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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.43 No.3 pp.405-429
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2022.43.3.405

Detrital Zircon U-Pb Ages of the Cretaceous Gurye Group, Gurye Basin, Korea: Implications for the Depositional Age and Provenance

Youhee Kim1, Yong-Un Chae1, Sujin Ha1, Taejin Choi2, Hyoun Soo Lim1*
1Department of Geological Sciences, Pusan National University, Busan 46241, Korea
2Department of Earth Science Education, Korean National University of Education, Cheongju 28173, Korea
*Corresponding author: tracker@pusan.ac.kr Tel: +82-51-510-2251
June 22, 2022 June 29, 2022 June 29, 2022

Abstract


Detrital zircon LA-MC-ICP-MS U-Pb dating of the Cretaceous Gurye Group, Gurye Basin, was carried out. Gurye Group consists of Supyeongri, Geumjeongri, Togeum, and Obongsan formations in ascending order, and five samples were collected for age dating. Based on the dating results, the lowermost Supyeongri and the uppermost Obongsan formations show narrow age ranges. Only Precambrian and Late Cretaceous zircons were found in the Supyeongri and Obongsan formations, respectively. However, the upper and lower Geumjeongri, and Togeum formations show wide age ranges from the Precambrian to Cretaceous. The youngest detrital zircon U-Pb ages of each formation except the Supyeongri Formation, which lacks Cretaceous zircon, were calculated to be ca. 107.4Ma in the lower Geumjeongri Formation, ca. 104.6Ma in the upper Geumjeongri Formation, ca. 97.7Ma in the Togeum Formation, and ca. 88.5Ma in the Obongsan Formation. Such results indicate that the depositional age of the Gurye Group can be constrained from the Lower Cretaceous Albian to the Upper Cretaceous Coniacian. Based on the distribution of the detrital zircon ages from each formation, the source area of the Gurye Group is interpreted to have been extended from the adjacent Youngnam Massif to the Okcheon Belt throughout the basin evolution. The increase of the Cretaceous zircon with time is thought to reflect the slab roll-back of the proto-Pacific plate during the Cretaceous.



백악기 구례분지 구례층군의 쇄설성 저어콘 U-Pb 연대: 퇴적시기와 퇴적물 기원지에 대한 의미

김 유희1, 채 용운1, 하 수진1, 최 태진2, 임 현수1*
1부산대학교 지질환경과학과
2한국교원대학교 지구과학교육과

초록


백악기 구례분지 구례층군에 대한 쇄설성 저어콘 레이저삭박 다검출기 유도결합플라즈마 질량분석기(LA-MCICP- MS) U-Pb 연대측정을 수행하였다. 구례층군은 하부로부터 수평리층, 금정리층, 토금층, 오봉산층으로 구성되며, 이 번 연구에서는 연대측정을 위해 총 5개의 시료를 채취하였다. 그 결과 구례층군의 최하부 지층인 수평리층과 최상부 지층인 오봉산층에서는 각각 선캄브리아시대와 후기 백악기 저어콘들만이 산출되어 비교적 좁은 연대 분포 범위를 보 였다. 그러나, 금정리층 상하부와 토금층에서는 선캄브리아시대부터 백악기까지의 비교적 넓은 저어콘 연대 분포를 나 타냈다. 백악기 저어콘이 산출되지 않은 수평리층을 제외한 각 퇴적층의 가장 젊은 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령은 금정리 층 하부에서 약 107.4 Ma, 금정리층 상부에서 약 104.6 Ma, 토금층에서 약 97.7 Ma, 오봉산층에서 약 88.5 Ma로 계산 되었다. 이는 구례층군의 퇴적시기가 대략 전기 백악기 말의 알바절(Albian)에서 후기 백악기의 코냑절(Coniacian)로 제 한될 수 있음을 지시한다. 또한 각 지층별 쇄설성 저어콘 연령 분포에 근거한 구례층군 퇴적물 기원지는 분지의 진화 과정 동안 인근의 영남육괴에서부터 옥천대의 일부까지 확장되어 변화했을 것으로 해석되며, 구례층군을 구성하는 퇴적 층들의 백악기 저어콘 산출 양상은 백악기 동안 고태평양판의 슬랩 퇴각 작용을 잘 반영하는 것으로 보인다.



    서 론

    퇴적분지(sedimentary basin)는 분지 자체의 형성 및 진화에 관여하는 조구조환경 뿐만 아니라, 분지충 전물(basin-fill)이 퇴적될 당시의 기후, 생태 등 고환 경에 관한 정보를 제공해 줄 수 있다(Miall, 2013). 이처럼 퇴적분지가 지니는 가치가 높은 지질학적 정 보들은 그 현상 자체 혹은 현상 발생 기작 등을 규 명하는 요소로도 중요하지만, 보다 큰 규모의 대비를 위해서는 언제, 어디서와 같은 시공간적 요소들에 관 한 연구도 필수적이다. 일례로, 구례지역에 분포하는 구례분지 토금층의 경우 공룡알과 공룡뼈 화석, 규화 목 등이 산출되어 고생물학적 가치가 높은 것으로 보고되었다(Lee, 2008). 한반도를 포함한 동아시아 지역에서는 공룡과 관련된 화석기록들이 상당량 산출 되어 백악기의 고생태 및 고환경 등에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다(e.g. Matsukawa et al., 2005;Kim et al., 2012;Xing et al., 2013;Lockley et al., 2014). 그러나 생물들의 지역 간 대비 및 진화 사에 관한 자세한 후속연구를 위해서는 이들이 산출 되는 각 지역별 정확한 형성시기에 관한 연구가 선 행되어야 한다. 과거 구례층군을 구성하는 일부 퇴적 층을 대상으로 K-Ar 연대측정이 수행되었는데, 오봉 산층의 산성질 응회암(약 81Ma)과 토금층 내 응회 암(약 107Ma)을 대상으로 한 연구(Lee and Song, 2007)와 오봉산층의 안산암(약 84Ma와 74 Ma), 금 정리층 역암 내 화산암역(약 118, 104, 103, 100 Ma) 에 대한 연구(Park et al., 2015)들이 있다. 하지만 두 연구에서 동일한 연대측정법을 사용했음에도 불구하 고 금정리층의 상위에 분포하는 토금층에서 더 오래 된 연령이 산출되는 층서적으로 모순된 결과가 보고 되었다. 이는 상대적으로 낮은 폐쇄온도를 가져 풍화 와 변질에 대한 영향을 크게 받는 K-Ar 연대측정법 의 약점에 기인한 것으로 판단된다. 또한 토금층과 유문암질 응회암 사이의 안산암에 발달한 주상절리를 토대로 구례분지에는 구례층군의 퇴적 이후에 안산암 이 암상(sill)의 형태로 관입한 것으로 보고되어(Jung et al., 2019) 구례층군이 퇴적된 이후 열적 영향을 받았을 가능성도 있다.

