Origin of Sangumburi, Jeju Island

제주도 산굼부리의 성인

길영우¹*·윤성효²·이문원³·양경희⁴·설정환¹

1전남대학교 에너지자원공학과, ²부산대학교 지구과학교육과, ³강원대학교 과학교육학부

4부산대학교 지질환경과학과

Origin of Sangumburi, Jeju Island

Youngwoo Kil¹*, Sung-Hyo Yun², Moon Won Lee³, Kyounghee Yang⁴, and Junghwan Seol¹

1Department of Energy and Resources Engineering, Chonnam National University, Gwangju 61186, Korea

2Department of Earth Science Education, Pusan National University, Busan 46241, Korea

3Department of Science Education, Kangwon National University, Chunchon, Kangwon-province 24341, Korea

4Department of Geological Sciences, Pusan National University, Busan 46241, Korea

요 약: 천연기념물 제63호로 지정된 산굼부리 분화구은 기존 마르형 분화구로 인식되었지만, 새로운 정밀지 질도 작성과 함께 야외에서의 지질학적 특징들이 산굼부리 분화구가 두 번에 걸친 화산활동으로 형성된 함 몰분화구(pit crater)임을 지시한다. Stage 1 단계에서는 비현정질휘석현무암 I와 화산재와 래필리로 구성된 화 성쇄설물 I가 동시에 형성되었고, stage 2 단계에서는 침상장석감람석현무암 형성 후 비현정질휘석현무암 II와 집괴암으로 구성된 화성쇄설물 II가 동시에 형성되었다. Stage 2의 침상장석감람석현무암을 Ar-Ar 연대측정 결과 산굼부리 함몰분화구는 7만3천 년 전에 형성되었다. 산굼부리 분화구는 함몰분화구(pit crater)임에도 불 구하고 현재까지는 하부로 빠져나간 마그마의 방향을 알 수 없다.

주요어: 산굼부리, 천연기념물, 함몰분화구

Abstract:

Two stages of volcanic activities created Sangumburi pit crater. Lava flow (aphanitic pyroxene basalt I) and associated pyroclastic deposit (pyroclast I), composed of ash and lapilli, were formed at the stage 1.

In the stage 2, lava flow (feldspar olivine basalt) was overlain by lava flow (aphanitic pyroxene basalt II) and associated pyroclastic deposit (pyroclast II), composed of agglomerate. Sangumburi pit crater formed at 0.073±0.036 Ma, determined by Ar-Ar age dating for the feldspar olivine basalt at the stage 2. It is not clear the preferred migration direction of subsurface magma after Sangumburi pit crater formed.

Keywords:

서 론

산굼부리는 1979년 국내 유일의 마르(maar)형 분화 구로 지질학적 가치를 인정받아 천연기념물 제63호로 지정되었다. Park et al.(1998)은 산굼부리에서 현무암 질 용암류가 분출한 것을 근거로 산굼부리가 마르가

아닌 함몰분화구(pit crater)로 해석하였다. 그러나 Park et al.(1988)는 산굼부리 분화구에서 분출한 용 암을 단순히 하나의 산굼부리 현무암(Sangumburi basalt)으로 기재하였다.

함몰분화구란 용암 분출 후 지하에 있던 마그마의 공급이 중단되거나 다른 곳으로 이동함으로써 생기는 지하의 빈 공동에 의해 지반 암석들이 함몰되어 생기 는 분화구이다. 일반적으로 함몰되어 형성된 분화구 직경이 2 km 이상이면 칼데라(caldera)라고 하며, 1 km

*Corresponding author Tel: +82-62-530-1731 E-mail: [email protected]

이하이면 함몰분화구라고 한다.

전 세계적으로 함몰분화구로 알려진 분화구는 많지 않지만, 가장 대표적인 함몰분화구는 하와이 킬라우 에 화산의 열곡대를 따라 선상으로 배열된 수많은 분 화구들이다(Okubo and Martel, 1998). 이들 함몰분 화구의 직경은 8~1140 m이며, 깊이는 6~186 m로 다 양하며, 산굼부리와 유사하게 분화구 내 경사면이 가 파르다. 그러나 산굼부리의 분화구는 단일 분화구이 고 분화구 하부로 빠져 나간 마그마 경로가 분명하지 않으나, 킬라우에 화산의 경우 여러 개의 함몰분화구 가 열곡대를 따라 분포하여 빠져나간 마그마 경로가 확인된다. 킬라우에 화산 이외에도 니카라과 마사야 화산(Masaya volcano)과 레위니오섬(La Réunion Island)의 피통드라푸르네즈 화산(Piton de la Fournaise volcano) 등 세계 여러 곳에서 함몰분화구가 발견된 다(Rymer et al., 1998; Longpre et al., 2007; Harris, 2009).

산굼부리는 천연기념물로 지정되어 보호받고 있는 문화재임에도 불구하고 아직까지 산굼부리 분화구에 대한 자세한 지질조사가 이루어지지 않은 실정이다.

이번 연구의 목적은 산굼부리 분화구와 인근 지역 용 암류에 대한 정밀 지질조사를 수행하여 산굼부리 분 화구가 형성된 과정을 밝히는데 있다.

