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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.42 No.1 pp.11-38
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2021.42.1.11

Detrital zircon U-Pb ages of the Cretaceous Iljik, Jeomgok, and Sagok formations in the Cheongsong Global Geopark, Korea:
Depositional age and Provenance

Yong-Un Chae1, Taejin Choi2, In Sung Paik3, Jong-Sun Kim4, Hyun Joo Kim3, Hoon Young Jeong1, Hyoun Soo Lim1*
1Department of Geological Sciences, Pusan National University, Busan 46241, Korea
2Department of Advanced Energy Engineering, Chosun University, Gwangju 61452, Korea
3Department of Earth and Environment Sciences, Pukyong National University, Busan 48513, Korea
4Korea National Park Research Institute, Korea National Park Service, Wonju 26441, Korea
*Corresponding author: tracker@pusan.ac.kr Tel: +82-51-510-2251
December 27, 2020 January 8, 2021 February 9, 2021

Abstract


Detrital zircon U-Pb dating of samples from the Baekseoktan (Iljik Formation), Mananjaam (Jeomgok Formation), and Sinseongri (Sagok Formation) geosites in the Cheongsong Global Geopark were carried out to estimate the depositional age and provenance of the Hayang Group in the Gyeongsang Basin. In the Iljik Formation, Jurassic and Triassic zircons are dominant with minor Precambrian zircons, with no Cretaceous zircon. In contrast, the Jeomgok and Sagok formations show very similar age distributions, which have major age populations of Cretaceous, Jurassic, and Paleoproterozoic ages. The weighted mean ages of the youngest zircon age groups of the Jeomgok and Sagok formations are 103.2±0.3 and 104.2±0.5 Ma, respectively. Results suggest that the depositional ages of the Jeomgok and Sagok Formations are Albian. The detrital zircon age spectra indicate a significant change in provenance between the Iljik and Jeomgok formations. The sediments of the Iljik Formation are thought to have been supplied from nearby plutonic rocks. However, the Jeomgok and Sagok sediments are interpreted to have been derived from relatively young deposits of the Jurassic accretionary complex located in southwest Japan.



청송 세계지질공원 내 백악기 일직층, 점곡층, 사곡층의 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령: 퇴적시기와 기원지

채 용운1, 최 태진2, 백 인성3, 김 종선4, 김 현주3, 정 훈영1, 임 현수1*
1부산대학교 지질환경과학과, 46241, 부산광역시 금정구 부산대학로 63번길 2
2조선대학교 첨단에너지공학과, 61452, 광주광역시 동구 필문대로 309
3부경대학교 지구환경과학과, 48513, 부산광역시 남구 용소로 45
4국립공원공단 국립공원연구원, 26441, 강원도 원주시 단구로 171

초록


경상분지 하양층군의 퇴적시기와 기원지 변화를 밝히기 위해 청송 세계지질공원의 지질명소인 백석탄(일직층), 만안자암(점곡층), 신성리(사곡층) 지역에서 쇄설성 저어콘에 대한 U-Pb 연령측정을 실시하였다. 일직층에서는 백악기 저어콘이 발견되지 않고 쥐라기와 트라이아스기의 저어콘이 대부분이며, 선캄브리아 시대의 저어콘은 드물게 산출된다. 반면 점곡층과 사곡층은 백악기와 쥐라기, 고원생대의 저어콘이 우세하며 유사한 연령분포를 보인다. 점곡층과 사곡층 의 백악기 저어콘에서 각각 103.2±0.3 Ma와 104.2±0.5 Ma의 가장 젊은 가중평균연령을 구했다. 연구결과에 의하면 점 곡층 및 사곡층의 퇴적시기는 앨비안에 해당된다. 쇄설성 저어콘의 연령분포는 일직층과 점곡층 사이에 기원지의 중요 한 변화가 있었음을 지시한다. 일직층은 주로 주변의 관입암체에서 퇴적물이 공급된 것으로 보이지만, 점곡층과 사곡층 은 일본 남서부의 쥐라기 부가대의 비교적 젊은 퇴적단위로부터 기원한 것으로 해석된다.



    Pusan National University(PNU)

    서 론

    경상북도 청송군에 위치한 청송지질공원은 2017년 5월 1일 제주도에 이어 한국에서 2번째 유네스코 세 계지질공원으로 인증되었다. 청송 세계지질공원에는 화성, 퇴적, 수리, 고생물 및 지형을 주제로 한 총 24 곳의 지질명소들이 있다. 이들 중 연구대상인 만안자 암 단애는 퇴적명소, 신성리 공룡발자국은 고생물명 소, 그리고 백석탄 포트홀은 지형명소에 해당하며, 모두 백악기 경상분지 퇴적암을 기반으로 하는 지질 명소들이다.

    위 명소들의 퇴적시기인 백악기에는 한반도를 포함 한 동아시아 지역에 활동성 대륙연변부가 위치해, 고 태평양판인 이자나기판의 섭입방향 및 각도 변화에 의해 지구조적으로 많은 영향을 받았다(Otsuki, 1985, 1992;Lee, 1999;Okada, 2000;Sagong et al., 2005;Chough and Sohn, 2010;Ryang, 2013). 그로 인해 이 시기에 형성된 경상분지의 분지충전물은 시공간적 인 분지진화의 기록을 포함한다. 경상분지는 한반도 의 남동쪽에 위치한 한반도에서 가장 큰 육성 퇴적 분지로서 마이오세에 동해가 열리기 전 일본열도와 접해 있던 것으로 알려져 있어 지리적으로 중요한 위치에 있다(Asiedu et al., 2000;Mitsugi et al., 2001;Ishida et al., 2003;Lee and Kim, 2005;Kim et al., 2007;Lee, 2008). 그러므로 경상분지 퇴적물 의 퇴적시기와 기원지 변화에 대한 연구는 백악기의 지구조 환경변화와 분지진화에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있다.

