[ Article ]

Journal of the Geological Society of Korea - Vol. 55, No. 5, pp.551-581

ISSN: 0435-4036 (Print) 2288-7377 (Online)

Print publication date 31 Oct 2019

Received 16 Aug 2019 Revised 08 Oct 2019 Accepted 10 Aug 2019

DOI: https://doi.org/10.14770/jgsk.2019.55.5.551

쇄설성 저어콘 U-Pb 연대 측정을 이용한 백악기 의성소분지 사암의 퇴적시기와 기원지

최태진^‡

; 권민규

조선대학교 에너지자원공학과

Depositional age and provenance of the sandstones in the Cretaceous Euiseong subbasin inferred by detrital zircon U-Pb age dating

Taejin Choi^‡

; Min Gyu Kwon

Department of Energy Resources Engineering, Chosun University, Gwangju 61452, Republic of Korea

Correspondence to: ^‡+82-62-230-7867, E-mail: tchoi@chosun.ac.kr

초록

경상분지 하양층군의 퇴적시기와 기원지의 변화를 규명하여 하양층군의 퇴적 당시 경상분지 일대의 지구조 변화를 추정하기 위하여 의성소분지 하양층군 사암들의 쇄설성 저어콘 U-Pb 연대를 측정하였다. 8개의 사암 시료에서 분리한 쇄설성 저어콘 입자로부터 2941 ~ 96 Ma의 범위를 보이는 761점의 일치연대를 얻었다. 저어콘 입자들은 주로 고원생대(2490~1694 Ma), 트라이아스기(250~203 Ma), 쥬라기(196~153 Ma), 백악기(110~96 Ma)에 생성되었으며, 일부 입자는 고생대와 신원생대, 중원생대에 생성되었다. 저어콘의 연대 분포를 통해서 점곡층, 사곡층, 반야월층의 최대퇴적시기를 각각 105, 100, 96 Ma로 제한할 수 있다. 의성소분지 하양층군 사암의 쇄설성 저어콘의 연대분포는 시간에 따라 변화하며, 후평동층과 점곡층 사이, 점곡층과 사곡층 사이에서 큰 변화를 보인다. 이러한 저어콘 연대 분포를 하부층군이자 기반암인 북부 신동층군 사암의 저어콘 연대분포와 일본의 부가복합체 및 육상분지 사암의 저어콘 연대분포와 통계적으로 비교하였다. 그 결과 점곡층의 퇴적시기부터 본격적으로 일본으로부터의 퇴적물 공급이 있었으며, 사곡층과 춘산층이 퇴적되는 동안에는 영남육괴와 일본으로부터 영향을 받았던 것으로 추정된다. 이와 같이 일본으로부터의 퇴적물 공급은 점곡층의 퇴적 당시 경상분지 동부에 화성활동으로 인한 고지대 형성에 의한 것으로 여겨진다.

Abstract

Analyses on the U-Pb ages of the detrital zircons of the Euiseong subbasin sandstones were carried out to estimate depositional period and provenance of the Hayang Group in the Gyeongsang Basin, and to infer the tectonic changes in the Gyeongsang basin. We obtained 761 concordant ages with a range of 2941 to 96 Ma from 800 zircon grains separated from eight sandstone samples. The zircons mainly consist of the Paleoproterozoic (2490 ~ 1694 Ma), Triassic (250 ~ 203 Ma), Jurassic (196 ~ 153 Ma), and Cretaceous (110 ~ 96 Ma) grains with minor Paleozoic, Neoproterozoic, and Mesoproterozoic ones. According to the zircon age distribution, the maximum depositional periods of the Jeomgok, Sagok, and Banyawol formations can be constrained to 105, 100, and 96 Ma, respectively. The detrital zircon age spectra of Euiseong subbasin vary over time and show significant changes between the Hupyeongdong and Jeomgok formations, and between the Jeomgok and Sagok formations. The zircon age distributions were statistically compared with those of the northern Shindong Group sandstones, the underlying strata and also bedrock of the Hayang Group, and those of the Japanese accretionary complex and terrestrial basin sandstones. As a result, sediment supply from Japan began during Jeomgok Formation deposition, and it was continued with that from the Yeongnam Massif during the deposition of the Sagok and Chunsan formations. Such sediment supply from Japan is supposed to be caused by the formation of highlands due to volcanic activity in the eastern part of the Gyeongsang Basin, during the Jeomgok Formation deposition.

