구조운동 및 화산활동에 의해 조절되는 장기분지 성동리층 상부구간의 퇴적사

1. 서 언

한반도 남동부에 위치한 장기분지는 우수향 전단력으로 형성된 전기마이오세의 당겨열림형 분지(pull-apart basin)들 중 하나로 주요 단층 및 지층 자세를 기준으로 하여 구룡포지괴, 오천지괴, 뇌성산지괴, 영암리지괴, 양포소분지로 구분된다(Gu et al., 2018; Kim, 2018). 당겨열림형 분지의 발달에 있어서 구조 운동은 퇴적수용 공간 변화를 야기하며, 퇴적물 공급량, 해수면 및 기후 변화, 그리고 화산 활동 등의 요인이 복합적으로 작용하여 분지충전물의 퇴적양상이 결정된다(Gawthorpe and Leeder, 2000; Miall, 2000; Busby and Bassett, 2007). 특히 구조운동은 퇴적분지의 경계, 분지의 형태 및 규모를 결정하며, 분지 내부에도 단층을 형성하여 퇴적수용 공간 변화에 중요한 영향을 준다(Gerhard, 2000). 또한 우수향 혹은 좌수향의 주향이동 운동에 의해 일련의 당겨열림형 소분지들이 형성되며 주향이동 운동이 지속됨에 따라 초기에 형성된 여러 소분지들이 합쳐져 하나의 분지가 형성되기도 한다(Keighley et al., 2003; Scherer et al., 2015).

최근 Gu and Hwang (2017)은 뇌성산지괴 시추코어의 장기역암 퇴적상을 기재하고 대비하여 분지 내의 여러 단층운동에 의한 퇴적수용공간 변화와 그에 따른 퇴적환경 변화 및 퇴적사를 보고하였다. 또한 Gu et al. (2018)은 성동리층 하부구간의 시추코어와 야외노두 조사를 통해, 퇴적상조합의 급격한 수직적 변화와 데사이트질 화산물질을 건층으로 한 대비를 수행하였고 이를 통하여 단층운동에 의한 퇴적수용공간 변화와 화산활동에 의한 퇴적물 공급량 변화를 고찰하였다. 이 연구에 의하면, 장기역암 및 성동리층 하부의 각 퇴적단위 내에서는 퇴적상조합 및 두께의 급격한 수평변화가 확인되며, 이를 주향이동 단층운동이 활발한 시기에 퇴적된 것으로 해석하였다. 그러나 성동리층 상부는 장기역암 및 성동리층 하부와는 달리 퇴적상의 급격한 수평적, 수직적 변화가 적으며 이는 각 소분지들이 합쳐진 성숙기에 퇴적되었을 가능성을 제시한다.

장기역암 및 성동리층 하부는 Gu and Hwang (2017)과 Gu et al. (2018)에 의해 기존에 연구가 되어 왔으나 성동리층 상부에 대한 정밀한 층서대비 및 퇴적환경 분석, 구조 및 화산활동 분석은 아직까지 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 아직까지 자세하게 밝혀지지 않았던 성동리층 상부구간의 퇴적환경 해석을 위해 총 5개의 시추코어를 이용, 응회암 건층을 활용하여 시추공 간 대비를 수행하여 퇴적단위를 구분하였고, 각 퇴적단위 내에서 퇴적환경의 수직적, 수평적인 변화를 고찰하였으며 이를 통하여 분지의 구조운동 및 퇴적작용을 규명하여 기존의 연구에 더하여 장기분지 전체의 퇴적사 연구의 이해에 도움이 되고자 하였다. 또한 기존의 장기역암, 성동리층 하부구간과 성동리층 상부구간의 퇴적상 및 두께 변화 등을 통하여 이를 유발한 구조운동 및 화산활동과의 연관성에 대한 분석을 수행하였고 더 나아가 울릉분지와 장기분지 사이의 연관성에 대하여 고찰하고자 한다.

2. 지질개요

한반도 남동부에는 후기 올리고세에서 초기 마이오세 사이 일본 열도가 한반도로부터 남동쪽 방향으로 분리됨에 따라, 동해가 북-남 혹은 북북서-남남동 방향으로 확장하게 되어, 우수향 전단력이 작용하였다(Han, 1987; Jolivet et al., 1991; Fabbri et al., 1996; Kim et al., 2011; Son et al., 2013, 2015; Yoon et al., 2014)(그림 1a). 이러한 우수향주향이동 운동에 의해 일련의 당겨열림형 초기 마이오세 분지들(북으로부터 장기, 와읍, 어일, 하서, 정자, 울산 분지)이 형성되었고, 장기분지는 이러한 전기 마이오세 분지 중 규모가 가장 큰 분지이다(Kim, I.S., 1992; Yoon, 1997; Son et al., 2007, 2013; Jung et al., 2012; Kim, M.C., 2018)(그림 1b).

Fig. 1.

