영남육괴 북동부 원남층 변성퇴적암에서 발견된 후기 고생대 저어콘 연령

1. 서 론

한반도의 기반암은 전통적으로 세 개의 육괴(낭림, 경기, 영남육괴)로 구분되어 왔으며(Kobayashi, 1933), 이러한 분류 체계는 다수의 국내 연구에서 보편적으로 사용되고 있다(Lee et al., 1992; Lee and Cho, 2012; Kee et al., 2019). 그러나 선캄브리아시대 암석으로 주로 구성된 것으로 알려졌던 한반도 육괴 내부에서 최근 고생대 퇴적작용 및 그 이후 변성·변형작용 기록들이 발견됨에 따라(e.g., Yang and Cho, 1995; Cheong et al., 2015; Kim and Yi, 2015; Kim, 2019), 기존 육괴의 정의와 영역에 대한 재검토가 필요한 상황이다.

영남육괴는 한반도를 구성하는 육괴 중 가장 남쪽에 분포하며, 백악기 경상분지와 고생대 태백산분지의 기반암을 이룬다(그림 1a; Choi, 2019a, 2019b; Kee et al., 2019). 영남육괴는 주로 고원생대 혼성암질 편마암, 화강암질 편마암, 호상편마암, 결정질 편암, 그리고 화강암류로 구성된 것으로 알려져 있다(Lee and Cho, 2012). 영남육괴 북동부에는 선캄브리아시대 고원생대 변성퇴적암으로 분류된 원남층이 넓게 분포한다(그림 1b; Kim and Cho, 2003; Lee et al., 2011; Kim et al., 2014). 그러나 원남층 내에는 화성암과 퇴적암 기원의 암석들이 혼재하고 있어(Kim, O.J. et al., 1963a, 1963b; Son and Kim, 1963; Kim, S.W. et al., 2009; Kim, N. et al., 2014), 암상 재분류와 각 암상의 원암 형성시기 규명을 통한 암층서 재정의가 요구된다. 본 연구에서는 원남층을 구성하는 변성퇴적암의 형성시기를 규명하기 위해 봉화군 재산면 일대 시료에서 쇄설성 저어콘의 LA-ICP-MS 연령측정을 수행하였다. 이를 통해 확인된 고생대 쇄설성 저어콘 연령은 영남육괴 북동부의 층서 및 지사 해석에 중요한 기초자료를 제공할 것으로 기대한다.

Fig. 1.

(a) Tectonic provinces of the Korean Peninsula (Modified after Kee et al., 2019). Abbreviations: DB, Dumangang Belt; BVP, Baekdusan Volcanic Plateau; GwM, Gwanmo Massif; G-MB, Gilju-Myeongcheon Basin; MB, Macheollyeong Belt; NM, Nangrim Massif; PB, Pyeongnam Basin; HIB, Hongseong-Imjingang Belt; GM, Gyeonggi Massif; OB, Okcheon Belt; YB, Yeongnam Massif; GB, Gyeongsang Basin; YeB, Yeonil Basin; JVT, Jeju Volcanic Terrain. (b) The geological map of the northeastern Yeongnam Massif (Modified after Kee et al., 2019). The sample location for zircon U-Pb age analysis is indicated. Abbreviations: Fm, Formation; Ls, Limestone.

2. 지질개요

영남육괴 북동부는 주로 선캄브리아시대 변성퇴적암과 화강암질 암석으로 구성되어 있다(그림 1b; Kim et al., 2014; Kee et al., 2019). 이 지역 남부의 암석들은 최초로는 하부로부터 평해통, 기성통, 원남통, 율리통 및 이를 관입한 분천화강편마암으로 구분되었다(Kim et al., 1963a, 1963b). 그러나 후속 연구에서는 이러한 층서 구분에 대한 재해석이 이루어졌다. 일부 연구자들은 기성통을 별개의 지층이 아닌 연성전단운동에 의해 압쇄암화된 암석으로 해석하였으며, 평해통과 원남통의 암상 유사성을 근거로 이들을 동일한 층서 단위로 간주하였다(Kim et al., 2002). 한편 최근 연구에서는 시층서 단위인 ‘통(series)’ 대신 암층서 단위인 ‘층군(group)’을 사용하여 해당 층서 단위를 재명명하고 있다. 후술할 암층서 단위 지층명의 경우 일부 원래 제안된 명칭과 차이를 보이더라도 International stratigraphic guide (Salvador, 1994)의 지침 및 최근 발간된 논문을 고려하여 ‘지역명+층’또는 ‘지역명+대표암상’으로 기술하였다.

