충북 제천시 청풍면에서 산출된 무척추동물 화석군에 대한 재고찰: 예비 보고

1. 서 론

화석기록은 지층의 퇴적 시기와 퇴적 환경, 지층들의 퇴적 순서를 유추할 수 있게 한다는 점에서 퇴적분지의 형성과 진화 역사, 고지리 등을 연구하는 데 필수적인 요소이다. 캄브리아기 Series 2로부터 오르도비스기 중기의 Darriwillian절까지 퇴적활동이 이루어진 것으로 알려진 태백산분지의 조선누층군에서 오르도비스기 후기를 지시하는 코노돈트의 보고(Lee, 2019), 지질시대에 대한 논란이 끊이지 않는 옥천층군에서의 식물화석의 보고(Lim et al., 2005, 2006, 2007) 등은 한반도의 지질과 그 역사에 대한 이해를 증진시키는데 있어 고생물학적 자료의 중요성을 단편적으로 제시한다.

태백산분지의 조선누층군은 태백, 영월, 용탄, 평창, 문경층군(Choi, 1998a), 또는 크게 태백, 영월, 문경층군으로 구분된다(Choi, 2014; Choi et al., 2016). 영월 지역의 영월층군은 삼엽충 조사 결과를 통해 복잡한 충상단층 구조가 비교적 상세히 이해되어 영월층군의 생층서 뿐만 아니라 암층서까지도 새로이 정립된 바 있다(Lee, 1995; Choi, 1998a; Kim and Choi, 2000). 그에 비해 옥천변성대와 인접한 단양 및 제천 지역은 영월층군의 연장이라고 여겨지나, 지층의 변형이 심하여 암층서가 모호하고 화석의 산출도 극히 희박하여 층서 정립은 물론 전형적인 영월층군 또는 태백층군과의 대비에도 어려움이 많다(Choi, 1998b).

제천시 청풍면에서는 조선누층군에 해당하는 소위 “대석회암통”과 옥천층군이 접하는데(Lee and Park, 1965), 청풍면 일대의 조선누층군에서 완족동물의 패각과 바다나리(해백합) 줄기 골편 화석의 산출이 보고되어 왔다(Lee, 1997; Chough et al., 2006). 이 화석들이 오르도비스기를 지시한다고 언급된 바 있으나, 고생물학적으로 연구된 바 없다.

이미 알려진 청풍 지역의 화석 산지에서 화석 표본들을 추가로 채집한 결과 과거 연구와 같이 세부 동정이 어려운 완족동물 패각들과 바다나리의 줄기골편들(columnals) 외에도 우리나라에서 처음 발견된 바다꽃봉오리류(Subphylum Blastozoa)의 줄기 골편, 바다나리류(Subphylum Crinozoa)로 추정되는 몸통 골편(thecal plate), 보존상태가 불량한 삼엽충 골격 등이 발견되었다. 이 연구는 청풍 화석군에서 이미 알려졌던 완족동물 패각 및 바다나리 줄기 골편 화석과 함께 새로이 발견된 극피동물의 골격 요소들과 삼엽충을 소개하고, 이 화석군의 지질학적 함의와 향후 추가 연구 가능성에 대해 고찰하고자 한다.

2. 지질 개요, 화석 산지, 연구 방법

화석이 산출된 지역은 충청북도 제천시 청풍면에 포함되며 서쪽으로 옥천층군과 접하는 조선누층군 분포 지역의 가장 서쪽 부분에 해당한다(그림 1a, 1b). 화석산지를 포함하는 청풍면 남부 지역(이하 청풍 지역)의 탄산염암층은 주로 담회색의 괴상, 층상 및 엽층리상 석회암, 돌로스톤, 또는 석회암과 셰일의 교대층 등으로 이루어져 있는데 지층의 변형이 심하고 추적이 어려워 지층의 구분과 층서에 대해서는 다음과 같이 이견이 많다.

Fig. 1.

Maps showing the location of study area and fossil locality. (a) Map of the Korean Peninsula showing the location of the Taebaeksan Basin. (b) Simplified geologic map showing distribution of the Joseon Supergroup and the location of study area (modified from Choi et al., 2016). (c) Fossil locality (E128°09ʹ38.05ʺ, N36°58ʹ16.92ʺ).

