Geological structures in the Bonghwajae area Jecheon-si, Chungcheongbuk-do, Korea

충청북도 제천시 봉화재 일대의 지질구조

정진우·강지훈*

안동대학교 지구환경과학과

Geological structures in the Bonghwajae area Jecheon-si, Chungcheongbuk-do, Korea

Jin-Woo Jung and Ji-Hoon Kang*

Department of Earth and Environmental Sciences, Andong National University, Andong, Gyeongsangbuk-do 760-749, Korea

요 약: 옥천변성대의 북동 선단부에 위치하는 충청북도 제천시 봉화재 지역은 옥천누층군과 조선누층군이 분 포한다. 본 논문은 중첩 변형된 주요 암석 및 미구조의 기하학적·운동학적 특성과 선후관계로부터 봉화재 지 역의 지질구조를 연구하였다. 광역엽리의 대부분은 S0 층리가 아닌 신장된 광물들의 정향배열에 의해 정의되 는 S0-1의 복합엽리로 나타나고, 일부는 불용해성 불투명 광물과 벽개 라멜라의 정향배열로 정의되는 S0-1-2 복합엽리로 인지된다. 연구지역의 지질구조는 북북동-남남서 방향의 D1 압축작용, 동-서 방향의 D2 압축작용, 남-북 방향의 D3 압축작용 등 적어도 세 번의 변형단계를 거쳐 형성되었다. 조선누층군과 옥천누층군 구성지 층의 대상 분포방향과 유사한 S0-1 복합엽리는 D2 변형 이전에 서북서 방향이었으나, D2 변형에 의해 S2 엽 리와 평행한 남-북 방향으로 재배열되었고, D3 변형에 의해 현재와 같이 북서, 북동, 남-북 방향으로 재배열되 었다. 변형단계별 구조적 특성과 변형작용사는 연구지역의 조선누층군과 옥천누층군이 북북서 방향으로 연장되 는 부산지역 동부 영역과 매우 유사하고, 이들 연구결과는 옥천변성대 북동 선단부의 지구조 발달과정을 해석 하는데 매우 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

핵심어: 옥천변성대, 봉화재 지역, 조선누층군, 변형단계별 구조적 특성, 변형작용사

Abstract: The Ogcheon and Joseon Supergroups are distributed in the Bonghwajae area, Jecheon-si, Chungcheongbuk-do, Korea which is located in the northeastern fore-end of the Ogcheon Metamorphic Zone. This paper researched the geological structures based on the geometric and kinematic characteristics and the forming sequence of the major multi-deformed rock and microstructures. Most of regional foliations are not the S0 bedding but the S0-1 composite foliations defined by the preferred orientation of stretching minerals, some are recognized as the S0-1-2 composite foliations by the preferred orientation of insoluble opaque minerals and cleavage lamella.

The geological structures were formed at least by three phases of deformations i.e. NNE-SSW trending D1, E-W trending D2, N-S trending D3 compressions. The S0-1 composite foliation, which shows a similar zone-distribution trend of the constitution strata of the Ogcheon and Joseon Supergroups, trended WNW before D2 deformation, but it was reoriented into N-S which was parallel to the trend of S2 foliation by D2 deformation, and it was rearranged into NW, NE, N-S trends as it is now by D3 deformation. The structural characteristics of each deformation phase and the deformation history are very similar to those in the eastern domain of Busan area into which the Ogcheon and Joseon Supergroups in this area are extended as NNW trend. It is expected to be very valuable data in interpreting the tectonic evolution of the northeastern fore-end of the Ogcheon Metamorphic Zone.

Keywords: Ogcheon Metamorphic Zone, Bonghwajae area, Joseon Supergroup, structural characteristics of each deformation phase, deformation history

*Corresponding author Tel: 054-820-5474

E-mail: [email protected]

서 론

한반도 중남부에 북동-남서 방향으로 발달하고 있 는 옥천대는 주로 선캠브리아기 변성암복합체로 구성 된 경기육괴와 영남육괴에 의해 그 북서부과 남동부 가 각각 경계져 있고, 문경과 평창을 경계로 북동부 옥천대(태백산대)와 남서부 옥천대(옥천변성대)로 구 분된다(Fig. 1). 옥천대의 지체구조론적 연구는 한반 도 뿐만 아니라 동북아시아의 지질 및 지체구조를 이 해하고 해석하는데 매우 중요함으로 지금까지 많은 국내·외 연구자들에 의해 수행되어져 왔다(cf. Kang et al., 2012).

옥천변성대의 북동 선단부에 위치하고(Fig. 1), 황 강리 지질도폭(Lee and Park, 1965)의 북동부 일부 영역을 점하고 있는 충청북도 제천시 수산면 봉화재

지역은 서부에 옥천누층군이 그리고 동부에 조선누층 군이 각각 분포하고(Fig. 2), 이들 사이의 접촉 및 지 질학적 관계를 직접 조사할 수 있으므로 지금까지 다 수의 연구자들에 의해 봉화재 지역을 중심으로 옥천 변성대 북동 선단부의 지질 및 지체구조에 대한 연구 가 수행된 바가 있다(cf. Lee and Park, 1965;

Kihm et al., 1996, 1999; Kihm and Kim, 2003).

