제주도 북서부 비양도 화산체의 지질과 화산활동

1. 서 론

제주특별자치도는 행정구역상 제주도 본섬과 주변 부속도서로 구성된다. 부속도서 중 북쪽에 위치한 추자군도는 중생대 백악기-신생대 초 화산활동으로 형성되었고, 제주도 본섬 해안을 따라 분포하는 섬들은 신생대 제4기 동안에 형성되었다(Park et al., 2000a, 2000b). 화산지질학적 관점에서 제주도 본섬 주변의 제4기 화산섬은 4개 유형으로 나눌 수 있는데, ① 용암돔(범섬, 문섬, 섶섬), ② 응회퇴적층-분석구-용암 복합화산(우도, 차귀도, 형제섬), ③ 용암대지(지귀도, 마라도, 가파도), ④ 분석구(비양도)로서, 이들은 각기 다른 시기 동안의 해수면 변화를 반영한 화산분화 환경에서 형성되었다(Sohn and Park, 2005; Koh et al., 2013).

비양도는 해상에 위치한 섬임에도 불구하고 육상에서의 마그마성 화산분화를 지시하는 분석구와 용암류를 비롯하여 호니토(hornito), 투물리(tumuli), 초대형(5 m 이상 크기) 화산탄, 스패터(spatter) 등 다양한 화산분출물과 화산지형이 발달되어 있어(그림 1), 제주도 지질공원 대표명소로 2014년에 추가되면서 더 많은 사람들이 찾고 있다(Jeon et al., 2016).

Fig. 1.

Bathymetric map around Biyangdo. Broad Lava plateau with a gentle slope is developed to the north and west of the island. Seven volcanic rocks (BYDO with numbers) were sampled along the coast of Biyangdo.

그동안 비양도는 1002년(고려 목종 5년 6월) 화산분화에 의해 형성된 섬으로 추정되어 왔으며(Nakamura, 1925; Haraguchi, 1930), Woo and Kim (2005)은 협재지역 해안사구의 고토양과 탄산염퇴적물에 대한 방사성탄소연대 결과를 1002년의 화산분화 기록과 연관시켜 5단계 해수면 변동과 고환경 변화 및 해안사구의 퇴적과정을 제시하면서, 약 950 BP에 비양도가 수성분화한 것으로 해석하였다. 반면, Miyake et al. (1993)은 비양도 용암류에 대한 K-Ar 절대연대 값으로 0.0434 ± 0.0059 Ma로 보고하였고, Koh (2003)는 비양도 남서쪽 해안단애의 표토층에서 출토된 토기편에 대해 약 4,000~5,000년 전 신석기시대 압날점렬문토기로 감정하였다.

최근 역사문헌의 해석을 통해 1002년 분화 기록의 대상 화산체가 비양도일 수 없음을 밝힌 바 있지만(Koh et al., 2019), 구성지질 및 다양한 화산분출물이 가지는 지질학적 의미와 형성과정에 대한 비양도 화산체의 화산학적 연구는 여전히 미진한 상태이다.

이 연구는 비양도에 대한 야외지질조사와 더불어 용암류에 대한 암석화학적 분석 및 ⁴⁰Ar-³⁹Ar 절대연대 측정, 용암류와 화산탄의 방향 측정, 비양도 주변 해저지형 검토 등을 통해 비양도 화산체의 구성지질과 화산층서를 밝히고 화산활동 시기와 과정을 해석하였다.

2. 연구 방법

비양도 화산체를 구성하는 암석의 종류와 분포상태를 파악하여 1/25,000 축척의 지질도를 작성하였다. 아울러, 해안가에 노출된 노두의 용암류 유동단위별 두께와 전체 매수, 대형 화산탄의 크기와 방위도 측정하였다. 또한 구성암석의 암석화학적인 특성과 절대연대를 밝히기 위하여 해안을 따라 용암류 시료 7점을 채취하였다(그림 1). 채취된 화산암 시료의 전암 주성분 및 미량성분 원소의 화학분석은 미국 Oregon 주립대학교 불활성기체 분석실험실에서 X선 형광분석법으로 이루어졌다(표 1). 동일 시료에 대한 전암 ⁴⁰Ar-³⁹Ar 절대연대는 동일 실험실에서 MAP 21550모델의 불활성기체 질량분석기로 이루어졌으며, ArArCALC v.2.2 전산프로그램(Koppers, 2002)으로 절대연대가 계산되었다(표 2). 비양도 주변해역의 해저지형은 국립해양조사원 ‘개방해’ 웹 사이트의 수심도를 이용하여 분석하였다.

Table 1.

Whole-rock compositions of major (wt%) and trace elements (ppm) of lava flows at Biyangdo, Jeju Island.

Table 2.

40Ar/39Ar age dating results of whole rock samples of lava flows at Biyangdo, Jeju Island.

