영주저반에서 봉화 콜드론의 마그마 배관체계와 침하기구

1. 서 언

지구 대륙지각의 많은 부분은 마그마 과정에 의해 형성되거나 혹은 영향을 받는다(예: Hamilton, 1989; Lipman, 1992; Yanagi and Yamashita, 1994; Brown and Rushmer, 1997). 따라서 마그마 배관체계에 대한 시공간적인 진화는 어떻게 대륙이 성장하고 진화하는가를 이해하려는 우리의 연구에서 중요한 문제 중의 하나이다. 그러나 마그마챔버는 극히 역동적인 물리·화학적계이고, 혼합, 혼화(mingling), 대류, 재충전 등과 같은 중복과정으로 인해 심성암체에서 상당히 복잡한 양상을 나타낼 수 있다. 이와 대조적으로, 화산 아래의 환상복합체는 분출과정과 같은 그 당시 마그마 사건을 보존하고 있다. 즉 이들은 원추암상, 환상암맥과 괴상 중심관입체 등을 포함하는 매우 다양한 관입상(intrusive phase)을 가지며, 잠재적으로 칼데라 및 화산뿌리의 진화와 상부지각 마그마챔버의 상단에 관해 많은 정보를 공급해준다(예: Smith and Bailey, 1968; Lipman, 1984). 그러나 특이한 경우에 지표에 화산작용에 관한 표현 없이도 지하에서 콜드론 침하에 따른 환상암맥이 발생할 수도 있다. 이들에 대해 잘 정의되는 공간적 및 지질학적 관계를 보여줄 때, 환상복합체는 일반적으로 천부지각의 마그마계 진화를 평가할 좋은 기회를 제공한다.

영주저반은 약 1,180 km² 면적으로 영남육괴 북동부의 소백산 지구에 위치해 있으며(그림 1), 영남누층군의 원남층군과 소백산편마암류를 관입했다(Shin and Choi, 1968; Yoon et al., 1988; Lee, J.H. et al., 1989; Lee, M.S. et al., 1989). 봉화 콜드론은 영주저반의 북동부에 위치하며 환상암맥을 포함하는 관입복합체를 이루고 있다(그림 1). 이 복합체는 비교적 작고 접근이 용이하며, 각 관입체마다 구조적인 패턴의 차이를 보여준다. 따라서, 우리는 자세한 구조 자료를 수집하고, 이의 관입 역사와 정치기구를 평가할 수 있다. 영주저반의 복합체에 대한 암석학, 지구화학 및 지구연대학적 연구는 비교적 자세히 수행된 바 있다(Lee et al., 1998; Hwang et al., 1999, 2000; Yoon et al., 2014). 이 저반에서 봉화 콜드론은 잘 보존된 환상암맥으로 둘러싸이며 각 관입체의 연대가 고기일수록 변형도가 심하게 나타난다.

Fig. 1.

Geological map showing several lithofacies of the Buseok and Chunyang plutons in the Yeongju batholith, and indicating two sample locations.

이 논문에서 우리는 영주저반 내에서 발생한 봉화 콜드론의 관입복합체들을 기재하고(그림 1), 중부지각의 마그마 배관체계에서의 이들의 역할을 토의해 보고자 한다. 현재까지 우리의 작업에 의하면 봉화 콜드론에서 환상암맥은 이전에 기재된 많은 백악기 환상관입체와 비교할 때 매우 특이하다. 우리나라 백악기 화산 아래의 복합체는 마그마가 상부지각 마그마 저장소로부터 지표까지 운반된다는 배관체계로 설명되어왔다(Hwang, 2012). 그러나 쥐라기 환상복합체는 영주저반에서 처음으로 발견되었지만 중부지각에서 마그마 이동을 나타내는 배관체계를 현재 충분히 고찰되지 못했다. 따라서 영주저반의 중부지각 심도에서 형성된 환상복합체의 존재는 다음 가능성을 고려할 것이다: (1) 화산-심성 침하계로서 상부지각 레벨로 연결될 가능성이 있고, (2) 환상복합체는 화산작용에 관련되지 않은 채 형성될 가능성도 있다.