본 논문은 황강리 지질도폭의 봉화재 일대의 지질 도를 바탕으로 노두별 상세한 야외지질조사를 수행하 여, 옥천누층군과 조선누층군의 변형된 주요 암석 및 미구조에 대한 기하학적·운동학적 특성과 중첩된 이 들 변형구조의 선후관계로부터 각 변형단계별 구조적 특성과 변형작용사를 연구하였고, 그 결과를 기존 연 구결과와 비교·검토하여 옥천변성대의 지체구조론 적 의미를 고찰해 보았다.

Fig. 1. (a) Tectonic province map of the southern part of the Korea Peninsula [modified from Kang and Lee (2002)]. B: Bonghwa, Bo: Boeun, C: Chungju, G: Gangneung, Je: Jeonju, M: Mungyeong, Mo: Mokpo, O:

Ogcheon, P: Pyeongchang, S: Sunchang, Y: Yecheon, Ye: Yeonggwang, W: Wando. (b) Geological map showing the division of stratigraphic sequences and structural units in the Central Ogcheon Belt, Korea (Kang et al., 2012).

BEGr: Boeun granite. BNGr: Baegnok granite. CSGr: Cheongsan granite. A and A': cover rocks of Bakdallyeong and Busan gneiss complexes, respectively. B: Habgeumri unit. C: Jiyangri unit (Ca: Jideungsan subunit, Cb:

Hwanggangri subunit). D: Gyemyeongsan unit. E: Midongsan unit. F: Majeonri unit.

지질개요

봉화재 지역은 충상단층에 의해 조선누층군과 옥천 누층군이 구분된다(Figs. 1b, 2). 구조적 하부에 위치 하는 조선누층군은 돌로마이트층(암회색 및 담회백색 돌로마이트), 석회암층(호상 석회암, 암회색 및 백색 석회암), 석회 규산염암층, 용암층(흑색 점판암) 등으 로 구분되고, 이들 지층은 연구지역의 동부에서 북서 내지 북동 방향의 대상 분포를 보인다(Lee and Park, 1965)(Fig. 2). 옥천누층군은 서창리층(주로 암 회색 천매암으로 구성되어 있고, 흑색 점판암, 규암 등을 협재), 각섬암, 북노리층(주로 함역 천매암질암 으로 구성되어 있고, 부분적으로 규화대가 발달), 명 오리층(암회색 녹니석 편암) 등으로 구분된다. 이들 지층은 연구지역의 서부에서 남-북 내지 북북서 방향 의 대상 분포를 보이고, 조선누층군의 구조적 상부에 서 충상단층에 의해 조선누층군의 대상 분포 방향의

연장성을 단절시킨다(Lee and Park, 1965)(Fig. 2).

지질도에서 인지되는 주요 단층으로는 북서 방향의 봉화재 단층과 이와 유사한 2조의 서북서 방향의 단 층 그리고 북동 방향의 구곡리 단층 등이 있다(Fig.

2). 북서 방향의 봉화재 단층은 조선누층군과 옥천누 층군의 주요 구성 지층들의 연장성을 단절시키고, 남 -북 내지 북북서 방향으로 발달하는 이들 두 누층군 사이의 충상단층면을 절단한다.

봉화재 지역의 조선누층군은 Lee and Park(1965) 에 의해 돌로마이트층, 석회암층, 석회규산염암층으로 구분하였다. Kihm et al.(1999)과 Kihm and Kim (2003)은 봉화재 지역에 분포하는 조선누층군을 암상 의 특징 및 조합을 기준으로 하부로부터 도리층(주로 엽리상 석회암으로 구성, 리본암과 괴상 석회암이 일 부 협재), 신리층(주로 엽리상 석회암이고, 셰일이 얇 게 협재), 고명리층(주로 괴상의 담회색 내지 회색의 돌로마이트로 구성, 암회색이나 유백색 쳐트가 협재),

Fig. 2. Geological map of Bonghwajae area (modified from Lee and Park, 1965).

단리층(회색의 층상 내지 미약한 엽리상 석회암, 담회 색 엽리상 석회암, 청회색 층상 석회암), 영월층의 문 곡층과 영흥층에 각각 대비되는 덕산층(주로 석회질 부분과 이질 부분이 층상으로 교호하는 리본암이고, 점판암과 괴상 석회암이 협재)과 오치리층(주로 층상, 괴상의 돌로마이트질 석회암이고, 일부 돌로마이트가 협재)(Kihm et al., 1996), 도전리층(주로 청회색의 석 회암과 담회색의 엽리상 석회암이 교호하는 리본암으 로 구성) 등 모두 7개의 층으로 구분하고, 이들을 봉 화재 단층의 이북 영역과 이남 영역에 각각 분포하는 하위층군인 청풍층군(도리층, 신리층, 고명리층, 단리 층)과 상위층군인 덕산층군(덕산층, 오치리층, 도전리 층)으로 구분한 바가 있다. 그리고 연구지역의 지질구 조는 후기 페름기~중기 트라이아스기의 송림 조산운 동 동안에 북동- 과 남서-버전스의 횡와 등사습곡과 전방-후방 충상단층계, 북서 방향의 연속엽리 형성과 관련된 북동-남서 방향의 첫 번째 압축응력, 쥬라기의 대보 조산운동 동안에 남동-버전스의 충상단층과 이에 수반된 북서 방향의 인열단층, 남동-버전스의 개방습 곡과 몇몇의 밀착 등사습곡, 북동 방향의 파랑엽리 형 성과 관련된 동-서 방향의 두 번째 압축응력, 그리고 후기 백악기~제3기초의 불국사 조산운동 동안에 킹크 습곡과 서북서 방향의 대규모 완사습곡 형성과 관련 된 남-북 방향의 세 번째 압축응력 등 3회의 변형작용 을 받아 형성되었음을 보고한 바가 있다.

