[ Article ]

Journal of the Geological Society of Korea - Vol. 57, No. 1, pp.17-33

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

Print publication date 28 Feb 2021

Received 01 Feb 2021 Revised 22 Feb 2021 Accepted 23 Feb 2021

DOI: https://doi.org/10.14770/jgsk.2021.57.1.17

백령도와 대청도의 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령과 Hf 동위원소 조성: 북한 및 북중국과의 대비

김명정¹ ; 하영지¹ ; 박정웅² ; 박계헌¹^{, ‡}

1부경대학교 지구환경과학시스템과학부
2숭문고등학교

U-Pb ages and Hf isotopic compositions of the detrital Zircons from Baengnyeongdo and Daecheongdo: Correlation with North Korea and the North China Craton

Myoung Jung Kim¹ ; Youngji Ha¹ ; Jeong-Woong Park² ; Kye-Hun Park¹^{, ‡}

1Division of Earth and Environmental Sciences, Pukyong National University, Busan 48513, Republic of Korea
2Soong-Moon High School, Seoul 04126, Republic of Korea

Correspondence to: ^‡+82-51-629-6629, E-mail: khpark@pknu.ac.kr

초록

대청도에 분포하는 백령층군의 규질 사암에서 분리한 쇄설성 저어콘의 U-Pb 연령과 대청도와 백령도 사암의 쇄설성 저어콘에 대한 Hf 동위원소 조성을 LA-MC-ICPMS를 이용하여 분석하였다. 저어콘의 U-Pb 연령은 주로 고원생대 후기로부터 중원생대말의 구간(1,800-1,100 Ma)에 집중되는 특징을 나타낸다. 그러나 하부고생대 조선누층군이나 상부고생대 평안누층군에서 특징적인 연령 피크로 나타나는 약 1,870 Ma와 2,500 Ma의 연령들은 거의 나타나지 않는다. 이는 백령도와 대청도의 백령층군이 동일한 특징을 갖는 북한의 신원생대 상원누층군의 남서쪽 연장부임을 확인해준다. 가장 젊은 저어콘 연령이 약 1,026 Ma의 중원생대 최후기임을 감안하면 백령층군은 신원생대의 퇴적층일 가능성이 높다. 백령층군의 쇄설성 저어콘의 연령범위와 연령분포 특성은 북한의 상원누층군처럼 북중국 지괴의 신원생대 퇴적층들과 잘 대비된다. 백령층군의 쇄설성 저어콘들의 ε_Hf(t) 값은 지질시대에 따라 +11부터 -11까지 상당한 범위의 변화를 보이며 고원생대 후기부터 중원생대에 일어난 초대륙 컬럼비아의 분열과 관련된 지구조환경 및 화성활동의 기록으로 해석할 수 있다.

Abstract

The U-Pb ages of detrital zircon separated from quartzose sandstones of the Baengnyeong Group distributed in Daecheongdo as well as the Hf isotope compositions of those in Daecheongdo and Baengnyeongdo were analyzed using LA-MC-ICPMS. The U-Pb ages are mainly concentrated between the late Paleoproterozoic and the late Mesoproterozoic (1,800-1,100 Ma). However, the 1,870 Ma and 2,500 Ma age peaks, which are characteristic in the Early Paleozoic Joseon Supergroup and the Late Paleozoic Pyeongan Supergroup, rarely appear. This suggests that the Baengnyeong Group in Baengnyeongdo and Daecheongdo, is a southwest extension of the Neoproterozoic Sangwon Supergroup in North Korea with the same characteristics. Given that the youngest zircon age is about 1,026 Ma in the latest Mesoproterozoic, the Baengnyeong Group is likely a Neoprotozoic sedimentary layer. The age range and age distribution characteristics of detrital zircon in the Baengnyeong Group are well correlated with those of Neoprotozoic sedimentary strata in the North China Craton, like the Sangwon Supergroup in North Korea. The ε_Hf(t) values of detrital zircons in the Baengnyeong Group range from +11 to -11, and vary significantly as a function of age, reflecting a series of tectonic and magmatic records in association with the breakup of supercontinent Colombia from the late Paleoproterozoic to Mesoproterozoic.

Keywords:

Sangwon Supergroup, North China Craton, U-Pb age, Mesoproterozoic, Hf isotopic composition

키워드:

상원누층군, 북중국 지괴, U-Pb 연령, 중원생대, Hf 동위원소 조성

1. 서 언

지난 30년 가까이 한반도의 지각진화에 대한 연구에서 가장 중요한 이슈의 하나는 트라이아스기초에 있었던 중국의 대륙충돌대가 한반도로 연장되는지 여부와(Liu, 1993; Ree et al., 1996), 이에 따라 한반도의 지체구조 단위들이 북중국 지괴와 남중국 지괴 중 어디에 대비되는지에 대한 것이었다. 태백산분지의 고생대층들은 북한의 평남분지와 더불어 북중국 지괴에 대비되며 이들의 하부가 영남육괴 위에 부정합으로 얹혀있다고 보기 때문에 영남육괴 역시 북중국 지괴에 대비될 것으로 보는 견해가 일반적이었다(예, Chough et al., 2000). 임진강대가 중국 대륙충돌대의 연장일 경우(Ree et al., 1996) 이보다 남쪽에 위치한 경기육괴는 남중국에 대비된다고 볼 수 있다. 경기육괴의 남서부와 옥천변성대의 퇴적암들로부터 신원생대의 연령을 갖는 쇄설성 저어콘들이 발견됨에 따라(Cho, 2007; Cho et al., 2010; Park et al., 2011) 경기육괴와 옥천변성대는 신원생대의 연령이 특징적으로 나타나는 남중국 지괴에 대비되는 것이 더욱 설득력을 얻었다. 남중국에 대비되는 것으로 제안된 옥천변성대와 북중국에 대비되는 것으로 제안된 영남육괴의 사이에는 소위 남한지구조선(South Korean Tectonic Line, SKTL)이라는 지괴 경계선이 제안되기도 하였다(Chough et al., 2000). 충돌대의 위치는 홍성-오대산을 잇는 선(Oh et al., 2006) 등 임진강대와 다른 위치가 제안되기도 하였지만 경기육괴의 대부분이 남중국에 대비될 것이라는 견해는 상당한 지지를 받아왔다고 할 수 있다.