    따라서 이번 연구에서는 구례층군의 퇴적시기를 체 계적으로 재정립하기 위해 신뢰도가 높은 쇄설성 저 어콘에 대한 U-Pb 연대측정을 수행하였다. 또한 구 례층군 각 층의 쇄설성 저어콘 연대분포를 이용하여 구례층군 퇴적물 기원지의 시공간적 변화와 백악기 저어콘들의 지구조적 의미에 대해서도 고찰하였다.

    연구 지역

    중생대 백악기에는 유라시아판과 고태평양판(이자 나기판)의 사각섭입(oblique subduction)으로 인해 한 반도에 크고 작은 육성 퇴적분지들이 형성되었다. 한 반도의 백악기 퇴적분지 중 가장 큰 규모를 가지는 경상분지를 제외한 소규모 퇴적분지들은 주로 북동- 남서 방향으로 배열된 옥천변성대의 경계 단층계를 따라 분포하며, 단층계들의 좌수향 주향이동 운동에 의해 형성된 당겨-열림분지(pull-apart basin)로 해석 된다(Lee, 1999;Ryang, 2013).

    연구지역인 구례분지는 한반도 남부의 구례군 문척 면과 간전면 일대에 분포한다(Fig. 1). 구례분지는 1964년 1:5만 화개도폭에서 처음 소개되었다(Son et al., 1964). 이후 1:5만 구례도폭(Hong and Hwang, 1984), 하상도폭(Nam et al., 1989), 괴목도폭(You et al., 1993)에서도 보고되었으며, 2007년에 ‘구례분지’ 와 구례분지 퇴적층인 ‘구례층군’에 대한 명명이 최 초로 이루어졌다(Lee and Song, 2007). 구례분지는 한반도 내 대부분의 백악기 소분지들과는 다르게 독 립적으로 형성된 퇴적분지로, 구체적인 형성 기작이 보고되진 않았지만 몇몇 연구에서 침식분지로 간주되 어왔다(Chang, 1996). 분지의 면적은 약 50 km2로 한 반도 소분지들 중에서도 비교적 규모가 작은 편에 속한다. 구례분지의 기반암은 선캄브리아시대 화강암 질 편마암과 혼성암질 편마암이며, 약 1,000 m 이상 의 층후를 보이는 구례층군이 분지를 채우고 있다.

    구례층군은 하부로부터 수평리층, 금정리층, 토금층 의 퇴적암류와 주로 화산물질로 구성된 오봉산층으로 구성된다(Fig. 1). Lee and Song (2007) 에서는 ‘구례 층군’을 명명하면서 각 층에 대하여 다음과 같이 보 고하였다. 최하부 퇴적층인 수평리층은 점이층리 사 암과 함께 괴상 이암 및 실트암으로 주로 구성되며, 뿌리와 실뿌리 구조, 건열, 캘크리트 뿐만 아니라 Machette (1985)에 따른 성숙도 4단계에 해당하는 석 회질 고토양층 또한 관찰된다. 금정리층은 하부와 상 부 모두 주로 역암으로 이루어지지만 구성하는 역의 조성이 상이하다. 금정리층 하부는 이암 및 실트암, 편마암, 화강암 역이 골고루 분포하며, 방향성을 가 지지 않고 괴상으로 나타난다. 그러나 상부의 역은 편마암, 화강암이 주를 이루고, 규암, 이암 및 실트암, 사암, 화산암이 소량으로 나타나며 층리와 윤회암상 이 관찰된다. 또한 금정리층은 전체적으로 상향세립 화하는 경향을 보인다. 토금층은 수평리층과 같은 적 자색 괴상 이암 및 실트암, 층리가 발달한 녹색의 이 암 및 실트암으로 주로 구성되고 사암과 화산력 응 회암이 협재한다. 적자색 이암층에서는 수평리층에서 관찰되는 캘크리트, 건열 뿐만 아니라 처트화된 규화 목, 방해석 맥, 속성작용을 받아 변형된 형태의 공룡 알과 둥지 화석 등이 발달하며, 녹색 이암층에서는 공룡뼈 화석이 파편상으로 나타난다고 보고되었다. 또한 협재하고 있는 응회암에서는 피아메 구조가 관 찰된다. 가장 상부의 오봉산층은 하부로부터 산성질 응회암, 안산암, 화산회류 응회암으로 세분된다(Fig. 1;Lee and Song, 2007, Lee, 2008). 그리고 퇴적 이 후 금정리층과 토금층을 관입한 안산암이 문척면 금 정리 일대에서 잘 관찰된다(Jung et al., 2019). 구례 층군은 1964년 화개 지질도폭 설명서에서 암상의 유 사성만으로 하양층군과 유천층군에 대비되었으며(Son et al., 1964), 1990년 능주분지 백악기 퇴적암류 층서 에 관한 연구에서는 구례층군을 유천층군에 대비하였 다(You et al., 1990).