    경상분지 퇴적물의 기원지에 관한 초기연구는 주로 고수류 분석과 퇴적암석학적 모드 분석, 지화학 분석 을 통해 이루어 졌다(Lee and Lee, 2000, 2003;Lee and Lim, 2008;Lee et al., 2015). 하지만 최근 개별 저어콘에 대한 신뢰도 높은 연령측정이 가능해짐에 따라 퇴적층에 포함된 쇄설성 저어콘의 연령분포를 이용한 퇴적물 기원지 연구가 활발히 진행 중이며, 이 연령분포는 퇴적 당시 분지주변에 노출된 기원암 들의 연대를 반영하는 것으로 알려져 있다(Lee, T.- H. et al., 2010;Lee, Y.I. et al., 2010, Lee et al., 2017;Lee et al., 2018a, 2018b; Choi et al., 2020). 하지만 지금까지 대부분의 연구가 전기 백악기에 퇴 적된 경상누층군 최하부 신동층군에 집중되었으며, 상부의 하양층군을 대상으로 한 연구(Lee, T.-H. et al., 2018a Choi and Kwon, 2019)는 부족한 편이다.

    이번 연구의 주된 목적은 청송 세계지질공원이 위 치한 경상분지 의성소분지 하양층군에 속하는 일직층 (백석탄 포트홀), 점곡층(만안자암 단애), 사곡층(신성 리 공룡발자국) 쇄설성 저어콘의 U-Pb 연령분포를 이용하여 지층들의 퇴적시기와 퇴적물의 기원지 변화 를 규명하는 것이다(Fig. 1 and 2). 이 연구는 의성소 분지의 고환경과 분지진화에 대해 중요한 정보를 제 공해 줄 수 있고, 청송세계지질공원의 학술적 가치를 높이는 데에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

    연구지역

    백악기 동안 아시아 대륙의 북동쪽 경계에 위치한 한반도에는 유라시아판과 고태평양판(이자나기판) 사 이의 사각섭입에 의해 다양한 육성퇴적분지들이 형성 되었다(Lee and Paik, 1990;Lee, 1999;Chough and Sohn, 2010;Ryang, 2013). 한반도의 남동부에는 백 악기 육성퇴적분지 중에서 가장 규모가 큰 경상분지 가 위치하는데, 경상분지는 북에서부터 영양소분지, 의성소분지, 밀양소분지로 세분된다(Fig. 1A, Chang, 1975). 경상분지를 충전한 경상누층군은 하부에서부 터 화산물질이 거의 없는 신동층군, 화산물질이 빈번 히 산출되는 하양층군, 대부분이 화산물질로 구성된 유천층군으로 나뉜다(Chang, 1975;Choi, 1986;, Chang et al., 2003). 이 중 신동층군은 의성소분지 및 밀양소분지의 서편을 따라 분지별로 큰 차이 없 이 대상으로 분포하지만, 하양층군의 퇴적시기에는 지역에 따라 퇴적환경과 특성이 달랐기 때문에 하양 층군을 구성하는 층명은 소분지에 따라 다르다.

    연구지역이 속하는 의성소분지의 하양층군은 하부 로부터 일직층, 후평동층, 점곡층, 사곡층, 춘산층, 신 양동층으로 구성되며 사곡층과 춘산층의 경계에는 구 산동응회암이 발달하고, 일직층과 밀양소분지 경주- 왜관 지역에 분포하는 건천리층의 다양한 화석을 이 용한 고생물학적 연구에 의해 하양층군은 대체로 전 기 백악기(Aptian-Albian)에 퇴적된 것으로 보고되었 다(Table 1)(Yang, 1978;Choi, 1985, 1989;Seo, 1985;Choi 1987;Choi and Park, 1987;Yi et al., 1993). 퇴적암 외 백석탄과 만안자암 분포지의 서쪽 으로는 선캄브리아 시대의 편마암체와 퇴적 이후 관 입한 석영반암이 자리하고 있다(Fig. 1).

    의성소분지 하양층군의 기원지 추정을 위한 서쪽 가장자리의 고유향(paleocurrent) 연구에 의하면 고수 류가 주로 서에서 동으로 혹은 북서에서 남동으로 흐른 것으로 나타났지만, 동쪽의 하양층군에서는 고 수류가 동에서 서쪽으로 측정되어 동편에 고지대가 분포했던 것으로 추정되었다(Chang, 1988). 의성소분 지 북동쪽의 일직층, 후평동층, 점곡층에서도 고수류 가 전반적으로 동쪽에서 서쪽으로 흐른 것으로 보고 되었다(Koh et al., 1996).

    연구지역인 백석탄과, 만안자암, 신성리 공룡발자국 화석산지들은 지질학적으로 의성소분지의 북동쪽 하 양층군에 위치하며, 각각 일직층과 점곡층, 사곡층이 분포한다(Fig. 1 and 2A, C, E). 일직층의 퇴적환경 은 주로 충적선상지이며 역암, 역질사암, 사암 및 이 암으로 구성되고, 점곡층은 호수 혹은 주변부로 녹색 혹은 회색의 이암이 주를 이루고 일부 렌즈상 혹은 쐐기상의 세립사암이 협재하며, 마지막으로 사곡층은 하부 및 상부에는 주로 붉은색 사암 및 이암, 중부에 는 회색 혹은 암회색의 사암 및 이암으로 구성되고, 연구지역은 세립사암 혹은 실트스톤과 이암이 엽층이 나 얇은층으로 교호, 세립 사암, 석회질 이암 등으로 구성되는 얕은 호수 내지 호수주변부에서 퇴적된 것 으로 알려져 있다(Chang et al., 1977;Choi, 1986;Koh et al., 1996;Kim et al., 2019).

