• The Taean area of the Western Gyeonggi Massif preserves typical fold-thrust belt features mainly consisting of the Paleoproterozoic Seosan Group and Paleozoic Taean Formation.

• The repetition patterns of the metasedimentary rocks can be interpreted by the NW-vergent non-cylindrical folds.

• The fold geometry of the Taean area indicates its relation to a regional-scale fault development, offering insights into the structural evolution of the Western Gyeonggi Massif since the Paleoproterozoic.

서부 경기지괴에는 북쪽의 낭림육괴와 경기육괴 사이에 위치한 습곡단층대(fold-thrust belt)인 임진강대와 유사하게 중~후기 고생대 변성퇴적암(metasedimentary rocks)으로 구성된 습곡단층대가 존재하며, 고원생대 기반암으로부터 전기 중생대 충돌 후 화강암(post-collisional granitoid)까지 다양한 암석에 발달한 지질구조들이 보존되어 있다.이러한 유사성에 근거하여 최근 임진강대 지역과 서부경기지괴 지역은 하나의 지체구조구인 홍성-임진강대(Hongseong-Imjingang Belt)로 새롭게 제안되기도 하였다(Kee et al., 2019). 서부 경기지괴는 한반도 충돌대의 일부로 간주되고 있으며, 남중국판(South China Craton)과북중국판(North China Craton) 사이의 미소대륙을 포함하고 있는 친링-다비-술루 충돌대(Qinling–Dabie–Sulu Belt)와 지구조적으로 대비되는 것으로 보고된 바 있다(Kwon et al., 2009; Kim et al., 2011, 2013). 그러나, 한반도 내 충돌대의 위치 및 지구조적 특성에 대해서는 여전히 많은이견이 존재하기 때문에(e.g., Yin and Nie, 1993; Zhang, 1997; Chough et al., 2000; Oh and Kusky, 2007; Kwon et al., 2009; Kim et al., 2011, 2013), 한반도 충돌대와 관련된 여러 지질학적 난제들을 해결하기 위해 서부 경기지괴 지역에 대한 암석학, 지화학, 지구연대학 및 구조지질학 분야를 아루는 다학제적인 연구가 요구되고 있다.

서부 경기지괴 서산-태안지역은 고원생대 및 고생대변성퇴적암류가 넓게 분포하며, 다양한 지화학적 지구조환경(tectonic setting)에서 형성된 고원생대, 신원생대, 중생대 화성암들이 이들을 관입하며 분포하고 있다(Kim et al., 2019; Kim et al., 2020; Kim and Choi, 2021; Fig. 1).뿐만 아니라, 이들 암석에 다양한 지질구조 또한 발달하고 있어, 한반도 지각 진화에 있어 서부 경기지괴가 가지는 지구조적 의미를 이해하는데 중요한 연구 지역이될 수 있다. 그럼에도 불구하고 현재까지 서산-태안지역에서는 주로 암석학, 지화학 및 지구연대학 측면에서의 연구가 이루어져 왔기 때문에, 서부 경기지괴의 지구조발달을 보다 정확하게 이해하기 위해서는 지질구조에 대한 이해를 바탕으로 이들 연구결과를 종합하여 해석하는노력이 필요하다.

Figure 1. (a) Tectonic map of the Korean Peninsula (modified after a 1:1,000,000 tectonic map of Korea; Kee et al., 2019). The Inset box on the western coast of the Korean Peninsula indicates the location of Figure 1b. (b) Geological map of the Taean-Seosan-Dangjin area of the Western Gyeonggi Massif (modified after Chang and Lee, 1982; Kim and Hwang, 1982; Lee et al., 1989; Kee et al., 2019). The Inset box indicates the location of Figure 2. Abbreviations: DB—Dumangang Belt, GB—Gyeongsang Basin, GM—Gyeonggi Massif, GwM— Gwanmo Massif, IB—Imjingang Belt (HIB—Hongseong-Imjingang Belt), MB—Macheollyeong Belt, NM—Nangnim Massif, OB—Okcheon Belt, PB—Pyeongnam Basin. YM—Yeongnam Massif.

본 연구는 태안지역에 보존된 광역규모(regional-scale)지질구조의 구조기하학적 특성에 대해 이해하는 것을목표로 한다. 이를 위해, 연구 지역에 넓게 분포하는 지곡리층, 서산층군 및 태안층을 포함하는 변성퇴적암류를중심으로 기존에 발간된 지질도 및 선행 연구들의 내용을 종합하였고, 1:50,000 서산·모항도폭(Chang and Lee, 1982), 1:50,000 대산·이곡도폭(Kim and Hwang, 1982) 및1:100,000 당진-대산 지역 지구조층서도(Kim et al., 2018b)를기본 지질도로 하여 야외조사를 수행하였다. 야외조사결과와 새롭게 획득한 지질요소들을 반영하여 지질도를수정·보완하였으며, 수정된 지질도를 바탕으로 하향 투영(down-plunge projection)을 수행하여 연구 지역 내 지질구조의 기하학적 형태를 해석하였다. 해석된 지질구조에대한 고찰을 통해 서부 경기지괴 태안지역의 구조기하모델을 제안하고 이를 보완하기 위한 후속 연구의 필요성을 제언하고자 한다.

