Aims & Scope

한반도의 중부에 해당하는 원주-안흥-평창 지역은 주로 북동-남서 방향으로 고립되어 분포하고 있는 고원생대 변성기반암복합체를 포함하며, 북측으로는 경기육괴 남측 경계부를 따라 관입한 쥬라기 중기 대보화강암 저반, 남측으로는 고생대 초-중기 옥천대, 그리고 서측으로는 고생대 초-중기 태백산 분지의 평창형 조선계와 영월형 조선계 일부가 경계를 이룬다(그림 1). 원주-안흥-평창지역 변성기반암복합체는 제천도폭(Kim et al., 1967)에서 박달령편마암류로 명명되었으며, 유사한 Pb-Pb 연대와 Pb 동위원소 특성을 가지는 부산편마암과 함께 옥천대 변성퇴적암류의 기반암에 해당하는 경기육괴 암석의 일부로 간주되고 있지만(Sagong and Kwon, 1998; Horie et al., 2009), 영남육괴의 암석일 가능성도 배제 할 수 없다. 이 기반암복합체의 동측 경계부를 따라 소위 방림층군과 평창형 조선계가 분포하고 있다. 과거 방림층군은 기반암층의 하부 지층으로 생각되었으나(Son and Cheong, 1971), 기반암의 상위에 방림층군이 부정합으로 분포하고 있다. 방림층군과 평창형 조선계의 경계는 소위 남한지구조선(South Korean Tectonic Line, SKTL)에 해당하며, 우리나라에서 남중국판과 북중국판의 경계에 해당하는 것으로 제안되었다(Chough et al., 2000). 그러나 방림층군과 평창형 조선계의 층서 경계가 정합적이기 때문에 두 육괴가 적어도 고생대 시기에 동일한 지괴에 속했다는 주장도 있다(Kihm et al., 2010).

Fig. 1. 
Tectonic map of the central part of the Korean Peninsula including the Wonju-Anheung-Pyeongchang area.

최근 남한지구조선의 경계부를 따라 분포하고 있는 변성퇴적암류에 대한 쇄설성 혹은 내핵 저어콘과 과성장 저어콘 외연부의 SHRIMP U-Pb 연대측정을 실시하여 기원지, 퇴적시기 및 변성시기 등의 지구조 진화과정 연구가 수행되고 있다(Horie et al., 2009; Cho et al., 2013). 따라서 남한지구조선의 경계부 부근에 해당하는 원주-안흥-평창 지역의 기반암체와 주변암석의 자세한 지질연대 연구는 경기육괴, 영남육괴와의 지체구조적 관련성과 우리나라 지체구조발달사를 이해하는데 매우 중요한 정보를 제공 할 수 있다.

본 연구에서는 원주-안흥-평창 지역에 산출되는 편마암 복합체의 암석기재, 지질구조 및 지질연대 연구를 실시하여 기반암의 형성 진화과정과 남중국판과 북중국판의 충돌이 일어난 현생대(Phanerozic) 이후의 지구조 진화과정을 해석하였다. 또한 연구결과들을 지금까지 보고된 우리나라의 대륙충돌대와 남한지구조선 주변부의 지구조 해석(Ree et al., 1996; Chough et al., 2000; Oh et al., 2005; Kim et al., 2006b, 2011; Cho et al., 2007, 2013; Horie et al., 2009; Kwon et al., 2009)과 비교하였다.

