Magmatic Evolutions based on Compositional Variations with Time in the Maljandeung Tuff, Ulleung Island, Korea

울릉도 말잔등응회암에서 시간에 따른 조성변화에 근거한 마그마 진화

황상구^1,2·이소진²·안웅산³

1안동대학교 지구환경과학과, ²안동대학교 기초과학연구소, ³제주특별자치도 세계유산본부

Magmatic Evolutions based on Compositional Variations with Time in the Maljandeung Tuff, Ulleung Island, Korea

Sang Koo Hwang^1,2, So-Jin Lee², and Ung San Ahn³

1Department of Earth and Environmental Sciences, Andong National University, Andong 36729, Korea

2Institute of Basic Science, Andong National University, Andong 36729, Korea

3World Heritage Office, Jeju Special Self-govering Provincial Government, Jeju 63341, Korea

요 약: 울릉도는 동해의 해저에서 3,200 m 판내 알칼리 화산의 상단부로 해수면 위에 984.6 m 높이로 출 현한 섬이다. 이는 대체로 현무암질에서 조면암질과 포놀라이트질 마그마의 분출에 의해 형성되었으며, 도동 현무암질암류, 울릉층군, 성인봉층군과 나리층군으로 구분된다. 최후기에 형성된 나리층군 중 말잔등응회암은 약 18.8~5.6 ka B.P.에 폭발적으로 분출하였으며, 4개 멤버(N-5, U-4, 3, 2)로 구성되는 두꺼운 화성쇄설성 층 서로 이루어져 있다. 화학적 자료에 의하면, 최하부의 N-5는 포놀라이트질이고 불호정성 원소가 상당히 풍부 하고 희토류(REE) 패턴이 뚜렷한 부의 Eu 이상을 나타낸다. 상부의 멤버 U-4, 3 및 2는 포놀라이트질 내지 테프리포놀라이트질이고 REE 패턴이 큰 Eu 이상을 가지지 않는다. 변화 경향도에서 많은 원소들은 멤버들 간에 조성적 단절을 보여주며, 각 멤버(특히 U-4, 3 및 2) 내에서는 하부에서 상부로 감에 따라 포놀라이트 질에서 테프리포놀라이트질로 점진적으로 고철질 조성이 증가하는 체계적인 변화 양상을 보여준다. 이는 마 그마챔버 내에서 마그마 조성이 상부의 포놀라이트질에서 하부의 테프리포놀라이트질로 변화하는 고철질 누 대를 형성했음을 지시한다. 이 화학적 성층화는 마그마챔버에서 열중력확산, 결정분별작용과 점진적 용융 및 순차적 정치 등에 의해 복합적 기구로부터 일어났다고 생각된다. 이 성층화 마그마는 짧은 기간(약 11 ka) 동 안 폭발적으로 분출되었고 작은 칼데라를 형성하였다. 특히 두 멤버(U-3, 2)는 각각 8.4 ka B.P.와 5.6 ka B.P.

시기에 성층화된 마그마챔버에서 상부의 포놀라이트질 조성대로부터 하부의 테프리포놀라이트질 조성대로 점 진적으로 분출됨으로서 축적되었다.

핵심어: 말잔등응회암, 포놀라이트질, 변화 경향도, 고철질 누대, 열중력확산

Abstract:

*Corresponding author Tel: +82-54-820-5469 E-mail: [email protected]

mechanisms of thermal gravidiffusion, crystal fractionation, and gradual melting and sequential emplacement. The stratified magmas were explosively erupted to generate a small caldera during short period (11 ka B.P.). Especially both members (U-3, 2) were accumulated by gradually erupting from the upper phonoltic zone to the lower tephriphonoltic zone of the stratified chamber in 8.4 ka B.P. and 5.6 ka B.P. time, respectively.

Keywords:

1. 서 언

알칼리 계통의 진화된 암석은 많은 판내 화산과 화 산도에서, 종종 기반에 현무암질 복합체가 분포하고 이를 조면암질 내지 포놀라이트질 돔이 덮는다(Price and Taylor, 1973; Price et al., 1985; Panter et al., 1997; Kim et al., 1999; Legendre et al., 2005). 이와 같은 시간적 및 지구화학적 조합 때문에, 원시 및 진화 용암 간의 관계는 일반적으로 분별결정 작용 과정에 의한 것으로 생각되어왔다(Worner and Schmincke, 1984; Price et al., 1985; Johansen et al., 2005; White et al., 2012). 그러나 판내 환경에 서 마그마 진화를 지배하는 화산과정의 성격은 아직 도 중요한 토론거리의 하나이다.

울릉도는 지구상에서 흔하지 않은 포놀라이트질 화 산작용이 최후기에 일어났으며, 지금까지 동아시아에 서 유일하게 보고된 지역이다. 이러한 맥락에서 고려 할 때, 울릉도는 이 유형의 화산작용에 있어 신선한 시각을 제공할 것으로 보인다.

포놀라이트질 화산작용에 대해 더 잘 이해하기 위 해서는 울릉도와 같은 판내 포놀라이트질 화산지역을 자세하게 검토하여야만 한다. 한편 마그마의 저장환 경은 포놀라이트질 분출기구에 크게 영향을 미치는데 이에 대해 지금까지 상세히 검토되지 않았다. 왜냐하 면 포놀라이트질 마그마는 화산호에서와 달리 대체로 마그마성 가스로부터 유래하는 폭발성 분출이 드물기 때문이다. 마그마챔버에서 압력, 온도 및 용존 휘발성 물질은 결정작용과 마그마 진화에 큰 영향을 미친다.

특히 H₂O는 포화 심도에서 혹은 근처에서 마그마 진 화에 가장 중요한 제어요소이다. 이와 같이 마그마계 에서 일어나는 작업을 충분히 이해하는 것은 울릉도 와 같은 불안한 상태의 활화산에서 차후에 잠재적 재 해를 예측하는데도 매우 중요할 것이다.

울릉도는 알칼리 마그마의 분출작용을 연구하는데 흥미를 자아냈던 화산이라고 할 수 있다. 왜냐하면 이는 현무암질 용암 및 유리쇄설암, 조면암 돔 및 용

암류, 역시 포놀라이트질 조성의 칼데라-형성 폭발성 분출에 의해 형성되었던 복잡한 판내 화산이기 때문 이다. 특히 말잔등응회암은 포놀라이트 내지 테프리 포놀라이트의 과알칼리 조성을 가지기 때문에 더욱더 흥미롭다. 여기에 우리는 말잔등응회암에 대해 다음 과 같은 주목적으로 연구를 수행하였다: (1) 암석기재 적 분석과 전암 지구화학으로부터 분출전의 마그마 환경, (2) 과알칼리 마그마의 진화과정을 고찰하였다.

