한반도 신원생대 화성활동에 대한 종합검토 및 신원생대 한중 대비

1. 서 언

한반도와 중국을 포함한 북동아시아 일대에는 로디니아 초대륙의 형성 및 분열과 관련된 신원생대 화성암류가 광역적으로 분포하고 있으며, 이 신원생대 암석들에 관한 연구는 로디니아 초대륙과 북동아시아의 지구조 진화사 해석에 중요하다(Peng, 2015; Kim et al., 2020). 특히, 신원생대 화성암은 퇴적암에 비해 정확한 형성 시기와 지구조 환경을 지시해준다. 북중국판에 산출하는 신원생대 화성암과 남중국판에 산출하는 신원생대 화성암의 형성환경과 지구조진화가 상이하다. 따라서, 신원생대 화성암은 한국과 중국의 지질을 대비하는데 매우 중요하다. 최근 한반도 여러 지역에서 신원생대 암석이 보고되고 있으나(Kim et al., 2013; Oh et al., 2009, 2018; Lee et al., 2020) 중국과 한반도의 신원생대 암석 대비는 여전히 논란 중에 있다.

한반도와 중국의 신원생대 암석들의 대비는 북중국판과 남중국판의 충돌에 의해 형성된 페름-트라이아스기 친링-다비-수루 충돌대(Qinling-Dabie-Sulu collision belt)가 한반도 어디로 연장되는지를 포함한 페름-트라이아스기 북동아시아의 지구조 진화를 이해하는데 중요한 정보를 제공할 수 있다. 페름-트라이아스기 충돌대를 포함한 북동아시아 지구조 진화에 대해 여러 모델이 제시되고 있으며, 그 중 대표적인 다섯 가지 모델은 다음과 같다. 1) Yin and Nie (1993) 모델에서는 친링-다비-수루 충돌대가 한반도 임진강대로 연결되며, 낭림육괴와 영남육괴는 북중국판에, 경기육괴는 남중국판에 대비된다. 2) Zhang (1997)이 제시한 모델에서는 친링-다비-수루 충돌대가 한반도의 임진강대를 지나 두만강대로 연결되며 임진강대 이북에 위치한 낭림육괴는 북중국판에, 임진강대 이남에 위치한 경기육괴와 영남육괴는 남중국판에 대비 된다. 3) 충돌대가 일본 오키나와 지역과 일본 열도쪽으로 연결되면서 한반도 전체가 북중국판에 속한다는 모델이 Ishiwatari and Tsusimori (2003)에 의해 제시되었다. 4) Oh et al. (2005)은 홍성 지역에서 대륙충돌을 지시하는 페름-트라이아스기 에클로자이트를 발견하여 충남 홍성을 충돌대로 제시하였다. 이후 오대산과 양평 지역에서 맨거라이트를 포함한 트라이아스기 충돌 후 화성암들이 광역적으로 확인되었다(Oh et al., 2006; Yi et al., 2016). 이들 자료를 바탕으로 친링-다비-수루 충돌대가 홍성-오대산으로 연결되는 모델이 제시되었다(Oh and Kusky, 2007). Oh (2006)와 Oh and Kusky (2007)는 페름-트라이아스기 이전에는 경기육괴 북부와 남부가 분리되어 있었고 각각 북중국판과 남중국판에 대비되며 페름-트라이아스기에 홍성-오대산을 따라 충돌하였다고 주장하였다. 이는 경기육괴 북부와 남부가 페름-트라이아스기 대륙충돌 이전인 고-신원생대 시기에 서로 다른 지구조 과정을 겪었을 가능성을 제시한다. 5) Kim et al. (2013)은 홍성-임진강대를 따라 충돌이 발생했으며, 홍성-임진강대의 서부와 동부는 각각 북중국판과 남중국판에 대비됨을 제시하였다.

기존 연구에서 고원생대 시기에 경기육괴 북부와 남부는 서로 다른 지구조 분화과정을 겪었을 가능성이 제시됐지만(Lee et al., 2014, 2016) 경기육괴 남부의 고원생대 연구자료가 충분치 않아 이를 바탕으로 경기육괴 북부와 남부의 지구조 진화를 중국과 대비하는데 한계가 있었다. 그리고 한반도에 산출하는 신원생대 화성활동과 중국에 산출하는 신원생대 화성활동 간의 비교 연구가 부족하다. 이런 문제를 해결하기 위하여, 북중국판과 남중국판 내에 분포하는 신원생대 화성암의 형성 시기와 지구조 환경을 밝히고, 이를 바탕으로 한국과 중국 간의 지질대비를 수행하는 연구가 최근에 수행되고 있다(Lee et al., 2020).

본 연구에서는 지금까지 한반도, 북중국판, 남중국판에서 보고된 신원생대 화성암의 공간적 분포양상과 형성시기 및 지화학적 특성을 종합 해석하고 이를 바탕으로 한반도와 중국에 산출하는 신원생대 화성활동을 대비하고자 한다. 한·중 간의 신원생대 화성활동 대비 결과를 활용하여 페름-트라이아스 시기 한반도를 포함한 북동아시아 지구조 진화에 대한 모델 중 어떤 모델이 가장 적절한지를 제시하고자 한다.

2. 일반지질

2.1 한반도 지질개요

한반도 기저암은 북에서부터 남으로 선캄브리아기 관모육괴, 낭림육괴, 경기육괴, 영남육괴로 이루어져있다(그림 1a). 낭림육괴 내에는 평남분지가 위치하며, 평남분지 남쪽 가장자리에는 상원누층군이 넓게 분포하고 있다(그림 1b; IGSASDPRK, 1996; Peng et al., 2011; Hu et al., 2012). 낭림육괴와 경기육괴 사이에 임진강대가 분포하지만 한반도를 가로지르지는 않는다(Lee et al., 2019b). 경기육괴와 영남육괴 사이에 위치한 옥천대는 북동쪽의 태백산 분지와 남서쪽의 옥천변성대로 구분되며(Lee et al., 1998; Kim et al., 2006), 영남육괴 남서쪽에 경상분지가 분포하고 있다(Cheong et al., 1998).

Fig. 1.