하지만 최근 들어 이러한 견해가 여러 연구들을 통해 상당한 도전을 받고 있다. 홍성과 임진강대의 사이에 위치한 경기육괴 서부지역의 여러 퇴적암 혹은 변성퇴적암들로부터 분석된 쇄설성 저어콘의 U-Pb 연령분포가 북한의 상원누층군 및 북중국 지괴(North China Craton)과 대비된다는 연구결과가 보고되었으며(Kim et al., 2019) 또한 옥천변성대 지역에서도 이와 비슷한 쇄설성 저어콘 연대자료들이 보고되었다(Kim et al., 2020). 이러한 쇄설성 저어콘의 U-Pb 연령분포에 의한 북중국 지괴와의 비교는 Hu et al. (2012)이 북한의 상원누층군과 중국 산둥반도에 의치하는 북중국 지괴의 남쪽 연변의 투먼(Tumen) 층군 사이에서 유사성을 보고한 것에서 출발했다고 볼 수 있다. 따라서 북한의 황해남도 지역부터 남한의 경기도 북부지역 사이에 분포하는 지역을 조사하고 연구하는 것이 필요하지만 현재는 대한민국 학자들이 북한을 직접 방문하여 원하는 지역을 조사하고 그에 대한 연구를 수행하는 것이 현실적으로 거의 불가능하기다. 따라서 차선책으로 북한의 황해남도에 근접한 지역인 서해 5도 지역 특히 백령도, 대청도, 소청도 지역의 지질에 대한 중요성이 증대하였다. Hu et al. (2012)는 쇄설성 저어콘의 U-Pb 연령뿐만 아니라 Hf 동위원소 조성도 분석하여 보고하였다. 하지만 Hf 동위원소조성은 중국의 투먼 층군의 암석만 분석하였고 북한의 상원누층군 암석은 분석하지 않았다. 황해남도의 장산곶에서 불과 15 km 떨어진 곳에 위치한 백령도와 그 남쪽의 대청도는 북한의 상원누층군의 연장부일 가능성이 높으며, 이에 대한 조사와 연구는 인접한 북한의 상원누층군을 직접 조사하는 것과 마찬가지의 효과를 낼 가능성이 높다.

앞서의 연구들로 백령층군의 쇄설성 저어콘들이 북한의 상원누층군과 유사한 U-Pb 연령분포 특징을 갖는 것으로 확인되었다(Kim, M.J. et al., 2016; Kim, S.W. et al., 2019). 이 연구에서는 백령도의 남쪽에 위치한 대청도의 암석들로부터 쇄설성 저어콘을 분리하여 U-Pb 연령분포를 알아봄으로써 상원누층군의 특징을 갖는 암석들이 백령도의 남쪽에 위치한 대청도까지 확장되어 분포하는지를 확인하고자 한다. 또한 백령도와 대청도의 쇄설성 저어콘에 대한 Hf 동위원소 조성을 분석함으로써 Hu et al. (2012)가 상원누층군의 암석에서 보고하지 않은 Hf 동위원소 조성의 특성이 북중국 지괴와 유사한지 여부를 확인하고자 한다. 이는 경기육괴를 남중국에 대비시켰던 기존 의견들(예, Chough et al., 2000)과는 달리 해석될 수도 있음을 주장하는 최근 연구들(Cho et al., 2017a, 2017b; Kim et al., 2019, 2020)과 더불어 한반도의 지각 진화에 대한 새로운 시각으로 볼 필요가 있음에 대해 토의하고자 한다.

2. 지질개요

백령도에는 북동쪽의 진촌리 일대에 맨틀 포획암을 갖는 신생대 현무암(Lee, 1995; Park et al., 2005)이 좁은 면적으로 노출되어 있으며, 나머지 지역은 주로 원생대의 백령층군(Lim et al., 1999)이 분포한다(그림 1). 백령층군은 하부로부터 중화동층, 장촌층 및 두무진층으로 구분된다(Lim et al., 1999). 1:25만 지질도(BigData OpenPlatform, 2021)에 의하면 대청도의 지질은 대부분이 백령층군의 규암, 여기에 협재하는 백령층군 편암 및 석회암으로 구성된다. 이러한 암상은 백령도에 분포하는 두무진층과 비슷하기 때문에 여기서는 두무진층의 일부로 간주하였다(그림 1). 백령도와 대청도에 분포하는 백령층군의 암석구성, 그리고 인접한 소청도에서의 스트로마톨라이트 산출(Kim and Han, 2010) 등은 북한의 황해남도에 분포하는 상원누층군의 하부인 직현층군의 오봉리층과 장수산층에 대비되는 것으로 판단한다. 북한학자들에 의한 최근 논문(Kim, M.C. et al., 2016; Park et al., 2016)에서 과거에 사용하던 상원계나 직현통과 같은 명칭을 더 이상 사용하지 않고 대신에 상원누층군, 직현층군으로 표기하고 있어서 이 논문에서도 이를 따랐다.

