Current Issue

남해도 남부 일대와 작은 섬들에 분포하는 봉화산응회암은(그림 1b), 대부분 층리가 잘 발달하지 않는 용결응회암으로 구성되어있고 약한 풍화면에서 용결엽리가 관찰된다. 봉화산응회암이 분포하는 지역은 비교적 험한 산세를 형성하고 있다.

이 응회암은 암회색을 띠며, 치밀하게 용결된 화산회 기질에 풍부한 결정립과 부석편, 소량의 암편을 함유한다(그림 3a). 결정립은 대부분 1~3 mm 크기의 사장석이며, 약간의 석영과 각섬석을 가진다. 암편은 주로 회색을 띠고 각상이며 5~15 mm 크기를 가진다. 암체의 하부로 갈수록 암편의 크기는 더 커지고 함량은 높아진다. 부석편은 대부분 작고 편평화된 피아메(fiamme)로 산출된다. 이 피아메들은 완배열상 석리(eutaxitic fabric)를 정의하여 용결엽리(welding foliation)를 형성한다.

Fig. 3. 
Outcrop photographs and photomicrographs showing representative lithology and petrography of the volcanic rocks. (a) Outcrop photograph of the Bonghwasan Tuff; (b) Photomicrograph of the Bonghwasan Tuff; (c) Outcrop photograph of the Saryangdo Tuff in the Suu Island; (d) Photomicrograph of the Saryangdo Tuff in Suu Island; (e) Outcrop photograph of the Saryangdo Tuff in the Araetseom Island; (f) Photomicrograph of the Saryangdo Tuff in Araetseom Island: Pl, plagioclase; Qz, quartz; Fi, fiamme; Sh, shards; Li, lithic fragment.

현미경 하에서 사장석, 석영, 각섬석으로 구성된 결정립들의 사이에 부석편과 샤드(shard)들이 심하게 압착·용결되어있고 입자들을 비켜가는 양상을 보여준다. 그리고 이들의 배열에 의해 완배열상 석리가 뚜렷하게 정의된다. 기질 내 샤드들은 대부분 유리질로 남아있으며, 부석편들의 내부는 부분적으로 알칼리장석과 실리카로 결정화되어 있다(그림 3b).

사량도응회암은 사량도 윗섬과 아랫섬, 수우도와 작은 섬들에 넓게 분포하며, 본 역의 화산암류 중 층서적으로 가장 상부에 있는 지층이다(그림 1b).

이 암층은 대부분 청회색 내지 갈색을 띠며, 입도에 따르면 대부분 응회암 혹은 라필리응회암에 해당되고 구성물질에 의하면 결정질 응회암(crystal tuff)에 속한다. 결정립은 대부분 자형 혹은 반자형을 보이는 2 mm 내외의 사장석으로 이루어지며, 그 함량은 암체의 하부로 갈수록 증가한다. 특히 수우도와 농가도에서는 결정립이 매우 풍부하며 희미한 용결엽리가 나타난다(그림 3c). 암편은 대부분 데사이트와 안산암으로 구성되고, 그 크기는 1.5 cm 내외이며 최고 6 cm에 이르며, 동쪽으로 갈수록 커진다.. 부석편은 대개 암회색을 띠고 치밀한 용결작용으로 압축신장된 피아메의 형태를 보인다. 피아메의 장축은 평균적으로 1~2 cm 내외이고 최고 9 cm에 이른다. 따라서 노두에서 완배열상 석리를 보여주는 용결엽리가 잘 발달된다(그림 3e). 한편 전체적으로 분급은 좋지 않고 내부에 층리가 발달하지 않는다.

현미경 하에서 수우도에 분포하는 사량도응회암의 경우 석기에 부석편과 샤아드가 풍부하며, 부석편의 내부는 알칼리장석과 실리카로 결정화되어있다. 용결엽리는 거의 발달되지 않으며, 미약하게 변질되어 있는 양상이 관찰된다(그림 3d). 아랫섬에 분포하는 암체의 경우 현미경 하에서 석기에 함유된 사장석과 소량의 석영립, 그리고 이들 사이로 심하게 압착·용결된 부석편과 샤아드들이 뚜렷하게 관찰된다(그림 3f).