2. 지질배경

2.1 울릉도의 층서

울릉도는 한반도 동해안에서 약 130 km 떨어진 동해 서부에 위치한다. 울릉도는 심해저 깊이 약 2,200 m에서 해수면 위로 984.6 m까지 솟아있고 울릉 분지의 북변부에 위치하는데, 이곳은 남한대륙대지와 경계이다. 울릉분지는 늘어난 대륙지각 위에 형성되 어 있고 두꺼운 퇴적 및 화산 퇴적물의 연속체로 덮 인다(Kim et al., 2011). 울릉분지 중부에서 지각은 약 15 km 두께이고 연변부에서 25 km로 증가한다 (Kim et al., 2003). 울릉분지의 북단에 위치하는 울 릉도는 약 20 km 지각두께를 가진다.

울릉 화산은 적어도 홀로세 중기까지 분출하였기 때문에(Kim et al., 1999; Im et al., 2012), 현재 휴면기로 간주되어야 한다. 이 화산의 층서는, 기저의 (1) 현무암질암류, (2) 울릉층군, (3) 성인봉층군과 (4) 나리층군으로 구분되었다(Hwang et al., 2012).

현무암질암류는 용암 및 화산쇄설암의 연속체로서 대부분 바다쪽으로 60~70^o경사되며, 이의 기저는 노 출되지 않는다. 이 연속체는 여러 곳에서 현무암질 암맥과 조면암질 암맥에 의해 관입되어 있다. 몇몇 경우에 큰 암맥은 지표에 도달하여 용암류를 공급하 였다. 이 현무암질암류 위의 저지에 화산역암이 퇴적 되어있고, 조면암질암류가 울릉도의 거의 전역에 두 껍게 덮고 있다. 이 조면암질암류는 대개 용암류로 구성되지만 하부에 두꺼운 각력암층이 놓이고 중간에

응회암층이 협재되어 있어 상·하부 조면암질 용암들 로 구분된다. 울릉층군은 화산역암층으로부터 하부 조 면암질 용암류를 말하며, 성인봉층군은 응회암층으로 부터 상부 조면암질 용암류를 말한다.

나리층군은 일련의 칼데라 분출작용으로 일어났는 데, 이 섬의 중북부에 원형 저지(나리분지)를 형성하 였고 두꺼운 화성쇄설 연속체를 퇴적시켰다. 이 분출 작용으로부터 강하회가 일본 중앙부에서 탐지되었다 (Machida and Arai, 1983). 이 층군은 화학조성, 구 성원과 선후관계 및 분포에 따라 봉래분석층, 말잔등 응회암, 나리분석층, 알봉조면안산암, 죽암분석층 등 으로 구성된다(Hwang et al., 2012).

2.2 말잔등응회암의 층서

말잔등응회암은 칼데라 외부의 중거리부에서 상부 로부터 하부로 가면서 U-2에서 U-5 멤버로 세분되었 으며(Machida et al., 1984), 칼데라 내부의 근거리부 에서 N-2에서 N-5 멤버로 세분되었다(Kim et al., 2014). 각 멤버의 분출작용은 18.8 ka B.P.(U-5), 11.0 ka B.P.(U-4), 8.4 ka B.P.(U-3), 5.6 ka B.P.(U-2) 경에 일어났다(Okuno et al., 2010; Shiihara et al., 2011; Im et al., 2012).

중거리부에서 멤버 U-4, U-3 및 U-2 강하층은 각 각 하부의 수증기플리니언 강하층과 상부의 플리니언 강하층을 퇴적시켰다. 이 수증기플리니언 강하층은 여 러 개의 조립질 응회암층(t₁..₄)으로 구성되고, 각각 동 시적인 부석질 라필리암층(l₁..₄)이 뒤따라 퇴적되었다.

플리니언 강하층은 여러 개의 플리니언 부석층(p₁...₅) 으로 구성되며, 각각 동시기적으로 매우 얇은 세립질 화산회층이 뒤따라 퇴적되었다(Hwang et al., 2018).

더 복잡한 근거리부 층서는 Kim et al.(2014)이 나리테프라층이라 하고 상부로 가면서 N-5에서 N-1 로 구분하였는데, 그에 의하면 근거리부 연속체는 국 지적 및 광역적으로 분산된 강하 분출물이 교호되고 국지적으로 써지와 화성쇄설 밀도류(PDCs)가 혼합되 어있다. N-5에서 N-2까지는 말잔등응회암에 대비되고 N-1은 나리분석층(Hwang et al., 2012)에 대비된다.

3. 방 법

3.1. 시료채취

부석의 시료는 나리 칼데라 외륜에서 남동으로 1.7 km에 있는 내수전 고개(지점 A)와 3.0 km에 있는 저동재(지점 B)의 두 열쇠 단면에서 수집되었다(Fig. 1).

Fig. 1. Geological map of Ulleung Island (after Hwang et al., 2012).

이들 두 지점에서 나온 시료들은 멤버 U-4, 3 및 2 에서 나온 조립 응회암(t₁..₄), 부석질 라필리암(l₁..₄)과 부석층(p₁...₅)을 포함한다(Fig. 2). 나리 칼데라 외륜의 남동쪽 1.7 km, 지점 A에서, 이들 강하층은 잘 노출

되며 상단부가 침식면에 의해 잘려있다. 그리고 칼데 라 외륜 남동쪽 3.0 km, 지점 B에서 그 상단부가 더 완전하게 노출된다. 그러나 기타 근거리부에서의 층 서는 중거리부 지점 A 및 B보다 더 복잡하며 Kim et al.(2014)가 기재한 국지적인 강하층, 써지층과 PDC층을 포함한다.

13개 시료는 지점 A에서 노출되는 멤버 U-4, 3 및 2에서 채취되었다(Fig. 2). 즉 멤버 U-4의 플리니 언 부석층에서 1개층, 멤버 U-3의 라필리암의 2개층 과 부석층의 5개층, 멤버 U-2의 라필리암 3개층과 부석층의 2개층에서 채취하였다. 그 외에 3개 시료는 지점 B에서 U-2의 부석층의 3개층에서 수집되었고, 3개 시료는 칼데라 내부에서 N-5의 라필리암 3개층 에서 수집되었다.

3.2 분석절차

깨끗한 암석 표품을 텅스텐 카바이트 판에서 파쇄 하였고 깨끗한 칩을 손으로 골라서 텅스텐카바이드 분쇄기에서 분말화하였다. 주원소 농도는 한국지질자 원연구원에서 X선형광분석법(XRF)에 의해 측정되었 다. XRF 분석은 Johnson et al.(1999)이 제시한 절 차를 따라 수행하였다. XRF 분석에 대한 분석오차는 2번의 내부표준작업의 반복 분석에 의해 결정되었고, 모든 주원소에 대한 표준편차에서 <0.1 wt.%이다. 일 반적으로 각 주원소에 대한 신뢰도는 보고된 값의

±1%(1σ)보다 더 양호하다. Fe은 total Fe₂O₃로 측정 되었다.