Fig. 1.

Simplified geological map with sample locations of Baengnyeongdo and Daecheongdo located off the coast of North Korea, modified after IGSASDPRK (1996), Lim et al. (1999), and BigData OpenPlatform (2021). From the north, NM: Nangnim massif, PB: Pyeongnam basin, IB: Imjingang belt, GM: Gyeonggi massif, TB: Taebaeksan basin, OMB: Okcheon metamorphic belt, and YB: Yeongnam massif. The approximate locations of the sedimentary formations discussed in this paper are indicated in yellow. JA: Jangbong Formation of the western Gyeonggi massif, L: Diaoyutai and Xingmincun formations in the southern Liaoning Peninsula, JI: Xinxing and Jinshanzhai formations in the northern Jiangsu Province, R: Ruyang Group in southeastern margin of the North China Craton, and T: Tumen Group in Shandong Peninsula. SKTL is the so-called South Korean Tectonic Line (Chough et al., 2000).

북한의 황해남도 지역에 넓게 분포하는 상원누층군의 하부에 놓인 낭림육괴의 기저암체에서 측정된 저어콘 U-Pb 연령은 1854±12 Ma (Zhao et al., 2006)로 남한의 경기육괴와 영남육괴에서 흔히 보고되는 고원생대 암석들의 연령과 비슷하다. 상원누층군은 하부로부터 직현층군, 사당우층군, 묵천층군 및 멸악산층군으로 구성된다(IGSASDPRK, 1996). 상원누층군의 퇴적시기는 퇴적암내 쇄설성 저어콘중 가장 젊은 저어콘의 연령(약 990 Ma; Hu et al., 2012) 보다는 젊고, 상원누층군을 관입한 화성암의 연령(약 900 Ma; Peng et al., 2011) 보다는 오래된 신원생대초로 한정할 수 있다.

3. 분석법

대청도에 분포하는 백령층군의 사암에 대한 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령측정과 Hf 동위원소 분석을 위하여 모래울 해변(24-1, 37°48’39”N, 124°41’09”E)과 서풍받이(24-2, 37°48’05”N, 124°40’51”E)에서 표품을 채취하였다. Kim, M.J. et al. (2016)이 U-Pb 연령들을 보고한 백령도의 백령층군 쇄설성 저어콘들에 대해서도 Hf 동위원소 분석을 수행하였다. 이 표품들은 백령도의 남쪽 장촌 습곡 입구(24-3)와 북서쪽 모서리의 두무진 선대암 일대의 표품(24-5, 24-5)이다.

저어콘을 분리하기 위하여 암석의 파쇄 후 비이커 패닝법을 사용해 일차적 중광물 분리를 한 후 실체현미경을 보고 저어콘 입자들을 골라내는 방법을 사용하였다. 저어콘 입자들을 심은 에폭시 마운트를 제작한 뒤에 한국기초과학지원연구원의 주사전자현미경을 이용하여 음극선발광 영상(cathodoluminescence, CL) 및 후방산란전자 영상을 획득하였다. 이 영상들을 참고하여 U-Pb 연령측정 및 Hf 동위원소 분석을 위한 분석점의 위치를 선정하였다. U-Pb 연령측정은 한국기초과학지원연구원의 레이저 삭마(Laser Ablation, LA) 장치(New Wave Research 193 nm wavelength ArF excimer laser ablation system)가 부착된 Nu Plasma-II 모델의 다검출기 유도결합플라즈마 질량분석기(Multi-collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer, MC-ICPMS)를 이용하였다. 분석에 사용된 기기적 조건들은 Kim et al. (2016)과 같다. U 농도와 연령의 보정에는 91500 (80 ppm, 1,065 Ma; Wiedenbeck et al., 1995) 저어콘 표준물질을 사용하였고 보통납 보정은 Andersen (2002)의 방법을 이용하였다. Iolite 2.5 프로그램(Paton et al., 2010, 2011)과 Isoplot 3.71 (Ludwig, 2008)을 이용하여 분석된 데이터의 배경값 보정, 동위원소 분별 보정 그리고 다운홀(downhole) 분별 보정을 한 후 연령계산을 하였다.

Hf 동위원소 분석 역시 U-Pb 분석과 동일한 LA- MC-ICPMS 장비를 사용하였다. Hf 동위원소 분석의 조건과 자료획득 방법은 이전의 연구들과 동일하다(예, Lee et al., 2018; Kim et al., 2019). Hf 동위원소 분석의 분석점 직경은 50 μm이다. 분석정밀도와 정확도를 평가하기 위해서 91500과 Plešovice 두 종류의 표준물질을 사용하였다. 자료의 처리에는 Iolite 2.5 소프트웨어(Paton et al., 2011)를 사용하였다. 분석된 비율은 2σ 오차로 보고하였다.

