• We studied the Cretaceous Jeonggaksan Formation deposited in lacustrine environments affected by explosive volcanic eruptions.

• Two pyroclastic beds occur in this formation: welded lapilli tuff and normally graded lapilli tuff

• These contrasting depositional features of the pyroclasitc deposits resulted from differences in physical characteristics of pyroclastic density currents when entering into the lake.

백악기에 한반도는 유라시아판 하부로 섭입하는 (고)태평양판에 의해 지각변형을 겪었으며, 그 결과 다수의 육성 퇴적분지가 형성되었다(Chough and Sohn, 2010; Kim et al., 2012; Wang et al., 2012; Li et al., 2014; Aoki et al., 2014; Kim et al., 2016). 이들 퇴적분지 내에는 하·호성환경에서 퇴적물이 퇴적되었으며, 지각변형과 함께 발생한 화성활동에 의해 다양한 화산암들이 퇴적층과 교호혹은 퇴적층을 관입하고 있다(Ryang and Chough, 1997; Lee, 1999; Lee and Chough, 1999; Kim et al., 2003; Chough and Sohn, 2010). 특히 경상분지 남동부의 유천층군 및 한반도 서해 및 남해 연안에 분포하는 백악기 화산암-퇴적암층에 대한 연구결과에 따르면, 화쇄밀도류(pyroclastic density currents)에 의해 퇴적된 응회암은 호수에서 퇴적된 퇴적층들과 빈번히 교호 혹은 호성퇴적층을 피복하고 있으며, 이는 퇴적동시기성 화산활동에 의해 형성된 화쇄밀도류가 여러 차례 호수로 유입되었음을 지시한다(Kim et al., 1998; Zhang et al., 2012; Koh et al., 2013; Kwon et al., 2015; Choi et al., 2016; Hwang et al., 2019). 화쇄밀도류가 호수로 유입되는 경우, 호수 내의 물과 상호작용 하게 되며, 퇴적물 농도, 지속성, 퇴적률 등화쇄밀도류의 물리적 특성에 따라 다양한 퇴적상을 보인다Cas and Whright, 1991; Legros and Druitt, 2000; White, 2000; Freundt, 2003; Edmonds and Herd, 2005; Trofimovs et al., 2008; Gihm and Hwang, 2014; Di Capua and Groppelli, 2016; Di Capua et al., 2021). 이들 응회암에대한 퇴적학적 연구를 통해 화쇄밀도류의 물리적 특성과퇴적과정에 영향을 미친 호수 내 물과의 상호작용을 이해할 수 있음에도 불구하고, 호수에서 퇴적된 화쇄밀도류의 퇴적과정 및 물리적 특성 분석 연구는 매우 부족하다. 호수로 유입된 화쇄밀도류의 퇴적과정, 화쇄밀도류와 호수의 상호작용 및 이 상호작용에 영향을 미친 화쇄밀도류의 물리적 특성을 파악하기 위해 경상남도 밀양시단장면 일원에 분포하는 유천층군 정각산층에 대한 퇴적학적 연구를 수행하였다. 정각산층은 호수에서 형성된 퇴적암 및 응회질 퇴적암으로 구성되며 화쇄밀도류에 의해 형성된 화산력응회암과 교호하고 있다. 이번 연구에서는 노출이 양호한 정각산층에서 수행된 퇴적학적 연구를 통해 호수로 유입된 화쇄밀도류의 퇴적과정을 해석하고 이들 퇴적과정에 영향을 미친 화쇄밀도류의 물리적 특성을 분석하였다. 이러한 연구는 경상분지 유천층군, 주향이동단층계를 따라 발달하는 백악기 소분지, 서해안과 남해안에 분포하는 호성 퇴적층과 교호하는 응회암의 퇴적과정을 밝히는 데 있어 중요한 자료로 사용될 것으로 기대된다.