Keywords:

Gyeongsang Basin, Hayang Group, sedimentary provenance, detrital zircon U-Pb age

키워드:

경상분지, 하양층군, 퇴적물 기원지, 쇄설성 저어콘 U-Pb 연대

1. 서 론

경상분지는 한반도 남동부에 분포하는 백악기 육성 퇴적분지로서, 한반도의 백악기 층서의 기준이 된다. 경상분지 퇴적물은 퇴적동시성 화성활동의 빈도에 따라서 하부로부터 신동층군, 하양층군, 유천층군으로 나뉘는데, 상부로 갈수록 화성활동이 빈번하게 일어났던 것으로 알려져 있다(Chang, 1975). 경상분지는 전기 백악기(Aptian; Lee et al., 2010) 당시 고태평양판의 섭입과 관련되어 분지가 열린 것으로 추정된다. 분지가 열리고 신동층군이 쌓일 당시 경상분지는 서쪽 경계부 인근에 남북 방향으로 긴 형태로 퇴적되었으며(낙동곡분; Chang, 1987), 주로 선상지, 하성, 호소 환경에서 퇴적되었다(Choi, 1986).

반면 하양층군의 퇴적 당시에는 경상분지가 확장되어 경상도 대부분에 해당하는 크기의 퇴적분지에서 간헐적인 화성활동을 동반하여 퇴적작용이 일어났으며, 주로 하성 및 호소 환경에서 퇴적되었다(Chang, 1970, 1987). 하양층군은 세 개의 독립된 소분지로 나뉘어 퇴적되었는데, 북쪽으로부터 영양소분지, 의성소분지, 밀양소분지로 불린다. 이 세 소분지는 각각 독립적인 침강과 퇴적의 이력을 가지는 것으로 알려져 있다. 또한 신동층군은 주로 영남육괴로부터 퇴적물이 공급된 반면, 하양층군은 일본의 부가복합체로부터도 퇴적물이 공급되었다(Lee and Kim, 2005; Lee, 2009; Chough and Sohn, 2010 and references therein).

이와 같이 신동층군과 하양층군은 퇴적환경, 퇴적 당시 화성활동의 유무, 층서, 기원지 등에서 다양한 차이를 보이며, 두 층군이 쌓이는 사이에 지구조적인 변화가 있었음을 짐작할 수 있다. 따라서 이 연구에서는 두 층군의 퇴적 당시 일어난 기원지 변화와 그러한 변화가 일어난 시기를 추정하고, 당시 일어난 지구조적인 변화를 규명하기 위하여, 의성소분지의 하양층군 사암의 쇄설성 저어콘 연대측정을 수행하였다.

2. 지질학적 배경

하양층군은 경상분지가 동쪽으로 확장되면서 퇴적되었으며, 퇴적은 간헐적인 화산활동을 동반하며 이루어졌다(Chang, 1970, 1987). 하양층군의 퇴적시기는 식물화석 및 화분화석에 의하여 Aptian-Albian으로 추정된다(Choi, 1985, 1987; Seo, 1985). 의성소분지는 영남육괴의 선캠브리아기 변성암, 쥬라기 화강암과 경상분지 신동층군을 기반암으로 하며, 의성소분지 하양층군의 경계는 북쪽으로는 안동단층이며, 서쪽으로는 신동층군, 동쪽으로는 유천층군으로 구성된다. 신동층군 및 유천층군과의 경계는 각각 호수의 크기의 팽창 수축과 화산활동에 의한 비동시면으로 여겨진다(Choi, 1999).

의성소분지 퇴적층의 주요 암상은 사암, 이암, 역암 등이며 층서는 하부로부터 일직층, 후평동층, 점곡층, 사곡층, 춘산층으로 구성된다(표 1; 그림 1). 이 중 일직층 중부와 점곡층은 호수 환경, 나머지는 하성 또는 충적평야 환경에서 퇴적된 것으로 해석된다(Choi, 1986). Choi (1999)에 의해 정리된 의성소분지 퇴적층의 특징은 다음과 같다.

Table 1.

Stratigraphy of the Hayang Group in the Euiseong and northern Milyang subbasins (after Chang, 1987, 1988; Chough and Sohn, 2010).

Fig. 1.

Geological Map of the Euiseong subbasin (after Kim and Lee, 1970; Kim and Park, 1970; Kwon and Lee, 1973; Lee and Hong, 1973; Kim and Lim, 1974; Oh and Jeong, 1975; Chang, K.H. et al., 1977, 1978; Kim, B.G. et al., 1977, 1981; Kim, Y.G. et al., 1977; Won et al., 1980; Chang, G.H. et al., 1981; Kim, B.K. et al., 1988).

