한반도 남동부 경주시 양북면 마이오세 입천소분지의 형성과 발달사
성창훈1·천영범1·손 문1*·손영관2·김진섭1
1부산대학교 지질환경과학과, 2경상대학교 지구환경과학과
Formation and Evolution of the Miocene Ipcheon Subbasin in Yangbuk-myeon, Gyeongju, SE Korea
Changhun Seong1, Youngbeom Cheon1, Moon Son1*, Young Kwan Sohn2, and Jin-Seop Kim1
1Department of Geological Sciences, Pusan National University, Busan 609-735, Korea
2Department of Earth & Environmental Sciences, Gyeongsang National University, Jinju 660-701, Korea
요 약: 입천소분지는 기반암과 단층으로 경계되며 북동 방향으로 길쭉한 형태의 비대칭 지구의 기하를 가 지는 분지로 인근 와읍과 어일분지와는 기반암에 의해 격리되어 있는 독립된 소규모 마이오세 분지이다. 분 지충전물의 층리는 대부분 북서 내지 서북서 방향으로 경사지며, 분지 북동부에는 데사이트질 화산물질을 다 량 포함하는 전기 마이오세 퇴적물이 그리고 남서부에는 사암을 협재하는 비화산성 중기 마이오세 육성 역 암이 분포한다. 또한 분지충전물 내 퇴적동시기 공액상 정단층들은 분지가 서북서-동남동 방향으로 확장하였 음을 지시한다. 이러한 특징들은 인근 와읍 및 어일분지와 것들과 매우 유사한 것으로, 분지의 확장이 북서 부 경계단층에 의해 주도되었으며 분지의 열개가 북서에서 남동으로 전파되었음을 지시한다. 한편, 입천소분 지 내에는 어일분지에서 흔히 나타나는 현무암질 화산물질이 관찰되지 않는다. 슬랩과 경하관찰 결과, 입천소 분지의 데사이트질 응회암과 응회질 이암은 와읍분지의 용동리응회암과 매우 유사한 특징을 보인다. 중기 마 이오세의 비화산성 퇴적층은 와읍과 어일분지 그리고 입천소분지에 공통적으로 분지의 남서부에 분포한다. 따 라서 입천소분지의 확장은 22 Ma 경 와읍분지의 확장과 함께 시작되어 다량의 데사이트질 화산물질이 유입 되었으며, 이후 어일분지의 주 확장시기인 20~18 Ma 사이에는 확장을 멈추었다가, 약 17 Ma에 이르러 연일 구조선의 운동과 함께 분지의 열개가 남서쪽으로 전파되면서 중기 마이오세 초의 연일층군에 해당하는 비화 산성 역암이 분지의 남서부에 퇴적된 것으로 결론지어진다.
핵심어: 입천소분지, 와읍분지, 어일분지, 데사이트질 화산활동, 전파열개
Abstract: The Ipcheon Subbasin is an isolated Miocene basin in SE Korea, which has the geometry of an asymmetric graben elongated in the NE-SW direction. It is in contact with basement rocks by faults and separated from adjacent Waup and Eoil basins by the basement. The strata of the basin fills have an overall homoclinal structure, dipping toward NW or WNW. The basin fills consist of Early Miocene sediments rich in dacitic volcanic and volcaniclastic deposits and Middle Miocene non-volcanic and nonmarine conglomerates intercalated with sand layers, which are distributed in the northeastern and southwestern parts of the basin, respectively. Kinematic analysis of syndepositional conjugate faults in the basin fills indicates WNW-ESE extension of the basin. These features are very similar to those of the adjacent Waup and Eoil basins, indicating that the basin extension was governed by the NE-trending northwestern border faults and that the basin experienced a propagating rifting from NE to SW. Basaltic materials, which occur abundantly in the Eoil Basin, are totally absent in the Ipcheon Subbasin. The observations of the dacitic tuff and tuffaceous mudstone in the subbasin, on slabs and under microscope, suggest that they have lithologies very similar to those of the Yondongri Tuff in the Waup Basin. The Middle Miocene non-volcanic sediments of the Waup and Eoil basins and the Ipcheon Subbasin are
*Corresponding author Tel: 051-510-224
E-mail: [email protected]
distributed consistently in the southwestern part of each basin. It is thus concluded that the extension of the Ipcheon Subbasin began at about 22 Ma together with the Waup Basin and was lulled during the main extension period of the Eoil Basin between 20-18 Ma. At about 17 Ma, the subbasin was re-extended due to the activation of the Yeonil Tectonic Line associated with the propagating rifting toward SW. This event is interpreted to have provided new sedimentation space for the Middle Miocene sediments in the southwestern parts of the Waup and Eoil basins and the Ipcheon Subbasin as well.
Key words: Ipcheon Subbasin, Waup Basin, Eoil Basin, Dacitic volcanism, Propagating rifting
서 론
지각변형의 주요 결과물인 퇴적분지의 진화사를 이 해하기 위해서는 광역적인 지구조환경, 분지 내외에 발달하는 구조요소, 분지충전물의 퇴적환경 등의 분 지 형성과 발달 과정을 반영하는 다양한 정보를 통한 총체적인 해석이 필요하다(Gawthorpe and Leeder, 2000; Allen and Allen, 2005). 또한 분지지역은 지 구조적 열개작용에 의해 지각이 확장되어 많은 양의 마그마 공급에 의한 활발한 화산활동이 일어나는 것 이 특징적이다. 특히 단기간에 넓은 지역으로 퇴적되 는 화산쇄설암은 분지충전물의 층서대비를 위한 열 쇠층(key bed)으로 활용되기도 한다(Fisher and Schmincke, 1984; Cas and Wright, 1987; Miall, 1990).
