Plio-Quaternary Seismic Stratigraphy and Depositional History on the Southern Ulleung Basin, East Sea

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[Note]

동해 울릉분지 남부의 플라이오-제4기 탄성파 층서 및 퇴적역사

조민희¹·유동근²*

1

과학기술연합대학원대학교 석유자원공학과

2

한국지질자원연구원 석유해저연구본부

Plio-Quaternary Seismic Stratigraphy and Depositional History on the Southern Ulleung Basin, East Sea

M ^IN H ^UI J ^OH

^AND D ^ONG G ^EUN Y ^OO

*

1

Department of Petroleum Resources Technology, University of Science and Technology, Daejeon, Korea

2

Petroleum and Marine Research Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources(KIGAM), Daejeon, Korea

동해 울릉분지 남부에서 취득한 다중채널 탄성파 탐사자료의 해석에 의하면 연구지역에 분포하는 플라이오-제4기 퇴적층은 침식부정합면에 의해 구분되는 9개의 퇴적단위가 중첩된 형태로 구성되어있다. 탄성파 단면상에서 각 퇴 적단위는 남쪽사면의 경우 질량류 퇴적층으로 해석되는 캐오틱한 음향상 특징이 주로 나타나며, 북쪽 중앙분지로 향 하면서 저탁류/반원양성 퇴적층으로 해석되는 연속성이 양호하고 진폭이 강한 평행 층리 음향상이 나타난다. 퇴적 단위의 분포 및 탄성파상 특징에 의하면 플라이오-제4기 동안의 퇴적작용은 주로 지구조 운동과 해수면 변동에 의 해 조절된 것으로 해석된다. 플라이오세 동안의 퇴적작용은 주로 동해의 닫힘작용과 연계된 지구조 운동의 영향이 있었다. 중-후기 마이오세 이후 동해는 횡압력에 의한 닫힘작용이 시작되었으며 플라이오세 말까지 횡압력의 영향 으로 광역적인 융기가 야기되었다. 따라서 이때 형성된 다량의 침식 퇴적물이 분지로 유입되었으며 주로 쇄설류로 구성된 퇴적단위 1을 형성하게 되었다. 제4기에 접어들면서 중첩된 형태로 분포하는 퇴적단위 2-9의 발달은 주로 주기적으로 반복되는 해침과 해퇴의 영향에 의해 조절되었다. 반복적으로 진행된 해퇴 및 저해수면 조건이 주로 남 쪽사면을 중심으로 분포하는 쇄설류의 퇴적을 야기시켰으며, 해수면 상승기간 동안에는 쇄설류 층이 얇은 반원양성 내지는 원양성 퇴적물에 의해 피복되었다. 결과적으로 연구해역에 분포하는 플라이오-제4기 퇴적층은 쇄설류와 저 탁류/반원양성을 포함하는 질량류의 중첩에 의해 구성된다.

Analysis of multi-channel seismic reflection data from the Southern Ulleung Basin reveals that Plio-Qua- ternary section in the area consists of nine stacked sedimentary units separated by erosional unconformities. On the southern slope, these sedimentary units are acoustically characterized by chaotic seismic facies without dis- tinct internal reflections, interpreted as debris-flow bodies. Toward the basin floor, the sedimentary units are defined by well-stratified facies with good continuity and strong amplitude, interpreted as turbidite/hemipelagic sediments. The seismic facies distribution suggests that deposition of Plio-Quaternary section in the area was controlled mainly by tectonic movement and sea-level fluctuations. During the Pliocene, sedimentation was mainly controlled by tectonic movements related to the back-arc closure of the East Sea. The back-arc closure that began in the Miocene caused compressional deformation along the southern margin of the Ulleung Basin, resulting in regional uplift which continued until the Pliocene. Large amounts of sediments, eroded from the uplifted crustal blocks, were supplied to the basin, depositing Unit 1 which consists of debris-flow deposits.

During the Quaternary, sea-level fluctuations resulted in stacked sedimentary units (2-9) consisting of debris- flow deposits, formed during sea-level fall and lowstands, and thin hemipelagic/turbidite sediments, deposited during sea-level rise and highstands.

Keywords: Seismic Stratigraphy, Tectonic Movement, Sea-level Change, the Ulleng Basin

*Corresponding author: [email protected]

서 론

탄성파 탐사 자료는 해저 퇴적층의 층서 및 퇴적 역사를 이해 하기 위해 널리 사용되고 있다. 탄성파 자료를 이용하여 층서 단 위를 구분하고 탄성파상 분석을 수행하는 탄성파 층서학(seismic stratigraphy) 은 1970년대 미국의 엑슨(Exxon)사 연구진에 의해 기 본개념이 수립된 이후 1980년대에 접어들면서 탄성파 자료는 물 론 고생물 및 물리 검층 자료의 종합적인 해석을 통하여 퇴적상 및 퇴적 층서를 시공간적인 측면에서 해석하는 순차층서학(sequence stratigraphy) 으로 발전하였다(Vail, 1987; Posamentier et al., 1988).

