제주도 서귀포 해안의 지질(1): 용암류의 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대 및 화산활동

1. 서 언

서귀포시 토평동 거믄여(그림 1의 지명 설명 A) 일대에서 서귀포항을 지나 삼매봉(해발 153 m) 서쪽 호근동 돔배낭골(M)까지 약 7 km의 해안은 때로 주상절리가 발달한 수십 m 높이의 절벽 지형을 이룬다. 또한 소정방폭포(B), 정방폭포(C), 소남머리(D), 자구리(E), 서귀포층 표식지(G), 천지연폭포(I), 외돌개(L), 하논분화구(N) 등 다양한 지질자원과 수려한 자연경관을 기반으로 제주올레길 제7코스가 개설되어 있을 뿐 아니라, 천지연폭포와 서귀포 패류화석층은 제주도 세계지질공원에 포함되어 있는 관광명소이기도 하다(그림 1).

Fig. 1.

The location of sampling sites and geologic distribution map of the studied area, Jeju Island. In legend, numbers indicate the lower and upper limit of Ar-Ar age (ka) of lava flow units. Note the further study is need to define the stratigraphic relationship between sedimentary formations (? mark) and Jeongbang s.f., Saengsugwe s.f., and Songsandong C. can't be shown on the map due to tiny outcrops below lava flow units. Abbreviation: Lf-Lava flow unit, W-West, E-east, s.f-sedimentary formation, C-Conglomerate. Name of Locations: A-Geomeunyeo, B-Sojeongbang Falls, C-Jeongbang Falls, D-Sonammeori, E-Jaguri, F-Saeseom (Islet), G-Type locality monument of Seoguipo Formation, H-Saengsugwe, I-Cheonjiyeon Falls, J-Sammaebong, K-Hwanguji, L-Oedolgae, M-Dombaenanggol, N-Hanon. The contours are in meters.

거믄여(혹은 검은여)는 서귀칼호텔 남쪽 해안지대를 말한다. ‘여’는 썰물일 때는 드러나고 밀물일 때는 물에 잠기는 바위, 또는 물속에 잠겨 보이지 않는 바위 등을 이르는 제주어로서, 거믄여는 파호이호이 용암류 말단 지형으로 전체가 검다는 뜻에서 붙여진 명칭이다. 길이 약 220 m, 두께 약 2~3 m로 남동쪽으로 감에 따라 넓어져 위에서 보면 마치 거인의 발바닥과 같은 모양이다. 용암류의 표면은 절리면을 따라 차별적으로 깊이 침식되어 마치 빙하지대에 균열을 따라 만들어진 크레바스와 유사하다. 돔베낭골은 ‘돔베(부엌에서 쓰는 도마)’, ‘낭(나무)’ 그리고 ‘골(골짜기)’로 이루어진 제주어이다. 돔베낭은 동백나무를 일컫는데, 이 지역의 해안 길은 동백나무 수림지로 이루어져 있다. 약 600 m 길이의 해안을 따라 약 5~10여 m 높이의 해안절벽에 다양한 형태의 주상절리, 타포니, 해식동굴, 그리고 수많은 크고 작은 먹돌(조약돌)이 분포한다.

지질명소 중 서귀포 패류화석층은 1968년 천연기념물 제195호로 지정·보호되고 있는 지층으로서, Yokoyama (1923)가 패류화석 감정을 통해 상부 플라이오세 지층으로 추정한 이래, 지난 100여 년 간 고생물과 퇴적상(예, Kang, 1995; Yi et al., 1998; Sohn and Park, 2004; Yoon and Chough, 2006; Sohn and Yoon, 2010), 자기층서(Kim and Lee, 2000), 지하 분포상태(예, Koh, 1997; Son et al., 1998; Oh et al., 2000) 등 여러 분야에서 연구가 수행되어 지질시대(1.88~0.73 Ma; Kim and Lee, 2000)와 구성암상 및 퇴적환경이 소상하게 밝혀졌다.

그러나, 서귀포층 표식지를 피복한 용암류와 문섬과 섶섬 조면암의 연구를 제외하면, 서귀포시 중심지의 해안을 따라 분포하는 용암류에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 특히, 서귀포층 내 여러 지점에서 관찰되는 관입암에 대해서는 지금까지 보고된 바 없으며, 서귀포층을 피복한 용암류는 다양한 용암층명으로 기재되어 혼란이 초래되고 있다. 즉, 이 용암류는 서귀포조면암(Won, 1976; Kim and Lee, 2000), 서귀포하와이아이트(Lee, 1982; Tamanyu, 1990; Kang, 1995; Son et al., 1998) 혹은 서귀포조면현무암(Yoon et al., 1995), 서귀포조면안산암(Min et al., 1986; Lee et al., 1988) 그리고 천지연조면안산암(Park et al., 2000a)으로 기재되었다. 연구자에 따라 육안적인 암석기재와 암석성분에 의한 분류를 혼용하여 각각 다른 명칭으로 기재한 결과라 할 수 있다. 특히 이 용암층에서 측정된 K-Ar 연대(0.41±0.01 Ma; Lee et al., 1988)는 지금까지도 서귀포층 퇴적 시기의 상한을 정하는데 인용되고 있다.