(a) The tectonic map of the Korean Peninsula and China (modified after Kim et al., 2020). (b) The geological map of the Korean Peninsula (modified after Kim et al., 2021b). Abbreviations are as follows: LB = Longgang Block, KM = Kwanmo Massif, NM = Nangrim Massif, PB = Pyeongnam Basin, SS = Sangwon Supergroup, IB = Imjingang belt, NGM = northern Gyeonggi Massif, SGM = southern Gyeonggi Massif, TB = Taebaeksan Basin, OMB = Okcheon metamorphic belt, YM = Yeongnam Massif, GB = Gyeongsang Basin.

고원생대 시기인 2.18-2.14 Ga에 낭림육괴와 중국 롱강지괴 사이에 위치한 지아오-리아오-지 충돌대(Jiao-Liao-Ji collision belt)에서는 남쪽 방향으로 섭입작용이 일어나고 있었으며, 이후 1.95-1.90 Ga에 대륙충돌로 인해 중압형 변성작용이 발생하였다(Wang et al., 2020a, 2020b, 2021). 이후, 1.86-1.84 Ga에 충돌 후(post-collisional) 환경에서 화성활동이 저압형 변성작용과 함께 발생하였다. 지아오-리아오-지 충돌대 이남에 위치한 낭림육괴와 경기육괴 북부에서도 충돌과 관련된 중압형의 변성작용이 1.93 Ga에 인지되며, 저압형의 변성작용을 동반한 충돌 후 화성활동이 1.89-1.84 Ga에 일어났다(Lee et al., 2014; Oh et al., 2019). 하지만 경기육괴 북부와는 다르게 경기육괴 남동부에서는 1.94-1.91 Ga에 화산호 관련 화성활동이 있었으며, 이후 1.79 Ga에 충돌 후 변성작용을 받았다(Lee et al., 2016). 경기육괴 남동부에 나타나는 1.94-1.91 Ga 화산호 관련 화성활동은 양쯔지괴 북쪽 가장자리에 나타나는 화산호 환경에서 형성된 1.98-1.93 Ga 화성암류와 대비 될 가능성이 있다(Lee et al., 2016). 영남육괴 북부 경계부에서는 2.0-1.7 Ga에 섭입 관련 화성암이 나타나며, 영남육괴 중앙부인 지리산(하동-산청) 지역에서는 1.88-1.86 Ga의 충돌 후 환경에서 형성된 화성암이 나타난다(Lee et al., 2017). 이는 영남육괴가 하동-산청 지역을 기준으로 동부와 서부 영남육괴로 나뉘며 이들이 1.88 Ga 이전에 충돌하였고 이후 두 영남육괴 북부에 존재하던 섭입대가 서로 연결되었으며, 이 섭입대는 영남육괴 북부 경계를 따라 1.7 Ga까지 지속되었을 가능성을 지시한다(Lee et al., 2019a). 하지만 영남육괴 북부 경계와는 다르게 북중국판, 낭림육괴, 그리고 경기육괴 북부에서는 2.0-1.7 Ga의 섭입 관련 화성활동은 나타나지 않는다(Lee et al., 2017). 이러한 사실들은 경기육괴 북부와 남부 그리고 영남육괴가 고원생대 시기에 서로 다른 지구조 환경하에서 형성되었을 가능성을 지시한다.

한반도 북부에서는 중-신원생대에 해당하는 상원누층군이 오래 전부터 보고되었으며(IGSASDPRK, 1996; Peng et al., 2011; Hu et al., 2012), 한반도 남부에서는 신원생대 화성암이 1998년 옥천대 내 문주리 지역에서 처음으로 보고되었다(Lee et al., 1998). 그 이후 경기육괴 북부의 고남산, 감악산, 가평, 춘천, 장봉도 지역과 경기육괴 서남부의 당진, 홍성 지역에서 중-신원생대 변성퇴적암과 신원생대 화성암이 보고되었다. 경기육괴 북부 신원생대 화성암류는 모두 열곡대와 관련된 화성활동에 의해 형성되었음에 반해(Jeon, 1999; Cho et al., 2001; Lee et al., 2003, 2020; Choi et al., 2013, 2014; Oh et al., 2018; Kim et al., 2020; Jeong et al., 2021), 경기육괴 서남부의 신원생대 화성작용은 화산호와 열곡대 환경과 관련된다(Kim et al., 2006, 2008, 2013, 2020; Oh et al., 2009; Choi et al., 2013, 2014;Lee et al., 2020). 또한, 경기육괴 남서부에 위치한 고군산군도의 신원생대 화성활동은 화산호 환경에서 일어났으며, 옥천변성대 내 신원생대 화성활동은 열곡대 환경에서 일어났다고 보고되었다(Lee et al., 1998; Cho and Kim, 2005; Kim et al., 2006, 2020, 2021b; Cheong et al., 2014, 2015; Kee et al., 2019). 이후 페름-트라이아스기에 일어난 대륙충돌로 임진강대, 경기육괴. 옥천변성대가 광역적인 중압형 변성작용을 받았다. 임진강대에서는 북쪽에서 남쪽으로 석류석대, 남정석대, 십자석대로 변성도가 증가하고 있으며, 이와 반대로 옥천대에서는 남쪽에서 북쪽으로 흑운모대, 석류석대, 석류석-십자석대로 변성도가 증가하고 있다(Oh et al., 2004; Kim et al., 2005; Lee et al., 2019b). 그리고 이 시기에 가장 강한 변성작용은 임진강대와 옥천변성대 사이에 위치한 홍성-양평-오대산 지역에서 일어났다(Lee et al., 2016 and references therein). 이 시기에 홍성 지역에서는 신원생대 염기성화성암이 에클로자이트로 변성되었다(Oh et al., 2012).