이러한 탄성파 순차층서 개념은 퇴적층이 형성될 당시의 퇴적환 경 및 퇴적역사에 대한 비교적 정확한 해석을 이끌어낼 수 있어 주로 석유탐사와 관련된 심부층서 및 지구조 해석에 주로 적용되 어 왔으며 특히, 장주기의 해수면 변화와 연계되어 발달하는 비교 적 큰 규모의 퇴적층서 및 지질구조 해석에 적용되어왔다. 그러나 1990 년대 들어서면서 주로 심부층서 및 분지해석 연구에 적용된 순차 층서 개념이 천부퇴적층을 대상으로 하는 연구에 적용이 가 능한 것으로 밝혀지면서(Boyd et al., 1989) 제 4기 퇴적층을 대 상으로 하는 연구에 활발하게 활용되기 시작했다(Aksu et al., 1992a, b; Ericilla et al., 1994; Hiscott and Aksu, 1996; Tortora, 1996; Lee and Suk, 1998; Normark et al., 1998; Tesson et al., 2000; Garziglia et al., 2008).

울릉분지에서도 1970년대 이후부터 석유탐사 목적의 탄성파 탐 사가 수행되면서 탄성파 탐사 자료를 이용한 층서, 퇴적역사 및 분지발달사 규명을 위한 연구가 수행되어 왔다(최, 1995; 신, 2000;

한국지질자원연구원, 2006; Yoon and Chough, 1995; Park, 1998;

Yoon et al., 2003). Park(1998)과 Yoon et al.(2003)은 울릉분지 남서 대륙 주변부 퇴적층을 전세계적인 해수면 변동(eustasy)과 지 구조 운동에 따른 퇴적물의 유입량에 대한 층서 모델을 적용하여 퇴적층 진화과정을 순차층서학적으로 해석하였다. 신(2000)과 한 국지질자원연구원(2006)은 남서 대륙붕 지역의 탄성파 자료의 층 서 및 구조적인 해석을 통하여 퇴적층을 열개 동시성 퇴적층군 (syn-rift megasequence), 후열개 퇴적층군(post-rift megasequence), 횡압력 동시성 퇴적층군(syn-compressional megasequence), 후횡 압력 퇴적층군(post-compressional megasequence)으로 구분하여 조구조 운동 시기에 따른 분지 진화 과정을 설명하였다.

지난 삼십여 년 동안 울릉분지에 관한 연구는 남부 대륙주변부 지역의 자료를 바탕으로 한 분지 형성과 진화과정에 관한 연구가 중심이 되었고, 울릉분지 심해지역에 대한 연구는 1990년대에 들 어서야 본격화 되었다. Lee and Suk(1998)은 울릉분지의 탄성파 탐사 자료를 분석하여 후 신제3기(Neogene)-제4기 퇴적층의 퇴적 작용 역사에 대해 규명하였다. 이 연구에 의하면 후 신제3기에는 지구조 운동에 의해 중력류 공급이 활발하여 쇄설류 형태로 분지 평원까지 진행하였으나, 제4기에는 지구조운동이 급격히 약해져 서 쇄설류의 퇴적이 후퇴한 것으로 해석하였다. Lee et al.(2001) 은 분지 심해 탄성파 탐사 자료로부터 층서 연구를 실시하여 퇴 적환경 및 퇴적작용을 분석하였다.

또한 Chough et al.(1997)은 고주파(Chirp, 2-7 kHz) 탄성파 탐 사자료를 사용하여 울릉분지의 대륙붕, 대륙사면 및 분지평원에 걸친 천부퇴적층에 관하여 총 11개의 음향특성으로 구분하였다.

각 음향 특성 분포에 의하면 동해 남부 천부퇴적층은 질량류(mass- flow deposit) 형태로 수심에 평행하게 발달하고 있는 것이 특징이 다(Chough et al., 1997)(Fig. 1b). 상부사면에는 슬럼프/슬라이드 (slump/slide) 퇴적물이, 사면의 하부에는 쇄설류(debrite)가 분포하 며 분지평원에는 저탁류(turbidite)기원의 퇴적물이 분포하는 것으 로 보고하였으며, 특히 분지 남부에는 쇄설류가 동쪽과 서쪽에 비 해 넓게 분포하는 특징을 보여준다(Fig. 1b). Lee et al.(1999)은 울릉분지 대륙사면에 분포하는 단일의 쇄설류 로브(lobe)의 유동 학적 이동에 관하여 고찰하였다. 그러나 이들의 연구는 주로 고해 상 탄성파 자료를 이용한 결과로 해저면으로 부터 50-70 m 미만 의 천부지층에 국한되어있어 이들로부터 플라이오-제4기의 퇴적 층서 및 퇴적역사에 대한 전반적인 이해를 하기에 부족한 실정이 다. 따라서 본 연구에서는 2차원 탄성파 탐사 자료를 활용하여 울 릉분지 남부사면에서 분지평원에 걸쳐 발달해 있는 후기 플라이 Fig. 1. (a) Physiographic features of the East Sea (contours in meters).

(b) Bathymetry of the Ulleung Basin and distribution of mass-flow

deposits (after Chough et al., 1997). UIG=Ulleung Interplain Gap.

오-제4기 퇴적층의 층서 및 퇴적역사를 주기적인 해수면 변동 및 지구조 운동과 연계하여 규명하고자 한다.

연구지역

동해는 동아시아 대륙과 일본열도 사이에 있는 후열도 분지로 서, 태평양 서쪽에 발달한 연변해(marginal sea)중 하나이다(Fig.

