Geological Structure of the Metamorphic Rocks in the Muju-Seolcheon Area, Korea: Consideration on the Boundary of Ogcheon Belt and Ryeongnam Massif

무주-설천 지역 변성암류의 지질구조:

옥천벨트와 영남육괴의 경계부 고찰

강지훈*

안동대학교 지구환경과학과

Geological Structure of the Metamorphic Rocks in the Muju-Seolcheon Area, Korea: Consideration on the Boundary of

Ogcheon Belt and Ryeongnam Massif

Ji-Hoon Kang*

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

요 약: 옥천벨트와 영남육괴의 경계부에 위치하는 것으로 알려져 있는 무주-설천 지역은 시대미상 내지 선 캠브리아기 변성암류[호상흑운모편마암, 변성퇴적암류(흑색천매암, 운모편암, 결정질석회암, 규암), 화강암질편 마암, 각섬암], 중생대 퇴적암류와 화성암류로 구성되어 있다. 이 연구에서는 주요 변형된 암석구조의 기하학 적·운동학적적 특성과 중첩된 변형구조들의 선후관계로부터 무주-설천 지역 변성암류의 변형단계별 구조적 특 성을 규명하고, 기존에 보고된 연대학적, 지화학적, 구조지질학적 자료와 함께 옥천벨트와 영남육괴 사이의 경 계 위치를 고찰하였다. 연구지역의 지질구조는 적어도 네 번의 변형단계(Dn-1, Dn, Dn+1, Dn+2 변형)를 걸 쳐 형성되었다. Dn-1 변형은 광역엽리 Sn이 형성되기 이전에 발생하여 Fn 습곡에 의해 습곡되는 Sn-1 엽리 를 형성시켰다. Dn 변형은 광역엽리 Sn을 형성시킨 변형작용이다. Sn 엽리는 변성암류의 대상 분포 방향과 일치하는 북동 방향으로 우세한 방향성을 보인다. Fn 습곡축이 신장선구조의 방향과 일치하는 A-형습곡 내 지 칼집습곡은 결정질석회암에서 노두규모로 종종 관찰된다. Dn+1 변형은 광역엽리 Sn을 습곡시키는 변형작 용으로 북북서~남북 방향의 압축응력 하에서 발생하여 동북동~동서 방향의 Fn+1 습곡을 형성시켰다. 광역엽 리 Sn은 주로 Fn+1 습곡작용에 의해 재배열되어, 분산된 Sn 엽리의 극점배열의 파이-축의 방향성은 Fn+1 습 곡축의 우세한 방향성과 거의 일치한다. Dn+2 변형은 Sn 엽리와 Sn+1 엽리를 습곡시키는 변형작용으로 동 서 방향의 압축응력 하에서 발생하여 남북 방향의 Fn+2 개방습곡을 형성시켰다. 그리고 이러한 네 번의 변 형작용은 무주-설천 지역의 옥천벨트와 영남육괴에서 모두 관찰되고, 무주-설천 지역에서 이들 지체구조구를 구분할 수 있는 구조적 특성과 차이점은 관찰할 수 없었다. 지화학적 자료와 연대학적 자료에 따르면, 무주- 설천 지역 일대 변성암류의 형성시기 내지 변성시기는 중기~후기 고원생대이다. 이는 이 지역에서 산출되는 결정질석회암은 적어도 중기 고원생대 이전에 퇴적되었음을 지시하고, 이러한 퇴적시기는 최근에 보고된 옥 천누층군의 지질시대(신원생대~후기 고생대)와 다르다. 따라서 지금까지의 연구결과를 고찰해 볼 때, 무주-설 천 지역에서 결정질석회암을 포함하는 변성퇴적암류를 시대미상의 옥천층군으로 추정하여 설정된 옥천벨트와 영남육괴 사이의 지체구조구 구분은 재고될 필요가 있다.

핵심어: 무주-설천 지역, 지질구조, 결정질석회암, 옥천변성대와 영남육괴의 경계

Abstract: The Muju-Seolcheon area, which is known to be located in the boundary of Ogcheon Belt and Ryeongnam Massif (OB-RM), consists of age unknown or Precambrian metamorphic rocks (MRs) [banded biotite gneiss, metasedimentary rocks (black phyllite, mica schist, crystalline limestone, quartzite), granitic gneiss, hornblendite], Mesozoic sedimentary and igneous rocks. In this paper are researched the structural characteristics of each deformation phase from the geometric and kinematic features and the developing

*Corresponding author Tel: +82-54-820-5474 E-mail: [email protected]

sequence of multi-deformed rock structures of the MRs, and is considered the boundary location of OB- RM with the previous geochemical, radiometric, structure geological data. The geological structure of this area is at least formed through four phases (Dn-1, Dn, Dn+1, Dn+2) of deformation. The Dn-1 is the deformation which took place before the formation of Sn regional foliation and formed Sn-1 foliation folded by Fn fold. The Dn is that which formed the Sn regional foliation. The predominant Sn foliation shows a NE direction which matches the zonal distribution of MRs. A-type or sheath folds, in which the Fn fold axis is parallel to the direction of stretching lineation, are often observed in the crystalline limestone. The Dn+1 deformation, which folded the Sn foliation, took place under compression of NNW~NS direction and formed Fn+1 fold of ENE~EW trend. The Sn foliation is mainly rearranged by Fn+1 folding, and the π-axis of Sn foliation, which is dispersed, shows the nearly same direction as the predominant Fn+1 fold axis. The Dn+2 deformation, which folded the Sn and Sn+1 foliations, took place under compression of E-W direction, and formed open folds of N-S trend. And the four phases of deformation are recognized in all domains of the OB-RM, and the structural characteristics and differences to divide these tectonic provinces can not be observed in this area. According to the previous geochemical and radiometric data, the formation or metamorphic ages of the MRs in and around this area were Middle~Late Paleproterozoic. It suggests that the crystalline limestone was at least deposited before Middle Paleproterozoic. This deposition age is different in the geologic age of Ogcheon Supergroup which was recently reported as Neoproterozoic~Late Paleozoic. Therefore, the division of OB-RM tectonic provinces in this area, which regards the metasedimentary rocks containing crystalline limestone as age unknown Ogcheon Group, is in need of reconsideration.