4. 결과 및 토의

4.1 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령의 범위와 퇴적시기

대청도에 분포하는 백령층군 규질 사암의 쇄설성 저어콘들은 잘 발달된 원마도를 보인다(그림 2). 저어콘의 내부에는 진동누대구조를 보이는 CL 영상을 관찰할 수 있으며 U-Pb 연령에 따른 조직적 차이는 관찰되지 않는다(그림 2). 대청도의 규질 사암들 중에서 표품 24-1에서는 22개의 분석점, 24-2로부터는 28개의 분석점에서 U-Pb 분석을 수행하였다. 표 1에 U-Pb 연령분석자료가 수록되어 있으며, 그림 3의 일치곡선(Concordia) 도형에 결과를 도시하였다. 분석된 대청도 암석들의 쇄설성 저어콘들은 1026±28 Ma로부터 1799±4 Ma까지의 분석점 U-Pb 연령을 보인다. 이는 이전에 보고된 백령도에 분포하는 백령층군의 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령분포의 범위와 비슷하다. Kim, M.J. et al. (2016)의 결과는 1,050 Ma부터 2,800 Ma의 범위이지만 1,800 Ma를 넘는 것은 불과 몇 개 입자뿐이고 대부분의 저어콘은 고원생대말부터 중원생대 스테니안(Stenian) 중기에 해당하는 약 1,800-1,100 Ma의 범위에 놓인다. Kim et al. (2019)의 결과도 이와 비슷하게 1,078 Ma부터 2,784 Ma의 범위이며, 1,800 Ma 보다 오래된 저어콘 입자들은 몇 개의 입자뿐으로 대부분 고원생대말부터 중원생대말까지의 기간에 집중된다(그림 4). 백령층군의 쇄설성 저어콘들 중에서 가장 젊은 U-Pb 연령은 이 연구에서 구한 1026±28 Ma이다. 중원생대 최후기인 이 연령은 백령층군의 최고 퇴적시기를 한정한다. 하지만 퇴적분지의 위치나 당시 지구조환경 등으로 인하여 백령층군이 퇴적될 때 퇴적동시성 또는 퇴적 직전 시기의 화성 저어콘들이 퇴적물에 들어가지 못했을 가능성도 있기 때문에 아마도 백령층군의 퇴적시기는 이보다 훨씬 이후일 가능성도 배제할 수는 없다. 인접한 북한의 상원누층군에서는 가장 젊은 ²⁰⁶Pb/²³⁸U 연령이 992±6 Ma (²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb 연령은 968±25 Ma)로 보고(Hu et al., 2012)되었기 때문에 아마도 퇴적시기는 신원생대초일 것으로 추정된다.

Fig. 2.

Cathodoluminescence images of selected detrital zircons of this study. All the zircons show well-rounded shapes. Small circles (ca. 25 μm diameter) and large circles (ca. 50 μm diameter) indicate spots for the U-Pb and Hf analyses, respectively.

Table 1.

U-Th-Pb results for zircon samples.

Fig. 3.

Terra-Wasserburg diagrams for the analyzed detrital zircons of the Baengnyeong Group. (a) 24-1 (Daecheongdo), (b) 24-2 (Daecheongdo), and (c) all of the Baengnyeong Group samples including data of Kim, M.J. et al. (2016).

Fig. 4.

Relative probability plots for detrital zircon 207Pb/206Pb ages of this study compared with other sedimentary formation. Two purple vertical lines indicate ages of 1,870 Ma and 2,500 Ma dominantly present within the Cambrian Jangsan Formation. Two bimodal peaks dominant in most of the illustrated sedimentary formations are indicated by orange bands.