1a). 동해에는 일본 분지(Japan Basin), 야마토 분지(Yamato Basin) 및 울릉 분지(Ulleung Basin)로 구성되며, 이들은 각각 한국 대지 (Korea Plateau), 오키 뱅크(Oki Bank), 야마토 해령(Yamato Ridge) 등에 의해 구분된다(Fig. 1a). 본 연구지역인 울릉분지는 동해의 남서부에 위치하며 북쪽의 한국대지에 의해 일본분지와 구분되고 동쪽의 오키나와 뱅크에 의해 야마토 분지와 경계된다. 울릉분지 의 최대수심은 약 2,000-2,100 m 정도이며, 북쪽으로 향할수록 경 사는 완만해지며 수심도 깊어진다. 울릉분지의 동쪽으로는 완만하 게 오키나와 뱅크와 접하며, 반면에 서쪽은 가파른 경사를 가지며 한반도의 대륙사면과 만난다. 남쪽은 완만한 경사를 갖는 일본의 대륙사면과 연결되며 북쪽으로는 지형의 굴곡이 심한 한국 대지 로 둘러싸여 있어서 전체적으로 오목한 형태이다(Chough et al., 1997; 2000).

울릉분지는 태평양판, 아무리안 판, 필리핀 판의 충돌 및 섭입 작용과 관련하여 형성된 배호 분지로서 두 가지의 열림 양식이 제시되고 있다. 하나는 Otofuji and Matsuda(1987)와 Faure and Lalevee(1987) 에 의해 제시된 부채꼴 형태의 열림이다. 이들 연 구에 의하면 중기 마이오세에 이르러 일본의 남쪽지괴가 시계방 향으로 회전하면서 부채꼴 형태의 확장이 일어난 것으로 해석하 였다. 또 다른 양식은 Lallemand and Jolivet(1986)의 연구에 의 해 제시된 인리형 분지(pull-apart basin) 열림 양식이다. 동해 형 성 시 남서와 북동지역에 각각 남-북 방향의 주 단층대가 위치하 여 이들이 우수향 주향이동 단층 운동을 하면서 분지를 형성한 것으로 해석하였다.

ODP Legs 127/128 의 결과에 의하면 후기 올리고세에 일본분지 판이 얇아지면서 동해의 열림이 시작되었고, 28-23 Ma에 열개와 확장이 이어진 것으로 보고하였다(Ingle, 1992; Jolivet and Tamaki, 1992; Tamaki et al., 1992). 초기 마이오세(23-18 Ma)에 이르러 동해의 확장은 빠르게 진행되었으나(Ingle, 1992), 중기-후기 마이 오세(12.5-10 Ma)부터 횡압력을 받기 시작한 것으로 해석하였다 (Ingle, 1992; Jolivet and Tamaki, 1992; Tamaki et al., 1992). 또 한 Yoon and Chough(1995)와 Chough et al.(2000)은 탄성파층서 및 구조연구에 의하여 울릉분지가 3단계의 조구조 운동을 받은 것 으로 해석하였다. 즉 후기 올리고세(약 28 Ma)에서 초기 마이오 세 동안 울릉분지 서쪽 경계부의 전단대를 따라 일본열도가 남서 방향으로 이동되면서 울릉분지가 열리기 시작하였고, 초기 마이오 세에서 중기 마이오세(18-15 Ma)시기에 일본열도가 시계방향으로 회전함에 따라 분지가 확장하였으며, 중기 마이오세 말(약 12 Ma) 이후에는 동해 전반에 걸쳐 북서-남동 또는 동서 방향으로 작용한 횡압력의 작용으로 분지가 닫히기 시작한 것으로 해석하였다. 이 때 작용한 횡압력은 약 8.2-6.3 Ma에 이르러 절정을 이루었으며, 제 3기가 끝나고 제 4기가 시작되면서 지구조 운동의 영향은 점 차 약화 된 것으로 보고되었다(민, 1994; Lee and Suk, 1998).

연구자료

본 연구를 위해 다중채널 2차원 탄성파 탐사자료를 활용하였다.

자료 취득을 위한 현장탐사는 한국지질자원연구원의 탐해 2호를 이용하였으며, 장비는 항측시스템, 기록시스템, 스트리머 케이블, 음원 등으로 구성된다. 항측 시스템은 정밀위성항법시스템(DGPS) 를 이용하였으며 웨스턴지코(Western Geco)사의 트리나브(TRINAV) 시스템이 사용되었다(한국지질자원연구원, 2007). 기록시스템은 항 측시스템에서 보내온 발파신호에 따라 에어건의 발파를 유도하고 스트리머로부터 전달된 디지털 탄성파 신호를 자기 테이프에 기 록하는 장비로서 트리악(TRIACQ)시스템이 사용되었다. 신호의 수신을 위하여 네시(Nessie)-3 스트리머가 사용되었다. 음원으로 는 2000 psi의 고압압축공기를 사용하여 음파를 발생시키는 볼트 (Bolt) 사의 에어건이 사용되었으며, 고품질 음원 제작을 위하여 용량이 다른 6개의 에어건으로 구성된 동조 에어건 어레이(tuned air-gun array) 를 사용하였다. 현장 탐사시 적용한 탐사의 주요 자 료취득 변수인 그룹 간격은 12.5 m, 채널수는 240 채널이며, 음원 용량은 1,035 in

이다. 발파간격은 25 m로서 중합도는 60이다. 취 득자료의 중심주파수는 50-60 Hz 정도이며 최대 400 Hz까지의 주파수 대역을 포함한다. 취득된 탐사자료는 총 6,690 L-km이다 ( 한국지질자원연구원, 2007)(Fig. 2).