백악기, 유라시아판 아래로 섭입하는 고태평양판(paleo-Pacific Plate)에 의해 한반도를 포함하는 유라시아판의 북동 연변부에는 다수의 퇴적분지가 형성되었으며, 대륙화산호의 형성 및 발달과 이와 수반된 화성활동으로 퇴적분지 내의 퇴적암은 화산암들과 교호하거나 화산암 및 화강암류에 의해 관입되어 있다(Chough and Sohn, 2010; Kim et al., 2012, 2016). 백악기 경상분지는 한반도에서 가장 큰 백악기 분지로서, 진주소분지, 의성소분지, 영양소분지로 구분된다(Chough and Sohn, 2010). 경상분지의 퇴적층은 약 9 km에 달하는 경상누층군으로 이루어져 있으며, 하·호성 퇴적환경에 퇴적된 퇴적암 및 대륙화산호의 화산활동에 의해 형성된 화산암으로 구성된다(Fig. 1; Chang, 1977). 경상누층군은 하부에서 상부로 쇄설성퇴적암으로 구성된 신동층군, 쇄설성퇴적암과 응회질퇴적암으로 구성되며 화산암과 교호하는 하양층군, 유문암질혹은 안산암질화산암으로 주로 구성된 유천층군으로 이루어져 있다(Fig. 1). Chough and Sohn (2010)은 경상누층군을 고태평양판의 섭입에 의해 형성된 대륙화산호(경상화산호)와 배호분지(경상배호분지)로 해석하였으며, 신동층군과 하양층군은 배호분지에서 퇴적된 퇴적암으로, 유천층군을 대륙화산호에 의해 형성된 화산암으로 각각 해석하였다.

Figure 1. Geological map of the study and surrounding areas. These areas are composed of volcanic and sedimentary rocks (Yucheon Group) intruded by granotoids (Fm.: Formation, An: Andesite). All data presented in this map are from Kim and Hwang (1988) and Hong and Choi (1988) with minor modifications. Stratigraphic scheme follows that of Hwang et al. (2019).

최상부 유천층군은 화학조성과 정치과정이 다른 다양한 종류의 화산암으로 구성되며, 이 화산암은 화산활동휴지기에 퇴적된 퇴적암들과 교호하며 나타난다. Hwang et al. (2019)은 상대적으로 상세히 연구된 지역의 암층서와 각 화산암에서 샘플한 저어콘의 SHRIMP(Senstive High Resolution Ion Probe) U-Pb 및 LA-ICPMS(Laser Ablation-multicollector-Inductively Coupled Plasma-Mass

Spectrometer) U-Pb 절대연령 측정을 바탕으로 유천층군을 하부에서부터 상부로 주사산아층군, 운문사아층군, 욕지아층군, 사량아층군으로 구분하였다. 주사산아층군과 욕지아층군은 안산암질 화산암류, 운문사아층군과 사량아층군은 유문암질 화산암류로 이루어져 있다. 주사산아층군은 밀양소분지 남동부에 광역적으로 분포하는 반면, 욕지아층군은 통영남부 욕지도에 소규모로 분포한다(Hwang et al., 2019). 운문사아층군은 밀양, 자인, 언양지역과 삼랑진, 양산, 원동, 부산의 장산 일원에 광역적으로 분포하며 사량아층군은 의성소분지와 영양소분지 및 통영 인근 도서에 분포한다(Hwang et al., 2019). 최근 하양층군 진동층 상부에 분포하는 주사산아층군의 경계에서 수행된 SHRIMP 저어콘 U-Pb 분석 결과에 따르면, 진주소분지의 주사산아층군은 약 97-96 Ma에 형성되기 시작하였다(Gihm et al., 2020).

연구지역인 경상남도 밀양시 단장면 일원에 분포하는 정각산층은 유천층군 내 주사산아층군의 상부에 정합으로 퇴적되어 있다(Fig. 1). 주사산아층군은 하부에서 상부로 팔용산응회암, 종남산안산암, 생철리응회암, 밀양안산암으로 구분되며(Hwang et al., 2019), 연구지역에서는 종남안산암과 밀양안산암이 분포한다(Fig. 1) (Kim and Hwang, 1988; Hong and Choi, 1988). 밀양안산암으로부터 획득한 저어콘 샘플에 대한 LA-ICPMS U-Pb 분석 결과에 따르면 밀양안산암은 약 94-88 Ma에 결쳐 형성되었다(Zhang et al., 2012). 정각산층의 상부는 유문암 및 데사이트질 화산암으로 구성된 운문사아층군이 피복하고 있으며(Fig. 1), 운문사아층군은 하부에서 상부로 응회각력암, 데사이트질 응회암, 데사이트, 유문암질 응회암, 화제리층, 유문암질 응회암으로 구성된다. 정각산층을 피복한 응회암으로부터 획득한 저어콘 샘플에 대한 LA-ICPMS U-Pb 분석 결과에 따르면 이 응회암은 약 88 Ma에 형성되었다 (Zhang et al., 2012).

