남해대륙붕 제주분지 북부 고진기 퇴적층의 탄성파상 분석을 통한 퇴적시스템 복원

1. 서 론

우리나라 남해대륙붕과 남서쪽의 동중국해 대륙붕에는 동중국해 대륙붕 퇴적분지(East China Sea Shelf Basin)와 남해대륙붕 퇴적분지(Korean South Sea Shelf Basin)로 불리우는 다수의 신생대 분지들이 발달하고 있으며, 분지충진물 내에는 대륙-해양 전이환경에서 형성된 다수의 탄화수소 잠재/유망 구조들이 존재할 것으로 평가되고 있다. 특히, 대한민국 남해대륙붕에 인접한 중국해역의 시후(Xihu)분지에서는 에오세층(핑후층; Pinghu Formation)과 올리고세층(후아강층; Huagang Formation)에서 상업적 규모의 가스전이 발견되어 생산단계에 있다(그림 1). 시후분지의 연장으로 보이는 제주분지에서도 유징이 발견되어 1970년대부터 탐사가 이루어져 왔는데(KIGAM, 1997), 최근 양질의 3D 탄성파 탐사자료의 취득, 자료 처리 및 분석 기법의 개선, 시추공 생층서의 재정립 등 지속적인 탐사와 기술개발 성과가 쌓이면서 퇴적분지와 구성 지층의 지질학적 특성을 반영한 새로운 석유시스템 모델 구축의 필요성이 대두되고 있다.

Fig. 1.

Map showing location of the Korean South Sea. Background image for the map was created by Generic Mapping Tools version 6 (Wessel et al., 2019) with the source data (Tozer et al., 2019). Information for the locations of the Chinese hydrocarbon fields are collected from Wang et al. (2019 and 2020).

탄성파상이란 탄성파단면에서 인지되는 퇴적 층단위(sedimentary unit)의 반사패턴(seismic reflections)이나 층형(strata geometry)을 종합한 특성으로서, 지층의 암상이나 퇴적작용, 퇴적환경의 지시자이다(Mitchum et al., 1977a; Sangree and Widmier, 1977; Roksandic, 1978). 석유시스템 모델링에서는 지층의 퇴적환경 특성과 공간적 분포에 대한 기초정보를 확보하기 위한 주요 수단의 하나로 활용되고 있다(Metwalli et al., 2019; Xu et al., 2021). 특히 3D 탄성파 자료의 보급 이후 탄성파상 분석은 개별 시추공 자료의 한계를 보완하고, 퇴적체의 시공간적 분포와 퇴적시스템의 진화를 복원하는 데 필수적인 방법으로 자리 잡았다. 최근에는 정량적 탄성파 속성 분석과의 결합을 통해 해석의 객관성을 높이려는 시도도 이루어지고 있으나, 시추공 자료와의 직접적인 대비를 통한 전통적인 탄성파상 해석 역시 여전히 높은 신뢰성을 지닌 접근법으로 평가된다(e.g., Nordfjord et al., 2006; Koh et al., 2016; Park et al., 2019, 2021).

제주분지에 대해서도 다수의 탄성파 기반 구조·층서 연구가 수행되어 왔으나(Lee et al., 2006; Cukur et al., 2011), 대부분은 분지 규모의 구조 발달사 또는 광역 층서 구분에 초점을 두었으며, 3D 탄성파 자료와 시추공 암상·고생물 자료를 통합하여 3^rd-order 층서 단위에서 퇴적시스템의 시공간적 변화를 체계적으로 복원한 연구는 상대적으로 제한적이었다. 또한 최근 재정립된 제주분지의 3^rd-order 층서체계를 기반으로 탄성파상을 분류하고, 이를 퇴적환경 및 퇴적시스템 진화와 직접적으로 연계한 연구는 충분히 이루어지지 않았다.