    연구방법

    청송 세계지질공원 내 세 곳의 지질명소에 대한 절대연령측정을 위해 백석탄에서 3개(BST-1, 2 3), 만안자암 단애에서 2개(MA-1, 2), 신성리에서 1개 (SSR-1)의 사암 또는 실트암 시료를 채취하였다(Fig. 1 and 2). 만안자암의 경우 단애 뒤쪽의 도로가 노두 에서 시료를 채취하였으며(Fig. 2D), 신성리의 경우 화석산지 주변에서는 저어콘이 산출되는 조립질 암석 이 없어 층서적으로 유사한 층준에 해당하는 남서쪽 으로 약 4.3 km 떨어진 908번 도로가 노두에서 채취 하였다(Fig. 2F). 백석탄 포트홀 지질명소에는 대체로 조립질 내지 중립질의 사암이 분포하며, 일부 층준에 는 주로 우백질 화강암 역으로 구성된 역암 내지 역 질 사암도 포함된다(Fig. 2A and B). 채취한 시료들 은 암상 기재를 위해 박편을 제작하여 현미경 관찰 을 실시하였다(Fig. 3).

    절대연령측정을 위해 저어콘을 분리한 후 에폭시 마운트를 제작하고 저어콘의 절반가량이 드러나도록 연마하였다. 준비된 저어콘 시료들은 후방산란전자영 상(BSE images)과 음극선발광영상(CL images)을 이 용하여 내부구조를 관찰 후 분석위치를 결정하였다. U-Pb 연령측정은 한국기초과학지원연구원(KBSI)에서 보유한 Nu Plasma Ⅱ/New Wave Research 193 nm ArF 레이저 삭마 유도결합 플라즈마 질량분석기(LAMC- ICP-MS)를 이용하였다. 레이저의 지름 및 주파 수는 각각 15 μm와 5 Hz로 30초간 분석을 유지하였 고, 저어콘 분석점의 처음과 마지막을 포함해 91500 표준 저어콘(Wiedenbeck et al., 1995, 2004)과 Plešovice 표준 저어콘(Sláma et al., 2008)을 각각 분 석점 5개와 10개 당 하나씩 분석하였다. 분석 후 원 자료는 Iolite 2.5 (Paton et al., 2011)와 Isoplot 3.71 (Ludwig, 2008) 프로그램을 이용하여 처리했다. 단일 분석점 내 연령의 혼합 및 납손실에 관해 명확히 알 수 없기에 15% 이상의 불일치 연령을 보이는 분석 점은 제외되었다. 1000Ma 이상의 연령일 경우에는 207Pb/ 206Pb 연령을 사용했고, 1000Ma 이하일 경우에 는 206Pb/ 238U 연령을 사용했다. 연구지역 퇴적층의 연 령을 구하기 위해 백악기 저어콘 연령자료에 Isoplot 프로그램의 Tuffzirc 알고리즘(Ludwig and Mundil, 2002)을 적용해 합리적인 연령 군집을 추출 후 가중 평균연령을 계산하였다.

    연구결과

    1. 현미경 관찰 결과

    백석탄의 사암 시료는 대부분 석영과 사장석 및 흑운모로 구성되어 있으며, 비교적 크기가 작은 입자 들은 각형 내지 아각형이지만 큰 입자들은 아각형에 서 원형까지 원마도가 다양하다(Fig. 3A and B). 만 안자암 단애를 구성하는 사암은 주로 석영과 화산암 편, 장석으로 구성되며, 소량의 쳐어트편을 포함하고 있다(Fig. 3C). 또한 백석탄 시료에 비해 비교적 장석 의 함량이 적고 화산암편이 포함되며 보다 원마도가 좋은 특징을 보인다(Fig. 3C). 신성리 화석산지 인근 에서 채취한 사곡층 시료의 경우 다른 시료들에 비 해 세립질인 실트암에 해당되며, 주로 석영과 장석의 함량이 우세하다(Fig. 3D).

    2. 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령측정 결과

    U-Pb 절대연령 분석위치 결정을 위한 SEM-CL 이 미지 분석 결과 BST시료의 저어콘들은 주로 150- 200 μm 크기의 단주상 또는 주상을 보이며, 대부분의 저어콘들이 자형(euhedral)에 진동누대(oscillatory zoning) 를 나타낸다. MA와 SSR시료에서 분리된 저어콘들은 대체로 BST시료의 저어콘들 보다 원마도가 좋은 편 이고, 주로 CL 영상에서 밝게 보이며, 진동누대를 나 타내는 저어콘들의 경우 아각형에서 아원형을 보이지 만, 내부구조가 거의 보이지 않는 어둡게 보이는 저 어콘들의 경우 원마도가 매우 좋은 특징을 보여준다. MA와 SSR에서 퇴적시기를 구하는데 이용된 모든 저어콘들은 Th/U 값이 0.2 이상으로 화성기원 저어 콘 임을 지시한다(Hoskin and Schaltegger, 2003;Hartmann and Santos, 2004).

