Aims & Scope

제주도는 약 180 만년 전부터 홀로세까지 지속된 화산활동에 의해 형성된 것으로 알려져 있지만, 지표에 노출된 암석의 대부분은 100 ka 내외의 젊은 연령을 보인다(Tamanyu, 1990; Koh et al., 2008; Koh and Park, 2010; Brenna et al., 2015). 따라서 제주도 화산활동으로부터 생성된 화산분출물과 화산활동 휴지기 동안 쌓인 퇴적층의 대부분은 지하에 존재하고 있어 시추조사를 통해서만 확인이 가능하다. 제주도에서의 시추조사는 1970~1972년까지 한국농어촌공사에 의해 광역적으로 수행(150개소)되어 지하의 구성지질과 분포상태 등에 대한 지질학적 정보들이 축적되기 시작하였다.

제주도의 연안지역에서는 파쇄된 형태의 유리질 각력암이 시추코어 상으로 다량 산출되는데, Park et al. (1998)에서는 이를 유리쇄설성 각력암으로 보고하였으나, 이를 아아 용암류의 클링커로 보는 견해가 더욱 많았다. 최근에 수행된 연구들(Koh, G.W. et al., 2013; Koh, C.S. et al., 2019)에서도 이 같은 유리질 각력암의 존재를 확인하였으나 1∼2개 시추공의 교란된 시추코어를 대상으로 연구가 수행되어 이들의 암석학적 특징, 수직적 암상변화, 형성과정 및 형성환경 등을 설명하기에는 불충분하였다.

최근 제주특별자치도개발공사(Jeju Province Development Corporation)가 국토교통부의 지역특성화 연구사업의 일환으로 수행한 제주도 동북부 월정리-행원리 지역 7개 지점 시추조사를 수행하여, 유리질 각력암의 시추코어를 비롯한 시추공에 대한 광학영상검층(optical televiewer log; 이하 OTV)이 이루어져 지층상태를 정밀히 파악할 수 있는 자료가 취득되었다. 이 연구에서는 월정리-행원리 지역 시추공에서 관찰되는 유리질 각력암의 시추코어상 암상특성을 OTV 검층 자료와 비교하여 그 차이점에 대해 기술하였다. 아울러 OTV 검층 자료를 통해서는 이들의 세부 암상특성과 암상의 공간적인 변화를 확인하여 형성기원과 형성환경에 대해 해석하였다.

Koh et al. (2013)에서는 제주도 동부지역의 해발 200 m 이내에 분포하고 있는 시추코어 연구를 통해 지역의 지하지질은 하부로부터 U층, 서귀포층, 화산암층으로 이루어져 있음을 보고하였다. 미고결 사니층인 U층(Koh, 1997)은 제주도 화산활동 이전에 원안 대륙붕 환경에서 쌓인 해성층으로 알려져 있다(Yoon et al., 2004; Jeong et al., 2016). U층 상부는 188~40 만년에 천해환경 하에 일어난 화산활동으로부터 공급된 화산쇄설물과 휴지기에 육상 퇴적물로 구성되어 있는 서귀포층이 발달되어 있다(Yi et al., 1995; Kim and Lee, 2000; Sohn and Park, 2004). 서귀포층의 상부는 육상 용암류가 피복하고 있으며, 이를 형성시킨 화산활동은 약 3 만년 전까지 이어진 것으로 알려져 있으나(Koh et al., 2013), 화산활동의 일시적인 중단 또는 해수면의 변화는 국지적으로 침식과 퇴적작용을 발생시켜 용암류 사이에는 고토양층과 더불어 퇴적층이 협재되어 있다(Son and Lee 1998; Brenna et al., 2015; Koh, G.W. et al., 2013; Koh, C.S. et al., 2019). 일부 시추공들에서는 용암 또는 마그마가 물과의 상호작용을 통해 형성되는 유리질 각력암이 발달되어 있는 것으로 확인되었다(Koh et al., 2013).

연구지역은 제주도 동북부 구좌읍 월정리-행원리 해안저지대로서, 점성이 낮은 파호이호이 용암류가 지배적으로 분포하고 있어 3° 이하의 완만한 경사와 기복이 거의 없는 평탄한 지형을 이루고 있다(Park et al., 1998). 연구지역의 해안선은 만입된 형태를 보이며(그림 1), 해역의 수심은 주로 북북동 방향으로 증가되는 양상을 보이며 등수심선의 형태는 약 1 km 떨어진 지점(수심 10 m)까지 해안선과 유사한 형태를 이루고 있다. 이후에 수심은 북동 방향으로 증가하는 경향을 보이며, 약 50 m의 수심을 보이는 2~3 km 지점까지 100 m 당 약 2 m의 수심 증가를 보인다. 그 뒤로 수심은 500 m 내의 거리에서 최대 80 m까지 급격하게 증가하는 변화양상을 보이나 이후에는 100 m 당 1 m로 수심이 증가하는 완만한 해저지형이 나타난다.