4.2 쇄설성 저어콘의 U-Pb 연령분포 특징과 퇴적물 근원지

이 연구에서 분석된 대청도에 분포하는 백령층군 규질 사암에서 분리한 쇄설성 저어콘의 연령분포 범위, 쌍모식의 분포특징, 최저연령등의 특징들은 모두 백령도에 분포하는 백령층군에서 보고된 것(Kim, M.J. et al., 2016; Kim, S.W. et al., 2019)과 동일하다(그림 4). 따라서 이 규질 사암들의 퇴적물 근원지는 백령도에 분포하는 백령층군과 동일할 것으로 생각된다. 백령도와 대청도의 지리적 위치를 보면 북한의 황해남도 장산곶과의 거리가 15 km에 불과하며, Lim et al. (1999)은 백령층군의 암석구성과 층서적 특징, 그리고 대청도와 소청도의 고회암의 발달상태, 스트로마톨라이트의 산출 등으로 미루어, 근접한 황해도 옹진 일대에 분포된 하부 상원누층군의 하부인 직현층군에 대비될 수 있을 것으로 판단하였다. 다르게 표현하면 백령도와 대청도에 분포하는 백령층군은 사실상 북한 상원누층군의 연장부에 해당한다고 판단된다. 백령층군의 쇄설성 저어콘들이 보이는 U-Pb 연령분포에서 특징적인 것은 이들이 고원생대후기로부터 중원생대말까지의 기간 동안에 쌍모식의 연령분포를 보인다는 것이다(그림 3, 4). 이러한 연령분포는 한반도에서 지금까지 여러 지질시대의 퇴적암 또는 퇴적물에서 알려졌던 것과 상당히 다르다. 대부분의 경우는 약 1,870 Ma의 연령과 그 보다 조금 더 오래된 고원생대 시기의 연령이 우세하거나, 약 2,500 Ma의 연령이 주로 나타나는 경우, 또는 이 두 연령군이 함께 나타나는 경우가 많다. 대표적인 예가 그림 4에 보인 것처럼 하부고생대 조선누층군 최하부의 장산층이다(Lee et al., 2012; Cho et al., 2020). 장산층과 이에 대비되는 것으로 알려진 금수산층(Cho et al., 2019), 평안누층군의 사동층(Lee et al., 2010) 모두에서 약 1,870 Ma의 연령피크가 매우 강하게 나타난다. 이와 함께 약 2,500 Ma의 피크는 표품에 따라 다소 그 세기가 변화한다. 예를 들어 장산층과 대비되는 것으로 알려진 면산층에서는 1,870 Ma의 피크와 더불어 약 2,500 Ma의 피크가 뚜렷하다(Kim et al., 2013). 한반도 남서부에 분포하는 규암층들에서도 이와 비슷한 연령분포가 보고되었다(Ha et al., 2014; Choi et al., 2015; Kim et al., 2015). 북한의 경우도 비슷하다. 북한 주요강의 퇴적물에서 분리한 쇄설성 저어콘들의 U-Pb 연령분포를 보면 (Wu et al., 2007) 가장 우세한 연령피크는 약 1,800-1,900 Ma 사이에 위치하며, 중생대 화강암들의 연령, 그리고 약 2,500 Ma 부근에 작은 피크가 존재한다. 이는 하부고생대, 상부고생대, 그리고 최근의 퇴적물들이 쌓일 때 퇴적물의 근원지 즉 한반도에 이 두 연령을 갖는 암석들이 넓게 노출되었을 것임을 시사한다. 실제로 남한의 경기육괴(Song et al., 2011; Oh et al., 2019)와 영남육괴(Kim et al., 2012; Lee et al., 2017, 2019), 북한의 낭림육괴(Zhao et al., 2006; Song et al., 2009)가 모두 고원생대의 암석이 주를 이루고 있기 때문에 이들이 약 1,870 Ma와 그보다 약간 더 오래된 고원생대 연령의 쇄설성 저어콘들의 근원이었을 것으로 생각된다. 하지만 약 2,500 Ma의 연령을 갖는 암체들이 한반도에 넓게 분포하지는 않는다. 다만 북동 영남육괴의 율리층군은 약 2,500 Ma에 주된 피크를 갖는 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령분포를 보인다(Lee et al., 2011). 율리층군의 쇄설성 저어콘들의 근원이 어디인지는 아직 잘 모르지만 율리층군 및 이와 유사한 다른 선캠브리아 변성퇴적암들이 재동되어 약 2,500 Ma 연령의 쇄설성 저어콘들의 근원이 되었을 수도 있다.

백령층군과 북한의 상원누층군에는 앞에서 언급한 퇴적층들과는 달리 약 1,870 Ma와 2,500 Ma의 연령을 갖는 쇄설성 저어콘들의 수가 아주 적다. 이는 이 퇴적층들이 쌓일 당시에 퇴적물의 근원지가 하부고생대, 상부고생대, 그리고 요즘과는 매우 달랐음을 나타낸다. 또한 중요한 것은 고원생대 후기로부터 중원생대말까지의 시기는 전세계적으로도 화성활동의 빈도가 상대적으로 활발하지 못했던 시기이다. 42,470개의 저어콘 U-Pb 연령 - Hf 동위원소 분석자료를 갖는 전세계 데이터베이스(Roberts and Spencer, 2014)를 보면 컬럼비아(Columbia)나 로디니아(Rodinia)와 같은 초대륙의 구축이 활발했던 약 2,000-1,800 Ma의 시기나 1,200-900 Ma의 시기들에 비해서 컬럼비아 초대륙이 분열되는 시기로 볼 수 있는 약 1,600-1,300 Ma의 시기 동안에는 저어콘의 U-Pb 연대와 Hf 분석자료의 수가 현저하게 적다. 이는 약 2,000-1,800 Ma처럼 전지구적으로 많은 장소에서 나타나는 연령보다는 이처럼 상대적으로 드문 고원생대 후기부터 중원생대 기간의 연령을 갖는 암체나 그런 연령의 쇄설성 저어콘을 갖는 퇴적암의 출현이 서로 다른 지괴의 대비나 고지리 재구축에 더 유용할 수 있음을 말해준다. 한반도 내에서는 이러한 연령을 갖는 화성암체들이 알려진 것이 없다. 따라서 이러한 연령의 쇄설성 저어콘들이 어디서 왔는지를 정확하게 추적하기가 어렵다. 하지만 북중국 지괴에서는 고원생대 후기로부터 신원생대에 이르기까지 여러 차례의 열곡작용 및 이에 수반된 화성활동이 있었음이 알려져 있다(Zhai et al., 2015). 또한 북중국 지괴의 여러 곳의 신원생대층(Hu et al., 2012; Yang et al., 2012)에서 백령층군 및 상원누층군과 비슷한 고원생대 후기로부터 중원생대말의 연령분포를 갖는 쇄설성 저어콘들이 발견되기 때문에 이들과 공통의 근원지를 가졌을 가능성이 있다.

