Current Issue

한반도 남동부에는 백악기의 육성 퇴적분지인 경상분지가 분포한다(그림 1). 경상분지 발달 초기에 영남육괴와 접한 분지의 서쪽 가장자리를 따라 신동층군이 퇴적되었다. 신동층군의 층서는 하부로부터 낙동층과 하산동층, 진주층으로 구분된다. Hisada et al. (2008)은 신동층군 최상부 지층인 진주층 사암에서 크롬-첨정석(Cr-spinel) 입자가 산출되는 것을 처음 보고하였으며, 이를 바탕으로 진주층의 퇴적물 기원지에 감람암(peridotite)이 존재했다고 주장하였다. 현재 영남육괴에는 감람암이 분포하지 않기 때문에 이 주장은 곧 일본의 부가퇴적체에서 진주층에 퇴적물을 공급하였을 가능성을 제시하는 것으로, 신동층군 퇴적물이 영남육괴로부터 유래했다는 기존의 학설(Chang and Kim, 1968; Koh, 1986)과는 다른 관점이다. 따라서 진주층이 퇴적될 당시 영남육괴로부터 크롬-첨정석이 공급될 수 있었는지 여부를 확인할 필요가 있으며, 이는 신동층군 퇴적 당시 한반도의 지구조에도 중요한 정보를 제공할 수 있다.

Fig. 1. 
a) Simplified geologic map of the Gyeongsang Basin (after Lee and Lee, 2000). b) Geologic map of the study area. Samples analyzed in this study are marked in yellow.

쇄설성 크롬-첨정석 입자는 퇴적물에 산출되는 양상과 이 광물이 지시하는 지체 구조적 특성이 독특하다(Lee, 1999a). 쇄설성 크롬-첨정석 입자는 고철질 암석과 초고철질 암석, 특히 Alpine-type 감람암의 기원지 지시자로 알려지고 있다(Press, 1986; Arai and Okada, 1991; Cookenboo et al., 1997 amongst others). 또한 쇄설성 크롬-첨정석 입자는 이를 공급한 기원암에서 멀지 않은 곳에서 주로 산출되기 때문에 퇴적물 내에서 크롬-첨정석 입자가 발견되면 이 퇴적물은 크롬-첨정석을 함유한 기원암과 가까운 곳에 쌓였다는 것을 의미한다.

감람암은 감람석[(Mg,Fe)₂SiO₄]이 가장 주된 구성 광물이며, 다음으로 휘석이 그 뒤를 잇는다. 감람석과 휘석은 Goldich (1938)의 풍화 단계에서 높은 단계에 해당된다. 따라서 화학적 풍화에 의해 선택적으로 빠르게 풍화되기 때문에 풍화 산물인 대부분의 토양과, 퇴적물 또는 퇴적암에는 중광물로 남기 어렵다. 더구나 감람암은 지표에 노출되기 전에 보통 사문석화되기 때문에 신선한 상태의 감람석과 휘석은 잘 관찰되지 않는다. 감람석은 풍화를 받으면 특정한 화학조성을 가지지 않는 이딩사이트(iddingsite)라고 하는 감람석의 잔류물과 점토광물, 철산화물, 철수산화물(ferrihydrite)의 혼합체로 변질된 후 점토광물로 바뀐다. 휘석 역시 화학적 풍화를 받아 철수산화물과 점토광물로 변질된다. 이에 따라 감람암이 화학적 풍화를 많이 받으면 모암인 감람암의 존재는 풍화에 비교적 강한 크롬-첨정석이 소량(<2%; e.g., Lippard et al., 1986)으로 산출될 경우 알아볼 수 있다(Arai and Okada, 1991). 이 중광물은 다양한 입도를 가지지만 밀도가 높기 때문에 수력학적 동등성으로 중-조립의 사질 퇴적물에서 관찰할 수 있다. 크롬-첨정석은 현무암에도 부수 광물로 들어있지만 현무암에 들어있는 크롬-첨정석의 크기는 감람암에 들어있는 것에 비해 작다(Arai, 1992).

