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Research Paper

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Econ. Environ. Geol. 2024; 57(4): 449-471

Published online August 30, 2024

https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.4.449

© THE KOREAN SOCIETY OF ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL GEOLOGY

Numerical Ages and Petrological Characteristics of the Basalts designated as Natural Monument, Korea

Yong-Un Chae1,2, Cheong-Bin Kim3,*, Sujin Ha2, Jong-Deock Lim4, Hyoun Soo Lim2,*

Author Info. +

1Institute of Environmental Geosciences, Pukyong National University, Busan 48513, Republic of Korea
2Department of Geological Sciences, Pusan National University, Busan 46241, Republic of Korea
3Department of Physical Education, Sunchon National University, Suncheon 57922, Republic of Korea
4Division of Animal and Plant Heritage, Korea Heritage Service, Daejeon 35208, Republic of Korea

Correspondence to : *cbkim@scnu.ac.kr / tracker@pusan.ac.kr

Received: August 14, 2024; Revised: August 29, 2024; Accepted: August 29, 2024

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 original work is properly cited.

Abstract

We investigated the radiometric ages and petrological characteristics of basaltic rocks with columnar joints, basalt gorge, pillow lava, and mantle xenolith, from the geoheritages designated as Natural Monuments of Korea in recognition of their historical, academic, and scenic excellence. A total of 7 Natural Monuments were selected. They are ‘Basalt gorge along Daegyocheon Stream of Hantangang River’, ‘Basalt gorge and Bidulginangpokpo Falls of Hantangang River, Pocheon’, ‘Pillow lava in Auraji, Pocheon’ distributed along the Chugaryeong Fault System, ‘Peridotite xenolith-bearing basalt in Jinchon-ri Baengnyeongdo Island, Ongjin’, ‘Columnar joint in Daljeon-ri, Pohang’, ‘Columnar joint in Yangnam, Gyeongju’, and ‘Columnar joint along Jungmun and Daepo Coasts, Jeju’. They ranged in age from the Cenozoic Neogene Miocene to the Quarternary Pleistocene. Based on the composition of major elements, Hantangang Basalt corresponded to trachybasalt, Daljeon Basalt to phonotephrite, Eoil Basalt to sub-alkaline basalt, and Daepodong Basalt to alkaline basalt. And in the composition of trace and rare earth elements, only Eoil Basalt showed the characteristics of arc basalt, while the others showed the characteristics of oceanic island basalt.

Keywords Natural Monument, basalt, columnar joint, Ar-Ar dating, geochemistry

국내 천연기념물 현무암체들의 형성시기와 암석학적 특징

채용운1,2 · 김정빈3,* · 하수진2 · 임종덕4 · 임현수2,*

1국립부경대학교 지질환경연구소
2부산대학교 지질환경과학과
3국립순천대학교 물리교육과
4국가유산청 동식물유산과

요 약

역사, 학술 및 경관적 우수성을 인정받아 천연기념물로 지정된 지질유산들 중 주상절리, 현무암 협곡, 베개용암, 맨틀 포획암 등의 다양한 현상들을 나타내는 현무암질 암석들의 형성시기와 암석학적 특징을 고찰해 보았다. 연구대상 천연기념물은 추가령단층계를 따라 분포하는 한탄강현무암의 ‘한탄강 대교천 현무암 협곡’, '포천 한탄강 현무암 협곡과 비둘기낭 폭포', ‘포천 아우라지 베개용암’, 백령도 진촌현무암의 ‘옹진 백령도 진촌리 맨틀포획암 분포지’, 포항 달전현무암의 ‘포항 달전리 주상절리’, 경주어일현무암의 ‘경주 양남 주상절리군’, 제주 대포동현무암의 ‘제주 중문·대포해안 주상절리대’ 등 총 7곳이다. 이들은 신생대 신진기 마이오세에서 제4기 플라이스토세에 이르는 다양한 연령을 보여주었다. 주원소 조성에서 포천 한탄강현무암은 대체로 조면현무암, 달전현무암은 포노테프라이트, 제주 대포동현무암은 알칼리 계열의 현무암, 어일현무암은 비알칼리 계열의 현무암에 해당하며, 미량원소 조성에서 어일현무암 만 화산호 현무암의 특징을 보이고, 그 외 시료들은 해양도 현무암의 특징을 나타냈다.

주요어 천연기념물, 현무암, 주상절리, Ar-Ar 연령, 지화학

Research Highlights

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  • Determined the numerical ages of basaltic rocks, designated as Natural Monuments, using the Ar-Ar dating method.

  • Analyzed geochemical data to infer the tectonic environments in which the basaltic rocks were formed.

  • Conducted a comprehensive review of existing age data for the study areas and proposed directions for future research.

1. 서론

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유네스코 세계자연유산(World Natural Heritage)과 세계지질공원(Global Geopark)에 대한 관심이 증가하면서 국내에서도 이의 근간이 되는 지질유산(geoheritage)에 대한 관심이 높아지고 있다. 지질유산 중 역사적·학술적·경관적 가치가 큰 것은 국가유산청 자연유산위원회의 심의를 거쳐 인정받으면 천연기념물로 지정될 수 있다. 2024년 8월 기준 현재 국내의 지구과학관련 천연기념물은 99개로 그 중 46개가 지질·지형으로 분류된다. 과거 사용되던 천연기념물 지정번호는 2021년 국가유산청에서 ‘문화재보호법 시행령’을 개정하면서 폐지되었다.

천연기념물로 지정되었음에도 현지 안내판 혹은 국가유산청 웹사이트를 통해 제공되는 학술적 정보는 제한적이며, 특히 지질유산들의 형성시기(지질연대)는 가장 기본적인 정보임에도 불구하고 대략적인 연대만 알려져 있을 뿐 체계적 절대연령 측정은 충분히 수행되지 않았다.

이번 연구에서는 한반도에 분포하는 다양한 천연기념물 중 ‘한탄강 대교천 현무암 협곡’, ‘포천 한탄강 현무암 협곡과 비둘기낭폭포’, ‘포천 아우라지 베개용암’, ‘옹진 백령도 진촌리 맨틀포획암 분포지’, ‘포항 달전리 주상절리’, ‘경주 양남 주상절리군’, ‘제주 중문·대포해안 주상절리대’의 주상절리와 현무암 협곡, 베개용암, 맨틀 포획암 등의 특징을 보여주는 현무암질 암석으로 구성되는총 7개의 천연기념물에 대해 야외조사, 시료 및 박편관찰, Ar-Ar과 K-Ar 절대연령 측정, 지화학 분석을 수행한결과를 활용해 암석 형성 시기와 암석학적 특징들을 고찰하였다(Fig. 1).

Fig. 1. Location map showing the distribution of the study areas, and outcrop photos of each site.

2. 연구지역

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국내에 분포하는 천연기념물의 형성시기와 암석학적특성을 규명하기 위해 총 7개 지점을 대상으로 연구를수행하였다. 이들은 경기도 포천지역의 추가령단층계를따라 분포하는 한탄강 주변에 3곳, 옹진군 백령도 해안,포항 달전리 달전저수지 인근, 경주 양남면 해안, 제주중문·대포동 해안의 각 1곳으로 구성된다(Fig. 1, Table 1).

Table 1 Summary of the locations, dating methods, and calculated ages of each sample from the Natural Monuments

Natural MonumentCodeLatitudeLongitudeDating MethodAges (Ma)± AgenMSWD
Basalt gorge along Daegyocheon Stream of Hantangang RiverHD-1N38° 10′ 57.5″E127° 16′ 56.3″WR Ar-Ar0.450.1650.78
HD-2N38° 10′ 58.1″E127° 16′ 56.3″WR Ar-Ar0.250.03110.82
Basalt gorge and Bidulginangpokpo Falls of Hantangang River, PocheonBD-1N38° 04′ 48.5″E127° 13′ 01.9″WR Ar-Ar0.270.05120.48
BD-2N38° 04′ 47.6″E127° 13′ 02.0″WR Ar-Ar0.290.0580.81
BD-3N38° 04′ 48.5″E127° 13′ 01.9″WR Ar-Ar0.290.0693
BD-4N38° 04′ 49.5″E127° 13′ 00.9″WR Ar-Ar0.350.07105.8
Pillow lava in Auraji, PocheonAP-1N38° 02′ 25.3″E127° 06′ 57.6″WR Ar-Ar0.280.0872.5
AP-2N38° 02′ 25.1″E127° 06′ 57.4″WR Ar-Ar0.290.0460.92
AP-3N38° 02′ 25.2″E127° 06′ 56.4″WR Ar-Ar0.280.0581.3
AB-1N38° 02′ 25.5″E127° 06′ 57.3″WR Ar-Ar0.270.0590.83
AB-2N38° 02′ 26.2″E127° 06′ 58.5″WR Ar-Ar0.300.05181.2
Peridotite xenolith-bearing basalt in Jinchon-ri, Baengnyeongdo Island, OngjinBR-1N37° 58’ 30.5“E124° 43′ 50.8″feldspar Ar-Ar5.870.05144.9
BR-2N37° 58’ 33.2“E124° 43′ 51.3″feldspar Ar-Ar5.880.05146.1
Columnar joint in Daljeon-ri, PohangPD-3N36° 01′ 42.4″E129° 17′ 45.4″WR K-Ar200.4--
PD-4N36° 01′ 41.7″E129° 17′ 45.0″WR K-Ar20.80.4--
Columnar joint in Yangnam, GyeongjuGY-1N35° 41′ 11.4″E129° 28′ 29.1″WR Ar-Ar15.780.7119.7
GY-3N35° 41′ 12.5″E129° 28′ 29.3″WR Ar-Ar14.11.31264
GY-4N35° 41′ 09.3″E129° 28′ 29.7″WR Ar-Ar17.730.8856
Columnar joint along Jungmun and Daepo Coasts, JejuJD-1N33° 14′ 14.7″E126° 25′ 37.1″WR Ar-Ar0.290.05103.2
JD-2N33° 14′ 12.8″E126° 25′ 31.0″WR Ar-Ar0.240.07107.9
JD-3N33° 14′ 13.1″E126° 25′ 27.1″WR Ar-Ar0.280.09119.9


2.1. 추가령단층계의 제4기 현무암

추가령단층계(Chugaryeong Fault System; Lee et al., 2001)를 채우는 제4기 현무암(소위 한탄강현무암)은 경기도 파주, 연천과 포천 그리고 강원도 철원을 지나 북한 지역까지 연장되어 분포하며, 한탄강을 따라 잘 노출되어 있다(Fig. 2). 본 현무암체에는 ‘한탄강 대교천 현무암 협곡’, ‘포천 한탄강 현무암 협곡과 비둘기낭 폭포’,

Fig. 2. Geologic map of the Quarternary Hantangang river volcanic field near Pocheon area where Natural Monuments [1) Basalt gorge along Daegyocheon Stream of Hantangang River, 2) Basalt gorge and Bidulginangpokpo Falls of Hantangang River, 3) Pocheon, Pillow lava in Auraji, Pocheon] are located (modified from Kil et al. (2018) and references therein).

그리고 ‘포천 아우라지 베개용암’으로 총 3개의 천연기념물이 지정되었고, 현무암 용암의 발원지로는 북한의 평강군에 위치한 오리산 및 부근으로 약 11회 이상 분출한것으로 추정되었다(Won, 1983). 본 현무암에 대한 최초의 절대연령측정에서는 전곡 지역에 분포하는 현무암체의 최상부에서 0.27 Ma의 K-Ar 연령이 계산되었다(Choi, 1982). 이후 전곡지역을 중심으로 K-Ar 연령과 핵분열 비적(FT: fission track) 연령이 발표되었고, 그 결과 약 0.8-0.1 Ma 범위의 분출 연령을 제안하였다(Yi, 1984; , 1993; Danhara et al., 2002).

하지만 전곡 지역에 분포하는 현무암체에 대한 보다 체계적인 연대측정에서는 현무암을 하부의 전곡현무암(3회 이상의 용암류)과 상부의 차탄현무암(7회 이상의 용암류)으로 분류하고(Nagaoka et al., 2008), 이들의 연령을 각각 0.51±0.01 Ma와 0.15±0.01 Ma로 제안하였다(장석 K-Ar; Ryu et al., 2011). 그러나 이후 Ar-Ar 연령 측정법을 이용해 전곡읍 은대리 지역 하식 절벽의 하위 용암류에서상위 용암류로 가면서 0.54 Ma, 0.48 Ma, 0.12 Ma로 체계적으로 젊어지는 연령을 확인하고, Ryu et al. (2011)이제안한 명확히 구분되는 두 연령으로 구성된 현무암이아닌 수 회의 반복적 용암류가 있을 것으로 추정하였다(Kim et al., 2014). 그리고 지금까지 수행된 한탄강현무암에 대한 연대측정결과(K-Ar, Ar-Ar, FT)에서 약 60-10만 년 전의 다양한 연령이 제시되었고, 대체로 약 50만년 전과 약 15만 년 전 시기에 집중되는 양상을 보인다(Bae and Kim, 2018 and references therein). 또한 ‘한탄강 대교천 현무암 협곡’의 현무암류의 전암 K-Ar 연령은0.279±0.032 Ma로 보고된 바 있다(Won et al., 2002). 그리고 비둘기낭 폭포가 위치한 대회산리 지역의 현무암시료를 대상으로 수행된 전암 K-Ar 연령은 138.4±5.7 Ka와 136.5±5.4 Ka로 보고되었다(Park et al., 1996).

2.2. 옹진 백령도 진촌리 맨틀포획암 분포지(진촌현무암)

백령도는 한반도의 최북서단에 위치하는 섬으로 면적은 약 50 km2이다(Fig. 1과 3). 기존연구에서 백령도의지질은 원생누대 백령층군이 가장 하부에 놓이며, 백령층군은 다시 하부로부터 중화동층, 장촌층, 두무진층으로구성되는 것으로 해석되었다(Lim et al., 1999). 그러나1:5만 백령도·대청도·소청도 도폭이 새롭게 발간되면서,백령도 층서는 중원생대 스테노스기(Stenian)에서 신원생대 토노스기(Tonian)에 해당하는 백령층군이 최하부에 놓이고 각층은 하부로부터 남포리층, 중화동층, 두무진층으로 구성되나 남포리층은 타 지층들과 충상단층으로 접하고 있는 것으로 보고되었다(Fig. 3) (Cho et al., 2021). 그리고 이 지층들을 주로 남서부에서는 신원생대의 고철질암석(약 950 Ma, LA-ICP-MS 저어콘 U-Pb 연령)이 관입하고, 북동부에서는 신진기 현무암(진촌현무암)이 관입및 분출한 것으로 제안하였다(Cho et al., 2021). 백령도와 대청도에 분포하는 백령층군 중 남포리층과 두무진층을 대상으로 쇄설성 저어콘 U-Pb 연대측정을 수행하여,백령층군을 북한 지역에 분포하는 상원계에 대비하고, 가장 젊은 저어콘으로 약 1,026 Ma의 연령을 보고하면서신원생대 퇴적층일 가능성을 제안하였다(Kim et al., 2016, 2021). 백령도를 구성하는 최후기 암체인 진촌현무암(면적 약 3 km2)에 대한 초기 연구에서는 지화학 자료에근거해 조면현무암(trachybasalt, TB), 포노테프라이트(phonotephrite), 바사나이트(basanite, B)로 구성되고 판내부열점과의 연관성을 제시하며, 분출시기로는 마이오세 말에서 플라이오세 초(약 7.1-4.2 Ma, K-Ar 연령)를 제시했다(Park and Park, 1996; Kim et al., 2005 for phonotephrite and basaltic andesite; Choi et al., 2006 for basanite). 그러나 이후 진촌현무암을 조면현무암과 바사나이트로 구분하고 각각의 전암 Ar-Ar 연령을 약 6.05±0.01 Ma (TB)와 6.03±0.01 Ma (TB) 그리고 5.87±0.02 Ma (B)로 보고하였다(Kim and Choi, 2021). 진촌현무암에는 현무암분출시 포획된 첨정석 러졸라이트(lherzolite)가 관찰되며,지화학적으로는 심해 감람암(abyssal peridotite)과 유사한특성을 보이지만 섭입판 기원의 잔류 유체가 교대작용에중요한 역할을 했을 것으로 해석된 바 있다(Park et al., 2018).

Fig. 3. Geologic map of the Baengnyeong Island showing sampling location (modified from Cho et al., 2021).

2.3. 포항 달전리 주상절리(달전현무암)

한반도 남동부의 포항, 경주, 울산 일원에는 고진기 말인 올리고세 후기부터 신진기 초인 마이오세 동안 동해확장과 관련되어 형성된 다양한 분지들(e.g. 포항, 장기,와읍, 어일, 하서, 정자 등)이 분포한다(Fig. 4a). 그 중포항분지는 최북단에 위치해 가장 넓은 면적으로 노출되어 있다(Fig. 4a). 포항분지를 충진하는 연일층군은 서쪽의 일부 지역이 서측 기원지에서 공급된 퇴적물에 의해선상지 퇴적체가 형성되고, 이를 제외한 대부분 영역에서는 역암, 사암, 이암으로 구성된 1 km 이상의 해성층으로 구성되어 있다. 연일층군의 초기 연구에서 암층서(e.g. 천북층, 학림층, 흥해층, 두호층) 설정이 시도되었다(Tateiwa, 1924; Kanehara, 1936; Um et al., 1964; Kim, 1965; Yoon, 1975; Yun, 1986, Choe and Chough, 1988). 하지만, 이후 야외 노두 및 시추 자료를 활용해 퇴적 과정을 반영한 기원층서와 사건층서(event stratigraphy)를제시하고 총 4개의 시기로 구분하여 해석하였다(Hwang, 1993; Hwang et al., 1995; Hwang et al., 2021). 연일층군의 퇴적시기는 기존의 생층서 자료와 몇몇 저어콘 U-Pb연대측정결과를 이용해 약 17.5-11.5 Ma로 추정하였다(Hwang et al., 2021 and references therein). 또한 포항분지 내 연일읍 달전리 지역에는 천연기념물로 지정된 ‘포항 달전리 주상절리’를 포함한 달전현무암이 분포한다(Fig. 4b). 천연기념물 지역의 주상절리는 높이 약 20 m,너비 약 100 m로 노출되고, 주상절리의 종단면에서는 대체로 5-6개의 각을 이룬다. 이 암체들에 대한 수치연대측정은 많은 연구자들에 의해 수행되었으며, 그 결과 약20 Ma (전암 K-Ar: Patton, 1981; Lee, 1985; Jin et al., 1988)와 14 Ma (전암 K-Ar:　Sawada, 1988; Lee et al., 1992; Yun et al., 1995;　전암 Ar-Ar: Song et al., 2015)로 양분되어 제안되었다. 연일층군의 퇴적이 약 17.5 Ma에 시작되었다는 것을 고려했을 때 위 결과들 중 전자는분지 형성 이전에 존재했던 암체로 해석될 수 있지만, 후자는 분지의 형성 및 퇴적과정에 관입한 것으로 해석된다. 그러나 앞선 결과들이 연구지역에 분포하는 여러 암체들 중 서로 다른 암체에서 도출된 연령들로 판단하여두 그룹 연령을 나타내는 현무암체들이 공존하는 것으로다시 해석된 바 있다(Shin, 2013). Song et al. (2015)는달전리 지역에 산발적으로 독립되어 분포하는 암체들의지화학적 유사성을 근거로 현무암체들을 모두 동일한 달전현무암으로 판단하고, 일부 노두에서 관찰되는 관입 양상과 연대측정 결과를 이용해 달전리 일대의 현무암체가연일층군을 관입한 것으로 해석하였다. 하지만 연구지역인근의 연일층군 학림층 노두(Yun et al., 1995) 및 시추(PH-3)를 통해 확인되는 역암 내 달전현무암과 유사한 역들이 관찰되는 점, 특히 학림층 하부에 역으로 산출되는현무암과 달전현무암은 지화학적으로 거의 동일하며 서로 다른 기원으로 볼 수 없음이 확인되었다(Yun et al., 1995; Hwang et al., 2021). 동일한 지화학적 특성을 가지는 현무암이 퇴적층의 역으로 산출하고, 퇴적층을 가로지르는 암맥으로 산출하는 것은 연일층군의 퇴적과 동시에 이시적(약 15-13 Ma)으로 발생한 화산활동에 의한 것으로 판단하였다(Yun et al., 1995). 달전현무암을 둘러싸고 있는 연일층군은 대부분 학림층(P2-P3.1 in Hwang et al., 2021)이며, 퇴적시기는 약 16.5-15 Ma로 추정된다(Hwang et al., 2021 and references therein).

Fig. 4. Geological maps of (a) the Miocene basins in the SE Korea, (b) the area where the Daljeon Basalt is distributed, and (c) the Haseo Basin (modified from Yoon et al., 2014; Son et al., 2015; Song et al., 2015).