원주-안흥-평창 지역은 북동-남서 방향으로 관입한 쥬라기 중기 화강섬록암으로 주로 이루어진 대보화강암 저반이 북측과 동측에 분포하며 남측은 광역적인 미그마타이트화 작용과 화강암화 작용을 받은 고원생대 편마암 복합체와 이들을 관입하고 있는 고원생대 화강암류가 분포하고 있다(그림 2). 편마암복합체는 대체로 호상구조가 뚜렷한 흑운모편마암과 미그마타이트질 호상편마암이 우세하나(그림 3a, 3b, 3c), 유입된 화강암질 물질의 종류와 상대적 양에 따라 석영장석질 편마암, 거정질 편마암, 반상질 편마암, 우백질 편마암 등의 다양한 암상으로 산출한다(그림 3d, 3e, 3f). 이질 성분이 우세한 경우 엽리에 평행하게 단속적으로 발달하는 화강암질 물질을 포함하는 편암의 조직을 보이기도 하며, 괴상의 변성사암, 각섬암, 대리암이 부분적으로 산출한다. 이 편마암복합체는 특히 치악산 지역에 넓게 분포하고 있으며, 지역별로 다양한 암상의 변화를 보이며, 동일 노두상에서도 암상의 변화가 심하기 때문에 뚜렷한 관입경계를 보이며 분포하는 고원생대 화강암류를 제외한 모든 편마암류를 통칭하여 치악산편마암으로 명명하였다(Koh et al., 2011). 치악산편마암의 변성작용 시기는 SHRIMP U-Pb 저어콘 연대측정 결과 약 1,860 Ma로 추정되며, 저어콘 상속핵에서 얻어진 최소 연대인 2,080∼2,070 Ma와 이들을 관입한 고원생대 화강암류에서 얻어진 SHRIMP U-Pb 저어콘 연대인 1,960 Ma를 고려하여 치악산편마암의 퇴적시기는 약 2,070∼1,960 Ma 시기 사이에 해당할 것으로 보고되고 있다(Song et al., 2011).

Fig. 2. 
Sketch geologic map of the Wonju-Anheung-Pyeongchang area, Korea, showing the locations of samples analyzed in the present study.

Fig. 3. 
Outcrop photographs showing (a) Paleoproterozoic banded gneiss, (b) and (c) Paleoproterozoic migmatitic gneiss showing folded, stromatic, boudinage and ptygmatic structures, (d) Paleoproterozoic K-feldspar porphyritic granite gneiss, (e) foliated leucocratic granite gneiss, and (f) Paleoproterozoic Unhak granite in the Wonju-Anheung-Pyeongchang area.

고원생대 화강암류들은 주로 원주-안흥-평창지역 중동부에 분포하고 있으며, 반상화강편마암, 운학화강암, 안흥화강암으로 구성된다(그림 2). 반상화강편마암은 1∼2 cm 크기의 반자형 내지 타원형의 알칼리장석 반정과 중립 내지 조립질의 화강암질 기질로 구성된다(그림 3d). 이들 암류는 지역에 따라 연성전단변형작용에 의하여 장석 반정이 심하게 압쇄되어 있으며, 압쇄의 강도는 치악산편마암과의 경계부를 따라서 강하게 형성되어 있다. 운학화강암은 반정의 크기에 따라 거반정질(megacryst)과 반정질 흑운모화강암(그림 3f)으로 분류되며, 두 암체의 지질경계는 야외에서 뚜렷하지 않고 점이적이다. 거반정질 운학화강암은 최대 5 cm 크기의 자형 내지 반자형 알칼리장석 반정을 가지고 있으며, 다양한 크기의 편암, 편마암, 고철질 포획체를 포함하고 있다. Song et al. (2011)는 운학화강암에서 SHRIMP 저어콘 U-Pb 연대 측정을 통하여 1,988±12 Ma의 관입연대를 보고하였다. 안흥화강암은 치악산편마암과 운학화강암을 관입하고 있으며, 압쇄엽리가 강하게 발달되어 있다. 엽리의 경사는 구조적 위치에 따라서 10°∼90° 까지 다양하며, 경사가 급할수록 엽리의 강도가 강해지는 양상을 나타낸다.

