The Geological Society of Korea
[ Article ]
Journal of the Geological Society of Korea - Vol. 55, No. 5, pp.595-619
ISSN: 0435-4036 (Print) 2288-7377 (Online)
Print publication date 31 Oct 2019
Received 26 Aug 2019 Revised 17 Oct 2019 Accepted 28 Oct 2019
DOI: https://doi.org/10.14770/jgsk.2019.55.5.595

한반도 백악기 화산호의 구분과 U-Pb 저어콘 연대: 호화산작용의 시공간적 진화

황상구1, 2 ; 김상욱3 ; 기원서4, ; 김정진1
1안동대학교 지구환경과학과
2안동대학교 기초과학연구소
3경북대학교 지질학과
4한국지질자원연구원 국토지질연구본부
U-Pb zircon ages and division of the Cretaceous volcanic arc in the Korean Peninsula: Spatiotemporal evolution of the arc volcanism
Sang Koo Hwang1, 2 ; Sang Wook Kim3 ; Weon-Seo Kee4, ; Jeong Jin Kim1
1Department of Earth and Environmental Sciences, Andong National University, Andong 36729
2Institute of Basic Sciences, Andong National University, Andong 36729
3Department of Geologys, Kyungpook National University, Daegu 41566
4Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 34132

Correspondence to: +82-42-868-3346, E-mail: wskee@kigam.re.kr

초록

한반도의 백악기 화산암류는 고-K 칼크알칼리 계열로서 유라시아대륙 남동부 아래로 이자나기판의 섭입작용에 의한 호화산작용의 산물이다. 한반도 중부 및 남부에서 백악기 화산암류를 분포에 따라 경기호, 음성호, 옥천호, 영남호 및 경상호의 5개 화산호로 구분하고, 지금까지 보고된 U-Pb 연대자료를 시공간적으로 검토했다. 각 화산호에서 활동의 시작시기와 종식시기를 정리하면 다음과 같다. 시작시기는 경기호에서 활동이 115 Ma 경에 시작되었고 음성호와 경상호에서는 110 Ma 경에 시작되었으며 화산호 간에 상당히 큰 차이를 보이는데, 이는 아마도 화산호에 따라 연대측정 자료의 부족과 단층운동의 제어에 따른 마그마 생성시기의 차이에 기인하는 것으로 생각된다. 종식시기는 경기호에서 활동이 109 Ma 경에 끝났고 음성호, 옥천호와 영남호가 80 Ma 경에 종료되었다. 경상호는 활동이 내륙쪽에서 80 Ma에 종료되었지만 해구쪽의 화산전면부에서는 고신기 전엽까지 지속되었다. 그러므로 한반도에서 호화산작용은 시공간적으로 볼 때 해구쪽으로 가면서 순차적으로 젊어지며 두 차례 큰 종식 변곡기를 가진다. 이에 따라 한반도에서 백악기 섭입대의 조구조운동은 백악기 화산호의 시공간적 진화를 바탕으로 설명할 수 있다. 1) 115∼100 Ma 동안 이자나기판의 얕은 섭입각으로 인해 섭입대 심부의 슬랩용융으로부터 내륙에 경기호를 형성하였다. 2) 100~80 Ma 동안, 섭입작용은 강한 수렴률로 지속되었으며 95 Ma 경부터 이자나기판의 운동이 북서 방향으로 전환됨에 따라 음성호, 옥천호, 영남호와 경상호에서 호화산작용이 더욱 활발해졌다. 3) 80~60 Ma 동안, 급경사 섭입작용으로의 전환은 주로 경상호 전면부 근처에서 호화산작용이 일어나게 하였다. 이로 인해 호화산작용은 주로 경상호의 전면부에서 일어났고 기타 화산호에서는 종식되었다.

Abstract

The Cretaceous volcanic rocks in the Korean Peninsula are a high-K calc-alkaline series, suggesting the products of the arc volcanism caused by subduction of the Izanagi plate in the southeastern margin of the Eurasian continent. In this study, the Cretaceous volcanic rocks in the central and southern parts of the Koran Peninsula are divided into five volcanic arcs, such as Gyeonggi, Eumseong, Okcheon, Yeongnam and Gyeongsang, where the spatiotemporal variation of the previous U-Pb age data were reviewed. Considering the beginning time of each volcanic arc, the Gyeonggi Arc began in volcanism around 115 Ma and the Eumseong and Gyeongsang arcs began around 110 Ma, but there is a significant difference among volcanic arcs, probably due to a lack of age data and a difference in timing of producing a magma under control of faulting. But in terms of their ceasing time, the Gyeonggi Arc finished in volcanism around 109 Ma, while the Eumseong, Okcheon and Yeongnam arcs terminated around 80 Ma. Gyeongsang Arc also ceased in volcanism at that time in the inland, but continued in the volcanic front toward trench until the Early Paleogene. Thus, the arc volcanism in the Korean Peninsula spatiotemporally became younger sequentially as it moves toward trench, with two major turning timing of the volcanic ceasing. Accordingly, the Cretaceous tectonism of the subduction zone in the Korean Peninsula can be spatiotemporally described based on the evolution of the Cretaceous volcanic arcs. 1) For 115∼100 Ma, slab melting causing by the shallow subduction angle may have occurred in the deeper part of the subduction zone to form the inland Gyeonggi Arc. 2) For 100∼80 Ma, the subduction continued with a strong convergence and as the Izanagi plate shifted toward NW direction from 95 Ma, the arc volcanism became more active in other volcanic arcs except the Gyeonggi Arc. 3) For 80∼60 Ma, the transition to steep subduction resulted mainly in arc volcanism that only occurred near the front of Gyeongsang Arc, but the arc volcanism was terminated in other volcanic arcs.

Keywords:

Korean Peninsula, Cretaceous, volcanic arc, U-Pb age, Izanagi plate, arc volcanism

키워드:

한반도, 백악기, 화산호, U-Pb 연대, 이자나기판, 호화산작용

1. 서 언

한반도에는 대규모 중생대 화산암류와 심성암류가 넓게 분포되어있다. 그러므로 이들의 연대, 시공간 분포와 조구조적 성격에 관한 연구는 중생대 화성활동과 더 나아가 중생대 조구조 환경 변화에 대해 이해하는데 중요하다.

한반도에서 중생대 마그마작용은 전통적으로 송림, 대보와 불국사 활동으로 나눠진다(Kim, 1970, 1971; Reedman and Um, 1975). 불국사 활동은 백악기 후엽에서 고신기(Paleogene) 전엽까지 일어난 화성활동이며 강력한 화산작용에 심성작용이 시공간적으로 매우 밀접하게 조합되어있다(Kim, 1996).

그러나 한반도에서 백악기 화산암류는 대개 NE-SW 및 NNE-SSW 방향의 큰 단층선을 따라서 발달하는 작은 분지들에 분포한다. 이들 퇴적분지는 유라시아판 아래로 이자나기판의 섭입작용(Engegebretson et al., 1985; Xu et al., 1987; Chough et al., 2000)의 지배 하에서 주향이동 단층운동(Kwon et al., 2009; Chang and Zhao, 2012)에 수반되는 열곡 및 인리형 분지들이다.

이들 분지는 쇄설성 퇴적층으로 채워졌고 상부에 용암과 화산쇄설암을 협재하거나 덮고 있으며, 화산쇄설암으로만 구성되기도 한다. 비록 많은 연구가 수행되었지만, 층서와 마찬가지로 정확한 분출시기와 같은 미해결 문제들이 남아있다. 화산암류의 분출 연대는 간헐적으로 측정된 K-Ar, Rb-Sr과 소량의 U-Pb 연대에 기초하여, 120∼50 Ma 범위로 평가되었다. 그러나 이들 연대의 일부는 신뢰도의 문제가 있는 것으로 생각된다. 예를 들면, 낮은 폐쇄온도는 K-Ar 자료의 신뢰도를 떨어뜨리고, Rb/Sr 동위원소비의 좁은 범위는 Rb-Sr 동위원소 연대에서 큰 오차를 가져온다. 그러나 최근에 많은 저어콘 U-Pb 연대측정 결과들이 보고되면서 화산암류의 정확한 연대 정립이 가능해졌다. 한반도에서 백악기 화성암류의 최근 연대군은 일반적으로 남동 방향으로 가면서 더 젊어진다. 저어콘 U-Pb 연대는 임진강대와 경기육괴에서 대체로 120~100 Ma, 옥천대, 경기육괴와 경상분지에서 100~80 Ma, 경상분지의 남동해안을 따라서 대략 80~65 Ma이다(Kim et al., 2016).

이 연구에서는 한반도 백악기 화산암류를 지역에 따라 5개 화산호로 구분하고, 이에 따라 기존에 보고된 정확한 U-Pb 연대측정 자료를 중심으로 검토하였다. 또한 이를 통해 이자나기판의 섭입에 따른 조구조적 상관성과 백악기 호화산작용의 시공간적 진화를 해석하였다.


2. 지질배경

한반도에서 주요 암석-조구조 단위는 북서에서 남동으로 가면서 선캠브리아시대 경기육괴, 고생대 옥천대, 선캠브리아시대 영남육괴와 백악기 경상분지 순으로 놓인다. 최근 연구들은 이 지역의 판구조에 관해 여러 새로운 제안을 하면서 이들 다양한 단위에 대한 마그마사, 변성사 및 조구조사에 초점을 두어 진행되어왔다(Lee and Cho, 2003; Oh, 2006; Metcalfe, 2006; Kim, S.W. et al., 2006, 2011; Williams et al., 2009).

경기육괴는 주로 선캠브리아시대의 변성암류와 중생대 화강암질암으로 구성된다. 변성암류는 기반암인 편마암과 편암으로 구성된 경기변성암복합체와 상위의 지표지각 암석인 서산층군으로 구성된다.

영남육괴는 소백산복합체와 태백산층군으로 나눠지며, 이들은 모두 다상 변성작용을 겪었고 부분적으로 녹색편암상으로 후퇴되었다. 소백산복합체는 다양한 편마암들과 백립암을 포함한다. 이들은 2.9-2.7 Ga, 2.59-2.47 Ga, 1.83-1.91 Ga 연대를 가진다(Sagong et al., 2003; Kim et al., 2006). 태백산층군은 층상 이질 및 사암-이질 편암을 포함하는 변성퇴적암으로 구성된다.

옥천대는 경기육괴와 영남육괴 사이에 놓이며, 북동쪽 태백산분지와 남서쪽 옥천변성대로 구분된다. 옥천변성대는 저변성 및 중변성도의 변성퇴적암과 변성화산암으로 구성된다. 광역변성작용은 녹색편암상 내지 각섬암상이다. 이는 이 변성대를 관입한 중생대 심성암체의 접촉대에서 열변성작용이 뒤따라 일어났다. 한편 북동부 태백분지는 고생대에서 중생대 전기의 화석을 가진 변성퇴적암으로 구성된다.

경상분지는 한반도의 남동부에 위치한다(그림 1). 이 분지는 서쪽과 북쪽이 선캠브리아시대의 변성암(영남육괴)으로 경계되고 동쪽이 소량의 퇴적암이 협재된 제3기 칼크알칼리 화산연속체에 의해 덮인다. 이 분지는 상부로 가면서 신동, 하양 및 유천층군으로 세분되는 경상누층군의 두꺼운 퇴적암층 및 화산암층으로 구성된다(Chang, 1975, 1988). 신동 및 하양층군은 육성 환경에서 퇴적된 쇄설암으로 구성되는 반면에 유천층군은 화산암으로 지배되는 특징을 가진다. 상위의 유천층군은 주로 화산암층(용암과 화성쇄설암)과 소량의 화산쇄설암층(층회암)으로 구성된다.

Fig. 1.