2.4. 경주 양남 주상절리군(어일현무암)

경주 양남 주상절리군이 위치하는 경주 양남면 하서리지역은 포항 달전리 주상절리와 같이 동해 확장과 연관되어 형성된 분지들 중 하서분지에 해당하며, 주상절리는 하서분지 충전물에 속하는 환서리층 상부의 (어일)현무암에서 산출된다(Fig. 4c). 어일현무암의 하서분지 내층서는 Tateiwa (1924)에 의해 최후기의 제4기 현무암으로 설정되었다가, 이후 중기 마이오세의 연일층군 하부단위인 전기 마이오세의 장기층군 내 최후기의 독립적층서 단위로서 수정 제시되었다(Yoon, 1992). 그러나 최근 Yoon et al. (2014)는 야외조사를 통해 하서분지의 층서를 새롭게 하부로부터 효동리 화산암류, 범곡리층군에속하는 신서리층, 장기층군에 속하는 환서리층으로 수정제안하며 어일현무암을 환서리층의 후기 산물로 판단하였다(Fig. 4c). 즉, 환서리층은 하부의 현무암질 응회암 및응회질 퇴적물과 상부의 현무암으로 구성된다(Yoon et al., 2014). 연일분지와 어일분지에 분포하는 각각의 연일현무암과 어일현무암에 대한 지화학적 연구를 통해 이들은 서로 동일한 마그마에서 기원한 것으로 섭입대와 관련한 화산호 현무암인 것을 확인하였다(Shim et al., 2011).하서분지 내 분포하는 환서리층 하부의 현무암질 응회암및 응회질 퇴적물에 대한 저어콘 U-Pb 연령측정 결과 약20.8-20.3 Ma를 보고하였다(Kang et al., 2016). 하서분지에서 환서리층 상부인 현무암에 대한 직접적인 연령측정결과는 확인되지 않았지만, 다른 마이오세 분지들에 분포하는 연일 및 어일현무암에 대한 수치연령측정 결과대체로 약 20-18 Ma에 해당하는 것으로 알려져 있다(Shin, 2013 and references therein). 또한 마이오세 분지 도처에작은 규모의 암맥 혹은 관입체 형태로 K-Ar 연령이 약15.2-6.0 Ma의 현무암-안산암질 암체들이 보고되었다(Shin, 2013 and references therein).

2.5. 제주 중문·대포해안 주상절리대(대포동현무암)

‘제주 중문·대포해안 주상절리대’는 제주도 남부의 서귀포시 남서부 해안에 위치한다(Fig. 5a). 주상절리대를구성하는 대포동현무암은 중문 북쪽에 위치한 녹하지악분석구에서 분출한 용암류로 제주도 서귀포시 성천포에서 중문동과 대포동에 걸쳐 해안(약 3.5 km) 침식으로 인해 높이 약 20 m로 수려한 경관을 이루며 노출되어 있다(Fig. 5b) (Park et al., 2000a, b). 일반적으로 용암류에발달하는 주상절리 기둥의 직경은 공기와 접하는 상부에서 작고, 지면과 접하는 하부에서 큰 경향을 보이지만,대포동 주상절리는 용암류를 덮은 스코리아와 스패터에의해 역전되어 산출된다(Ahn, 2020). 지화학 분석을 통한 지구조 환경은 섭입과는 무관한 해양도 알칼리 현무암(ocean island alkaline basalt)으로 제시하였다(Koh et al., 2005). 대포동현무암의 전암 K-Ar 연령은 0.25±0.04 Ma로 제시된 바 있다(Koh et al., 2005). 제주도 전역에 걸친 용암류 연령측정 자료를 근거로 용암류 분출을 수반한 제주도의 화산활동기는 5개의 단계로 구분(Koh et al., 2023)되며, 기존 연령 자료에 의하면 대포동현무암은 화산활동기-Ⅳ(0.3-0.1 Ma)의 초기 분출에 해당된다.

Fig. 5. Geologic maps of (a) the JeJu Island and (b) the area where the Daepodong Basalt is distributed (modified from Park et al., 2000a, b; Koh et al., 2013; Kim et al., 2021).

3. 연구방법

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현무암질 암석을 기반으로 형성된 총 7개의 천연기념물 암석들의 형성시기 및 암석학적 특징을 고찰하기 위해 문화재청으로부터 “국가지정문화재(광물) 채취, 반출허가”를 획득한 후 각 지점당 2-5개의 시료들을 채취하였다(Table 1). 먼저, ‘한탄강 대교천 현무암 협곡’의 절벽 노두의 하부에는 약 4 m 두께의 판상절리가 잘 발달되어 있는 반면, 상부에는 주상절리가 방사상으로 나타난다(Fig. 6a). HD-1과 HD-2 시료는 하상에서 약 2 m 상부 지점(판상절리)에서 채취되었다. ‘포천 한탄강 현무암협곡과 비둘기낭 폭포’의 노두에는 주상절리 부분이 침식에 의해 형성된 하식동굴이 관찰되며, 노두 하부에는다공질 현무암, 그 상부에는 괴상 현무암이 약 2.4 m 두께로 나타나고 가장 상부에 주상절리가 발달한다(Fig. 6b). BD-1과 BD-2는 지표 약 1 m 상부의 괴상 현무암에서, BD-3과 BD-4는 상부의 콜로네이드(colonnade)에서 채취하였다. ‘포천 아우라지 베개용암‘ 지역 현무암의 하부층준에는 베개용암이 나타나고, 그 상부 약 2 m 정도는측방으로 위치에 따라 판상절리, 주상절리, 괴상의 혼합체가 발달하며 보다 상부에는 전형적인 주상절리가 두껍게 발달한다(Fig. 6c). 베개용암층의 하부 약 2 m는 치밀한 조직을 보이지만 상부 4 m는 다공질 조직을 보여준다. 시료는 베개용암층에서 3개(AP-1, 2, 3), 판상절리에서 2개(AB-1, 2)가 채취되었다. ’옹진 백령도 진촌리 맨틀포획암 분포지‘에는 현무암 용암층 내 직경 약 5-10 cm크기의 맨틀포획암과 사장석 거정이 관찰된다(Fig. 6d).해안 노두 하부의 전석에서 사장석 거정을 다량 포함하는 BR-1과 BR-2 시료를 획득하였다. ’포항 달전리 주상절리‘ 지점 노두에서는 대체로 서쪽의 주상절리가 휘어진 국수의 형태를 나타내는 반면, 동쪽의 주상절리는 방사상의 부채꼴 형태를 보여준다(Fig. 6e). 동쪽의 주상절리가 대체로 서쪽의 주상절리에 비해 풍화가 많이 진행되어 있어, 연구를 위해 서쪽 사면의 콜로네이드 시료 2개(PD-3, 4)를 채취하였다. ’경주 양남 주상절리군‘에서는 총 3개의 시료(육지쪽 해안사면: GY-1, 해상 주상절리 콜로네이드: GY-3, 4)를 채취하였다(Fig. 6f). ’제주 중문 대포해안 주상절리대‘ 지역 해안 노두의 하부에는 주상절리가 잘 발달하고 있고, 상부에는 스패터와 스코리아가 관찰된다(Fig. 6g). 총 3개의 시료(JD-1, 2, 3)가 채취되었다.

Fig. 6. Outcrop photographs of the study areas. (a) Basalt gorge along Daegyocheon Stream of Hantangang River, (b) Basalt gorge and Bidulginangpokpo Falls of Hantangang River, Pocheon, (c) Pillow lava in Auraji, Pocheon, (d) Peridotite xenolith-bearing basalt in Jinchon-ri, Baengnyeongdo Island, Ongjin, (e) Columnar joint in Daljeon-ri, Pohang, (f) Columnar joint in Yangnam, Gyeongju, (g) Columnar joint along Jungmun and Daepo Coasts, Jeju.

채취된 시료들을 대상으로 편광현미경을 활용해 박편을 관찰하고, 지화학 조성을 파악하기 위해 분쇄 후 주원소 분석에는 경상대학교 공동실험실습관에 설치된 X-선 형광분석기(XRF, BRUKER S8 TIGER)를 이용하고,미량원소 분석에는 한국기초과학지원연구원(KBSI) 서울센터의 ICP-MS (Perkin Elmer Elan 6100)와 ICP-AES (Jobin Yvon 138 Ultima 2)를 활용하였다. 대부분의 시료들에 대해 전암 Ar-Ar 연령을 측정하였고, 백령도 시료(BR-1, 2)는 장석 Ar-Ar 연령 그리고 포항 달전리 시료(PD-3, 4)의 경우 전암 K-Ar 연령측정법을 사용하였다.연령측정은 모두 KBSI 오창센터에서 수행되었고, K-Ar, Ar-Ar 연령측정과 관련한 자세한 사항들은 Kim (2001)과 Kim and Jeon (2015)에 설명되어있다.

4. 연구결과

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4.1. 박편 관찰

한탄강현무암 박편에서는 래스(lath)상의 사장석 결정을 다량으로 포함하고 있는 특징을 보이며, 이와 같은 장석 결정들 사이에 휘석과 일부 감람석 반정들이 나타난다(Fig. 7a~d). 이 지역 현무암의 일반적인 구성 광물은사장석의 함량이 가장 높고, 감람석, 휘석, 이딩사이트,자철석 등의 불투명광물, 유리질 등이 함께 산출된다. 감람석은 주로 자형의 형태이며, 결정의 크기는 다양하다.석기는 비교적 조립질의 특징을 보이며, 석기를 구성하는 광물은 사장석, 감람석, 휘석, 알칼리 장석, 자철석 등이다. 석기의 주 구성광물인 사장석과 후기에 정출된 휘석 사이에는 오피틱 조직(ophitic texture)을 보인다. 사장석 결정들이 희미한 방향성 배열을 보이는 것으로 보아분출 이후 흐르는 용암류에 의해 배열된 것으로 분출을통해 현무암 대지를 형성한 노두관찰 결과와 일치한다.

Fig. 7. Photomicrographs of the thin sections. (a, b, c, d) Hantangang Basalt, (e) Jinchon Basalt, (f) Daljeon Basalt, (g) Eoil Basalt, and (h) Daepodong Basalt.

‘옹진 백령도 진촌리 맨틀포획암 분포지’의 진촌현무암은 대체로 반상조직을 나타내며, 반정 광물로는 감람석과 휘석, 사장석, 자철석 등이 있으며, 석기는 은미정질의 사장석과 휘석으로 구성되어 있다(Fig. 7e). 포획암인감람암은 대부분 감람석과 일부 휘석이 관찰되며, 화려한 간섭색을 보여주는 반면, 현무암은 급랭으로 인해 대부분 미립의 감람석 및 장석 입자를 보여준다(Fig. 7e).

‘포항 달전리 주상절리’의 달전현무암 박편에서는 주로사장석과 유리질의 석기를 바탕으로 감람석 반정들이 다량으로 포함된 반상조직을 보인다(Fig. 7f). 감람석 반정은 석기에 의한 용식작용을 받은 것으로 보인다. 또한 휘석의 경우 석기를 이루는 사장석을 부분적으로 포획하는오피틱 조직을 보이기도 한다. 달전현무암 시료의 박편은 다른 지역 암석들에 비해 변질이 되어있다.

‘경주 양남 주상절리군’의 현무암 박편상에서 장석 반정이 매우 큰 특징을 보인다(Fig. 7g). 장석 반정은 야외노두에서 대략 1~2 mm 정도이며 최대 3 mm 이상인 것들도 관찰되었다. 장석 결정은 대부분 자형으로 이루어지며 알바이트 쌍정과 칼스바드 쌍정을 보여준다. 석기에도 사장석 결정이 대부분을 차지하고, 일부 산화광물이 관찰된다.

‘제주 중문·대포해안 주상절리대’의 현무암은 암회색을띠며, 뚜렷한 반상조직이 관찰된다(Fig. 7h). 반정은 대부분 사장석과 감람석, 단사휘석이며 소량의 사방휘석을 포함하며, 석기에도 유사한 광물 조합 및 유리질이 관찰된다.

4.2. Ar-Ar 및 K-Ar 연령측정

Ar-Ar 연령측정에서 총 가스연령으로 계산된 시료별겉보기 연령(Table 2)은 추가령단층계의 한탄강현무암에서 0.05-0.69 Ma, 백령도 진촌현무암에서 5.56-6.10 Ma,경주 양남 주상절리에서 11.81-19.45 Ma, 제주도 대포동현무암에서 0.12-0.65 Ma의 범위를 나타냈으며, 이로부터 계산된 시료별 가중평균연령(Ma)은 Table 1과 같다.포항 달전리 시료들의 경우 Ar-Ar 총 가스 및 플래토 연령이 정의되지 않아, 전암 K-Ar 연령측정을 수행하였고PD-3과 PD-4 시료에서 각각 20.0±0.4 Ma와 20.8±0.4 Ma의 결과를 얻었다(Table 1).

Table 2 40Ar/39Ar ages for the rocks in the study areas

Sample CodesRun IDCa/KCl/K39Ar Mol × 10-14%40Ar*Apparent Age (Ma)± Age (2σ)
Basalt gorge along Daegyocheon Stream of Hantangang River
HD-1461-015.2060.0100.01045.70.690.39
461-026.6630.0670.01035.10.480.37
461-034.8330.0250.01426.20.510.36
461-044.0090.0500.0129.90.240.44
461-053.4850.0390.0239.70.340.30
HD-2467-014.1420.0090.02441.70.210.08
464-015.407-0.0230.01127.10.300.19
467-023.4730.0230.02457.10.310.08
467-033.4280.0040.02256.10.250.08
464-027.825-0.0410.01832.10.230.11
464-037.3050.0250.01145.80.270.18
464-046.2420.0080.01325.70.380.31
467-053.962-0.0160.04219.60.220.10
464-076.9890.0360.0146.70.130.20
464-086.6240.0320.01510.50.170.18
467-063.9090.0450.0404.50.050.09
467-074.0750.0130.03132.30.280.08
467-083.6510.0260.0297.10.070.10
Basalt gorge and Bidulginangpokpo Falls of Hantangang River, Pocheon
BD-1450-016.221-0.0430.00932.80.200.24
450-026.398-0.0910.00742.90.250.29
450-034.2170.0050.00962.50.280.12
450-046.5450.0240.00738.70.310.15
Sample CodesRun IDCa/KCl/K39Ar Mol × 10-14%40Ar*Apparent Age (Ma)± Age (2σ)
450-065.9060.0360.01440.30.320.17
450-074.536-0.0620.01524.90.220.17
450-084.3190.0230.02028.90.270.11
463-013.919-0.0100.02028.30.400.21
463-024.6260.0620.02029.70.260.19
450-094.0560.0010.0378.90.250.15
463-045.4590.0170.016280.230.14
463-054.1220.0120.0169.60.140.18
BD-2447-012.9780.0660.00775.30.230.28
447-025.2810.0150.00786.70.260.31
447-033.776-0.0260.00860.90.210.12
447-044.690-0.0510.004190.220.28
447-064.785-0.0100.03053.60.360.08
447-084.356-0.0040.03824.70.280.08
462-023.7450.0610.02617.80.300.19
462-045.4710.0170.01318.90.230.18
BD-3451-013.2560.0090.01333.70.240.16
451-023.302-0.1080.00510.60.210.43
451-033.1970.0270.01242.80.250.09
451-045.9930.0120.00826.80.190.13
451-054.572-0.0020.029440.430.08
451-063.0520.0290.03542.10.330.07
451-073.4890.0090.03134.60.290.06
451-083.1830.0040.028330.230.07
451-094.1710.0240.03518.10.190.12
BD-4445-013.696-0.0030.01153.40.230.18
445-033.922-0.0030.00640.50.270.18
445-048.549-0.0930.00539.60.250.22
445-065.1710.0070.027530.450.09
445-075.1180.0210.03036.20.180.08
445-083.5370.0390.03760.90.490.07
445-125.3740.0000.01542.80.290.06
445-135.506-0.0010.01835.80.320.06
445-144.068-0.0050.016400.380.07
445-153.9580.0190.02137.10.400.07
Pillow lava in Auraji, Pocheon
AP-1449-014.937-0.0120.007270.240.30
449-024.781-0.0590.00928.90.140.23
449-034.7230.0340.01339.60.190.08
449-044.6210.0260.01052.70.260.11
449-064.4020.0100.02139.40.220.11
449-074.9280.0700.01728.60.220.14
449-084.3790.0070.03648.60.360.06
AP-2446-024.957-0.0510.00636.50.210.34
446-045.089-0.1210.00639.80.310.18
Sample CodesRun IDCa/KCl/K39Ar Mol × 10-14%40Ar*Apparent Age (Ma)± Age (2σ)
446-065.1690.0420.01839.80.240.13
446-074.3790.0080.03531.20.250.07
446-084.4740.0100.04132.60.330.06
446-134.991-0.0220.01317.70.300.09
AP-3448-014.313-0.0520.00848.60.180.26
448-024.601-0.0570.00972.20.280.22
448-034.5470.0210.00932.90.180.11
448-044.7570.0360.01151.60.260.10
448-064.6380.0080.03139.60.230.08
448-074.4330.0130.03545.90.320.07
448-084.3820.0200.03324.70.290.07
448-094.9960.0410.01932.20.380.12
AB-1465-015.116-0.0280.02518.90.230.17
465-035.390-0.0150.01718.70.300.18
465-045.6720.0250.01433.30.360.16
468-016.064-0.0150.01639.70.230.13
468-024.945-0.0160.01750.30.240.11
468-036.9940.0340.014560.340.13
468-044.5150.0270.03331.50.360.13
468-053.7020.0430.0310.90.170.17
468-065.2210.0490.03317.50.250.12
AB-2431-034.7740.0560.009610.330.22
452-014.223-0.2040.00616.60.140.35
452-024.149-0.1130.00723.10.150.30
452-034.5270.0880.00665.70.340.19
452-043.9830.0440.013470.220.08
452-051.940-0.0210.07411.10.500.25
431-044.711-0.0170.01040.90.340.19
452-065.0170.0350.018130.320.14
431-055.374-0.0230.00963.20.320.28
452-074.5270.0290.02236.30.410.11
452-084.7300.0160.03525.80.360.09
431-065.1310.0480.00631.90.220.32
431-074.578-0.0320.009370.180.20
431-082.2690.0970.01814.20.280.26
452-094.1580.0000.03316.90.180.13
431-104.3370.0770.00817.20.310.31
431-115.7740.0040.01135.50.260.20
431-124.9460.0240.01127.80.420.22
Peridotite xenolith-bearing basalt in Jinchon-ri, Baengnyeongdo Island, Ongjin
BR-1519-010.233-0.0330.02579.75.640.10
519-020.186-0.0160.02982.55.870.07
519-030.1340.0140.02079.95.810.09
519-040.2250.0530.02077.55.990.12
519-050.2490.0360.02984.95.860.06
Sample CodesRun IDCa/KCl/K39Ar Mol × 10-14%40Ar*Apparent Age (Ma)± Age (2σ)
519-070.2020.0000.043875.930.06
519-080.2020.0160.03486.15.900.07
519-090.2130.0200.04083.15.910.07
519-100.2080.0080.03883.25.920.06
519-110.2230.0230.01586.35.880.16
519-120.129-0.0410.01875.75.740.14
519-130.1900.0090.02686.45.920.09
519-140.2430.0440.01376.95.570.19
519-150.141-0.0330.01469.75.560.18
BR-2520-010.1930.0210.03877.95.710.07
520-020.187-0.0130.03282.75.920.06
520-030.2260.0050.04185.35.870.04
520-040.2410.0070.02486.65.890.07
520-050.177-0.0210.04081.36.100.14
520-060.2040.0020.042825.970.04
520-070.185-0.0120.04377.75.860.06
520-080.2380.0040.03682.15.890.08
520-090.2320.0230.02382.55.890.10
520-100.2480.0030.02378.75.860.12
520-110.182-0.0230.01984.35.970.12
520-120.241-0.0200.01579.85.640.17
520-130.2070.0070.01859.15.680.13
520-140.239-0.0120.03283.95.780.09
Columnar joint in Yangnam, Gyeongju
GY-1474-0116.576-0.1520.00436.218.751.04
475-0118.7250.1610.00537.517.220.88
474-0215.8870.1320.00544.314.940.76
475-0216.3360.0960.00639.217.060.68
474-0314.8760.0400.01041.215.480.50
474-0417.9340.0610.01042.815.540.45
475-0316.9110.0830.00738.415.420.59
475-0418.6230.0390.00843.715.560.54
493-0119.9160.2340.0053616.760.87
493-0223.0110.0850.00343.615.411.23
494-0115.9300.0820.00438.913.440.94
GY-3482-0112.8100.0910.00637.116.510.71
483-0113.8570.1350.00627.218.810.76
482-0212.0500.1200.00530.514.990.78
483-0216.7680.1440.00534.216.800.80
482-039.251-0.0160.01527.411.900.41
482-049.575-0.0150.01734.713.170.38
483-0313.0640.1170.0103215.380.44
483-0415.5280.0620.01433.515.870.33
501-0112.5050.0720.00836.112.140.48
501-029.7540.0420.00734.311.810.49
Sample CodesRun IDCa/KCl/K39Ar Mol × 10-14%40Ar*Apparent Age (Ma)± Age (2σ)
502-0113.6140.1030.00838.113.100.47
502-0214.3120.1970.00642.514.380.65
GY-4484-0116.467-0.0570.01931.219.010.27
484-0220.3900.0500.01339.419.450.39
485-0114.7610.0630.02217.218.560.28
485-0219.8990.0250.01929.918.460.28
486-0116.4220.0310.01921.717.150.29
486-0220.849-0.0020.0143716.560.36
487-0115.4560.0440.03042.917.050.18
487-0217.187-0.0320.01934.116.850.26
Columnar joint along Jungmun and Daepo Coasts, Jeju
JD-1466-014.348-0.0130.02841.60.190.07
466-024.9700.0270.02958.90.350.06
466-034.779-0.0190.01849.20.230.10
466-043.777-0.0110.02534.80.410.17
478-036.763-0.0110.03420.50.320.06
479-034.1280.0250.04017.60.390.12
497-014.3630.0080.01913.80.340.09
497-023.988-0.0070.01620.30.270.09
498-013.789-0.0070.01910.20.190.08
498-024.756-0.0560.01724.30.290.09
JD-2481-015.4060.0310.02312.10.120.07
480-027.501-0.0150.01312.40.150.13
481-025.4530.0560.01116.40.230.15
480-035.1860.0070.03514.30.170.04
481-036.2320.0050.031200.310.05
481-045.763-0.0060.03916.20.210.05
499-016.4440.0530.01221.70.330.10
499-025.3770.0080.017180.340.09
500-016.319-0.0010.01830.40.440.07
500-024.6980.0560.01517.50.190.08
JD-3476-015.2730.0430.0159.10.140.13
477-014.6110.0480.01923.70.540.14
476-024.418-0.0800.01720.20.240.11
477-025.122-0.0460.015200.250.13
476-034.8030.0090.03315.80.210.06
476-044.239-0.0060.02419.20.540.15
477-034.996-0.0050.030200.230.05
477-044.9540.0160.02911.10.220.05
495-014.164-0.0250.02028.70.650.12
495-024.4550.0100.01427.20.510.11
496-013.749-0.0070.0249.90.240.13


4.3. 지화학조성

연구대상 암체들 중 백령도를 제외한 6개 지역의 암석에 대해 주원소 및 미량원소 분석을 수행하였고, 그 결과는 Table 3과 4에 제시되어있다. 시료들의 SiO2 값은45.12-50.95 wt.%의 범위를 보이며 평균은 47.45%이다. Al2O3는 14.75-20.08%로 다소 넓은 범위를 나타내며, 평균은 16.15%이다. TiO2는 1.11-2.75%로 평균값은 1.92%이다. 대부분은 2% 이내의 값을 보이지만 포천과 제주도에서 총 3개(BD-4, AP-1, JD-2)의 시료가 2.7% 이상의높은 값을 보인다. Fe2O3(총 Fe) 함량은 PD와 GY 시료에서 10% 이하로 비교적 낮은 값을 보이고, 전체적으로는 10.99%의 평균값을 가진다. MnO는 PD 시료에서 약0.2%로 약간 낮은 값을 보이지만 전체적 평균은 0.23%의 값을 나타내며 대체로 유사하다. MgO는 대부분 7-9%범위의 값을 보이지만 PD와 GY 시료에서 6% 이하의 낮은 값을 나타낸다. CaO는 4.49-10.57%의 넓은 범위를 보이며 평균값은 8.21%로 나타나며, PD 시료에서는 6% 이하의 낮은 값을 보이는데 반해, GY 시료에서는 10% 이상으로 높은 값을 보인다. Na2O는 대부분 3-4%의 일정한 값을 보이지만(평균값 3.62%) PD 시료에서 높은 값을 갖는다. K2O는 0.38-3.23%로 PD 시료에서는 비교적높고, GY 시료에서는 비교적 낮은 값을 보이며, 평균값은 1.59%이다. LOI 값은 대부분 낮은 값을 나타내지만 BD-3과 PD-4 시료에서 6.0%의 높은 값을 보인다.