원주-안흥-평창 지역에 분포하는 중생대 화성암류는 트라이아스기로 추정되는 소규모 섬록암맥, 쥬라기 중기 대보화강암 및 안산암질 반암, 그리고 백악기 불국사화강암 및 반암, 암맥 등이 있다. 쥬라기 대보화강암의 대부분은 화강섬록암으로 괴상의 중립질 내지 조립질의 알칼리장석 반정을 포함하는 반상질 화강암이다. 대부분 흑운모에 비해 각섬석의 함량이 높으나, 지역적으로 흑운모가 우세하고 반정이 전혀 관찰되지 않는 것들도 존재한다. 이 암석은 흔히 고철질 염기성 포획체(mafic microgranular enclave)를 포함하고 있으며, 부분적으로 마그마 유동에 의하여 형성된 유동엽리가 관찰된다. SHRIMP U-Pb 저어콘 연대측정에 의해 177∼174 Ma 시기에 관입한 것으로 밝혀졌다(Koh et al., 2011).

원주-안흥-평창 지역의 고원생대 준편마암에는 광역엽리를 형성시킨 습곡구조와 다중 변형작용에 중첩습곡구조가 잘 나타난다. 특히, 노두 규모에서 흑운모편마암과 미그마타이트질 편마암은 파장이 짧고 파고의 크기를 측정할 수 없는 동형습곡과 전단작용에 의하여 형성된 엽리와 습곡, 중첩습곡 구조 등 높은 온도에서 형성된 변형구조가 빈번하게 관찰되어 암층의 분포를 규제하는 전단작용을 수반하는 대규모 동형습곡구조의 존재를 지시한다. 그러나 반상화강편마암, 운학화강암 및 안흥화강암등의 정편마암체에서는 전단작용에 의한 압쇄 엽리가 판상으로 광엽엽리를 형성하고 있다.

치악산편마암이 변성작용을 받을 당시에 형성된 단층구조는 습곡구조와 동일하게 지층의 연장성을 확인 할 수 있는 건층이 부재하여 확인되지 않는다. 연구지역에서 확인되는 단층은 쥬라기 화강섬록암의 관입 이후에 형성된 주향이동단층이 대표적이다. 주요 단층으로는 N30°E 방향의 단층군과 N30°∼40°W 방향의 단층군이 인지된다(그림 4). N30°∼40°W 방향의 단층군은 연구지역에서 부곡, 강림, 안흥단층으로 분류 명명된다(Koh et al., 2011). 특히, 안흥단층의 단층대 노두가 안흥면 가천리 골새재 신설 도로변에서 잘 관찰되며(그림 4a), 단층대는 3 m 이상의 폭으로 단층비지를 포함하는 단층각력암으로 구성된다(그림 4b). 단층활면의 태위는 N56°W/79°SW이며, 단층조선은 311°/11° 방향으로 침강한다. 단층활면과 단층조선에 수직인 면(수평면)에서 주변위대는 2 cm 두께의 암회색에서 암녹색을 띠는 단층비지로 구성되며, 부분적으로 단층비지는 각력으로 구성된 손상대로 주입되었다(그림 4c). 단층각력은 수 십 cm 에서 수 cm 까지 다양한 크기이며, 파쇄작용을 강하게 받은 손상대는 5 cm 이하 크기의 각력이 대부분이다. 주변위대의 단층운동과 동시에 형성된 R-shear가 잘 관찰되며, R-shear는 mm 두께의 단층비지로 구성되어 있다. R-shear를 따라서 우수향 전단작용을 명확하게 지시하는 S-형의 파쇄엽리(cataclastic foliation)가 잘 발달되어 있다(그림 4c, 4d). 이들 지질구조는 N30°∼40°W 방향의 단층이 우수향 주향이동단층임을 지시한다. 그러나 단층 경계로 암상의 차이가 인지되지 않아 단층의 운동에 의한 암체의 변위량은 그리 크지 않았음을 알 수 있다(그림 2).

Fig. 4. 
Outcrop photographs showing (a) Anheung fault, (b) fault surface and striation for Anheung fault, (c) main displacement zone showing R-shearing, and (d) R-shear and cataclastic foliation in the Anheung fault.