4.3 경기육괴 서부지역, 북한 상원누층군 및 북중국 지괴 신원생대층들과의 대비

그림 4는 백령층군과 상원누층군 사이의 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령분포의 유사성뿐만 아니라 북중국 지괴와 경기육괴의 다른 퇴적층들과의 비교도 함께 보여주고 있다. 이 연구의 대청도 자료와 백령도(Kim, M.J. et al., 2016) 자료는 물론 경기육괴 북서부의 장봉층(Kim et al., 2019), 경기육괴 남서부의 임피층(Kim et al., 2012)이 북한의 상원누층군 장수산층(Hu et al., 2012)과 비슷한 형태의 연령분포를 보인다. 주된 연령분포 기간은 고원생대 후기로부터 중원생대말까지 이며 약 1,600 Ma와 약 1,200 Ma 부근에 집중되는 쌍모식의 분포를 보인다. 이는 북중국 지괴의 여러 지역에 분포하는 신원생대층들에서도 나타난다. 예를 들면 Hu et al. (2012)가 북한의 상원누층군과 대비한 산동반도의 투먼(Tumen)층군, 그리고 Yang et al. (2012)가 보고한 지앙수(Jiangsu) 북부와 리아오닝(Liaoning) 남부에 분포하는 신원생대층의 사암들(Yang et al., 2012)도 이러한 특징을 공유한다. 하지만 남중국의 양쯔(Yangtze) 지괴(Wang et al., 2010)나 카타이시아(Cathaysia) 지괴(Yao et al., 2011)의 퇴적물에서 보여주는 선캠브리아 쇄설성 저어콘들의 연령분포와는 상당한 차이를 보인다.

비교대상 퇴적층들이 비슷한 연령범위를 가지며 그 안에서의 쌍모식 연령분포를 하는 특징이 비슷함과 더불어 함께 주목할 사항이 하나 더 있다. 그것은 이 층들 모두가 그림 4의 최상단에 도시한 장산층(Lee et al., 2012)과 달리 약 1,870 Ma와 약 2,500 Ma의 연령피크들이 없거나 아주 약하다는 것이다. 앞서 언급한 대로 한반도의 경기육괴, 영남육괴 그리고 낭림육괴에서 이러한 연령이 특징적으로 나타날 뿐만 아니라 북중국 지괴의 여러 퇴적층들에서도 약 1,870 Ma의 고원생대 연령 부근 또는 약 2,500 Ma의 연령이 두드러진 연령성분으로 나타나는 것들이 자주 발견된다. 예를 들면 북중국 지괴의 남쪽 연변에 위치한 원생대 루양층군의 쇄설성 저어콘들은 약 1,860 Ma의 연령을 중심으로 두드러진 연령피크가 나타난다(Hu et al., 2014). 한편 북경 부근의 창쳉(Changcheng), 지시안(Jixian) 그리고 칭바이커우(Qingbaikou) 층군들의 중원생대-신원생대 퇴적층들에서는 약 2,520 Ma에 주된 연령피크가 나타나며 약 1,850 Ma에도 이보다는 작지만 뚜렷한 연령피크를 보여준다(Wan et al., 2011). 그림 4에서 비교한 남북한과 북중국의 여러 층들에서는 이러한 약 1,870 Ma와 2,500 Ma 부근의 연령들이 잘 나타나지 않는다. 이처럼 남한과 북한의 중원생대-신원생대 층들에서 공통적으로 선별적인 퇴적물 근원지를 나타내는 현상은 이 층들이 퇴적될 당시 공통적인 지구조환경의 지배를 받는 퇴적환경이었음을 나타내는 것으로 보인다.

Table 2.

Zircon Lu-Yb-Hf isotopic compositions.

앞에서 살펴본 퇴적층내 쇄설성 저어콘들의 U-Pb 연령이 나타내는 공통적인 퇴적물 근원지, 연령분포에서 가장 젊은 저어콘이 한정하는 가능한 퇴적시기의 최고한계와 같은 특징이 비슷함과 더불어 지리적인 근접성은 이 층들이 서로 대비관계에 있을 가능성을 시사한다. 북한의 상원누층군 분포지의 서쪽 연장부에 백령도와 대청도가 위치한다. 경기육괴 북서부의 장봉층이 분포하는 장봉도는 강화도와 영종도 사이에 위치하며 가장 가까운 북한의 황해남도 연안군 남쪽 끝부분부터 불과 25 km 정도의 거리에 위치한다. 북중국 지괴에서 비슷한 쇄설성 저어콘 연령특성을 나타내는 신원생대 퇴적층들은 산둥성, 리아오닝성, 지장성 등 한반도와 비교적 가까운 지역에 주로 분포한다. 북중국 지괴의 남쪽 또는 남동쪽 연변부에 분포하는 이 신원생대층들이 북한과 남한의 신원생대 퇴적층들과 상당한 유사성을 나타내는 것은 이 층들이 분포하는 한반도의 서부지역 그리고 임피층이 분포하는 경기육괴 남서부지역까지도 북중국 지괴와 대비될 가능성을 시사한다.

