Age of volcanic activity from Quaternary deposits in Sangchang-ri, Jeju island, Korea

1. 서 론

제주도는 신생대 제4기 동안에 형성된 화산섬으로써 세계자연유산 및 세계지질공원 등의 지질학적 가치를 포함하는 매우 중요한 지역이다. 특히 제주도의 형성과정을 이해하기 위하여 제주도의 화산활동 시기가 중요한 주제로 다루어져 왔다. 제주도의 화산활동 시기와 관련된 절대연대측정은 현무암질 용암류에 대한 K-Ar 및 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대측정이 주를 이루었고, 일부 OSL 및 탄소 연대 측정이 화산쇄설성 퇴적층을 대상으로 실시되었다(Won et al., 1986; Lee et al., 1988; 1994; Son et al., 1998; Oh et al., 2000; Sohn et al., 2002; Yoon et al., 2005, 2006; Cheong et al., 2006, 2007; Koh et al., 2008, 2013; Koh and Park, 2010a, 2010b).

하지만 기존의 많은 연구 결과들에도 불구하고 아직까지 2만년 이내의 화산활동으로 형성된 제주도 내륙의 용암층은 알려져 있지 않은 상태이다. 이는 지금까지 제주도의 형성시기 규명에 주로 활용된 K-Ar 및 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대측정법이 2만년 이내에 형성된 화산암의 경우 암석연대분석방법이 갖는 측정 오차의 범위가 커지는 한계로 인하여 신뢰할만한 절대연대 값을 제공하기 어려웠기 때문으로 해석된다. 다만 제주도 해안지역에 분포하는 수성화산체 화산 분출에 의해 형성된 응회암층과 응회암에서 재 이동된 퇴적물에 대한 연구를 통하여 4~5 천년 전의 매우 젊은 화산활동 시기가 보고된 바 있다(Kim et al., 1999; Sohn et al., 2002; Cheong et al., 2007; Ahn et al., 2013).

한편, 제주도에는 용암층 사이에 미고화 퇴적층이 광범위하게 분포하고 있다(Yun et al., 1987; Park et al., 1998, 2000a, 2000b). 이러한 미고화 퇴적층은 고토양층, 화산회층 또는 미고화 퇴적층 등으로 명명되었고 화산활동의 휴지기 동안 다양한 퇴적환경에서 형성되었을 것으로 추정되었다. 퇴적층의 형성 시기는 주변 화산암과의 상하관계를 고려하여 간접적으로 추정되어 왔으나 아직까지 퇴적층의 형성 시기는 정확하게 규명되지 않은 상태이다. 이러한 미고화 퇴적층은 제주도의 시추조사에서도 화산암층 사이에 협재된 상태로 수 차례 관찰된다(Son et al., 1998; Yoon et al., 2006).

이번 연구에서는 제주도 남서부 상창리 일대의 최상부 용암층 사이에 협재된 미고화 퇴적층의 퇴적시기 측정을 통하여 상부 용암류의 분출시기를 간접적으로 유추하였고, 미고화퇴적층의 분포 특성 및 퇴적물 조성을 파악하여 퇴적 기원을 추정하였다.

2. 연구지역 및 연구방법

연구지역은 제주도 서귀포시 안덕면 상창리 일대로 안덕 곶자왈에 해당되는 지역이다(그림 1). 안덕 곶자왈 지대는 병악(혹은 대병악, 서귀포시 안덕면 상창리, 표고 492 m) 및 소병악(혹은 족은오름, 표고 473 m) 일대에서부터 상창리를 지나 화순리 그리고 산방산(서귀포시 안덕면 사계리, 표고 396 m) 근처의 해안까지 최대 약 1.5 km의 폭으로 약 9 km에 걸쳐 분포한다(Song, 2003). 미고화 퇴적층을 덮고 있는 용암은 병악(소병악 포함)으로부터 분출된 것으로 추정되며, 용암 말단부까지 지형 경사도는 약 2°의 일정한 경사를 이룬다(cf. Park et al., 2014). 상창리의 미고결 퇴적층을 피복하는 용암층은 조성상 현무암질 조면안산암에 해당한다. 병악 오름에서 유래한 현무암질 조면안산암은 파호이호이 특징을 지니는 광해악현무암을 층서적으로 피복한다(Park et al., 2000a).

Fig. 1.

a) Site location map of Jeju and b) Andeok Gotjawal zones based on the data in the report by Jeon et al., 2012. c) A close-up view of the study area in Sangchang-ri Sechang industrial company.