취득된 탄성파 탐사 자료는 Mitchum et al.(1977) 등에 의해 제 시된 기준에 의해 층서 분석을 실시하였다. 광역적으로 대비 가능 한 음향학적 반사면을 설정하고, 이 기준면에 의해 구분되는 탄성 파적 층서 단위를 정의하였다. 구분된 각 층서 단위 내부에 나타 나는 탄성파상 특징을 분석하여 퇴적환경 및 퇴적 작용에 대하여 해석하였다. 또한 각 단위 퇴적층의 등시층후도를 작성하여 퇴적 층의 시공간적인 발달 양상을 분석하였다.

Fig. 2. Bathymetry and track lines of selected seismic profiles shown in

Figs 3 and 4. Insert box is the 2D survey area.

연구결과 탄성파상 분석

탄성파상 분석은 탄성파자료를 이용하여 퇴적단위 내에 나타나는 다양한 형태의 탄성파상 요소를 분석하고 기술하여 조사지역 내 에 분포하는 해저퇴적층의 지질학적인 해석을 하는 과정을 말한 다(Mitchum et al., 1977). 탄성파상 요소에는 반사면의 연속성 (continuity), 진폭(amplitude), 빈도수(frequency) 등이 포함된다.

이러한 탄성파상 요소에 의해 구성되는 탄성파상의 다양성 및 수 평 · 수직적인 조합은 퇴적과정, 환경, 퇴적물 특성 등을 해석하기 위한 기초 자료를 제공해준다(Mitchum et al., 1977; Posamentier et al., 1988). 상기 기준에 의해 연구해역에 분포하는 퇴적층의 탄 성파상을 4가지로 구분하였다(Table 1).

탄성파상 I은 강한 진폭과 수평 층리의 발달이 양호한 음향상을 나타내며(Table l), 주로 북쪽 중앙분지에 분포한다(Fig. 3). 이러 한 특징을 갖는 탄성파상 I은 기존 연구에서 보고된 결과와 같이 주로 저탁류/반원양성(turbidite/hemipelagic)기원의 퇴적물로 해석 된다(Chough et al., 1997; Lee and Suk, 1998; Lee et al., 2002).

탄성파상 II는 중간 정도의 진폭을 보이고 층리의 발달도 약하거 나 중간 정도이며, 내부 반사면이 탄성파상 I와 III의 중간에 해당 하는 형태를 보여주고 있다(Table 1, Fig. 3). 이 탄성파상 특징은 쇄설류(debris flow deposit)가 저탁류 내지는 반원양성 퇴적물로 전이되어가는 혼합된 형태의 퇴적물로 해석된다(Lee and Suk, 1998). 탄성파상 III은 렌즈모양의 외부형태를 가지며, 퇴적체 내 부는 강한 진폭을 갖는 캐오틱(chaotic)한 탄성파상이 나타나는 것 이 특징이다(Table 1, Figs. 3 and 4). 이러한 특징은 중력류(mass- flow deposits) 에 의해 형성된 쇄설류로 해석되며, 이미 기존 연구 에서 보고된바 있다(Chough et al., 1997; Lee and Suk, 1998; Lee

et al., 1999; Lee et al., 2002). 탄성파상 IV는 판상의 퇴적체가 미끌어져 형성된 침식면이 불규칙하게 나타나며, 내부 반사파가 파괴되거나 일부 변형된 형태가 나타나는 것이 특징이다(Table 1, Fig. 4a). 이 탄성파상은 대륙사면의 상부에 나타나는 슬라이드/슬 럼프(slide/slump)의 특징으로 해석된다(Chough et al., 1997; Lee et al., 2002).

퇴적단위 분석

퇴적단위 정의: 탄성파 탐사자료의 해석에 의하면 연구해역에 분포하는 천부 퇴적층은 9개의 퇴적단위로 구분되며, 하부로부터 퇴적단위 1-9로 명명하였다(Figs. 3 and 4). 각 퇴적단위는 강한 반사면의 특징을 가지며, 광역적으로 넓게 발달해 있는 침식부정 합면에 의해 분리된다. 탄성파상 분석에 의하면 남쪽 대륙사면에 는 특정 내부구조를 볼 수 없는 캐오틱(chaotic) 음향상인 탄성파 상 III이 우세한 반면 북쪽 중앙 분지평원에서는 평행 층리의 발 달이 양호한 탄성파상 I이 주로 분포한다(Fig. 3). 특히 남쪽 대륙 사면에서의 각 퇴적단위의 내부는 탄성파상 III이 우세하지만 층 리발달이 양호한 음향특성이 캐오틱 음향상을 얇게 피복하는 특 징을 보여주며, Hiscott and Aksu(1996)의 연구에서도 이와 같은 특징에 대해 보고된 바 있다. 층서적으로 최하위에 놓여있는 퇴적 단위 1은 연구해역에 분포하는 퇴적단위 중 가장 두껍고 광역적 으로 넓게 분포하며, 탄성파 단면상에서 강한 진폭의 캐오틱(chaotic) 특징을 갖는 탄성파상 III이 주를 이룬다(Figs. 3 and 4). 특히, 상 위에 놓여있는 다른 퇴적단위와는 달리 대륙사면에서 분지평원에 이르기까지 캐오틱 음향상으로 구성되어 있다. 본 퇴적단위의 하 부 경계면은 중앙분지로 향하면서 쉽게 인지되지 않는 반면 상부 경계면은 강한 진폭을 갖는 침식부정합으로 쉽게 구별된다(Fig.