3. 한반도 신원생대 화성활동

3.1 상원누층군과 경기육괴 북부 지역의 신원생대 화성활동

낭림육괴 남부 황해도와 강원도에는 상원누층군과 구현누층군이 넓게 분포하고 있으며, 상원누층군은 녹색편암상 변성작용을 받은 약 7,000-8,000 m 두께의 변성퇴적암층들로 구성된다(Peng et al., 2011). 상원누층군은 하부에서 상부로 직현층군, 사당우층군, 묵천층군, 멸악산층군으로 구성되며, 그 위를 부정합으로 덮고 있는 구현누층군은 비랑층군, 능리층군으로 구성된다(Peng et al., 2011; Kim et al., 2016; Park et al., 2016). 상원누층군 내 직현층군은 주로 규암, 천매암, 편암 등으로 구성되며, 사당우층, 묵천층군, 멸악산층군은 주로 탄산염암으로 스트로마톨라이트를 포함하고 있다(Kim et al., 2016, 2021a). 상원누층군은 두께 약 150 m와 길이 약 10 km에 이르는 사리원 염기성 관입암상(sill) 또는 암맥(dyke)에 의해 관입되고 있다(Ryu et al., 1990; Paek et al., 1996; Peng et al., 2011). 상원누층군의 최하부에 위치한 직현층군 내 가장 젊은 쇄설성 저어콘의 연대가 약 990 Ma인 사실은 상원누층군이 990 Ma 이후에 퇴적되었음을 시사하며(Hu et al., 2012), 이를 사리원 염기성암이 약 899 Ma에 관입하였다(그림 2; Peng et al., 2011). 이 사리원 염기성 관입암은 반려암질의 주원소 성분을 보여주며, Ti vs. Zr 지구조판별도에서 판내부환경 현무암(WPB)영역에 도시된다(그림 3a, 3b). Nd-Sr 동위원소(εNdt≈-2) 연구를 통하여 사리원 염기성 관입암이 결핍된 맨틀인 연약권 또는 초생 암권맨틀로부터 형성되었음이 확인되었다(Peng et al., 2011). 이는 상원누층군이 990-899 Ma 사이에 판내부 열곡 환경에서 퇴적되었음을 지시한다.

Fig. 2.

The distribution diagram of U-Pb ages for the Neoproterozoic rocks in the the Sangwon Supergroup and for those in the Gonamsan, Gamaksan, Gapyeong, Chuncheon, Jangbong island within the northern Gyeonggi Massif.

Fig. 3.

The geochemical classifications and tectonic settings for the Neoproterozoic rocks in the Sangwon Supergroup and those in the Gonamsan, Gamaksan, Gapyeong, Chuncheon, Jangbong island within the northern Gyeonggi Massif. (a) Total alkali (Na2O+K2O) vs Silica (SiO2) classification diagram after Middlemost (1994); (b) Ti vs. Zr diagram after Pearce and Cann (1973); (c) Rb vs. Y+Nb diagram after Pearce et al. (1984); (d) Nb vs. Y diagram after Pearce et al. (1984). Abbreviations are as follows: WPB = within-plate basalt, MORB = mid-ocean ridge basalt, VAB = volcanic arc basalt. Syn-COLG = syn collision granite , VAG = volcanic arc granite, ORG = ocean ridge granite, WPG = within plate granite, Post-COLG = post collision granite. Data are collected from references in Fig. 2.

경기육괴 북부에 위치한 고남산 일대는 고원생대 반상변정질 편마암을 기저로, 동쪽으로 연천층군과 접하고 있다. 고남산 신원생대 변성염기성암은 암주(stock)나 관입암상의 형태로 고원생대 편마암과 변성퇴적암을 관입하고 있다(Kee et al., 2008). 고남산 변성염기성암은 전암분석 노옴(norm) 값을 바탕으로 고남산 각섬암과 알칼리 반려암질로 분류된다(Chang et al., 1987; Kim and Lee, 1994). 각섬암의 일부가 각섬암이라고 지칭하기엔 유색광물의 구성비(10% 미만)가 낮으며, 이들은 최근 변성석영몬조니암으로 구분되었다(Kee et al., 2008). 고남산 변성석영몬조니암은 약 861 Ma에 정치하였으며(Kim et al., 2020), 고남산 변성염기성암은 873-851 Ma에 관입하였다(그림 2; Cho et al., 2001; Lee et al., 2020). 고남산 변성염기성암은 총알칼리(Na₂O+K₂O) vs. SiO₂ 도표에서 감람암질 반려암 내지 반려암 영역에 도시되며, Ti vs. Zr 지구조판별도에서는 판내부 환경 현무암 영역에 해당하는 지화학적 특성을 보여준다(그림 3a, 3b). Sr-Nd 동위원소 분석(εNdt≈-0.68∼5.02)을 통해 고남산 각섬암의 원암이 열곡대 환경에서 지각물질에 의해 혼염되지 않은 부화된 맨틀(enriched mantle)로부터 형성되었음이 제시되었다(Lee et al., 2020).

고남산의 남서쪽에 위치한 감악산 일대에는 변성된 알칼리 화강암질암이 동서 방향으로 신장되어 분포한다. 감악산 알칼리 화강암질암 내 저어콘의 U-Pb 연대측정을 통해 Lee et al. (2003)은 감악산 알칼리 화강암질암이 742 Ma에 형성되었음을 제시하였으며 Kim et al. (2020)은 751 Ma에 정치하였음을 제시하였다(그림 2). 감악산 알칼리 화강암질암은 총알칼리 vs. SiO₂ 도표에서 섬록암과 몬조니암에 해당하는 주원소 성분을 보여주며, Rb vs. Y+Nb와 Nb vs. Y 도표에서는 판내부환경 화강암 영역(WPG)에 도시된다(그림 3a, 3c, 3d). Sr-Nd 동위원소(εNdt≈-8.3∼-18) 연구를 통해 감악산 알칼리 화강암이 오래된 지각이 용융되어 형성되었음을 확인되었다(Lee et al., 2003).

경기육괴 북부에 위치한 가평 일대 기반암인 고원생대 편마암류와 접하고 있는 가평층은 북북동쪽으로 연장되어 나타나며 변성석회질암, 대리암, 흑운모 편마암, 변성염기성암과 변성산성질 화산암으로 구성되어있다(Oh et al., 2018). 이들 암석 내에는 변형작용에 의한 압쇄 조직(mylonitic texture)과 엽리(foliation)가 나타나며, 백립암상의 변성작용을 받은 이후 일어난 각섬암상의 후퇴변성작용이 인지된다(Oh et al., 2018). 그리고 저어콘의 U-Pb 연대측정을 통해 가평층 내 변성산성화산암의 형성 시기는 854 Ma로 제시되었다(그림 2; Oh et al., 2018). 총알칼리 vs. SiO₂ 도표에서 변성산성화산암은 석영몬조니암과 화강암 영역에 도시되며 변성염기성암은 반려암-반려암질 섬록암 영역에 도시된다(그림 3a). 이는 가평 일대에서 신원생대에 쌍모식 화성활동이 일어났음을 지시한다. 이들 암석의 미량원소 함량을 이용하여 지구조판별도에 도시해본 결과, 변성산성화산암은 한 개 시료를 제외한 대부분이 판내부 환경에 도시되며, 변성염기성화산암도 판내부 환경에 도시된다(그림 3c, 3b, 3d). 이는 가평 일대의 신원생대 화성암도 판내부 열곡 환경에서 형성되었음을 지시한다.