정각산층을 구성하는 퇴적암 및 응회암에 대한 퇴적상을 분석하기 위해 임도를 따라 노출이 우수한 지점(JF-01~JF-06)에서 퇴적상 분석을 수행하였다(Fig. 2). 각 지점에서 주상도(1:20 축척)를 작성하여 퇴적암 및 화산암의 퇴적구조와 조직 특성을 확인하였다(Fig. 2). 이후 퇴적암 및 응회암의 박편를 제작하여 미세구조를 확인하였다. 정각산층은 구성성분이 유사한 응회질 퇴적암과 응회암이 빈번하게 교호하고 있으므로 이들의 성인을 구분하여 퇴적기작(depositional processes)을 해석하는 것이 중요하다. 이를 위해 층의 두께, 화산기원 입자의 유무(예:화산재 응집체, 부석), 열에 의한 퇴적구조(예: 용결구조),분급, 결정의 함량 등을 바탕으로 정각산층을 화쇄밀도류에 의해 퇴적된 (화산력)응회암과 지표 및 수저의 퇴적작용에 의해 형성된 응회질퇴적암으로 구분하였다(Cas and Wright, 1991; Freundt, 2003; Trofimovs et al., 2006; Gihm and Hwang, 2014). 화산기원 입자인 화산재 응집체는 화산재 표면에 수증기가 응결하여 형성되며, 연구지역의 화산재 응집체는 직경 1 cm 미만의 괴상의 핵 주위에 수 mm 이내의 단일 외곽층으로 구성된 화산재 팰릿과 핵 주위에 다수의 외곽층으로 구성된 부가화산력으로 구성된다(Fig. 2; Brown et al., 2010). 이러한 연구 방법을 바탕으로 수행한 퇴적상 분석 결과, 연구지역의 퇴적암 및 응회암은 총 4개의 퇴적상으로 구분된다. 각 퇴적상은 판상의 기하를 보이며, 측방 연장성이 우수하다(Fig. 3a).

Figure 2. Stratigraphic logs of the Jeonggaksan Formation consisting of (tuffaceous) sedimentary rocks and lapilli tuff (M: mud, F: fine sand, C: coarse sand, P: pebble). See Fig. 1 for location.

Figure 3. Photographs of the (tuffaceous) sedimentary rocks in the Jeonggaksan Formation. (a) Outcrop photograph of well bedded, laterally persistent Jeonggaksan Formation. (b) Close-up view of the sandstone-mudstone couplets. (c) Convolute laminations (arrows) formed by a series of load and flame structures in the sandstone-mudstone couplets. (d) Outcrop photographs of (tuffaceous) normally graded sandstones with sharp or erosional lower boundaries (dashed line). (e) Close-up view of a (tuffaceous) normally graded sandstone. (f) Close-up view of planar stratifications in the upper part of the (tuffaceous) normally graded sandstones.

3.1. 사암-이암 호층(Sandstone-mudstone couplets)

사암-이암 호층은 연구지역에서 가장 흔한 퇴적암으로서 실트질사암과 이암의 수평층이 교호하며 나타난다(Fig. 3b). 실트질사암은 수 mm에서 수 cm 두께(최대 8cm)로 하부의 경계는 뚜렷하고 평평하다. 대체로 괴상이나점이층리와 함께 평행엽리가 발달하는 실트질사암 또한 존재한다. 사암의 상부는 1-6 cm 내외(최대 10 cm)의 이암이 피복하고 있으며 그 경계는 대체로 점이적이다. 이암은 회색 혹은 암회색을 띠며, 괴상이다. 사암-이암 호층은 수직으로 최대 1 m의 두께를 보이며, JF-05지점에서는 일련의 하중 및 불꽃구조로 대표되는 연질퇴적 변형구조가 측방으로 연속적으로 나타난다(Figs. 2 and 3c).

실트질사암 및 이암으로 구성된 사암-이암 호층은 저에너지 환경에서 퇴적되었음을 지시하며, 호층 내 사암-이암으로의 입도변화는 퇴적물의 입도가 주기적으로 변화하였음을 의미한다(Renaut and Gierlowski-Kordesch, 2010). 회색 혹은 암회색의 이암은 실트 및 점토 크기의 부유퇴적물이 산소가 결핍된 환경에서 퇴적되었음을 지시하며, 뚜렷한 사암과 이암의 경계는 퇴적 당시 생교란작용(bioturbation)이 매우 제한적이었음을 나타낸다(Allen and Allen, 2013). 이러한 특징을 바탕으로 사암-이암 호층을 층상구조가 발달한 호수에서 퇴적된 퇴적암으로 해석하였으며, 층상구조에 의해 산소가 결핍된 결과 저서성 생물의 활동이 제한되어 층의 경계가 보존된 것으로 해석하였다. 사암-이암 호층으로 대표되는 퇴적물의 수직적 입도변화는 호수로 공급되는 퇴적물의 입도가 시간에 따라 변화하였음을 지시하며, 실트질 사암의 퇴적시기는 유역분지의 홍수기와 대응될 것으로 추정된다(Anderson and Dean, 1988; Renaut and Gierlowski-Kordesch, 2010).괴상의 퇴적상을 보이는 실트질 사암은 호수 표층의 부유퇴적물이 침전된 것으로, 점이층리와 함께 평행층리가 발달하는 실트질사암의 경우 소규모 저탁류 퇴적층으로 해석하였다(Strum and Matter, 1978). 판상의 사암-이암호층 내에 분포하는 연질퇴적 변형구조는 빠른 퇴적작용, 파도의 영향 혹은 경사진 면에서의 퇴적과 같은 분지 내부원인(endogenic trigger)이 제한적이었음을 의미하며, 이는 지진과 같은 외부원인(exogenic trigger)에 의해 형성된 것으로 추정된다(Owen et al., 2011).