한반도의 선캄브리아시대 기반암체는 낭림육괴, 경기육괴 및 영남육괴로 구분된다(Fig. 1a). 이 중, 임진강대와옥천대 사이에 위치한 경기육괴는 경기편마암복합체로이루어져 있으며, 주로 호상편마암, 화강암질편마암,안구상편마암 등으로 구성된다고 제안되어 왔다(Geological Society of Korea, 1999). 그러나, 주로 고원생대 암석으로구성된 경기육괴 대부분의 지역과는 달리, 한반도의 서쪽해안을 따르는 경기육괴 서부 지역은 고원생대 변성퇴적암, 신원생대 화성암, 고생대 변성퇴적암 및 여러 시기의 변성암 등 다양한 암종이 분포하며, 조산운동에 의해형성된 전형적인 습곡단층대의 지질구조들이 잘 보존되어 있다(e.g., Oh et al., 2005; Kim et al., 2013; Park et al., 2014). 본 연구의 대상 지역인 태안지역 역시 서부 경기지괴에 위치하며 주로 고원생대 고변성퇴적암류인 지곡리층 및 서산층군이 분포하고 있으며, 이들보다 변성도가 낮은 것으로 제안된 고생대 태안층이 연구 지역 동부에 분포한다(Chang and Lee, 1982; Song et al., 1989; Na, 1992; de Jong et al., 2014; Fig. 1b).

고원생대 지곡리층은 주로 흑운모편암으로 구성되며, 지역적으로 각섬석편암, 견운모편암 및 녹니석편암이 함께 관찰되기도 한다. 또한 일부 지역에서는 호상편마암내지 안구상편마암이 산출되거나 규암이나 석회암이 협재하는 것이 보고되기도 하였다(Kim and Hwang, 1982).지곡리층의 시기에 관해서는 현재까지도 다양한 의견이존재 하나, 지곡리층을 명명한 1:50,000 대산·이곡도폭에서는 야외에서 관찰되는 습곡 및 단층의 형태와 편리의교란 상태가 가장 복잡하고, 고기 화성암체로 추정되는암맥류들의 분포가 현저하게 나타나며, 상위의 서산층군보다는 우백대(neosome)의 관입이 많은 점에 근거하여 지곡리층을 연구 지역 내 최하위 지층으로 해석한 바있다(Kim and Hwang, 1982).

서산층군은 지곡리층의 상위에 놓이는 고원생대 변성퇴적암류를 통칭하며, 1:50,000 서산·모항도폭에서는 하부로부터 의항리층, 소근리층, 대기리층, 수룡리층 및 전막산층으로 구분하였으나, 1:50,000 대산·이곡도폭에서는하부로부터 이북리층, 하부규암, 석회암 및 편암, 상부규암 및 대산리층으로 구분하였다. 서산층군에 해당하는 이들 지층은 주로 운모편암, 규암 및 석회암(또는 석회규산염암)으로 구성되며, 북서-남동 방향을 따라 북동-남서의주향을 가지는 지층들이 계속 반복되는 양상을 보이는것이 지질도 상에 잘 나타난다(Chang and Lee, 1982; Kim and Hwang, 1982; Kim et al., 2018b; Fig. 2). 서산층군의퇴적 시기는 함철규암, 규암 및 편암류에서 분리한 쇄설성저어콘의 가장 젊은 U-Pb 연대에 근거하여 약 1780 Ma이후일 것으로 제안되었으며(Cho et al., 2006; Kim et al., 2018a), 서산층군을 관입하는 화강편마암의 저어콘 U-Pb 연대가 약 1766 Ma로 보고된 것을 고려할 때(Turek and Kim, 1996), 고원생대 지층으로 해석된다.

Figure 2. Detailed geological map showing the major structures of the Taean area with a shaded relief image (modified from Chang and Lee, 1982; Kim and Hwang, 1982; Kim et al., 2018b). Abbreviations: CF—Cheongsan fault, GA—Geunheung anticline, HF— Hori fault, SF—Sachang fault, TS—Taean syncline, WS—Wonbuk syncline.

태안층은 서산층군 위에 부정합으로 놓이는 변성퇴적암으로, 주로 사질편암과 이질편암으로 구성되고 석회질암이 협재한다. 사질편암은 대부분 규암, 석영편암, 석영견운모편암 및 석영장석질편암으로 구성되며, 이질편암은 운모편암 및 흑운모편암으로 구성된다. 석회질암은 석회암 내지 석회질편암으로 구성된다(Chang and Lee, 1982; Kim and Hwang, 1982). 태안층의 퇴적 시기는 다수의 쇄설성 저어콘 U-Pb 연대와 태안층을 관입한 암석의 화성기원 저어콘 U-Pb 연대에 근거하여 데본기-트라이아스기로제안된 바 있으며, 약 237-228 Ma에 변성작용을 겪었던것으로 해석되기도 하였다(Cho, 2007; Cho et al., 2010; Na et al., 2012; de Jong et al., 2014, 2015; Kim et al., 2014; Han et al., 2017; Kim et al., 2017; Kim et al., 2021; Kim et al., 2022a).

본 연구의 대상 지역인 태안지역은 1:50,000 지질도폭을기준으로 대부분 서산·모항도폭 지역에 해당하며 대산· 이곡도폭의 일부 지역도 포함한다. 이외, 해당 지역에서는최근 1:100,000 당진-대산 지역 지구조층서도(Kim et al., 2018b)도 발간된 바 있다. 그러나 전술한 바와 같이, 기발간된 지질도마다 태안지역에 분포하는 지층들의 층서및 지층명을 다르게 제안하였으므로, 본 연구에서는 야외조사 결과를 바탕으로 기존 연구들의 층서를 종합·통일하여 이를 구조 해석에 활용하였다(Table 1).

