제주삼다수 유역의 지질특성(II): 지하지질과 화산활동

1. 서 언

1970년대 초부터 제주도 지하수 개발 및 조사를 위한 시추공에서 회수된 시추코어의 지질검층을 통해 지하 구성암석과 지질구조, 그리고 화산활동을 해석하려는 연구가 이루어져 왔으며, 2000년대 중반까지 진행된 연구의 대부분은 시추코어의 육안관찰에 의한 암상 기재를 근거로 시추공 간 층서 대비와 해당 지역의 화산활동을 해석하였다(예: Won et al., 1993, 1995; Park et al., 1998, 2000a, 2000b, 2000c, 2008; Oh et al., 2000).

한편, 시추코어의 용암류 단위 별 암석성분 분석 및 연대측정 연구 결과(예: Koh et al., 2004, 2008; Koh and Park, 2010a, 2010b, 2013; Koh, C.-S. et al., 2019, 2020)는 시추코어의 단순한 암상 기재만으로는 분출시기·화학적 조성·분포지역이 각기 다른 용암누층의 층서 대비는 물론 화산활동 해석에 유용하지 않을 뿐 아니라, 지질현상을 규명하는데 혼선을 초래할 수 있음을 보여주고 있다. 또한 제주도의 형성이 지역적인 차이가 많고 비대칭적인 성장 기록을 지니기 때문에 시추코어를 이용하여 지하 지질 층서를 대비할 경우는 반드시 신뢰할 수 있는 연대 자료를 이용해야 함을 지시한다.

일반적으로 제주도에서 이루어지는 관정 개발용 심부 시추는 용암류의 두께가 얇고, 공극이 많은 지질특성을 감안하여 굴진수를 사용한 코어 회수방식을 주로 사용하고 있다. 이 방식은 시추코어가 회수되어 육안관찰이 가능하다는 장점은 있으나, 굴진수에 의한 세굴과 연약 또는 미고결 구간의 교란, 절리발달 구간 파쇄, 클링커층 구간의 마모, 용암류 접촉면의 파쇄와 같은 현상이 발생하여 코어회수율이 전반적으로 낮으며, 회수되지 않는 구간이 많아 지하 지층의 상태를 정확하게 기재하기 어렵다는 단점이 있다. 최근 이러한 시추코어 지질검층 상의 문제점을 보완해 줄 수 있는 방법으로 공내 광학영상검층(optical televiewer log)이 병행하여 수행되고 있다. 이를 통해 시추공 내부를 고화질 영상으로 촬영할 수 있게 되어 교란되지 않은 용암누층의 구조 및 접촉관계는 물론 용암류 사이에 협재된 퇴적층까지도 정교하게 기재할 수 있게 되었다.

이 연구는 제주삼다수 유역 제3취수원(예정) 내에서 시추가 완료된 8개 시추공의 지질주상도 작성과 시추코어의 암석분석 및 Ar-Ar 연대측정을 실시하고, 기존 5개 관측정(MW-JH-GR1호공, MW-JH-GR2호공, MW-1-8호공, MW-1-9호공, MW-2-2호공)의 지질주상도와 대비하여, 이 지역의 지하를 이루고 있는 구성암석의 종류와 지하지질을 밝히고, 화산활동 과정을 해석하였다. 이 지역은 한라산 정상에서 동쪽으로 약 15 km, 구좌읍 하도리 해안에서 백록담 방향으로 약 24 km 떨어진 한라산 중턱에 위치해 있어 향후 한라산 중심 부근과 남동부 해안지역의 화산활동 전개 과정 논의에 도움이 될 수 있을 것으로 기대한다.

2. 연구지역

제주도는 지하수자원의 효율적인 관리를 위해 지표수계를 기초로 16개의 소유역으로 분류하고 있는데(JSSP, 2018), 제주삼다수 취수원이 위치한 곳은 표선 유역에 해당하며, 해발 400 m 이상 표선유역 상류를 삼다수 유역이라 한다(그림 1). 최근 제주시 조천읍 교래리 일대 제주삼다수 제3취수원(예정) 지하수 조사사업의 일환으로 삼다수 유역 내 표고 470 m 일대에서 430~480 m 깊이(시추 심도)의 시추조사가 진행되었다(그림 2, 3). 이 지역의 지표는 말찻오름 용암류, 넙거리오름 용암류 및 화산쇄설층으로 피복되어 있다(Koh et al., 2021).