2. 용어 정의

화산 아래의 환상복합체는 역사적으로 “화산-심성 침하계”의 필수적 요소로 고려되어왔는데, 이 일반적인 용어는 높은 레벨에 있는 칼데라와 그 아래에 있는 마그마챔버를 포함하고 이들 사이에서 발견되는 지질학적 특징까지를 포함한다. 더 구체적으로 본다면, 화산 아래의 환상복합체는 상부지각 마그마챔버와 지표 칼데라 사이에 굳은 마그마 통로로써 해석되어왔다(예: Turner, 1963; Smith and Bailey, 1968; Walker, 1975; Oftedahl, 1978; Dodge, 1979; Lipman, 1984).

마그마성 환상구조를 기재하는데 사용된 용어는 복잡하고, 여러 용어가 느슨하게 또는 상호 교환적으로 사용되었다. 이러한 용어의 예는 칼데라, 콜드론, 환상구조, 환상복합체, 환상대(ring zone), 환상암맥, 환상암맥복합체, 원추암상 등을 포함한다. 여기서 우리는 이 논문에서 사용되는 몇몇 용어들을 정의하고 가능한 역사적으로 사용했던 것과 일치성을 유지하는 범위에서 재정립하고자 한다.

환상복합체(ring complex)는 원추암상 및/혹은 환상암맥을 포함하는 관입복합체를 설명하는데 사용되는 일반적인 용어이며, 평면도에서 원상, 계란상, 다각상 혹은 호상 관입체를 가지는 어떤 관입복합체를 기재하기 위해 느슨하게 사용될 수도 있다. 원추암상 혹은 환상암맥만 포함하는 복합체를 각각 원추암상 복합체 및 환상암맥 복합체라고 부르기도 한다. 환상복합체는 오랫동안 칼데라와 그 밑에 있는 마그마챔버 사이의 전달 연결고리를 나타내는 것으로 생각되어왔다(예: Turner, 1963; Smith and Bailey, 1968; Oftedahl, 1978).

칼데라(caldera)는 거의 원형의 큰 화산 저지이며, 포함된 화구 직경의 수배 이상 직경을 가지고, 그 아래의 마그마챔버로 지붕이 함몰하여 형성된다(Lipman, 2000; Cole et al., 2005). 다량의 분출로 인해 마그마챔버의 압력이 낮아지면 화구를 중심으로 생긴 환상단열대를 따라 원통상 블록이 함몰되며, 환상단열대를 따라 마그마 주입으로 환상암맥이 형성되기도 한다.

콜드론(cauldron)은 마그마챔버 위에서 솥 모양으로 갈라진 블록이 챔버 내로의 침하 결과로 형성된다(Williams and McBirney, 1979; Komuro, 1987). 이러한 블록의 침하는 마그마 분출이 아니더라도 마그마 퇴각으로 일어날 수 있다(Billings, 1972, Myers, 1975). 마그마의 정수압이 모암의 정암압보다 작다면, 이때도 지하에서 단열대가 엎어진 솥 모양으로 형성되어 이 블록이 마그마 속으로 내려앉고 단열대로 마그마가 채워짐으로써 환상암맥과 함께 형성된다(Clough et al., 1909; Anderson, 1936; Billings, 1972; Myers, 1975).

환상암맥(ring dike)은 평면에서 원상, 계란상, 다각상 혹은 호상일 수 있는 부조화적 관입체이며 거의 수직에 가깝게 외측경사를 나타내는 접촉부를 가진다. 암맥 두께는 다양하나 몇 km까지 달할 수도 있다. 암형은 일반적으로 규장질이며 냉각 구조는 보여주지 않는다. 영국 스코틀랜드 글렌코(Glen Coe)에서 콜드론 함몰과 관련하여 Clough et al. (1909)가 환상암맥을 처음 기재하였다.

원추암상(cone sheet)은 원상, 계란상, 다각상, 호상을 이룰 수 있는 부조화적 관입체이며 완만하게 혹은 가파르게 내측으로 경사지는 접촉부를 가진다. 이 암상의 두께는 다양하지만, 수십 m 이상을 좀처럼 넘지 않는다. 암형은 고철질에서 규장질(덜 흔함)일 수 있고 흔히 급냉 조직을 보여준다. 환상대(ring zone)는 원추암상 및/혹은 환상암맥을 포함하는 환상복합체 부분을 말한다.

