구미 남부 금오산 화산암류의 성인과 진화

3.1 영암산응회암

영암산응회암은 칼데라외부에서만 산출되며 김천단층 남쪽에 크게 분포된다(그림 1). 이 암층은 화강편마암류 혹은 구미층을 부정합적으로 덮는다. 이 암층의 두께는 김천단층 남쪽에서 최고 약 300 m이다(Hwang et al., 2021).

이 응회암은 청회색 내지 회색 기질에 결정이 비교적 풍부하고 종종 피아메(fiamme)와 암편을 함유한다. 피아메는 암청회색을 띠며 대개 1:5 정도로 편평화된 작은 부석편이다. 외관상 대체로 안산암질 양상을 나타내지만 화학조성은 데사이트질이다.

경하에서 결정은 대부분 0.5 mm 이하 크기의 사장석이고 각섬석 및 흑운모 등을 포함하며, 그 사이에 기질로 샤아드들이 편평화된 채로 채워져 있다(그림 2a).

Fig. 2.

Photomicrographic features of the typical volcanic rocks. (a) Welding foliation in the Yeongamsan Tuff; (b) Porphyritic texture in the Busangni Andesite; (c) Vitroclastic texture in the Obongni Tuff; (d) A lithophysae in the Doseongul Rhyolite; (e) Lower dense welding zone in the Geumosan Tuff; (f) Upper partial welding zone in the Geumosan Tuff; (g) Flow bands in the ring rhyolite dikes; (h) Micrographic texture in the linear rhyolite dikes.

3.2 부상리안산암

부상리안산암은 칼데라외부에서 영암산응회암 위를 덮고 있으며 칼데라내부에서 오봉리응회암 아래에 노출된다(그림 1). 두께는 최고 약 200 m 정도이다(Hwang et al., 2021).

노두에서 대부분 암녹색 내지 청회색을 띠지만 풍화가 진행된 곳에서는 국부적으로 암갈색을 띠고, 특히 대부분 1 mm 이하 크기의 사장석 반정에 의한 반상조직을 나타내며 드물게 방해석과 녹니석으로 농집된 행인상 구조를 나타낸다.

경하에서도 대부분 다량의 사장석과 소량의 각섬석에 의해 뚜렷한 반상조직을 나타내며, 그 사이에 유리질 내지 은미정질 석기로 채워져 있으며, 유리양모상(hyalopilitic) 석리 혹은 양모배열상(pilotaxitic) 석리를 나타낸다(그림 2b). 유리질 석기는 전반적으로 녹니석 등으로 다소 변질되어 있다.

3.3 오봉리응회암

오봉리응회암은 칼데라내부에서 환상암맥을 따라 소규모로 분포한다(그림 1). 두께는 약 150 m 이상으로 추산된다.

이 응회암은 담회색 내지 담녹색을 띠는 화산회 기질에 암편과 부석을 함유하고 결정을 거의 볼 수 없다. 입도에 의하면 대부분 라필리응회암에 속하며 부분용결의 회류응회암에 속한다. 부석은 대개 1:6으로 편평화되고 최대 5×3.5 cm 크기를 가지며, 곳에 따라 규칙적인 배열로 완배열상석리(eutaxitic fabric)에 의한 용결엽리를 나타낸다. 입도에 의하면 대부분 라필리응회암에 속하며 부분용결의 회류응회암에 속한다.

경하에서 유리질편은 작은 부석편과 샤아드들이 흩어져있으며 약간의 부분용결 내지 비용결로 규칙적인 배열을 보여주지 않는다(그림 2c). 또한 샤아드들이 암편 주위를 비켜가는 양상을 나타내기도 한다.

3.4 도선굴유문암

도선굴유문암은 칼데라내부에서 용암류(lava flow)로 산출되며 환상암맥을 따라 대상으로 분포한다(그림 1). 이 용암류는 가파른 절벽을 형성하는 것이 특징이다. 이는 최대 약 350 m 두께를 가진다(Hwang et al., 2021).