제주도 화산활동의 시작과 더불어 퇴적되기 시작한 서귀포층이 노출된 표식지 주변에 분포하는 용암류의 분출 시기를 밝히는 것은 지하 분포 서귀포층을 피복하는 용암류의 암석 성분 및 분출 시기 대비는 물론 제주도 화산층서 정립에 중요한 정보가 될 것이다. 또한 지금까지 전혀 보고된 바 없는 서귀포층 표식지 내 관입암과 주변 지표에 분포하는 용암류와의 관계를 비롯하여 외돌개를 포함한 천지연폭포 및 정방폭포를 이루는 용암류의 분출시기 등에 관한 정보는 이들 지질자원의 가치를 높이는데 기여할 것으로 생각된다.

상기와 같은 점들을 감안하여 서귀포시 토평동 거믄여에서 서귀포항을 지나 호근동 돔배낭골까지 약 7 km 해안 지형의 지질에 대해 문헌조사 및 야외지질조사를 수행하였다. 1:50,000 서귀-하효리 도폭(Park et al., 2000a)에서 명명되고 분류된 기존의 용암류 및 퇴적층에 대한 기재와 접촉관계, 분포 범위도 검토하였다. 용암류와 퇴적층의 분포, 용암류의 암석기재, 전암 주성분 및 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대에 근거하여 용암류를 분류하고, 층서를 설정하였으며 이 지역의 화산활동에 대해 고찰하였다. 이 지역 퇴적층과 관련된 논문은 별도로 준비 중 임을 밝힌다.

2. 지질개요

서귀포시 토평동 거믄여에서 서귀포항을 지나 호근동 돔배낭골까지 해안을 따라 분포하는 용암류에 대해 도폭에는 하부에서부터 상부로 감에 따라 ‘소정방현무암질조면안산암’, ‘정방동조면안산암’, ‘천지연조면안산암’, ‘대포동조면현무암’, ‘시오름조면현무암’, ‘한라산조면암’으로 구분하였으며, 이들 용암류는 국지적으로 분포하는 ‘서귀포층’, ‘남성리응회암’, ‘송산동역암’을 피복하는 것으로 해석하였다.

3. 연구방법

제주특별자치도 공간포털을 통해 제공되는 6~70년대에 촬영된 흑백 항공사진은 용암류의 노출 상태를 비교적 선명하게 확인할 수 있는데, 이를 이용하여 해안을 따라 분포하는 용암류의 분포 범위를 추정하였으며, 간조기 동안 해안을 따라 조사하고 분석시료를 채취하였다. 한편, 서귀포 항구에서 서북서쪽으로 약 6.3 km 내륙에 위치한 엉또폭포(서귀포시 강정동 5628)를 구성하는 용암류는 아직까지 그 지질 특성이 보고된 바 없으므로 이번 연구에 추가하여 보고하였다.

용암류 시료(표 1)의 박편 제작, 전암 주성분원소의 화학분석을 위한 분말시료 제작 및 X-선 형광분석(XRF)은 한국지질자원연구원에서 이루어졌다(표 2). 전암 분석치 중 철의 함량은 Fe₂O₃^t로 나타내었으며, 주성분원소 분석치는 변화도에 적용하기 전 산화비를 고려하여 Fe₂O₃/FeO비를 임의적으로 정하고 철의 총 함량으로부터 Fe₂O₃와 FeO값을 각각 재계산한 다음 다른 모든 주성분 산화물의 값과 합하여 물이 없는 상태의 백분율로 재계산한 후 분류도에 적용하였다. 이때 임의의 Fe₂O₃/FeO비는 Middlemost (1989)의 조면안산암에 해당하는 0.4로 하였다. 이렇게 계산되어 분류된 용암류의 암석성분명이 0.35(현무암질 조면안산암) 혹은 0.45(조면암)의 비를 적용했을 경우에도 변화가 없음을 확인하였다.

Table 1.

Sample location of volcanic rocks in the study area, Jeju Island.

Table 2.

Major (wt%) element abundances of volcanic rocks in the studied area, Jeju Island.

또한, 용암류(전암 석기)의 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대는 미국 오리곤 주립대학교 Argon Geochronolgy Lab의 ARGUS VI 모델(Thermo Scientific)의 다검출기 불활성기체 질량분석기로 분석되어 ArArCALC v2.5.2 전산프로그램(Koppers, 2002)에 의해 계산되었다. 자세한 시료 준비, 장비 및 분석 방법은 실험실의 웹사이트(http://geochronology.ceoas.oregonstate.edu/)에서 확인할 수 있다. ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대 자료(표 3)는 플래토(plateau) 연대, 정등시선(normal isochron) 연대, 역등시선(inverse isochron) 연대를 제공하고 있지만, 해석에서는 과잉 아르곤의 영향을 배제할 수 있는 연대인 플래토 연대를 이용하였다(Schaen et al., 2021).

Table 3.

Result of 40Ar-39Ar age dating of volcanic rocks in the studied area, Jeju Island.