    Table 2와 Fig. 4는 연구지역 사암에서 분리된 쇄 설성 저어콘 U-Pb 연령을 보여준다. 총 6개의 시료 에 포함된 저어콘들은 대부분 오차범위 내에서 일치 곡선 상에 놓여있다(Fig. 5).

    백석탄 포트홀 지역의 일직층: 총 3개의 사암 (BST-1, 2, 3)에서 분리된 쇄설성 저어콘을 대상으로 각 시료당 100점 씩 총 300점의 저어콘들이 분석되 어 총 295점의 유효분석점을 얻었다(Table 2). 일직 층의 쇄설성 저어콘들은 쥐라기(약 164 Ma)에서 선 캄브리아 시대(약 2009 Ma)에 이르는 넓은 연령 범 위를 보여주며 3개의 사암시료는 매우 유사한 연령 분포를 나타낸다(Fig. 4, Table 2). 하지만 총 295점 의 유효분석점들 중 선캄브리아 시대 연대를 보이는 저어콘은 약 811Ma의 신원생대 및 약 2009Ma의 고원생대를 나타내는 2개로 매우 드물게 산출된다 (Fig. 4). 그리고 나머지 유효분석점들의 대부분은 중 생대 트라이아스기와 전기 쥐라기에 밀집되어 분포하 며 일부는 고생대 페름기 연대를 보인다(Fig. 4). 최 소 연령을 보여주는 저어콘은 약 164 Ma의 쥐라기 이며 백악기 연대를 나타내는 저어콘은 산출되지 않 았다(Fig. 4).

    만안자암 단애 지역의 점곡층: 총 2개의 사암 시 료(MA-1, 2)에서 분리된 쇄설성 저어콘을 대상으로 U-Pb 연령을 측정한 결과 총 187점을 분석해 174개 의 유효분석점을 얻었고, 백악기에서 선캄브리아 시 대에 이르는 넓은 연령 범위(98-2803Ma)를 보인다 (Fig. 4, Table 2). 하지만 대부분의 연령은 중생대와 고원생대에 밀집되어 분포한다(Fig. 4). 일직층의 연 령분포와는 다르게 선캄브리아 시대의 저어콘들이 상 당량 산출되는 것이 특징이며 이들은 약 1850-1875 Ma 사이에서 가장 많이 분포하지만 보다 오래된 연 령을 보여주는 저어콘들도 상당량 포함하고 있다 (Fig. 4). 젊은 저어콘들에서는 연구지역 일직층에 비 해 트라이아스기 연대의 저어콘들의 비율이 상당량 감소했으며, 쥐라기 연대 내에서도 일직층 보다 젊은 쥐라기 중기에 밀집된 경향을 보인다(Fig. 4). 그리고 일직층에서는 산출되지 않던 백악기 연대를 보여주는 저어콘들이 상당량 포함되어 있고, 이들의 겉보기 연 령범위는 약 106-98 Ma (Albian-Cenomanian)를 나 타낸다(Fig. 4). 백악기 저어콘들의 연령들은 비교적 넓은 분산을 보이며, 크게 두 그룹으로 구분되는데 이들의 가중평균연령은 각각 100.4±0.3 Ma (n=5, MSWD: 0.94)와 103.2±0.3 Ma (n=12, MSWD: 1.2) 로 구해졌다(Fig. 5A).

    신성리 공룡발자국 화석산지의 사곡층(SSR-1): 신 성리 공룡발자국 화석산지 인근에서 채취된 시료에서 분리된 저어콘들을 대상으로 총 95점을 분석해서 87 개의 유효분석점을 얻었다(Table 2). 이들의 연령 범 위는 백악기에서 선캄브리아 시대에 해당하는 약 103-2515 Ma를 나타내며, 분포는 중생대와 고원생대 연대에 집중되어 있어 전체적으로 점곡층의 연령분포 와 매우 유사하다(Fig. 4). 선캄브리아 시대 저어콘들 의 분포는 점곡층과 마찬가지로 약 1850-1875Ma 범 위에서 가장 높은 확률밀도를 나타낸다(Fig. 4). 젊은 중생대의 연령분포에서는 점곡층에 비해 트라이아스 기 연대를 보이는 저어콘들의 산출이 감소하고 중기 쥐라기 보다는 전기 쥐라기 연대에 보다 많은 저어 콘들이 분포하는 특징을 보인다(Fig. 4). 총 6개의 백 악기 저어콘들이 산출되었고 그 중 가장 젊은 연령 은 약 103 Ma이며, 가장 젊은 군집을 이루는 총 3개 의 저어콘 분석점들을 이용해 104.2±0.5 Ma (MSWD: 0.43)의 206 Pb/ 238 U 가중평균연령을 구했다(Fig. 5).

    토 의

    1. 연구지역 점곡층 및 사곡층의 퇴적시기

    이번 연구에서 백석탄 지역의 일직층 시료에서는 백악기 연대를 보이는 저어콘이 산출되지 않아 일직 층의 최대퇴적시기에 대한 정보를 제공하기 어렵기 때문에 점곡층 및 사곡층의 퇴적연대 만을 제한하고 자 한다(Fig. 4).