사량도와 남해도 주변의 화산암류는 여러 섬에 산재되어 있기 때문에 야외관계만으로 층서를 정립하기가 어렵다. 그러므로 화산층서를 체계화하기 위해 주요 층서단위에 대해 SHRIMP 저어콘 U-Pb 연대측정을 실시하였다. 분석을 위해 운문사아층군의 봉화산응회암에서 1개(남해도 남부: HT498) 시료, 사량아층군의 사량도응회암에서 2개(수우도 서부: HT387, 사량도 아랫섬 북부: HT366) 시료를 채취하였다(그림 1b).

저어콘 분리는 파쇄작업과 수세식 패닝(panning), 중액분리법, 그리고 자성분리법의 절차에 따라 수행되었다. 먼저 시료를 실험실에서 1차로 파쇄하고 2차로 더 잘게 분쇄한 후, 표준 망체를 이용하여 120~180 메쉬 사이의 입자를 회수하였다. 회수된 입자를 비커에 넣어 물을 이용해 패닝하고, 자석으로 자성광물을 제거하여 중광물을 농집시켰다. 실체현미경으로 잔류 중광물 입자들을 관찰하여 핀셋으로 저어콘 입자만을 선별하였다. 분리한 저어콘들을 표준물질과 함께 에폭시 몰드에 넣어 마운트를 만들었다. 저어콘 입자가 반쯤 드러날 때까지 마운트를 사포로 갈아낸 후 그 표면을 다이아몬드 연마제로 연마하였으며, 금으로 코팅하였다. 한국기초과학지원연구원 오창본원에서 주사전자현미경(JEOL JSM- 6610LV 모델)을 이용하여 마운트 내 개별 저어콘 입자에 대해 음극선발광(cathodoluminescence; CL)과 후방산란전자(backscattered electron; BSE) 영상을 촬영하였고 분석 위치를 선정하였다.

저어콘의 연대측정을 위해 오창본원의 고분해능 이차이온 질량분석기(SHRIMP IIe)를 이용하였다. U-Pb 분석을 위해 일차 이온빔으로 산소 음이온(O^2-)을 이용하였으며, 이때 이온빔의 직경은 25 µm이고 세기는 4-6 nA이었다. 저어콘 표준물질 FC-1과 SL13을 통해 U 함량측정과 U-Pb 연대보정을 실시하였다. 기기작동과 자료처리절차는 Williams (1998)과 Ireland and Williams (2003)의 방법과 같다. 측정된 자료는 SQUID version 2.5 및 Isoplot/Ex v. 3.6(Ludwig, 2008, 2009)을 통해 처리되었으며, 이를 통해 연대계산을 수행하였다. 각각의 분석치와 겉보기연대의 오차는 1σ이고, 가중평균 ²⁰⁶Pb/²³⁸U 연대 및 일치곡선 연대는 95% (2σ)의 신뢰도를 가진다.

봉화산응회암(HT498): 저어콘 입자들은 대부분 자형이며 장주상으로 산출된다. CL 영상에서 대부분의 저어콘들이 진동누대를 보이는 반면, 상속핵은 관찰되지 않는다(그림 4a). 11개 저어콘 입자의 U과 Th 농도는 각각 132~332 ppm과 33~189 ppm이고, Th/U 비는 0.24~0.57 범위로 나타난다(표 1). U-Th 관계도에서 분석된 저어콘들은 대체로 Th/U 비가 1과 0.1인 등치선 사이에 직선상으로 도시된다(그림 5). 이는 외형 및 내부구조와 함께 마그마에서 성장한 저어콘의 특징을 지시한다(Vavra et al., 1999; Hartman et al., 2000). 10개 분석점에서의 겉보기 ²⁰⁶Pb/²³⁸U 연대는 84.7~95.4 Ma의 범위를 가지며(표 1), 가장 오래된 분석치를 제외한 나머지 10개 분석치는 모두 일치곡선 상에 놓인다. 이 10개 분석치의 가중평균 ²⁰⁶Pb/²³⁸U 연대는 86.69±0.78 Ma이다(그림 6a).

Fig. 4. 
Representative cathodoluminescence images of the analysed zircon grains, showing the location of analytical spots and ²⁰⁶Pb/²³⁸U ages in Ma, separated from (a) Bonghwasan Tuff (HT498), and (b) and (c) Saryangdo Tuff (HT387 and HT366).

Fig. 5. 
Correlation diagram showing the proportions of Th to U concentrations (ppm) of the zircons analyzed by SHRIMP. Symbol △, Bonghwasan Tuff (HT498); Symbol ●, Saryangdo Tuff (HT387); Symbol ○, Saryangdo Tuff (HT366).