최하부층인 일직층은 신동층군 진주층 위에 놓이는 자색층으로 정의되며, 층후는 약 500 m로 알려져 있다. 일직층의 상부와 하부는 자색 이암 및 실트암, 세립-중립 사암이 주를 이루는 반면 중부는 흑색 셰일로 구성된다. 후평동층은 약 500 m의 두께를 가지고 하부의 구미동층원과 상부의 구계동층원으로 구성되는데, 구미동층원은 역암과 이암이 호층을 이루며 역암은 방산충 화석을 함유하는 처어트 조각을 함유하고 있다. 반면 구계동층원은 후평동층의 대부분을 차지하며 주로 자색의 이암과 실트암으로 구성된다. 점곡층은 암회색, 흑색, 녹회색 셰일과 이암으로 구성되며, 층후는 260~900 m로 다양하며 대체로 약 400 m이다. 사암과 응회암층을 포함하며, 점곡지역에서 판상 응회암층들이 발견된다. 사곡층은 자색 이암, 실트암, 녹회색 사암이 주를 이루며, 응회질 사암이 중부에서 협재된다. 층의 두께가 250~2,000 m로 매우 다양하며, 남쪽으로 갈수록 두께가 줄어든다. 의성소분지 하양층군의 최상부층인 춘산층은 약 700 m 내외의 두께로 쌓였는데, 암회색 및 자색 이암, 실트암, 암회색 셰일 및 사암으로 구성된다. 하부의 사곡층과의 사이에 구산동응회암층원이 존재하는데, 이는 약 1~5 m 두께를 가지며, 의성소분지와 밀양소분지에 걸쳐 하양층군을 남북으로 가로지르며 널리 분포하여 하양층군 층서의 중요한 건층으로 활용된다(Jeon and Sohn, 2003).

하양층군의 기원지는 하부인 신동층군과 차이를 보인다. 신동층군은 고수류 방향 연구(Chang and Kim, 1968; Koh, 1986), 암석기재학적 연구(Koh, 1974, 1986; Choi, 1986; Koh and Lee, 1993), 지화학적 연구(Lee and Lee, 2003), 석영의 음극선발광영상 및 저어콘 Zr/Hf비 연구(Lee et al., 2015), 쇄설성 저어콘 연대 측정 연구(Lee et al., 2017, 2018) 등 다양한 연구들을 통해서, 주로 영남육괴를 구성하는 선캠브리아기 기반암, 트라이아스기 및 쥬라기 화강암으로부터 퇴적물을 공급받았고 일부는 옥천대의 변성퇴적암 등으로부터 퇴적물을 공급받은 것으로 알려져 있다. 반면 하양층군은 고수류(Chough and Sohn, 2010 and references therein), 역암에 존재하는 처어트 역 및 그 역에 함유된 방산충(Choi, 1999; Kamata et al., 2000; Mitsugi et al., 2001), 광물조성(Lee and Kim, 2005), 및 지화학성분(Lee and Lee, 2003; Lee, 2009) 등 다양한 증거를 통해 영남육괴에 더하여 화산암 및 일본의 부가복합체로부터의 퇴적물 공급이 있었을 것으로 추정된다.

3. 실험 방법

의성소분지를 구성하고 있는 일직층, 후평동층, 점곡층, 사곡층, 춘산층과 의성소분지의 경계부 인근에 분포하는 밀양소분지 퇴적층인 함안층, 반야월층 내 사암 시료를 5 kg씩 채취하였다. 채취한 시료의 위치와 암상은 표 2에 정리되어 있다. 채취한 시료는 실험실에서 유압파쇄기, 죠 크러셔, 디스크밀을 이용해 분쇄한 후 체질을 하여 250 μm 이하의 입자들만 분리하였다. 이 후 자성 및 중액 분리 과정을 거쳐 중광물을 농집시킨 후, 실체현미경 하에서 수작업으로 저어콘 입자들을 분리하였다. 분리한 저어콘은 마운트를 제작한 후 내부구조를 확인하기 위해 CL (Cathodoluminescence) 사진을 촬영하여, 연대측정지점을 결정하는 데 활용하였다. U-Pb연대는 한국기초과학지원연구원(KBSI)의 레이저 삭마 유도결합 플라즈마 질량분석기(Laser ablation-multi collector-inductively coupled plasma mass spectrometer; LA-ICP-MS, 모델명 Nu Plasma II/NWR193^UC)를 이용하여 측정하였다. LA-ICP-MS 분석은 Lee et al. (2018)에 기술된 분석 조건에 따라 수행되었고, 분석된 자료는 ISOPLOT 프로그램 (Ludwig, 2008)을 이용하여 처리하였다. 퇴적암에서 분리한 저어콘 시료는 다양한 지질연대를 가지는 입자들로 구성되어 있어 Pb 소실에 대한 시기를 정확히 알 수 없기 때문에, 15% 이상의 불일치 또는 10% 이상의 역불일치를 보이는 연대는 이용하지 않았다. 저어콘의 U-Pb연대가 1,000 Ma 이상인 경우는 ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb 연대를, 1,000 Ma 이하인 경우는 ²⁰⁷Pb/²³⁸U 연대를 이용하였다.

Table 2.

Locations and lithology of the samples collected in this study.