Keywords: Muju-Seolcheon area, geological structure, crystalline limestone, boundary of Ogcheon Belt and Ryeongnam Massif

서 론

한반도의 주요 지체구조구는 북으로부터 경기육괴, 옥천벨트, 영남육괴, 경상분지 등으로 구분된다. 그러 나 경기육괴와 옥천벨트 그리고 옥천벨트와 영남육괴 의 경계부는 각각 광범위하게 분포하는 중생대 화성 암류 그리고 시대미상 변성암류로 인해 이들 지체구 조구 사이의 경계는 아직까지 명확하지 않다.

1: 1,000,000 한국지체구조도(KIGAM, 2001)에 따 르면, 무주-설천 지역은 옥천벨트와 영남육괴의 경계 부에 위치하고, 그 경계부를 따라서는 단층과 그 주 변부에는 연성전단대가 발달한다(Fig. 1). 1: 250,000 대전도폭(Lee et al., 1996)의 남동부와 안동도폭 (Hwang et al., 1996)의 남서부 그리고 1: 50,000 무주도폭(Hong et al., 1980)의 남동부와 설천도폭 (Yun and Park, 1968)의 남서부의 일부 영역을 각각 점하고 있는 무주-설천 지역의 구성암류는 크게 시대 미상 내지 선캠브리아기 변성암류와 중생대 퇴적암류 와 화성암류로 구분된다. 그러나 무주-설천 지역 변성 암류의 생성 시기 및 기원은 이들 도폭 조사자들 사 이에 견해를 달리하고, 옥천벨트와 영남육괴의 경계 부에 위치하는 무주-설천 지역에서 변성암류의 지질 구조에 대한 연구는 거의 수행된 바가 없다.

따라서 이 연구에서는 무주-설천 지역 변성암류에 서 관찰되는 주요 변형구조의 기하학적 · 운동학적 특 성과 중첩된 변형구조들의 선후관계로부터 연구지역 변성암류의 변형단계별 구조적 특성을 규명하고, 이 를 바탕으로 최근에 보고된 옥천누층군의 지질시대 (e.g. Kang et al., 2012, 2017)와 무주-설천 지역을 중심으로 기존에 보고된 변성암류의 절대연령 자료와 지화학적 자료(Cheong and Na, 2008; Kim, J.M.

et al., 2009; Kim, N.H. et al., 2009; Kim et al., 2012; Lee et al., 2005; Lee et al., 2010; Oh et al., 2013; Park, 1996)를 종합하여 무주-설천 지역에 서 옥천벨트와 영남육괴 사이의 지체구조적 경계를 고찰해 보았다.

지질개요

무주군, 영동군, 금산군의 접경지대에 위치하는 무 주-설천 지역은 선캠브리아기 호상흑운모편마암, 시대 미상의 변성퇴적암류(흑색천매암, 운모편암, 결정질석회 암, 규암)와 이를 관입하는 화강암질편마암과 각섬암, 중생대 만계리 역암과 화성암류(화산암류, 반상화강암, 석영반암, 황반암, 석영맥)로 구성되어 있고, 변성암류 의 구성암류는 일반적으로 북동 방향으로 대상 분포

를 보인다(Fig. 2).

호상흑운모편마암은 연구지역의 남동부에 광범위하 게 분포한다(Fig. 2). 주로 석영과 장석류로 구성된 우백대와 주로 흑운모로 구성된 우흑대가 교호하는 호상구조를 특징으로 하고, 곳곳에 규암을 렌즈상으 로 협재한다. 1: 50,000 설천도폭(Yun and Park, 1968)에서는 이 암석을 선캠브리아기의 퇴적암류에 후기의 화성물질이 주입되어 형성된 시대미상의 주입 편마암으로 기재하였고, 무주도폭(Hong et al., 1980)

에서는 퇴적 잔류물을 함유하는 이질 또는 사질 기원 의 최고기 호상흑운모편마암으로 기재한 바가 있다.

그리고 1: 250,000 대전도폭(Lee et al., 1996)과 안 동도폭(Hwang et al., 1996)에서는 이 암석을 각각 선캠브리아기 소백산편마암복합체의 호상편마암과 흑 운모편마암으로 기재하여 연구지역의 최고기층으로 설정한 바가 있다. 즉 연구지역이 포함된 이들 도폭 의 조사자들은 공통적으로 이 암석을 준편마암류로 기재하였으며, 변성퇴적암류를 최고기층으로 하는 설 Fig. 1. The locality of study area in the (a) tectonic map of Korea (1: 1,000,000) (KIGAM, 2001), (b) Daejon (left D) (Lee et al., 1996) and Andong (right A) (Hwang et al., 1996) sheets (1: 250,0000), and (c) Muju (left M) (Hong et al., 1980) and Seolcheon (right S) (Yun and Park, 1968) sheets (1: 50,000). For detailed explanation, see these sheets and map and https://mgeo.kigam.re.kr/map/geology. For reference, the boundary (bdy) of Ogcheon Belt (OB) and Ryeongnam Massif (RM) and the shear zones (SZ) on the 1: 250,000 and 1: 50,000 geological sheets modified after the 1: 1,000,000 tectonic map of Korea.