연구지역의 미고화 퇴적층은 채석장 개발 과정에서 드러난 절개면에서 수평적으로 연속된 층으로 확인되며, 용암층 사이에 협재된 형태로 나타난다(그림 2). 이번 연구에서는 미고화 퇴적층 내에서 다량의 탄화된 목편이 관찰된 지역의 절개사면을 조사 1 단면(site 1)으로 하고, 퇴적층의 연장이 확인된 채석장의 보조 출입구 주변에 추가적으로 조사 2 단면(site 2)을 선정하였다. 조사 2 단면의 퇴적층에서는 클링커 하부에 노출된 약 40 cm 두께의 미고화 퇴적층을 조사 대상으로 하였다. 조사 1 단면에서 채취된 다량의 탄화목 중에서 22 개의 목편 조각 시료를 무작위로 선별하여 방사성 탄소연대 분석을 실시하였다(그림 3). 조사 2 단면에서는 상부 클링커와 접하는 곳에서 1개, 퇴적층 내에서 총 6개의 방사성 탄소연대측정용 토양시료를 채취하였다. 또한 2개의 OSL 연대측정용 시료를 조사 2 단면에서 채취하였다(그림 4). 방사성 탄소연대는 한국지질자원연구원의 가속기 질량분석기(AMS)를 활용하여 측정하였다. 방사성 탄소연대 측정을 위한 토양시료는 휴믹산(Humic acid) 처리를 통해 흑연을 추출하였고, 탄화된 목편 시료는 산-염기-산(AAA) 화학처리를 통해 오염물을 제거한 후 분석용 흑연을 추출하였다. 이번 연구에 적용된 모든 탄소 연대의 보정은 Oxcal을 이용하였고 2σ 오차 범위를 활용하였다(http://c14.arch.ox.ac.uk).

Fig. 2.

An overview of the study area. Unconsolidated sediments are intercalated between lava layers.

Fig. 3.

The underlying unconsolidated sediments containing wood charcoal are covered by clinkerly upper lava layer in section 1. The yellow lines indicate the boundary of wood charcoal samples.

Fig. 4.

Unconsolidated sediments are covered by the upper lava with clinker in section 2.

OSL 연대 측정은 2개의 수평코어시료에서 얻은 모래입자크기(90-212 ㎛)의 석영에 대하여 단일시료재현법(SAR method)을 이용하여 한국지질자원연구원에서 측정하였다(Murray and Wintle, 2000). 등가선량 측정에 사용된 장비는 TL/OSL DA-20 reader이며 0.099 Gy/sec 선량의 ⁹⁰Sr/⁹⁰Y 베타선원과 blue LEDs (470±20 nm) 광원이 사용되었다. 220℃ 열 전처리(preheat)와 160℃ 열 차단(cut-heat)온도가 등가선량 측정에 사용되었다. 단일시료재현법에 의한 등가선량 측정시 민감도 보정이 잘 이루어졌는지 확인하기 위하여 재측정 비율(recycling ratio)과 회귀율(recuperation)을 측정하였다. 또한 장석에 의한 오염 유무는 광여기루미네선스 적외선 감쇄 비율(OSL IR depletion ratio)을 측정하여 분석값의 사용 가능 여부를 최종적으로 판단하였다(Kim et al., 2011).

퇴적물 시료의 구성 광물의 정성 및 정량 분석을 위하여 조사 2 단면의 5개 시료를 대상으로 X-선 회절분석을 실시하였다. 또한 주사전자현미경(SEM)하에서 입자 형태 등을 관찰하였다. 퇴적물 시료들은 건조 후 분말화하여 glass bead를 제작하였고 X-선 형광분석기를 이용하여 주요원소 함량을 분석하였다. 퇴적물의 구성 광물과 지화학 성분 분석은 한국지질자원연구원 지질자원분석센터에서 수행하였다.