위의 몇몇 용어의 의미는 화산-심성 침하계에서 서로 다른 구조적 레벨을 나타낸다는 개념으로 기재되었다. 흔히 환상복합체는 칼데라 아래에 놓이고 심성암체 위에 놓이는 것이다(예: Williams, 1941; Billings, 1945; Jacobson et al., 1958; Smith and Bailey, 1968; Cobbing and Spencer, 1972; Bussell et al., 1976; Oftedahl, 1978; Bonin, 1986). 그래서 환상복합체라는 용어는 흔히 비교적 깊이 침식된 침하계로 보존되지만, 원추암상은 화산체에서 비교적 높은 곳에서 발견될 수 있다(예: Schirnick et al., 1999). 이처럼, 이 침하계에서 지질도 패턴과 위치 간에서 추론되는 관계는 보편적으로 적용될 수 있다. 다른 레벨 간의 중첩 혹은 전환될 수 있고(Lipman, 1984), 어떤 연구자는 지하 콜드론 침하(underground cauldron subsidence)와 이에 조합된 환상암맥 형성이 지표 화산작용 없이 일어날 수 있음을 추론하기도 하였다(예: Myers, 1975). 따라서 지질도 패턴과 절대적 지각심도 간의 엄격한 일치가 있을 필요는 없다는 것을 의미한다.

3. 지질배경

영주저반은 영남육괴 북동부의 소백산지구에 노출되는 큰 저반 중의 하나이다. 이 저반은 춘양으로부터 영주, 예천과 문경까지 연장되어 있으며(그림 1), 쥐라기 대보조산운동에 의한 거대한 호마그마계의 심성암체로 인식되고 있다(Lee et al., 1998; Hwang et al., 1999).

영주저반의 남측부와 동측부의 변성퇴적암류는 원남층군과 율리층군에 속하며, 다양한 암상의 편마암류와 편암류로 구성되어 있다. 저반의 북부와 북서부에서 소백산 변성암 복합체는 미그마타이트질 편마암, 페그마타이트질 미그마타이트, 화강암질 편마암과 호상 편마암으로 구성된다(Shin and Choi, 1968; Yoon et al., 1988; Lee, J.H. et al., 1989). 그리고 이들은 남서쪽으로 가면서 화강암질 편마암과 반상변정질 편마암 등의 편마암류를 협재한다. 저반의 인접부는 압쇄화되어 있으며, 압쇄작용은 변성작용과 심성작용 후의 일이다(Chang, 1990).

이 저반은 조성이 토날라이트에서 화강암 범위이고(Lee et al., 1998; Hwang et al., 1999), 입도가 조립질에서 세립질 범위로서 다양하기 때문에 여러 개의 관입상과 분화상으로 구분하였다(Hwang et al., 1999, 2000). 이 저반은 지질학적, 암석학적, 지화학적 특징들을 토대로 주로 토날라이트질, 화강섬록암질 및 화강암질 조성을 가진 6개의 암상으로 분대되며, 관입접촉부와 포획체에 의한 상호관계와, 마그마성 엽리 등의 내부구조에 의해서 각섬석 흑운모 토날라이트, 반상 흑운모 화강섬록암, 흑운모 화강섬록암, 흑운모 화강암, 춘양화강암, 복운모 화강암 순으로 세분하였다. 그리고 이 저반은 관입복합체(intrusive complex)로서 관입상에 따라 부석암체, 춘양암체와 장수암체로 묶을 수 있는 심성암복합체(plutonic complex)이다(Hwang et al., 1999).

영주저반에서 변형작용은 북동-남서 내지 동서 방향으로 우세한 엽리를 가지는 구조적 뼈대를 형성하는 압쇄엽리이다. 이 저반의 남쪽 변성암류에서 연성 전단대도 이 시기에 일어났다. 압쇄엽리는 대개 N30~80°E, 50~70°NW이며 저반의 남동측 변성암류에 나타나는 전단대에 대체로 평행하다(Chang, 1990).

4. 봉화 콜드론의 지질과 암상기재

봉화 콜드론 주변의 지질은 변성암류를 관입한 관입복합체로 산출된다. 관입복합체는 부석심성암체와 춘양심성암체로 구분된다. 분화상과 관입 형태에 따라 전자는 토날라이트, 화상섬록암 및 흑운모 화강암으로 구분되며, 후자는 춘양화강암과 세립질 화강암맥으로 구분할 수 있으며 이들을 기재한다.