Fig. 1. 
Location map of study area and boreholes.

본 연구는 제주도 동북부 월정리-행원리 해안지역에 설치된 7개 시추공(그림 1)을 대상으로 실시한 시추코어 지질검층과 한국지질자원연구에서 취득한 OTV 검층 자료를 기초로 수행하였다. 조사 대상공의 굴착심도는 해수면 하 (-)106.1~134.50 m 범위이고, 시추코어는 75 mm (KIGAM, HW1)와 200 mm 구경(WJ1, WJ2, HW2, HW3, HW4)으로 회수되었다(표 1).

우선, 시추코어와 OTV 검층 영상에서 암상변화가 뚜렷하게 나타나는 곳을 기준으로 6개의 층단위(하부로부터 퇴적층 I, 유리질 각력암층 I, 현무암질 용암류층 I, 퇴적층 II, 유리질 각력암층 II, 고토양층이 협재된 현무암질 용암류층Ⅱ)를 구분하고 이들의 특징을 정리하였다. 암상에 대한 분석은 대부분의 시추공(WJ1, WJ2, HW1, HW2, HW3, HW4호공)에서 OTV 검층 자료가 취득된 유리질 각력암층 II에 한해서 수행하였다. 여기서는 시추코어상 각력의 크기, 기공 발달 양상 및 함량, 광물조성, 색상을 관찰하고, 이를 OTV 검층 자료와 대비해 암상의 차이를 기술하였다. OTV 검층 자료에서는 확인되는 세부 특징(각력과 기질 구성물의 크기, 형태, 색상을 비롯한 각력과 기질의 발달 비율 및 이들의 배열양상을 통해 나타나는 퇴적구조 등)을 기준으로 반파쇄 현무암, 역지지 각력암, 기질지지 각력암으로 세부 암상을 구분하였다. 아울러 암상들의 조합을 통해 이들의 형성기원을 비롯한 형성환경에 대해 해석하였다.

연구지역 시추공에서 인지되는 유리질 각력암의 대표적인 암상특성은 직소퍼즐 형태의 절리가 우세하게 발달하고 유리질 조직의 각력 및 유리질이 변질된 팔라고나이트 기질을 포함한다는 것이다. 다량의 유리질 각력을 생성하는 용암류의 파쇄현상은 주로 급랭 파쇄작용(quench fragmentation)에 의해 형성된다(McPhie et al., 1993). 급랭 파쇄작용은 일반적으로 용암류의 빠른 냉각에 따라 발생되는 열응력(thermal stress)으로 인해 파쇄가 일어나는 현상으로서, 주로 물과 빙하와 같은 유체와의 접촉에 의해 일어난다(Rittmann, 1962; Pichler, 1965). 물론, 일반적인 육상 용암류에서도 대기와의 접촉으로 굳어진 피각이 지속적인 내부 유동에 의해 파쇄되어 ‘클링커(clinker)’라고 하는 다양한 크기와 모양의 각력층이 형성되기도 하지만, 대기 중으로의 열손실이 점진적으로 일어나기 때문에 유리질 암편이나 조직은 매우 제한적으로 나타난다(McPhie et al., 1993).

육상에서 분출한 용암이 인근 해양이나 호수로 흘러들어 가는 경우에 용암류의 선단부에서는 물과의 직접적인 접촉이 지속적으로 유지되면서 급격한 온도변화에 따른 수축 및 팽창 등의 응력과 함께 내부에 유동하는 용암류에 의한 전단력이 복합적으로 작용하여 유리쇄설성 각력(hyaloclastite)으로 불리는 암편의 형태로 파쇄가 일어난다(Rittman, 1962; Silvestri, 1963; Pichler, 1965; Honnorez and Kirst, 1975; McPhie et al., 1993). 유리쇄설성 각력이 만들어지는 과정은 매우 빠르게 진행되며, 형성 초기에 유리쇄설성 각력들은 대부분 처음 발생된 위치에 머물며 직소퍼즐과 같은 경계면(절리면) 배열 구조를 보인다(그림 3b, 5b)(Yamagish, 1979). 앞서 제시된 바와 같이, 연구지역 시추공에서 관찰되는 유리질 각력암의 산출상은 대체로 육상 용암류의 수중 유입에 따른 유리쇄설성 각력암의 특징과 유사하며, 용암의 수중유동에 의한 베게용암(pillow lava)이나 함수 미고화퇴적층으로의 관입에 따른 페퍼라이트(peperite)의 암상특성(Cas and Wright, 1987; McPhie et al., 1993)과는 현저한 차이를 보인다.

