Volcanological History of the Baengnokdam Summit Crater Area, Mt. Halla in Jeju Island, Korea

Jour. Petrol. Soc. Korea Vol. 26, No. 3, p. 221~234, 2017 https://doi.org/10.7854/JPSK.2017.26.3.221

제주도 한라산 백록담 일대의 화산활동사

안웅산¹*·홍세선²

1제주특별자치도 세계유산본부, ²한국지질자원연구원

Volcanological History of the Baengnokdam Summit Crater Area, Mt. Halla in Jeju Island, Korea

Ung San Ahn¹* and Sei Sun Hong²

1World Heritage Office, Jeju Special Self-Governing Provincial Government, Jeju 63341, Korea

2Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 34132, Korea

요 약: 제주도 한라산은 세계자연유산이자 제주도 세계지질공원의 대표명소이다. 한라산 정상부 백록담 일대 의 서쪽은 점성이 큰 조면암이 돔형상의 지형을 이루고 있으며, 그 동쪽은 점성이 작은 조면현무암 용암이 완만한 지형을 이룬다. 본 연구에서는 야외조사를 통해 한라산 정상부를 이루는 조면암 돔 및 백록담 분화구 의 형성과정을 해석하고, 한라산조면암 및 백록담조면현무암 하부에 놓이는 퇴적층에 대한 광여기루미네선스 연대측정을 통해 한라산 백록담 일대의 형성과정을 시공간적으로 구성하였다. 한라산조면암은 초기 돔 붕괴 로 인한 조면암질 각력암, 조면암질 용암류, 그리고 조면암 돔으로 구분된다. 백록담조면현무암은 초기의 폭 발적 분출에 의한 분석구와 후기의 비폭발적인 용암류로 구분된다. 연대측정 결과, 한라산조면암 분출 초기에 형성된 조면암질 각력암층 하부의 퇴적층에서 약 37 ka를, 그리고 백록담조면현무암 하부에 놓이는 서로 다 른 지점의 퇴적층에서 약 21 ka를 얻었다. 한라산 정상부 백록담은 약 37 ka 전 이후 조면암질 용암돔이 형 성된 후, 약 19~21 ka 전 조면현무암질 용암이 새롭게 분출하면서 형성된 분화구이다.

핵심어: 제주도, 한라산, 백록담, 광여기루미네선스, 조면암

Abstract:

1) the spatter and scoria deposit from the early explosive eruption and 2) lava-flow unit from the later effusion eruption. Quartz OSL dating on the sediments underlying the trachyte breccias and the trachybasaltic lava-flow unit reveals ages of ca. 37 ka and ca. 21 ka, respectively. The results point toward that the Baengnokdam summit crater was formed by eruption of trachybasaltic magma at about 19~21 ka after the trachyte dome formed later than 37 ka.

Keywords:

*Corresponding author Tel: +82-64-710-7483 E-mail: [email protected]

서 론

제주도의 대표 상징이자 남한의 최고봉인 한라산 정상부 백록담 일대는 세계자연유산지역이면서 제주 도 세계지질공원의 대표명소로 일반인들과 지질학자 들의 관심의 대상이었다. 제주도 지질조사가 시작된 일제강점기에 Haraguchi(1931)는 한라산이 최초에 조 면암으로 구성된 종상화산(鐘狀火山)이었으나, 이후 현무암질 용암이 분출·피복하고 침식과 삭박을 겪어 현재의 모습이 되었다고 보았다. 이후 제주도 지하수 연구(ADC, 1971), 지질도 작성(Won et al., 1993, 1995; Park et al., 1998, 2000a, 2000b), 암석학 및 층서학(Koh et al., 2003; Chang et al., 1999, 2006;

Yoon et al., 2014) 등 분야에서 한라산 정상의 백록 담 일대에 대한 연구들이 진행된 바 있다. 하지만 그 동안의 노력에도 불구하고 한라산 정상부 백록담 일 대는 그 형성과정 뿐만 아니라 화산활동 시기가 명확 하게 밝혀지지 않은 실정이다. 최근 제주도 화산활동 시기를 밝히기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다.

특히 화산활동 휴지기에 퇴적된 퇴적층에 대한 방사 성탄소연대측정, 광여기루미네선스 연대측정 시도를 통해 다수 화산들의 분출시기가 밝혀지고 있다(Koh et al., 2013; Lee et al., 2014; Lim et al., 2015;

Kim et al., 2016; Ahn & Choi, 2016; Ahn et al., 2017). 본 연구에서는 야외조사를 바탕으로 한라산 정 상부를 이루는 조면암 돔 및 백록담의 형성과정 및 화산층서를 해석하고, 이를 바탕으로 동일한 층준에 해당하는 서로 다른 위치의 퇴적층을 대상으로 연대 분석을 실시하여 한라산 정상부의 형성과정을 시공간 적으로 구성해 보고자 한다.

백록담 형성과정 및 시기에 대한 기존 연구 기존 연구들은 백록담의 서쪽에 조면암(이하 한라 산조면암)이, 그리고 백록담의 동쪽에 조면현무암(이 하 백록담조면현무암)이 분포하는 것으로 기재하고 있 는 점에는 의견을 같이하고 있다. 하지만 백록담 형 성과정 및 일대의 층서에 관한 해석은 크게 두 가지 견해로 나뉜다. 하나는 백록담 서쪽에 분포하는 한라 산조면암이 먼저 분출하고 이후 백록담조면현무암이 분출한 것으로 보고, 백록담을 조면현무암질 화산활 동 시 형성된 분화구로 해석하는 것이다(Lee, 1982;

Tamanyu, 1990; Park et al., 2000b; Koh et al.,

2003). 다른 하나는 백록담조면현무암이 먼저 분출한 이후 조면암질 마그마가 돔상 융기산체를 형성했다는 것이다. 즉, 조면암질 마그마의 상승에 의하여 기존의 용암층(백록담조면현무암 등)들이 돔상으로 융기되어 용암돔이 형성되었으며, 이후 지하의 마그마가 다른 곳으로 이동함으로 인해 원형으로 함몰되어 현재와 같은 백록담이 형성되었다고 해석한 것이다(Yoon et al., 2003, 2005, 2014).