청풍 지역은 1:50,000 황강리도폭(Lee and Park, 1965)에서 “대석회암통”이 분포하는 것으로 기재되었다. Lee and Park (1965)은 “대석회암통”을 하부로부터 돌로마이트층, 석회암층, 석회규산염암층, 고운리층으로 구분하고 황강리도폭 동쪽의 영춘 및 단양도폭 지역의 지질과 대비하여 이 지층들을 오르도비스기 지층으로 간주하였다. Lee (1997)은 청풍 지역에 분포하는 조선누층군을 하부로부터 고명리층, 신리층, 연론리층, 덕산리층으로 세분하였다. 한편, 돌로스톤이 우세한 고명리층에서 최초로 완족동물 패각과 바다나리 줄기 파편을 발견하고 그 화석 조합을 근거로 고명리층의 지질시대를 오르도비스기로 제안하였으나 화석을 기재하거나 동정하지는 않았다. Choi (1998a)은 영월형 조선누층군(Kobayashi et al., 1942; Kobayashi, 1966)을 영월층군으로 재명명하였다. 그러나 분포상 영월층군의 남서측 연장부로 이해되는 제천 지역의 조선누층군은 변성퇴적암류가 탄산염암층과 교호하고 있기 때문에 전형적인 영월층군과의 대비가 어렵다고 하였다. Kihm and Kim (2003)은 청풍 지역의 지층을 하부로부터 도리층, 신리층, 고명리층, 단리층으로 구분하고 이들을 묶어 청풍층군이라 명명하였다. Chough et al. (2006)은 청풍 지역의 조선누층군 탄산염암층을 크게 하부의 돌로스톤층과 상부의 석회암층으로 구분하면서 오르도비스기를 지시하는 완족동물, 바다나리 줄기, 해면동물 등이 관찰된다고 보고한 바 있다. 이와 같은 선행연구들의 결과를 종합하면 청풍 지역의 탄산염암층은 조선누층군의 연장으로 이해되고 있으나 영월층군과의 퇴적‧층서학적 연관성은 판단하기 어려운 상황이다. 또한 지층의 구분이 명확하지 않음에도 불구하고 세밀한 고생물학적 연구 없이 탄산염암층의 지질시대를 오르도비스기로 간주하고 있다.

이 연구에서 기재한 화석이 산출된 지점의 정확한 위치는 그림 1c와 그 설명문에 표시하였다. 이 화석산지는 Lee and Park (1965)의 대석회암통 석회암층, Lee (1997)과 Kihm and Kim (2003)의 고명리층, Chough et al. (2006)의 석회암층(JL01지점)에 해당한다.

화석이 산출된 암석은 대체로 층리가 뚜렷이 구분되지 않는(crudely bedded) 탄산염암으로서 얇은 이질암 층이 교호하기도 한다(그림 2a). 각 탄산염암 단위층의 두께는 대체로 15 cm 이내이다. 이 중 화석이 산출되는 부분은 탄산염암 단위층들의 두께가 약 3 cm 내외로 얇은 구간이다. 화석들은 적절히 풍화된 층리면에서 관찰되며, 알려진 바와 같이 주로 완족동물의 패각과 바다나리의 줄기 골편들이 발견된다(그림 2b). 화석을 포함하고 있는 암석의 박편을 편광현미경으로 관찰하면 돌로마이트 기질에 방해석의 극피동물 화석 파편들과 석영으로 치환된 완족동물 패각이 흩어져 있는 양상을 보인다(그림 2c, 2d). 돌로마이트 기질과 방해석 파편들은 약 80% : 20% 비율로 분포하여, 화석이 산출되는 구간의 암상은 재결정된 석회질 돌로스톤이다. 기질이 원래 석회질 이암이었다고 가정하면 와케스톤(wackestone)에 해당한다(Dunham, 1962).

Fig. 2.

Photographs showing outcrop and fossil occurrence. (a) Outcrop where the studied invertebrate fossils were embedded; the outcrop is composed of crudely bedded calcitic dolostone; fossiliferous interval roughly coincides with the location of the hammer; hammer for scale is 26 cm in length. (b) One of the observed rock specimens (reg. no. KIGAM-9J88), coated with magnesium oxide, representing relatively well-preserved fossil assemblage of brachiopod shells and echinoderm debris. (c-d) Cross-polarized photomicrographs of two different fossil-bearing rocks showing calcite grains with stronger interference color and brachiopod shells replaced by quartz. Abbreviations: br.=brachiopod shells, ech.=echinoderm columnals.