미량원소는 한국기초과학지원연구원 오창센터에서 유도결합플라즈마 질량분석법(ICP-MS)에 의해 측정 되었으며, ICP-MS 탐지한계는 반콘드라이트 레벨 이 하이다. 신뢰도는 농도에 달려있으나, 일반적으로 모 든 원소에서 <1%이다.

4. 암석기재

다음 암석기재는 Le Bas et al.(1986)의 총알칼리 대 실리카(TAS) 화학적 분류(그림 3)에 근거하여 정 리되었다. 3개의 주요 암형이 부석 시료에서 나타난 다. 즉 (1) 테프리포놀라이트질 부석, (2) 포놀라이트 질 부석, (3) 조면암질 부석으로 구분된다.

테프리포놀라이트질 부석은 일반적으로 반상(2~10%

반정)이며, 사장석, 단사휘석과 자철석 석기(<0.05 mm) 에 단사휘석, 사장석과 자철석의 자형 내지 반자형

Fig. 2. Columnar section for extracaldera pyroclastic

sequences of the Maljandeung near Naesujeon hill (A)

and Jeodong hill (B).

반정을 가진다. 약간의 감람석 반정은 사장석과 자철 석 포유물을 가지고 종종 단열을 따라 변질되어있다.

드물게 감람석은 변질로 적갈색 철산화물 혹은 암갈 색 점토의 가상을 나타낸다. 단사휘석 반정은 일반적 으로 담홍갈색이며, 흔히 누대상이고 자철석과 사장 석 포유물을 함유한다. 대부분 사장석 결정은 쌍정이 며, 파동상 누대를 보여주고 안데신 조성을 가진다.

부석 시료는 대부분 고다공상(58-88%)이다. 기공은 일반적으로 모양이 계란형 혹은 구형이고 크기가 수 mm에 달하지만 대부분 <5 mm이다.

포놀라이트질 부석은 고다공상(53-87%) 유리질 석 기에 알칼리장석, 녹색 단사휘석, 갈색 각섬석, 갈색 흑운모, 사장석와 소량의 Fe-Ti 산화물의 자형 반정 (5~10%)을 함유한다. 자형 내지 반자형 알칼리장석 반정은 일반적으로 쌍정을 이루고 취결정을 형성하며, 사장석은 쌍정과 누대를 보여준다. 이들 장석들은 흑 운모 포유물을 함유한다. 반자형 녹색 단사휘석은 몇 몇 경우에 흑운모와 연정으로 산출된다. 반자형 각섬 석 반정은 인회석 및 Fe-Ti 산화물의 포유물을 가진 다. 기공(일반적으로 <1 mm)은 원상 내지 신장상이며 부분적으로 붕괴되어있다. 흑운모와 각섬석은 흔히 0.1 mm 얇은 외륜(rim)으로 둘러싼다.

조면암질 부석은 고다공상(69-88%)이며 일반적으로 반상(5~10% 반정)이다. 반정(1~3 mm)은 대개 자형이 며, 취결정을 이루는 알칼리장석(5%), 단사휘석(<3%), 소량의 흑운모와 사장석으로 구성된다. 석기는 알칼리 장석과 단사휘석 석기로 이루어지고 소량의 인회석과 광염상 Fe-Ti 산화물을 가진다. 알칼리장석은 단순 쌍 정을 이루며 반면에 사장석은 복식(알바이트) 쌍정을 이루고 파동상 누대를 보여준다. 단사휘석 반정은 일 반적으로 담록색이고 얼마는 갈록색 핵을 가지고 자 철석 포유물을 함유한다. 갈색 흑운모 반정은 신선하 거나 혹은 흑색 Fe-Ti 산화물로 완전히 교대되어 있다.

5. 지구화학

5.1 주원소

암석기재의 근거로 사용된 3개 암형은 역시 주원소 화학에서 명확하게 구분된다(Fig. 3). 나리층군의 말 잔등응회암에서 나온 부석은 조면암에서 포놀라이트 와 테프리포놀라이트까지의 트렌드를 나타낸다.

SiO₂ 함량은 55.1~60.2 wt% 범위로 변화한다(Table 1). Al₂O₃, Fe₂O₃^t, MgO, TiO₂와 P2O₅ 함량은 SiO2

함량에 따라 부의 상관관계를 가지는 반면에, Na₂O 와 K₂O 함량은 SiO₂함량에 따라 약하지만 정의 상 관성을 나타낸다(Fig. 4). 말잔등응회암층에서 자세히 살펴본다면, 멤버 U-2의 부석층 p₂는 조면암 트렌드 를 보이지만, 기타는 포놀라이트에서 테프리포놀라이 트까지의 트렌드를 나타낸다(Fig. 3). 따라서 말잔등 응회암의 부석은 대개 포놀라이트 내지 테프리포놀라 이트 범주에 속한다. 즉 이들은 비교될 수 있는 SiO₂ 함량에서 모두 Na₂O+K₂O가 더 풍부함을 나타낸다.

그러나 기타 주원소는 층서위치에 따라 체계적 변화 를 보여주지 않는다. 예를 들면, Na₂O와 K₂O 함량은 고르게 분포되지 않는다. 특히 멤버 N-5의 부석은 Na₂O가 더 풍부하고 거의 모두 MgO, TiO₂ 및 P₂O₅가 고갈된다(Fig. 4).

5.2 미량원소

큰이온친석원소(LILE; 예, Cs, Ba, Rb, Sr), 고장 력원소(HFSE; 예, Nb, Th, U, Zr)와 REE(Eu 제외) 의 함량은 일반적으로 SiO₂ 함량에 따라 다양하게 변 화하는 거동을 나타난다. 그래서 분별작용의 지수로 SiO₂보다 Th을 선택하였다(Fig. 5). 왜냐하면 전자는 얼마의 포놀라이트 분출물에서 화학적 진화 정도가 증가함에 따라 감소하기 때문이다(Fig. 3). Th 함량은 SiO₂와 정의 상관성을 가지고 대부분의 지역에서 불 호정성을 지시하는 Zr과 성인적으로 직선상 상관성을 나타낸다(Fig. 5). 그러므로 Th은 7~43 ppm 범위 (Table 2)로 역시 분별작용 지수로 사용될 수 있다.

Fig. 3. Classification of the volcanic rocks of Nari Group on the total alkali silica (TAS) diagram (from Le Bas et al., 1986). The root names are the same as B, basalt; TB, trachybasalt; BT, basaltic trachyandesite;

TA, trachyandesite; Tr, trachyte; Ph, phonolite; BA,

basaltic andesite; An, andesite; Da, dacite, Rh,

rhyolite.

고철질 광물과 호정성인 미량원소(V), 장석과 호정성 인 미량원소(Sr, Ba)의 함량은 Th 함량 증가에 따라 부의 트렌드를 보여주며 이들 원소는 말잔등응회암에 서 전체적으로 고갈된다(Fig. 5). 반면에 Th 함량의 증가에 따라 큰이온친석원소(Cs, Rb), 고장력원소(Zr, Nb, U)와 희토류원소(La) 함량은 풍부해진다(Fig. 5).