백록담 일대에 대한 기존 연대학적 연구를 살펴보 면, 백록담 서쪽 한라산조면암은 K-Ar 전암연령 측정 으로 0.025±0.008 Ma(Won et al., 1986), 0.07±0.01 Ma(Tamanyu, 1990)가 보고된 바 있으며, 백록담 동 쪽 백록담조면현무암은 K-Ar 전암연령 측정으로 0.47±0.07 Ma(Tamanyu, 1990)가 보고된 바 있다. 이 상의 기존 연대자료들에 의하면 한라산조면암은 25~70 ka에, 그리고 백록담조면현무암은 470 ka에 분 출한 것이 된다. Yoon et al.(2014)는 이러한 연대 결과를 한라산조면암이 백록담조면현무암을 돔상으로 융기시킨 증거로 인용하기도 하였다. 이에 반해 Tamanyu(1990)는 층서상 상위의 백록담조면현무암 (0.47 Ma)이 층서상 하위에 놓이는 한라산조면암 (0.025~0.07 Ma) 보다 더 오랜 연대를 보이는 것은 과잉아르곤(excess Argon) 때문으로 해석하였다. Koh et al.(2003) 또한 백록담조면현무암 내에 한라산조면 암 암편이 포획체로 들어 있는 것을 근거로 한라산조 면암이 백록담조면현무암보다 시기적으로 앞서는 것 으로 해석하고, 백록담조면현무암이 한라산조면암보 다 더 오랜 연대를 보이는 기존의 연대결과는 화산층 서와 서로 맞지 않는다고 지적하였다.

야외기재 및 화산층서 해석

이 연구에서는 한라산체의 최상부를 이루는 화산암 층을 크게 전기의 한라산조면암 단계(Hallasan Trachyte stage)과 후기의 백록담조면현무암 단계 (Baengnokdam Trachybasalt stage)로 구분하여 서술 하고자 한다(예, Park et al., 2000b; Koh et al., 2003)(Fig. 1). 특히 본 논문에서 한라산조면암으로 기재하는 암석은 한라산 백록담 분화구 서쪽 일대에 분포하는 조면암으로, 한라산 정상부 돔 형태를 이루 는 조면암과 이와 직접적으로 관계된 일련의 조면암 에 한정한다. 한라산 정상부에 분포하는 한라산조면 암 하위에 놓이는 화산활동은 선-한라산조면암(Pre-

제주도 한라산 백록담 일대의 화산활동사 223

Hallasan Trachyte stage)으로 묶어 기술할 것이며, 한라산조면암의 직하부에 접하는 화산활동 및 화산체 에 대해서만 간략히 언급할 것이다. Park et al.

(2000b)과 Koh et al.(2003)은 백록담조면현무암 분

출 이후에 윗세오름조면현무암과 방애오름조면현무암 이 분출한 것으로 보았다. 하지만, 본 연구에서는 야 외지질학적 근거를 바탕으로 윗세오름조면현무암과 방애오름조면현무암이 한라산조면암보다 먼저 분출한

Fig. 1. (a) Geological map of the Mt. Halla and the Baengnokdam summit crater areas. Inset: the location of Jeju

Island. (b) Aerial view of Mt. Halla area from the southwest with overlaid geological map (vertical exaggeration of

x2). Square and bold square in figures indicate the locations of OSL dating for Hallansan Trachyte.

것으로 본다. Park et al.(2000b)은 만세동산역암이라 는 명칭으로 최후기에 한라산 정상부에서 떨어져 나 온 애추성 역암층을 기재하기도 하였으나, 백록담 일 대의 화산활동사에 초점은 맞춘 본 연구에서는 만세 동산역암층에 대한 기재 및 서술은 생략한다.

선-한라산조면암 단계

야외기재: 한라산 서북벽 일대 장구목 인근에는 장

구목 분석구 상부에 한라산조면암이 얹혀 있다(Fig.

1b). 또한 한라산 백록담의 북벽 절벽 노두에는 한라 산조면암 직하부에 적갈색의 분석층이 놓이고, 한라 산조면암 상부에 백록담조면현무암이 스패터(spatter) 및 용암의 형태로 얹혀있는 것이 관찰된다(Fig. 2).

여기서 조면암 하부에 놓이는 분석은 반정광물이 거 의 관찰되지 않는데 반해, 조면암 상부에 놓이는 스 패터 및 용암은 침상의 장석 미반정이 발달한 백록담 조면현무암의 전형적인 특징을 보인다. 조면암 하부 의 이 분석층은 한라산 백록담 북쪽에서 백록담 서측 의 장구목 일대까지 절벽을 따라 연장성 있게 관찰된 다(Fig. 2).