본 연구의 목적은 제주분지 북부에 분포하는 고진기(에오세-올리고세) 퇴적층을 대상으로, 최신 3D 및 2D 탄성파 자료에 대한 탄성파상 분석을 수행하고, 이를 시추공의 암상 및 고생물 분석 결과와 대비함으로써 퇴적환경과 퇴적시스템의 시공간적 진화를 복원하는 데 있다. 특히 본 연구는 (1) 최근 정립된 3^rd-order 층서체계를 기준으로 탄성파상을 체계적으로 분류하고, (2) 각 탄성파상의 공간적 분포를 3차원적으로 맵핑하며, (3) 시추공 기반 지질 자료와의 교차 검증을 통해 탄성파상-퇴적환경 대응 관계의 신뢰성을 제고하는 것을 주요 목표로 한다. 이를 통해 제주 열개분지의 초기 육성 퇴적 환경에서 해양 지배 퇴적 환경으로의 전이 과정을 규명하고, 나아가 근원암 및 저류암 발달 가능성과 같은 석유시스템 요소의 시공간적 분포를 이해하기 위한 지질학적 틀을 제시하고자 한다.

2. 연구지역

동중국해는 유라시아판 동측 연변부에 위치한 주변해(marginal sea)로, 태평양판 및 필리핀해판과의 상호작용에 의해 형성된 복합적인 지구조적 특성을 지닌다. 이 지역은 서쪽에서 동쪽으로 체민 융기대(Zhemin Uplift), 동중국해 대륙붕분지 및 남해대륙붕 분지, 타이완-신지 융기대(Taiwan-Sinzi Uplift Belt), 오키나와 해곡(Okinawa Trough), 류큐 열도(Ryukyu Arc)로 구분되며, 각 구조대는 북동-남서 방향으로 평행하게 배열되어 있다(그림 1). 이 중 동중국해의 북동부에 해당하는 대한민국 남해대륙붕 분지는 북북동-남남서 및 북서-남동 방향의 단층군과 기반암 고지대에 의해 제주분지, 이어도분지, 거문분지, 한라분지, 한산분지 등 다수의 소규모 분지들로 분절된 채 나타난다(Oh et al., 1997; Lee et al., 2026a, 2026b). 제주분지의 범위에 대해서는 논란이 있으나(Oh et al., 1997), 중국 시후분지의 북부 연장으로서 좁은 의미에서는 북동쪽의 거문분지 및 한산분지와 서측의 이어도분지와는 기반암 고지대에 의해 구분된다(Kwon et al., 1995; Yun et al., 1999)(그림 2a).

Fig. 2.

(a) Time-structural map of the acoustic basement showing the locations of the rift basins of the Korean South Sea. (b) Enlarged map showing basement topography of the northern Jeju Basin and the locations of the data set, including 2D and 3D seismic reflection data and exploratory wells, analyzed in this study. Contours in ms TWT (Two Way Travel Time) denote the depth of the acoustic basement top.

제주분지는 후기 백악기 또는 그 이전에 형성된 화강암과 편마암 지대에서 일어난 두 차례의 고진기 열개작용으로 형성되었으며(Lee et al., 2006), 주로 북동-남서 혹은 동-서 방향의 점완단층(listric fault) 및 블록 정단층들에 의해 경계 지어진 다양한 규모의 지구대(graben) 및 반지구대(half-graben) 내에 두께 5.5 km 이상의 퇴적층이 분포한다(Cukur et al., 2011). 이 지역에서는 총 9공의 탐사 시추가 진행되었으며, 기저부인 고진기층 및 상위 초기 마이오세층은 호성 및 하성 환경에서 퇴적된 것으로 주로 사암, 실트암, 이암의 호층 구조를 보인다(KIGAM, 1997). 국지적으로 산성 응회암 또는 화산기원의 역암도 확인된다(GSK, 2023). 중기-후기 마이오세에 형성된 중간 퇴적 구간 역시 탄층 및 역암이 협재된 사암, 실트암, 이암으로 구성되며, 후기 마이오세말 대규모 화성암체 관입·분출에 의한 구조적 융기와 국지적 변형으로 인해 지층의 두께 변화가 크게 나타난다. 최상부에는 플라이오세~플라이스토세에 집적된 미고결 천해 퇴적물(모래, 점토)이 분포한다. 퇴적층의 연대는 일부 연구들(Kwon et al., 1995; KIGAM, 1997)에서 최하부 지층을 올리고세로 해석하였지만, 그 이후의 미화석 연구들(Bong et al., 1993; Yun et al., 1999)은 에오세로 제시하였으며, 최근에는 중국 시후분지와의 층서대비를 통해서 팔레오세의 가능성도 제기되고 있다(GSK, 2024; Lee et al., 2026a).