이 유문암은 거의 모두 용암류로 구성되지만, 그 기저부에 특히 단일 암괴들에 의한 단암질 각력암(monolithic breccia)를 가진다. 이 용암은 도홍색 내지 홍회색을 띠지만 기저부에서 담청회색을 띠기도 하며, 반정을 볼 수 없는 비반상을 나타낸다. 얇은 유백색대와 홍회색대가 조밀한 간격으로 반복되는 유상엽리(flow foliation)를 발달시킨다. 그리고 상부에는 종종 구과상(spherulitic) 및 석구상(lithophysal) 구조를 가진다.

경하에서 이 용암은 석영과 장석의 미정질대와 미립의 불투명산화철 외에 결정화되지 않은 유리질대가 교호된다. 간혹 이들은 모자익상 결정질대 혹은 미구과상대와도 교호된다. 유상엽리 즉 유백색대와 홍회색대의 색차이는 결정도의 차이에 의해 정의되고 홍회색으로부터 회색으로의 전이는 아마도 불투명산화철의 종류에 따라 달라진다. 작은 석구는 유리질 테두리 안쪽으로 석영들이 성장되고 중심부에는 빈 공간으로 남아있다(그림 2d).

3.5 금오산응회암

금오산응회암은 칼데라내부에 넓게 분포한다(그림 1). 그리고 이 암층은 칼데라 형성에 직접적으로 관련되며 최고 약 600 m 두께로 계산된다(Hwang et al., 2021).

이 응회암은 대부분 용결응회암으로 구성되지만 중부(GT₂) 및 상부(GT₄)에 부분용결대가 두 차례 얇게 협재됨으로 해서 이를 사이에 두고 하(GT₁)·중(GT₃)·상부(GT₅) 치밀용결대로 구분할 수 있다(Hwang et al., 2021).

치밀용결대는 대체로 암편을 적게 함유하고 부석과 결정을 비교적 많이 함유하며 화산회가 풍부한 파리질응회암(vitric tuff)에 속한다. 그러나 이 용결대는 하부에서 암회색을 상부에서 암갈색을 띰으로서 상부로 갈수록 더 진한 갈색을 띠는 것이 특징이다. 부석들은 작지만 풍부한 편이며 치밀용결상을 나타내고 대개 용결엽리를 보여준다. 경하에서 석영, 장석, 사장석 등이 반정으로 나타나며 이들은 흔히 파편상이다. 샤아드와 부석편들이 압착변형으로 평편화되어 완배열상 석리를 잘 나타낸다(그림 2e). 한편 샤아드들이 특히 결정이나 암편 주위를 비켜가는 모습을 뚜렷하게 나타낸다.

부분용결대는 대개 담회색을 띠고 부석과 암편이 풍부하다. 부석은 대개 불규칙하게 존재하지만 다소 편평화되고 불꽃같은 끝을 가진 것도 있다. 경하에서 기질은 주로 약간의 변형만을 보여주는 임의 방향의 샤아드를 가지지만(그림 2f), 반정 혹은 암편 주위에서 변형작용에 의한 비대칭으로 방향성을 나타내기도 한다.

3.6 유문암맥

유문암맥은 칼데라 경계를 따라 환상암맥으로 산출되고, 칼데라외부에서 직선상암맥으로 산출된다(그림 1). 두께는 10~450 m이고 모두 관입상을 나타낸다(Hwang et al., 2021).

이 암맥은 회백색 내지 유백색의 석정질 유문암(stony rhyolite)으로 산출되며, 연변부에서 희미하게 유상엽리가 거의 수직으로 발달된다.

경하에서 이 유문암은 매우 드물게 1 mm 미만의 작은 사장석이 미반정으로 나타난다. 석기는 대부분 미정질 내지 은정질로 결정화되고 희미한 엽리를 나타내며(그림 2g), 특히 칼데라외부에서 직선상암맥은 완정질로 결정화되고 미세한 미문상 조직을 나타낸다(그림 2h).

5.1 주원소

금오산 화산암류는 전형적으로 장석이 풍부하고 경우에 따라 각섬석과 흑운모를 함유한다. 이 시료는 화학적으로 61.62~78.02 wt.% SiO₂ 범위이며(표 1) TAS도에 도시하면(Le Maitre, 1984), 대체로 안산암-데사이트-유문암으로 분류되는 마그마 집단이다(그림 3).