    만안자암 단애 지역의 점곡층에서 백악기 쇄설성 저어콘들의 겉보기 연령은 약 106-98Ma (Albian- Cenomanian)의 범위를 나타낸다(Fig. 4). 이 중 약 98 Ma가 단일 저어콘 최소연령이지만 단일 저어콘은 변질 또는 변성과정에 납 손실 등 다양한 기작들에 의해 생성연령에서 편차가 커질 가능성이 존재한다 (Lee et al., 2018a). 실제로 층서적으로 점곡층 보다 상위에 놓이고 밀양소분지와 의성소분지 내 약 200 km 이상의 연장성을 가지며 하양층군의 건층 역할을 하는 구산동응회암의 북부 지역 시료에서 LA-(SC)- ICPMS 저어콘 U-Pb 연령은 97.1±2.0 Ma, SHRIMP 저어콘 U-Pb 연령은 103.0±1.2 Ma로 보고된 바 있 다(Jeon and Sohn, 2003; Jwa et al., 2009;Kim et al., 2013). 선행연구에서 제시된 북부 구산동응회암의 분출연령은 서로 오차범위를 고려하더라도 상당한 차 이를 보인다. 그러나 약 97 Ma의 연령은 단일 검출 기(single collector)가 접목된 비교적 구형의 LA-ICPMS 장비를 이용해 분석되었으며, 원자료가 일치곡선 상에서 상당히 벗어나는 분석점들을 많이 포함하고 있어, 본 연구에서는 SHRIMP 장비를 활용한 약 103 Ma 분출연대를 북부 구산동응회암의 분출연대로 활용하였다. 이번 연구의 점곡층은 구산동응회암 보 다 층서적으로 하위에 놓이지만 개별 저어콘들은 오 차 범위를 고려하더라도 젊은 연령이 몇몇 산출된다. 그러므로 단일 저어콘을 통한 지층의 최대퇴적시기 제한은 지양되어야 할 것으로 생각된다. 일반적으로 쇄설성 저어콘들을 이용한 연령측정에는 약 100~120 개의 분석점을 이용해 오차범위 1σ에서 두 점 및 2σ 에서 세 점 이상이 중첩되는 연령그룹을 통해 최소 연령을 구하는 방법이 주로 이용된다. 그러나 점곡층 에서 분리된 백악기 저어콘들의 가중평균연령으로 구 해진 약 100 Ma의 Group 1의 경우, 이에 비해 상당 히 많은 187개의 분석점을 통해 도시된 것으로써 심 지어 두 분석점들은 일치곡선을 약간 벗어나 산출되 어 통계적으로 불완전한 연령으로 판단된다. 또한 층 서적으로 상위에 놓인 구산동응회암의 분출연령과도 불일치하기 때문에 통계적 및 층서적으로 무의미한 연령을 지시한다. 그러나 보다 오래된 Group 2의 가 중평균연령인 약 103.2±0.3 Ma의 경우, 일치곡선 상 에 놓이는 12개의 분석점을 통해 구해졌으며, 구산동 응회암의 분출연령과도 오차범위 내 일치하는 연령을 보여 층서적으로도 모순되지 않는다. 그러므로 연구 지역에 분포하는 점곡층에서 구해진 가중평균연령인 약 103 Ma는 만안자암 단애를 구성하는 퇴적층이 앨비안(Albian)에 퇴적된 지층임을 지시한다.

    신성리 공룡발자국 화석산지에 분포하는 사곡층 최 하부와 유사한 층준의 시료에서 분리된 저어콘들의 가장 젊은 군집은 104.2±0.5 Ma (n=3, MSWD=0.43) 의 가중평균연령을 보인다(Fig. 5). 이 연령은 하부의 점곡층에서 구한 가중평균연령과 유사하다. 시료를 채취한 점곡층과 사곡층 노두가 지리적 및 층서적으 로 가깝다는 점을 고려하면, 두 지층의 퇴적시기는 큰 차이가 없던 것으로 추정된다(Fig. 1). 그러므로 연구지역의 사곡층 역시 점곡층 퇴적 직후에 퇴적이 되었을 것으로 판단되며, 이는 직상위에 놓이는 구산 동응회암의 분출연령과도 부합하는 결과이다. 따라서 연구지역의 점곡층과 사곡층의 퇴적시기는 전기 백악 기의 앨비안으로 해석된다.

    2. 연구지역 일직층, 점곡층, 사곡층 퇴적물 기원 지의 변화

    백석탄 지역 일직층은 선캄브리아 연대를 보이는 저어콘 입자들이 거의 산출되지 않고, 페름기-트라이 아스기 및 전기 쥐라기 연대를 보이는 저어콘들이 대부분을 차지하는 것이 특징이다(Fig. 4). 하지만 의 성소분지 서편의 일직층에서 분석된 연령분포에서는 선캄브리아 연대를 보이는 저어콘들이 가장 많은 비 율을 차지하며 다음으로 쥐라기 연대를 나타내는 저 어콘들이 산출되는데, 이는 신동층군 퇴적암들과 매 우 유사한 연령분포로서 기원지가 경상분지 서편에 있음을 지시한다(Choi and Kwon, 2019). 또한 실제 로 진주층과 접하는 지역의 하양층군 고수류 분석 결과와 일치한다(Chough and Sohn, 2010).