춘천 지역에서는 선캄브리아기 편마암인 용두리 편마암 복합체 위에 구봉산층군이 놓여있다(Park et al., 1974; Ree, 1993). 구봉산층군은 하부에서부터 상부로 평촌리층, 신리층, 감정리층으로 나누어지며 주로 석회암, 흑운모 편암, 변성석회질암, 규암 등으로 구성된다. 춘천 각섬암은 암상이나 암주 형태로 구봉산층군을 관입하고 있다. 감정리층을 관입하는 춘천 각섬암의 원암은 반려암이며 약 888 Ma에 관입하였고, Ti vs. Zr 지구조판별도에서는 판내부 환경에 도시된다(그림 2, 3a, 3b; Lee et al., 2020).

경기육괴 북서부에 위치한 장봉도는 고원생대 편마암이 기저를 이루고 있으며 그 상부에 신원생대 변성퇴적암이 나타난다(Cho and Lee, 2017). 신원생대 변성퇴적암은 주로 이질편암, 석영편암, 석회질편암 등으로 구성되며 이들 변성퇴적암류 내 가장 젊은 쇄설성 저어콘의 연대가 1000-920 Ma로 보고되었다(Cho and Lee, 2017). 장봉도에 나타나는 각섬암은 변성퇴적암을 관입한 후 각섬암상의 변성작용을 받았으며, 일부 각섬암은 부딘(Boudin)형태의 변형구조를 보여주기도 한다(Jeong et al., 2021). 각섬암은 총알칼리와 SiO₂ 분류도에서 반려암 영역에 도시되며, 약 917-873 Ma경 열곡과 관련된 판내부 환경에서 형성되었다(그림 2, 3a, 3b; Jeong et al., 2021).

이러한 연구 결과는 한반도 상원누층군과 경기육괴 북부에 위치한 고남산, 감악산, 가평, 춘천, 장봉도 지역의 신원생대 화성활동이 약 917-742 Ma에 열곡 환경에서 형성되었음을 지시한다(그림 2).

3.2 경기육괴 서남부 당진-홍성 지역의 신원생대 화성활동

경기육괴 서남부에 위치한 당진 지역에서는 기반암인 고원생대 편마암을 신원생대 변성염기성암(metabasite)과 변성산성화성암(meta acidic igneous rock)이 관입하였다(Lee et al., 2020). 변성염기성암은 감람암질 반려암에서 섬록암 영역에 도시된다(그림5). 변성염기성암은 약 833-820 Ma경에 섭입과 관련된 화산호 환경에서 형성되었으며, 793 Ma경에 열곡 환경에서 형성되었다(그림 4, 5; Lee et al., 2020).

Fig. 4.

The distribution diagram of U-Pb ages for the Neoproterozoic rocks in the Dangjin and Hongseong areas within the northern Gyeonggi Massif.

Fig. 5.

The geochemical classifications and tectonic settings for the Dangjin and Hongseong areas within the southern Gyeonggi Massif. (a) Total alkali (Na2O+K2O) vs Silica (SiO2) classification diagram after Middlemost (1994); (b) Ti vs. Zr diagram after Pearce and Cann (1973); (c) Rb vs. Y+Nb diagram after Pearce et al. (1984); (d) Nb vs. Y diagram after Pearce et al. (1984). Abbreviations in Fig. 3 are also used. Data are collected from references in Fig. 4.

당진 지역의 남쪽 홍성 일대에서도 화산호와 열곡 환경에서 형성된 화성암들이 함께 나타난다(그림 4). 이 화성암들은 변성염기성암과 변성산성화성암으로 구분되며, 변성염기성은 감람암질 반려암에서 섬록암 영역에 그리고 변성산성화성암은 화강섬록암에서 화강암 영역에 도시된다(그림 5a). 변성염기성암은 890-856 Ma 시기 섭입과 관련된 화산호 환경에서 관입하였으며(Guo et al., 2004; Oh et al., 2009), 변성산성화성암은 851-822 Ma에 화산호 환경에서 관입했다(Kim et al., 2008, 2013). 따라서, 홍성 지역에서는 약 890-822 Ma 시기에 화산호와 관련된 화성활동이 있었음을 알 수 있다. 그리고 홍성 지역에서는 화산호 화성활동 이후, 열곡 관련 화성활동이 나타난다(그림 5b, 5c, 5d). 열곡 환경에서 형성된 변성염기성암은 793-770 Ma에 관입하였으며(Oh et al., 2009; Kwon et al., 2013), 변성산성화성암도 열곡 환경에서 762-730 Ma에 관입하였다(Kim et al., 2011, 2013, 2014; Kwon et al., 2013; Kim and Park, 2016; Park et al., 2017). 즉, 홍성 일대에는 열곡과 관련된 화성활동이 793-730 Ma시기에 활발했다(그림 4).

3.3 고군산군도와 옥천변성대 지역의 신원생대 화성활동

옥천대 남서쪽 서해안에 위치한 고군산군도는 말도, 명도, 방축도, 선유도, 신시도, 장자도, 야미도, 무녀도 등으로 이루어진 섬이다. 고군산군도는 기반암인 고원생대 혼성질 편마암과 그 위에 퇴적된 신원생대 말도층과 방축도층으로 구성된다(Kee et al., 2019). 말도층은 흑운모 편암으로 구성되며, 중압형의 변성작용과 강한 변형작용을 받아 압쇄조직과 강한 엽리구조를 잘 보여준다. 말도층을 부정합으로 덮고 있는 방축도층은 주로 변성사암으로 구성되며, 얇은 셰일층과 부분적으로 호층을 이룬다. 방축도층은 강한 변형작용을 보여주지 않으며, 변성작용 또한 매우 약하게 경험하였다(Kim et al., 2021b). Kim et al. (2021b)은 쇄설성 저어콘의 연대를 바탕으로 말도층이 1156-900 Ma 이후에 퇴적되었으며, 방축도층의 변성사암은 792-763 Ma 이후에 퇴적되었음을 제시하였다. 이러한 쇄설성 저어콘의 연대분석 자료는 고군산군도 말도층과 방축도층이 신원생대에 퇴적되었을 가능성을 시사한다. 고군산군도에 나타나는 변성염기성암과 변성산성화성암은 말도층을 관입하고 있으며, 일부 지역에서는 변성염기성암과 변성산성화성암이 마그마 상태에서 서로 섞인 구조(mingling texture)가 관찰된다. 기존 연구에 의하면 말도에 나타나는 변성염기성암은 916-899 Ma에 관입하였으며, 명도에 나타나는 변성염기성암과 변성산성화성암은 각각 930-893 Ma와 907-895 Ma에 관입하였다(그림 6; Kee et al., 2019; Kim et al., 2021b).