Fig. 3.

Classification and nomenclature of the volcanic rocks on the total alkali silica (TAS) diagram (Le Maitre, 1984).

이 화산암류는 Irvine and Baragar (1971)의 알칼리-규산 관계도에서 모두 저알칼리 계열에 도시된다(그림 4a). 저알칼리 계열은 AFM 삼각도(Kuno, 1968; Irvine and Baragar, 1971)에서 대체로 FeO^t가 결핍된 칼크알칼리 계열에 속하고 알칼리가 풍부해지는 진화를 나타낸다(그림 4b). 따라서 이 화산암류는 영남육괴에서 나타나는 백악기 화산대 영남호의 일부라는 것을 암시하며 경상분지에서 나타나는 활모양의 화산대 경상호의 칼크알칼리 계열의 화산암류와도 유사하다(Hwang et al., 2019).

Fig. 4.

(a) Classification of alkaline and subalkaline series (Irvine and Baragar, 1971); (b) AFM diagram showing classification of tholeiitic and calc-alkaline series (Kuno, 1968; Irvine and Baragar, 1971); (c) K2O versus SiO2 diagram (Gill, 1981). Symbols are the same as in Fig. 3.

또한 Gill (1981)의 K₂O-SiO₂ 관계도에서, 이 화산암류는 대체로 대개 고-K 계열에 집중되는 양상을 나타나지만 일부 오봉리응회암과 도선굴유문암이 중-K 계열에 도시된다(그림 4c). 따라서 금오산 화산암류는 칼크알칼리 계열에 속하지만 전반적으로 고-K 계열에 우세하게 나타낸다고 할 수 있다.

그러므로 이 화산암류는 백악기 후엽(약 75.3∼74.2 Ma)에 한반도 남동부에서 태평양판의 하강에 따른 섭입대의 화산물질이라는 것을 암시해준다(Hwang and Kim, 1994). 즉 영남호 화산암류도 이 섭입작용에 의해 생성된 칼크알칼리 계열 마그마로부터 형성된 화산호이라는 것을 간접적으로 암시해준다(Hwang et al., 2019).

5.2 미량원소

미량원소도 민감하게 반응하는 암석화학적인 변화와 특성을 가지므로 조구조 위치에 대한 실마리를 제공한다.

Gill (1981)은 효과적인 원소를 이용하여 생성될 당시의 조산대 환경을 구별하였다. 조산대에서는 일반적으로 La/Th의 비가 2~7의 범위에 이르는 변화를 보인다(Gill, 1981). 금오산 화산암류는 La/Th 비가 0.81~3.82의 범위를 가지며, 대개 조산대 범위에 들어간다. 그리고 La-Th 구분도(Gill, 1981)에서 대부분 조산대 영역에 도시된다(그림 5a). La-Nb 관계도와 La-Ba 관계도에서도 조산대 영역에 도시되었다(Nam, 1996). 이러한 범위는 섭입대를 통과하여 분출된 화산암류라는 것을 암시한다.

Fig. 5.

(a) Discriminant diagram of incompatible trace elements La versus Th ratio (Gill, 1981). Line 1, 2, 3 and 4 represent La/Th=2, 7, 15 and 25 respectively. The Geumosan volcanic rocks typically lie in the orogenic suite. La/Th ratio decreases during fractionation. (b) Discriminant diagram of incompatible trace elements La/Yb versus Th/Yb. The volcanic rocks plots on the fields of the Andean and continental margin arcs. Symbols are the same as in Fig. 3.

이 화산암류는 Nb-Y 판별도와 Rb-(Y+Nb) 판별도에서 화산호 영역에 도시되었다(Nam, 1996). La/Yb-Th/Yb 판별도에서는 Th/Yb 비의 증가에 따라 La/Yb 비도 증가하는 대륙연변호 혹은 안데스호에 도시된다(그림 5b). 이들은 화산호 중에서도 대륙연변호의 화성암에서 나타나는 양상을 지시한다. 따라서 금오산 화산암류는 안데스에서와 같이 영남육괴를 뚫고 올라온 대륙연변부의 화산호 환경에서 만들어진 암석임을 지시한다.