층서해석: Park et al.(2000b)과 Koh et al.(2003) 은 한라산 백록담 북벽 절벽 노두 뿐만 아니라 왕관 릉으로부터 한라산 정상부로 오르는 등반로에서 관찰

되는 한라산조면암 하부의 분석층을 백록담조면현무 암의 분석층과 동일한 것으로 해석하였다. 하지만 이 러한 해석은 한라산조면암 이후에 백록담조면현무암 이 분출했다는 이들의 층서해석과 대치되는 것이다.

결국 한라산조면암의 하부에 놓이는 분석층은 별개의 화산활동의 산물로, 장구목 분석구와 함께 한라산조 면암 분출 이전에 고한라산체를 이루었던 하나의 옛 분석구로 해석된다(Fig. 3a). 한라산조면암 분출 이전 에 장구목, 그리고 그 북동쪽으로 무명의 분석구가 존재했음을 유추할 수 있는 것이다. 한라산 북벽 절 벽에서 한라산조면암체를 바라보면, 북동쪽 부분의 조 면암체가 고도는 높지만 두께가 얇고, 서쪽 장구목 부근으로 가면서 더 두꺼운 양상을 보인다(Fig. 2).

이는 조면암질 마그마가 무명의 분석구의 서쪽사면을 뚫고 분출했을 것으로 추정되는 근거가 된다(Fig.

3b). 백록담 남서부와 남부에 위치하는 윗세오름과 방 애오름 또한 한라산조면암질 마그마 분출 이전에 이 미 존재했던 소화산체로 파악된다. 자세한 층서관계 는 뒤 부분에서 다시 언급할 것이다.

한라산조면암 단계

야외기재: 한라산조면암은 정상부 조면암 돔에 국한

되지 않고, 각력암 및 용암류로도 나타난다. 조면암질 각력암은 백록담 남서쪽 윗세오름과 방애오름 사이에

Fig. 2. Areal view of the Baengnokdam summit crater from the northwest.

제주도 한라산 백록담 일대의 화산활동사 225

분포하고, 조면암질 용암류는 백록담 서쪽으로 장구 목과 윗세오름 사이의 저지대를 따라 비교적 짧은 거 리에 분포한다(Fig. 1).

백록담 남서쪽에 분포하는 조면암질 각력암층은 폭 이 약 500~600 m이며, 조면암 돔의 외곽으로부터 남 서쪽으로 약 2.3 km에 걸쳐 분포한다. 조면암질 각력 암층 중앙부는 두께가 약 5~6 m이며(Fig. 4a), 외곽 부로 가면 1~2 m로 두께가 얇아진다. 조면암질 각력 암층의 상부에는 백록담조면현무암이 얇게 피복하고 있다(예, Park et al., 2000b). 조면암질 각력암층은 대부분이 조면암질 암편으로 이루어진 단일암편질이 나, 간혹 0.5~1 m 크기의 현무암질 암괴들이 포함되 기도 한다(Fig. 4b). 조면암질 각력의 크기는 10 cm 내외이며, 각력들 사이에는 1 cm 내외의 암편부스러 기가 기질부를 채우고 있는 역지지조직을 가지며, 분 급은 매우 불량하다(Fig. 4c). 조면암질 암편들은 기 공을 거의 가지지 않는 치밀한 암편과 상대적으로 기 공을 많이 가지는 암편들이 함께 나타나는데, 대부분

의 암편들은 기공을 가진다(Fig. 4d)(예, Hoblitt and Harmon, 1993). 쉬뱉소브 다이어그램(Shvetsov’s diagrams)(Terry and Chilingar, 1955)에 의하면 조면 암질 각력암의 암편들은 약 2~3%의 알칼리장석 반정 을 가진다. 백록담 서부를 이루는 돔형태의 조면암이 약 20~30%의 알칼리장석 및 사장석 반정을 가지는 것(예, Koh et al., 2003)과는 대조적이다.

백록담 서쪽 장구목과 윗세오름 사이의 오목한 지 형에는 반상의 조면암이 분포한다. 조면암 하부에는 장구목에서 분출한 용암류 및 분석층이 놓인다. 이 조면암은 윗세오름 대피소 부근 하천계곡에서 심하게 풍화되어 밝은 청회색으로 관찰된다. 조면암내 반정 함량은 조면암질 각력암에 비해서 많고 조면암 돔을 이루는 암석 보다는 적다.

한라산의 서측 정상부을 이루는 조면암 돔은 오랜 기 간의 침식으로 인해 그 내부에 발달한 주상절리가 잘 관찰된다. 하지만 돔의 가장자리에서는 부분적으로 각 력암이 관찰되기도 한다(Fig. 4e). 특히 남서쪽 상단부

Fig. 3. Stage-specific E-W cross-sectional model showing the formative process of the Baengnokdam summit

crater. (a) There existed scoria cones before the early trachytic eruption. (b) Early small dome growth was followed

by dome collapse emplacing trachyte breccias via pyroclastic flows. (c) The dome had gradually grown in

combination of both exogenous and endogenous processes, as well as by accidental autobrecciations. (d) After a

significant period of eruptive quiescence and erosion, eruptions reinitiated in an explosive style of trachybasaltic

magma. (e) Following short wanning period of eruption, long-lasting lava-fountaining or effusive eruptions generated

lava flows covering a large area around crater. Some lava flowed out over the west crater rim and covered

trachyte breccias. During the long lasting magma eruption, the repeated magma supply and drainage caused the

scoria cone to collapse and the crater to become larger. f) After the complete cessation of volcanism at Mt. Halla,

erosion and sedimentation occur inside and outside the crater.

에는 주상절리가 서로 연결되기보다 단절되면서 서로 다른 단위의 소규모 돔구조가 관찰되기도 한다(Fig. 4f).