4. 결과 및 해석

분석한 저어콘의 Th/U 비는 800개의 분석점 중 127개를 제외한 대부분의 분석점에서 0.1 이상의 값을 보여, 분석에 이용된 대부분의 저어콘 입자들이 화성기원(Hoskin and Black, 2000)이라는 것을 지시한다. Th/U 비가 0.1 미만인 저어콘 입자들은 대부분 1.8 Ga에 생성된 암석에 포함되어 있던 것으로 추정되며 많은 경우 납손실이 일어난 것으로 생각된다. 반면, 현생이언(Phanerozoic)에 생성된 저어콘들은 0.1 미만의 비를 가지는 입자가 거의 없다. 총 800점의 레이저 분석 결과 671개의 분석 연대가 이용 가능한 결과로 판단된다(표 3; 그림 2). 분석된 저어콘의 U-Pb연대는 96.0±0.8 Ma에서 2,941±2.8 Ma까지 광범위한 분포를 보이며, 주로 고원생대-시생대, 쥬라기, 후기 트라이아스기, 백악기 연대를 보인다. 고생대, 신원생대, 중원생대 저어콘은 소수 존재한다. 각 시료의 저어콘 연대 분포는 확률밀도분포(그림 2)와 표4에 정리되어 있다.

Table 3.

Detrital zircon U-Pb ages of the Hayang Group sandstones in the Euiseong and northern Milyang subbasins.

Fig. 2.

Probability-density plots of the Hayang Group sandstones in the Euiseong subbasin.

일직층과 후평동층은 저어콘 연대 분포가 유사하나 차이점을 보인다. 두 층 모두 전체 저어콘 입자들 중 절반 가량(49%)이 고원생대-시생대에 생성되었으며, 전기 쥬라기에 생성된 저어콘이 일직층은 27%, 후평동층은 24%로 유사한 비중을 차지한다. 반면 일직층 시료에서는 중기 쥬라기에 생성된 저어콘이 11%로 세 번째로 많은 비중을 차지하는 반면, 후평동층 시료에서는 중기 쥬라기 대신 후기 트라이아스기 저어콘이 12%의 비중을 차지하여 세 번째로 많은 연대에 해당한다.

점곡층의 저어콘 연대 분포는 하부인 일직층이나 후평동층과 다른 양상을 보인다. 점곡층은 고원생대-시생대 저어콘의 비중이 59%로 더 높아졌으며, 대신 쥬라기 저어콘의 비중이 10% 미만으로 적다. 대신 후기 트라이아스기 저어콘이 14%, 전기 백악기 저어콘이 11%를 차지한다.

사곡층과 춘산층은 중기 쥬라기 저어콘이 많은 것이 특징이다. 두 층 시료 모두 고원생대-시생대 저어콘의 비중은 각각 25%와 22%로 하부 층들보다 적어진 반면, 중기 쥬라기 저어콘이 29%와 41%로 많아졌다. 이외에도 사곡층은 후기 트라이아스기 저어콘이 약 20% 비중을 차지하고 있다. 한편, 서로 멀리 떨어지지 않은 두 시료(180828-5, 6; 그림 1)의 저어콘 연대분포에서 저어콘 연대분포가 서로 다른데, 상대적으로 하부인 180828-5 시료는 하부층인 점곡층보다도 후기 트라이아스기 저어콘이 많다. 반면, 상대적으로 상부인 180828-6 시료는 상부층인 춘산층처럼 중기 쥬라기 저어콘이 가장 많고 전기 백악기 저어콘도 180828-5 보다 많은 13%를 차지한다. 이와 같은 차이는 사곡층이 퇴적되는 동안에 기원지 유역의 변화가 있었음을 의미한다.

의성소분지의 경계부에 있는 밀양소분지의 함안층과 반야월층의 시료는 서로 유사하지 않다. 함안층 시료는 의성소분지의 사곡층 시료와 유사한 쇄설성 저어콘 연대 분포를 보인다. 사곡층과 마찬가지로 중기 쥬라기와 고원생대-시생대 저어콘이 모두 22%로 유사한 비중을 보인다. 함안층 시료에서 가장 많이 나타나는 저어콘은 후기 트라이아스기 저어콘으로 전체 저어콘의 31%를 차지하고 있다. 반면 반야월층 시료에서는 고원생대-시생대 저어콘과 백악기 저어콘이 각각 39%와 38%로 유사한 비율로 함유되어 있다. 백악기 저어콘 중에서는 전기 백악기 저어콘이 26%로 후기 백악기 저어콘 보다 약 2배 많다.