연구방법

산굼부리 분화구의 정밀 지질조사를 수행하기 위해 1:5000 지형도와 GPS가 이용되었고, 편광현미경 관 찰을 위해 채취한 모든 암석은 전남대학교 에너지자 원공학과 박편실에서 박편으로 제작되었다.

산굼부리 분화구에서 채취한 화산암 시료의 주성분 원소는 한국지질자원연구원의 X-선 형광분석기(X-ray florescence; MXF-2400)를 이용하여 분석되었다. 암 석 시료는 풍화되지 않은 암석면을 이용하여 세척 후 분말로 만들 후, 분말 시료와 Li₂B₂O₇ 용재(flux)를 1:10의 비율로 섞어 1,200^oC에서 비드(bead)를 만들어 분석하였다. 시료를 비드로 제작한 후에 주성분원소 분석은 전류 70 mA, 전압 40 kV하에서 X-선을 조사 하여 수행되었다.

화산암 시료의 미량원소원소 분석은 한국기초과학 지원연구원 오창센터에서 레이저 삭마 유도결합플라 즈마 질량분석기(Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer)를 이용하여 분석되었다

(Kil and Jung, 2015). 미량원소 분석에는 주성분원소 분석에서 사용된 비드를 이용하였고, 각 시료마다 3 번의 분석 후 평균값을 사용하였다. 분석조건은 빔 사이즈 110 µm, 10 Hz, 70% 출력이고, Ca 원소를 내부표준물질(internal standard)로 NIST 612를 외부 표준물질(external standard)로 사용하였다. 분석 데이 터는 버지니아 공대 AMS 프로그램을 이용하여 처리 되었다.

산굼부리 형성 연대를 알아내기 위해 분석시료를 250~180µm 크기로 분쇄하여 중성자 조사(neutron irradiation)를 실시한 후 ⁴⁰Ar-³⁹Ar 연대 측정을 한국 기초과학지원연구원 오창센터에서 레이저 발생장치 (Fusions10.6, Photon Machines)와 다검출기 불활성 기체 질량분석기(ARGUS VI, Thermo)를 이용하여 실시하였다. ⁴⁰Ar-³⁹Ar 연대 측정은 Kim et al. (2014) 이 제시한 분석 조건과 방법을 따라 수행되었다.

산굼부리 분화구 지질

산굼부리 지질도를 작성하기 위하여 정밀지질조사 를 수행하여 그림 1과 같이 지질도를 완성하였다. 산 굼부리 지질도에서와 같이 산굼부리 분화구는 크게 2 번의 분출 과정을 통해 형성되었다(Fig. 1).

첫 번째 분출

첫 번째 분출 시기(stage 1)의 비현정질휘석현무암 I(APB I)는 괴상(massive) 조직을 보인다(Fig. 2A).

육안으로 거정의 사장석과 휘석을 함유하고 있으나, 대부분의 거정은 사장석이다. 이 암석 내에서는 맨틀 포획암(mantle xenolith)이 자주 관찰된다(Fig. 2B).

이는 맨틀에서 형성된 마그마가 맨틀 암석을 포획한 후 지표에 상대적으로 빠른 시간 안에 올라 왔다는 증거이다. 괴상의 조직 또한 마그마가 얇은 깊이에서 정체되지 않고 지표에 빠르게 올라왔다는 또 다른 증 거가 된다. 비현정질휘석현무암 I와 동시에 형성된 화 성쇄설물 I(P I)는 분화구 서쪽 사면과 분화구 외각 북쪽 면에서 소량 관찰된다(Fig. 1). 소량만이 관찰되 는 이유는 산굼부리의 두 번째 분출에 의해 화성쇄설 물 I의 대부분이 사라져 버렸기 때문으로 생각된다.

화성쇄설물 I는 주로 래필리(lapilli)와 화산재(ash)로 구 성되어져 있다. 북쪽에서 발견되는 화성쇄설물 I의 퇴 적경사방향이 북쪽을 지시하는 것은 산굼부리 분화구 에서 화성쇄설물 I가 유래되었다는 증거이다(Fig 2C).

편광현미경 하에서 비현정질휘석현무암 I는 감람석, 휘석, 사장석, 불투명광물 등의 반정광물을 함유하며, 기질은 육안으로 관찰되지 않으며 현미경하에서만 관 찰되는 세립의 사장석이다(Fig. 2D).

두 번째 분출

두 번째 분출 시기(stage 2)에는 침상장석감람석현 무암(FOB)이 분출된 후 비현정질휘석현무암 II(APB

II)와 화성쇄설물 II(P II)가 동 시기에 분출하였다 (Fig. 1). 침상장석감람석현무암은 제주도 동부와 서부 해안가에서 주로 관찰되는 침상장석감람석현무암 조 직과 매우 유사하고, 육안으로 사장석 반정이 잘 관 찰된다(Fig. 3A). 이에 비하여 괴상(massive)의 비현 정질휘석현무암 II은 기질의 사장석이 현미경 하에서 만 관찰되고 육안으로는 관찰되지 않으며, 거정의 휘 석과 사장석을 함유하고 있다(Fig. 3B). 비현정질휘석

Fig. 1. Geological map with cross sections and southeastern side view of Sangumburi pit crater.