3.2. 점이층리 (응회질)사암(Normally graded (tuffaceous) sandstones)

점이층리 (응회질)사암은 층상의 기하를 보이며 뚜렷하고 평평하거나 침식된 하부경계를 보이며, 사암-이암 호층과 교호하며 나타난다(Fig. 3d). 점이층리 (응회질)사암은 분급이 보통이거나 양호한 조립에서 세립사로 구성되며, 층의 두께는 10-20 cm (최대 60 cm)이다. 층의 하부는 대체로 분급이 보통이며 괴상의 모래로 구성되나, 세립질 모래보다 큰 입자로 이루어진 경우 역점이층리가 발달하기도 한다. 상부로 갈수록 분급이 양호해짐과 동시에 점이층리가 발달한다(Fig. 3e). 곳에 따라 입도의 수직적 변화를 통해 평행(엽)층리를 층의 상부에서 관찰할수 있다(Fig. 3f).

점이층리, 판상의 기하, 하부의 침식 혹은 뚜렷한 경계는 점이층리 (응회질)사암이 저탁류에 의해 퇴적되었음을 지시한다(Talling et al., 2012). 층의 하부에 나타나는 괴상의 퇴적상은 저탁류로부터 퇴적물이 빠르게 공급되어 퇴적경계(depositional boundary)에서 난류(turbulence)발생이 제한되어 나타난 특징으로 해석되며, 역점이층리는 퇴적경계면 상부에서 발생된 입자 간 충돌의 결과로 해석하였다(Sohn, 1997). 이후 상부의 점이층리는 저탁류의 유속이 점차 감소하였음을 지시하며, 상부구간에서 발달하는 평행층리는 상부유권(upper flow regime: 부마층(Bouma sequence)의 Tb) 조건에서 퇴적, 혹은 비지속성(unsteady)흐름을 보이는 저탁류로부터 퇴적경계로 낙하하는 퇴적물의 입도차이에 의해 형성(부마층의 Td)된 것으로 해석하였다(Talling et al., 2012).

3.3. 용결화산력응회암 (Welded lapilli tuff)

용결화산력응회암은 사암-이암 호층 사이에 약 10 m의 두께로서 노출되어 있으며, 화산력의 크기 및 종류, 화산력의 지지형태에 따라 하부구간(0-1 m), 중부구간(1-9 m), 상부구간(9-10 m)로 구분할 수 있다(Fig. 2). 하부구간은 응회암, 유문암, 데사이트 및 화강암으로 구성된 조립의 화산력(D: 16-64 mm, White and Houghton, 2006)으로 구성되어 있다(Fig. 4a). 화산력은 입자지지 조직을 보이며, 화산력 사이의 공간은 사장석 및 정장석 결정을 포함하는 세립에서 중립의 화산재로 구성된다(Fig. 4b).분급은 불량하며 괴상의 퇴적상을 보인다. 화산력은 각형에서 아원형의 형태로 곳에 따라 직소구조(jigsaw-fit texture)를 보인다(Fig. 4b). 상부로 갈수록 화산력의 크기와 함량이 점이적으로 감소하며, 하부구간은 중부구간으로 변화한다. 중부구간은 분급이 불량한 중립(2-16 mm)에서 세립(1-2 mm)의 화산력으로 구성되며(Fig. 4c), 중부구간의 하부에서는 중립의 화산력이, 상부에서는 세립의 화산력이 각각 우세하게 나타난다(Fig. 2). 이들 화산력은 치밀하고 단단한 기질에 지지되어 있으며, 박편상에서 결정 및 암편 주위에 휘어진 기질로 인지할 수 있는 용결구조가 발달한다(Fig. 4d). 중부구간의 상부에서는 중립 화산력 크기의 화산재 펠릿(ash pellet)으로 대표되는 화산재 응집체(ash aggregates, Brown et al., 2010)가 관찰된다(Fig. 4e). 상부구간은 세립에서 극세립의 화산재 및 세립의 화산력으로 구성되며, 상부로 갈수록 화산력의 함량이 감소한다. 상부구간에서는 화산재 팰릿과 함께 최대 직경이 2 cm 이내인 부가화산력(accretionary lapilli)이 흔하게 관찰된다(Fig. 4f). 부가화산력은 원형 혹은 타원형의 형태로서, 괴상이며 세립의 화산재로 구성된 직경 1 cm 미만의 코어와 이를 둘러싸는 다수의 외곽층으로 구성되어 있다.