층서해석:조면암질 각력암은 윗세오름에서 분출한

용암류를 덮고 있으며(Fig. 4g), 방애오름의 북동쪽 사면 위를 덮고 있다(Fig. 1a의 검은 화살표). 이를 통해 조면암질 각력암이 이들 두 소화산체 보다 후기 에 분출한 것임을 알 수 있다. 앞서 언급한 것과 같

Fig. 4. Field photographs showing diverse features of Hallasan Trachyte. (a) Trachyte breccia with 5 to 6 m

thicknesses deposited from pyroclastic flow by dome collapse in the early dome growth stage. (b) Accidental

blocks within trachyte breccias, which may have been dragged up by pyroclastic flow. (c) Trachyte breccias

showing openwork texture. (d) Two juvenile trachyte blocks with different vesicularities. (e) Autobrecciated rim of

trachyte lava dome by dome growth. (f) Discordant cooling joint evident for magma injection into or over the dome

during dome growth. (g) Trachyte breccia overlying on the Witse oreum lava-flow unit.

제주도 한라산 백록담 일대의 화산활동사 227

이 Park et al.(2000b)과 Koh et al.(2003)가 한라산 조면암과 백록담조면현무암 분출 이후에 윗세오름과 방애오름이 분출한 것으로 본 것과는 해석을 달리하 는 것이다. 또한 Park et al.(2000b)은 조면암질 각력 암을 한라산조면암의 자파쇄각력이 재이동되어 퇴적 된 것으로 해석하였다. 하지만 각력암층이 단일암편 질이며 분급이 매우 불량하고 역지지조직을 보일뿐만 아니라, 쇄설층의 가운데 부분은 층 두께가 두껍고 역 크기가 크고 가장자리로 가면서 두께가 얇아지고 역 크기가 작아지는 특징을 보이는 것을 감안할 때, 재동퇴적층이라기 보다는 일차적 화성쇄설층으로 해 석된다. 이 각력암층은 조면암질 용암 분출 초기에 소규모 조면암 돔의 붕괴로 인해 발생한 암괴 및 화 산재류(block and ash flow) 형태의 화쇄류에 의해 퇴적된 것으로 해석된다. 이러한 해석은 각력암편들 이 바이모달(bimodal)한 기공함량을 가지는 것에 의 해서도 지지된다. 암편들 중 기공을 가지지 않는 암 편들은 돔의 외곽 가장자리에서 초기에 먼저 굳어진 부분들이 돔 붕괴 시 파편화된 것인데 반해, 기공이 많은 암편들은 돔 내부로 새롭게 주입되거나 돔의 성 장과정에서 서서히 팽창해 가던 부분으로, 돔 붕괴 시 함께 이동되어 일시에 퇴적되었음을 나타나는 특 징이라 판단된다(Boudon et al., 2015).

장구목 오름과 윗세오름 사이에 비교적 길쭉한 대 상으로 분포하는 조면암은 두 화산체 사이의 오목한 지형을 따라 흘러간 용암류로, 조면암이 가지는 높은 점성에 의해 멀리 흘러가지 못하고 비교적 가까운 거 리에 분포하는 것으로 판단된다. 이 용암류는 초기 돔 붕괴로 인한 조면암질 각력암층 형성 이후 후기의 돔 형성단계 이전의 기간 동안 일부 조면암질 용암이 용암류 형태로 흘렀을 것으로 추정된다.

한라산조면암 용암돔은 조면암질 마그마 분출의 최 종산물로, 돔의 가장자리에 부분적으로 관찰되는 각 력암은 돔성장 과정에서 자파쇄작용에 의해 형성된 것으로 판단된다. 조면암 돔의 침식으로 관찰되는 주 상절리 패턴들이 일정하게 연속되지 않고 부분적으로 단속거나 서로 다른 패턴을 보이는 것은 백록담 조면 암 돔이 한 번의 용암 주입에 의해 현재와 같은 돔 형태를 형성한 것이라기보다, 돔을 뚫고 계속해서 돔 의 내부 혹은 돔의 상부로 소규모 마그마들이 반복적 으로 주입되면서 성장한 것임을 나타낸다(Watts et al., 2002; Major et al., 2009; Diefenbach et al., 2013).

백록담조면현무암 단계

야외기재: 백록담조면현무암은 백록담 분화구의 동

Fig. 5. (a) Trachybasalt scoria deposit and overlying lava layer exposed on the eastern inner slope of the

Baengnokdam summit crater. (b) Partially reworked volcaniclastic deposits between early explosive and late

effusive eruption units. (c) Close-up of alternated primary scoria and reworked volcanicalstic layers. Reworked

layers show thin laminae and small cross beds.