Fig. 1.

Shaded relief image of Jeju Island. (a) Pyoseon watershed (in green line). (b) Samdasoo watershed (light green area) in Pyoseon watershed.

Fig. 2.

Map of the studied area, Jeju Island. (a) Geologic map with location of wells. (b) Zoomed view of well fields with location of wells. (c) Zoomed view of Exploratory Well Field-3 (planned). Locations in (a): 1-Dombae Oreum, 2-Malchart Oreum, 3-Min Oreum, 4-Jeolmul Oreum.

Fig. 3.

Field photographs of (a) Samdasoo Exploratory Well Field-3 (planned), (b) rock cores from TW-3-3.

3. 연구 방법

제주삼다수 제3취수원(예정)에서 시추된 3개의 시험정(TW)과 5개의 관측정(MW)에서 회수된 시추코어에 대한 암석기재를 제주도 지질지침서(Koh et al., 2017)에 따라 실시하여 지질주상도를 작성했으며, 광학영상검층 결과를 이용하여 심도를 보정하고, 코어가 회수되지 않거나 일부만 회수된 용암류, 토양층이나 화산쇄설층의 정보를 추가적으로 보완하였다. 또한, TW-3-3호공의 시추코어로부터 선택된 18개의 용암류 시료를 미국 오리건 주립대학교 Argon Geochronolgy Lab에서, X-선 형광분석법으로 전암 주성분과 미량성분을 분석하였으며, 전암(석기)의 Ar-Ar 연대는 ARGUS VI 모델(Thermo Scientific)의 다검출기 불활성기체 질량분석기로 이루어졌고, ArArCALC v2.7.0(beta version) 전산프로그램(Koppers, 2002)으로 절대연대가 계산되었다.

또한, MW-JH-GR1호공(표고 439 m, 시추 심도 480 m) 코어 시료(19개)의 전암 주성분 및 미량성분, Ar-Ar 연대 자료(2006년 분석, 미발표자료) 및 MW-1-7호공(표고 630 m, 시추 심도 633 m) 코어 시료(3개)의 Ar-Ar 연대 자료(2017년 분석, 미발표자료)를 추가적으로 이용하였다.

암석의 명명은 IUGS의 전암 SiO₂ 대 (Na₂O+K₂O) 함량 분류도(Le Maitre et al., 2002)에 적용하였다. 이때 철의 함량은 FeO^t로 나타내었으며, 주성분원소 분석치는 변화도에 적용하기 전 산화비를 고려하여 Fe₂O₃/FeO비가 0.3(Middlemost, 1989)이 되도록 철의 총 함량으로부터 Fe₂O₃와 FeO값을 각각 재계산하고, 그 다음 다른 모든 주성분 산화물의 값과 합하여 물이 없는 상태의 백분율로 재계산한 후 분류도에 적용하였다.

4. 연구결과

4.1 암석기재적 특징 및 암상 대비

3개의 시험정과 5개의 관측정에서 회수된 시추코어의 암석기재를 통해 얻어진 제3취수원(예정)의 지하지질 특징은 다음과 같다.

인접한 MW-JH-GR1호공에서 U층이 해발 (-)35 m에서 포착된 것에 비해 이 지역에서는 시추심도가 상대적으로 얕아 포착하지 못하였다. 지하지질은 용암류, 화산퇴적층[분석층과 집괴암(agglomerate), 화산쇄설층] 및 비화산퇴적층(고토양 포함)으로 구분된다.