Figure 4. Photographs of the welded lapilli tuff. (a) Clast-supported, coarse-grained lowermost part of the welded lapilli tuff. (b) Closeup view of the lowermost part of the welded lapilli tuff. This part is composed of angular lithic lapilli locally showing a jigsaw-fit texture (arrows). (c) Poorly sorted, massive middle part of the welded lapilli tuff. (d) Microphotographs of welded lapilli tuff. Note a welded texture determied by warped, fine-grained matrix (arrows) (Lfs: lithic fragments, Pl: plagioclase). (e) Coated ash pellets consisting of massive core and single, concentric rim in the upper part of the welded lapilli tuff. (f) Accretional lapilli (arrow) composed of massive core and multiple concentric rims surrounding the core exposed in the topmost part of the welded lapilli tuff.

용결구조, 화산재 누적입자, 다수의 결정을 포함하는기질 및 10 m 이상의 두께는 용결화산력 응회암이 폭발적인 화산활동에 의해 형성된 화쇄밀도류에 의해 퇴적되었음을 지시한다(McPhie et al., 1993; Druitt, 1998; Branney and Kokelaar, 2002). 상, 하부에 나타나는 사암-이암 호층은 이들 화쇄밀도류가 호수환경으로 유입되었음을 의미한다. 상부로 갈수록 입자의 크기가 감소하는 특징은 화쇄밀도류의 속도가 점차 감소하였음을 지시하며, 전반적으로 분급이 불량하고 괴상의 퇴적상은 화쇄밀도류로부터 화산재와 암편들이 퇴적경계로 빠르게 퇴적된 결과로 해석된다(Druitt, 1995; Branney and Kokelaar, 2002).화쇄밀도류가 호수 내로 유입되었음에도 이러한 높은 퇴적률로 인해 화산재와 화산력은 열을 보존할 수 있었으며, 그 결과 용결구조가 형성되었다(Branney and Kokelaar, 2002). 용결응회암의 중부구간의 상부 및 상부구간에 분포하는 화산재 응집체는 세립의 화산재가 분포하는 화쇄밀도류의 상부에서 수증기가 응결하여 부가된 결과로 해석된다(Gilbert and Lane, 1994; Schumacher and Schmincke, 1995; Brown et al., 2010; Van Eaton et al., 2012).

3.4. 점이층리 화산력응회암 (Normally graded lapilli tuff)

점이층리 화산력응회암은 연구지역 퇴적층의 최상부에 분포하며 두께는 약 4 m이다(Fig. 5a). 층의 하부(0-1.4 m)에서 이 화산력 응회암은 유문암, 응회암, 데사이트, 안산암, 부석 및 화강암으로 구성된 중립에서 세립의 화산력들로 이루어져 있으며, 화산력은 각형에서 아각형으로 분급은 불량하거나 보통이다(Fig. 2). 하부에서는 화산력의 함량 및 크기의 수직적 변화를 통해 인지할 수 있는 내부경계면(internal boundary)이 발달하며, 이들 경계면에 의해 구분되는 3매의 점이층리 구간이 인지된다(Figs. 2 and 5b). 점이층리 구간의 두께는 40-80 cm으로, 각 구간의 하부에서는 화산력들이 입자지지의 형태를 보인다. 점이층리 구간 내에서 상부로 갈수록 화산력의 크기와 함량이 감소함과 동시에 다수의 알칼리 장석이 포함되어 있으며 분급이 우수하거나 보통인 화산재 기질에 의해 지지되어 있다(Fig. 5c). 각 구간의 최상부에서는 화산력의 함량 변화 혹은 기질의 입도 변화를 통해 확인할 수있는 희미한 수평층리가 약 1-5 cm의 두께로 관찰된다(Fig. 5d). 이후 상부로 갈수록 (1.8-4.0 m) 화산력의 함량이 감소함에 따라 점이층리 화산력응회암은 분급이 양호하거나 보통인 조립에서 세립의 화산재로 구성된다(Fig. 5e).이들 화산재는 암편과 반자형에서 타형 혹은 깨진 알칼리 장석 및 석영 등으로 주로 이루어져 있으며, 박편상에서 이들 결정은 직소구조를 보이기도 한다(Fig. 5f).