Table 1 . Stratigraphic summary of the metasedimentary rocks in the Seosan-Taean area (modified after Chang and Lee, 1982; Kim and Hwang, 1982; Kim et al., 2018b).

		1:50k Seosan·Mohang sheet (Chang and Lee, 1982)		1:50k Daesan·Eigog sheet (Kim and Hwang, 1982)		1:100k Dangjin-Daesan (Kim et al., 2018b)	This study
Paleozoic	Carboniferous (possibly Triassic) ~ Devonian					Mica-Quartz schist (Taean Formation)	Taean Formation
Precambrian		Taean Formation		Taean Formation
		Seosan Group	Jeonmagsan Formation Sooyongri Formation Daegiri Formation Sogeunri Formation Euihangri Formation	Seosan Group	Daesanri Formation Upper Quartzite Limestone and Schist Lower Quartzite Eibugri Formation	Mica-Quartz schist (Seosan Group)	Seosan Group	Daesanri Formation Upper Quartzite Schist and Calc-silicate rock Lower Quartzite Eibugri Formation
					Jigogri Formation			Jigogri Formation

지곡리층은 1:50,000 대산·이곡도폭에서는 고원생대 서산층군과 구분하여 하위에 놓이는 다른 암체로 해석하였으나, 1:50,000 서산·모항도폭에서는 지곡리층을 따로 분대하지 않고 서산층군을 구성하는 5개의 지층에 포함되는것으로 해석하였고, 1:100,000 당진-대산 지역 지구조층서도에서는 신원생대에 관입한 흑운모화강암으로 분류하였다. 본 연구에서는 야외조사를 통해 지곡리층이 서산층군과는 다른 사질 및 이질 기원의 변성퇴적암의 암상을 보이는 것으로 확인하여, 1:50,000 대산·이곡도폭의 층서를 준용해 지곡리층을 서산층군 하위의 지층으로 분류하였다(Table 1).

서산층군의 경우, 1:50,000 서산·모항도폭에서는 하부로부터 의항리층, 소근리층, 대기리층, 수룡리층, 전막산층으로 구분되었고, 1:50,000 대산·이곡도폭에서는 하부로부터 이북리층, 하부규암, 석회암 및 편암, 상부규암,대산리층으로 구분되었다. 본 연구에서는 야외조사에서확인된 지층들의 분포와 암상을 바탕으로, 1:50,000 대산·이곡도폭의 층서를 준용하여 하부로부터 이북리층, 하부규암, 편암 및 석회규산염암, 상부규암, 대산리층으로 구분하여 사용하였다(Table 1).

태안층은 기존의 1:50,000 서산·모항도폭 및 대산·이곡도폭에서 선캄브리아시대의 지층으로 분류되었으나(Chang and Lee, 1982; Kim and Hwang, 1982), 이후 연구들에서태안반도 남쪽의 안면도에 분포하는 태안층으로부터쇄설성 저어콘 U-Pb 연대가 보고되며 데본기-트라이아스기의 퇴적층으로 새롭게 제안되었다(Cho, 2007; Cho et al., 2010). 최근 발간된 1:100,000 당진-대산 지역 지구조층서도에서도 태안층은 고생대 변성퇴적암으로 분류되었고(Kim et al., 2018b), 태안반도 북쪽 국화도에 분포하는태안층에 관한 연구들에서도 이들의 퇴적 시기는 402 Ma에서 330 Ma 또는 370 Ma에서 320 Ma 사이의 데본기-석탄기로 제안되었다(Kim et al. 2021; Kim et al., 2022a).그러나 이러한 태안층의 퇴적 기원을 페름기-트라이아스기충돌조산운동과 관련된 퇴적물의 재동(reworking)에 의한것으로 해석하고 그 퇴적 시기를 후기 페름기-후기 트라이아스기로 제안한 연구도 존재하는 바(Han et al., 2017), 본 연구에서는 이러한 기존 연구들을 종합하여 태안층을고생대에서 트라이아스기 사이에 퇴적/변성된 지층으로광범위하게 분류하였다.

태안지역에 분포하는 지질구조의 기하학적 형태를 해석하기 위해, 야외조사를 통해 취득한 층리, 엽리 및 습곡축의 자세 등을 포함하는 다양한 지질요소들을 반영하여기존 지질도를 구조 해석이 가능하도록 수정 및 보완하였다. 연구 지역 지질구조의 기하학적 형태를 해석하기위해 수정된 지질도에 대해 하향 투영(down-plunge projection)을 수행하였다. 하향 투영은 습곡구조의 기하학적 형태(예: 지층의 두께, 익간각, 힌지의 위치 등)를 왜곡 없이실제에 가깝게 표현하기 위해, 습곡 힌지의 경사 방향과평행한 방향으로 지표 데이터를 투영하여 힌지에 수직한방향의 단면(profile plane; 프로파일 단면)을 구성하는 방법이다. 이를 수행하기 위해서는 대상으로 하는 습곡구조가 힌지를 직선으로 가지는 원통형 습곡(cylindrical fold)의 형태라는 가정이 필요하다. 그러나 야외에서 관찰되는 대부분의 습곡은 힌지의 자세가 위치에 따라 달라지는 비원통형 습곡(non-cylindrical fold)의 형태일 가능성이 크다. 따라서 이러한 비원통형 습곡에 대해 하향투영을 적용하기 위해서는, 최대한 힌지가 직선의 형태를 유지하는 구간으로 투영 구역(domain; 구조구)을 나누고, 각 구역에서의 힌지 방향에 평행하게 데이터를 투영하여 여러 개의 프로파일 단면을 구성하고 이를 해석에 활용해야 한다(Ramsay and Huber, 1987).

