Aims & Scope

한반도의 남쪽 지역에는 시대적으로는 선캠브리아기로부터 신생대에 이르는 거의 전 지질시대에 걸쳐 있고 암종별로는 화성암, 변성암, 퇴적암에 속하는 다양한 종류의 암석들이 분포하고 있다(그림 1).

Fig. 1. 
Geological map simplified from the geological map of Korea (1:1,000,000) published in 2001 by the Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources.

화성암은 주로 고생대 말부터 신생대 초에 이르는 기간 동안에 있었던 3차례의 화성활동 주기를 통해 생성되었으며(Park, 2012), 그중의 절대 다수는 쥬라기에서 백악기 초에 걸쳐 있었던 대보조산운동에 의한 대보화강암과 백악기에서 제3기 초에 있었던 불국사변동에 의한 불국사화강암으로 구성되어 있다(Kim, 1970a; Jeong and Chang, 1996). 두 화성암체의 대부분은 화강암으로 구성되며 화강암의 많은 부분은 흑운모화강암인 것으로 나타나고 있다. 대보화강암은 북북동-남남서 방향의 큰 구조선을 따라서 대상으로 관입한 등립상 중립질-조립질의 흑운모화강암 또는 화강섬록암이다. 불국사화강암은 북동-남서방향과 북북동-남남서 방향의 구조선을 따라서 관입한 등립상 중립질-세립질 흑운모화강암, 또는 화강섬록암(Geological Society of Korea, 1999)으로서 대보화강암에 비하여 대상 분포의 경향이 약하고 공간적으로는 경상분지에 집중 분포하는 점 등에서 차이를 보인다. 대보화강암의 주성분 광물은 석영, 사장석, 알칼리장석, 흑운모, 각섬석, 백운모이며 불국사화강암은 석영, 알칼리장석, 사장석, 각섬석, 흑운모 등이 주성분으로 알려지고 있다(Geological Society of Korea, 1999).

변성암은 가장 오랜 지질역사를 가지며 이후의 모든 화성암, 퇴적암의 기반을 형성할 뿐만 아니라, 국토의 절반 이상을 차지하는 넓은 분포를 보인다. 변성암 분포는 주로 경기육괴, 영남육괴, 그리고 옥천대(또는 옥천변성대)로 구분하여 설명된다(Kim, 1970a; Kang, 2012). 경기육괴는 낭림육괴 남측의 경기지역을 중심으로 강원, 충청 지역에 이르러 옥천대와 접하는 북북동-남남서 방향으로 연결되는 선캠브리아기의 변성암과 이를 관입한 백악기 이전의 화강암 분포지에 해당한다. 영남육괴는 옥천대와 경계를 이루는 강원 남부지역에서 소백산으로 연결되는 북북동-남남서 방향의 선캠브리아기 변성암의 주 분포 지역으로서 동남쪽으로 경상분지와 접하고 있다. 영남육괴의 분포지역이 대부분 소백산맥 지역에 해당되므로 소백산육괴(Lee, 1973)라고도 불린다. 경기육괴와 영남육괴를 분리하고 있는 옥천대의 중심은 충주와 대전의 남부 지역을 통과하고 있다.

경기육괴와 영남육괴 모두 편마암복합체, 편암복합체, 화강암질암으로 주로 구성되며 양 육괴간의 암상 차이는 크지 않는 것으로 보고된다(Geological Society of Korea, 1999). Kim (1970a)은 두 육괴간의 층서대비가 가능하다는 관점에서, Lee (1973)는 두 육괴 모두 결정질 편마암류의 범주를 벗어나지 않는다는 관점에서 두 육괴가 동일지괴인 것으로 판단하였다. Kihm et al. (2010)은 두 육괴가 동일한 지괴에 속하거나 최소한 고생대 초까지는 두 육괴가 동일한 지괴였던 것으로 보았다. Kim et al. (2003)은 두 육괴에서 가장 오래된 퇴적층의 형성시기가 약 19억년으로 일치하는 반면 신원생대 화성활동에서는 상이한 점을 들어 1,870 Ma를 기준으로 그 이전에는 동일한 지체구조적 역사를 가졌으나 이후에는 다른 역사를 가진 것으로 보고하였다. Park et al. (2006)은 두 지괴의 분리 이후의 지구조적 환경변천사가 동일하지 않을 가능성을 제시하였으며, Lee et al. (2010) 또한 화강암체의 연대 분포가 상당히 다르다는 관점에서 두 육괴에서의 지구조적 환경이 다를 수 있음을 보고했다.

