부산 기장군 신평리 해안 일대에 분포하는 백악기 이천리층의 미량원소 조성: 초고철질 기원암과 경상분지 발달사에의 의의

1. 서 론

중생대 백악기 동안 한반도 인근에는 고태평양판의 섭입에 의해 화산호가 발달하였으며 그 주변에 크고 작은 육성 퇴적분지가 형성되었다(Lee, 1999; Chough and Sohn, 2010; Lee et al., 2023). 그 중 한반도 동남부에 가장 넓게 발달한 경상분지를 충진하는 경상누층군에 대한 활발한 연구를 통하여 퇴적물의 기원지와 분지 발달사, 고지리 분포와 지구조 환경에 대한 종합적인 해석이 이루어졌으나 대부분의 연구가 분지 서부에 집중되었으며, 분지 동남부의 퇴적층에 대한 연구는 다소 제한적이다(Kim and Paik, 1997; Cho et al., 2016). 이천리층은 경상분지 동남부 가장자리에 분포하는 백악기 육성 퇴적층으로 경상누층군 유천층군에 대비되어왔으며, 최근 퇴적환경과 지질유산으로서의 가치 및 암석학적 특징에 대한 연구가 수행되었다(Kim et al., 2022; Joo et al., 2023). 그 중 Joo et al. (2023)은 경상누층군의 신동층군에서만 특징적으로 산출하는 쇄설성 크롬첨정석이 이천리층 사암에서도 산출됨을 보고하고 이천리층의 기원지에 초고철질암이 분포하였을 가능성을 제안하였다.

초고철질 암체를 구성하는 부수 광물인 크롬첨정석은 초고철질 암체 내의 함량은 낮으나 (<2%) 풍화에 저항성이 강하여 사문석화와 풍화, 운반 과정 이후에도 퇴적암 내에 보존될 수 있다(Metcalf and Shervais, 2008). 따라서 사암 내 쇄설성 크롬첨정석의 산출은 기원지에 초고철질 암체가 분포하였음을 반영하는 증거로 활용된다(e.g., Arai and Okada, 1991; Hisada et al., 2008; Lee and Lim, 2022). 한편, 세립질 퇴적물의 경우 고철질 미량원소 함량을 통해 초고철질 기원암의 존재 여부를 확인할 수 있는데(Garver et al., 1996), 대표적인 원소는 Sc와 V, Cr, Ni로서, Sc는 주로 휘석에, V는 자철석과 티탄철석에, Cr은 크롬첨정석과 단사휘석에, Ni은 감람석에 포함된다(Hiscott, 1984). 이들 원소 중 특히 Cr과 Ni은 초고철질 암체에서 매우 높은 함량을 보이며(Hiscott, 1984; Garver et al., 1996) 유체에 낮은 용해도를 가지므로 점토광물에 농집된다(Bhatia and Crook, 1986; Taylor and McLennan, 1995; Lim et al., 2019). 따라서 세립질 퇴적물에서 Cr과 Ni의 함량은 초고철질 암석이 기원지에 분포하였음을 나타내는 지시자로 이용되며, 그 함량은 이들을 공급한 암체의 부피를 반영할 것이다(Garver et al., 1996). 일례로 경상분지의 경우 Lim et al. (2019)이 신동층군 이질암의 Cr 및 Ni 함량을 바탕으로 기원지에 초고철질 암체가 소규모로 분포하였음을 해석한 바가 있다.

본 연구에서는 이천리층 사암과 이질암의 고철질 미량원소 조성을 바탕으로 기원지에 초고철질암의 분포 여부와 그 영향을 확인하고자 한다. 또한 경상분지 서부에 넓게 분포하는 경상누층군 신동층군 및 하양층군의 고철질 미량원소 조성과 종합하여, 초고철질 암체 기원 퇴적물의 기여를 비교하고 이들이 동일한 초고철질 기원암을 공유하였는지 여부를 확인하는 것을 목표로 한다. 이와 같은 정보는 경상누층군이 퇴적되던 백악기 당시 경상분지 인근에 맨틀 기원 초고철질 암체의 정치와 노출을 수반하였던, 섭입대 인근 지구조 환경에 대한 종합적 해석에 중요한 단서를 제공할 수 있을 것이다.