3). 퇴적단위 1을 피복하는 퇴적단위 2부터 9에 이르는 퇴적층의 Table 1. Classification and characteristics of seismic facies in the study area

Facies Seismic Appearance Characteristics Geological Interpretation

Facies I Well-stratified, continuous reflections with good continuity and strong amplitude

Turbidites and Hemipelagic sediments (Chough et al., 1997; Lee and Suk, 1998; Lee et al., 2002)

Facies II

Weakly-to-moderately stratified, mod- erate continuity; Intermediate between Facies I and Facies III

Mixed turbidite/hemipelagic sediments and debris flow deposits (Lee and Suk, 1998)

Facies III Chaotic character with lens-shaped external form

Debris flow deposits (Chough et al., 1997;

Lee and Suk, 1998; Lee et al., 1999; Lee et al., 2002)

Facies IV Scars marked by sharp glide planes, step-like geometry of failed masses

Slide/Slump deposits (Chough et al., 1997;

Lee et al., 2002)

단면을 보면 중앙분지를 향하면서 두께가 감소하는 쐐기 혹은 렌 즈형태를 보여준다(Fig. 3). 이들 각 퇴적단위의 수평적인 탄성파상 분포특징에 의하면 남쪽 대륙사면에 넓게 분포하는 캐오틱 음향상 이 북쪽 중앙분지로 향할수록 강한 진폭과 연속성이 양호한 탄성파 상 I의 특징으로 전이해 가며(Figs. 3 and 4), 사면경사가 완만해지 는 사면 저부에 캐오틱 음향상이 평행 층리 음향상으로 전이해가는 탄성파상 II가 분포하는 것이 특징적이다. 그러나 퇴적단위 2에서 최 상부 층인 퇴적단위 9로 갈수록 탄성파상 III의 캐오틱 음향상이 점 차 남쪽으로 후퇴하여 상대적으로 평행 층리를 보여주는 탄성파상 I 의 발달 범위가 넓어지고 우세해지는 경향을 보여준다(Fig. 3).

퇴적단위 음향상 및 등시층후도: 각 퇴적단위의 탄성파상 분포 양상을 파악하기 위하여 탄성파상 분포도를 작성하였다(Fig. 5).

또한 각 퇴적단위의 대부분을 구성하며 탄성파상 III의 특징을 갖 는 쇄설류의 발달 양상을 해석하기 위해 등시층후도(isochron map) 를 작성하였다. 각 퇴적단위를 구성하는 탄성파상은 일정한 분포 유형을 보여준다. 연구지역 중 가파른 경사의 서쪽 사면지역은 주 로 슬라이드/슬럼프로 구성된 탄성파상 IV의 발달이 두드러지며,

남쪽 대륙사면의 넓은 지역에는 쇄설류 퇴적물인 탄성파상 III가 주로 분포한다. 남쪽 대륙사면의 경사가 완만해지고 분지평원이 시작되는 곳에는 탄성파상 II가 대상으로 분포하며, 분지 평원에 서는 층리 발달이 양호하고 연속성이 좋은 저탁류/반원양성 퇴적 물의 특징인 탄성파상 I이 넓게 나타난다(Fig. 5).

최하위층인 퇴적단위 1은 대부분이 쇄설류의 음향상 특징인 탄 성파상 III으로 구성되어 있으며 분지평원까지 넓게 발달하는 것 이 특징적이다(Fig. 5a). 이러한 특징은 다른 퇴적 단위들과 구별 되는 점으로서, 본 퇴적층에서 탄성파상 I과 II는 분지 북서쪽 일 부에 제한적으로 분포한다.

퇴적단위 1의 대부분을 구성하는 쇄설류는 등시층후도에 의하

면 왕복주시 평균 150-200 msec의 층후를 가지며, 모든 퇴적단위

중 가장 두껍고 넓은 지역에 걸쳐 분포한다. 약 300 msec의 최대

층후가 남동쪽과 북동쪽 대륙사면에 나타난다. 퇴적단위 2는 퇴적

단위 1에 비해 쇄설류인 탄성파상 III의 발달이 상당히 후퇴하여

남부 및 남동부 사면을 중심으로 분포한다. 따라서 중앙분지에서

의 탄성파상 I과 II의 발달범위가 퇴적단위 1에 보다 넓어졌으며,

Fig. 3. Seismic profile showing a series of stacked sedimentary units separated by erosional unconformities (for location, see Fig. 2). The

individual units are acoustically characterized by chaotic facies on the southern slope, whereas they are defined by well-stratified facies with

good continuity and strong amplitude in the northern basin.