Geological map of the Korean Peninsula, showing the overall distribution of the Cretaceous sedimentary, volcanic and plutonic rocks, and fault systems. The volcanic rocks are divided as five volcanic arc: Gyeonggi Arc (GGA), Eumseong Arc (ESA), Okcheon Arc (OCA), Yeongnam Arc (YNA) and Gyeongsang Arc (GSA) from the volcanic zones by their banded distribution.

한반도 북부에서는 백악기 초엽에 대체로 NNE-SSW 방향의 큰 구조선을 따라서 분지가 형성되어 각각 자성계와 대보계라고 하는 퇴적암층에 화산암류를 발달시켰다(Kim and Pak, 1993). 한반도의 남부에서는 경상분지를 비롯하여 임진강대, 경기육괴, 옥천대, 영남육괴에서도 대개 NNE-SSW, NE-SW 방향의 큰 구조선을 따라서 작은 분지가 형성되었고, 그 분지에는 하부에 퇴적암류와 동시에 상부에 화산암류가 여러 곳에 분포되어 있다.


3. 백악기 화산암류 분포

한반도 북부에는 백악기 전기의 대보계와 자성계라고 하는 화산암류가 분포하지만(Kim and Pak, 1993), 이들에 대한 자세한 자료가 부족하여 이 논문에서는 제외하였다.

한반도 남부에서는 백악기 전엽부터 고신기 전엽까지 화산암류가 대개 NNE-SSW, NE-SW 방향의 큰 구조선을 따라서 여러 곳에 단속적으로 분포한다(그림 1). 그러나 이들은 전체적으로 NE-SW 방향으로 대상 분포를 이루고 있다. 이 대상 분포는 대체로 한반도의 조구조적 배경과도 일치하는 모습을 보여주며 5개의 화산대로 나눠진다. 이 화산대들은 북쪽으로부터 각각 경기, 음성, 옥천, 영남과 경상화산대라고 호칭한다. 경기화산대는 임진강대 경계부와 경기육괴 서부에 분포하며, 음성화산대는 공주단층계를 따라 NE-SW 방향으로 길게 분포한다. 옥천화산대는 옥천대 내에서 광주단층계를 따라 NE-SW 방향으로 분포하며, 영남화산대도 마찬가지로 영남육괴 내에 NE-SW 방향으로 흩어져 분포한다. 경상화산대는 대체로 한반도 남동부 해안을 따라 대규모의 활모양으로 분포한다.

3.1 경기화산대

경기화산대는 임진강대 및 경기육괴 내에서 철원분지, 부평 화산암체, 남양분지, 굴업도 화산암체, 탄도분지, 천수만분지 등으로 이어진다(그림 1; 표 1).

Occurrences and dating data of the volcanic rocks in the Imjingang Belt and Gyeonggi Massif.

3.1.1 철원분지

이 분지는 임진강대에서 동두천단층과 동송단층의 사이에 위치한다. 이 분지는 최대 24.5x9.9 km 크기의 마름모 형태로서 북동-남동 방향으로 길게 형성되어 있다.

철원분지에는 하부에 화산성 퇴적암이 소규모로 협재되지만 대부분 화산암류로 채워져 있으며 철원층군이라 한다(Kee et al., 2008). 이 철원층군은 하부로부터 궁평층, 중리층, 금학산안산암, 동막골응회암, 유문암, 신서각력암, 지장봉응회암 순으로 놓인다.

철원분지 화산암류는 저어콘 SHRIMP U-Pb 연대 측정결과 유문암이 115.0±1.1 Ma이고, 지장봉응회암의 최소연대는 113 Ma를 보여준다(Hwang et al., 2011). 그리고 화강반암은 111.24±0.85 Ma와 109.1±1.1 Ma의 평균연대를 보여준다.

SiO2 조성이 48.80∼78.38 wt.% 범위이고 중-K 내지 고-K의 칼크알칼리 암석계열에 속하며 섭입대의 화산호 중에서 대륙호에 속한다(Hwang et al., 2010).

3.1.2 부평 화산암체

인천 부평일대의 화산암류는 지름 약 10 km의 환상구조로 산출된다. 이 화산암류는 유문암질이며 약산용결응회암, 계마산용결응회암, 관입각력암, 장석반암과 관입유문암으로 구성된다(Suh and Park, 1986).

약산용결응회암은 부평광산을 중심으로 폭이 약 3 km, 길이가 동서 방향으로 약 9 km 연장된다. 계양산응회암은 계양산을 중심으로 폭이 약 3 km, 길이가 남북 방향으로 10 km로 분포하며, 최고 약 500 m 두께를 가진다. 관입각력암은 암맥 혹은 파이프상으로 산출되며 매우 불규칙한 형태를 나타낸다.

관입유문암의 K-Ar 전암연대는 121±6 Ma(Suh and Park, 1986)와 132.9±4.1 Ma 및 131.2±4.0 Ma로 보고되었다(Kim et al., 1998).

3.1.3 탄도분지

이 분지는 서해안에 위치하며 최대거리 약 4 km인 마름모꼴의 작은 인리형 분지이다(Kim et al., 2012). 분지충전물은 두께가 약 1.5 km 이상 달하며, 주로 쇄설성 퇴적물로 구성된다. 역질 사암은 분지의 하부에 존재하며, 상부에는 처트질 이암과 함께 층상 안산암질 응회각력암, 유문암질 라필리응회암 및 응회암으로 구성된다.

최근 이 분지에서 유문암의 저어콘 U-Pb 연대는 111±1 Ma이고, 안산암은 111±3 Ma로 백악기 전엽으로 나왔다(Kim et al., 2012).

3.1.4 굴업도 화산암체

이 화산암체는 경기만 내에 굴업도, 백아도, 선갑도 등의 작은 섬들에 분포하며 화성쇄설암과 용암으로 구성된다. 화성쇄설암은 굴업도응회암으로서 심하게 용결된 라필리응회암에 속하고 유문암질 내지 데사이트질이다. 용암은 유상엽리가 선명하게 발달된 유문암이며 300 m 이상의 두께를 가진다.

굴업도응회암은 SHRIMP U-Pb 연대가 114.3±1.4 Ma로서 백악기 초엽의 화산작용에 의한 것이다(Cho and Lee, 2016).

3.1.5 천수만분지

이 분지는 충남 안면도 해안에 위치하며, 남북 방향의 단층에 의해 경계된다. 이 분지를 채운 천수만층은 주로 역암으로 구성되는 백악기 쇄설성 퇴적암으로 구성되며, 그 위에 현무암, 안산암, 데사이트와 유문암질 응회암으로 구성되는 화산암류가 소규모로 덮고 있다(Jeong et al., 1994; Kim et al., 2012).

이 화산암류는 주원소 및 미량원소의 분석치에 의하면 대부분 칼크알칼리 계열에 속한다. 이들 중 가장 신기 화산암류인 데사이트에서 K-Ar 전암연대가 89.4±2.4 Ma와 91.9±2.3 Ma로 보고되었다(Jeong et al., 1994). 그러나 천수만분지에서 산출된 안산암과 유문암질 응회암의 SHRIMP U-Pb 연대는 각각 109~111 Ma와 109±3 Ma로 측정되었다(Kim et al., 2012).

3.2 공주단층계를 따르는 음성화산대

음성화산대는 경기육괴 남변부에서 금왕단층, 공주단층과 함평단층으로 이어지는 NE-SW 방향의 공주단층계를 따라 백담, 풍암, 음성, 공주 및 부여분지, 그리고 변산, 선운산 및 법성포 화산암체로 연결된다(그림 1; 표 2)

Occurrences and dating data of the volcanic rocks in basins along the Gongju Fault System.

3.2.1 백담분지

이 분지에는 미시령 사이에 하부의 퇴적암층과 상부의 화산암층으로 구성되는 백담층군이 분포한다. 백악기 백담층군은 암상과 암색을 기준으로 하여 대승령층, 작은감투봉층, 용대리응회암, 세존봉응회암과 석영장석반암으로 구분된다(Kee et al., 2010; Kim et al., 2010).

용대리응회암은 대부분 유문암질 회류응회암으로 구성되며 구성원에 의하면 결정이 매우 풍부한 파리질 응회암(crystal-rich vitric tuff)에 속하고 용결되어 있으며, 하부에 얇은 강하응회암(fallout tuff)을 협재한다. 세존봉응회암은 마등령 북쪽에서 설악산맥을 따라 북쪽으로 산출된다. 이 응회암은 유문암질이고 용결되어 있으며, 전체적으로 반정을 약 50% 내외로 포함하기 때문에 결정질 응회암(crystal tuff)으로 분류된다. 석영장석반암은 황철봉으로부터 신선봉까지 화산돔 형태로 산출되며 능선부에서 급사면을 이루는 험준한 지형을 형성한다. 이 반암은 드물게 암편을 함유하기 때문에 관입 용결응회암 양상을 나타낸다.

용대리응회암은 SHRIMP U-Pb 연대가 104.8±3.5 Ma에서 108.0±3.1 Ma로 측정되었고, 세존봉응회암은 88.8±0.7 Ma로 측정되었으며, 반암은 84.4±2.1 Ma로 측정되었다(Kim et al., 2010).

3.2.2 풍암분지

풍암분지(혹은 갑천분지)는 NE-SW 방향의 주향이동 단층선을 따라서 발달된 단층연변 침하지(fault margin sag) 혹은 횡압축 분지(transpression basin)로 해석되며, 그 규모는 길이 약 25 km, 너비 약 8 km 정도이다. 이 분지는 소량의 화산물질을 함유하는 퇴적암층과 분출상 및 관입상 화산암류를 포함한다.

이 분지에서 화산암류는 현무암, 안산암 및 안산암질 응회암, 데사이트질 및 유문암질 응회암으로 구성되고 안산암이 가장 우세하다. 특히 하부에 현무암질 안산암과 응회암이, 중부에는 응회질 사암, 실트암과 집괴암이, 상부에는 암회색 안산암 순으로 놓인다(Lee et al., 1992).

화산암류는 분출 안산암, 관입 안산암, 역암 내의 안산암편, 화성쇄설암에 대해 K-Ar 전암연대가 72.6~ 94.4 Ma 범위로 측정되었다(Cheong and Kim, 1999). 이 화산암류는 SiO₂의 함량에 따르면 현무암, 안산암 및 데사이트, 그리고 유문암으로 구분되며, 안산암과 데사이트가 가장 우세하다. 판별도에서 칼크알칼리 계열을 나타내고 화산호에 속한다(Lee et al., 1992).

3.2.3 음성분지

이 분지는 풍암분지와 동일 구조선상에 놓이고 33x8 km 크기이다(Lee et al., 1992; Choi, 1996). 분지의 서부에서는 초평리층과 백야리층이 놓이며, 동부에서는 그 위에 화산암층이 덮는다. 화산암층은 상부로 갈수록 현무암질에서 안산암질과 유문암질로 점차 변화하며, 하부에서 용암이 우세하지만 상부로 가면서 화성쇄설암이 우세하다. 최상부에는 유문암이 30여 m 두께로 덮고 있다.

화산암류에 대한 K-Ar 연대측정 결과, 현무암이 약 100 Ma (Choi, 1996)와 유문암이 65.98±0.93 Ma로 보고되었다(Lee et al., 1992).

이 분지의 화산암류는 SiO2의 함량에 따라서 현무암(46.9%), 안산암(54.9%~55.8%), 데사이트 및 유문암(58.8%~69.7%)으로 구분되며, 안산암이 우세하다. 이들 암석의 화학분석치는 칼크알칼리 계열을 나타낸다(Lee et al., 1992).

3.2.4 공주분지

이 분지는 25x4 km 크기이며, 주향이동단층에 의한 인리형 분지이다. 북서부에는 백악기 화산암류가 소규모로 분포하며, 화산암류는 현무암질 용암, 응회암, 응회각력암 등으로 구성되며 하부에는 용암이 절대적으로 우세하지만 상부로 가면서 화성쇄설암이 풍부해진다(Lee et al., 1992).