연구지역의 고원생대 변성암류의 형성 및 변성시기를 밝히기 위해서 6 개 시료에 대해 SHRIMP U-Pb 저어콘 연대측정을 실시하였다(그림 2). SHRIMP U-Pb 연대측정을 위한 저어콘 내부구조 및 분석 위치선정과 U-Th-Pb 분석은 한국기초과학지원연구원 오창캠퍼스에 설치되어 있는 주사전자현미경(Jeol JSM-6610LV)과 SHRIMP IIe를 사용하였다. 저어콘 분리, 디스크에 마운팅, SHRIMP 분석방법과 절차는 Williams (1998), Williams et al. (2009)에 의해 기재되어 있다. U과 Th의 붕괴상수는 Steiger and Jäger (1977)의 값을 사용하였다. 표 1과 그림 5와 6에 실린 각 분석점 자료와 일치연령에 표시된 오차범위는 1σ를 나타내고 평균 연령치에 딸린 오차범위는 2σ (약 95% 신뢰도)를 정의한다. 분석점 직경은 25~35 ㎛이며 한 점의 U-Pb 분석마다 필요한 모든 질량의 동위원소를 5번 반복 정량하였다. 저어콘 내 동위원소 자료들은 SQUID 2.50 (Ludwig, 2008)과 Isoplot 3.71 (Ludwig, 2009) 프로그램을 사용해 처리하였다.

Fig. 5. 
Scanning electron microscope cathodoluminescence(CL) images of sectioned zircon grains from the Paleoproterozoic gneisses in the Wonju-Anheung-Pyeongchang area. The numbered spots show locations of representative SHRIMP analysis with the measured age in Ma.

K-Ar 분석은 편마암 복합체에서 채취한 13 개 변성암류 시료로부터 흑운모 혹은 흑운모와 백운모를 분리하여 행해졌다(그림 2). K-Ar 과 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대분석은 한국기초과학지원연구원 오창캠퍼스에서 수행하였다. K-Ar 연대분석방법과 연대오차는 Kim (2001)의 방식을 따랐다. K-Ar 분석을 위하여 백운모와 흑운모는 현미경 내에서 관찰되는 대상 암석표품 기질내의 광물의 결정크기 및 실체현미경상에서 대상광물의 크기 및 불순물정도에 따라 분리하였다. 분리된 시료들은 탈이온수 및 아세톤으로 5-7회 세척하였으며 비중액(STP), 수압에 의한 운모분리방법, 자력선별기 및 수작업 방법들을 이용하여 각 광물의 순도를 증가시켰다. K 분석은 Unicam 989 원자흡광분석기를 사용하였다. K의 양이 잘 알려진 일본지질조사소 화강암 표준물질 JG-1a (3.29 wt%, K: Imai et al., 1995)을 같이 용해시킨 후 K의 양을 측정하여 실험의 정확성 및 분석의 재현성을 확인하였다. K 농도의 분석 오차범위는 2% 내에서 신뢰도를 가진다. Ar 분석은 VG5400 불활성기체 질량분석기(static vacumm mass spectrometer)를 이용하여 분석을 수행하였다. Ar 의 분석 오차범위는 1% 내에서 신뢰도를 가진다. K-Ar 연대와 오차를 계산하는데 이용된 붕괴상수는 Steiger and Jäger (1977)에 의해 제시된 값을 따랐다.

연구지역 편마암류의 상호 접촉관계, 지질구조, 그리고 저어콘 SHRIMP U-Pb 및 백운모와 흑운모의 K-Ar 연대자료와 같은 지질자료는 연구지역에 분포하는 편마암류의 지구조 진화과정을 대변한다.