5. 토의

5.1 최대퇴적시기

각 시료에서 산출하는 쇄설성 저어콘 입자 중 가장 젊은 저어콘 입자의 생성 시기를 통해 각 퇴적층의 최대퇴적시기를 추정할 수 있다(Dickinson and Gehrels, 2009). 하양층군의 하부층인 신동층군 진주층의 최대퇴적시기가 약 106 Ma (Lee et al., 2010)라는 점과 하부층의 최대퇴적시기 보다 오래된 최대퇴적시기는 큰 의미 없다는 점을 고려하면, 이 연구에서 분석한 각 사암 시료에서 의미 있는 최대 퇴적 시기를 알 수 있는 시료는 점곡층(180829-2; 104.9 Ma), 사곡층(180828-6; 99.8 Ma), 반야월층(180828-2; 96 Ma)이다. 이 최대퇴적시기는 하양층군의 퇴적시기에 대한 기존 연구(Choi, 1985, 1987; Seo, 1985)에서 지시하는 하양층군의 퇴적시기인 Aptian-Albian과 잘 일치한다. 안타깝게도 일직층에서 백악기에 생성된 저어콘이 발견되지 않았기 때문에, 의성소분지가 열린 시기에 대해서는 제한하기 어렵게 되었다.

점곡층의 최대퇴적시기인 105 Ma는 기존 연구(Lee et al., 2018)에서 제시한 밀양소분지 함안층의 최대퇴적시기인 106 Ma와 유사하며, 함안층을 점곡층과 사곡층에 대비하는 기존 연구(Choi, 1986)와도 잘 일치하는 결과이다. 단, 퇴적층의 최대퇴적시기는 그 퇴적층이 퇴적되었을 가능성이 있는 가장 오래된 시기를 뜻하는 것이기 때문에 이 결과 자체가 두 층이 같은 시기에 퇴적되었다는 증거가 되지는 않는다.

사곡층의 최대퇴적시기인 100 Ma와 반야월층의 최대퇴적시기인 96 Ma는 구산동응회암의 분출시기와 비교해 볼 수 있다. 구산동응회암은 사곡층의 상부이자 춘산층 및 반야월층과 대비되는 진동층의 하부에 놓이며(Chang, 1977, 1988; Choi, 1986), 약 97 Ma에 분출한 것으로 알려져 있다(Jwa et al., 2009). 또한 구산동응회암의 분출 시기는 다른 기존 연구들에 의해 약 114 Ma (Chang et al., 1998) 또는 103 Ma (Kim et al., 2013)로 제안되기도 하였는데, 이 연구 결과는 구산동응회암이 97 Ma에 분출한 경우와 모순되지 않으며, 이때 사곡층의 퇴적시기는 약 100~97 Ma라고 제한할 수 있게 된다.

5.2 의성소분지의 기원지 변화와 지구조적 의의

이 연구에서 분석한 의성소분지와 밀양소분지 사암에 함유된 저어콘의 생성 시기는 주로 고원생대-시생대, 쥬라기, 백악기, 트라이아스기이며, 비교적 소규모로 고생대, 신원생대, 중원생대 또한 존재한다. 고원생대-시생대 기반암과 쥬라기, 백악기, 트라이아스기에 생성된 화성암은 영남육괴에서 흔히 볼 수 있으며(KIGAM, 1995; Choi et al., 2016), 고생대, 신원생대, 중원생대에 생성된 화성암은 영남육괴에는 흔하지 않으나, 옥천대의 (변성)퇴적암 내에 존재하는 것이 알려져 있다(Park et al., 2011; Cho et al., 2013; Lee et al., 2016; Jang et al., 2018). 이 시기의 저어콘 입자들이 비교적 적게 존재하는 점으로 보아, 옥천대의 변성퇴적암이나 그에 대비되는 암석은 비교적 소규모로 윤회되어 의성소분지에 유입되었을 것으로 생각된다.

이 연구에서 분석한 의성소분지 하양층군 쇄설성 저어콘 입자 중의 대부분을 차지하는 고원생대-시생대, 쥬라기, 백악기, 트라이아스기 저어콘의 비중은 상술한 바와 같이 층서에 따라 변화한다. 전반적으로는 층서 상 상부로 가면서 전기 쥬라기 저어콘이 감소하고 중기 쥬라기 저어콘의 비중이 증가하며, 고원생대-시생대 저어콘의 비중은 감소하는 경향을 보인다(표 4). 그리고 후평동층, 점곡층, 사곡층이 퇴적되는 동안 후기 트라이아스기 저어콘의 공급이 증가했다가 감소하는데, 사곡층 시료 중 180828-5에서 후기 트라이아스기 저어콘의 비중이 가장 높다. 쥬라기 화강암은 영남육괴를 비롯한 한반도에 널리 분포하며, 하양층군의 북부 경계부에 전기 쥬라기 화강암이, 그보다 북쪽에 중기 쥬라기 화강암이 분포한다(Kee et al., 2010). 따라서 상부로 갈수록 중기 쥬라기의 저어콘이 증가하는 것은 의성소분지의 배수유역이 확장되면서 중기 쥬라기 화강암으로부터의 퇴적물 공급이 증가하는 것으로 해석할 수 있다.