3. 비양도의 위치 및 지형

비양도는 북위 33° 24′24″, 동경 126° 13′47″의 제주시 한림읍 협재리 서쪽 해상에 위치한 약 0.52 km²의 작은 섬으로 협재해안에서 약 1.5 km 떨어져 있다(그림 1). 섬의 동·서 길이는 1,020 m, 남·북 길이는 1,130 m, 해안선 길이는 3.5 km이다. 전체적으로 원형에 가까운 분석구 지형을 보이는 비양도는 섬 중앙부 비양봉 정상의 고도가 114.1 m이고 정상부 남쪽과 서쪽에 2개의 분화구가 자리하고 있는데, 분화구 중 가장 깊은 것은 80 m에 이른다.

비양도 화산체의 지형적 요소로는 분석구, 스패터콘(spatter cone), 해안 파식대 및 암석해안, 습지, 호니토, 투물러스, 화산탄 산지 등이 있다. 중앙에 위치한 비양봉 분석구는 섬의 대부분을 차지하고 있으며, 해안 파식대의 발달은 섬의 서쪽과 동쪽 간에 큰 차이를 보인다(그림 1). 이는 협재리와 마주한 섬의 남동쪽-남쪽 지역은 제주도 본도의 바람막이 역할로 파도에 의한 침식이 적어 파식대가 덜 발달한 반면, 섬의 서쪽-동북쪽은 외해로 개방되어 북서 계절풍과 폭풍에 의한 침식으로 넓은 파식대가 발달한 것으로 보인다. 특히 비양도의 서북쪽 해안에는 ‘코끼리 바위’ 와 ‘촛대바위’로 부르는 시스택(sea stack)과 화산탄 분포지가 있다. 해저수심의 변화 양상에 의하면, 수심 2 m 이내 지역은 비양봉을 기준으로 서북쪽 약 1 km, 북쪽 약 1.4 km까지 확장되며, 이 지역에는 크고 작은 수중 암초들이 발달한다(그림 1). 전체적으로 비양도 주변 해역은 북서 방향으로 용암류의 유동에 의해 만들어진 용암대지가 길게 돌출된 형상을 이루며 연장부의 말단에서 급사면을 형성하고 있다.

4. 비양도 화산체의 구성지질과 층서

기 발간된 축척 1:50,000 모슬포·한림도폭(Park et al., 2000a)에 따르면, 비양도화산체는 제주도 서부지역에 광범위하게 분포하는 광해악현무암과 이를 분출한 분석구로 구성된다. 이 연구에서는 야외지질조사 결과를 반영하여 비양도 화산체의 지질층서 단위를 하부로부터 스패터층, 분석층, 용암류(조면현무암)로 세분하였고 이들의 특징과 상하관계는 다음과 같다(그림 2).

Fig. 2.

Geological Map of Biyangdo.

4.1 스패터층

스패터층은 비양도 화산체의 지질 단위 중 최하부를 구성하며, 비양도 서쪽 해안을 따라 분포한다(그림 2). 이 층은 다양한 형태와 크기를 가진 스패터와 화산탄으로 구성되며, 대부분 파도에 삭박되어 파식대와 시스택 등의 해안지형으로 존재한다(그림 3a). ‘코끼리 바위’는 스패터층의 전형적인 잔존체로서 높이가 약 20 m이고 스패터와 크고 작은 화산탄들을 포함하고 있다(그림 3b, 3c). 각각의 스패터는 크기가 수 cm에서 수십 cm이며, 대부분 불규칙하게 용결(agglutination)되어 있다(그림 3c). 겹겹이 쌓인 용결된 스패터층 내에서는 희미한 층리가 발달하며 1 m 이상 늘어난 형태를 보이기도 하고 대체로 남동쪽으로 기울어져 있다(그림 3a). 이는 분화구에서 공중으로 분사된 스패터들이 떨어져 안착할 때 만들어진 미약한 층리로서 N20^oE의 주향에 35^oSE의 경사를 이룬다. 일부 용결된 스패터층 사이에는 수십 cm에서 최대 2 m 두께의 괴상의 용암류가 협재하는데, 스패터가 치밀하게 엉겨 붙은 형태이다(그림 3d). 스패터층 내부에 괴상 용암류의 존재는 용암의 온도가 비교적 고온이 유지되는 환경이었음을 의미한다. 대기 중으로 분사된 액상 용암 덩어리(또는 스패터)는 지표에 떨어진 후에도 용암 표면에 형성된 얇은 냉각 껍질이 보온막 역할을 한다. 이로 인해 내부의 용암은 비교적 장시간 유동성을 유지할 수 있으며, 용암 덩어리의 누적으로부터 가해진 압력에 의해 삐져나온 액상 용암이 경사가 낮은 곳으로 흐를 경우, 스패터층 내부에 괴상 용암이 만들어질 수 있다(Head III and Wilson, 1989; Sumner, 1998; Sumner et al., 2005). 이처럼 누적된 스패터들이 서로 엉겨 붙어 용암류처럼 흘러 굳어진 것을 클라스토제닉 용암(clastogenic lava)이라 하며(Wolff and Sumner, 2000), 1959년 하와이 킬라우에아 이키(Iki) 화산분화와 1983-1986년 하와이 킬라우에아 푸오오(Pu’u ‘O’o) 등에서 보고된 바 있다. 특히, 일본 Izu-Oshima 화산분화에서는 누적된 스패터들로부터 삐져나온 용암이 1 km를 흘러간 현상이 보고되기도 하였다(Sumner, 1998; Francis, 1995).