    연구 방법

    구례층군 각 퇴적층에 대한 퇴적시기와 기원지를 규명하기 위해 쇄설성 저어콘 LA-MC-ICP-MS U-Pb 연대측정을 수행하였다. 이번 연구에서는 수평리층의 사암(SPR), 금정리층 하부(GJR-L)와 상부(GJR-U)의 역암 기질부, 토금층의 응회질 사암(TG), 오봉산층의 화산회류 응회암(OBS) 등 총 5개의 시료를 채취하였 다(Fig. 2). 저어콘 광물분리를 위해 시료들을 분쇄, 체질(sieving) 한 후 자성분리와 중액분리를 통해 중 광물을 농집시켰다. 최종적으로 실체현미경을 이용해 농집된 중광물에서 수작업(hand-picking)으로 저어콘 을 분리하였다. 분리한 저어콘은 에폭시로 마운트한 후 내부가 노출되도록 연마하였다. 분석에 앞서 입자 의 내부구조를 확인하기 위해 주사전자현미경(SEM) 을 이용해 후방산란전자영상(BSE image)과 음극선발 광영상(CL image)을 확인하였다. 영상을 바탕으로 포유물(inclusion)이나 크랙(crack)을 피해 분석지점을 결정한 후, 한국기초과학지원연구원(KBSI)에 설치된 LA-MC-ICP-MS 장비(Nu Plasma II, Nu instruments +NWR193UC, ESI)로 U-Pb 연대측정을 수행하였다.

    최상부 오봉산층의 화산회류 응회암 시료(OBS)에 서는 50개, 나머지 시료(TG, GJR-U, GJR-L, SPR)에 서는 100개의 저어콘 입자를 분석하였다(Table 1). 분석에 사용된 저어콘들은 무작위로 선정되었으며, 크기나 내부구조를 고려하여 분석에 적합하지 않을 것으로 판단되는 입자들만 제외하였다. 분석에 이용 된 레이저 빔은 직경이 15-20 μm, 에너지 밀도는 3.6-4.0 J/cm2 으로 설정되었으며, 저어콘 입자당 30 초간 분석하였다. 장비의 기계적 오차를 줄이기 위해 5개의 분석점 당 하나의 91500 표준 저어콘(1065.4 ±0.3 Ma; Wiedenbeck et al., 1995) 그리고 10개의 분석점 당 하나의 Plešovice 표준 저어콘(337.13±0.37 Ma; Sláma et al., 2008)을 분석하여 보정하였다. 분 석 후 얻은 원자료는 ISOPLOT (Ludwig, 2008)과 Iolite 2.5 (Paton et al., 2011) 소프트웨어를 이용하여 처리하였다. 납의 손실로 인한 오차를 제거하기 위해 10% 이상의 불일치 연령에 해당하는 값은 제외하였 다. 또한 분석한 저어콘의 연령이 1000Ma 보다 젊 은 경우 206Pb/ 238U 연령을, 1000Ma 보다 오래된 경 우 207Pb/ 206Pb 연령을 채택하였다.

    쇄설성 저어콘 U-Pb 연대측정결과

    총 450개의 분석점 중에서 434개의 유효분석점을 얻었으며, 연구에 이용한 대부분의 분석점들은 일치 곡선 상에 잘 놓인다(Fig. 3). 그 중 59개의 선캄브리 아시대 저어콘과 일부 쥐라기(GJR-U_24), 트라이아 스기(TG_9) 저어콘을 제외한 대부분의 Th/U값이 0.2 를 초과하므로(Table 1) 백악기 저어콘들을 비롯해 많은 저어콘이 화성기원임을 지시한다(Hoskin and Schaltegger, 2003;Hartmann and Santos, 2004). 각 시료별 쇄설성 저어콘 연대분포는 Fig. 4와 같다.

    수평리층(SPR)

    수평리층의 쇄설성 저어콘들은 약 2907-1830 Ma 의 비교적 좁은 연령 범위를 보이며, 연대는 모두 선 캄브리아시대에 해당한다(Fig. 3a4a; Table 1). 또 한 1870-1850 Ma 구간에서 가장 많은 산출량을 보 이며, 보다 젊은 저어콘들의 산출이 급격히 사라진 것과 대조적으로 오래된 연령의 저어콘들은 산발적으 로 분포하는 양상을 보인다(Fig. 4a). 분석된 쇄설성 저어콘들은 대체로 크기가 100-200 μm의 범위를 가 지며 약 150 μm 정도의 저어콘들이 우세하고, 원마 도가 좋은 것이 특징이다. 저어콘들은 장단축 비가 보통 1:1에서 2:1 정도 사이의 단주상 혹은 구형도 가 높은 형태를 보이며, CL 영상에서는 내부구조가 희미하거나 없는 것들이 대부분이다.