3. 연구결과

3.2 퇴적물 조성

X-선 회절분석으로 정량 분석한 전체 광물조성은 표 1과 그림 5에 나타나 있다. 전체적으로 석영이 29∼35 wt(%)를 차지하는 가장 주된 광물이며, 다음으로는 장석류가 전체 퇴적물의 14∼28 wt(%)를 차지한다. 이밖에는 녹니석, 적철석과 운모류가 소량 관찰된다. 조사 2 단면의 unit Ⅰ에서는 비정질이 약 80 wt(%) 이상을 차지한다. 주성분원소의 조성은 표 2에 나타나 있다. 퇴적물 시료의 가열시 휘발되는 양을 지시하는 LOI (loss-on-ignition)는 평균 10 wt(%)로 비교적 높은 값을 보인다. 전체적으로 볼 때 SiO₂가 약 47∼50%를 차지하는 가장 주된 원소이며 다음으로는 Al₂O₃가 약 19∼20%를 차지한다. 이밖에 Fe₂O₃가 12∼14%의 분포 범위를 보이며 나머지 주원소들은 3% 이하로 관찰된다. 주사전자현미경 하에서 관찰된 광물 입자들은 화산유리편(glass shard)이 부분적으로 관찰되며 자형의 결정질 광물들도 다수 관찰된다.

Table 1.

Quantitative analysis by X-ray Diffraction of unconsolidated sediments in Sangchang-ri (section 2; unit: wt(%)).

Fig. 5.

Typical XRD patterns of unconsolidated sediments in Sangchang-ri (section 2).

Table 2.

Major element concentrations (wt%) of unconsolidated sediments in Sangchang-ri (section 2).

3.3 방사성 탄소연대 측정결과

상창리 조사 1 단면의 퇴적층에서 채취된 22 개의 탄화된 목편 시료에 대한 연대측정결과는 최대 5,150년에서 최소 4,810년(cal. yr BP) 사이의 연대를 보이며, 대체적으로 약 5,000년(평균 4,964년)의 연대를 지시한다. 조사 2 단면에서 채취된 7 개 토양시료의 연대는 상부에서 하부로 2,250∼7,410년(cal. yr BP)의 범위를 갖는다(표 3; 그림 6). unit Ⅰ에서 확인되는 방사성탄소연대는 2,250년 전(cal. yr BP)이며, unit Ⅱ의 방사성탄소연대는 2,530년 전(cal. yr BP)이다. unit Ⅲ의 방사성탄소연대는 4,950∼7,410년(cal. yr BP)까지의 범위를 갖는다. 조사 2 단면 unit Ⅲ의 탄소연대 분포 범위는 조사 1 단면의 탄화된 목편 시료에서 확인된 5,000년의 연대 범위와 중첩된다.

Table 3.

Radiocarbon dating results for 29 samples from unconsolidated sediments in Sangchang-ri.

Fig. 6.

Comparison of age (yr) results between radiocarbon and OSL dating.

3.4 OSL 연대 측정 결과

상창리 퇴적층의 OSL 연대분석결과는 표 4와 그림 6과 같다. 조사 2단면 unit Ⅱ (SC-OSL 01)시료의 사질 크기(90-212 ㎛) 석영만을 이용한 OSL 연대는 3,430±180년이다. 조사 2단면 unit Ⅲ (SC-OSL 02)시료의 사질 크기(90-212 ㎛) 석영의 OSL 연대는 4,880±230년이다.

Table 4.

Dose rate information, equivalent dose values and ages for sediments from Sangchang-ri using OSL. Data were derived from sand-sized (90∼212 ㎛) quartz.

4. 토 의

5. 결 론

상창리 미고화 퇴적층 상부의 용암층 분출 시기는 기존의 암석연대 분석방식으로는 확인하기 어려웠다. 그러나 이번 연구에서 용암층 사이에 협재된 미고화 퇴적층을 대상으로 탄화목과 토양시료에 대한 방사성 탄소 연대측정과 OSL 연대측정을 수행한 결과, 미고화 퇴적층의 형성 시기는 약 5,000년 전으로 해석된다. 따라서 미고화 퇴적층 상부의 용암층은 이보다 후기에 발생한 화산활동의 결과물로써, 지금까지 보고된 화산활동 시기보다 더 최근까지 제주도 내륙에서 화산활동이 진행되었음을 지시한다. 또한 상창리 미고화 퇴적층의 연대측정결과는 용암층 사이에 협재된 퇴적층의 연대측정을 통하여 2만년 이내의 매우 젊은 화산활동에 대한 시기규명이 가능하다는 점을 지시한다. 따라서 이번 연구결과는 향후 제주도 최후기의 화산활동을 규명하는데 중요한 근거 자료가 될 수 있을 것으로 사료된다.

Acknowledgments

본 연구는 한국지질자원연구원 기본사업 과제의 일환으로 수행되었습니다. 이 연구를 위하여 유익한 조언을 주신 손영관 교수님과 고기원 박사님, 그리고 논문의 개선을 위하여 세심하게 검토하고 지적해 주신 안웅산 박사님과 익명의 심사위원님들께 깊이 감사 드립니다.