Table 3 Composition of major elements of the rocks in the study areas

LocationSampleSiO2Al2O3TiO2Fe2O3MnOMgOCaONa2OK2OP2O5SO3LOITotal
Basalt gorge along Daegyocheon Stream of Hantangang RiverHD-147.5915.491.9411.600.248.917.973.531.870.390.130.1299.78
HD-247.8715.961.9311.070.238.318.113.812.000.400.130.1399.94
Basalt gorge and Bidulginangpokpo Falls of Hantangang River, PocheonBD-148.3815.861.9511.200.238.148.373.471.740.370.120.0599.89
BD-246.0614.981.9111.480.247.888.233.441.740.360.150.1796.63
BD-345.2414.921.8610.690.227.417.803.421.760.360.166.0099.86
BD-447.3514.752.7513.510.247.608.053.181.220.470.170.6899.96
Pillow lava in Auraji, PocheonAP-147.5315.032.7113.120.237.118.543.341.210.460.150.2799.70
AP-247.8415.481.9511.980.268.408.093.411.690.360.160.2599.88
AP-347.6315.431.9511.740.248.158.313.441.740.360.160.1799.31
AB-146.5314.811.8511.680.248.958.303.261.610.320.100.0597.70
AB-246.9415.191.8411.510.248.708.383.681.660.350.110.2498.83
Columnar joint in Daljeon-ri, PohangPD-345.1216.831.907.480.205.404.976.302.951.450.601.6994.88
PD-446.0017.111.867.240.195.604.495.653.231.390.586.0099.34
Columnar joint in Yangnam, GyeongjuGY-148.6719.521.149.320.233.5710.393.110.380.160.021.3297.83
GY-350.9520.081.189.050.243.2710.503.290.490.170.030.3399.57
GY-449.7219.921.119.060.233.7910.573.160.420.160.020.6698.82
Columnar joint along Jungmun and Daepo Coasts, JejuJD-146.8415.171.9211.640.248.358.012.981.690.360.121.9599.27
JD-247.3315.032.7513.460.246.948.633.101.100.460.160.0199.21
JD-347.8615.281.9611.950.258.848.303.241.630.360.110.1199.89

Table 4 Composition of trace and rare earth elements of the rocks in the study areas

HD-1HD-2BD-1BD-2BD-3BD-4AP-1AP-2AP-3AB-1AB-2PD-3PD-4GY-1GY-3GY-4JD-1JD-2JD-3
Ba327.9301.0252.9256.5286.8288.4281.9278.5270.8334.4249.5524.1602.1121.4152.4129.3357.6378.2367.8
Sr632.5593.8548.4568.5581.3610.5577.2553.9559.1679.7575.91204.91098.2522.3521.0522.4509.8579.2561.3
Co46.248.653.652.047.048.552.251.150.343.751.422.821.626.327.125.049.450.548.5
Cr177.9182.0190.3168.7138.2131.2173.1172.4173.3172.2183.449.354.727.957.675.7198.4169.2169.6
Cu56.653.057.758.263.461.864.760.460.157.255.323.622.634.749.347.342.939.461.9
Ga25.423.624.727.226.726.426.726.025.725.427.424.625.025.321.721.630.832.431.0
Li5.95.56.15.96.25.46.35.86.25.46.215.928.59.36.47.05.54.45.3
Ni168.6172.5186.1173.9155.9164.1161.6165.0156.7143.3167.252.057.716.245.844.4149.7140.1135.0
Sc18.717.023.721.719.217.521.021.422.621.722.210.29.923.319.417.517.818.617.3
V153.4151.8159.1166.0153.1157.5163.1159.1156.3157.5158.3103.696.8220.2208.0212.0186.2197.0181.6
Zn84.984.493.593.891.894.4100.994.691.181.787.453.652.686.376.871.3128.3134.4130.9
Zr215.7205.3188.5197.1207.2204.2201.5197.0204.1201.2186.8377.7157.393.893.190.5226.9237.4222.4
Rb26.024.621.319.924.722.724.122.022.421.021.652.757.17.09.97.617.415.118.0
Y26.924.227.226.827.626.228.227.027.524.124.929.228.522.221.620.824.126.524.3
Nb40.438.037.638.541.440.540.140.28.132.635.460.47.73.03.03.047.352.151.9
Mo1.40.31.00.82.11.72.72.51.71.42.15.04.71.41.51.42.12.51.8
Cs0.30.00.10.10.20.30.30.30.20.10.31.82.11.41.80.50.00.10.1
La26.423.423.623.825.924.225.523.825.322.022.1101.996.68.17.97.428.232.130.3
Ce54.548.548.750.054.149.853.350.151.945.046.5185.6176.621.520.519.559.364.561.5
Pr6.66.05.86.06.46.16.36.26.35.55.619.518.13.02.92.77.38.07.4
Nd27.823.424.224.425.925.325.925.525.822.224.069.064.114.513.913.630.334.031.0
Sm6.05.45.56.05.45.96.25.76.05.25.410.69.84.53.73.57.17.56.8
Eu2.01.61.81.71.81.91.91.92.01.81.83.33.11.51.31.32.42.62.4
Gd5.94.95.35.65.65.66.05.86.05.35.67.77.64.63.94.06.57.46.7
Tb0.90.80.90.90.90.91.00.90.90.80.91.11.00.70.70.70.91.11.0
Dy5.45.15.65.55.65.75.95.55.54.95.26.35.84.64.13.95.46.15.4
Ho1.11.01.01.01.11.11.21.11.10.91.01.21.11.00.80.90.91.00.9
Er3.02.62.83.13.03.03.23.03.12.72.83.23.12.72.52.42.52.82.4
Tm0.40.30.40.40.40.40.40.40.40.30.40.40.40.40.30.30.30.30.3
Yb2.72.02.32.42.42.62.82.62.62.42.32.62.52.42.32.21.82.01.7
Lu0.20.10.20.20.20.30.30.20.30.30.20.30.20.30.20.20.10.10.1
Hf5.04.54.54.74.74.65.04.74.74.44.34.41.52.42.32.45.55.95.7
Ta20.822.119.525.022.121.020.921.12.516.617.232.12.33.52.12.326.929.427.2
Pb3.83.43.13.23.63.63.73.53.54.03.39.08.86.44.64.42.85.13.4
Th3.32.62.93.03.22.82.92.93.22.82.615.615.40.90.80.64.55.14.5
U0.70.50.50.60.70.80.80.70.80.70.75.04.80.10.10.10.80.70.5
ΣREE143.0125.0128.0131.0138.6132.9139.9132.7137.2119.3124.0412.6390.169.865.162.7152.9169.5157.8
Eu/Eu*1.030.971.010.901.011.020.971.000.991.021.001.111.091.041.021.031.061.051.09
(La/Yb)N7.168.527.397.037.756.636.546.596.926.596.9528.0927.192.472.512.4011.5011.6812.91


주원소 분석 결과를 활용해 암상을 분류하기 위해 TAS도표에 도시하였다(Fig. 8). 이번 연구에서 분석한 6개 지점의 시료들 중 포노테프라이트에 도시된 PD 시료를 제외하면 모두 현무암과 조면현무암 영역에 도시되었다(Fig. 8). 그 중에서 GY 시료들은 비알칼리 계열의 현무암에 속하는 반면, 제주도 및 포천 지역의 시료들은 알칼리 계열의 현무암과 조면현무암 경계 부근에 위치하지만 제주도 시료들은 주로 현무암 그리고 포천 시료들은주로 조면현무암 영역에 도시된다(Fig. 8).

Fig. 8. TAS diagram of the volcanic rocks on the study areas (modified from Irvine and Baragar, 1971; Le Bas et al., 1986).

미량원소 분석결과에서는 친정(호정성) 원소인 Cr은 약28-198 ppm, Ni은 16-186 ppm로 넓은 범위를 보이지만, PD와 GY 시료에서 다른 시료들에 비해 뚜렷하게 낮은값을 나타낸다(Table 4). 친액(불호정성) 원소인 Rb은 7-57 ppm, Ba은 121-602 ppm, Sr은 510-1205 ppm의 범위를 나타내며, 대체로 GY 시료에서 낮은 값, PD 시료에서 가장 높은 값을 보여준다. 총 희토류원소 함량(ΣREE)은 63-413 ppm으로 GY 시료에서 가장 낮고, PD 시료에서 가장 높다(Fig. 9; Table 4). Eu 이상은 포천 시료에는대체로 나타나지 않지만, PD, JD, GY 순으로 아주 미약한 양의 이상을 보인다. (La/Yb)N값의 범위는 2.4-28.1을나타내며, PD, JD, 포천(HD, BD, AP, AB), GY 시료 순으로 마그마 분화 정도가 감소한다(Fig. 9; Table 4).

Fig. 9. (a) The spider diagram for the samples are normalized to the composition of the primitive mantle (Sun and McDonough, 1989) and (b) Rare earth element patterns normalized to chondrite (Sun and McDonough, 1989). *Data from (arc volcanic rocks: www.petdb.org) and (Ocean Island Basalt: Sun and McDonough, 1989). Colors are the same as those in Fig. 8.

5. 토의

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위 결과들과 기존 연구결과들을 종합해, 연구대상 7개천연기념물의 형성시기와 암석학적 특징에 대해 고찰해보았다.

5.1. 추가령단층계의 제4기 현무암

추가령단층계를 따라 분포하는 제4기 현무암에 위치하는 3개의 천연기념물에 대한 Ar-Ar 연령측정 결과 ‘한탄강 대교천 현무암 협곡’의 두 개의 시료에서 각각 0.45±0.16 Ma (HD-1, n=5)와 0.25±0.03 Ma (HD-2, n=11)의 결과를 얻었다(Table 1). 두 시료들은 모두 판상절리가 발달하는 동일 층준에서 채취되었으나, 오차범위를 고려하더라도 유사한 연령을 나타내지만 중첩되지 않는다. 각 시료들에서 얻어진 겉보기 연령들의 오차 및 분석 갯수를고려했을 때 HD-2에서 얻어진 0.25±0.03 Ma가 보다 신뢰할 수 있는 자료로 판단되지만, 각 시료별 신뢰도를 포함해 두 시료에서 계산된 가중평균연령은 약 0.26 Ma로계산되었다. 유사한 지점의 동일 암체로 판단되는 판상절리가 발달하는 현무암을 대상으로 기보고된 K-Ar 연령은 0.28±0.03 Ma로 이번 연구의 약 0.26 Ma와 잘 일치(Won et al., 2002)하며, 이 시기는 신생대 제4기 플라이스토세 지바절(Chibanian: 0.774-0.129 Ma)에 해당한다.

‘포천 한탄강 현무암 협곡과 비둘기낭 폭포’에서는 총4개의 시료에 대해 연령측정을 수행하여, 0.27±0.05 Ma (BD-1, n=12), 0.29±0.05 Ma (BD-2, n=8), 0.29±0.06 Ma (BD-3, n=9), 0.35±0.07 Ma (BD-4, n=10)의 연령을 얻었다(Table 1), 모든 시료들은 오차 범위 내 중첩되고, 이들의 가중평균연령은 0.29±0.03 Ma로 계산된다. 본 천연기념물이 위치하는 대회산리 내 인근 지역에서 현무암류를대략 3매로 구분하고 중부 및 상부 용암류에 대한 K-Ar연령을 약 0.14 Ma로 보고한 바 있지만(Park et al., 1996),본 연구지역의 현무암체와의 층서적 관계를 정확히 파악할 수 없다. 또한 이번 연구에서 활용된 Ar-Ar 연령측정법과는 달리 K-Ar 연령측정법은 K와 Ar을 각각 별도로측정하기에 시료가 불균질할 경우 왜곡된 연령을 제시할가능성도 무시할 수 없다. 따라서 본 천연기념물이 발달하는 현무암은 약 0.29 Ma로 신생대 제4기 플라이스토세 지바절에 분출한 것으로 해석된다.

‘포천 아우라지 베개용암’ 지점의 하부 베개용암 시료3개에서 각각 0.28±0.08 Ma (AP-1, n=7), 0.29±0.04 Ma (AP-2, n=6), 0.28±0.05 Ma (AP-3, n=8) 그리고 베개용암 상부의 판상절리 시료 2개에서 0.27±0.05 Ma (AB-1, n=9), 0.30±0.05 Ma (AB-2, n=18)의 Ar-Ar 연령을 얻었다(Table 1). 이 연령들은 오차 범위 내 매우 잘 일치하는 연령으로 베개용암과 판상절리를 포함하는 용암은 지질학적 시간 규모에서 큰 시간차 없이 거의 동시에 분출한 것으로 해석된다. 따라서 본 천연기념물을 포함하는현무암체에서 도출된 5개 연령들의 가중평균은 0.285 Ma로 계산되며, 앞선 HD 및 BD 시료의 현무암체들과 마찬가지로 신생대 제4기 플라이스토세 지바절의 분출을지시한다.

연구지역의 한탄강 제4기 현무암들은 대체로 0.29-0.26 Ma의 Ar-Ar 연령(Table 1)을 나타냈으며, 이는 Ryu et al. (2011)에 의해 대체로 0.50 Ma(전곡현무암)와 0.15 Ma(차탄현무암)로 양분되는 현무암들로 구성된다는주장과는 다른 결과이다. 특히 지금까지 한탄강 제4기 현무암에서 보고된 연령의 대부분은 전곡리 구석기유적지와 관련된 연구로서 전곡리 지역에 밀집되어 분포하며,이는 특정 지역에 분포하는 현무암의 분출연령이 부각되어 한탄강현무암을 구성하는 전체적 연령 분포가 왜곡되어 인식되어왔을 가능성이 있음을 시사한다. 지금까지 수행된 연대측정 결과들과 이번 연구결과를 요약하면, 한탄강현무암은 대체로 0.50 Ma 혹은 이전부터 약 0.15 Ma에 걸쳐 빈번하게 크고 작은 분출들을 반복한 것으로 판단되며, 그 시기는 대체로 플라이스토세 지바절에 해당한다.

한탄강 현무암은 TAS 도표에서 대체로 조면현무암 영역에 속하지만, 일부 현무암 영역에도 도시되며, 모두 알칼리 계열에 해당한다(Fig. 8). 정규화한 미량원소(초생맨틀) 및 희토류원소(콘드라이트)의 조성은 해양도 현무암과 매우 유사하며, 미량원소를 이용한 지구조판별도에서모두 판내부 해양도 현무암(OIB: Ocean Island Basalt) 영역에 도시된다(Fig. 9와 10).

Fig. 10. Tectonic discrimination diagrams of the samples. (a) Zr vs. Ti plot, (b) La/Yb vs. Nb/La plot, (c) N-MORB-normalized Nb vs. Th plot, and (d) Th, Hf/3, Nb/16 plot (after Wood, 1980; Pearce, 1982; Hollocher et al., 2012; Saccani, 2015). *Data for some Daljeon Basalt (green) in the dotted area are from Choi et al (2013). Colors are the same as those in Fig. 8.

5.2. 옹진 백령도 진촌리 맨틀포획암 분포지

‘옹진 백령도 진촌리 맨틀포획암 분포지’에 분포하는용암류(바사나이트) 두 개의 시료에서 분리한 장석을 대상으로 각각 5.87±0.05 Ma (n=14)와 5.88±0.05 Ma (n=14)로 동일한 Ar-Ar 연령을 얻었다(Table 1). 특히 이 연령은 바사나이트를 대상으로 Choi et al., (2006)에서 제시한 4.2±0.1 Ma (전암 K-Ar 연령) 보다는 오래된 연령을나타내지만, 이후 동일 저자가 포함된 Kim and Choi (2021)에 의해 수정 제안된 5.87±0.02 Ma(전암 Ar-Ar 연령)과일치하는 연령으로 매우 신뢰도가 높다. 따라서 본 천연기념물 현무암질 용암류의 분출시기는 신생대의 신진기마이오세 메시나절(Messinian: 7.246-5.333 Ma)에 해당하며, 이 시기에 지각 하부의 맨틀을 포획하고 분출한 것으로 판단할 수 있다. 본 암체의 지화학 분석 결과에 의하면 바사나이트로 분류되며, 해양도 현무암과 유사한 특성을 보이고 근원 맨틀암석으로는 (함)탄산염 석류석 감람암(carbonated garnet peridotite)이 우세한 것으로 보고되었다(Kim and Choi, 2021).

5.3. 포항 달전리 주상절리

‘포항 달전리 주상절리’가 발달하는 현무암체의 두 시료에서 20.0±0.4 Ma와 20.8±0.4 Ma로 오차범위 내 서로 일치하는 K-Ar 연령을 얻었다(Table 1). 이 결과는 기존에 보고된 두 연령그룹 중 약 20 Ma (Patton, 1981; Lee, 1985; Jin et al., 1988)와 일치한다. 하지만 전암 K-Ar 연령으로 약 14 Ma (Sawada, 1988; Lee et al., 1992; Yun et al., 1995)로도 보고되었다. K-Ar 연령측정은 시료의 균질성에 대해 보장하지 못하며, 시료 내 아르곤(Ar)의 유출 및 유입에 의한 영향을 명확하게 파악하지 못하는 단점이 있다. 특히 전암 Ar-Ar 연령측정에서는 플래토(plateau) 연령으로 15.02±0.41 Ma 그리고 등시선 연령으로 13.8±2.2 Ma가 도출(Song et al., 2015)되었는데,방출스펙트럼의 초기에 과잉 Ar의 영향으로 추정되는 약41.0±2.2 Ma (39Ar 방출량: 5.38%)의 연령이 보고되었다.이는 주로 시료 내 느슨하게 포함된 과잉 Ar이 분석 초기 저온에서 방출되는 것으로 제시되었다(Harrison and McDougall, 1980; Dallmeyer and Rivers 1983). Song et al. (2015)의 결과에서 확인된 과잉 Ar의 영향으로 인해이번 연구 및 기보고된 K-Ar 연령에서 약 20 Ma로 보고된 것들이 실제 연령보다 오래된 연령으로 평가되었을가능성이 있을 것으로 판단된다.