3. 자료 및 방법

본 연구를 위해 연구진은 한국석유공사가 2002년, 2022년에 획득한 약 1,000 km²의 3D 탄성파 자료, 1971년부터 2005년에 걸쳐 획득한 약 10,000 line-km의 다중채널 2D 탄성파 자료를 활용하였다(그림 2b). 이러한 탄성파 반사법 자료를 통해 구분된 에오세 및 올리고세 3^rd-order 층단위(unit) 내 나타나는 반사면들의 특성 요소, 즉 개별 반사면의 진폭(amplitude), 연속성(continuity)과 상호 배열형태(internal configuration), 그리고 유사 반사면으로 이루어지는 지층의 외형(external form) 등을 기준으로 탄성파상 유형이 구분되었다. 각 탄성파상 유형들을 만든 퇴적작용 및 퇴적환경의 해석을 위해 시추공 G 및 시추공 O의 암상, 물리검층상 그리고 고생물분석 결과와의 비교 분석이 추가적으로 수행되었다. 그런 다음 제주분지의 3D와 2D 탄성파자료들을 통해 각 3^rd-order 층서 단위들을 구성하는 탄성파상들의 공간 분포도가 제작되었으며, 이러한 결과들에 기반하여 제주분지의 시대별 퇴적환경 모델을 제작하였다.

4. 제주분지 북부 고진기 3^rd-order 층서체계

시후분지 내 석유시스템은 주로 에오세 호성셰일 근원암과 올리고세 사암 저류층으로 구성된다(Wang et al., 2019). 시후분지의 북부 연장으로 여겨지는 제주분지에서의 과거 연구결과는 에오세 및 올리고세 시기에 형성된 퇴적층이 각각 근원암과 저류층의 유망성을 갖는 것으로 평가한 바 있다(GSK, 2014; KNOC, 2020). 해당 퇴적층들에 대한 정교한 석유시스템 모델링을 위해 고해상도 3D 탄성파 반사자료 영역 내에서 고진기 3^rd-order 층서체계가 새롭게 정립되었다(GSK, 2023, 2024, 2025). 새로운 제주분지 고진기 3^rd-order 층서체계는 6개의 에오세 3^rd-order 층단위(E10, E30, E50, E70, E90, E110)와 3개의 올리고세 3^rd-order 층단위(O10, O30, O50)로 구성된다(그림 3).

Fig. 3.

Paleogene 2nd and 3rd-order stratigraphic chart of the northern Jeju Basin (modified after Lee et al., 2026a). TB: Top of the basement, TE: Top of the Eocene, TO: Top of the Oligocene.

에오세부터 초기 올리고세에 걸쳐 퇴적된 3^rd-order 층단위는 단층에 구획된 소분지를 충진하는 형태로 관찰되나, 후기 올리고세 동안 퇴적된 3^rd-order 층단위는 큰 두께변화 없이 분지 전역을 피복하는 형태로 나타난다(그림 4). 이러한 층단위 특징은 제주분지 북부의 경계 단층운동이 에오세에 시작되었으며, 초기 올리고세 말 종료되어 열적침강작용으로 변화하였음을 지시한다(GSK, 2025).

Fig. 4.

Seismic reflection profiles selected from 3D volume. Note that (a) and (c) present the Paleogene 2nd and 3rd-order stratigraphy of the northern Jeju Basin, and (b) and (d) show seismic facies interpretation. For the locations of the seismic reflection profiles, see the black bold lines in the insets. TB: Top of the basement, TE: Top of the Eocene, TO: Top of the Oligocene.

5. 탄성파상의 유형 분류

이 연구에서 탄성파상 분석은 제주분지 석유시스템의 유망구간에 해당하는 에오세 및 올리고세 층준 내에서 세분된 3^rd-order 층단위들을 대상으로 수행되었다. 각 층단위의 내부에 나타나는 반사면들의 특성 요소, 즉 개별 반사면의 진폭, 연속성과 상호 배열형태, 그리고 인접한 다수의 반사면이 모여 나타나는 외형 등을 기준으로 하여 6개의 서로 다른 탄성파상 유형이 구분되었다(표 1).