Fig. 3.

Spatter deposits around Elephant Rock located in the western part of Biyangdo. (a) A sea stack on the west coast of Biyangdo. The spatters around the Elephant Rock are tilted from the west towards the Biyangbong and the volcanic bombs are arranged in the same direction. (b and c) A section of Elephant Rock with large and small agglutinated spatters. (d) Coalescence of agglutinated spatters. (e) Large volcanic bombs around Elephant Rock.

한편 ‘코끼리 바위’ 스패터층에는 크고 작은 화산탄들이 다량 포함되어 있다. 화산탄의 크기는 보통 수십 cm 내외가 우세하지만 수 m에서 최대 7 m에 이르는 초대형 화산탄들도 발견된다(그림 3e). 화산탄의 모양은 (타)원형과 고구마형이 우세하고 일부 길쭉한 리본형, 실린더형, 휘어진형 등 다양하다(그림 4a, 4b). 일부 화산탄은 스패터층 위로 떨어질 때의 충격에 의해 여러 조각으로 부서진 형태로 존재한다. 부서진 대형 화산탄의 단면에서는 적색 스패터들이 엉겨붙은 형태(그림 4c) 또는 용암과 스패터들이 엉겨붙은 형태(그림 4d)로 나타난다. 전체적으로 화산탄들의 놓인 방향은 스패터층의 층리와 나란하게 분포하는 경향을 나타내며, 바닥 면에 고착된 대형 화산탄 10개의 꼬리방향은 서쪽～서북쪽을 향하고 있다(그림 2). 한편, 화산탄의 분포범위는 비양도의 서북쪽 일대에 한정되며, 북쪽과 남쪽 용암류 분포지에서는 발견되지 않는다(그림 2).

Fig. 4.

Volcanic bombs at Biyando. (a) A huge volcanic bomb, 7 meters in diameter and 4 meters in width. (b) A volcanic bomb, 5 meters in diameter, the tail direction of which is well-preserved. (c) The cross section of a large volcanic bomb with agglutinated spatters. (d) A cross section of a large volcanic bomb with agglutinated spatter and lava.

또 다른 형태의 스패터층은 비양도 서쪽 비양봉 등반로 입구에 약 10∼20 m 높이의 지형을 이루며, 그 상부에는 분석층이 분포하고 있다(그림 5a). 이 스패터층에도 내부에 미약하게 층리가 발달하며, 주로 북서쪽에서 남동쪽으로 약 20∼30°의 각도로 기울어져 있다(그림 5b). 스패터층은 수 cm에서 수십 cm 크기의 붉은색 다공질 스패터가 엉겨 붙어 층을 이루고, 일부 스패터는 늘어진 형태를 보이기도 한다(그림 5c). 그리고 이 스패터층은 ‘코끼리 바위’ 일대의 스패터층과는 달리 초대형 화산탄을 포함하고 있지 않다.

Fig. 5.

Field relationship of spatter and scoria deposits at Biyangdo. (a) The spatter deposits on the western coast of Biyangdo. The scoria deposit is overlying the spatter deposit. (b) A stratum of spatter deposits that dip from the west coast towards the Biyangbong. Scoria deposits, fine-grained and homogeneous, are lying at the top. (c) A close-up photograph of an agglutinated spatter of several tens of cm in grain size.

4.2 분석층

섬 중앙에 위치한 원추형의 비양봉 분석구를 구성하는 분석층은 ‘애기업은 돌’ 주변 해안 절개지와 비양봉 정상부에서 노출된 단면을 확인할 수 있다(그림 2, 6a). 분석은 스트롬볼리안 화산분화에 의해 고온으로 뿜어져 나온 화산력(lapilli) 크기의 다공질 화산분출물을 말한다(Vespermann and Schmincke, 2000). 분석과 스패터는 공통적으로 뜨거운 액체상태의 화산분출물이지만 분석은 스패터에 비해 크기가 작고 떨어지는 과정에서 표면이 고화되어 입자지지(grain support)된 형태로 존재하지만, 스패터는 주로 굳어지지 않은 상태로 떨어지면서 엉겨 붙은 형태로 나타난다는 점에서 구별된다(Cas and Wright, 1987; Houghton et al., 2016).

Fig. 6.

Photographs of scoria deposits at Biyangdo. (a) A scoria deposits at the top of Biyangbong contains a small amount of volcanic bombs of several tens of cm. (b) Red scoria deposits at the northern coastal outcrop section. (c) Black scoria deposits. Both red and black scoria are clast-supported regardless of clast size.