현무암 II은 비현정질휘석현무암 I에 비하여 상대적으 로 거정 사장석 크기가 작고, 휘석 함량은 높다. 비 현정질휘석현무암 II는 침상장석감람석현무암, 맨틀암 석 등을 포획되기도 하였다(Fig. 3C). 비현정질휘석현 무암 II과 동시기에 형성된 화성쇄설물 II는 수십 cm 크기의 화산탄과 암괴로 구성된 집괴암(agglomerate) 이다(Fig. 3D). 이는 화성쇄설물 II가 분화구 인근에 분출 하였다는 증거이다.

편광현미경 하에서 침상장석감람석현무암(FOB)은 감람석, 불투명광물 등의 반정광물을 함유하며, 기질 은 세립의 사장석으로 구성되어져 있다. 다른 산굼부 리 암석에 비하여 감람석 반정 함량이 많으며, 기질 의 침상 사장석 크기가 상대적으로 크다(Fig. 3E). 비 현정질휘석현무암 II는 감람석, 휘석, 사장석, 불투명 광물 등의 반정광물을 함유하며, 기질은 세립의 사장 석이다(Fig. 3F).

산굼부리 분화구 주변 지질

산굼부리 주변은 Park et al.(1988)의 제주·애월도 폭 지질보고서에서 대부분 교래리현무암으로 표기되 었고, 산굼부리 북쪽은 대천동현무암으로 표기되었다.

또한 Park et al.(1988)은 산굼부리 주차장 지하수 시추공(well 54) 자료를 활용하여 주차장 근처는 상 부에서 하부로 물장울교현무암, 교래리현무암, 대천동 현무암, 와산리현무암이 존재한다고 표기하였다. 그러 나 산굼부리 분화구 내부와 산굼부리 분화구 북쪽에 위치한 큰 규모의 방애오름 분화구에 대한 상세한 지 질조사를 실시하지 않았다. 그러므로 본 연구에서 수 행한 산굼부리 주변의 상세한 지질조사 결과와 Kil(1995)의 연구 자료를 근거로 산굼부리 주변지질 을 새롭게 작성하였다.

산굼부리 분화구 북쪽 면은 방애오름 현무암과 경

Fig. 2. Various photos of the stage 1. (A) a typical rock of APB I, (B) mantle xenolith enclosed in APB I, (C)

boundary between FOB and P I, composed of lapilli and ash, and (D) photomicrograph of APB I under cross

nicole. APB I = Aphanitic pyroxene basalt I, FOB = feldspar olivine basalt, APB II = aphanitic pyroxene basalt II, P

I = pyroclast I, P II = pyroclast II, Ol = olivine, Py = pyroxene, and Pl = plagioclase.

계를 이루고 있다(Fig. 1). 그림 4A와 같이 방해오름 현무암 하부에는 산굼부리에서 분출한 비현정질휘석 현무암 II와 침상장석감람석현무암이 위치하고 있으 며, 이들 사이에는 고토양(paleosoil)이 존재한다. 고토 양의 존재는 산굼부리 분화구 용암과 방애오름 용암 사이의 시간적 간격이 있었음을 의미이다.

산굼부리 분화구 남쪽에서는 거문오름 II(물찻오름) 조면현무암(trachybasalt)과 화성쇄설물 II의 경계가 관 찰된다(Fig. 4B)(Kil, 1995). 점성도가 낮은 거문오름 II 용암이 산굼부리 분화구 남쪽면을 따라 후기에 흐 르면서 거문오름 II 용암 상부가 구불구불한 표면을 만들었다(Fig. 4B).

Fig. 3. Various photos of the stage 2. (A) a typical rock of FOB, composed of fine olivine and lath shape plagioclase, (B) a typical rock of APB II, (C) FOB xenolith enclosed in APB II, and (D) P II, composed of block and bomb. Photomicrographs of (E) FOB and (F) APB II under cross nicole. FOB = feldspar olivine basalt, APB II

= aphanitic pyroxene basalt II, P II = pyroclast II, and Ol = olivine.

산굼부리 화산암의 지화학적 특성

화산암의 분류 및 지구조환경

XRF와 ICP-MS을 이용하여 분석된 산굼부리 화산 암의 주성분원소 및 미량원소 분석 값은 표 1, 표 2 와 같다.

산굼부리 화산암을 분류하기 위하여 TAS(Total

Alkali-Silica) 그림을 이용하였다(LeBas et al., 1986).

그림 5A에서와 같이 일부 비현정질휘석현무암 I는 조 면현무암(trachy basalt) 영역에 도시되지도 하지만, 산굼부리 화산암 대부분이 현무암 영역에 도시된다.

산굼부리 화산암은 모두 Kuno(1966)의 알칼리-서브 알칼리 경계에서 알칼리계열에 속한다(Fig. 5A).

이차 변질작용의 과정에서 비유동성인 원소들(Hf,

Fig. 4. (A) FOB and APB II from Sangumburi pit crater were overlain by Bangae-orum basalt, and (B) Germun- orum trachybasalt flowed the side of P II from Sangumburi pit crater. FOB = feldspar olivine basalt, and P II = pyroclast II.