서귀포층에 해당하는 미고결 퇴적층 및 화산쇄설층은 해발 54.3~30.0 m 구간에서 포착되는데, 시추공 마다 고도 차이를 나타내 비교적 좁은 지역에서도 지형적 기복을 지니고 있는 것으로 해석된다. 퇴적층은 이암, 사질 이암, 사암, 역질 사암층으로 구분되며, 화산쇄설층은 화산력 응회암에서 응회암에 해당한다. 용암류는 22~32매의 용암류 단위가 구분되며, 암상은 반정의 유무와 종류, 그리고 함량비에 따라 비반상현무암, 장석현무암 감람석현무암, 휘석현무암, 반상장석현무암, 반상휘석현무암, 반상휘석감람석현무암으로 분류된다(그림 4). 용암류 누층 사이에 협재하는 퇴적층은, 고토양층, 재동된 화산쇄설층 및 하성 퇴적층에 해당하며, 8~11매로 그 층후는 최소 0.2 m에서 최대 3.4 m이다. 이들 퇴적층은 분포심도, 두께, 암상 등에서 시추공 간 다소의 차이는 있다. 한편, 분석층은 4~7매로 그 층후는 최소 0.2 m에서 최대 5.5 m이다. 특히 집괴암(장석현무암질 암상)이 두껍게 분포하는데 그 층후는 최소 1.4 m에서 최대 72.4 m로 시추공간 변화가 심하다. 한편, TW-3-3호공은 심도 462.5 m 구간에서 미고결 화산쇄설층(응회암층)을 휘석현무암이 암상(sill)으로 관입하고 있는데, 이 용암류는 표고 432 m에 분포하는 용암류의 암석 조직 및 분출시기(Ar-Ar 연대)와 동일하다(그림 5). 이는 제주도의 지하 지질연구에 연대측정이 필수적으로 포함되어야 하는 이유를 설명해 주는 중요한 사례이다.

Fig. 4.

Microphotographs of rock cores from TW-3-3 (surface elevation: 470 m) (under cross-polarized light; scale bar 0.5 mm). (a) (Bgs 35.5 m) Porphyritic Feldspar Basalt. (b) (Bgs 49.5 m) Augite Basalt. (c) (Bgs 120 m) Feldspar Basalt. (d) (Bgs 165 m) Aphyric Basalt. (e) (Bgs 196 m) Porphyritic Feldspar Augite Basalt. (f) Bgs 290 m) Porphyritic Augite Basalt. (g) (Bgs 330 m) Olivine Basalt. (h) (Bgs 415 m) Augite Basalt. Abbreviations: Bgs-below ground surface, Cpx-clinopyroxene, Pl-plagioclase, Ol-olivine.

Fig. 5.

(a) Geologic columnar section of TW-3-3 (surface elevation: 470 m) and (b) Optical televiewer image with photograph (insert) of rock core (Bgs 461.5~464 m). The dashed line indicates contact between tuff and augite basalt. Abbreviations: PAF-Porphyritic Feldspar Basalt, AB-Augite Basalt, FB-Feldspar Basalt, APB-Aphyric Basalt, PFOB-Porphyritic Feldspar Olivine Basalt, PAB-Porphyritic Augite Basalt, OB-Olivine Basalt, Ag-Agglomerate, SS-sands or sandstone, Tf-tuff, Bgs-below ground surface.

제3취수원(예정)의 지하 지질구조를 해석하기 위해 8개 시추공의 주상도에서 암상 단위를 총 19개로 단순화하여 대비하였다. 그 결과, 용암류는 15개로 분류되며, 비화산퇴적층은 3개 단위이고, 화산퇴적층(응회암)은 1개 단위이다(표 1; 그림 6). 각 용암류 암상의 두께 변화는 용암류 특성상 일정하지 않다. LFu-8(장석현무암)은 MW-3-1호공, MW-3-2호공, MW-3-3호공에서는 분포하지 않는다. LFu-6(반상장석현무암)은 반상휘석감람석현무암(TW-3-1호공에서 협재)을 포함하며, LFu-5(비반상현무암)은 장석현무암(MW-3-1호공, MW-3-3호공, MW-3-5호공과 TW-3-3호공에서 협재)을 포함한다. LFu-3(감람석현무암)은 MW-3-4호공과 TW-3-1호공에서는 분포하지 않는다. 응회암층 하부 퇴적층(S-0)는 시추심도와 응회암층의 두께에 따라 TW-3-3호공에서만 분포가 확인된다.

Table 1.

Summary of lithofacies of rock cores from Exploratory Well Field-3 (planned) at the studied area, Jeju Island.

Fig. 6.

Fence diagram of 8 borehole cores in the studied area, Samdasoo Exploratory Well Field-3 (planned). The symbols with color are the same as in Figure 5.