이 분석층은 적색 또는 암갈색을 띠지만, 대부분 적색층이 우세하며, 구성물질의 입도나 조직 등은 거의 동일하다. 또한 공통적으로 원마도가 불량하고 주로 수 cm 이하 크기의 분석들이 역지지된 양상으로 나타난다(그림 6b). 분석층 내부에는 조립질과 세립질 층준이 불규칙하게 교호하는 양상이 반복되며, 대체적으로 상부로 갈수록 분석의 크기들이 작아지는 상향세립의 경향이 있다. 또한, 분석층 내부에는 수 cm에서 수십 cm 크기의 소형 화산탄이 층리 방향과 나란하게 배열되어있다(그림 6b). 화산탄의 형태는 불규칙한 다각형 모양이 우세하지만 일부 리본 형태로 늘어져 있거나, 고구마 형태를 띠는 것들이 포함되어 있다.

4.3 용암류(조면현무암)

비양도 화산체의 용암류(조면현무암)는 서쪽 해안을 제외한 해안지대 전역에 분포한다(그림 2). 이 용암류는 대부분 파호이호이 용암류의 특성을 보이지만 해경파출소 주변의 좁은 지역에서는 아아 용암류의 특징을 나타낸다(그림 7). 이 용암의 SiO₂ 함량은 50.1～50.6 wt%(평균 50.5 wt%)로서 거의 균질한 함량을 지니며, 전암 실리카 대 알카리 함량 분류도(Le Bas et al., 1986)에서 모두 조면현무암(trachybasalt)으로 분류된다(표 1). 또한 섬 전체에 분포하는 용암류의 성분이 용암류의 외견적 유형에 관계없이 아주 좁은 범위에서 일정한 조성을 유지한다는 점(표 1)은 마그마가 화구를 통해 분출하여 유동, 정치할때까지 거의 성분 분화가 이루어지지 않음을 유추할 수 있다. 한편 비양도 용암류의 조성 특징은 제주도 본섬 내에 분포하는 광해악현무암과는 다르므로(e.g., Koh et al., 2013) 추후 지질도는 수정되어야 한다.

Fig. 7.

Distribution of lava flows along coastal area of Biyangdo. Other than its western part of aa lava flows, the island is surrounded by pahoehoe lava flows. Scoria rafts and collapsed trench structures, pushed by lava flows, occur along the coast.

현미경 하에서 용암류는 치밀한 석기(groundmass)를 바탕으로 감람석이 주 반정을 이룬다. 석기는 대체로 미정질의 광물로 구성되지만 괴상이나 0.2〜0.3 mm 길이의 침상 사장석이 동일한 방향으로 배열된 필로탁시틱(pilotaxitic) 조직을 이룬다(그림 8a, 8b). 감람석 반정은 0.5 mm 크기 내외이며 위치에 따라 다소간의 함량 변화를 보이나 대체로 2〜3%의 범위로서 산점 반상질 조직을 띤다. 간혹 1 mm를 넘는 감람석이 관찰되며 최대 8 mm 크기에 이르기도 한다. 또한, 매우 드물게 약 2 mm 크기를 갖는 단사휘석과 사장석의 반정이 관찰되기도 한다(그림 8a, 8b). 용암류의 기공은 대부분 지표면에 평행하게 신장된 타원형을 띠며 크기는 수 cm에 이르나 대체로 0.5 cm 크기가 우세하다. 용암류의 다공질 부분은 약 20%의 기공 함량을 갖는다.

Fig. 8.

Photomicrographs of lava flows containing olivines and clinopyroxenes (in the middle of each photo) as major phenocrysts in a groundmass with pilotaxitic texture.

비양도 용암류의 공간적 분포 특징을 살펴보면, 비양항 등대 주변 남쪽 해안에는 단위 두께가 1 m 이내로 얇은 판상용암류(sheet lava flow)로 구성된 용암대지가 넓게 펼쳐져 있으며, 특히 폭 10 m 규모의 투물러스가 용암류 말단부에 발달한다(그림 9a, 9b). 비양도 북동쪽 해안에는 최소 30 cm에서 최대 1 m 두께의 얇은 용암류들이 약 4∼6매 내외로 누적되어 있다(그림 9c). 용암류의 표면은 대체로 평평하며, 각 용암류의 단위 사이에는 붉은색의 산화대가 발달해 있고, 부분적으로 밧줄구조가 발달하기도 한다. ‘펄랑못’ 일대의 용암류에는 투물러스 구조가 잘 발달해 있으며, 투물러스 정상부의 균열대가 분석구의 가장자리 지형과 나란하게 배열되어 있다(그림 7, 9d). 일부 파호이호이 용암류의 상부에는 분석층이 언덕지형을 이루고 있는 스코리아 래프트(scoria raft)가 나타나며(그림 7, 10a), 분석구 일부 사면 주변을 따라 붕괴도랑과 같은 함몰지형도 존재한다(그림 7). 한편 간조시 드러나는 비양도 북쪽 해상 1.5 km 일대의 넓은 범위에는 용암대지가 곳곳에 분포하고 있는데(그림 1), 모두 동일한 조성의 파호이호이 용암류로 구성되어 있다(그림 10b).

Fig. 9.