말잔등응회암은 나리층군에서 포놀라이트의 범위 (Brenna et al., 2014)와 유사하게, 0.21~0.28 사이의 Nb/Zr을 가진다(Fig. 6a). 그러나 울릉도 알칼리 분출 암에서 모든 층군의 현무암, 조면암 및 포놀라이트에 대한 전암 시료는 대부분 0.21~0.35 사이의 Nb/Zr 비를 가진다(Brenna et al., 2014).

말잔등응회암에서 Th 함량의 증가에 따라, 경희토

류원소(LREE)는 중희토류원소(HREE)에 대하여 부화 하는 경향을 보인다. 즉 La/Yb 비가 Th 함량과 정의 상관성을 가진다(Fig. 6b). 멤버 N-5 포놀라이트의 REE 거동은 다른 멤버의 포놀라이트 내지 테프리포 놀라이트에서 나온 시료가 정의하는 것과 다소 이탈 하는 경향을 보인다(Fig. 6b). 또한 멤버 N-5는 불호 정성원소 Th이 풍부하다. 즉 멤버 U-2~4에서 Th이 7~43 ppm 범위인데 반해서 35~44 ppm 범위이다 (Table 2). 부의 Eu 이상(Eu/Eu^*<1)은 REE 패턴에서 나타낼 수 있지만, 말잔등응회암의 멤버 모두가 이 타입의 REE 패턴을 나타내지 않는다. 멤버 N-5의 REE 패턴은 가장 심한 부의 Eu 이상(Eu/Eu^*<0.1)을 보이고, 반면에 멤버 U-1~4의 REE 패턴은 더 적은

Table 1. Major element compositions (wt.%) for the pumice clasts from the Maljandeung Tuff in Ulleung Island

NO.

U-2 U-3

p₁ p₂ p₃ p₄ p₅ l₁ l₂ l₄ p₁ p₂

wt % 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

SiO₂ 55.12 58.98 59.43 59.62 60.15 55.72 57.07 55.81 56.42 58.72

TiO₂ 0.48 0.38 0.30 0.31 0.37 0.21 0.21 0.22 0.58 0.64

Al₂O₃ 21.13 18.83 17.92 17.97 17.81 20.83 19.90 20.75 20.29 18.98

Fe₂O₃ 3.62 3.17 3.11 3.08 2.98 3.13 2.99 3.14 3.41 3.01

MnO 0.17 0.18 0.19 0.19 0.17 0.22 0.24 0.23 0.14 0.13

MgO 0.32 0.29 0.25 0.27 0.29 0.21 0.20 0.21 0.37 0.41

CaO 1.11 1.15 1.13 1.13 1.23 0.66 0.70 0.68 1.23 1.51

Na₂O 5.62 5.21 6.68 6.51 6.54 6.95 8.07 7.62 5.42 5.58

K₂O 5.28 5.61 6.19 6.18 6.48 4.41 4.87 4.55 5.79 6.57

P₂O₅ 0.13 0.07 0.05 0.05 0.06 0.05 0.04 0.06 0.13 0.12

L.O.I 7.25 6.15 4.59 4.54 3.82 7.42 5.50 6.56 6.14 4.22

Total 100.23 100.02 99.84 99.85 99.90 99.81 99.79 99.83 99.92 99.89 Samples

NO.

U-3 U-4 N-5

p₃ p₄ p₅ l₁ l₂ p₁ l₁ l₂ l₃

wt % 　 　 　 　 　 　 　 　 　

SiO₂ 55.95 56.84 56.35 58.67 58.77 56.13 59.55 59.05 59.20

TiO₂ 0.63 0.67 0.71 0.37 0.36 0.63 0.17 0.19 0.17

Al₂O₃ 20.64 19.93 20.35 19.03 18.75 20.79 18.88 18.68 18.64

Fe₂O₃ 3.65 3.24 3.36 2.72 2.65 3.63 2.98 3.10 2.95

MnO 0.15 0.14 0.13 0.16 0.16 0.14 0.25 0.25 0.24

MgO 0.39 0.42 0.44 0.28 0.27 0.43 0.18 0.20 0.17

CaO 1.24 1.50 1.54 1.10 1.09 1.46 0.87 0.83 0.81

Na₂O 5.23 4.91 4.82 6.71 6.92 4.48 8.53 9.11 9.44

K₂O 5.82 6.04 5.98 5.90 6.03 5.68 5.46 5.46 5.45

P₂O₅ 0.16 0.15 0.22 0.06 0.05 0.15 0.03 0.03 0.03

L.O.I 6.17 6.20 6.06 4.98 4.55 6.68 2.39 2.25 1.90

Total 100.03 100.04 99.96 99.98 99.60 100.20 99.29 99.15 99.00

Eu 고갈(Eu/Eu^*<0.6)을 나타낸다(Fig. 6c).

말잔등응회암에 대한 REE 패턴은 상당히 유사한 경향을 보여준다(Fig. 7). LREE는 HREE에 비해 부 화되며, (La/Yb)_N 비는 12~35 범위이다(Table 2;

Fig. 6b). 말잔등응회암의 REE 패턴은 중간 REE

(MREE)가 더 큰 고갈을 보여주기 때문에 더 평평한 HREE 패턴을 나타낸다. 더구나 위로 오목한 HREE 패턴에 의해 기타 층군 시료(Brenna et al., 2014)와 다르게 눈에 띄는 패턴을 보여준다. 이 특징은 멤버 N-5 및 U-3의 라필리암에서 다소 더 강하게 나타나

Fig. 4. Harker variation diagrams of the major elements versus SiO

for the Maljandeung Tuff. Symbols are the

same as those in Fig. 3.

Table 2. Trace and rare earth element abundances (ppm) for the pumice clasts from the Maljandeung Tuff in Ulleung Island

Samples NO.