4. 연구결과

연구 지역의 층서를 그림 1와 같이 제안한다. 용암류와 퇴적층간의 접촉관계 및 용암류의 암상과 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대에 따라 층서를 정하고 서귀포항을 기준으로 서쪽(W)과 동쪽(E)으로 구분하였다. 용암류(Lava Flow, Lf)의 명명은 지명이나 암석명을 대신하여 임시적으로 분류하였음을 밝힌다.

연구 지역에 분포하는 용암류의 SiO₂ 함량은 51.4~58.8 wt%, Na₂O+K₂O 함량은 5.8~9.7 wt%로 알칼리 계열의 현무암질 조면안산암 내지 조면안산암에 해당하는데, 조면안산암의 조성을 가진 용암류가 우세하다(그림 2). 엉또폭포를 구성하는 용암류(S-028)는 조면암(SiO₂ 함량은 60.6 wt%, Na₂O+K₂O 함량은 9.3 wt%)에 해당한다.

Fig. 2.

(Na2O+K2O) (wt%) vs. SiO2 (wt%) plot of the volcanic rocks in the studied area, Jeju Island. The fields show rock nomenclature schemes of Le Maitre et al. (2002) with thick solid line from Macdonald and Katura (1964), dividing alkalic rocks from sub-alkalic rocks. Abbreviation: ThB-tholeiitic basalt, AB-alkali basalt; TB-trachybasalt; BTA-basaltic trachyandesite; TA-trachyandesite, T-trachyte. The symbol is the same as in Figure 1 and black diamond represents trachyte from Eoengtto Falls.

SiO₂ 함량 변화에 따른 주성분원소의 변화를 검토하였다(그림 3). SiO₂ 함량이 증가함에 따라 Al₂O₃함량 변화(15.9~18.7 wt%)는 특이한 경향성을 나타내지 않은 반면, TiO₂ (2.5~0.9 wt%), Fe₂O₃^t (11.1~5.3 wt%), MgO (4.0~0.8 wt%), CaO (7.2~3.2 wt%), P₂O₅ (1.0~0.2 wt%)의 함량은 감소하고, 반면 Na₂O (3.8~5.8 wt%), K₂O (2.0~3.9 wt%)의 함량은 증가하는 경향성을 보인다. 이러한 성분 변화는 감람석, 단사휘석, Fe-Ti 산화광물 및 사장석의 분별정출에 의해 영향 받았음을 지시한다, 특히 현무암질 조면안산암 성분 이후 조면암까지 P₂O₅ 함량의 감소는 분별정출과정에서 인회석의 정출이 수반되었음을 나타낸다. 이러한 분별정출과정의 추정은 이들 용암류가 동원 마그마로부터 유래되었을 경우를 전제로 한다.

Fig. 3.

Major oxides (wt%) vs. SiO2 (wt%) variation diagram of the volcanic rocks in the studied area, Jeju Island. The symbol is the same as in Figure 1 and black diamond represents trachyte from Eoengtto Falls.

그림 4는 대표시료에 대해 단계별 가열(incremental heating)에 따른 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대 스펙트럼으로부터 얻어진 시료별 플래토 연대를 나타낸다. 연구 지역 내 분포하는 용암류의 연대는 437.5±3.2 ka (S-016)에서 107.4±1.5 ka (S-05)를 나타내어, 약 43만 8천 년 전에서 약 10만 7천 년 전 사이에 화산분화가 있었음을 지시한다.

Fig. 4.

40Ar-39Ar absolute age results of the volcanic rocks (groundmass) in the studied area, Jeju Island. (a) (sample ID#) S-6 (Lf-1a-W). (b) S-9 (Lf-1a-E). (c) SGF-D (Lf-1b-W). (d) S-29 (Lf-1b-E). (e) S-24 (Lf-2-E). (f) S-23 (Lf-3a-E). (g) S-4 (Lf-3b-E). (h) S-28 (trachyte from Eoengtto Falls).

엉또폭포 조면암(S-028)의 연대는 826.3±3.0 ka 로서, 서귀포 일대 육상에서 보고된 연대 중 인접한 각수바위 조면암(K-Ar 연대, 917±28~893±27 ka, Lee et al., 1994; ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대, 799±6 ka, Koh et al., 2013)과 함께 가장 오래된 암석 연대를 제시한다.

4.1 퇴적층

4.1.1 서귀포층

서귀포층의 유래는 서귀포항 서쪽 해안가에 패류화석을 많이 포함한 지층을 Haraguchi (1931)가 ‘Seikipo Formation’이라 명명한데서 기원하였다. 이 층은 30 여 m 높이로 약 1 km 지역에 걸쳐 지상에 노출되어 있다(그림 5). 육상에 노출된 서귀포층은 암상, 퇴적구조, 침식경계면, 생물교란 및 화석 포함 여부 등에 따라 10개의 화석포함층 단위와 4개의 화석비포함층 단위로 구분된다(Yoon and Chough, 2006).

Fig. 5.

Field photographs of Seogwipo Formation. (a) Lower part. (b) Upper part near Hwangryong Temple. (c) Folded layers at the bottom of Cheonjiyeon Falls.

이 연구에서는 기존 보고된 지층 기재 내용 이외에도 노두의 여러 부분에서 용암류-1b-W에 의해 관입되어 있음과 함께 단층도 발달하고 있음을 보고한다.