그리고 현무암 관입체에 접하는 연일층군(학림층) 내퇴적된 생물 기원물질(유기물과 화분화석)에 대한 연구에서도 현무암의 관입에 의한 열적 영향을 받았음을 주장하면서, 동시에 달전현무암이 관입하고 있는 연일층군학림층 내 현무암 역이 달전현무암체와 동일한 화학조성을 나타낸다고 보고하였다(Yun et al., 1995). 달전현무암체를 둘러싸고 있는 연일층군 퇴적체는 최근 육상 노두및 21개의 심부코어 자료를 종합해 정립한 사건층서에의하면 세 번째 시기(Stage P3)에 해당하고 16-13 Ma에퇴적된 것으로 제시되었으며, P3 구간 내 달전현무암 분포지보다 상부 층위의 데사이트질 화산재층의 저어콘SHRIMP U-Pb 연령은 약 14.6 Ma로 계산되었다(Hwang et al., 2021 and references therein). Song et al. (2015)의분석 결과를 재평가하면 플래토 연령으로 제시한 15.02±0.41연령은 겉보기 연령 및 오차 각각의 단순 평균값으로 개개 겉보기 연령들의 오차 범위에 따른 연령별 가중치를반영하지 않았으며, 이를 반영해 동일한 가열단계(구간)의 연령들의 가중평균을 다시 계산하면 14.6±1.6 Ma (n=8, 39Ar 방출량: 92.91%, MSWD=100)로 나타나며 편차가 매우 크고, 보고된 등시선 연령(약 13.8 Ma) 또한MSWD가 14876으로 편차가 매우 큰 값을 나타낸다는 문제가 있다. 실제 겉보기 연령들의 오차범위를 고려해 비록 39Ar의 누적 방출량이 약 40%로 작지만 서로 중첩되는 연령들만 이용해 계산하면 16.98±0.26 Ma (n=3, 39Ar방출량: 38.93%, MSWD=0.46)의 플래토 연령이 도출된다. 이는 연일층군의 퇴적이 시작된 시기와 유사한 연령을 나타내지만, 이 또한 Ar 방출량이 약 40%로 많지 않아 신뢰도가 아주 높은 연령으로 판단될 수는 없다. 달전현무암의 형성 연령에 대한 고찰을 정리하면 대체로 신생대 마이오세 부르디갈라절(Burdigalian: 20.44-15.98 Ma)과 랑게절(Langhian: 15.98-13.82 Ma)동안 발생한 현무암질 화산활동의 결과로 형성된 것으로 해석되나 명확한 연령은 아직 규명되지 않은 것으로 판단된다. 하지만 달전현무암이 관입하고 있는 연일층군의 퇴적시기(천북역암-학림층 일부: 17.5-14.6 Ma)와 학림층에 포함된 달전현무암을 고려한다면, Yun et al., 1995이 제시한 이시적 화산활동이 가장 합리적인 해석으로 추정된다.

달전리 지역의 연일층군 퇴적층과 산재하는 현무암체들과의 관계를 명확하게 규명하기 위해서는 체계적인 야외조사와 종합적인 연령측정 연구가 추가로 필요해 보인다. 특히, 연령측정에 있어 전암에 포함된 흑운모는 K-장석에 비해 외부기원 Ar에 대한 영향을 약 10배에서 최대100배 정도까지 받는 것으로 알려져 있다(Kelly, 2002). 따라서 후기의 열적 변질에 의한 영향, 유체 포유물에 의한 영향의 최소화를 위해 철저하게 신선한 암체들을 선정하고 장석을 분리해 Ar-Ar 연령측정을 수행하는 추가연구가 필요한 것으로 판단된다.

달전현무암의 주원소 조성은 TAS 도표에서 알칼리 계열의 포노테프라이트 영역에 도시된다(Fig. 8; Table 3).콘드라이트로 정규화한 희토류 원소 조성에서는 다른 시료들에 비해 경희토류가 상당히 부화[(La/Yb)N = 27.2-28.1]되어 있는 양상을 보이며, 미량원소 조성에서 해양도 현무암과 보다 유사한 경향을 보인다(Fig. 9). 지구조판별도에서 이번 연구 결과 및 기존 연구를 참고하였을때 대체로 판내부 해양도 현무암 영역에 포함되나 포천지역의 한탄강현무암 및 제주도의 대포동현무암에 비해전형적인 해양도 현무암에서 다소 멀리 떨어진 경향을보여주는데 이는 한탄강과 대포동 현무암과는 다른 기원물질 또는 진화과정을 지시한다(Fig. 10). 선행연구에 따르면 달전현무암이 얕은 지각에서 플룸에 의해 형성된판내부 해양도현무암과 매우 유사하다고 보고되었다(Yun et al., 1995, Song et al., 1998). 그리고 주된 근원물질은수화광물을 포함하는 대륙암권 하부 맨틀로 추정하였다(Choi et al., 2013).

5.4. 경주 양남 주상절리군

‘경주 양남 주상절리군’이 발달하고 있는 현무암 시료에서 GY-1: 15.8±0.7 Ma (n=11), GY-3: 14.1±1.3 Ma (n=12), GY-4: 17.7±0.8 Ma (n=8)의 전암 Ar-Ar 연령을얻었으며, 앞선 두 연령들은 오차 범위 내 일치하는 반면 약 17.7 Ma로 계산된 연령은 오차 범위를 고려하더라도 서로 중첩되지 않는다. 연구시료 중 GY-1과 GY-3시료들은 육지와 연결된 해안의 서로 연장된 동일암체에서 채취한 반면, GY-4는 부채꼴 주상절리에서 채취하였다(Fig. 6; Table 1). 그러나 이 현무암체들은 야외 산상과 박편관찰, 지화학 분석 결과에서 매우 유사한 특성을보여 서로 구별되지 않는다(Table 3과 4). 따라서 이들을동일한 암체로 해석하였으며, 각 연령 측정값이 안정된겉보기 연령을 나타내는지의 여부와 각 겉보기 연령 오차의 크기를 고려했을 때 GY-4 시료에서 구해진, 17.7±0.8 Ma가 가장 신뢰도 높은 연령으로 판단된다(Table 1과 2). 그리고 이 연령은 마이오세 분지 내 보고된 연일및 어일현무암에서 보고된 연령인 20-18 Ma와 잘 일치한다(Shin, 2013 and references therein). 그러므로 본 천연기념물 주상절리군은 신생대 신진기 마이오세의 부르디갈라절(Burdigalian: 20.44-15.97 Ma)에 형성된 것으로해석된다.

주원소의 조성을 이용한 TAS 도표에서 유일하게 비알칼리 계열의 현무암에 도시되었고, Na가 풍부한 소딕 계열의 비알칼리 현무암에 해당한다(Fig. 8; Table 3). 초생맨틀값에 정규화한 미량원소 조성은 다른 시료들과 달리호화산 활동과 밀접한 관련이 있음을 지시하며, 지구조분별도에서 역시 섭입으로 인한 화산호 현무암을 지시한다(Fig. 9와 10).

5.5. 제주 중문·대포해안 주상절리대

‘제주 중문·대포해안 주상절리대’가 발달하는 대포동현무암 시료에서 0.29±0.05 Ma (n=10), 0.24±0.07 Ma (n=10), 0.28±0.09 Ma (n=11)의 전암 Ar-Ar 연령을 얻었다(Table 1). 세 연령은 서로 오차범위 내에서 일치하고,이들의 가중 평균은 약 0.27 Ma로 계산된다. 약 0.27 Ma는 선행 연구에서 0.25±0.04 Ma로 보고된 K-Ar 연령과도 오차 범위 내 잘 일치한다(Koh et al., 2005). 그러므로 본 천연기념물 주상절리는 신생대 제4기 플라이스토세 지바절에 분출한 현무암의 냉각과정에 형성된 것으로판단된다. 대포동현무암의 주원소 조성을 TAS 도표에 도시하면 알칼리 계열의 현무암에 해당하고, 정규화한 미량원소 및 희토류원소는 해양도 현무암과 매우 유사한조성을 보여준다(Fig. 8과 9; Table 3과 4). 지구조 판별도에서는 모두 판내부 해양도 현무암에 도시된다(Fig. 10).

6. 결론

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국내에 분포하는 천연기념물 암체의 형성시기와 암석학적 특징을 규명하기 위해 경기도 포천지역 3곳(한탄강현무암), 옹진군 백령도(진촌현무암), 포항 달전리(달전현무암), 경주 양남면(어일현무암), 제주 중문·대포동(대포동현무암) 등 총 7개 암체들을 대상으로 야외 조사, 암석및 박편관찰, 연대측정, 지화학 분석을 수행하였다. 각 암체들의 형성 시기는 포천의 연구지역 한탄강현무암은 모두 0.29-0.26 Ma의 신생대 제4기 플라이스토세 지바절,진촌현무암은 약 5.9 Ma로 신생대 신진기 마이오세 메시나절, 달전현무암은 마이오세 부르디갈라절(?)에서 랑게절 사이, 양남 주상절리 어일현무암은 약 17.7 Ma로마이오세의 부르디갈라절, 해안 주상절리의 대포동현무암은 약 0.27 Ma로 플라이스토세 지바절에 형성된 암체인 것으로 판단된다. TAS 도표를 근거로 한 연구지역 한탄강현무암은 알칼리 계열의 조면현무암에 대체로 해당하나, 일부는 대포동현무암과 함께 알칼리 계열의 현무암 영역에 도시된다. 달전현무암은 알칼리 계열의 포노테프라이트에 해당하는 반면, 양남 주상절리의 어일현무암은 Na가 풍부한 비알칼리 계열의 현무암이다. 미량원소 및 희토류 원소의 조성은 연구지역 어일현무암이 유일하게 화산호 현무암과 유사하며, 나머지 시료들은 정도를 달리하지만 모두 해양도 현무암과 유사한 경향을나타낸다. 지구조판별도 상에서도 이와 함께 화산호 현무암인 어일현무암을 제외하면, 대체로 해양도 현무암에도시된다. 이번 연구에서 명확하게 형성시기를 제시하지못한 소위 달전현무암으로 분류되는 암체들에 대해서는향후 야외에서의 접촉관계와 연대측정에 대한 추가 연구가 필요하다.

위 결과들을 종합하면 한반도의 신생대 화성활동은 마이오세까지 섭입과 관련된 화성활동과 주로 관련이 있었으며 이는 동해의 확장과 관련된 마이오세 분지 형성 초기까지 영향을 주었고, 동해 확장 이후 한반도는 주로 판내부의 열점과 관련된 화성활동이 지배적인 지구조 환경에 놓여있는 것으로 판단된다.

사사

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이 연구는 2024년도 순천대학교 교연비의 지원을 받아수행되었습니다. 시료채취와 연구에 도움을 주신 국가유산청과 논문을 읽고 좋은 의견을 주신 심사위원분들께감사드립니다.

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Article

Research Paper

Econ. Environ. Geol. 2024; 57(4): 449-471

Published online August 30, 2024 https://doi.org/10.9719/EEG.2024.57.4.449

Copyright © THE KOREAN SOCIETY OF ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL GEOLOGY.

Numerical Ages and Petrological Characteristics of the Basalts designated as Natural Monument, Korea

Yong-Un Chae1,2, Cheong-Bin Kim3,*, Sujin Ha2, Jong-Deock Lim4, Hyoun Soo Lim2,*

1Institute of Environmental Geosciences, Pukyong National University, Busan 48513, Republic of Korea
2Department of Geological Sciences, Pusan National University, Busan 46241, Republic of Korea
3Department of Physical Education, Sunchon National University, Suncheon 57922, Republic of Korea
4Division of Animal and Plant Heritage, Korea Heritage Service, Daejeon 35208, Republic of Korea

Correspondence to:*cbkim@scnu.ac.kr / tracker@pusan.ac.kr

Received: August 14, 2024; Revised: August 29, 2024; Accepted: August 29, 2024

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 original work is properly cited.

Abstract

We investigated the radiometric ages and petrological characteristics of basaltic rocks with columnar joints, basalt gorge, pillow lava, and mantle xenolith, from the geoheritages designated as Natural Monuments of Korea in recognition of their historical, academic, and scenic excellence. A total of 7 Natural Monuments were selected. They are ‘Basalt gorge along Daegyocheon Stream of Hantangang River’, ‘Basalt gorge and Bidulginangpokpo Falls of Hantangang River, Pocheon’, ‘Pillow lava in Auraji, Pocheon’ distributed along the Chugaryeong Fault System, ‘Peridotite xenolith-bearing basalt in Jinchon-ri Baengnyeongdo Island, Ongjin’, ‘Columnar joint in Daljeon-ri, Pohang’, ‘Columnar joint in Yangnam, Gyeongju’, and ‘Columnar joint along Jungmun and Daepo Coasts, Jeju’. They ranged in age from the Cenozoic Neogene Miocene to the Quarternary Pleistocene. Based on the composition of major elements, Hantangang Basalt corresponded to trachybasalt, Daljeon Basalt to phonotephrite, Eoil Basalt to sub-alkaline basalt, and Daepodong Basalt to alkaline basalt. And in the composition of trace and rare earth elements, only Eoil Basalt showed the characteristics of arc basalt, while the others showed the characteristics of oceanic island basalt.

Keywords Natural Monument, basalt, columnar joint, Ar-Ar dating, geochemistry

국내 천연기념물 현무암체들의 형성시기와 암석학적 특징

채용운1,2 · 김정빈3,* · 하수진2 · 임종덕4 · 임현수2,*

1국립부경대학교 지질환경연구소
2부산대학교 지질환경과학과
3국립순천대학교 물리교육과
4국가유산청 동식물유산과

Received: August 14, 2024; Revised: August 29, 2024; Accepted: August 29, 2024

요 약

역사, 학술 및 경관적 우수성을 인정받아 천연기념물로 지정된 지질유산들 중 주상절리, 현무암 협곡, 베개용암, 맨틀 포획암 등의 다양한 현상들을 나타내는 현무암질 암석들의 형성시기와 암석학적 특징을 고찰해 보았다. 연구대상 천연기념물은 추가령단층계를 따라 분포하는 한탄강현무암의 ‘한탄강 대교천 현무암 협곡’, '포천 한탄강 현무암 협곡과 비둘기낭 폭포', ‘포천 아우라지 베개용암’, 백령도 진촌현무암의 ‘옹진 백령도 진촌리 맨틀포획암 분포지’, 포항 달전현무암의 ‘포항 달전리 주상절리’, 경주어일현무암의 ‘경주 양남 주상절리군’, 제주 대포동현무암의 ‘제주 중문·대포해안 주상절리대’ 등 총 7곳이다. 이들은 신생대 신진기 마이오세에서 제4기 플라이스토세에 이르는 다양한 연령을 보여주었다. 주원소 조성에서 포천 한탄강현무암은 대체로 조면현무암, 달전현무암은 포노테프라이트, 제주 대포동현무암은 알칼리 계열의 현무암, 어일현무암은 비알칼리 계열의 현무암에 해당하며, 미량원소 조성에서 어일현무암 만 화산호 현무암의 특징을 보이고, 그 외 시료들은 해양도 현무암의 특징을 나타냈다.

주요어 천연기념물, 현무암, 주상절리, Ar-Ar 연령, 지화학

Research Highlights

  • Determined the numerical ages of basaltic rocks, designated as Natural Monuments, using the Ar-Ar dating method.

  • Analyzed geochemical data to infer the tectonic environments in which the basaltic rocks were formed.

  • Conducted a comprehensive review of existing age data for the study areas and proposed directions for future research.

1. 서론

유네스코 세계자연유산(World Natural Heritage)과 세계지질공원(Global Geopark)에 대한 관심이 증가하면서 국내에서도 이의 근간이 되는 지질유산(geoheritage)에 대한 관심이 높아지고 있다. 지질유산 중 역사적·학술적·경관적 가치가 큰 것은 국가유산청 자연유산위원회의 심의를 거쳐 인정받으면 천연기념물로 지정될 수 있다. 2024년 8월 기준 현재 국내의 지구과학관련 천연기념물은 99개로 그 중 46개가 지질·지형으로 분류된다. 과거 사용되던 천연기념물 지정번호는 2021년 국가유산청에서 ‘문화재보호법 시행령’을 개정하면서 폐지되었다.

천연기념물로 지정되었음에도 현지 안내판 혹은 국가유산청 웹사이트를 통해 제공되는 학술적 정보는 제한적이며, 특히 지질유산들의 형성시기(지질연대)는 가장 기본적인 정보임에도 불구하고 대략적인 연대만 알려져 있을 뿐 체계적 절대연령 측정은 충분히 수행되지 않았다.

이번 연구에서는 한반도에 분포하는 다양한 천연기념물 중 ‘한탄강 대교천 현무암 협곡’, ‘포천 한탄강 현무암 협곡과 비둘기낭폭포’, ‘포천 아우라지 베개용암’, ‘옹진 백령도 진촌리 맨틀포획암 분포지’, ‘포항 달전리 주상절리’, ‘경주 양남 주상절리군’, ‘제주 중문·대포해안 주상절리대’의 주상절리와 현무암 협곡, 베개용암, 맨틀 포획암 등의 특징을 보여주는 현무암질 암석으로 구성되는총 7개의 천연기념물에 대해 야외조사, 시료 및 박편관찰, Ar-Ar과 K-Ar 절대연령 측정, 지화학 분석을 수행한결과를 활용해 암석 형성 시기와 암석학적 특징들을 고찰하였다(Fig. 1).

Figure 1. Location map showing the distribution of the study areas, and outcrop photos of each site.

2. 연구지역

국내에 분포하는 천연기념물의 형성시기와 암석학적특성을 규명하기 위해 총 7개 지점을 대상으로 연구를수행하였다. 이들은 경기도 포천지역의 추가령단층계를따라 분포하는 한탄강 주변에 3곳, 옹진군 백령도 해안,포항 달전리 달전저수지 인근, 경주 양남면 해안, 제주중문·대포동 해안의 각 1곳으로 구성된다(Fig. 1, Table 1).

Table 1 . Summary of the locations, dating methods, and calculated ages of each sample from the Natural Monuments.

Natural MonumentCodeLatitudeLongitudeDating MethodAges (Ma)± AgenMSWD
Basalt gorge along Daegyocheon Stream of Hantangang RiverHD-1N38° 10′ 57.5″E127° 16′ 56.3″WR Ar-Ar0.450.1650.78
HD-2N38° 10′ 58.1″E127° 16′ 56.3″WR Ar-Ar0.250.03110.82
Basalt gorge and Bidulginangpokpo Falls of Hantangang River, PocheonBD-1N38° 04′ 48.5″E127° 13′ 01.9″WR Ar-Ar0.270.05120.48
BD-2N38° 04′ 47.6″E127° 13′ 02.0″WR Ar-Ar0.290.0580.81
BD-3N38° 04′ 48.5″E127° 13′ 01.9″WR Ar-Ar0.290.0693
BD-4N38° 04′ 49.5″E127° 13′ 00.9″WR Ar-Ar0.350.07105.8
Pillow lava in Auraji, PocheonAP-1N38° 02′ 25.3″E127° 06′ 57.6″WR Ar-Ar0.280.0872.5
AP-2N38° 02′ 25.1″E127° 06′ 57.4″WR Ar-Ar0.290.0460.92
AP-3N38° 02′ 25.2″E127° 06′ 56.4″WR Ar-Ar0.280.0581.3
AB-1N38° 02′ 25.5″E127° 06′ 57.3″WR Ar-Ar0.270.0590.83
AB-2N38° 02′ 26.2″E127° 06′ 58.5″WR Ar-Ar0.300.05181.2
Peridotite xenolith-bearing basalt in Jinchon-ri, Baengnyeongdo Island, OngjinBR-1N37° 58’ 30.5“E124° 43′ 50.8″feldspar Ar-Ar5.870.05144.9
BR-2N37° 58’ 33.2“E124° 43′ 51.3″feldspar Ar-Ar5.880.05146.1
Columnar joint in Daljeon-ri, PohangPD-3N36° 01′ 42.4″E129° 17′ 45.4″WR K-Ar200.4--
PD-4N36° 01′ 41.7″E129° 17′ 45.0″WR K-Ar20.80.4--
Columnar joint in Yangnam, GyeongjuGY-1N35° 41′ 11.4″E129° 28′ 29.1″WR Ar-Ar15.780.7119.7
GY-3N35° 41′ 12.5″E129° 28′ 29.3″WR Ar-Ar14.11.31264
GY-4N35° 41′ 09.3″E129° 28′ 29.7″WR Ar-Ar17.730.8856
Columnar joint along Jungmun and Daepo Coasts, JejuJD-1N33° 14′ 14.7″E126° 25′ 37.1″WR Ar-Ar0.290.05103.2
JD-2N33° 14′ 12.8″E126° 25′ 31.0″WR Ar-Ar0.240.07107.9
JD-3N33° 14′ 13.1″E126° 25′ 27.1″WR Ar-Ar0.280.09119.9


2.1. 추가령단층계의 제4기 현무암

추가령단층계(Chugaryeong Fault System; Lee et al., 2001)를 채우는 제4기 현무암(소위 한탄강현무암)은 경기도 파주, 연천과 포천 그리고 강원도 철원을 지나 북한 지역까지 연장되어 분포하며, 한탄강을 따라 잘 노출되어 있다(Fig. 2). 본 현무암체에는 ‘한탄강 대교천 현무암 협곡’, ‘포천 한탄강 현무암 협곡과 비둘기낭 폭포’,

Figure 2. Geologic map of the Quarternary Hantangang river volcanic field near Pocheon area where Natural Monuments [1) Basalt gorge along Daegyocheon Stream of Hantangang River, 2) Basalt gorge and Bidulginangpokpo Falls of Hantangang River, 3) Pocheon, Pillow lava in Auraji, Pocheon] are located (modified from Kil et al. (2018) and references therein).