4.1 부석심성암체

4.1.1 각섬석 흑운모 토날라이트

각섬석 흑운모 토날라이트는 이 지역의 북부에서 원남층군의 변성암을 관입하고 남부에서 흑운모 화강섬록암 및 흑운모 화강암과 접촉한다. 그리고 이 지역의 북동부에서 춘양화강암 및 세립질 화강암맥에 의해 관입된다(그림 2). 변성암류와 접촉부에서 간혹 변성암 포획체가 발견되는 곳도 있다. 일반적으로 대개 북동-남서 주향에 가파른 북서 방향의 경사를 가지는 엽리를 잘 발달시킨다(Hwang et al., 1999). 이 엽리는 토날라이트의 연변부 가까이에서 변성암의 벽암에서의 압쇄엽리에 평행한 고체 상태의 엽리를 보여주고 긴 고철질 내포체가 항상 이에 일치하는 모습을 나타내며 마그마성 엽리(magmatic foliation)와 구별할 수 없다. 대조적으로 마그마성 엽리는 저반 경계부를 따라 동심원상으로 나타내고(그림 1), 전단감각 지시자는 주변 모암에 대해 아래로 이동했음을 일관적으로 보여준다(Hwang et al., 1999).

Fig. 2.

Representative Cathodoluminescence images of the analysed zircon grains, showing the location of analytical spots and 206Pb/238U ages in Ma, separated from the biotite granite (HY545) and fine-grained granite dike (HY514).

이 토날라이트는 이 저반의 다른 암상보다 고철질 광물의 함량이 많아서 회색 내지 암회색을 띠며 영주저반 내에서 가장 색지수가 높다. 입도는 조립질 내지 중립질이지만 대체로 등립질이다. 이 암상은 주로 사장석, 석영, 알칼리장석, 흑운모, 각섬석을 함유하고 녹렴석, 스핀을 드물게 가진다. 각섬석, 흑운모 등의 유색광물은 대체로 15~25% 정도 함유된다.

이 토날라이트는 MH-MY 횡단선에서 SiO₂가 61.34~64.37 wt.% 범위를 나타낸다(Hwang et al., 2000).

4.1.2 흑운모 화강섬록암

흑운모 화강섬록암은 이 지역의 서반부에 넓게 분포하며 북동부에서 편마암류를 관입했으며(그림 2) 풍화에 약하여 낮은 구릉지와 평야를 이룬다. 토날라이트와 마찬가지로 대체로 북동-남서 주향에 북서 방향으로 가파른 경사를 가지는 희미한 엽리를 나타내기도 한다(Hwang et al., 1999). 이들은 특히 사장석, 흑운모 및 각섬석 결정의 배열로 정의되는 마그마성 엽리을 나타낸다. 이 엽리는 대체로 주변 모암에 대해 동심원상으로 보여주고 위로 이동했다는 일관적인 전단감각 지시를 나타낸다(Hwang et al., 1999).

이 화강섬록암은 회색 내지 담회색을 띠고 조립질로서 대개 등립질의 입상조직을 나타내지만, 간혹 알칼리장석 결정이 아주 드물게 반정으로 나타나는 곳도 있다. 이 암상은 주로 사장석, 석영, 알칼리장석, 흑운모를 함유하고 각섬석, 녹염석, 스핀을 드물게 갖는다. 흑운모 등의 유색광물은 대체로 10~20% 정도 함유된다.

이 화강섬록암은 MH-MY 횡단선에서 SiO₂가 66.70~68.72 wt.% 범위를 나타낸다(Hwang et al., 2000).

4.1.3 흑운모 화강암

흑운모 화강암은 이 저반의 중부에 반원상으로 분포하며 약 85 km² 면적을 가진다. 이 화강암은 세립질 화강암맥과 환상단층에 의해 둘러싸이며(그림 2), 응방산 근처에서 변성암을 포획체로 함유하고 토날라이트와 화강섬록암과 접촉부에서 부분적으로 전단작용으로 파쇄되어있거나 단층 접촉을 한다.