Characteristics of pahoehoe lava flows around Biyangdo. (a) Ropy structure on the surface of lava flows, the southern coast of Biyangdo. (b) Tumulus structure developed at the edge of the pahoehoe lava flows. The central part of the tumulus is split apart. (c) The lava plateau with several thin overlapping pahoehoe lava flows on the east coast of Biyangdo. (d) Tumulus structure on the bottom of Paolrangmot wetland. The direction of the tumulus crust is arranged parallel to Biyangbong scoria cone along the island (see Fig. 7).

Fig. 10.

The scoria raft topography, which was pushed along with the lava flow from the scoria cone's base.

전체적으로 비양도 북동쪽 용암류는 비양봉의 측면에서 해안으로 흘러나와 비양도를 감싸며 흐른 양상을 보인다(그림 1, 7). 이는 분석구가 형성되는 과정에서 분석구 측면을 따라 흘러나온 용암류가 분석층의 일부를 밀고나온 것으로 해석되며(그림 10a), 이 과정에서 용암류가 빠져나가고 표면이 붕괴되면서 아래로 오목한 함몰지형 등이 형성된 것으로 추정된다(e.g., Wolff and Sumner, 2000; Németh et al., 2011). 이와 같이 분석구가 형성되는 과정에서 분석구 측면을 뚫고 용암이 흘러나가면서 발생한 사면붕괴 등에 의해 분석구 가장자리가 함몰되는 사례는 1986년 일본 Izu-Oshima 분출(e.g., Wolff and Sumner, 2000) 등 세계 여러 곳의 화산체에서 보고된다.

비양도 북쪽 파호이호이 용암류 분포지역에는 굴뚝 모양의 호니토가 분포하고 있다(그림 2). 가장 큰 규모의 호니토는 최대 3 m 높이로서 비양리 주민들은 ‘애기업은 돌’이라 부르며, 2004년 천연기념물 제439호로 지정ㆍ보호되고 있다(그림 11a). ‘애기업은 돌’ 주변에는 약 30여개의 호니토가 N80^oE의 방향으로 나란히 배열되어 있다(그림 11b). 호니토는 단면상에서는 굴뚝 모양을 하거나 여러 개의 굴뚝이 합쳐진 형태로 나타난다. 호니토 내부는 대부분 비어 있거나 동심원상의 구조가 발달하며, 호니토 외부 표면에는 다양한 크기의 분석과 작은 화산탄들이 달라붙어 있다(그림 11c). 호니토의 내부 벽면에는 수 cm 크기의 용암기포와 용암이 흘러내린 용암유석 및 용암종유가 발달하는데(그림 11d), 이는 호니토가 형성될 당시 뜨거운 액체상태의 용암이 벽면을 따라 흘러내리면서 형성되었음을 지시한다. 한편 호니토가 분포하는 선상의 지형을 따라 적색을 띠며 볼록하게 솟아오른 용암류가 분포한다(그림 11e). 이 용암류는 주변 파호이호이 용암과 달리 표면이 거칠고 스코리아들이 같이 엉겨 붙은 특징을 나타낸다(그림 11f).

Fig. 11.

(a) A photo of a large hornito known as Stone Carrying a Baby. (b) Distribution of hornitos in the same direction as lava flows. (c) A hornito with vacant sphere. (d) The lava flowstone structure on the inner wall of the hornito. (e and f) Lava levee structure, formed inside pahoehoe lava flows with hornitos distributed along the inner lava bank.

한편 아아 용암류는 비양도의 남서쪽 해경파출소를 중심으로 좌우 약 30 m 범위에서 파호이호이 용암류 상위에 분포한다(그림 7). 아아 용암류의 수평적 연장성은 불량하며, 양쪽 가장자리에서는 약 1 m 정도의 두께이지만 중심부로 갈수록 두꺼워져 최대 약 7 m에 달하기도 한다(그림 12a). 중심부는 기공이 거의 없는 치밀한 괴상이지만 상부 및 측면에는 붉게 산화된 다공질의 용암판(slab)들이 분포하고 있다. 특히 용암류의 상부에 분포하는 거대 용암판들의 겉면에는 밧줄구조가 발달해 있고 불규칙하게 다각형으로 깨진 상태로 다른 용암판과 서로 섞여있는 양상을 이룬다(그림 12b). 이러한 거대 용암판들은 점성이 높아 용암류가 흐르는 동안 표면이 굳고 내부는 계속 유동하면서 이미 굳은 표면이 점차 깨지는 자가-각력화작용(auto-brecciation)에 의해 형성된 것으로 해석된다(Wentworth, and Macdonald, 1953). 아아 용암류 상부의 암괴들은 비양봉 쪽에서 바다 방향으로 기울어지거나 누워있는 형태가 우세한 것으로 미루어 볼 때, 파호이호이 용암류가 분출하고 난 이후 일련의 연속적인 분화과정에서 아아 용암류가 비양봉 분화구에서 남서쪽으로 소규모로 흘러나온 것으로 추정된다.

Fig. 12.

Photographs of aa lava flow at Biyangdo. (a) A cross section of aa lava flow below the maritime police office. (b) Platy lava slab on the upper part of the aa lava flow.