이 연구에서 제시된 일부 시추공(KIGAM, WJ1, HW2)에서 나타나는 유리쇄설성 각력암층(유리질 각력암층)의 직하부에는 다량의 패각편이 포함된 해성기원 퇴적층이 발달되어 있는 것을 확인되며(그림 2, 4), 이는 각력암층이 형성될 당시 주변 환경이 오늘날과 크게 다르지 않은 연안환경임을 지시한다(Koh et al., 2019). 육상 용암류가 해안으로 유입될 때, 물과의 상호작용으로 인해 유리쇄설성 각력들로 파쇄가 발생되는 곳을 ‘통과대(passage zone)’라고 하는데, 용암류가 통과대를 지나면서 만들어진 다량의 각력과 모래 크기의 쇄설물들은 급격히 해저에 쌓이게 된다(그림 6)(Long and Wood, 1986; Skilling, 2002; Watton et al., 2013). 이와 같은 과정이 해안지역을 따라 광범위하게 일어날 경우, 형성되는 쇄설물들의 퇴적과 뒤이어 지속적으로 공급되는 용암류로 인해 지역은 점차 육상환경으로 바뀌게 된다. 아울러 새롭게 형성되는 육지부로 인해 해안선은 바다 쪽으로 전진하게 된다. 이때 육상 용암류로 피복된 해안지대를 비롯한 해저 또는 해안지대의 지하에 발달된 쇄설성 퇴적물로 이루어진 퇴적체 모두를 총칭하여 용암 삼각주라고 한다(Moore et al., 1973; Mattox, 1993).

Fig. 6. 
Schematic illustration of the lava-fed delta and associated hyaloclastite breccias formed by inflow of pahoehoe lava flows in coastal area. SFB: semi-fractured basalt, CSB: clast-supported breccia, MSB: matrix-supported breccia. Modified from McPhie et al. (1993) and Abdelmalak et al. (2016).

초기에 형성된 유리쇄설성 각력들은 역지지 각력암과 같이 직소퍼즐 구조로 맞물려 있어 대체로 높은 안식각을 갖기 때문에 다소 경사진 용암 삼각주의 전면층(foreset)을 형성한다(그림 6)(Colella and Prioir, 2009; Watton et al., 2013). 그러나 지속적으로 용암류가 유입되어 압력이 가해지거나 파도에 의한 쇄파작용 또는 지진과 같은 돌발적인 현상의 발생되면, 고각으로 전면층을 이루고 있는 유리쇄설성 각력암의 붕괴를 유발시킬 수 있다(McPhie et al., 1993; Watton et al., 2013). 용암 삼각주 전면층의 붕괴로 유발된 고밀도 저탁류 또는 암설류의 형태로 재동된 쇄설물들은 용암 삼각주 기저부(bottomset)에 쌓이게 되며, 기질지지 각력암과 같이 기질이 풍부한 유리쇄설성 각력암층을 형성시킬 수 있다(그림 6)(Skilling, 2002; Nehyba and Nývlt, 2015).

한편, 대기 중에 노출된 삼각주의 표면층(topset)은 육상환경의 특징이 우세하지만, 조석에 의한 해수면의 주기적 변화와 쇄파작용에 의한 해수의 비산운동의 영향도 함께 나타날 수 있다. 육상 용암류가 한 지역에 정치되는 경우 국지적이고 간헐적인 해수와의 접촉으로 용암류에 차별적 냉각이 발생될 수 있으며, 그 결과 불규칙한 형태의 수축절리를 비롯한 유리질 조직이 부분적으로 발달될 수 있다(그림 6)(Watton et al., 2013). 지속적인 용암류의 유입으로 표면층이 두꺼워지면서 각력암층에 하중이 증가하게 되면 공극수의 상승으로 표면층 용암류 하부에서 급랭파쇄작용이 발생할 수 있다(Long and Wood, 1986; Skilling, 2002; Watton et al., 2013). 그 결과, 반파쇄 현무암과 같이 수직적인 기공함량 변화와 부분적인 파쇄대 발달이 나타나는 것으로 해석된다. OTV 검층 자료의 온전한 취득이 이루어지지 않은 KIGAM공과 HW1호공을 제외한 시추공들에서 반파쇄 현무암은 유리쇄설성 각력암층(역지지 각력암 혹은 기질지지 각력암)의 상부를 3~10 m의 두께로 피복하고 있는 것이 확인된다.