한반도 남동부에는 고제3기 말부터 전기 마이오세 동안의 동해의 확장과 관련된 지각변형으로 지각이 확장 및 침강되어 동해안을 따라 많은 퇴적분지들이 형성되었고(Fig. 1), 이와 함께 활발한 화산활동이 발 생하였다(Tateiwa, 1924; Otofuji et al., 1985; Han et al., 1987; Kim, 1992; Jolivet and Tamaki, 1992; Yoon, 1997; Son, 1998; Son et al., 2000a, 2005). 이러한 화산활동은 주로 오천단층계(Cheon et al., 2012) 이남의 장기, 와읍, 어일 및 하서분지에서 주로 발생하였으며, 데사이트질 화산활동에 이은 현 무암질 화산활동으로 특징지어지는 이원성(bimodal) 화산활동의 흔적이 뚜렷하다(Yoon, 1992; Son et al., 2000a, 2005; Kim et al., 2011; Cheon et al., 2012;
Jung et al., 2012). 또한, 최근의 구조지질학적 연구 들은 이들 분지를 북북서 방향의 우수향 전단력에 의 해 유도된 북서-남동 내지 서북서-동남동 방향의 인 장응력 하에서 형성된 당겨열림분지(pull-apart basin) 로 해석하고 있다(Son, 1998; Son et al., 2000a, 2002, 2005, 2007; Cheon et al., 2012; Jung et al., 2012).
한편, 전기 마이오세 퇴적분지에 해당하는 와읍분 지와 어일분지 사이에는 마이오세 퇴적층이 소규모로 분포하고 있다(Chwae et al., 1988)(Fig. 2). 최근 Seong et al. (2012)은 이 지역의 마이오세 지층들이 고제3기 기반암과 단층으로 구획되며, 인근 와읍 및 어일분지와는 격리되어 있는데 근거하여 “입천소분지”
로 새로이 명명하였다. 이번 연구는 상세한 야외조사 를 바탕으로 입천소분지 충전물을 분류하고, 이들의 슬랩 및 박편을 제작 분석하여 주변분지의 지층과 대 비하였다. 또한 분지충전물 내에 나타나는 취성변형 Fig. 1. Regional geologic and structural map of the southeastern Korean Peninsula showing the distribution of Miocene sedimentary basins and major faults (after Son, 1998).
요소를 분석하여 분지 형성을 주도한 고응력을 복원 하였으며, 이번 연구결과와 기존연구 결과들을 종합 적으로 해석하여 입천소분지와 인근 와읍 및 어일 분 지의 시공간적인 구조발달사를 해석하고자 하였다.
지질학적 배경
한반도 남동부의 동해안을 따라 분포하는 마이오세 퇴적분지는 Kim (1970)에 의해 퇴적물의 분포지역, 암상, 퇴적환경, 고생물과 지각변형의 차이 등을 고려 하여 북으로부터 북평, 영해, 포항, 어일 그리고 울산 분지로 구분되었다. Yoon (1986)은 충전물 내 화산물 질의 포함 유무와 원양성 해성층의 분포를 기준으로 이들 분지를 포항분지와 양남분지로 양분하였으며, 이 후의 연구들은 포항분지 이남의 양남분지를 충전물의 분포, 암상 특성, 지질연령 등에 따라 장기, 어일, 와 읍, 하서, 정자 그리고 울산분지로 세분하였다(Lee et
al., 1992; Son and Kim, 1994; Son, 1998; Son et al., 2000a, 2000b, 2002, 2005, 2007; Kim et al., 2011; Cheon et al., 2012; Jung et al., 2012) (Fig. 1).
분지충전물은 Tateiwa (1924)에 의해 처음으로 올 리고세의 장기통과 플라이오세 하부 혹은 마이오세의 연일통으로 구분되었으나, 이후 절대연령 연구결과 장 기통은 전기 마이오세(Kim et al., 1986; Jin et al., 1988; Lee et al., 1992; Kim et al., 2005)의 지층 으로, 연일통은 고생물 연구들을 통하여 전기 마이오 세 말~중기 마이오세(Kim and Yoon, 1978; Byun, 1995; Yi and Yun, 1995)의 지층으로 확인되었다.
장기통은 대부분 산성 및 염기성 화산암류와 하성 및 호성 퇴적물들로 구성되며 오천단층계 이남의 분지들 을 충전하고 있는 반면, 연일통은 화산물질을 포함하 지 않은 해성 퇴적물로 구성되며 어일, 와읍, 정자 그리고 울산분지의 일부를 제외하면 대부분 포항분지 Fig. 2. Geological map of the Eoil and Waup basins and their vicinity with a major cross section (modified from Son et al., 2000a, 2005).
를 충전한다. Tateiwa (1924)는 최초 장기통을 하부 의 장기층군과 상부의 범곡리층군으로 구분하였으나, 두 층군의 명확한 정의가 세워져 있지 않고 단층 및 화산활동에 따른 분지 내부의 복잡성 때문에 연구자 에 따라 두 층군의 선후관계가 현재까지 논란이 되고 있다. 한편, 최근 상세한 야외조사를 통한 연구결과들 은 데사이트질 물질을 포함한 지층이 먼저 퇴적되었 으며 이후 현무암질 마그마가 관입 및 분출하고 현무 암질 화산쇄설물이 퇴적되었음을 보고하고 있다(Son et al., 2000a, 2005; Kim et al., 2011; Cheon et al., 2012; Jung et al., 2012).
