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The Influence of the Characteristics of Drainage Basin on Depositional Processes of the Alluvial Fan: An Example from the Cretaceous Duwon Formation in Goheung Area
유역분지 특성에 따른 충적선상지의 퇴적작용: 고흥군 백악기 두원층의 예
Econ. Environ. Geol. 2021 Aug;54(4):441-56
Published online August 31, 2021;  https://doi.org/10.9719/EEG.2021.54.4.441
Copyright © 2021 The Korean Society of Economic and Environmental Geology.

Kyung Jin Lee1, Seung-Ik Park1, Hyojong Lee2, Yong Sik Gihm1,*
이경진1 · 박승익1 · 이효종2 · 김용식1,*

1Department of Geology, Kyungpook National University
2Marine and Petroleum Division, Korea Institute of Geosciences and Mineral Resources
1경북대학교 지질학과
2한국지질자원연구원 석유해저연구본부
Received July 24, 2021; Revised August 24, 2021; Accepted August 24, 2021.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
 Abstract
The Cretaceous Duwon Formation was studied on the basis of sedimentologic analysis in order to unravel geologic conditions for the development of the streamflow-dominated alluvial fan under arid to semi-arid climatic conditions. The Duwon Formation unconformably overlies the Paleoproterozoic gneiss (basement). Based on the sedimentologic analysis, the Duwon Formation is interpreted to have been deposited in gravelly braided stream (FA-1) near the basement, laterally transitional to sandy braided stream (FA-2) and floodplain environments (FA-3) with distance (< 7 km) from the basement. Lateral changes in sedimentary facies and the well development of calcrete nodules in FA-3, together with radial paleocurrent directions measured in FA-1, are suggestive of the deposition of the Duwon Formation in streamflow-dominated alluvial fan under arid to semi-arid climatic conditions. Recent analysis of detrital zircon chronology suggests that sediments of the Duwon Formation were derived from the southwestern part of the Korean peninsula, including the western part of Yeongnam Massif and the southwestern part of Okcheon Belt. This implies the alluvial fan where the Duwon Formation accumulated had the large drainage basin. Because the large drainage basin can supply the significant amounts of water and temporarily store the sediments within the basin, watery floodwater carried sediments to the alluvial fan rather than the debris flows. Furthermore, the drainage basin largely composed of coarse-grained metamorphic and igneous rocks produced sand-grade sediments, preventing evolution of floodwater into debris flows. We suggest that combined effects of the large drainage basin and its coarse-grained metamorphic and igneous rocks provided favorable conditions for the development of streamflowdominated alluvial fan, despite arid to semi-arid climatic conditions during sedimentation.
Keywords : braided stream, floodplain, streamflow-dominated alluvial fan, arid to semi-arid climate, basement
Research Highlights
  • Sedimentological analysis was conducted in the Cretaceous Duwon Formation.

  • The DuwonFm. was deposited in streamflow-dominated alluvial fan in semi-arid climatic conditions.

  • The streamflow-dominated alluvial fan can be formed by its large drainage basin.

1. 서 론

퇴적분지의 경계에서 발달하는 충적선상지는 퇴적동시기성 구조 운동 및 기후 변화에 따라 퇴적작용과 퇴적물의 입도가 급격하게 변화하며, 충적선상지에서 퇴적된 퇴적암의 수평-수직적 퇴적상 변화를 이용하여 지구조운동 및 고기후에 대한 연구들이 수행되었다(Blair and Bilodeau, 1988; Blair and McPherson, 1994, 2009; Blair, 1999; Jo et al., 1997; Weissmann et al., 2002; Harvey, 2005; Moscariello, 2017). 특히, 기후 변화는 기원지의 식생 및 풍화 양상을 변화시키며, 충적선상지에서 퇴적되는 퇴적물의 종류 및 퇴적작용에 영향을 미친다(Blair and McPherson, 1994, 2009; Harvey, 2005). 일반적으로 건조한 기후 조건에서는 주로 쇄설류(debris flow)에 의해 퇴적이 발생하며, 습윤한 기후 조건에서는 판류(sheetflood) 및 하천류(streamflow)에 의해 퇴적이 발생한다(Schumm, 1977; Blair and McPherson, 1994, 2009). 다양한 연구 방법을 바탕으로 수행된 기존 연구에 따르면, 백악기 경상누층군이 퇴적될 당시 경상분지는 건조 또는 아건조한 기후가 우세하였다(Choi, 1985; Paik and Lee, 1998; Paik et al., 2001, 2007; Paik and Kim, 2003; Houck and Lockley, 2006). 그러나 경상분지의 경계에서 수행된 퇴적학적 연구에 따르면, 건조한 기후임에도 불구하고 하천류가 우세한 충적 선상지(streamflow-dominated alluvial fan)가 발달하였다(Jo et al., 1997; Rhee et al., 1998; Jo, 2003). 이는 퇴적지의 기후와 충적선상지의 퇴적작용이 차이가 있음을 의미하나, 그 원인에 대한 연구는 이루어지지 않았다.

기후와 충적선상지의 퇴적작용 차이를 규명하기 위해 전라남도 고흥군 일원에 분포하는 백악기 두원층에 대한 연구를 수행하였다. 두원층은 영남육괴의 고원생대 편마암 상부에 부정합으로 분포하며, 상부는 유천층군의 고흥응회암이 피복하고 있다(Yun and Hwang, 1988; Kim et al., 2015; Chae et al., 2019). Cho (2000)는 두원층을 건조한 기후에서 형성된 충적선상지 및 사질 망상하천 퇴적체로 해석하였으나, 건조한 기후에서 이들 퇴적환경이 발달한 원인에 대한 연구는 이루어지지 않았다. 따라서 이번 연구에서는 상세한 야외 지질조사 결과를 바탕으로 두원층에 대한 퇴적학적 연구를 수행하여, 건조한 기후에서 발달하는 하천류가 우세한 충적선상지의 형성 원인을 연구하였다. 이러한 연구 결과는 백악기 경상분지의 층서발달사를 이해하는 데 있어 중요한 역할을 할 것으로 보인다.