U-2 U-3

p₁ p₂ p₃ p₄ p₅ l₁ l₂ l₄ p₁ p₂

(ppm) 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

Ba 14.7 24.0 6.7 4.4 22.9 6.7 8.2 6.4 25.2 412.3

Sr 10.5 13.1 4.5 2.2 10.4 4.4 4.1 4.3 12.6 77.0

Li 12.5 13.5 15.5 15.5 13.1 24.4 26.7 27.9 11.5 10.3

Sc 2.5 1.4 1.5 5.3 6.1 2.4 3.9 2.7 2.1 6.8

V 5.0 4.4 3.3 3.5 3.9 3.2 2.9 3.4 7.3 10.5

Cr 0.3 0.2 0.4 0.5 0.6 0.6 0.4 0.7 0.7 0.2

Co 0.9 0.8 0.5 0.6 1.2 0.5 0.9 0.6 1.3 2.0

Ni 0.5 0.3 0.4 0.6 1.3 0.6 1.2 0.4 0.6 1.2

Cu 2.1 1.4 1.5 1.6 2.0 2.9 2.8 2.2 2.5 2.8

Zn 70.8 81.7 91.1 91.0 109 95.6 124 101 81.5 93.4

Ga 21.5 19.3 20.6 20.5 19.0 27.7 26.5 27.1 17.6 16.5

Rb 93.3 109 143 138 131 158.6 180.8 170 87.0 105

Y 11.7 10.0 11.3 10.9 10.1 13.4 10.9 12.5 6.3 6.4

Zr 738 615 739 718 602 1271 1290 1309 658 497

Nb 193 172 209 204 169 279 286 272 171 130

Mo 6.5 7.7 10.5 9.8 8.2 14.0 16.1 14.8 5.9 5.3

Cs 1.4 1.5 2.0 2.0 1.6 3.2 3.4 3.3 1.2 1.1

Hf 19.0 15.0 18.9 18.4 14.8 31.6 31.6 32.0 15.5 12.1

Ta 16.5 12.6 10.1 9.3 11.5 15.0 12.0 24.2 8.3 8.7

Pb 14.0 11.1 13.2 12.7 11.3 21.5 21.5 21.6 11.6 10.1

Th 22.4 15.8 18.9 16.5 18.3 35.2 30.2 42.5 9.5 9.9

U 4.7 3.5 4.7 4.2 4.4 8.2 8.5 10.7 2.5 2.3

La 50.3 42.4 52.8 46.0 53.5 47.4 41.7 59.0 19.9 21.4

Ce 101 91.3 111 95.7 108 120 115 155 47.3 61.5

Pr 8.12 6.6 7.7 6.8 8.0 6.8 5.5 7.7 3.5 3.5

Nd 24.6 20.2 22.5 19.8 23.9 19.9 14.9 21.7 11.2 11.2

Sm 3.8 2.9 3.1 2.9 3.3 3.1 2.1 3.1 1.8 1.6

Eu 0.48 0.33 0.29 0.28 0.44 0.16 0.09 0.13 0.35 0.59

Gd 3.5 2.8 3.1 2.8 3.1 3.0 2.4 3.3 1.7 1.7

Tb 0.46 0.34 0.36 0.35 0.37 0.41 0.30 0.41 0.24 0.22

Dy 2.5 2.0 2.3 2.1 2.0 2.6 2.0 2.4 1.4 1.3

Ho 0.49 0.38 0.44 0.41 0.39 0.54 0.42 0.5 0.25 0.25

Er 1.5 1.2 1.5 1.4 1.2 1.8 1.4 1.7 0.82 0.89

Tm 0.22 0.18 0.23 0.21 0.19 0.27 0.23 0.25 0.13 0.12

Yb 1.6 1.4 1.5 1.5 1.3 2.0 1.7 1.8 0.95 1.0

Lu 0.25 0.21 0.24 0.21 0.21 0.29 0.24 0.27 0.14 0.13

ΣREE 199.22 172.30 206.91 180.00 205.70 208 188.01 258 89.7 105.39

(Eu/Eu*)n 0.20 0.17 0.14 0.15 0.21 0.08 0.07 0.06 0.30 0.55

(La/Yb)n 20.66 20.29 23.38 19.91 27.18 15.94 16.55 21.47 14.07 14.32

Table 2. Continued

NO.

U-3 U-4 N-5

p₃ p₄ p₅ l₁ l₂ p₁ l₁ l₂ l₃

ppm 　 　 　 　 　 　 　 　 　

Ba 79.4 357 471 8.7 7.2 214 2.1 5.8 2.0

Sr 36.3 84.4 83.9 10.9 14.3 75.5 1.9 2.0 2.0

Li 10.4 9.4 8.7 16.9 18.0 10.1 28.0 30.7 28.6

Sc 5.7 2.8 1.1 2.1 5.1 1.2 3.7 2.3 6.7

V 8.8 10.7 13.2 3.8 4.0 7.3 2.1 3.2 2.2

Cr 0.6 0.2 -0.1 0.2 0.2 1.1 0.2 0.6 0.1

Co 1.5 1.6 1.6 0.8 0.7 1.1 0.2 0.5 1.1

Ni 0.9 0.3 0.3 0.2 0.4 0.6 0.2 0.4 1.3

Cu 2.8 2.4 2.6 1.5 1.5 2.3 1.6 1.5 1.7

Zn 78.0 72.0 73.8 72.1 83.7 80.0 124 128 146

Ga 18.6 16.7 14.6 18.8 20.5 15.5 26.0 26.3 25.9

Rb 84.6 105 85.7 131 148 89.3 216 211 221

Y 7.0 7.7 5.4 7.7 8.2 6.8 10.5 14.6 10.9

Zr 600 507 507 741 779 504 1177 1179 1140

Nb 170 132.0 135.0 175 193 137 292 285 304

Mo 5.0 4.7 4.2 9.2 10.6 3.4 18.0 18.4 18.9

Cs 1.1 1.0 0.89 1.9 2.1 0.7 3.2 3.4 3.4

Hf 15.4 12.7 12.4 18.0 18.7 12.8 29.2 29.1 28.4

Ta 13.2 11.2 10.2 8.7 5.6 11.0 5.9 6.2 4.2

Pb 11.5 10.4 9.8 13.2 13.9 10.3 20.5 20.9 20.3

Th 12.0 12.5 7.7 19.5 19.5 11.4 35.9 43.4 39.5

U 2.9 2.9 1.8 5.0 5.3 2.3 10.5 10.4 11.2

La 25.1 33.1 15.5 36.2 36.9 28.7 59.8 88.5 82.5

Ce 65.9 68.2 47.8 85.6 95.0 57.1 173 320 385

Pr 4.5 5.2 2.7 4.9 5.1 4.7 7.8 11.6 10.0

Nd 14.3 15.7 8.5 13.7 14.1 14.7 21.7 31.6 26.5

Sm 2.2 2.3 1.3 1.9 1.9 2.1 2.8 3.9 3.2

Eu 0.48 0.70 0.52 0.25 0.26 0.58 0.07 0.12 0.12

Gd 2.2 2.2 1.4 2.0 2.1 2.1 3.0 4.1 3.3

Tb 0.27 0.28 0.19 0.24 0.25 0.26 0.36 0.50 0.39

Dy 1.6 1.5 1.1 1.4 1.5 1.6 2.0 2.7 2.0

Ho 0.30 0.30 0.21 0.30 0.31 0.30 0.39 0.56 0.42

Er 0.99 0.98 0.74 0.96 1.0 0.90 1.3 1.9 1.3

Tm 0.14 0.14 0.11 0.16 0.16 0.14 0.22 0.27 0.22

Yb 1.1 1.1 0.87 1.2 1.3 1.0 1.6 2.2 1.6

Lu 0.16 0.15 0.12 0.19 0.19 0.15 0.25 0.32 0.26

ΣREE 119.07 131.78 80.94 148.98 160.09 114.27 274.46 467.89 516.82

(Eu/Eu*)n 0.34 0.48 0.61 0.20 0.20 0.42 0.04 0.05 0.06

(La/Yb)n 15.72 20.98 11.93 19.90 19.09 18.81 24.96 27.13 34.95

Fig. 5. Harker variation diagrams of some trace elements versus Th for the Maljandeung Tuff. Symbols are the

same as those in Fig. 3.