그리고 ‘포천 아우라지 베개용암’으로 총 3개의 천연기념물이 지정되었고, 현무암 용암의 발원지로는 북한의 평강군에 위치한 오리산 및 부근으로 약 11회 이상 분출한것으로 추정되었다(Won, 1983). 본 현무암에 대한 최초의 절대연령측정에서는 전곡 지역에 분포하는 현무암체의 최상부에서 0.27 Ma의 K-Ar 연령이 계산되었다(Choi, 1982). 이후 전곡지역을 중심으로 K-Ar 연령과 핵분열 비적(FT: fission track) 연령이 발표되었고, 그 결과 약 0.8-0.1 Ma 범위의 분출 연령을 제안하였다(Yi, 1984; , 1993; Danhara et al., 2002).

하지만 전곡 지역에 분포하는 현무암체에 대한 보다 체계적인 연대측정에서는 현무암을 하부의 전곡현무암(3회 이상의 용암류)과 상부의 차탄현무암(7회 이상의 용암류)으로 분류하고(Nagaoka et al., 2008), 이들의 연령을 각각 0.51±0.01 Ma와 0.15±0.01 Ma로 제안하였다(장석 K-Ar; Ryu et al., 2011). 그러나 이후 Ar-Ar 연령 측정법을 이용해 전곡읍 은대리 지역 하식 절벽의 하위 용암류에서상위 용암류로 가면서 0.54 Ma, 0.48 Ma, 0.12 Ma로 체계적으로 젊어지는 연령을 확인하고, Ryu et al. (2011)이제안한 명확히 구분되는 두 연령으로 구성된 현무암이아닌 수 회의 반복적 용암류가 있을 것으로 추정하였다(Kim et al., 2014). 그리고 지금까지 수행된 한탄강현무암에 대한 연대측정결과(K-Ar, Ar-Ar, FT)에서 약 60-10만 년 전의 다양한 연령이 제시되었고, 대체로 약 50만년 전과 약 15만 년 전 시기에 집중되는 양상을 보인다(Bae and Kim, 2018 and references therein). 또한 ‘한탄강 대교천 현무암 협곡’의 현무암류의 전암 K-Ar 연령은0.279±0.032 Ma로 보고된 바 있다(Won et al., 2002). 그리고 비둘기낭 폭포가 위치한 대회산리 지역의 현무암시료를 대상으로 수행된 전암 K-Ar 연령은 138.4±5.7 Ka와 136.5±5.4 Ka로 보고되었다(Park et al., 1996).

2.2. 옹진 백령도 진촌리 맨틀포획암 분포지(진촌현무암)

백령도는 한반도의 최북서단에 위치하는 섬으로 면적은 약 50 km2이다(Fig. 1과 3). 기존연구에서 백령도의지질은 원생누대 백령층군이 가장 하부에 놓이며, 백령층군은 다시 하부로부터 중화동층, 장촌층, 두무진층으로구성되는 것으로 해석되었다(Lim et al., 1999). 그러나1:5만 백령도·대청도·소청도 도폭이 새롭게 발간되면서,백령도 층서는 중원생대 스테노스기(Stenian)에서 신원생대 토노스기(Tonian)에 해당하는 백령층군이 최하부에 놓이고 각층은 하부로부터 남포리층, 중화동층, 두무진층으로 구성되나 남포리층은 타 지층들과 충상단층으로 접하고 있는 것으로 보고되었다(Fig. 3) (Cho et al., 2021). 그리고 이 지층들을 주로 남서부에서는 신원생대의 고철질암석(약 950 Ma, LA-ICP-MS 저어콘 U-Pb 연령)이 관입하고, 북동부에서는 신진기 현무암(진촌현무암)이 관입및 분출한 것으로 제안하였다(Cho et al., 2021). 백령도와 대청도에 분포하는 백령층군 중 남포리층과 두무진층을 대상으로 쇄설성 저어콘 U-Pb 연대측정을 수행하여,백령층군을 북한 지역에 분포하는 상원계에 대비하고, 가장 젊은 저어콘으로 약 1,026 Ma의 연령을 보고하면서신원생대 퇴적층일 가능성을 제안하였다(Kim et al., 2016, 2021). 백령도를 구성하는 최후기 암체인 진촌현무암(면적 약 3 km2)에 대한 초기 연구에서는 지화학 자료에근거해 조면현무암(trachybasalt, TB), 포노테프라이트(phonotephrite), 바사나이트(basanite, B)로 구성되고 판내부열점과의 연관성을 제시하며, 분출시기로는 마이오세 말에서 플라이오세 초(약 7.1-4.2 Ma, K-Ar 연령)를 제시했다(Park and Park, 1996; Kim et al., 2005 for phonotephrite and basaltic andesite; Choi et al., 2006 for basanite). 그러나 이후 진촌현무암을 조면현무암과 바사나이트로 구분하고 각각의 전암 Ar-Ar 연령을 약 6.05±0.01 Ma (TB)와 6.03±0.01 Ma (TB) 그리고 5.87±0.02 Ma (B)로 보고하였다(Kim and Choi, 2021). 진촌현무암에는 현무암분출시 포획된 첨정석 러졸라이트(lherzolite)가 관찰되며,지화학적으로는 심해 감람암(abyssal peridotite)과 유사한특성을 보이지만 섭입판 기원의 잔류 유체가 교대작용에중요한 역할을 했을 것으로 해석된 바 있다(Park et al., 2018).

Figure 3. Geologic map of the Baengnyeong Island showing sampling location (modified from Cho et al., 2021).

2.3. 포항 달전리 주상절리(달전현무암)

한반도 남동부의 포항, 경주, 울산 일원에는 고진기 말인 올리고세 후기부터 신진기 초인 마이오세 동안 동해확장과 관련되어 형성된 다양한 분지들(e.g. 포항, 장기,와읍, 어일, 하서, 정자 등)이 분포한다(Fig. 4a). 그 중포항분지는 최북단에 위치해 가장 넓은 면적으로 노출되어 있다(Fig. 4a). 포항분지를 충진하는 연일층군은 서쪽의 일부 지역이 서측 기원지에서 공급된 퇴적물에 의해선상지 퇴적체가 형성되고, 이를 제외한 대부분 영역에서는 역암, 사암, 이암으로 구성된 1 km 이상의 해성층으로 구성되어 있다. 연일층군의 초기 연구에서 암층서(e.g. 천북층, 학림층, 흥해층, 두호층) 설정이 시도되었다(Tateiwa, 1924; Kanehara, 1936; Um et al., 1964; Kim, 1965; Yoon, 1975; Yun, 1986, Choe and Chough, 1988). 하지만, 이후 야외 노두 및 시추 자료를 활용해 퇴적 과정을 반영한 기원층서와 사건층서(event stratigraphy)를제시하고 총 4개의 시기로 구분하여 해석하였다(Hwang, 1993; Hwang et al., 1995; Hwang et al., 2021). 연일층군의 퇴적시기는 기존의 생층서 자료와 몇몇 저어콘 U-Pb연대측정결과를 이용해 약 17.5-11.5 Ma로 추정하였다(Hwang et al., 2021 and references therein). 또한 포항분지 내 연일읍 달전리 지역에는 천연기념물로 지정된 ‘포항 달전리 주상절리’를 포함한 달전현무암이 분포한다(Fig. 4b). 천연기념물 지역의 주상절리는 높이 약 20 m,너비 약 100 m로 노출되고, 주상절리의 종단면에서는 대체로 5-6개의 각을 이룬다. 이 암체들에 대한 수치연대측정은 많은 연구자들에 의해 수행되었으며, 그 결과 약20 Ma (전암 K-Ar: Patton, 1981; Lee, 1985; Jin et al., 1988)와 14 Ma (전암 K-Ar:　Sawada, 1988; Lee et al., 1992; Yun et al., 1995;　전암 Ar-Ar: Song et al., 2015)로 양분되어 제안되었다. 연일층군의 퇴적이 약 17.5 Ma에 시작되었다는 것을 고려했을 때 위 결과들 중 전자는분지 형성 이전에 존재했던 암체로 해석될 수 있지만, 후자는 분지의 형성 및 퇴적과정에 관입한 것으로 해석된다. 그러나 앞선 결과들이 연구지역에 분포하는 여러 암체들 중 서로 다른 암체에서 도출된 연령들로 판단하여두 그룹 연령을 나타내는 현무암체들이 공존하는 것으로다시 해석된 바 있다(Shin, 2013). Song et al. (2015)는달전리 지역에 산발적으로 독립되어 분포하는 암체들의지화학적 유사성을 근거로 현무암체들을 모두 동일한 달전현무암으로 판단하고, 일부 노두에서 관찰되는 관입 양상과 연대측정 결과를 이용해 달전리 일대의 현무암체가연일층군을 관입한 것으로 해석하였다. 하지만 연구지역인근의 연일층군 학림층 노두(Yun et al., 1995) 및 시추(PH-3)를 통해 확인되는 역암 내 달전현무암과 유사한 역들이 관찰되는 점, 특히 학림층 하부에 역으로 산출되는현무암과 달전현무암은 지화학적으로 거의 동일하며 서로 다른 기원으로 볼 수 없음이 확인되었다(Yun et al., 1995; Hwang et al., 2021). 동일한 지화학적 특성을 가지는 현무암이 퇴적층의 역으로 산출하고, 퇴적층을 가로지르는 암맥으로 산출하는 것은 연일층군의 퇴적과 동시에 이시적(약 15-13 Ma)으로 발생한 화산활동에 의한 것으로 판단하였다(Yun et al., 1995). 달전현무암을 둘러싸고 있는 연일층군은 대부분 학림층(P2-P3.1 in Hwang et al., 2021)이며, 퇴적시기는 약 16.5-15 Ma로 추정된다(Hwang et al., 2021 and references therein).

Figure 4. Geological maps of (a) the Miocene basins in the SE Korea, (b) the area where the Daljeon Basalt is distributed, and (c) the Haseo Basin (modified from Yoon et al., 2014; Son et al., 2015; Song et al., 2015).

2.4. 경주 양남 주상절리군(어일현무암)

경주 양남 주상절리군이 위치하는 경주 양남면 하서리지역은 포항 달전리 주상절리와 같이 동해 확장과 연관되어 형성된 분지들 중 하서분지에 해당하며, 주상절리는 하서분지 충전물에 속하는 환서리층 상부의 (어일)현무암에서 산출된다(Fig. 4c). 어일현무암의 하서분지 내층서는 Tateiwa (1924)에 의해 최후기의 제4기 현무암으로 설정되었다가, 이후 중기 마이오세의 연일층군 하부단위인 전기 마이오세의 장기층군 내 최후기의 독립적층서 단위로서 수정 제시되었다(Yoon, 1992). 그러나 최근 Yoon et al. (2014)는 야외조사를 통해 하서분지의 층서를 새롭게 하부로부터 효동리 화산암류, 범곡리층군에속하는 신서리층, 장기층군에 속하는 환서리층으로 수정제안하며 어일현무암을 환서리층의 후기 산물로 판단하였다(Fig. 4c). 즉, 환서리층은 하부의 현무암질 응회암 및응회질 퇴적물과 상부의 현무암으로 구성된다(Yoon et al., 2014). 연일분지와 어일분지에 분포하는 각각의 연일현무암과 어일현무암에 대한 지화학적 연구를 통해 이들은 서로 동일한 마그마에서 기원한 것으로 섭입대와 관련한 화산호 현무암인 것을 확인하였다(Shim et al., 2011).하서분지 내 분포하는 환서리층 하부의 현무암질 응회암및 응회질 퇴적물에 대한 저어콘 U-Pb 연령측정 결과 약20.8-20.3 Ma를 보고하였다(Kang et al., 2016). 하서분지에서 환서리층 상부인 현무암에 대한 직접적인 연령측정결과는 확인되지 않았지만, 다른 마이오세 분지들에 분포하는 연일 및 어일현무암에 대한 수치연령측정 결과대체로 약 20-18 Ma에 해당하는 것으로 알려져 있다(Shin, 2013 and references therein). 또한 마이오세 분지 도처에작은 규모의 암맥 혹은 관입체 형태로 K-Ar 연령이 약15.2-6.0 Ma의 현무암-안산암질 암체들이 보고되었다(Shin, 2013 and references therein).

2.5. 제주 중문·대포해안 주상절리대(대포동현무암)

‘제주 중문·대포해안 주상절리대’는 제주도 남부의 서귀포시 남서부 해안에 위치한다(Fig. 5a). 주상절리대를구성하는 대포동현무암은 중문 북쪽에 위치한 녹하지악분석구에서 분출한 용암류로 제주도 서귀포시 성천포에서 중문동과 대포동에 걸쳐 해안(약 3.5 km) 침식으로 인해 높이 약 20 m로 수려한 경관을 이루며 노출되어 있다(Fig. 5b) (Park et al., 2000a, b). 일반적으로 용암류에발달하는 주상절리 기둥의 직경은 공기와 접하는 상부에서 작고, 지면과 접하는 하부에서 큰 경향을 보이지만,대포동 주상절리는 용암류를 덮은 스코리아와 스패터에의해 역전되어 산출된다(Ahn, 2020). 지화학 분석을 통한 지구조 환경은 섭입과는 무관한 해양도 알칼리 현무암(ocean island alkaline basalt)으로 제시하였다(Koh et al., 2005). 대포동현무암의 전암 K-Ar 연령은 0.25±0.04 Ma로 제시된 바 있다(Koh et al., 2005). 제주도 전역에 걸친 용암류 연령측정 자료를 근거로 용암류 분출을 수반한 제주도의 화산활동기는 5개의 단계로 구분(Koh et al., 2023)되며, 기존 연령 자료에 의하면 대포동현무암은 화산활동기-Ⅳ(0.3-0.1 Ma)의 초기 분출에 해당된다.

Figure 5. Geologic maps of (a) the JeJu Island and (b) the area where the Daepodong Basalt is distributed (modified from Park et al., 2000a, b; Koh et al., 2013; Kim et al., 2021).

3. 연구방법

현무암질 암석을 기반으로 형성된 총 7개의 천연기념물 암석들의 형성시기 및 암석학적 특징을 고찰하기 위해 문화재청으로부터 “국가지정문화재(광물) 채취, 반출허가”를 획득한 후 각 지점당 2-5개의 시료들을 채취하였다(Table 1). 먼저, ‘한탄강 대교천 현무암 협곡’의 절벽 노두의 하부에는 약 4 m 두께의 판상절리가 잘 발달되어 있는 반면, 상부에는 주상절리가 방사상으로 나타난다(Fig. 6a). HD-1과 HD-2 시료는 하상에서 약 2 m 상부 지점(판상절리)에서 채취되었다. ‘포천 한탄강 현무암협곡과 비둘기낭 폭포’의 노두에는 주상절리 부분이 침식에 의해 형성된 하식동굴이 관찰되며, 노두 하부에는다공질 현무암, 그 상부에는 괴상 현무암이 약 2.4 m 두께로 나타나고 가장 상부에 주상절리가 발달한다(Fig. 6b). BD-1과 BD-2는 지표 약 1 m 상부의 괴상 현무암에서, BD-3과 BD-4는 상부의 콜로네이드(colonnade)에서 채취하였다. ‘포천 아우라지 베개용암‘ 지역 현무암의 하부층준에는 베개용암이 나타나고, 그 상부 약 2 m 정도는측방으로 위치에 따라 판상절리, 주상절리, 괴상의 혼합체가 발달하며 보다 상부에는 전형적인 주상절리가 두껍게 발달한다(Fig. 6c). 베개용암층의 하부 약 2 m는 치밀한 조직을 보이지만 상부 4 m는 다공질 조직을 보여준다. 시료는 베개용암층에서 3개(AP-1, 2, 3), 판상절리에서 2개(AB-1, 2)가 채취되었다. ’옹진 백령도 진촌리 맨틀포획암 분포지‘에는 현무암 용암층 내 직경 약 5-10 cm크기의 맨틀포획암과 사장석 거정이 관찰된다(Fig. 6d).해안 노두 하부의 전석에서 사장석 거정을 다량 포함하는 BR-1과 BR-2 시료를 획득하였다. ’포항 달전리 주상절리‘ 지점 노두에서는 대체로 서쪽의 주상절리가 휘어진 국수의 형태를 나타내는 반면, 동쪽의 주상절리는 방사상의 부채꼴 형태를 보여준다(Fig. 6e). 동쪽의 주상절리가 대체로 서쪽의 주상절리에 비해 풍화가 많이 진행되어 있어, 연구를 위해 서쪽 사면의 콜로네이드 시료 2개(PD-3, 4)를 채취하였다. ’경주 양남 주상절리군‘에서는 총 3개의 시료(육지쪽 해안사면: GY-1, 해상 주상절리 콜로네이드: GY-3, 4)를 채취하였다(Fig. 6f). ’제주 중문 대포해안 주상절리대‘ 지역 해안 노두의 하부에는 주상절리가 잘 발달하고 있고, 상부에는 스패터와 스코리아가 관찰된다(Fig. 6g). 총 3개의 시료(JD-1, 2, 3)가 채취되었다.

Figure 6. Outcrop photographs of the study areas. (a) Basalt gorge along Daegyocheon Stream of Hantangang River, (b) Basalt gorge and Bidulginangpokpo Falls of Hantangang River, Pocheon, (c) Pillow lava in Auraji, Pocheon, (d) Peridotite xenolith-bearing basalt in Jinchon-ri, Baengnyeongdo Island, Ongjin, (e) Columnar joint in Daljeon-ri, Pohang, (f) Columnar joint in Yangnam, Gyeongju, (g) Columnar joint along Jungmun and Daepo Coasts, Jeju.

채취된 시료들을 대상으로 편광현미경을 활용해 박편을 관찰하고, 지화학 조성을 파악하기 위해 분쇄 후 주원소 분석에는 경상대학교 공동실험실습관에 설치된 X-선 형광분석기(XRF, BRUKER S8 TIGER)를 이용하고,미량원소 분석에는 한국기초과학지원연구원(KBSI) 서울센터의 ICP-MS (Perkin Elmer Elan 6100)와 ICP-AES (Jobin Yvon 138 Ultima 2)를 활용하였다. 대부분의 시료들에 대해 전암 Ar-Ar 연령을 측정하였고, 백령도 시료(BR-1, 2)는 장석 Ar-Ar 연령 그리고 포항 달전리 시료(PD-3, 4)의 경우 전암 K-Ar 연령측정법을 사용하였다.연령측정은 모두 KBSI 오창센터에서 수행되었고, K-Ar, Ar-Ar 연령측정과 관련한 자세한 사항들은 Kim (2001)과 Kim and Jeon (2015)에 설명되어있다.

4. 연구결과

4.1. 박편 관찰

한탄강현무암 박편에서는 래스(lath)상의 사장석 결정을 다량으로 포함하고 있는 특징을 보이며, 이와 같은 장석 결정들 사이에 휘석과 일부 감람석 반정들이 나타난다(Fig. 7a~d). 이 지역 현무암의 일반적인 구성 광물은사장석의 함량이 가장 높고, 감람석, 휘석, 이딩사이트,자철석 등의 불투명광물, 유리질 등이 함께 산출된다. 감람석은 주로 자형의 형태이며, 결정의 크기는 다양하다.석기는 비교적 조립질의 특징을 보이며, 석기를 구성하는 광물은 사장석, 감람석, 휘석, 알칼리 장석, 자철석 등이다. 석기의 주 구성광물인 사장석과 후기에 정출된 휘석 사이에는 오피틱 조직(ophitic texture)을 보인다. 사장석 결정들이 희미한 방향성 배열을 보이는 것으로 보아분출 이후 흐르는 용암류에 의해 배열된 것으로 분출을통해 현무암 대지를 형성한 노두관찰 결과와 일치한다.

Figure 7. Photomicrographs of the thin sections. (a, b, c, d) Hantangang Basalt, (e) Jinchon Basalt, (f) Daljeon Basalt, (g) Eoil Basalt, and (h) Daepodong Basalt.

‘옹진 백령도 진촌리 맨틀포획암 분포지’의 진촌현무암은 대체로 반상조직을 나타내며, 반정 광물로는 감람석과 휘석, 사장석, 자철석 등이 있으며, 석기는 은미정질의 사장석과 휘석으로 구성되어 있다(Fig. 7e). 포획암인감람암은 대부분 감람석과 일부 휘석이 관찰되며, 화려한 간섭색을 보여주는 반면, 현무암은 급랭으로 인해 대부분 미립의 감람석 및 장석 입자를 보여준다(Fig. 7e).

‘포항 달전리 주상절리’의 달전현무암 박편에서는 주로사장석과 유리질의 석기를 바탕으로 감람석 반정들이 다량으로 포함된 반상조직을 보인다(Fig. 7f). 감람석 반정은 석기에 의한 용식작용을 받은 것으로 보인다. 또한 휘석의 경우 석기를 이루는 사장석을 부분적으로 포획하는오피틱 조직을 보이기도 한다. 달전현무암 시료의 박편은 다른 지역 암석들에 비해 변질이 되어있다.

‘경주 양남 주상절리군’의 현무암 박편상에서 장석 반정이 매우 큰 특징을 보인다(Fig. 7g). 장석 반정은 야외노두에서 대략 1~2 mm 정도이며 최대 3 mm 이상인 것들도 관찰되었다. 장석 결정은 대부분 자형으로 이루어지며 알바이트 쌍정과 칼스바드 쌍정을 보여준다. 석기에도 사장석 결정이 대부분을 차지하고, 일부 산화광물이 관찰된다.