Table 4.

Summary for detrital zircon age distribution (discordance < 15%) of the Hayang Group in the Euisong and northern Milyang subbasins.

후기 트라이아스기 저어콘은 이를 공급할 수 있는 후기 트라이아스기 화강암이 경상분지 서쪽 영남육괴에 분포(Kim et al., 2011 and references therein)하고 있기 때문에 후기 트라이아스기 저어콘이 영남육괴 서부로부터 공급되었을 가능성이 있다. 그러나, 의성소분지의 고수류 측정 결과(Chough and Sohn, 2010 and references therein)에 따르면, 하양층군 퇴적물은 초기에는 기원지인 영남육괴로부터 남쪽 또는 남동쪽으로 공급되지만 후기에는 북동쪽으로부터 공급되는 것으로 나타난다. 따라서 의성소분지의 북동쪽에 트라이아스기 저어콘을 공급할 수 있는 암석을 찾아보면, 현재 지표에 노출된 암체 중 가장 큰 영덕화강암이 있으며, 영덕화강암은 하양층군의 퇴적 당시 고지대를 형성하고 의성소분지의 북부인 영양소분지로 퇴적물을 공급하였던 것으로 추정되었다(Lee, 2009). 그러나 영덕화강암은 전기 트라이아스기인 약 253~247 Ma에 생성(Yi et al., 2012; Kang et al., 2018)되었기 때문에 후기 트라이아스기 저어콘의 기원암으로는 볼 수 없다. 또한 영덕화강암 인근에 분포하는 다른 트라이아스기 화강암으로 홍색화강암(Kang et al., 2018)이나 청송화강암(Cheong and Kim, 2012)이 존재하나 각각 약 242 Ma, 약 203 Ma에 생성되었기 때문에 함안층의 일부 저어콘을 제외한 의성소분지 하양층군 사암에 함유된 트라이아스기 저어콘들의 기원지로 보기에는 오래되거나 젊다. 그러므로 현재 한반도에 노출된 암석 중에서 의성소분지 하양층군에 후기 트라이아스기 저어콘을 공급할 수 있는 더 적합한 기원지 후보가 존재할 가능성이 있으며, 이를 해석하기 위해서는 다른 접근이 필요하다.

영양소분지의 동화치층과 기사동층은 처어트 역을 함유하고 있는데, 이 처어트 역에서는 동아시아의 후기 쥬라기 부가복합체(accretionary complex)에 나타나는 방산충 화석이 발견되며(Kamata et al., 2000; Mitsugi et al., 2001), 이에 따라 하양층군 퇴적물의 기원지에 일본의 부가복합체가 포함되는 것으로 여겨진다. 그리고 의성소분지 후평동층의 하부 층원인 구미동층원에서도 역시 처어트 역이 발견되는 것으로 알려져 있다(Mitsugi et al., 2001). 따라서 이 연구에서 나타나는 저어콘 연대 분포는 일본으로부터의 퇴적물 유입 가능성을 고려하여 해석해야 한다.

이 연구의 분석 결과를 영남육괴 및 일본 중생대 퇴적물들과 MDS (multidimensional scaling; Vermeesch, 2013, 2018) 지도를 이용하여 비교하였다(그림 3). MDS는 기존에 쇄설성 저어콘 연대 분포를 통계적으로 비교하기 위해 쓰이던 방법인 K-S (Kolmogorov-Smirnoff) 테스트의 단점을 보완한 통계 분석 방법으로, 주성분분석(principal component analysis)에 기반한다(Vermeesch, 2013). MDS는 각 시료간의 유사도를 시료 간의 상대적인 거리로 변환하여 나타내며, 그렇기 때문에 어떤 시료들과 함께 비교했느냐에 따라서 같은 시료 간의 위치와 거리도 달라진다. 저어콘 연대분포가 유사한 시료일수록 가깝게 위치하며, 유사도가 떨어질수록 멀리 위치한다. 이때 MDS 지도에서 보이는 x, y 축은 각 시료들의 상대적인 좌표를 표시하는 축이며, 축 자체가 의미를 가지지는 않는다.

Fig. 3.

MDS (multidimensional scaling) map for detrital zircon ages of the Hayang Group in the Euiseong subbasin, northern Sindong Group (Choi et al., under review), and Japanese Mesozoic sediments (Okamoto et al., 2004; Aoki et al., 2012, 2014; Kawagoe et al., 2012; Fujisaki et al., 2014). K: Kanmon Group, M: Mino Terrane, T: Tetori Group, S: Sambagawa Belt, N: Nakdong Fm., H: Hasandong Fm., J: Jinju Fm., SG: Sindong Group (total).