본래 원남통으로 정의되었고 현재 원남층군으로 불리는 변성퇴적암류는 원남층, 동수곡층, 장군석회암, 그리고 두음리층으로 구성된다(Kim et al., 1963a). 각 층의 암상적 특징을 살펴보면, 본 연구의 대상인 원남층은 주로 변성사질암과 변성이질암의 호층으로 이루어져 있으며, 석회암, 규암, 다양한 편암 및 편마암을 포함한다(Son and Kim, 1963). 동수곡층은 담갈색 천매암, 견운모 편암, 근청석 편암과 얇은 석회암층을 포함한다. 장군석회암은 주로 석회암으로 구성되며 일부 규암층을 포함한다. 두음리층은 운모편암, 천매암, 근청석 편암, 그리고 사질 슬레이트로 구성된다.

주목할 점은 선캄브리아시대로 간주되었던 원남층군이 하부 고생대 장산층 및 상부 고생대 재산층과 인접하여 분포한다는 것이다(Kim et al., 1963a, 1963b). 봉화군 소천면 장군봉 일대에 분포하는 장산층은 백색, 담황색, 담갈색을 띠는 조립 규암층으로, 편암화된 부분과 견운모를 포함하는 부분이 많다. 재산층은 암회색 또는 흑색의 셰일과 사암을 포함하며, 천매암화 또는 편암화를 겪은 부분도 있다. 이 지층은 평안누층군과의 대비를 통해 페름기 지층으로 분류되었다(Kim et al., 1963a).

이후 태백산분지 고생대 지층과의 대비 연구를 통해 원남층군을 구성하는 변성퇴적암의 시대 해석에 변화가 있었다. 일부 연구에서는 암상 대비와 지층 역전 해석을 통해 원남층군 내 동수곡층, 장군석회암, 두음리층을 모두 고생대층으로 재해석하였다(그림 1b; Ahn et al., 1993; Yang and Cho, 1995; Kang et al., 1997). 이러한 해석은 최근 동수곡층의 절대연령 측정 결과에 의해 뒷받침된다. 장군봉 지역 동수곡층은 후기 트라이아스기-페름기(210-285 Ma) U-Pb 연령을 보이는 쇄설성 저어콘을 함유한다(Kim and Yi, 2015; Kim, 2019). 동수곡층은 재산층과 더불어 태백산분지 내 평안누층군보다 높은 변성도를 보이지만(Kim et al., 1996; Kim and Yi, 2015), 시기적으로는 서로 대비될 수 있다. 현재 원남층군을 구성하는 지층 중 동수곡층, 장군석회암, 그리고 두음리층은 고생대층으로 인식되고 있으나, 원남층만은 여전히 선캄브리아시대 고원생대 지층으로 기재되고 있다(Kee et al., 2019). 이는 원남층으로 분류된 변성퇴적암에서 수행된 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령측정 결과, 현생이언 저어콘 없이 고원생대 연대 피크가 지배적으로 관찰되었고, 주변 고원생대 화강암이 관입했다는 해석 아래 2.1-1.98 Ga의 퇴적시기가 제안되었기 때문이다(Kim et al., 2012, 2014).

3. 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령

3.1. 분석 시료

경상북도 봉화군 재산면 일대에서 기존에 선캄브리아시대 원남층으로 분류되었던 운모편암(MG033-1: N36°50'41.04", E128°58'7.85")과 석영-백운모편암(MG033-2: N36°50'41.18", E128°58'7.96")에 대해 쇄설성 저어콘 U-Pb 연대측정을 수행하였다. 분석된 운모편암과 석영-백운모편암은 연속적인 노두에서 산출되며, 규암 및 석회암과 교호한다. 이들은 모두 동-서 방향의 주향을 가지고 북쪽으로 경사하며, 비대칭 습곡과 파랑벽개를 보인다. 노두에서 담회색-암회색을 보이는 운모 편암은 주로 석영과 백운모로 구성되며 운모류의 비율이 높다(그림 2a). 석영 입자는 대부분 0.01-0.06 mm 직경을 가지며, 백운모 입자는 약 0.3 mm의 장축 길이를 보인다(그림 2b). 옅은 황갈색에서 회백색을 띠는 석영-백운모 편암은 석영과 백운모를 주요 구성광물로 하며, 일부 구간에서 석류석 반상변정을 포함한다(그림 2c). 석영 입자의 직경은 0.03-0.25 mm이며, 백운모는 최대 0.4 mm의 얇은 판상으로 산출된다(그림 2d). 두 암상 모두 박편상에서 석영이 파동소광하고 신장된 형태로 관찰되며, 운모는 엽리면을 정의하고 운모 물고기(mica fish) 형태로 관찰되기도 한다(그림 2b, 2d).