최근 구조지질학적 연구들은 오천단층계 이남의 장 기, 정자, 와읍 그리고 어일분지를 북북서 방향의 우 수향 전단력에 의해 유도된 북서-남동 내지 서북서- 동남동 방향의 인장응력 하에서 형성된 당겨열림분지 로 해석한다(Son, 1998; Son et al., 2000a, 2002, 2005, 2007; Cheon et al., 2012; Jung et al., 2012). 이러한 해석을 지지하는 구조적 특징들은 다 음과 같다. 첫째, 이들 분지들은 북동 내지 북북동 방향의 정단층들과 북북서 방향의 우수향 주향이동단 층들을 경계로 하는 지구(graben) 또는 반지구(half graben)의 기하를 가진다(Son, 1998; Son et al., 2000a, 2005; Kim et al., 2011; Cheon et al., 2012; Jung et al., 2012). 둘째, 분지를 충전하고 있 는 퇴적층들의 자세는 단층 또는 관입체에 의해 교란 된 일부 지역을 제외하면 대부분이 북서 내지 서북서 로 경동된 동사구조(homocline)의 특징을 보이며, 젊 은 지층일수록 경사각이 얕아지는 경향이 나타난다.
이러한 특징은 남동쪽으로 경사진 정단층들이 분지의 확장을 주도하였음을 암시할 뿐만 아니라, 이 단층들 이 퇴적동시성 단층임을 지시하고 있다(Son et al., 2000a, 2005; Kim et al., 2011; Cheon et al., 2012; Jung et al., 2012). 셋째, 여러 고지자기 연구 들(Kim et al., 1986; Kim and Kang, 1989, 1996;
Kim and Doh, 1994; Min et al., 1994; Son et al., 1996, 2002)은 전기 마이오세 지층들이 시계방향 의 수평회전 운동을 겪었음을 보고하고 있다. 또한 암맥의 방향성(Kim et al., 2002)과 공액상 성장단층 을 이용한 고응력 복원 연구(Cheon et al., 2012)에 서도 분지가 확장되는 동안 상대적인 지괴의 시계방 향 수평회전이 발생하였음을 보고하고 있다. 넷째, 어 일과 와읍분지의 기하, 퇴적물의 분포 등에 근거하면, 동해확장으로 한반도 동해안에 가해진 북북서 방향의
우수향 전단력이 북동에서 남서쪽으로 전파되면서 분 지가 확장되는 일종의 전파열개(propagating rifting) 과정을 겪었음이 보고되었다(Son et al., 2000a, 2005). 최근 어일분지의 어일층 내 현무암을 대상으 로 실시한 Cho et al. (2012)의 대자율이방성 연구결 과는 용암류가 분지의 남서에서 심도가 보다 깊었던 북동쪽으로 유입되었음을 보고하고 있어 이러한 기존 해석을 지지하고 있다.
이번 연구지역의 남쪽과 북쪽에 각각 위치하는 어 일 및 와읍분지의 분지충전물은 전기 마이오세의 화 산성 물질을 포함하는 지층과 전기 마이오세 말~중기 마이오세 초의 비화산성 퇴적층으로 구성된다(Son et al., 2000a, 2005, Kwon and Sohn, 2008; Kwon et al., 2011)(Fig. 2). 어일분지의 층서는 하부로부터 화산물질을 다량 포함하는 전기 마이오세의 감포역암 과 어일층, 그리고 이들을 부정합으로 피복하는 중기 마이오세 초의 비화산성 송전층으로 구성된다(Son et al., 2000a; Kwon and Sohn, 2008; Kwon et al., 2011). 반면, 와읍분지의 층서는 하부로부터 전기 마 이오세의 와읍리응회암, 안동리층, 용동리응회암, 범 곡리화산암류 그리고 이들을 관입 또는 분출하여 피 복하는 어일층, 마지막으로 이들을 부정합으로 피복 하는 중기 마이오세 초의 송전층으로 구성된다(Son et al., 2005).
암상분대
입천소분지의 기반암은 백악기말~고제3기의 데사이 트질 화산암류이며, 분지충전물은 주변 분지들과 유 사하게 하부에는 화산성 물질을 다량 포함하는 전기 마이오세의 지층이 놓이며 이를 부정합으로 피복하는 중기 마이오세 비화산성 육성 퇴적층으로 구성된다.
북동-남서 방향으로 길쭉한 형태를 가지는 입천소분 지는 북동부에 전기 마이오세 지층이 분포하는 반면, 남서부는 중기 마이오세의 퇴적층이 분포한다(Fig. 3).
기반암
기반암은 데사이트질 화산암류로 입천소분지를 둘 러싸고 있다. 이 암석은 최초 Tateiwa (1924)에 의해 중생대 백악기 불국사층군의 각섬석석영장석규장반암 으로 보고된 바 있으나, Jin et al. (1988)은 휘션트 랙 연대측정을 통해 고제3기 암석으로 보고하였고, 이 후 Yoon (1992)에 의해 왕산층으로 명명되었다. 대부
분 담회색 내지 암회색을 띠는 데사이트질 화산력 응 회암으로(Fig. 4A), 세립질 혹은 유리질 기질부에 석 영과 장석의 결정편과 유색 암편들이 관찰되는 것이 특징이지만 지역에 따라 이들의 함량은 차이가 있다.