6.1 주원소 변화

SiO₂에 대한 주원소의 하커변화도에서 조성변화 트렌드를 살펴보았다. 이 변화도에서 SiO₂이 증가함에 따라 Fe₂O₃^t, MgO, TiO₂와 P₂O₅는 직선상으로 감소하는 경향을 나타낸다(그림 6). 이러한 직선상 감소는 보웬 원리에 따라 고철질 광물이 순차적으로 분별정출이 일어났음을 의미한다.

Fig. 6.

Harker variation diagrams of major elements versus SiO2. Symbols are the same as in Fig. 3.

Al₂O₃는 거의 직선적으로 감소하는 경향을 보여주지만 SiO₂이 70%에서 킹크 모양으로 꺾어 일시적으로 상승했다가 다시 직선상으로 감소하는 경향을 보여준다(그림 6). 이러한 킹크밴드 변화는 동일한 챔버 내에서 오로지 마그마의 분별결정작용에만 의한 내적 변화라기보다 외래 장석의 유입과 같은 다른 지각물질에 의한 외적 변화가 추가되었음을 암시한다.

CaO는 SiO₂ 61~72 wt% 범위에서 점진적으로 감소하는 경향을 보이다가, SiO₂ 72~78 wt% 범위의 금오산응회암과 유문암맥 시료들에서 거의 일정하게 수평으로 변화하는 경향을 보여준다(그림 6). 꼬리 부분에서 수평으로 일정한 변화는 아마도 후기 마그마에서 Ca 사장석 정출이 이미 끝남을 암시한다.

TiO₂는 SiO₂ 61~74 wt% 범위에서 점진적으로 감소하는 경향을 보이지만, SiO₂ 74~78 wt% 범위의 유문암맥과 일부 금오산응회암 시료들에서 거의 수평으로 변화하는 경향을 나타낸다(그림 6). 마지막 꼬리 부분에서 일정한 변화는 아마도 후기 마그마에서 루틸 정출이 이미 끝남을 의미한다.

MnO는 SiO₂ 61~70 wt%의 범위의 안산암질암류에서 분산되지만 대체로 거의 일정한 경향을 보여주며, SiO₂ 70~78 wt% 범위의 유문암질암류에서 감소하는 경향을 나타낸다(그림 6). 유문암질암류에서 직선상 감소는 후반기에 고철질 광물이 계속적으로 정출되었음을 암시한다. 이러한 SiO₂ 70 wt%에서 변화는 Al₂O₃에서와 같이 동일한 챔버 내에서 변화라고 하기보다 챔버의 외적 변화를 암시한다.

Na₂O는 다소 분산되어있는 것처럼 보이지만, SiO₂ 61~70 wt%의 범위의 안산암질암류에서 분산되지만 대체로 거의 일정한 경향을 보여주며, SiO₂ 70~78 wt% 범위의 유문암질암류에서 감소하는 경향을 보여준다(그림 6). 유문암질암류에서 직선상 감소는 후반기에 알칼리장석이 계속적으로 정출되었음을 암시한다.

이와 같이 주원소들이 SiO₂에 대한 변화 트렌드는 전형적인 마그마 진화에 따른 조성변화를 나타낸다. 즉 마그마 조성이 안산암질에서 유문암질로 변화했음을 반영하며, 이는 마그마챔버에서 분별결정작용이 우세하게 일어났음을 반영한다.

주원소 조성변화를 비교할 때 아마도 중요한 관찰은 하부의 안산암질암류(SiO₂ 61.62~70.95 wt%)와 상부의 유문암질암류(SiO₂ 71.90~78.02 wt%)가 양자 사이에 조성적으로 다른 변화를 한다는 것이다. 후기 마그마는 선기 마그마에 비하여 주어진 SiO₂ 농도에 따라 특히 Al₂O₃, MnO, Na₂O 등이 더 가파르게 감소하며, 이에 비해 선기 마그마는 더 완만하게 감소하거나 혹은 불규칙하면서 변화한다(그림 6). 이는 선·후기 마그마 간에 전체 조성차이 외에 외적인 요인을 지시한다.