한편, 옥천대는 아직까지 시대가 분명하지 않는 옥천누층군의 존재를 비롯하여 고생대 퇴적암인 조선누층군과 평안누층군 및 중생대의 대동계 지층에다, 이들을 관입한 중생대 화성암의 존재에 이르기까지 매우 다양한 지질 분포로 구성된다(Kang et al., 2012). 옥천대는 문경-단양-영월-평창을 경계로 북동부 고생대 퇴적암 지역을 태백산대로, 남서부 변성암지역을 옥천변성대로 해서 구분할 수 있으나(Kang et al., 2012), 옥천대 내에서의 구조선 구분에 대한 연구자들의 주장은 약간씩 달리 나타나고 있다(Kim, 1970a; Cluzel et al., 1990; Chough et al., 2000).

퇴적암은 주로 고생대, 중생대 그리고 신생대 퇴적암으로 구분된다. 고생대 퇴적암은 소량의 사암과 셰일을 포함하는 천해성 탄산염질암인 조선누층군과 천해성 내지 육성기원의 쇄설성 퇴적암인 평안누층군(Kang et al., 2012)으로 구성되며 주 분포지는 강릉, 삼척, 영월 정선을 중심으로 한 강원도 일대와 제천, 단양을 중심으로 한 충청도 지역이다. 중생대 퇴적암으로는 충남탄전을 비롯하여 영월, 단양, 김포 등지에서 발견되는 대동층군, 그리고 경상분지를 중심으로 발달하고 있는 경상계 퇴적층이 있다. 신생대 퇴적암의 주된 분포지는 포항분지로서 주로 역암과 셰일로 구성된 제3기 지층이 발달하고 있다.

일반적인 감마측정에서 감마검출기에 따라 감마반응이 달리 나타나 광역적 자료 구성이 어려운 문제를 해결하기 위해, 국내에서 사용빈도가 가장 높은 것으로 나타난 Robertson Geologging사의 자연감마검층기로 획득된 자료만을 수집하였다. 토목지질조사, 먹는샘물 환경영향평가, 지하수조사 등 다양한 목적으로 수행된 모든 감마검층 자료를 대상으로 하여 총 953개 지점에서의 자료가 수집되었다. 수집된 자료 중에서 위치정보가 분명하지 않거나 기반암의 풍화 정도가 심한 구간에서 획득된 218개 지점의 자료가 제외되고, 다시 측정지역의 지층명이 분명하지 않은 130개의 자료들을 제외시킨 결과, 최종적으로 605개의 감마자료를 활용할 수 있었다(그림 2). 이를 지질 기원별로 보면 가장 많은 260개의 자료가 변성암에서 얻어졌으며 화성암과 퇴적암에서 각기 236개와 109개의 자료가 얻어졌다. 암종별 분포를 보면, 화성암에서는 화강암, 화강섬록암, 유문암, 안산암, 그리고 현무암이 포함되며, 변성암에서는 편암과 편마암, 퇴적암에서는 사암, 셰일, 석회암에 화산암인 응회암 및 화산각력암까지 포함되어 있다. 그 중에서 편마암과 화강암에서의 자료가 각각 148개와 137개로서 전체 감마자료의 약 47%가 이 두 암종에 집중하고 있다. 자료의 수가 대체로 지질분포의 면적에 비례함을 보여 분석에 활용된 자료는 남한지역 주요 단위 지층의 감마특성을 대변할 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 2. 
Locations of gamma data collected in this study.