노두의 규모가 작아 향후 지속적인 연구를 위해 노두상 화석의 채취는 지양하고 노두 앞에 자연적으로 풍화되어 부서진 암석 더미에서 화석을 포함한 암석 표본들을 채취하였다. 실내에서 부드러운 칫솔을 사용한 물세척을 통해 표면의 이물질을 일차적으로 제거한 후 실체현미경 하에서 침핀을 이용해 화석 표면의 퇴적물 또는 풍화 잔류물들을 제거하였다. 화석을 포함하는 암석의 표면은 검은색 만년필 잉크로 도색한 후 산화마그네슘으로 코팅하였다. 화석의 관찰은 실체현미경 Leica EZ4, 사진 촬영은 Canon EOS 6D 카메라와 Canon EF 100 mm F2.8L Macro IS USM 렌즈로 수행하였다.

각 암석 표본은 우점한 분류군 또는 보존상태가 양호한 화석 집단에 따라 극피동물, 완족동물, 또는 절지동물 표본으로 구분하여 화석코드(KIGAM-9xx)를 부여하였다. 화석을 포함하는 암석 표본 총 45개를 채집하였으며, 이는 극피동물 암석 표본 28개(9J65~9J92), 완족동물 암석 표본 16개(9D35~9D50), 절지동물 암석 표본 한 개(9H356)로 구분되었다. 모든 표본은 한국지질자원연구원 지질박물관에 보관 중이다. 삼엽충이 포함된 암석 표본을 제외하고 대부분의 암석 표본에는 완족동물 패각과 극피동물 파편 화석들이 공존한다. 하나의 암석 표본에 다수의 화석 표본이 포함될 경우 코드 뒤에 알파벳 소문자를 붙여 구분하였다(예: KIGAM-9J68a).

3. 바다꽃봉오리류(blastozoan)와 바다나리류(crinozoan) 화석의 일반 형태

극피동물문(Phylum Echinodermata)은 호말로조아류(Homalozoa), 바다나리류(Crinozoa), 불가사리류(Asterozoa), 성게류(Echinozoa) 등의 아문(subphylum)으로 구분되어 왔다(Ubaghs, 1967a). 그러나 최근에는 바다꽃봉오리강(Class Blastoidea), 에오크리노이드강(Class Eocrinoidea), 롬비페라강(Class Rhombifera) 등의 분류군들을 바다나리아문과 구분하여 바다꽃봉오리아문(Subphylum Blastozoa)으로 분류하고 있으며, 대부분 고착성 극피동물인 바다꽃봉오리류는 캄브리아기에 등장하여 페름기에 절멸한 것으로 알려져 있다(Sprinkle, 1973). 바다나리류와 바다꽃봉오리류는 대부분 줄기(stalk 또는 stem)와 관부(crown 또는 head)로 구성되고 악부(theca 또는 calyx)가 여러 종류의 다각형의 몸통 골편으로 이루어졌다는 점에서 외형상 서로 유사하다(그림 3a, 3b). 악부를 구성하는 다각형 판들(예: basal, radial판 등)의 종류, 개수, 배열 등이 분류의 핵심이 되는 특징이다.

Fig. 3.

Generalized morphology of stalked echinoderms. (a) Crinozoan with morphological terms of body parts (modified from Ausich, 1998). (b) Blastozoan with morphological terms of body parts (modified from Bauer, 2018, fig. 1). (c) Circular columnal with circular lumen and wide crenularium having fine crenulae (modified from Ubaghs, 1978, fig. 59). (d) Quinquestellate columnal with star-shaped lumen, areola, and narrow crenularium having coarse crenulae (modified from Ubaghs, 1978, fig. 55).

바다꽃봉오리류는 섭식구조인 보대(ambulacrum)가 팔까지 연장된 바다나리류와 달리 보대가 악부의 radial판에 크게 발달하였다(그림 3b). 또한 바다꽃봉오리류는 관부를 구성하는 팔(brachiole)이 분지하지 않는다는 점에서 바다나리류와 분류학적으로 큰 차이를 보인다(그림 3b). 이 분지되지 않는 바다꽃봉오리의 팔을 완돌기(brachioles)라 부른다.