(a) Tectonic movement around Ulleung Basin during the Early Miocene. Back-arc opening of the East Sea resulted in right-lateral strike-slip movement in the southeastern part of the Korean Peninsula (after Yoon et al., 2014). (b) The early Miocene Janggi, Waup, Eoil, Haseo, Jeongja basins were formed by northwest-southeast trending right-lateral strike-slip movement (after Son et al., 2015).

장기분지의 북서쪽은 오천단층을 경계로 중기 마이오세에 퇴적된 포항분지와 구분되고, 남쪽은 에오세 혹은 팔레오세 시기의 왕산층 기반암에 의해 와읍, 어일분지와 구분된다(그림 1b). 장기분지는 충전물의 상대연령과 단층, 구조적 침강 대비 등을 통하여 북으로부터 구룡포, 오천, 뇌성산, 영암리지괴와 양포소분지로 구분된다(Son et al., 2009, 2013; Cheon et al., 2012; Jung et al., 2012; Kim et al., 2015). 구룡포지괴는 범곡리층군 하부에 해당하는 퇴적물로 충전되어 있으며, 그 외의 지괴들은 모두 범곡리 상부에 대비되는 충전물이 나타난다(Kim, 2018). 즉, 구룡포지괴 내의 구룡포층과 공개산 데사이트질암에 대한 LA-MC-ICPMS U-Pb 방사성 동위원소 저어콘 연대측정을 실시한 결과 약 22.4~23 Ma로 나타나며, 이는 뇌성산지괴 내에 위치한 성동리층의 연대(20.22±0.13 Ma) 보다 오래된 것으로 확인되었다(Kim, 2018).

장기분지의 구룡포지괴 상부에 분포하는 뇌성산, 영암리지괴의 충전물은 하부로부터 장기역암, 성동리층, 뇌성산현무암질암으로 구분된다(Kim et al., 2011, 2015)(그림 2, 3). 최하부 장기역암은 후기 백악기 혹은 팔레오세 초 시기의 데사이트질 내지 유문암질 화산암 복합체로 이루어진 왕산층 기반암의 상부에 놓여있으며(Yoon, 1989; Shin, 2013; Gu and Hwang, 2017; Kim, 2018), 주로 역암과 사암으로 구성되어 망상하천 환경에서 퇴적된 것으로 해석된다(Gu and Hwang, 2017)(그림 3). 성동리층은 주로 데사이트질 응회암과 응회질 사암 그리고 쇄설성 퇴적물인 역암, 사암, 이암 등으로 이루어져 있어 화산활동과 함께 하성 및 호성환경에서 퇴적된 것으로 해석되었다(Kim et al., 2015; Gu et al., 2018)(그림 3). 최상부인 뇌성산현무암질암은 현무암과 현무암질 응회암으로 이루어져 있다(Kim et al., 2011, 2015; Jung et al., 2012; Gu et al., 2018)(그림 3).

Fig. 2.

Detailed geological map of the Janggi Basin with the locations of well sites (after Kim et al., 2015; Gim et al., 2016; Gu and Hwang, 2017; Gu et al., 2018).

Fig. 3.

Simplified columnar section of Janggi Basin cores (Gu and Hwang, 2017). Basin fill deposits can be divided into Janggi Conglomerate, Seongdongri Formation and Noeseongsan Basaltic Rocks, from bottom to top. For the locations of wells, see Fig. 2.

장기분지 퇴적물에 대한 기존의 연구는 야외노두와 시추코어를 이용하여 다양하게 이루어져 왔다. Bahk and Chough (1996)는 장기분지 영암리지괴의 노두를 연구하여, 화산활동기와 휴지기가 반복되었으며, 각각 화산쇄설물과 하성퇴적물이 퇴적되었던 것으로 해석하였다. 반면 Sohn et al. (2013)은 장기분지 양포소분지의 노두 조사를 통하여 하성퇴적물에 의한 광역적인 침식과 고토양의 흔적이 발견되지 않는 점을 근거로 화산 폭발에 의한 분지의 대규모 침강과 함께 퇴적물 공급량이 증가하여 형성된 하성퇴적물이라는 견해를 제시하였다.

한편, Gim et al. (2016)은 뇌성산지괴에서 획득된 시추코어를 통하여 성동리층 중부구간에 해당하는 데사이트질 화산쇄설물의 연구를 통해 일차적으로 퇴적된 화산쇄설물과 재동된 화산물질을 구분하였다. Gu and Hwang (2017)은 뇌성산지괴 시추코어의 장기역암 퇴적상을 기재하고 대비하여 분지 내의 여러 단층운동에 의한 퇴적수용공간 변화와 그에 따른 퇴적환경 변화 및 퇴적사를 보고하였다. 또한, Gu et al. (2018)은 성동리층 하부구간의 시추코어와 야외노두 대비를 통해 단층운동에 의한 퇴적수용공간 변화와 화산활동에 의한 퇴적물 공급량 변화를 데사이트질 화산물질을 건층으로 대비하여 해당시기의 퇴적 기작 및 퇴적환경에 대한 해석을 하였다.