6.2 미량원소 변화

금오산 화산암류에서 미량원소는 SiO₂에 따른 하커변화도에서 살펴보았다(그림 7). 이 변화도에서 미량원소는 대개 분명한 체계적 변화를 보여주지 않지만, 선·후기 층서 간에 기울기와 분산정도가 현저한 차이를 나타낸다. Y은 전반적으로 “ㄱ”자로 꺾인 조성변화 트렌드를 나타낸다. 한편 Th과 U은 “ㅅ”자로 꺽이는 아주 다른 조성변화 트렌드를 나타낸다.

Fig. 7.

Harker diagrams of selected trace elements versus SiO2. Symbols are the same as in Fig. 3.

경이온친석원소(LILE)인 Y은 SiO₂의 증가에 따라 대체로 선기의 안산암질암류에서 거의 일정하게 변화를 보여주지 않지만, 후기의 유문암질암류에서 감소하는 경향을 보여준다(그림 7). 또한 Th과 U은 SiO₂의 증가에 따라 선기의 안산암질암류에서 일관되게 증가하는 경향을 보이고, 후기의 유문암질암류에서 대체로 감소하는 경향을 보여준다(그림 7). 다시 말해서 안산암질암류는 SiO₂가 증가함에 따라 일정하거나 혹은 정(+)의 직선상 트렌드 위에 놓이지만, 유문암질암류는 부(-)의 직선상 트렌드 위에 놓인다.

REE는 특징적으로 평균 콘드라이트 값에 비해 모두 크게 부화되어 있으며, 전반적으로 LREE가 더 부화되어 있고 HREE는 덜 부화되어있으며 LREE가 상대적으로 HREE보다 더 급한 기울기를 가진다(그림 8a). 이것은 칼크알칼리 계열의 암석에서 나타나는 전형적인 특징 중의 하나이다. 따라서 모든 시료가 대체로 동일한 패턴을 가지면서 평행배열 되어있는데, 이것은 마그마챔버 내에서 시간에 따라 마그마가 분별결정작용에 의해 진화되었음을 지시한다. 그리고 Eu는 모두 부이상을 나타나는데(그림 8a, 8b), 이것은 결정분화작용이 진행될수록 사장석의 정출이 현저했음을 암시한다. 특히 안산암질암류는 SiO₂의 변화에 따라 부이상이 거의 일정한 변화를 보이지만, 유문암질암류는 SiO₂의 증가에 따라 대체로 부이상이 크게 나타난다(그림 8b).

Fig. 8.

(a) Chondrite-normalized REE patterns. Values are normalized to chondrite from Nakamura (1974); (b) Variation diagrams of Eu/Eu* versus SiO2. Eu/Eu#=EuN/SmNGdN.. Symbols are the same as in Fig. 3.

7.1 별개의 마그마 집단

금오산 화산암류에서 미량원소와 희토류원소의 화학적 특성을 보이는 요소들을 검토함으로써 이 화산암류에 대한 암석조구조 환경(petrotectonic setting)을 결정할 수 있다. 이들에 의하면 이 금오산 화산암류는 그 조구조 환경이 특히 대륙지각을 통과하여 분출한 화산암류와 아주 유사하다.

한반도 남부에는 유천층군 화산암류가 섭입대 조구조 환경으로부터 기원하는 조산대 환경에서 생성되었던 활모양의 화산대를 형성하며 분포하는데, 이를 백악기 화산호로 보고 한국호(Korean arc)라고 하였다(Hwang and Kim, 1994). 또한, 이 한국호는 같은 방향으로 여러 화산호로 구성되는데(Hwang et al., 2019), 그중에서 구미분지 내에 존재하는 화산암류는 영남호에 속하며 그 화산호의 북동부에 해당한다. 따라서 금오산 화산암류는 조산대 환경에서 위치한다는 것을 알 수 있다(그림 5).