바다꽃봉오리류나 바다나리류의 줄기는 모두 기둥 부분(column)과 고착근 부분(holdsfast 또는 rootlets)으로 구분된다. 두 종류 모두에서 기둥은 공통적으로 비슷한 형태의 줄기 골편들이 중첩되어 있다(그림 3a, 3b). 바다꽃봉오리류의 줄기 골편을 기술하는 별도의 용어는 없으므로 화석기재를 위해 바다나리 줄기 골편의 일반적 형태를 예로 들어 용어를 설명하고자 한다(그림 3c, 3d).

줄기 골편의 평면적 형태는 대개 원형, 타원형, 혹은 오각 별형(quinquestellate)이며 하나의 골격으로 이루어져 있다(그림 3c, 3d). 일부 바다나리류의 분류군에서는 줄기 골편 하나가 다섯 조각의 골편으로 이루어지기도 한다. 두 개의 줄기 골편이 접하는 면을 articulum 또는 facet이라 부른다. 이 면은 인접한 줄기 골편과 맞물리는 기능을 하는 외곽의 주름무늬 또는 요철구간(crenularium)과 그 안쪽의 다소 평평한 areola로 이루어진다(그림 3c, 3d). Crenularium은 방사상의 홈(crenellae)과 능선(culmina)으로 이루어지며 crenellae와 culmina를 합해 crenulae라 부른다. 줄기 골편의 중앙에는 내강(lumen)이라 불리는 공동이 있는데 접합된 줄기 전체로 보면 상하로 길게 뻗은 axial canal이 형성된다. Areola와 내강은 주로 원형이지만 일부 바다나리류에서는 평면상 오각 별형을 띠기도 한다(그림 3d).

4. 화석 기재

Phylum Brachiopoda

Subphylum Rhynchonelliformea Williams, Carlson, Brunton, Holmer, and Popov, 1996

Class Rhynchonellata Williams, Carlson, Brunton, Holmer, and Popov, 1996

Order Orthida Schuchert and Cooper, 1932

Suborder Orthidina Schuchert and Cooper, 1932

4.1 ?Orthidine fam. gen. et sp. indet. (그림 4a~4c)

Fig. 4.

Representative fossil specimens described in this study. (a-c) brachiopod shells: (a) partially broken ventral valve (KIGAM-9D44a) on recrystallized dolomite matrix; (b) broken ventral valve with adjacent small crinoid columnals (KIGAM-9J88bb); (c) slightly deformed unisulcate dorsal valve (KIGAM-9D45a). (d-h) blastozoan columnals: (d) KIGAM-9J87i (left) and KIGAM-9J87h (right) with relatively large trilobate lumen; (e) KIGAM-9J69e; (f) KIGAM-9J69c showing triangular lumen and narrow areola; (g) KIGAM-9J88jjj (lower left) and KIGAM-9J88eee (upper right) having triangular lumen, KIGAM-9J88iii (middle) having trilobate lumen, associated with small crinoid columnals; (h) KIGAM-9J88aa (lower left) and KIGAM-9J88y (upper right) showing difference in trilobate lumen shape. (i-l) crinoid columnals: (i) articulated columnals (KIGAM-9D41h); (j) small specimen (KIGAM-9J65q) with a few crenellae; (k) KIGAM-9J66p having small circular lumen and narrow areola; (l) KIGAM-9J83a (left) and KIGAM-9J83b (right) showing variation of lumen size. (m-q) thecal plates of possible crinozoan: (m) KIGAM-9J66e showing ridges (black arrow) and sutural pores (white arrows); (n) KIGAM-9J86f showing ridges (black arrows) and sutural pores (white arrows); (o) KIGAM-9J88z showing ridges (black arrows) and sutural pores (white arrow); (p) KIGAM-9J88hhh and KIGAM-9J88ggg (two upper left), KIGAM-9J88fff and KIGAM-9J88ddd (lower middle and right respectively); (q) KIGAM-9J88m (lower left), KIGAM-9J88n (right). (r-s) trilobite sclerites: (r) dorsal surface of pygidium (KIGAM-9H356a) showing traces of axial furrows indicated by arrows; (s) ventral surface of librigena (KIGAM-9H356b) with broken genal spine, anterior facial suture (black arrow), and eye socle (white arrow). Scale bars are 2 mm wide, otherwise indicated in the photos.

