LA-MC-ICPMS U-Pb Ages of the Detrital Zircons from the Baengnyeong Group: Implications of the Dominance of the Mesoproterozoic Zircons

433

Econ. Environ. Geol., 49(6), 433-444, 2016 http://dx.doi.org/10.9719/EEG.2016.49.6.433

eISSN 2288-7962

신원생대 백령층군 사암의 쇄설성 저어콘 LA-MC-ICPMS U-Pb 연령: 중원생대 집중연령의 의미

김명정¹· 박정웅²· 이태호^1,3· 송용선¹· 박계헌¹*

1

부경대학교 일반대학원 지구환경시스템과학부,

숭문고등학교,

한국기초과학지원연구원 지구환경과학연구부

LA-MC-ICPMS U-Pb Ages of the Detrital Zircons from the Baengnyeong Group: Implications of the Dominance of the Mesoproterozoic Zircons

Myoung Jung Kim¹, Jeong-Woong Park², Tae-Ho Lee^1,3, Yong-Sun Song¹ and Kye-Hun Park¹*

1

Division of Earth and Environmental Sciences, Pukyong National University

2

Soong-Moon High School, Seoul 121-809, Korea

3

Division of Earth and Environmental Sciences, Korea Basic Science Institute

(Received: 4 October 2016 / Revised: 30 November 2016 / Accepted: 16 December 2016)

The U-Pb ages of detrital zircons from the Baengnyeong Group were determined by LA-MC-ICPMS, yielding condensed age population in the range from 1100 Ma to 1800 Ma corresponding to the Mesoproterozoic to late Paleoproterozoic. However, detrital zircons of ca.1800-2000 Ma or ca. 2500 Ma ages, which appear frequently in the lower Paleozoic Joseon Supergroup and the upper Paleozoic Pyeongan Supergroup are lacking in the Baengnyeong Group. Such characteristics are identical to those of the Neoproterozoic Sangwon System of North Korea, suggesting that the Baengnyeong Group might be the southwestern extension of the Sangwon System. The zircon age distribution patterns from the Impi Formation in the Gunsan area closely resemble those of the Baengnyeong Group, implying possible correlation of the Impi Formation to the Sangwon System. Therefore, the Mesoproterozoic detrital zircons reported from the Hwangangni Formation of the Okcheon Metamorphic Belt and the Myobong, Sambangsan and Sesong Formations of the Taebaeksan Basin might be derived from the provenances within the Korean peninsula.

Key words : LA-MC-ICPMS, U-Pb age, Mesoproterozoic, Neoproterozoic, Sangwon System

백령층군의 사암에서 분리한 쇄설성 저어콘에 대해 LA-MC-ICPMS를 이용하여 U-Pb 연령을 측정하였다. 저어콘 연령은 주로 중원생대와 고원생대말의 기간인 약 1100-1800 Ma의 범위에 집중된다. 그러나 하부고생대 조선누층군 이나 상부고생대 평안누층군의 쇄설성 저어콘들에서 흔히 나타나는 1800-2000 Ma 또는 약 2500 Ma의 고원생대 연 령은 거의 나타나지 않는 특징을 보인다. 이러한 특징은 북한의 신원생대 상원계 퇴적암과 동일하며, 백령층군이 상 원계의 남서쪽 연장부에 해당함을 시사한다. 군산 인근에 분포하는 임피층이 백령층군과 아주 비슷한 쇄설성 저어콘 의 연령분포를 보이는 것은 임피층 역시 상원계에 대비될 가능성을 시사한다. 따라서 옥천변성대의 황강리층, 태백산 분지의 묘봉층, 삼방산층, 세송층 등 여러 퇴적층에서 보고된 중원생대 연령의 쇄설성 저어콘들은 중원생대의 저어콘 을 갖는 한반도 내의 암석으로부터 유래하였을 가능성이 있다.

주요어 : LA-MC-ICPMS, U-Pb 연령, 중원생대, 신원생대, 상원계

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*Corresponding author: [email protected]

1. 서 론

한반도의 지각진화에 대한 전통적인 해석은 이웃한 중국과 일본에서의 연구결과를 포함하는 지난 20여년 동안의 여러 연구들을 통해 상당한 도전을 받고 있다.

예를 들어 호남전단대를 따른 200 km 수준의 대규모 변위 가능성(Cluzel et al., 1991; Yin and Nie, 1993) 과 트라이아스기 중국충돌대의 동쪽 연장이 한반도를 가로질러 간다는 가설(Liu, 1993; Ree et al., 1996;

Oh et al., 2006)은 한반도가 하나의 지괴가 아니라 독립적으로 진화한 여러 지괴의 집합체로 구성되었을 가능성을 의미한다. 이렇게 새롭게 제기된 문제를 검 증하기 위한 많은 연구가 수행되어왔다. 특히 저어콘 U-Pb 연대측정과 같은 고정밀 연대측정이 집중적으로 수행되었으며, 그 결과로 남한지역에는 존재하지 않는 것으로 알려졌던 대결층 시기의 퇴적층이 안면도-태안 지역과(Cho, 2007; Choi et al., 2008)과 오대산 부근 의 경기육괴 내부(Cho, 2014)등 여러 지역에서 인지되 었고, 신원생대의 화성활동 또한 옥천변성대(Lee et al., 1998; Kim et al., 2006)와 경기육괴 북서부(Lee et al., 2003) 그리고 홍성 지역(Kim and Kee, 2015) 등 여러 지역에서 발견되는 등 새로운 사실들이 밝혀 지고 있다. 이처럼 많은 자료들이 보고되었음에도 불 구하고 아직까지 해결되지 못하고 있는 문제의 하나가 북중국과 남중국 사이의 트라이아스기 대륙충돌대가 한 반도로 연장되는지 여부, 이에 따라 경기육괴와 영남 육괴가 중국의 북중국지괴와 남중국지괴중 어떤 지괴 와 대비될 수 있는지에 대한 대답이다. 북중국지괴와 경기 및 영남육괴와의 연결 문제를 연구하는데 있어서 그 사이에 놓여있는 북한지역은 분명히 이러한 문제의 해결에 매우 중요함은 분명하지만 안타깝게도 한국학 자들에 의한 연구는 아주 적은 수에 불과하다(Lee and Kim, 2003; Song et al., 2009). 하지만 중국의 학자들에 의한 북한의 지질에 대한 연구가 여러 편 보고 된바 있으며(Zhao et al., 2006; Wu et al., 2007a,b;