Kang(1994)와 Kang et al.(2012)은 중부 옥천대에 분포하는 옥천누층군을 구조적 불연속성에 의해 6개 의 지구조단위로 구분한 바가 있고, 봉화재 지역의 옥천누층군은 그들의 최하위 지구조단위에 해당하는

합금리 지구조단위에 분포한다(Fig. 1b). Kang et al.(2012)에 따르면 중부 옥천대의 지체구조는 신생대 이전까지 적어도 다섯 번의 변형작용[후기 원생대~중 기 페름기에 원경기육괴의 열곡작용(D* 변형작용), 후 기 페름기~중기 트라이아기의 D1 옥천-청산 지구조 운동(D1a 옥천 아지구조운동과 D1b 청산 아지구조운 동), 전기~후기 쥬라기의 D2 호남 지구조운동, 전기 백악기의 D3 청마리 지구조운동, 전기 백악기 이후의 D4 금강 지구조운동]과 세 번의 변성작용에 의해 형 성되었고, 중부 옥천대의 열곡작용과 이에 수반된 바 이모달형 화성활동은 후기 원생대 2회, 전기 고생대 1회, 후기 고생대 1회 등 적어도 4회 발생하였다. 옥 천퇴적분지의 형성과정에 있어서 전기 고생대의 열곡 작용은 옥천변성대의 남서부 지역에서 활발하게 발생 하여 합금리 지구조단위에 옥천누층군 하위층군의 주 구성암류인 염기성 화산·심성암류를 그리고 후기 고 생대의 열곡작용은 옥천대의 중앙부에서 활발하게 발 생하여 지양리 지구조단위의 황강리 아지구조단위에 옥천누층군 상위층군의 주 구성암류인 열곡작용의 플 리쉬상(flysch-type) 퇴적암(주로 역질암)과 이와 교호 하는 산성 화산·심성암류를 보다 다량 산출시켰다 (Fig. 1b). 그리고 봉화재 지역의 옥천누층군은 전기 고생대 열곡작용의 산물인 각섬암과 후기 고생대 열 곡작용의 산물인 북노리층의 역질암이 분포한다(Fig.

2). 봉화재 지역의 각섬암은 쏠리아이트질 암계 (tholeiitic rock series)에 해당되며(Lee et al., 1980), 서창리층을 관입하고 북노리층을 관입하지 않는 야외 산상으로부터 관입 시기는 서창리층이 퇴적된 이후 북노리층이 퇴적되기 이전으로 보고된 바가 있다(Lee

Fig. 3. Outcrop photographs of major rock structures related to D1 deformation (Limestones of Joseon Supergroup). (a) F1 tight fold. (b) F1 isoclinal fold. (c) L1 and L2 lineations. Ap: axial plane of fold.

and Park, 1965; Cluzel et al., 1990, 1991; Kihm et al., 1996).

Kang(2001)은 연구지역의 북서부에 위치하고 연구 지역의 옥천누층군과 조선누층군이 연장되는 부산지 역의 지질구조는 북북동-남남서 방향의 압축작용과 관 련된 첫 번째 변형과 동-서 방향의 차별적 압축작용 과 관련된 두 번째 변형 그리고 남-북 방향의 압축작 용과 관련된 세 번째 변형 등 적어도 세 번의 변형 단계를 거쳐 형성되었음을 보고한 바가 있고, 이러한 세 번의 변형작용은 각각 Kang et al.(2012)의 D1a 의 청산 아지구조운동, D2 호남 지구조운동, D3 청 마리 지구조운동에 해당한다.

지질구조

변형된 주요 암석 및 미구조에 대한 기하학적·운 동학적 특성과 중첩된 연성변형 암석구조들의 선후관 계로부터 연구지역에 분포하는 옥천누층군과 조선누 층군에 대한 변형단계별 구조요소를 연구한 결과, 연 구지역의 지질구조는 층리 S0가 형성된 이후에 적어 도 세 번의 변형단계를 거쳐 형성되었음을 알게 되었 다. 본 논문에서는 이들 세 번의 변형단계를 상대적 인 발달순서에 따라 D1, D2, D3 변형 등으로, 각 변형단계 동안에 형성된 엽리와 선구조 그리고 습곡 을 각각 S1, S2, S3 엽리와 L1, L2, L3 선구조 그 리고 F1, F2, F3 습곡 등으로 구분하여 연구지역의 변형단계별 주요 암석 및 미구조의 특성을 기재하면 다음과 같다.

D1 변형

D1 변형구조는 S0 층리가 습곡되어 형성된 F1 밀 착 내지 등사 습곡, F1 습곡의 축면엽리에 해당하는 S1 엽리, S1 엽리면상에서 신장된 광물들의 정향배열 에 의해 정의되는 L1 신장선구조 등으로 인지된다 Fig. 4. Photomicrograph (open nicol) of microstructure related to D1 deformation (Limestones of Joseon Supergroup).