천도폭을 제외하고는 이 암석을 모두 연구지역의 최 고기층으로 해석하였다.

변성퇴적암류는 흑색천매암, 운모편암, 결정질석회 암, 규암으로 되어 있다(Fig. 2). 흑색천매암은 연구지 역의 남서부에 주로 분포하고, 중앙 북부에 소규모로 분포한다. 운모편암은 연구지역의 북동부에 주로 분 포하고, 중앙 서부에 극소량 분포한다. 결정질석회암 은 연구지역의 중앙 서부에 주로 분포하고, 중앙 북 부에 산재되어 분포한다. 규암은 주로 연구지역의 남 동부에서 산재되어 분포한다. 연구지역 변성퇴적암류 는 호상흑운모편마암, 화강암질편마암, 중생대 화성암 류 내에 다양한 규모의 렌즈상 포획체로 산재되어 주 로 북동 방향으로 분포하는 산상적 특징을 보인다.

변성퇴적암류의 층서적 위치와 지질시대는 관련 도폭 조사자들 사이에 견해를 달리한다. 설천도폭(Yun and Park, 1968)에서는 호상흑운모편마암(주입편마암) 형 성 이전의 최고기 퇴적암류로, 대전도폭(Lee et al., 1996)에서는 호상흑운모화강암과 후술될 화강암질편 마암의 상부에 위치하는 시대미상의 옥천층군 구성암

류로, 안동도폭(Hwang et al., 1996)에서는 호상흑운 모화강암의 상부에 위치하고 화강암질편마암에 관입 되는 선캠브리아기 소백산편마암복합체의 편암류로, 그리고 무주도폭(Hong et al., 1980)에서는 호상흑운 모화강암의 상부에 위치하고 화강암질편마암에 관입 되는 시대미상의 옥천층군 구성암류로 해석한 바가 있다. 즉 설천, 안동도폭에서는 각각 호상흑운모편마 암의 하부와 상부에 위치하는 선캠브리아기 소백산편 마암복합체의 편암류로 해석한 반면에 대전, 무주도 폭에서는 호상흑운모편마암 상부에서 각각 화강암질 편마암과 관계미상과 이에 관입되는 시대미상의 옥천 층군으로 해석하였다. 그리고 1: 1,000,000 한국지체 구조도(KIGAM, 2001)는 후자의 해석을 수용하여 무 주-설천 지역에서 옥천벨트와 영남육괴 사이의 경계를 호상흑운모편마암 내에 발달하는 북동 방향의 단층을 따라 설정한 것으로 추정된다(Fig. 1).

화강암질편마암은 연구지역의 중앙부에서 북동 방향 의 대상 분포를 보이며 광범위하게 분포하고, 다양한 규 모의 호상흑운모편마암과 변성퇴적암류를 포획체로 자

Fig. 2. Geological map of the study area [modified from Yun and Park(1968) and Hong et al.(1980)].

주 협재한다(Fig. 2). 일반적으로 조립질이며 등립질인 괴상의 등립상조직을 보이고, 곳에 따라서 미약한 편 마상 구조를 발달시킨다. 이 암석의 성인은 호상흑운 모편마암 내지 변성퇴적암류를 관입하는 화성기원의 정편마암(Hwang et al., 1996; Lee et al., 1996;

Yun and Park, 1968)과 퇴적기원의 준편마암(Hong et al., 1980)으로 분류된 바가 있고, Hong et al.

(1980)은 이 암석을 주입편마암의 화강암질 성분과 동 일한 성인으로 해석한 바가 있다. 이 암석의 지질시 대는 선캠브리아기(Hwang et al., 1996; Lee et al., 1996) 내지 시대미상(Hong et al., 1980; Yun and Park, 1968)으로 보고된 바가 있다. 최근 Oh et al.

(2013)은 연구지역 내 무주군 왕정리 지역에서 화강 암질편마암(우백질복운모 혹은 우백질흑운모화강암) 의 전암성분 분석치와 SHRIMP 저어콘 연대자료로부 터 이 암석이 1,875±75 Ma에 대륙 충돌 환경에서 형 성된 S-type 화강암임을 제시하고, 화강암질편마암 내 에 포획체 형태로 나타나는 무주 구상 화강편마암으 로부터 추출된 모나자이트의 SHRIMP 연대자료로부 터 구상 화강편마암을 형성시킨 변성작용 시기를 1,867±4 Ma로 제시한 바가 있다.

각섬암은 연구지역 남동부에서 호상흑운모편마암을 관입하며 동북동 방향으로 길게 분포한다(Fig. 2). 주 로 암녹색의 조립질 각섬석으로 구성되어 있으며, 미 약한 엽리가 발달한다.

백악기 영동층군의 하부층에 해당하는 만계리 역암 은 연구지역의 북부에 주로 분포한다(Fig. 2). 화강암 질편마암을 부정합으로 피복하거나 단층으로 접촉하 고, 백악기 화성암류에 의해 관입되거나 포획되어 산 출한다(Fig. 2). 중생대 화성암류는 변성암류와 퇴적 암류를 관입하며 연구지역 전역에서 다양한 규모로 산출한다(Fig. 2).