본 연구에서는 야외조사 및 지질도 수정 과정에서 확인된 층리 및 엽리의 변화, 노두규모 습곡의 힌지 방향변화 등을 고려하여 연구 지역을 4개의 구조구로 나누고(Fig. 3), 각 구조구 내 지질도규모(map-scale) 습곡의 침강 방향으로 데이터를 투영하여 프로파일 단면을 구성하였다. 야외조사에서 획득한 층리 및 엽리의 자세에 대해하반구 투영(stereographic projection)을 수행한 결과, 연구지역 내 분포하는 지질도규모 습곡은 구조구 1에서는(16°, 229°), 구조구 2에서는 (12°, 061°), 구조구 3에서는(19°, 201°) 및 구조구 4에서는 (19°, 186°) 방향의 힌지를가지는 것으로 해석된다(Fig. 3). 그러나 구조구 내 분포하는 습곡이 완벽하게 원통형 습곡(cylindrical fold)으로구분하지 못했을 가능성과 자료로 활용한 지질요소 데이터들이 구조구 전역에 걸쳐 골고루 획득되지 못했을 가능성을 고려하여, 하반구 투영을 통해 결정된 습곡의 힌지 방향을 기준으로 투영 방향을 조절하며 반복적인 하향 투영을 수행하였고, 이를 바탕으로 최종 투영 방향을결정하였다. 그 결과, 구조구 1에서는 (20°, 230°) 방향,구조구 2에서는 (10°, 050°) 방향, 구조구 3에서는 (20°, 200°) 방향, 구조구 4에서는 (20°, 185°) 방향에서 습곡의형태가 가장 잘 반영되는 것을 확인하여, 해당 방향으로하향 투영한 결과를 프로파일 단면으로 작성하여 구조해석에 활용하였다(Fig. 4).

Figure 3. Equal-area plots of poles to bedding and foliation from map-scale folds in the Taean area. (a) A modified geological map of the study area with four domains for the stereographic and down-plunge projections. (b) Southwest plunging (16°, 229°) folds in the Domain 1. (c) Northeast plunging (12°, 061°) folds in the Domain 2. (d) Southwest plunging (19°, 201°) folds in the Domain 3. (e) South-southwest plunging (19°, 186°) folds in the Domain 4

Figure 4. Profile planes showing major structures of the study area. (a) Domain 1 projected toward (20°, 230°). (b) Domain 2 projected toward (10°, 050°). (c) Domain 3 projected toward (20°, 200°). (d) Domain 4 projected toward (20°, 185°). Abbreviation is the same as that in Figure 2

태안지역의 지질도 상 가장 큰 특징인 서산층군의지층들이 북동-남서 주향을 가지며 반복되는 양상은, 하향투영을 통해 작성된 프로파일 단면 상에서 지질도규모의역전된 향사-배사 쌍구조(overturned syncline-anticline pair)에 의한 것으로 해석된다(Fig. 4a, b, and c). 또한, 태안층을 중심으로 서산층군이 반복되는 양상은 향사구조에의한 것으로 해석된다(Fig. 4d). 특히 습곡의 침강 방향이 북동-남서 방향을 따라 계속 변화하는 양상은 각 구조구의 투영 방향의 변화로 잘 확인된다(Fig. 4). 본 연구에서는 해석된 향사-배사 쌍구조를 서쪽에서부터 원북향사 및 근흥배사로 명명하였으며, 태안층에 발달한 향사구조를 태안향사로 명명하였다. 또한 이들 습곡구조에 수반되어 발달한 것으로 해석된 단층들 중 주요 단층들을호리단층, 사창단층 및 청산단층으로 명명하였다.

5.1. 원북향사

원북향사는 구조구 1, 2 및 3의 서부에 분포하는 지질도규모의 습곡으로, 전체적으로 북동-남서 주향을 가지는서산층군의 하부규암, 편암 및 석회규산염암이 상부규암을 중심으로 대칭적으로 반복되는 것에 의해 인지된다 (Figs. 2 and 3a). 원북향사의 북서 익부(limb)에서 층리면은 남동쪽으로 경사하며(Fig. 5a), 남동 익부에서도 남동쪽으로 경사한다(Fig. 5b). 특히, 남동 익부에서는 층서적으로 하부에 해당하는 석회규산염암이 상부에 해당하는상부규암보다 구조적으로 상위에 놓이는 것이 인지된다.또한, 남동 익부에서 층리면이 벽개(cleavage)보다 고각으로 관찰되는 점도 고려한다면(Fig. 5b), 원북향사의남동 익부는 역전되어 있는 것으로 해석된다. 따라서원북향사는 양쪽 익부가 남동쪽으로 경사하고 습곡축면도남동쪽으로 경사하여, 남동 익부가 역전된 역전습곡(overturned fold)의 형태로 해석된다(Fig. 4a, b and c). 또한,양쪽 익부에서 노두규모의 ‘z’형 습곡 및 ‘s’형 습곡과 같은소규모 비대칭 습곡(small-scale asymmetric fold)들도잘 관찰된다(Fig. 5c and d). 원북향사의 북서 익부에서는남서쪽을 바라볼 때, 상부가 북서쪽으로 올라가는 감각(top-up-to-the northwest shear sense)을 지시하는 ‘z’형 습곡이 나타나는 반면(Fig. 5c), 남동 익부에서는 북동쪽을바라볼 때, 상부가 남동쪽으로 내려가는 감각(top-down-to-the southeast shear sense)을 지시하는 ‘z’형 습곡이 관찰된다(Fig. 5d). 이들 습곡의 버전스(vergence) 역시 원북향사의 기하학적 형태를 지시한다.