5. 비양도 용암류의 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 절대연대

비양도 화산체의 용암류에 대해 6개 지점(시추코어 포함)에서 7개 시료를 채취하여 전암 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 절대연대 측정을 실시하였다. 표 2에는 7개 시료의 암석 성분 분류명을 비롯하여 측정 결과 얻어진 총용융(Total Fusion), 플래토(Weighted Plateau), 정 및 역등시선 (Normal and Inverse Isochron) 데이터를 수록하였다. 암석 시료 중의 Ar 동위원소 데이터는 600～1400℃까지 5～7 단계의 가열을 통해 얻어졌으며, 절대연대 값의 표준편차는 2σ이다.

7개 용암류 시료에 대해 전암 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 절대연대 측정결과, BYDO-7 (56.7±20.1 ka)를 제외하면 30.4±24.3 ka (BYDO-3)에서 18.2±9.5 ka (BYDO-4)의 플래토 연대 범위를 보인다(표 2; 그림 13). 이들의 플래토 연대(그림 13)는 비양도 용암류가 전반적으로 과잉 아르곤에 의해 영양을 받았음을 지시하며, 플래토 연대 방법을 통해 이러한 영향을 제거하여 신뢰할 만한 연대 자료를 얻을 수 있음을 나타낸다. 한편, 이들의 총용융 연대는 이전 연구자(Miyake et al., 1993)의 K-Ar 절대연대(0.0434±0.0059 Ma) 값과 유사하다. 7개 시료 모두 MSWD (Mean Square of Weighted Deviates)는 1 이하의 값을 나타내었으나, 플래토 연대, 정등시선 연대, 역등시선 연대 그리고 등시선에서 ⁴⁰Ar/³⁶Ar의 비율을 고려할때 상대적으로 높은 값으로 보이는 BYDO-7 (56.7±20.1 ka)값을 제외한 6개 시료의 평균 절대 연대는 25.6 ka이다(그림 14). 따라서 비양도는 약 2만 6천 년 전후의 화산분화에 의해 형성된 것으로 해석된다.

Fig. 13.

40Ar/39Ar plateau age spectrum and inverse isochron diagram for 6 whole rock samples of lava flows at Biyangdo.

Fig. 14.

Variation of 40Ar-39Ar absolute ages (with 2 SD) of volcanic rocks from Biyangdo Volcano, Jeju Island.

6. 토 의

6.1 화산분화 시기와 분화 위치

제주도 화산활동에서 현재와 같은 해수면 환경에서 분화한 대표적인 화산으로 송악산(약 3천 7백 년 전: Ahn et al., 2015; Sohn et al., 2015)과 성산일출봉(약 5천 년 전: Sohn et al., 2012)을 들 수 있으며, 이들 화산에서는 수성화산 분출물 기록과 화산분출 동시성 고 해수면(paleo-sea level) 퇴적의 기록을 함께 관찰할 수 있다(e.g., Yoon et al., 2017). 그러나 비양도는 제주도 주변 부속 섬 중에서 유일하게 분석구와 용암류로만 이루어져 있으며, 마그마-물과의 상호작용에 의해 형성되는 분출물은 찾아볼 수 없다. 이러한 비양도의 지질현상은 오늘날 해수면과 같았던 고려 목종 5년 6월 또는 목종 10년의 사서기록의 분화와는 무관하다는 것을 뒷받침한다(Koh et al., 2019). 아울러, 비양도 용암류의 Ar/Ar 절대연대, 26.9±8.9 ka (BYDO-5-1)를 고기 해수면 변화 기록(e.g., Williams and Gutierrez, 2009)에 적용하면 현재보다 해수면이 약 90〜110 m 낮았음을 나타냄으로써(그림 15), 육상환경에서 분화한 비양도 화산체가 해수면 상승에 의해 섬이 되었음을 또한 뒷받침 해준다.

Fig. 15.

Quaternary sea level change (e.g., Williams and Gutierrez, 2009). The sea-level curve suggests that the sea level was about 90-110m lower than it is at present at the time of the volcanic eruption of Biyangdo. It is presumed that volcanic eruptions were Hawaiian to strombolian because volcanic activities occurred on land.

스패터는 하와이안 또는 스트롬볼리안 분화과정에서 굳어지지 않은 뜨거운 액체 덩어리 형태로 분사된 용암이 분화구 주변에 떨어져 쌓인 화산쇄설물을 말한다(Sumner et al., 2005; Rader et al., 2018). 스패터는 클라스토제닉(clastogenic) 용암보다 온도가 낮은 액상 용암으로부터 주로 형성되며, 집적률과 냉각률에 따라 스패터에서 테프라로 또는 스패터에서 용암으로 변이되어 나타나기도 한다(Sumner et al., 2005; Rader and Geist, 2015; Jones et al., 2019). 그리고 스패터들이 지표에 빠르게 떨어져 소똥처럼 늘어난 형태로 서로 엉겨 붙은 모양을 보이는 경우를 집괴암(agglutinate)이라 하며, 분석구 내부나 주변에서 흔히 발견된다(Vespermann and Schmincke, 2000; Sumner et al., 2005). 스패터와 분석의 가장 단순한 구분은 분출하여 떨어질 당시 굳은 알갱이로 떨어졌는지(분석) 아니면 액체 또는 반고화 상태로 떨어져 엉겨 붙었는지(스패터)의 차이라고 할 수 있다. 이러한 스패터의 성인적 특징은 사라진 화산의 분화구 위치를 추정하는데 중요한 단서가 될 수 있다(e.g., Wolff and Sumner, 2000).