쪽 편에 용암류의 형태로 넓게 분포하는데, 북동쪽 관음사 하류지역으로 오등동까지 약 10 km에 걸치고, 남동쪽 수악 하류지역으로 신례리까지 약 11 km에 걸 쳐 분포한다(Fig. 7a)(Park et al., 2013). 또한 일부 백록담조면현무암은 한라산 최고봉을 이루는 서측 조 면암 능선 상부와 남벽인근 지역, 그리고 백록담 동 쪽 능선의 조면현무암질 용암 직하부에 분석층 및 스 패터의 형태로 분포한다(Fig. 1, Fig. 5a, 5b). 백록담 의 동쪽 분화구 사면에는 초기에 분출한 반상 조면현 무암질 분석층과 그 상위에 놓이는 침상 장석 조면현 무암 용암이 노출되어 있다(Fig. 5a). 초기의 조면현 무암질 분석층은 사장석, 휘석 등의 반정을 가지는 반상조직을 띤다. 이에 비해 후기의 조면현무암질 용 암류는 백록담 동쪽 능선 지표에서 북쪽과 남쪽으로 넓게 용암류형태로 분포하며, 침상 사장석 미반정이 발달한다. 조면현무암질 분석층과 침상의 조면현무암 질 용암 사이에는 층상의 화산쇄설성 퇴적층이 10 m 이상의 두께로 발달한다(Fig. 5b). 이 화산쇄설성 퇴 적층은 라필리 크기의 분석편이 우세한 일차성 화성 쇄설층과 세립질 모래 크기의 화산쇄설입자가 주를 이루는 이차성 재동퇴적층이 교호하여 쌓인 특징을 보인다. 세립질 모래 크기의 재동화산쇄설층에는 소 규모 사층리가 관찰되기도 한다(Fig. 5c). 이 퇴적층 은 동쪽으로 약 33^o 정도 경사져 있다. 조면암 돔의 서쪽을 흘러내린 백록담조면현무암은 스패터 형태로 돔의 서쪽 부분에 쌓이거나 용암류의 형태로 흘러갔 으며, 그 내부에는 조면암 암편을 포획체로 가진다.

층서해석: 백록담조면현무암은 기존의 조면암 돔과

그 이전의 이미 존재했던 무명 분석구 사이의 경계부 에서 분출한 것으로 추정된다(Fig. 3d). 조면현무암질 마그마는 초기에 보다 폭발적으로 분출하여 분석 (scoria)들과 스패터(spatter)들을 조면암 돔 상부와 돔 의 동쪽에 쌓아 소규모 분석구를 형성하게 된다(Fig.

3d). 초기의 조면현무암질 분석층과 후기의 침상 조면 현무암질 용암 사이에 분포하는 화산쇄설성 퇴적층은 분석구의 사면을 따라 화산쇄설물들이 흘러내리거나 바람에 날리거나, 혹은 강우에 의해 재동되어 쌓인 이차성 화산쇄설성 퇴적물과 간헐적으로 분출하는 소 량의 분석들이 반복해서 쌓인 것으로 판단된다(Fig.

5b). 화산쇄설성 재동퇴적층이 일반적인 분석구의 경 사와 유사한 자세를 보이는 것, 그리고 이차성 재동 퇴적층 내에 소규모로 발달한 사층리 등은 이러한 해

석을 지지한다. 더불어 이차성 재동퇴적층 사이사이 에 끼는 분석층은 초기 조면현무암의 폭발적 분출이 후기의 용암 분천(fountain) 및 분류(effusion)단계로 진행하는 과정에서 약간의 화산활동 소강기가 존재했 음을 의미하는 것으로 판단된다. 소강기 이후 조면현 무암질 마그마는 소규모로 분천 및 분류하여 많은 양 의 용암이 북쪽 및 남동쪽으로 흘렀으며, 일부 용암 은 조면암 돔의 서쪽과 남쪽으로 흘렸다(Fig. 3e, 7a). 이 용암 분천 및 분류단계는 용암류의 넓은 분 포면적 만큼 비교적 오랜 기간 지속되었을 것으로 판 단된다. 조면암 돔을 타고 흘러내려 서쪽으로 흘러간 조면현무암질 용암은 조면암 분출 초기단계에 형성된 조면암질 각력암의 상부를 얇게 덮으며 흘러갔다(Fig.

3e). 조면현무암질 마그마 화산활동은 초기 폭발적 분 출 이후 상대적으로 오랜 기간에 걸쳐 반복적인 분류 와 지하로의 마그마 배수(magma draining)가 지속되 었다. 이러한 화산작용은 초기에 형성된 분석구를 붕 괴시킴으로서 분화구를 점점 크게 성장시켜 현재와 같은 규모의 분화구를 형성시켰다(Fig. 3e)(예, Heliker et al., 2003).

연대측정

한라산조면암

한라산조면암 분출시기를 추정하기 위하여 서로 다 른 두 지점에서 고토양 및 지표퇴적물 시료를 채취하 여 한국지질자원연구원에서 광여기루미네선스 연대측 정을 실시하였다. 연대측정을 위해서 퇴적물 내의 4- 11µm 크기의 석영을 분리하여 TL/OSL 측정 장비 (DA-20)로, 단일시료재현법(SAR protocol: single aliquot regenerative protocol)을 사용하여 등가선량 (equivalent dose)이 측정되었다. 측정장비에는 0.09 Gy/sec 선량의 ⁹⁰Sr/⁹⁰Y 베타선원과 820 nm 파장의 1.0 W 적외선 레이저가 부착되어 있다. 석영 입자로 부터의 루미네선스 신호는 470±30 nm 파장의 청색 발광다이오드(Blue-LED) 광원이 사용되었다. 연간선 량은 감마 선 분광 분석법을 이용하여 측정하였으며, 측정 시스템은 감마선 검출 장치(Gamma spectrometer) 와 분석 프로그램 Genie 2000으로 구성된다. 고순도 감마선 검출기는 Canberra SEGc 3018 모델이 사용 되었다.

첫 번째 연대분석 지점(Fig. 1a의 검은 사각형 지 점)은 조면암질 각력암층의 하부에 놓이는 퇴적층으

제주도 한라산 백록담 일대의 화산활동사 229

로, 퇴적층의 최상부 지점에서 2점의 시료를 채취하 여 연대측정을 실시하였다(Fig. 6a, 6b). 연대측정 결 과, 41.3±3.1 ka와 37.6±3.2 ka의 연대를 얻었다(Table 1). 두 번째 분석지점(Fig. 1a의 사각형 지점)은 윗세 오름조면현무암의 상부에 퇴적된 지표퇴적층으로(Fig.