그러나 감마자료 위치도(그림 2)가 나타내는 바와 같이, 지역 간 자료 밀도의 불균형은 상당히 큰 편이다. 대체로 수도권 지역과 서, 남부 해안 지역들이 자료 밀도가 높은 지역으로 나타나고 있는 반면에, 태백산맥, 차령산맥, 소백산맥 등 산맥지역에서의 자료 밀도는 낮게 나타나고 있다. 이 현상은 지구물리검층을 수행한 시추공의 위치 선정이 개발지역 중심으로 이루어졌음을 보이며 특히 휴전선과 동해안 일대에서의 자료밀도가 가장 낮게 나타난다. 수집된 자료는 대부분을 차지하는 ASCII 파일 형태와 일부 인쇄된 형태의 검층곡선 그래프로 구성된다. ASCII 자료는 캐나다 지구물리검층학회에서 제안하고 검층자료의 국제표준으로 채택된 LAS (Log Ascii Standard) 파일의 한 가지 양식으로 통일된 것이며 보고서 중의 감마곡선 또한 LAS 파일의 출력 결과물이다.

시료의 지점별 감마강도를 결정하기 위해서는 먼저 각 시추공 중에서의 대상 구간이 선정되었다. 대상 구간의 선정에는 암상 변화가 작은 구간, 절리 및 파쇄대의 영향이 적은 구간, 연암 이상의 암반 구간, 가급적 풍화도가 낮은 구간, 그리고 일정한 감마분포를 보이는 구간(James, 1973) 등이 고려되었다. 결정된 대상구간에서 구해진 감마 평균값을 각 지점에서의 감마강도로 삼았다. 이용된 감마곡선은 평활화기법이 적용된 것으로 특히 ASCII 자료인 경우에는 모두 N=21의 이동평균법이 동일하게 적용되었다. 반면에 인쇄된 형태의 검층곡선 자료인 경우에는 일부 필터 정보가 불명한 경우도 포함되어 있다.

모든 자료는 감마선의 유형을 구분하지 않고 방출되는 우라늄, 토륨, 그리고 칼륨 동위원소의 감마선 총량으로 표시되어 있다. 동일 제조사의 감마검층기로부터 얻어진 자료임에도 불구하고 감마선의 측정단위는 국제표준단위인 API 단위와 상용단위인 cps 단위가 섞여 있다. 이 연구에서는 Robertson Geologging사의 감마검출기 사이에서의 검출기 반응 특성(Kim, 2014)을 이용하여 모든 감마자료를 API 단위로 표시하였다. 각 감마자료가 나타내는 지질의 결정은 시추 주상도, 1:50,000 지질도폭 및 설명서, 또는 1:1,000,000 지질도를 이용하여 이루어졌다.

그림 3은 감마강도 자료로부터 작성된 남한지역에서의 감마분포이다. 20 API 내외의 낮은 감마이상이 제천, 단양, 무주 부근에서 관찰되며 200 API 이상의 높은 감마이상이 포천, 철원, 양양, 속리산, 덕유산, 내장산, 화순 부근에서 나타난다. 220 API를 상한으로 한 스케일 문제로 그림에서는 잘 구분되지 않지만 가장 높은 감마는 전북 장수와 강원도 철원 일대에서 나타나며 약 700 API에 이르는 값이다. 감마분포도에서 나타난 가장 큰 특징은 태백, 단양, 김천, 거창, 하동을 연결하는 선(이하 태백-단양-하동 선)을 경계로 한 큰 차이로서, 낮은 감마분포가 주로 분포하는 동측 권역과 높은 감마분포가 우세하게 나타나는 서측 권역이 좋은 대조를 보인다.

Fig. 3. 
Distribution of gamma strength in the southern Korean Peninsula (1: Chuncheon, 2: Pocheon, 3: Suwon, 4: Gangneung, 5: Yesan, 6: Taebaek, 7: Danyang, 8: Cheongju, 9: Andong, 10: Daejeon, 11: Gunsan, 12: Jeonju, 13: Gwangju, 14: Mokpo, 15: Gyeongju, 16: Daegu, 17: Ulsan, 18: Pusan, 19: Hadong, 20: Yeosu, a: Seoraksan, b: Bukhansan, c: Odaesan, d: Taebaeksan, e: Sobaeksan, f: Sokrisan, g: Deogyusan, h: Gayasan, i: Jirisan).