‘제주 중문·대포해안 주상절리대’의 현무암은 암회색을띠며, 뚜렷한 반상조직이 관찰된다(Fig. 7h). 반정은 대부분 사장석과 감람석, 단사휘석이며 소량의 사방휘석을 포함하며, 석기에도 유사한 광물 조합 및 유리질이 관찰된다.

4.2. Ar-Ar 및 K-Ar 연령측정

Ar-Ar 연령측정에서 총 가스연령으로 계산된 시료별겉보기 연령(Table 2)은 추가령단층계의 한탄강현무암에서 0.05-0.69 Ma, 백령도 진촌현무암에서 5.56-6.10 Ma,경주 양남 주상절리에서 11.81-19.45 Ma, 제주도 대포동현무암에서 0.12-0.65 Ma의 범위를 나타냈으며, 이로부터 계산된 시료별 가중평균연령(Ma)은 Table 1과 같다.포항 달전리 시료들의 경우 Ar-Ar 총 가스 및 플래토 연령이 정의되지 않아, 전암 K-Ar 연령측정을 수행하였고PD-3과 PD-4 시료에서 각각 20.0±0.4 Ma와 20.8±0.4 Ma의 결과를 얻었다(Table 1).

Table 2 . 40Ar/39Ar ages for the rocks in the study areas.

Sample CodesRun IDCa/KCl/K39Ar Mol × 10-14%40Ar*Apparent Age (Ma)± Age (2σ)
Basalt gorge along Daegyocheon Stream of Hantangang River
HD-1461-015.2060.0100.01045.70.690.39
461-026.6630.0670.01035.10.480.37
461-034.8330.0250.01426.20.510.36
461-044.0090.0500.0129.90.240.44
461-053.4850.0390.0239.70.340.30
HD-2467-014.1420.0090.02441.70.210.08
464-015.407-0.0230.01127.10.300.19
467-023.4730.0230.02457.10.310.08
467-033.4280.0040.02256.10.250.08
464-027.825-0.0410.01832.10.230.11
464-037.3050.0250.01145.80.270.18
464-046.2420.0080.01325.70.380.31
467-053.962-0.0160.04219.60.220.10
464-076.9890.0360.0146.70.130.20
464-086.6240.0320.01510.50.170.18
467-063.9090.0450.0404.50.050.09
467-074.0750.0130.03132.30.280.08
467-083.6510.0260.0297.10.070.10
Basalt gorge and Bidulginangpokpo Falls of Hantangang River, Pocheon
BD-1450-016.221-0.0430.00932.80.200.24
450-026.398-0.0910.00742.90.250.29
450-034.2170.0050.00962.50.280.12
450-046.5450.0240.00738.70.310.15
Sample CodesRun IDCa/KCl/K39Ar Mol × 10-14%40Ar*Apparent Age (Ma)± Age (2σ)
450-065.9060.0360.01440.30.320.17
450-074.536-0.0620.01524.90.220.17
450-084.3190.0230.02028.90.270.11
463-013.919-0.0100.02028.30.400.21
463-024.6260.0620.02029.70.260.19
450-094.0560.0010.0378.90.250.15
463-045.4590.0170.016280.230.14
463-054.1220.0120.0169.60.140.18
BD-2447-012.9780.0660.00775.30.230.28
447-025.2810.0150.00786.70.260.31
447-033.776-0.0260.00860.90.210.12
447-044.690-0.0510.004190.220.28
447-064.785-0.0100.03053.60.360.08
447-084.356-0.0040.03824.70.280.08
462-023.7450.0610.02617.80.300.19
462-045.4710.0170.01318.90.230.18
BD-3451-013.2560.0090.01333.70.240.16
451-023.302-0.1080.00510.60.210.43
451-033.1970.0270.01242.80.250.09
451-045.9930.0120.00826.80.190.13
451-054.572-0.0020.029440.430.08
451-063.0520.0290.03542.10.330.07
451-073.4890.0090.03134.60.290.06
451-083.1830.0040.028330.230.07
451-094.1710.0240.03518.10.190.12
BD-4445-013.696-0.0030.01153.40.230.18
445-033.922-0.0030.00640.50.270.18
445-048.549-0.0930.00539.60.250.22
445-065.1710.0070.027530.450.09
445-075.1180.0210.03036.20.180.08
445-083.5370.0390.03760.90.490.07
445-125.3740.0000.01542.80.290.06
445-135.506-0.0010.01835.80.320.06
445-144.068-0.0050.016400.380.07
445-153.9580.0190.02137.10.400.07
Pillow lava in Auraji, Pocheon
AP-1449-014.937-0.0120.007270.240.30
449-024.781-0.0590.00928.90.140.23
449-034.7230.0340.01339.60.190.08
449-044.6210.0260.01052.70.260.11
449-064.4020.0100.02139.40.220.11
449-074.9280.0700.01728.60.220.14
449-084.3790.0070.03648.60.360.06
AP-2446-024.957-0.0510.00636.50.210.34
446-045.089-0.1210.00639.80.310.18
Sample CodesRun IDCa/KCl/K39Ar Mol × 10-14%40Ar*Apparent Age (Ma)± Age (2σ)
446-065.1690.0420.01839.80.240.13
446-074.3790.0080.03531.20.250.07
446-084.4740.0100.04132.60.330.06
446-134.991-0.0220.01317.70.300.09
AP-3448-014.313-0.0520.00848.60.180.26
448-024.601-0.0570.00972.20.280.22
448-034.5470.0210.00932.90.180.11
448-044.7570.0360.01151.60.260.10
448-064.6380.0080.03139.60.230.08
448-074.4330.0130.03545.90.320.07
448-084.3820.0200.03324.70.290.07
448-094.9960.0410.01932.20.380.12
AB-1465-015.116-0.0280.02518.90.230.17
465-035.390-0.0150.01718.70.300.18
465-045.6720.0250.01433.30.360.16
468-016.064-0.0150.01639.70.230.13
468-024.945-0.0160.01750.30.240.11
468-036.9940.0340.014560.340.13
468-044.5150.0270.03331.50.360.13
468-053.7020.0430.0310.90.170.17
468-065.2210.0490.03317.50.250.12
AB-2431-034.7740.0560.009610.330.22
452-014.223-0.2040.00616.60.140.35
452-024.149-0.1130.00723.10.150.30
452-034.5270.0880.00665.70.340.19
452-043.9830.0440.013470.220.08
452-051.940-0.0210.07411.10.500.25
431-044.711-0.0170.01040.90.340.19
452-065.0170.0350.018130.320.14
431-055.374-0.0230.00963.20.320.28
452-074.5270.0290.02236.30.410.11
452-084.7300.0160.03525.80.360.09
431-065.1310.0480.00631.90.220.32
431-074.578-0.0320.009370.180.20
431-082.2690.0970.01814.20.280.26
452-094.1580.0000.03316.90.180.13
431-104.3370.0770.00817.20.310.31
431-115.7740.0040.01135.50.260.20
431-124.9460.0240.01127.80.420.22
Peridotite xenolith-bearing basalt in Jinchon-ri, Baengnyeongdo Island, Ongjin
BR-1519-010.233-0.0330.02579.75.640.10
519-020.186-0.0160.02982.55.870.07
519-030.1340.0140.02079.95.810.09
519-040.2250.0530.02077.55.990.12
519-050.2490.0360.02984.95.860.06
Sample CodesRun IDCa/KCl/K39Ar Mol × 10-14%40Ar*Apparent Age (Ma)± Age (2σ)
519-070.2020.0000.043875.930.06
519-080.2020.0160.03486.15.900.07
519-090.2130.0200.04083.15.910.07
519-100.2080.0080.03883.25.920.06
519-110.2230.0230.01586.35.880.16
519-120.129-0.0410.01875.75.740.14
519-130.1900.0090.02686.45.920.09
519-140.2430.0440.01376.95.570.19
519-150.141-0.0330.01469.75.560.18
BR-2520-010.1930.0210.03877.95.710.07
520-020.187-0.0130.03282.75.920.06
520-030.2260.0050.04185.35.870.04
520-040.2410.0070.02486.65.890.07
520-050.177-0.0210.04081.36.100.14
520-060.2040.0020.042825.970.04
520-070.185-0.0120.04377.75.860.06
520-080.2380.0040.03682.15.890.08
520-090.2320.0230.02382.55.890.10
520-100.2480.0030.02378.75.860.12
520-110.182-0.0230.01984.35.970.12
520-120.241-0.0200.01579.85.640.17
520-130.2070.0070.01859.15.680.13
520-140.239-0.0120.03283.95.780.09
Columnar joint in Yangnam, Gyeongju
GY-1474-0116.576-0.1520.00436.218.751.04
475-0118.7250.1610.00537.517.220.88
474-0215.8870.1320.00544.314.940.76
475-0216.3360.0960.00639.217.060.68
474-0314.8760.0400.01041.215.480.50
474-0417.9340.0610.01042.815.540.45
475-0316.9110.0830.00738.415.420.59
475-0418.6230.0390.00843.715.560.54
493-0119.9160.2340.0053616.760.87
493-0223.0110.0850.00343.615.411.23
494-0115.9300.0820.00438.913.440.94
GY-3482-0112.8100.0910.00637.116.510.71
483-0113.8570.1350.00627.218.810.76
482-0212.0500.1200.00530.514.990.78
483-0216.7680.1440.00534.216.800.80
482-039.251-0.0160.01527.411.900.41
482-049.575-0.0150.01734.713.170.38
483-0313.0640.1170.0103215.380.44
483-0415.5280.0620.01433.515.870.33
501-0112.5050.0720.00836.112.140.48
501-029.7540.0420.00734.311.810.49
Sample CodesRun IDCa/KCl/K39Ar Mol × 10-14%40Ar*Apparent Age (Ma)± Age (2σ)
502-0113.6140.1030.00838.113.100.47
502-0214.3120.1970.00642.514.380.65
GY-4484-0116.467-0.0570.01931.219.010.27
484-0220.3900.0500.01339.419.450.39
485-0114.7610.0630.02217.218.560.28
485-0219.8990.0250.01929.918.460.28
486-0116.4220.0310.01921.717.150.29
486-0220.849-0.0020.0143716.560.36
487-0115.4560.0440.03042.917.050.18
487-0217.187-0.0320.01934.116.850.26
Columnar joint along Jungmun and Daepo Coasts, Jeju
JD-1466-014.348-0.0130.02841.60.190.07
466-024.9700.0270.02958.90.350.06
466-034.779-0.0190.01849.20.230.10
466-043.777-0.0110.02534.80.410.17
478-036.763-0.0110.03420.50.320.06
479-034.1280.0250.04017.60.390.12
497-014.3630.0080.01913.80.340.09
497-023.988-0.0070.01620.30.270.09
498-013.789-0.0070.01910.20.190.08
498-024.756-0.0560.01724.30.290.09
JD-2481-015.4060.0310.02312.10.120.07
480-027.501-0.0150.01312.40.150.13
481-025.4530.0560.01116.40.230.15
480-035.1860.0070.03514.30.170.04
481-036.2320.0050.031200.310.05
481-045.763-0.0060.03916.20.210.05
499-016.4440.0530.01221.70.330.10
499-025.3770.0080.017180.340.09
500-016.319-0.0010.01830.40.440.07
500-024.6980.0560.01517.50.190.08
JD-3476-015.2730.0430.0159.10.140.13
477-014.6110.0480.01923.70.540.14
476-024.418-0.0800.01720.20.240.11
477-025.122-0.0460.015200.250.13
476-034.8030.0090.03315.80.210.06
476-044.239-0.0060.02419.20.540.15
477-034.996-0.0050.030200.230.05
477-044.9540.0160.02911.10.220.05
495-014.164-0.0250.02028.70.650.12
495-024.4550.0100.01427.20.510.11
496-013.749-0.0070.0249.90.240.13


4.3. 지화학조성

연구대상 암체들 중 백령도를 제외한 6개 지역의 암석에 대해 주원소 및 미량원소 분석을 수행하였고, 그 결과는 Table 3과 4에 제시되어있다. 시료들의 SiO2 값은45.12-50.95 wt.%의 범위를 보이며 평균은 47.45%이다. Al2O3는 14.75-20.08%로 다소 넓은 범위를 나타내며, 평균은 16.15%이다. TiO2는 1.11-2.75%로 평균값은 1.92%이다. 대부분은 2% 이내의 값을 보이지만 포천과 제주도에서 총 3개(BD-4, AP-1, JD-2)의 시료가 2.7% 이상의높은 값을 보인다. Fe2O3(총 Fe) 함량은 PD와 GY 시료에서 10% 이하로 비교적 낮은 값을 보이고, 전체적으로는 10.99%의 평균값을 가진다. MnO는 PD 시료에서 약0.2%로 약간 낮은 값을 보이지만 전체적 평균은 0.23%의 값을 나타내며 대체로 유사하다. MgO는 대부분 7-9%범위의 값을 보이지만 PD와 GY 시료에서 6% 이하의 낮은 값을 나타낸다. CaO는 4.49-10.57%의 넓은 범위를 보이며 평균값은 8.21%로 나타나며, PD 시료에서는 6% 이하의 낮은 값을 보이는데 반해, GY 시료에서는 10% 이상으로 높은 값을 보인다. Na2O는 대부분 3-4%의 일정한 값을 보이지만(평균값 3.62%) PD 시료에서 높은 값을 갖는다. K2O는 0.38-3.23%로 PD 시료에서는 비교적높고, GY 시료에서는 비교적 낮은 값을 보이며, 평균값은 1.59%이다. LOI 값은 대부분 낮은 값을 나타내지만 BD-3과 PD-4 시료에서 6.0%의 높은 값을 보인다.

Table 3 . Composition of major elements of the rocks in the study areas.

LocationSampleSiO2Al2O3TiO2Fe2O3MnOMgOCaONa2OK2OP2O5SO3LOITotal
Basalt gorge along Daegyocheon Stream of Hantangang RiverHD-147.5915.491.9411.600.248.917.973.531.870.390.130.1299.78
HD-247.8715.961.9311.070.238.318.113.812.000.400.130.1399.94
Basalt gorge and Bidulginangpokpo Falls of Hantangang River, PocheonBD-148.3815.861.9511.200.238.148.373.471.740.370.120.0599.89
BD-246.0614.981.9111.480.247.888.233.441.740.360.150.1796.63
BD-345.2414.921.8610.690.227.417.803.421.760.360.166.0099.86
BD-447.3514.752.7513.510.247.608.053.181.220.470.170.6899.96
Pillow lava in Auraji, PocheonAP-147.5315.032.7113.120.237.118.543.341.210.460.150.2799.70
AP-247.8415.481.9511.980.268.408.093.411.690.360.160.2599.88
AP-347.6315.431.9511.740.248.158.313.441.740.360.160.1799.31
AB-146.5314.811.8511.680.248.958.303.261.610.320.100.0597.70
AB-246.9415.191.8411.510.248.708.383.681.660.350.110.2498.83
Columnar joint in Daljeon-ri, PohangPD-345.1216.831.907.480.205.404.976.302.951.450.601.6994.88
PD-446.0017.111.867.240.195.604.495.653.231.390.586.0099.34
Columnar joint in Yangnam, GyeongjuGY-148.6719.521.149.320.233.5710.393.110.380.160.021.3297.83
GY-350.9520.081.189.050.243.2710.503.290.490.170.030.3399.57
GY-449.7219.921.119.060.233.7910.573.160.420.160.020.6698.82
Columnar joint along Jungmun and Daepo Coasts, JejuJD-146.8415.171.9211.640.248.358.012.981.690.360.121.9599.27
JD-247.3315.032.7513.460.246.948.633.101.100.460.160.0199.21
JD-347.8615.281.9611.950.258.848.303.241.630.360.110.1199.89

Table 4 . Composition of trace and rare earth elements of the rocks in the study areas.

HD-1HD-2BD-1BD-2BD-3BD-4AP-1AP-2AP-3AB-1AB-2PD-3PD-4GY-1GY-3GY-4JD-1JD-2JD-3
Ba327.9301.0252.9256.5286.8288.4281.9278.5270.8334.4249.5524.1602.1121.4152.4129.3357.6378.2367.8
Sr632.5593.8548.4568.5581.3610.5577.2553.9559.1679.7575.91204.91098.2522.3521.0522.4509.8579.2561.3
Co46.248.653.652.047.048.552.251.150.343.751.422.821.626.327.125.049.450.548.5
Cr177.9182.0190.3168.7138.2131.2173.1172.4173.3172.2183.449.354.727.957.675.7198.4169.2169.6
Cu56.653.057.758.263.461.864.760.460.157.255.323.622.634.749.347.342.939.461.9
Ga25.423.624.727.226.726.426.726.025.725.427.424.625.025.321.721.630.832.431.0
Li5.95.56.15.96.25.46.35.86.25.46.215.928.59.36.47.05.54.45.3
Ni168.6172.5186.1173.9155.9164.1161.6165.0156.7143.3167.252.057.716.245.844.4149.7140.1135.0
Sc18.717.023.721.719.217.521.021.422.621.722.210.29.923.319.417.517.818.617.3
V153.4151.8159.1166.0153.1157.5163.1159.1156.3157.5158.3103.696.8220.2208.0212.0186.2197.0181.6
Zn84.984.493.593.891.894.4100.994.691.181.787.453.652.686.376.871.3128.3134.4130.9
Zr215.7205.3188.5197.1207.2204.2201.5197.0204.1201.2186.8377.7157.393.893.190.5226.9237.4222.4
Rb26.024.621.319.924.722.724.122.022.421.021.652.757.17.09.97.617.415.118.0
Y26.924.227.226.827.626.228.227.027.524.124.929.228.522.221.620.824.126.524.3
Nb40.438.037.638.541.440.540.140.28.132.635.460.47.73.03.03.047.352.151.9
Mo1.40.31.00.82.11.72.72.51.71.42.15.04.71.41.51.42.12.51.8
Cs0.30.00.10.10.20.30.30.30.20.10.31.82.11.41.80.50.00.10.1
La26.423.423.623.825.924.225.523.825.322.022.1101.996.68.17.97.428.232.130.3
Ce54.548.548.750.054.149.853.350.151.945.046.5185.6176.621.520.519.559.364.561.5
Pr6.66.05.86.06.46.16.36.26.35.55.619.518.13.02.92.77.38.07.4
Nd27.823.424.224.425.925.325.925.525.822.224.069.064.114.513.913.630.334.031.0
Sm6.05.45.56.05.45.96.25.76.05.25.410.69.84.53.73.57.17.56.8
Eu2.01.61.81.71.81.91.91.92.01.81.83.33.11.51.31.32.42.62.4
Gd5.94.95.35.65.65.66.05.86.05.35.67.77.64.63.94.06.57.46.7
Tb0.90.80.90.90.90.91.00.90.90.80.91.11.00.70.70.70.91.11.0
Dy5.45.15.65.55.65.75.95.55.54.95.26.35.84.64.13.95.46.15.4
Ho1.11.01.01.01.11.11.21.11.10.91.01.21.11.00.80.90.91.00.9
Er3.02.62.83.13.03.03.23.03.12.72.83.23.12.72.52.42.52.82.4
Tm0.40.30.40.40.40.40.40.40.40.30.40.40.40.40.30.30.30.30.3
Yb2.72.02.32.42.42.62.82.62.62.42.32.62.52.42.32.21.82.01.7
Lu0.20.10.20.20.20.30.30.20.30.30.20.30.20.30.20.20.10.10.1
Hf5.04.54.54.74.74.65.04.74.74.44.34.41.52.42.32.45.55.95.7
Ta20.822.119.525.022.121.020.921.12.516.617.232.12.33.52.12.326.929.427.2
Pb3.83.43.13.23.63.63.73.53.54.03.39.08.86.44.64.42.85.13.4
Th3.32.62.93.03.22.82.92.93.22.82.615.615.40.90.80.64.55.14.5
U0.70.50.50.60.70.80.80.70.80.70.75.04.80.10.10.10.80.70.5
ΣREE143.0125.0128.0131.0138.6132.9139.9132.7137.2119.3124.0412.6390.169.865.162.7152.9169.5157.8
Eu/Eu*1.030.971.010.901.011.020.971.000.991.021.001.111.091.041.021.031.061.051.09
(La/Yb)N7.168.527.397.037.756.636.546.596.926.596.9528.0927.192.472.512.4011.5011.6812.91


주원소 분석 결과를 활용해 암상을 분류하기 위해 TAS도표에 도시하였다(Fig. 8). 이번 연구에서 분석한 6개 지점의 시료들 중 포노테프라이트에 도시된 PD 시료를 제외하면 모두 현무암과 조면현무암 영역에 도시되었다(Fig. 8). 그 중에서 GY 시료들은 비알칼리 계열의 현무암에 속하는 반면, 제주도 및 포천 지역의 시료들은 알칼리 계열의 현무암과 조면현무암 경계 부근에 위치하지만 제주도 시료들은 주로 현무암 그리고 포천 시료들은주로 조면현무암 영역에 도시된다(Fig. 8).

Figure 8. TAS diagram of the volcanic rocks on the study areas (modified from Irvine and Baragar, 1971; Le Bas et al., 1986).