6c), 퇴적층 내의 특정 위치에서 1~2 cm 내외의 조면 암질 암편이 갑자기 나타나는 특징을 보인다. 우리는 이 퇴적층에서 조면암질 암편이 없는 분분과 암편을 포함한 부분에 대하여 각각 시료를 채취하여 광여기 루미네선스 연대를 측정하였다(Fig. 6d). 측정결과, 조 면암편을 포함하지 않는 하부시료(SS15-56-4)에서 41.3±3.1 ka를, 그리고 조면암편이 포함된 상부시료 (SS15-56-1)에서 18.9±1.2 ka의 연대를 얻었다(Table 1). 첫 번째 조면암 하부의 고토양층에서 얻은 연대는 조면암질 마그마 분출과정에서 초기의 조면암 돔 붕 괴로 형성된 화쇄류에 의해 퇴적층이 덮인 시기가 적

어도 약 37 ka 전 이후임을 나타내는 것이다. 그리고 두 번째 지점에서의 연대결과는 지표퇴적물 내로 조 면암편들이 유입되는 시기가 적어도 41 ka 이후의 어 느 시기임을 지시하는 것이다. 이를 종합해 보면, 한 라산 정상부 일대 조면암질 화산활동은 약 37 ka 전 이후에 발생했음을 추정할 수 있다.

백록담조면현무암

앞서 언급한 것과 같이 백록담조면현무암은 한라산 의 북쪽과 남쪽으로 넓은 지역을 덮고 있는 용암류로, 우리는 서로 다른 두 지점에서 용암류 하위에 놓이는 퇴적층 및 화산쇄설성 재동퇴적층에 대하여 각각 광 여기루미네선스 연대를 측정하였다. 해당시료의 연대 측정은 한국기초과학지원연구원에 의뢰하여 측정되었 다. 광여기루미네선스 연대측정을 위하여 먼저 습식 체질(wet sieving)로 90-250 µm 크기의 입자들을 분

Fig. 6. (a) & (b) Photograph showing the sampling locations for age dating under the Hallasan Trachyte. (c)

Outcrop features of the epiclastic deposit on the Witse oreum lava-flow unit. (d) Outcrop photograph showing the

sampling locations for OSL dating. Samples are collected across the sharp boundary marked by the presence of

trachyte fragments within the epiclastic deposit. White circles in photographies indicate the sampling points for OSL

dating.

리한 후, 산(10% 염산, 10% 과산화수소, 40% 불산) 과 중액을 사용하여 순수한 석영입자를 추출하였다.

이 후, 이들 석영입자에서 방출되는 광여기루미네선스 신호를 단일시료재현법(Single-Aliquot Regenerative- Dose Protocol; Murray and Wintle, 2000)에 적용하 여 등가선량을 도출하였다. 광여기루미네선스 신호는

90Sr/⁹⁰Y 베타선원(시료조사율: 0.090±0.002 Gy/s)과 Blue-LED(470 nm, FWHM 20 nm)가 부착된 Risø TL/OSL 측정 장비(모델명: TL/OSL-DA-20)를 사용 하여 측정하였다. 각 시료의 연간선량(dose rate)은 한 국기초과학지원연구원에 설치된 저준위 고분해능 감

마스펙트로미터(Low level high resolution gamma spectrometer)로 퇴적물에 포함된 핵종의 활동도 (activity)를 측정한 후, Olley et al.(1996)의 환산식 을 사용하여 계산하였다.

첫 번째 연대측정 지점은 백록담 동쪽 능선부 정상 의 침상 장석 조면현무암의 직하부에 놓이는 화산쇄 설성 재동퇴적층으로(Fig. 7b), 23±4 ka의 연대를 보 인다(Table 2). 두 번째 분석지점은 백록담으로부터 약 7.7 km 남동쪽에 위치하는 수악교 인근 절개면에 서 침상 장석 조면현무암 직하부에 놓이는 퇴적층으 로(Fig. 7c), 21±4 ka의 연대를 얻었다(Table 2). 동

Fig. 7. (a) 3D view showing the aerial coverage of the Baengnokdam Trachybasalt lava flows (yellow line). Red circles indicate the locations of OSL dating in this study. Black circles indicate the locations of Ar-Ar dating for this lava in Koh et al. (2013). (b) & (c) Outcrop features of the reworked volcaniclastic deposits and the paleosol dated in this study.

Table 1. OSL age results for sediments related with the Hallasan Trachyte

Code

Dose Rate (Gy/ka)

Water content (%)

Equivalent Dose (Gy)

Aliquots used (n/N)

OSL age*

(ka, 2s SE) Note N33^o21'05.2″

E126^o31'22.4″

SS25-8-1 2.14±0.16 39.2 88.4±1.7 6/6 41.3±3.1

Fig. 6b

SS25-8-3 1.86±0.13 37.4 70.0±3.3 6/6 37.6±3.2

N33^o21'18.9″

E126^o 31'11.8″

SS15-56-1 3.64±0.23 40.3 68.7±1.0 6/6 18.9±1.2

Fig. 6d

SS15-56-4 1.59±0.11 43.6 65.5±1.6 6/6 41.3±3.1

OSL age for 4-11 µm quartz fractions measured at the Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources in Daejeon, South Korea.