이들 기반암은 분지충전물과 대부분 단층으로 접하고 있으나 일부 지역에서는 부정합의 접촉관계를 보이며 (Fig. 3), 분지충전물에 비해 상대적으로 풍화에 강해 고지대를 형성한다.
전기 마이오세 분지충전물
연구지역 내 전기 마이오세 지층들의 존재를 처음 보고한 Chwae et al. (1988)은 이들 지층을 인근 와 읍분지의 충전물 중 용동리층군의 용동리응회암과 대 비되는 것으로 보고한 바 있다(Table 1). 용동리응회 암은 Tateiwa (1924)에 의해 처음 명명되었으며, Yoon (1992)은 이 지층을 범곡리층군 장항층의 최하 부 아층으로 규정하였으나, Son et al. (2000b)는 데 Fig. 3. Geologic map of the Ipcheon Subbasin and its vicinity with two major cross sections.
Table 1. Stratigraphic correlation of the basin-fills in the Waup-Eoil basins and the study area
Fig. 4. Outcrop photographs of the basement and basin fills. (A) Massive dacitic volcanics as basement rich in quartz and feldspar crystals as well as lithic fragments. (B) Well-sorted, fine-grain, slightly-stratified tuffaceous mudstone (Mtm), dipping toward NW. (C) Poorly-sorted, angular to sub-angular, poorly-stratified, pumiceous and lithic-rich tuffaceous gravely sandstone (Mtgs) and (D) its close-up view. (E) Well-stratified, pumiceous, mica-rich dacitic lapilli tuff (Mttm), dipping toward NW. (F) Load structure between tuff and tuffaceous mudstone (Mttm). (G) Massive, poorly sorted, well-consolidated agglomerate in the lowermost part of the dacitic volcanics (Mdv). (H) Poorly-sorted, sub-rounded, clast-supported conglomerate intercalated with sandstone (Mcs).
사이트질 화산집괴암과 이를 정합적으로 피복하는 화 산회응회암과 응회질 사암을 한 번의 대규모 데사이 트질 화산활동에 의한 연속적인 퇴적 사건의 결과물 로 해석하여 이들을 하나로 묶어 용동리응회암으로 재정의하였다. 한편, 입천소분지 내 전기 마이오세 지 층들은 모두가 데사이트질 화산물질을 다량 포함하는 지층들로써, 이번 연구에서는 이 지층들을 구성물질 의 입도와 응회질 물질의 함량에 따라 하부로부터 응 회질이암(Mtm), 응회질역질사암(Mtgs), 응회암및응회 질이암(Mttm) 그리고 데사이트질화산암류(Mdv)로 세 분하였다.
응회질이암(Mtm): 분지의 최하부 충전물로 백색 내 지 회백색의 암색을 보인다. 이 층은 전반적으로 미 약한 층리가 발달하는 응회질 이암이 주를 이루지만 (Fig. 4B), 일부 지역에서는 쪼개짐이 발달하는 니질 층이 협재되며 괴상의 특징을 보이는 지층도 포함한 다. 응회질 이암 내에는 2~5 mm 내외의 부석편과 암 회색 암편이 소량 함유되어 있으며, 층리는 대체적으 로 10~25o로 북서쪽으로 경사져 있다.
응회질역질사암(Mtgs): 응회질이암(Mtm)을 정합으로 피복하고 있는 응회질역질사암층은 부석을 포함하는 백색 내지 회백색 응회질 사암 내에 분급이 불량한 각형 내지 아각형의 화산암과 퇴적암 역들이 다량 포 함되어 있으며, 야외에서 2 mm 내외의 흑운모편도 다량 관찰된다(Figs. 4C and D). 상부로 갈수록 응 회질 물질의 함량이 많아지며 층리가 비교적 잘 발달 한다. 층리는 10~25o 내외로 하위의 응회질이암층과 유사하게 북서쪽으로 경사진다.
응회암및응회질이암(Mttm): 이 지층은 하위의 응회 질역질사암층(Mtgs)을 정합으로 피복하고 있으며, 부 석이 다량 함유되어 있는 수매의 응회암과 응회질 이 암이 반복되어 나타난다. 응회암은 백색 내지 회백색 의 암색을 보이고, 흑운모편과 함께 화산력 크기 (2~64 mm)의 부석편, 산성질 화산암편, 퇴적암편 등 이 다량 포함되어 있으며, 대체적으로 층리가 잘 관 찰된다(Fig. 4E). 반면, 백색의 응회질 이암은 층리가 관찰되지 않는 괴상의 특징을 흔히 보이며 십여 m의 두꺼운 층후를 보인다. 층 내부에서 교란된 흔적 (convolute structures)이 흔히 관찰되고 응회암과의 경계에서 하중구조(load structure)가 잘 관찰된다(Fig.
4F). 층리는 하위의 층들과 유사하게 20~30o 내외로 북서로 경사져 있다.
데사이트질화산암류(Mdv): 이 화산암류(Fig. 4G)는
전기 마이오세 분지충전물 중 최상부의 것으로 지역 에 따라 응회질 역암, 데사이트질 용암류, 그리고 데 사이트질 집괴암 등의 다양한 산상을 보여준다. 응회 질 역암 내에는 응회질 사암이 일부 협재되어 있는 것이 관찰되며, 각 암상들의 측방 연속성이 불량하고, 서로 점이적인 접촉경계를 가진다.