    이와는 다르게 이번 연구지역의 일직층에서는 선캄 브리아 시대 저어콘이 극히 드물게 산출되며 트라이 아스기 및 전기 쥐라기 연대가 대부분을 차지한다 (Fig. 4 and 6). 이는 영남육괴 외의 다른 퇴적물 공 급원의 가능성을 지시한다. 이번 연구의 일직층 저어 콘 연령분포가 매우 단순하므로 비교적 가까운 기원 지에 분포하는 소수의 암체들로부터 퇴적물이 공급되 었을 가능성을 고려할 수 있다(Fig. 4 and 6). 일직층 노두에서 관찰되는 역질사암 내지 역암 층준에서 관 찰되는 역들의 종류가 매우 제한적이며 역들이 아각 형을 보이는 점, 그리고 사암 구성입자들의 원마도가 불량하고 사장석의 비율이 높다는 것도 이와 같은 추론을 지지한다(Fig. 2B, 3A and B). 연구지역인 백 석탄의 동편에는 청송화강암(ca. 203Ma), 영덕화강 암(ca. 247-266 Ma), 영해화강암(ca. 195-196Ma), 장 사리화강암(ca. 256-257Ma), 홍색화강암(ca. 242Ma) 등 주로 페름기-쥐라기에 관입한 암체들이 비교적 가 까운 거리에 분포한다(Fig. 6, Cheong and Kim, 2012 and references therein; Kang et al., 2018). 또 한 안동-청송 지역의 우백질 화강암질암에서 약 250 Ma의 관입연령과 트라이아스기 중기 혹은 말기의 열 적변성 연대가 보고된 바 있다(Cheong et al., 2014). 특히 청송 심성암체 중 트론조마이트질 편마암에서 약 230Ma의 과성장 연변부 가중평균연령과 함께, 관입과정에서 형성된 약 199 Ma의 단일 저어콘 겉보 기 연령, 마지막으로 246-236Ma의 연령을 나타내는 몇몇 저어콘들이 산출되었다(Cheong et al., 2014). 위 연령들은 기존 기반암의 형성연령으로 설명되지 않는 일직층의 중기-후기 트라이아스기 저어콘 기원 을 설명해줄 수 있다(Fig. 6). 그리고 연구지역의 북 쪽에도 전기 쥐라기의 영주화강암(Yoon et al., 2014;Song and Yi, 2015)과 안동화강암(Yoon et al., 2014) 이 자리하고 연구지역과 인접하다. 따라서 저어콘 UPb 연령의 분포, 퇴적암 내 입자들의 미성숙 조직 및 연구지역이 위치하는 의성소분지 북부의 지리적 위치 를 고려했을 때 당시 노출되어 있던 북부 및 동부 지역의 트라이아스기 및 전기 쥐라기 암체들에서 퇴 적물을 공급받았을 가능성이 높다(Fig. 6). 하지만 이 번 연구의 일직층 시료에서 295점의 유효분석점 중 오직 2개(1% 미만)의 선캄브리아 시대 저어콘이 산 출되었다. 이는 대규모 선캄브리아 시대의 암체 분포 지에서 퇴적물이 직접 유래했다고 판단하기에는 함량 이 매우 적다. 또한 이는 경상분지 퇴적층들에서 선 캄브리아 시대의 저어콘들이 매우 빈번히 산출되는 것과도 그 특징을 달리한다. 그리고 연구지역의 북쪽 에 위치한 영남육괴의 북동쪽 지역에는 선캄브리아 시대의 암체가 기반암으로 자리하고 있기 때문에 연 구지역의 북쪽의 경우 이번 연구에서 구한 저어콘의 연령 분포와는 일치하지 않는다. 따라서 백석탄 지역 일직층의 퇴적물들은 대부분 퇴적당시 주로 동쪽에 위치했던 비교적 근거리의 관입암체들로부터 기원했 을 가능성이 높은 것으로 판단된다. 이는 저어콘들의 단순한 연령 분포 및 퇴적조직 뿐 아니라 다양한 퇴 적구조를 이용한 의성소분지 북동부 일직층의 고수류 연구 결과와도 잘 일치한다(Fig. 6, Koh et al., 1996).

    만안자암 단애 지역의 점곡층과 신성리 공룡발자국 화석산지 인근의 사곡층에서 분리된 저어콘들의 연령 분포는 일직층에 비해 트라이아스기 저어콘들이 급감 하고 주로 고원생대로 구성된 선캄브리아 시대 저어 콘들이 상당량 산출되어 서로 유사한 연령분포를 나 타낸다(Fig. 4). 또한 두 시료 모두 일직층 시료에서 관찰되지 않는 백악기 저어콘이 산출된다. 이와 같은 유사점은 퇴적물 기원지의 변동이 없거나 혹은 적었 기 때문인 것으로 생각되며, 이는 두 지층의 기원지 가 유사함을 지시한다. 연구지역 인근의 점곡층에서 퇴적구조를 이용한 연구결과 점곡층의 고수류는 일직 층 고수류와 큰 차이를 보이지 않는 약 274°인 서북 서 방향을 향한다고 보고되었다(Fig. 6, Koh et al., 1996). 그러므로 연구지역의 점곡층과 사곡층을 구성 하는 퇴적물의 잠정적 기원지에서 비교적 서편에 분 포하는 영남육괴 및 옥천대를 제외할 수 있으며 일 직층과 유사하게 연구지역의 동편에서 기원했음을 알 수 있다. 하지만 점곡층과 사곡층의 저어콘 연령분포 는 일직층을 구성하는 저어콘들의 연령분포와는 상당 한 차이가 있으며, 이는 일직층 퇴적 이후 퇴적물 기 원지 분포에 상당한 변화를 반영하는 것으로 해석될 수 있다(Fig. 4). 이와 같은 차이는 박편관찰을 통한 시료의 구성 물질(화산암편과 쳐어트편의 산출)의 차 이에서도 잘 드러난다(Fig. 3).