Figure 5. Photographs of the normally graded lapilli tuff. (a) Outcrop photograph of the normally graded lapilli tuff. (b) Multiple normally graded divisions in the lower part of the the normally graded lapilli tuff with a gradational internal boundary (dashed line). (c) Large amounts of crystals (alkali feldspar and quartz) in the normally graded lapilli tuff. (d) Crude stratifications (arrows) defined by vertical alternation of coarse-rich and -poor layers in the normally graded divisions in the lower part of the normally graded lapilli tuff. (e) Fine-grained upper part of the normally graded lapilli tuff. (f) Microphotographs of the normally graded lapilli tuff. Fractured crystals with a jigsaw-fit texture (arrow) are noteworthy (Lfs: lithic fragments, Qtz: quartz).

점이층리, 보통이거나 우수한 분급, 평행층리는 점이층리 화산력응회암이 저탁류에 의해 퇴적되었음을 지시하며, 응회암 내의 흔한 결정 및 부석, 직소구조를 보이는 결정의 산출, 점이층리 응회질사암에 비해 두꺼운 두께는 이들 저탁류가 화산활동과 성인적으로 관련되어 있음을 암시한다(Freundt, 2003; Trofimovs et al., 2008; Allen et al., 2012; Freundt et al., in press). 또한, 각형에서 아각형의 화산력은 충분한 마모작용을 받지 않았음을 지시한다. 이러한 근거를 바탕으로 점이층리 화산력응회암을 호수로 유입된 화쇄밀도류에 의해 형성된 저탁류 퇴적층으로 해석하였다(Trofimovs et al., 2008). 내부경계로 구분되는 점이층리 구간은 시간에 따른 퇴적물 운반능력(competence)이 변화하였음을 지시하며, 이는 화쇄밀도류의 비지속성유동(unsteady flow)의 결과로 해석된다(Kneller and Branney, 1995). 이후 상부의 점이층리 구간은 속도가 감소하는 저탁류에 의해 형성되었다. 분급이 보통이거나 양호함에도 불구하고 층면구조(bedfom)가 나타나지 않는 것은 부유퇴적물이 퇴적경계면으로 빠르게 낙하한결과로 해석된다(Talling et al., 2012).

앞선 퇴적상 분석은 연구지역의 퇴적암 및 화산암은 호수에서 형성되었으며, 폭발적인 화산활동에 의해 형성된 화쇄밀도류가 간헐적으로 호수로 유입되었음을 지시한다. 호수 내에 퇴적된 화쇄밀도류 퇴적층은 점이층리 화산력응회암과 용결화산력응회암으로 구분되며, 이들의 상이한 퇴적학적 특징은 호수로 유입한 화쇄밀도류의 물리적특성 및 퇴적과정에 차이가 있음을 의미한다.

현생에서 수저(호수 및 바다)로 유입된 화쇄밀도류에 대한 관찰, 퇴적상 분석, 실험 및 이론적 분석에 따르면, 수저로 유입되는 화쇄밀도류의 물리적 거동은 화쇄밀도류 내 화산쇄설물의 공급량(mass flux), 화쇄밀도류의 지속성(steadiness) 등에 의해 영향을 받는다(Fig. 6) (Cas and Wright, 1991; Carey et al., 1996; Legros and Druitt, 2000; Freundt, 2003; Edmonds and Herd, 2005; Trofimovs et al., 2008). 화쇄밀도류는 화산가스와 화산쇄설물의 혼합물로서 화산쇄설물의 농도(concentration)가 높고 조립의 입자로 구성된 하부와 저농도이며, 세립의 화산재로 구성된 상부로 구분된다(Sohn and Chough, 1989; Druitt, 1998). 화도로부터 화산쇄설물이 화쇄밀도류로 지속적으로 공급되면 화쇄밀도류는 수 시간동안 흐름을 지속한다(Bursik and Woods, 1996). 이러한 화쇄밀도류가 호수로 유입되는 경우, 화쇄밀도류는 충분한 시간 동안 물을 밀어내기(water displacement) 위한 압력을 해안 및 호안에 작용하여 물과 접하는 전면부를 제외하곤, 물에 의한 열손실 없이 화쇄밀도류의 퇴적이 발생하게 된다(Kokelaar and Koniger, 2000; Legros and Druitt, 2000) (Fig. 6a). 이러한 물 밀어냄은 화도로부터 공급되는 화산쇄설성 퇴적물의 양이 증가할수록 잘 발생하며, 세립이며 화산쇄설물의 농도가 낮은 상부는 고농도의 하부와 분리(decoupling)되어 호수면 혹은 해수면을 따라 이동한다(Figs. 6a and c; Legros and Druitt, 2000; Freundt, 2003). 이와 달리 비지속성 흐름 혹은 단속적인 화산폭발에 의한 지속시간이 짧은 화쇄밀도류의 경우 해안 및 호안에서 물을 밀어낼만큼 충분한 압력을 지속시키지 못하므로, 화쇄밀도류는 물에 포화되어 저탁류 혹은 쇄설류와 같은 수저 중력류로 변화하게 된다(Fig. 6c).