중기 마이오세 분지충전물
전기 마이오세 분지충전물을 부정합으로 피복하는 중기 마이오세 지층은 화산물질을 포함하지 않은 주 로 역암(Mcs)으로 분지의 남서부에 넓게 분포하며, 인근 와읍분지와 어일분지의 동부에 분포하는 연일층 군 송전층에 대비될 것으로 판단된다. 포함된 역은 주변 기반암인 데사이트질 화산암류가 주를 이루고, 전반적으로 분급이 불량하고 원마도가 아원형~원형의 역들로 구성되어 있으며, 역은 10~20 cm 내외의 것 들이 우세하다. 역암층 내에 렌즈상으로 사암이 협재 되어 나타나며(Fig. 4H), 층리의 자세는 북서향의 경 사가 우세하나 지역에 따라 불규칙하게 변화한다.
지질구조
분지경계단층
입천소분지는 고지대의 기반암으로 둘러싸인 북동- 남서 방향으로 길쭉한 지구형 함몰지를 형성하고 있 다(Fig. 5). Chwae et al. (1988)은 분지의 북서부와 북동부 경계는 단층으로 그리고 남동부와 남서부 경 계는 부정합으로 보고한 바 있다. 그러나 이번 연구 를 통한 야외조사에서는 분지의 남동부와 남서부 경 계도 단층으로 이루어져 있음이 새로이 확인되었다.
남동부 경계단층은 야외에서 3 m 이상의 폭을 가지 는 파쇄대로 추적되며, 야외에서 직접 확인된 단층면 은 약 N40oE의 주향과 60oNW의 경사를 가지는 정 단층의 기하를 보여준다(Fig. 6A). 또한 이들 단층의 인근 분지 내에는 단층각력이 재동되어 퇴적된 연속 성이 불량한 각력암들이 관찰된다. 남서부 경계의 경 우에는 직접 노두에서 확인할 수는 없으나 남동부와 유사하게 경계 인근 기반암이 심하게 파쇄되어 있으 며, 인접 분지 내에는 단층 각력들이 재동되어 퇴적 된 매우 각진 각력암이 관찰되고 있어(Fig. 6B), 이 또한 단층으로 경계되어 있을 것으로 판단하였다.
Chwae et al., (1988)에 의해 단층경계로 보고된 분 지 북서부 경계의 경우도 이번 조사에서 경계를 직접
Fig. 5. Structural map of the Ipcheon Subbasin showing geological boundaries, major faults, and attitudes and traces of bedding.
Fig. 6. Outcrop photographs of (A) a southeastern border fault of the Ipcheon Subbasin, dipping toward NW, and (B) reworked fault breccias observed along the southeastern border fault.
확인할 수는 없었으나, 경계를 따라 북동 방향의 뚜 렷한 선상구조가 발달하고 인접한 기반암이 심하게 파쇄되어 있음이 확인되어 단층경계가 맞는 것으로 판단된다. 입천소분지가 북동 방향으로 길쭉한 함몰 지를 형성하고 있다는 점과 분지충전물의 지층이 대 부분 북서부 경계단층을 향해 경사진 점을 고려하면, 이 경계단층은 분지의 확장을 주도한 점완(listric) 또 는 서가(domino)형 정단층일 것으로 추정되며, 남동 부 경계단층은 이 단층의 반향단층(antithetic fault)인 것으로 판단된다(Fig. 3의 지질단면도 참조). 한편, 입 천소분지의 북동부 경계는 두꺼운 제4기 충적층에 피 복되어 있어 야외에서 경계 특성을 지시하는 노두가 관찰되지 않는다.
분지충전물의 자세
입천소분지 북동부에 분포하는 전기 마이오세 지층 들의 자세는 대부분 서북서 방향으로 경사져 있어 동 사구조를 형성하고 있다(Fig. 7A). 이들 지층은 퇴적 될 당시의 초기 경사를 무시할 수 있는 이암 및 사 암과 같은 세립질 퇴적층을 다량 포함하고 있어, 지 층경사는 퇴적 동시 또는 이후의 지구조 운동과 관련
된 지괴경동을 반영하는 것으로 해석된다. 지각의 순 수한 열개나 당겨열림에 의해 확장된 구조분지 내 충 전물의 경동에 의한 층리의 평균 경사방향은 경계단 층의 기하학적 형태에 의해 좌우되고, 분지 기저부의 경동양상과 분지의 확장방향을 반영함이 널리 알려져 있다(Wernicke and Burchfiel, 1982; Wise, 1992;
Schlische, 1993; Luccihitta and Suneson, 1993). 이 에 근거하면, 입천소분지는 전기 마이오세 동안 서북 서-동남동 방향의 인장응력 하에 형성되었으며, 분지 확장을 주도한 단층은 북서부 경계단층인 것으로 판 단된다.
한편, 입천소분지의 남서부에 분포하는 중기 마이 오세 분지충전물의 자세는 북서로 경사진 것들이 가 장 우세하나, 지역적으로 분산된 양상도 함께 관찰된 다(Figs. 5 and 7B). 이는 이들 퇴적층의 퇴적 동시 또는 이후에 북서향의 지괴경동이 우세하였으나, 역 질 지층에서 일반적으로 예상할 수 있는 퇴적 당시의 초기경사도 상당하였던 것으로 추정된다.