    금정리층 하부(GJR-L)

    금정리층 하부의 쇄설성 저어콘들은 약 3003-105 Ma까지 넓은 연령 범위를 나타내며, 선캄브리아시대 (약 62%), 후기 트라이아스기(약 3%), 전기 쥐라기(약 27%), 전기 백악기(약 8%)의 연대분포를 보인다(Fig. 4a; Table 1). 쇄설성 저어콘 연령의 확률밀도분포에 서 가장 높은 정점은 전기 쥐라기의 약 190Ma, 다 음으로 높은 정점은 전기 백악기의 약 107Ma에서 나타났다(Fig. 4b). 선캄브리아시대의 쇄설성 저어콘 연령들의 확률밀도분포에서는 약 2487Ma가 가장 높 았고, 다음으로 약 1885Ma에서 높은 정점을 나타냈 다. 그러나 이는 연대분포의 분산정도에 의한 것으로 실제 산출량은 1850-1900Ma 사이에서 약 2487 Ma 근처의 산출량보다 많다. 그리고 가장 젊은 군집의 206Pb/ 238U 가중평균연령(weighted mean age)은 107.4 ±0.9 Ma (n=7, MSWD=1.5)로 계산되었다(Fig. 3b). 쇄설성 저어콘들의 크기는 대략 50-200 μm이며, 원 마도가 좋은 것에서부터 각형에 이르기까지 매우 다 양하다. 그러나 선캄브리아시대의 저어콘들이 대부분 원마도가 좋은 특징을 보이는 반면, 트라이아스기, 쥐라기, 백악기 저어콘들은 대체로 각형을 나타낸다. 형태도 구형에서부터 장단축비가 약 4:1의 장주상에 이르기까지 다양하다.

    금정리층 상부(GJR-U)

    금정리층 상부의 쇄설성 저어콘들은 약 2889-105 Ma의 넓은 연령 범위를 보이고, 선캄브리아시대(약 36%), 후기 트라이아스기(약 21%), 전기 쥐라기(약 41%), 전기 백악기(약 2%)의 연대분포를 나타낸다 (Fig. 4a; Table 1). 금정리층 하부의 연대 분포와 비교 했을 때, 후기 트라이아스기와 전기 쥐라기 연대의 비 율이 상당량 증가하였다(Fig. 4b). 쇄설성 저어콘 연령 의 확률밀도분포에서 가장 높은 정점은 196.5 Ma로 전기 쥐라기에 속한다. 백악기 저어콘은 2개로 오차범 위를 고려하더라도 서로 중첩되지 않고, 그 중 단일 저어콘 최소연령은 104.6±6.5Ma로 나타난다(Fig. 3c). 쇄설성 저어콘들은 약 50-200 μm의 크기 범위를 보이 며, 선캄브리아시대의 저어콘들의 원마도는 대체로 높 음에서 보통으로 나타나는 반면, 중생대 저어콘들은 보통에서 각형을 보이는 낮은 수준으로 산출된다. 그 리고 구형에서 장주상에 이르는 다양한 형태로 나타난 다. CL 영상에서는 젊은 저어콘 입자들이 일반적으로 오래된 저어콘들에 비해 밝은색을 보여준다.

    토금층(TG)

    토금층의 쇄설성 저어콘들은 2633-91Ma로 넓은 연령범위를 보이고, 선캄브리아시대(약 49%), 후기 오르도비스기(약 1%), 중기 트라이아스기(약 2%), 후 기 트라이아스기(약 2%), 전기 쥐라기(약 5%), 중기 쥐라기(약 1%), 전기 백악기(약 10%), 후기 백악기(약 29%)의 연대를 보인다(Fig. 4a; Table 1). 토금층 쇄 설성 저어콘에서는 특징적으로 후기 오르도비스기와 중기 쥐라기 연대가 산출되었으며 금정리층과 비교하 였을 때, 백악기 연대의 저어콘 비율이 크게 증가하 였다(Fig. 4b). 쇄설성 저어콘 연령의 확률밀도분포에 서 백악기의 약 97 Ma에서 가장 높은 정점을 나타냈 고, 가장 젊은 군집의 206Pb/ 238U 가중평균연령 연령은 97.7±0.5Ma (n=23, MSWD=1.7)로 계산된다(Fig. 3d). 쇄설성 저어콘들은 약 30-200 μm로 넓은 크기 범위를 나타낸다. 그러나 백악기 저어콘들 중 약 70% 이상이 100 μm, 혹은 보다 작은 크기를 보이며, 선캄브리아시대 저어콘들은 대체로 150 μm 혹은 보 다 큰 것들로 구성된다. CL 영상에서 백악기 저어콘 들은 다른 연대의 저어콘들에 비해 밝은색을 띤다.

    오봉산층(OBS)

    오봉산층 시료는 유효분석점 39개 모두 후기 백악 기인 92-87 Ma의 범위를 나타낸다(Figs. 3e & 4a; Table 1). 또한 확률밀도분포에서는 약 88 Ma에서 단일 정점을 보여준다(Fig. 4b). 206Pb/ 238U 가중평균연 령은 88.5±0.4Ma (n=39, MSWD=1.9)로 계산된다 (Fig. 3e). 쇄설성 저어콘들의 크기 범위는 대략 30- 150 μm이며, 대부분 100 μm 내외로 다른 시료들의 저어콘들에 비해 크기가 작다. 또한 모든 저어콘들은 뚜렷한 각형을 보여주는 동시에 파편상 저어콘들이 많이 산출된다. CL 영상에서는 모든 저어콘들이 대 체로 밝기가 일정하며 뚜렷한 진동누대를 보인다.