산출: 35개 암석 표본에 보존상태가 불량한 약 100개의 패각

기재: 복각(ventral valve)은 약간 볼록하며(weakly convex) 외곽선은 반원형(semicircular)에 가깝다. 측정 가능한 복각의 크기는 폭 6~13 mm, 길이 4~10 mm 범위를 보이며, 경첩선(hinge line) 부근에서 최대폭을 보인다. 각정(umbo)은 약간 부풀어 있고 미약하게 발달한 부리(beak)가 뒤를 향하고 있다. 후면중앙부(posteromedian region)의 각도는 아래쪽으로 기운 apsacline 상태이다. 관절의 좌우 끝(cardinal extremeties)은 다소 뭉툭한 편이다. 이음매(commissure)는 매끄럽다. 패각의 표면은 총 40~70개의 ribs로 장식되어 있다; 20~40개의 coatae, costa와 costa 사이에 한 개 또는 두 개 의 costellae를 가지며, costellae는 costa로부터 분기하는 ramicostellate형이다. 성장선(growth lines)이 듬성듬성 분포하는데, 각정에 가까울수록 비교적 촘촘해진다.

배각(dorsal valve)은 매우 약하게 볼록하며 외곽선은 아사각형(subquadrate)이다. 측정 가능한 배각의 크기는 폭 5~12 mm, 길이 3~8 mm 범위를 보이며 길이의 중앙부터 경첩선까지 최대폭이 유지된다. 각정은 다소 평평하다. 중앙에 미약하게 한 개의 sulcus가 발달하였다. 약 20개의 costae 사이로 소수의 costellae가 미약하게 발달한 ramicostellate형이다. 성장선은 잘 보이지 않는다.

토의: Rhynchonellata강의 패각은 크기, 외형, 볼록한 정도, 굴곡형태(sulcus와 fold), 후면중앙부(posteromedian region)의 구조, 복각과 배각의 접합 관계, 관절의 형태 및 구조 등 다양한 특성에 의해 분류된다. 청풍 화석군의 패각들은 대부분 분절된 상태의 파편상 또는 일부분만 보존된 복각이며, 소수의 배각이 파편상으로 산출된다. 패각의 일부분이 기질에 묻혀있거나 깨져있고, 구조적 변형을 받은 것들도 많다. 그럼에도 불구하고 복각 화석들이 보이는 특징들은 모두 동일하고, 배각 화석들은 크기 범위와 표면 장식 구조에서 복각과 유사하다. 따라서 잠정적으로 청풍 화석군의 완족동물 화석들은 모두 단일 종의 패각인 것으로 판단된다.

비교적 크기가 작은 패각, 모두 미약하게 볼록한 복각과 배각, 가로로 발달한 경첩선, 비교적 얕고 촘촘히 발달한 방사상의 rib구조, 뭉툭한 cardinal extremities, 배각 중앙에 하나만 발달한 sulcus, apsacline형 복각 등은 Orthida목의 일반적인 형태이며, orthides는 하부 캄브리아계부터 상부 페름계까지 산출된다(Williams and Harper, 2000).

보존상태로 인해 아목 이하 수준에서 분류하기는 어렵다. 그러나 복각의 가로 세로 길이 비율, 볼록한 정도, ramicostellate 상태의 rib의 개수 등이 Ortrhidiella (Williams and Harper, 2000, fig. 539, 1d) 또는 Nothorthis (Williams and Harper, 2000, fig. 537, 7a, 7b)와 유사하다. 이 두 속은 서로 다른 과에 속하지만 모두 Orthidina아목에 속하므로, 청풍 완족동물 패각을 이 아목에 잠정적으로 귀속하였다. Orthidina아목은 하부 캄브리아계에서 하부 데본계까지 산출된다고 알려져 있다(Williams and Harper, 2000).