현무암의 K-Ar 연대가 93.2±1.4 Ma로 보고되었는데(Lee et al., 1992), 이는 풍암분지, 음성분지의 현무암질 화산활동과 거의 유사한 시기이다.

이 화산암류는 SiO2의 함량에 따라서 현무암(48.35%), 현무암질 안산암(52.7%~57.0%), 안산암(60.0%~64.2%)으로 구분되며, 대부분 현무암질 용암류로 산출된다. 이 화산암류는 화학적으로 칼크알칼리 계열에 속하며, 섭입작용에 따른 화산활동이 일어났음을 반영한다(Lee et al., 1992).

3.2.5 변산 화산암체

이 화산암체는 군산·부안·방축도·장자도도폭(Choi and Hwang, 2013)과 줄포·위도·하왕등도도폭(Koh et al., 2013)에서 대부분 유문암질 내지 데사이트질 화성쇄설암과 용암 및 관입암으로 구성되고 약간의 퇴적암층을 협재한다. 이 화산암체는 하부로부터 천마산응회암, 연동응회암, 우제동응회암, 석포응회암, 격포리층, 곰소유문암, 유정재응회암, 변산응회암, 백련리유문암, 기상봉응회암과 삼예봉유문암으로 구분된다.

석포응회암은 SHRIMP U-Pb 연대가 88.7±2.0 Ma로 측정되었으며(Koh et al., 2013), 위도에서 망령산응회암은 85.7±2.9 Ma로 측정되었고 기상봉응회암에 대비된다. 그리고 야미도에 산출되는 유문암은 93.6±2.1 Ma로 측정되었다(Choi and Hwang, 2013).

3.2.6 선운산 화산암체

이 화산암체는 고창 동부에 10x14 km 크기의 타원상으로 분포하며 칼데라 함몰체로 남아있다. 이 화산암체는 하부로부터 경수산데사이트, 이상산응회암, 굴치유문암, 월평응회암과 응회질 퇴적암층 순으로 구분된다(Park and Lee, 1988).

경수산데사이트는 화성쇄설 조직이 관찰됨으로써 경수산응회암으로 개칭하였으며 저어콘의 SHRIMP U-Pb 연대가 86.5±1.7 Ma와 84.9±1.0 Ma로 측정되었다(Koh et al., 2013).

선운산 화산암류는 화학적으로 칼크알칼리 계열에 속하며 SiO2 함량이 58~70%로 증가함 따라서 전체적으로 데사이트질에서 유문암질로 분화되어감을 나타낸다(Park and Lee, 1988).

3.2.7 법성포 화산암체

이 화산암체는 영광 서해안을 따라 7.5x15 km의 타원상으로 분포한다. 가음도도폭에서 여러 암상으로 분류되었으며(Chang and Hwang, 1984), 그 후에 하부 산성 화산암류를 대절산화산암층, 중부 중성 화산암류를 수리봉화산암층, 상부 산성 화산암류를 옥녀봉화산암층으로 명명하였다(Won et al., 1991). 그리고 북부의 법성포도폭에서 하부 산성 화산암류를 상하응회암과 성산응회암으로 분리하였고, 중부 중성 화산암류와 상부 산성 화산암류를 각각 홍농안산암와 계마유문암으로 개칭하였다(Kwon et al., 2015).

SHRIMP U-Pb 연대측정에 의하면 성산응회암은 87.46±0.86 Ma와 87.66±0.76 Ma로 측정되었고, 계마유문암에서는 84.9±1.1 Ma 연대를 얻었다(Kwon et al., 2015).

이 화산암체는 화학적으로 칼크알칼리 계열로 나타난다. 따라서 이 지역의 화산암류는 백악기 후엽에 유라시아판 연변부에서 고태평양 해양판의 섭입에 의해 생성된 칼크-알칼리 계열의 마그마 활동과 관련된 것으로 해석하였다(Won et al., 1991).

3.3 옥천화산대

옥천화산대는 옥천대 내와 남변부에 수조의 NE-SW 단층선을 따라 통리분지, 문경 화산암체, 영동분지, 무주분지, 운장산 화산암체, 순창분지, 능주분지, 목포 화산암체, 해남분지, 진도 화산암체 등으로 연결된다(그림 1; 표 3).

Occurrences and dating data of the volcanic rocks in the Okcheon Belt.

3.3.1 통리분지

이 분지에서 화산암류는 태백-통리 사이의 백병산, 연화산, 복두산 일대의 3개 지역에 분리되어 분포하므로 백병산, 연화산 및 복두산 화산암체로 나눠진다(Won et al., 1994).

백병산 화산암체는 5x6 km 규모의 타원상으로 분포하며 약 500 m 두께를 가진다. 이 화산암체는 하부로부터 현무암, 안산암, 유문암질 용결응회암 등의 순서로 구분된다. 안산암은 K-Ar 연대가 66.92±2.1 Ma로 측정되었다. 연화산 화산암체는 약 200~300 m 두께를 가지고, 유문암질 응회암과 유대상 유문암이 수차례 교호한다. 하부 유문암은 K-Ar 연대가 56.03±2.46 Ma로 측정되었다. 복두산 화산암체는 하부의 데사이트, 중부의 유문암질 응회암, 상부의 유문암 및 각력암으로 구성된다. 데사이트의 K-Ar 연대는 49.42±0.75 Ma로 측정되었다(Won et al., 1994).

백병산 화산암체는 SiO2 함량이 46.30~75.0%, 연화산 화산암은 74.65%~76.31%, 복두산 화산암은 66.33~ 72.49% 범위이다(Won et al., 1994). 이들은 칼크알칼리 계열에 속하며 고-K 영역에 도시된다. 이런 특징은 대륙연변부에 분포하는 화산암류의 화학적 조성과 거의 일치한다.

3.3.2 문경 화산암체

문경 운달산과 대미산 일대의 화산암류는 운달산 화강반암이라고 기재되었지만(Kim et al., 1967), 이후에 운달산화산암, 대미산응회암과 화강반암맥으로 구분되었다(Jin et al., 1992). 운달산화산암은 안산암질 내지 데사이트질이고, 대미산응회암은 데사이트질 내지 유문암질 조성을 가진다. 화강반암맥의 K-Ar 연대가 약 89 Ma로 보고되었다(Kim, 1971).

3.3.3 무주분지

이 분지는 퇴적암류와 화산암류로 구성되며 약 2,000 m 두께를 가진다. 층서는 설천응회암, 방이리층, 길왕리층, 적상산층 순으로 설정되었다(Park and Lee, 1997). 이중에 설천응회암과 적상산층이 화산암류로 구성된다. 설천응회암은 약 800 m 두께를 가지며 결정이 풍부한 라필리응회암이다. 이 응회암은 K-Ar 전암연대가 91.16±2.00 Ma로 측정되었다(Park and Lee, 1997).

적상산층은 층리가 잘 발달되는 라필리응회암과 라필리암(lapillistone)으로 구성되고 상부는 안산암질 용암과 각력암 및 응회암이 교호한다. 안산암질 용암의 K-Ar 전암연대는 90.30±1.28 Ma로 측정되었다(Park and Lee, 1997).

설천응회암은 대개 유문암질 회류응회암에 속하고 SiO2 조성이 69.2~77.9% 범위이며 칼크알칼리 계열의 고-K 계열에 속한다. 미량원소 거동과 희토류원소 패턴은 백악기 후엽에 해양판의 섭입에 따른 대륙연변부의 조구조적 위치를 나타낸다(Kim, M.-S. et al., 2008).

3.3.4 운장산 화산암체

이 화산암체는 운장산을 중심으로 21x25 km 크기의 타원상 칼데라 함몰체로 분포하며, 백악기 진안분지의 산수동층을 부정합으로 덮고 있다.

이 화산암체는 하위로부터 낙천리층, 서대산응회암, 석영반암, 화강암의 순으로 분류된다. 서대산응회암은 화산암체의 중앙부에 넓게 분포하며, 두께가 최대 약 1,000 m이며, 체적은 약 430 km3이다. 이 암층은 주로 데사이트질~유문암질 용결응회암이지만, 환상단층 근처와 하부에서는 응회각력암, 라필리응회암으로 점이된다. 중심부의 화강암은 중립질 내지 조립질이며 K-장석에 대한 K-Ar 절대연대가 85 Ma이다(Kim, 1971).

3.3.5 순창분지

이 분지는 순창과 정읍 일대에서 목포-전주 및 광주-진안을 잇는 북동방향의 좌수향 이동단층에 의해서 형성된 인리형 분지로서, 50x25 km의 마름모꼴이다. 이 분지의 서부는 내장산 화산암체와 동부는 강천사 화산암체로 구분된다. 내장산 화산암체는 크게 하부의 백양사안산암질암류와 상부의 내장산유문암질암류로 구분되었다.

내장산 화산암체에서 백양사 현무암이 K-Ar 전암연대가 92.8±9.9~80.8±1.3 Ma로 나왔고, 안산암의 K-Ar 전암연대가 90.4±4.0~77.9±3.0 Ma로, 내장산 화산각력암이 75.3±3.0 Ma (Paik et al., 1979) 등으로 보고되었다. 그리고 강천사 화산암체에서 하부 무이산 현무암은 K-Ar 전암연대가 85.0±1.3~72.5±1.5 Ma로 측정되었다(Won et al., 1990).

이 화산암류는 동부에서 SiO2 함량이 47~72% 범위, 서부에서 45~74% 범위로서 거의 같은 조성을 보여준다. 이들 화산암류는 화학조성상으로 칼크알칼리 계열에 속하며, 백악기 유라시아판 연변부에 고태평양 해양판의 섭입에 따른 칼크알칼리 계열 마그마의 화산활동에 의한 것이다(Won et al., 1990).

3.3.6 능주분지

이 분지는 직경 약 40 km 크기의 원형 함몰체이며, 동부가 안산암질암류와 유문암질암류로 구성되는 무등산 화산암체로, 남서부가 주로 유문암질암류로 구성되는 능주 화산암체로 구분된다. 이 두 화산암체는 중간의 화순지역에서 서로 교호하는 양상을 보여준다. 특히 무등산 화산암체는 백악기의 퇴적암층, 화순안산암, 도곡유문암(94~92 Ma), 남평응회암, 송학리응회암, 궁월리유문암, 다도응회암, 무등산응회암 순으로 형성되었다.

무등산응회암은 화학성분에 의한 분류에 의하면 대부분 데사이트 영역에 속하며, SHRIMP U-Pb 연대가 87.72±0.59, 85.82±0.84, 85.41±0.58 Ma로 측정되었다(Jung et al., 2014).

3.3.7 목포 화산암체

이 화산암체는 영암과 목포로부터 신안군의 여러 화산섬들을 포함하며, 대부분 유문암질 응회암과 관입암으로 구성되어 있다. 목포도폭은 7개 단위로 구분되고(Kihm et al., 2014) 영암도폭은 6개 단위로 구분되며(Kim et al., 2014) 분계·자은도·비금도·기좌도도폭은 7개 단위로 나눠져 있다(Choi et al, 2016).

이 화산암체의 여러 층으로부터 수차례의 화산윤회를 인지할 수 있다. 첫 번째 윤회는 매월리응회암이 SHRIMP U-Pb 연대측정 결과 97.55±0.62 Ma에, 기좌도응회암이 86.3±2.6 Ma, 유문암(I)이 86.4±2.0 Ma에 정치하였다. 두 번째 윤회는 자은도응회암이 82.9~83.7 Ma에 사옥도응회암과 함께 넓게 쌓였고 환상단열대를 따라서 유문암이 정치되었다. 세 번째 윤회는 남악응회암이 80.2±0.9 Ma에 비금도응회암과 함께 활동하였고 마지막으로 유달산응회암이 78.44±0.67 Ma에 정치되었다(Kihm et al., 2014; Kim et al., 2014; Choi et al., 2016).