금오산 화산암류는 암석층서에 따라 하부의 안산암질암류와 상부의 유문암질암류로 구분되었으며(Hwang et al., 2021), 이러한 구분은 조성변화 트렌드에서도 확인된다. 안산암질암류와 유문암질암류 간의 조성차이는 약간의 중첩 부분도 있지만 거의 모든 주원소와 미량원소(Y, Th, U)에서 명백하게 나타난다(그림 6, 7). 미량원소 변화도에서 안산암질암류와 유문암질암류는 서로 다른 기울기와 분산정도에 의해 강조된다. 유문암질암류는 안산암질암류에 비해 거의 모든 불호정원소의 농도가 비교적 높게 나타나고 변화도에서 대부분 더 크게 분산되어있다(그림 6, 7). 두 그룹 간의 차이는 다소 체계적이고 단지 단일 원소 농도에 기초하지 않는다는 것을 주목해야 한다. 따라서 조성자료의 차이와 층서적 차이는 수직으로 위치가 다른 2개의 마그마챔버가 존재했다는 것을 암시한다.

7.2 마그마 성인

앞에서 주원소와 미량원소 및 희토류원소의 변화를 검토해본 결과, 금오산 화산암류는 섭입대 환경에서 기원했지만, 그 성인이 무엇인지와 어떤 진화과정을 겪었는지를 확인해야 한다.

구미분지에서 마그마의 성인을 살펴보기 위해, 우리는 선기 안산암질암류 및 후기 유문암질암류에 대해 가장 고철질 부분에 초점을 맞춰 생각해봤다. 그림 7은 후기 유문암질암류가 같은 SiO₂ 조성에서 선기 안산암질암류보다 더 많은 함량의 불호정성원소(Th)를 함유함을 보여준다. SiO₂ 증가 없이 불호정성 미량원소의 함량을 높이기 위하여, 최소한 사장석의 많은 결정작용이 요구될 것이다. 아마도 이 정도의 분별작용은 추가 광물의 정출 없이도 일어날 수 있을 것이다.

후기 유문암질암류의 근본적 특징은 불호정성 고장력원소(Y, U)의 비교적 더 적은 함량이다. 이는 만약 선기 및 후기 화산암류 간의 차이가 다른 정도의 부분용융에서 나왔다면 후기 유문암질 마그마가 더 높은 정도의 부분용융을 겪었다는 모순을 보여준다. 그런데 화산호계(volcanic arc system)에서 마그마 다양성은 일반적으로 균질한 모체의 부분용융 정도 차이에 의해 종종 설명되어왔다. 예를 들면, 하나의 마그마 계열이 하부 지각을 따라 높은 곳에서 생성되고(예, 낮은 정도의 부분용융) 또 다른 더 깊은 곳에서 생성되는 것(예, 더 많은 정도의 부분용융)과 같이, 그 원인은 지각물질의 차별 부분용융에 있다고 제시되어왔다(Woodhead and Johnson, 1993).

Na₂O-K₂O 상관도에서 Na₂O>2wt%이기 때문에, 그 기원이 모두 I형의 화성기원에 속한다(그림 9). 따라서 성인은 맨틀 혹은 화성기원의 지각물질이 부분용융된 결과로 보아야 한다. 구미분지에서 안산암질암류는 층서적으로 유문암질암류에 의해 덮이기 때문에, 안산암질 마그마가 유문암질 마그마보다 먼저 분출되었음을 나타내는 것으로, 지각물질의 부분용융 과정을 적용하기에는 부적절하다. 왜냐하면, 맨틀 혹은 대륙지각이 부분용융된다면 제일 먼저 유문암질 성분의 마그마가 형성될 것이며, 부분용융의 정도가 높아짐에 따라 안산암질 마그마가 차례로 만들어져야만 되기 때문이다.

Fig. 9.

Diagram of Na2O versus K2O distinguishing between I-type and Sitype. Symbols are the same as in Fig. 3.