2. 지질 개요

경상분지는 백악기 초 유라시아판 아래로 이자나기판이 사각섭입을 하면서 발생한 좌수향 주향이동단층에 의해 지각이 동-서 방향으로 신장되면서 형성된 인리형 분지(pull-apart basin)로 알려져 있다(Chun, 1992; Chough et al., 2000; Ryu et al., 2006). 분지를 충진하는 육성퇴적층인 경상누층군은 암층서적으로 하부로부터 신동층군, 하양층군, 유천층군으로 분류되며, 상부로 갈수록 화산 기원 물질의 함량이 점차 증가한다(Chang, 1975).

이 중 최하위 층군인 신동층군은 125-100 Ma (압트절-알바절) 동안(Lee et al., 2023 and references therein) 충적평원 및 하‧호성 환경에서 퇴적되었으며, 분지 발달의 과정에서 화산 활동이 일어나기 이전의 퇴적물로 해석된다. 신동층군의 퇴적 초기에는 영남육괴의 북부와 중부에서 화산 활동이 일어났으며, 신동층군의 퇴적 중기-후기에는 영남육괴의 중부와 남부에서 화산 활동이 발생하였다(Lee et al., 2010). 신동층군의 고수류 방향에 근거하여 신동층군 퇴적물의 기원지는 북서부에 분포하는 영남육괴로 알려져 있다(Chang and Kim, 1968; Kim, 1994). 또한 신동층군의 사암에서는 특징적으로 쇄설성 크롬첨정석이 산출되며 이를 바탕으로 현재는 분포하지 않지만 신동층군 퇴적 당시 영남육괴에 초고철질 암체가 노출되었던 것으로 해석되었다(Lim et al., 2019; Lee and Lim, 2022). 하양층군은 100-95 Ma (세노마눔절) 동안(Lee et al., 2023 and references therein) 하‧호성 환경에서 퇴적된 퇴적층으로 화산 기원 물질을 상당량 포함하고 있으며, 하양층군 퇴적 기간동안 간헐적으로 화산 활동이 발생하였다(Chang, 1975; Won et al., 1978; Kim et al., 2000). 고수류 방향(Chough and Sohn, 2010 and references therein), 역암 내 처트 역의 방산충 미화석(Choi, 1999; Kamata et al., 2000; Mitsugi et al., 2001) 등 다양한 근거를 바탕으로 하양층군은 영남육괴와 일본의 부가복합체로부터 퇴적물을 공급받은 것으로 해석되었으며(Chang, 1988; Chough and Sohn, 2010; Lee et al., 2023), 하양층군 내 쇄설성 크롬첨정석의 산출은 보고되지 않았다. 경상누층군 최상부의 유천층군은 94-60 Ma (투로니아절-고진기 초기) 동안 형성되었으며(Lee et al., 2023 and references therein), 주로 화산 기원 물질로 구성된다(Chang, 1975).

이천리층은 경상분지의 동남부, 특히 부산 기장군 일광읍 전역에 넓게 분포하며, 일부 금정산과 백양산 일대에 소규모로 분포한다(Son et al., 1978) (그림 1). 이천리층 퇴적암은 후기 백악기 관입 또는 분출 기원 암석으로 둘러싸여 있으며, 후기 화성 활동에 의한 혼펠스화(Kim et al., 2022), 및 일광단층과 부차단층들의 발달이 확인된다(Ha et al., 2016). 연구지역인 부산 기장군 신평소공원 일대에 노출된 이천리층 노두의 퇴적상 분석 결과, 하성 기원의 조립질 우세 퇴적층과 호수 주변부에서 퇴적된 세립질 우세 퇴적층이 교호하는 하천분산형 퇴적계에서 호수를 포함하는 퇴적환경이 발달하였던 것으로 해석되었다(Kim et al., 2022). 이천리층의 층서는 1:250,000 부산지질도폭(Kim et al., 1998)에서 유천층군 다대포층에 대비되는 것으로 여겨져 왔으며 최근 연구에서 쇄설성 U-Pb 연대 측정을 통해 이천리층의 최대 퇴적시기는 약 95 Ma로 보고되었다(Kim et al., 2024). 이는 시층서적으로 93-98 Ma로 보고된 유천층군 다대포층과 중첩되는 시기이며(Chae et al., 2023), 하양층군 최상부의 진동층과 연대의 유사성이 높은 것으로 해석되었다(Kim et al., 2024). 그러나 최근 이천리층의 산상을 바탕으로 한 퇴적환경과 고환경 해석에 대한 연구에서 이천리층과 하양층군 진동층은 유천층군 퇴적 시기 동안의 화성활동에 의한 열변성의 영향으로 혼펠스화 되어 있는 반면, 유천층군 다대포층에서는 열변성의 영향이 부재한다는 관찰 결과를 근거로 이천리층이 하양층군 진동층에 시층서적으로 대비될 가능성이 제시되었다(Kim et al., 2022). 또한 Joo et al. (2023)은 이천리층 사암의 암석학적 특징이 하양층군 상부 지층과 유사함을 보고하며 암층서적으로 하양층군과 대비될 가능성을 보고하였다. 이를 종합하면 이천리층은 시층서적으로 하양층군과 유천층군에 중첩되는 시기를 보이지만 암층서의 기준이 되는 암석학적 특징은 하양층군 진동층과 유사하게 나타난다. 이천리층의 기원지와 관련하여 Kim et al. (2024)은 이천리층 내 방산충 처트 역의 산출과 쇄설성 저어콘의 U-Pb 연대 분포를 바탕으로 이천리층의 주된 기원지로 영남육괴와 일본에 분포하는 미노-탐바 쥐라기 부가복합체(Mino-Tamba Jurassic accretionary complex)를 제안하였다.