3. 퇴적상 및 상조합 기재 및 해석

장기분지 장기역암과 성동리층 하부는 Gim et al. (2016), Gu and Hwang (2017)과 Gu et al. (2018)의 연구에 의해, 퇴적물의 입도, 색상, 조성 물질, 조직 및 퇴적구조 등을 바탕으로 쇄설성 퇴적상과 화산쇄설성 퇴적상으로 구분하였다(표 1, 2). 본 연구는 성동리층 상부구간의 퇴적상을 기재하고 해석하는 연구로, 기존 연구와 통일성을 위하여 이전 연구의 퇴적상 기재에 이용되었던 상분류 체계를 사용하여 9개의 쇄설성 퇴적상과 7개의 화산쇄설성 퇴적상으로 구분하였다(표 1, 2). 또한 시추코어에서 관찰되는 퇴적상의 수직 변화 양상을 바탕으로 6개의 퇴적상조합으로 분류하였다. 퇴적상조합 1은 주로 하부에 침식경계를 보이는 괴상역암으로 구성되어 있으며 상향세립화 경향을 보인다(그림 4a). 퇴적상조합 2는 상향세립화 경향을 보이는 사암층이고 퇴적상조합 3은 상향조립화 경향을 보이는 사암층이다(그림 4b, 4c). 퇴적상조합 4는 엽층리 이암이 우세하게 나타나며, 퇴적상조합 5는 유기물이 많이 함유된 괴상 이암 및 사암이 관찰된다(그림 5a, 5b). 또한 퇴적상조합 6은 주로 세립의 화산회 기질에 의해 지지된 화산력 응회암으로 구성되어 있다(그림 5c). 이번 연구에 사용된 시추코어는 JG-1, 3, 5, 6, 7-1호공으로 총 5개 이며, 변형 및 파쇄가 심하여 퇴적구조의 감별이 힘든 JG-2, 4호공은 제외하였다.

Table 1.

Description and interpretation of clastic sedimentary facies (modified from Gu and Hwang., 2017).

Table 2.

Description and interpretation of volcaniclastic sedimentary facies (modified from Gim et al., 2016).

Fig. 4.

(a) Columnar section and photograph of Facies Association 1 (FA1). Fining-upward trends of thick, coarse-grained conglomerate point to braided stream deposits. (b) Columnar section and photograph of Facies Association 2 (FA2). Fining-upward trends of sandstone with sharp, erosional lower boundary indicate meandering stream deposits. (c) Columnar section and photograph of Facies Association 3 (FA3). Note sandstone layers showing coarsening-upward trends with coaly shale, suggesting progradation of mouthbars into a swamp environment.

Fig. 5.

(a) Columnar section and photograph of Facies Association 4 (FA4). Laminated mudstone points to seasonal fluctuation in sediment supply to the lake environment. (b) Columnar section and photograph of Facies Association 5 (FA5). Massive mudstone (Facies Mm) and organic rich mudstone (Facies Mo) indicate deposition in swamp or floodplain environments. (c) Columnar section and photograph of Facies Association 6 (FA6). Note the tuff beds with volcanic ash.

4. 퇴적 단위 구분 및 퇴적환경 해석

장기분지 시추코어를 활용한 이전 연구에서 Gu et al. (2016)은 장기역암을 퇴적상조합의 급격한 수직적 변화를 기준으로 4개 퇴적단위로 구분하였고 이를 퇴적수용공간 변화와 이를 유발한 구조운동의 결과로 해석하였다. 또한 성동리층 하부구간은 Gu et al. (2018)에 의해, 응회암 건층 및 퇴적상조합의 급격한 수직적 변화를 근거로 6개의 퇴적단위로 구분되었다. 특히 응회암은 색, 입도, 퇴적상, 역의 종류 등의 변화가 뚜렷하여 시추공 사이에 대비가 가능하였다. 성동리층 상부구간 역시 응회암 및 재동된 응회암의 특성이 서로 달라 시추공 간 대비가 가능하였고, 이에 따라 4개의 퇴적단위로 구분하였다(그림 6). 한편 Gu et al. (2018)은 성동리층 하부구간의 데사이트질 화산물질이 끝나는 지점을 시작으로 상부 사암이 시작되기 전까지 30 m 가량 엽층리 이암이 우세하게 나타나는 구간을 퇴적단위 S-6으로 정의하였다. 그러나 본 연구에서는 엽층리 이암 내에 응회암층이 협재되기 시작하면서 엽층리 이암의 입도가 점차적으로 증가하며, 상향조립화 경향을 보이는 점을 근거로, 그 상부의 사암까지를 모두 포함하여 퇴적단위 S-6로 정의하였다.

Fig. 6.

Schematic columnar sections of the upper part of the Seongdongri Formation. The succession can be divided into four depositional units based on the volcaniclastic key-beds which can be correlated throughout the cores. For the locations of wells, see Fig. 2.