2. 지질학적 배경

백악기 한반도를 포함한 동북아시아는 유라시아대륙 아래로 사각섭입하는 고태평양판(proto-Pacific plate)의 영향을 받아 다수의 육성퇴적분지가 형성되고 화성활동이 발생하였다(Chough et al., 2000; Okada, 2000; Chough and Sohn, 2010; Cheon et al., 2020). 이러한 퇴적분지들은 북동-남서 방향의 좌수향 주향이동단층계를 따라 발달한 다수의 주향이동분지(strike-slip basin)와 배호분지(back-arcbasin)인 경상분지로 구분할 수 있다(Chun and Chough, 1992; Chough et al., 2000; Chough and Sohn, 2010; Fig. 1a). 경상분지 내 백악기 퇴적층인 경상누층군은 하호성(fluvio-lacustrine) 환경에서 퇴적되었으며(Choi, 1986; Jo et al., 1997; Rhee et al., 1998; Jo, 2003; Paik and Kim, 2006; Lee and Hwang, 2012), 퇴적층 내 화산물질 함량에 따라 주로 쇄설성 퇴적물로 구성된 신동층군, 쇄설성 퇴적물이 우세하나 응회질퇴적암 및 화산암이 분포하는 하양층군, 주로 화산암으로 구성된 유천층군으로 구분된다(Chang, 1975; Ghim et al., 2020; Fig. 1b). 경상누층군 내 발달하는 포자화분화석군, 석회질 단괴(calcrete) 및 건열, 증발암광물흔(evaporite mineral casts)에 대한 연구는 경상누층군이 퇴적될 당시 건조 또는 아건조 기후가 우세하였음을 지시한다(Choi, 1985; Paik and Lee, 1998; Paik et al., 2001, 2007; Paik and Kim, 2003; Houck and Lockley, 2006).

Figure 1. Geologic maps of the southern part of the Korean Peninsula and the Gyeongsang Basin. (a) Distribution of the Cretaceous sedimentary basins and major fault systems (modified from Chough and Sohn, 2010). (b) Regional geologic map of Gyeongsang Basin (modified from Cheon et al., 2020). Black boxes indicate study area.

두원층은 Yun and Hwang (1988)에 의해 최초로 명명되었으며, 전라남도 고흥군 일원에 분포한다(Fig. 1b). 두원층은 영남육괴의 고원생대 편마암 상부에 부정합으로 피복하고 있으며, 두원층의 상부는 응회각력암 및 화산력응회암으로 구성된 고흥응회암이 피복하고 있다(Kim et al., 2015; Fig. 2). Cho (2000)Kenrick et al. (2000)은 두원층의 퇴적 시기는 백악기 전기의 바레미안(Barremian: 129.4-125.0Ma) 이전으로, 경상누층군의 신동층군과 대비된다고 제안하였다. 또한 Chae et al. (2019)은 고분해능 이차이온 질량분석기(Sensitive High Resolution Ion MicroProbe: SHRIMP)와 레이저삭박 다검출기 유도결합플라즈마 질량분석기(Laser Ablation-multicollector-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer: LA-MCICPMS)를 이용하여 두원층의 쇄설성저어콘과 고흥응회암의 저어콘에 대해 절대연령을 측정하였다. 그 결과 두원층의 최대퇴적시기는 123.1±1.1 Ma, 고흥응회암의 분출시기는 약 86.4 Ma로 나타났으며, 이를 바탕으로 고흥 응회암이 두원층을 부정합으로 피복하고 있음을 제안하였다. 최근 Chae et al. (2021)은 두원층의 내 쇄설성 저어콘에 대한 절대연령 측정 및 쇄설성 저어콘 형태 분석을 바탕으로 두원층의 기원지가 영남육괴 서부와 옥천변성대 남서부를 포함하는 한반도 남서부임을 제안하였다.

Figure 2. Geologic map of the study area. The Duwon Formation is unconformably underlain by the Paleoproterozoic gneiss (basement) and covered by the Goheung Tuff. Red circles indicate locations for stratigraphic logs (DW-1 to DW-6).
3. 연구 방법

두원층의 분포와 기반암 및 고흥응회암과의 층서 관계를 확인하기 위해 전라남도 고흥군 대서면, 남양면, 과역면, 두원면 일원에서 두원층에 대한 야외조사를 수행하였다. 1:25,000 축척의 지형도를 바탕으로 두원층의 분포 지역 및 인접 지역에 대한 지질도를 작성하였다(Fig. 2). 이후 두원층의 수평-수직적 연장성이 우수한 해안 지역 노두 중 6개의 지점을 선정하여 1:20 축척의 주상도를 작성하였다(Figs. 2, 3). 이와 더불어 역암 내 비늘구조(imbrication)를 측정하여 퇴적 당시 고수류 방향을 분석하였다.