3.3.8 해남분지

이 분지에는 하부로부터 소량의 현무암 및 안산암과 안산암질 화성쇄설암으로 구성된 화원층과 산성화산암의 여러 층으로 구성되어 있는 해남층군이 분포한다. 이들은 대부분 후기의 심한 열수에 의한 납석화작용 또는 명반석화작용을 받은 곳이 많다.

K-Ar 전암연대 측정결과, 화원층 내의 현무암의 연대가 103.4±2.5 Ma에서 101.9±2.7 Ma이고, 안산암이 95.4±2.9 Ma에서 94.1±2.0 Ma로 측정되었다(Kim and Nagao, 1992).

그러나 해남분지 북단에서 SHRIMP U-Pb 연대측정에 의해 잠두리유문암이 99.7±1.1 Ma, 98.2±1.3 Ma과 두억봉응회암이 98.5±0.6 Ma, 97.7±1.1 Ma로 밝혀졌으며, 영풍리응회암이 85.6±0.7 Ma로 측정되었다(Kim et al., 2014).

3.3.9 진도 화산암체

이 화산암체는 하부로부터 여귀산용결응회암, 진도유문암, 안산암질 응회암 등이 분포하며, 여귀산용결응회암 하부에는 삼도층과 만길리층과 같은 응회질 퇴적암층이 협재된다(Kim and Yoon, 1971).

이 화산암층에 대한 K-Ar 전암연대 측정결과, 삼지응회암이 73.9~76.3 Ma로 밝혀졌으며 고군면의 유교리의 진도유문암이 72.5~75.4 Ma로 측정되었다(Kim and Nagao, 1992).

3.4 영남화산대

영남화산대는 영남육괴 내에서 구미분지, 구례분지, 괴목분지, 보성, 강진, 남창 및 고흥 화산암체로 산점상으로 연결된다(그림 1; 표 4).

Occurrences and dating data of the volcanic rocks in the Yeongnam Massif.

3.4.1 구미분지

이 분지에는 하부의 퇴적암류와 상부의 화산암류로 구성된다. 퇴적암류는 회색 사암 및 역암이 호층을 이루며, 층서상으로 낙동층에 해당한다(Kim and Lim, 1974). 이 층은 화산암체를 향해 안쪽으로 15~60˚ 경사를 이룬다.

화산암류는 하부에 안산암질암류, 상부에 유문암질암류로 나뉜다. 안산암질암류는 용결응회암과 안산암용암으로 구분되며, 유문암질암류는 하부 응회암, 유문암 용암, 상부 용결응회암과 유문암맥으로 구분된다. 유문암맥은 환상암맥으로 관입하고 있으며, 유문암질암류는 안쪽에 퇴적암류 및 안산암질암류는 바깥쪽에 분포한다. 접촉부에서 각력화된 관입각력암(intrusion breccia)을 형성하고 퇴적암과의 접촉부에서 호온펠스화되어 있다. 따라서 금오산 화산암체에서는 5.1x9.9 km 크기의 칼데라를 예상할 수 있다.

3.4.2 구례분지

이 분지에서 층서는 하부로부터 수평리층, 금정리역암, 토금층과 오봉산층으로 구분되었다(Lee and Song, 2007). 오봉산층은 규장질 화성쇄설암, 안산암, 화성쇄설암, 유문암 순으로 구분되며, 이들을 합쳐서 둥주리봉 화산암복합체로 칭하였다(Koh et al., 2009).

토금층에 협재된 응회암은 K-Ar 전암연대가 106.67± 2.40 Ma로 보고되었고, 최상부의 유문암질 응회암은 81.3±2.40 Ma로 보고되었다(Lee and Song, 2007).

화산암복합체는 화학적으로 SiO2 함량이 52.0~78.5 wt.%의 넓은 조성범위를 나타내며, 대부분 중-K와 고-K 영역의 칼크알칼리 계열의 경향을 나타내며 조구조 판별도에서 화산호 영역 중에서도 대륙연변호에 속한다(Koh et al., 2009).

3.4.3 괴목분지

이 분지는 하부의 퇴적암류와 상부의 문유산 화산암복합체로 구성된다. 문유산 화산암체는 아래로부터 응회질 퇴적암, 산성 화성쇄설암, 안산암과 유문암으로 구성되어 있다. 산성 화성쇄설암은 데사이트질 내지 유문암질 화성쇄설암으로 구성된다. 안산암은 가장 넓게 분포하며, 유문암은 안산암을 관입하고 유상엽리를 발달시킨다.

K-Ar 전암연대측정에 의하면 데사이트질 화성쇄설암은 58.4±1.2 Ma이고, 안산암은 56.0±1.2 Ma이다(Kim, Y.-L. et al., 2008). 화학분석 자료에 의하면 이 문유산 화산암체는 중-K에서 고-K의 범위의 칼크알칼리 계열이며, 섭입대와 관련된 대륙연변부 화산호라는 지구조적 배경을 보여준다(Kim, Y.-L. et al., 2008).

3.4.4 보성 화산암체

이 화산암체는 하부로부터 객산리안산암, 오봉산응회암, 도천리유문암, 회령동용결응회암 순으로 분포하며 용암층과 화산쇄설암층이 교호한다(Lee, 1970). 이들 화산암류는 환상으로 분포하는 것과 같이 칼데라 함몰체일 가능성이 있다.

3.4.5 강진 화산암체

이 화산암체는 용소리분출암류와 부용산분출암류 등으로 구분된다(Chang and Kim, 1967). 용소리분출암류는 유문암질로서 대부분 응회암, 라필리응회암과 응회각력암 등의 화성쇄설암으로 구성되며 소량의 용암류도 수반한다. 화성쇄설암은 대부분 부석편이 심하게 압착되고 용결엽리를 형성한다. 부용산분출암류는 안산암질로서 대부분 라필리응회암과 응회각력암 등으로 구성되고 용암을 수반한다. 이 화성쇄설암도 여러 층준에서 용결엽리를 보여주지만 용소리분출암류 만큼 심한 용결을 나타내지 않는다.

3.4.6 남창 화산암체

이 화산암체는 하부로부터 만안리유문암, 장구리응회암, 송산리유문암, 마명동응회암과 석정리유문암 순으로 놓인다(Kim and Park, 1967). 이들은 모두 유문암질로서 화성쇄설암과 용암이 교호하며, 화성쇄설암은 부석편이 압착되어 용결엽리를 발달시키고 유문암은 미세한 유상엽리를 발달시킨다.

3.4.7 고흥 화산암체

이 화산암체는 하부로부터 고흥응회암, 운대유문암, 구룡산안산암, 팔영산응회암, 포두안산암과 별학산유문암 순으로 구성된다(Kim et al., 2015).

고흥응회암은 유문암질 응회암에 속하며, 팔영산응회암은 데사이트질 내지 유문암질 응회암에 해당된다. 팔영산응회암은 SHRIMP U-Pb 연대측정에 의하면 83.99±0.96~80.98±0.65 Ma의 연대를 나타낸다(Kim et al., 2015). 안산암은 구룡산안산암과 포두안산암으로 구분되었다. 구룡산안산암은 현저한 반상조직을 나타내고 SHRIMP U-Pb 연대가 84.86±0.73 Ma이며, 포두안산암은 대개 비반상이고 SHRIMP U-Pb 연대가 81.40±1.3 Ma이다. 유문암은 주로 암맥상으로 관입되거나 분출상으로 산출된다. 별학산유문암의 연대는 SHRIMP U-Pb 연대측정에 의해 80.30±1.2 Ma로 밝혀졌다(Kim et al., 2015).

3.5 경상화산대

경상화산대는 경상분지에서 NNE-NE-WSW 방향으로 활모양 분포를 나타낸다(그림 1). 이 분지에서 경상누층군은 신동층군, 하양층군과 유천층군으로 구분된다(Chang, 1975). 하양층군에는 퇴적암층의 여러 층위에 현무암과 응회암이 소규모로 협재되고, 유천층군에는 대부분 안산암질 내지 유문암질의 용암과 화성쇄설암으로 구성된다.

3.5.1 하양층군에서 화산암류

하양층군에서 화산암류는 하부로부터 청룡사현무암, 학봉현무암, 오십봉현무암, 세천동현무암, 대전사현무암, 함안현무암, 구산동응회암, 하마현무암, 채약산현무암 순으로 협재되어 있다(표 5; Kim et al., 2000).

Occurrences and dating data of the volcanic rocks in the Hayang Group in the Gyeongsang Arc.

(가) 청룡사현무암: 이 현무암은 칠곡층 최상부에 남북 방향으로 약 12 km 길이로 평균 5~6 m 두께를 가지며 신라역암의 하한으로부터 30~40 m 가량 아래에 협재된다. 청룡사현무암은 수매의 용암 흐름단위(flow unit)로 구성되며 퍼호이호이(pahoehoe)의 특징을 보인다(Jeon and Sohn, 2008).

이 용암은 SiO2가 43~53% 범위이고 화학적으로 현무암질 조면안산암에 해당된다(Kim et al., 2000). SHRIMP U-Pb 연대측정에 의하면 청룡사현무암의 연대는 108.0±2.6 Ma로 측정되었고(Kim, J.S. et al., 2011) 그 아래의 진주층은 112.4±1.3 Ma로 나왔다(Lee et al., 2010).

(나) 학봉현무암: 이 현무암은 대구 학봉을 중심으로 NE-SW 방향으로 약 20 km 길이로 산출되며, 3매의 용암 단위가 100 m 내외의 두께를 가진다. 용암 단위는 상단과 하단에 현무암질 각력암이 산출되는데, 이는 용암이 흐를 때 자가파쇄작용으로 형성되는 자가각력암(autobreccia)에 해당된다(Jeon and Sohn, 2008).

화학조성은 SiO2가 44~57% 범위이고 화학적으로 현무암 내지 현무암질 안산암에 해당된다(Kim et al., 2000). 그 아래 신라역암의 SHRIMP U-Pb 연대가 110.4±2.0 Ma이므로(Lee et al., 2010), 학봉현무암은 110 Ma보다 약간 더 젊을 것으로 생각된다.

(다) 오십봉현무암: 이 현무암은 영양소분지에서 청량산역암과 도계동층 사이에 분포하며, 두께는 15 m에서 700 m 범위이다. 오십봉현무암은 지역에 따라 2~13매의 용암 단위들로 구성되고 저색 역암, 사암과 이암을 얇게 협재한다. 전반적으로 용암 단위는 하부에서 두껍고 매우 넓게 분포하는데 비해 상부로 가면서 얇아지고 퇴적암이 다소 두꺼워지고 빈번해진다.

오십봉현무암은 SiO2가 48~53% 범위이고 화학적으로 대개 현무암에 해당된다(Kim et al., 2000).

(라) 세천동현무암: 이 현무암은 영양소분지 중앙부에서 도계동층 중부에 10~20 m 두께로 협재된다. 이 현무암은 2매의 용암 단위와 그 사이에 사암, 이암 및 역암이 협재되어 있다. 각 현무암 단위마다 상단에는 현무암편 사이의 공간이 퇴적물로 메워진 얇은 현무암질 각력암이 산출되고 기저부에는 얇은 현무암질 라필리응회암층을 이룬다. 각력암은 용암이 흐를 때 점성의 증가로 인해 상단부가 자가파쇄작용(autofragmentation)으로 생긴 파편 사이에 퇴적물이 침투하여 형성된 자가각력암으로 해석된다.

세천동현무암은 오십봉현무암과 매우 유사하게 SiO2가 43~55% 범위이고 화학적으로 대개 현무암에 해당된다(Kim et al., 2000).