4.1 퇴적단위 S-6

기재: 약 60 m 두께의 데사이트질 화산쇄설암으로 구성된 퇴적단위 S-5를 정합으로 피복하는 퇴적단위 S-6은 하부, 중부, 상부구간 간에 뚜렷한 상조합 차이를 보인다(그림 7). 하부 약 30 m 구간은 주로 엽층리 이암과 이에 협재된 점이층리 사암으로 구성된 퇴적상조합 4가 암맥이 관입한 5호공을 제외하고 전 공에 걸쳐 분포한다(그림 7). 엽층리 이암 사이에는 화산물질이 수차례 나타나며 이를 통해 시추공 간 대비가 가능하다(그림 7). 또한 장기 6, 7-1호공에서는 화산물질이 출현하기 시작한 구간부터 엽층리 이암의 입도가 점차적으로 증가하는 상향조립화 경향을 보인다. 그러나, 분지동쪽의 3호공에서는 그 상부구간에서부터 상향조립화 경향이 나타난다. 퇴적단위 S-6의 중부구간은 상향조립화 경향을 보이는 사질 및 역질 퇴적물 (퇴적상조합 3)에 의해 피복된다(그림 7). 상부구간은 상향세립화 경향이 우세한 사질 퇴적물(퇴적상조합 2) 및 이질 퇴적물(퇴적상조합 5)이 관찰된다(그림 7).

Fig. 7.

Columnar sections of depositional unit S-6. The lower part of this unit is dominated by laminated mudstone (FA4; lacustrine), whereas the middle part is represented by coarsening-upward trends of sandstone (FA3; mouth bar). The upper part is dominated by fining-upward trends of sandstone (FA2; meandering stream), and mudstone (FA5; swamp or floodplain). Red lines represent thin ash layers which can be correlated throughout the cores. For the locations of wells, see Fig. 2.

해석: 퇴적단위 S-6의 하부구간은 실트와 점토가 교호하는 두꺼운 엽층리 이암이 전 공에 걸쳐 발달하였으며 이는 퇴적단위 S-4 및 S-5시기에 일어난 대규모 화산활동 이후 분지가 침강하여 장기간 호성환경이 지속되었음을 의미한다(Gu et al., 2018)(그림 8a). 엽층리 이암 내에 협재된 점이층리 사암은 매우 얇은 두께로 일부 구간에 소량만이 관찰되는 점으로 보아 시추가 이루어진 뇌성산지괴와 퇴적물 공급지 간에 상당한 거리가 있었음을 지시한다. 화산쇄설물이 협재되기 시작하고 엽층리 이암의 입도가 증가한 점은 화산활동으로 인해 분지 전반에 퇴적물 공급량이 증가한 것으로 추정된다(그림 8b). 분지 서쪽인 장기 6호공 및 7-1호공에서 화산재 퇴적 이후 퇴적물의 입도가 증가하는 반면 분지 동쪽인 장기 3호공에서는 그 상부구간부터 증가하는 점은 화산재 퇴적물이 분지 서쪽에서 공급되어 서쪽부터 서서히 충전한 결과로 해석된다. 퇴적단위 S-6의 중부 구간에서 상향조립화 경향을 보이는 점은 호수가 점차 충전되어진 것으로 해석된다. 한편 퇴적단위 S-6의 상부 구간에 발달한 상향세립화 경향을 보이는 사암 및 이질 퇴적물들은 호수의 충전이 종결된 이후 분지 전반에 걸쳐 사행하천 및 범람원 환경이 형성된 것으로 해석된다.

Fig. 8.

(a) Schematic depositional model of early stage of unit S-6 (Gu et al., 2018). Subsidence of the basin resulted in the deposition of thick lacustrine mudstone (FA4). Deposition of relatively thick (20 - 30 m in thickness) lacustrine mudstone in small-scale subbasin suggests that the sediment source was located far away from the lake, probably due to regional subsidence of the basin. (b) Schematic depositional model of late stage of depositional unit S-6. Deposition of coarsening-upward sandstone above the thick lacustrine mudstone (FA3) suggests progradation of a delta into the lake environment. Stacked sandstone with fining-upward trend (FA2) and coaly mudstone (FA5) indicate progradation of meandering river and floodplain environments on the deltaic sediment.