Figure 3. Stratigraphic logs of the Duwon Formation at selected locations. See Fig. 2 for the locations.
4. 야외조사 결과

두원층의 기반암은 대서면, 두원면 일원에 분포하며 반상변정질편마암으로 구성된다(Fig. 4a). 두원층은 기반암과의 경계를 따라 북동-남서 방향으로 분포하며, 지층의 주향과 경사는 N30°W~N50°E 및 5~40°NE, SE의 범위를 보인다(Fig. 2). 대서면, 두원면 일원의 두원층은 쇄설성퇴적물로 구성된 역암 및 사암이 우세하게 나타나며, 역은 대부분 기반암에서 유래한 편마암, 화강암 및 규암으로 구성된다(Fig. 4b). 과역면, 남양면 일원의 두원층은 자색 이암이 우세하게 나타나며, 이와 교호하는 역암 및 사암으로 구성된다. 이들 자색 이암은 깨진 정장석 결정으로 대표되는 응회질퇴적물을 포함하며, 아각형에서 아원형 모양의 화산암 역이 기반암에서 유래한 편마암, 화강암 및 규암 역과 함께 관찰된다(Fig. 4c). 고흥응회암은 응회질퇴적물을 포함한 두원층을 피복하고 있으며, 두 층서단위의 경계는 뚜렷하고(sharp) 평평한 특징을 보인다(Fig. 4d).

Figure 4. Photographs of the Duwon Formation with the underlying basement and the overlying Goheung Tuff. (a) Paleoproterozoic porphyroblastic gniess. (b) Outcrop view of the Duwon Formation composed of basement-derived siliciclastic sediments. (c) Photograph of the tuffaceous sediments in the upper part of the Duwon Formation. Broken K-feldspar crystals are noteworthy. (d) A sharp and planar boundary between the Duwon Formation and the overlying Goheung Tuff.
5. 퇴적상 조합 분석

퇴적물의 입도, 조성, 퇴적구조 및 조직, 층리의 형태, 암석의 색을 바탕으로 두원층의 퇴적상을 8개로 구분하였다(Table 1). 이후 퇴적상의 특징, 역암-사암-이암의 상대적인 구성비, 퇴적상의 수평-수직적 분포와 퇴적층의 기하(geomtery)를 고려하여 3개의 퇴적상 조합으로 구분하였다.

Table 1 . Description and interpretation of lithofacies in the Duwon Formation

Facies CodeLithofaciesOccurenceDescriptionInterpretation
GmMassive conglomerateFA-1, FA-2Subrounded to rounded, clast-supported pebble to boulder; coarse to very coarse sand matrix; poorly to moderately sorted; a(t)b(i) imbricated fabric; slightly normal grading; crude stratification; concave-up or sharp, planar lower boundary; 0.2 to 1.6 m thickBedload deposition as gravel sheets or longitudinal bars in channel
Gp/gSpPlanar crossstratified conglomerate or gravelly sandstoneFA-1, FA-2Subrounded to rounded pebble to cobble supported by sandy matrix (Gp) or coarse to very coarse sand with pebble clasts(gSp); poorly to moderately sorted; planar cross-stratification; sharp and slightly erosional lower boundary; 0.2 to 1.3 m thickMigration and deposition of(sandy) gravel bars
GtTrough-filling conglomerateFA-3Angular to subangular pebble to boulder rip-up mudstone clasts (Mp) with subrounded to rounded pebble clasts; coarse to very coarse sand matrix; poorly sorted; concave-up or sharp, planar lower boundary; 0.3 to 0.8 m thickCrevasse channel-fill deposits
ShHorizontally stratified sandstoneFA-1, FA-2, FA-3Alternating layers (<2 cm thick) of medium to very coarse sand with pebble clasts; sharp or slightly erosional lower boundary; 0.2 to 2.8 m thickUpper flow regime plane bed
SrRipple crosslaminated sandstoneFA-1, FA-3Very fine to medium sand; asymmetrical; gradual or sharp lower boundary; 0.1 to 0.2 m thickMigration of 2D ripples
SmMassive sandstoneFA-1, FA-3Coarse to very coarse sand with scattered pebble clasts; poorly sorted; sharp lower boundary; 0.3 to 1 m thickRapid deposition from decelerating sediment-laden flow
MgGray mudstoneFA-1Gray todark gray clay and silt; homogeneous; gradual lower boundary; 0.2 m thick;Deposition fromsuspension settling in standing water under poorly drained conditions
MpPurple mudstoneFA-3Purple-colored clay and silt; homogeneous; burrows; calcrete nodules; sharp lower boundary; 0.05 to 1.5 m thickDepositionfrom suspension settling during overbank flooding under well drained conditions, post-depositional modification


5.1. 퇴적상 조합1: 역질 망상하천

기재: 퇴적상 조합1(FA-1)은 DW-1, 2, 3에서 나타난다. 최하부에서부터 상부로 상향세립화 경향을 보이는 괴상역암(Gm), 사층리 역암 및 역질 사암(Gp/gSp), 수평층리사암(Sh) 또는 괴상 사암(Sm), 연흔 사엽층리 사암(Sr), 회색 이암(Mg)으로 구성된다(Fig. 3).