소규모 취성 변형요소 및 고응력장
입천소분지 내 전기 마이오세의 분지충전물 중에서 응회암및응회질이암층(Mttm)에는 소규모의 정단층들 이 다수 분포한다. 이 단층들은 대부분 북동 주향을 가지고 경사는 북서와 남동 양방향으로 발달하는 공 액상의 정단층들로, 노두에서 지구와 반지구의 기하 를 형성한다(Fig. 8). 이들 단층은 상위의 지층을 절 단하지 못하고 단층 상반의 지층이 그에 대비되는 하 반의 지층보다 두꺼운 특징을 보여주고 있어, 퇴적동 시성 성장단층으로 해석된다. 고화되지 않은 지층 내 에서 만들어진 퇴적동시성 단층들의 경우 단층활면에 서 단층조선을 확인하는 것이 어렵기 때문에 이들 단 층들의 기하해석을 통해 고응력을 복원하였다. 그 결 과 지표에 거의 수직한 최대주응력축(σ1)과 각각 남 남서와 동남동에 가까운 아수평의 중간주응력축(σ2) 과 최소주응력축(σ3)이 도출되었다(Fig. 9). 이러한 결 과는 입천소분지 내 데사이트질 화산물질이 퇴적되던 시기에 주로 서북서-동남동 방향의 인장응력이 작동 하여 지각이 확장되었음을 지시한다.
토 의
입천소분지와 주변 분지들의 기하와 구조 특성 이번 연구를 통해서 확인된 입천소분지의 기하는 Fig. 7. Rose and contoured π-diagrams (lower
hemisphere, equal-area projection) of the stratal attitudes (A) in the Early Miocene basin-fills and (B) in the early Middle Miocene basin-fills.
북동-남서로 길쭉한 형태를 가지며, 북동 주향을 가지 는 북서부 경계단층의 정이동성 운동이 분지의 확장 을 주도하고 남동부 경계단층은 북서부 경계단층의 반향단층인 것으로 해석된다. 분지충전물은 대부분이 북서 내지 서북서로 경사져 있으며, 분지의 북동부에 서 남서부로 갈수록 충전물의 연령이 젊어지고 분지 의 폭도 좁아지는 경향을 보인다. 이는 인근 와읍 및 어일분지에서 나타나는 구조적 특징들과 매우 유사하 며 분지의 확장이 북동에서 남서로 전파되었음을 지 지하고 있다. 분지충전물 지층의 자세와 충전물 내 퇴적동시성 공액상 정단층들의 기하학적 해석을 통한 고응력 복원 결과도 북서-남동 내지 서북서-동남동 방 향의 인장응력 하에서 분지가 확장되었음을 지시하 며, 이러한 응력환경은 기존에 연구된 전기 마이오세 퇴적분지의 형성 환경과 또한 유사하다. 종합하면, 입
천소분지는 인근의 와읍 및 어일분지와 동일한 북서- 남동 내지 서북서-동남동 방향의 인장응력환경에서 분 지의 확장이 북동에서 남서로 전파되며 형성된 소규 모의 독립된 퇴적분지로 판단된다.
분지충전물의 대비
입천소분지와 인접한 어일과 와읍분지는 단층으로 구획되고 기반암에 의해 서로 격리되어 있으며 충전 물의 암상에서 확연한 차이를 가지고 있어, 이들 두 분지는 독립적인 진화사를 겪은 것으로 판단된다. 이 들 분지가 활발히 확장하였던 전기 마이오세 동안에 한반도 남동부에는 데사이트질과 현무암질 화산활동 이 활발하였으며, 와읍분지에는 데사이트질 화산물질 이 주로 퇴적된 반면, 어일분지에는 현무암질 화산물 질이 다량 충전되었다(Tateiwa, 1924; Chwae et al., Fig. 8. Outcrop photograph showing a typical set of syn-depositional normal faults.
Fig. 9. Stereographic contoured π-diagrams (lower hemisphere, equal-area projection) showing the altered attitudes of conjugate normal faults in the basin-fills after tilt correction. Divergent arrows represent the direction of horizontal stretching (σHmin). The principal stress axes (σ1, σ2, σ3) are calculated from the geometry of the conjugate fault set.
1988; Yoon, 1992; Son et al., 2000a, 2005;
Kwon and Sohn, 2008; Kwon et al., 2011). 입천 소분지 또한 전기 마이오세에 확장이 시작된 분지로 써, 분지 내에 현무암질 화산물질은 관찰되지 않고 데사이트질 화산물질만 다량 유입된 특징을 보인다.
입천소분지의 충전물이 인근 두 분지의 어떤 지층과 대비되는지를 밝히기 위해 와읍분지의 분지충전물 중 에서 데사이트질 화산물질로 구성된 용동리응회암과 범곡리화산암류 그리고 어일분지의 분지충전물 중에 서 유일한 데사이트질 화산활동의 산물인 감포역암 상부의 팔조리응회암(Jeong et al., 2006)을 대상으로 슬랩과 박편을 제작하고 입천소분지의 것과 상호 비
교·관찰하였다.
슬랩 관찰결과, 입천소분지에서 관찰되는 응회암은 대부분 부석질의 기질에 2~5 mm 내외의 암회색 암 편과 특징적으로 흑운모가 다량 포함되며, 화산력 크 기의 부석편이 흔히 관찰된다(Figs. 10A, B). 응회질 이암은 분급이 양호한 회백색의 세립 입자로 구성되 어 있으며 암편이 거의 관찰되지 않는다(Fig. 10C).