Fig. 1.

Geologic map of the southeastern part of the Gyeongsang Basin, where the Cretaceous Icheonri Formation is distributed (Son et al., 1978). The red dashed lines indicate the strike-slip shear zone (after Lee and Lim, 2022; Lee et al., 2023). YM: Yeongnam Massif; GB: Gyeongsang Basin.

3. 연구 방법

부산 기장군 신평리 해안가 일대에 노출된 이천리층에서 15개의 사암과 35개의 이질암을 채취하였다. 사암 및 이질암의 미량원소 함량은 캐나다 ALS Geochemistry에서 수행되었다. 미량원소(Sc, V, Cr, Th, Y)의 함량 분석은 시료를 리튬 보로산염(Li₂B₄O₇)로 융합(fusion)한 후 완전 용해하여 유도결합플라즈마 질량분석기(Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer; ICP-MS)로 분석하였다. Ni의 함량은 시료를 염산(HCl), 질산(HNO₃), 불산(HF), 과염소산(HClO₄)의 혼합산으로 완전 분해한 후 유도결합플라즈마 방출분광기(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy; ICP-AES)를 이용하여 분석하였다. 표준물질에 대한 분석 결과, 회수율은 대체로 0.2-8% 범위로 나타났으며, 복수의 표준물질을 반복 분석한 결과, 최대 오차범위는 상대표준편차(Relative Standard Deviation)를 기준으로 2-13% 수준으로 확인되었다(표 1). 경상누층군 신동층군과 하양층군의 미량원소 분석 자료는 선행연구에서 보고된 자료를 종합하였는데, 신동층군 사암 및 이질암의 조성은 Lee and Lee (2003)과 Lim et al. (2019), 하양층군 이질암의 조성은 Lee and Lee (2003) 자료를 이용하였다.

Table 1.

Concentrations of trace elements (in ppm) of Icheonri sandstone and mudrocks samples. Average concentrations of trace elements in Icheonri, Sindong, Hayang samples, UCC, and active margin sediments are also shown for comparison.

4. 연구 결과

이천리층 사암 및 이질암의 고철질 미량원소의 함량은 전반적으로 부화되어 있으며, 층준에 따른 특징적인 변화는 관찰되지 않는다. 사암 시료의 미량원소 조성은 평균 Sc = 18.3 ppm, V = 79.7 ppm, Cr = 77.9 ppm, Ni = 32.3 ppm, Th = 8.25 ppm, Y = 21.6 ppm이며, 이질암 시료는 평균 Sc = 17.9 ppm, V = 113 ppm, Cr = 97.3 ppm, Ni = 54.1 ppm, Th = 11.2 ppm, Y = 26.7 ppm의 조성을 보인다(표 1). 이천리층 사암과 이질암 모두 평균 상부 대륙지각 조성(UCC: upper continental crust; Taylor and McLennan, 1985)보다 Sc, V, Cr과 Ni의 함량이 부화되어 있다(그림 2). 또한 사암과 이질암 시료를 각각 활성 대륙연변부의 평균 모래 조성(AMsand: active continental margin sand; McLennan, 2001), 평균 머드 조성(AMmud: active continental margin mud; McLennan, 2001)과 비교하였을 때, V는 활성 대륙연변부의 퇴적물보다 낮거나 유사한 함량을 보이나 Sc는 유사하거나 높은 함량, Cr과 Ni은 높은 함량을 나타낸다. 한편, 신동층군의 사암은 UCC와 비교하여 Sc와 V는 낮은 함량을, Cr과 Ni은 매우 높은 함량을 보인다. 신동층군과 하양층군의 이질암은 UCC에 비하여 Sc, V, Cr과 Ni의 함량이 모두 부화된 것으로 나타난다. 신동층군과 하양층군의 사암 및 이질암은 활성 대륙연변부의 퇴적물과 비교하여 Sc과 V이 비슷하거나 결핍되어 있으며, Ni은 부화된 특징을 보인다. Cr의 경우, 신동층군 사암 및 이질암에서는 활성 대륙연변부의 퇴적물보다 매우 부화된 것으로 나타나나, 하양층군 이질암의 Cr은 활성 대륙연변부의 퇴적물보다 낮거나 유사한 함량을 보인다. 하양층군 이질암은 신동층군 이질암에 비해 고철질 미량원소의 함량이 낮다.