WJ2호공, HW4호공의 유리쇄설성 각력암층은 재동층(기질지지 각력암)의 발달 없이 반파쇄 현무암 및 역지지 각력암으로 이루어져 있어서 용암 삼각주 형성초기의 해안선이 이들 시추공 인근에 위치하였음을 유추할 수 있다. 즉, 당시의 해안선은 현재보다 약 1~1.5 km 이상 내륙 쪽에 발달했던 것으로 추정된다(그림 7a). 아울러, 이들 시추공의 유리쇄설성 각력암층의 두께로 미루어 볼 때, 연안지역의 수심은 적어도 15 m 이상이었던 것으로 판단된다. 한편, 좀더 바다 쪽에 위치한 HW2호공과 HW3호공에서도 상부에 역지지 각력암이 나타나는데, 이는 용암 삼각주가 계속해서 외해 쪽으로 전진하였음을 지시한다(그림 7). KIGAM공과 HW1호공에서도 유리쇄설성 각력암이 시추코어로 약 20 m 가까이 회수되었기 때문에, 이 당시 용암 삼각주의 발달은 내륙에 위치한 HW4호공 부근에서부터 최소 현재 해안선 위치의 지역까지 진행되었던 것으로 보인다(그림 7b).

Fig. 7. 
Location of coastline during the progradation of the lava-fed delta in the study area.

WJ1호공은 반파쇄 현무암 하부에 기질지지 각력암이 약 15 m로 전 구간에 걸쳐 발달되어 있는데, WJ2호공의 위치에서 용암 삼각주 전면층을 이루던 유리쇄설성 각력암들이 재동되어 쌓인 것으로 해석된다(그림 7a). 다만 WJ1호공의 위치가 WJ2호공에서 약 200 m 떨어져 있고 층의 두께가 14 m로 WJ2호공의 역지지 각력암과 그 두께가 비슷하기 때문에 재동 이외에도 용암 삼각주가 WJ1호공까지 전진하면서 재동된 기질지지 각력암의 상부를 역지지 각력암이 피복하였고, 이후 기질이 풍부한 기질지지 각력암으로 변질되었을 가능성도 배제하지 못한다. 반면, 동쪽에 위치한 시추공 중에서는 HW1호공이 약 10 m의 두께로 전 구간이 기질지지 각력암으로 이루어 졌고, HW2호공은 역지지 각력암 하부에 약 15 m로 발달되어 있다. 이는 용암 삼각주가 전진하는 과정에서 지속적인 전면층의 붕괴로 인한 쇄설물들의 재동이 일어났고 적어도 HW1호공까지 재동된 쇄설물들이 이동했다는 것으로 볼 수 있다(그림 7). 다만 HW3호공은 역지지 각력암과 기질지지 각력암이 수차례 교대하며 발달되어 있고, 유리쇄설성 각력암층의 두께도 40 m 이상으로 주변 시추공들의 약 2배 정도로 발달되어 있다. 이는 과거 HW3호공이 위치한 곳은 상대적으로 주변보다 저지대를 이루고 있었으며 이로 인해 용암 삼각주의 형성 또한 다소 상이하게 나타났던 것으로 보인다.

제주도 동북부 구좌읍 월정리-행원리 해안저지대에 위치한 7개의 시추공에서 얻어진 시추코어 상에서 유리질 각력암층은 다양한 크기의 분리된 각력으로 구성되어 있으며, 각력은 기공이 결핍된 치밀한 조직을 보이고 외곽부에는 화산유리가 변질된 팔라고나이트가 얇게 피복되어 있다. OTV 검층 자료에서 유리질 각력암 구간은 각력뿐만 아니라 기질도 함께 관찰되는데, 조직과 구조 특징에 따라 반파쇄 현무암(SFB), 역지지 각력암(CSB), 기질지지 각력암(MSB) 등 3개의 암상으로 구분된다. 유리질 조직이 우세한 각력들의 직소퍼즐과 같은 배열형태와 팔라고나이트 기질의 발달은 용암류와 해수와의 접촉으로 비롯된 급랭 파쇄작용에 의해 발생되는 유리쇄설성 각력암의 특징으로 해석된다. 육상 용암류의 유입에 따라 만들어진 유리쇄설성 각력들을 비롯한 유리질 파편들이 해저에 쌓이면서 용암 삼각주가 형성되었으며, 반파쇄 현무암, 역지지 각력암, 기질지지 각력암은 각각 표면층, 전면층, 기저층을 대표하는 것으로 해석된다. 용암 삼각주는 형성초기에 현재 해안선보다 약 1~1.5 km 이상 내륙 쪽에 위치한 HW4호공과 WJ2호공 부근에 전면층을 형성하고 있었으며, 이후 지속적인 용암류의 유입이 일어나면서 최소 현재 해안선 근방까지 용암 삼각주가 전진하였던 것으로 보인다.