야외에서 인지되는 주요 습곡구조로는 뿌리 없는 층간습곡(rootless intrafolial fold), A-형습곡(A-type fold), 칼집습곡(sheath fold), 양 날개부의 밀착도에 의한 구분되는 등사(isoclinal), 밀착(tight), 개방(open), 완사(gentle) 습곡, 공액성 습곡, 킹크습곡(kink fold), 그리고 주 습곡에 수반되어 나타나는 기생습곡인 S자 형과 Z자형 비대칭습곡과 M자형 대칭습곡 등이 있 다. 이들 습곡은 서로 방향성을 달리하거나 동일 노 두에서 중첩되어 산출한다.

지질도에서 인지되는 주요 단층으로는 1: 50,000 무주도폭(Hong et al., 1980)와 1: 250,000 대전도폭

(Lee et al., 1996)에서 보고된 만계리 역암과 화강암 질편마암 사이에 발달하는 북동 방향의 단층과 화강 암질편마암과 호상흑운모편마암 내에 다양한 규모로 발달하는 북동, 남북 방향의 단층이 있다(Figs. 1b, 1c, 2). 1: 1,000,000 한국지체구조도(KIGAM, 2001) 에서 옥천벨트와 영남육괴를 구분하는 북동 방향의 경계 단층은 호상흑운모편마암 내 북동 방향의 단층 을 따라 발달하고, 그 경계 단층의 남동부에는 이와 평행한 2조의 연성전단대가 발달한다(Fig. 1).

지질구조

무주-설천 지역 변성암류에 대한 변형단계별 구조요 소를 연구한 결과, 이 지역의 지질구조는 적어도 네 번 의 변형단계를 걸쳐 형성되었다. 따라서 이 논문에서는 편의상 광역엽리를 Sn이라고, Sn 광역엽리를 형성시킨 변형을 Dn 변형이라고 각각 표현하고, 상대적인 발생 순서에 따라 그 이전의 변형단계를 Dn-1 변형, 그 이후 의 변형단계를 Dn+1 변형과 Dn+2 변형이라고 하여 무 주-설천 지역 변성암류의 변형단계별 구조적 특성을 기 재한다. 또한 무주-설천 지역에서 옥천벨트와 영남육괴 각각의 변형단계별 구조적 특성과 차이점을 고찰하기 위하여 이들 지체구조구의 경계 단층(KIGAM, 2001)의 북서부에 분포하는 소위 옥천층군의 결정질석회암(Hong et al., 1980; Lee et al., 1996)과 그 외 변성암류로 구분하여 각각의 변형단계별 구조적 특성을 분석·비교 해 보았다.

Dn-1 변형

이 지역의 최고기 변형구조인 Dn-1 변형구조는 Fn 습곡에 의해 습곡된 Sn-1 엽리로 인지된다(Fig. 3).

구성광물들의 신장된 배열에 의해 정의되는 Sn-1 엽 리는 변성퇴적암류 보다는 지체구조구의 경계 단층의 북서부와 남동부에 분포하는 호상흑운모편마암에서 용이하게 관찰된다(Fig. 4a). Sn-1 엽리의 우세한 방 향성은 북서 주향에 북동 방향으로 경사하고, 이후의 변형작용에 의해 분산되어 있으며(Fig. 4a, 4b), Sn-1 엽리 형성과 관련된 Fn-1 습곡은 인지할 수가 없었다 (Fig. 3).

Dn 변형

Dn 변형으로 형성된 Fn 습곡은 Sn-1 엽리의 습곡 에 의해 정의된다. Fn 습곡은 이 지역에서 일반적으

로 관찰되는 광역엽리 형성과 관련된 습곡으로, Fn 습곡축면에 평행한 광역엽리 Sn을 형성시켰다(Fig.

3). Fn 습곡은 편마암류에서는 양 날개부가 이루는 각도가 10°~90° 범위를 보이는 밀착습곡 내지 0°~10° 범위를 보이는 등사습곡 형태로 나타난다(Fig.

3a, 3b). 그리고 변성퇴적암류에서는 등사습곡 내지 양 날개부를 거의 인지할 수 없고 축부만 고립되어 나타나는 뿌리 없는 층간습곡 형태로 나타난다(Fig.

3c, 3d). Fn 등사습곡 내지 뿌리 없는 층간습곡에서 는 그 양쪽 날개부의 Sn-1 엽리는 Fn 습곡축면으로 전위되어 Sn 엽리와 거의 일치하는 방향성을 보인다.

따라서 변성퇴적암류가 분포하는 영역에서 Sn-1 엽리 는 Sn 엽리와 거의 일치하여 인지하기가 어렵다. 그 리고 Sn-1 엽리와 Sn 엽리의 복합엽리면 상에서는 신장된 광물들의 정향배열(preferred orientation)에 의 해 정의되는 Ln 신장선구조가 관찰되고, Ln 신장선

구조는 Fn 습곡축의 방향과 거의 일치하는 열린 납 작 타원 형태의 A-형습곡(Fig. 3c)과 닫힌 납작 타원 형태의 칼집습곡(Fig. 3d)은 결정질석회암에서 종종 관찰된다.