한편, 와읍분지의 용동리응회암은 입천소분지 것과 유 사하게 미약한 층리와 함께 흑운모편과 2~5 mm 내 외의 암회색 암편이 관찰되며 부석편도 다량 관찰된 다(Fig. 10D). 용동리응회암층 내에 협재하는 응회질 이암의 경우에는 분급이 양호한 회백색의 세립질 입
Fig. 10. Representative rock slabs of (A and B) the dacitic tuff and (C) tuffaceous mudstone in the Ipcheon Subbasin, (D) the dacitic tuff and (E) tuffaceous mudstone from the Yongdongri Tuffs in the Waup Basin, and the dacitic tuff from the Paljori Tuffs within the Gampo Conglomerate in the Eoil Basin. See the text for detailed explanation.
자로 구성되어 있고 내부에 교란된 흔적이 관찰되며 암편의 함량은 매우 낮다(Fig. 10E). 반면, 어일분지 의 팔조리응회암은 5~10 mm 내외의 암회색 암편과 10~30 mm의 부석편이 흔히 관찰되나 흑운모편은 전 혀 관찰되지 않는다(Fig. 10F). 이상의 관찰결과를 요 약하면, 입천소분지의 응회암과 와읍분지의 용동리응 회암은 구성물질의 함량에서는 다소의 차이는 있으나 암편들의 종류와 크기가 유사하고 공통적으로 다량의 흑운모편이 관찰되는 특징을 보인다. 또한 이들 두 분지의 응회질 이암의 경우에도 입도와 함께 구성물 질이 매우 유사하다. 반면, 팔조리응회암의 경우에는 부석편의 크기와 함량에서 차이를 보이고 흑운모편이 전혀 관찰되지 않아 와읍분지와 입천소분지의 것들과 는 뚜렷한 차이를 보인다.
입천소분지의 응회암과 와읍분지의 용동리응회암의 박편을 제작하여 분석한 결과, 구성광물의 입도는 약 간 차이가 있으나 유리질의 기질에 구성광물이 대부 분 사장석, 석영 그리고 흑운모로 이루어져 있으며,
광물의 함량비가 유사함이 확인되었다(Figs. 11A, B).
반면, 어일분지 팔조리응회암의 박편관찰 결과, 다량 의 부석편과 함께 사장석, 각섬석 그리고 휘석의 결 정편이 관찰되나 흑운모는 전혀 관찰되지 않는다 (Jeong et al., 2006)(Figs. 11C, D). 이러한 특징들 은 입천소분지의 응회암은 어일분지의 팔조리응회암 과는 다른 화산활동의 산물이며 와읍분지의 용동리응 회암과 매우 유사한 마그마 기원의 화산활동 결과임 을 시사한다.
입천소분지의 확장시기
기존의 와읍 및 어일분지의 연구들은 데사이트질 화산활동 이후에 현무암질 화산활동이 발생하였으며, 이들 화산물질을 중기 마이오세 육성 및 해성층인 연 일층군 송전층이 부정합으로 피복하고 있음을 보고하 였다(Son et al., 2000a, 2005; Kwon and Sohn, 2008; Kwon et al., 2011). 와읍분지의 전기 마이오 세 분지충전물은 일부 고지의 현무암을 제외하면 대 Fig. 11. Photomicrographs of the dacitic tuffs (A) in the Ipcheon Subbasin, (B) from the Yongdongri Tuffs in the Waup Basin, and (C and D) from the Paljori Tuff in the Eoil Basin (Jeong et al., 2006). Pl: plagioclase, Qtz: quartz, Bt: biotite, A: amphibole, L: fragment of opaque tachylite, B: basaltic fragment, Tr: trachyte, P: pumice fragment (Crossed Nicol).
부분이 데사이트질 화산물질을 포함한 지층(와읍리응 회암, 안동리층, 용동리응회암, 범곡리화산암류)인 반 면, 어일분지의 전기 마이오세 분지충전물은 감포역 암 내의 팔조리응회암을 제외하면 모두 현무암질 화 산물질을 포함하는 어일층이다(Fig. 2). 이는 두 분지 가 서로 시간적 차이를 두고 확장하였으며, 어일분지 의 확장이 와읍분지에 비해 상대적으로 후기에 시작 되었음을 지시한다. 와읍분지 최하부의 와읍리응회암 의 방사성 동위원소 연대는 21.2-22.3 Ma(Yoon, 1992) 그리고 휘션트랙 연령은 저어콘과 인회석에서 각각 18.52와 22.07 Ma(Jin et al., 1989)로 보고된 바 있 고, 그 상위의 용동리응회암의 40Ar-39Ar 전암연대는 21.6±0.4 Ma(Kim et al., 2005)로 보고되었다. 반면 어일분지의 어일층 내 현무암의 K-Ar 연대는 18- 20 Ma(Lee et al., 1992) 사이로 보고되어 있어 야외 에서 확인된 데사이트질과 현무암질 화산활동의 선후 관계를 지지한다.