Fig. 4. Selected seismic profiles and their interpretations (for location, see Fig. 2), Showing nine sedimentary units separated by erosional uncon-

formities.

Fig. 5. Distribution of seismic facies of sedimentary units (Unit 1-9). Contours in milliseconds denote time thickness of debris flow deposits.

탄성파상 II는 수심에 평행하게 쇄설류 경계를 따라 대상으로 발 달하고 있다(Fig. 5b). 쇄설류의 발달모습은 남쪽에서 북쪽을 향하 여 얇아지는 4개의 로브 형태로 이루어져있는 것이 특징적이며, 남쪽사면에서 북쪽 분지를 향해 퇴적물이 공급되었을 것으로 유 추된다. 쇄설류의 층후는 평균 100-150 msec 정도로 감소하였으 며, 200 msec의 최대층후를 갖는 퇴적중심은 남쪽과 남동쪽 사면 에 위치한다(Fig. 5b). 퇴적단위 3의 수평적인 음향상 분포는 퇴적 단위 2와 유사한 특징을 보여주며 저탁류로 구성된 탄성파상 I이 남동쪽까지 더 넓게 발달해 있다(Fig. 5c). 본 퇴적단위의 쇄설류 는 평균 50 msec의 두께를 가지며, 퇴적중심은 남쪽과 남동쪽에 위 치한다. 퇴적단위 4는 퇴적단위 3과 비슷한 형태로 분포하며, 쇄 설류는 평균 50-100 msec의 두께를 가진다(Fig. 5d). 퇴적단위 5 는 탄성파상 III의 범위가 연구지역의 동쪽까지 확장되었다(Fig.

5e). 평균 50-100 msec의 두께를 갖으며, 남동쪽에서 북서쪽으로 향하는 로브형태를 보이는 것으로 보아 남서쪽에서 북서쪽을 향 하여 퇴적물의 공급이 진행된 것으로 유추된다. 퇴적단위 6은 연

구지역의 서쪽에 국한되어 분포하며, 탄성파상 Ⅲ의 발달도 매우 약해져 평균 50 msec 정도의 두께를 갖는다(Fig. 5f). 퇴적단위 7 은 탄성파상 III인 쇄설류의 발달이 퇴적단위 6에 비해 연구지역 의 동쪽까지 확장하였다(Fig. 5g). 평균 100 msec 정도의 층후를 보이며, 남동쪽에서 최대 150 msec 정도의 두께를 보인다. 퇴적 단위 8은 탄성파상 II와 III의 분포 경계가 퇴적단위 7에 비해 남 쪽으로 약간 후퇴하였으며, 쇄설류는 평균 50-100 msec 정도의 두 께를 보인다(Fig. 5h). 최상위층인 퇴적단위 9는 탄성파상 III이 북 서쪽까지 길게 발달하고 있으나 북서쪽을 제외한 동쪽에서는 남 쪽으로 후퇴하였으며, 쇄설류는 평균 50 msec의 두께를 가지며 대 체적으로 얇게 발달해 있다(Fig. 5i). 남서쪽 사면에서 150 msec 정도의 최대 층후를 보인다.

토 의

상기 결과에 따르면 연구해역에 분포하는 해저퇴적층은 질량류

Fig. 5. (Continued).

퇴적체의 중첩에 의해 구성된 것으로 해석된다. 기존 연구에 의하 면 이 퇴적층은 플라이오-제4기 동안 형성된 것으로 대비되며(Lee and Suk, 1998; Lee et al., 2001), 이 기간 동안 퇴적작용은 주로 동해 닫힘작용과 연계된 지구조 운동과 주기적으로 반복된 해수 면변동에 의해 조절된 것으로 해석된다(천 등, 2000; Lee et al.,

1996; Lee and Suk, 1998; Lee et al., 2001). 따라서 각 퇴적단위 의 발달과정을 지구조 운동과 주기적인 해수면 변동과 연계하여 4 단계로 요약하였다(Fig. 6).

본 연구지역은 중기 마이오세 말 이후에 이르러 동해 전반에 걸

쳐 작용한 횡압력의 영향으로 분지가 닫히기 시작한 것으로 알려

Fig. 6. Schematic diagram for the deposition of sedimentary units in the Ulleung Basin.

져 있다(Ingle, 1992; Jolivet and Tamaki, 1992; Tamaki, et al., 1992; Yoon and Chough, 1995; Lee and Suk, 1998; Park, 1998;

Chough et al., 2000). 이때 작용한 횡압력은 플라이오세까지 지속 되었으며 Fig. 6a에서 보여주는 바와 같이 울릉분지 남부대륙주변 부에 지역적인 융기를 야기시켰다(민, 1994; Lee and Suk, 1998;

Lee et al., 2001; Yoon et al., 2003). 이와 같은 변형작용은 사면 사태를 촉진하여 많은 양의 질량류를 생성시키고 주로 쇄설류 형 태로 분지내부까지 퇴적물을 운반 및 퇴적 하였을 것으로 보인다.