(a) F1 isoclinal microfold (photomicrograph of Fig. 3b). (b) F1 rootless intrafolial microfold, The S0 bedding is completely transposed into the S1 foliation (F1 Ap), forming the S0-1 composite foliation. Ap: axial plane of fold.

Fig. 5. (a) Orientation of structural elements related to D1 deformation and stereoplots (lower-hemisphere equal-area projection) of (b) ploes (p) to S0-1 or S1 foliation (n=111 and contours at 1.5-3-4.5-6% of area), and (c) L1 stretching lineation on S0-1 or S1 foliation.

(Fig. 3). F1 밀착습곡의 축부에서 S0 층리와 S1 엽 리는 고각으로 사교하나, 날개부에서는 거의 평행하게 나타난다(Fig. 3a). 보다 밀착된 F1 등사습곡은 축부 조차 인지하기 어렵고, 날개부의 S0 층리가 F1 습곡 축면으로 완전히 전위되는 뿌리 없는 층간습곡 형태 로 나타난다(Figs. 3b, 4). 그리고 F1 층간습곡의 날 개부에서 S0 층리는 S1 엽리와 완전히 일치하는 S0- 1 복합엽리로 나타난다. 미구조 연구결과 연구지역 광 역엽리의 대부분은 S0 층리가 아닌 신장된 백운모, 석영, 장석, 방해석 등의 신장된 정향배열에 의해 정 의되는 S0-1 복합엽리로 되어 있다(Fig. 4). 따라서 야외에서 일반적으로 관찰되는 광역엽리의 대부분은 층리가 아닌 D1 변형에 의해 형성된 S0-1 복합엽리 이므로 이들에 대한 신중한 구조요소 구분이 요구되 고, 야외에서 노두규모로 이러한 F1 층간습곡을 인지 하기 위해서도 매우 신중한 관찰이 요구된다.

Fig. 5는 D1 변형 구조요소에 대한 방향성을 도시

하고, 이를 등면적망에 투영한 그림이다. S1 엽리 내 지 S0-1 복합엽리는 북서 주향에 남서 방향으로 고각 경사하고, 북북동 내지 남-북 주향에 서쪽으로 중각 경사하는 우세한 방향성이 인지되며, 이후의 변형작 용에 의해 매우 분산되어 있다(Fig. 5a, 5b). 이들 우 세 방향성은 각각 조선누층군과 옥천누층군 구성지층 의 대상 분포방향과 유사하고, 분산된 이들 극점은 주로 북서 방향 내지 북쪽으로 중각 내지 저각 침강 하는 파이(π)-축과 북동 내지 남서 방향으로 저각 침 강하는 파이-축을 갖는 파이-원상에 배열된다(Figs. 2, 5a, 5b). L1 신장선구조는 매우 인지하기 어려우나, 인지된 L1 신장선구조는 남~서 쪽으로 중각 내지 고 각 침강하며 S0-1 복합엽리 상에 사교 내지 경사 방 향으로 발달한다(Fig. 5a, 5c).

D2 변형

S0-1 복합엽리 내지 S1 엽리를 습곡시키는 F2 습

Fig. 6. Outcrop photographs of major rock structures related to D2 deformation (Limestone of Joseon Supergroup).

(a) F2 open fold refolding F1 fold. (b) Superposed F2 fold on S0 bedding, F1 fold and S0-1 composite foliation (partially enlarged view of Fig. 3a). (c) F2 isoclinal fold folding S0-1 composite foliation. (d) L2 crenulation lineation on S0-1 composite foliation. Ap: axial plane of fold.

곡은 개방, 밀착, 등사습곡 등으로 인지되고, 북북동 내지 북북서 방향의 파랑습곡을 수반한다(Fig. 6). F2 습곡의 밀착도는 조선누층군과 옥천누층군의 접촉부 로 갈수록 증가하는 경향을 보인다. 보다 밀착된 F2 등사습곡은 역시 축부 조차 인지하기 어렵고, 날개부 에서 S0-1 복합엽리는 F2 습곡축면에 평행하게 완전

히 전위된 S0-1-2 복합엽리를 형성한다(Figs. 6c, 7).

F2 습곡에 대한 미구조 연구결과, S0 층리는 주로 석영 풍부층과 운모 풍부층의 경계(Fig. 7a-7c, 7f)와 석회질 성분의 우세층과 열세층의 경계(Fig. 7d, 7e) 로 정의된다. F1 습곡은 뿌리 없는 층간습곡 형태로 나타나며, F1 습곡의 축면엽리에 평행한 S0-1 복합엽

Fig. 7. Photomicrograph of major microstructures related to D2 deformation (crossed nicol) [(a-c, f) Seochangri Formation of Ogcheon Supergroup, (d, e) Limestone of Joseon Supergroup]. (a-c) F2 fold is overlapped at F1 fold and cleavage lamella are formed by D2 pressure solution. (d, e) Stylolitic joint is developed along F1 Ap and calcitic vein is observed along F2 Ap. (f) Cleavage lamella are formed with the loss of volume and both limbs of F2 fold by D2 pressure solution. Ap: axial plane of fold. For detailed explanation see the text.