Fig. 2.

UCC- and active margin sediment-normalized Sc, V, Cr, and Ni in Icheonri and Sindong sandstones (A, C) and in Icheonri, Sindong, and Hayang mudrocks (B, D). Sindong and Hayang sediment compositions are from Lee and Lee (2003) and Lim et al. (2019). UCC composition is from Taylor and McLennan (1985), and active margin sediment (AMsand and AMmud) compositions are from McLennan (2001).

5. 토 의

5.1. 고철질/초고철질암의 영향

5.1.1. 초고철질암 기원 미량원소

사암 및 이질암에서 Cr은 주로 크롬첨정석 입자에, Ni은 감람석에 일차적으로 함유되어 있을 뿐만 아니라(Hiscott, 1984), 이들의 풍화로 생성된 쇄설성 입자 및 점토 물질에도 포함된다(Bhatia and Crook, 1986). Goles (1967)에 의하면, 초고철질 암석의 Cr과 Ni의 함량(Cr = 2400 ppm, Ni = 1500 ppm)은 다른 분출/관입암보다 현저히 높다. Garver et al. (1996)는 타코닉전지분지(Taconic Foreland Basin)에 퇴적된 오피올라이트 기원 쇄설물을 포함하는 셰일의 Cr과 Ni 함량을 바탕으로 초고철질 암석으로부터 기원한 셰일의 기준을 Cr 농도는 150 ppm, Ni의 경우 100 ppm을 상회하며, Cr/Ni 비는 1.3-1.5 범위로 제안하였다. 반면 활성 대륙연변부 환경에서 발달한 고철질 화산호로부터 기원한 퇴적물의 경우 Cr과 Ni의 함량은 낮으며 Cr/Ni 비는 2 이상이다(Garver and Scott, 1995). 이는 모든 화산암에서 Ni보다 Cr 농도가 더 높기 때문인데, 그 결과 초고철질암 기원일 때보다 화산암 기원일 경우 퇴적물 내 Cr/Ni 비가 증가한다(Gill, 1981). 실제 McLennan (2001)이 종합한 활성 대륙연변부 환경 퇴적물의 경우 평균 사암의 Cr/Ni 비는 2.7 이며, 평균 이질암의 경우 2.3 임을 확인할 수 있다.