Table 1.

A classification scheme of the seismic facies commonly recognized in the Jeju Basin. Descriptive terminology for seismic facies was adopted from Mitchum et al. (1977a) and Xu and Haq (2022). Each facies was interpreted through integration of the dataset, including seismic reflection characteristics cutting samples, and gamma ray logs. The interpretations were cross-validated with the existing paleo-environmental reconstruction model based on palynological analysis (Yun, 2019).

5.1. 탄성파상 SF-1

탄성파상 SF-1은 탄성파 유형 중에서 가장 양호한 연속성의 반사면으로 이루어지는데 반사면의 진폭도 대체로 높고 개별 반사면들이 서로 평행하게 배열된 층상 배열(stratiform)의 특징을 보인다(그림 5). 이들이 나타나는 지층들은 대체로 두께가 비교적 일정한 판상(sheet drape)의 외형을 보이거나(SF-1A, 그림 5a) 소규모 분지나 저지대를 채우는 렌즈(lens) 혹은 쐐기(wedge) 형태로 나타나기도 한다(SF-1B, 그림 5b). 한편, 연속성과 진폭이 양호한 1-2개의 반사면이 상대적으로 연속성과 진폭이 불량한 다른 탄성파상의 지층들 사이에 협재되어 나타나는 경우도 자주 인지된다(SF-1C, 그림 5c).

Fig. 5.

Parts of the seismic sections showing sub-types of (a) SF-1A (sheet drape), (b) SF-1B (lens or wedge), and (c) SF-1C (thin drape). For detailed description of the facies, see Table 1.

5.2. 탄성파상 SF-2

탄성파상 SF-2는 중간 내지 약한 진폭의 반사면들이 평행하거나 거의 평행하게(subparallel) 배열된 특징을 보이는데, 개별 반사면의 측방 연속성은 양호하다(그림 6). 이러한 탄성파상이 나타나는 지층들의 외형은 대체로 판상이나 쐐기형으로 탄성파상 SF-1과 유사한 외형적 특징을 가지나, 내부의 진폭과 연속성은 SF-1에 비해 불량하게 나타나는 차이가 있다.

Fig 6.

Parts of seismic sections showing SF-2 facies. For detailed description of the facies, see Table 1.

5.3. 탄성파상 SF-3

탄성파상 SF-3에서는 연속성이 대체로 불량하고 진폭이 약한 반사면들과 상대적으로 양호한 연속성을 가진 반사면들이 부분적으로 층상배열을 이루고 있다(그림 7). 특히 개별 반사면이 측방으로 급격히 단절되거나 두께가 급격히 변화되는 경우가 많아서 반사면 배열이 무질서하게(chaotic) 보이는 부분도 있으며, 일부에서는 반사면이 V자 형태로 굴곡져 나타나기도 한다. 한편, 지층들의 외형은 대체로 판상이나 쐐기형으로서 탄성파상 SF-1이나 SF-2와 유사하다. 탄성파 단면에서 지층들은 내부 반사면의 진폭과 측방 연속성이 높을수록 명확하고 뚜렷하게 인지되는 경향이 있는데, 이러한 관점에서 SF-3에서 SF-1으로 갈수록 인지성이 양호해진다.

Fig. 7.

Parts of seismic sections showing SF-3 facies. For detailed description of the facies, see Table 1.

5.4. 탄성파상 SF-4

탄성파상 SF-4는 주로 기반암 저지대에 발달하는 소분지 중심부에서 나타나는데, 내부 반사면은 연속성이 대체로 불량하여 무질서하거나 부분적으로 층상 배열을 보이며 쐐기, 렌즈 혹은 마운드 형태로 저지대를 채우는 특징을 보인다(그림 8). 다만 반사면의 진폭 특성은 강함에서 약함까지 다양하게 나타난다. 일부 지층에서는 V자 혹은 U자형으로 오목하거나 마운드형으로 볼록하게 굴곡된 반사면이 다수 인지되기도 한다.

Fig. 8.

Parts of seismic sections showing SF-4 facies. For detailed description of the facies, see Table 1.