4.2 퇴적단위 S-7

기재: 퇴적단위 S-7의 최하부는 적색역을 포함하는 화산쇄설성 암설류와 화산회가 풍부한 응회암으로 구성된 퇴적상조합 6에 의해 퇴적단위 S-6과 구분된다(그림 6). 그 상부는 탄질 셰일 및 세립의 이질퇴적물로 구성된 퇴적상조합 5와 상향세립화 경향을 보이는 사암퇴적물로 이루어진 퇴적상조합 2가 우세하고, 응회암 및 일부 재동된 응회암(퇴적상조합 6)이 이와 교호한다(그림 9). 쇄설성 퇴적암은 서쪽인 장기 1호공 및 7-1호공에서 두께가 두껍고 입도가 크며 동쪽인 장기 3호공에서는 세립질 이암으로 구성된 퇴적상조합 5가 우세하게 나타난다. 주로 노란 회색(yellowish gray; 5Y 7/2)을 띠는 화산회가 우세한 응회암은 퇴적단위 S-7의 하부에서 중부구간까지 분포하며, 동쪽인 3호공에서 층의 두께 및 입도가 가장 크고 서쪽인 7-1호공 쪽으로 갈수록 줄어드는 경향이 나타난다. 중부구간에서 상부구간에 분포하는 응회암은 주로 밝은 올리브 회색(light olive gray; 5Y 5/2)을 띠며 암편이 20~30% 정도 분포한다. 이 응회암은 동쪽인 장기 3호공 쪽으로 갈수록 층의 두께 및 암편의 크기가 감소하는 경향을 보인다. 또한 중부구간에서는 응회암으로 구성된 퇴적상조합 6의 직상부에는 각형의 역암으로 구성된 퇴적상조합 1이 협재되기도 한다. 이 퇴적단위의 두께는 7-1호공과 6호공에서는 각각 100 m, 90 m 정도이고 3호공은 약 60 m로, 서쪽에서 동쪽으로 갈수록 얇아지는 경향을 보인다.

Fig. 9.

Columnar sections of depositional unit S-7. This unit is dominated by fining-upward sandstone (FA2; meandering stream) and homogeneous mudstone (FA5; swamp). Dacitic tuffs (FA6) are partly intercalated. For the locations of wells, see Fig. 2.

해석: 퇴적단위 S-7에서 탄질셰일이 우세한 퇴적상조합 5와 상향세립화 경향을 보이는 사암으로 구성된 퇴적상조합 2가 우세한 점은 전반적으로 범람원 및 습지환경이 우세한 지역에 사행하천이 흘렀음을 지시한다(그림 10). 분지의 서쪽에서 동쪽으로 갈수록 쇄설성 퇴적물의 입도와 두께가 감소하는 점은 쇄설성 퇴적물의 공급지가 분지 서쪽에 있었던 것으로 추정된다. 협재하는 응회암 및 재동된 응회암(퇴적상조합 6)은 간헐적인 화산활동을 지시한다. 퇴적단위 S-7의 최하부에서 중부구간까지 나타나는 노란 회색을 띠는 응회암 및 재동된 응회암은 두께와 입도가 서쪽으로 가면서 감소하며, 이는 화산활동이 분지의 동쪽에서 일어났음을 의미한다(그림 10). 중부구간부터 상부구간에 분포하는 올리브 회색의 응회암 및 재동된 응회암이 동쪽으로 갈수록 입도 및 두께가 감소하는 경향은 화산활동이 분지의 서쪽에서도 있었음을 의미한다(그림 10). 응회암 직상부에 역암으로 구성된 퇴적상조합 1이 분포하는 점은 화산활동 이후 퇴적물 공급량이 일시적으로 증가하여 망상하천이 형성된 것으로 추정된다.

Fig. 10.

Schematic depositional model of Unit S-7. Sandstones showing fining-upward trend suggest deposition in meandering streams, whereas mudstone with coal fragment indicates suspension settling on wetland or floodplain environments. Dacitic tuff and tuffaceous sediments decrease in thickness and grain size eastward and westward, suggesting that the volcanos were located in both parts of the basin.

4.3 퇴적단위 S-8

기재: 퇴적단위 S-8은 전 시추공에서 공통적으로 나타나는 약 6-10 m 두께의 밝은 올리브 갈색(5Y 5/6)의 기질을 가지는 응회암을 건층으로 퇴적단위 S-7과 구분된다(그림 6). 퇴적상조합 6에 해당하는 이 응회암은 최소 4매에서 5매까지 전구간에 걸쳐 반복해서 나타난다(그림 11). 가장 남서쪽인 1호공에서 층의 두께와 암편의 입도가 가장 크며, 북동쪽인 3호공으로 갈수록 층의 두께와 입도가 줄어든다. 각 응회질 화산암 사이에는 주로 응회질 퇴적물이 우세한 퇴적상조합 5와 2가 분포한다. 응회암 직상부에는 상향세립화 경향을 보이는 역암인 퇴적상조합 1이 분포한다. 역의 조성은 주로 기반암역으로 구성되어 있으나 화산암 역으로 구성된 것도 일부 나타난다. 분지 북쪽의 장기 7-1, 6, 3호공에서는 화산쇄설성 퇴적물 상부에 괴상 이암 및 유기물이 풍부한 이암으로 구성된 퇴적상조합 5가 나타나고 그 상부는 상향세립화 경향을 보이는 사암으로 구성된 퇴적상조합 2와 역암으로 구성된 퇴적상조합 1이 놓이는 상향조립화 경향이 관찰된다(그림 11). 분지 남쪽에 위치한 장기 1호공과 5호공에서는 화산쇄설암 상부에 응회질 퇴적물이 우세한 사암으로 구성된 퇴적상조합 2가 우세하고 역암으로 구성된 퇴적상조합1이 협재하며 그 상부는 유기물이 풍부한 이암으로 구성된 퇴적상조합 5가 피복하는 상향세립화 경향이 주로 관찰된다.