Fig. 5. (A) Total alkali vs. silica diagram (TAS) for volcanic rocks from Sangumburi pit crater (LeBas et al., 1986).

The dashed dividing line between alkaline and sub-alkaline is from Kuno (1966). (B) Tectonomagmatic

discrimination diagrams of Hf/3-Th-Ta for volcanic rocks from Sangumburi pit crater (Wood, 1980). APB I =

aphanitic pyroxene basalt I, FOB = feldspar olivine basalt, APB II = aphanitic pyroxene basalt II, and P II =

pyroclast II.

Th, Ta)을 이용하여 산굼부리 화산암의 지구조 환경 을 분별하는데 사용하였다(Rollinson, 1993). Fig. 5B 에서 미량원소 Hf, Th, Ta를 이용하여 산굼부리 화 산암의 마그마 생성 지구조 환경을 조사한 결과 모든 화산암이 판내부 환경에서 형성된 현무암(within-plate basalt) 영역에 도시된다(Wood, 1980). 이는 산굼부리 화산암을 형성한 마그마가 판내부 지구조환경에서 형 성되었다는 것을 의미한다.

주성분 및 미량원소 특성

Stage 1 단계 산굼부리 화산암의 SiO₂ 함량은 48.15~50.91%, stage 2단계의 산굼부리 화산암의 SiO₂ 함량은 49.05~50.21%로 모두 좁은 범위를 보인다 (Table 1). 일반적으로 산굼부리 화산암을 형성한 염기 성마그마가 분별결정작용(fractional crystallization)을 받았다면, 현무암의 주구성 광물인 감람석, 단사휘석, 사장석이 마그마 성분변화에 가장 많은 영향을 주었 을 것이다.

마그마가 분화하면서 일반적으로 MgO 함량은 감

소한다. 산굼부리 화산암은 MgO 함량이 감소하면서 CaO 함량은 감소하나 대부분의 주성분원소 함량은 증가한다(Fig. 6). 특히, CaO 함량이 감소하고 Al₂O₃ 함량이 증가하는 패턴을 보이는 것은 단사휘석이 마 그마 분화에 중요한 영향을 준 광물임을 의미한다.

이러한 특징은 stage 1과 stage 2 단계에서 동일하게 관찰된다(Fig. 6).

산굼부리 화산암을 형성한 마그마가 지표에 올라오 는 과정 속에서 분별결정작용(fractional crystallization) 이외에도 지각혼성작용(crustal contamination)을 경험 할 수 있었을 것이다. 그러나 산굼부리 화산암이 용 융되지 않은 다량의 맨틀암석을 포획한 것으로 보아 매우 빠른 속도로 지표에 올라 왔기 때문에 지각혼성 작용은 크게 마그마 성분 변화에 영향을 주지 않았을 것으로 생각된다. 이는 기존 제주도를 연구 자료와 유사한 결과이다(Lee, 1982; Kil, 1995, Won et al., 1998; Tatsumi et al., 2005).

산굼부리 화산암을 형성시킨 근원 맨틀 물질의 특 성을 알아보기 위해 미량원소(Ba/Nb, Th/Nb, Rb/Nb)

Table 1. Major element (wt %) and modal compositions of volcanic rocks form Sangumburi pit crater. LOI = loss of ignition, APB I = aphanitic pyroxene basalt I, FOB = feldspar olivine basalt, APB II = aphanitic pyroxene basalt II, and P II = pyroclast II. Pl = plagioclase, Or = orthoclase, Di = diopside, Hy = hypersthene, Ol = olivine, Il = ilmenite, Mt = magnetite, Ap = Apatite

APB I

Sample No. JS-1410-09 JS-1410-20 JS-1410-22 JS-1410-23 JS-1410-24 JS-1410-25 JS-1412-36 JS-1412-38 SiO₂ 50.91 49.06 48.53 49.18 48.15 48.85 50.07 49.60 TiO₂ 2.36 2.39 2.41 2.43 2.40 2.42 2.34 2.31 Al₂O₃ 15.01 14.07 13.93 14.10 13.92 14.19 14.89 14.53 Fe₂O₃ 11.71 11.97 12.21 12.31 12.32 12.32 12.31 11.93 MnO 0.16 0.17 0.17 0.17 0.17 0.17 0.16 0.16 MgO 6.48 8.28 8.58 8.53 8.72 8.17 7.32 7.56 CaO 7.23 8.24 8.33 8.31 8.39 8.34 7.50 8.06 Na₂O 3.52 3.02 2.85 3.04 2.79 3.00 3.28 3.17 K₂O 1.59 1.29 1.27 1.31 1.12 1.24 1.33 1.26 P₂O₅ 0.17 0.13 0.25 0.12 0.31 0.15 0.11 0.09 LOI 0.43 0.94 1.09 -0.05 1.45 0.60 0.29 0.97 Total 99.57 99.56 99.63 99.44 99.73 99.45 99.59 99.64