태백산분지에서는 이미 orthides가 보고된 바 있다. 조선누층군 태백층군 화절층의 Eoorthis shakuotunensis (Kobayashi, 1935, pl. 1, figs. 4~8, 22~23)와 두무골층의 Eoorthis (?) saishoensis (Kobayashi, 1934a, pl. 3, figs. 15~18)는 다소 발달한 부리(beak)와 사각에 가까운 외곽선, 뾰족한 cardinal extremities을 가지고 있다. 역시 화절층에서 보고된 Shiragia biloba (Kobayashi, 1935, pl. 1, figs. 14~21)는 원형에 가까운 외곽선과 비교적 볼록한 패각을 가지고 있다. 직운산층과 두위봉층에서 보고된 Orthis nipponica (Kobayashi, 1934b, pl. 1, fig. 15, pl. 2, figs. 9~19)는 costellae 없이 도드라지게 발달한 costae가 20개 이하이다. 막골층에서 보고된 Pomatotrema shinsonensis (Kobayashi, 1934a, pl. 3, figs. 6~9)는 각정이 뾰족하고, 복각의 후면중앙부 각도가 수직에 가깝다. 영월층군 문곡층의 Apheoorthis orientalis (Kobayashi, 1960, pl. 12, fig. 2)와 Apheoorthis (?) sp. indt. (Kobayashi, 1960, pl. 12, figs. 3~4)는 배각에 뚜렷한 sulcus가 없으며 rib의 수가 많고 성장선이 도드라지게 발달하였다. 복각은 보존상태가 불량하나 매우 볼록한 편이다(Kobayashi (1960)는 배각을 복각으로, 복각을 배각으로 기술하였다). 한편, 영월-태백지역의 평안누층군에서는 석탄기(Moscovian)의 Rhipidomella가 보고되었는데(Lee et al., 2010, fig. 6), 패각이 아난형(subovate) 내지 아삼각형(subtriangular)이고 각정이 부풀어 있는 대신 나머지 부분은 다소 평평한 것이 특징이다. 이들 모두 청풍 완족동물과 형태적으로 상이하다.

이 밖에도 영월층군 와곡층에서는 Eoorthis (?) sp. indt. (Kobayashi, 1960, pl. 12, figs. 5~6), 문곡층에서는 Pomatotrema (?) sp. (Kobayashi, 1960), 영흥층에서는 Orthids (Kobayashi, 1966)가 기록되었으나, 이들은 사진이 제시되지 않았거나 보존상태가 불량하여 비교할 수 없다.

Phylum Echinodermata

Subphylum Blastozoa Sprinkle, 1973

5. 청풍 화석군의 의의

6. 결 론

단순히 오르도비스기의 완족동물과 바다나리 줄기 화석 조합으로 알려졌던 제천 청풍 지역의 화석군은 이 연구를 통해 완족동물, 바다나리류, 바다꽃봉오리류, 삼엽충 등 다양한 분류군을 포함하며, 그 지질시대는 오르도비스기부터 실루리아기까지의 범위 내에서 재정의될 수 있음이 확인되었다. 이제까지 청풍 지역에서 발견된 화석들의 보존상태는 이들을 정확히 동정하고 기술하기에 충분하지 않지만, 추가적으로 보존상태가 양호한 화석 표본의 획득이 가능할 것으로 예상된다. 옥천층군에 인접한 변형된 조선누층군 분포 지역에서의 고생물 연구는 이 지역에 분포하는 지층의 지질시대를 밝히는데 결정적 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.

과거 고생물학적으로 주목받지 못했던 이 지역에서 향후 화석 정보가 축적된다면 태백산분지 가장 서쪽 지역에 분포하는 퇴적층들의 층서 및 지질시대 정립뿐만 아니라 이들과 전형적인 조선누층군의 대비, 고환경 복원 등을 바탕으로 태백산분지 전체에 대한 이해도를 제고할 수 있을 것으로 기대한다.

Acknowledgments

이 연구는 한국지질자원연구원 주요사업 과제인 “지질자원 표본‧기초학술연구와 선도형 R&D 정책/성과확산 연구(GP2020-008)”의 지원으로 수행되었다. 화석 탐사를 도와주신 홍발 박사(KIGAM), 암석 관찰과 기재에 도움을 주신 윤동섭 연구원(KIGAM), 화석 채집과 완족동물 분류를 도와주신 이상민 박사(호주 University of Wollongong)께 감사드린다. 또한 논문 심사과정에서 유익한 조언과 지도를 해 주신 이동찬 교수님과 익명의 심사위원님께도 감사드린다.

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