Fig. 11.

Columnar sections of depositional unit S-8. This unit is dominated by dacitic tuff (FA6) with intercalating fining-upward sandstones (FA2; meandering stream) and homogeneous mudstones (FA5; swamp or floodplain). For the locations of wells, see Fig. 2.

해석: 분지 남서쪽에 위치한 1호공에서 응회질 퇴적물로 구성된 퇴적상조합 6의 암편 크기 및 층 두께가 가장 크고 북동쪽인 3호공으로 갈수록 줄어드는 점은 화산활동이 분지 남서쪽에서 일어났던 것으로 추정된다(그림 12). 분지 북쪽에 위치한 7-1, 6, 3호공에서 응회암으로 구성된 퇴적상조합 6의 상부에 이질 퇴적물로 구성된 퇴적상조합 5가 먼저 피복된 후 조립질 퇴적물인 퇴적상조합 2와 1이 놓이며 상향조립화 경향을 보이는 점은 화산활동 후 저습지 환경이 형성되었고, 그 상부에 조립질 퇴적물이 점차 공급되어 하성환경이 형성된 것으로 추정된다. 반면, 분지 남쪽에 위치한 1, 5호공에서는 퇴적상조합 6의 상부에 화산물질이 함유된 조립질의 하성퇴적물인 퇴적상조합 2와 1이 먼저 피복되고 그 상부에 세립의 이암으로 구성된 퇴적상조합 5가 피복되는 점은 화산활동에 의해 증가된 응회질 퇴적물이 빠르게 남쪽으로부터 공급되었고 이로 인해 하성환경이 먼저 형성된 것으로 판단된다.

Fig. 12.

Schematic depositional model of Unit S-8. Dacitic tuff decreases in thickness and grain size northeastward, indicating that the volcano was located in the southwestern part of the basin. Fining-upward sandstones suggest deposition in meandering streams, whereas homogeneous mudstone indicates suspension settling on swamp or floodplain environments.

4.4 퇴적단위 S-9

기재: 퇴적단위 S-9의 최하부는 10 m 정도 두께의 흰색 응회암 건층에 의해 퇴적단위 S-8와 구분된다(그림 6). 하부 구간은 주로 사질 퇴적물로 구성된 퇴적상조합 2와 이질퇴적물이 우세한 퇴적상조합 5가 서로 교호한다(그림 13). 그 상부에서는 1호공과 5호공에서 2매의 두꺼운 응회암으로 구성된 퇴적상조합 6이 관찰되고, 중부구간은 3호공을 제외한 모든 시추공에서 기반암 기원 역암으로 구성된 퇴적상조합 1이 우세하게 발달한다(그림 13). 퇴적상조합 1은 5호공과 6호공에서 약 50 m 정도로 가장 두껍게 관찰된다(그림 13). 분지 북쪽에 위치한 7-1호공, 6호공과 3호공은 뇌성산 현무암질암에 의해 피복되어 있으며, 남쪽의 1호공, 5호공은 상부구간도 관찰이 가능하다. 1호공, 5호공 상부구간은 이질 퇴적물로 구성된 퇴적상조합 5와 상향세립화 경향을 보이는 사암으로 구성된 퇴적상조합 2가 우세하게 발달한 가운데 응회암으로 이루어진 퇴적상조합 6이 협재된다. 최상부에서는 약 20 m 이상의 두께를 가지는 데사이트질 응회암에 의해 피복된 후, 그 상부는 뇌성산현무암질암에 의해 피복된다.

Fig. 13.

Columnar sections of depositional unit S-9. Note alternating units of fining-upward sandstone (FA2; meandering stream) and homogeneous mudstone (FA5; swamp or floodplain). In the middle part, conglomerate (FA1; braided stream) was deposited just above the volcaniclastic sediments (FA6). The uppermost part is represented by 20 m thick dacitic tuff and is, then, overlain by Neoseongsan Basaltic Rock. For the locations of wells, see Fig. 2.

해석: 퇴적단위 S-9의 형성 초기에는 퇴적상조합 2와 5가 우세한 것으로 보아 전반적으로 사행하천 내지 습지환경이 유지된 것으로 보인다. 이후 남쪽에 위치한 1호공과 5호공에서 응회암으로 구성된 퇴적상조합 6이 2매 정도 두껍게 관찰되고 이후 역암으로 구성된 퇴적상조합 1이 우세하게 나타나는 점은 2회 정도의 큰 화산활동으로 인하여 퇴적물의 공급량이 증가하였고, 이로 인해 망상하천이 발달된 것으로 해석된다(그림 14). 망상하천은 주로 5호공과 6호공 인근을 통과한 것으로 생각되며 이후 다시 간헐적인 화산활동이 일어난 가운데 습지 환경 및 사행하천이 우세했던 것으로 추정된다. 화산쇄설물의 입도와 두께가 북서쪽으로 가면서 감소한 점은 화산활동이 분지의 남서쪽에서 일어났던 것으로 해석된다.