최근 빈번해진 태풍과 낙석 붕괴 위험에 대한 안전 조치로써 서귀포층의 분포지 노두에 대해 일반인의 접근을 금지하고 있다.

4.1.2 정방퇴적층

정방퇴적층은 최근 정방폭포의 서쪽 해안에 분포하는 용암류의 지속적인 암반 붕괴로 인해 그 분포 범위가 점차 넓게 확인되고 있으며, 간조 시 3~5 m 두께로 노출된다(그림 6a). 준고결 내지 미고결 퇴적층으로 쉽게 부스러지며, 황갈색 내지 담갈색의 점토질 역암층 및 사질 역암층으로 구성되어 있다. 용암류-1b-E에 의해 피복되었다. 도폭에서는 서귀포층과 동일한 것으로 기재하고 있으나, 이 연구에서는 각각의 퇴적층을 피복하는 용암류의 암석성분(용암류 설명 참조)이 서로 다르므로 정방퇴적층으로 분리해 기재하였다. 노출된 부분은 퇴적층의 상부 일부분으로 추정되지만 향후 서귀포층과의 암층서 대비 등 보다 상세한 연구가 필요하다.

Fig. 6.

Field photographs of sedimentary layers. (a) Jeongbang sedimentary formation. (b) Songsandong Conglomerate. (c) Saengsugwe sedimentary formation.

4.1.3 남성리응회암

도폭에서 최초 명명되었으며 서귀포시 삼매봉 남쪽 황우지 해안에 20~30 m의 두께로 노출된 해안절벽 단면이 표식지이다(그림 7). 남성리응회암은 이 지역 이외에서 확인되지 않아 국지적으로 분포하는 것으로 해석되며 동측으로는 서귀포층이 인접한다. 준고결의 현무암질 화성쇄설층으로 회색 내지 황갈색을 띠며 화산회, 화산력, 그리고 화산암괴로 구성되어 있다. 완만한 경사의 층리가 잘 발달해 있으며 국부적으로 저각도 사층리와 역점이층리를 보이기도 한다. 여러 개의 소규모 단층 구조가 발달하며(그림 7a), 용암류-1a-W에 의해 관입되거나 피복되었다(그림 7b, 7c).

Fig. 7.

Field photographs of Namseongri Tuff. (a) Blocky lapilli tuff with various fractures. (b) and (c) Dike intrusions of Lf-1a-W.

남성리응회암은 서귀포층이 퇴적된 이후 천해환경에서 만들어진 수성화산체의 산물인 것으로 해석되었다(Kim, 2022).

4.1.4 송산동역암

도폭에서 최초 명명되었으며 서귀포시 서귀동 소남머리 해안에 길이 약 40 m, 두께 3~5 m로 노출된 지역이 표식지이다(그림 6b). 준고결 내지 미고결의 역암층으로 용암류-3b-E에 의해 피복되는데, 최근 낙석 방지를 위한 석축공사로 노출지 전체가 가려져 더 이상 관찰할 수 없다.

4.1.5 생수궤퇴적층

천지연 계곡 입구 용천이 있는 작은 동굴인 ‘생수궤’ 내부 용암류-3b-E 하부에 소규모로 노출된 퇴적층(그림 6c)으로 도폭에는 송산동역암에 대비되는 것으로 기재되었다. 비록 송산동역암과 비슷한 고도에 분포하지만, 분포위치와 피복되는 용암류가 서로 달라서 이 연구에서는 구분하여 기재하였다.

4.2 용암류

4.2.1 용암류-1a

용암류-1a는 용암류 단위(lava flow unit) 전체가 치밀하며 비현정질 용암류로서, ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대가 437.5 ±3.2 ka (S-016)에서 431.1±3.0 ka (S-015)의 화산분화로 형성된 용암류이다. 용암류의 SiO₂ 함량은 51.4~56.5 wt%, Na₂O+K₂O 함량은 6.7~8.9 wt%인 현무암질 조면안산암 내지 조면안산암에 해당한다.

서귀포항 서쪽의 용암류-1a-W가 분포하는 삼매봉 남쪽 서홍동 외돌개-황우지 해안은 서쪽에서부터 언뱅이안여, 도라간여, 서너분덕, 쇠머리코지, 외돌개, 무근덕, 우두암, 기차바위, 동너븐덕, 신선바위, 선녀탕, 황우지 12 진지동굴 등 다양한 이름이 붙여진 해안경승지로서 길이 약 2 km, 높이 20~30 m의 해안절벽 지형이다. 특히 외돌개(명승 제79호)는 높이 20여 m, 폭 약 7~10 m의 돌기둥으로 해식작용에 의해 만들어진 시스택이다. 비현정질인 이 지역의 용암류는 조면안산암으로 수십 m의 단일 용암류 단위로 다양한 형태의 주상절리대 및 해식지형을 이루고 있다(그림 8a, 8b). 한편, 삼매봉 7부 능선부에 수 m의 용암류 단위가 노출된 현무암질 조면안산암인 용암류는 그 표면에 클링커가 발달하고 있는 아아 용암류로써 육상으로 유동되었음을 지시한다. 황우지 해변에서는 1~5 m 두께를 지닌 3개의 암맥으로 남성리응회암을 관입한다(그림 7b, 7c, 8c). 암맥 중 하나는 10~15 cm 크기의 초고철질 맨틀포획암을 포함한다. 또한, 천지연 주차장 서측 계곡에서는 단애를 이루며, 서귀포항 서쪽 새섬 전체는 표면부가 편평한 하나의 용암류 단위로 이루어져 있다. 도폭에서는 ‘천지연조면안산암’으로 기재하였다.