Peng et al., 2008, 2011; Hu et al., 2012) 이러한 연구결과들은 한반도와 중국 지괴들 사이의 상호대비 및 진화사 규명에 매우 중요한 자료로 평가된다.

백령도는 북한 황해남도의 서쪽 끝에서 서해쪽으로 돌출해있는 장산곶을 마주보는 곳에 위치한다. 이 연 구에서는 앞에서 언급한 문제들에 대한 논의의 단서를 구하기 위한 방도의 하나로 지리적인 위치로 볼 때 인 접한 황해남도의 지질이 연장되어 분포할 가능성이 매 우 높은 백령도에서 채취한 규질 사암으로부터 분리한

저어콘에 대한 U-Pb 연대측정을 수행하였으며, 그 결 과를 보고한다. 특히 백령층군의 쇄설성 저어콘에서 뚜 렷하게 나타나는 중원생대 연령의 의미에 대해서 집중 적으로 논의하고자 한다.

2. 지질개요

백령도의 지질(Fig. 1)은 북동쪽 진촌리 일대에 분출 되어 있는 상당량의 맨틀 포획암을 갖는 신생대 현무 암(Lee, 1995; Park, 2010)을 제외하고는 주로 원생대 의 백령층군(Lim et al., 1999)으로 구성되어 있다.

Lim et al.(1999)은 백령층군을 하부로부터 중화동층(두 께 350-400 m), 장촌층(두께 650-700 m) 및 두무진 층(두께 350-500 m)으로 구분하였으며, 백령층군의 암 석구성과 층서적 특징, 그리고 인근 도서들인 대청도 와 소청도의 석회암 및 고회암의 발달상태, 스트로마 톨라이트 산출 등으로 미루어, 근접한 황해도 옹진 일 대에 분포된 하부상원계의 하부인 직현통의 오봉리층과 장수산층에 대비될 수 있을 것으로 판단하였다. Lim et al.(1999)은 백령층군이 하부로부터 상부로 가면서 깊은 대륙붕으로부터 얕은 대륙붕을 거쳐 조간대 환경 으로 변하는 해성환경에서 퇴적된 것으로 해석하였다.

백령도의 동쪽에 위치한 북한의 황해남도 지역에 넓 게 분포하고 있는 상원계는 시생대, 하부원생대의 습 곡기반 위에 경사부정합으로 놓여있으며 구현계에 의 하여 부정합으로 덮여있는 상부원생대층으로 퇴적암석 학적 특징과 화석에 의하여 아래로부터 직현통, 사당 우통, 묵천통 및 멸악산통으로 나뉜다(IGSASDPRK, 1996). 상원계 퇴적암에서 분리한 쇄설성 저어콘중 가 장 젊은 저어콘의 연령이 약 990 Ma이고(Hu et al., 2012), 상원계를 관입한 고철질 화성암의 연령이 약 900 Ma(Peng et al., 2011)이기 때문에 상원계층의 퇴 적시기는 신원생대초로 제한된다. Hu et al.(2012)은 황해남도의 상원계 암석이 북중국강괴(North China Craton, NCC) 의 남연변의 퇴적층에서 구한 쇄설성 저 어콘과 비슷한 양상의 중원생대 연령분포를 보이는 것 으로부터 북중국과 북한지역이 하나의 강괴로 진화해 왔음을 확인할 수 있다고 하였다.

3. 분석법

쇄설성 저어콘 U-Pb 연대측정에 사용된 백령층군의

표품이 채취된 장소는 다음과 같다. 우선 장촌층 분포

지인 백령도의 남쪽에 위치한 장촌 습곡 입구에서 1개

(24-3) 를 채취하였으며, 두무진층이 분포하는 백령도 북 서쪽 모서리에 위치한 두무진 선대암 일대에서 2개의 표품(24-5, 24-5)을 채취하였다. 이 표품들은 모두 규질 사암으로 채취 위치에 따른 뚜렷한 암상의 차이는 없다.

저어콘의 분리는 암석의 파쇄 후 비이커 팬닝으로 중광물을 분리하고, 이로부터 실체현미경을 이용하여 저어콘 입자들을 고르는 일반적인 방법을 사용하였다.

U-Pb 연대분석을 위한 에폭시 마운트를 제작한 뒤에 저어콘의 음극선발광 영상(cathodoluminescence, CL) 및 후방전자산란 영상을 획득하고 이를 바탕으로 U- Pb 연대측정을 위한 분석점들을 선정하였다. 저어콘에 대한 U-Pb 연대측정은 한국기초과학지원연구원에 설 치된 레이저 삭마(Laser Ablation, LA) 장치(New Wave Research 193 nm wavelength ArF excimer laser ablation system) 가 부착된 Nu Plasma-II 모델의 다 검출기 유도결합플라즈마 질량분석기(Multi-collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer, MC-ICPMS) 를 이용하여 수행되었다.