금오산 화산암류를 Gill (1981)의 Ce_N-(Ce/Yb)_N 상관도에 도시해본 결과, 대륙지각 각섬암의 용융선을 따라 대체로 평행하게 도시됨을 나타내며 각섬암 용융선보다 조금 위쪽에 배열되어 있다(그림 10a). 이처럼 각섬암 용융선에 따르는 배열은 평균 대륙지각 각섬암의 부분용융 조성을 나타내고 P_H2O=5kb의 현무암질 모체로부터 조산대 안산암의 생성에 적합한 용융조건을 보여준다(Wolf and Wyllie, 1994; Petford and Gallagher, 2001). 이 용융선의 오른쪽 일정한 (Ce/Yb)_N 구간은 용융물이 안산암질 조성에 해당하는데, 용융 비율이 증가함에 따라 각섬석과 휘석의 비율이 감소하기 때문에 평평하게 나타난다(Gill, 1981). 마찬가지로 La/Yb-La 상관도에서도 분화작용 트렌드를 완전히 벗어나서 부분용융 트렌드를 따르기 때문에 부분용융을 더욱 더 확실하게 뒷받침해준다(그림 10b).

Fig. 10.

(a) Testing specific model of CeN/YbN versus CeN distinguishing between general petrogenetic processes. Line 1 shows effect of fractional crystallization; Line 2, compositions of partial melts of peridotite; Line 3, compositions of partial melts of eclogite; Line 4, compositions of partial melts of average continental crust (Gill, 1981). (b) Model of La/Yb versus La distinguishing between differentiation and partial melting. Symbols are the same as in Fig. 3.

그러므로 금오산 화산암류는 하부지각에서 화성기원의 정각섬암(orthoamphibolite)의 부분용융에 의한 마그마로부터 기원한다고 판단된다. 다른 한편으로 이 그림 10a에서 금오산 화산암류의 배열을 주목하자면, 이 화산암류에서 Ce/Yb 비의 상수는 고려된 공급원의 부분용융보다 차라리 분별결정작용에 의한 성인도 분명히 선호하는 것으로 보인다.

7.3 마그마 진화와 상승

금오산 화산암류는 섭입대에서 하부 지각 각섬암의 부분용융으로 금오산 화산암류의 기원이 되는 안산암질 모마그마를 형성했으며 심부 마그마챔버에서 고철질 광물의 분별결정작용을 거치면서 유문암질 마그마가 상부로 올라와 천부 마그마챔버를 형성했다고(Wilson, 1989) 해석할 수 있다.

REE 패턴에서 선기 안산암질암류와 후기 유문암질암류의 패턴이 유사하게 나타나는 점과 상부 유문암질암류가 하부 안산암질암류에 비해 전반적으로 부화되어있는 양상을 보이는 점 등으로 미루어보아 전술한 바와 같이 생성된 안산암질 모마그마로부터 분별결정작용이 일어났음을 시사한다.

안산암질 마그마는 그 밀도와 정압이 평형을 이루는 위치의 하부지각에 마그마챔버를 확보하며, 그곳에 머물면서 분별결정작용이 일어남으로써 밀도가 더 낮은 유문암질 마그마가 만들어지고 지표를 향해 올라온다(Wilson, 1989). 이러한 여러 가지 물리적 기구 중에서 분별정출작용은 대륙호 안산암질 마그마가 진화될 수 있는 가장 중요한 기구로 볼 수 있다(Powell, 1978).

앞에서 금오산 화산암류의 성인은 지각물질의 부분용융으로 설명될 수 있지만(Wolf and Wyllie, 1994; Rollinson, 1999; Petford and Gallagher, 2001; Foley et al., 2002), 이 화산암류의 조성 차이는 아마도 안산암질 마그마의 분별결정작용으로 설명될 수 있다. 그런데 지각 각섬암은 화성기원이기에 맨틀의 부분용융으로 형성된 고철질의 일차 마그마(그림 11a)가 하부지각에 정치한 고철질 심성암체의 변성암으로 보아야만 한다(그림 11b). 그리고 이 각섬암이 부분용융으로 안산암질 마그마가 형성되고 하부지각에 심부 챔버로 확장되었고 장기간에 걸쳐 분별결정작용이 일어났다(그림 11c). 안산암질 마그마는 하부지각의 마그마챔버에 머물면서 분별결정작용에 의해 조기 정출되는 밀도가 큰 고철질 광물의 중력낙하에 의한 분화작용으로 안산암질(An)과 데사이트질(Da) 마그마로 분리되었다(그림 11c). 이와 같이 더 많은 광물의 분리로 인하여 액체로 남아있는 유문암질 마그마는 주위의 암압보다 낮으므로 압력이 낮은 지역으로 상승할 수밖에 없다. 이때 진화된 밀도 낮은 유문암질 마그마가 이곳으로부터 상승하여 상부지각의 지하공간에 마그마챔버를 형성하여 머물게 된다(그림 11d). 천부 챔버에서도 유문암질 마그마가 장기간에 걸쳐서 더욱 진화를 겪게 된다.