    트라이아스기 때 발생한 남중국지괴와 북중국지괴 의 충돌 이후 형성된 일본 남서부의 소위 쥐라기 부 가복합체(Jurassic accretionary complex)에 관한 종합 적인 쇄설성 저어콘 연령분포 연구에 의하면 쥐라기 부가대의 형성이 시작된 중기 트라이아스기 이전의 부가대에서는 고원생대 및 시생대 저어콘의 산출이 매우 드문 반면, 쥐라기 부가대를 기점으로 내부 퇴 적물에 주로 고원생대 및 일부 시생대 저어콘들이 포함되어 있음이 보고되었다(Wakita et al., 2019 and references therein). 또한 쥐라기 부가대는 선캄브리아 연대 뿐 아니라 쥐라기와 트라이아스기 연대를 다수 포함하는 반면 고생대, 신원생대 및 중원생대의 저어 콘들을 거의 포함하고 있지 않다(Tokiwa et al., 2019;Wakita et al., 2019). 특히 최근 쥐라기 지치부 부가대(Chichibu accretionary complex) 내 지구조층 서적 분대(Tectono-stratigraphic division)의 각 단위별 쇄설성 저어콘 연구에 따르면, 선캄브리아 시대 저어 콘들은 북중국지괴, 페름기-쥐라기 저어콘들은 한반 도와 그 주변에서 기원하였다고 해석하였다(Tokiwa et al., 2019). 더하여 젊은 퇴적연대를 보이는 지구조 층서 단위로 갈수록 페름기-트라이아스기 저어콘들은 감소하고, 쥐라기 저어콘들은 증가하는 경향을 보였 다(Tokiwa et al., 2019). 그리고 Tokiwa et al. (2019) 의 약 155-150Ma로 가장 젊은 군집연대의 지구조층 서 단위에서는 선캄브리아 시대 저어콘들이 약 1870 Ma에서 가장 많은 산출빈도를 나타내고 보다 오래된 저어콘들이 일부 분포하는 것과 고생대-중원생대 저 어콘들이 거의 산출되지 않는 점, 그리고 중생대 저 어콘들 중 전기-중기 쥐라기 저어콘들이 대부분을 구 성하며 일부 트라이아스기 저어콘들이 산출된다는 점 에서 이번 연구지역의 점곡층과 사곡층의 저어콘 산 출과 매우 유사한 분포를 보인다(Fig. 4). 또한, 기존 연구에 의하면 층서적으로 일직층과 점곡층 사이에 분포하는 후평동층에서 산출된 방산충 화석을 포함하 는 쳐어트편들이 쥐라기 부가대에 속하는 일본 남서 부의 미노-탐바대(≈지치부 부가대)에서 기원한 것으 로 보고되었다(Chang et al., 1998;Mitsugi et al., 2001). 위 연구 결과와 점곡층 시료에서 양이 많지는 않지만 쳐어트편이 산출된다는 사실은 직상부에 놓이 는 점곡층과 사곡층의 퇴적시기에는 쥐라기 부가대가 위치하고 있는 일본의 남서부까지 기원지가 확장되었 을 가능성이 있음을 지시한다. 이와 같은 해석은 영 양소분지 하양층군 사암의 모드분석을 이용한 기원지 연구결과와도 잘 부합한다(Lee and Kim, 2005). 그 리고 현재 일본 남서부에 위치해 있는 쥐라기 부가 대의 지리 및 지질은 백악기 퇴적 당시와 완전히 동 일하다고 말할 수 없으나, 선행연구와 이번 연구결과 를 종합하면 점곡층과 사곡층에 공급된 퇴적물들은 쥐라기 부가대 중 트라이아스기 보다 쥐라기 저어콘 들을 많이 포함하는 비교적 후기의 퇴적단위에서 공 급되었을 가능성이 큰 것으로 판단된다. 또한 점곡층 과 사곡층의 퇴적물들은 대부분 한반도에서 기원해 일본 전호분지인 해구(trench)에 공급되었다가 백악기 시기에 다시 한반도로 공급된 것으로서 동해가 형성 되기 이전에는 한반도와 일본열도가 연결되어 있었으 며 서로 퇴적물의 기원지로서 밀접한 역할을 한 것 으로 생각할 수 있다. 하지만 쥐라기 부가대의 정확 한 고지리 및 후평동층을 기점으로 변화된 기원지의 확장 기작에 대한 보다 명확한 해석을 위해서는 추 가연구가 필요하다.

    연구지역의 점곡층과 사곡층에서는 쥐라기 부가대 로 설명될 수 없는 백악기 저어콘들도 산출된다(Fig. 4 and 5). Chae et al. (2020)은 하양층군보다 하위 지층인 신동층군에서 상위지층으로 갈수록 백악기 저 어콘이 증가하는 경향이 지구조적으로 해구 퇴각 (trench-rollback)에 따른 화성활동 지역의 남동방향 이동과 연결될 수 있음을 제안하였다. 이와 같은 화 성활동지의 이동은 일직층과 같이 밀양소분지의 진주 층에 정합으로 놓이는 칠곡층의 퇴적시기에 이르러 칠곡층 상부에 존재하는 청룡사현무암(고유향: 북서- >남동; Jeon and Shon, 2008)으로 알 수 있는 직접적 인 화산활동이 경상분지 내부 혹은 인접지역에서 발 생하였다고 판단했다(Chae et al., 2020). 또한 밀양소 분지에서는 함안층과 진동층(일부 함안층 내), 의성소 분지에서는 사곡층과 춘산층의 경계에 분포하며 하양 층군의 열쇠층 역할을 하는 구산동응회암(약 103-104 Ma)의 고유향 분석 결과 화산활동의 기원이 대체로 동편에 위치한다고 해석하였다(Sohn et al., 2009). 위 연구 결과들은 점곡층과 사곡층의 퇴적시기에 경상분 지 내부 혹은 인근에서의 크고 작은 화산활동들이 존재했음을 말해준다. 위 연구결과들을 토대로 이번 연구의 점곡층과 사곡층 시료는 직접적인 일차적인 화산활동의 흔적을 보이지는 않지만 경상분지 내부 혹은 인근에서 퇴적직전의 화산활동에 의한 저어콘들 이 재동되어 유입된 것으로 해석된다.