분석시 고정된 7개의 검출기를 이용하여 원자질량단위 202 부터 238 범위의 동위원소들을[

Hg,

(Hg+Pb),

206

Pb,

Pb,

Pb,

Th 그리고

U] 동시에 분석 하였으며

U 는

U/

U=137.88 을 이용하여 계산하 였다. 레이저 삭마 다검출기 유도결합 플라즈마 질량 분석기(LA-MC-ICPMS)의 분석조건은 빔 직경 15 µm, 에너지 2-3 J/cm

그리고 5 Hz의 반복률로 분석을 하

였으며, 레이저에 의해 저어콘에 만들어진 구덩이에서 뜯겨져 나온 잘게 부수어진 물질들을 플라즈마로 보내 기 위하여 헬륨 (970 ml/Min)을 사용하였다. 배경값 측 정 시간, 레이저 삭마 시간(dwell time) 그리고 워시아 웃 시간은 각각 35초, 30초 그리고 15초씩 할당하였으 며, 측정은 0.2초씩 150회 반복하였다. U 농도와 연령 보정을 위해 91500 (80 ppm, 1065 Ma; Wiedenbeck et al., 1995) 저어콘 표준물질을 사용하였고 보통납 보 정은 Andersen (2002)에 의해 제시된 방법을 이용하 였다. 분석된 데이터는 Iolite 2.5 프로그램 (Paton et al., 2010, 2011)과 Isoplot 3.71 (Ludwig, 2008)을 이용해 배경값 보정, 동위원소 분별 보정 그리고 다운 홀(downhole) 분별 보정을 한 후 연대계산을 하였다.

4. 결 과

백령층군의 쇄설성 저어콘들은 매우 높은 원마도의 입자형태를 보인다(Fig. 2). 분석된 저어콘들의 CL 영 상은 진동누대구조를 보여주며, U-Pb 연대에 따라 특 별히 구분되는 특징을 보이지는 않는다(Fig. 2). 장촌층 1 개 표품에서 분리한 저어콘에서 29개 분석점, 두무진 층의 2개 표품에서는 각각 34개와 58개의 분석점 등 총 121개의 분석점에서 U-Pb 분석을 수행하였다. U- Pb 연령분석자료는 Table 1에 수록되어 있으며, Fig. 3 의 일치곡선(Concordia) 도형에 도시하였다.

Fig. 1. Simplified geological map of the Baengnyeong Island located off coast of North Korea, modified after IGSASDPRK

(1996) and Lim et al. (1999).

Fig. 2. CL images of the selected detrital zircons of this study. All the zircons show well-rounded shapes. Numbers in parentheses indicate apparent ages in Ma. Circles indicate spots (ca. 25 µm diameter) for the SHRIMP U-Pb analyses.

Table 1. LA-MC-ICPMS U-Pb data of the detrital zircons from the Baengnyeong Group

Spot No. U(ppm) Th(ppm) Th/U

U/

Pb ±(%)

Pb/

Pb ±(%) Apparent age (Ma)

24-3_1 269 144 0.54 3.598 0.6 0.0976 0.5 1568 ±22

24-3_2 331 122 0.37 4.729 0.4 0.0812 0.5 1244 ±25

24-3_3 252 149 0.59 3.583 0.6 0.0970 0.5 1562 ±15

24-3_4 170 147 0.87 3.342 0.6 0.1027 0.4 1670 ±9.6

24-3_5 94 88 0.94 4.005 1.0 0.0893 0.9 1405 ±16

24-3_6 43 119 2.75 5.203 1.1 0.0764 1.4 1106 ±21

24-3_7 179 194 1.08 3.546 0.5 0.0978 0.4 1582 ±6.6

24-3_8 419 225 0.54 3.132 0.5 0.1057 0.3 1726 ±4.5

24-3_9 207 1 0.03 4.871 0.4 0.0797 0.5 1182 ±4.9

24-3_10 36 0 -1.00 4.792 1.5 0.0804 1.4 1158 ±12

24-3_11 126 101 0.80 3.625 0.8 0.0955 0.8 1530 ±9.8

24-3_12 173 121 0.70 4.010 0.5 0.0907 0.6 1454 ±17

24-3_13 85 66 0.77 4.909 0.6 0.0794 0.9 1180 ±20

24-3_14 27 41 1.52 3.280 2.4 0.1030 1.5 1646 ±34

24-3_15 160 131 0.83 3.909 0.7 0.0908 0.9 1443 ±10

24-3_16 98 66 0.68 3.693 0.8 0.0962 0.7 1523 ±29

24-3_17 147 92 0.63 4.876 0.5 0.0795 0.7 1187 ±13

24-3_18 385 172 0.45 4.646 0.4 0.0808 0.4 1226 ±13

24-3_19 105 109 1.04 3.347 0.6 0.1008 0.6 1632 ±6.5

24-3_20 354 220 0.62 3.492 0.6 0.0999 0.4 1617 ±13

24-3_21 256 59 0.23 3.239 0.4 0.1055 0.4 1720 ±14

24-3_22 523 267 0.51 3.965 0.5 0.0901 0.3 1430 ±5.7

24-3_23 289 59 0.20 2.910 0.4 0.1148 0.4 1878 ±8.5

Table 1. Continued

Spot No. U(ppm) Th(ppm) Th/U

U/

Pb ±(%)

Pb/

Pb ±(%) Apparent age (Ma)