Fig. 14.

Schematic depositional model of Unit S-9. Fining-upward sandstone and homogeneous mudstone indicate meandering streams and floodplain or swamp environments. Large-scale volcanic activity from the southwestern part of the basin resulted in high rates of sediment supply which is responsible for the deposition of conglomerate (FA1; braided stream).

5. 토 의

5.2 장기분지 시추코어와 울릉분지 형성 초기 퇴적층의 분지 구조 및 퇴적양상 비교

울릉분지는 전기 올리고세에 확장이 시작되었고 전기 마이오세에 우수향 전단력 및 단층운동으로 인해 울릉단층이 형성되며 침강이 가속화 되었다(Yoon and Chough, 1995; Yoon et al., 2014; Park et al., 2019). 장기분지의 형성시기(구룡포지괴, 24-22.4 Ma; 오천, 뇌성산, 영암리지괴와 양포소분지, 22.4-18 Ma)는 울릉분지가 활발히 확장된 시기(23-17.5 Ma)와 같은 전기 마이오세이다(Yoon et al., 2014; Kim, 2018; Park et al., 2019). 울릉분지와 장기분지는 형성시기가 유사하며 같은 우수향 전단력에 의해 형성되어 본 연구에서는 두 분지 사이의 연관성을 고찰해 보았다(그림 15).

Fig. 15.

Comparison between seismic profile of the southwestern part of the Ulleung Basin (Yoon and Hwang, 2009) and schematic depositional model of the Janggi Basin (this study). In the Ulleung Basin, the lower part of the unit I can be compared to the Janggi Conglomerate, whereas the upper part of the unit I can be correlated with the lower part of the Seongdongri Formation, showing a wedge shape geometry. The lower part of unit II can be matched with the upper part of the Seongdongri Formation with sheet-like geometry. Note the seismic reflectors extending outside of the subbasins (arrows).

Yoon and Hwang (2009)은 울릉분지 남서부에 위치하는 마이오세-현세 퇴적층을 7개의 퇴적단위로 구분하였다(그림 15a, 15b). 그 중 퇴적단위 I과 II는 장기분지와 유사한 초기 마이오세 시기에 퇴적된 것으로 보인다. 탄성파 단면에서 퇴적단위 I의 하부는 저진폭의 연속성이 양호한 반사면이 소분지 중앙에 나타나며, 소분지 주변에서는 연속성이 불량한 반사면이 나타난다(그림 15b). 이는 각각 호성 및 하성환경에서 퇴적된 것으로 추정된다. 또한 탄성파 단면도에서 이 구간은 쐐기형을 보이며(그림 15b) 이러한 특징은 장기분지 장기역암에서 관찰되는 쐐기형태와 유사하고, 분지 서쪽에 망상하천, 동쪽의 호성환경이 형성된 점과도 유사하다(그림 15c). 퇴적단위 I 상부에는 고진폭의 연속성이 양호한 반사면이 나타나며 이는 화산물질과 쇄설성 퇴적암이 교호하는 것으로 해석된다. 이 구간 역시 탄성파 단면도에서 쐐기형을 보이며, 이는 장기분지의 성동리층 하부에서 화산쇄설물과 교호하는 쇄설성 퇴적물이 관찰되고 분지경계단층인 서쪽으로 경동된 쐐기형태의 분지충전물과 유사하다(그림 15c, 15d). 퇴적단위 II 하부에 관찰되는 판상의 연속성이 양호하고 고진폭을 보이는 반사면은 사행하천과 습지 및 화산물질이 교호하는 성동리층 상부와 유사하다(그림 15c, 15d). 또한 탄성파 단면에서 반사면이 소분지 외곽으로 연장되어 판상으로 나타나는 점(그림 15b, 화살표)은 구조운동 및 화산활동에 따른 광역적인 분지 침강으로 여러 소분지들이 합쳐져 하나의 큰 분지를 형성한 것으로 보인다. 이 역시 장기분지의 성동리층 상부에서 여러 소분지들이 합쳐져 큰 분지가 형성되었으며, 이로 인해 층의 두께 변화가 거의 없고, 망상하천에서 사행하천으로 변한 점, 그리고 화산쇄설물이 반복적으로 나타나는 점과 유사하다. 그러나 울릉분지의 경우 탄성파 단면에서 나타난 자료는 해상도 등의 한계로 분지충전물의 정확한 퇴적상을 알아내는 데에 한계가 있다. 따라서 이후 시추코어를 활용한 추가적인 연구로 장기분지와 정확한 대비가 필요할 것으로 사료된다.