이 화강암은 입도가 대체로 중립질이지만 부분적으로 조립질인 곳이 있고 불균질하지만 거의 몬조화강암에 해당한다. 이 암상은 주로 사장석, 석영, 알칼리장석, 흑운모로 구성되며 녹렴석과 갈렴석이 드물게 관찰된다. 알칼리장석은 간혹 반정으로 나타난다. 유색광물은 6~10% 정도 함유되나 부분적으로 이들이 밀집된 슐리렌 구조를 나타낸다.

이 화강암은 MH-MY 횡단선에서 SiO₂가 68.65~73.17 wt.% 범위를 나타낸다(Hwang et al., 2000).

5. SHRIMP 저어콘 U-Pb 연대

봉화 콜드론 주변에서 관입복합체는 5개 암상 중 중 3개 암상에서 SHRIMP 저어콘 U-Pb에 의한 연대가 이미 보고된 바 있다. 각섬석 흑운모 토날라이트는 186.6±0.73 Ma이고 흑운모 화강섬록암은 185.8±0.69 Ma로 측정되었으며, 춘양화강암은 174.8±1.4 Ma로 측정되었다(Yoon et al., 2014). 그래서 나머지 흑운모 화강암과 세립질 화강암맥에 대해 SHRIMP 저어콘 U-Pb 연대측정을 수행하였다.

5.1 흑운모 화강암 연대

흑운모 화강암은 시료 HY545의 저어콘으로부터 측정되었다. 저어콘들은 대부분 자형이며 주상이지만 장주상도 산출된다. CL 영상에서 저어콘들은 동심원상으로 섬세한 진동누대를 보이지만, 상속핵을 가지지 않는다(그림 2). 14개 저어콘의 U과 Th 농도는 각각 434~1122 ppm과 81~467 ppm이고, Th/U 비는 0.15~0.57의 좁은 범위로 나타난다(표 1). U-Th 관계도에서 분석된 저어콘들은 대체로 Th/U 비가 1인 등치선을 따라 거의 직선상으로 나타난다(그림 3). 이들에 의하면 저어콘들은 외형 및 내부구조와 함께 마그마에서 성장한 저어콘의 특징을 나타낸다(Vavra et al., 1999; Hartman et al., 2000).

Table 1.

Summary of SHRIMP U-Pb isotopic data of the analytical zircons from the biotite granite and fine-grained granite dike.

Fig. 3.

Correlation diagram showing the proportions of Th to U concentrations (ppm) of the zircons analyzed by SHRIMP.

측정연대는 통계분석 t-검정에 의해 제외한 가장 젊은 분석치 1개 외 나머지 13개 분석점에서의 겉보기 ²⁰⁶Pb/²³⁸U 값이 185~177 Ma 범위를 가지며(표 1), 가중평균 ²⁰⁶Pb/²³⁸U 연대를 설정하기가 곤란하다(그림 4a). 그 원인은 HY545 시료의 저어콘 결정형태 및 음극선발광 영상 관찰결과는 이 결정들이 마그마 형성시 함께 성정한 단일화성기원임을 시사하므로, 약 8 Ma의 범위를 가지는 슈림프 결과는 우라늄-납 동위원소 시스템이 저어콘 형성시 혹은 그 이후에 일부 교란을 받았을 가능성을 의미한다.

Fig. 4.

Concordia diagrams for SHRIMP U-Pb ages of zircons separated from samples (a) HY545 and (b) HY514.

6. 콜드론 규모

봉화지역에서 관입복합체는 주로 환상단열대, 관입 및 침식으로 큰 영향을 받았지만, 엽리측정과 경계추적에 의해 콜드론을 복원할 수 있다. 즉 콜드론은 관입체의 형태와 함몰에 관한 기하학적 관계로부터 추론해낼 수 있다.

봉화 콜드론은 대체로 환상암맥과 단층을 따라 구조적 경계를 구획할 수 있다. 그래서 콜드론 영역은 환상암맥과 환상단층을 이상적으로 연결함으로써 정의된다. 콜드론은 흑운모 화강암이 차지하며 외연부를 따라 환상암맥이 두껍게 관입되어 있고 그 외곽부에 변성암류, 각섬석 흑운모 토날라이트 및 흑운모 화강섬록암이 분포한다.