Fig. 11.

Model of magma processes for the Geumosan volcanic rocks. (a) Earlier melting of multiple sources; (b) Orthoamphibolite metamorphosed from earlier mafic plutons originated from primary magma; (c) Later melting from the amphibolite and deeper andesitic magma chamber; (d) Latest shallow rhyolitic magma chamber fractionated from andesitic magma.

금오산 화산암류와 관입암류에 대한 마그마는 아마도 상부 레벨로 상승하는 마그마챔버로부터 유래되었다. 즉 안산암질과 유문암질 마그마는 각각 밀도차이로 새로운 압력 조건으로 조정될 때 상승하여 서로 다른 위치의 지하 챔버에 머물다가 순차적으로 분출되었던 것으로 설명된다(그림 11). 마그마의 조성차이는 각 레벨의 마그마챔버에서의 분별결정작용이 이 순서에 따라 잘 설명해준다. 각 레벨의 챔버에 머무는 동안 더 고철질 마그마는 주로 분별결정작용에 의해 결정낙하와 연변누적을 일으켰으며, 더 진화된 안산암질 마그마와 유문암질 마그마가 각 챔버 상부에 분리되어 출조됨으로써 그 압력 조건이 맞는 레벨에 지하공간을 확보하여 마그마챔버를 만들었다. 즉 선기의 안산암질 마그마챔버는 하부지각에 머물렀고 후기의 유문암질 마그마챔버는 상부지각에 위치했을 것이다(그림 11). 이와 같이 유문암질 마그마챔버가 보다 천부 레벨에 위치하고, 안산암질 마그마챔버가 더 심부 레벨에 위치한다는 것을 시공간적으로 생각한다면, 구미분지의 안산암질암류와 유문암질암류가 분출되었던 마그마챔버가 일정한 레벨에 상주한다는 것보다 차라리 지각 내에서 점진적으로 상승되었다는 것을 지지한다.

선기에 안산암질 마그마의 분별결정작용은 거듭되는 압력감소 효과에 따라 고철질 광물과 사장석의 분리를 일으키는데, 이 분별결정작용은 금오산에서 관찰되는 여러 화산암류 간의 조성 차이를 설명하기에 충분한 것 같다. 그리고 안산암질과 유문암질 마그마의 분출 사이에는 아마도 약 500만년의 시간이 경과되었을 것이다. 이 시간적 간격은 두 마그마의 분출이 상당한 시차를 두고 일어났음을 암시하고 이때 상당한 조성 차이를 일으키는데 기여했을 것이다. 이 간격 동안에 챔버에서 마그마는 초기 조성에 비하여 SiO₂와 K₂O가 더 풍부해지고 Al₂O₃, MgO, CaO 등이 더 고갈됐을 것이다. 점차 고철질 광물은 없어지는 것은 계속적인 분별결정작용을 반영하고 이로 인해 용융물 내에 P_H2O 증가를 일으켰다. 그리고 불호정성 원소의 함량이 높은 것에 의하면 마그마가 모암과 접촉하는 곳에서 지각물질의 동화작용에 의한 혼염도 고려할 수 있다. 종합하면 마그마의 분별결정작용이 계속되고 이와 함께 마그마의 함수량과 지각물질의 혼염이 조금씩 증가되며 이에 따라 암류 간의 조성 차이를 설명해준다.