Pl 51.25 47.69 46.79 47.45 47.11 48.06 50.62 49.69 Or 9.57 7.86 7.74 7.86 6.80 7.51 8.04 7.62 Di 11.97 15.87 15.31 16.13 14.59 15.76 12.11 14.72 Hy 11.84 8.25 8.98 6.30 10.74 7.63 11.82 10.06 Ol 8.68 13.58 14.09 15.47 13.48 14.18 10.81 11.41

Il 4.56 4.65 4.69 4.69 4.69 4.69 4.52 4.48 Mt 1.73 1.78 1.81 1.81 1.84 1.83 1.81 1.77 Ap 0.39 0.32 0.58 0.28 0.74 0.35 0.25 0.23

Table 1. Continued

APB I 　 FOB

Sample. No. JS-1412-47 JS-1412-56 JS-1412-57 JS-1412-W3 JS-1410-10 JS-1410-26 JS-1410-27 JS-1412-53 SiO₂ 50.42 49.87 50.07 49.99 49.81 49.15 49.05 49.30 TiO₂ 2.73 2.37 2.58 2.35 2.10 2.29 2.25 2.24 Al₂O₃ 15.89 14.78 15.21 14.54 14.28 14.95 14.08 14.09 Fe₂O₃ 12.40 12.21 12.29 11.90 11.95 11.80 12.30 12.13

MnO 0.15 0.16 0.16 0.16 0.17 0.17 0.17 0.16 MgO 5.49 7.63 6.48 7.93 8.56 7.12 8.88 8.83 CaO 6.92 7.57 7.43 8.30 8.68 8.64 8.50 8.51 Na₂O 3.76 3.18 3.51 3.13 2.75 2.96 2.86 2.90 K₂O 1.63 1.35 1.55 1.25 1.05 1.25 1.12 1.11 P₂O₅ 0.16 0.08 0.18 0.10 0.08 0.21 0.11 0.08 LOI -0.02 0.39 -0.04 -0.10 0.43 1.19 0.27 0.14 Total 99.54 99.59 99.43 99.55 99.85 99.71 99.59 99.50

Pl 54.31 49.92 51.73 49.09 47.58 50.13 47.36 47.51 Or 9.81 8.16 9.34 7.51 6.32 7.56 6.74 6.68 Di 9.73 12.46 12.13 15.34 15.82 14.84 15.93 16.21 Hy 8.06 11.57 7.60 9.90 14.87 10.94 9.33 9.77

Ol 10.61 11.33 11.99 11.64 9.44 9.80 14.24 13.54 Il 5.26 4.58 4.98 4.52 4.05 4.46 4.35 4.33 Mt 1.83 1.80 1.81 1.75 1.75 1.75 1.81 1.78 Ap 0.39 0.19 0.42 0.25 　 0.19 0.51 0.25 0.19

　 APB II P II

Sample No. JS-1410-28 JS-1412-52 JS-1412-W6 JS-1412-W1 JS-1412-W2

SiO₂ 49.47 49.68 49.71 50.21 50.10 TiO₂ 2.26 2.29 2.39 2.36 2.41 Al₂O₃ 14.32 14.31 14.76 14.92 15.05 Fe₂O₃ 11.81 11.79 12.07 12.04 12.21

MnO 0.16 0.16 0.16 0.16 0.16

MgO 8.49 8.55 7.84 7.13 7.01

CaO 8.63 8.50 8.14 7.43 7.32

Na₂O 3.03 3.07 3.01 3.25 3.21 K₂O 1.16 1.17 1.18 1.41 1.40 P₂O₅ 0.11 0.08 0.12 0.10 0.10 LOI 0.21 -0.21 0.22 0.39 0.59 Total 99.64 99.39 99.59 99.40 99.54 Pl 48.45 48.49 49.57 50.49 50.77

Or 6.97 7.03 7.09 8.51 8.45

Di 16.62 16.35 13.58 11.97 11.02 Hy 7.73 8.12 13.15 13.15 14.48

Ol 13.86 13.67 9.92 9.29 8.57

Il 4.37 4.43 4.62 4.58 4.67

Mt 1.74 1.74 1.78 1.78 1.81

Ap 0.25 0.19 0.28 　 0.23 0.23

Table 2. Trace element compositions (ppm) of volcanic rocks form Sangumburi pit crater. APB I = aphanitic pyroxene basalt I, FOB = feldspar olivine basalt, APB II = aphanitic pyroxene basalt II, and P II = pyroclast II.

APB I

Sample No. JS-1410-09 JS-1410-20 JS-1410-22 JS-1410-23 JS-1410-24 JS-1410-25 JS-1412-36 JS-1412-38

Sc 27 32 32 32 30 33 31 34

Ti 19002 18583 19693 19119 18674 20341 18513 18326 V 206 238 249 247 217 259 239 191 Cr 370 516 513 520 613 540 514 361 Mn 1449 1531 1569 1502 1457 1507 1550 1557

Co 53 60 65 58 57 61 58 59

Ni 187 295 324 231 275 242 282 276

Cu 54 48 52 44 79 52 51 68

Zn 159 144 99 141 167 - 134 134

Ga 28 27 28 22 18 20 29 28

Rb 53 42 41 43 35 39 50 44

Sr 688 638 633 642 634 660 641 618

Y 21 23 24 21 26 20 24 21

Zr 346 304 301 289 270 283 310 284

Nb 76 70 70 62 61 67 55 50

Mo 3.1 1.9 2.2 2.1 3.6 2.4 4.1 2.2 Sn 1.6 1.7 1.5 1.4 1.6 1.3 2.3 2.3 Ba 573 478 477 469 468 502 534 509