Fig. 6.

The distribution diagram of U-Pb ages for the Neoproterozoic rocks in the Gogunsan island and Okcheon metamorphic belt.

고군산군도의 변성화성암류 중 변성염기성암은 주로 반려암 내지 반려암질 섬록암 영역에 해당되며, 변성산성화성암은 화강섬록암과 화강암 영역에 도시된다(그림 7a). 또한, 미량원소를 활용한 지구조판별도에서 변성염기성암과 변성산성화성암은 모두 화산호 환경 영역에 도시된다(그림 7b, 7c, 7d).

Fig. 7.

The geochemical classifications and tectonic settings for the Gogunsan island and Okcheon metamorphic belt. (a) Total alkali (Na2O+K2O) vs Silica (SiO2) classification diagram after Middlemost (1994); (b) Ti vs. Zr diagram after Pearce and Cann (1973); (c) Rb vs. Y+Nb diagram after Pearce et al. (1984); (d) Nb vs. Y diagram after Pearce et al. (1984). Abbreviations in Figs. 1 and 3 are also used. Data are collected from references in Fig. 6.

옥천대는 북으로 경기육괴, 남으로는 영남육괴와 접하고 있으며 옥천대 북동부의 태백산 분지와 남서부의 옥천변성대로 나뉜다. 옥천변성대는 변성퇴적암과 변성화산암으로 구성되며(Kim et al., 2006, 2020; Cheong et al., 2014), 북동부는 서창리층, 황강리층, 문주리층, 대향산규암, 향산리돌로마이트층, 계명산층으로 구성된다(Ryu et al., 2009). 서창리층은 주로 천매암과 규암, 탄산염암이 박층으로 교호되며(Kim et al., 2021a), 황강리층은 세립질 흑색기질에 수 센티미터 크기의 역을 포함한 역암으로 구성된다(Kim and Min, 1996; Ryu and Ahn, 2016). 문주리층은 사질암, 녹니석편암, 변성산성화산암과 각섬암으로 구성되며(Koh et al., 2005), 계명산층은 주로 변성산성화산암과 일부 변성화강암 내지 변성퇴적암으로 구성된다(You et al., 2012). 계명산층과 문주리층에 나타나는 변성산성화산암은 각각 871-858 Ma(그림 6; Kim et al., 2006, 2020; Cheong et al., 2015)과 766-742 Ma에 분출하였다(그림 6; Lee et al., 1998; Cho and Kim, 2005; Kim et al., 2006, 2020). 옥천변성대 남부의 보은과 문경 지역에 나타나는 각섬암은 각각 762 Ma와 758 Ma에 관입하였다(그림 6; Cheong et al., 2014). 계명산층과 문주리층의 화성암들을 총알칼리 vs. SiO₂ 도표에 도시한 결과, 변성염기성암은 주로 반려암 영역, 변성산성화산암은 화강섬록암과 화강암 영역에 해당되며(그림 7a), 이들 화성암들은 모두 지구조판별도에서 판내부 환경에 도시된다(그림 7b, 7c, 7d).

4. 중국 신원생대 화성활동

4.1 북중국판 남부와 남동부 경계의 신원생대 화성활동

북중국판의 남부 및 남동부 경계에 나타나는 신원생대 Xu-Huai-Lv-Da 열곡대를 따라 염기성 암맥군이 관입하고 있다(그림 8). Liaoning에 위치한 Lv-Da 분지는 4개의 층으로 구성되며 하부부터 Yongning, Xihe, Wuxingshan, Jinxian층으로 구성된다(Peng et al., 2011). Yongning층은 주로 역암과 사암으로 구성되며, 두께는 약 500-6000 m이다(BGMRL, 1989). 이를 부정합으로 덮고 있는 Xihe 층의 두께는 약 800-1400 m로 규암, 셰일로 구성되며, 부분적으로 석회암이 교호한다(BGMRL, 1989). Wuxingshan층은 규암, 셰일, 돌로마이트로 구성되며, 두께는 약 750-1700 m이다. Jinxian층은 석회암과 부분적으로 협재하고 있는 셰일층으로 구성되며, 두께는 약 600-1500 m이다(BGMRL, 1989). Lv-Da 분지내 퇴적암을 Dalian 염기성암이 924-886 Ma에 관입하고 있다(Zhang et al., 2016b). Chulan에 위치한 Xu-Huai 분지의 두께는 약 1500 m 이며, 하부로부터 규암, 대리암, 돌로마이트로 구성되고 이들 퇴적암을 Chulan 염기성암이 930-890 Ma에 관입하였다(Wang et al., 2012b). Zenghekou에 위치한 Luanchuan 분지에서는 Zenghekou 염기성암이 900-830 Ma에 관입하였다(Wang et al., 2011; Peng, 2015). Dalian, Chulan, Zeghekou 염기성암들은 반려암질에 해당되며, 판내부 환경에 도시된다(그림 9a, 9b).

Fig. 8.

The distribution of Neoproterozoic rocks in the Korean Peninsula and China (modifired after Lee et al., 2020) and correlation between Neoproterozoic rocks in the Korean Peninsula and those in the China. Abbreviations in Fig. 1 are also used. NCC = North China Craton, YB = Yangtze Block, CB = Cathaysia Block, NM=Nangrim Massif, PB=Pyeongnam Basin.

Fig. 9.

The geochemical classifications and tectonic settings for the Dalian, Chulan, Zengkou areas within the southern margin of North China Craton (a, b) and the northern margin of Yangtze Block (c, d). (a, c) Total alkali (Na2O+K2O) vs Silica (SiO2) classification diagram after Middlemost (1994); (b, d) Ti vs. Zr diagram after Pearce and Cann (1973). Abbreviations in Figs. 3 and 8 are also used. Data are collected from references in Fig. 8.