24-3_24 100 67 0.67 3.601 0.6 0.0967 0.9 1558 ±13

24-3_25 116 71 0.62 3.675 0.7 0.0962 0.7 1526 ±24

24-3_26 547 332 0.61 3.076 0.3 0.1096 0.3 1793 ±3.6

24-3_27 737 350 0.47 4.008 0.5 0.0892 0.5 1408 ±4.7

24-3_28 256 181 0.71 5.181 0.7 0.0779 0.7 1128 ±11

24-3_29 657 456 0.70 3.419 0.4 0.0999 0.3 1622 ±2.8

24-4_1 471 239 0.51 3.211 1.4 0.1058 0.8 1734 ±19.8

24-4_2 248 164 0.65 3.535 1.7 0.0951 0.9 1528 ±10.2

24-4_3 908 431 0.47 5.093 0.9 0.0774 0.7 1127 ±8.7

24-4_4 934 699 0.75 2.972 1.8 0.1132 0.8 1852 ±8.4

24-4_5 150 114 0.76 3.550 1.6 0.0957 1.3 1543 ±15.9

24-4_6 363 297 0.82 3.522 1.3 0.0985 0.8 1595 ±10.8

24-4_7 94 88 0.94 3.364 1.7 0.1015 1.6 1654 ±27.9

24-4_8 375 145 0.35 4.042 1.6 0.0898 0.8 1457 ±57

24-4_9 211 150 0.71 3.715 1.1 0.0949 1.2 1531 ±25.8

24-4_10 398 507 1.28 3.521 1.4 0.0971 0.8 1566 ±9.3

24-4_11 149 118 0.79 3.571 1.9 0.0958 1.5 1544 ±18

24-4_12 223 384 1.70 3.472 1.2 0.0992 1.2 1609 ±14.1

24-4_13 321 189 0.59 3.342 1.1 0.1003 0.9 1632 ±9.6

24-4_14 216 232 1.07 5.674 1.2 0.0737 1.5 1040 ±36

24-4_15 600 25 0.04 4.971 1.0 0.0773 0.9 1130 ±10.2

24-4_16 389 206 0.52 4.691 1.3 0.0801 0.9 1193 ±11.1

24-4_17 429 268 0.63 4.960 1.3 0.0784 1.0 1162 ±20.1

24-4_18 375 289 0.78 3.500 1.1 0.0962 0.8 1551 ±8.1

24-4_19 158 125 0.79 5.111 1.3 0.0768 2.1 1102 ±23.7

24-4_20 111 60 0.54 3.606 1.7 0.0966 1.2 1566 ±39

24-4_21 414 124 0.30 3.971 1.0 0.0897 0.8 1418 ±9.6

24-4_22 412 265 0.65 5.068 0.9 0.0768 1.1 1116 ±14.1

24-4_23 89 0 -0.25 5.063 2.0 0.0782 2.5 1128 ±16.5

24-4_24 147 88 0.60 3.444 1.2 0.0993 1.2 1607 ±19.5

24-4_25 138 134 0.96 3.256 1.6 0.1048 1.1 1718 ±27.9

24-4_26 322 224 0.69 4.890 1.3 0.0782 1.1 1151 ±17.1

24-4_27 301 252 0.85 3.712 1.2 0.0937 1.1 1499 ±11.7

24-4_28 230 114 0.50 3.167 1.0 0.1068 0.9 1757 ±33

24-4_29 275 262 0.96 4.695 1.1 0.0807 1.0 1211 ±14.4

24-4_30 207 157 0.76 5.109 1.4 0.0769 1.7 1108 ±22.8

24-4_31 151 63 0.41 3.942 1.2 0.0898 1.4 1427 ±26.1

24-4_32 273 97 0.35 3.926 1.0 0.0901 1.1 1422 ±15

24-4_33 139 150 1.08 5.136 1.3 0.0765 1.9 1107 ±30

24-4_34 369 192 0.52 3.114 1.5 0.1065 0.9 1737 ±12

24-5_1 294 228 0.77 3.340 0.6 0.1006 0.4 1638 ±5.9

24-5_2 694 519 0.75 3.500 0.5 0.0982 0.2 1589 ±2.5

24-5_3 451 263 0.59 2.658 0.5 0.1257 0.2 2038 ±4.1

24-5_4 210 134 0.64 3.608 0.6 0.0966 0.5 1537 ±23

24-5_5 759 296 0.39 3.436 0.3 0.1010 0.3 1608 ±37

24-5_6 100 58 0.59 3.557 0.7 0.0976 0.8 1548 ±19

24-5_7 392 829 2.09 3.693 0.7 0.0956 0.3 1533 ±5.4

24-5_8 626 656 1.05 4.334 0.4 0.0855 0.3 1321 ±12

24-5_9 365 209 0.58 3.932 0.9 0.0913 0.7 1462 ±21

Table 1. Continued

Spot No. U(ppm) Th(ppm) Th/U

U/

Pb ±(%)

Pb/

Pb ±(%) Apparent age (Ma)