비양도 화산체의 최하위 지질단위를 이루는 스패터층은 육상분화로부터 만들어진 초기 분출물로서 ‘코끼리 바위’ 일대와 비양봉 입구 스패터층이 모두 동일하게 엉겨 붙은 스패터로 구성되어 있으며, 지층의 주향과 경사도 연속된다. 그러나 ‘코끼리 바위’ 일대 스패터층이 용결정도와 화산탄 함유 빈도가 높은 반면, 비양봉 입구 스패터층은 입자 크기가 작고 화산탄의 함유율이 낮은 특징을 보인다. 이와 같은 차이는 분화구로부터의 거리에 따른 스패터콘(spatter cone)의 암상변화를 보여주는 것으로서, ‘코끼리 바위’ 일대가 스패터콘의 중심부에 가까운 암상(proximal lithofacies)을, 비양봉 입구는 스패터콘이 원거리 암상(distal lithofacies)을 이루고 있는 것으로 해석된다(e.g., Sumner et al., 2005). 또한, 분석층과 스패터 층은 서로 반대 방향으로 기울어져 있으며, 층서상으로 분석층이 스패터층 상부에 위치하고 있다(그림 2, 5a). 이상에서 살펴본 바와 같이, 스패터의 형태와 입자 크기 및 주향ㆍ경사, 화산탄의 크기ㆍ빈도ㆍ방향 등을 종합하면 비양도 화산체의 화산활동은 위치가 다른 두 군데의 분화구로부터 일련의 연결된 화산분화로 인해 발생하였던 것으로 추정된다(그림 16a). 또한, 스패터층의 층리와 화산탄의 방향으로 볼 때, 스패터층을 형성시킨 화산분화의 중심은 현재 비양봉 분화구가 아니라 서쪽〜서북쪽 해상일 가능성이 높다. 특히, 스패터층은 비양도 화산분화의 초기 분출물로서 비양봉 분석구가 형성되기 이전에 형성 되었으며, 이후 비양봉 분석구를 형성시킨 분화로부터 형성된 분석층에 피복되었다(그림 16b).

Fig. 16.

Cartoons illustrating the volcanic activities in Biyangdo Volcano.

스패터층 형성 이후 분화구의 위치가 동쪽(현재의 비양봉)으로 이동되어 분석과 소량의 화산탄을 내뿜는 스트롬볼리안 분화가 진행되면서 비양도 분석구가 형성되기 시작하였고, 동시에 분석구의 측면과 하부를 따라 파호이호이 용암류가 유출하였다(그림 16b). 분석구 측면에서 흘러나간 파호이호이 용암류는 비양도 분석구를 감싸고 흘러 용암대지를 형성하였으며, 일부는 북쪽으로 1.5 km 이상 흘러 지금의 등대 주변의 해저 완사면 지형을 형성하였다. 이 용암류의 일부는 물로 포화된 습지 등을 지나는 과정에서 뜨거운 용암과 차가운 바닥의 물이 급격하게 식으면서 발생한 수증기성 폭발 현상에 의해 굴뚝 모양의 호니토 지형을 만들었다(그림 16b). 현재 지형도와 해도 상에서 용암류는 비양봉에서 북쪽으로 1.5 km 까지 분포하고 있어 비양봉 형성 당시 면적은 지금보다 약 2∼3배 이상 넓었을 것으로 추정된다. 그리고 파호이호이 용암류 분출에 뒤이어 소량의 아아 용암류가 지금의 해경 파출소 인근으로 흐른 것으로 추정된다(그림 16c).

한편, 비양봉 분석구는 정상부 남쪽과 서쪽에 깔대기 형태의 분화구를 가지고 있는데, 현재는 식생의 피복과 접근 위험성으로 확인이 곤란하지만 남쪽은 분화구로 반면 서쪽은 용암의 유동으로 만들어진 함몰구로 추정된다. 비양봉 분석구의 여러 측면을 따라 용암류가 유출되었지만 분석구 사면의 붕괴 흔적은 뚜렷하게 드러나 있지 않다. 이는 용암류가 분석과 함께 밀려나감으로써 하중이 과다하게 작용하지 않아 마그마가 지표로 쉽게 분출될 수 있었고, 분석이 빠져나간 빈 공간(붕괴지형)을 스트롬볼리안 분화로부터 뿜어져 나온 분석들이 메우는 작용이 진행되었기 때문인 것으로 추정된다. 이와 같은 사례는 미국 아리조나 Red Mountain에서 분석구 사면을 통한 용암유출로 인한 압력의 감소로 스트롬볼리안 분출이 추가적으로 발생하여 붕괴된 분석구 사면을 다시 채운 사례에서 찾아볼 수 있다(e.g., Riggs and Duffield, 2008).