퇴적상 조합1의 최하부에는 아래로 오목한(concave-up) 하부 침식 경계의 상부에 판상(sheet-like)의 기하를 보이는 괴상 역암이 나타난다(Fig. 5a). 아원형에서 원형 모양의 자갈에서 거력 크기의 역이 역지지성 조직을 보이며, 기질은 조립에서 극조립의 모래로 구성된다. 디스크형(disc) 또는 판상형(blade)의 역들이 비늘구조(a(t)b(i) imbrication)를 보인다(Fig. 5b). 이를 대상으로 고수류 방향(paleocurrent direction)을 측정한 결과, 평균 벡터(mean vector) 방향은 남서(245°) 및 남동(148°) 방향이 우세하게 나타났다. 역암층들은 대부분 괴상이나 일부 점이층리를 보이며, 역의 배열과 입도 변화를 통해 희미한 층리(crude stratification)가 인지되기도 한다. 괴상 역암의 상부에는 사층리 역암 및 역질 사암이 침식 경계 또는 점이적인 경계를 보이며 나타난다(Fig. 5c). 사층리는 하부 층리면에 기울어져 배열된 역의 장축 방향 또는 입도 변화에 따라 인지된다. 사층리는 대체로 남쪽(179~198°) 방향으로 10~30°로 경사져있다. 역은 아원형에서 원형 모양의 자갈에서 왕자갈 크기이며, 기질은 조립에서 극조립의 모래로 구성된다. 수평층리 사암 또는 괴상 사암은 사층리 역암 및 역질 사암 또는 괴상 역암의 상부에서 뚜렷한 경계를 보이며 나타난다. 수평층리 사암은 중립에서 극조립의 모래가 2 cm 내외의 두께로 교호하여 나타난다(Fig. 5d). 곳에 따라 뜯어올린 이암 역(rip-up mudstone clast)을 포함한 자갈에서 왕자갈 크기의 역이 수평층리 사암 내에서 관찰된다(Fig. 5d). 괴상 사암은 자갈 크기의 역을 포함한 조립에서 극조립의 모래로 구성되며, 분급이 불량하다(Fig. 5e). 극세립의 모래로 구성된 연흔 사엽층리 사암은 수평층리 사암의 상부에 점이적인 경계를 보이며 나타난다(Fig. 5f). 비대칭의 연흔이 발달하며, 두께는 10 cm 내외이다. 연흔 사엽층리 사암의 상부에는 드물게 점토 및 실트로 구성된 균질한 회색 이암이 약 20 cm의 두께로 점이적인 경계를 보이며 나타난다(Fig. 5f). 퇴적상 조합1은 0.5~2.5 m의 두께로 주로 융합된(amalgamated) 층으로 나타났다(Fig. 3).

Figure 5. Photographs of facies association 1 (FA-1, DW-1 to DW-3). (a) Outcrop view of FA-1. Massive conglomerate (Gm) resting on the concave-up erosional lower boundary (solid lines). (b) Close-up view of massive conglomerate (Gm). Subrounded to rounded blade-shaped clasts exhibiting a(t)b(i) imbrication and clast-supported fabrics. (c) Cross-bedding (dashed lines) of planar cross-stratified conglomerate or gravelly sandstone (Gp/gSp). (d) Close-up view of the horizontally stratified sandstone (Sh). (e) Poorly sorted massive sandstone (Sm). (f) A gradual contact between the underlying ripple cross-laminated sandstone (Sr, dashed lines) and the overlying gray mudstone (Mg).

해석: 괴상 역암의 비늘구조와 역지지성 조직은 역들이 밑짐으로써 운반되었음을 지시하며(Todd, 1989), 아래로 오목한 하부 침식 경계는 괴상 역암을 형성시킨 수류가 하도(channel)를 따라 이동하였음을 나타낸다(Miall, 1977; Allen, 1981; Miall, 1985). 이러한 특징들과 더불어 분급이 불량하거나 보통인 특징과 희미한 층리는 괴상역암이 하도를 따라 흐르는 홍수류(high-magnitude streamflood)에 의해 퇴적되었음을 지시한다(Allen, 1981; Miall, 1985; Jo et al., 1997). 판상의 기하가 나타나고 경사진 퇴적면(slipface)이 발달하지 않는 특징은 괴상 역암이 역질 시트(gravel sheet) 또는 종렬 사주(longitudinal bar)의 형태로 퇴적되었음을 지시한다(Hein and Walker, 1977). 괴상 역암에서 발달하는 점이층리는 시간에 따라 홍수류의 세기가 약해지면서 유수의 운반능력(flow competence)이 점차 감소하였음을 의미한다(Miall, 1977). 괴상역암 내에 발달하는 희미한 층리는 여러 번의 홍수 또는 다단계(multi-stage)의 홍수 동안 역질 시트의 부가(accretion)에 의해 형성되었음을 지시한다(Jo et al., 1997). 사층리 역암 및 역질 사암의 사층리는 경사진 퇴적면에서 역들이 미끌림으로 퇴적되었음을 지시하며, 사층리의 경사 방향과 하부 역암의 고수류 방향의 차이(약 60°)는 사층리 역암 및 역질사암이 측면 누적(lateral accretion)의 결과로 형성된 사주 퇴적체(bar deposit)임을 지시한다(Smith, 1974; Miall, 1977; Bluck 1979). 수평층리 사암은 사주 퇴적체 상부에서 발달하는 상부 유권(upper flow regime)의 평행층(plane-bed)으로 해석된다(Bluck, 1979; Maizels, 1993; Jo et al., 1997). 분급이 불량한 괴상 사암의 특징은 퇴적 당시 퇴적면(depositional boundary)의 난류 형성이 제한되었음을 의미하며, 이는 홍수류의 유속이 감소함에 따라 이동하던 퇴적물이 빠르게 퇴적되어 발생한 현상으로 해석된다(Arnott and Hand, 1989; Todd, 1989; Maizels, 1993). 연흔 사엽층리 사암은 홍수의 저수위기 동안 사주 퇴적체의 최상부 또는 얕은 깊이의 하도에서 발달한 하부 유권(lower flow regime)의 연흔으로 해석된다(Allen, 1968; Miall, 1977). 회색 이암은 홍수의 말기에 사주 퇴적체의 최상부 또는 유기된 하도(adandoned channel)와 같이 물이 고여있는 환경에서 점토와 실트로 이루어진 뜬짐 입자들이 침전되어 형성되었음을 지시한다(Miall, 1977). 따라서, 퇴적상 조합1은 하도를 따라 흐르는 홍수류에 의해 형성된 역질 망상하천(gravelly braided stream)의 퇴적체를 지시하며, 상향 세립화 경향을 보이는 것은 시간에 따라 홍수류의 유속이 점차 감소했음을 지시한다.