6. 결 론

성동리층 상부의 퇴적상 분류는 연속성 및 통일성을 위하여 Gim et al. (2016), Gu and Hwang (2017), Gu et al. (2018)에 의해 분류되었던 퇴적상 분류를 기반으로 하였다. 또한 퇴적단위 구분 역시 성동리층의 상부인 관계로 Gu et al. (2018)에 의해 분류된 명칭인 퇴적단위 S-6에 이어서 사용하였다. 다만 Gu et al. (2018)은 퇴적단위 S-6을 약 30 m 두께의 엽리상 이암만 포함하였으나 본 연구에서는 상향조립화 경향을 보이는 사암까지를 묶어서 퇴적단위 S-6으로 구분하였다.

퇴적단위 S-5 퇴적시기에 데사이트질 화산활동으로 인하여 분지의 전반이 침강함에 따라 퇴적물 수용공간이 증가하였고 이로 인해 퇴적단위 S-6의 하부에서는 두꺼운 호성 엽층리 이암이 분지 전반에 걸쳐 퇴적되었다(Gu et al., 2018). 호성이암 상부에는 상향조립화 경향을 보이는 강어귀 사주 및 습지환경 퇴적물이 분포하며 이는 호수에 하성퇴적물이 전진구축하며 충전된 것으로 해석된다. 그 상부에는 상향세립화 경향을 보이는 사암 및 이암이 분포하고 이는 사행하천과 습지 환경에서 퇴적된 것으로 해석된다. 퇴적단위 S-6과 S-7의 경계는 화산쇄설물과 재동된 화산쇄설성 암설류가 수 m 정도 두께로 나타난다. 퇴적단위 S-7에는 사행하천 및 습지환경 퇴적물이 관찰되며 얇은 화산재 퇴적층이 수차례 반복된다. 퇴적단위 S-8의 형성시기에는 응회질 퇴적물이 분지 전반에 걸쳐 반복적으로 퇴적되었고, 습지 및 하성퇴적물이 이와 교호한다. 또한 응회질 퇴적물의 경우 남서쪽에서 북동쪽으로 갈수록 암편의 크기와 두께가 감소한다. 이는 습지 내지 하성환경이 지속된 가운데 분지 남서쪽에서 간헐적인 화산활동이 발생한 것으로 해석된다. 퇴적단위 S-9 하부는 약 10 m 두께의 흰색 응회암이 관찰되며 그 상부에서는 습지환경 및 사행하천 퇴적물이 우세하게 나타난다. 퇴적단위 S-9의 중부구간에서는 두꺼운 응회질 퇴적물이 관찰되고 그 상부는 조립한 역질 망상하천 퇴적물이 나타난다. 이는 화산폭발로 인한 일시적 퇴적물공급량의 증가로 인해 망상하천이 형성되었던 것으로 해석된다.

장기역암과 성동리층 하부는 동쪽으로 가면서 퇴적층의 두께가 감소하며 서쪽에서는 망상하천, 동쪽에서는 호성환경 퇴적물이 우세한 양상을 보인다. 그러나 성동리층 상부에서는 각 퇴적단위 내에서 서쪽과 동쪽 간에 퇴적상 변화가 거의 없고 퇴적단위의 두께 변화도 미미한 판상형이다. 이는 성동리층 상부 퇴적시기에 들어와 단층작용에 의한 분지내 차별침강이 줄어들었으며, 사행하천이 우세해진 현상은 분지형성 초기에 도미노형 정단층에 의해 발달된 소분지들이 후기에 들어와 합쳐져 하나의 분지를 형성한 결과로 해석된다.

장기분지는 전기 마이오세 시기에 우수향 전단력으로 형성된 울릉분지와도 대비가 가능할 것으로 보인다. 즉, 울릉분지 최하부의 탄성파 상은 소분지 경계에서는 연속성이 불량하며 소분지 중앙으로 갈수록 연속성이 양호하다. 이는 장기분지의 장기역암에서 하성퇴적물이 소분지 경계단층 인근에 발달하였고 분지 중앙으로 가면서 호성환경 퇴적물이 나타나는 현상과 유사하다. 또한 그 상부의 탄성파 상은 연속성이 양호하고 고진폭을 보이며, 쐐기형으로 나타난다. 이러한 점은 망상하천 및 습지 환경 퇴적물과 화산쇄설물이 교호하며 분지경계단층 쪽으로 경동되어 쐐기형을 보이는 성동리층 하부와 유사하다. 그 상부의 고진폭의 연속성이 양호한 판상의 반사면은 사행하천, 습지환경 및 화산물질이 교호하는 성동리층 상부와 유사하며, 탄성파 상의 연속성이 소분지 외부로 확장되는 점 역시 장기분지 형성 후기에 소분지들이 합쳐져 하나의 분지를 이룬 점과 유사해 보인다.

Acknowledgments

본 논문은 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국지질자원연구원의 주요사업(대규모 CO₂지중저장 후보지 잠재성 평가)으로 수행된 연구임(GP2017-027). 논문 심사를 맡아주신 손영관 교수님과 익명의 심사위원 및 이진용 편집위원장님께 감사를 드린다.

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