원주-안흥-평창 지역 고원생대 편마암류는 많은 시료들에서 고원생대 이후의 변성 혹은 변형작용에 기인한 복잡한 불일치 연령 분포를 보여주어 의미를 가지는 연령값을 획득하는데 있어 어려움을 준다(Koh et al., 2011; Song et al., 2011). 일부 편마암 시료들에서 성공적으로 얻어진 연대자료를 통하여 편마암류의 형성시기를 알아보면, 이들 암류에서 분리한 쇄설성 저어콘 SHRIMP U-Pb의 최소 연대들인 약 2.08∼2.07 Ga (Song et al., 2011), 이들 관입한 고원생대 화강암류들의 정치시기인 약 1.96∼1.91 Ga, 그리고 저어콘 과성장 외연부의 약 1.87∼1.86 Ga의 변성작용시기 자료들을 근거로 2.08∼2.07 Ga와 1.96∼1.91 Ga사이의 퇴적작용, 1.96∼1.91 Ga의 화강암화 작용 그리고 연구지역 및 경기육괴 전역에서 인지되는 1.87∼1.86 Ga 시기의 변성작용등의 순차 형성진화과정을 추정할 수 있다(그림 7; Song et al., 2011; this study). 그러나, Horie et al. (2009)가 인근 부산지역의 미그마타이트질 편마암의 저어콘 과성장 외연부 SHRIMP U-Pb 동위원소연령과 모나자이트 화학연령으로부터 구한 약 1.94 Ga 변성 시기는 안흥지역에서 분포하는 고원생대 화강암류의 관입 시기(ca. 1.92~1.91 Ga)와 거의 차이가 없다. 따라서 Horie et al. (2009)에 의해 보고된 부산지역 편마암의 고기 미그마타이트화 작용시기(약 1.94 Ga)는 원주-안흥-평창 지역의 반상화강편마암, 운학화강암 등의 고원생대 화강암류의 광역적 관입과 연관된 열변성작용과 관련될 수도 있다.

Fig. 7. 
Frequency distribution diagrams for zircon SHRIMP U–Pb and muscovite and biotite K-Ar ages from the Paleoproterozoic gneisses in the Wonju-Anheung-Pyeongchang area.

한편, 원주-안흥-평창 지역 편마암류들은 대부분 Pb 손실에 의한 하부교점 겉보기 저어콘 SHRIMP U-Pb 연대 경향을 보여주며, 일부 시료들에서 고생대 후기인 307±29 Ma, 페름기 후기인 252±22 Ma와 쥬라기 중기인 168±59 Ma의 연대들이 인지되기도 한다(그림 6, 7). 고생대 후기와 페름기 후기의 하부교점 연대들은 부산편마암 복합체에서 구해진 293±31 Ma의 하부교점 연대(Horie et al., 2010), 모나자이트 전자현미기 Th-total Pb로부터 구한 약 289 Ma (Horie et al., 2010) 및 옥천변성대에서 보고된 흑색점판암의 ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb, 우라나이트의 CHIME 알라나이트 U–Pb step-leaching (Kim et al., 2007) 및 저어콘 과성장 외연부 SHRIMP U-Pb (Kim et al., 2006a)으로부터 구한 변성작용의 연대인 291~283 Ma, 283~281 Ma, 293±31 Ma, 276±29 Ma 및 약 256 Ma와 유사하여 원주-안흥-평창 지역은 고생대 후기부터 페름기 후기사이의 지질사건을 겪은 것으로 추정된다. 현재까지 연구결과들은 고생대 후기의 변성작용을 일으킨 지구조 작용을 정확히 규명하지 못한 실정이지만(Cluzel et al., 1990; Cheong et al., 2003; Oh et al., 2004; Kim et al., 2007; Cho et al., 2013), 고생대 후기의 지구조 작용이 중국의 대륙충돌대와 연관될 가능성을 제기하고 있으며, 트라이아스기 초기의 변성작용은 중국의 대륙충돌대인 친링-다비-수루대의 연장인 한국의 임진강대와 경기육괴 서부는 물론 원주-안흥-평창-부산 지역 동남측의 방림층군과 평창형 조선계의 경계와 옥천변성대 남부등을 연결하는 남한지구조선에서 일어난 광역적인 변성작용임을 지시하는 것으로 추정된다. 결과적으로, 석탄기 후기부터 페름기 후기의 지질사건은 중국의 퍼모-트라이아스기 대륙충돌작용시기들과 유사한것으로 추정된다(Kee et al., 2011; Choi et al., 2012; Cho et al., 2013). 하지만 저어콘 SHRIMP U-Pb 연대 경향에서 고원생대와 쥬라기 중기의 단순한 납손실 혼합선을 가지는 운학화강암(그림 6f)은 낮은 값의 MSWD(0.14)과 함께 쥬라기 중기의 지질사건의 의미를 가지는데 비해 복잡한 납손실에 의한 혼합선들을 가지는 반상화강편마암들(AH-41과 AH-155A 시료)의 석탄기 후기(307 Ma)와 페름기 후기(252 Ma)의 하부교점 연대들은 다소 높은 불확실성을 갖는다. 추후 이들 연대들의 해석에 자세한 연구가 요구된다.