초고철질암에 Cr과 Ni의 총함량은 약 4,000 ppm (Cr ≈ 2,400 ppm, Ni ≈ 1,500 ppm, Cr/Ni ≈ 1.6; Goles, 1967; Niu, 2004)에 이를 정도로 월등하게 높기 때문에 지표에 분포하는 다른 암석들과 뚜렷이 구분된다. 상부 대륙지각의 조성은 평균 47 ppm의 Ni와 92 ppm의 Cr을 함유하고 있다(Rudnick and Gao, 2003). 감람암의 일부 단사휘석(clinopyroxenes)에도 Cr의 함량이 존재한다(0.58-1.58 wt.%; Furnes et al., 1986). 그러나 Cr을 함유하는 주된 광물은 크롬-첨정석이다. 크롬-첨정석은 10~45 wt.%의 Cr을 함유하는 것으로 알려져 있다. 초고철질 암석의 감람석은 Ni을 평균 ~2880 ± 410 ppm 함유하며 Ni을 함유하는 가장 주된 광물이다(Warren, 2016). 감람석이 분해되며 방출되는 Ni은 수화 규산염 광물과 Fe와 Mn 함유 풍화 산물상에 효율적으로 흡착된다(Beinlich et al., 2018). Cr과 Ni은 수성 유체에 낮은 용해도를 가지는 원소(Taylor and McLennan, 1995)로 퇴적물에 들어있는 Cr과 Ni 함량은 퇴적물 기원지 암석의 풍화와 침식이 일어나는 동안 원소의 이동에 관련된 정보를 제공한다. 초고철질 암석은 풍화를 받아 Ni과 SiO₂가 풍부한 잔류물이 생성되며(Beinlich et al., 2018), 초고철질 암석을 구성하고 있는 감람석과 휘석, 그리고 사문석들은 전술한 바와 같이 Goldich (1938)의 풍화계열에 의하면 지표 조건에서 풍화에 아주 약해 화학적 또는 물리적으로 불안정하기 때문에 초고철질 암석으로부터 유래되는 대부분의 Cr과 Ni은 일부 초고철질암이 분포하는 지대에서 공급된 점토 크기의 세립질 퇴적물에서 관찰할 수 있을 것이다(Garver et al., 1996). 기존의 여러 연구에서 현생이언의 셰일에 함유되어 있는 Cr과 Ni 함량이 기원지에 초고철질암이 존재한다는 지시자로 활용되었다(예: Papavassiliou and Cosgrove, 1982; Yucesoy and Ergin, 1992; Thiébault and Clément, 1992; Garver and Scott, 1995; Asiedu et al., 2000; Bracciali et al., 2007). Hiscott (1984)는 북미 동부의 Taconic 조산대를 따라 퇴적된 플리시(flysch) 퇴적물에서 캐나다 지역의 퇴적물은 높은 Cr 함량(up to 3,950 ppm)을 나타낸 반면 남쪽인 미국지역의 퇴적물에는 Cr 함량이 10-50 ppm으로 낮게 나타난다는 것을 관찰하였다. 이를 바탕으로 캐나다 플리시 퇴적물은 기원지에 오피올라이트 성분을 가지는 반면 더 남쪽 퇴적물은 기원지에 오피올라이트 성분이 존재하지 않는다고 해석하였다. 이러한 연구를 배경으로 Garver et al. (1996)은 Taconic 전지분지에 쌓인 셰일을 조사하여 과연 세립질 퇴적물이 초고철질 암석의 기원지를 나타낼 수 있는지 여부를 검토하였으며, 셰일에서 Cr과 Ni은 기원지에 초고철질 암석이 있다는 것을 민감하게 나타내는 지시자이지만 이들의 함량은 기원지에 분포하는 초고철질 암체의 부피에 따라, 또는 Cr과 Ni의 함량이 높지 않은 암석들에 의한 희석의 영향에 따라 달라진다고 하였다. Garver et al. (1996)은 셰일에 높은 Cr과 Ni의 함량(Cr >150 ppm과 Ni >100 ppm), Cr/Ni 비가 1.3-1.5 사이, 그리고 Cr과 Ni이 높은 상관 관계(r ≥0.90)를 나타내면 퇴적물의 기원지에 초고철질 암석이 있다는 것을 지시한다고 주장하였다.