는데, HREE가 MREE에 비해 약간 더 부화되는 패 턴을 보여준다(Fig. 6d, 7).

원시 맨틀로 표준화된 다원소 거미도에서, 말잔등 응회암의 부석은 일반적으로 Ba, Sr, Eu 및 Ti의 부 의 이상을 제외하고 부화되는 패턴을 보여준다(Fig.

8). 멤버 N-5의 라필리암은 불호정성원소의 가장 큰 부화와 Ba, Sr, Eu 및 Ti의 가장 큰 고갈을 보여준 다(Fig. 8).

6. 화학적 조성변화

말잔등응회암에서 A, B, C 지점의 단면에서 시간

에 따른 화학조성의 변화를 검토하였다. 칼데라 외부 에서 A 및 B 지점의 단면은 멤버 U-4, U-3 및 U- 2를 지나며(Fig. 2), 포놀라이트 및 테프리포놀라이트 조성을 나타낸다(Fig. 3). 칼데라 내부에서 C 지점 단면은 멤버 N-5를 지나며 포놀라이트 조성을 보여 준다(Fig. 3).

말잔등응회암은 하커 변화도에서 대개 뚜렷한 점진 적인 변화경향을 보여주지만 멤버 N-5의 포놀라이트 는 나머지의 포놀라이트 내지 테프리포놀라이트 사이 에서 상당히 이탈된 양상을 보여준다(Fig. 4, 5). 앞 에서 언급한 바와 같이, 이탈된 양상은 서로 다른 성

Fig. 6. Trace element variations in the Maljandeung Tuff. Symbols are the same as those in Fig. 3.

Fig. 7. Chondrite-normalized REE patterns for the Maljandeung Tuff. Symbols are the same as those in Fig. 3.

Fig. 8. Normalized spider diagram patterns for

selected elements for theMaljandeung Tuff. Values are

normalized to primordial or Archean mantle from Sun

and Nesbitt(1977). Symbols are the same as those in

Fig. 3.

인을 암시하지만, 점진적 변화경향은 세 멤버가 유사 한 성인을 시사한다.

말잔등응회암은 단면변화도에서 주원소의 변화를 살펴보면 각 멤버의 경계에서 뚜렷한 단절을 나타낸 다(Fig. 9). 그러나 멤버 U-3와 U-2 내에서 층서단위 의 순서에 따라 주원소 변화를 보면 뚜렷한 점진적 변화를 나타낸다(Fig. 9). 즉 Fe₂O₃^t, CaO, MgO, TiO₂ 등은 각 멤버 내에서 위로 갈수록 대체로 증가 하는 파상곡선을 보여주고, 이와 반대로 MnO, Na₂O 등은 대체로 감소하는 파상곡선을 보여준다. 한편 K₂O, P₂O₅ 등은 이와 반대 양상을 보이거나 혹은 변 화폭이 작아서 그 규칙성이 거의 없다.

이 화학적 조성변화는 대부분 포놀라이트에서 테프 리포놀라이트로 전이되면서 일어나며, 이곳에서 화학 적 구배가 다소 큰 편이다. 각 멤버 내에서 현저한

화학적 조성변화는 각 멤버의 하부에서 고철질 원소 가 결핍되고 상부에서 풍부해진다는 것을 암시한다.

즉 이러한 조성변화는 챔버의 하부에서 고철질 광물 의 형성으로 제거된 원소들이 상부로 가면서 감소되 는 것을 의미한다.

미량원소들의 변화도 마찬가지로 규산염 광물의 거 동에 따라 나타난다. 말잔등응회암의 미량원소 단면 변화도에서 조성변화를 살펴보면 각 멤버의 경계에서 뚜렷한 단절을 나타낸다(Fig. 10). 하지만 멤버 U-3와 U-2 내에서 상부로 가면서 미량원소 변화는 뚜렷한 점진적 변화를 나타낸다. 즉 Co, V 등의 호정성원소 는 상부로 가면서 대체로 증가하는 파상곡선을 형성 한다(Fig. 10). 이들 미량원소는 TiO₂, Fe₂O₃^t, MgO, CaO 등의 주원소 거동에 따르게 된다. 따라서 이러 한 미량원소들은 모두 고철질 광물에서 추출되며 이

Fig. 9. Variation trend diagram for the major elements of the Maljandeung Tuff. Symbols are the same as those in

Fig. 3.

들 광물이 정출되어 제거됨으로써 화학적 변화를 일 으키게 된다. 반면에 Rb, Nb, Th, U, Zr, Cs 등의 불호정성원소는 단면변화도의 각 멤버 내에서 대체로 감소하는 파상곡선을 나타낸다.

REE 패턴은 이 암체 내에서 여러 암상에 따라 큰

차이가 없다. 대부분(La/Yb)_n이 14 이상으로써 LREE/

HREE 비의 강한 양상을 보이며, LREE가 급경사를 나타내고 HREE가 평평한 양상을 보인다(Fig. 7). 이 러한 패턴은 판내 환경에서 알칼리암이라는 것을 입 증해 주는 것이다(Henderson, 1984). 희토류원소 단

Fig. 10. Variation trend diagram for the trace and rare earth elements of the Maljandeung Tuff. Symbols are the

same as those in Fig. 3.

면변화도에서 조성변화를 살펴보면 각 멤버는 마찬가 지로 그 경계에서 뚜렷한 단절을 나타낸다(Fig. 10).

그러나 멤버 U-3와 U-2 내에서 상부로 가면서 희토 류원소 변화는 뚜렷한 점진적 변화를 나타낸다. 대표 적으로 LREE, MREE, HREE에서 선택된 Ce, Ho, Lu 등의 원소는 불호정성원소이기 때문에 각 멤버 내 에서 대체로 감소하는 파상곡선을 나타내며, 반대로 Eu 원소는 대체로 증가하는 파상곡선을 나타낸다. Eu 원소는 사장석의 함량에 따르는 거동을 보여주는데, 멤버 U-3와 U-2 내에서 이 원소는 사장석의 증가에 따라 함께 증가한다. 즉 Eu 원소는 각 멤버 내에서 상부로 가면서 증가하는 경향을 보여준다.

7. 토 의

울릉도의 나리층군 말잔등응회암은 포놀라이트 및 테프리포놀라이트 조성을 갖는 마그마의 폭발성 분출 에 의해 생성된 것이다. 이 연구에서 우리는 말잔등 응회암에서 나온 부석을 이용하여 분출전 마그마의 환경과 진화과정을 고찰하였다.