Dn 변형구조의 방향성은 이후의 Dn+1과 Dn+2 변형 작용에 의해 분산되어 있다(Fig. 4a, 4c). Fn 습곡축의 방향과 일치하는 Ln 신장선구조는 주로 남북~동북동 방 향으로 저각~중각 침강하거나 남서 방향으로 저각 침강 하는 분산된 방향성을 보인다. Fn 습곡축면에 해당하는 Sn 엽리는 북북동~동북동 주향에 (북)북서 내지 동남동 방향으로 중각~고각 경사하는 집중된 방향성을 보이며 분산되어 있다. 분산된 Sn 엽리의 극점들은 결정질석회 암이 분포하는 영역에서는 031°(선주향)/30°(선경사) 방 향의 파이-축(π-axis)을 갖는 탁월한 파이-원(π-circle) 상 에 배열된다(Fig. 4d). 그 이외의 변성암류가 분포하는 영역에서는 047°/25° 방향의 파이-축을 갖는 다소 미약 Fig. 3. Outcrop photographs of major rock structures deformed in the Dn-1 and Dn phases. (a) Fn fold folding Sn- 1 foliation (No. 136: banded biotite gneiss). (b) Sn-1 foliation and FnAp refolded by Fn+1 fold (No. 137: banded biotite gneiss). (c) A-type Fn fold, (d) sheath Fn fold (arrow marks) (No. 113: crystalline limestone). Ap: fold axial plane, Ax: fold axis, Ln: stretching lineation. For detailed explanation and outcrop sites, see the text and Fig. 4a.

한 파이-원 상에 배열된다(Fig. 4e). 그리고 이들 영역에 서 분산된 Sn 엽리의 극점배열로부터 인지된 파이-축의 방향성은 매우 유사하며, 후술될 이 지역 전체의 Fn+1 습곡축의 우세한 방향성과 거의 일치한다.

Dn+1 변형

Fn+1 습곡은 Sn-1과 Sn 엽리들의 습곡에 의해 정 의된다. Sn 엽리가 보다 탁월하게 발달하고 보다 연 성인 결정질석회암에서 Fn+1 습곡은 밀착습곡 내지 등사습곡으로 나타나고, Fn+1 습곡작용에 수반되어 형성된 S자형, Z자형 비대칭습곡과 M자형 대칭습곡 이 빈빈히 관찰된다(Fig. 5). Sn 엽리가 보다 미약하 게 발달하고 보다 취성인 편마암류에서 Fn+1 습곡은

양 날개부의 이루는 각도가 90°~170° 범위를 보이는 개방습곡 내지 170°~180° 범위를 보이는 완사습곡으 로 나타나고, 두 개의 습곡축면을 갖는 공액성 습곡 과 습곡축부가 각진 킹크습곡도 가끔 관찰된다(Figs.

3b, 6).

Dn+1 변형구조의 방향성은 이후의 Dn+2 변형작용 에 의해 다소 분산되어 있다(Fig. 7a, 7b). Fn+1 습 곡축면에 해당하는 Sn+1 엽리는 주로 동북동~동서 주향에 북북서~북쪽으로 중각 경사하고, 부분적으로 북동과 북서 주향에 북서 내지 북동 방향으로 중각~

고각 경사하는 분산된 방향성을 보인다. Fn+1 습곡축 에 해당하는 Ln+1 선구조는 주로 (북)북동 방향으로 저각~중각 침강하고, 부분적으로 남동 방향으로 저각 Fig. 4. (a) Orientations of the Dn-1 and Dn structural elements. (b-e) Stereoplots of the (b) Dn-1 and (c-e) Dn [(c) all, (d) crystalline limestone, (e) non-crystalline limestone metamorphic rocks] structural elements. Lower- hemisphere equal-area projection, Numbers (110, 111, 113, 115, 122, 136, 137): outcrop sites. For detailed explanation, see the text.

Fig. 5. Outcrop photographs of major rock structures deformed in the Dn+1 and Dn+2 phases in the crystalline limestone [(a-e) No. 111, (f) No. 113, (g) No. 110 outcrop sites]. (a) Whole photograph, and (b-e) partial enlarged photographs of (a) [(a) S-shaped asymmetric Fn+1 major fold folding the Sn regional foliation, (b, c) M-shaped symmetric and (d) Z-shaped asymmetric Fn+1 parasitic folds, (e) Sn foliation and Fn+1Ap refolded by Fn+2 fold].

(f) M-shaped symmetric Fn+1 fold. (g) Fn+2 fold folding the Sn foliation. Ap: fold axial plane. For detailed explanation and outcrop sites, see the text and Fig. 4a.

침강하는 분산된 방향성을 보인다. 이러한 Fn+1 습곡 축의 우세한 방향성은 전술된 결정질석회암의 분포영 역과 그 이외 변성암류의 분포영역에서 Sn 엽리들의 분산된 극점배열로부터 인지된 파이-축들의 방향성과 거의 일치한다(Figs. 4d, 4e, 7b).

Fn+1 습곡에 의해 분산된 Sn 엽리의 방향성 특성 을 파악하기 위해 Fn+1 습곡이 탁월하게 발달하는 노두규모에서 Fn+1 습곡에 의해 습곡된 Sn 엽리의 방향성을 측정하였다. No. 111 결정질석회암 노두에 서 측정된 Sn 엽리의 극점들은 029°/22° 방향의 파이 -축을 갖는 탁월한 파이-원상에 배열된다(Fig. 8a). 이

러한 Sn 엽리의 극점배열은 No. 113 결정질석회암 (Fig. 8b)과 No. 115 호상흑운모편마암(Fig. 8c) 노두 들에서도 각각 인지된다. 또한 노두규모에서 분석된 이러한 Sn 엽리의 극점배열은 전술된 결정질석회암의 분포영역과 그 이외 변성암류의 분포영역에서 Sn 엽 리의 극점배열, 그리고 이 지역 전체에서 측정된 Sn 엽리의 극점배열과 거의 일치한다(Figs. 4c-4e, 8a-8c).