서측의 높은 감마 권역 중에서도 가장 뚜렷이 높은 감마 지역은 철원, 포천, 동두천, 강화 등 경기와 강원 북부 지역으로 쥬라기 화강암의 주 분포 지역에 해당된다. 부분적으로 낮은 감마분포도 협재되어 있으나 서울, 인천, 수원지역에 있는 소규모 높은 감마분포까지 아우르면서 가장 큰 규모의 높은 감마이상대를 형성하고 있다. 이 이상대의 동쪽인 강원도 양양과 진부 일대에서는 혼성편마암 지역에서 높은 감마이상대가 형성되어 있다. 충청지역에서는 보은과 대전을 중심으로 해서 논산까지 연결되는 높은 감마분포가 나타나는데, 옥천계에 속하는 변성암과 쥬라기 화강암의 일부가 이 높은 감마이상대의 중심에 위치하고 있다. 전라지역에서는 장수, 고창, 영광으로 연결되는 높은 감마분포의 존재가 뚜렷하며, 화순에서 진도 방향으로 단속적으로 연결되는 높은 감마분포의 존재 또한 주목할 만하다. 이 지역들은 화성암, 변성암, 퇴적암에 속하는 여러 종류의 암석들이 복잡하게 분포하고 있는 지역이며, 높은 감마이상의 중심이 화강암, 편마암, 그리고 유천층군에 속하는 일부 화산암류 위에 나타나고 있다.

낮은 감마분포지로 특징 지워지는 태백-단양-하동 선의 동측 권역에서도 울진, 경주, 부산, 함안, 고성에서 상대적으로 높은 감마값의 존재가 인지되고 있다. 이 높은 감마이상은 화강암과 화강암질편마암, 셰립질 퇴적암, 또는 화산암의 분포와 연관된 것으로 나타난다. 그러나 이들은 160 API 이하의 감마값으로 태백-단양-하동 선의 서쪽에 분포하는 높은 감마이상에 비해서 감마강도가 낮을 뿐만 아니라 규모도 작아 결과적으로 태백-단양-하동 선의 동측권역 전체를 낮은 감마 지역으로 보이게 한다. 낮은 감마이상의 중심은 태백-단양-하동 선 바로 동측에 위치한 폭 100 km 내외의 대상 구역으로 20~60 API의 감마강도를 보인다. 이 낮은 감마 지역은 고생대 퇴적암과 소백산편마암 복합체, 그리고 백악기 퇴적암 분포 지역에 해당되는데, 특히 경상분지와의 경계부근에 있는 고생대 석회암과 지리산 편마암 복합체 중에서 낮은 감마값이 나타나, 20 API 내외에 이르는 매우 낮은 감마이상대를 형성하고 있다. 경상분지 내 신동층군과 일부 하양층군 분포지역에서도 30~80 API의 낮은 감마값이 나타나면서 결과적으로 북북동-남남서 방향의 넓고 큰 규모의 낮은 감마이상대를 형성한다.

전체적으로 높은 감마 분포지역으로 분류되는 태백-단양-하동 선 서측 권역에서는 높은 감마 사이에서 매우 양호한 방향성을 가진 낮은 감마이상대가 관찰된다. 북쪽으로는 간성-양구- 홍천- 양평을 연결하는 낮은 감마대와 하남-과천-화성으로 연결되는 낮은 감마대의 존재가 인지된다. 이들 낮은 감마이상대는 일부 화강암과 함께 편마암류 분포 지역 내에 위치한다. 중부 지역에서는 단양에서 청주를 거쳐 청양, 보령 쪽으로 더욱 현저한 낮은 감마이상대가 분포 발달하고 있다. 단양-보령을 연결하는 낮은 감마이상대는 형태상으로는 단양, 태백을 연결하는 낮은 감마이상대와 동일 연장선 위에 위치하고 있다. 그러나 후자가 퇴적암의 분포 특성에 기인한 낮은 감마이상대임에 반하여 전자는 화강암과 변성암 그리고 일부 퇴적암 분포가 만들어 낸 선구조란 점에서 구별된다. 무주에서 김제에 이르는 낮은 감마이상대도 시기를 달리하는 여러 종류의 변성암와 화강암이 복잡하게 분포하는 상태에서 대상으로 형성된 뚜렷한 이상대란 점에서 주목된다. 남원-광주-목포 일대에서도 화강암과 변성암, 그리고 화산암류의 분포지역에서 형성된 비교적 뚜렷한 대상의 낮은 감마이상대가 관찰되고 있다.