Figure 5. Field photographs of SE-dipping layers and parasitic folds at limbs of the Wonbuk syncline and Geunheung anticline. Yellow dashed lines are for bedding and red dashed lines are for cleavage. (a) Field photograph showing the SE-dipping (053°, 55°SE) calcsilicate layers on top of the Lower Quartzite at the northwestern limb of the Wonbuk syncline. (b) Field photograph showing the SE-dipping (068°, 75°SE) calc-silicate layers and bedding-cleavage relation (bedding steeper than cleavage), indicating overturned southeastern limb of the Wonbuk syncline. (c) Field photograph, looking southwest, showing the ‘z’-fold at the northwestern limb of the Wonbuk syncline. (d) Field photograph, looking northeast, showing the ‘z’-fold at the southeastern limb of the Wonbuk syncline. (e) Field photograph showing the SE-dipping (039°, 40°SE) quartzites at the southeastern limb of the Geunheung anticline. (f) Field photograph, looking south, showing the ‘z’-fold at the southeastern limb of the Geunheung anticline.

원북향사의 힌지는 침강 방향이 북동-남서 방향을 따라 변화한다(Fig. 3). 연구 지역 북부의 구조구 1에서는습곡의 힌지가 남서 방향으로 침강함에 따라(Fig. 3b), 지질도 상에서 북동쪽으로 닫히는 습곡의 자취(trace)가 인지된다(Figs. 2 and 3a). 또한, 이 지역에 발달한 노두규모 습곡들 역시 하반구 투영을 통해 결정된 힌지 방향과 같이대부분 남서 방향으로 침강하는 것으로 관찰된다(Fig. 6a).반면에, 연구 지역 중부의 구조구 2에서는 습곡 힌지가북동 방향으로 침강하며(Fig. 3c), 야와조사에서 관찰한노두규모 습곡들도 대부분 북동 방향으로 침강하는 것이관찰된다(Fig. 6b). 그러나, 연구 지역 남부의 구조구 3에서는 다시 습곡 힌지가 남서 방향으로 침강하는 것으로해석된다(Fig. 3d). 종합하면, 원북향사의 전체적인 형태는습곡축면이 남동 경사하여 남동 익부가 역전되어 있으며,습곡 힌지가 약 10°-20°로 남서 내지 북동 침강하는 역전습곡(plunging overturned fold)의 형태를 가지는 것으로 해석된다(Fig. 4a, b and c).

Figure 6. Field photographs of plunging small-scale folds in the Taean area. Yellow dashed lines are for bedding. (a) Field photograph, looking southwest, showing the SW-plunging (24°, 227°) smallscale folds in Domain 1. (b) Field photograph, looking northeast, showing the NE-plunging (16°, 051°) small-scale folds in Domain 2. (c) Field photograph, looking southwest, showing the SWplunging (19°, 195°) small-scale folds in Domain 3.

5.2. 근흥배사

원북향사의 동편에 존재하는 근흥배사는 연구 지역 내구조구 3의 동부에서 북동-남서 주향을 가지는 서산층군의하부규암, 편암 및 석회규산염암, 상부규암이 중앙의 이북리층을 중심으로 지질도 상에서 대칭적으로 반복되는것에 의해 인지된다(Figs. 2 and 3a). 근흥배사는 구조구 1과 2에서는 중생대 화강암의 관입으로 인해 지표상에서 인지되지 않는다(Fig. 3a). 근흥배사의 북서 및 남동 익부에서 모두 남동 경사를 하는 지층이 관찰되므로(Fig. 5b and e), 이 습곡은 양쪽 익부가 모두 남동쪽으로 경사하고습곡축면도 남동쪽으로 경사하여 북서 익부가 역전된 역전습곡의 형태로 해석된다(Fig. 4c). 또한, 근흥배사의 북서익부이자 원북향사의 남동 익부에서 북동쪽을 바라볼 때,상부가 남동쪽으로 내려가는 감각을 지시하는 ‘z’형 습곡이관찰되는 반면(Fig. 5d), 근흥배사의 남동 익부에서는남쪽을 바라볼 때, 상부가 서쪽으로 올라가는 감각을지시하는 ‘z’형 습곡이 관찰된다(Fig. 5f). 이들 습곡의버전스는 배사 형태를 가지는 근흥배사의 기하학적 형태를지시할 수 있다.