Xu-Huai-Lv-Da 신원생대 열곡대와 그 안에 나타나는 930-830 Ma에 관입한 Dalian, Chulan, Zenghekou 염기성 화성암들은 이 시기에 북중국판 남부와 남동부 경계에서 로디니아 초대륙으로부터의 분열이 시작되면서 열곡대가 형성되었고, 그 안에 열곡대 확장과 관련된 화성암 관입과 함께 퇴적암이 퇴적되었음을 지시한다(Peng et al., 2011; Peng, 2015).

4.3 양쯔지괴 남부 경계부 일대의 신원생대 화성활동

남중국판 남부에는 신원생대 로디니아 초대륙 형성 시, 양쯔지괴와 커테시아지괴의 충돌에 의해 형성된 장난 조산대가 분포한다(Zhao, 2015 and reference therein). 장난 조산대 내에는 동부에서 서부로 가면서 Zhejiang, Anhui, Jiangxi, Hunan, Guangxi 자치구들이 위치하고 있다(그림 8). 장난 조산대에서도 양쯔지괴 북부 경계 지역처럼 화산호뿐 아니라 열곡 환경에서 형성된 신원생대 염기성암과 산성화성암이 나타나고 있다. 이들 중 염기성암을 지구조판별도에 도시하여 형성 시 지구조 환경을 구분하였다(그림 10).

Fig. 10.

The geochemical classifications and tectonic settings for the Zhejiang, Anhui provinces in the southern margin of Yangtze Block. (a) Total alkali (Na2O+K2O) vs Silica (SiO2) classification diagram after Middlemost (1994); (b) Ti vs. Zr diagram after Pearce and Cann (1973). Abbreviations in Figs. 3 and 8 are also used. Data are collected from references in Fig. 8.

장난 조산대 동부 Zhejiang 자치구 내에 위치한 Hongchicun, Pingshui, Beiwu, Zhangcun, Shewu, Danlinshan, Shangshu, Miaohou, Shanhou, Shi’ershan 지역에서 신원생대 화성암이 산출한다(그림 8). 화성암들 중 변성염기성암은 반려암에서 섬록암 영역에 도시 되며(그림 10a, 10b), 그 중 화산호 관련 화성암들이 Pingshui, Beiwu, Zhangcun 지역에서는 932-891 Ma에 관입하였으며(Chen et al., 2009a, 2009b; Li et al., 2009), Miaohou와 Shanhou 지역에서는 834-828 Ma에 관입하였다(Xia et al., 2015, 2018 and refer-ence therein). 이에 반해 열곡대와 관련된 화성암은 Hongchicun 지역에서 797 Ma에 관입하였다. Shewu, Danlinshan, Shangshu 지역에서는 화산호와 관련된 화성암이 862 Ma에 관입하였으며, 이후 849-790 Ma에 열곡 환경과 관련된 화성암이 관입하였다(Li et al., 2008b; Yao et al., 2014). Shi’ershan 지역에서는 771 Ma에 열곡과 관련된 화성암이 관입하였다(Zheng et al., 2008). 이상을 종합하면 Zhejiang 자치구에서는 화산호 관련 화성암이 932-828 Ma에 형성된 후 열곡 관련 화성암이 849-771 Ma에 형성되었다.

Anhui 자치구는 Zhejiang 자치구보다 서쪽에 위치하며, Anhui 자치구 내 Fuchuan, Shiershan, Xucun, Shexian, Xiuning, Jingtan 지역에서 신원생대 화성암이 산출된다(그림 10c, 10d). 화산호 관련 화성암이 Fuchuan 지역에서는 827-824 Ma에 관입했으며, Shexian과 Xiuning 지역에서는 824-823 Ma와 825-824 Ma에 관입했다(Wu et al., 2006; Ding et al., 2008; Zhang et al., 2012a; Liu et al., 2019 and reference therein). Xucun 지역에서는 화산호 관련 화성활동이 828-823 Ma에 발생하였으며, 이후 열곡 환경과 관련된 화성활동이 805-751 Ma에 발생하였다(Wu et al., 2006; Wang et al., 2012a; Wang et al., 2014). Jingtan 지역에서도 화산호와 열곡 관련 화성활동이 각각 820 Ma와 773 Ma에 있었으며, Shiershan 지역에는 열곡 관련된 화성활동이 779 Ma에 있었다(Li et al., 2003a; Zheng et al., 2008). 종합하면 Anhui 자치구에서는 신원생대 화산호 관련 화성활동이 828-820 Ma에 있었으며, 이후 열곡 관련 화성활동이 805-751 Ma에 있었다.

Jiangxi 자치구 내 Xiwan, Shangshu, Jiuling, Guanyinqiao, Shuangqiaoshan, Shaojiwa, Xingzi, Fanfgxi 지역에서 신원생대 화성암이 산출된다(그림 11a, 11b). 화산호 관련 화성암이 Xiwan 지역에서는 970-880 Ma (Li and Li, 2003; Li et al., 2008a; Gao et al., 2009), Jiangxi의 북서쪽에 위치한 Shaojiwa, Xingzi 지역에서는 828-811 Ma, Fanfgxi 지역에서는 847 Ma에 관입하였다(Li et al., 2013; Zhang et al., 2013). 그리고 Shangshu, Jiuling, Guanyinqiao 지역에서는 화산호와 열곡 관련 화성활동이 각각 820 Ma와 802-797 Ma에 일어났다(Wang et al., 2012c, 2013b). Shuangqiaoshan 지역에서는 화산호 관련 화성암이 879-878 Ma에 관입하고, 이후 열곡 관련 화성암이 801 Ma에 관입했다(Wang et al., 2008). 결론적으로, Jiangxi 자치구에서는 화산호 관련 화성활동이 970-811 Ma에 있었으며, 이후 열곡 관련 화성활동이 802-797 Ma에 발생하였고, Anhui와 Jiangxi 지역에서 대륙충돌이 811-805 Ma에 일어났을 가능성을 제시한다.

Fig. 11.

The geochemical classifications and tectonic settings for the Jiangxi, Hunan and Guangxi provinces in the southern margin of Yangtze Block. (a) Total alkali (Na2O+K2O) vs Silica (SiO2) classification diagram after Middlemost (1994); (b) Ti vs. Zr diagram after Pearce and Cann (1973). Abbreviations in Figs. 3 and 8 are also used. Data are collected from references in Fig. 8.