5.5. 탄성파상 SF-5

탄성파상 SF-5는 주로 소분지의 가장자리 사면을 따라 분포하는 쐐기, 뱅크 혹은 마운드 형태의 지층에서 인지되는 탄성파상으로서, 개별 반사면은 진폭이 대체로 약하고 연속성이 불량하며 무질서 하거나 부분적인 층상 배열을 보인다(그림 9). 하지만 일부 지층에서는 전진(progradation) 퇴적체의 전면층(foreset)에서와 유사한 경사 배열이 인지되기도 한다.

Fig. 9.

Parts of seismic sections showing SF-5 facies. For detailed description of the facies, see Table 1.

5.6. 탄성파상 SF-6

탄성파상 SF-6는 주로 음향기저(acoustic basement)나 기반암에서 확인되며, 특히 기반암 고지대의 가장자리 부근에서 우세하게 나타난다. 탄성파적 특징은 음향기저면에서는 진폭이 강하고 연속성이 상대적으로 양호한 반사면이 위치하고 그 아래에는 고진폭의 연속성이 불량하며 무질서하거나 주름진 형태를 갖는 반사면들이 불규칙적으로 배열되어 있다(그림 10).

Fig. 10.

Parts of seismic sections showing SF-6 facies. For detailed description of the facies, see Table 1.

6. 탄성파상과 시추공 자료의 대비

탄성파상의 지질학적 의미를 해석하기 위하여 시추공 G 및 O와 그 주변 탄성파단면에서 인지되는 탄성파상 유형 간의 대비가 수행되었다(그림 11). 그리고 이에 기초하여 시추공 구간의 암상과 고생물 분석에 기초한 고환경 해석 결과와의 비교 분석이 수행되었다.

Fig. 11.

Depth (measured depth) correlation of seismic facies and seismic sequences between Well G and Well O. Note that depth conversion of each 2nd and 3rd-order stratigraphic boundaries was performed using the time-depth relationship established during well-to-seismic tie. Ages of the stratigraphic boundaries were constrained from the biostratigraphic formation tops of the Well G and Well O, previously suggested in Yun (2019).

6.1. 탄성파상과 암상

6.1.1. 시추공 G

전기 에오세 층준(E10, E30, E50)에 해당하는 시추공 G의 최하부 구간(2,509-2,722 m)은 탄성파상 SF-6과 대비된다(그림 12). 커팅시료를 이용한 암상기재를 통해 이 구간의 상위 약 15 m는 화산암층, 그 하부에는 화산 기원의 이암, 역암 및 박층의 사암이 나타나는 것으로 확인된다. 이암은 녹색, 회색 및 담회색 등의 암색을 띠는 화산암의 풍화산물이며 역암은 기질이 풍부하고 주로 화강암 또는 현무암 암편으로 이루어져 있다(그림 12). 이 구간에서의 감마선 검층 곡선은 깔때기형(funnel-shaped)의 특징을 보이나, 2,509 m 구간에서 급격히 증가한다(그림 12).

Fig. 12.

Data integration of the well lithology, petrophysical logs, seismic facies interpretation, and microfossil-based paleo-environmental interpretation from the Well G. Lithological and log data were modified from the KNOC (1991), and paleo-environmental interpretation were referred to Yun (2019).

탄성파상 SF-4가 우세한 전기 에오세 층준(E10, E30, E50)의 상부 및 후기 에오세 층준(E70, E90, E110)에 대비되는 심도 2,224-2,509 m 구간은 주로 사암, 실트암 및 이암이 교호하여 나타나는데 상부에서 사암층의 두께가 다소 증가한다(그림 12). 이암은 갈색, 녹회색, 청회색, 회색 등의 다양한 암색을 띠며, 간혹 실트암으로 점이하기도 한다. 사암은 구간별로 다양한 암색, 입도, 원마도 및 분급 상태를 보이며, 방해석 교질물로 약하게 교결되어 있다. 감마선 검층 곡선은 2,300-2,509 m 구간에서는 톱날형(serrated)이나, 2,224-2,300 m 구간에서는 종형(bell-shaped)의 곡선이 2회 반복된다(그림 12).

탄성파상 SF-3에 대비되는 심도 2,105-2,224 m 구간에서는 이암층 상부에 두께 50 m 이상의 두꺼운 사암층이 나타나며 사암의 암상은 하부 구간과 유사한 것으로 기재되어 있다(그림 12). 감마선 검층 곡선은 하부 구간(2,150-2,224 m)에서 실린더형(cylindrical), 상부에서는 깔때기형을 보인다(그림 12).