리는 이들 성분층 내에 석영, 운모, 방해석 등 주 구 성광물의 신장된 정향배열에 의해 정의된다(Fig. 7a, 7b). F1 습곡의 축면엽리를 따라서는 D1 변형 동안 에 부피감소를 지시하는 톱니상 절리(stylolitic joint) 가 종종 관찰된다(Fig. 7d, 7e). 이들을 습곡시키는 F2 등사습곡의 축면엽리를 따라서는 S2 파랑엽리와 D2 변형작용 동안에 압력용해에 의해 상당량의 부피 가 감소되었음을 지시하는 벽개 라멜라(cleavage lamella)가 인지된다(Fig. 7a-7c, 7f). 또한 보다 밀착 된 F2 등사습곡은 부분용융에 의한 날개부의 소실로

뿌리 없는 층간습곡 형태로 나타난다(Fig. 7f). 이러 한 F2 등사습곡이 발달하는 날개부의 S0-1 복합엽리 는 F2 습곡축면으로 완전히 전위되어 S0-1-2 복합엽 리로 인지되고, 이러한 복합엽리는 노두규모에서 광 역엽리로 종종 나타난다.

S2 파랑엽리 내지 S0-1-2 복합엽리는 주로 북서 주향에 남서 방향으로 중각 내지 고각 경사하고, 부 분적으로 북북동 주향에 서북서 방향으로 경사한다 (Fig. 8a, 8b). L2 파랑선구조는 S2 엽리의 주향 내 지 사교 방향으로 발달하며, 남남동 내지 북서 방향 으로 중각 내지 저각 침강하는 다소 분산된 방향성 을 보인다(Figs. 3c, 6d, 8a, 8c). F2 습곡작용에 의해 분산된 노두규모 F2 습곡의 양 날개부와 축부 에서 측정된 S0-1 복합엽리의 극점들은 14^o N53^oW 방향의 파이-축을 갖는 가장 적합한 파이-원상에 배 열된다(Fig. 9a). 이러한 파이-축의 방향은 전체 S1 엽리 내지 S0-1 복합엽리의 분산된 방향성과 유사하 다(Fig. 5b).

D3 변형

S0-1 복합엽리와 F2 파랑습곡을 재습곡시키는 F3 습곡은 남-북 방향의 압축작용에 의해 형성된 북동, 북서, 동-서 방향의 개방습곡 내지 공액성 킹크습곡으 로 인지되고(Fig. 10a-10d), F2 파랑습곡에 중첩된 파 랑습곡을 부분적으로 수반한다(Fig. 10e, 10f). F3 습 곡축면에 해당하는 S3 (파랑)엽리는 주로 북동 주향 에 북서와 남동 방향으로 중각 내지 고각 경사하고, 부분적으로 북서 주향에 북동 방향과 동-서 주향에 남 -북 방향으로 중각 내지 고각 경사한다(Fig. 8a, 8d).

F3 습곡축에 해당하는 L3 파랑선구조는 북~북동과 남

~서 쪽으로 저각 내지 중각 침강한다(Fig. 8a, 8e). 노 두규모에서 북동 방향과 북서 방향의 F3 습곡작용에 의해 습곡되어 분산된 S0-1 복합엽리의 극점들은 각각 15^o N47^oE(Fig. 9b)와 36^o N03^oW(Fig. 9c) 방향의 파 이-축으로 갖는 가장 적합한 파이-원상에 배열된다.

미구조 연구결과, 조선누층군 석회암층에서 S0-1 복 합엽리와 F2 파랑습곡을 재습곡시키는 F3 습곡은 남 -북 방향의 압축응력에 의해 형성된 동-서 방향의 개 방 내지 완사 습곡과 북동 방향과 북서 방향의 공액 성 킹크습곡으로 인지된다(Fig. 11). S0-1 복합엽리는 침상광물의 정향배열에 의해 정의되고, F2 습곡의 축 면엽리에 해당하는 S2 파랑엽리를 따라서는 역시 D2 압력용해로부터 잔류된 불용해성 불투명 광물들이 관 Fig. 8. (a) Orientation of structural elements related to

D2 and D3 deformations and stereoplots of (b-c) D2 and (d-e) D3 structural elements (lower-hemisphere equal-area projection). Ap: axial plane of fold, Ax: fold axis, p: poles.

Fig. 9. Characteristic orientations of poles (p) to S0-1 composite foliation dispersed by (a) F2 folding and (b- c) F3 folding (lower-hemisphere equal-area projection).

Ap: axial plane of fold, Ax: fold axis.

찰된다(Fig. 11a, 11b). 옥천누층군 서창리층에서 F3 습곡은 세립 운모류의 결정학적 신장배열(Fig. 11c, 11d)과 석영 및 운모 풍부층의 성분 층리와 이들 구 성광물의 신장배열(Fig. 11e, 11f)에 의해 정의되는 S0-1 복합엽리와 F2 등사습곡을 재습곡시키는 개방 내지 완사 습곡으로 인지된다. F2 습곡의 축면엽리는