5.2. 퇴적상 조합2: 사질 망상하천

기재: 퇴적상 조합2(FA-2)는 DW-4에서 나타난다. 최하부에서부터 괴상 역암(Gm), 사층리 역암 및 역질 사암(Gp/gSp) 및 수평층리 사암(Sh)으로 구성된다. 퇴적상 조합2는 퇴적상 조합1과 유사한 특성을 보이지만, 퇴적상 조합1보다 사암의 비율이 우세하며, 역암과 사암 내 역의 크기와 함량이 감소한다. 전반적으로 상향 세립화 경향을 보이며, 총 두께는 1~1.6 m이다(Fig. 3).

퇴적상 조합2의 최하부에는 얕은 침식 경계와 판상의 기하를 보이는 괴상 역암이 약 10 cm의 두께로 나타난다(Figs. 6a, 6b). 아원형에서 원형 모양의 자갈에서 왕자갈 크기의 역들이 역지지성 조직을 보이며, 기질은 조립에서 극조립의 모래로 이루어져 있다. 괴상 역암의 상부에는 뚜렷한 경계를 보이며 사층리 역암 및 역질 사암이 나타난다. 사층리 역암 및 역질 사암은 조립에서 극조립의 모래로 구성되며, 하부 층리면에 기울어져 배열된 역의 장축 방향 또는 모래의 입도 차이에 따라 사층리가 인지된다(Figs. 6b, 6c). 사층리 역암 및 역질 사암은 단일 층 혹은 여러 층들이 수직적으로 중첩되어 나타나며, 중첩된 사암층의 경사각은 유사하나 경사 방향은 차이(55°, 110°)를 보인다(Fig. 6c). 사층리 역암 및 역질 사암의 상부에는 뚜렷한 경계를 보이며 수평층리 사암이 나타난다. 수평층리 사암은 조립에서 극조립의 모래가 2 cm 내외의 두께로 교호하여 나타난다(Fig. 6d). 수평층리 사암의 상부는 사층리 역암 및 역질 사암이 피복하기도 하며, 그 사이에는 쐐기 형태의 이암이 나타나기도 한다(Fig. 6e).

Figure 6. Photographs of facies association 2 (FA-2, DW-4). (a) Outcrop view of FA-2. Massive conglomerate (Gm) shows sheet-like geometry on the shallowly erosional lower boundary (solid lines). (b) Close-up view of massive conglomerate (Gm). Cross-bedding(dashed lines) of planar cross-stratified conglomerate or gravelly sandstone (Gp/gSp). (c) Outcrop view of planar cross-stratified conglomerate or gravelly sandstone (Gp/gSp). Two sandy gravel bars show contrasting dip direction (55°, 110°). (d) Outcrop view of horizontally stratified sandstone (Sh). (e) Mud wedges between (gravelly) sand deposits.

해석: 괴상 역암은 역지지성 조직을 보이는데, 이는 역들이 밑짐으로써 운반되었음을 지시한다(Todd, 1989). 하부의 얕은 침식 경계와 판상의 기하는 괴상 역암이 홍수류에 의해 운반된 역질 시트에 의해 퇴적되었음을 의미한다(Hein and Walker, 1977). 역암 상부에 경사져 퇴적된 사층리 역암 및 역질 사암은 역질 시트 상부에 형성된 사주 퇴적체임을 지시한다(Smith, 1974; Hein and Walker, 1977; Miall, 1977; Jo et al., 1997). 사층리 역암 및 역질 사암이 여러 매가 수직적으로 중첩되어 나타나는 경우, 경사 방향에 차이를 보인다. 이는 기존의 사주 퇴적체 상부에 새로운 퇴적체가 성장함에 따라, 기존 사주 퇴적체를 피복하여 발생된 것으로 해석된다(Jo and Chough, 2001). 수평층리 사암은 사주 퇴적체 상부에서 조립에서 극조립의 모래가 반복적으로 퇴적되어 발달하는 상부 유권의 평행층으로 해석된다(Bluck, 1979; Bristow, 1993; Maizels, 1993; Jo et al., 1997). 수평층리 사암의 상부에 나타나는 쐐기 형태의 이암은 사주 퇴적체의 상부에 점토와 실트로 구성된 뜬짐 입자들이 퇴적되고, 이후 발생한 홍수류에 의해 새로운 사주 퇴적체가 형성되면서 이암의 상부를 침식, 피복함에 따라 발달한 것으로 해석된다(Jo and Chough, 2001). 퇴적상 조합2는 사질 망상하천(sandy braided stream)의 퇴적체로 해석되며(Cant and Walker, 1978), 퇴적상 조합1에 비해 사암이 우세하고 감소한 역의 크기와 함량은 하천의 운반능력이 점차 감소하였음을 지시한다.

5.3. 퇴적상 조합3: 범람원

기재: 퇴적상 조합3(FA-3)은 DW-5, 6에서 나타난다. 주로 균질한 점토와 실트로 구성된 자색 이암(Mp)이 우세하며, 이와 교호하는 뜯어올린 이암 역을 포함하는 곡 채움 역암(Gt), 수평층리 사암(Sh) 또는 괴상 사암(Sm), 연흔 사엽층리 사암(Sr)으로 구성된다(Fig. 3).