4.2 암석성분 변화 특징

MW-JH-GR1호공과 TW-3-3호공에서 선택된 시추코어 용암류의 전암 주성분 및 미량성분 분석 결과는 표 2, 3과 같다.

Table 2.

Major element abundances of rock cores at the studied area, Jeju Island.

Table 3.

Trace element abundances of rock cores at the studied area, Jeju Island.

용암류의 전암 주성분 분석에 따르면, 용암류는 SiO₂ 46.9~58.0 wt%, Na₂O+K₂O 4.3~9.5 wt%를 지닌 알칼리 현무암-조면현무암-현무암질 조면안산암-조면안산암에 해당한다. 대부분 알칼리 현무암-조면현무암의 조성이지만, 최하부 서귀포층과 접하는 부분에 위치한 용암류의 조성은 비교적 분화된 현무암질 조면안산암 및 조면안산암의 특징을 지닌다(그림 7).

Fig. 7.

Na2O+K2O (wt%) vs. SiO2 (wt%) plot of rock cores in the studied area. The fields show rock nomenclature schemes of Le Maitre et al. (2002) with dashed line from Macdonald and Katsura (1964), dividing alkalic rocks from sub-alkalic rocks. Abbreviations: ThB-tholeiitic basalt, AB-alkali basalt, TB-trachybasalt, BTA-basaltic trachyandesite, TA-trachyandesite, T-trachyte. Symbols: square-MW JH-GR1, circle-TW-3-3. Closed (filled) symbols indicate Porphyritic Feldspar Basalt and Feldspar Basalt.

용암류의 주성분 원소 변화 특징은 MgO 성분을 분화 지수(differentiation index)로 하여 변화 경향을 해석하였다(그림 8). 연구 지역의 용암류는 MgO (8.8~1.4 wt%)함량이 감소함에 따라, FeO^t (12.8~7.2 wt%), CaO (9.5~3.5 wt%)의 함량은 꾸준히 감소하고, TiO₂ (3.7~1.0 wt%)는 거의 일정하다가 MgO 4.0 wt% 이후 감소한다. 반면, SiO₂ (46.9~58.0 wt%), Al₂O₃ (14.3~18.6 wt%), Na₂O (3.1~5.7 wt%), K₂O (1.0~3.8 wt%), P₂O₅ (0.4~1.1 wt%)함량은 증가한다. 이는 연구 지역 용암류의 성분 분화 과정이 주로 마그마 방(chamber) 혹은 화도(conduit)내에서 감람석과 단사휘석, 그리고 사장석의 정출로 인해 영향 받았음을 지시한다. 연구 지역 용암류의 암석층서, 암석기재 및 암석화학적인 변화 경향을 근거로 하면 용암류는 두 가지로 구분된다(그림 9). 즉, 연구 지역의 지표 부분은 교래교퇴적층을 기준으로 하부에 분포하는 반상장석용암류와 교래교퇴적층 퇴적 동시대 혹은 이후에 분출한 용암류로 구분됨을 보고하였다(Koh et al., 2021). 이들과 유사하게 시추코어에서도 장석현무암류(TW-3-3호공: 표고 441~432 m, 표고 352.5~319 m; MW-JH-GR1호공: 표고 331~324 m)과 반상장석현무암류(TW-3-3호공: 표고 347~319 m, 표고 352.5~319 m; MW-JH-GR1호공: 표고 409~390 m, 304~299 m)가 동일한 MgO 함량일 때 다른 용암류에 비해, 비록 중첩되기는 하지만 특히 CaO (9.5~7.5 wt%), 함량은 높은 반면, Na₂O (3.4~4.3 wt%), K₂O (1.0~1.9 wt%), P₂O₅ (0.4~0.7 wt%) 함량은 낮다. MgO함량 변화에 대한 호정적(compatible) 원소는 변화 경향(그림 9)은 MgO (8.8~1.4 wt%)함량이 감소함에 따라, Ni (175~1 ppm), Cr (282~0 ppm), Sc (24~5 ppm), V (245~8 ppm)의 함량은 감소한다. 특히 Sc과 V 함량은 장석 반정을 지니는 현무암류가 상당적으로 더 많은 함량을 지닌다. Nb 함량 변화에 대한 불호정적(incompatible) 원소의 변화 경향(그림 10)은 Nb 함량(32~98 ppm)이 증가함에 따라 Ba (314~959 ppm), Rb (18~98 ppm), Sr (504~1247 ppm), Zr (178~528 ppm), Y (21~34 ppm), Ce (48~162 ppm) 으로 정(+)의 증가 경향을 지닌다. 특히 Nb (31.7~48 ppm) 함량은 (반상)장석현무암류가 상대적으로 작은 함량을 지닌다. 이러한 특징은 이들이 동일 맨틀근원지(Kim et al., 2019)에서 만들어진 서로 다른 배치(batch)의 마그마로부터 유래된 것이거나 마그마방 내 혹은 마그마의 상승 이동 과정 동안 분화과정에서 사장석의 영향 유무에 따라 성분 변화가 좌우되는 것으로 해석되지만, 이들의 성인적 특징을 밝히기 위해서는 향후 동위원소 분석 등을 포함한 추가적인 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.