7. 결 론

그동안 비양도는 유사시대 분화기록을 가진 화산으로 알려져 왔다. 또한 제주도 본섬에서는 찾아보기 어려운 길이 7 m가 넘는 초대형 화산탄과 높이 3 m에 달하는 호니토가 산출되고, 서-서북쪽 방향으로 수심이 얕은 해저지형이 연속되고 있으나, 비양도 화산활동 시기와 양식, 화산체의 규모 등을 밝히기 위한 연구는 수행되지 않았다. 이 연구에서는 야외지질조사를 통해 지질단위별 특징과 층서를 정립함과 아울러, 6개 지점 7개 화산암 시료에 대한 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 절대연령 측정 및 해저지형 분석 등의 결과를 근거로 비양도가 고려 목종 5년 6월(1002년) 역사기록과는 무관함을 밝혔다. 또한 비양도 화산체의 화산분화는 위치가 다른 2개 지점에서 진행되어 특징이 다른 화산분출물이 형성되었음도 제시하였다. 특히 화산활동이 끝났을 때, 추정되는 화산체의 규모는 현재 비양도의 2 내지 3 배의 크기였으나 서-북서쪽 지역이 침식에 의해 삭박되어 현재와 같은 형태를 이루고 있음도 제시하였다.

비양도 화산체의 지질은 하부로부터 스패터층, 분석층, 용암(조면현무암)로 구성된다. 최하부 스패터층은 비양도 북쪽과 서쪽 해안을 따라 분포하며, 내부에 엉겨 붙은 스패터와 대형 화산탄들이 포함되어 있다. 반면, 분석층은 섬 중앙에 위치한 비양봉을 구성하는 분석구으로서 원마도가 불량하고 주로 수 cm 이하 크기의 분석들이 역지지된 형태로 나타난다. 용암류는 서쪽 해안을 제외한 해안지대 전역에 분포하며, 대부분 파호이호이 용암류의 특성을 보이지만 해경파출소 일대의 좁은 지역에서는 아아 용암류의 특징을 나타낸다. 비양도 북쪽 조간대에는 약 30여 개 호니토들이 호상으로 배열되어 있다. 이들 호니토는 비양봉 분석구 형성과정에서 분석구의 측면을 뚫고 유출된 용암류가 습지 혹은 물웅덩이와 같이 지형 위를 흐르면서 발생한 상호작용(FCI)에 의해 형성된 것으로 추정된다.

한편 용암류의 전암 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 절대연대 측정을 통해 약 2만 6천 년 전후의 비양도의 형성시기를 제시한다. 비양도 화산체는 해수면이 지금보다 약 90〜110 m 낮았던 시기에 육상 환경에서 최초의 화산활동이 현재 ‘코끼리 바위’ 인근을 중심으로 짧은 기간 동안 스패터와 대형 화산탄들이 뿜어져 나와 엉겨 붙은 스패터콘을 형성하였다(그림 16a). 스패터콘 형성 이후 분화구가 이동되어 뒤이은 화산활동이 지금의 비양봉에서 발생하여 분석층을 형성하였다.

분석구 형성과정에서 측면을 뚫고 파호이호이 용암류가 흘러나왔는데, 이 과정에서 분석구의 일부 사면과 함께 떠밀려 나와 해안가 언덕지형으로 남게 되었다. 그리고 파호이호이 용암류가 빠져나가고 빈 공간에 함몰이 일어나 붕괴도랑과 함몰지형이 형성되었고, 용암류는 비양도 분석구를 감싸고 흘러 용암대지를 형성하였다. 그리고 북쪽으로 흐르던 파호이호이 용암류는 습지나 물웅덩이를 지나면서 바닥의 물이 용암의 열에 의해 급격히 끓어올라 수증기와 용암이 분출하면서 호니토를 형성하였다(그림 16b). 파호이호이 용암류 분출 후 소량의 아아 용암류가 지금의 해경 파출소 방향으로 흘러내린 것을 끝으로 비양도 화산체의 화산활동은 종료된 것으로 추정된다(그림 16c).

화산활동이 끝나고 해수면 상승에 따라 화산체는 파도에 의한 침식을 겪게 되는데, 서쪽에 위치한 스패터콘이 상대적으로 많은 침식을 받아 화산체의 대부분이 삭박되고 오늘날 ‘코끼리 바위’와 일부 시스택으로 남게 되었다(그림 16d).

비양도는 제주도 본섬에서는 흔히 보기 힘든 단성화산체의 육상 화산분화 과정과 그 산물에 대해 교과서적인 사례를 관찰할 수 있는 곳이다.

Acknowledgments

이 연구는 제주특별자치도 한라산연구부 자체 연구사업과 제주특별자치도개발공사 자체연구사업의 일환으로 수행되었습니다. 논문의 심사과정에서 건설적인 비평과 유익한 조언을 해주신 김정민 박사님과 익명의 심사위원님께도 감사드립니다.

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