    토 의

    구례층군의 퇴적시기

    구례층군 각 퇴적층의 쇄설성 저어콘 U-Pb 연대측 정 결과, 최하부 수평리층 시료를 제외한 모든 퇴적 층 시료에서 백악기의 저어콘 최소연령을 얻을 수 있었다(Fig. 3). 먼저, 하부로부터 금정리층 하부 (GJR-L)에서 107.4±0.9Ma, 금정리층 상부(GJR-U)에 서 104.6±6.5Ma, 토금층(TG)에서 97.7±0.5Ma, 그리 고 최상부 오봉산층(OBS)의 화산회류 응회암에서 88.5±0.4Ma로 암층서와 모순되지 않으며 순차적으로 가장 젊은 백악기 연령이 계산되었다(Fig. 35). 이 번 연구에서 금정리층 하부의 GJR-L 시료로부터 7 개의 분석점에서 약 107.4Ma의 가중평균연령, 그리 고 상부의 GJR-U 시료에서는 다소 오차범위가 크지 만 약 104.6Ma의 단일 저어콘 최소연령이 구해졌다 (Fig. 5). 금정리층 하부의 약 107.4Ma는 확률밀도분 포에서 약 107Ma의 단일 정점을 형성하는 것으로 보아 동일, 혹은 유사한 시기의 화산활동의 결과로 해석되며, 이는 금정리층 하부의 최대퇴적연령으로 판단된다(Fig. 4b). 또한 금정리층 상부의 단일 저어 콘 최소연령인 약 104.6Ma의 겉보기 연령은 단일 저어콘일 뿐 아니라 오차 범위도 다른 분석점들에 비해 커 그 자체로 금정리층 상부의 최대퇴적연령을 지시한다고 판단하기는 어렵다(Fig. 5). 그러나 상하 부 퇴적층에서 구해진 연령과 순차적으로 잘 일치하 는 값을 보여준다. 기존 연구에서는 이번 연구의 금 정리층 상부와 동일지점의 역암층으로부터 채취된 5 개의 화산암역에 대한 K-Ar 전암 연대측정에서 약 99.9-118.3Ma의 연령이 보고되었다(Fig. 5;Park et al., 2015). 하지만 약 99.9Ma를 나타낸 안산암역 (KG1A) 시료를 제외한 나머지 시료들은 현미경 관 찰결과 변질 받은 것으로 확인되었다(Park et al., 2015). 또한 전암 K-Ar 연대측정법은 구성 광물에 따라 패쇄온도(약 300-500 °C)가 매우 낮아 암석 형성 이후 열적 영향에 매우 취약한 특성을 보이는데, 구 례층군의 금정리층과 토금층에는 퇴적 이후 관입한 안산암이 보고되어 열적 영향을 배제할 수 없다(Jung et al., 2019). 그러므로 금정리층 상부의 최대퇴적연 령은 Park et al. (2015)의 안산암역(KG1A) 99.9±1.9 Ma와 본 연구의 104.6±6.5Ma를 통해 명확하게 제시 할 수 없을 것으로 판단되며, 금정리층 하부 시료 (GJR-L)와 금정리층을 덮고 있는 토금층의 응회질 사암 시료(TG)를 통해 간접적으로 추정될 수 밖에 없다(Fig. 5). 따라서 금정리층 상부의 명확한 퇴적연 대를 구하기 위해서는 추가 연구가 필요할 것으로 생각된다.

    토금층은 응회질 사암 시료(TG)의 23개의 분석점 으로부터 97.7±0.5Ma의 가중평균연령을 얻었다(Fig. 3d). 토금층의 구성 암석은 대부분 이암(셰일)이며, 부분적으로는 사암과 응회암이 협재하고 있다(Lee and Song, 2007). 이는 토금층 퇴적 당시 분지 인근 지역에 화산활동이 활발했다는 것을 의미하며, 이는 동시에 토금층에서 채취된 응회질 사암 내 화산물질 은 퇴적과 동시 혹은 직전에 분출한 화산 물질임을 지시한다. 따라서 토금층 시료에서 얻은 약 97.7Ma 의 연대는 토금층의 직접적인 퇴적시기를 지시하는 것으로 판단된다. 반면 토금층의 응회암을 대상으로 한 기존의 K-Ar 연령은 106.67±3.12Ma로 저어콘 U-Pb 연령에 비해 상당히 오래된 연령을 나타냈다 (Fig. 5;Lee and Song, 2007). 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령의 경우 개별적인 저어콘 광물들에 대해 각각의 연령을 얻을 수 있지만 K-Ar 전암 연대측정의 경우 응회암 내 분출시기 보다 오래된 입자들이 섞일 경 우 실제 분출연령에 비해 오래된 연령을 얻을 가능 성이 있어 주의해야 한다(Gansecki et al., 1998). Lee and Song (2007)에서는 연대측정된 시료의 정확한 위치정보와 암석기재학적 정보가 포함되어 있지 않지 만 토금층 내 라필리 응회암이 협재한다고 기재하고 있어 오래된 입자들의 혼합에 의해 분출연령보다 오 래된 연령을 나타냈을 가능성이 높은 것으로 판단된 다. 그러므로 토금층의 퇴적시기는 이번 연구에서 얻 은 약 97.7Ma와 유사할 것으로 판단된다(Fig. 5).