그림 3은 이 연구에서 분석한 의성소분지 및 밀양소분지 하양층군 사암 시료들의 쇄설성 저어콘 연대 분포를 신동층군 북부 사암시료(Choi et al., under review) 및 일본의 중생대 부가복합체 및 육상분지 퇴적물(Okamoto et al., 2004; Kawagoe et al., 2012; Aoki et al., 2012, 2014; Fujisaki et al., 2014)과 비교한 MDS 지도이다. 백악기 당시 한반도와 일본에서 의성소분지에 퇴적물을 공급하였을 유역이나 그 유역 내에 노출된 암석들을 일일이 추정하기는 현실적으로 어렵다. 따라서 의성소분지 퇴적 직전까지 영남육괴로부터 퇴적물을 공급받았던 신동층군의 북부 낙동층, 하산동층, 진주층 사암의 쇄설성 저어콘 연대 분포가 영남육괴로부터의 퇴적물 공급을 대표하고, 마찬가지로 당시 일본에서 퇴적된 퇴적물들의 저어콘 연대 분포가 일본으로부터의 퇴적물 공급을 대표한다고 가정하였다.

의성소분지 하양층군 사암의 저어콘 연대 분포는 MDS 지도상에서 층서를 따라 변화를 보이는데, 점곡층을 중심으로 두 번의 큰 변화를 나타낸다(그림 3). 먼저 일직층과 후평동층은 신동층군, 그 중에서도 낙동층의 저어콘 연대 분포와 가장 유사한 것으로 나타나며, 이는 의성소분지 하양층군 퇴적 초기에는 여전히 신동층군과 같이 영남육괴로부터 주로 퇴적물을 공급받았음을 의미한다. 후평동층 퇴적 이후 쌓이는 점곡층 퇴적물의 저어콘 연대 분포는 일본 서남부에 위치한 Sambagawa Belt의 저어콘 연대분포와 가장 유사하게 나타난다. 이는 일본으로부터의 퇴적물 공급이 있었다는 기존 연구들과 잘 일치하는 결과이나, 처어트 역이 나타나는 후평동층 보다는 점곡층이 더 유사하게 나타난다는 점은 다르다.

점곡층 이후에 퇴적된 사곡층과 춘산층은 뚜렷하게 어느 한 곳과 유사한 것으로 나타나지 않으나, 일본의 Kanmon Basin과 신동층군 사암의 중간에 위치하여 일본과 영남육괴 양쪽으로부터 모두 퇴적물을 공급받았을 가능성을 보여준다. 그림 3에 사용된 Kanmon Basin 사암의 저어콘 연대 분포는 선캠브리아기 저어콘을 포함하지 않는 것이 특징(Aoki et al., 2014)으로, 사곡층, 춘산층, 함안층 사암에서 중생대 저어콘이 고원생대 저어콘보다 많은 점이 반영되어 신동층군과 Kanmon Basin의 중간에 위치된 것으로 생각된다. 반면 반야월층은 Sambagawa Belt와 Kanmon Basin의 중간 지점에 위치하여, 주로 이들로부터 퇴적물이 공급되었을 가능성을 보여준다. 특이한 점은 영남육괴로부터의 퇴적물 공급 정도가 퇴적환경과 연관되어 있는 듯한 모습을 보인다는 점이다. 하천-충적평야 환경인 일직층, 후평동층은 주로 영남육괴로부터 퇴적물을 공급받았고, 사곡층, 함안층, 춘산층은 영남육괴와 일본 양쪽으로부터 퇴적물을 공급받은 반면, 호수 환경인 점곡층과 반야월층은 주로 일본으로부터 퇴적물을 공급받았다. 이로 보아 퇴적환경의 변화가 퇴적물의 기원지 변화에 어느 정도 영향을 미쳐서, 호수 환경 보다 상류인 하천-충적평야 환경이 영남육괴로부터 퇴적물을 더 많이 공급받았을 것으로 생각된다.

일본 방향에서 퇴적물이 공급되기 위해서는 경상분지 동부가 융기되어야 하며, 이 원인은 두 가지로 생각할 수 있다. 우선 일본지역의 광역적 융기에 의해 고지대가 형성되어 퇴적물 공급이 일어났을 가능성이 있다. 예전부터 후기 중생대에 동아시아대륙 경계부에 해안을 따라 산맥이 존재하였다는 가설이 존재하였다(Okada, 2000). 또한 후기 백악기에는 고태평양판의 섭입에 의하여 동아시아 대륙 경계 일대에 광역적인 융기가 일어났다는 보고들도 있다(Choi and Lee, 2011; Matthews et al., 2012; Song et al., 2014; Zhang et al., 2015). 그러나, 일본의 부가체가 융기되었다고 알려진 시기는 약 95~80 Ma (Choi and Lee, 2011; Song et al., 2014 and references there-in)로 구산동응회암의 분출시기 이후이므로, 점곡층과 사곡층이 퇴적된 시기와는 맞지 않는다. 따라서 고태평양판의 섭입과 관련한 융기에 의해 점곡층과 사곡층으로 일본 퇴적물이 유입된 것은 아닐 것이다.