24-5_10 411 111 0.27 3.146 0.5 0.1086 0.4 1754 ±31

24-5_11 336 192 0.57 3.207 0.3 0.1071 0.3 1754 ±8.8

24-5_12 131 111 0.86 3.186 0.5 0.1071 0.5 1753 ±9.2

24-5_13 317 158 0.50 3.119 0.3 0.1091 0.3 1791 ±8

24-5_14 281 90 0.33 3.136 0.4 0.1085 0.4 1779 ±13

24-5_15 120 291 2.42 5.086 0.6 0.0790 0.9 1179 ±14

24-5_16 598 350 0.59 3.270 0.4 0.1048 0.2 1695 ±18

24-5_17 989 545 0.56 4.913 0.4 0.0798 0.3 1142 ±28

24-5_18 94 70 0.74 3.532 0.7 0.0982 0.6 1584 ±16

24-5_19 215 161 0.76 4.662 0.9 0.0813 0.8 1167 ±48

24-5_20 669 160 0.24 3.603 0.3 0.0977 0.2 1599 ±18

24-5_21 250 204 0.82 5.128 0.4 0.0776 0.6 1134 ±10

24-5_22 549 46 0.08 4.620 0.4 0.0824 0.4 1248 ±13

24-5_23 216 156 0.73 4.732 0.3 0.0813 0.5 1237 ±14

24-5_25 201 97 0.48 3.445 0.3 0.1006 0.4 1635 ±12

24-5_26 399 216 0.54 3.530 0.4 0.0981 0.3 1587 ±4.4

24-5_27 422 121 0.29 3.123 0.4 0.1086 0.3 1775 ±19

24-5_28 121 92 0.77 4.958 0.5 0.0796 0.8 1184 ±20

24-5_29 395 230 0.58 3.394 0.3 0.1007 0.4 1639 ±5.9

24-5_30 151 146 0.97 3.432 0.7 0.1004 0.9 1639 ±16

24-5_31 85 62 0.72 3.648 0.7 0.0959 0.7 1534 ±15

24-5_32 45 31 0.68 3.939 1.1 0.0916 1.0 1448 ±37

24-5_33 609 261 0.43 1.899 0.3 0.1877 0.2 2716 ±6.8

24-5_34 82 120 1.45 3.602 0.8 0.0972 0.7 1562 ±11

24-5_35 77 77 1.00 5.136 0.6 0.0788 1.0 1131 ±23

24-5_36 58 43 0.73 3.962 1.0 0.0925 1.0 1448 ±46

24-5_37 709 460 0.64 3.797 1.2 0.0929 1.0 1484 ±9.3

24-5_38 859 331 0.39 3.456 0.3 0.0989 0.2 1603 ±2.3

24-5_39 230 139 0.61 4.965 0.4 0.0792 0.5 1166 ±10

24-5_40 179 156 0.87 3.504 0.6 0.0992 0.6 1593 ±12

24-5_41 313 219 0.70 4.902 0.7 0.0787 0.8 1125 ±25

24-5_42 533 904 1.70 4.682 0.3 0.0816 0.4 1233 ±4.3

24-5_43 200 76 0.38 2.979 0.5 0.1140 0.4 1859 ±13

24-5_44 383 211 0.55 3.544 0.4 0.0983 0.4 1586 ±12

24-5_45 101 65 0.64 4.975 0.5 0.0791 0.8 1162 ±22

24-5_46 213 138 0.66 3.473 0.4 0.1001 0.4 1609 ±12

24-5_47 212 105 0.49 3.154 0.4 0.1081 0.3 1759 ±9.9

24-5_48 206 110 0.54 3.310 0.4 0.1039 0.3 1692 ±11

24-5_49 216 155 0.71 3.687 0.4 0.0954 0.4 1529 ±7.5

24-5_50 287 120 0.42 3.570 0.4 0.0980 0.5 1579 ±9.3

24-5_51 201 111 0.55 3.156 0.4 0.1081 0.4 1739 ±11

24-5_52 195 177 0.91 3.628 0.3 0.0977 0.4 1557 ±9.8

24-5_53 457 253 0.55 4.741 0.3 0.0812 0.3 1210 ±8.1

24-5_56 144 70 0.48 3.429 0.9 0.1004 0.8 1598 ±47

24-5_57 1005 183 0.18 2.189 0.6 0.1545 0.8 2395 ±13

24-5_58 226 142 0.63 3.878 0.3 0.0922 0.4 1464 ±9.5

24-5_59 102 30 0.30 4.153 1.0 0.0930 2.8 1358 ±46

24-5_60 431 218 0.51 4.211 0.5 0.0883 0.7 1356 ±12

Errors are 1-sigma. Apparent ages were calculated based on

Pb/

Pb ratios.

백령층군 쇄설성 저어콘의 U-Pb 연대분석 결과에서 가장 낮은 연령은 약 1050 Ma, 그리고 가장 높은 연 령은 약 2800 Ma의 범위를 보인다. 3개의 표품으로부 터 분석된 연령분포는 서로 비슷한 양상을 보이며, 이 들을 종합하여 볼 때(Fig. 4) 대부분의 저어콘은 고원 생대말부터 중원생대말에 해당하는 약 1800-1100 Ma 의 범위에 놓이며, 1800 Ma를 넘는 것은 불과 몇 개 입자뿐이다. 중원생대의 시작시기인 약 1600 Ma 부근 에 저어콘 연령이 집중되어 뚜렷한 피크를 보이며, 그 다음으로는 약 1150 Ma에 거의 비슷한 정도로 집중

되는 쌍모식 양상의 분포을 보인다(Fig. 4). 이 두 피 크 보다는 다소 빈도가 약하지만 약 1450 Ma와 1750 Ma 부근에서도 피크를 형성한다. 이러한 연대분 포 양상은 북한의 상원계 암석에서 보고된 것(Hu et al., 2012)과 매우 비슷하며(Fig. 5), 한국지질자원연구 원의 보고서에 수록된 백령층군의 두무진층 사암의 U-Pb 연대결과(Kee, 2008)와도 일치한다. Hu et al.(2012) 이 보고한 황해남도의 상원계층은 백령층군의 쇄설성 저어콘들과 마찬가지로 약 1600 Ma와 1150 Ma 부근 에 강한 피크를 형성하며, 약 1450 Ma와 1750 Ma에 작은 피크들이 발견된다. 이와 같이 쇄설성 저어콘 U- Pb 연령분포 특성의 유사성은 현재의 지리적인 위치에 서도 추정할 수 있는 것처럼 황해남도의 상원계 퇴적 층이 남서쪽으로 백령도지역까지 연장됨을 시사한다.