제주도 한라산 백록담 일대의 화산활동사 231

일한 층준에 해당하는 서로 다른 두 지점의 퇴적층에 서 21~23 ka의 연대를 얻었다. 이러한 연대결과에 따 르면 조면현무암질 화산활동이 적어도 약 21 ka 전 이후에 발생했을 것으로 추정할 수 있다.

토 의

한라산조면암의 분포범위

본 연구에서는 한라산 정상부 일대에 분포하는 조 면암에 한하여 한라산조면암이라는 명칭을 사용하였 다. 기존 연구에서 Park et al.(2000b)는 백록담 일대 의 조면암을 비롯한 영실, 큰두레왓, 작은 두레왓 등 한라산 고지대에 분포하는 조면암은 물론, 원만사조면 암, 도순동조면안산암, 각수바위조면안산암 등을 한라 산조면암으로 기재하였다. 이러한 포괄적인 한라산조 면암 명칭의 사용은 기존에 발표된 화산층서 및 절대 연령 연구 결과(Lee, 1982; Won et al., 1986)와는 서로 차이가 있기에 추가적 검증이 요구되기도 하였 다(Chang et al., 2006). 그런가 하면, 제주도 조면암 류는 분포지, 조직 그리고 절대연령에 의해 크게 남부 의 고기 산방산 조면암군과 중부 및 북부의 신기 백 록담 조면암군으로 구분되기도 하였다(Won, 1986;

Chang et al. 1999, 2006). 하지만 기존의 이러한 조 면암 구분은 조면암의 조직 및 성분에 의한 구분으로, 서로 지리적으로 떨어져 있는 조면암들 간에 직접적 인 연계성 및 연대학적 연구는 이후 진행되지 않았다.

한라산 정상부 조면암 돔은 최근 알칼리장석만을 선 별하여 Ar-Ar 연대측정으로 0.032±0.010 Ma의 연대를, 그리고 전암분석으로 0.09±0.03 Ma의 결과를 얻은 바 있다(Jeju Special Self-Governing Province, Unpublished).

그런가 하면 백록담으로부터 북서쪽으로 약 3.5 km 거 리에 위치하는 Y계곡 입구의 조면암은 Ar-Ar 전암 연 대측정으로 171±11 ka를, 그리고 백록담으로부터 북서 쪽으로 약 15.6 km 거리에 위치하는 애월읍 항파두리 일대 조면암은 Ar-Ar 전암 연대분석으로 128±4 ka의

연대가 보고된 바 있다(Koh et al., 2013). 이들 조면 암들은 기존 연구에서 한라산조면암(예, Park et al., 2000b) 혹은 백록담 조면암군(예, Chang et al., 1999, 2006)으로 구분되었던 암체들이다. 제주도 조면암들이 현무암에 비해 비교적 K함량이 높아 Ar-Ar 연대측정 의 신뢰도가 높은 것을 감안하면 이들 조면암들은 서 로 다른 시기에 분출한 조면암으로 보는 것이 타당할 것이다. 조면암의 분포 또한 이들 조면암들이 층서적 으로 연관된 것으로 판단하기에는 어려움이 많다. 따 라서 한라산 정상부의 조면암은 주변의 여러 조면암 들과 층서적으로 구분된 시기를 달리하는 조면암으로 보는 것이 타당할 것이다. 향후 한라산 정상부 주변에 분포하는 서로 시기를 달리하는 조면암들에 대한 추 가적인 연구가 필요할 것이다.

한라산 백록담 일대 주변 오름과의 관계

기존 연구들은 백록담조면현무암 분출에 의한 백록 담 형성 이후 윗세오름 및 방애오름과 같은 주변의 소화산체들이 분출한 것으로 기재하였다(Park et al., 2000b; Koh et al., 2003). 하지만 본 연구에서는 야 외조사를 통해 조면암질 각력암층이 윗세오름 용암류 를 피복하고 있을 뿐만 아니라, 방애오름의 사면을 덮고 있는 것을 근거로, 윗세오름, 방애오름, 장구목 등의 여러 분석구들이 한라산 정상부 조면암 분출 이 전에 이미 존재했던 것으로 해석하였다. 한라산조면 암 하부의 소화산체들의 암석조성은 조면현무암 내지 현무암질조면안산암 영역에 해당한다(Jeju Special Self-Governing Province, 2016). 한라산 정상부의 형 성과정에 있어 암석조성의 변화를 보면, 조면현무암 (선-한라산조면암)에서 조면암(한라산조면암)으로 그리 고 다시 조면현무암(백록담조현무암)으로 변해가는 것 이다. 향후 연대측정 연구가 선-한라산조면암 단계까 지 확대 수행된다면, 제주도 화산활동에 있어 마그마 조성변화의 시간적 스케일을 연구할 수 있는 좋은 기 회가 될 것으로 기대된다.

Table 2. OSL age results for sediments underlying the Baengnokdam Trachybasalt

Code

Dose Rate (Gy/ka)

Water content (%)

Equivalent Dose (Gy)

Aliquots used (n/N)

OSL age*

(ka, 2s SE) Note N33^o21'38.4″

126^o32'06.9″ SS15-9-3 1.03±0.04 14.7 24±2 12/16 23±4 Fig. 7b

N33^o20'11.1″

E126^o36'37.1″ SS28-6-0 1.70±0.05 28.8 35±3 15/24 21±4 Fig. 7c

OSL age for 90-250 µm quartz fractions measured at the Korea Basic Science Institute in Chungbuk, South Korea.