즉 플라이오세에 대비되는 단계(stage)I-a 동안 횡압력의 작용으로 융기부에서 다량의 퇴적물이 형성되고 주로 쇄설류의 형태로 중 앙분지까지 유입되어 분지 전반에 걸쳐 퇴적단위 1을 형성하였을 것으로 해석된다(Lee and Suk, 1998; Lee et al., 2001). 탄성파 자 료 분석 결과에서도 퇴적단위 1은 캐오틱 탄성파상 특성을 보이 는 쇄설류 퇴적물이 분지중앙까지 넓게 확장 되어 분포한다(Figs.

3 and 5a). 결과적으로 퇴적단위 1이 퇴적된 플라이오세 시기의 퇴적작용은 동해 닫힘과 연계된 지구조 운동의 영향이 우세하게 작용하였던 것으로 해석된다. 단계 I-b에서 보여주는 바와 같이 저 해수면 조건 이후 시작된 고해수면 시기에는 사면으로부터 질량 류의 공급이 제한되고 부유성 퇴적물이 분지 전역에 걸쳐 반원양 성 내지는 원양성 퇴적물 형태로 퇴적되어 기존 쇄설류 퇴적층을 얇게 피복하는 것으로 해석된다(Fig, 6b).

본 연구지역인 울릉분지는 플라이오세가 끝나고 제4기가 시작 되면서 지구조 운동의 영향은 점차 약화된 것으로 알려져 있으며 (Lee and Suk, 1998; Lee et al., 2001), 이 시기 이후 연구지역에 서의 퇴적작용은 주기적으로 반복되는 해수면 상승과 하강작용의 영향에 의해 조절된 것으로 알려져 있다(민, 1994; 최, 1995; 유 등, 2006; Lee and Suk, 1998; Lee et al., 2001). 민(1994)은 남해 동부해역에 분포하는 제4기 해저퇴적층의 퇴적역사를 해수면변동 과 연계하여 해석하였으며, 최(1995)도 울릉분지 남부해역에 분포 하는 퇴적층의 발달과정을 해수면 변동과 연계하여 해석하였다.

따라서 본 연구지역에서 제4기 퇴적층으로 대비되는 퇴적단위 2- 9 도 이와 같은 주기적인 해수면 변동에 의한 영향을 받아 형성되 었을 것으로 해석된다(Fig. 6c-h). 즉, Fig. 6c에서 보여주는 것처 럼 해퇴가 진행되고 저해수면 조건하에 놓이면 주로 쇄설류와 저 탁류 퇴적물로 구성되는 중력류가 우세하게 발생하는 반면, 고해 수면 조건하에서는 Fig. 6d에서 보여주는 바와 같이 주로 원양성 혹은 반원양성 퇴적물이 얇게 퇴적되는 것으로 해석된다. 연구지 역인 울릉분지와 유사한 해수면 변동 연계 퇴적작용에 대하여는 이미 많은 연구가 진행 된 바 있다(Damuth, 1978; Summerhayes et al., 1979; Jansen et al., 1987; Aksu et al., 1987, 1992a, b; Hiscott and Aksu, 1996; Normak et al., 1998; Garziglia et al., 2008). Hiscott and Aksu(1996) 의 연구에 의하면 캐나다의 래브라도해 주변 대륙사 면에 분포하는 제4기 퇴적층의 경우 저해수면 기간동안 퇴적된 비 교적 두껍게 발달한 쇄설류 퇴적체와 고해수면 기간동안 퇴적된 박 층의 반원양성 퇴적물로 구성된 퇴적단위가 중첩되어 나타나는 것 으로 알려지고 있다. 퇴적단위의 대부분을 구성하는 쇄설류의 경우 본 연구결과와 유사한 캐오틱 음향상 특징을 보여주고 있다(Fig. 3 and Table 1).

Figs. 6c, e and g 에서 보여주는 바와 같이 저해수면 기간동안 중력류 퇴적물의 발달이 우세한 원인으로 여러 가지를 들 수 있

다. 첫째로 해수면 하강으로 인한 대륙붕단 및 상부 사면에 공급 되는 퇴적물의 증가이다. 기존 연구에 의하면 해수면이 하강하면 강어귀가 대륙붕을 가로 질러 외해 쪽으로 연장되어 발달하면서 다량의 퇴적물이 대륙붕단까지 공급되는 것으로 알려지고 있다 (Aksu et al, 1992a, b; Ericilla et al., 1994; Tortora, 1996; Tesson et al., 2000). 이와 같이 저해수면 기간동안 다량의 퇴적물이 대륙 사면으로 빠르게 공급되면 상부사면에는 증가된 퇴적물의 하중에 의하여 중력류가 빈번하게 발생 되는 것으로 해석된다(Summerhayes et al., 1979; Garziglia et al., 2008). 두 번째로, 정수압(hydrostatic pressure) 의 감소를 들 수 있다. 기존 연구에 의하면 해수면이 낮 아지면 해저면 근처의 천부퇴적층을 구성하고 있는 퇴적물이 받 는 정수압의 감소로 인하여 퇴적물 내에 과잉 공극압(excess pore pressure) 이 작용하게 되고 결과적으로 퇴적층 내에 전단응력(shear strength) 이 감소하여 불안정해진 퇴적물이 중력류의 형태로 이동 하여 퇴적된다고 보고된바 있다(Jasen et al., 1987; Kennett, 1982;