백령층군에서 발견된 가장 젊은 저어콘의

Pb/

U 연령은 1048±11 Ma(

Pb/

Pb 연령은 1040±36 Ma) 이다. 이는 Hu et al.(2012)이 북한의 황해남도 상 원계 암석에서 보고한 저어콘의 가장 젊은

Pb/

U Fig. 3. Terra-Wasserburg diagrams for the analyzed

detrital zircons of the Baengnyeong Group.

Fig. 4. (a) Terra-Wasserburg diagram and (b) relative

probability plot and age histogram for the analyzed detrital

zircons of the Baengnyeong Group.

연령 992±6 Ma(

Pb/

Pb 연령은 968±25 Ma)과 큰 차이는 아니지만 약간 오래된 연령을 나타낸다. 따 라서 이 연구에서 분석된 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령만 을 근거로 한다면 백령층군의 퇴적시기가 중원생대 최 후기 이후임을 나타내지만 북한의 상원계 암석과 매우 유사한 연대분포를 감안한다면 백령층군 역시 신원생 대초 이후의 퇴적시기를 가질 확률이 높을 것으로 판 단되며, 보다 정밀한 퇴적시기는 향후 보완적인 연구 를 통해 밝혀져야 할 것이다.

5. 토 의

5.1. 남한에서 보고된 중원생대 연령

백령층군의 쇄설성 저어콘 U-Pb 연대분포에서 가장 특징적인 것은 대부분의 저어콘 입자들의 연령이 중원 생대의 범위에 놓인다는 것이다. 중원생대 초기에는 고 원생대말에 존재했던 초대륙 콜럼비아의 분열이 일어 났으며(Rogers and Santosh, 2002; Zhao et al.,

2003), 중원생대 말의 약 1150 Ma 연령성분은 그렌빌

조산운동으로 알려진 시기에 해당하며, 초대륙 로디니

아가 구축되기 시작한 시기이다(Li et al., 2008). 따라

서 중원생대의 연령 성분이 백령층군을 포함한 상원계

퇴적층에 뚜렷이 나타남은 해당시기 동안 한반도의 고

지리적 위치를 추정하는데 중요한 단서가 될 수 있으

며, 북중국을 포함하는 한중지괴의 고지리를 한정함으

로써 중원생대말-신원생대초의 보다 완전한 세계 고지

리도의 구축에 일조할 수 있는 중요한 단서가 될 것으

로 생각한다. 비록 중원생대가 전지구적인 지각진화에

상당히 중요한 시기이지만 그동안 한반도에서는 이와

같은 중원생대의 연령이 정량적인 연대측정을 통해서

는 거의 알려지지 않은 시기이기도 하다. 하지만 북한

황해남도의 상원계 암석(Hu et al., 2012)과 백령층군

의 쇄설성 저어콘이 주로 중원생대의 저어콘 연령을

보일 뿐만 아니라 초대륙 콜럼비아의 분열의 정점이라

고 알려진 약 1.6 Ga의 연령이 나타남은 북중국에서

보고된 것(Rogers and Santosh, 2002)과 합치하며 상

Fig. 5. Relative probability plots for detrital zircon

Pb/

Pb ages of (a) the Baengnyeong Group, (b) the Sangwon System

of North Korea (Hu et al., 2012), (c) the Impi Formation of the southwestern Gyeonggi massif (Kim et al., 2012), (d) the

Hwangangni Formation of the Okcheon Metamorphic Belt (Cho et al., 2013), and the Paleozoic formations of South Korea

including (e) the Myobong Formation (Lee et al., 2016), (f) the Sambangsan Formation (Kim et al., 2013) and (g) the

Sesong Formation (McKenzie et al., 2011). Note the dominance of Mesoproterozoic to late Paleoproterozoic zircon grains in

Baengnyeong Group, Sangwon System and Impi Formation. Three lower Paleozoic formations from the Taebaeksan basin

and the Hwangangni Formation of the Okcheon Metamorphic Belt also show presence of the Mesoproterozoic zircons. Two

vertical lines indicate ages of 1870 Ma and 2500 Ma dominantly present within the Cambrian Jangsan Quartzite.

원계를 포함하는 지역이 고원생대부터 지금까지 북중 국과 함께 동일한 지괴로 진화해왔음을 시사한다(Peng et al., 20011; Hu et al., 2012).

그러나 이러한 중원생대의 연령이 남한에서는 그리 잘 알려지지 않았지만 전혀 나타나지 않는 것은 아니 다. 강원도 고성-간성 지역에 분포하는 여러 정편마암 및 준편마암의 저어콘 및 모나자이트의 CHIME 연대 측정으로부터 약 1400-1700 Ma로 주로 중원생대 시 기에 해당하는 화성활동과 수반된 변성시기가 보고되 었으며(Cho et al., 2007), 1:5만 지질도 이리 도폭지 역에 속하는 임피면 일대에 분포하는 임피층의 규암으 로부터도 중원생대의 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령이 보 고되었다(Kim et al., 2012). 특히 임피층의 경우 주된 연령 피크의 위치가 약 1150 Ma와 1600 Ma에 나타 나며, 이보다 작은 연령피크가 1450 Ma와 1750 Ma 에 나타나는 것과 한반도에서 두드러지게 나타나는 1870 Ma 및 2500 Ma의 저어콘이 거의 없는 것이 백 령층군과 동일한 특징이다(Fig. 3). Kim et al.(2012) 은 가장 젊은 저어콘의 연령으로부터 임피층이 약 1050 Ma 이후의 신원생대 암체로 해석하였으며, 쇄설 성 저어콘의 U-Pb 연령분포 양상은 임피층 역시 북한 의 상원계에 대비될 가능성이 매우 높으며, 이러한 지 층대비는 다른 후속 연구들에 의해 시급히 확인할 필 요가 있다고 판단된다.