Fig. 6. 
Concordia diagrams for SHRIMP U-Pb ages of zircons separated from samples (a) HT498, (b) HT387 and (c) HT366.

사량도응회암: HT387의 저어콘 입자들은 대부분 동심원상 자형이며, CL 영상에서 진동누대 및 부분누대를 보인다(그림 4b). 12개 저어콘 입자의 U과 Th 농도는 각각 90~410 ppm과 68~367 ppm이고 Th/U 비는 0.56~1.11 범위로 나타난다(표 1). U-Th 관계도에서 분석치는 Th/U 비가 1인 등치선에 근사하여 직선상으로 도시되는데(그림 5), 이는 내부구조와 함께 화성성인을 반영한다. 누대구조를 가진 저어콘 입자 12개의 겉보기 ²⁰⁶Pb/²³⁸U 연대는 68.5~71.8 Ma의 범위를 가지며(표 1), 12개의 분석치에 대한 가중평균 ²⁰⁶Pb/²³⁸U 연대는 69.72±0.69 Ma이다(그림 6b).

HT366의 저어콘 입자들은 대부분 자형이고 주상 혹은 단주상의 형태를 보이며, CL 영상에서 진동누대 및 부분누대가 잘 관찰된다(그림 4c). 12개 저어콘 입자의 U과 Th 농도는 각각 210~296 ppm과 140~303 ppm이고 Th/U 비는 0.54~1.02 범위를 가진다(표 1). U-Th 관계도에서 분석치는 대부분 Th/U 비가 1인 등치선을 따라 일직선으로 도시되며(그림 5), 이는 화성성인을 시사한다. 누대구조를 가진 저어콘 입자 12개의 겉보기 ²⁰⁶Pb/²³⁸U 연대는 67.7~70.2 Ma 범위를 가진다(표 1). 12개의 분석치에 대한 가중평균 ²⁰⁶Pb/²³⁸U 연대는 69.16±0.66 Ma이다(그림 6c).

본 연구에서 봉화산응회암은 86.69±0.78 Ma의 연대를, 사량도응회암은 69.72±0.69 Ma와 69.16±0.65 Ma의 연대를 얻었다. 봉화산응회암은 코니아시안(Coniacian)에 해당되며 사량도응회암은 마스트리찌안(Maastrichtian)에 속한다. 이 두 시기는 백악기 후엽에 해당되는데, 백악기 후엽은 이자나기판의 섭입이 북서 방향으로 작용하는 시기로서 유라시아판에 대해 직각섭입을 이루어 활발한 호화산작용이 일어났다. 왜냐하면 백악기 후엽(약 90 Ma)에 이자나기판의 섭입방향이 북북서에서 북서 방향으로 변화하여 이루어진 직각섭입은 분지 내에 광범위한 호화산작용을 일으키고 백악기 후엽으로 갈수록 지속적이고 더욱 활발하게 일어나 성숙된 화산호를 형성하였기 때문이다(Klimetz, 1983; Ryu et al., 2006). 이에 따라 봉화산응회암과 사량도응회암은 이자나기판의 직각섭입에 의해 격렬하게 일어났던 호화산작용의 산물이라고 할 수 있으며, 봉화산응회암과 사량도응회암 사이에 분포하는 아랫섬안산암과 남산유문암(71.74±0.47 Ma; Hwang et al., 2018b)도 같은 의미를 지닌다고 할 수 있다.

봉화산응회암에서 86.69±0.78 Ma의 SHRIMP 저어콘 U-Pb 연대측정 결과가 도출되었다(그림 6). 저어콘의 폐쇄온도가 매우 높기 때문에(Brouand et al., 1990; Vavra, 1990; Hanchar and Miller, 1993) 이 연대는 봉화산응회암의 분출시기를 나타내는 것으로 해석된다. 이는 봉화산응회암이 백악기 후엽에 형성되었으며 사량도응회암보다 빠른 시기에 분출하였음을 지시한다.

사량도응회암의 경우 69.72±0.69 Ma와 69.16±0.65 Ma의 SHRIMP 저어콘 U-Pb 연대가 도출되었다(그림 6). 이 연대는 사량도응회암의 분출시기를 나타내는 것으로 해석된다. 또한, 풍화리응회암층과 남산유문암층의 SHRIMP 저어콘 U-Pb 연대는 각각 88.95±0.44 Ma와 71.74±0.47 Ma로 연대가 보고되었다(Hwang et al., 2018b). 따라서 사량도응회암은 백악기 후엽에 형성되었으며 연구지역의 화산암류 중 가장 마지막에 분출하였다.