7.1 마그마의 성인

나리층군의 말잔등응회암은 대개 포놀라이트 내지 테프리포놀라이트 조성을 가지는 울릉도 최후기 분출 암 중의 하나이다(Im et al., 2012; Hwang et al., 2012; Hwang and Jo, 2014).

울릉도는 조구조 판별도에서 판내 환경에 위치하고 확장 중심부에 속한다는 것을 보여준다(Fig. 11a, b).

한편 울릉도는 동해에 위치함에도 불구하고, 얇게 신 장된 대륙지각 기반암 위에 놓인다(Fig. 11c; Kim et al., 2011). 따라서 울릉도의 체류 마그마는 잠재적 지 각혼염물이 한반도의 동해안을 따라 노출되는 중생대 관입암(Williams et al., 2009)과 유사한 조성을 가질 것으로 추정되었다(Brenna et al., 2014). 그래서 울 릉도 아래의 신장된 지각 기반암은 이러한 암석과 유 사할 것으로 생각된다. 그러나 나리층군은 동위원소 조성에 의해 울릉 마그마계에서 나온 가장 원시적 산 물로 생각되는 도동현무암질암류와 유사한 조성을 가 진 모마그마(parent magma)로부터 AFC에 의해 유래 되지 않았다고 추정된 바 있다(Brenna et al., 2014).

말잔등응회암은 지각 심용작용에 의해 유래한 경우 일반적으로 높은 Sr과 Ba 함량을 보여야 하는데 (Hobson et al., 1998) 그렇지 않은 것으로 보아(Fig.

6c, 8) 심용작용에 의해 유래되었을 가능성은 낮아 보 인다.

Fig. 11. Triangular diagrams for petrotectonic

discriminance. (a) Zr-Th-Nb diagram; (b) FeO

-MgO-

Al

O

diagram; (c) Y-La-Nb diagram. Symbols are the

same as those in Fig. 3.

나리층군의 포놀라이트 내지 테프리포놀라이트질 마그마는 도동현무암질암류의 모마그마에 관련되지 않는 것으로 보았다(Brenna et al., 2014). 더욱이, 두 층군은 원시적인 동위원소 특징에 의해 공급 마그 마가 불균질 맨틀 내의 다른 영역에서 유래되었다고 추정하였다(Brenna et al., 2014). 이는 아마도 울릉 도 아래 맨틀의 특징이 MDMM+EMI+EMII의 혼합 으로 구성된다고 해석되었던 것(Choi et al., 2006)에 의해 지지된다.

7.2. 마그마챔버의 심도

최근에 Ca 각섬석 조성이 알칼리 마그마계의 지질 압력계로 사용될 수 있는 방법이 개발되었다(Ridolfi and Renjulli, 2012). 각섬석은 말잔등응회암의 포놀라 이트질 부석편에 존재한다. Ridolfi and Renjulli (2012)의 열압력계를 적용하면 나리층군에서 각섬석 은 약 1600~500 MPa 사이에서 변화하는 압력에서 결정화되었다고 한다(Brenna et al., 2014). 즉 나리 층군의 나리분석층과 말잔등응회암의 포놀라이트에서 각섬석은 유사하게 약 600 MPa에서 정출되었다. 포 놀라이트는 비교적 높은 압력(약 600 MPa)에서 진화 하는 마그마로부터 유래되었다. 이러한 압력은 지각 기저(약 20 km, 500~600 MPa)와 상부 암석권 맨틀 (Kim et al., 2003)에 해당하며 고압력의 알칼리 마그 마에서 실험적으로 결정된 하강선과 일치한다(Irving and Green, 2008). 말잔등응회암의 포놀라이트질 분 출물을 공급하는 마그마는 더 큰 압력의 깊은 저장고 에서 유래되었으며 약 20 ka에 걸쳐 비교적 빠르게 진화하고 분출하였다고 보았다(Brenna et al., 2014).

하지만 Ridolfi and Renjulli(2012) 열압력계의 적용 으로 증명된 고압 각섬석은 더 큰 명백한 오차를 가 지기 때문에 신뢰성이 부족한 것이 문제로 남아있다.

또한 말잔등응회암은 약 2 km 너비의 칼데라를 동반 하는데(Hwang and Jo, 2014), 이러한 깊이까지 작은 칼데라가 발달할 수 있을지 큰 의문이 든다. 따라서 우리는 천부에 중간 저장고로서 작은 마그마챔버가 존재했을 것으로 추정한다.

7.3 마그마챔버에서 화학적 성층화

마그마챔버의 진화를 다루는 가장 중요한 연구 중 에는 Smith and Bailey(1968)와 Smith(1979)가 기재 한 칼데라의 진화가 있다. 이 연구에서 설명되는 개 념들은 마그마챔버에서 누대를 일으키는 진화과정에

서 초기 단계를 이해하는데 있어서 가장 강력한 개념 적 뼈대가 된다. 따라서 이 누대 개념은 다른 많은 연구들에 의해 지지되어(Hildreth, 1979; Mahood, 1981; Smith, 1979) 마그마챔버에서 조성에 의한 성 층화의 개념을 정립하게 되었다.

이 화학적 성층화를 설명하기 위해 제안된 가장 중 요한 기구 중에는 열중력확산, 결정분별작용과 점진 적 용융 및 순차적 정치가 있다. 그러나 대부분 경우 에, 분별결정작용으로만 누대를 설명하기에는 충분하 다고 할 수 없다(Hildreth, 1979). 마그마챔버에 존재 하는 가상적인 조성차이를 설명해 주는 가장 흥미로 운 제안은 열중력확산이라 할 수 있다. 대류의 도움 으로 일어나는 소렛 분화과정은 규장질 마그마에서의 온도구배에 따라 액체 상태에서 화학 종류의 확산을 야기시킨다(Hildreth, 1977). 이런 식으로, 아마도 누 대상 챔버를 야기하는 화학적 성층화를 얻을 수 있을 것이다.

말잔등응회암은 높은 Th 농도에서 다소 높은 Sr(2~85 ppm)과 Ba 함량(2~471 ppm)을 가진다(Table 2). 이 Sr과 Ba 함량은 말잔등응회암에서 심히 고갈 되는 경향이다(Fig. 6c). 말잔등응회암의 REE 패턴은 약간 위로 오목한 패턴을 나타내는데(Fig. 7). 이는 분별되는 결정에 비교적 더 큰 MREE 호정성을 암 시한다. 말잔등응회암에서 위로 오목한 REE 패턴은 각섬석, 단사휘석과 티탄석에서 비교적 더 큰 MREE 호정성에 의한 분별작용으로 설명된다(예, Worner et al., 1983). 각섬석의 분별작용은 역시 다양한 Nb/Zr 비의 거동을 설명할 수 있다(Fig. 6e; Francis and Ludden, 1995). 이러한 광물의 결정작용과 분별작용 은 확실히 Nb/Zr 비에 영향을 미칠 것이다. 역시 녹색 Na augite(aegerine-augite)가 Zr과 LREE에 대한 더 큰 친화성을 가지고, 반면에 갈색 Ti-augite가 MREE 에 대해 더 큰 호정성을 가진다고 한다(Worner and Schmincke, 1984). 따라서 Na 휘석의 분별작용은 Zr/Nb 비에 상당한 영향을 끼칠 것이다.