Fig. 8.

Field photographs of lava flow units. (a) Dongbaenanggol seashore. (b) Oedolgae seashore. (c) Hwanguji seashore. (d) Sonammeori seashore. (e) Jeongbang Falls seashore. (f) Geomeunyeo seashore.

용암류-1a-W는 남성리응회암과는 응회암 형성 이후 관입하거나 피복한 관계를 뚜렷하게 나타내지만, 서귀포층과는 접촉면에서 대부분 붕괴된 절벽 지형을 이루고 있어 단절되거나 접근이 불가하여 직접적인 관계 확인이 불가능하다. 한편, 기존 연구자료(Koh et al., 2013) 중 서귀포층 표식지와 인접한 천지연(CHY)공의 해발 (-)112 m 지점에서 서귀포층 중간 부분을 관입한 용암류는 현무암질 조면안산암이며 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대는 437±15 ka으로서 용암류-1a에 해당한다.

서귀포항 동쪽의 용암류-1a-E는 현무암질 조면안산암이다. 소남머리 동측에 독립적인 주상절리대로 해안절벽지형을 이루고 있다(그림 8d). 또 소정방폭포에서는 하부 용암류 단위로 간조 때 두께 약 5 m, 길이 20여 m로 노출되지만, 해수면 아래의 두께는 정확히 알 수 없다(그림 8e, 8f). 사장석과 케어슈타이트(kaesutite) 반정(혹은 미반정)이 매우 드물게 산점으로 관찰된다. 도폭에서는 ‘소정방현무암질조면안산암’으로 기재하고 있다.

4.2.2 용암류-1b

용암류-1b는 용암류 단위 전체가 치밀하며 비현정질 용암류로서, ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대가 429.9±4.4 ka (S-029)에서 427.3±1.4 ka (S-03)의 화산분화로 형성된 용암류이다. 서쪽의 용암류-1b-W는 SiO₂ 함량 55.0~58.8 wt%, Na₂O+K₂O 함량 8.4~9.7 wt%인 조면안산암에 해당하는 반면, 동쪽의 용암류-1b-E는 SiO₂ 함량 52.8 wt%, Na₂O+K₂O 함량 7.3 wt%인 현무암질 조면안산암에 해당한다. 즉 서귀포층을 피복하는 용암류의 조성은 조면안산암인 반면, 정방퇴적층을 피복하는 용암류는 현무암질 조면안산암으로서 그 조성이 다르다.

서귀포항 서쪽의 용암류-1b-W는 서귀포층을 관입하거나 이를 피복하여 분포한다(그림 8c). 서귀포층 표식지의 해안선을 따라 여러 곳에서 서귀포층 내 소형의 관입체 형태로 노출되어 있다. 주를 이루는 용암류는 황우지 해변에서 서귀포층을 관입하는 암맥으로 지표로 노출된 이후 동쪽으로 유동되어 서귀포층의 최상위를 덮으며 아아 용암류로서 분포한다. 현재 해수면 위에서 최초 서귀포층과 접하는 부분에서는 다양한 형태의 페퍼라이트 조직(peperitic texture)을 이루고 있는 것으로 미루어(그림 9a, 9b) 관입 당시 비교적 물기를 많이 가지고 있는 서귀포층을 관입했었음을 짐작할 수 있다(Martin and Nemeth, 2007). 이후 지속적인 용암류의 공급과 유동 이후 냉각되는 동안 만들어진 주상절리대가 발달한다. 또한, 용암류의 가장 앞부분 하부 바닥은 용암류의 유동 시 만들어진 자파쇄 각력과 분석층이 서로 혼합되어 화산성 퇴적층을 이룬다(그림 9c). 이런 암상으로 미루어 이 용암류가 유동될 당시 인근 지역(삼매봉으로 추정)에서 스트롬볼리형 화산분화가 동시에 소규모로 이루어지고 있었을 것으로 추정된다.

Fig. 9.

Field photographs of Lf-1b-W. (a) Columnar joints at proximal part. (b) Various peperitic texture at the contact with Seogwipo Formation. (c) Breccia and scoria underneath the lava flow at the distal part.

이 용암류의 두 번째 분포지는 천지연폭포의 절벽이다. 이 용암류는 북쪽으로 연장되어 서귀교 다리 하부에서 연외천의 동쪽 절벽 지형으로 이어진다. 도폭에서는 천지연폭포 계곡의 양쪽 일대까지 연장되는 것으로 해석하였다. 이 연구에서는 용암류의 조성과 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대에 근거하여, 동쪽 계곡은 용암류-1b-W 및 용암류-3b-E 로 구분하였으나 아쉽게도 두 용암류의 경계는 확인이 불가능하였다.