6.1 환상암맥과 콜드론 형태

봉화 콜드론은 둘레의 총 길이가 40.7 km에 달한다(표 1). 이 둘레는 동측부와 서측부에서 대규모 환상암맥으로 연결되지만, 북측부와 남측부에서 소규모 암맥이 단속적으로 연결되다가 단층 혹은 단열대로 대체된다(그림 1). 암맥들은 경사가 대체로 대부분 수직에 가깝지만, 외측으로 65~85°로 경사진다.

동측 환상암맥은 북측에서 북동측을 거쳐 동측으로 12.0 km의 낫 모양으로 연결된다. 맥폭은 북동측에서 약 1.6 km로 가장 두껍지만, 북측과 동측으로 갈수록 다소 좁아지다가 10 m 이하로 얇아진다. 따라서 이 환상암맥은 봉화 콜드론의 경계를 정의해준다.

서측 환상암맥은 콜드론 서측에서 남서측으로 호상으로 연장되며 6.7 km에 달한다. 이는 서측부에서 맥폭이 최대 약 1.4 km이던 것이 N15°E 방향으로 연장되다가 남서측으로 가면서 N40°W 방향으로 휘어지고 점점 좁아져 10 m로 얇아진다.

북측 환상암맥은 북측에서 동서 방향으로 달리다가 북서측에서 N30°E 방향으로 휘어져 호상으로 연장되며 3.8 km에 달한다. 맥폭은 최대 200 m 이하로 좁고 양쪽으로 10 m 이하로 점점 얇아져 단층 혹은 단열대로 대체된다.

남측 암맥은 남서측에서 N30°E 방향으로 1.2 km로 연장되고 남측에서 N65°E 방향으로 1.8 km에 연장된다. 이들은 맥폭이 최대 250 m 이하로 좁고 각각 양쪽으로 가면서 점차 얇아져 단열대로 대체된다.

따라서 봉화 콜드론은 환상암맥의 총연장 25.5 km와 단층(혹은 단열대)의 총연장 15.2 km로 구획되는 거의 반원상 구역을 말한다(표 2). 이 구역 내에서 가장 짧은 직경은 NNW-SSE 방향으로 6.0 km이고 이에 직각 방향의 직경은 약 12.8 km이다.

Table 2.

Ring dikes and faults defining a boundary of the Bonghwa cauldron.

이 환상암맥들은 유상엽리를 관찰되지 않지만 관입접촉부가 대개 수직 혹은 외측경사를 이룬다. 콜드론을 경계로 내부의 암상은 오직 흑운모 화강암으로 변성암 포획체를 가지지만 균질한 반면, 외부 암상은 변성암류, 각섬석 흑운모 토날라이트와 흑운모 화강섬록암으로 다양하다(그림 1). 이러한 지질도 패턴에 의하면, 이 환상암맥들은 지하에서 콜드론 침하(cauldron subsidence)로 생긴 틈에 의해 지배되었음을 암시한다. 그러면 이 암맥들은 기존 암체에 이미 형성된 통로에 주입되는 허용식 관입(permissive intrusion)에 의한 것임을 암시한다. 즉 콜드론 침하로 증가하는 하중이 마그마 압력을 증가시킬 때 마그마는 침하로 생긴 환상단열대 틈을 따라 유입되어 채워진 마그마 물질을 암시한다.

7. 토 의

영주저반의 북동 중앙부에서 관입복합체는 중부지각 레벨에서의 심성암 침하계에 관련되는 봉화 콜드론을 노출시킨다. 이 복합체는 저반 내에서 2개의 다른 시기에 심성작용을 겪었던 심성암체를 나타낸다. 전기 부석심성암체는 186.6~177 Ma 심성작용 동안에 형성되었고 후기 춘양심성암체는 174.8~172.2 Ma 심성작용 동안에 형성되었다(표 3). 이때 두 심성암체는 쥐라기 마그마호의 조구조적 환경하에서 진화했지만 관입복합체의 상호관계는 우리가 중부지각 레벨에서 콜드론과 관련되는 마그마 배관체계를 추론하도록 한다.

Table 3.

SHRIMP U-Pb zircon ages of the lithofaces in the Bonghwa cauldron.

7.1 환상암맥의 지질 관계

봉화지역에서 환상암맥은 같은 조직과 조성을 가지는 춘양심성암체의 세립질 화강암맥에 해당하며, 부성암체의 각섬석 흑운모 토널라이트, 흑운모 화강섬록암과 흑운모 화강암을 관입하고 있다(그림 1). 따라서 이 세립질 화강암맥은 침하하는 흑운모 화강암 주변에 환상암맥으로 관입했던 것으로 생각된다(그림 5).