퇴적상 조합3의 자색 이암 내에는 굴착구조(burrow)가 흔하게 관찰되며, DW-6에서는 자색 이암의 내부에 석회질 단괴가 발달한다(Figs. 7a, 7b). 석회질 단괴는 주로 수 cm의 길이로 층리면에 평행 또는 수직으로 발달하나 드물게 측방으로 연장되어 발달하기도 하며 드물게 이질의 엽층리가 관찰되기도 한다. 자색 이암의 상부에는 아래로 오목한 침식 경계를 보이며 곡 채움 역암이 0.3~0.8 m의 두께로 나타난다. 역은 주로 각형에서 아각형 모양의 자갈에서 거력 크기의 뜯어올린 이암 역으로 구성되며, 아원형에서 원형 모양의 편마암 역과 규암 역들도 나타난다(Fig. 7c). 기질은 조립에서 극조립의 모래로 이루어 있으며, 분급이 불량하다. 수평층리 사암 또는 괴상 사암은 곡 채움 역암 또는 자색 이암의 상부에서 판상의 기하로 나타난다. 조립의 모래에서 왕모래가 2 cm 내외의 두께로 교호하여 나타난다(Fig. 7d). 층의 하부에서는 자갈 크기의 각형에서 아각형 모양의 뜯어올린 이암 역이 관찰되며, 역의 크기와 함량은 상부로 갈수록 감소하는 경향을 보인다. 괴상 사암은 자갈 크기의 역을 포함한 조립에서 극조립의 모래로 구성되며, 분급이 불량하다(Fig. 7e). 자색 이암의 상부에는 연흔 사엽층리 사암이 드물게 나타나기도 한다. 연흔 사엽층리 사암은 중립의 모래로 구성되고 비대칭의 연흔이 발달하며 두께는 0.2 m이다(Fig. 7f).

Figure 7. Photographs of facies association 3 (FA-3, DW-5, DW-6). (a) Burrow (arrows) in the homogeneous purple mudstone (Mp). (b) Calcrete nodules in the homogeneous purple mudstone (Mp). (c) Trough-filling conglomerate (Gt) shows a concave-up erosional lower boundary (solid lines). Note subangular to angular pebble to boulder-sized rip-up mudstone clasts. (d) Horizontally stratified sandstone (Sh) composed of alternating layers of coarse sand to granule. (e) Poorly sorted massive sandstone (Sm). (f) Ripple crosslaminated sandstone (Sr, dashed lines) at the top of the homogeneous purple mudstone (Mp).

해석: 균질한 자색 이암은 배수가 양호한 범람원에서 홍수기 동안 점토와 실트의 침전으로 형성되었음을 지시한다(Mack et al., 1993). 굴착구조는 범람원에서 토양화 작용이 발생하고 무퇴적기간이 있었음을 지시한다(Retallack, 1988). 석회질 단괴는 공극수로부터 석회질 물질이 침전되어 형성되었으며, 이는 건조 또는 아건조 기후에서 퇴적되었음을 지시한다(Hubert, 1978; Paik and Lee, 1998; Paik and Kim, 2003; Tanner, 2010). 곡 채움 역암은 아래로 오목한 침식 경계를 보이며, 역은 주로 각형에서 아각형 모양의 자갈에서 거력 크기의 뜯어올린 이암 역으로 구성된다. 이는 홍수기에 제방(levee)을 넘어 범람한 홍수류가 범람원에 하도를 형성함과 동시에 자색의 이질 퇴적물을 침식시키고, 침식된 이질 퇴적물이 홍수류의 모래와 함께 재퇴적됨에 따라 형성된 틈상 하도 퇴적체(crevasse channel deposits)로 해석된다(Bridge, 1984; Smith et al., 1989; Rhee et al., 1993). 곡 채움 역암의 상부에 나타나는 판상의 수평층리 사암은 제한된 수류(confined flow)가 개방수류(unconfined flow)로 전이됨에 따라 형성된 틈상 퇴적체(crevasse splay deposits)로 해석된다(Bridge, 1984; Smith et al., 1989; Rhee et al., 1993). 수평층리 사암층의 상부로 갈수록 뜯어올린 이암 역의 크기와 함량이 감소하는 특징은 홍수류의 세기가 점차 감소하였거나, 범람원 상부에 틈상 퇴적체가 퇴적됨에 따라 자색 이암의 침식이 제한되어 발생한 결과로 해석된다. 연흔 사엽층리 사암의 연흔은 중립의 모래들이 하부유권에서 상대적으로 약한 흐름에 의해 형성되었음을 지시한다(Allen, 1968). 이는 범람한 홍수류의 세기가 약했거나, 제방으로부터 먼 거리에서 퇴적되었음을 지시한다.

6. 고수류 방향 분석

고수류 방향은 퇴적상 조합1의 괴상 역암에서 관찰되는 디스크형 또는 판상형의 역을 대상으로, 역의 모든 축(axis)이 관찰되고 중간축이 겹쳐 비늘구조(a(t)b(i))를 보이는 역들의 경사 방향을 측정하였다. 이후 역암의 상하부에 분포하는 수평층리 사암 혹은 회색 이암의 경사각 및 경사 방향을 바탕으로, 역들의 경사 방향을 보정하여 장미도표(rose diagram)에 나타내었다(Fig. 8). 그 결과 고수류의 평균 벡터 방향은 대체로 남서(245°, 249°) 및 남동(148°, 159°) 방향이 우세하게 나타났다. 이러한 결과는 기반암 인근에서 두원층을 형성한 하천이 주로 남서 및 남동 방향으로 흘렀음을 지시한다.