4.4 경기육괴 서부와 북중국 지괴와의 대비의 의미

상원누층군의 연장부라고 생각되는 백령도와 대청도에 분포하는 백령층군뿐만 아니라 경기육괴 북서부에 분포하는 장봉층 그리고 경기육괴 남서부의 임피층이 공통적인 특징을 보이며 북중국 그레이톤에 대비될 수 있음은 중요한 지구조적 의미를 갖는다. 중국의 트라이아스기 대륙충돌대가 한반도의 임진강대로 연장된다는 주장(Ree et al., 1996; Chough et al., 2000)에 의하면 경기육괴는 남중국에 대비되어야 하며, 임진강대의 북쪽에 위치한 낭림육괴는 북중국에 대비되는 한중지괴의 일부로 볼 수 있다. 임진강대의 북쪽에 위치한 백령도와 대청도를 포함하는 지역의 상원누층군과 임진강대 남쪽에 위치한 경기육괴 북서부의 장봉층의 관계는 임진강대가 서로 다른 지괴 사이에 일어난 대륙충돌의 경계인지를 검증해볼 수 있는 수단이 된다. 장봉층이 분포하는 장봉도에서 가장 가까운 북한의 황해남도 연안군과 그 서쪽의 청단군과 강령군의 남부를 따라서 임진강대가 동서로 분포한다(IGSASDPRK, 1996). 따라서 더 북쪽에 분포하는 상원누층군과 더 남쪽의 장봉층이 쇄설성 저어콘의 연령 범위와 연령분포 특징이 같은 서로 대비될 수 있는 층이라는 것은 임진강대가 대륙충돌대일 가능성을 재고해봐야함을 의미한다. 또한 훨씬 더 멀리 떨어진 경기육괴 남서부의 임피층도 북중국 지괴에 대비될 수 있음은 경기육괴가 남중국에 대비된다는 가설과는 배치되는 발견이다. 이러한 추론이 성립한다면 경기육괴와 남중국의 대비에 따라 주장된 소위 남한지구조선(South Korean Tectonic Line, SKTL; Chough et al., 2000; Kim et al., 2017)은 지괴 경계로서의 의미가 없게 된다.

4.5 태백산분지 퇴적층의 중원생대 쇄설성 저어콘의 근원

한반도 여러 지역에서 고원생대 후기로부터 중원생대말까지의 연령분포가 특징인 쇄설성 저어콘을 갖는 퇴적층들이 발견된 것은 이러한 연령의 쇄설성 저어콘의 근원으로서의 의미도 갖는다. 즉 이전에는 중원생대의 저어콘들이 특징적으로 나타나는 퇴적물 근원지가 한반도 안에서는 알려지지 않았기 때문에 이러한 연령의 쇄설성 저어콘들을 발견하면 인접 지역이 아닌 현재는 멀리 떨어진 다른 지괴로부터의 유입가능성을 고려하였다. 세송층(McKenzie et al., 2011), 삼방산층(Kim et al., 2013), 그리고 묘봉층(Lee et al., 2016)에 들어있는 중원생대 쇄설성 저어콘들의 근원을 설명하는데 이처럼 상당히 먼 근원지로부터의 유입가능성이 논의되었다. 하지만 이 연구에서 논의한 것처럼 한반도 내의 여러 지역에 중원생대 연령의 저어콘들이 있음이 확인되었기 때문에 이러한 지역들을 우선적으로 고려하여 퇴적물 근원지로서의 가능성을 평가해야 할 것으로 생각한다.

4.6 Hf 동위원소 조성과 지각진화

상원누층군의 암석들과 북중국 지괴의 대비관계를 주장한 연구(Hu et al., 2012)에서 쇄설성 저어콘의 U-Pb 연령분포 특성은 두 지역이 매우 비슷함을 보여주었다. 하지만 쇄설성 저어콘의 Hf 동위원소 조성은 북중국의 투먼(Tumen) 층군에 대해서만 보고되었다. 이 연구의 Hf 동위원소 분석자료는 상원누층군의 쇄설성 저어콘 Hf 동위원소 조성 역시 U-Pb 연령처럼 북중국의 것과 동일한 양상을 갖는지를 실질적으로 확인해볼 수 있는 기회를 제공한다. 이 연구에서 U-Pb 연령분석결과를 보고한 대청도의 백령층군 뿐만 아니라 이전에 U-Pb 결과가 보고된 백령도의 백령층군 표품들(Kim, M.J. et al., 2016)에 대해서도 함께 총 81개의 Hf 동위원소 조성을 분석하였다. 백령도와 대청도의 쇄설성 저어콘들이 보이는 연대에 따른 Hf 동위원소 값의 변화를 보면(Fig. 5a) 약 1,800-1,700 Ma의 후기고원생대 시기에는 약 -10 정도로 낮은 음의 ε_Hf(t) 값부터 +10 부근으로 높은 양의 값까지 넓은 변화를 보인다. 하지만 그 이후부터 중원생대 거의 끝 무렵까지는 지속적으로 양의 ε_Hf(t) 값을 보이다가, 약 1,100 Ma로부터 1,000 Ma 사이의 최후기 중원생대에는 ε_Hf(t) 값이 일부 약 -11부근의 음의 값까지 떨어짐을 볼 수 있다. 이러한 양상은 북중국 지괴에서도 비슷하게 나타난다. 북중국의 신원생대 퇴적층인 산둥반도에 분포하는 투먼(Tumen) 층군의 경우 백령도 및 대청도의 ε_Hf(t) 값 변화와 매우 비슷하며(Fig. 5a) 두 지역들 사이의 대비관계를 시사한다.

Fig. 5.

εHf(t) versus age diagrams. (a) Baengnyeongdo and Daecheongdo of this study. (b) The Jangbong Formation of the Gyeonggi massif (Kim et al., 2019) and the Tumen Group of the North China Craton (Hu et al., 2012). These plots show that the age ranges and the signs of εHf(t) are similar. See the discussion in the text.