구조구 3에서 지질도규모 습곡의 힌지는 남서 방향으로침강하므로(Fig. 3d), 남서쪽으로 닫히는 근흥배사의 자취가 지질도 상에서 인지되며(Figs. 2 and 3a), 실제 야외조사에서도 노두규모 습곡들이 대부분 남쪽으로 침강하는것이 관찰된다(Fig. 6c). 종합하면, 근흥배사의 전체적인형태는 습곡축면이 남동 경사하여 한쪽 익부가 역전되어있으며, 습곡 힌지가 약 20° 정도 남서쪽으로 침강하는역전습곡으로 해석된다(Fig. 4c).

5.3. 태안향사

근흥배사 동편에 존재하는 태안향사는 구조구 4에서서산층군의 대산리층이 태안층을 중심으로 지질도 상에서반복되는 것에 의해 인지된다(Figs. 2 and 3a), 태안향사의 북북서 익부에서는 서산층군과 접하는 태안층이 서산층군과 거의 유사한 북동-남서 주향 및 남동 방향 경사를가지는 것으로 관찰된다(Fig. 7a). 그러나 태안향사의 남남동 익부에서는 주향 방향이 다소 바뀐, 남-북 주향에동쪽으로 경사하는 지층들이 주로 관찰된다(Fig. 7b).태안층 분포지의 동편에서는 서산층군이 다시 소규모로분포하는데, 이 서산층군에서도 서편의 태안층과 유사한남-북 주향에 동쪽으로 경사하는 지층들이 주로 관찰된다(Fig. 7c). 본 연구에서 수행한 야외조사를 통해 태안층과서산층군의 직접적인 접촉 관계는 확인할 수 없었다.그러나, 태안층을 중심으로 서편과 동편에 지층 자세가비슷한 서산층군이 반복된다는 것과 구조구 1, 2 및 3에서해석된 습곡들이 모두 양쪽 익부의 경사 방향이 동일한역전습곡의 형태를 가지고 있다는 점을 고려하면, 구조구4 지역에서도 태안층 내에 힌지가 발달한 지질도규모의습곡구조가 존재하는 것으로 해석이 가능하다(Fig. 4d).이 경우, 구조구 4에서 태안층에 발달한 지질도규모 습곡의 힌지는 하반구 투영 결과에 근거하여 남남서 방향으로 침강하는 것으로 해석될 수 있다(Fig. 3e). 종합하면,태안향사의 전체적인 형태는 습곡축면이 동쪽으로 경사하여 한쪽 익부가 역전되어 있으며, 습곡의 힌지가 남남서 방향으로 침강하는 역전습곡으로 해석될 수 있다(Fig. 4d).

Figure 7. Field photographs of SE- or E-dipping layers at limbs of the Taean syncline. Yellow dashed lines are for bedding. (a) Field photograph showing the SE-dipping (040°, 59°SE) Taean Formation at the western part of Domain 4. (b) Field photograph showing the E-dipping (358°, 76°E) Taean Formation at the eastern part of Domain 4. (c) Field photograph showing the E-dipping (006°, 68°E) Seosan Group at the eastern part of Domain 4.

5.4. 호리단층

호리단층은 구조구 1의 동쪽 경계부에서 지곡리층과 서산층군의 이북리층이 불연속적으로 접하는 양상으로부터 무명의 단층으로 제안된 바 있다(Kim and Hwang, 1982; Figs. 2 and 3a). 본 연구에서 수행된 야외조사에서도 지곡리층과 이북리층이 단층에 의해 직접 접하는 노두는확인하지 못하였다. 그러나, 팔봉면 호리 일대에 분포하는지곡리층에서 쐐기형의 단층(wedge fault)이 발달한 것을확인하였고(Fig. 8a and b), 비록 노두 상태가 불량하여호리단층의 운동학적 특성을 직접적으로 확인할 수 없었으나 심한 변형에 의해 단층과 습곡이 발달한 단층대노두도 확인하였다(Fig. 8c). 야외조사 결과와 지질도 상특징에 의하면 호리단층의 자세는 북동-남서 또는 남-북주향을 가지며 북서 또는 서쪽으로 경사하는 것으로 해석되며, 호리단층 상반에는 서산층군의 지층들을 반복시키는 원북향사가, 하반에는 서산층군보다 층서적으로 하부에 해당하는 지곡리층이 분포하는 것으로 해석된다(Fig. 4a).

Figure 8. (a), (b) Field photographs, looking west and south, showing the wedge faults developed along the Hori fault. (c) Field photograph, looking southwest, showing the fault zone of the Hori fault. White dashed lines are for fault trace.