경상분지 동부에 고지대가 형성될 수 있는 다른 가능성은 Chough and Sohn (2010)에 의해 언급된 경상 화산호의 형성이다. 이 논문은 구산동응회암이 분출하기 전인 약 100 Ma 또는 그 이전에 경상분지 동부에 화산호가 발달하여 고지대를 이루고 있었으며, 이 고지대의 형성과 성장에 의하여 하양층군 퇴적물이 북서쪽으로부터 유입되었을 것으로 추정한다. 실제로 후평동층에서 110 Ma에 생성된 저어콘 입자가 등장한 이후 구산동응회암의 하부 퇴적층인 점곡층, 사곡층, 함안층에서 110~100 Ma에 생성된 저어콘 입자가 10% 내외로 포함된다. 구산동응회암 분출 이후 퇴적된 춘산층과 반야월층의 백악기 저어콘의 비중을 보면, 춘산층은 구산동응회암 분출 이전과 유사한 비율이나 반야월층은 전체 저어콘의 38%를 백악기 저어콘이 차지하며, 100 Ma 이후에 생성된 저어콘도 12%가 포함된다. 고수류 방향을 고려하면, 이 연구에서 나타나는 저어콘 연대분포는 경상분지의 동부에 110~100 Ma 동안 화성활동이 있었음을 나타낸다. 그러나 반야월층을 제외한 하양층군 퇴적물들이 함유한 백악기 저어콘이 10% 내외임을 고려하면, 반야월층 퇴적 이전까지는 화산호에서 직접 화산물질이 공급되기 보다는 고지대를 형성하여 인근의 일본 퇴적물이 서쪽으로 운반 퇴적되도록 하는 역할이 더 컸던 것으로 여겨진다. 만일 그렇다면, 이 화산호는 의성소분지에 저어콘을 공급한 일본 퇴적물보다 더 해양에 가까운 곳에 위치했을 것이다. 또한 이 경우 기원지 변화는 광역적 규모로 일어났을 것으로 추정되므로, 이러한 양상을 영양소분지와 밀양소분지를 포함한 하양층군 전체의 기원지 연구를 통하여 확인할 필요가 있다.

6. 결 론

경상분지 하양층군의 기원지 변화를 통해 당시 한반도의 지구조환경에 대한 정보를 알아보고자 의성소분지 하양층군 사암들과 의성소분지 경계부에 분포하는 밀양소분지 사암들의 쇄설성 저어콘 연대를 측정하였다. 8개 사암시료에서 총 800점의 저어콘 연대측정 결과 671점의 일치연대를 얻었으며, 일치연대의 분포 범위는 2941~96 Ma이다. 사암 시료들이 함유하고 있는 저어콘은 대부분 고원생대-시생대, 트라이아스기, 쥬라기, 백악기에 생성되었으며, 일부 고생대, 신원생대, 중원생대 저어콘 또한 존재한다.

가장 젊은 저어콘 연령으로부터 점곡층, 사곡층, 반야월층의 최대퇴적시기를 각각 105, 100, 96 Ma로 제한할 수 있고, 이는 기존 연구 결과와 잘 일치한다. 또한, 구산동응회암과의 관계를 이용하여 사곡층의 퇴적시기를 100~97 Ma로 추정할 수 있다.

의성소분지와 밀양소분지의 쇄설성 저어콘 연대분포를 신동층군 북부 퇴적물과 일본의 중생대 퇴적물과 비교한 결과, 시간이 지남에 따라 기원지의 변화가 있었음을 알 수 있었다. 의성소분지 하양층군 퇴적 초기에는 주로 영남육괴로부터 퇴적물이 공급되었고, 이후에는 일본으로부터도 퇴적물이 공급되었으며, 점곡층이나 밀양소분지의 반야월층과 같이 일본으로부터의 퇴적물 공급이 주를 이루는 시기도 있었다. 이는 사곡층이 퇴적되는 100 Ma 이전에 경상분지 동부에 110~100 Ma 사이에 일어난 화성활동에 기인한 고지대 형성으로 기원지의 변화가 일어났을 가능성을 의미한다.

Acknowledgments

이 연구는 2019년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원(NRF-2017R1C1B1007653)을 받아 수행된 기초연구사업입니다. 이 연구에서 수행된 실험은 조선대학교 에너지자원공학과 학부생 유건모, 이준혁, 양영준, 이혜미의 도움을 받았습니다. 심사 중 좋은 의견을 주신 두 익명의 심사위원들께 감사드립니다.

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