Fig. 2.

(a) Outcrop photograph of the mica schist. (b) Cross-polarized light (XPL) photomicrograph of the mica schist. (c) Outcrop photograph of the quartz-muscovite schist. (d) Cross-polarized light (XPL) photomicrograph of the quartz-muscovite schist. Abbreviations: Ms, Muscovite; Qtz, Quartz; Grt, Garnet.

3.3. 분석 결과

MG033-1(운모편암)과 MG033-2(석영-백운모편암)의 저어콘 입자들은 대부분 반자형에서 타형의 형태를 보인다(그림 3). 많은 입자들이 중심부에 상속핵을 포함하며, 진동누대구조(oscillatory zoning) 또는 카오틱(chaotic)한 조직을 보인다. 대부분의 입자에서 재결정 또는 과성장된 부분이 관찰되며, 이러한 부분들은 특별한 조직을 보이지 않는 경우가 많다. 저어콘의 장축 길이는 운모편암에서 약 82-190 μm, 석영-백운모 편암에서 약 82-231 μm 범위를 보이며, 종횡비는 각각 1.15-3.19와 1.16-3.43이다. 음극선발광(CL) 이미지에서 대부분의 입자들은 어두운 색을 띠지만, MG033-2는 MG033-1에 비해 밝은 회색-흰색 입자들이 상대적으로 많이 포함되어 있다.

Fig. 3.

Scanning electron microscope cathodoluminescence (SEM-CL) images of representative sectioned zircon grains from the mica schist (MG033-1) and quartz-muscovite schist (MG033-2). Red circles indicate analytical spots with corresponding U-Pb ages.

저어콘의 Th/U 비는 운모편암과 석영-백운모편암에서 각각 0.06-1.60, 0.08-1.83의 범위를 보인다(표 1, 2). 운모편암에서 불일치도가 낮은 154개 데이터 중 144개(93.5%)가 Th/U 비 0.1 이상의 값을 보이며, 석영-백운모편암에서는 146개 데이터 중 143개(97.9%)가 0.1 이상의 값을 가져, 두 시료 모두 화성 기원 저어콘이 우세함을 지시한다(Hoskin and Black, 2000).

Table 1.

Detrital zircon U-Pb isotopic data from sample MG033-1.

Table 2.

Detrital zircon U-Pb isotopic data from sample MG033-2.

MG033-1의 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령은 대부분 고원생대에 해당하며, 1901 Ma와 1864 Ma의 주요 피크가 식별된다(그림 4). 다만 하나의 저어콘 입자에서 332 Ma (석탄기)의 연령이 획득되었다. MG033-2의 경우 530 Ma와 498 Ma (캄브리아기), 401 Ma와 375 Ma (데본기), 331 Ma와 309 Ma (석탄기), 275 Ma (페름기) 등 다수의 현생누대 피크 연령이 확인된다. 또한 2563 Ma (신시생대) 및 2336 Ma, 1866 Ma (고원생대) 피크가 확인된다. MG033-1과 MG033-2에서 분석된 가장 젊은 저어콘 입자 연대는 각각 331 Ma (석탄기)와 276 Ma (페름기)이다.

Fig. 4.

Probability-density plots and histograms of detrital zircon U-Pb ages from the mica schist (MG033-1) and quartz-muscovite schist (MG033-2). Numbers indicate peak ages in Ma.