(마) 대전사현무암: 이 현무암은 주왕산 입구에서 도계동층 상부에 약 60 m 두께로 협재된다. 대전사현무암은 각력암이 협재되어 있어 여러 매의 현무암질 용암단위들로 구분된다(Yun et al., 2000). 각 용암단위는 전체적으로 7∼10 m 두께이고 각력암은 현무암 파편들이 밀집되어 있고 그 사이에 적갈색 퇴적물로 채워져 있다. 이 각력암은 용암이 흐를 때 자가파쇄작용에 의한 자가각력암으로 해석된다. 따라서 이 용암은 표면이 많은 클링커를 가진 아아 용암(aa lava)으로 분류된다.

조성은 SiO2가 48~53% 범위이고 화학적으로 칼크알칼리 현무암에 해당된다(Yun et al., 2000).

(바) 함안현무암: 이 현무암은 함안층 상부에 협재되며 용암과 화산쇄설암의 호층이며 화산쇄설암이 용암보다 우세한 편이다.

조성은 SiO2가 45~53% 범위이고 화학적으로 대체로 현무암 범주에 속한다(Kim et al., 2000).

(사) 구산동응회암: 이 응회암은 유천 및 의성 소분지에서 함안층과 반야월 사이에서 산출된다. 이 응회암은 약 1~4 m 두께로서 남북으로 200 km 이상 연장되며, 소분지 간의 층서대비에 중요한 건층으로 이용되었다(Chang et al., 1997, 1998). 구산동응회암은 결정함량이 높지만 부석편을 거의 포함하지 않은 특이한 화쇄류암이며, 조성은 유문암 내지 유문데사이트이다.

구산동응회암은 저어콘의 LA-ICP-MS 분석에서 북쪽과 남쪽 응회암 연대가 각각 97.1±2.0 Ma와 97.3±1.8 Ma로 나왔고(Jwa et al., 2009), SHRIMP U-Pb 연대측정에서도 북쪽 응회암에서 103.0±1.2 Ma, 남쪽 응회암에서 104.1±1.3 Ma로 나와 거의 동시에 분출된 것으로 해석된다(Kim et al., 2013).

(아) 하마현무암: 이 현무암은 의성소분지에서 구산동응회암과 반야월층(혹은 춘산층) 사이에 협재되며, 현무암질 화산쇄설암과 용암의 호층으로 구성되어 있다.

화학조성은 SiO2가 45~55% 범위이고 화학적으로 조면현무암 내지 조면안산암에 해당된다(Kim et al., 2000).

(자) 신수동응회암: 이 응회암은 유천소분지 남서부에서 함안층에 하부에서 산출되며, 구산동응회암보다 약간 위에 놓인다. 이 응회암은 SHRIMP U-Pb 연대측정에서 95.790±0.98 Ma로 나왔으며 구산동응회암보다 약간 후에 분출된 것으로 해석된다(Kim et al., 2013).

(차) 채약산현무암: 이 현무암은 유천소분지 북부에서 반원상으로 넓게 분포하며, 건천리층 아래에 협재되고 약 300 m 두께를 가진다. 이 현무암은 화산쇄설암이 우세하고 3매의 용암이 협재되어 있으며 대부분 스필라이트화(spilitization)되어 있다. 화산쇄설암은 대체로 하부가 화성쇄설암이고 중부가 각력암이며 상부가 지표쇄설암이다(Kim et al., 1999).

화학조성은 SiO2가 46~57% 범위이고 화학적으로 현무암 내지 현무암질 안산암 범위에 해당된다(Kim et al., 1999, 2000).

3.5.2 유천층군 화산암류

경상분지 유천층군의 화산암류는 경상분지 동남부를 따르고 남해안으로 연장되는 화산대로 보고 경상호(Hwang and Kim, 1994) 혹은 경상화산호라고 칭하였다(그림 1; Chough and Sohn, 2010). 유천층군은 유천소분지에 가장 광범위하게 분포하며, 유천층군은 조성과 U-Pb 연대치에 의해 주사산아층군(하부 안산암질암류), 운문사아층군(하부 유문암질암류), 욕지아층군(상부 안산암질암류)와 사량아층군(상부 유문암질암류)로 구분된다(표 6; Kim and Lee, 1981; Hwang et al., 2019).

Stratigraphy and dating data of the volcanic rocks of the Yucheon Group in the Gyeongsang Basin.

(가) 주사산아층군: 이 아층군은 유천소분지에서 하양층군의 건천리층(혹은 진동층) 위에 놓인다. 이들은 안산암질 용암과 화성쇄설암으로 구성되고 응회질 퇴적암층을 협재한다. 밀양 일대에서 주사산아층군은 하부로부터 팔용산응회암, 종남산안산암(비반상 안산암), 안산암질 생철리응회암(라필리응회암)과 밀양안산암 순으로 구성된다.

종남산안산암은 LA-ICP-MS U-Pb 연대가 94.4±0.8 Ma로 측정되었고, 밀양안산암은 하부에서 94.3±2.0 Ma로, 상부에서 88.8±1.0 Ma로 측정되었다(Zhang et al., 2012).

(나) 운문사아층군: 이 아층군은 유천소분지 중앙부에서 능선부에 주로 분포하며 남부에서 주로 섬 지역에 분포한다. 유천소분지 중앙부에서 이들은 3개의 칼데라가 확인되면서 이 칼데라 형성과 함께 회류응회암과 강하응회암이 밀접히 연관되어 있음을 인식하여, 이에 따라 양산응회암, 원동응회암 및 삼랑진응회암으로 분류되었다(Hwang and Kim, 1990). 원동응회암의 연대는 LA-ICP-MS U-Pb 연대측정에 의해 88.0±0.8 Ma, 삼랑진응회암은 88.0±0.7 Ma로 밝혀졌다(Zhang et al., 2012).

유천소분지 남부에서 운문사아층군은 SHRIMP U-Pb 연대측정에 의해 풍화리응회암(88.95±0.44 Ma), 봉화산응회암(86.69±0.78Ma), 추도응회암(82.56±0.95 Ma), 자부포응회암(82.06±0.55 Ma), 노대도응회암(81.30±0.54 Ma), 갈도응회암(80.43±0.53 Ma) 순으로 구분되며 그 연대치에 의하면 분출시기는 88.95~80.45 Ma 범위를 나타낸다(Hwang et al., 2018a, 2018b; Lee et al., 2019).

(다) 욕지아층군: 이 아층군은 유천소분지의 남부에 부정합적으로 분포한다. 이곳에서는 통영 미륵도에서 화성쇄설암층의 협재에 의해 하부로부터 미륵산안산암, 마동데사이트, 달아안산암 순으로 구분되고, 서쪽 지역에서 아랫섬안산암과 두미도안산암 순으로 구분된다(Hwang et al., 2016b). 달아안산암의 하부 라필리응회암의 연대는 SHRIMP U-Pb 측정에 의하면 73.01±0.75 Ma이다(Hwang et al., 2018a). 유천소분지 중앙부에서 범도리안산암은 이보다 좀 빠른 78.4±1.5 Ma로 밝혀졌다(Zhang et al., 2012).

(라) 사량아층군: 이 아층군은 남쪽 주변부의 통영에서 하부로부터 오비도층, 곤리도응회암, 남산유문암, 사량도응회암 순으로 구분된다(Hwang et al., 2016b). SHRIMP U-Pb 연대측정에 의하면 남산유문암은 71.74±0.47 Ma (Hwang et al., 2018a), 사량도응회암은 69.72±0.69 Ma에 정치되었다(Lee et al., 2019).

이 사량아층군은 의성 및 영양소분지에서 하부로부터 지품화산암층, 내연산응회암, 주왕산응회암, 너구동층, 무포산층, 면봉산응회암, 운주산응회암과 구암산응회암 순으로 구분된다. 그리고 면봉산응회암, 운주산응회암과 구암산응회암은 각각 칼데라를 동반한다(Hwang, 2002). SHRIMP U-Pb 연대측정에 의하면, 지품화산암층은 68.5±1.6 Ma (Hwang, 2017), 무포산응회암은 67.08±0.96 Ma에 분출되었고(Hwang et al., 2016a), 면봉산응회암이 65.03±0.66 Ma (Hwang et al., 2017a), 구암산이 63.77±0.94 Ma (Hwang et al., 2017b)에 분출되었다.


4. 토 의

4.1 백악기 화산대의 분포와 화산호

백악기 화산암류의 대략 절반 이상이 경상분지에서 남서-북동 방향으로 활 모양을 이루면서 대상으로 분포한다(그림 1). 나머지는 임진강대, 경기육괴와 옥천대의 북동 혹은 북북동 방향의 단층대를 따라 형성된 작은 분지에 산발적으로 분포하면서 전체적으로 대상을 이룬다. 이들의 대상 분포는 대체로 한반도의 조구조적 배경과도 일치하는 모습을 보여주며 5개의 화산대로 나눠지며, 북쪽으로부터 각각 경기, 음성, 옥천, 영남과 경상화산대라고 호칭하였다.

경기화산대는 한반도 중부에서 임진강대 및 경기육괴 내에서 철원분지, 부평 화산암체, 남양분지, 탄도분지, 굴업도 화산암체와 천수만분지 등이 발달되는데 이들이 대체로 북북동 방향으로 대상 분포를 가진다. 이 분지들은 대개 북북동 혹은 남북 방향으로 달리는 단층을 따라 발달하는 작은 화산퇴적분지들이다.

음성화산대는 대체로 경기육괴와 옥천대의 경계부를 따라 발달하는 공주단층계에 백담분지, 풍암분지, 음성분지, 공주분지, 부여분지, 변산 화산암체, 선암산 화산암체와 법성포 화산암체 등이 북동 방향(N30oE)으로 대상 분포를 이룬다. 공주단층계는 금왕단층, 공주단층 및 함평단층으로 연결되며, 금왕 및 공주단층에는 5개 화산퇴적분지가 형성되어 있고 함평단층에는 3개 화산암체가 분리되어 분포한다. 이 화산대는 다른 화산대와 달리 가장 중심부에 있는 음성분지의 이름을 따라 호칭하게 되었다.

옥천화산대는 옥천대의 내부 혹은 남동 경계부에서 발달하는 광주단층계를 따라 통리분지, 문경 화산암체, 무주분지, 운장산 화산암체, 순창분지, 능주분지, 목포 화산암체, 해남분지와 진도 화산암체 등이 대체로 북동 방향(N40oE)으로 대상 분포를 이룬다. 이들은 대개 북동부에서 규모가 작고 고립되어 분포하지만, 남서부로 갈수록 규모가 커지며 분지가 서로 연결되고 화산체의 구분이 어려워진다.

영남화산대는 영남육괴의 내부에서 발달하는 구미분지, 구례분지, 괴목분지, 보성 화산암체, 강진 화산암체, 남창 화산암체, 고흥 화산암체 등이 북동 방향(N40oE)으로 대상 분포를 가진다. 이들은 대부분 규모가 매우 작고 독립적으로 분포하지만 남서부에서는 서로 연결되고 경계가 불명확해지며 부분적으로 옥천화산대와도 연결된다.

경상화산대는 경상분지 내부에 가장 큰 규모로 대상 분포를 형성하며, 남해안을 따라 동북동 방향이다가 북동 방향으로 바뀌고 결국 동해안을 따라 북북동 방향으로 바뀌어 남동쪽으로 볼록한 활 모양을 이룬다. 이 화산대는 남서부로 갈수록 영남화산대와 합쳐지고 옥천 화산대와도 합쳐진다. 경상화산대는 대부분 여러 큰 화산체가 복합되어있는 유천층군을 의미하겠지만, 하양층군에도 매우 작은 규모의 화산암층이 협재되어 있다.