Jiangxi보다 서쪽에 위치한 Hunan 자치구에서 신원생대 화성암은 Wenjiashi, Changsanbei, Dqweishan, Yiyang 지역에서 산출하며, 모두 화산호 환경에서 형성되었다(그림 11c, 11d). 화산호 관련 화성암이 Wenjiashi 지역에서는 847 Ma, 그리고 Changsanbei, Dqweishan, Yiyang 지역에서는 837-797 Ma에 관입하였으며(Zhang et al., 2012b, 2013; Wang et al., 2014), 이들 지역보다 서쪽에 위치한 Cangshuipu 지역에서는 822 Ma에 관입하였다(Zhang et al., 2012b). 종합하면, Hunan 자치구에서는 847-797 Ma에 화산호 관련 화성활동이 발생하였다. 장난 조산대 서부에 위치한 Guanxi 자치구에도 화산호 관련 화성암이 인지된다(그림 11c, 11d). Guaxi 자치구 내에 위치한 Dongma, Longyou, Mengdong, Pingxing, Yuanbaoshan, Dazhai 지역에서는 화산호 관련 화성암이 855-822 Ma에 관입했다(Wang et al., 2014; Yao et al., 2014). 결론적으로, Hunan 및 Guanxi 자치구에서는 화산호 관련 화성활동이 855-797 Ma에 발생하였고, 대륙충돌이 797 Ma 이후에 일어났을 가능성이 있다.

5. 토 의

5.1 한반도의 신원생대

낭림육괴 남부에 위치한 상원누층군은 주로 중-신원생대 퇴적암(ca. >990 Ma)으로 구성되어 있다(Hu et al., 2012). 상원누층군 서쪽 서해안에 위치한 백령층군에서는 중원생대(ca. >1050 Ma) 쇄설성 저어콘이 주로 산출되며(Kim et al., 2016), 이와 함께 백령층군의 상부층으로 예상되는 소청도의 퇴적층 내에서 신원생대 스트로마톨라이트가 산출되는 것은 백령층군이 하부 상원누층군에 대비되는 퇴적층임을 시사한다(Kim et al., 2016, 2021a). Choi (2014)는 상원누층군을 난후아 열곡대와 대비된다고 제시하였다. 이와 달리 Peng (2015)은 상원누층군은 난후아 열곡대 내 퇴적층 보다는 북중국판 남부와 동남부 경계에 발달된 Xu-Huai-Lv-Da 열곡대 내 칭백호층군과 대비된다고 제시하였다. 상원누층군을 관입하고 있는 899 Ma 사리원 화성암은 인장력에 의해 지각이 벌어지는 열곡 환경에서 형성되었으며, 이와 대비되는 화성작용이 Xu-Huai-Lv-Da 열곡대에서도 나타나는데 반해 남중국판에서는 899 Ma 시기에 형성된 화성암은 모두 섭입과 관련된 화산호 환경에서 형성되었다(그림 12; Peng et al., 2011; Peng, 2015; Kim et al., 2021b and references therein). 따라서 상원누층군은 난후아 열곡대의 퇴적층과 대비되지 않고 북중국판의 Xu-Huai-Lv-Da 열곡대 내 칭백호층군에 대비시키는 것이 타당하다.

Fig. 12.

The simplified comparison chart that shows ages and tectonic environments of Neoproterozoic rocks in the North and South China Cratons and Korean Peninsula. Abbreviations are as follows: OMB = Okcheon metamorphic belt. Data are collected from references in Figs. 2, 4, 6, 8.

경기육괴 북부 고남산, 감악산, 가평, 춘천, 장봉도 지역에서도 사리원 신원생대 화성암과 대비될 수 있는 열곡대 환경에서 형성된 신원생대 화성암이 분포하고 있다(Lee et al., 2003, 2020; Kee et al., 2008; Jeong et al., 2021). 고남산과 감악산 지역의 신원생대 화성암은 주변암과의 관입관계가 분명치 않은 반면 가평, 춘천, 장봉도 지역에서는 중-신원생대 변성퇴적층을 신원생대 화성암이 관입하고 있다(Kee et al., 2008; Oh et al., 2018; Lee et al., 2020; Jeong et al., 2021). 고남산(873-851 Ma), 감악산(774-742 Ma), 가평(854 Ma), 춘천(888 Ma), 장봉도(914-873 Ma) 지역에 나타나는 신원생대 화성암 연구를 종합하면 약 914-742 Ma 시기에 열곡과 관련된 화성활동이 경기육괴 북부 지역에서 일어났음을 알 수 있다(Lee et al., 2020; Jeong et al., 2021). 상원누층군을 관입하는 899 Ma 화성암도 경기육괴 북부에 나타나는 신원생대 화성활동(914-742 Ma)과 비슷한 시기에 형성되었으며, 두 화성활동 모두 인장력에 의해 판이 분리되는 열곡 관련 지구조 환경에서 형성되었기 때문에 상원누층군의 신원생대 화성활동과 경기육괴 북부 신원생대 화성활동이 잘 대비된다(그림 12).

상원누층군과 경기육괴 북부 신원생대 화성활동은 모두 열곡 환경에서 형성된 반면에, 경기육괴 서남부 당진과 홍성 지역은 화산호 환경과 열곡 환경에서 형성된 화성암이 함께 나타나고 있다(Lee et al., 2020). 당진 지역에서는 833-820 Ma에 화산호 환경에서 화성암이 형성되었으며, 793 Ma에 열곡 관련 화성암이 형성되었다(Lee et al., 2020). 당진 지역과 비슷하게 홍성 지역에서도 890-822 Ma 화산호 환경에서 화성암이 형성된 이후 770-746 Ma 열곡 관련 화성암이 형성되었다(Oh et al., 2009; Kwon et al., 2013; Kim and Park, 2016). 당진과 홍성 지역의 신원생대 화성활동을 종합하면, 890-820 Ma에는 화산호 환경에서 화성활동이 일어났으며, 793-730 Ma에는 열곡 환경에서 화성활동이 일어났음을 알 수 있다(Lee et al., 2020). 화산호 환경에서 열곡 환경으로 바뀌는 820-793 Ma 사이는 로디니아 초대륙이 최종적으로 형성되었던 시기로 예상되며 이 시기에 경기육괴 서남부 지역에서 대륙충돌이 일어났을 가능성이 있다.