이천리층 퇴적물은 UCC나 활성 대륙연변부의 퇴적물에 비하여 고철질 미량원소가 부화된 특징이 나타나므로 기원지에 이들 원소를 함유한 고철질/초고철질 암석이 UCC나 활성 대륙연변부의 환경에서보다 상대적으로 높은 비중을 차지하였음을 시사한다(그림 2). 또한 하양층군에 비해 이천리층과 신동층군 퇴적물에서 더 강한 고철질 미량원소 부화 정도는 이들의 퇴적 당시 고철질/초고철질 기원암의 영향이 더 컸음을 의미한다. 그러나 이천리층의 대부분의 이질암 시료는 Garver et al. (1996)이 제시한 초고철질암 기원의 퇴적물의 기준에 부합하지 않는다(그림 3). 신동층군 이질암 역시 Garver et al. (1996)의 기준에 부합하지 않으며, 하양층군 이질암의 경우 Cr/Ni 비는 Garver et al. (1996)이 제시한 1.3-1.5에 가장 유사하나 Cr과 Ni의 함량이 낮다. 전술한 바와 같이 Cr은 크롬첨정석에, Ni은 감람석에 주로 포함되는데, 하양층군의 Cr은 활성 대륙연변부의 평균 사암 조성과 유사하며, Ni은 약간 부화되어 있다. 하양층군 이질암의 Cr/Ni 비가 Garver et al. (1996)이 제시한 초고철질암 기원 퇴적물의 Cr/Ni 비와 유사하지만, 하양층군 이질암의 Cr과 Ni의 낮은 함량과 하양층군 사암에서는 크롬첨정석의 산출이 보고된 바가 없다는 점을 고려하면 초고철질 암체의 영향은 매우 미약하였으며, 하양층군 고철질 미량원소의 약한 부화는 백악기 당시 경상분지 인근에 분포하였던 화산암의 영향으로 판단된다. 물론 이천리층과 신동층군의 Cr/Ni 비 또한 이들이 주로 화산호의 영향 하에서 퇴적되었을 것이라는 점을 시사한다. 그러나 이들 층서 단위에서는 쇄설성 크롬첨정석이 산출하며, 초고철질 암체의 기원임을 지시하는 Cr과 Ni이 UCC나 활성 대륙연변부의 퇴적물보다 매우 부화된 특징이 나타나므로 이들의 기원지에는 소규모의 초고철질암이 분포하였던 것으로 보인다.

Fig. 3.

Cr vs. Ni diagram. High concentrations of Cr (>150 ppm) and Ni (>100 ppm), together with high Cr/Ni ratios (1.3-1.5; grey shaded area) are indicative of an ultramafic provenance, whereas higher Cr/Ni ratios (>2; red arrow) typify input from mafic volcanic rocks (Garver et al., 1996). Sindong and Hayang sediment compositions are from Lee and Lee (2003) and Lim et al. (2019).

5.1.2. 고철질 및 초고철질 암석의 상대적 기여

고철질 미량원소(Sc, V, Cr, Ni)의 함량 및 미량원소 간의 비는 기원지 암석 조성의 지시자로 이용할 수 있다(Taylor and McLennan, 1985; Floyd and Leveridge, 1987). 일반적으로 고철질-초고철질 암석에는 Sc, V, Cr, Ni과 같은 미량원소가 부화되며, 규장질 암석의 경우 Th 함량이 높다(Wronkiesicz and Condie, 1987; McLennan, 1989; Cullers, 1994). 따라서 Th/Sc, Y/Ni 비가 낮을수록, Cr/Th, Cr/V 비가 높을수록 고철질 기원암으로부터의 기여가 증가함을 의미한다(Hofmann et al., 2003). 이를 바탕으로 Cr/Th - Th/Sc 도표(그림 4a)와 Y/Ni - Cr/V 도표(그림 4b)에서 규장질 암석과 고철질 및 초고철질 암석의 단성분 조성 사이의 혼합 비율을 나타낼 수 있다(Perri et al., 2012). 예를 들어, 규장질 암석과 고철질 암석의 혼합 곡선 상에서 10% 지점에 밀집되어 있다면 규장질 성분이 90%, 고철질 성분이 10%로 혼합되었음을 의미한다.

Fig. 4.

(a) Plot of Cr/Th versus Th/Sc and (b) Y/Ni versus Cr/V in Icheonri and Sindong mudrocks. Two mixing curves were calculated between felsic and mafic/ultramafic end members. Element contents of the felsic and mafic end members are from Turekian and Wedepohl (1961), and the ultramafic end member (forearc peridotite) is from Parkinson and Pearce (1998). Sindong sediment compositions are from Lee and Lee (2003) and Lim et al. (2019).