이와 같이 한반도 남부에서 백악기 화산암류는 북동 방향의 대상 분포에 의해 5개 화산대로 구분되고 그 방향성이 고해구에 대체로 직각을 이룰 뿐만 아니라, 후술하겠지만 암석조구조적으로 대륙연변부에서 섭입작용에 따른 칼크알칼리 계열의 마그마작용에 의한 화산호로 해석되어왔다. 그러므로 이들 화산대는 ‘화산호’란 조구조적 의미를 가미한다면 각각 경기호(Gyeonggi Arc), 음성호(Eumseong Arc), 옥천호(Okcheon Arc), 영남호(Yeongnam Arc) 및 경상호(Gyeongsang Arc)로 호칭할 수 있으며 이들 모두를 합쳐 한국호(Korean Arc)로 부를 수 있다. 이러한 의미는 이미 경상분지 화산암류에 대한 조구조적 위치를 해석하면서 한국호의 일부로서 경상호라고 제시한 바 있다(Hwang and Kim, 1994).

경기호를 제외하고 4개 화산호는 그 남서부가 대체로 진도 화산암체를 중심으로 수렴하는 양상을 보이는데, 이러한 양상이 북동부의 먼 곳에서도 역시 수렴되어 만날 것으로 예상할 수 있다.

4.2 백악기 화산호의 암석성인

한반도에서 백악기 화산호는 지화학적으로 대개 섭입에 관련된 고-K 칼크알칼리 계열의 미량원소 및 희토류원소(REE) 특징을 보여 준다(예: Kim, S.W. et al., 1991, 1993; Won et al., 1990, 1991, 1994; Lee et al., 1992; Hwang and Kim, 1994; Yun et al., 2000; Kim, M.-S. et al., 2008; Kim, Y.-L. et al., 2008; Koh et al., 2009; Hwang et al., 2010). 이 화산암류는 Y/(Nb-Rb) 구분도에서 VAG 영역에 표시되고 REE 패턴은 대륙지각 아래의 섭입대에서 생성된 화산호를 가리킨다.

한반도에서 백악기 화산호의 Sr 및 Nd 동위원소 조성(예: Kim et al., 2012; Kwon et al., 2013)은 위에서와 함께 상부맨틀 마그마 근원지를 반영한다(Rudnick and Gao, 2003). 백악기 화산암류가 현저한 Eu 이상과 함께 흔히 낮은 Sr/Y와 La/Yb 비를 가진다는 것을 고려하면, 이들은 정상적인 화산호 배경의 산물임을 암시한다.

그러나 경상분지 하양층군에 협재하는 현무암층들은 알칼리 현무암과 칼크알칼리 현무암을 포함하는 다양한 계열의 현무암에 속한다. Ti-Zr-Sr 삼각도에서 청룡사현무암은 알칼리 계열의 범주에 속하지만 다른 현무암들은 대체로 칼크알칼리 계열로 분류된다. 유동성이 적은 Nb와 Y를 결부시키면 Zr/Ti-Nb/Y 관계도에서 대부분 현무암들은 칼크알칼리 계열에 속하지만 청룡사현무암 및 하마현무암은 알칼리와 칼크알칼리 계열의 경계부에 걸쳐 있다(Kim et al., 2000). 따라서 청룡사 및 하마현무암은 알칼리 계열을 나타내지만(Kim et al., 2000), 오십봉, 세천동 및 대전사 현무암은 칼크알칼리 계열을 나타낸다(Kim et al., 2000; Yun et., 2000). 한편 학봉, 함안 및 채약산현무암은 주원소 조성이 알칼리 계열을 나타내지만 미량원소 판별도에서는 칼크알칼리 계열을 나타내는 양면성을 보여준다(Kim et al., 2000).

이러한 화학적 특성으로 본다면 청룡사현무암은 110 Ma 이전에 대륙판의 열곡작용으로 경상분지가 생겨나면서 압력감소로 인해 상부맨틀의 부분용융으로부터 생성된 알칼리 현무암질 마그마로부터 기원한 것으로 보인다. 그러나 110 Ma 경부터 고해양판의 섭입작용이 시작/재개되어 칼크알칼리 현무암질 마그마가 생성되었고 점차 우세하게 활동했던 것으로 판단된다. 그러므로 알칼리 현무암층들은 호화산작용의 결과물로 간주하기보다는 경상분지 형성과 관련하여 신장성 응력에 의한 분지 확장시에 열곡작용(rifting)의 산물로 생각된다.

4.3 화산호의 지질연대 범위: 호화산작용의 시공간적 이동

매우 정확한 연대를 제공하는 SHRIMP 및 LA-ICP- MS U-Pb 연대자료에 따르면, 각 화산호의 공간적 분포는 대체로 북서쪽으로부터 남동쪽으로 명확한 시간적 이동을 보여주는데(그림 2), 이는 백악기동안 한반도 호화산작용의 시공간적 이동을 제시해준다.

Fig. 2.

Frequency distribution diagram of SHRIMP and LA-ICP-MS zircon U-Pb ages of the Cretaceous volcanic rocks along the volcanic arc throughout the Korean Peninsula.

경기호는 오로지 임진강대와 경기육괴에 분포하며 SHRIMP U-Pb 연대가 115.0∼109.0 Ma 범위를 가진다(표 1; Hwang et al., 2011; Kim et al., 2012; Cho and Lee, 2016). 한편 이 연대범위는 낭림육괴 남서부의 남포-해주 사이의 심성암류 범위(114∼109 Ma; Wu et al., 2007)와 같다. 이러한 연대는 백악기 전엽(late Aptian to early Albian)에 활동했음을 의미하며, 과거에 이 화산암류를 백악기 후엽으로 여겨졌던 것과 크게 다르다.

음성호는 공주단층계를 따라 분포하며 SHRIMP U-Pb 연대가 108.0∼84.9 Ma 범위를 나타낸다(표 2; Kim et al., 2010; Choi and Hwang, 2013; Koh et al., 2013; Kwon et al., 2015). 이 범위는 백악기 전엽 말기에서 후엽 전기(Albian to Santonian)에 해당되며, 경기호의 활동이 끝난 후에 음성호의 활동이 있었음을 보여준다. 또한 이 화산호는 북동부에서 먼저 활동하였고 남서부에서는 뒤따라 일어났음을 보여준다. 이러한 활동시기의 차이는 아마도 단층운동의 시기 및 심도와 맞물려있을 것으로도 생각된다.

옥천호는 옥천대 내부에 분포하며 SHRIMP U-Pb 연대가 99.7∼78.4 Ma 범위를 가진다(표 3; Jung et al., 2014; Kihm et al., 2014; Kim et al., 2014; Choi et al., 2016). 이 연대범위는 백악기 후엽 전기 및 중기(Cenomanian to early Campanian)에 해당하며(그림 3), 음성호의 남서부와 같은 시기에 활동했지만 이보다 더 늦게까지 진행했음을 보여준다. 그러나 북동부에 대한 연대 자료가 없기 때문에 이 화산호 전체의 활동과정을 반영하지 못한다.

Fig. 3.

Geochrological ranges of the volcanic arcs in the Korean Peninsula, based on the SHRIMP and LA-ICP-MS zircon U-Pb age data.

영남호는 오로지 영남호 내부에만 존재하며 SHRIMP U-Pb 연대가 84.9∼80.3 Ma 범위이다(표 4; Kim et al., 2015). 이 연대 범위는 백악기 후엽 중기(Santonian to early Campanian)에 해당하며(그림 3), 옥천호의 남서부의 범위에 포함된다. 아마도 이 자료는 고흥반도에서만 나온 관계로 거리상으로 옥천호의 남서부와 상당히 가까우며, 이 화산호의 전체 활동상황을 반영하지 못한다.

경상호는 경상분지에 분포하며 U-Pb 연대가 하양층군에서 108.0∼95.8 Ma 범위이며(표 5; Jwa et al., 2009; Kim, J.S. et al., 2011, 2013), 유천층군에서 94.4∼60.1 Ma 범위이다(표 6; Kim, J.S. et al., 2011; Zhang et al., 2012; Hwang et al., 2016a, 2017a, 2017b, 2018a, 2018b, 2019; Hwang, 2017; Lee et al., 2019). 하양층군에서의 연대범위는 백악기 전엽 말기에서 후엽 초기(Albian to Cenomanian)에 해당하며(그림 3), 음성호의 초기 활동시기와 같다. 유천층군에서의 연대범위는 백악기 후엽 초기에서 후기를 지나 고신기 전엽 전기(Turonian to Selandian)에 해당한다(그림 3). 그러나 숨겨진 화산활동을 나타내는 쇄설성 저어콘의 U-Pb 연대에 의하면 묘곡층은 138.6 Ma이고 신동층군은 127∼109 Ma 범위이며, 하양층군은 108.7 Ma에 시작되었다(Lee et al., 2010, 2015, 2018a, 2018b).

백악기 화산호는 그 공간적 분포가 그 활동의 시간적 변천과도 연관이 있는 것으로 생각된다. 말하자면 각 화산호는 활동의 시작시기와 종식시기가 매우 다를 것으로 생각된다. 시작시기는 경기호가 가장 빠르며, 음성호와 경상호가 약간 늦고 옥천호는 더 늦은 편이며 영남호는 훨씬 더 늦은 편이다(그림 3).

이에 대한 이유는 (1) 측정자료의 부족과 (2) 단층운동에 따른 상부맨틀의 감압효과를 고려할 수 있다. 첫 번째 이유는 아마도 용적에 따른 측정자료의 부족에 기인하는 것으로 생각된다. 왜냐하면 경기호는 용적이 작으면서 여러 지역에 흩어져 있어서 시료수집이 수월했지만 기타 화산호는 용적이 크기 때문에 하부 화산암층이 쉽게 노출되지 않아 시료수집이 어려울 뿐만 아니라, 하부 화산암층이 대부분 현무암 혹은 안산암으로 산출되며 이들로부터 저어콘 분리가 어렵기 때문이다. 일례로 해남분지에서 해남층 내의 현무암이 K-Ar 103.4 Ma 연대(Kim and Nagao, 1992), 구례분지에서 오봉산층 내의 안산암이 K-Ar 106.7 Ma 연대(Lee and Song, 2007)로 보고되었기 때문이다.

두 번째 이유는 단층운동에 의해 상부맨틀의 압력감소 효과로 인해 마그마 생성을 쉽게 유도할 수 있다. 영남호를 제외한 4개 화산호는 모두 북북동 혹은 남동 방향의 단층운동에 의한 지배를 받고 있다. 단층대는 암압의 감소와 함께 마그마 생성을 촉진시키며, 마그마의 이동통로 역할을 한다. 그런데 같은 단층대라도 심도가 다르면 상부맨틀에 미치는 감압 효과도 다를 수 있다. 그러므로 이러한 단층운동의 성격에 따라 마그마의 생성시기가 다를 수 있기 때문에 화산호의 시작시기도 다를 수 있다.

각 화산호의 면적은 대략 경상호가 약 50% 이상을 차지하고 옥천호가 약 20%, 음성호가 약 15%, 영남호가 약 12%를 차지하여 경기호가 3% 미만으로 추산된다. 즉, 경기호가 현저히 적고 경상호가 현저하게 넓으며 나머지는 비슷한 면적을 가진다. 이와 같이 3개 그룹으로 묶을 때, 북서쪽에서 남동쪽으로 가면서 계단식으로 현저하게 면적이 증가됨을 알 수 있으며 이에 따라 용적도 삼차원적으로 더 크게 증가된다고 할 수 있다. 이러한 증가는 북서 방향으로 발달하는 동일한 백악기 섭입대에서 발생하는 호화산작용이 북서쪽에서 남동쪽으로 가면서 순차적으로 종식되었음을 암시한다.

구체적으로 한반도에서 백악기 화산호는 같은 섭입대에 의해 만들어진 지표 산물이라면, 백악기 전엽 후기에 섭입대는 해양판의 하강 슬랩이 백악기 전엽에 내륙으로 적어도 임진강대 아래까지 뻗쳤음을 반영한다. 그렇다면 경기호와 함께 음성호와 경상호 뿐만 아니라 옥천호와 영남호에서도 이와 유사한 시작시기를 발견할 수 있을 것이다. 그래서 미진한 분지의 하부 퇴적층에 협재하는 현무암 혹은 현무암질 안산암에 대한 연대측정이 앞으로 이에 대한 답을 기대할 수 있다.