Figure 6. Depositional models of the welded lapilli tuff (a to b) and the normally graded lapilli tuff (c). (a) Sustained pyroclastic density currents can displace lake water from shoreline when entering into the lakes. As a consequence, the pyroclastic density currents do not interact with ambient water except for frontal part, and, thus, the resultant deposits retain heat, forming a welded texture. (b) Time-series (T1 to T3) depositional models of welded lapilli tuff at an inferred point X. Littoral eruptions at shoreline and/or fine-elutriation in the lake by water ingestion cause the formation of the coarse-grained frontal part of the pyroclastic density currents. Sedimentation from the frontal part results in coarse-grained, clast-supported lower part of the welded massive lapilli tuff (T1). Formation of coated ash pellets in the upper part of the fine-grained ash plume by condensation of water vapor derived from magma and evaporation of lake water. The coated ash pellets grow to accretionary lapilli by progressive accretion of fine-grained ash as a result of fluctuation of ash pellets in the ash plume by turbulence (T2). A growth of accretionary lapilli together with a decrease in intensity of turbulence during the final stage of deposition results in settling of accretionary lapilli in the topmost part of the welded lapilli tuff (T3). (c) Transformation of the unsteady, relatively short-lived, pyroclastic density currents into water-saturated turbidity currents as entering into the lakes.

용결화산력 응회암의 치밀하고 단단한 중부구간 및 용결구조는 용결화산력 응회암을 퇴적시킨 화쇄밀도류가 호수 내로 유입되었음에도 열을 보존할 수 있었음을 지시한다. 전반적으로 괴상의 퇴적상을 보이는 특징은 다량의 화산쇄설물이 퇴적경계면으로 지속적으로 낙하, 퇴적되었음을 지시하며, 이러한 퇴적경계면의 특징은 9 m(하부-중부구간) 이상의 용결응회암이 쌓이는 동안 지속되었음을 의미한다(Sohn and Chough, 1989; Druitt, 1995; Carey et al., 1996). 따라서, 용결화산력 응회암을 퇴적시킨 화쇄밀도류는 고농도이며, 상대적으로 오랜시간동안 지속된 것으로 해석된다. 최하부 입자지지를 보이며, 직소구조를 보이는 화산력은 화산쇄설류가 호수로 유입된 당시, 화쇄밀도류의 전면부가 물과 상호작용한 결과로 해석된다(Fig. 6a). 화쇄밀도류 내로 유입된 물에 의한 세립의 화산쇄설물의 선택적 제거(selective removal) 혹은 화쇄밀도류로부터 열전달에 의한 호안에서의 증기 폭발(littoral eruption)로 세립의 화산재가 상대적으로 결핍된 상태에서 퇴적되어, 입자지지를 보이는 하부구간이 형성되었다(Fig. 6a; Trofimovs et al., 2008; Allen et al., 2012).또한 전면부에서 물과 접촉한 화산력은 급격한 냉각과열 수축이 발생하여 화산력 내에 직소구조를 형성한 것으로 해석된다(Gim et al., 2016). 치밀하고 단단하며 용결구조를 보이는 중부구간은 화쇄밀도류와 물의 상호작용이 미약하였음을 지시하며, 이는 물 밀어냄의 결과로 해석된다(Fig. 6a). 이로 인해 세립의 화산재와 조립의 화산력은 물의 영향 없이 화쇄밀도류로부터 퇴적경계면으로 빠르게 낙하하여 분급이 불량하며 용결구조를 보이는 중부구간을 형성하였다(Druitt, 1995). 이와 더불어 상부구간에서 나타나는 화산재 누적입자는 세립의 화산재로 구성된 화쇄밀도류 상부에서 수증기가 응결하여 화산재가 부가되었음을 지시한다(Fig. 6b) (Brown et al. 2010, 2012). 화쇄밀도류가 이동하는 동안 세립의 화산재로 이루어진 화쇄밀도류의 상부는 주위 공기의 유입으로 냉각되어 화산가스 대부분을 차지하는 수증기는 점차 응결하게 된다. 이와 더불어 화쇄밀도류의 상부가 호수면을 따라 이동하면서 화쇄밀도류와 호수의 열전달에 의해 화쇄밀도류의 상부의 수증기 양은 점차 증가하게 된다(Schumacher and Schmincke, 1995; Brown et al., 2010; Van Eaton et al., 2012). 그 결과, 세립의 상부구간 내 수증기가 점차 화산재의 표면에 응결하게 되며, 물이 응결한 화산재가 난류에 의해 서로 충돌, 부가되어 화산재 펠릿이 형성되었다(Fig. 6b). 화산재 펠릿이 난류에 의해 화쇄류 상부구간에서 오르내림을 반복하면 화산재가 부가되게 되며 부가화산력이 형성되게 되었다. 이후 부가화산력의 크기가 커져 더이상 난류에 의해 입자가 지지되지 못한 경우 퇴적경계면에 낙하하여 부가화산력이 우세한 상부구간이 형성되었다(Fig. 6b). 이에 반해 화산재 팰릿의 경우 크기가 충분히 성장하지 못한 채 퇴적경계면에 낙하하여 형성된 것으로 해석된다.