서귀포항 동쪽의 용암류-1b-E는 비현정질이며 현무암질 조면안산암이다. 정방폭포 주변의 수십m 두께 단일 용암 절벽지형을 이루고 있으며 용암류-1a-E에 비해 상대적으로 절리 폭의 규모가 큰 주상절리대를 이루고 있다(그림 8d, 8e). 도폭에서는 ‘정방동조면안산암’으로 기재하고 있다. 이 용암류는 하부의 정방퇴적층을 피복한다.

용암류-1a와 용암류-1b간의 접촉관계는 용암류-1a와 서귀포층과의 관계처럼 접촉면에서 대부분 붕괴된 절벽 지형을 이루고 있어, 단절되거나(단층으로 추정) 접근이 불가능하여 직접적인 관계 확인이 곤란하다.

4.2.3 용암류-2

용암류-2는 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대가 239.7±1.9 ka (S-024)에서 194.7±3.1 ka (S-013)의 화산분화로 형성된 용암류이다. 용암류는 SiO₂ 함량 51.6~54.5 wt%, Na₂O+K₂O 함량 6.1~7.3 wt%인 현무암질 조면안산암에 해당한다.

서귀포항 서쪽의 용암류-2-W는 호근동 돔배낭골 동쪽 해안의 최하부에 분포하는 파호이호이 용암류로써 반상휘석장석현무암의 특징을 지닌다. 이 용암류는 파식대에 위치하여 해수면 아래의 두께는 정확히 알 수 없으며(그림 8a), 용암류-3a-W에 의해 피복된다. 도폭에서는 용암류-2-W와 용암류-3a-W 모두 ‘대포동조면현무암’으로 기재되었다.

서귀포항 동쪽의 용암류-2-E는 소정방폭포를 구성하는 상위 용암류 및 거믄여 해안을 따라 소규모 독립적으로 노출되어 분포한다(그림 8f). 특히 이들은 거믄여를 이루는 용암류-3a-E에 비해 상대적으로 더 풍화되어 있다. 소정방폭포에서는 하부 용암류-1a-E와의 경계부에서 미약하게 토양층이 발달한다. 이들 용암류는 용암류 단위 전체가 치밀하며 비현정질 조직이 우세하지만 거믄여 해안에서는 케어슈타이트 반정(혹은 미반정)이 매우 드물게 산점으로 관찰된다. 도폭에서는 ‘정방동조면안산암’으로 기재하고 있다.

4.2.4 용암류-3

용암류-3은 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대가 129.0±2.0 ka (S-023)에서 107.4±1.5 ka (S-05)의 화산분화로 형성된 용암류이다. 용암류는 SiO₂ 함량 54.6~58.2 wt%, Na₂O+K₂O 함량 7.1~8.4 wt%인 현무암질 조면안산암 내지 조면안산암에 해당한다.

서귀포항 서쪽의 용암류-3a-W는 호근동 돔배낭골 해안 최하부의 용암류-2-W를 피복하고 용암단위 전체가 치밀하며 비현정질의 현무암질 조면안산암 내지 조면안산암에 해당한다. 주상절리가 발달한 해안절벽을 이루고(그림 8a) 소규모의 용암동굴이 형성되어 있으며, 동굴에서 용암류가 유출된 흔적도 관찰할 수 있다. 돔배낭골 동쪽 해안에서 작고 볼록한 언덕지형을 이루는데 용암류-1a-W를 용암류-3a-W가 그 주변을 감싸고 유동된 형태를 이루고 있지만, 인접한 해안절벽에서 용암류-1a-W와의 접촉면은 절벽 지형(단층으로 추정)을 이루고 있어 접근이 불가하여 직접적인 관계 확인이 곤란하다(그림 8a). 도폭에서는 ‘한라산조면암’으로 기재하고 있다.

서귀포항 동쪽의 용암류는 생수궤, 자구리-소남머리, 거믄여 일대에 분포한다. 거믄여를 이루고 있는 용암류-3a-E는 다공질 반상휘석장석현무암의 특징을 지니며(그림 8f) 현무암질 조면안산암에 해당한다. 거믄여는 파호이호이 용암류가 유동과정에서 점성 증가에 의해 생겨나는 형태적 변화 즉, 전이형 용암류(transitional lava flow)로 변화된 형태를 볼 수 있다. 도폭에서는 ‘시오름조면현무암’으로 기재하고 있다. 한편 천지연 계곡 동쪽 절벽 입구 일대에 분포하는 용암류-3b-E는 용암류 단위 전체가 치밀하며 비현정질로서 조면안산암에 해당한다. 특히 생수궤에서는 생수궤퇴적층을 피복하며 접촉면에서는 얇은 판상의 절리가 발달한다. 도폭에서는 ‘정방동조면안산암’으로 기재하고 있다. 용암류-1b-W와의 경계는 천지연 계곡의 동쪽 상부는 대부분 절벽을 이루고 있어 접근이 불가하여 확인이 곤란하다.