References

• Ahn, U.S., Sohn, Y.K., Yoon, W.S., Ryu, C.-G., Jeong, J.-O., and Kang, C.-H., (2013), Age constraints on human footprints-bearing strata, Jeju Island, Korea, The 68th Annual Conference of the Geological Society of Korea. Geological Society of Korea, Jeju Island, p168..
• Cheong, C.-S., Jeong, Y.-J., Sohn, Y.K., Choi, M.S., and Park, B.-K., (2006), Introduction to sample preparation and thermal ionization mass spectrometry for ²³⁸U-²³⁰Th dating of Quaternary volcanic rocks, Journal of the Geological Society of Korea, 42, p455-465, (in Korean with English abstract).
• Cheong, C.S., Choi, J.H., Sohn, Y.K., Kim, J.C., and Jeong, G.Y., (2007), Optical dating of hydromagmatic volcanoes on the southwestern coast of Jeju Island, Korea, Quaternary Geochronology, 2, p266-271. [https://doi.org/10.1016/j.quageo.2006.05.002]
• Gatti, E., Mokhtar, S., Talib, K., Rashidi, N., Gibbard, P., and Oppenheimer, C., (2013), Depositional processes of reworked tephra from the late pleistocene youngest Toba tuff deposits in the Lenggong valley, Malaysia, Quaternary Research, 79, p228-241. [https://doi.org/10.1016/j.yqres.2012.11.006]
• Jeon, Y., Ahn, U.S., Ryu, C.G., Kang, S.S., and Song, S.T., (2012), A review of geological characteristics of Gotjawal terrain in Jeju Island: Preliminary Study, Journal of the Geological Society of Korea, 48, p425-434, (in Korean with English abstract).
• Kim, J.C., Eum, C.H., Yi, S., and Lim, J-S., (2011), Evaluation of the possibility of OSL application to the exposed sediments core, Journal of the Geological Society of Korea, 47, p707-713, (in Korean with English abstract).
• Kim, K.H., Tanaka, T., Nakamura, T., Nagao, K., Youn, J.S., Kim, K.R., and Yun, M.Y., (1999), Paleoclimatic and chronostratigraphic interpretations from strontium, carbon and oxygen isotopic ratios in molluscan fossils of Quaternary Seoguipo and Shinyangri Formations, Cheju Island, Korea, Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 154, p219-235. [https://doi.org/10.1016/S0031-0182(99)00112-1]
• Koh, G.W., and Park, J.-B., (2010a), The Study on Geology and Volcanism in Jeju Island (II): Petrochemistry and ⁴⁰Ar/³⁹Ar Absolute ages of the Volcanic Rocks in Gapado-Marado, Jeju Island, Economic and Environmental Geology, 43, p53-66, (in Korean with English abstract).
• Koh, G.W., and Park, J.B., (2010b), The study on geology and volcanism in Jeju Island (III): early lava effusion records in Jeju Island on the basis of 40Ar/39Ar absolute ages of lava samples, Economic and Environmental Geology, 43, p163-176, (in Korean with English abstract).
• Koh, G.W., Park, J.B., and Park, Y.S., (2008), The study on geology and volcanism in Jeju Island (I): Petrochemistry and ⁴⁰Ar/³⁹Ar absolute ages of the subsurface volcanic rock cores from boreholes in the eastern lowland of Jeju Island, Economic and Environmental Geology, 41, p93-113, (in Korean with English abstract).
• Koh, G.W., Park, J.B., Kang, B.-R., Kim, K.-P., and Moon, D.C., (2013), Volcanism in Jeju Island, Journal of the Geological Society of Korea, 49, p209-230, (in Korean with English abstract).
• Lee, D.Y., Yun, S.K., Kim, J.Y., and Kim, Y.J., (1988), Quaternary geology of the Jeju Island, Korea Institute Energy & Resources Rpt, p87-29, 233-278, (in Korean).
• Lee, M.W., Won, J.K., Lee, D.Y., Park, G.H., and Kim, M.S., (1994), Stratigraphy petrology of volcanic rocks in southern Cheju island, korea, Journal of the Geological Society of Korea, 30, p521-541, (in Korean with English abstract).
• Lim, J., Matsumoto, E., and Kitagawa, H., (2005), Eolian quartz flux variations in Cheju Island, Korea, during the last 6500 yr and a possible Sun-moon linkage, Quaternary Research, 64, p12-20.