그림 3에서 제시된 감마강도분포에서는 태백-단양-하동 선을 경계로 하여, 동측 권역과 서측 권역에서 이상대의 분포 양상이 크게 다른 것으로 나타났다. 동측 권역에서는 경상분지 내에 분포하는 화강암과 화강암질편마암, 화산암, 심지어 퇴적암의 분포와도 연관되어 나타나는 높은 감마이상들이 약하고 복잡하여 일관된 방향성을 찾을 수 없다. 낮은 감마이상의 경우에도 태백-단양-하동 선과 평행하게 나타나는 북동-남서 방향 및 북북동-남남서 방향의 큰 폭의 이상대가 인지되나 이들은 각각 고생대 퇴적층과 경상계 신동층의 분포가 주로 반영된 결과로 나타났다.

반면에 태백-단양-하동 선의 서쪽 권역에서의 감마분포에서는 지층분포와 관계가 먼 높은 감마와 낮은 감마이상들이 북동-남서, 또는 동북동-서남서 방향으로 일관되게 나타나며 특히 낮은 감마이상대에서의 방향성이 뚜렷하다. 가장 우세한 동북동-서남서의 방향은 청주-청양-보령의 낮은 감마이상대에서부터 무주-김제를 연결하는 낮은 감마이상대, 그리고 남원-광주-목포를 연결하는 낮은 감마이상대에서 잘 나타난다. 북동 또는 북북동에 가까운 방향은 강원, 경기지역인 간성-양구-홍천을 연결하는 낮은 감마이상대 및 하남-수원-화성을 연결하는 낮은 감마이상대에서 나타난다. 높은 감마이상은 낮은 감마이상만큼 강하지는 않으나 방향성만큼은 동일한 경향을 유지하고 있다. 보은-대전-논산으로 연결되는 높은 감마분포와 장수-고창-영광으로 연결되는 높은 감마분포가 뚜렷하고 일관된 동북동-서남서 방향을 보이며 화순-진도를 연결하는 높은 감마의 분포 또한 동북동-서남서 방향을 보인다. 반면에 경기 지역과 강원 북부 지역에서의 높은 감마이상대는 상대적으로 약한 북동-남서, 또는 북북동-남남서 방향을 보인다. 이와 같이 이 권역에서의 감마분포는 북부 지역에서의 북동-남서 방향성과 중부와 남부 지역에서의 동북동-서남서 방향성으로 특징 지워진다.

한편 낮은 감마이상대는 쥬라기의 금-은 광상구와 좋은 상관을 보인다. 그림 6이 바로 감마분포 위에 Kim (1970b)에 의해서 제시된 금-은 광상구 위치를 도시한 결과로서, 가장 큰 규모로 보고된 4개의 금-은 광상구의 위치가 태백-단양-하동 선의 서측 권역에서의 낮은 감마 선구조와 매우 좋은 상관을 보여주고 있다. 특히 북쪽에 있는 2개의 낮은 감마이상대는 위치와 방향 모두 광상구와 잘 일치된다. 반면에 남쪽에 있는 동북동-서남서 방향의 다른 2개의 낮은 감마이상대는 위치에 있어서만 좋은 상관을 보이고 있다.

Fig. 6. 
Correlation of lower gamma anomalies and Au-Ag metallogenic provinces.