    오봉산층은 하부로부터 산성질 응회암, 안산암, 화 산회류 응회암으로 구성되는 화산암체이다(Lee and Song, 2007). 이번 연구에서는 오봉산층 최상위의 화 산회류 응회암으로부터 88.5±0.4Ma의 저어콘 U-Pb 가중평균연령을 구했고, 모든 유효분석점들이 약 88 Ma의 단일 정점에 수렴하는 것으로 보아 기존 암편 을 포함하지 않고 단일 화산활동 기원의 물질들이 퇴적된 지층임을 알 수 있다(Fig. 3e4b). 이는 계 산된 가중평균연령이 화산회류 응회암의 분출연령을 지시한다는 것을 의미한다. 반면 선행연구에서는 정 확한 시료채취 지점 및 층위에 대한 정보가 없지만 “구례층군 최상위 응회암”으로 기재한 것을 미루어 볼 때 화산회류 응회암을 지시한다고 판단되며, KAr 연령으로 81.30±2.40Ma를 제시하였다(Fig. 5;Lee and Song, 2007). 그리고 화산회류 응회암 하위 에 놓이는 안산암에서 채취된 두 개의 시료들(KG-2 와 3)을 대상으로 한 K-Ar 연대측정은 각각 83.9± 1.6Ma와 74.2±1.5Ma의 연령을 지시하였다(Fig. 5;Park et al., 2015). 선행 연구에서 제시된 K-Ar 연령 들은 모두 이번 연구의 화산회류 응회암의 저어콘 U-Pb 분출연령에 비해 젊은 연령을 나타낸다(Fig. 5). 쇄설성 저어콘 U-Pb 분석에 비해 낮은 폐쇄온도를 가지는 K-Ar 분석에서는 폐쇄계를 유지하는 것이 상 대적으로 어려웠을 것이며, 특히 Jung et al. (2019) 가 제시한 퇴적 이후의 관입암들에 의한 열적 영향 을 어느 정도 받았을 것으로 판단된다. 그러므로 구 례층군의 퇴적 종결 시기는 이번 연구의 오봉산층 최상위 화산회류 응회암의 저어콘에서 구해진 88.5± 0.4 Ma로 해석하는 것이 합리적이다(Fig. 5).

    위 각 지층별 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령을 종합하 면, 수평리층을 제외한 구례층군은 금정리역암 하부 의 약 107.4Ma 이후에 퇴적되기 시작해 오봉산층 화산회류 응회암이 분출된 약 88.5Ma까지 퇴적된 것으로 판단된다(Fig. 5). 이는 전기 백악기의 알바절 (Albian)에서 후기 백악기 코냑절(Coniacian) 초에 해 당된다. 그러나 이번 연구에서는 규명하지 못한 구례 층군 최하부 수평리층의 퇴적기간을 고려한다면 구례 층군의 총 퇴적기간 및 퇴적의 하한은 보다 오래되 었을 것으로 추정된다.

    구례층군 퇴적물 기원지의 시공간적 변화

    구례층군의 층별 쇄설성 저어콘 U-Pb 연대분포와 한반도에 분포하는 연대별 암체들의 분포를 이용하여 하부로부터 각 층을 이루는 퇴적물 기원지의 대략적 시공간적 분포 및 변화를 알아보고자 하였다(Figs. 4 & 6a). 구례층군 최하부의 수평리층은 모든 유효분석 점이 선캄브리아시대를 나타내며, 대부분 약 1850- 1870Ma 근처에 집중적으로 분포하고 보다 오래된 저어콘들이 산발적으로 산출된다(Figs. 4a & 6b). 연 구지역 및 구례분지가 분포하는 곳은 지체구조적으로 영남육괴의 남서부에 속하며, 영남육괴를 포함한 한 반도의 지체구조구에는 선캄브리아시대의 암체들을 기반으로 고생대에서부터 백악기 구례분지 형성 이전 의 지질시대인 중생대 쥐라기까지 다양한 암체들이 분포하고 있다(Fig. 6a). 그러나 구례분지를 둘러싼 약 10 km 내외의 지역에는 오직 선캄브리아시대의 암체들이 분포하며, 이 암체들은 대체로 1850-1900 Ma의 화성활동 연령을 나타내지만 상속핵에서는 1900Ma 이상의 연령을 나타내기도 한다(Kim et al., 2014; Lee et al., 2017). 이는 수평리층 시료에서 나 타나는 연대분포와 매우 잘 일치하므로 분지형성 초 기에 퇴적된 수평리층의 퇴적물들은 분지와 매우 인 접한 지역의 선캄브리아시대의 암체들에서 유래된 것 으로 해석된다(Fig. 6a).

    수평리층의 상위에 놓이는 금정리층에서는 하부와 상부에서 선캄브리아시대, 중기-후기 트라이아스기, 전기 쥐라기, 백악기의 쇄설성 저어콘들이 산출되어 하부의 수평리층 퇴적물들에 비해 넓은 지역 및 다 양한 암체들로부터 퇴적물이 기원했다는 것을 나타낸 다(Fig. 46b). 그러나 하부층준과 상부층준은 각 연대별 쇄설성 저어콘들의 산출량에 있어 상당한 차 이를 보이며, 이는 하부층과 상부층이 퇴적될 당시 퇴적물 기원지의 변화를 지시한다(Fig. 6b). 금정리층 하부 시료에서는 분지 인근에서 기원한 선캄브리아시 대의 저어콘들이 상당히 많은 부분(약 61%)을 차지 하는데 반해, 상부 시료에서는 선캄브리아시대의 저 어콘들의 산출량이 줄어들고 심지어 전기 쥐라기 저 어콘들이 가장 많은 양을 차지한다(Fig. 6b). 또한 중 기-후기 트라이아스기 저어콘들이 금정리층 하부에서 는 약 3%로 소량을 차지했지만, 상부에서는 약 21% 로 상당 부분을 차지하는 것으로 나타난다(Fig. 6b). 구례분지를 둘러싼 선캄브리아시대의 저어콘들이 여 전히 많은 양을 차지하는 금정리층 하부에 비해 금 정리층 상부에서는 보다 원거리의 다양한 연령의 암 체들로부터 기원한 퇴적물이 많아졌음을 의미하며, 이는 금정리층 하부지층에서 상부지층으로 퇴적이 진 행되는 동안 기원지의 확장이 있었음을 지시한다 (Fig. 6a). 위 해석은 금정리층 하부와 상부 역의 조 성에 근거해 하부는 분지 내부기원 우세 역암상, 상 부는 분지 외부기원 우세 역암상으로 판단한 선행연 구 결과와도 잘 부합한다(Lee and Song, 2007).