    앞선 내용들을 종합하면 하양시대의 시작과 동시에 일직층의 퇴적 당시 선상지가 발달하여 주로 동쪽 인근의 암체(주로 현재 한반도의 동쪽 연변부 지역) 들로부터 퇴적물을 공급받았으나 이후 후평동층이 퇴 적되는 기간부터는 기원지의 확장(쥐라기 부가대의 융기?)으로 인해 보다 원거리의 동쪽 기원지(일본 남 서부의 쥐라기 부가대 상위 퇴적층)로부터 퇴적물이 공급되었을 가능성이 높은 것으로 보인다. 또한 이번 연구에서 수행된 쇄설성 저어콘 연령분포 자료는 확 장된 기원지가 점곡층과 사곡층 퇴적시기까지도 유지 되었음을 지시한다. 하지만 하양층군 퇴적물의 기원 지는 경상분지 내의 위치와 시기에 따라 지속적으로 변했을 가능성이 높기 때문에 보다 정확한 해석을 위해서는 지역과 지층에 따른 체계적인 추가연구가 필요할 것으로 판단된다.

    결 론

    의성소분지 하양층군의 퇴적시기와 기원지 변화를 규명하기 위해 청송 세계지질공원의 지질명소인 백석 탄과 만안자암 단애, 신성리 지역의 일직층과 점곡층, 사곡층의 쇄설성 저어콘에 대한 U-Pb 연령측정을 실 시하였다. 일직층에서는 백악기 저어콘이 발견되지 않아 퇴적시기를 직접 추정하기 어렵지만, 점곡층과 사곡층에서는 각각 103.2±0.3 Ma와 104.2±0.5 Ma의 가장 젊은 연령그룹의 가중평균연령을 구했다. 이번 분석결과 연구지역의 점곡층 및 사곡층은 앨비안 시 기에 퇴적되었음을 알 수 있다. 그리고 쇄설성 저어 콘 연령 분포는 점곡층과 사곡층에서 백악기와 쥐라 기, 선캄브리아 시대의 저어콘이 많이 산출되는 반면, 일직층에서는 쥐라기와 트라이아스기의 저어콘이 우 세하지만 백악기의 저어콘은 관찰되지 않고 선캄브라 아기의 저어콘도 거의 관찰되지 않는다. 지리적으로 가까운 지역임에도 불구하고 시료 간 급격한 쇄설성 저어콘 연령분포의 변화는 일직층과 점곡층의 퇴적시 기 사이에 기원지의 변화가 있었음을 지시한다. 일직 층은 주로 쥐라기와 트라이아스기에 형성된 주변의 관입암체에서 퇴적물이 공급된 것으로 판단되지만, 점곡층과 사곡층은 퇴적당시 한반도 동편에 인접해 있었지만 지금 일본 남서부에 위치한 쥐라기의 부가 대의 비교적 젊은 퇴적단위로부터 영향을 받았던 것 으로 해석된다. 본 연구 결과를 토대로 만안자암 단 애와 신성리 공룡발자국 지질명소는 현재 한반도와 일본열도가 동해를 사이에 두고 서로 분리되어 있지 만 동해가 형성(마이오세)되기 이전에는 서로 연결되 어 퇴적물들을 주고받았다는 증거로서 지질 교육적 측면으로도 활용이 가능할 것으로 생각된다.

    사 사

    이 논문은 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의 해 지원되었습니다. 연구 수행과정에 도움을 주신 청 송군과 좋은 의견을 주신 두 분의 심사위원께 감사 드립니다.

    Figure

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    Geologic map of the study area. Red squares represent the sampling locations. BST=Baekseoktan, MA=Mananjaam, SSR=Sinseongri

    JKESS-42-1-11_F2.gif

    Photographs of the three geosites and sampling areas in the Cheongsong UNESCO Global Geopark. A: the Baekseoktan pothole geosite, B: conglomerate in the Baekseoktan area. C: the Mananjaam cliff geosite, D: the sampled outcrop behind the cliff, E: the Sinseongri dinosaur footprints geosite, F: the sampled outcrop near the Sinseongri dinosaur footprints geosite.

    JKESS-42-1-11_F3.gif

    Thin section photographs of the samples. A: BST-3, B, BST-2, C: MA-1, D: SSR-1. Q: quartz, Pl: plagioclase, Bt: biotite, C: chert fragment, VRF: volcanic rock fragment, DC: diagenetic calcite.

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    The histograms and probability density curves for the detrital zircon age distribution. A: the age distributions on a full time scale, B: the age distributions on an expanded time scale from the Permian to the Cretaceous.

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    A: the concordia diagrams for the detrital zircon ages. B: the weighted mean ages of the youngest zircon age groups for the Sagok Formation and the Jeomgok Formation.

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    The geologic map showing the ages of plutonic rocks near the study area. Note the paleocurrent directions (red arrows).

    Table

    Depositional ages of the Hayang Group by biochronology

    Detrital zircon U-Pb ages of the Iljik, Jeomgok, and Sagok formations in the Cheongsong UNESCO Global Geopark, Korea

    Reference

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