이천리층 이질암 시료는 규장질 암석과 고철질 암석 사이의 혼합 곡선에서 40-50% 사이에 도시되어 규장질 암석 및 고철질 암석 기원암의 기여가 유사한 수준이었으며, 적은 양 (<2%)이지만 초고철질 암석으로부터 공급된 물질이 혼합된 것으로 보인다(그림 4). 그리고 이천리층 퇴적물의 Th/Sc 비가 낮다는 점과 Joo et al. (2023)이 보고한 이천리층 사암의 미성숙한 조성을 고려하면 기원지에서 윤회된 퇴적물의 기여는 상대적으로 제한적이었을 것으로 보인다. 신동층군 이질암 또한 규장질 암석과 고철질 암석 사이에 도시되는데, 이천리층과 비교하면 규장질 암석의 기여(약 60-90%)가 우세한 편이다(그림 4a). 일부 신동층군 이질암 시료는 초고철질 성분 근방에 도시되어 초고철질 암석의 영향을 강하게 반영하지만, 전반적으로 초고철질 암석의 기여는 3% 미만으로 나타난다(그림 4b). AMmud와 비교하였을 때 역시, 이천리층과 신동층군 모두 고철질 암석의 영향이 큰 것으로 나타나 기원지에 초고철질 암체가 노출되었음을 시사한다. 신동층군의 경우 높은 Th 함량으로 인하여 AMmud에 비하여 규장질 암석의 기여가 상대적으로 크게 나타난다. 이는 선행 연구에서 해석한 신동층군 퇴적물의 주된 기원암 성분 - 대부분 규장질 암석과 소량의 고철질/초고철질 암체의 기여 - 와 일치하는 결과이다(Lee and Lee, 2003; Lim et al., 2019). 그림4b의 Y/Ni 비는 중희토류 원소의 대표성을 가지는 Y에 비하여 고철질 미량원소의 대표성을 가지는 Ni이 얼마나 부화되었는지, Cr/V 비는 다른 고철질 미량원소에 비해서 Cr이 얼마나 부화되어 있는가를 지시한다(McLennan et al., 1993). 이천리층과 신동층군 이질암의 Cr과 Ni의 함량이 유사하므로 그림4b에서는 두 층서 단위에서 뚜렷한 차이가 나타나지 않지만, 규장질 성분을 지시하는 Th와 고철질 성분을 지시하는 Sc 및 Cr의 함량을 비교하는 그림 4a에서는 이천리층과 신동층군 퇴적물에서 뚜렷한 차이를 보이는 것으로 해석된다. 따라서 신동층군에서보다 이천리층에서 강하게 나타나는 고철질/초고철질암의 영향은 이천리층과 신동층군 기원지에 모두 규장질 암석과 소규모의 고철질/초고철질 암석이 분포하였으나, 신동층군 기원암과 비교하여 이천리층 기원암의 고철질 미량원소 함량이 높았거나 혹은 암체의 규모가 상대적으로 컸을 가능성을 반영한다.

그림 4의 도표에서 나타난 것처럼 이천리층 시료들이 규장질 암석과 고철질 암석으로부터 비슷한 비율로 기원하였을 수 있지만, 앞서 언급한 Garver et al. (1996)의 초고철질암 기원의 퇴적물의 기준과 비교하면 이천리층과 신동층군 퇴적물은 초고철질 암체의 기여가 매우 낮은 편이다. 또한 이천리층을 구성하는 전체 쇄설물이 규장질 암석과 고철질 암석으로부터 비슷한 비율로 기원하였다면 이천리층 사암 내에 상당한 양의 고철질암 기원의 입자가 포함되어 있어야 하지만 선행 연구에서 보고된 바에 따르면, 이천리층 사암을 구성하는 주된 입자는 석영과 장석, 암편이며 크롬첨정석을 포함한 고철질 광물은 부수적으로 산출한다(Joo et al., 2023). 뿐만 아니라 앞선 AM 퇴적물과의 비교에서 이천리층과 신동층군의 Cr과 Ni의 부화 정도가 유사하게 나타나므로 이천리층 퇴적물이 신동층군에 비해 고철질암의 영향이 크게 나타나는 것은 이천리층 퇴적물이 주로 중성질암에서 기원한 결과일 가능성이 있어 이에 대한 고려가 필요하다. 따라서 그림 4에 나타난 것과 같이 이천리층 전체 퇴적물의 50%가 고철질 암체로부터 기원하였다고 보기는 어렵지만 기원지에 분포하였을 고철질 암체의 특성을 반영하는 것은 분명하다.

5.1.3. 잠재적 기원암의 영향

이천리층 퇴적물 기원암의 조성을 파악하기 위하여 규장질암과 고철질암, 초고철질암의 영역이 명확하게 구별되는 V-Ni-Th*10 삼각도표를 이용하였다(그림 5). 이 도표에 이용된 단성분 조성은 경상분지 인근에 실제 분포하는, 혹은 분포하였으리라 생각되는 암석의 조성을 이용하였다. 규장질암의 단성분 조성은 영남육괴에 분포하는 쥐라기 화강암의 조성(Kim et al., 2005), 고철질암의 단성분 조성은 경상분지에 분포하는 백악기 현무암질 화산호의 조성(Kim et al., 2000)을 이용하였다. 초고철질암의 조성은 Hisada et al. (2008)이 신동층군의 기원지에 섭입대 상부(suprasubduction zone) 초고철질암의 분포를, Lee and Lim (2022)이 신동층군 크롬첨정석의 기원암이 전호환경의 감람암(forearc peridotite)인 것을 보고하였음을 고려하여 섭입대 상부(suprasubduction zone)에 분포하는 전호 감람암(forearc peridotite)의 조성(Parkinson and Pearson, 1998)을 이용하였다. 또한 비교를 위하여 Turekian and Wedepohl (1961)이 제시한 평균적인 규장질암, 고철질암, 초고철질암의 조성과 화강섬록암과 유사한 UCC의 조성(Taylor and McLennan, 1985)을 함께 도시하였다.