Fig. 5.

Block diagram showing the three-dimensional geometry. The central plug of biotite granite subsides, allowing intrusion of the ring-shaped fine-grained granite dike around it.

그러나 지질 관계는 역시 흑운모 화강암이 세립질 화강암맥을 둥지상 다이아퍼(diapir)로 관입했다고 볼 수도 있다(England, 1990, 1992). 이러한 관계는 다이아퍼의 정치로 흑운모 화강암의 접촉부에서 세립질 화강암맥 뿐만 아니라 토날라이트와 화강섬록암을 동심원상으로 엽리화되어야만 가능하다(예: Mirriam, 1941). 그리고 흑운모 화강암이 정치할 때 화강암맥이 중간 정도의 멜트를 가졌다면, 물질 이동은 모두 수직이어야 한다(예: Paterson and Vernon, 1995). 이러한 관입 역사는 화강암맥에서의 마그마성 엽리와 일치하고 고기 기반암(변성암류, 토날라이트와 화강섬록암)에서의 동심원상 엽리와도 일치해야만 한다. 그러나 토날라이트 및 화강섬록암과의 접촉부에 평행한 엽리가 관찰되지 않으며, 이 때문에 이러한 가능성은 이들이 흑운모 화강암 이후에 정치되었거나 혹은 동시기의 분화상이어야만 한다.

8. 결 론

영주저반은 부석, 춘양 및 장수심성암체과 같은 관입상으로 구성되는 심성암복합체이다. 부석심성암체는 각섬석 흑운모 토날라이트, 흑운모 화강섬록암과 흑운모 화강암의 분화상으로 구분되며, 춘양심성암체는 관입형태에 따라 춘양화강암 암주와 세립질 화강암맥으로 구분된다. SHRIMP U-Pb 저어콘 연대는 토날라이트(186.6 Ma), 화강섬록암(185.8 Ma), 흑운모 화강암(185~177 Ma), 춘양화강암 암주(174.8 Ma), 환상화강암맥(172.2 Ma)의 젊어지는 순서를 나타낸다.

봉화 콜드론은 직경이 6.0×12.8 km이며 세립질 화강암맥으로 보존된 환상암맥과 환상단층에 의해 경계된다. 콜드론의 외곽부는 챔버의 하층부에 놓이는 선기 및 중기 분화상인 토날라이트와 화강섬록암과 접하지만, 그 내부는 상층부에 놓여야만 하는 후기 분화상인 흑운모 화강암으로 이루어진다.

이러한 지질도 패턴은 개별 침하계 내에서 마그마성 요소들이 3차원으로 어떠한 “배관체계”로 상부지각과 연결되었는지를 확인할 기회를 제공한다. 따라서 환상단층 운동학은 흑운모 화강암이 주변의 변성암, 토날라이트 및 화강섬록암에 비해 아래로 이동했다는 것을 나타내며, 이는 아래의 마그마챔버로 침하되는 것을 암시한다. 보존된 구조적 및 관입 관계에 의하면, 우리는 콜드론 침하를 추론할 수 있으며 적용할 수 있는 모델은 (1) 아래 마그마챔버에서 마그마의 퇴각으로 위의 지붕암이 침하하는 것이며, (2) 지붕의 고체화된 흑운모 화강암이 그 아래의 후기 마그마챔버로 가라앉는다는 것이다.

그래서 봉화 콜드론은 상부지각 레벨에서 화산-심성 침하계와 무관한 콜드론 침하계를 나타낸다. 이 콜드론은 (1) 부석심성암체의 분화와 정치, (2) 중부지각 레벨에서 아수직의 환상단층 발달, 그리고 (3) 콜드론 침하 및 환상암맥 주입의 진화순서를 보여준다.

Acknowledgments

이 논문은 야외지질조사에서 얻어진 자료를 바탕으로 추가 연구로 얻어진 결과이다. 연대측정은 한국기초과학지원연구원의 선도장비 이용자프로그램에 의한 SHRIMP U-Pb 분석으로 수행되었다. 그림은 안동대학교 암석학연구실 현혜원의 도움이 있었다.

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