시추공 구간 2,055-2,105 m는 탄성파상 SF-2에 대비되는데, 주로 사암, 실트암과 이암의 호층으로 구성되어 있으며 얇은 탄층이 협재한다(그림 12). 사암은 주로 극세립질이며, 분급도는 양호한 편이다. 이암은 주로 회색 내지 암회색을 띠나, 부분적으로 갈색 내지 적색의 이암도 협재된다. 이 구간의 감마선 검층 곡선은 하부(2,055-2,105 m)에서 톱날형이나, 상부(1,887-2,055 m)에서는 4회 반복되는 종형을 보인다(그림 12).

6.1.2. 시추공 O

시추공 O의 에오세 층준 구간(심도 2,460-2,853 m)은 하부에 탄성파상 SF-5, 상부에 SF-4와 대비되는데, 암상은 특별한 차이 없이 전 구간에 걸쳐 사암과 이암이 교호하여 나타나는 것이 특징이다(그림 13). 사암은 담회색의 세립 내지 조립질 조직과 괴상의 구조를 보이며 개별 사암층의 두께는 중간 부분에서 제일 두껍게 나타난다. 이에 협재하는 이암은 주로 점토질로서 암갈색 내지 갈색을 띠며 석회질 성분을 거의 포함하지 않는다. 시추공 O의 최하부 구간(2,805-2,853 m)에는 점토암과 함께 암회색의 높은 고화도를 보이는 비트리나이트질 석탄층이 수매 나타난다(그림 13). SF-5가 출현하는 심도(2,641-2,853 m)에서 감마선 검층 곡선은 깔때기형, SF-4가 출현하는 심도(2,460-2,641 m)에서는 실린더형으로 나타난다(그림 13).

Fig. 13.

Data integration of the well lithology, petrophysical logs, seismic facies interpretation, and microfossil-based paleo-environmental interpretation from the Well O. Lithological and log data were modified from the KNOC (1990), and paleo-environmental interpretation were referred to Yun (2019).

탄성파상 SF-3에 대비되는 심도 2,218-2,460 m 구간에서는 수 십 미터 두께의 조립질 사암층이 우세하게 나타나며 간간이 암갈색의 비석회질 점토층이 얇게 협재하는 것으로 기재되어 있다. 해당 구간에서의 감마선 검층 곡선은 실린더형으로 나타난다(그림 13).

탄성파상 SF-1A에 대비되는 심도 2,132-2,218 m 구간은 점토층이 우세하게 산출되며, 이와 함께 얇은 세립 내지 중립 사암층이 드물게 협재된다(그림 13). 한편 탄성파상 SF-2에 대비되는 그 상부의 1,910-2,132 m 구간에서도 사암층과 이암층이 교호하며 호층을 이루는데, SF-1A 구간에 비해 사암층의 출현 빈도가 더 증가하며 석탄층이 협재하는 것으로 기재되어 있다. 해당 구간에서의 감마선 검층 곡선은 톱날형의 특징을 갖는다(그림 13).

7. 탄성파상의 해석

탄성파상의 해석은 기본적으로 반사면의 진폭, 연속성, 내부 배열 및 지층 외형과 같은 탄성파 반사 특성의 지질학적 의미를 분석하는 전통적인 방법에 따라 수행하였다(Mitchum et al., 1977a, 1977b; Sangree and Widmier, 1977; Badley, 1985). 아울러 해석 결과의 신뢰성을 높이기 위해 각 탄성파상은 앞서 기술한 바와 같이 시추공에서 확인된 암상 및 고생물 기반 고환경 자료와 직접 대비·검증되었으며, 이를 통해 탄성파 반사 특성과 퇴적환경 간의 연관성을 종합적으로 해석하였다.