Figure 8. Rose diagrams and mean vectors of paleocurrent directions based on a(t)b(i) imbricated clasts in massive conglomerate (Gm).
7. 토 의

7.1. 두원층의 퇴적환경

퇴적상 분석 및 퇴적상 조합 결과, 두원층은 하천과 이와 인접한 범람원에서 퇴적되었음을 지시한다. 그러나 DW-1 인근의 기반암으로부터 멀어짐에 따라 약 7 km의 범위에서 퇴적상 조합1(역질 망상하천)에서 퇴적상 조합2(사질 망상하천), 퇴적상 조합3(범람원)으로 측방변화가 나타나며(Figs. 2, 3), 퇴적상 조합1에서 측정한 방사상의 고수류 분포는 두원층이 하천류가 우세한 충적선상지(streamflow-dominated alluvial fan)에서 퇴적되었음을 지시한다(Ridgway and Decelles, 1993; Jo et al., 1997; Weissmann et al., 2002; Nichols and Fisher, 2007; Weissmann et al., 2013, Fig. 9).

Figure 9. Schematic depositional model of the Duwon Formation.

계절적 또는 간헐적 강수에 의해 발생한 고농도 홍수류는 유역분지(drainage basin)의 하천(feeder channel)을 통해 충적선상지로 이동하였다. 충적선상지는 유역분지의 급경사 하천이 충적평원(alluvial plain)으로 도달함에 따라 형성된 부채꼴 형태의 퇴적지형으로써, 선상지의 상류(proximal)에서 중류(medial), 하류(distal)로 갈수록 경사가 감소하고 면적이 증가함에 따라 홍수류의 수력학적 특징이 변화하게 된다(Nichols and Fisher, 2007; Chakraborty and Ghosh, 2010; Weissmann et al., 2013). 충적선상지의 상류에서는 유역분지에 비해 경사가 완만해짐에 따라 홍수류의 유수력(stream power)과 퇴적물의 운반능력(competence)이 감소하게 된다. 따라서 밑짐으로 이동하는 왕자갈에서 거력 크기의 퇴적물이 충적선상지의 상류 지점에 발달한 역질 망상하천에서 퇴적됨에 따라 퇴적상 조합1을 형성하였다(Ridgway and Decelles, 1993; Weissmann et al., 2013, Fig. 9). 퇴적상 조합1에서 발달하는 융합된 하도 퇴적체는 하도의 측면이동이 활발하였음을 지시하며, 이는 선상지 상류로의 퇴적물 공급량이 퇴적공간(accommodation space)에 비해 많았음을 지시한다(Nichols and Fisher, 2007; Weissmann et al., 2013). 이와 더불어 주로 역질 및 사질 퇴적물로 구성된 퇴적상 조합1의 특징은 하도의 측면 안정성(lateral stability)이 낮았음을 의미한다. 따라서 상대적으로 좁은 면적의 충적선상지 상류에 하도의 수평이동이 활발하여 융합된 퇴적상 조합1이 퇴적된 것으로 해석된다. 충적선상지 중류의 경사는 보다 완만하여 홍수류의 운반능력이 감소하고 이로 인해 역질 망상하천은 사질 망상하천으로 변화한다. 이와 더불어 홍수류가 조립질 퇴적물로 이루어진 충적선상지 상류를 이동하는 중에 발생한 침투(infiltration)로 인해 홍수류의 유량은 감소하고 하도의 규모는 줄어들게 된다(Weissmann et al., 2011). 따라서 하도를 따라 흐르는 홍수류의 침식이 제한되어 10 cm 내외의 역질시트가 퇴적상 조합2의 하부에 퇴적되게 되었다. 이후 모래와 자갈로 구성된 사주퇴적체가 형성되어 퇴적상 조합2가 퇴적되었다(Fig. 9). 충적선상지 하류에서의 경사는 더욱 완만해지고 하도의 폭과 깊이는 감소하게 된다. 만약 홍수류의 유량이 하천의 수용력(capacity)보다 크게 되면 범람(flooding)이 발생하게 된다. 범람한 홍수류로부터 점토 및 실트가 퇴적되어 자색 이암이 퇴적되었으며, 하도 인근에는 틈상 퇴적체가 발달하여 퇴적상 조합3을 형성하였다(Fig. 9). 자색 이암 내의 석회질 단괴 및 생교란 구조(bioturbation)는 퇴적 이후 무퇴적기간이 존재하였음을 나타내는데, 이는 충적선상지의 하류에 도달하는 홍수류의 규모에 비해 상대적으로 넓은 하류구간의 면적때문에 제한된 범위에서만 홍수류의 퇴적이 발생된 결과로 해석된다.