자구리 일대에 분포하는 용암류-3b-E는 바다 쪽으로 용암채널을 이루기도 하고 반상장석현무암의 특징을 지니며 현무암질 조면안산암에 해당하는데, 이 지역에서 가장 젊은 용암류에 해당한다. 약 2~10 m의 두께로 노출되어 있으며 하부에 송산동역암을 피복하고 있다(그림 8d). 도폭에서는 ‘시오름조면현무암’으로 기재하고 있다.

5. 고 찰

제주도의 용암류 분출을 야기한 화산활동기는 지금까지 발표된 용암류의 연대 자료에 근거하면(Won et al., 1986; Lee, D.Y. et al., 1988; Lee, M.W. et al., 1994; Koh et al., 2013, 2019, 2021a, 2021b; Brenna et al., 2015a, 2015b; Hong et al., 2020; Marsden et al., 2020), 크게 5개 단계로 구분된다(그림 10). 그 중 제주도 남부 서귀포 일대는 화산활동기-I, II, -III, -IV에 해당하는 용암류가 분포하고 있으며, 화산활동기-I, -II, -III 용암류는 매우 간헐적이고 국지적으로 분포하고 있다. 특히, 연구 지역인 서귀포항 주변은 화산활동기-III와 화산활동기-IV 동안 매우 제한적인 시기에 분출한 용암류가 분포하고 있음을 알 수 있다. 비록 지금까지 한라산 중심부 지하를 이루는 용암류의 정확한 연대가 부족한 상태이지만, 제주도 남부 지역에 화산활동기-I부터 화산활동기-III까지 분출한 오래 된 현무암질 용암류가 산발적으로 분포하고, 현무암질 조면안산암에서 조면암에 이르는 분화된 용암류가 해안가를 따라 분포하거나 해안에서 벗어나 독립적인 돔상의 섬(범섬, 문섬, 섶섬) 혹은 오름(엉또폭포 일대를 포함한 고근산 및 각시바위 등)을 이루고 있는 현상은 이 시기 동안 화산체의 중심 분출보다는 지각변동에 수반된 틈새 분출에 의한 화산분화와 용암분출이 주를 이루었음을 지시한다(예, Mackey et al., 2014).

Fig. 10.

Ar-Ar ages (with 2 SD) in the southern part of Jeju Island. (a) This study. (b) Wolrabong & Kunsan Area (Koh et al., 2021b). (c) Data from borehole cores (DOH-05, DH-S and HOG) and Kagsubawi trachyte (Koh et al., 2013). (d) K-Ar ages of Munseom & Seopseom trachyte from Won et al. (1986), Sioreum trachyte from Lee et al. (1994), and trachyandesite from Lee et al. (1988). Abbreviation; VA-I, volcanic activity stage-I (1~0.8 Ma); VA-II, volcanic activity stage-II (0.8~0.5 Ma); VA-III, volcanic activity stage-III (0.5~0.3 Ma); VA-IV, volcanic activity stage-IV (0.3~0.1 Ma); VA-V, volcanic activity stage-V (0.1 Ma~Holocene).

용암류-1이 분출했던 화산활동기-III 동안인 약 44만 년 전에서 약 42만 년 전까지 해수면은 지금에 비해 최대 (-)130 m에서 최소 (-)50 m까지 급하게 변화(해수면 상승)하던 시기에 해당하지만, 여전히 지금보다 상당히 낮은 위치에 해수면이 있었음을 알 수 있다(Bintanja et al., 2005). 서귀포층 표식지의 최상부는 화산쇄설성 삼각주의 퇴적물이 연안류에 의해 다시 운반되어 해안에 집적된 해빈 퇴적층으로 해석(Yoon and Chough, 2006)되는 점에 비추어 당시 서귀포층의 상부는 지표에 노출되었거나 조간대의 환경에 있었을 것으로 추정할 수 있다. 이 시기 동안 화산활동은 제주도 주변에 만들어진 장력 환경에서 퇴적분지의 구조운동과 연관되어 있을 가능성이 있다(예, Park et al., 2000b; Brenna et al., 2015a). 특히 이 연구에서 얻어진 결과와 같이 서귀포항 주변에서 여러 시기의 용암류가 해안을 따라 경계를 이루는 점은 이러한 추정을 가능하게 한다. 그럼에도 불구하고 단층선으로 추정되는 곳은 가시덩굴 식물에 덮여있는 함몰지형 혹은 해안절벽 지형으로 접근이 불가하거나, 용암류에 의해 피복되어 확인할 수 없다. 따라서 이 연구에서는 용암류와 용암류 간, 용암류와 퇴적층과의 접촉관계 및 시추공에서 포착되는 서귀포층의 심도 차이(논문 준비 중) 등을 고려하여 추정된 단층선으로 표기하였다(그림 1).

서귀포층 표식지 주변의 화산분화 과정을 용암류의 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대를 반영하여 추정하면 아래와 같다.