ε_Hf(t) 값이 양의 값인지 아니면 음의 값인지 여부는 마그마 생성시의 근원물질과 지구조환경과 밀접한 관련이 있다. 양의 경우는 결핍맨틀로부터의 초생물질의 유입을 나타내며, 반대로 음의 값은 오래된 지각물질의 재순환을 나타낼 수 있다. 백령도와 대청도의 쇄설성 저어콘들의 U-Pb 연령범위인 주로 후기고원생대로부터 중원생대말까지의 시기는 고원생대의 초대륙 컬럼비아가 분열되고 다시 신원생대의 초대륙 로디니아가 만들어지는 시기이다(Zhao et al., 2003; Li et al., 2008). 이러한 대륙의 분열과 집합은 상당히 다른 지구조 환경에서의 화성활동을 수반한다(Roberts and Spencer, 2014). 특히 컬럼비아 초대륙의 분열은 여러 단계의 열곡작용을 수반하였다(Zhai et al., 2015). 예를 들어 북중국 지괴의 여러 곳으로부터 고원생대 후기(1,800-1,600 Ma)의 대규모 고철질 암맥군(dyke swarm)이 보고된바 있으며 여기에는 1,780 Ma, 1,730 Ma, 1,680 Ma와 1,620 Ma의 암맥군들이 포함된다(Li et al., 2015). 이들의 ε_Nd(t) 값은 +7부터 -6의 범위를 보인다. 전지구적인 Nd 동위원소와 Hf 동위원소의 정비례 관계(van de Flierdt et al., 2007)를 고려하면 대략 +10부터 -10 범위의 ε_Hf(t) 값에 해당한다.

약 1,330-1,305 Ma (1,323 Ma의 정점연령)의 열곡작용 관련 고철질 암석들이 북중국 지괴 북부의 얀리아오(Yanliao) 열곡대에 분포하며 컬럼비아의 분열과 관련된 것으로 추정된다(Zhang et al., 2017). 북중국 지괴의 남서쪽 연변부에 약 1530 Ma에 인장환경에서 만들어져 정치한 A-형 화강암 벨트의 한 부분을 차지하는 장지아핑(Zhangjiaping) 화강암의 경우 -12.5부터 -4.0 범위의 음의 ε_Hf(t) 값을 갖는 것으로 보아 지각물질중의 화강암류가 용융되어 생성된 것으로 해석되었다(Deng et al., 2016). 북중국 지괴의 북쪽 연변에도 인장환경을 지시하는 1,350-1,310 Ma의 고철질 암맥군과 쌍모식 조성의 화성암들이 나타나며, ε_Hf(t) 값의 범위가 +8~+2로 양의 값 그리고 -1~-12의 음의 값들을 다 보여준다(Zhang et al., 2012). 이처럼 전지구적으로 나타나는 중원생대 시기의 열곡관련 비조산성 마그마작용과 합치하는 인장관련 화성활동이 북중국 지괴의 여러 곳에서 발견되는 것은 초대륙 컬럼비아의 분열과 관련한 활동을 나타낸다고 볼 수 있다. 이러한 활동기의 마그마들은 ε_Hf(t) 값이 양과 음의 값들을 다 보여주고 있다. 중국의 투먼 층군과 북한의 상원누층군, 백령층군, 그리고 경기서부 지역등의 신원생대층들의 쇄설성 저어콘들은 이처럼 초대륙 컬럼비아의 분열과 관련한 마그마작용으로 만들어진 저어콘들을 공통적으로 보여주는 것으로 해석된다.

5. 결 론

대청도에 분포하는 백령층군의 규질 사암에서 분리한 쇄설성 저어콘들의 U-Pb 연령은 주로 고원생대 후기로부터 중원생대말의 구간에 집중되는 특징을 나타낸다. 하지만 남한의 경기육괴와 영남육괴 뿐만 아니라 북한의 낭림육괴 및 북중국 지괴에서 특징적인 연령 피크로 나타나는 약 1,870 Ma와 2,500 Ma의 연령들은 거의 나타나지 않는다. 이러한 연령분포 특징은 대청도와 백령도에 분포하는 백령층군이 북한의 상원누층군의 서쪽 연장부임을 시사한다. 대청도의 사암의 최고 퇴적시기는 가장 젊은 저어콘의 연령인 약 1,026 Ma의 중원생대말 이후로, 북한 상원누층군에서 보고된 약 990 Ma의 최소연령 쇄설성 저어콘 연령을 참고할 때 신원생대의 퇴적층일 것으로 판단된다.

백령층군의 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령분포 특성은 경기육괴 북서부 장봉층의 것과 비슷하며 함께 북중국 지괴의 신원생대층들과 대비되는 것으로 판단된다. 임진강대를 사이에 두고 북쪽과 남쪽에 나뉘어져 분포하는 백령층군과 장봉층이 모두 북중국 지괴와 대비된다는 것은 임진강대를 대륙충돌대로 보기 어려움을 시사한다.

백령층군과 함께 이와 대비되는 북한과 북중국 지괴의 여러 지역에서 산출되는 고원생대 후기로부터 중원생대말까지의 쇄설성 저어콘들의 ε_Hf(t) 값은 이 시기 동안에 일어난 초대륙 컬럼비아의 분열과 관련된 지구조환경 및 화성활동의 기록으로 해석할 수 있다.

Acknowledgments

이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2019년)에 의하여 연구되었다. 여러 세심하고 건설적인 의견을 제시해준 심사위원들께 감사드린다.

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