4. 토의 및 결론

본 연구의 새로운 저어콘 연령 분석 결과는 기존에 선캄브리아시대 원남층으로 분류되었던 변성퇴적암 중 적어도 일부의 원암이 상부 고생대(석탄기-페름기) 내지는 그 이후에 퇴적되었음을 지시한다(Dickinson and Gehrels, 2009). 원남층군을 구성하는 동수곡층 및 인근에 분포하는 재산층이 옥천대에 발달하는 상부 고생대-하부 트라이아스기 평안누층군과 대비되는 지층으로 해석되고 있다는 점을 고려하면(Kim et al., 1963a, 1963b; Kim and Yi, 2015; Kim, 2019), 본 연구에서 분석한 원남층 내 변성퇴적암 또한 동일한 관점에서 해석할 수 있다. 이는 쇄설성 저어콘 연령 분포로도 뒷받침된다. 평안누층군의 쇄설성 저어콘은 2.5-2.3 Ga, 2.0-1.8 Ga, 400-250 Ma의 주된 연령 분포를 나타내는데(Kim and Lee, 2018), 본 연구 시료에서도 이와 유사한 연령 피크가 명확히 관찰된다(그림 4). 하지만 원남층이 평안누층군과 시기적으로 대비되는 변성퇴적암으로만 구성되는 것은 아니다. Kim et al. (2009)은 본 연구 지역에서 서쪽으로 약 10 km 떨어진 원남층 분포지 내에서 대상으로 발달하는 압쇄된 고원생대 규장질 정편마암과 쥐라기 압쇄화강암을 보고하였다. 과성장된 저어콘 주변부(rim)의 U-Pb 분석을 통해 해석된 압쇄작용의 시기는 쥐라기 약 178 Ma이다. 즉, 과거 지질도폭에서 원남층으로 분류된 변성사질암, 변성이질암, 석회암, 규암, 편암, 편마암 내에 평안누층군과 대비되는 변성퇴적암과 변형·변성된 고원생대 및 쥐라기 화강암이 포함된다. 따라서 추후 연구에서는 원남층에 대한 상세한 지질조사 및 지질도 작성을 통한 암상 재분대가 필요하다.

한편, 원남층 내 변성퇴적암과 함께 발달하는 고원생대 및 쥐라기 화강암류에서 보고된 쥐라기 압쇄작용은 중요한 의미를 갖는다. 이는 연구지역에 발달하는 고생대 변성퇴적암류가 쥐라기 호남전단대의 연장부로 해석될 가능성을 제시한다. 실제로 운모편암, 석영-백운모편암, 규암, 석회암 등으로 이루어진 변성퇴적암류가 연구지역인 봉화군 재산면에서 남서쪽으로 최소 20 km 이상 대상으로 연장되며, 호남전단대의 궤적을 따라 충청북도 영동군, 전라북도 진안군-임실군-곡성군, 전라남도 화순군-순천시-보성군-강진군 등에서도 유사한 대상의 변성퇴적암류가 산출된다(Kee et al., 2019). 이들 중 일부는 고생대 지층으로 재정의된 바 있으며(Kee et al., 2019), 원암의 퇴적시기에 대한 추가적인 연구가 반드시 필요한 상황이다. 더불어 변성작용의 시기 및 원인 규명 역시 해결해야 할 중요한 과제이다. 연구지역 동쪽 장군봉 일대에서 수행된 변성암석학적 연구에 따르면, 하부 고생대 두음리층과 상부 고생대 동수곡층은 페름기-트라이아스기 송림조산운동과 관련된 두 차례의 광역변성작용을 받은 후, 쥐라기 화성활동에 수반된 접촉변성작용을 추가로 경험한 것으로 해석되었다(Yang and Cho, 1995; Kim and Yi, 2015). 이러한 복잡한 변성사를 고려할 때, 소위 영남육괴 내부에 발달하는 고생대 지층이 다른 지역에 비해 상대적으로 높은 변성을 경험한 원인을 규명하는 것은 영남육괴 지역의 현생이언 지질 진화사를 이해하는 데 매우 중요한 정보를 제공할 것이다. 이는 더 나아가 전통적으로 받아들여졌던 영남육괴의 정의를 재정립하는 데 중요한 단서를 제공할 것이다.

마지막으로 본 단보에서는 층서학적 관점에서 원남층군이라는 암층서 단위의 사용을 지양할 것을 제안한다. 본 연구 결과를 포함한 최근의 연대측정 및 암상 대비 연구는 원남층군 내 원남층, 동수곡층, 장군석회암, 두음리층이 하부-상부 고생대 지층으로 구성된다는 해석을 뒷받침한다. 이는 기존 원남층군으로 분류된 층들과 인근에 발달하는 하부 고생대 장산층, 상부 고생대 재산층을 모두 아우르는 체계적인 고생대 층서 체계의 구축이 필요함을 의미한다.

Acknowledgments

본 연구는 한국연구재단 개인기초연구사업(RS-2023-00208180)과 한국에너지기술평가원 방사성폐기물관리기술 개발사업(RS-2024-00426295)의 지원으로 수행되었습니다. 논문의 질적 향상에 기여해 주신 익명의 심사위원 세 분과 편집위원회에 깊은 감사를 드립니다.

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