    기원지의 시공간적인 변화양상을 파악하기 위해 저 어콘의 연대분포와 한반도 내 암체들의 분포를 함께 고려해 보았다. 금정리층 시료들에서는 분지 인근에 서 충분히 공급될 수 있는 선캄브리아시대의 저어콘 산출량을 제외하면, 전기 쥐라기 저어콘들이 가장 많 이 산출된다(Fig. 6b). 한반도 내 전기 쥐라기 암체들 은 당시의 섭입해판과 대륙판 간의 호화산 활동으로 인해 영남육괴의 북서쪽에서 옥천변성대의 남동쪽까 지 북동-남서 방향의 대상으로 분포하는 특징이 있다 (Fig. 6a). 이들 전기 쥐라기 암체들은 구례분지를 기 준으로 북쪽, 서쪽, 혹은 북서쪽 방향에 분포한다 (Fig. 6a). 그러나 구례분지의 서쪽에 위치하는 전기 쥐라기 암체가 공급되기 위해서는 옥천변성대와 영남 육괴의 경계부 인근에 위치하는 고생대 평안누층군을 가로질러 공급되어야 하는데, 금정리층 상부와 하부 시료에서는 평안누층군에 포함된 고생대 저어콘(Kim and Lee, 2018)들이 산출되지 않을 뿐 아니라 서쪽 지역에는 금정리층에 포함된 중기-후기 트라이아스기 저어콘들의 공급을 설명할 수 없어 서쪽 지역의 전 기 쥐라기 암체에서 구례분지로 퇴적물이 공급되었을 가능성은 상대적으로 낮다. 그러나 구례분지의 북쪽 혹은 북서쪽 일부 지역은 금정리층 시료들에서 고생 대 저어콘이 부재하다는 사실과 중기-후기 트라이아 스기 저어콘의 산출이 매우 잘 설명되는 암체분포를 포함해 금정리층의 쇄설성 저어콘의 잠재적 기원지로 서 생각될 수 있다(Fig. 6a). 하지만 기원지의 확장은 옥천변성대를 구성하는 특정 암체들의 연령이 나타나 지 않는 것으로 보아 대체로 영남육괴 내에서 이루 어진 것으로 해석된다(Fig. 6a). 금정리층 상위 토금 층 퇴적물의 기원지를 파악하기 위해 응회질 사암에 서 퇴적 동시 혹은 직전의 화산작용 혹은 화산작용 후 당시의 지표에서 재동(reworking)에 의해 공급된 것으로 생각되는 백악기 저어콘들을 제외한 나머지 쇄설성 저어콘들을 토대로 기원지를 규명하였다. 백 악기 저어콘을 제외한 연대별 저어콘 비율은 선캄브 리아시대 저어콘 약 81.6%, 전기 쥐라기 저어콘 약 8.3%, 중기-후기 트라이아스기 저어콘 약 6.6%, 중기 쥐라기와 오르도비스기 저어콘들이 각 1.7%로 산출 된다. 하부 지층인 금정리층과 비교해 토금층에서는 선캄브리아시대의 저어콘들의 산출량이 급증함과 동 시에 중기 쥐라기와 오르도비스기 저어콘들이 처음으 로 소량 산출된다(Fig. 6b). 선캄브리아시대 저어콘들 의 비율 증가는 단순히 분지 경계 혹은 인접한 주변 의 선캄브리아시대의 암체들에서 공급량이 증가한 것 으로 해석될 수도 있다. 그러나 비록 극소량이기는 하지만 오르도비스기와 중기 쥐라기 저어콘들이 토금 층에서 처음으로 산출되었다(Fig. 6b). 구례분지의 서 쪽 혹은 북서쪽의 옥천변성대와 영남육괴 경계부에 분포하는 평안누층군을 대상으로 한 쇄설성 저어콘 U-Pb 연대에서는 대부분 선캄브라아시대의 저어콘들 이 대부분 산출되며 소량의 고생대 저어콘들이 함께 나타난다(Kim and Lee, 2018). 구례분지 서쪽에 분 포하는 평안누층군으로부터 퇴적물이 공급되면, 평안 누층군의 대부분을 차지하는 선캄브리아시대의 저어 콘들이 구례분지로 공급됨으로 인해 토금층 시료에서 선캄브리아시대의 저어콘 산출량이 급증한 것과 비록 하나에 불과하지만 오르도비스기 저어콘의 산출을 설 명할 수 있다(Fig. 6a). 게다가 이와 같이 옥천변성대 의 일부지역으로까지 확장된 기원지는 마찬가지로 한 점에 불과하지만 중기 쥐라기 저어콘의 산출에 대한 해석을 모두 만족시킨다(Fig. 6a). 그러므로 토금층은 대체로 영남육괴 내에서 퇴적물이 공급된 금정리층과 비교해 옥천대 일부까지 퇴적물의 기원지가 보다 확 장되었다는 것을 의미한다(Fig. 6a).