La 20 19 25 15 29 17 14 13

Ce 39 38 50 29 53 33 26 23

Pr 4.4 4.7 6.0 3.7 6.0 4.0 3.3 3.2

Nd 19 21 26 16 25 17 16 15

Sm 5.04 5.38 6.21 4.10 5.67 4.74 3.53 3.59 Eu 2.80 2.12 2.14 2.04 1.94 2.06 2.42 1.94 Gd 4.07 5.18 5.57 3.71 4.76 4.11 4.55 4.67 Tb 0.75 0.75 0.87 0.64 0.75 0.63 0.71 0.63 Dy 4.63 4.15 4.58 3.87 4.46 4.09 4.51 4.26 Ho 0.70 0.68 0.76 0.54 0.58 0.57 0.66 0.56 Er 1.93 2.08 2.24 1.46 1.66 1.71 2.10 1.90 Tm 0.30 0.36 0.34 0.27 0.27 0.27 0.37 0.38 Yb 1.82 1.60 1.65 1.53 1.61 1.59 1.93 1.78 Lu 0.27 0.30 0.34 0.27 0.27 0.31 0.25 0.22 Hf 7.01 6.76 6.62 5.15 4.65 5.45 7.40 7.18 Ta 3.99 3.54 3.87 4.36 3.72 4.48 3.67 3.24 W 1.01 0.63 0.68 0.50 0.65 0.44 0.64 0.63 Pb 3.52 3.91 3.56 2.85 3.11 3.65 3.91 3.64 Th 6.90 5.68 5.48 4.63 4.88 5.48 2.97 3.54 U 1.52 1.31 1.36 0.87 0.83 0.98 0.86 0.70

Table 2. Continued

　 APB I 　 FOB

Sample No. JS-1412-47 JS-1412-56 JS-1412-57 JS-1412-W3 JS-1410-10 JS-1410-26 JS-1410-27 JS-1412-53

Sc 27 34 27 33 33 36 35 34

Ti 22461 19370 19660 18019 15218 19202 17865 17334 V 235 250 221 232 223 276 264 271 Cr 227 492 400 583 558 470 627 601 Mn 1474 1565 1324 1375 1348 1541 1591 1488

Co 54 59 49 53 49 55 64 59

Ni 146 337 197 246 227 191 283 339

Cu 41 68 30 33 35 65 83 43

Zn 120 107 147 149 195 - 159 126

Ga 30 30 23 22 19 19 26 25

Rb 56 48 51 41 27 41 36 35

Sr 807 626 718 589 553 601 575 547

Y 20 24 23 19 18 24 19 17

Zr 380 316 343 279 234 255 253 247

Nb 66 63 70 56 42 59 57 55

Mo 2.5 3.1 3.3 2.9 1.7 2.1 2.8 2.2 Sn 2.3 1.3 1.8 1.6 1.4 1.4 1.4 1.6 Ba 555 540 537 498 479 553 474 460

La 17 12 18 9 10 20 10 8

Ce 31 23 33 17 16 39 21 16

Pr 3.7 3.0 4.1 2.2 2.0 4.7 2.7 2.3

Nd 17 16 19 12 10 20 13 11

Sm 3.85 3.85 4.57 3.14 2.39 4.98 3.60 3.72 Eu 3.05 2.58 2.52 1.91 1.47 2.06 2.28 1.78 Gd 4.59 4.73 6.19 4.32 3.24 4.52 3.68 3.59 Tb 0.64 0.87 0.91 0.64 0.51 0.80 0.64 0.57 Dy 4.00 4.47 5.10 3.82 3.20 4.79 3.86 3.42 Ho 0.53 0.87 0.71 0.62 0.45 0.64 0.62 0.52 Er 1.89 2.21 1.81 1.66 1.20 1.83 1.83 1.59 Tm 0.35 0.30 0.30 0.30 0.21 0.31 0.31 0.30 Yb 1.45 2.13 1.67 1.57 1.26 1.98 1.61 1.31 Lu 0.20 0.27 0.26 0.23 0.19 0.35 0.28 0.27 Hf 8.91 7.04 6.75 5.88 4.09 5.22 5.36 5.50 Ta 4.51 4.35 5.53 4.05 2.67 3.84 2.77 2.90 W 0.52 0.69 0.71 0.55 0.35 0.45 0.71 0.54 Pb 3.14 4.36 3.06 3.03 2.01 3.34 2.50 2.96 Th 4.09 4.04 4.52 3.52 2.76 4.51 3.86 3.32 U 1.42 1.25 1.13 0.85 　 0.52 0.82 0.85 0.83