7.2. 유역분지가 퇴적작용에 미치는 영향

두원층에 대한 퇴적학적 연구를 통해 확인한 자색 이암 내 석회질 단괴(Fig. 7b)는 두원층이 건조 또는 아건조한 기후에서 퇴적되었음을 지시하며, 이는 기존의 식물화석 연구(Cho, 2000; Kenrick et al., 2000)와 경상누층군에서 수행된 고기후 연구와도 잘 부합한다(Choi, 1985; Paik and Lee, 1998; Paik et al., 2001, 2007; Paik and Kim, 2003). 일반적으로 건조 또는 아건조 기후 조건에서 발달하는 충적선상지는 유역분지의 미약한 식생의 발달과 강수 시 빠른 지표 유출작용으로 쇄설류가 쉽게 형성되어 쇄설류가 우세한 충적선상지가 발달하게 된다(Blair and Bilodeau, 1988; Blair and McPherson, 1994, 2009). 그러나 두원층은 퇴적될 당시의 기후가 건조했음에도 불구하고 하천류가 우세한 충적선상지가 발달하였다. 최근 Chae et al. (2021)은 두원층의 사암 내 포함된 쇄설성 저어콘에 대한 절대연령측정을 통해 두원층의 기원지에 대한 연구를 수행하였다. 쇄설성 저어콘 연대는 대부분 고원생대와 쥬라기에 해당하며, 고생대, 트라이아스기 및 백악기에 형성된 저어콘이 일부 나타난다. 쇄설성 저어콘의 연령 측정결과와 형태를 바탕으로 Chae et al. (2021)은 두원층의 기원지가 영남육괴 서부와 옥천변성대 남서부임을 제안하였다(Fig. 10a). 이러한 연구 결과는 두원층을 형성한 충적선상지의 유역분지가 넓었음을 지시하며, 홍수 시 유역분지의 하천을 통해 충적선상지로 공급되는 홍수류의 유량이 많았음을 의미한다. 또한 홍수류가 유역분지를 이동하는 동안 홍수류 내의 퇴적물은 저지대 혹은 하도의 유기 등에 의해 단속적으로 유역분지내에 퇴적되게 된다. 따라서 홍수 시 많은 양의 퇴적물이 선상지로 공급되는 것이 제한되며, 홍수류 내 퇴적물의 비율이 낮아 쇄설류보다 하천류가 우세한 충적선상지가 형성된 것으로 해석된다(Kostaschuk et al., 1986; Wells and Harvey, 1987; Harvey, 2011). 또한, 넓은 유역분지는 저장 가능한 홍수의 유량이 풍부하여 홍수 이후에도 하천을 통해 충적선상지로 물을 공급하게 된다. 이로 인해 충적선상지의 상류가 투수율이 높은 조립질 퇴적물로 구성되어 있음에도 불구하고, 지하수위가 높게 유지되어 퇴적상 조합1의 회색 이암이 퇴적될 수 있었다.

Figure 10. Geologic map representing inferred catchment area(Chae et al., 2021) of the Duwon Formation (modified from Kee et al., 2019).

또한 Chae et al. (2021)이 제안한 기원지는 주로 조립의 고원생대 반상변정질편마암, 화강편마암 및 쥬라기 화강암으로 구성되며(Fig. 10), 이는 Chae et al. (2021)이 보고한 쇄설성 저어콘의 연대의 상대 분포와 대응된다. 기존의 연구에 따르면, 충적선상지의 유역분지를 구성하는 암석의 종류에 따라 풍화로 형성된 퇴적물의 종류와 크기는 차이를 보이며, 이는 충적선상지의 퇴적작용에 영향을 미친다(Blair, 1999; Levson and Rutter, 2000; Nichols and Thompson, 2005; Wagreich and Strauss, 2005; Arzani, 2012; Arzani and Jones, 2016). 예를 들어, 유역분지의 암석이 화학적 풍화에 약하거나 구성 입자의 크기가 작은 이암, 화산암 또는 세립의 변성암으로 구성된 경우, 점토의 생성률이 높아 쇄설류가 우세하게 발달한다. 이와 반대로 풍화에 강하거나 구성 입자의 크기가 큰 화강암 또는 편마암의 경우, 모래 크기의 퇴적물을 주로 형성하여 쇄설류보다 판류 또는 하천류가 우세하게 발달한다. 따라서 유역분지를 주로 구성하는 조립의 반상변정질편마암, 화강편마암 및 화강암은 모래 크기의 입자를 주로 형성하여 쇄설류 발달에 중요한 점토의 형성은 제한한 것으로 보인다. 따라서 건조 또는 아건조한 기후임에도 불구하고 넓은 유역분지와 이를 주로 구성하는 풍화에 강한 조립질 암석의 영향으로 하천류가 우세한 충적선상지가 발달하여 두원층이 퇴적되었다.

8. 결 론

전라남도 고흥군 일원의 백악기 두원층은 조립의 반상 변정질편마암으로 구성된 기반암을 부정합으로 북동-남서 방향으로 분포한다. 두원층에 대한 야외조사 및 퇴적학적 연구 결과, 3개의 퇴적상 조합으로 구분되며, 이들은 각각 역질 망상하천(퇴적상 조합1), 사질 망상하천(퇴적상 조합2), 범람원(퇴적상 조합3) 환경을 지시한다. 퇴적환경의 측방변화, 석회질 단괴, 방사상의 고수류 방향은 두원층이 건조한 기후에서 하천류가 우세한 충적선상지 환경에서 퇴적되었음을 지시한다. 최근 쇄설성 저어콘 절대연령 측정 결과, 두원층의 퇴적물은 영남육괴 서부와 옥천변성대 남서부에서 공급되었으며, 이는 충적선 상지의 유역분지가 넓었음을 지시한다. 넓은 유역분지와 풍화에 강한 조립의 변성암 및 화성암으로 구성된 유역분지는 쇄설류보다 고농도 홍수류가 발달하는데 유리한 조건을 제공하였다. 따라서 건조 또는 아건조한 기후임에도 불구하고 하천류가 우세한 충적선상지가 형성되어 두원층이 퇴적되었다.

사 사

이 연구는 한국연구재단(No. 2020R1F1A1070752)과 1:5만 대강리 지질도폭 조사 연구(벌교, 원창 지역)의 지원으로 수행되었다. 이 논문은 두 분의 세심한 검토 의견으로 논문의 논리성과 가독성이 향상되었으며, 이에 감사드린다.

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August 2021, 54 (4)