5.5. 사창단층

사창단층은 구조구 1과 2에 걸쳐 연장되는 상부규암내의 단층으로 프로파일 단면 해석 시 원북향사의 북서익부에서 상부규암과 편암 및 석회규산염암의 구조적 위치가 맞지 않는 것으로부터 해석한 단층이다(Fig. 4a). 본연구에서는 기존 1:50,000 대산·이곡도폭에서 무명의 단층으로 제안된 단층의 자취를 야외조사 결과와 지형기복도상의 선구조 방향을 고려하여 남쪽으로 연장하고 사창단층이라고 명명하였다(Kim and Hwang, 1982; Fig. 2). 사창단층은 습곡작용에 의해 2차적으로 형성된 습곡 수용단층(fold-accommodation fault)의 대표적인 종류인 탈향사단층(out-of-syncline fault)으로 해석된다. 탈향사 단층은습곡작용 시 발생하는 향사 중심(core) 부분의 공간적인문제를 해결하기 위해 발달하는 역단층 또는 충상단층으로, 일반적으로 주 습곡에 비해 규모가 작으며, 단층의이동 특성이 습곡의 버전스와 조화로운 특징이 있다(Mitra, 2002). 따라서, 일반적인 탈향사 단층의 기하학적 형태를고려하여 원북향사 북서 익부에 발달한 사창단층의 자세도북동-남서 주향에 남동 경사 하는 것으로 해석하였으며,원북향사의 북서 익부의 버전스를 고려하여 상반이 북서쪽으로 이동하는 역단층으로 해석하였다(Fig. 4a). 이러한단층의 특성은 구조구 1에서부터 남쪽으로 구조구 2의 지역으로 연장되면서 해당 단층에 의한 분리(fault separation)가 점점 작아져서 상부규암 내의 쐐기형의 단층과 같이발달하다 결국 사라지는 것으로 해석하였으며, 이를 지질도와 프로파일 단면에 반영하였다(Fig. 2 and 4b).

5.6. 청산단층

청산단층은 연구 지역 북부의 구조구 1에 해당하는태안군 원북면 청산리 해안가 일대에 발달한 단층으로, 층서적으로 하부에 해당하는 편암 및 석회규산염암이 상부에 해당하는 상부규암과 구조적으로 같은 위치에 놓이는 것으로부터 해석되었다. 불연속적으로 접하는 지층들의 자세를 바탕으로 단층의 자취를 북서-남동 방향으로지질도에 반영하였다(Fig. 2). 다만, 단층의 주향이 하향투영 방향에 거의 수직하므로, 프로파일 단면 상에 청산단층의 형태가 도시되지는 않는다(Fig. 4a).

6.1. 태안지역의 구조기하학적 형태

본 연구에서 수행한 구조 해석 결과를 종합하면, 태안지역에 분포하는 서산층군의 지층들이 지질도 상에서반복되는 양상을 보이는 것은 원북향사-근흥배사로 이어지는 지질도규모 향사-배사 쌍구조에 의한 것으로 해석되며, 동부 지역에 분포하는 태안층을 중심으로 서산층군이 반복되는 양상은 남남서 방향으로 침강하는 향사구조에 의한 것으로 해석된다(Fig. 9). 따라서 북부, 중부,남부 및 동부지역까지 포함하는 태안지역의 전체적인 구조기하학적 형태는 지질도규모의 향사-배사-향사 구조로해석될 수 있다(Fig. 9c). 그러나, 서산층군이 분포하는 북부, 중부, 남부 및 동부 지역에서 이들 지질도규모 습곡들의 침강 방향, 침강각 및 습곡축면의 경사각이 조금씩다르고, 발달하고 있는 습곡 수용 단층들의 양상이 바뀜에 따라 습곡 중심부에 노출된 상부규암, 이북리층 및 태안층의 분포가 규제되는 것으로 해석된다.

Figure 9. Cross-sections of the study area showing major structures in the Seosan-Taen area of the Western Gyeonggi Massif. (a) AA’ section in the northern part, (b) B-B’ section in the central part, and (c) C-C’-C” section in the southern and eastern parts. Abbreviation is the same as that in Fig. 2.

북부지역에서 원북향사는 남서 방향으로 약 20° 침강하여 지질도 상에서 북동 방향으로 닫히는 자취가 잘 인지되며(Fig. 9), 습곡 수용 단층인 사창단층과 북서-남동주향의 청산단층이 발달하여 원북향사의 일부를 반복시키기 때문에, 지질도 상에서 원북향사 중심에 위치한 상부규암의 두께가 중부 및 남부지역에 비해 두껍게 나타나는 것으로 해석된다(Fig. 9). 이러한 상부규암의 두꺼운 노출 양상은 습곡축면의 경사각에 의해서도 영향을받을 수 있는데, 단면도 상에서 인지되는 바와 같이, 북부지역에서의 원북향사 습곡축면의 경사는 중부 및 남부지역에서보다 완만하여 침식 수준(erosion level)에 따라지표상에 상부규암이 두껍게 분포할 수 있으며, 이러한습곡축면의 경사 차이는 북부지역에만 존재하는 동쪽의호리단층의 발달에 의한 것으로 유추된다(Fig. 9a). 반면,중부지역의 원북향사의 힌지는 북부지역과 달리 북동 방향으로 약 10° 침강하며, 습곡의 닫히는 자취는 지질도상에서 잘 인지되지 않는다. 북부지역과 달리 습곡을반복시키는 단층이 발달하지 않기 때문에 습곡 중심의상부규암 두께가 북부지역보다 얇게 나타나는 것으로해석되며, 남쪽으로 갈수록 점점 얇아지는 경향을 보이는것은 습곡의 힌지가 북동 방향으로 침강하는 데에서 기인한 것으로 해석된다(Fig. 9). 남부지역에서는 남서 방향으로약 20° 침강하는 힌지를 가지는 원북향사 및 근흥배사가노출된다(Fig. 9). 원북향사의 닫히는 자취는 지질도상에 노출되지 않지만, 동쪽의 근흥배사는 습곡 중심에노출된 이북리층 두께가 힌지 방향을 따라 변하는 것으로부터 남서 방향으로 약하게 닫히는 습곡의 자취가 인지된다(Fig. 9). 이는 남부지역의 침식 수준이 북부 및 중부지역에 비해 다소 낮아 원북향사의 중심부의 상부규암이 제한적으로 노출될 수밖에 없었던 것과, 남서 방향으로 침강하는 힌지의 침식 효과에 의한 것으로 해석될 수있다. 동부지역에서는 남남서 방향으로 침강하는 힌지를가지는 태안향사가 노출되어 습곡 중심의 태안층 두께가북북동쪽으로 갈수록 얇아지나, 연구 지역 중부에 분포하는 중생대 화강암에 의해 습곡의 닫히는 자취는 지질도 상에서 인지되지 않는다(Fig. 9).