옥천변성대 북동부 계명산층과 문주리층에서는 화성활동이 각각 871-858 Ma, 766-742 Ma에 일어났다(Cho and Kim, 2005; Kim et al., 2006, 2020; Cheong et al., 2015). 그리고 두 층 주변에 나타나는 서창리층의 일부는 중원생대(가장 젊은 쇄설성 저어콘 연령, 1033-917 Ma) 그리고 그 외는 신원생대(가장 젊은 쇄설성 저어콘 연령, 754-751 Ma)에 퇴적된 것이 확인되었으며, 황강리층의 가장 젊은 쇄설성 저어콘 연령(758-741 Ma)은 황강리층이 신원생대에 퇴적되었을 가능성을 지시한다(Kim and Min, 1996; Cho et al., 2013; Ryu and Ahn, 2016). 일부 학자들은 크리요지니아기 빙하시대에 형성된 빙하기원 퇴적층인 황강리층이 문주리층을 부정합으로 덮고있다고 주장하고 있다(Fitches and Zhu, 2006; Choi, 2014). 종합하면 옥천변성대에서는 1033-917 Ma 이후 퇴적작용이 시작되어, 871-742 Ma시기에 열곡과 관련된 쌍모식 화성활동과 퇴적작용이 일어났고, 그 후에 빙퇴석을 포함한 황강리층과 일부 서창리층이 퇴적되었다.

고군산군도의 말도층 내 변성퇴적암의 쇄설성 저어콘 연대는 말도층이 1156-900 Ma 이후에 퇴적되었으며, 화산호 관련 화성암(930-893 Ma)이 말도층을 관입하였고, 최종적으로 방축도층이 열곡대 환경에서 792-763 Ma 이후 말도층 상부에 퇴적되었다(Kee et al., 2019; Kim et al., 2021b). 말도층은 강한 변형작용과 함께 중압형의 각섬암상의 변성작용을 받은 반면에, 방축도층은 사층리와 같은 퇴적구조가 잘 관찰되며 변성작용을 거의 받지 않았다(Kim et al., 2021b). 고군산군도 내 화산호 관련 화성암(930-893 Ma)은 경기육괴 서남부에 나타나는 화산호 관련 화성암(890-820 Ma)보다 먼저 형성되었다. 고군산군도 말도층의 쇄설성 저어콘의 연대와 옥천변성대 서창리층의 쇄설성 저어콘의 연대가 유사한 것은 이 두 층이 동일한 시기에 형성되었을 가능성을 지시한다. 고군산군도에서는 화산호 관련 화성활동이 930-894 Ma에 있었고 중압형 변성작용이 907-895 Ma에 일어났으며, 792-763 Ma 시기에는 열곡대 환경에서 퇴적암이 형성되었다. 그리고 옥천변성대 내 계명산층과 문주리층에서는 871-742 Ma에 열곡 관련 화성암과 퇴적암이 함께 산출된다. 종합하면 고군산군도와 옥천변성대 지역에서는 895 Ma 까지 섭입작용이 일어났고, 그 이후 로디니아 초대륙을 형성한 대륙충돌이 일어났으며, 871-742 Ma에는 로디니아 초대륙 분열과 관련된 열곡 환경이 형성되었을 가능성이 있다(Kim et al., 2021b).

결론적으로 상원누층군과 함께 경기육괴 북부에서는 914-742 Ma동안 열곡과 관련된 화성활동이 발생하였다. 이와 대조적으로, 경기육괴 서남부 일대에서는 890-820 Ma동안 화산호 관련 화성활동이 있었고, 793-730 Ma에 열곡과 관련된 화성활동이 있었다. 즉, 경기육괴 서남부에서는 820-793 Ma에 대륙충돌이 일어났을 가능성이 있다. 따라서 신원생대에 열곡 관련 화성활동만 일어났던 경기육괴 북부는 섭입 관련 화성활동 이후 열곡 관련 화성활동이 일어난 경기육괴 서남부와 서로 다른 지구조 진화과정을 경험했음을 알 수 있다. 고군산군도와 옥천변성대에서는 화산호 환경에서 열곡 환경으로 전이가 893-871 Ma에 일어났을 것으로 예상된다(그림 12).

6. 결 론

1) 상원누층군과 경기육괴 북부(고남산, 감악산, 가평, 춘천, 장봉도 일대)에 나타나는 화성암류는 917-742 Ma에 열곡 환경에서 형성되었으며, 북중국판의 남부 및 남동부(Dalian, Chulan, Zenghekou)에 나타나는 930-830 Ma 열곡 관련 화성암류와 대비된다.

2) 경기육괴 서남부(당진, 홍성 일대)에서는 890-820 Ma에 화산호 관련 화성활동이 있었으며, 그 후 793-730 Ma 시기에 열곡과 관련된 화성활동이 일어났다. 이와 유사한 시기에 양쯔지괴 북부인 친링-다비-수루 지역에서도 화산호와 관련된 화성활동(1118-808 Ma)과 열곡과 관련된 화성활동(812-637 Ma)이 확인된다. 따라서 경기육괴 서남부 지역의 신원생대 화성작용은 양쯔지괴 북부 지역의 신원생대 화성작용과 잘 대비된다.

3) 옥천변성대와 고군산군도 지역에서는 930-893 Ma에 화산호 관련 화성활동 이후 871-742 Ma에 열곡과 관련된 화성활동이 일어났다. 이들 화성활동은 양쯔지괴의 장난 조산대 동부지역에 나타나는 화산호 관련 화성활동(932-828 Ma) 및 열곡 관련 화성활동(849-771 Ma)과 각각 대비된다.

4) 경기육괴 북부와 남부의 신원생대 화성암들이 각각 북중국판과 남중국판의 신원생대 화성암들에 대비되는 사실은 Oh and Kusky (2007)가 제시한 경기육괴 북부와 남부가 각각 북중국판과 남중국판에 대비되는 지구조 모델을 잘 뒷받침해준다.

Acknowledgments

이 논문을 심사하면서 좋은 심사평을 해주신 편집위원장과 익명의 심사위원들께 감사를 드린다. 또한 이 연구를 위해 여러 좋은 조언을 해주신 이승환 박사에게도 고마운 마음을 전한다. 이 연구는 한국연구재단의 지원(NRF-2017K1A1A2013180)을 받아 수행되었다.

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