Fig. 8.

MgO (wt%) vs. major oxides (wt%) variation diagram of rock cores in the studied area. The symbols are the same as in Figure 6 and symbols in gray from surface lava flows (Koh et al., 2021).

Fig. 9.

MgO (wt%) vs. compatible trace element (ppm) variation diagram of rock cores in the studied area. The symbols are the same as in Figure 6.

Fig. 10.

Nb (ppm) vs. incompatible trace element (ppm) variation diagram of rock cores in the studied area. The symbols are the same as in Figure 6.

4.3 암석 연대 특징

시추코어의 Ar-Ar 연대 분석치는 표 4와 같으며, 분석치 중 TW-3-3호공 시추코어 8개 시료의 플래토 연대를 그림 11에 제시한다.

Table 4.

40Ar-39Ar age of rock cores from MW-JH-GR1, MW-1-7 and TW-3-3 at the studied area, Jeju Island.

Fig. 11.

Ar-Ar plateau age results of selected rock cores (groundmass) from TW-3-3 (surface elevation: 470 m). bgs-below ground surface.

연구 지역의 지하지질을 구성하는 용암류는 최고 466±9 ka (MW-JH-GR1호공: 표고 19 m, 지표하 심도 420 m)에서 최소 26.9±3.3 ka (TW-3-3호공: 표고 447 m, 지표하 심도 23 m)로, 약 50만 년 간의 누적된 용암분출기록을 가지고 있으며(그림 11), 기존 보고된 ‘서귀포층 퇴적 이후 육상화산활동기(0.5 Ma 이후)’ (Koh et al., 2013)에 해당한다.

한편, MW-1-7호공 시추코어에서 서귀포층에 협재하고 있는 비반상현무암류(용암류 분포 표고 120 m)는 Ar-Ar 연대는 552.5±1.8 ka이며 현무암질 조면안산암의 조성이다. 이 시기의 용암류는 삼다수 취수원 지하에서는 포착되지 않으나 기존 연구(Koh et al., 2013)에 따르면 어승생공(표고 615.2 m, 시추 심도 550 m)에서는 648±27~637±14 ka (용암류 분포 표고 226~164 m, 현무암질 조면안산암~조면현무암 조성), 레이크힐스공(표고 546 m, 시추 심도 550 m)에서 556±7~550±5 ka (용암류 분포 표고 166~89 m, 조면암 조성)의 연대가 보고된다. 이처럼 시추코어에서 확인되는 바와 같이 한라산 고지대지역으로 갈수록 서귀포층 퇴적시기 동안 화산활동으로 분출한 용암류의 출현 빈도가 증가하고 있는 점은 추후 한라산국립공원 지역 내 심부시추조사를 통해 한라산 중심부에서의 화산활동 과정을 규명하기 위한 연구가 필요하다는 것을 강조한다.

5. 고 찰

연대자료가 있는 TW-3-3호공과 MW-JH-GR1호공 및 MW-1-7호공의 암상 및 암석연대 대비(그림 12), MW-2-2호공, MW-1-8호공, MW-1-9호공 및 MW-JH-GR2호공 간의 암상대비(그림 13)를 통해 제주삼다수 취수원 일대의 지하지질과 화산활동기를 해석하였다.