• Manville, V., Németh, K., and Kano, K., (2009), Source to sink: A review of three decades of progress in the understanding of volcaniclastic processes, deposits, and hazards, Sedimentary Geology, 220, p136-161.
• Murray, A.S., and Wintle, A.G., (2000), Luminescence dating of quartz using an improved single-aliquot regenerative-dose protocol, Radiation Measurements, 32, p57-73. [https://doi.org/10.1016/S1350-4487(99)00253-X]
• Oh, J., Yi, S.Y., Koh, G.W., Yun, H., and Lee, J.-D., (2000), Subsurface stratigraphy of Jeju Island, Journal of the Geological Society of Korea, 36, p181-194, (in Korean with English abstract).
• Park, J.B., Kang, B.-R., Koh, G.W., and Kim, G.-P., (2014), Geological characteristics of Gotjawal terrain in Jeju Island, Journal of the Geological Society of Korea, 50, p431-440, (in Korean with English abstract). [https://doi.org/10.14770/jgsk.2014.50.3.431]
• Park, K.H., Cho, D.L., and Kim, J.C., (2000a), Geologic report of the Mosulpo-Hanrim Sheet (1:50,000), Korea Institute Geology, Mining and Materials, Taejon, p56, (in Korean with English abstract).
• Park, K.H., Cho, D.L., Kim, Y.B., Kim, J.-C., Cho, B.-W., Jang, Y.N., Lee, B.-J., Lee, S.-R., Son, B.K., Cheon, H.Y., Lee, H.Y., and Kim, Y.U., (2000b), Geologic report of the Segwipo-Hahyori Sheet (1:50,000), Jeju Provincial Government, p163, (in Korean with English abstract).
• Park, K.H., Lee, B.J., Cho, D.L., Kim, J.C., Lee, S.R., Choi, H.I., Hwang, J.H., Song, G.Y., Choi, B.Y., Cho, B.U., and Kim, Y.B., (1998), Geologic report of the Jeju-Aewol Sheet (1:50,000), Korea Institute Geology, Mining and Materials, Taejon, p290, (in Korean with English abstract).
• Rodriguez-Gonzalez, A., Fernandez-Turiel, J.L., Perez-Torrado, F.J., Hansen, A., Aulinas, M., Carracedo, J.C., Gimeno, D., Guillou, H., Paris, R., and Paterne, M., (2009), The Holocene volcanic history of Gran Canaria island: Implications for volcanic hazards, Journal of Quaternary Science, 24, p697-709. [https://doi.org/10.1002/jqs.1294]
• Sohn, Y.K., and Park, K.H., (2005), Composite tuff ring/cone complexes in Jeju Island, Korea: possible consequences of substrate collapse and vent migration, Journal of Volcanology and Geothermal Research, 141, p157-175. [https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2004.10.003]
• Sohn, Y.K., Park, J.B., Khim, B.K., Park, K.H., and Koh, G.W., (2002), Stratigraphy, petrochemistry and Quaternary depositional record of the Songaksan tuff ring, Jeju Island, Korea, Journal of Volcanology and Geothermal Research, 119, p1-20.
• Son, I.S., Lee, M.W., and Youn, J.S., (1998), The subsurface stratigraphy of Cheju volcanic island, Korea, Journal of the Korean Earth Science Society, 19, p581-589, (in Korean with English abstract).
• Song, S.T., (2003), Lavas in Gotjawal Terrain, Jeju Island, Korea No. 4. Byeongak Gotjawal Lava, The journal of basic sciences Cheju national university, 16, p57-63, (in Korean with English abstract).
• Won, J.K., Matsuda, J., Nagao, K., Kim, K.H., and Lee, M.W., (1986), Paleomagnetism and radiometric age of trachytes in Jeju island, Korea, Journal of the Korean Institute of Mining Geology, 19, p25-33.
• Yoon, S., Hyun, W.H., and Jung, C.Y., (2005), Geology of Hallasan (Mt. Halla), Jeju Island, Journal of the Geological Society of Korea, 41, p481-497, (in Korean with English abstract.
• Yoon, S.-H., Lee, B.-G., and Shon, Y.K., (2006), Geomorphic and geological characteristics and eruption process of the Hanon volcano, Jeju Island, Journal of the Geological Society of Korea, 42, p19-30, (in Korean with English abstract).
• Yun, S.K., Han, D.S., and Lee, D.Y., (1987), Quaternary geology in the southern part of Jeju Island, Korea Institute Energy & Resources Rpt KR-86-2-(B)-2, p64, (in Korean).