882 4.45 5.10 4.768 7.322 7.14 7.28
Na2O 6.320 5.960 5.99 5.46 5.76 3.610 3.29 3.59
K2O 3.392 3.541 3.37 3.52 3.44 1.603 1.59 1.611
P2O5 1.810 1.930 1.78 2.06 1.920 0.344 0.339 0.337
Fig. 6. X-Ray analysis results of the Pohang Daljeon-ri columnar joint (a) and the Noeseongsan Basaltic rocks (b).
Ac: analcime, Py: clinopyroxene, Cc: Clinochlorite, A-f: akali-feldspar, Bt: biotite, Mo: montmorillonite, An: andesine.
Fig. 7. Plot of Na2O+K2O vs. SiO2 (a) and tectonomagmatic discrimination of the Pohang Daljeon-ri columnar joint and Noeseongsan basaltic rock (b).
높게 측정 되어 구분되어진다. 주원소 분석 결과를 TAS(total alkaline silica)도에 도시해보면 포항 달전 리 주상절리는 알칼리 계열의 포노테프라이트 (phonotephrite)에 도시된 반면 뇌성산현무암질암은 비 알칼리암(sub-alkaline) 계열의 현무암질 안산암 내지 안산암 영역에 도시된다(Fig. 7a). 포항 달전리 주상 절리는 포항분지 내에 분포하는 달전현무암에 대한 기존 연구 결과와 잘 부합한다(Song et al., 1998).
또한 Zr-Ti 도표 상에서 포항 달전리 주상절리는 판 내부 환경 현무암(within-plate basalt), 뇌성산 현무암 질암은 화산호 현무암(volcanic arc basalt) 영역에 각 각 해당한다(Fig. 7b).
결 론
한반도 남동부에 분포하고 있는 천연기념물 제415 호 포항 달전리 주상절리에 대한 암석학적 연구를 실 시하였으며, 이를 뇌성산 뇌록산지 일대 현무암체와 비교하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 포항 달전리 주상절리는 신생대 마이오세 현무 암질 마그마의 관입에 의해 형성되었으며, 단면의 형 태는 대부분 5~6각형으로 나타난다. 반면 우리나라 내 유일한 뇌록 산출지로 알려진 뇌성산 뇌록 산출지 는 뇌성산 현무암질암 내에 맥상 또는 간극 충전형태 로 뇌록이 관찰되며, 최근 광정산 사이 포항 블루밸 리 조성 단지 내에서도 현무암 단열을 암맥상으로 뇌 록이 관찰된다.
2) 포항 달전리 주상절리의 구성 암석은 미정질로 감람석, 휘석이 반정이 나타나는 반면 뇌성산 뇌록 산출지 일대 현무암질암은 사장석, 감람석, 휘석 반정 으로 사정석 반정이 특징적으로 나타난다. 이러한 두 암석의 광물조합 및 조직은 기원 맨틀 물질의 차이에 따른 것으로 판단된다.
3) 두 현무암체에 대한 전암대자율 측정 결과, 뇌록 산출지 일대(포항 블루벨리)에 분포하는 뇌성산현무 암은 포항 달전리 주상절리에 비해 다소 높은 값을 보이나, 대자율 값에 근거한 암석의 분류에서 두 암 석은 모두 자철석 계열에 해당한다.
4) 두 암석에 대한 주성분 분석 결과를 바탕으로 TAS Diagram에 도시해보면 포항 달전리 주상절리는 알칼리 계열의 포노테프라이트(Phonotephrite), 뇌성산 현무암질암은 현무암질 안산암 내지 안산암 영역에 해당한다. 또한 Zr-Ti 도표 상에서 포항 달전리 주상
절리는 판 내부 환경 현무암(within-plate basalt), 뇌 성산 현무암질암은 화산호 현무암(volcanic arc basalt) 영역에 해당한다. 이러한 차이는 신생대 마이오세의 지체구조 환경 변화에 기인한 것이다.
사 사
이 연구를 위해 현지조사에 많은 도움을 주신 포항 시청 관계자들과 심도 깊은 논문이 될 수 있도록 유 익한 조언을 해주신 익명의 심사위원님께 감사드린다.
이 논문은 국립문화재연구소의 자체과제인 한국의 지 질 다양성 연구[NRICH-1805-A15F-1]에 의해 진행되 었다.
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Received September 5, 2018 Review started September 7, 2018 Accepted October 30, 2018