Dn+2 변형

Fn+2 습곡작용은 Sn과 Sn+1 엽리들을 습곡시키는 변 형작용이다(Fig. 5e, 5g). 주로 남북 주향에 동쪽으로 중 Fig. 6. Outcrop photographs of major rock structures deformed in the Dn+1 phase in the non-crystalline limestone metamorphic rocks. (a) Whole photograph, (b) partial enlarged photographs of (a) (No. 115). (c) Fn+1 box fold (No. 122). For detailed explanation and outcrop sites, see the text and Fig. 4a.

각~고각 경사하는 습곡축면(Sn+2 엽리)과 남쪽 내지 북 쪽으로 저각~중각 침강하는 습곡축(Ln+2 선구조)를 갖 는 Fn+2 개방습곡을 형성시켰다(Fig. 7a, 7c). No. 111 결정질석회암 노두에서 Fn+2 습곡작용에 의해 분산된

Sn 엽리의 극점들은 Fn+2 습곡축의 방향과 일치하는 358°/45° 방향의 파이-축을 갖는 탁월한 파이-원 상에 배 열된다(Fig. 8d). Fn+2 습곡작용에 의해 분산된 이러한 Sn 엽리의 극점배열은 이 지역 전체에서 측정된 Sn+1 Fig. 7. (a) Orientations of the Dn+1 and Dn+2 structural elements. Stereoplots of the (b) Dn+1 and (c) Dn+2 structural elements. Lower-hemisphere equal-area projection. For detailed explanation, see the text.

Fig. 8. Stereoplots of the Sn foliation dispersed by Fn+1 folding in the (a) No. 111 (crystalline limestone), (b) No.

113 (crystalline limestone), and (c) No. 115 (banded biotite gneiss) outcrop sites. (d) Stereoplots of the Sn foliation dispersed by Fn+2 folding in the No. 111 (crystalline limestone) outcrop site.

엽리의 극점배열과 유사하다(Fig. 7b). 이는 이 지역의 Sn+1 엽리는 Dn+2 변형에 의해 재배열되었으며, 이 지 역에서 Dn+2 변형은 Dn 변형, Dn+1 변형과 같이 광역 적으로 발생하였음을 의미한다.

고 찰

주요 변형된 암석구조의 기하학적·운동학적 특성과 중첩된 변형구조들의 선후관계로부터 무주-설천 지역 변성암류의 변형단계별 구조적 특성을 연구한 결과, 이 지역의 지질구조는 적어도 네 번의 변형단계를 걸 쳐 형성되었음을 알게 되었다.

Dn-1 변형은 광역엽리 Sn이 형성되기 이전에 발생 하여 Fn 습곡에 의해 습곡되는 Sn-1엽리를 형성시켰 다. 옥천벨트와 영남육괴의 경계 단층의 북서부와 남 동부에 분포하는 호상흑운모편마암에서 Sn-1 엽리가 모두 관찰됨을 고려해 볼 때, 이 지역의 Dn-1 변형 은 광역적으로 발생하였음이 고찰된다(Figs. 1, 4a).

Dn 변형은 광역엽리 Sn 형성과 관련된 변형이다. Sn 엽리를 형성시킨 Fn 습곡은 노두규모에서 A-형습곡 내지 칼집습곡으로 종종 관찰된다(Fig. 3c, 3d). 이는 이 지역의 Fn 습곡은 Ln 신장선구조 방향으로 이동 하는 대규모 연성전단변형에 의해 형성되었음을 지시 한다. Sn 엽리의 우세한 방향성은 변성암류의 대상 분포 방향과 일치하는 북동 방향성을 보이고, 이후의 변형작용에 의해 분산되어 있다(Figs. 2, 4c). 그러나 분산된 Sn 엽리의 극점배열은 결정질석회암의 분포 영역과 그 외 변성암류의 분포영역에서 거의 동일하 게 나타나고(Fig. 4d, 4e), Sn 엽리의 분산된 방향성 은 그 경계 단층의 북서부와 남동부에서 역시 동일하 게 나타남을 고려해 볼 때(Fig. 4a), 이 지역의 Dn 변형은 Dn-1 변형과 같이 광역적으로 발생하였음이 고찰된다.

Dn+1 변형은 광역엽리 Sn을 습곡시키는 변형작용 이다. Fn+1 습곡축면과 습곡축의 우세한 방향성으로 부터 고려해 볼 때, Fn+1 습곡은 남북 내지 북북서 방향의 압축응력에 의해 형성되었다(Fig. 7a, 7b). 노 두규모에서 Fn+1 습곡에 의해 습곡된 Sn 엽리의 극 점배열은 결정질석회암의 분포영역과 그 외 변성암류 의 분포영역에서 매우 유사하게 나타난다. 또한 분산 된 Sn 엽리의 극점배열로부터 인지된 파이-축의 방향 성은 이 지역 전체의 Fn+1 습곡축의 우세한 방향성 과 거의 일치한다(Figs. 4c, 8a-8c). 이는 무주-설천

지역의 광역엽리 Sn은 주로 Fn+1 습곡작용에 의해 재배열되었으며, Dn+1 변형은 Dn 변형과 같이 그 경계 단층의 북서부와 남동부 모두에서 광역적으로 발생하였음을 시사한다. Dn+2 변형은 Sn과 Sn+1 엽 리들을 습곡시키는 변형작용이다. Fn+2 습곡축면과 습곡축의 우세한 방향성으로부터 Fn+2 습곡은 동서 방향의 압축응력에 의해 형성되었음이 고찰된다(Fig.