5.2. 옥천변성대와 태백산분지 퇴적층의 중원생대 쇄 설성 저어콘과 근원

백령층군과 임피층 퇴적암의 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령분포는 남한지역에서 그동안 보고되었던 태백산분 지의 고생대 퇴적암과는 상당히 다른 연대분포 양상을 보인다. 태백산분지의 하부고생대 조선누층군 장산규암 및 상부고생대 평안누층군의 쇄설성 퇴적암에서는 약 2.5 Ga 의 시생대말-고원생대 경계부근의 시기 또는 1.8- 2.0 Ga 의 고원생대 시기가 두드러지게 나타난다(예, Lee et al., 2010, 2012). 옥천변성대의 남서연장부에 해당하는 한반도 남서지역도 마찬가지이다(Ha et al., 2014; Choi et al., 2015; Kim et al., 2015). 이는 영남육괴와 경기육괴의 기저암체들에 가장 높은 빈도 를 나타내는 약 1.8-2.0 Ga의 고원생대 연령(예, Lee and Cho, 2012) 과 영남육괴 북동부에 분포하는 율리층 군의 쇄설성 저어콘이 나타내는 약 2.5 Ga(Lee et al., 2011)과 일치하기 때문에 이러한 고생대 퇴적물에 한반도 기저암체로부터 유래한 쇄설성 저어콘이 우세 하게 포함되어 있음을 나타내는 것으로 해석할 수 있

다. 그러나 이 연구에서 분석한 백령도의 백령층군 사 질암에서는 이와 같은 연령이 거의 나타나지 않으며, 반면에 중원생대의 연령이 주를 이루는 양상을 보인다.

최근에 옥천변성대로부터 뚜렷한 중원생대의 연령분 포를 보이는 퇴적암이 보고된바 있다. 보은지역에 분 포하는 황강리층은 중원생대 시기인 약 1.3 Ga와 1.6 Ga 에 작은 피크를 보인다(Cho et al., 2013). 그러나 Cho et al.(2013)이 보고한 황강리층 암석의 경우에는 앞에서 언급한 한반도 기저암체의 특징적인 연령인 약 1.8-2.0 Ga 와 2.5 Ga의 피크 역시 뚜렷하게 나타나는 것이 백령층군이나 임피층과는 대조적이다. Cho et al.(2013)이 분석한 황강리층 암석에서는 가장 젊은 저 어콘 연령집단이 약 750 Ma의 시기를 나타나며, 따라 서 백령층군이나 임피층보다는 후기의 퇴적층일 가능 성이 높다. 따라서 황강리층에 고원생대의 연령이 나 타나는 것은 황강리층이 퇴적될 당시에는 백령층군이 나 임피층의 퇴적시보다는 한반도의 선캠브리아 기저 암체들의 노출면적이 훨씬 더 넓어졌거나, 혹은 퇴적 위치가 이러한 기저암체들로부터의 퇴적물이 더 많이 유입되는 곳이었을 것으로 추정된다.