첫째, 장력 환경에서의 정단층이 형성되었고 현 서귀포층 표식지를 포함하는 지역은 단층의 하반이었으며 그 주변 상반 부분은 각 블록마다 고도를 달리하는 마치 꽃 유형의 구조(flower type; Huang and Liu, 2017)를 이루고 있었을 가능성이 있다. 이는 현재 서귀포 주변의 시추공에서 포착되는 서귀포층의 심도가 각각 차별적인 것으로 미루어 추정된다. 둘째, 구조선을 따른 화산활동은 최초 수성화산분화로 남성리응회암이 형성되었으며(Kim, 2022), 이후 계속된 화산활동으로 용암류-1(1a-W, 1a-E, 1b-W, 1b-E)의 분출이 있었다. 용암류-1이 해안선을 벗어난 서귀포 내륙의 시추코어(미발표자료)에서는 발견되지 않는 점에서 이들이 틈새 분화에 의해 분출된 것으로 추정된다. 셋째, 기존 모암에 대한 용암류-1b-W의 관입은 서귀포층 표식지를 포함하는 단층 하반의 암층 부분을 주변에 비해 상대적으로 더 들어 올렸을 것으로 추정된다. 한편, 서귀포층을 피복한 약 42만 8천 년 이후(서귀포층 퇴적이후 화산활동) 화산활동기-IV까지 약 15만 년 간 서귀포 일대에서는 용암분출이 없었다(그림 11). 이후 화산활동기-IV 동안의 용암류는 서귀포항 북쪽 내륙 지역에서의 화산활동으로 분출한 용암류가 남쪽 해안가로 유동되어 분포한다.

앞으로 이들 구조선의 연장선에 해당하는 이 지역의 연안 및 육상 부분에 대한 지구물리 탐사를 통해 제주도 화산활동 초기의 구조적 특징을 밝히는 연구가 수행되길 기대한다. 이미 월라봉-군산 화산체의 연구(Koh et al., 2021b) 에서 언급한 바와 같이 기존 연구·발표된 제주도 남부의 지질 및 층서를 새롭게 규명하기 위한 노력이 지속적으로 필요함을 보여준다.

6. 결 론

제주도 남부 서귀포항 주변 해안지역에 대한 야외지질조사, 용암류의 암석기재, 전암 주성분 및 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대, 주변 시추 주상도의 재해석을 바탕으로 이 지역의 구성지질과 화산층서를 밝히고, 화산활동 시기와 과정을 고찰하였다. 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 이 지역의 지질은 5개의 퇴적층과 9개의 용암류로 구성된다.

2) 퇴적층은 서귀포층, 정방퇴적층, 남성리응회암, 송산역암, 생수궤퇴적층이다.

3) 용암류는 SiO₂ 함량 51.4~58.8 wt%, Na₂O+K₂O 함량 5.8~9.7 wt%인 알칼리 계열의 현무암질 조면안산암 내지 조면안산암에 해당하며, 용암류의 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대는 437.5±3.2 ka에서 107.4±1.5 ka로 약 43만 8천 년 전에서 약 10만 7천 년 전 사이에 화산분화가 있었음을 지시한다. 해안에서 떨어진 엉또폭포 조면암(S-028; SiO₂ 60.6 wt%)의 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대는 826.3±3.0 ka이다. 서귀포 일대 육상에서 보고된 연대 중 인접한 각수바위 조면암과 함께 가장 오래된 암석 연대를 제시한다.

4) 용암류는 암상과 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대에 따라 용암류-1a(-W와 -E), 용암류-1b(-W와 -E), 용암류-2(-W와 -E), 용암류-3(a-W, a-E, b-E)로 구분되며, 각 퇴적층과 접하는 용암류는 서로 다르다. 서귀포층은 조면안산암질 용암류-1b-W에 의해 관입 및 피복되며, 정방퇴적층은 현무암질 조면안산암질 용암류-1b-E에 의해 피복되고, 남성리응회암은 현무암질 조면안산암 내지 조면안산암질 용암류-1a-W에 의해 관입되거나 피복되며, 송산동역암은 현무암질 조면안산암질 용암류-3a-E에 의해 피복되고, 생수궤퇴적층은 조면안산암질 용암류-3b-E에 의해 피복되었다.

5) 서귀포층을 피복하는 용암류의 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대는 429.9±4.4 ka에서 427.3±1.4 ka로, 이전 연구 결과에 비해 표식지에서 서귀포층의 퇴적상한을 좀 더 정확히 규명하였다.

6) 용암류의 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대는 이 지역에서 서귀포층을 피복한 약 42만 8천 년 이후(서귀포층 퇴적이후 화산활동) 약 15만 년 간 용암분출이 없었음을 지시하며, 약 25만 년 전에서 10만 년 전의 용암류는 서귀포항 북쪽 내륙 지역에서의 화산활동으로 분출한 용암류가 남쪽 해안가로 유동된 것으로 해석된다.

7) 용암류의 분포 양상과 접촉관계, 그리고 퇴적층(특히 서귀포층)의 분포 심도를 고려할 때 약 40만 년 이전의 화산활동은 화산체의 중심 분출보다는 지각변동에 수반된 틈새 분출에 의한 화산분화와 용암분출이 주를 이루었을 것으로 추정된다.

Acknowledgments

이 연구는 제주연구원 제주지하수연구센터 및 제주특별자치도개발공사의 지원에 의해 수행되었다. 야외지질조사 및 시료채취에 도움을 준 전용문박사께 고마움을 표하며, 논문의 초고에 세심한 심사를 해주신 심사위원과 편집위원께 감사드린다.

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