Fig. 12.

Ar-Ar plateau age (with 2 SD) vs. elevation (m) of rock cores. Symbols: open square-MW-JH-GR1, closed circle-TW-3-3.

Fig. 13.

Simplified stratigraphic correlation of boreholes. (a) MW-1-7, TW-3-3, and MW-JH-GR1. (b) TW-3-3 and MW-JH-GR1. Numbers indicate Ar-Ar age (with 2 SD) of rock cores (unit: ka). Abbreviations: UF-U Formation, SF-Seoguipo Formation, and I, II, & III indicate volcanic activities.

U층(UF)과 서귀포층(SF)은 고지대(MW-1-7호공)로 감에 따라 지하에서 포착되는 고도가 상향 분포를 나타내는데, 연구지역의 지하 지질은 고기원 등(Koh et al., 2013)의 구분 기준에 따르면 U층, 서귀포층, 서귀포층 퇴적 이후 화산활동기로 구분된다. 퇴적 이후 화산활동기는 서귀포층을 덮는 육상화산활동기(0.5~0.3 Ma), 광역적 육상화산활동 및 한라산체의 주모습 형성(0.3~0.1 Ma) 그리고 현재 제주도 모습 형성(0.1 Ma 이후 홀로세)로 세분된 바 있다.

그러나, 이 연구에서는 시추코어의 Ar-Ar 연대자료, 광학영상검층자료 및 시추코어기재에 근거하여 확연히 휴지기가 구분되는 비화산퇴적층의 존재를 근거로 다음과 같이 화산활동기-I, 화산활동기-II, 화산활동기-III로 구분하였다(그림 12, 13). 비록 제주도 동부 지역의 지하 지질을 10만 년 단위의 화산활동기로 구분한 바는 있지만(Koh et al., 2008), 시추코어 용암류의 기재를 통한 암상 구분, 용암류의 Ar-Ar 연대 및 시추코어에서 회수되지 않거나 회수율이 매우 낮은(10% 이하) 비화산퇴적층의 존재를 공내광학영상검층으로 확인하여, 제주도 지하에 분포하는 용암류의 화산활동기를 구분하는 것은 최초의 시도이다. U층은 MW-1-7호공과 MW-JH-GR1호공에서만 분포가 확인되며, 서귀포층의 두께는 53 m (MW-JH-GR1호공)에서 100 m (MW-1-7호공)이며, 다른 시추공에서는 서귀포층 내에서 시추가 종료되어 17~38 m의 두께를 지닌다.

서귀포층 퇴적 이후 화산활동기별 용암류 누층(박층의 퇴적층 포함) 두께의 변화를 기술하면 다음과 같다.

화산활동기-I: Ar-Ar 연대는 466±9 ka에서 444±8 ka까지 약 4만 년 간 화산활동 기록으로 이때 분출된 용암류는 최소 35 m (MW-1-9호공)에서 최대 101.5 m (MW-JH-GR1호공)까지 다양한 두께를 지닌다. 용암류는 서귀포층을 피복하며, 대부분 비반상현무암 혹은 치밀질의 휘석(혹은 감람석)현무암의 특징을 지닌 2~3매의 용암류 단위를 나타낸다. 용암류는 비교적 분화된 현무암질 조면안산암 내지 조면안산암의 조성이다. 1회(MW-1-8호공과 MW-1-9호공)에서 3회(MW-JH-GR1, -GR2호공)의 휴지기 동안 이 지역에서 퇴적환경이 조성되어 퇴적층이 퇴적되었다. 특히 화산활동 종료 후 다음 화산활동기까지 이 지역이 일시적으로 퇴적분지를 이루었음을 지시하는 퇴적층이 화산활동기-I 용암류 최상부에서 확인된다. 퇴적층은 약 20~30% 정도 코어로 회수되었는데, 회수된 코어를 이용하여 암질을 기재한 후 공내광학영상검층으로 확인한 결과, 약 2~6 m의 층후를 지니고 미약한 층리를 가진 미고결의 사질층 내지 역질 사층이다(참고: 표 1의 S-2). 한편, MW-2-2호공에서는 화산활동기-II에 해당하는 용암류에서 시추가 종료되어 분포를 확인하지 못했다.

Fig. 14.