기존 연대결과들과의 비교

금번 연구에서 조면암 하부 고토양에서 약 37 ka을 그리고 백록담조면현무암 하부 고토양에서 21 ka의 연 대를 얻었다. 이는 야외조사를 통한 백록담 일대의 지질층서와 일치하는 결과이다(Park et al. 2000b;

Koh et al., 2003). 금번 연대결과 및 야외조사 결과 를 고려할 때, 한라산을 돔 융기산체로 해석하기에는 어려움이 있다.

하지만 금번 OSL 연대결과는 기존 K-Ar 및 Ar- Ar 연대결과들과는 수치적으로 서로 일치하지 않는다.

먼저 본 연구를 통해 37 ka 전 이후의 연대를 얻은 한라산조면암의 경우, 조면암 내 알칼리장석에 대한 Ar-Ar연대 0.032±0.010 Ma와 비교적 유사하나, 동일 한 암석에 대한 전암분석 연대(0.09±0.03 Ma)와는 차 이가 있다(Jeju Special Self-Governing Province, Unpublished). 한편 백록담조면현무암 하부의 퇴적층 에서 얻은 21 ka의 연대는 적어도 백록담 분화구를 형성한 화산활동이 21 ka 전 이후의 시기에 있었음을 의미하는 것이다. 최근 백록담 내부 퇴적층 시추를 통해 깊이 30 m 지점에서 퇴적물에 대한 방사성탄소 연대측정을 통해 19 ka의 연대를 얻었다(Jeju Special Self-Governing Province, 2016). 이 분석결과는 백록 담 분화구가 19 ka보다 이전에 형성된 것임을 지시 한다. 이를 종합해 보면, 백록담 분화구는 적어도 19~21 ka 사이에 형성된 것으로 해석하는 것이 타당 할 것이다. 이렇게 얻어진 백록담조면현무암의 연대 (약 19~21 ka)는 기존 K-Ar연대측정을 통한 0.43 Ma (Tamanyu, 1990)이나 최근의 Ar-Ar 측정으로 얻어진 54±18 ka와 68±21 ka의 연대(Koh et al., 2013, Fig.

7a)에 비해 훨씬 젊은 연대를 보인다. 비록 최근의 Ar-Ar 연대측정 결과(Koh et al., 2013)가 기존의 K- Ar 연대(Tamanyu, 1990)에 비해 비교적 젊은 연대를 보이긴 하지만 이 또한 층서상 하위에 놓이는 한라산 조면암(본 연구의 37 ka) 보다 오랜 연대를 보이는 것이다.

최근 국내에서도 비교적 젊은 화산활동의 시기를 보다 정밀하게 측정하고 그 신뢰도를 향상시키기 위 해 서로 다른 연대측정법의 적용과 그 결과들 간의 비교 연구가 진행되고 있다(Lee et al., 2014: Ahn et al., 2017). 하지만 이들 연구들은 주로 용암층 하 부의 퇴적층을 이용한 간접적인 연대측정으로 고토양 층과 같은 간접 분석 대상물이 없을 때에는 연대측정

에 어려움 있다. 향후 보다 폭넓은 화산연대학적 연 구를 위해서 기존 Ar-Ar연대측정 기법의 다각화 및 U계열 비평형 연대측정 시도 등 다양한 분석기법의 확대적용과 개발이 요구된다.

결 론

한라산의 정상부는 백록담을 중심으로 크게 서쪽의 한라산조면암과 동쪽의 백록담조면현무암으로 구분된 다. 본 연구에서는 한라산 정상부에 분포하는 이들 두 화산활동에 대하여 야외조사 및 연대측정을 실시 하여 백록담 일대의 화산활동사를 시공간적으로 새롭 게 구성하였다. 약 37 ka 전 이후 조면암질 마그마 분출 초기에 돔 성장 과정에서 돔 붕괴로 화쇄류가 발생하였으며, 그 결과 백록담 남서쪽 방향으로 상당 한 규모의 조면암질 각력암층이 형성되었다. 이후 조 면암질 마그마는 소규모 용암류 형태로 백록담 일대 주변지대를 흘렀으며, 최종적으로 현재와 유사한 규 모의 조면암 돔을 형성하게 되었다. 이후 조면암 돔 은 상당기간 침식을 경험하였다. 약 19~21 ka 전 조 면암 돔의 동쪽부분에서 조면현무암질 마그마가 분출 하였다. 초기에는 상대적으로 폭발적인 분출이 일어 나 정상부 일대에 분석구를 형성하였으며, 이후 용암 분류 형태의 화산활동이 오랜 기간 지속되면서 북쪽 및 남동쪽으로 넓은 지역으로 용암을 흘려보냈다. 오 랜 기간 지속되는 용암분출 기간 동안 용암의 분출과 화구 내로의 배수작용으로 분화구는 점점 커져 현재 와 같은 백록담 분화구가 형성되었다. 이번 연구는 한라산 정상부에 국한하여 화산활동사를 구성한 것으 로, 향후 보다 폭넓은 지질학적 연구들이 수행되길 바란다.

사 사

본 논문은 문화재청 세계유산 보존관리 국고보조사 업(한라산천연보호구역 지형, 식생, 기후 기초학술조 사)의 지원과 제주특별자치도 세계유산본부 자체 연 구과제 추진을 통해 얻어진 결과에 기초하여 쓰여졌 다. 논문 심사과정에서 건설적인 비평과 유익한 조언 으로 논문의 오류와 부정확한 표현을 바로잡아 주신 부산대학교 윤성효 교수님과 전남대학교 길영우 교수 님께 감사드린다.

제주도 한라산 백록담 일대의 화산활동사 233

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Received August 16, 2017

Review started August 17, 2017

Accepted August 25, 2017