8. 탄성파상의 시공간적 분포

북부 제주분지에서 취득된 2개의 3D 탄성파 볼륨 및 다수의 2D 탄성파 자료들을 이용하여 탄성파상 분포에 대한 맵핑(mapping)을 수행하였다. 수직적인 맵핑 단위는 기본적으로 3^rd-order 층단위이다(그림 3). 다만 에오세 3^rd-order 층단위들은 개별 층단위들의 두께가 얇고 유사한 구간이 많기 때문에, 에오세 하부 층준(E10, E30, E50)과 상부 층준(E70, E90, E110)으로 나누어 분포도를 작성하였다. 또한, 층단위의 상부와 하부가 뚜렷한 탄성파상 차이를 보이는 후기 올리고세의 O50은 하부 층준(O50-lower)과 상부 층준(O50-upper)으로 세분되어 상분포도 제작이 수행되었다(그림 3).

8.1. 전기 에오세 E10 & E30 & E50

북부 제주분지 전기 에오세 층준(E10, E30, E50)은 SF-1B, SF-4, SF-5 및 SF-6 유형의 탄성파상들이 다양한 규모의 패치 형태로 산재하여 나타나는데(그림 14a). 이는 분지의 구조적 기복과 퇴적 중심의 위치를 잘 반영한다. 열개분지 중심부나 저지대를 지시하는 탄성파상 SF-4는 연구지역 전반에서 가장 넓은 분포 범위를 차지하는데, 기반암 기복에 의해 분리된 소분지들의 중심부 저지대를 충전하는 형태로 나타나며, 북부보다는 중·남부 지역에서 상대적으로 두껍고 연속적인 분포를 보인다. 이러한 분포 양상은 분지 내부로 유입된 쇄설물이 분지의 중심 지역에 집중적으로 퇴적되었음을 지시한다. 상부 선상지(proximal alluvial fan)를 지시하는 탄성파상 SF-5는 분지 중심부로 유입된 쇄설물 공급 경로 상의 퇴적체로서, 주로 SF-4가 우세한 영역 가장자리에 산발적으로 분포하며(그림 14a), 개별적으로는 소규모 렌즈형 또는 마운드형의 형태를 이룬다(그림 4). 특히 SF-5가 북부 및 남부 분지 경계부에서 국지적으로 나타나는 점은, 선상지 퇴적이 단층 인접부를 따라 제한적으로 발달했음을 반영한다. 탄성파상 SF-6은 주로 분지 가장자리, 특히 북서부 및 남서부 경계부를 따라 국지적으로 분포한다(그림 14a). 이 탄성파상은 소분지의 경계가 되는 기반암 고지대에 집중되어 나타나며, 분지 경계 단층 인접부 또는 기반암 노출과 밀접한 공간적 연관성을 보인다. 이러한 분포는 SF-6이 분지 형성 초기의 기반암 또는 화산-퇴적 복합체와 관련된 탄성파상임을 뒷받침한다. 탄성파상 SF-1B는 연구지역 북서부의 제한된 지역 내 내에 소규모 패치 형태로 나타난다(그림 14a). 이는 분지 내부의 저지대에서 일시적으로 형성된 정체수 또는 소규모 호성 환경을 반영하는 것으로 보인다.

Fig. 14.

Distribution of seismic facies, showing the spatio-temporal evolution of sedimentary environments. Note that the background of the facies distribution maps represents topographic undulations of lower boundary of each 3rd-order units. The location of the study area is indicated in the inset on the right side of this figure.

9. 퇴적시스템

앞서 제시한 탄성파상 유형의 지질학적 해석과 각 탄성파상의 공간적 분포 특성, 시추공 암상 및 고생물 자료를 종합해보면, 에오세부터 올리고세에 이르는 분지 발달 과정을 열개분지 단계의 육성-호성 퇴적계에서 연안 및 천해 해양 퇴적계로의 점진적 전이 과정으로 재구성해 볼 수 있다.