봉화산응회암과 사량도응회암은 약 17.53 Ma라는 상당히 큰 분출연대 차이를 보인다. 이 차이는 두 응회암이 유문암질로서 유사한 조성을 가지지만 층서적으로 완전히 다른 층이라는 것을 지시한다. 그러나 두 암층의 관계는 확실하게 정의하기 어렵다. 왜냐하면 두 섬이 바다로 격리되어 서로 멀리 떨어져있고, 사량도 지역에는 본역의 4개 아층군이 모두 산출되는 반면, 남해도 동부에는 욕지아층군과 사량아층군에 속하는 암층들이 전혀 산출되지 않기 때문에 사량도응회암과 봉화산응회암의 관계는 정확히 알 수 없다. 그렇지만 봉화산응회암과 사량도응회암의 연대를 토대로 봉화산응회암은 하부 유문암질암류에 속하고 86.69 Ma로서 운문사아층군으로 분류되며, 사량도응회암은 상부 유문암질암류에 속하고 69.72~69.16 Ma로서 사량아층군으로 분류된다. 또한, 사량도응회암층에서 채취한 SHRIMP 저어콘 U-Pb 연대측정치는 각각 69.72±0.69 Ma와 69.16±0.65 Ma로서 0.56 Ma의 시간차이를 나타내는데, 이 차이는 오차를 감안하면 거의 동일시기라는 한계를 지니기 때문에 동일한 암층으로 볼 수 있다.

수우도의 사량도응회암은 극히 소량의 암편을 함유하는 반면에, 사량도 아랫섬에서 이 암층은 암편을 풍부하게 함유하며 암편의 크기도 상대적으로 더 크다(그림 2c, 2e). 이것은 이 암체의 화구가 사량도 아랫섬의 동쪽에 존재했음을 지시한다. 그리고 암질차이는 마그마챔버에서 결정농집에 의한 연변누대로 해석되었다(Lee et al., 2019).

유천소분지 남부의 미륵도 주변에서 SHRIMP U-Pb 저어콘 연대측정 결과(Hwang et al., 2018b)에 의하면, 하부 유문암질암류에서 풍화리응회암이 88.95±0.44 Ma의 연대를, 추도응회암이 82.56±0.95 Ma의 연대를 갖는다. 상부 안산암질암류의 달아안산암은 73.01±0.75 Ma의 연대를 가지며, 상부 유문암질암류의 남산유문암은 71.74±0.47 Ma의 연대를 갖는다(표 2).

이 연구에서 수행된 운문사아층군에 속하는 봉화산응회암의 SHRIMP U-Pb 저어콘 연대는 86.69±0.78 Ma로서 미륵도 지역에서 운문사아층군에 속하는 추도응회암과 풍화리응회암의 연대범위(82.56 Ma; Hwang et al., 2018b)에 대비된다. 또 사량아층군에 속하는 사량도응회암의 SHRIMP 저어콘 U-Pb 연대는 69.16 Ma에서 69.72 Ma의 범위로서 미륵도 지역에서 사량아층군에 속하는 남산유문암의 연대(71.74 Ma; Hwang et al., 2018b) 범위에 대비된다. 따라서 미륵도 지역과 남해도, 수우도와 사량도 지역에서 산출되는 화산암류는 서로 멀리 떨어져있고 바다로 격리되어있기 때문에 직접적인 층서대비는 불가능하지만, U-Pb 연대 자료를 바탕으로 격리된 지역 간의 간접적인 층서대비가 가능하다.

종합하면 유천소분지 남부의 미륵도, 남해도와 사량도에서 산출되는 화산암류의 SHRIMP U-Pb 저어콘 연대는 88.95 Ma에서 69.16 Ma의 범위를 보여준다(Hwang et al., 2018b; this study). 이 새로운 연대측정 자료는 복잡한 유천층군에 대한 층서대비 기준의 일부로 활용할 수 있다. 그러므로 통영과 남해군 동부 주변의 유천층군의 층서는 표 2에서와 같이 하부로부터 주사산아층군, 운문사아층군, 욕지아층군, 사량아층군 순으로 구분할 수 있으며, 앞으로 이러한 기준을 바탕으로 하여 인접지역으로 확장시켜 화산층서를 정립시킬 수 있을 것으로 생각된다.