말잔등응회암에서 포놀라이트 및 테프리포놀라이트 분출물은 마그마챔버에서 아마도 화학적 성층화에 의 한 단계를 거쳤다고 해석하는 것이 합리적이다. 앞에 서 언급한 바와 같이, 멤버 U-3 및 U-2에서 주원소 는 상부로 가면서 Na₂O가 줄어들고 CaO, MgO, TiO₂, Fe₂O₃가 증가한다. 마찬가지로 미량원소 함량에 대한 농집 요인은 참고로 선택된 시료에 의해 직접적 으로 좌우된다. 선택된 Co, V 등의 호정성원소가 상

부로 갈수록 증가하는 반면에 Rb, Nb, Th, U, Zr, Cs 등의 불호정성원소가 감소한다. 희토류원소는 상 부로 가면서 Eu가 증가하지만 나머지 원소들이 감소 한다. 이러한 조성변화는 마그마챔버에서 지붕쪽으로 규장질 광물과 불호정성원소가 농집되고 고철질 광물 과 호정성원소가 하부쪽으로 증가하는 것을 의미한다.

비숍응회암(Bishop Tuff)이 나타내는 유문암에서, Hildreth(1979)는 주원소 중에 SiO₂, Na₂O 및 MnO 와, 미량원소 중에 Rb, Y, Nb 등이 지붕쪽으로 농집 되는 것을 증명하였다. 말잔등응회암의 포놀라이트 분 출물과 이 유문암에서 원소들의 농집 패턴이 거의 같 다는 것은 그렇게 놀랍지 않다.

점진적 용융 및 순차적 정치는 공급지가 점진적이 고 점증식으로 용융작용이 일어나고 뒤따라 마그마가 챔버에 순차적 정치를 일으킨 결과로 성층화 현상을 형성할 수 있다. 공급지에서 점증식 용융과정은 초기 용융단계에서 규장질이고 후기 용융단계에서 더 고철 질로 다양한 조성의 마그마를 초래시키고 순차적으로 정치된다(Hall, 1966). 이 고철질 조성대 아래에 이보 다 더 고철질 마그마가 정치된다면, 그 결과의 기하 학적 분포는 화학적으로 정누대 조성대를 나타낸다고 생각할 수 있다.

이러한 개념적 틀로부터, 말잔등응회암의 진화는 정 누대 마그마챔버에서 흔히 받아들여지는 알칼리 마그 마 진화과정의 하나로 생각될 수 있다. 조성상 성층 화된 챔버에서, 보다 더 고온이고 더 고철질 마그마 는 기저에 있으며, 상부쪽으로 점차 더 규장질이고 휘발성분이 풍부해진다(Lipman, 1967; Hildreth, 1977). 즉 말잔등 마그마챔버는 기저에 테프리포놀라 이트질 조성대가 놓이고 상부에 포놀라이트질 조성대 가 형성되었음을 의미한다. 이러한 마그마에서의 누 대 현상은 대류운반와 같은 작용이 화학적 성층화 흔 적을 파괴시키기 전의 초기 마그마챔버 단계로 생각 할 수 있다.

일반적으로 성층화 정도는 마그마챔버에서의 체류 시간과 관련되는 것으로 생각되는데, 이는 근원지로 부터 마그마 공급률(magma supply rate) 및 분출률 (eruption rate)과도 관련되어 있다고 본다(Feigenson and Spera, 1981).

7.4 분출순서

울릉도의 말잔등에서 과거 19 ka에 걸친 조성은 초 기에 극히 더 진화된 포놀라이트질 조성(U-5)에서 시

작하여 이와 달리 포놀라이트질 조성에서 테프리포놀 라이트질 조성(U-4~U-2)으로 바뀌었다. 이 순서는 울 릉도의 깊은 배관계(plumbing system)에서 다른 마그 마 저장고 간에 상호연결의 차이를 암시한다. 말잔등 의 마그마계는 더 큰 심도에서 재충전하는 마그마 저 장고(Brenna et al., 2014)와 연결되는 일련의 천부 마그마 저장고로 구성된다는 것을 암시한다.

말잔등 마그마챔버는 앞에서 지붕으로부터 하부로 포놀라이트질과 테프리포놀라이트질 마그마로 성층화 된 조성분대를 시사하였다. 이 마그마챔버에서 폭발 성 분출은 초기의 포놀라이트질에서 더 고철질 테프 리포놀라이트질 조성으로 전이를 보여준다. 멤버 U- 3과 U-2는 각 멤버마다 상부의 포놀라이트질 마그마 대로부터 분출을 시작하여 점차 테프리포놀라이트질 마그마대로 내려가면서 분출을 확대하였다. 이때 멤 버 U-3의 화도는 성층화된 챔버 지붕의 중앙부보다 차라리 연변부 가까이를 통해 뚫려 있었고, 멤버 U- 2의 화도는 중앙부 근처에 있었던 것으로 생각된다.

왜냐하면 멤버 U-3의 분출물은 멤버 U-2의 분출물보 다 화학적으로 더 고철질이고 덜 규장질이기 때문이 다(Fig. 9, 10).

말잔등에서 분출은 포놀라이트질 및 테프리포놀라 이트질 마그마챔버로부터 약 18.8~5.6 ka B.P. 동안 에 일어났었다(Okuno et al., 2010; Im et al., 2012; Kim et al., 2014). 이 분출활동은 폭발성 분 출에 의해 진행되었으며 중간에 4차례의 휴지기가 있 었다(Kim et al., 2014). 이때 멤버 U-4의 분출률은 비교적 커서 울릉도 전역을 덮고 일본까지 날아갈 수 있을 정도(Machida et al, 1984)로 큰 용적을 퇴적 시켰다. 멤버 U-3 활동은 8.4 ka B.P. 시기에, U-2 활동은 5.6 ka B.P. 시기에 각 멤버 마다 전기에 수 증기마그마성 분출과 후기에 플리니언 분출에 의해 맥동적으로 진행되었다(Hwang et al., 2018).

8. 결 론

울릉도는 도동현무암질암류, 울릉층군, 성인봉층군 과 나리층군으로 이루어진 알칼리 판내 화산이다. 나 리층군 중에서 말잔등응회암은 하부로부터 멤버 N-5, U-4, 3, 2 순으로 구분된다. 화학조성에 의하면, 멤버 N-5는 포놀라이트질이고, 멤버 U-4, 3, 2는 포놀라이 트질 내지 테프리포놀라이트질로서 화학적으로 다르 며, 멤버들 간에는 화학적으로 단절된 양상을 보여준다.