연구지역에 분포하는 편마암류의 백운모의 K-Ar 연대는 대략 215-196 Ma의 연대범위로 퍼모-트라이아스기 초기 광역변성작용 이후에 경험한 트라이아스기 후기의 약 350℃까지의 냉각역사를 대변한다(그림 7, 표 2). 하지만 흑운모 K-Ar 연대들은 지역에 따라 녹니석화 혹은 열적 영향으로 쥬라기 초기부터 백악기 전기까지의 넓은 연대편차를 보여준다.

한편, N30°∼40°W 방향의 단층대 노두가 인지되는 연구지역 중앙부의 안흥면 골새재와 주변부에서 얻어진 편마암류의 흑운모와 백운모의 K-Ar 연대들은 트라이아스기 후기 냉각 연대들을 보여주지 않고 102∼122 Ma의 K-Ar 백운모 연대와 84∼95 Ma의 K-Ar 흑운모 연대를 보여준다. 이들 단층지역에서의 연대결과는 백악기 단층작용 혹은 열적작용 시기를 나타내며, 백악기 초기에서 백악기 말기에 발생한 우리나라의 불국사변동과 밀접함을 지시한다(그림 7; 표 2).

본 연구에서는 경기육괴 원주-안흥-평창 지역 편마암류의 상호 접촉관계, 지질구조, 그리고 저어콘 SHRIMP U-Pb 및 백운모와 흑운모의 K-Ar 연대자료에 대한 결과를 통해 편마암류의 지구조 진화과정을 해석하였다

1) 원주-안흥-평창 지역 편마암은 약 2.07 Ga와 1.96 Ga 사이에 퇴적되었으며, 이후 약 1.91 Ga까지 화강암화 작용 및 미그마타이트화 작용을 경험 한 후 재차 1.87∼1.86 Ga 시기에 변성작용을 경험한 것으로 추정된다.

2) 일부 편마암류들의 하부교점 겉보기 저어콘 SHRIMP U-Pb 연대에서 석탄기 후기인 307 Ma, 페름기 후기인 252 Ma와 쥬라기 중기인 168 Ma의 연대들이 인지된다.

3) 편마암류의 K-Ar 백운모연대들은 트라이아스기 후기(215-196 Ma)로 우리나라에서 일반적으로 보고되는 퍼모-트라이아스기 초기 광역변성작용 이후에 경험한 트라이아스기 후기의 약 350℃까지의 냉각사를 지시한다. 반면, 193-171 Ma의 K-Ar 흑운모 연대는 녹니석화 작용에 의해 다소 넓은 냉각연대편차를 보여주어 냉각사를 지시하는데 어려움을 준다.

4) 원주-안흥-평창 지역 단층대 내의 파쇄 편마암들의 흑운모와 백운모의 K-Ar 연대결과는 백악기 초기에서 백악기 말기(122~84 Ma)로 우리나라의 불국사변동과 밀접한 단층작용 혹은 열적작용 시기를 간접적으로 지시한다.