Table 2. Continued

　 APB II P II

Sample No. JS-1410-28 JS-1412-52 JS-1412-W6 JS-1412-W1 JS-1412-W2

Sc 35 33 29 33 30

Ti 18326 17999 16552 19974 18460

V 266 256 209 255 248

Cr 579 550 479 454 420

Mn 1574 1483 1221 1535 1554

Co 60 56 42 60 57

Ni 267 306 204 274 252

Cu 85 32 27 31 55

Zn 140 143 231 106 135

Ga 27 26 19 29 29

Rb 37 38 27 56 48

Sr 590 568 569 636 626

Y 21 19 19 21 22

Zr 252 260 269 326 309

Nb 57 60 50 55 62

Mo 2.6 1.5 2.1 3.8 2.4

Sn 1.4 1.4 1.5 2.1 1.6

Ba 483 473 496 510 544

La 12 8 11 13 13

Ce 26 18 19 22 26

Pr 3.3 2.5 2.1 2.8 3.3

Nd 15 12 11 14 15

Sm 3.91 3.49 2.89 3.31 4.59

Eu 2.50 1.80 1.76 2.45 2.63

Gd 3.97 3.82 3.99 4.32 3.89

Tb 0.71 0.57 0.56 0.65 0.70

Dy 4.48 3.35 3.23 3.90 4.41

Ho 0.77 0.57 0.52 0.61 0.66

Er 1.98 1.71 1.34 2.02 2.01

Tm 0.34 0.32 0.24 0.38 0.36

Yb 1.85 1.35 1.37 1.90 2.21

Lu 0.29 0.28 0.19 0.29 0.28

Hf 5.20 5.37 4.41 8.02 8.09

Ta 3.02 2.89 3.17 3.70 4.73

W 0.71 0.53 0.39 0.77 0.93

Pb 2.76 3.16 2.30 3.33 3.56

Th 4.27 3.66 2.92 2.67 4.15

U 0.76 0.81 0.57 　 0.69 0.86

Fig. 6. Harker variation diagram for volcanic rocks from Sangumburi pit crater. APB I = aphanitic pyroxene basalt I, FOB = feldspar olivine basalt, APB II = aphanitic pyroxene basalt II, and P II = pyroclast II.

Fig. 7. A) Ba/Nb-Th/Nb and B) Th/Nb-Rb/Nb diagrams for volcanic rocks from Sangumburi pit crater. Symbols are

same as Fig. 6. DMM = Depleted MORB mantle, EM = Enriched mantle, HIMU = mantle with high U/Pb ratio(Saunders

et al., 1988; Weaver, 1991; Weyer et al., 2003).

비를 이용하여 검토해 보았다(Fig. 7). 만약 부분용융 동안 이들 미량원소비가 변화하지 않았다고 가정 한 다면 화산암을 형성한 마그마는 결핍 맨틀(DMM)과 부화된 맨틀(EM)에서 기원한 마그마들 사이의 지화 학적 영역에 도식된다. 그러므로 산굼부리 화산암을 형성한 마그마는 결핍 맨틀과 부화된 맨틀의 지화학 적 특성이 혼합된 근원물질로부터 형성되었음을 알 수 있다. Sr-Nd-Pb-Hf 동위원소 연구는 제주도를 형 성한 화산암류의 기원 맨틀 물질이 결핍 맨틀(DMM) 과 부화된 맨틀(EM2) 물질들이 섞인 특징을 가진다고 보고한바 있다(Park et al, 2005, Choi et al., 2014).

산굼부리 화산암의 연대

40Ar/³⁹Ar 연대 측정을 위하여 신선한 화산암 시료 를 250~180 µm 크기로 잘게 분쇄하여 증류수로 세 척 한 후 건조한 시료를 준비하였다. 중성자 조사 후 분석은 한국기초과학지원연구원 오창센터에 있는 레 이저 발생장치(Fusions 10.6, Photon Machines)와 다 검출기 불활성기체 질량분석기(ARGUS VI, Thermo) 를 이용하였다.

산굼부리 화산암 stage 2 시료인 침상장석감람석현 무암(FOB; JS-1410-26)의 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대는 0.073±

0.036 Ma이다(Table 3). 야외에서의 stage 1과 stage 2 사이의 고토양층을 발견하지 못한 것은 두 단계 사 이의 휴식기가 길지 않았음을 의미한다. 결과적으로 산굼부리 분화구 형성 시기는 7만3천년이고, 이 시기 는 기존 연구된 K-Ar 0.128 Ma(Jejudo, 2003)보다 젊다.

산굼부리 분화구의 형성 과정

앞에서 언급한 것 같이 산굼부리 분화구는 두 번에 걸쳐 폭발하여 형성되었다. 야외조사 결과와 이번 연 구결과들을 바탕으로 그림 8과 같이 산굼부리 분화구 의 형성과정을 모식화하였다.

Stage 1에서는 비현정질휘석현무암 I의 용암과 화 성쇄설물 I의 쇄설물이 거의 동시에 분출하였으며(Fig.

8A), 화성쇄설물 I는 대부분 화산재와 래필리로 구성 되어져 있다(Fig. 2C). Stage 1 단계의 산굼부리 모 습은 제주도의 일반적인 원형의 분석구 모습과 유사 할 것으로 생각된다.