Lee et al., 1996; Garziglia et al., 2008). 이외에도 이러한 중력류 를 발생시키는 과잉 공극압 상태는 지진이나 가스 하이드레이트 해리, 폭풍과 같은 파(wave)에 의해서도 발생될 수 있으며(Jansen et al., 1987; Lee et al., 1996; Wright and Rathje, 2003; Garziglia et al., 2008), 본 연구지역에도 지진발생이나 가스하이드레이트의 해리가 진행되면서 퇴적물의 지지력을 감소시켜 사면사태에 의한 중력류 퇴적을 촉진시킨 것으로 보인다. 울릉분지에서는 1990년대 말부터 가스하이드레이트에 관한 연구가 시작되었으며, 대부분이 천 부 지층에 분포한다고 보고되었다(허 등, 2004; 한국지질자원연구원, 2007; 유 등, 2008). 그들의 연구결과에 의하면 울릉분지 대륙사면 에는 천부퇴적층으로부터 다량의 천부가스가 수중으로 방출되는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구지역의 퇴적물 내에 존재하는 가스하이드레이트는 해수면 하강시 해리가 촉진되어 유리가스를 형성시켜 과잉공급압 조건을 충족시킨 것으로 해석된다(허 등, 2004; Jansen et al., 1987; Lee et al., 1996; Sultan et al., 2004;

Crutchley et al., 2007; Garziglia et al., 2008).

저해수면 조건이 끝나고 해침 및 고해수면 조건하에 놓이면서 Fig. 6d, f and h 에서 보여주는 바와 같이 공급되는 퇴적물의 양도 감소하였고 해수면 상승에 따른 정수압의 증가로 인하여 중력류 의 발생은 상대적으로 크게 약화 되었다. 이러한 조건하에서는 주 로 반원양성 혹은 원양성 퇴적작용이 진행되면서 기존 중력류 퇴 적체를 얇게 피복하는 형태의 퇴적작용이 주로 진행된 것으로 해 석된다. 따라서 연구해역에 분포하는 퇴적단위 2-9의 퇴적작용은 주기적으로 반복되는 해수면 변동에 의해 크게 조절되어, 주로 해 퇴 및 저해수면 환경 하에서 형성된 쇄설류와 저탁류 퇴적물인 중 력류가 우세하게 발달하였으며(천 등, 2000; Chough et al., 1985, 1997; Lee et al., 1996; Lee and Suk, 1998)(Figs. 6c, 6e and 6g), 해침 및 고해수면 조건하에서는 중력류가 쇠퇴하고 주로 반원양 성 혹은 원양성 퇴적물이 퇴적된 것으로 보인다. 결과적으로 Fig.

6 에서 보여주는 바와 같이 연구해역에 분포하는 플라이오-제4기 퇴적층은 주로 중력류의 중첩에 의해 구성된 것으로 해석된다.

결 론

연구해역에 분포하는 플라이오-제4기 퇴적층은 침식부정합면에

의해 구분되는 9개의 퇴적단위가 중첩된 형태로 구성되며, 이 시 기의 퇴적작용은 지구조 운동과 해수면 변동에 의해 크게 조절되 었을 것으로 보인다. 층서적으로 최하위에 속하는 퇴적단위 1은 플라이오세 동안 형성되었으며, 동해 닫힘 작용과 연계된 횡압력 의 영향으로 다량의 침식퇴적물이 질량류 형태로 분지 내부까지 확장되면서 퇴적되었다. 이에 반해 제4기 퇴적층에 속하는 퇴적단 위 2-9는 지구적인 영향보다는 주기적으로 반복되는 해수면의 주 기적인 상승과 하강에 의해 조절되었을 것으로 보인다. 즉, 해퇴 및 저해수면 조건하에서는 퇴적물 공급량의 증가 및 해수면 하강 에 따른 퇴적물의 정수압 감소와 가스하이드레이트 해리의 촉진 에 의한 퇴적물의 지지력감소에 따른 중력류의 발생이 빈번하였 으며, 반면 고해수면 조건하에서는 중력류가 크게 약화되고 주로 반원양성 혹은 원양성 퇴적물의 퇴적이 우세하였다. 결과적으로 울릉분지 남부 사면에 분포하는 플라이오-제4기 퇴적층은 주로 저 해수면 조건하에서 퇴적된 질량류 퇴적체와 고해수면조건하에서 퇴적된 반원양성 및 원양성퇴적물의 중첩에 의해 구성된다.

사 사

본 연구는 지식경제부와 가스하이드레이트개발사업단의 연구비 지원(가스하이드레이트 지구물리 탐사연구)과 국토해양부의 연구 비 지원(CO

해양지중저장기술개발 연구)에 의해 수행되었습니다.

자료취득에 도움을 주신 탐해 2호 승무원에게 감사드립니다. 또한 논문 구성에 있어 좋은 의견을 제시해 주시고 수정을 도와주신 한 국지질자원연구원의 김길영 박사님과 신영재 연구원님께 감사드 립니다. 논문의 심사를 맡아 유익한 조언을 해주신 이광훈 교수님 과 민건홍 박사님께 진심으로 감사드립니다.

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2009년 3월 17일 원고접수

2009년 3월 21일 수정본 채택

담당편집위원: 이광훈