7a, 7b). 노두규모에서 Fn+2 습곡에 의해 습곡된 Sn 엽리의 극점배열이 이 지역 전체에서 측정된 Sn+1 엽리의 극점배열과 유사하고, 이러한 Sn 엽리와 Sn+1 엽리의 극점배열로부터 인지된 파이-축의 방향 성은 이 지역 전체의 Fn+2 습곡축의 방향성과 거의 일치함을 고려해 볼 때(Figs. 7b, 7c, 8d), 이 지역의 Sn 엽리와 Sn+1 엽리는 Dn+2 변형에 의해 재배열되 었으며, 이 지역에서 Dn+2 변형은 Dn 변형, Dn+2 변형과 같이 광역적으로 발생하였음이 고찰된다. 그 리고 이러한 연구결과는 변성암류에서 인지되는 네 번의 변형작용은 그 경계 단층의 북서부와 남동부 구 분 없이 모든 영역에서 발생하였음을 지시한다. 또한 지금까지의 연구결과 이 지역에서 이들 지체구조구를 구분할 수 있는 연성전단대와 같은 지질구조를 관찰 할 수 없었음을 고려해 볼 때, 무주-설천 지역에서 결정질석회암을 포함하는 변성퇴적암류를 시대미상의 옥천층군으로 추정하여 설정된 옥천벨트와 영남육괴 사이의 경계 위치는 재고될 필요가 있다(Fig. 1).

Oh et al.(2013)은 연구지역 내에 분포하는 화강암 질편마암(우백질 복운모 내지 우백질흑운모 화강암) 에 대한 지화학적 분석과 SHRIMP 저어콘 연대측정 으로부터 화강암질편마암의 생성시기를 1,875±75 Ma 로 보고하고, 화강암질편마암에 의해 관입되는 결정 질석회암을 포함한 변성퇴적암류의 산출양상과 영남 육괴 북동부(소백산육괴) 변성암류의 저어콘 Pb/U 연 령 분석결과(Cheong and Na, 2008; Kim, J.M. et al., 2009; Kim, N.H. et al., 2009; Kim et al., 2012; Lee et al., 2010)를 바탕으로 연구지역에 분 포하는 결정질석회암을 포함한 변성퇴적암류의 퇴적 시기를 2,400~2,000 Ma로 해석한 바가 있다.

최근 Kang et al.(2012, 2017)은 중부 옥천벨트의 지질 및 구성암류, 절대 및 화석 연대자료, 지질구조 자료를 종합하여 옥천누층군의 지질시대를 신원생대

~후기 고생대로 설정하고, 옥천퇴적분지의 열곡작용 과 이에 수반된 화성활동이 적어도 4회[신원생대 2회 (전기: 약 852~892 Ma와 중기: 약 747~762 Ma)],

고생대 2회(전기: 약 424~463 Ma와 중기: 약 330~

398 Ma)] 발생하였다고 하였다. 또한 그들은 석영사 질암, 이질암, 염기성암 기원의 변성암류와 결정질석 회암을 조선누층군에 상응하는 옥천누층군의 하위층 군으로 분류하여 그 퇴적시기를 전기 고생대로 보고 한 바가 있다. 이러한 퇴적시기는 연구지역에 분포하 는 결정질석회암을 포함한 변성퇴적암류의 퇴적시기 (Oh et al., 2013)와 다르다.

1: 50,000 무주도폭의 남쪽 연장부에 분포하는 장 기리도폭(Lee and Nam, 1969)의 변성암류는 결정편 암류와 화강암질편마암류로 구분된다. 이 지역의 변 성암류는 무주도폭과 설천도폭의 변성암류와 유사하 고, 춘양도폭(Son and Kim, 1963)과 예안도폭(Lee and Lee, 1963)의 선캠브리아기 원남통과 유사하여 Lee and Nam(1969)은 이 지역의 변성암류를 선캠브 리아기 원남층에 대비한 바가 있다. 또한 그들은 장 기리도폭의 남동부에 분포하는 결정질석회암을 녹니 석-흑운모편암, 흑운모-각섬석편암, 규암과 함께 괴목 리층으로 구분하고, 화강암질편마암류 내에 괴목리층 의 잔류된 산출양상으로부터 결정질석회암은 편마암 류의 생성시기 보다 고기로 퇴적되었다고 하였다.

또한 Lee et al.(2005)는 장기리도폭의 호상화강암 질편마암의 Sm-Nd 동위원소계로부터 이 편마암의 생 성시기를 2,026±230(2σ) Ma로 보고한 바가 있다. 그 리고 Park(1996)은 장기리도폭의 결정질석회암(대리 암)으로부터 1,990±100(2σ) Ma의 Pb-Pb 연대를 보 고하고, 분천 화강암질편마암 및 단양 천동리 화강암 질편마암과 유사한 이 시기를 영남육괴 북동부의 광 역변성작용의 시기로 대비하여 결정질석회암을 이 시 기 보다 고기의 퇴적암류로 해석한 바가 있다. 결정 질석회암을 포함하는 변성퇴적암류의 퇴적시기에 대 한 이러한 해석은 1: 50,000 설천도폭(Yun and Park, 1968), 장기리도폭(Lee and Nam, 1969)와 1: 250,000 안동도폭(Hwang et al., 1996)의 해석과 일치한다.