S2 파랑엽리로 정의되며, S2 파랑엽리를 따라서는 역 시 F2 습곡작용 동안에 압력용해에 의한 상당량의 부 피감소를 지시하는 벽개 라멜라가 관찰된다(Fig. 11c- 11f). 연구지역에서 F3 습곡이 발달하는 광역엽리의 대부분은 S0 층리 내지 S0-1 복합엽리가 아닌 S0-1 복합엽리의 파랑 습곡작용의 결과로 형성된 S2 파랑 Fig. 10. Outcrop photographs of major rock structures related to D3 deformation [(a-d, f) Joseon Supergroup, (e) Ogcheon Supergroup]. (a, b) Superposed folding of F1, F2 and F3 folds (a: Dolomite, b: Limestone). (c) S-vergence F3 open folds (Limestone). (d) F3 conjugate kink fold (Dolomite). (e) F3 fold superposed on S0-1-2 composite foliation (Seochangri Formation). (f) S3 crenulation cleavage (F3 Ap) superposed on S2 crenulation cleavage (F2 Ap) (Limestone). Ap: axial plane of fold

엽리와 D2 변형작용의 특징인 압력 용해작용의 결과 로 잔류된 불용해성 불투명 광물과 벽개 라멜라에 의 해 정의되는 S0-1-2 복합엽리로 인지된다(Fig. 11). 이 는 연구지역에서 일반적으로 관찰되는 광역엽리는 대 부분이 S0 층리가 아닌 S0-1 복합엽리로 판단되나,

일부 광역엽리는 S0-1-2 복합엽리로 되어 있으며, F3 습곡은 이러한 S0-1-2 복합엽리가 발달하는 구조영역 에서 잘 발달함을 의미한다. 따라서 연구지역의 광역 엽리에 대한 변형단계별 구조요소 구분은 미구조 관 찰과 함께 매우 신중한 분석이 요구된다.

Fig. 11. Photomicrograph of major microstructures related to D3 deformation [(a, b) Limestone of Joseon Supergroup, open nicol, (c-f) Seochangri Formation of Ogcheon Supergroup, crossed nicol]. (a) F3 conjugate kink fold refolding S0-1 composite foliation and S2 crenulation cleavage (F2 Ap) and (b) partially enlarged view of (a). (c) F3 open fold refolding S0-1 composite foliation and F2 crenulation and (d) partially enlarged view of (c). (e) F3 conjugate kink fold refolding S0-1 composite foliation and F2 fold and (f) partially enlarged view of (e). Note that all regional foliations in these thin sections are S0-1-2 foliation. For detailed explanation see the text.

고 찰

Kihm et al.(1999)와 Kihm and Kim(2003)은 연 구지역의 조선누층군과 옥천누층군의 지질구조에 대 한 노두 및 미구조 연구를 통하여 이들 두 지층군은 중생대 동안에 세 번의 변형작용을 경험하였으며, 첫 번째 변형은 송림 조산운동 동안에 북동-남서 방향의 최대 압축응력에 의한 습곡작용이 우세한 변형으로 1 단계 남남서-버전스 횡와 등사습곡, 2단계 남남서-버 전스 전방 충상단층, 3단계 북북동-버전스 후방 충상 단층을 형성시켰고, 두 번째 변형은 대보 조산운동 동안에 동-서 방향의 최대 압축응력에 의한 충상단층 이 우세한 변형으로 남동 또는 동남동-버전스의 충상 단층과 이에 수반된 인열단층, 직립 개방 내지 등사 습곡, 킹크습곡, 파랑습곡 등 다양한 기하의 습곡을 형성시켰으며, 세 번째 변형은 불국사 조산운동 동안 에 남-북 방향의 최대 압축응력에 의한 동-서 내지 서북서-동남동 방향의 대규모 개방습곡을 형성시켰음 을 보고한 바가 있다. 또한 그들은 봉화재 단층의 북 부 구조영역에 분포하는 조선누층군의 광역엽리를 층 리로 간주하고, 이들 엽리가 북쪽으로 가면서 북서~

남북~북북동 방향으로 변화하는 호상 형태의 횡와 등 사습곡과 충상단층 그리고 F1 소습곡 축과 평행한 L1 파랑선구조를 보고하고(Kihm et al., 1999의 Fig.

3), 이들 호상구조는 후기 변형작용의 결과가 아닌 첫 번째 변형작용인 칼집 형태나 A-형 또는 휜면 (curviplannar)의 습곡작용 및 충상단층운동의 결과로 해석한 바가 있다. 그러나 이미 기술한 바와 같이, 미구조 연구결과 연구지역에 분포하는 조선누층군의 광역엽리 대부분은 S0 층리가 아닌 S0-1 내지 S0-1- 2 복합엽리로 확인되고(Figs. 4, 11), 칼집 내지 A-형 습곡이 형성될 당시의 운동방향이 L1 선구조와 F1 소습곡 축의 방향과 일치하는 칼집 내지 A-형 습곡 의 특성(Park, 1988; Gescombe, 1991)을 고려해 볼 때 그들의 270^o~300^o 방향의 L1 파랑선구조는 그들 의 남남서- 내지 북북동-버전스의 D1 변형구조를 형 성시키는 운동방향과 일치하지 않는다. 또한 파랑선 구조는 일반적으로 층리가 아닌 기존에 형성된 구조 엽리가 주름져 파랑습곡이 형성될 당시에 이들 습곡 축에 평행하게 형성되는 선구조로서 이는 L1 파랑선 구조를 습곡축으로 하는 그들의 소습곡들은 첫 번째 습곡이 아닌 적어도 두 번째 습곡일 가능성을 제시한 다. 실제로 그들의 L1 파랑선구조는 본 연구의 L1

신장선구조와 달리 L2 파랑선구조의 방향성과 매우 유사하고(Kihm et al., 1999의 Fig. 2; Figs. 5b, 5c, 8c), 그들의 두 번째 변형구조인 다양한 기하의 습곡 과 이에 수반된 파랑엽리와 파랑선구조의 방향성은 본 연구의 D3 변형구조의 기하 및 방향성과 매우 유사 하다(Kihm et al., 1999의 Fig. 2; Fig. 8d, 8e).