한편, 연일층군 송전층의 화석연대는 17.6 Ma (Yoon, 1976)이며 송전층에 대비되는 포항분지의 지 층에 대한 부유성 유공충연구(Kim, 1990)와 석회질 초미화석 연구(Yi, 1992; Yi and Yun, 1992)는 각각 16.7 Ma, 16.5 Ma로 보고되어 있어, 약 17 Ma 전후 까지 와읍 및 어일분지와 입천소분지의 확장은 계속 된 것으로 판단된다. 전기 마이오세에 한반도 동해안 가에서부터 내륙으로 전파되던 응력은 마이오세 지각 변형의 서편 한계선으로 알려진 연일구조선의 운동에 의해 해소되었음이 알려져 있다(Kim et al., 2002;
Son et al., 2002). 연일구조선 동편 인접부에는 단층 운동으로 만들어진 저지에 송전층에 대비되는 퇴적층 이 연속적으로 분포하고 있어 연일구조선의 운동시기 는 17 Ma 경으로 해석된다(Son et al., 2000a, 2005;
Cheon et al., 2012).
입천소분지 내 하부 분지 충전물은 와읍분지의 용 동리응회암에 대비된다(Table 1). 이는 활발한 동해확 장으로 한반도 남동부에 서북서-동남동 내지 북서-남 동 방향의 인장응력이 작동된 약 22 Ma 경에 입천소 분지의 확장이 와읍분지와 함께 시작되었음을 지시한 다. 그러나 입천소분지 내에는 현무암질 화산물질을 포함하는 지층이 전혀 관찰되지 않고 있어, 어일분지 가 활발히 확장하였던 20~18 Ma 사이에는 입천소분 지의 확장과 분지 내 퇴적이 일시적으로 중단된 것으 로 해석된다. 이후 한반도 남동부의 동해안가에 지속 적으로 작동한 우수향 전단응력은 육지의 지각확장을
보다 내륙의 서쪽으로 전파시켰으며, 이로 인해 약 17 Ma 경에 연일구조선이 운동함으로써 와읍과 어일 분지 그리고 입천소분지의 남서부에 새로운 퇴적공간 이 만들어지고 이들 공간에 연일층군에 대비되는 비 화산성 역암 및 사암이 퇴적된 것으로 해석된다.
요약 및 결론
입천소분지의 기하와 진화사를 밝히고 인근 와읍과 어일분지와의 관계를 통해 이 지역의 종합적인 구조 발달사를 해석하고자 하였다. 이를 위해 경주시 양북 면 입천리 일원의 상세 지질도와 구조도를 작성하였 으며, 분지충전물의 대비를 위해 각 분지 내 데사이 트질 화산물질을 포함하는 지층을 선택하여 슬랩과 박편을 제작하고 대비하였다. 주요 연구결과는 다음 과 같다.
(1) 입천소분지는 북동-남서로 길쭉한 형태의 비대 칭 지구를 이루며 기반암과 단층으로 구획되는 분지 로써, 주변의 와읍과 어일분지와는 기반암으로 완전 히 격리되어 있는 독립된 소분지이다.
(2) 분지충전물은 북서 내지 서북서로 경사지며, 분 지 북동부에는 데사이트질 화산물질을 다량 포함하는 전기 마이오세 퇴적물이 그리고 남서부에는 사암을 협재하는 비화산성 중기 마이오세 육성 역암이 분포 한다. 이는 분지의 확장이 북서부 경계단층에 의해 주도되고 북서에서 남동으로 전파되었음을 지시한다.
이러한 특징들은 인근 와읍 및 어일분지의 것들과 매 우 유사하다.
(3) 분지충전물 내 퇴적동시기 공액상 정단층의 기 하해석과 분지충전물의 평균 경사방향을 바탕으로 고 응력을 복원해 본 결과, 입천소분지는 서북서-동남동 방향의 인장응력 하에서 형성되었으며, 이는 다른 전 기 마이오세 분지들에서 확인된 고응력과 유사하다.
(4) 입천소분지의 분지충전물 중 하부의 데사이트 질 응회암과 응회질 이암은 와읍분지의 전기 마이오 세 용동리응회암과 대비되며 어일분지의 팔조리응회 암과는 다른 화산활동의 산물로 판단된다. 한편, 입천 소분지 내에는 어일분지에서 흔히 관찰되는 현무암질 화산물질은 전혀 관찰되지 않는다. 중기 마이오세 비 화산성 퇴적물의 경우, 와읍과 어일분지 그리고 입천 소분지에 공통적으로 분지의 남서부에 분포하나 어일 분지에 나타나는 연체동물군의 화석이 와읍분지와 입 천소분지에서 관찰되지 않은 것으로 보아 와읍분지와
입천소분지는 해수가 유입되지 않았던 것으로 판단된 다.
(5) 입천소분지의 확장은 22 Ma 경에 와읍분지의 확장과 함께 시작되어 다량의 데사이트질 화산물질이 유입되었으며, 이후 어일분지의 주 확장시기인 20~18 Ma 사이에는 확장을 멈추었다가, 약 17 Ma에 이르러 연일구조선의 운동과 함께 분지의 열개가 남 서쪽으로 전파되면서 중기 마이오세 초의 연일층군에 해당하는 비화산성 역암이 퇴적된 것으로 결론지어진 다.
사 사
이 논문은 2009년도 정부(교육과학기술부)의 재원 으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사 업(2009-0079427)과 2012년 정부(교육과학기술부)의 재원으로 (재)한국이산화탄소포집및처리연구개발센터 의 지원을 받아 수행된 연구이다. 유익한 심사의견을 주신 한수원 중앙연구원 장천중 박사님과 강원대 이 희권 교수님께 깊이 감사드린다.
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2013년 1월 07일 접수 2013년 1월 15일 심사개시 2013년 2월 21일 채택