태백산분지의 퇴적암층들로부터도 중원생대와 신원

생대의 연령을 갖는 쇄설성 저어콘들이 최근 여러 연

구를 통하여 발견되었다. 여기에는 묘봉층(Lee et al.,

2012, 2016), 삼방산층(Kim et al., 2013), 세송층

(McKenzie et al., 2011) 등이 포함된다. 이들은 모두

백령도 및 임피층에 비해서는 더 젊은 신원생대 또는

고생대초의 쇄설성 저어콘들을 포함한다. 한반도에서는

지금까지 중원생대의 연령의 암체 또는 이러한 연령의

쇄설성 저어콘을 다량 갖는 퇴적층의 존재가 잘 알려

지지 않았기 때문에 앞에서 언급한 층들에서 공통적으

로 발견되는 중원생대 연령의 저어콘에 대해서 한반도

밖의 근원으로부터 공급되었을 것이라는 주장이 제기

되었다. 예를 들어 McKenzie et al.(2011)은 세송층의

쇄설성 저어콘에는 고원생대(1.8-2.0 Ga)와 신시생대

(2.5-2.8 Ga) 연령피크와 더불어 약 1.6-1.7 Ga의 저어

콘들이 포함되어 있다고 보고하였다. McKenzie et

al.(2011)은 세송층의 저어콘이 중원생대와 신원생대의

연령이 흔히 나타나는 인도 북부에서 유래했을 가능성

을 주장하였으며, 이는 캠브리아기 동안에 한중지괴와

인도 북부 사이가 지리적으로 연결되었음을 나타낸다

고 하였다. Lee et al.(2012, 2016)은 태백산분지 하

부의 장산층과 면산층은 주변의 선캠브리아 기저로부

터 유래한 시생누대와 고원생대 연령의 저어콘을 갖고

있으며, 대조적으로 태백산분지 동쪽지역의 석개재 부

근에 분포하는 묘봉층에는 고원생대와 신시생대 연령 성분이 두드러지지 않는 반면에 고생대초와 신원생대 의 성분이 뚜렷하고 이와 함께 중원생대의 저어콘 연 령이 포함되는 분석결과를 보고하였다. Lee et al.(2016)은 묘봉층의 퇴적물이 하부층보다 더 젊은 Nd 모델연령을 갖는 것과 종합하여 퇴적물 근원지에 상당 한 변화가 있었음을 논의 하였고, 결론적으로 곤드와 나 동부의 조산대로부터 유래한 것으로 주장하였다. 한 편 Kim et al.(2013)은 태백산분지 동부지역 내의 캠 브리아기층인 면산층은 쇄설성 저어콘 입자들의 연령 피크가 약 2.0 Ga와 1.8 Ga이며, 중원생대와 신원생 대의 연령은 없는 반면에 서부지역내의 중기 캠브리아 기층인 삼방산층에는 중원생대와 신원생대의 저어콘이 산출되며, 연령 피크는 약 1.0 Ga와 0.7 Ga에서 나타 남을 보고하였다. Kim et al.(2013)은 이러한 연령 분 포로부터 태백지역 서부는 곤드와나에 적어도 한번은 가까이 있었던 북중국지괴의 연변에 있었고, 태백산분 지의 동부는 곤드와나로부터 더 먼 연변지역에 위치했 을 것으로 제안하였다.

앞에서 언급한 옥천변성대의 황강리층, 태백산분지 의 묘봉층, 세송층 및 삼방산층등 여러 퇴적층들에 나 타나는 중원생대 또는 신원생대의 저어콘은 비록 그 수가 많지는 않지만 이 연령대의 저어콘이 존재하는 것은 분명하며, 이러한 저어콘의 근원지를 밝히는 것 은 한반도의 지각진화를 해석하는데 중요하다. 하지만 이러한 연령 자료를 보고한 대부분의 연구자들은 중원 생대 또는 신원생대 저어콘의 근원지에 대한 해석에서 공통적으로 한반도 이외의 지역으로부터의 근원지를 추 정하였으며, 가장 중요한 이유는 중원생대 연령성분이 한반도 내에도 존재한다는 사실을 알지 못했다는 것이 다. 하지만 이 연구의 결과와 임피층에서 보고된 쇄설 성 저어콘의 자료(Kim et al., 2012), 그리고 고성-간 성지역의 변성암 자료(Cho et al., 2007), 북한 상원계 의 쇄설성 저어콘 연대(Hu et al., 2012)로 볼 때 한 반도 내에도 뚜렷한 중원생대 성분을 갖는 암체들이 존재한다는 것은 명확하다. 따라서 저어콘 근원을 굳 이 한반도 밖에 있는 멀리 떨어진 다른 대륙에서 찾는 것은 우선적인 선택이 될 수 없음은 분명하다. 즉, 국 내의 다른 암체가 이러한 연령을 갖는 쇄설성 저어콘 의 근원으로 작용했을 가능성을 먼저 생각해보고, 그 다음에 이러한 층들과 다른 곤드와나 대륙과의 연계가 능성을 종합적으로 논의하는 것이 보다 합리적인 방법 이라고 생각한다.

한편 앞에서 언급한 묘봉층, 삼방산층, 세송층 등은

중원생대 또는 신원생대 성분을 갖는 것으로 보고되기 는 하였으나 중원생대 연령을 나타내는 저어콘 수가 많지는 않아 현재로는 근원지를 추적하기 위한 정밀한 연대 성분 파악이 어렵다. 따라서 추가적인 연구를 통 해 보다 정밀하게 연대분포의 특성을 파악한다면 남한 에 분포하는 임피층 또는 북한의 상원계 쇄설성 저어 콘의 U-Pb 연대분포 특성과 정밀한 대비가 가능할 수 있을 것으로 판단된다.

6. 결 론

백령층군에서 분리한 쇄설성 저어콘들의 U-Pb 연령 은 주로 중원생대 구간에 집중되는 특징을 나타내며, 경기육괴와 영남육괴 뿐만 아니라 북한의 낭림육괴에 서도 특징적인 연대로 나타나는 약 19억년 부근의 고 원생대의 연령은 거의 나타나지 않는다. 이러한 연령 분포 특징은 북한의 상원계 퇴적암에서도 보고되었으 며, 백령층군의 지리적으로도 근접해서 분포하는 북한 상원계의 서쪽 연장부임을 시사한다. 백령도의 사암의 최고 퇴적시기는 가장 젊은 저어콘의 연령인 약 1040 Ma 의 중원생대말 이후이며, 북한지역 상원계로부 터 보고된 최소연령 쇄설성 저어콘 자료(약 990 Ma) 를 참고할 때 신원생대일 가능성이 높다.

남한의 암석들 중에서 군산 인근에 분포하는 임피층 이 백령층군과 매우 유사한 쇄설성 저어콘의 연령분포 를 보인다. 최근에 태백산분지의 묘봉층, 삼방산층, 세 송층 등에서 보고된 중원생대 연령의 쇄설성 저어콘들 은 이러한 임피층, 백령층군, 또는 이와 유사한 쇄설성 저어콘 연령분포를 갖고 있었던 남한 지역의 고기 퇴 적암으로부터 재동되었을 가능성이 있다.

사 사

논문의 심사과정에서 여러 가지 건설적인 의견을 제 시한 심사위원들께 감사 드린다. 이 논문은 부경대학 교 자율창의학술연구비(2015년)에 의하여 연구되었다.

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