그러나 각 화산호의 종식시기를 보면, 경기호는 이미 백악기 전엽 말기(Albian), 110 Ma 경에 끝났고, 음성호, 옥천호와 영남호는 백악기 후엽 중기(Campanian)에 끝났으며, 경상호는 고신기 전엽 초기(Selandian), 60 Ma까지 진행되었다. 이러한 종식시기는 섭입대에서 백악기 전엽, 100 Ma에 내륙으로 임진강대 이래까지 뻗쳤던 해양판의 하강 슬랩이 백악기 전엽 말기에 음성호 부근 아래에서 되말림(rollback)이 일어났음을 암시한다. 그리고 백악기 후엽 중기 80 Ma에도 되말림이 경상호의 전면부 부근에서 일어났음을 지시한다.

따라서 백악기 화산호의 시공간적 변화는 호화산작용의 시작이 아마도 모든 화산호에서 거의 같을 수 있지만 종식시기는 북서쪽에서 남동쪽으로 가면서, 즉 해구쪽을 향하여 이동하면서 순차적으로 종식되었던 것으로 해석된다.

4.4 백악기 호화산작용의 조구조적 진화

한반도에서 백악기 화산호의 U-Pb 연대와 지구화학적 자료는 내륙에서 해구로의 이동을 설명해주는 호화산작용의 시공간적 진화를 보여 준다. 이러한 자료를 토대로 한반도에서 백악기 호화산작용의 조구조적 진화를 엮을 수 있다. 160∼120 Ma 동안, 한반도에서는 뚜렷한 마그마작용이 없는 마그마휴지기(magmatic gap)이였는데, 이는 이 시기동안 평탄하게 놓인 비활동의 섭입환경이었다(Kiminami and Imaoka, 2013). 이 시기동안 북동 아시아대륙 연변부는 북쪽으로 이자나기판의 사교섭입에 의해 유도되는 좌수향 렌치 조구조운동을 받던 시기이다(Klimetz, 1983). 그러므로 이 연대범위의 화산암층이 실제로 한반도에 존재하지 않지만, 감춰진 일시적 분출에 의한 쇄설성 저어콘이 백악기 초엽 퇴적층에서 흔하게 발견된다. 한국과 일본의 쇄설성 저어콘에서 135 Ma의 빈도피크는 신장성 환경 하에서 마그마작용의 시작시기로 보았다(Lee et al., 2018a). 이 연대는 아마도 Maruyama et al. (1997)이 이자나기판의 섭입방향이 북동 방향에서 북쪽 방향으로 변환했다는 시기(약 140 Ma)에 해당되며 화산작용이 최소화되었던 시기이다.

약 120 Ma 시기에는 이자나기판의 섭입방향이 북쪽에서 북북서 방향(N10oW)으로 약간 변화되었다(Maruyama et al., 1997). 이 사교방향의 섭입은 NE-NNE 방향의 좌수향 주향이동 단층대(예, 경기육괴, 옥천대 경계부 단층들)를 형성하고(Kwon et al., 2009; Chang and Zhao, 2012) 이에 수반되는 인리형 분지가 열리도록 유도하였다(Lee, 1999). 인리형 분지발달은 지각의 두께가 얇아지는 열개현상을 동반함으로서 암압의 감소와 함께 마그마 생성을 촉진시켰으며, 열개지가 마그마의 이동통로로 이용되며 용암을 분출시켰다. 한편 이때 이자나기판의 얕은 섭입각은 섭입대의 심부에서 슬랩용융이 일어나 내륙에서 경기호의 정치(약 115∼109 Ma)를 도왔다. 또한 이자나기판의 되말림은 맨틀웨지 내의 강한 코너류(corner flow)와 상부지각 레벨에서 배호 확장을 초래하였다(예: Kim et al., 2012, 2016).

그리고 110∼100 Ma동안, 섭입 슬랩의 주기적 버클링의 표시가 되는(Lee and King, 2011), 이자나기판의 수렴률 감소로 인해 섭입하는 슬랩의 경사가 증가했다(Gurnis et al., 2012). 섭입 슬랩의 급경사는 배호 확장을 일으켰고, 이로 인해 비해성 경상분지와 소규모 단층경계의 인리형 분지를 확대시켰다(예: Lee, 1999; Chough and Sohn, 2010; Kim et al., 2012, 2016). 호화산작용은 115 Ma 이전부터 이미 시작되었으며, 백악기 후엽으로 가면서 격렬하게 지속되었다.

약 95 Ma부터 이자나기판의 섭입방향이 북북서 방향에서 북서 방향(N30oW)으로의 전환(Maruyama et al., 1997)에 의해서 대륙연변부에 대해 직교방향으로의 변화는 분지발달을 종식시켰고 마그마 생성을 용이하게 하여 백악기 후엽동안 격렬한 화산작용이 지속되게 하였다. 즉 이때부터 이자나기판의 수렴 증가(Gurnis et al., 2012)는 천부 섭입작용을 초래하였고 내륙으로 경기호를 제외한 곳에서 강한 화산작용이 시작되어 장기간 지속됨으로서 음성호, 옥천호와 영남호를 형성하였다.

그 후 80 Ma에 섭입 슬랩의 되말림과 가파른 섭입의 결과로 인해, 화산 전면부가 해구쪽으로 이동되어 경상호의 전호(forearc) 근처에서 주로 화산작용을 일으키는 결과를 초래하였다. 한반도는 대륙판과 사교섭입하는 해양판 간의 약한 커플링으로 인해 백악기 후엽동안 전체적으로 신장 상태 혹은 전단인장 상태에 있었던 것으로 해석된다. 왜냐하면 여러 지역에 칼데라 및 화산조구조성 저지가 발달되어 있는 것은 신장성 혹은 전단인장성 응력의 지배하에 있었음을 암시하기 때문이다(Dickinson and Lawton, 2001). 이 신장성 응력과 화산작용의 증가는 아마도 섭입각의 증가 때문이며, 이는 더 무거운 해양판의 섭입이 원인일 것으로 생각된다(Perfit and Davidson, 2000).

그리고 42 Ma 전에 대륙판 아래로 섭입되는 해양판의 슬립 벡터는 갑자기 서북서 방향(N50oW)으로 변화하였고(Maruyama et al., 1997) 새로운 조산윤회(orogenic cycle)로 바뀌었다(Clague and Jarrard, 1973). 결과적으로 해구로의 이동을 표시하는, 한반도의 백악기 조구조화산작용은 남동 방향으로의 시공간적 이동을 보여준다.


5. 결 론

한반도의 백악기 화산암류는 고-K 칼크알칼리 계열로서 유라시아대륙 남동부 아래로 이자나기판의 섭입작용에 의한 호화산작용의 지표 산물이다. 한반도 중부와 남부에 분포하는 백악기 화산암류는 경기호, 음성호, 옥천호, 영남호 및 경상호의 5개 화산호로 구분된다. 이에 따라 이전에 발표된 U-Pb 연대자료를 시공간적으로 검토할 수 있었다.

호화산작용의 시작시기는 경기호에서 115 Ma 경이고 음성호와 경상호에서 110 Ma 경이지만 화산호마다 상당히 불규칙한데, 이는 아마도 화산호에 따라 시료채취의 어려움에 따른 연대측정 자료의 부족과 단층운동의 제어에 따른 마그마 생성기기의 차이에 기인한 것으로 생각된다. 종식시기는 경기호에서 109 Ma 경이고 음성호, 옥천호와 영남호에서 80 Ma 경이다. 경상호에서 화산작용은 내륙쪽에서 3개 화산호와 같이 80 Ma에 종료되었지만 해구쪽의 화산전면부에서 고신기 전엽까지 지속되었다. 그러므로 한반도에서 호화산작용은 시공간적으로 볼 때 해구쪽으로 가면서 순차적으로 젊어지며 2번의 큰 종식 변곡기를 가진다.

이에 따라 한반도에서 백악기 섭입대 조구조운동은 백악기 화산호의 시공간적 분포를 바탕으로 설명할 수 있다. 1) 160~135 Ma 동안 이자나기판의 평탄한 슬랩 섭입작용으로 인해 화산작용이 없었지만, 아마도 135 Ma부터 고태평양판의 방향전환으로 인해 퇴적분지의 열림과 함께 약한 백악기 화산작용이 시작되었다. 2) 115∼100 Ma 동안 이자나기판의 얕은 섭입각으로 인해 섭입대 심부의 슬랩용융으로부터 내륙에 경기호를 형성하였다. 3) 100~80 Ma 동안 섭입작용이 강한 수렴률로 지속되면서 호화산작용을 일으켰으며 95 Ma 경부터 이자나기판의 운동이 북서 방향으로 전환됨에 따라 음성호, 옥천호, 영남와 경상호에서 호화산작용이 더욱 활발해졌다. 4) 80~60 Ma 동안 급경사 섭입작용으로의 교대는 주로 경상호 전면부 근처로 호화산작용의 이동을 초래하였다. 이로 인해 호화산작용은 주로 경상호의 전면부에서 일어났고 기타 화산호에서는 종식되었다.

Acknowledgments

이 논문은 한국지질자원연구원에서 지원하는 ‘디지털맵핑에 의한 통합지질정보 제공기술 개발’에 의해 수행된 결과와 지금까지 백악기 화산암류에 대한 연구 결과를 정리한 것이다. 그리고 관련 자료의 제공과 건설적이고 유익한 코멘트를 해준 부경대 박계헌 교수님, 부산대 윤성효 교수님과 편집위원님에게 감사를 표한다.

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Fig. 1.

Fig. 1.
Geological map of the Korean Peninsula, showing the overall distribution of the Cretaceous sedimentary, volcanic and plutonic rocks, and fault systems. The volcanic rocks are divided as five volcanic arc: Gyeonggi Arc (GGA), Eumseong Arc (ESA), Okcheon Arc (OCA), Yeongnam Arc (YNA) and Gyeongsang Arc (GSA) from the volcanic zones by their banded distribution.

Fig. 2.

Fig. 2.
Frequency distribution diagram of SHRIMP and LA-ICP-MS zircon U-Pb ages of the Cretaceous volcanic rocks along the volcanic arc throughout the Korean Peninsula.

Fig. 3.

Fig. 3.
Geochrological ranges of the volcanic arcs in the Korean Peninsula, based on the SHRIMP and LA-ICP-MS zircon U-Pb age data.

Table 1.

Occurrences and dating data of the volcanic rocks in the Imjingang Belt and Gyeonggi Massif.

Basin Stratigraphic unit Occurrence mode Magma type Age (Ma) References
Cheolwon
Basin
Jijangbong Tuff
Sinseo Breccia
Rhyolite
Dongmakgol Tuff
Geumhaksan Andesite
Epiclastics
Ring dike
Lava
Pyroclastics
Rhyolitic
Andesitic
SHRIMP 113
SHRIMP 115.0±1.1
Hwang et al. (2011)
Bupeong
Volcanics
Gyemasan Welded Tuff
Yaksan Welded Tuff
Dike
Breccia
Pyroclastics
Rhyolitic K-Ar 121±6
K-Ar 131.2±4.0
K-Ar 132.9±4.1
Suh and Park (1986)
Kim et al. (1998)
Tando Basin Dike
Pyroclastics
Rhyolitic
Andesitic
SHRIMP 111±1
SHRIMP 111±3
Kim et al. (2012)
Gureopdo
Volcanics
Gureopdo Tuff Pyroclastics Rhyolitic SHRIMP 114.3±1.4 Cho and Lee (2016)
Cheonsuman
Basin
Pyroclastics
Lava
Rhyolitic
Andesitic
Basaltic
SHRIMP 109±3
SHRIMP 109~111
Kim et al. (2012)

Table 2.