이상에서 살펴본 바와 같이 기원지에 감람암이 존재하였다면 이로부터 유래되는 퇴적물에서 그 흔적을 찾아볼 수 있다. 지화학적으로 조립질의 퇴적물에는 감람석과 휘석은 거의 산출하지 않는 반면 간혹 사문석의 입자가 산출하거나(Arai and Okada, 1991), 비교적 풍화에 강한 크롬-첨정석 입자가 함유되어 있으며 높은 Cr의 함량을 나타내는 것으로 감람암 기원암을 유추할 수 있다. 감람석과 휘석의 화학적 풍화로 생성되는 점토 광물에 Cr과 Ni이 흡착되어 있으므로 세립질 퇴적물에서는 이들의 함량을 이용하여 기원지 암석에 감람암이 분포하였다는 것을 알아볼 수 있다.

이 연구에서는 Hisada et al. (2008)이 진주층 사암에 감람암으로부터 유래된 부수 광물이 산출된다는 선행 연구 결과를 바탕으로 낙동층과 하산동층 사암에서도 쇄설성 크롬-첨정석 입자의 산출 여부를 확인하고, 신동층군 퇴적물의 미량 원소 조성을 이용하여 신동층군의 기원지로 여겨지는 영남육괴(Chang and Kim, 1968; Koh, 1986)에 감람암의 분포 여부를 검토하고자 하였다. 기원지에 감람암이 광범위하게 분포한다면 이로부터 유래된 신동층군의 퇴적물은 Garver et al. (1996)이 제시한 기준처럼 높은 Cr과 Ni의 함량을 나타낼 것이다. 하지만 만약 기원지에 감람암의 암체가 소규모로 분포하였을 경우에는 감람암 이외의 기원암 영향으로 기원암의 분포 비율에 따라 감람암으로부터 유래되는 퇴적물은 희석이 되어 높은 Cr과 Ni의 특성을 나타내지 않을 수 있다. 이러한 점을 고려하여 진주층에 쇄설성 크롬-첨정석이 함유된 점을 바탕으로 진주층의 기원지에 감람암이 분포했다고 전제한다면, 퇴적물에 들어있는 Cr과 Ni 함량은 기원지에 분포하는 감람암의 규모에 대한 정보를 제공할 수 있을 것이다.

신동층군 사암과 이질암의 미량 원소 분석 자료는 이미 보고된 자료(사암 시료 26개, 이질암 시료 29개)와 이 연구에서 새로 분석한 자료(사암 시료 29개, 이질암 시료 32개)를 이용하였다. 기존자료는 북부 낙동곡분의 신동층군 사암과 이질암 시료를 분석한 Roser et al. (1999)과 낙동곡분 전반의 이질암 시료를 분석한 Lee and Lee (2003) 자료를 이용하였으며, Roser et al. (1999)의 연구에 사용된 사암은 극세립질~극조립질의 범위를 보이나 대부분 중립질과 세립질 사암이 분석되었다. 이 연구에서 분석한 사암과 이질암 시료들은 남부 낙동곡분에서 채취하였으며(표 1; 그림 1), 미량원소 함량은 한국기초과학지원연구원 서울센터의 유도결합 플라즈마 원자 방출분광기(Cr, Sc, V; Jobin Yvon Ultima 2)와 유도결합 플라즈마 질량분석기(Ni, Y, Th; Elan DRC II)를 사용하여 분석하였다. 일부 문헌 자료는 Cr과 Ni의 분석 자료를 제시하지 않는다(표 2).

조사된 신동층군의 사암 시료의 Cr과 Ni 함량은 시공간적으로 변화를 보이는 반면, 이질암의 경우는 낙동층의 남부 시료들을 제외하면 변화가 크지 않다(표 3). 사암 시료의 미량원소 조성은 평균 Sc = 5.5 ppm, V = 40.7 ppm, Cr = 63.8 ppm, Ni = 28.6 ppm, Y = 14.6 ppm, Th = 9.4 ppm이며, 이질암 시료는 평균 Sc = 13.4 ppm, V = 103 ppm, Cr = 91.3 ppm, Ni = 51.8 ppm, Y = 27.3 ppm, Th = 17.0 ppm의 조성을 보인다.

진주층 사암에 크롬-첨정석의 존재(Hisada et al., 2008)를 바탕으로 낙동층과 하산동층 사암을 예비 조사한 결과 이들 낙동층과 하산동층의 사암에서도 드물게 크롬-첨정석 입자들이 관찰되었다(그림 2). 이에 대하여는 추가연구를 수행하여 별도의 논문으로 발표하고자 한다. 이와 같이 신동층군 사암에 쇄설성 크롬-첨정석 입자가 산출되므로 신동층군의 기원지에 감람암이 분포했다는 증거는 명확하다.