미량원소 분석결과에서는 친정(호정성) 원소인 Cr은 약28-198 ppm, Ni은 16-186 ppm로 넓은 범위를 보이지만, PD와 GY 시료에서 다른 시료들에 비해 뚜렷하게 낮은값을 나타낸다(Table 4). 친액(불호정성) 원소인 Rb은 7-57 ppm, Ba은 121-602 ppm, Sr은 510-1205 ppm의 범위를 나타내며, 대체로 GY 시료에서 낮은 값, PD 시료에서 가장 높은 값을 보여준다. 총 희토류원소 함량(ΣREE)은 63-413 ppm으로 GY 시료에서 가장 낮고, PD 시료에서 가장 높다(Fig. 9; Table 4). Eu 이상은 포천 시료에는대체로 나타나지 않지만, PD, JD, GY 순으로 아주 미약한 양의 이상을 보인다. (La/Yb)N값의 범위는 2.4-28.1을나타내며, PD, JD, 포천(HD, BD, AP, AB), GY 시료 순으로 마그마 분화 정도가 감소한다(Fig. 9; Table 4).

Figure 9. (a) The spider diagram for the samples are normalized to the composition of the primitive mantle (Sun and McDonough, 1989) and (b) Rare earth element patterns normalized to chondrite (Sun and McDonough, 1989). *Data from (arc volcanic rocks: www.petdb.org) and (Ocean Island Basalt: Sun and McDonough, 1989). Colors are the same as those in Fig. 8.

5. 토의

위 결과들과 기존 연구결과들을 종합해, 연구대상 7개천연기념물의 형성시기와 암석학적 특징에 대해 고찰해보았다.

5.1. 추가령단층계의 제4기 현무암

추가령단층계를 따라 분포하는 제4기 현무암에 위치하는 3개의 천연기념물에 대한 Ar-Ar 연령측정 결과 ‘한탄강 대교천 현무암 협곡’의 두 개의 시료에서 각각 0.45±0.16 Ma (HD-1, n=5)와 0.25±0.03 Ma (HD-2, n=11)의 결과를 얻었다(Table 1). 두 시료들은 모두 판상절리가 발달하는 동일 층준에서 채취되었으나, 오차범위를 고려하더라도 유사한 연령을 나타내지만 중첩되지 않는다. 각 시료들에서 얻어진 겉보기 연령들의 오차 및 분석 갯수를고려했을 때 HD-2에서 얻어진 0.25±0.03 Ma가 보다 신뢰할 수 있는 자료로 판단되지만, 각 시료별 신뢰도를 포함해 두 시료에서 계산된 가중평균연령은 약 0.26 Ma로계산되었다. 유사한 지점의 동일 암체로 판단되는 판상절리가 발달하는 현무암을 대상으로 기보고된 K-Ar 연령은 0.28±0.03 Ma로 이번 연구의 약 0.26 Ma와 잘 일치(Won et al., 2002)하며, 이 시기는 신생대 제4기 플라이스토세 지바절(Chibanian: 0.774-0.129 Ma)에 해당한다.

‘포천 한탄강 현무암 협곡과 비둘기낭 폭포’에서는 총4개의 시료에 대해 연령측정을 수행하여, 0.27±0.05 Ma (BD-1, n=12), 0.29±0.05 Ma (BD-2, n=8), 0.29±0.06 Ma (BD-3, n=9), 0.35±0.07 Ma (BD-4, n=10)의 연령을 얻었다(Table 1), 모든 시료들은 오차 범위 내 중첩되고, 이들의 가중평균연령은 0.29±0.03 Ma로 계산된다. 본 천연기념물이 위치하는 대회산리 내 인근 지역에서 현무암류를대략 3매로 구분하고 중부 및 상부 용암류에 대한 K-Ar연령을 약 0.14 Ma로 보고한 바 있지만(Park et al., 1996),본 연구지역의 현무암체와의 층서적 관계를 정확히 파악할 수 없다. 또한 이번 연구에서 활용된 Ar-Ar 연령측정법과는 달리 K-Ar 연령측정법은 K와 Ar을 각각 별도로측정하기에 시료가 불균질할 경우 왜곡된 연령을 제시할가능성도 무시할 수 없다. 따라서 본 천연기념물이 발달하는 현무암은 약 0.29 Ma로 신생대 제4기 플라이스토세 지바절에 분출한 것으로 해석된다.

‘포천 아우라지 베개용암’ 지점의 하부 베개용암 시료3개에서 각각 0.28±0.08 Ma (AP-1, n=7), 0.29±0.04 Ma (AP-2, n=6), 0.28±0.05 Ma (AP-3, n=8) 그리고 베개용암 상부의 판상절리 시료 2개에서 0.27±0.05 Ma (AB-1, n=9), 0.30±0.05 Ma (AB-2, n=18)의 Ar-Ar 연령을 얻었다(Table 1). 이 연령들은 오차 범위 내 매우 잘 일치하는 연령으로 베개용암과 판상절리를 포함하는 용암은 지질학적 시간 규모에서 큰 시간차 없이 거의 동시에 분출한 것으로 해석된다. 따라서 본 천연기념물을 포함하는현무암체에서 도출된 5개 연령들의 가중평균은 0.285 Ma로 계산되며, 앞선 HD 및 BD 시료의 현무암체들과 마찬가지로 신생대 제4기 플라이스토세 지바절의 분출을지시한다.

연구지역의 한탄강 제4기 현무암들은 대체로 0.29-0.26 Ma의 Ar-Ar 연령(Table 1)을 나타냈으며, 이는 Ryu et al. (2011)에 의해 대체로 0.50 Ma(전곡현무암)와 0.15 Ma(차탄현무암)로 양분되는 현무암들로 구성된다는주장과는 다른 결과이다. 특히 지금까지 한탄강 제4기 현무암에서 보고된 연령의 대부분은 전곡리 구석기유적지와 관련된 연구로서 전곡리 지역에 밀집되어 분포하며,이는 특정 지역에 분포하는 현무암의 분출연령이 부각되어 한탄강현무암을 구성하는 전체적 연령 분포가 왜곡되어 인식되어왔을 가능성이 있음을 시사한다. 지금까지 수행된 연대측정 결과들과 이번 연구결과를 요약하면, 한탄강현무암은 대체로 0.50 Ma 혹은 이전부터 약 0.15 Ma에 걸쳐 빈번하게 크고 작은 분출들을 반복한 것으로 판단되며, 그 시기는 대체로 플라이스토세 지바절에 해당한다.

한탄강 현무암은 TAS 도표에서 대체로 조면현무암 영역에 속하지만, 일부 현무암 영역에도 도시되며, 모두 알칼리 계열에 해당한다(Fig. 8). 정규화한 미량원소(초생맨틀) 및 희토류원소(콘드라이트)의 조성은 해양도 현무암과 매우 유사하며, 미량원소를 이용한 지구조판별도에서모두 판내부 해양도 현무암(OIB: Ocean Island Basalt) 영역에 도시된다(Fig. 9와 10).

Figure 10. Tectonic discrimination diagrams of the samples. (a) Zr vs. Ti plot, (b) La/Yb vs. Nb/La plot, (c) N-MORB-normalized Nb vs. Th plot, and (d) Th, Hf/3, Nb/16 plot (after Wood, 1980; Pearce, 1982; Hollocher et al., 2012; Saccani, 2015). *Data for some Daljeon Basalt (green) in the dotted area are from Choi et al (2013). Colors are the same as those in Fig. 8.

5.2. 옹진 백령도 진촌리 맨틀포획암 분포지

‘옹진 백령도 진촌리 맨틀포획암 분포지’에 분포하는용암류(바사나이트) 두 개의 시료에서 분리한 장석을 대상으로 각각 5.87±0.05 Ma (n=14)와 5.88±0.05 Ma (n=14)로 동일한 Ar-Ar 연령을 얻었다(Table 1). 특히 이 연령은 바사나이트를 대상으로 Choi et al., (2006)에서 제시한 4.2±0.1 Ma (전암 K-Ar 연령) 보다는 오래된 연령을나타내지만, 이후 동일 저자가 포함된 Kim and Choi (2021)에 의해 수정 제안된 5.87±0.02 Ma(전암 Ar-Ar 연령)과일치하는 연령으로 매우 신뢰도가 높다. 따라서 본 천연기념물 현무암질 용암류의 분출시기는 신생대의 신진기마이오세 메시나절(Messinian: 7.246-5.333 Ma)에 해당하며, 이 시기에 지각 하부의 맨틀을 포획하고 분출한 것으로 판단할 수 있다. 본 암체의 지화학 분석 결과에 의하면 바사나이트로 분류되며, 해양도 현무암과 유사한 특성을 보이고 근원 맨틀암석으로는 (함)탄산염 석류석 감람암(carbonated garnet peridotite)이 우세한 것으로 보고되었다(Kim and Choi, 2021).

5.3. 포항 달전리 주상절리

‘포항 달전리 주상절리’가 발달하는 현무암체의 두 시료에서 20.0±0.4 Ma와 20.8±0.4 Ma로 오차범위 내 서로 일치하는 K-Ar 연령을 얻었다(Table 1). 이 결과는 기존에 보고된 두 연령그룹 중 약 20 Ma (Patton, 1981; Lee, 1985; Jin et al., 1988)와 일치한다. 하지만 전암 K-Ar 연령으로 약 14 Ma (Sawada, 1988; Lee et al., 1992; Yun et al., 1995)로도 보고되었다. K-Ar 연령측정은 시료의 균질성에 대해 보장하지 못하며, 시료 내 아르곤(Ar)의 유출 및 유입에 의한 영향을 명확하게 파악하지 못하는 단점이 있다. 특히 전암 Ar-Ar 연령측정에서는 플래토(plateau) 연령으로 15.02±0.41 Ma 그리고 등시선 연령으로 13.8±2.2 Ma가 도출(Song et al., 2015)되었는데,방출스펙트럼의 초기에 과잉 Ar의 영향으로 추정되는 약41.0±2.2 Ma (39Ar 방출량: 5.38%)의 연령이 보고되었다.이는 주로 시료 내 느슨하게 포함된 과잉 Ar이 분석 초기 저온에서 방출되는 것으로 제시되었다(Harrison and McDougall, 1980; Dallmeyer and Rivers 1983). Song et al. (2015)의 결과에서 확인된 과잉 Ar의 영향으로 인해이번 연구 및 기보고된 K-Ar 연령에서 약 20 Ma로 보고된 것들이 실제 연령보다 오래된 연령으로 평가되었을가능성이 있을 것으로 판단된다.

그리고 현무암 관입체에 접하는 연일층군(학림층) 내퇴적된 생물 기원물질(유기물과 화분화석)에 대한 연구에서도 현무암의 관입에 의한 열적 영향을 받았음을 주장하면서, 동시에 달전현무암이 관입하고 있는 연일층군학림층 내 현무암 역이 달전현무암체와 동일한 화학조성을 나타낸다고 보고하였다(Yun et al., 1995). 달전현무암체를 둘러싸고 있는 연일층군 퇴적체는 최근 육상 노두및 21개의 심부코어 자료를 종합해 정립한 사건층서에의하면 세 번째 시기(Stage P3)에 해당하고 16-13 Ma에퇴적된 것으로 제시되었으며, P3 구간 내 달전현무암 분포지보다 상부 층위의 데사이트질 화산재층의 저어콘SHRIMP U-Pb 연령은 약 14.6 Ma로 계산되었다(Hwang et al., 2021 and references therein). Song et al. (2015)의분석 결과를 재평가하면 플래토 연령으로 제시한 15.02±0.41연령은 겉보기 연령 및 오차 각각의 단순 평균값으로 개개 겉보기 연령들의 오차 범위에 따른 연령별 가중치를반영하지 않았으며, 이를 반영해 동일한 가열단계(구간)의 연령들의 가중평균을 다시 계산하면 14.6±1.6 Ma (n=8, 39Ar 방출량: 92.91%, MSWD=100)로 나타나며 편차가 매우 크고, 보고된 등시선 연령(약 13.8 Ma) 또한MSWD가 14876으로 편차가 매우 큰 값을 나타낸다는 문제가 있다. 실제 겉보기 연령들의 오차범위를 고려해 비록 39Ar의 누적 방출량이 약 40%로 작지만 서로 중첩되는 연령들만 이용해 계산하면 16.98±0.26 Ma (n=3, 39Ar방출량: 38.93%, MSWD=0.46)의 플래토 연령이 도출된다. 이는 연일층군의 퇴적이 시작된 시기와 유사한 연령을 나타내지만, 이 또한 Ar 방출량이 약 40%로 많지 않아 신뢰도가 아주 높은 연령으로 판단될 수는 없다. 달전현무암의 형성 연령에 대한 고찰을 정리하면 대체로 신생대 마이오세 부르디갈라절(Burdigalian: 20.44-15.98 Ma)과 랑게절(Langhian: 15.98-13.82 Ma)동안 발생한 현무암질 화산활동의 결과로 형성된 것으로 해석되나 명확한 연령은 아직 규명되지 않은 것으로 판단된다. 하지만 달전현무암이 관입하고 있는 연일층군의 퇴적시기(천북역암-학림층 일부: 17.5-14.6 Ma)와 학림층에 포함된 달전현무암을 고려한다면, Yun et al., 1995이 제시한 이시적 화산활동이 가장 합리적인 해석으로 추정된다.

달전리 지역의 연일층군 퇴적층과 산재하는 현무암체들과의 관계를 명확하게 규명하기 위해서는 체계적인 야외조사와 종합적인 연령측정 연구가 추가로 필요해 보인다. 특히, 연령측정에 있어 전암에 포함된 흑운모는 K-장석에 비해 외부기원 Ar에 대한 영향을 약 10배에서 최대100배 정도까지 받는 것으로 알려져 있다(Kelly, 2002). 따라서 후기의 열적 변질에 의한 영향, 유체 포유물에 의한 영향의 최소화를 위해 철저하게 신선한 암체들을 선정하고 장석을 분리해 Ar-Ar 연령측정을 수행하는 추가연구가 필요한 것으로 판단된다.

달전현무암의 주원소 조성은 TAS 도표에서 알칼리 계열의 포노테프라이트 영역에 도시된다(Fig. 8; Table 3).콘드라이트로 정규화한 희토류 원소 조성에서는 다른 시료들에 비해 경희토류가 상당히 부화[(La/Yb)N = 27.2-28.1]되어 있는 양상을 보이며, 미량원소 조성에서 해양도 현무암과 보다 유사한 경향을 보인다(Fig. 9). 지구조판별도에서 이번 연구 결과 및 기존 연구를 참고하였을때 대체로 판내부 해양도 현무암 영역에 포함되나 포천지역의 한탄강현무암 및 제주도의 대포동현무암에 비해전형적인 해양도 현무암에서 다소 멀리 떨어진 경향을보여주는데 이는 한탄강과 대포동 현무암과는 다른 기원물질 또는 진화과정을 지시한다(Fig. 10). 선행연구에 따르면 달전현무암이 얕은 지각에서 플룸에 의해 형성된판내부 해양도현무암과 매우 유사하다고 보고되었다(Yun et al., 1995, Song et al., 1998). 그리고 주된 근원물질은수화광물을 포함하는 대륙암권 하부 맨틀로 추정하였다(Choi et al., 2013).

5.4. 경주 양남 주상절리군

‘경주 양남 주상절리군’이 발달하고 있는 현무암 시료에서 GY-1: 15.8±0.7 Ma (n=11), GY-3: 14.1±1.3 Ma (n=12), GY-4: 17.7±0.8 Ma (n=8)의 전암 Ar-Ar 연령을얻었으며, 앞선 두 연령들은 오차 범위 내 일치하는 반면 약 17.7 Ma로 계산된 연령은 오차 범위를 고려하더라도 서로 중첩되지 않는다. 연구시료 중 GY-1과 GY-3시료들은 육지와 연결된 해안의 서로 연장된 동일암체에서 채취한 반면, GY-4는 부채꼴 주상절리에서 채취하였다(Fig. 6; Table 1). 그러나 이 현무암체들은 야외 산상과 박편관찰, 지화학 분석 결과에서 매우 유사한 특성을보여 서로 구별되지 않는다(Table 3과 4). 따라서 이들을동일한 암체로 해석하였으며, 각 연령 측정값이 안정된겉보기 연령을 나타내는지의 여부와 각 겉보기 연령 오차의 크기를 고려했을 때 GY-4 시료에서 구해진, 17.7±0.8 Ma가 가장 신뢰도 높은 연령으로 판단된다(Table 1과 2). 그리고 이 연령은 마이오세 분지 내 보고된 연일및 어일현무암에서 보고된 연령인 20-18 Ma와 잘 일치한다(Shin, 2013 and references therein). 그러므로 본 천연기념물 주상절리군은 신생대 신진기 마이오세의 부르디갈라절(Burdigalian: 20.44-15.97 Ma)에 형성된 것으로해석된다.

주원소의 조성을 이용한 TAS 도표에서 유일하게 비알칼리 계열의 현무암에 도시되었고, Na가 풍부한 소딕 계열의 비알칼리 현무암에 해당한다(Fig. 8; Table 3). 초생맨틀값에 정규화한 미량원소 조성은 다른 시료들과 달리호화산 활동과 밀접한 관련이 있음을 지시하며, 지구조분별도에서 역시 섭입으로 인한 화산호 현무암을 지시한다(Fig. 9와 10).

5.5. 제주 중문·대포해안 주상절리대

‘제주 중문·대포해안 주상절리대’가 발달하는 대포동현무암 시료에서 0.29±0.05 Ma (n=10), 0.24±0.07 Ma (n=10), 0.28±0.09 Ma (n=11)의 전암 Ar-Ar 연령을 얻었다(Table 1). 세 연령은 서로 오차범위 내에서 일치하고,이들의 가중 평균은 약 0.27 Ma로 계산된다. 약 0.27 Ma는 선행 연구에서 0.25±0.04 Ma로 보고된 K-Ar 연령과도 오차 범위 내 잘 일치한다(Koh et al., 2005). 그러므로 본 천연기념물 주상절리는 신생대 제4기 플라이스토세 지바절에 분출한 현무암의 냉각과정에 형성된 것으로판단된다. 대포동현무암의 주원소 조성을 TAS 도표에 도시하면 알칼리 계열의 현무암에 해당하고, 정규화한 미량원소 및 희토류원소는 해양도 현무암과 매우 유사한조성을 보여준다(Fig. 8과 9; Table 3과 4). 지구조 판별도에서는 모두 판내부 해양도 현무암에 도시된다(Fig. 10).

6. 결론

국내에 분포하는 천연기념물 암체의 형성시기와 암석학적 특징을 규명하기 위해 경기도 포천지역 3곳(한탄강현무암), 옹진군 백령도(진촌현무암), 포항 달전리(달전현무암), 경주 양남면(어일현무암), 제주 중문·대포동(대포동현무암) 등 총 7개 암체들을 대상으로 야외 조사, 암석및 박편관찰, 연대측정, 지화학 분석을 수행하였다. 각 암체들의 형성 시기는 포천의 연구지역 한탄강현무암은 모두 0.29-0.26 Ma의 신생대 제4기 플라이스토세 지바절,진촌현무암은 약 5.9 Ma로 신생대 신진기 마이오세 메시나절, 달전현무암은 마이오세 부르디갈라절(?)에서 랑게절 사이, 양남 주상절리 어일현무암은 약 17.7 Ma로마이오세의 부르디갈라절, 해안 주상절리의 대포동현무암은 약 0.27 Ma로 플라이스토세 지바절에 형성된 암체인 것으로 판단된다. TAS 도표를 근거로 한 연구지역 한탄강현무암은 알칼리 계열의 조면현무암에 대체로 해당하나, 일부는 대포동현무암과 함께 알칼리 계열의 현무암 영역에 도시된다. 달전현무암은 알칼리 계열의 포노테프라이트에 해당하는 반면, 양남 주상절리의 어일현무암은 Na가 풍부한 비알칼리 계열의 현무암이다. 미량원소 및 희토류 원소의 조성은 연구지역 어일현무암이 유일하게 화산호 현무암과 유사하며, 나머지 시료들은 정도를 달리하지만 모두 해양도 현무암과 유사한 경향을나타낸다. 지구조판별도 상에서도 이와 함께 화산호 현무암인 어일현무암을 제외하면, 대체로 해양도 현무암에도시된다. 이번 연구에서 명확하게 형성시기를 제시하지못한 소위 달전현무암으로 분류되는 암체들에 대해서는향후 야외에서의 접촉관계와 연대측정에 대한 추가 연구가 필요하다.

위 결과들을 종합하면 한반도의 신생대 화성활동은 마이오세까지 섭입과 관련된 화성활동과 주로 관련이 있었으며 이는 동해의 확장과 관련된 마이오세 분지 형성 초기까지 영향을 주었고, 동해 확장 이후 한반도는 주로 판내부의 열점과 관련된 화성활동이 지배적인 지구조 환경에 놓여있는 것으로 판단된다.

사사

이 연구는 2024년도 순천대학교 교연비의 지원을 받아수행되었습니다. 시료채취와 연구에 도움을 주신 국가유산청과 논문을 읽고 좋은 의견을 주신 심사위원분들께감사드립니다.

Fig 1.

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Figure 1.Location map showing the distribution of the study areas, and outcrop photos of each site.
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Fig 2.

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Figure 2.Geologic map of the Quarternary Hantangang river volcanic field near Pocheon area where Natural Monuments [1) Basalt gorge along Daegyocheon Stream of Hantangang River, 2) Basalt gorge and Bidulginangpokpo Falls of Hantangang River, 3) Pocheon, Pillow lava in Auraji, Pocheon] are located (modified from Kil et al. (2018) and references therein).
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Fig 3.