Occurrences and dating data of the volcanic rocks in basins along the Gongju Fault System.

Basin Stratigraphic unit Occurrence mode Magma type Age (Ma) References
Baekdam
Basin
Porphyry
Sejonbong Tuff
Yongdaeri Tuff
Volcanic dome
Pyroclastics
Rhyolitic SHRIMP 84.4±2.1
SHRIMP 88.8±0.7
SHRIMP 104.8±3.5
SHRIMP 108.0±3.1
Kim et al. (2010)
Pungam
Basin
Intrusives
Pyroclastics
Lava
Rhyolitic
Andesitic
Basaltic
K-Ar 72.6~94.4 Cheong and Kim (1999)
Eumseong
Basin
Pyroclastics
Lava
Rhyolitic
Andesitic
Basaltic
K-Ar 65.98±0.93
K-Ar 100
Lee et al. (1992)
Choi (1996)
Gongju
Basin
Pyroclastics
Lava
Basaltic K-Ar 93.2±1.4 Lee et al. (1992)
Byeonsan
Volcanics
Mangryeongsan Tuff
Seokpo Tuff
Yamido Rhyolite
and others
Intrusives
Lava
Pyroclastics
Epiclastics
Rhyolitic
Dacitic
SHRIMP 85.7±2.9
SHRIMP 88.7±2.0
SHRIMP 93.6±2.1
Koh et al. (2013)
Choi and Hwang (2013)
Seonunsan
Volcanics
Wolpyeong Tuff
Gulchi Rhyolite
Isangsan Tuff
Gyeongsusan Dacite
Epiclastics
Intrusives
Lava
Pyroclastics
Rhyolitic
Dacitic
SHRIMP 84.9±1.0
SHRIMP 86.5±1.7
Koh et al. (2013)
Beopseongpo
Volcanics
Gyema Rhyolite
Hongnong Andesite
Seongsan Tuff
Sangha Tuff
Lava
Autobreccia
Pyroclastics
Rhyolitic
Andesitic
SHRIMP 87.46±0.86
SHRIMP 87.66±0.76
Kwon et al.(2015)

Table 3.

Occurrences and dating data of the volcanic rocks in the Okcheon Belt.

Basin Stratigraphic unit Occurrence mode Magma type Age (Ma) References
Tongri
Basin
Intrusives
Autobreccia
Pyroclastics
Lava
Rhyolitic
Dacitic
Andesitic
Basaltic
K-Ar 49.42±0.75
K-Ar 56.03±2.46
K-Ar 66.92±2.1
Won et al. (1994)
Mungyeong
Volcanics
Dike
Pyroclastics
Lava
Rhyolitic
Andesitic
K-Ar 89 Kim (1971)
Muju
Basin
Jeoksangsan Formation
Seolcheon Tuff
Lava
Autobreccia
Pyroclastics
Andesitic
Rhyolitic
K-Ar 90.30±1.28
K-Ar 91.16±2.00
Park and Lee (1997)
Unjangsan
Volcanics
Seodaesan Tuff Pyroclastics Rhyolitic K-Ar >85 Kim (1971)
Sunchang
Basin
Naejangsan
Rhyolitic Rocks
Baekyangsa Andesitic
Rocks
Intrusives
Pyroclastics
Lava
Rhyolitic
Dacitic
Andesitic
Basaltic
K-Ar 76.4±1.1
K-Ar 75.3±3.0
K-Ar 85.0~72.5
K-Ar 90.4~77.9
K-Ar 92.8~80.8
Won (1990)
Paik et al. (1979)
Neungju
Basin
Mudeungsan Tuff
Hwasun Andesite
and others
Intrusives
Pyroclastics
Lava
Rhyolitic
Andesitic
SHRIMP 85.41±0.58
SHRIMP 85.82±0.84
SHRIMP 87.72±0.59
Jung et al. (2014)
Mokpo
Volcanics
Yudalsan Tuff
Namak Tuff
Jaeundo Tuff
Rhyolite I
Gijwado Tuff
Maewolri Tuff
and others
Intrusives
Lava
Pyroclastics
Rhyolitic
Andesitic
SHRIMP 78.44±0.67
SHRIMP 80.2±0.9
SHRIMP 83.77±0.62
SHRIMP 84.6±2.0
SHRIMP 86.3±2.6
SHRIMP 97.55±0.62
Kihm et al. (2014)
Kim et al. (2014)
Choi et al. (2016)
Haenam
Basin
Yeongpungri Tuff
Dueokbong Tuff
Jamduri Rhyolite
Hwawon Formation
Lava
Pyroclastics
Rhyolitic
Andesitic
Basaltic
SHRIMP 85.6±1.7
SHRIMP 97.7±1.1
SHRIMP 98.5±0.6
SHRIMP 98.2±1.3
SHRIMP 99.7±1.1
K-Ar 95.4±2.9
K-Ar 103.4±2.5
Kim et al. (2014)
Kim and Nagao (1992)
Jindo
Volcanics
Jindo Rhyolite
Samji Tuff
Lava
Pyroclastics
Rhyolitic K-Ar 72.5~75.4
K-Ar 73.9~76.3
Kim and Nagao (1992)

Table 4.

Occurrences and dating data of the volcanic rocks in the Yeongnam Massif.

Basin Stratigraphic unit Occurrence mode Magma type Age (Ma) References
Gumi
Basin
Intrusives
Lava
Pyroclastics
Rhyolitic
Andesitic
Gurye
Basin
Obongsan Formation Intrusives
AutoclasticsL
ava
Pyroclastics
Rhyolitic
Andesitic
K-Ar 81.3±2.40
K-Ar 106.67±2.40
Lee and Song (2007)
Goemok
Basin
Munyusan Volcanic
Complex
Intrusives
Lava
Pyroclastics
Rhyolitic
Andesitic
Dacitic
K-Ar 58.4±1.2
K-Ar 56.0±1.2
Kim, Y.-L. et al. (2008)
Boseong
Volcanics
Hoeryeongdong Tuff
Docheonri Rhyolite
Obongsan Tuff
Gaeksanri Andesite
Pyroclastics
Lava
Rhyolitic
Andesitic
Gangjin
Volcanics
Seokjeongri Rhyolite
Mamyeongdong Tuff
Songsanri Rhyolite
Jangguri Tuff
Mananri Rhyolite
Lava
Pyroclastics
Rhyolitic
Namchang
Volcanics
Buyongsan Extrusives
Yongsori Extrusives
Lava
Pyroclastics
Andesitic
Rhyolitic
Goheung
Volcanics
Byeolhaksan Rhyolite
Podu Andesite
Paryeongsan Tuff
Guryongsan Andesite
Intrusives
Lava
Pyroclastics
Dacitic
Andesitic
Rhyolitic
SHRIMP 80.30±1.2
SHRIMP 81.40±1.3
SHRIMP 83.99~80.98
SHRIMP 84.86±0.73
Kim et al. (2015)

Table 5.

Occurrences and dating data of the volcanic rocks in the Hayang Group in the Gyeongsang Arc.

Stratigraphic unit Intercalation level Occurrence mode Magma type (SiO2 %) Age (Ma) Reference
Chaeyaksan
Basalt
below the
Geoncheonri
Formation
Epiclastics
Lava
Pyroclastics
Basaltic
(46~57%)
Kim et al. (1999, 2000)
Sinsudo Tuff below the Jindong
Formation
Pyroclastics rhyolitic SHRIMP 95.79±0.98 Kim et al. (2013)
Sinsudo Tuff
Hama Basalt
on the Banyawol
Formation
Epiclastics
Lava
Trachybasaltic
(45~55%)
La-ICP-MS
97.1±2.0, 97.3±1.8
SHRIMP 103.0±1.2
SHRIMP 104.1±1.3
Kim et al. (2000)
Gusandong
Tuff
between the Haman
and Banyawol
Formation
Pyroclastics Rhyolitic Jwa et al. (2009)
Kim et al. (2013)
Haman Basalt in the Haman
Formation
Lava
Pyroclastics
Basaltic
(45~53%)
Kim et al. (2000)
Daejeonsa
Basalt
in the Dogyedong
Formation
Autoclastics
Lava
Basaltic
(48~53%)
Yun et al. (2000)
Secheondong
Basalt
in the Dogyedong
Formation
Autoclastics
Lava
Basaltic
(43~55%)
Kim et al. (2000)
Osipbong
Basalt
on the
Cheongryangsan
Conglomerate
Lava Basaltic
(48~53%)
Kim et al. (2000)
Hakbong
Basalt
on the Silla
Conglomerate
Autoclastics
Lava
Basaltic
(44~57%)
SHRIMP >110.4±2.0 Lee et al. (2010)
Cheongryongs
a Basalt
in the Chilgok
Formation
Lava Basanitic
(43~53%)
SHRIMP 108.0±2.6 Kim, J.S. et al. (2011)

Table 6.

Stratigraphy and dating data of the volcanic rocks of the Yucheon Group in the Gyeongsang Basin.

Subgroup Area Stratigraphic unit Occurrence mode Age (Ma) References
Sayang
Subgroup
Uiseong and
Yeongyang
subbasins
Guamsan Tuff Pyroclastics SHRIMP 60.1±1.8
SHRIMP 63.77±0.94
Hwang et al. (2017b)
Myeonbongsan Tuff Pyroclastics SHRIMP 65.03±0.66 Hwang et al. (2017a)
Unjusan Tuff Pyroclastics SHRIMP 66.08±0.62
SHRIMP 66.65±0.96
Hwang et al. (2019)
Muposan Tuff Pyroclastics SHRIMP 67.08±0.96 Hwang et al. (2016a)
Jipum Volcanics Lava
Pyroclastics
SHRIMP 68.5±1.6 Hwang (2017)
Southern
Yucheon
Subbasin
Saryangdo Tuff Pyroclastics SHRIMP 69.16±0.66
SHRIMP 69.72±0.69
Lee et al. (2019)
Namsan Rhyolite Intrusives
Lava
SHRIMP 71.74±0.47 Hwang et al. (2018a)
Yokji
Subgroup
Southern
Yucheon
Subbasin
Dara Andesite Lava
Pyroclastics
SHRIMP 73.01±0.75 Hwang et al. (2018a)
Central
Yucheon
Subbasin
Beomdori Andesite Lava
Pyroclastics
LA-ICP-MS 78.4±1.5 Zhang et al. (2012)
Unmunsa
Subgroup
Southern
Yucheon
Subbasin
Galdo Tuff Pyroclastics SHRIMP 80.43±0.53 Hwang et al. (2018b)
Nodaedo Tuff Pyroclastics SHRIMP 81.30±0.54
Jabupo Tuff Pyroclastics SHRIMP 82.06±0.55
Chudo Tuff Pyroclastics SHRIMP 82.56±0.95 Hwang et al. (2018a)
Bonghwasan Tuff Pyroclastics SHRIMP 86.69±0.78 Lee et al. (2019)
Punghwari Tuff Pyroclastics SHRIMP 88.95±0.44 Hwang et al. (2018a)
Central
Yucheon
Subbasin
Samrangjin Tuff Pyroclastics LA-ICP-MS 88.0±0.8 Zhang et al. (2012)
Wondong Tuff Pyroclastics LA-ICP-MS 88.0±0.7
Jeonggaksan
Formation
Pyroclastics
Sediments
LA-ICP-MS 88.7±0.7
Jusasan
Subbasin
Central
Yucheon
Subbasin
Miryang Andesite Lava LA-ICP-MS 88.8±1.0
LA-ICP-MS 94.3±2.0
Zhang et al. (2012)
Southern
Yucheon
Subbasin
Jongnamsan Andesite Lava LA-ICP-MS 94.4±0.8
Goseong Formation Pyroclastics
Sediments
SHRIMP 92.1±3.2 Kim, J.S. et al. (2011)