Kang(2001)은 옥천변성대의 북동 선단부에 위치하는 부산지역에서 부산 편마암복합체와 이를 둘러쌓고 있 는 옥천누층군에 대한 변형단계별 구조요소들의 영역 별 방향성 변화와 상대적인 발달정도에 대한 연구를 통하여 부산지역의 지질구조는 적어도 세 번의 변형단 계를 거쳐 형성되었음을 보고한 바가 있다. 그에 따르 면 첫 번째 변형은 북북동-남남서 방향의 압축작용과 관련하여 서북서 방향의 지구조단위들과 칼집 내지 A- 형 등사습곡 그리고 S1 엽리면상에 사교 내지 경사 방 향의 L1 신장선구조를 형성시켰다(Kang, 2001의 Figs.

15, 16, 17). 두 번째 변형은 서북서 방향의 지구조단 위들이 부산 편마암복합체 주변부의 물성 차이[서부와 북부: 박달령 편마암체(강체), 남부: 옥천누층군(비강 체), 동부: 조선누층군(약체)]로 인해 동-서 방향의 차 별적 압축작용을 경험하는 변형단계에 해당한다. D2 변형에 의해 부산 편마암복합체의 폭과 F2 습곡의 밀 착도는 서부 영역에서 동부 영역으로 갈수록 점차적으 로 증가하게 되고, 서북서 방향의 S1 엽리는 점차적으 로 남-북 방향으로 재배열되었으며, 부산지역의 동부 영역에서는 S0-1-2 복합엽리가 우세하게 발달하게 되 었다(Kang, 2001의 Figs. 15, 16, 17). 그리고 세 번 째 변형은 남-북 방향의 압축작용에 의해 동-서 방향 의 킹크 내지 개방 습곡이 형성되는 변형단계로서 D3 변형은 D2 변형에 의해 S1 엽리와 S2 엽리가 남-북 방향성을 보이는 동부 영역에서 우세하게 나타나고, D3 변형에 의해 남-북 방향의 S2 엽리는 부분적으로 북서 내지 북동 방향으로 재배열되었다(Kang, 2001의 Figs. 15, 16, 17). 그리고 본 연구결과 연구지역의 북 서부에 위치하고, 연구지역의 옥천누층군과 조선누층 군이 북북서 방향으로 연장되는 부산지역의 이러한 세 번의 변형작용은 연구지역의 지질구조와 밀접한 연관 성이 있는 것으로 고찰된다. 따라서 지금까지 기재된 봉화재 지역의 변형단계별 주요 암석 및 미구조의 특 징으로부터 이러한 연관성을 고찰해 보면 다음과 같다.

연구지역의 지질구조는 역시 적어도 세 번의 변형 단계를 거쳐 형성되었다. S0-1 복합엽리와 F2 파랑습 곡을 재습곡시키는 F3 습곡은 부산지역과 동일한 남

-북 방향의 압축작용에 의해 형성된 북동, 북서, 동- 서 방향의 개방습곡 내지 공액성 킹크습곡으로 인지 되고, 거의 동일한 습곡축면과 습곡축의 방향성을 보 인다(Kang, 2001의 Fig. 6; Fig. 8). 그리고 연구지 역의 F3 습곡은 S0-1-2 복합엽리가 발달하는 구조영 역에서 우세하게 나타나는데(Fig. 11), 이는 부산지역 에서 F3 습곡이 D2 동-서 방향의 압축응력에 의한 F2 습곡의 밀착도(D2 변형강도)가 크고, 이로 인해 S1 엽리와 S2 엽리가 남-북 방향의 S0-1-2 복합엽리 를 형성하고 있는 동부 영역에서 우세하게 산출되는 점과 일치한다(Kang, 2001). 그러나 연구지역의 S2 파랑엽리 내지 S0-1-2 복합엽리는 남-북 방향성이 아 닌 주로 북서 주향과 부분적으로 북북동 주향으로 나 타나는데(Fig. 8a, 8b), 이는 D2 변형이 우세한 부산 지역 동부 영역과 같이 남-북 방향의 S2 엽리 내지 S0-1-2 복합엽리는 D3 남-북 압축변형에 의해 북서 내지 북북동 방향으로 재배열되었기 때문인 것으로 해석된다(Kang, 2001).