이와 같이 각 지역에서 습곡 힌지의 침강각, 침강 방향등에 의해 지질도 상의 특징이 차이를 보이나 전반적인형태는 원북향사-근흥배사-태안향사로 이어진다(Fig. 9c).원북향사-근흥배사 쌍구조의 각각의 익부에서 습곡의 버전스를 지시하는 소규모의 ‘z’형 또는 ‘s’형 기생습곡의형태가 확인되며(Fig. 5c, d and f), 층리-벽개 관계(bedding-cleavage relationship)가 지시하는 감각이 습곡과 관련된버전스와 일치하는 양상으로 보아(Fig. 5b), 이 습곡은요굴습곡(flexural fold)과 관련되었을 가능성이 높을 것으로 생각된다.

6.2. 태안지역의 구조기하 모델과 후속 연구에 대한 제언

본 연구를 통해 해석된 태안지역의 지질도규모 습곡구조는 북동쪽을 바라볼 때 습곡의 익부가 모두 대략 남동방향으로 경사하는 비대칭적인 ‘s’형 습곡의 형태로, 북서 방향의 버전스를 보인다(Fig. 9c). 습곡단층대에서 이러한 비대칭 습곡구조는 1) 단층 상반에서 단층의 운동학적인 특징을 반영하며 형성되거나, 2) 더 큰 규모(high-order)의 습곡 발달에 수반되어 형성될 수 있다(e.g., Ramsay and Huber, 1987; Marshak and Mitra, 1988; Van der Pluijm and Marshak, 2004; Fossen, 2016). 즉, 태안지역의 비대칭 습곡구조는 해석된 규모에 따라 정밀한 부분에서의 차이가있을 수는 있으나, 전체적으로 단층과 이에 수반된 습곡의형태를 가지는 구조기하 모델로 설명될 수 있으며, 따라서지질도규모 습곡이 존재하는 것으로 해석된 연구 지역서편 또는 동편에 이들 습곡의 형성에 기여한 광역규모단층이 발달할 수 있음을 지시한다.

기 발간된 지질도 및 선행 연구에서는 태안지역 주변에서 연구 지역의 지질도규모 습곡의 형성을 규제할 만한규모의 단층은 보고된 바가 없다. 그러나 연구 지역을 포함하는 서부 경기지괴 일대의 지질구조들이 동 지역에서보고된 페름기-트라이아스기 충돌조산운동 및 이후 조산대붕괴과정에서 형성되었을 가능성을 고려한다면(e.g., Kwon et al., 2009; Park et al., 2018; Kim et al., 2022b), 본 연구에서 해석된 태안지역의 비대칭 습곡구조가 서산-당진지역에서 보고된 지질도규모 비대칭 습곡구조(Lee, 2024)와 함께, 서부 경기지괴 일대에 존재하는 지각규모(crustal-scale) 단층과 관련 있을 가능성이 있다.

다만, 이러한 단층과 연구 지역 습곡구조의 연관성을규명하기 위해서는 향후 추가적인 연구가 필요하다. 우선, 본 연구지역을 포함하는 주변 지역에 대한 정밀한 야외조사를 통해 서산층군과 태안층의 분포 및 이를 규제하는 지질구조들의 기하학적 형태를 보다 정밀하게 해석해야 한다. 또한, 이들의 변형 이력에 대한 운동학적 증거들(kinematic evidence)을 수집하고, 절대연령 측정, 미세구조 분석 등을 통해 변형 시기 및 변형 조건을 이해하려는 노력도 필요하다. 이를 통해, 이들 지역에 발달한지질구조들의 구조적 특성 및 주변 지각규모 단층의 발달특성에 대한 이해가 이루어진다면, 한반도 서쪽 해안에서부터 태안-서산-당진지역으로 이어지는 서부 경기지괴의시-공간적 구조 진화사를 통합적으로 해석하는 데 기여할수 있을 것이다. 나아가, 이러한 후속 연구는 고원생대서산층군의 퇴적에서부터 페름기-트라이아스기 충돌조산운동에 이르기까지 한반도 지각진화 과정에서 서부 경기지괴의 역할을 이해하는데 많은 정보를 제공할 것으로기대된다.

본 논문은 박성재의 전남대학교 석사학위 연구 내용의 일부를 포함하고 있습니다. 추가 연구 수행 및 원고의 작성은 ‘한국연구재단 우수신진연구과제(과제번호: 2021R1C1C10105701)’ 및 ‘한국연구재단 G-램프(LAMP)사업(과제번호: RS-2024-00442775)’의 지원으로 책임저자에 의해 수행되었습니다. 연구에 도움을 주신 연세대학교 권상훈 교수님을 비롯하여, 본 논문을 심사해 주신두 분의 심사위원과 책임편집위원, 편집위원장께 감사드립니다.