Fig. 5.

V-Ni-Th*10 plots of (a) sandstones and (b) mudrocks. Shaded areas represent the compositions of the felsic end member (Jurassic granite; Kim et al., 2005) and mafic end member (Cretaceous basaltic volcanics; Kim et al., 2000). Ultramafic end member (Forearc peridotite) is from Parkinson and Pearce, (1998). Average compositions of felsic, mafic, and ultramafic rocks (Turekian and Wedepohl, 1961) are plotted for comparison. Sindong sediment compositions are from Lee and Lee (2003) and Lim et al. (2019).

잠재적인 기원암 성분과 비교한 결과, 앞서 논의한 바와 같이 이천리층 퇴적물의 기원암은 규장질과 고철질 사이의 조성으로, 일부 사암 및 이질암 시료에서 초고철질 기원암의 영향이 확인된다(그림 5a, 5b). 특히 사암과 이질암 모두 화강섬록암 조성에 가까운 UCC 보다도 고철질 조성에 가까이 도시되어 이천리층의 기원지에 중성질의 암석이 가장 넓게, 고철질/초고철질암은 소규모로 분포하였을 것으로 추정된다. 신동층군에서 역시 이천리층보다 강한 규장질 기원암의 영향이 나타나며, 대부분의 시료들이 평균 상부 대륙지각과 유사하거나 보다 화강암 성분에 가까운 조성으로 보인다(그림 5a, 5b). 사암의 경우 일부 시료가 초고철질 조성으로 치우쳐져 도시되므로 초고철질암 쇄설물이 약간 포함된 것으로 나타나나 이질암 시료에서는 초고철질암의 특성이 잘 드러나지 않는다(그림 5). 요약하면 이천리층과 신동층군의 주된 기원암의 성분에는 다소 차이가 있지만, 두 층서 단위 모두 초고철질 암체의 영향을 받은 것으로 판단된다. 또한 이천리층의 주된 기원암 성분을 보다 명확히 해석하기 위해서는 추가적인 암석학적 및 지화학적 연구가 필요할 것이다.

5.3. 경상분지 발달 역사에의 의의

이천리층 퇴적물에서 산출하는 쇄설성 크롬첨정석과 고철질 미량원소의 높은 함량은 경상누층군 신동층군과 유사한 특징이다. 그러나 유천층군에 대비되어온 이천리층의 최대 퇴적 시기가 95 Ma (Kim et al., 2024) 임을 고려하면 두 층서 단위가 동시기에 퇴적되었다고 보기 어려우며, 이들 간의 암석학적 유사성은 이천리층의 퇴적 당시 신동층군과 유사한 환경이 형성된 결과로 보는 것이 타당할 것이다. 반면, 그 최상부가 이천리층과 유사한 시기에 퇴적된 것으로 여겨지는 하양층군에서는 쇄설성 크롬첨정석 및 초고철질 기원암을 시사하는 미량원소 특징이 부재하므로 이천리층 및 신동층군과는 형성 환경이 상이하였던 것으로 보인다. 하양층군에서 관찰되는 Ni의 약한 부화로부터 맨틀기원 초고철질암 보다는 분지 인근의 화산활동의 영향이 있었던 것으로 추정된다.