Simplified stratigraphic correlation of boreholes. (a) TW-3-3, MW-JH-GR1, MW-1-8, MW-JH-GR2. (b) MW-2-2, MW-9, and MW-JH-GR2. Abbreviations: UF-U Formation, SF-Seoguipo Formation, and I, II, & III indicate volcanic activities.

화산활동기-II: Ar-Ar 연대는 367.5±7.9 ka에서 212.8±4.0 ka까지 약 16만 년 간 화산활동 기록을 지니며, 이때 분출된 용암류는 최소 185 m (MW-JH-GR1호공)에서 최대 267 m (MW-2-2호공)로서 MW-2-2호공 가장 용암류의 두께가 두껍고 다양하여, 화산활동이 가장 활발했음을 알 수 있다. 이 기간 전반기의 용암류는 약 2~3매의 두꺼운 용암류 단위를 가진 비반상현무암이 주를 이루나 후반기의 용암류는 비반상현무암, 반상휘석현무암, 감람석현무암, 장석현무암, 반상장석현무암으로 다양하다. 용암류는 주로 알칼리 현무암 내지 조면현무암이며 드물게 조면안산암의 조성을 지닌다. 이 화산활동기에서도 간헐적인 화산활동 휴지기 동안 침식 및 토양화가 일어났던 시기가 최소 3회(MW-JH-GR1호공)에서 9회(TW-3-3호공: 광학영상검층을 통해 해석됨)가 있었다. 화산활동기-II가 종료되고 다음 화산활동기-III의 시작할 때 까지 비교적 짧은 휴지기가 있었음을 지시하는 토양층(고토양)이 약 1 m 가량 용암류 사이에 협재하여 분포하고 있음이 공내광학영상검층을 통해 확인된다.

화산활동기-III: Ar-Ar 연대는 200±13 ka에서 26.9±3.3 ka까지 약 17만 년 간 화산활동 기록을 지니며 이때 분출된 용암류는 최소 133 m (MW-JH-GR1호공)에서 최대 158 m (MW-JH-GR2호공)이다. 이 기간 전반기의 용암류는 반상장석현무암(참고: 표 1의 LFu-6)과 장석현무암(집괴암상)이 주를 이루나, 후반기는 비교적 얇은 두께로 감람석현무암, 휘석현무암, 장석현무암과 반상장석현무암이 다양하게 분포한다. 용암류는 알칼리 현무암, 조면현무암 내지 현무암질 조면안산암의 조성을 지닌다. 지표 부분에 분포하는 반상장석현무암류의 조성이 알칼리 현무암 내지 조면현무암인 것에 비해 화산활동기-III의 시작과 함께 분출한 것으로 해석되는 반장장석현무암류는 현무암질 조면안산암의 조성을 가진다. 이러한 특징은 어승생공(Koh et al., 2013)의 시추 코어에서도 확인된다. 한편, 이 기간 용암류 단위 간 휴지기를 지시하는 퇴적층은 MW-1-9호공(1회)를 제외하고 분포하지 않는다.

화산활동기-III의 시기는 최근 발표된 한라산 유역의 연구논문(Koh et al., 2019, 2021; Hong et al., 2021)에서의 화산활동 기록과 조화적이며, 이 시기 동안 약 20만 년 전부터 홀로세 이전까지 한라산을 포함한 제주도 전역에서 광범위한 화산활동이 있었음을 의미한다(Koh et al., 2013).

6. 결 론

1) 제주시 조천읍 교래리 일대 제주삼다수 제3취수원(예정)에서 진행된 8개 시추공과 기존 5개 관측정(MW-JH-GR1호공, MW-JH-GR2호공, MW-1-8호공, MW-1-9호공, MW-2-2호공)의 지질주상도 간 대비, 시추코어의 암석분석 및 Ar-Ar 연대측정을 실시하고, 이 지역의 지하를 이루고 있는 구성암석의 종류와 지하지질을 밝히고, 화산활동 과정을 해석하였다.

2) 제3취수원(예정)의 지하지질은 용암류, 화산퇴적층 및 비화산퇴적층(고토양 포함)으로 구분되며, 암상 단위는 총 19개로 용암류는 15개, 비화산퇴적층은 3개, 화산퇴적층(응회암)은 1개 단위이다.