점이층리 화산력응회암 하부에 나타나는 내부경계와 내부경계에 구분되는 점이층리 구간은 호수로 유입된 화쇄밀도류가 유속이 시간이 지남에 따라 변화하는 비지속성흐름을 보였음을 지시한다(Fig. 6a)(Kneller, 1995; Kneller and Branney, 1995). 이와 더불어 점이층리 구간의 상부에 나타나는 희미한 평행층리는 퇴적경계면 상부에 난류가 작용하였음을 지시한다(Talling et al., 2012). 이러한 특징은 용결화산력응회암을 형성시킨 화쇄밀도류에 비해 퇴적경계면으로의 퇴적물 낙하가 점진적으로 발생되었음을 지시하며, 이는 점이층리 화산력응회암을 형성시킨 화쇄밀도류의 퇴적물 농도가 낮은 결과로 추정된다. 또한입도의 수직적인 변화를 통해 인지되는 점이층리 화산력응회암의 하부구간은 화쇄밀도류가 비지속성 흐름을 보였음을 나타낸다. 그 결과, 화쇄밀도류의 전면부의 압력이 호안에서 물을 밀어낼 만큼 지속적으로 작용하지 못하였으며, 화쇄밀도류가 물에 포화되어 저탁류로 변화한 것으로 해석된다(Fig. 6c; Trofimovs et al., 2008). 뜨거웠던 화쇄밀도류 내 고온의 결정들은 물과의 접촉으로 열수축하게 되어 직소구조가 발달하게 되었으며, 화쇄밀도류 내의 유체가 가스에서 상대적으로 높은 점성과 밀도를 지닌 물로 변화함에 따라 상대적으로 분급이 우수한점이 층리 화산력응회암이 형성되었다(Mandeville et al., 1996; White and McPhie, 1997; Trofimovs et al., 2006; Kokelaar et al., 2007).

경상남도 밀양시 단장면 일원에 분포하는 정각산층은 호수에서 퇴적된 퇴적암과 이와 교호하는 화쇄밀도류 퇴적층으로 구성되어 있다. 화쇄밀도류의 퇴적층은 용결화산력응회암과 점이층리 화산력응회암으로 구성된다. 상이한 퇴적구조 및 용결구조의 발달 여부는 호수로 유입될 당시의 화쇄류의 물리적 거동에 따은 차이로 해석된다. 화산쇄설물의 농도가 높고 상대적으로 오랫동안 지속되는 화쇄밀도류는 호안에서 물을 밀어낼 수 있어 화쇄밀도류의 전면부를 제외하고는 물과의 상호작용 없이 퇴적이 일어나 용결구조와 함께 분급이 불량한 용결화산력응회암을 형성하였다. 이와 달리 상대적으로 저농도이며, 비지속성흐름을 보이는 화쇄밀도류는 호수로 유입됨에 따라 빠르게 물로 포화되어 내부경계와 더불어 점이층리를 보이는 점이층리 화산력응회암을 형성하였다. 따라서, 호수로 유입될 당시의 화쇄밀도류의 물리적 특징에 따라 호수의 물과 상호작용에 차이를 보이며, 그 결과 상이한 퇴적기록을 남기게 되었다.

이 논문은 경북대학교 2019학년 신임교수정착연구비에의하여 연구되었습니다. 유익한 조언 및 제안을 보내주신 두 분의 심사위원과 편집위원께 감사드립니다.