Stage 2에서는 소량의 침상장석감람석현무암 용암 이 분출한 후, 비현정질휘석현무암 II 용암과 화성쇄 설물 II의 쇄설물이 거의 동시에 분출하였다(Fig.

8B). 화성쇄설물 II는 집괴암(agglomerate)으로 구성되 어져 있으며, 쇄설물은 산굼부리 남동쪽 방향으로 분 출하였다. Stage 2 시기에 강력한 분출로 stage 1 분 석구 대부분이 파괴되어 화성쇄설물 I의 쇄설물은 대 부분 소실되었다(Fig. 8B). 비현정질휘석현무암 II 용 암은 서쪽과 북쪽방향 분석구를 넘쳐흐르면서 분화구 외각으로 흘러 나갔지만, 용암 수위가 점점 낮아지면 서 분화구 외각으로 넘어간 용암 양은 많지 않았다 (Fig. 8C). 비현정질휘석현무암 II 용암은 용암호수를 이루었으나, 몇 차례에 걸쳐 용암 대부분은 하부로 빠져나가 용암 수위가 낮아지면서 함몰분화구(pit crater)를 형성하였다(Fig. 8D). 함몰분화구가 형성된 후 산굼부리 분화구 내부 사면은 급경사를 이루었으 며, 이러한 급경사로 인해 사면이 붕락되어 암석 덩 어리들이 아래로 떨어져 나가기 시작하였다(Fig. 8E).

마지막으로 붕락되어 형성된 암석 덩어리들이 재동 되고 퇴적(reworked deposit)되어 산굼부리의 현재 모 습을 만들었다(Fig. 8F).

산굼부리 분화구가 함몰분화구(pit crater)라는 몇 가지 이유는 용암이 분화구에서 빠르게 빠져나가 생 긴 급경사로 인하여 산굼부리 분화구 바닥에 재동된

Table 3.

Ar/

Ar age for FOB, erupted at stage 2,

from Sangumburi pit crater. FOB = feldspar olivine basalt.

　 Rock name Stage 2 FOB Sample No. JS1410-26

Relative Isotopic Abundances

40Ar 22871.290

±1s 80.723

39Ar 1918.260

±1s 7.039

38Ar 47.138

±1s 14.910

37Ar 371.084

±1s 12.117

36Ar 77.778

±1s 0.409

Derived Results

39Ar Mol(10^-14) 0.064 Ca/K 5.122

±1s 0.161

%⁴⁰Ar* 1.243 Age (Ma) 0.073

±1s 0.036

퇴적물(reworked deposit)이 쌓였고(Fig. 9A), 산굼부 리 남쪽에 용암이 빠져나가 발달한 2개의 용암동굴 (lava cave)이 분포하고 있으며(Fig. 9B), 급경사로 인 해 최상부 화성쇄설물 II의 집괴암(agglomerate)면에

강한 힘에 의해 형성된 절단면이 발달하고 있다는 것 이다(Fig. 9C, 9D). 산굼부리 하부로 빠져나간 용암 의 방향은 지형상 북동쪽방향일 가능성이 크나, 지하 에 위치하고 있어 현재로서는 알 수 없다.

Fig. 8. A schematic history of (A) stage 1 and (B)-(F) stage 2 in the Sangumburi pit crater.

결 론

산굼부리 분화구의 정밀지질도 작성과 Ar-Ar 연대 측정을 통해 산굼부리 분화구는 7만3천 년 전 두 번 에 폭발로 형성되었음을 알 수 있었다. Stage 1에서 는 비현정질휘석현무암 I의 용암과 화산재와 래필리 로 구성된 화성쇄설물 I이 동시에 형성되었다. Stage 2에서는 침상장석감람석현무암 분출 후 비현정질휘석 현무암 II와 집괴암으로 구성된 화성쇄설물 II가 동시 에 형성되었다. 새로이 작성된 지질도상의 암상 및 층서는 산굼부리 인근 시추공(well 54)의 층서와 잘 일치한다.

분화구 내의 급경사, 분화구 바닥의 재동된 퇴적물, 용암동굴 등의 야외조사를 통해 얻은 지질학적 자료 와 정밀지질도를 통해 산굼부리 분화구는 함몰분화구 (pit crater)임을 알 수 있었다. 그러나 산굼부리 분화 구 일대에 또 다른 함몰분화구의 위치를 파악할 수 없어, 현재로서는 하부로 빠져나간 마그마의 방향은 알 수 없다.

사 사

논문의 심사과정에서 건설적인 비평과 유익한 조언 을 해주신 익명의 심사위원과 야외조사에 도움을 준 산굼부리 김명진 대표와 전남대학교 에너지자원공학 과 정우철, 조윤수, 이우송 학생에게 감사드린다. 본 연구 수행은 제주특별자치도 “제주 산굼부리 분화구 종합 학술조사 및 보존, 활용방안 연구용역”에 의하 여 수행되었다.

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Fig. 9. (A) reworked pit crater deposit on the bottom of Sangumburi pit crater, (B) lava cave in the APB I, and (C)-

(D) collapsed surface and plane of P II. APB I = aphanitic pyroxene basalt I and P II = pyroclast II.

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Received August 8, 2016

Review started August 9, 2016

Accepted August 24, 2016