3) 용암류는 22~32매의 용암류 단위가 구분되며, 암상에 따라 비반상현무암, 장석현무암, 감람석현무암, 휘석현무암, 반상장석현무암, 반상휘석현무암, 반상휘석감람석현무암으로 분류된다. 용암류는 SiO₂ 46.9~58.0 wt%, Na₂O+K₂O 4.3~9.5 wt%를 지닌 알칼리 현무암-조면현무암-현무암질 조면안산암-조면안산암에 해당한다. 대부분 알칼리 현무암-조면현무암의 조성을 지니나, 최하부 서귀포층과 접하는 부분에 위치한 용암류의 조성은 비교적 분화된 현무암질 조면안산암 및 조면안산암의 특징을 지닌다. 육상에 분포하는 용암류와 같이 지하에 분포하는 용암류의 조성변화도 반상장석현무암과 그 외 용암류로 구분되는데, 이들이 동일 맨틀근원지에서 서로 다른 배치(batch)의 마그마로부터 유래된 것이거나 마그마방 내 혹은 상승 이동 중 분화과정 동안 사장석의 영향 유무에 따라 성분 변화가 좌우되는 것으로 해석되지만, 이들의 성인적 특징을 밝히기 위해서는 향후 동위원소 분석 등 추가적인 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.

4) 시추코어의 Ar-Ar 연대에 의하면 연구 지역의 지하지질을 구성하는 용암류는 최고 466±9 ka (MW-JH-GR1호공: 표고 19 m, 지표하 심도 420 m)에서 최소 26.9±3.3 ka (TW-3-3호공: 표고 447 m, 지표하 심도 23 m)로, 약 50만 년 간의 용암분출기록을 가지고 있으며, 기존 보고된 ‘서귀포층 퇴적 이후 육상화산활동기(0.5 Ma 이후)’ (Koh et al., 2013)에 해당한다. 한편, 서귀포층에 협재하고 있는 용암류에 대한 시추코어의 기록(MW-1-7호공: 용암 분포 표고 120 m, 552.5±1.8 ka, 현무암질 조면안산암의 조성)은 기존 보고된(Koh et al., 2013) 어승생공(용암류 분포 표고 226~164 m, 648±27~637±14 ka, 현무암질 조면안산암~조면현무암 조성), 레이크힐스공(용암류 분포 표고 166~89 m, 556±7~550±5 ka, 조면암 조성)과 같이 한라산 고지대 지역으로 갈수록 서귀포층 퇴적시기 동안 화산활동으로 분출한 용암류의 출현 빈도가 증가한다. 이러한 점은 추후 한라산국립공원 지역 내 심부시추조사를 통해 한라산 중심부에서의 화산활동 과정을 규명하기 위한 연구가 필요하다는 것을 강조한다.

5) 제주삼다수 취수원 일대의 지하지질과 화산활동기를 해석하였다. U층과 서귀포층은 고지대(MW-1-7호공)로 감에 따라 지하에서 포착되는 고도가 상향 분포를 나타낸다. 연구지역의 지하 지질은 U층과 서귀포층의 퇴적, 서귀포층 퇴적 후 화산활동으로 화산활동기-I (466±9~444±8 ka), 화산활동기-II (367.5±7.9~212.8±4.0 ka), 화산활동기-III (200±13~26.9±3.3 ka)에 분출한 용암류와 휴지기 동안의 비화산퇴적층으로 구분된다. 특히, 화산활동기-II가 가장 용암류의 두께가 두껍고 다양하여, 화산활동이 가장 활발했음을 알 수 있다. 용암류의 종류도 비반상현무암, 반상휘석현무암, 감람석현무암, 장석현무암, 반상장석현무암으로 다양하다.

Acknowledgments

이 연구의 기본 자료인 암석성분 분석과 Ar-Ar 연대측정에 애를 써주시고 분석 결과를 함께 논의해 준 오리건 주립대학교 Dr. Daniel P. Miggins께 깊은 감사를 드립니다. 논문의 초고에 세심한 심사를 해주신 심사위원님께 감사를 드립니다. 이 연구는 제주특별자치도개발공사의 자체 연구사업에 의해 수행되었다.

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