사암 시료에서 Sc와 V 함량은 낙동층에서 진주층으로 가면서 점차 증가하는 경향을 나타내지만 Cr과 Ni 함량은 점차 감소하는 경향을 나타낸다(그림 3a). Sc와 V 함량은 상부 대륙지각 조성(UCC: upper continental crust; Taylor and McLennan, 1995)이나 활성연변부 모래 조성(AMsand: active continental margin sand; McLennan, 2001) 보다는 상당히 낮은 함량을 보이지만, Cr과 Ni 함량은 UCC에 비해 낙동층에서는 비슷한 함량을 보이나 하산동층과 진주층에서는 낮은 함량을 나타낸다. 하지만 AMsand에 비하여는 Cr과 Ni 모두 비슷하거나 부화되어 있다. 사암 시료의 이러한 특성은 상부 대륙지각의 조성과 활성연변부에 분포하는 기원암들에 비하여 Cr과 Ni을 약간 더 많이 함유한 고철질/초고철질 암석이 기원지에 존재하였거나, Cr과 Ni 함량이 높은 고철질/초고철질 암석이 소규모로 존재하였다는 것을 시사한다.

Fig. 2. 
Photomicrographs of Cr-spinel grain (red and yellow arrows) from representative (a) Nakdong and (b) Hasandong sandstones.

Fig. 3. 
UCC- and active margin sediment-normalized Sc, V, Cr, and Ni in Sindong Group sandstones (a, b) and mudrocks (c, d). UCC composition is after Rudnick and Gao (2003). Active margin sand (AMsand) and active margin mud (AMmud) compositions are from McLennan (2001).

이질암 시료의 Sc, V, Cr과 Ni 함량은 세 지층에서 평균적으로 큰 변화는 나타나지 않으나 낙동층에서 Ni 함량 변화가 가장 많이 관찰된다. Sc와 V 함량은 UCC와 활성연변부 머드 조성(AMmud; McLennan, 2001)과 비슷한 함량을 나타내나, Cr과 Ni 함량은 약간 더 부화되어 있다(그림 3c, 3d). 이질암과 사암 시료의 Cr과 Ni 함량 특성은 기원암에 이들 원소를 함유한 고철질/초고철질 암석이 UCC나 AMmud의 기원지 암석보다 좀더 많이 분포하였었다는 것을 시사한다.

경상분지 신동층군의 최상부층인 진주층에서 Hisada et al. (2008)은 크롬-첨정석 입자의 산출을 보고하며 이 쇄설성 크롬-첨정석 입자들은 감람암으로부터 유래되었다고 주장하였다. 이번 연구에서는 진주층뿐만 아니라 낙동층과 하산동층 사암에서도 크롬-첨정석의 산출을 확인했다. 신동층군 사암 전체에서 쇄설성 크롬-첨정석 입자가 산출되므로 신동층군 퇴적물의 기원지인 영남육괴에 감람암이 분포했을 것으로 해석된다.

신동층군 사암과 이질암 시료의 Cr 함량은 각각 평균 64 ppm과 91 ppm이며, Ni 함량은 각각 평균 28.6 ppm과 52 ppm이다. 사암 시료의 Cr 함량은 크롬-첨정석 입자 함량의 함수로 낙동층 사암에서 평균 103.9 ppm으로 가장 높게 나타난다. 이질암의 Cr과 Ni 함량은 세 지층의 시간적, 공간적 분포에서 크게 차이가 나지 않는다. 사암과 이질암 시료의 Cr과 Ni 함량은 UCC와 활성연변부 퇴적물 보다는 부화되어 있지만 초고철질암의 기원지로부터 유래된 퇴적물의 조성보다는 낮은 값을 보인다. 이와 같은 미량 원소의 조성은 아마도 기원지에 분포했던 초고철질암 암체의 크기가 작았고, 다른 기반암에 의한 희석 효과가 컸기 때문인 것으로 해석된다.

이 연구결과는 신동층군의 기원지인 영남육괴에 감람암을 포함하는 높은 산지가 존재했으나 기원지 암석에서 감람암이 차지하는 비율은 그리 높지 않았음을 지시한다. 영남육괴에 맨틀쐐기 감람암이 존재했던 것으로 추정되지만, 이 감람암의 존재에 대한 지구조 기작에 대하여는 추가 연구가 필요하다.