전기 에오세에 제주분지는 기본적으로 상대적으로 융기된 하반 지괴의 급경사 단층면과 침강된 상반 지괴의 완만한 상부면으로 구성된 열개분지의 특성을 갖는다. 이 시기에 열개가 일어나는 지역에서는 복잡한 단층선 발달로 인해 소규모로 분절되어 고립된 다수의 소분지들이 발달하며, 이들은 이웃 분지와 단절된 자체 배수계를 갖게 된다(그림 15a). 탄성파상 분석 결과, 이 시기에 북부 제주분지 중심부에는 하천시스템이나 충적선상지의 말단부를 지시하는 탄성파상 SF-4가 우세하게 나타나며, 그 주변으로 충적선상지를 지시하는 SF-5와 일부 지역에 소규모 호수를 지시하는 SF-1B가 분포한다(그림 14a). 탄성파상 특징, 암상 및 고생물 연구 결과, 후기 에오세에 북부 제주분지는 열개작용이 막바지 단계로 들어서면서 하천을 포함한 광범위한 범람원 및 소택지가 발달하였다. 또한, 시추공 G와 O에서 관찰되는 간헐적인 해침의 증거로 비추어 볼 때, 북부 제주분지의 후기 에오세 퇴적환경은 전기 에오세에 비해 해안선에 근접하였던 것으로 여겨진다.

Fig. 15.

Schematic depositional model of the northern Jeju Basin during the (a) Eocene, (b) Early Oligocene, and (c) Late Oligocene. The Eocene was characterized by a rift-basin fluvial system dominated by axial channels, floodplains, and alluvial fans. Progressive basin filling led to the predominance of upper coastal plain environments in the Early Oligocene, followed by lower coastal plain and marine bay (or large-scale lacustrine) settings during the Late Oligocene transgression.

초기 올리고세에는 소규모 분지가 점차 퇴적물로 채워지면서 배수계가 확장되었으며, 이로 인해 남쪽에서부터 드넓은 상부 해안평원 환경이 발달하기 시작하였다(그림 15b). 해성종과 담수종의 화석이 함께 산출되는 것으로 비추어 볼 때(Yun, 2019), 이러한 상부 해안평원 환경은 담수와 해수의 지속적인 상호작용 및 해침을 겪었을 것으로 해석된다(그림 15b).

후기 올리고세 동안의 점진적 해수면 상승에 따라 북부 제주분지는 연안 및 천해 환경으로 변화하였다(그림 15c). 고생물학 연구결과(Yun, 2019), 이 시기 와편모조류의 출현 빈도가 점차적으로 증가하는 것으로 볼 때, 후기 올리고세의 북부 제주분지는 육성환경에서 해성환경으로 변화하는 전이적 단계에 있던 것으로 보인다.

10. 결 론

제주분지의 탄성파 자료에서 구분된 탄성파상은 분지기저의 화산암-퇴적층 복합체와 그 상부의 선상지, 하천, 해안평원 및 천해/연안역 등 다양한 육상 및 해양 퇴적환경을 지시하는 것으로 해석된다. 탄성파상의 시공간적 분석결과, 제주분지는 에오세 동안의 활발한 열개작용에 의해 소규모로 분절된 열개분지로 시작되었으며, 이 시기에는 단층 활동에 의해 지배되는 육성 퇴적시스템이 우세하였다. 분지 경계부에는 충적선상지가, 중심부에는 하천 또는 국지적 호수 환경이 발달하는 전형적인 열개분지 퇴적 양상이 형성되었다. 후기 에오세에는 열개작용이 약화되면서 분지 내 지형 기복이 완화되고, 해수면 상승으로 해안평원 환경이 점진적으로 확대되었다. 전기 올리고세에는 소규모 분지들이 퇴적물로 충전되면서 분지 간 연결성이 증가하고, 배수계가 확장됨에 따라 상부 해안평원 환경이 광역적으로 발달하였다. 후기 올리고세에는 점진적인 해수면 상승으로 하부 해안평원 및 천해 환경이 발달하였다. 이러한 퇴적환경 변화 양상은 제주분지 퇴적시스템이 육성 우세 환경에서 점차적으로 해성 우세 환경으로 전이되었음을 보여준다. 본 연구결과의 퇴적시스템 진화는 제주분지 내 근원암 및 저류암의 발달 가능성과 석유시스템 요소의 시공간적 분포를 이해하는 데 중요한 지질학적 틀(framework)을 제공할 것이다.

Acknowledgments

이 연구는 한국석유공사 “남해대륙붕 종합기술평가” 사업과 산업통상부 유전개발사업 출자, 그리고 한국연구재단(RS-2024-00446363, RS-2024-00392909)의 지원을 받아 수행되었습니다. 논문의 심사과정에서 유익한 조언을 주신 두 분의 심사위원과 편집위원, 편집위원장께 감사드립니다.

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