지금까지 언급된 무주-설천 지역을 포함하는 영남 육괴 중부와 영남육괴 북동부 변성암류의 지화학적 자료와 지구연대학적 자료를 요약해 보면, 무주-설천 일대에 산출되는 호상흑운모편마암류(2,026±230 Ma) (Lee et al., 2005)와 결정질석회암(1,990±100 Ma) (Park, 1996) 그리고 이들을 관입하는 화강암질편마암 (1,875±100 Ma) (Oh et al., 2013)의 생성 내지 변 성 시기는 중기~후기 고원생대로 나타난다. 이는 무 주-설천 일대에 분포하는 편마암류와 결정질석회암은

적어도 중기 고원생대 이전에 생성 내지 퇴적(약 2,400~2,000 Ma)되었음을 의미한다. 그리고 결정질석 회암의 이러한 퇴적시기는 옥천누층군의 절대 및 화 석 연대자료와 구조지질학적 자료를 바탕으로 최근 보고된 Kang et al.(2012, 2017)의 옥천누층군 지질 시대와 다르다. 따라서 본 연구결과 무주-설천 지역에 서 옥천벨트와 영남육괴를 구분할 수 있는 구조적 특 성과 차이점을 인지할 수 없고, 지금까지 언급된 옥 천벨트와 영남육괴 변성암류에 대한 연대학적, 지화 학적, 그리고 구조지질학적 자료를 종합해 볼 때 무 주-설천 지역에서 결정질석회암을 포함하는 변성퇴적 암류를 옥천층군으로 추정하여 설정된 옥천벨트와 영 남육괴 사이의 경계 위치는 재고되어야 하고, 이를 위해 추후 이 주변지역에 대한 보다 광역적이고 정밀 한 지질학적 연구가 수행될 필요가 있다.

결 론

1. 무주-설천 지역의 지질구조는 적어도 네 번의 변 형단계를 걸쳐 형성되었다. 첫 번째(Dn-1) 변형은 광 역엽리 Sn이 형성되기 이전의 변형작용으로 옥천벨 트와 영남육괴의 경계 단층의 북서부와 남동부 영역 에서 모두 인지된다. 두 번째(Dn) 변형은 광역엽리 Sn 형성과 관련된 변형으로 Sn 엽리는 변성암류의 대상 분포 방향과 일치하는 북동 방향의 집중된 방향 성을 보여주고, 그 이후의 변형작용에 의해 분산되어 있다. 분산된 Sn 엽리의 방향성은 그 경계 단층의 북 서부과 남동부 영역의 변성암류에서 거의 동일하게 나타난다. 세 번째(Dn+1) 변형은 광역엽리 Sn을 습 곡시키는 변형작용으로 북북서~남북 방향의 압축응력 하에서 발생하여 동북동~동서 방향의 Fn+1 습곡을 형성시켰다. 광역엽리 Sn는 주로 Fn+1 습곡작용에 의해 재배열되었으며, Dn+1 변형은 Dn 변형과 같이 그 경계 단층의 북서부와 남동부 영역 구분 없이 광 역적으로 발생하였다. 네 번째(Dn+2) 변형은 Sn과 Sn+1 엽리들을 습곡시키는 변형작용으로 동서 방향 의 압축응력 하에서 발생하여 남북 방향의 Fn+2 습 곡을 형성시켰다. 이러한 연구결과는 무주-설천 지역 변성암류에서 인지되는 네 번의 변형작용은 옥천벨트 와 영남육괴 구분 없이 광역적으로 발생하였음을 지 시한다. 또한 지금까지의 연구결과 무주-설천 지역에 서 이들 지체구조구를 구분할 수 있는 구조적 특성 및 차이점은 관찰할 수가 없었다. 따라서 무주-설천

지역에서 그 경계 단층의 북서부에 주로 분포하는 결 정질석회암을 포함하는 변성퇴적암류를 시대미상의 옥천층군으로 추정하여 설정된 옥천벨트와 영남육괴 사이의 경계 위치는 재고될 필요가 있다.

2. 최근까지 보고된 옥천누층군의 절대 및 화석 연 대자료와 구조지질학적 자료를 종합해 보면, 옥천누 층군의 지질시대는 중기~후기 신원생대에서 후기 고 생대로 나타난다. 무주-설천 지역을 포함하는 영남육 괴 중부와 영남육괴 북동부(소백산육괴)에서 변성암 류에 대한 지화학적 자료와 지구연대학적 자료에 따 르면, 무주-설천 일대에 산출되는 호상흑운모편마암류 (2,026±230 Ma)와 결정질석회암(1,990±100 Ma) 그리 고 이들을 관입하는 화강암질편마암(1,875±100 Ma)의 생성 내지 변성 시기는 중기~후기 고원생대로 나타난 다. 이는 무주-설천 일대의 결정질석회암은 적어도 중 기 고원생대 이전(약 2,400~2,000 Ma)에 퇴적되었음 을 지시하고, 이러한 퇴적시기는 옥천누층군의 지질 시대와 다르다. 따라서 무주-설천 지역에 분포하는 결 정질석회암은 옥천누층군의 구성암류가 될 수 없기 때문에 무주-설천 지역에서 결정질석회암을 포함하는 변성퇴적암류를 옥천층군으로 추정하여 설정된 옥천 벨트와 영남육괴 사이의 경계 위치는 재고될 필요가 있다.

사 사

이 논문은 2016학년도 안동대학교 연구비에 의하 여 연구되었음. 본 논문을 읽고 유익한 수정과 보완 을 해 주신 심사위원께 감사드립니다. 또한 논문작성 과정에 도움을 준 박진설 군에게 감사를 표합니다.

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Received March 13, 2019 Review started March 13, 2019 Accepted March 20, 2019