연구지역의 F2 습곡은 S0-1 복합엽리 내지 S1 엽 리를 습곡시키는 개방, 밀착, 등사습곡 등으로 인지된 다(Fig. 6). 보다 밀착된 F2 등사습곡은 날개부의 S0-1 복합엽리가 F2 습곡축면으로 완전히 전위되어 S0-1-2 복합엽리를 형성하는 뿌리 없는 층간습곡 형 태로 나타난다. S0-1-2 복합엽리를 따라서는 압력용 해에 의한 상당량의 부피가 감소되었음을 지시하는 불용해성 불투명 광물과 벽개 라멜라가 인지된다 (Figs. 7, 11). 그리고 이러한 S0-1-2 복합엽리는 노 두 규모에서 광역엽리로 빈번히 관찰된다. 이는 부산 지역 동부 영역의 연장선상에 위치하는 연구지역은 부산지역의 동부 영역과 같이 D2 동-서 방향의 압축 변형을 상당히 수용하였으며, D2 변형 이전에 서북서 방향으로 추정되는 S0-1 복합엽리는 이러한 D2 변형 에 의해 대부분이 남-북 방향으로 재배열되었음을 의 미한다(Kang, 2001의 Figs. 15, 16, 17).

연구지역의 D1 변형은 F1 밀착, 등사, 뿌리 없는 층간습곡과 S0-1 복합엽리 그리고 S0-1 복합엽리면상 에 사교 내지 경사 방향의 L1 신장선구조를 형성시켰 고, 부산지역과 같이 D1 변형은 매우 우세하여 광역 엽리의 대부분은 S0 층리가 아닌 S0-1 복합엽리로 인 지된다(Figs. 3, 4). S0-1 복합엽리는 조선누층군과 옥 천누층군 구성지층의 대상 분포방향과 유사한 북서, 북동, 남북 방향이 우세하게 나타나고, 이후의 F2와 F3 습곡작용에 의해 매우 분산되어 있다(Figs. 2, 5,

9). 그리고 상기된 바와 같이 연구지역의 D2 변형과 D3 변형이 연구지역의 조선누층군과 옥천누층군이 연 장되는 부산지역 동부 영역과 매우 유사함을 고려해 볼 때, 연구지역의 D1 변형구조는 부산지역과 같이 북북동-남남서 방향의 압축작용에 의해 형성된 것으 로 추정되며, D1 변형 이후에 서북서 방향의 S0-1 복합엽리는 동-서 방향의 D2 압축작용과 남-북 방향 의 D3 압축작용에 의해 현재와 같이 북서, 북북동, 남-북 방향 등으로 재배열된 것으로 보인다.

결 론

지금까지 기재된 변형된 주요 암석 및 미구조에 대 한 기하학적·운동학적 특성과 중첩된 이들 변형구 조의 선후관계 그리고 기존 연구결과에 대한 비교·

검토로 부터 충청북도 제천시 수산면 봉화재 지역에 분포하는 조선누층군과 옥천누층군의 각 변형단계별 구조적 특성과 변형작용사를 연구한 결과는 다음과 같다.

1. 연구지역에서 일반적으로 관찰되는 광역엽리의 대부분은 S0 층리가 아닌 신장된 광물들의 정향배열 에 의해 정의되는 S0-1 복합엽리로 되어 있고, 일부 는 압력용해에 의한 상당량의 부피감소를 지시하는 불용해성 불투명 광물과 벽개 라멜라의 정향배열로 정의되는 S0-1-2 복합엽리로 인지된다. 따라서 야외 에서 이들에 대한 신중한 구조요소 구분이 요구된다.

2. 연구지역의 지질구조는 적어도 세 번의 변형단 계를 거쳐 형성되었다. D1 변형은 북북동-남남서 방 향의 압축작용 하에 발생하여 F1 밀착, 등사, 뿌리 없는 층간습곡과 S0-1 복합엽리 내지 S1 엽리 그리 고 S1 엽리면 상에 사교 내지 경사 방향의 L1 신장 선구조를 형성시켰다. D2 변형은 동-서 방향의 압축 작용 하에 발생하여 우세한 파랑습곡을 수반하는 F2 개방, 밀착, 등사, 뿌리 없는 층간습곡과 S0-1-2 복합 엽리 내지 S2 파랑엽리 그리고 S2 엽리의 사교 내지 주향 방향으로 발달하는 L2 파랑선구조를 형성시켰 고, D2 변형 이전에 서북서 방향으로 형성된 S1 엽 리는 D2 변형에 의해 대부분이 S2 엽리와 평행한 남 -북 방향으로 재배열되었다. D3 변형은 남-북 방향의 압축작용 하에 발생하여 부분적으로 파랑습곡을 수반 하는 북동, 북서, 동-서 방향의 개방습곡 내지 공액성 킹크습곡을 형성시켰고, D2 변형 이후 남-북 방향의 S1 엽리와 S2 엽리는 D3 변형에 의해 주로 북서, 북

북동, 남북 방향으로 현재와 같이 재배열되었다.

3. 연구지역의 이러한 변형단계별 지질구조 발달사 는 연구지역의 조선누층군과 옥천누층군이 북북서 방 향으로 연장되는 부산지역과 매우 유사하며, 이들 연 구결과는 추후 옥천변성대의 북동 선단부에서 옥천대 의 지구조 발달과정을 해석하는데 매우 유용하게 활 용될 것으로 기대된다.

사 사

이 연구는 2012년도 한국지질자원연구원의 “국내 희유금속자원 탐사 및 활용기술개발” 과제의 지원으 로 수행되었다. 이 논문의 심사과정에서 유익한 의견 을 주신 두 분의 심사위원께 감사드린다.

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2014년 5월 09일 접수 2014년 5월 09일 심사개시 2014년 5월 22일 채택