    구례층군 내 백악기 저어콘들의 지구조적 의미

    마지막으로 백악기 저어콘들로 만 이루어진 오봉산 층의 화산회류 응회암을 비롯해 금정리층과 토금층에 포함된 백악기 저어콘들의 기원지를 동아시아 지역의 백악기 지구조적 관점에서 시공간적으로 알아보았다. 구례분지의 구례층군은 하부로부터 수평리층, 금정리 층, 토금층, 오봉산층으로 구성되며, 토금층부터 응회 암을 협재하기 시작해 최상위의 오봉산층은 유문암 및 안산암질 화산암체로 구성된다(Lee and Song, 2007). 이는 구례분지의 형성 및 진화과정에 퇴적작 용이 진행되는 동안 구례층군의 상부로 갈수록 화산 물질의 함량이 증가했다는 것을 의미한다. 이번 연구 의 쇄설성 저어콘 연대측정에서도 마찬가지로 최하부 의 수평리층에서는 백악기 저어콘들이 산출되지 않고, 금정리층에서 평균 약 5% (하부: 8% 상부: 2%), 토 금층에서 약 40% 그리고 오봉산층의 화산회류 응회 암(100%)까지 백악기 저어콘들의 산출량이 증가하는 양상을 보였다(Fig. 4b6b). 최근 많은 연구자들에 의해 쥐라기~백악기 동안의 동아시아 지구조 환경의 진화와 그로 인한 화산호의 이동 및 퇴적분지 퇴적 물의 반응에 대한 연구가 수행되었다(Kim et al., 2016;Kiminami and Imaoka, 2013;Hwang et al., 2019;Chae et al., 2020;Lee et al., 2021;Chae et al., 2021). 이를 요약하면 유라시아판과 섭입하는 고 태평양판 간의 상호작용에 의해 쥐라기부터 전기 하 부 백악기(early Lower Cretaceous)까지 화산호가 북 서쪽 방향으로 나아감에 따라 화성활동과 수반된 화 산활동이 중국의 동부지역까지 이동하였고, 이후 백 악기 동안 섭입하는 고태평양판의 슬랩 퇴각(slab rollback)에 의해 화산호는 다시 남동쪽 방향으로 이 동하였다는 것이다(Fig. 7). 슬랩 퇴각 과정에서 백악 기 동안 점차 한반도의 남동부로 이동되어 오던 화 산호에 의해 구례층군의 상부 지층으로 갈수록 화산 활동의 빈도와 강도가 뚜렷하게 증가하는 양상을 보 인 것으로 판단된다(Fig. 7b). 따라서 구례분지에 백 악기 저어콘들을 공급한 기원지는 대체로 구례분지의 북서쪽에 위치했던 화산호이며, 화산호가 슬랩 퇴각 과 함께 점차 구례분지 주변으로 접근하면서, 화산암 으로 구성되는 최상부 오봉산층을 퇴적시키고 구례분 지의 퇴적을 종결시킨 것으로 해석된다.

    결 론

    구례층군의 쇄설성 저어콘 U-Pb 연대측정 결과, 백 악기 저어콘들이 산출되지 않은 구례층군 최하부 지 층인 수평리층을 제외한 금정리층 하부(GJR-L)에서 107.4±0.9Ma, 금정리층 상부(GJR-U)에서 104.6±6.5 Ma, 토금층(TG)에서 97.7±0.5Ma, 오봉산층(OBS)에 서 88.5±0.4Ma의 가장 젊은 백악기 연령을 구하였 다. 이는 구례층군이 전기 백악기 알바절에서 후기 백악기 코냑절까지 퇴적되었다는 것을 지시하나, 아 직 수평리층의 퇴적 연령을 알 수 없는 것을 고려할 때 구례층군의 하부 지층의 퇴적시기는 보다 오래된 지질시대를 나타낼 가능성이 있다. 구례층군의 퇴적 물 기원지는 최하부 수평리층에서는 분지 인근의 선 캄브리아시대의 암체들로부터 공급되었다면, 상부의 금정리층으로 갈수록 구례분지의 북쪽 혹은 서북쪽 방향의 영남육괴, 그리고 토금층의 퇴적시기에는 옥 천변성대의 일부까지 확장된 것으로 보인다. 마지막 으로 구례층군을 구성하는 퇴적층들은 하부에서 상부 로 갈수록 백악기 저어콘들의 산출량이 증가하는데, 이는 유라시아판을 저각섭입하던 고태평양판의 백악 기 동안 발생한 슬랩 퇴각 과정을 잘 반영하는 것으 로 해석된다.

    사 사

    이 논문은 한국연구재단(NRF-2020R1A2C1012522, 2020R111A3072160)에 의해 지원되었습니다. 심사과 정에서 좋은 의견을 주신 심사위원과 편집위원께 감 사드립니다.

    Figure

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    Geologic map of the Gurye Basin showing sampling spots (modified from Lee and Song (2007)). Red and small black circles represent the sampling locations of this study and Park et al. (2015), respectively.

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    Outcrop photographs of each sample. (a) Supyeongri Formation, (b) lower part of the Geumjeongri Formation, (c) upper part of the Geumjeongri Formation (matrix part), (d) Togeum Formation (tuffaceous part), and (e) ash flow tuff of the Obongsan Formation.

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    Tera-Wasserburg concordia diagrams with (b, d, and e) 206Pb/ 238U weighted mean ages or (c) youngest single zircon age.

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    Probability density diagrams. (a) Diagrams plotted all valid spots, and (b) diagrams plotted only young age groups

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    Radiometric dating results for the Gurye Group from the previous studies (K-Ar), and this study (zircon U-Pb).

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    (a) Geological map showing the specific age groups, and the expansion of source areas (green circle: SPR, brown circles: GJR-L (smaller) and GJR-U (larger), and blue circle: TG). (b) Pie diagrams showing the detrital zircon age distribution for each formation. Note that the colors in the diagrams are the same as the Legend in (a).

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    (a) The distribution of the tectonostratigraphic terranes near the Korean Peninsula and approximate age distribution of plutonic and volcanic rocks during the Cretaceous. (b) Inferred tectonic model of the East Asian continental margin near the Korean Peninsula. Dotted lines in (a) referred to the previous studies (Lee et al., 2021 and references therein).

    Table

    LA-MC-ICP-MS zircon U-Pb ages of the Gurye Group in the Gurye Basin

    Reference

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