이천리층과 신동층군 퇴적시기의 시간적 간격과 두 층서 단위의 공간적 분포를 고려하면 이천리층에 퇴적물을 공급한 초고철질암은 신동층군의 기원암과는 시공간적으로 별개의 암체로 추정된다. 우선 하양층군에 부재한 초고철질암의 영향은 신동층군에 크롬첨정석을 공급한 영남육괴의 초고철질 암체가 하양층군의 퇴적 이전에 모두 삭박되었을 가능성을 시사한다. 실제 영남육괴에 분포하였던 초고철질 암체는 신동층군의 퇴적 동안 공간적으로 큰 변화는 없었으나 최하부 낙동층이 퇴적될 당시에 더 큰 규모였을 것으로 해석되었다(Lim et al., 2019). 또한 이천리층의 초고철질 기원암이 경상분지 서부에 노출되었다면 퇴적 시기가 겹치는 하양층군 상부에서도 관찰되어야 할 초고철질암 기원의 고철질 미량원소 부화와 쇄설성 크롬첨정석이 확인되지 않는다. 따라서 이천리층 퇴적 당시 고철질 암체는 이천리층이 퇴적되었던 퇴적 중심 인근, 경상분지 동부에 분포하였을 가능성이 높다. 이는 경상누층군 퇴적 동안 시간 간격을 두고 공간적으로 경상분지 동부와 서부, 적어도 두 곳에 발달한 단층대를 따라 초고철질 암체가 노출되었을 가능성을 제시한다(그림 6).

Fig. 6.

Reconstruction of the evolution of the forearc peridotite exposure in the Gyeongsang Basin during the Cretaceous. (a) Deposition of the Sindong Group with forearc peridotite to the west of the Gyeongsang Basin. (b) Late stage of deposition of the Hayang Group and Icheonri Formation with forearc peridotite to the east of the Gyeongsang Basin. IC: Icheonri Formation. Symbols ⊙ and ⊗ indicate the general directions of the postulated strike-slip faults. The symbol ⊙ means a vector pointing out of the page, and ⊗ means a vector pointing into it.

6. 결 론

본 연구에서는 선행연구에서 쇄설성 크롬첨정석 산출이 보고된 경상분지 동남부 가장자리에 분포하는 이천리층의 사암 및 이질암 시료의 미량원소 조성을 이용하여 기원지에 초고철질 암체의 분포 여부와 그 영향을 확인하였다. 이천리층 사암 및 이질암의 Cr과 Ni 함량은 활성 대륙연변부의 평균적인 퇴적물 조성보다는 높지만 대규모 초고철질암이 분포하는 환경의 퇴적물 보다는 낮으며, 고철질/초고철질 및 규장질 기원암 성분을 지시하는 다양한 미량원소의 함량과 비를 함께 비교한 결과 역시 초고철질암의 영향은 확연하나 그 강도는 미약한 편이었음을 지시한다. 따라서 이천리층 기원지에 초고철질 암체가 분포하였음은 명확하지만 암체의 규모는 크지 않았을 것으로 해석된다. 유사하게 쇄설성 크롬첨정석이 산출하는 경상누층군 최하위의 신동층군과 비교한 결과, 신동층군에 비하여 이천리층에서 고철질 성분의 영향이 큰 것으로 나타나는데, 이는 이천리층이 주로 규장질암에서 기원한 신동층군과는 달리 전반적으로 중성질 기원암에서 공급된 결과로 추정되며, 기원지에 분포한 초고철질 암체의 규모는 신동층군과 유사하였을 것으로 해석된다. 퇴적 시기가 유사한 하양층군의 상부에서는 초고철질암의 영향이 부재하므로, 이천리층에 쇄설물을 공급한 암체는 섭입과 관련하여 발달한 단층대를 따라 분지의 동부에 노출되었을 가능성이 높다. 즉, 경상누층군 퇴적 동안, 초기에는 분지 서부 영남육괴의 호남전단대를 따라, 후기에는 분지 동부 이천리층의 퇴적 중심 인근에, 적어도 두 차례 초고철질 암체가 지표에 정치하였음을 의미한다. 선행연구의 결과에 따르면 이천리층은 퇴적 시기를 공유하는 하양층군과 암석학적 특징이 유사하지만, 본 연구에서 확인한 초고철질 기원암의 영향과 이를 조절한 퇴적 당시 지구조 환경에서 명백한 차이를 보인다. 이를 통하여 크롬첨정석과 같은 특징적인 쇄설성 입자와 미량원소의 함량이 층서 대비와 분지 발달 해석에 중요한 실마리를 제공함을 알 수 있다.

Acknowledgments

이 논문은 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 G-램프(LAMP) 사업 지원을 받아 수행된 연구임(No. RS-2023-00301702). 또한 한국연구재단 중견연구(2022R1A2C1004798)의 지원을 받았음. 연구 과정 동안 부산광역시의 도움과, 논문 투고 과정에서 지질학회지 편집위원과 두 분 심사위원의 세심한 조언에 감사드립니다.

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