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Figure 3.Geologic map of the Baengnyeong Island showing sampling location (modified from Cho et al., 2021).
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Fig 4.

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Figure 4.Geological maps of (a) the Miocene basins in the SE Korea, (b) the area where the Daljeon Basalt is distributed, and (c) the Haseo Basin (modified from Yoon et al., 2014; Son et al., 2015; Song et al., 2015).
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Fig 5.

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Figure 5.Geologic maps of (a) the JeJu Island and (b) the area where the Daepodong Basalt is distributed (modified from Park et al., 2000a, b; Koh et al., 2013; Kim et al., 2021).
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Fig 6.

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Figure 6.Outcrop photographs of the study areas. (a) Basalt gorge along Daegyocheon Stream of Hantangang River, (b) Basalt gorge and Bidulginangpokpo Falls of Hantangang River, Pocheon, (c) Pillow lava in Auraji, Pocheon, (d) Peridotite xenolith-bearing basalt in Jinchon-ri, Baengnyeongdo Island, Ongjin, (e) Columnar joint in Daljeon-ri, Pohang, (f) Columnar joint in Yangnam, Gyeongju, (g) Columnar joint along Jungmun and Daepo Coasts, Jeju.
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Fig 7.

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Figure 7.Photomicrographs of the thin sections. (a, b, c, d) Hantangang Basalt, (e) Jinchon Basalt, (f) Daljeon Basalt, (g) Eoil Basalt, and (h) Daepodong Basalt.
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Fig 8.

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Figure 8.TAS diagram of the volcanic rocks on the study areas (modified from Irvine and Baragar, 1971; Le Bas et al., 1986).
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Fig 9.

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Figure 9.(a) The spider diagram for the samples are normalized to the composition of the primitive mantle (Sun and McDonough, 1989) and (b) Rare earth element patterns normalized to chondrite (Sun and McDonough, 1989). *Data from (arc volcanic rocks: www.petdb.org) and (Ocean Island Basalt: Sun and McDonough, 1989). Colors are the same as those in Fig. 8.
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Fig 10.

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Figure 10.Tectonic discrimination diagrams of the samples. (a) Zr vs. Ti plot, (b) La/Yb vs. Nb/La plot, (c) N-MORB-normalized Nb vs. Th plot, and (d) Th, Hf/3, Nb/16 plot (after Wood, 1980; Pearce, 1982; Hollocher et al., 2012; Saccani, 2015). *Data for some Daljeon Basalt (green) in the dotted area are from Choi et al (2013). Colors are the same as those in Fig. 8.
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Table 1 . Summary of the locations, dating methods, and calculated ages of each sample from the Natural Monuments.

Natural MonumentCodeLatitudeLongitudeDating MethodAges (Ma)± AgenMSWD
Basalt gorge along Daegyocheon Stream of Hantangang RiverHD-1N38° 10′ 57.5″E127° 16′ 56.3″WR Ar-Ar0.450.1650.78
HD-2N38° 10′ 58.1″E127° 16′ 56.3″WR Ar-Ar0.250.03110.82
Basalt gorge and Bidulginangpokpo Falls of Hantangang River, PocheonBD-1N38° 04′ 48.5″E127° 13′ 01.9″WR Ar-Ar0.270.05120.48
BD-2N38° 04′ 47.6″E127° 13′ 02.0″WR Ar-Ar0.290.0580.81
BD-3N38° 04′ 48.5″E127° 13′ 01.9″WR Ar-Ar0.290.0693
BD-4N38° 04′ 49.5″E127° 13′ 00.9″WR Ar-Ar0.350.07105.8
Pillow lava in Auraji, PocheonAP-1N38° 02′ 25.3″E127° 06′ 57.6″WR Ar-Ar0.280.0872.5
AP-2N38° 02′ 25.1″E127° 06′ 57.4″WR Ar-Ar0.290.0460.92
AP-3N38° 02′ 25.2″E127° 06′ 56.4″WR Ar-Ar0.280.0581.3
AB-1N38° 02′ 25.5″E127° 06′ 57.3″WR Ar-Ar0.270.0590.83
AB-2N38° 02′ 26.2″E127° 06′ 58.5″WR Ar-Ar0.300.05181.2
Peridotite xenolith-bearing basalt in Jinchon-ri, Baengnyeongdo Island, OngjinBR-1N37° 58’ 30.5“E124° 43′ 50.8″feldspar Ar-Ar5.870.05144.9
BR-2N37° 58’ 33.2“E124° 43′ 51.3″feldspar Ar-Ar5.880.05146.1
Columnar joint in Daljeon-ri, PohangPD-3N36° 01′ 42.4″E129° 17′ 45.4″WR K-Ar200.4--
PD-4N36° 01′ 41.7″E129° 17′ 45.0″WR K-Ar20.80.4--
Columnar joint in Yangnam, GyeongjuGY-1N35° 41′ 11.4″E129° 28′ 29.1″WR Ar-Ar15.780.7119.7
GY-3N35° 41′ 12.5″E129° 28′ 29.3″WR Ar-Ar14.11.31264
GY-4N35° 41′ 09.3″E129° 28′ 29.7″WR Ar-Ar17.730.8856
Columnar joint along Jungmun and Daepo Coasts, JejuJD-1N33° 14′ 14.7″E126° 25′ 37.1″WR Ar-Ar0.290.05103.2
JD-2N33° 14′ 12.8″E126° 25′ 31.0″WR Ar-Ar0.240.07107.9
JD-3N33° 14′ 13.1″E126° 25′ 27.1″WR Ar-Ar0.280.09119.9

Table 2 . 40Ar/39Ar ages for the rocks in the study areas.

Sample CodesRun IDCa/KCl/K39Ar Mol × 10-14%40Ar*Apparent Age (Ma)± Age (2σ)
Basalt gorge along Daegyocheon Stream of Hantangang River
HD-1461-015.2060.0100.01045.70.690.39
461-026.6630.0670.01035.10.480.37
461-034.8330.0250.01426.20.510.36
461-044.0090.0500.0129.90.240.44
461-053.4850.0390.0239.70.340.30
HD-2467-014.1420.0090.02441.70.210.08
464-015.407-0.0230.01127.10.300.19
467-023.4730.0230.02457.10.310.08
467-033.4280.0040.02256.10.250.08
464-027.825-0.0410.01832.10.230.11
464-037.3050.0250.01145.80.270.18
464-046.2420.0080.01325.70.380.31
467-053.962-0.0160.04219.60.220.10
464-076.9890.0360.0146.70.130.20
464-086.6240.0320.01510.50.170.18
467-063.9090.0450.0404.50.050.09
467-074.0750.0130.03132.30.280.08
467-083.6510.0260.0297.10.070.10
Basalt gorge and Bidulginangpokpo Falls of Hantangang River, Pocheon
BD-1450-016.221-0.0430.00932.80.200.24
450-026.398-0.0910.00742.90.250.29
450-034.2170.0050.00962.50.280.12
450-046.5450.0240.00738.70.310.15
Sample CodesRun IDCa/KCl/K39Ar Mol × 10-14%40Ar*Apparent Age (Ma)± Age (2σ)
450-065.9060.0360.01440.30.320.17
450-074.536-0.0620.01524.90.220.17
450-084.3190.0230.02028.90.270.11
463-013.919-0.0100.02028.30.400.21
463-024.6260.0620.02029.70.260.19
450-094.0560.0010.0378.90.250.15
463-045.4590.0170.016280.230.14
463-054.1220.0120.0169.60.140.18
BD-2447-012.9780.0660.00775.30.230.28
447-025.2810.0150.00786.70.260.31
447-033.776-0.0260.00860.90.210.12
447-044.690-0.0510.004190.220.28
447-064.785-0.0100.03053.60.360.08
447-084.356-0.0040.03824.70.280.08
462-023.7450.0610.02617.80.300.19
462-045.4710.0170.01318.90.230.18
BD-3451-013.2560.0090.01333.70.240.16
451-023.302-0.1080.00510.60.210.43
451-033.1970.0270.01242.80.250.09
451-045.9930.0120.00826.80.190.13
451-054.572-0.0020.029440.430.08
451-063.0520.0290.03542.10.330.07
451-073.4890.0090.03134.60.290.06
451-083.1830.0040.028330.230.07
451-094.1710.0240.03518.10.190.12
BD-4445-013.696-0.0030.01153.40.230.18
445-033.922-0.0030.00640.50.270.18
445-048.549-0.0930.00539.60.250.22
445-065.1710.0070.027530.450.09
445-075.1180.0210.03036.20.180.08
445-083.5370.0390.03760.90.490.07
445-125.3740.0000.01542.80.290.06
445-135.506-0.0010.01835.80.320.06
445-144.068-0.0050.016400.380.07
445-153.9580.0190.02137.10.400.07
Pillow lava in Auraji, Pocheon
AP-1449-014.937-0.0120.007270.240.30
449-024.781-0.0590.00928.90.140.23
449-034.7230.0340.01339.60.190.08
449-044.6210.0260.01052.70.260.11
449-064.4020.0100.02139.40.220.11
449-074.9280.0700.01728.60.220.14
449-084.3790.0070.03648.60.360.06
AP-2446-024.957-0.0510.00636.50.210.34
446-045.089-0.1210.00639.80.310.18
Sample CodesRun IDCa/KCl/K39Ar Mol × 10-14%40Ar*Apparent Age (Ma)± Age (2σ)
446-065.1690.0420.01839.80.240.13
446-074.3790.0080.03531.20.250.07
446-084.4740.0100.04132.60.330.06
446-134.991-0.0220.01317.70.300.09
AP-3448-014.313-0.0520.00848.60.180.26
448-024.601-0.0570.00972.20.280.22
448-034.5470.0210.00932.90.180.11
448-044.7570.0360.01151.60.260.10
448-064.6380.0080.03139.60.230.08
448-074.4330.0130.03545.90.320.07
448-084.3820.0200.03324.70.290.07
448-094.9960.0410.01932.20.380.12
AB-1465-015.116-0.0280.02518.90.230.17
465-035.390-0.0150.01718.70.300.18
465-045.6720.0250.01433.30.360.16
468-016.064-0.0150.01639.70.230.13
468-024.945-0.0160.01750.30.240.11
468-036.9940.0340.014560.340.13
468-044.5150.0270.03331.50.360.13
468-053.7020.0430.0310.90.170.17
468-065.2210.0490.03317.50.250.12
AB-2431-034.7740.0560.009610.330.22
452-014.223-0.2040.00616.60.140.35
452-024.149-0.1130.00723.10.150.30
452-034.5270.0880.00665.70.340.19
452-043.9830.0440.013470.220.08
452-051.940-0.0210.07411.10.500.25
431-044.711-0.0170.01040.90.340.19
452-065.0170.0350.018130.320.14
431-055.374-0.0230.00963.20.320.28
452-074.5270.0290.02236.30.410.11
452-084.7300.0160.03525.80.360.09
431-065.1310.0480.00631.90.220.32
431-074.578-0.0320.009370.180.20
431-082.2690.0970.01814.20.280.26
452-094.1580.0000.03316.90.180.13
431-104.3370.0770.00817.20.310.31
431-115.7740.0040.01135.50.260.20
431-124.9460.0240.01127.80.420.22
Peridotite xenolith-bearing basalt in Jinchon-ri, Baengnyeongdo Island, Ongjin
BR-1519-010.233-0.0330.02579.75.640.10
519-020.186-0.0160.02982.55.870.07
519-030.1340.0140.02079.95.810.09
519-040.2250.0530.02077.55.990.12
519-050.2490.0360.02984.95.860.06
Sample CodesRun IDCa/KCl/K39Ar Mol × 10-14%40Ar*Apparent Age (Ma)± Age (2σ)
519-070.2020.0000.043875.930.06
519-080.2020.0160.03486.15.900.07
519-090.2130.0200.04083.15.910.07
519-100.2080.0080.03883.25.920.06
519-110.2230.0230.01586.35.880.16
519-120.129-0.0410.01875.75.740.14
519-130.1900.0090.02686.45.920.09
519-140.2430.0440.01376.95.570.19
519-150.141-0.0330.01469.75.560.18
BR-2520-010.1930.0210.03877.95.710.07
520-020.187-0.0130.03282.75.920.06
520-030.2260.0050.04185.35.870.04
520-040.2410.0070.02486.65.890.07
520-050.177-0.0210.04081.36.100.14
520-060.2040.0020.042825.970.04
520-070.185-0.0120.04377.75.860.06
520-080.2380.0040.03682.15.890.08
520-090.2320.0230.02382.55.890.10
520-100.2480.0030.02378.75.860.12
520-110.182-0.0230.01984.35.970.12
520-120.241-0.0200.01579.85.640.17
520-130.2070.0070.01859.15.680.13
520-140.239-0.0120.03283.95.780.09
Columnar joint in Yangnam, Gyeongju
GY-1474-0116.576-0.1520.00436.218.751.04
475-0118.7250.1610.00537.517.220.88
474-0215.8870.1320.00544.314.940.76
475-0216.3360.0960.00639.217.060.68
474-0314.8760.0400.01041.215.480.50
474-0417.9340.0610.01042.815.540.45
475-0316.9110.0830.00738.415.420.59
475-0418.6230.0390.00843.715.560.54
493-0119.9160.2340.0053616.760.87
493-0223.0110.0850.00343.615.411.23
494-0115.9300.0820.00438.913.440.94
GY-3482-0112.8100.0910.00637.116.510.71
483-0113.8570.1350.00627.218.810.76
482-0212.0500.1200.00530.514.990.78
483-0216.7680.1440.00534.216.800.80
482-039.251-0.0160.01527.411.900.41
482-049.575-0.0150.01734.713.170.38
483-0313.0640.1170.0103215.380.44
483-0415.5280.0620.01433.515.870.33
501-0112.5050.0720.00836.112.140.48
501-029.7540.0420.00734.311.810.49
Sample CodesRun IDCa/KCl/K39Ar Mol × 10-14%40Ar*Apparent Age (Ma)± Age (2σ)
502-0113.6140.1030.00838.113.100.47
502-0214.3120.1970.00642.514.380.65
GY-4484-0116.467-0.0570.01931.219.010.27
484-0220.3900.0500.01339.419.450.39
485-0114.7610.0630.02217.218.560.28
485-0219.8990.0250.01929.918.460.28
486-0116.4220.0310.01921.717.150.29
486-0220.849-0.0020.0143716.560.36
487-0115.4560.0440.03042.917.050.18
487-0217.187-0.0320.01934.116.850.26
Columnar joint along Jungmun and Daepo Coasts, Jeju
JD-1466-014.348-0.0130.02841.60.190.07
466-024.9700.0270.02958.90.350.06
466-034.779-0.0190.01849.20.230.10
466-043.777-0.0110.02534.80.410.17
478-036.763-0.0110.03420.50.320.06
479-034.1280.0250.04017.60.390.12
497-014.3630.0080.01913.80.340.09
497-023.988-0.0070.01620.30.270.09
498-013.789-0.0070.01910.20.190.08
498-024.756-0.0560.01724.30.290.09
JD-2481-015.4060.0310.02312.10.120.07
480-027.501-0.0150.01312.40.150.13
481-025.4530.0560.01116.40.230.15
480-035.1860.0070.03514.30.170.04
481-036.2320.0050.031200.310.05
481-045.763-0.0060.03916.20.210.05
499-016.4440.0530.01221.70.330.10
499-025.3770.0080.017180.340.09
500-016.319-0.0010.01830.40.440.07
500-024.6980.0560.01517.50.190.08
JD-3476-015.2730.0430.0159.10.140.13
477-014.6110.0480.01923.70.540.14
476-024.418-0.0800.01720.20.240.11
477-025.122-0.0460.015200.250.13
476-034.8030.0090.03315.80.210.06
476-044.239-0.0060.02419.20.540.15
477-034.996-0.0050.030200.230.05
477-044.9540.0160.02911.10.220.05
495-014.164-0.0250.02028.70.650.12
495-024.4550.0100.01427.20.510.11
496-013.749-0.0070.0249.90.240.13

Table 3 . Composition of major elements of the rocks in the study areas.

LocationSampleSiO2Al2O3TiO2Fe2O3MnOMgOCaONa2OK2OP2O5SO3LOITotal
Basalt gorge along Daegyocheon Stream of Hantangang RiverHD-147.5915.491.9411.600.248.917.973.531.870.390.130.1299.78
HD-247.8715.961.9311.070.238.318.113.812.000.400.130.1399.94
Basalt gorge and Bidulginangpokpo Falls of Hantangang River, PocheonBD-148.3815.861.9511.200.238.148.373.471.740.370.120.0599.89
BD-246.0614.981.9111.480.247.888.233.441.740.360.150.1796.63
BD-345.2414.921.8610.690.227.417.803.421.760.360.166.0099.86
BD-447.3514.752.7513.510.247.608.053.181.220.470.170.6899.96
Pillow lava in Auraji, PocheonAP-147.5315.032.7113.120.237.118.543.341.210.460.150.2799.70
AP-247.8415.481.9511.980.268.408.093.411.690.360.160.2599.88
AP-347.6315.431.9511.740.248.158.313.441.740.360.160.1799.31
AB-146.5314.811.8511.680.248.958.303.261.610.320.100.0597.70
AB-246.9415.191.8411.510.248.708.383.681.660.350.110.2498.83
Columnar joint in Daljeon-ri, PohangPD-345.1216.831.907.480.205.404.976.302.951.450.601.6994.88
PD-446.0017.111.867.240.195.604.495.653.231.390.586.0099.34
Columnar joint in Yangnam, GyeongjuGY-148.6719.521.149.320.233.5710.393.110.380.160.021.3297.83
GY-350.9520.081.189.050.243.2710.503.290.490.170.030.3399.57
GY-449.7219.921.119.060.233.7910.573.160.420.160.020.6698.82
Columnar joint along Jungmun and Daepo Coasts, JejuJD-146.8415.171.9211.640.248.358.012.981.690.360.121.9599.27
JD-247.3315.032.7513.460.246.948.633.101.100.460.160.0199.21
JD-347.8615.281.9611.950.258.848.303.241.630.360.110.1199.89

Table 4 . Composition of trace and rare earth elements of the rocks in the study areas.

HD-1HD-2BD-1BD-2BD-3BD-4AP-1AP-2AP-3AB-1AB-2PD-3PD-4GY-1GY-3GY-4JD-1JD-2JD-3
Ba327.9301.0252.9256.5286.8288.4281.9278.5270.8334.4249.5524.1602.1121.4152.4129.3357.6378.2367.8
Sr632.5593.8548.4568.5581.3610.5577.2553.9559.1679.7575.91204.91098.2522.3521.0522.4509.8579.2561.3
Co46.248.653.652.047.048.552.251.150.343.751.422.821.626.327.125.049.450.548.5
Cr177.9182.0190.3168.7138.2131.2173.1172.4173.3172.2183.449.354.727.957.675.7198.4169.2169.6
Cu56.653.057.758.263.461.864.760.460.157.255.323.622.634.749.347.342.939.461.9
Ga25.423.624.727.226.726.426.726.025.725.427.424.625.025.321.721.630.832.431.0
Li5.95.56.15.96.25.46.35.86.25.46.215.928.59.36.47.05.54.45.3
Ni168.6172.5186.1173.9155.9164.1161.6165.0156.7143.3167.252.057.716.245.844.4149.7140.1135.0
Sc18.717.023.721.719.217.521.021.422.621.722.210.29.923.319.417.517.818.617.3
V153.4151.8159.1166.0153.1157.5163.1159.1156.3157.5158.3103.696.8220.2208.0212.0186.2197.0181.6
Zn84.984.493.593.891.894.4100.994.691.181.787.453.652.686.376.871.3128.3134.4130.9
Zr215.7205.3188.5197.1207.2204.2201.5197.0204.1201.2186.8377.7157.393.893.190.5226.9237.4222.4
Rb26.024.621.319.924.722.724.122.022.421.021.652.757.17.09.97.617.415.118.0
Y26.924.227.226.827.626.228.227.027.524.124.929.228.522.221.620.824.126.524.3
Nb40.438.037.638.541.440.540.140.28.132.635.460.47.73.03.03.047.352.151.9
Mo1.40.31.00.82.11.72.72.51.71.42.15.04.71.41.51.42.12.51.8
Cs0.30.00.10.10.20.30.30.30.20.10.31.82.11.41.80.50.00.10.1
La26.423.423.623.825.924.225.523.825.322.022.1101.996.68.17.97.428.232.130.3
Ce54.548.548.750.054.149.853.350.151.945.046.5185.6176.621.520.519.559.364.561.5
Pr6.66.05.86.06.46.16.36.26.35.55.619.518.13.02.92.77.38.07.4
Nd27.823.424.224.425.925.325.925.525.822.224.069.064.114.513.913.630.334.031.0
Sm6.05.45.56.05.45.96.25.76.05.25.410.69.84.53.73.57.17.56.8
Eu2.01.61.81.71.81.91.91.92.01.81.83.33.11.51.31.32.42.62.4
Gd5.94.95.35.65.65.66.05.86.05.35.67.77.64.63.94.06.57.46.7
Tb0.90.80.90.90.90.91.00.90.90.80.91.11.00.70.70.70.91.11.0
Dy5.45.15.65.55.65.75.95.55.54.95.26.35.84.64.13.95.46.15.4
Ho1.11.01.01.01.11.11.21.11.10.91.01.21.11.00.80.90.91.00.9
Er3.02.62.83.13.03.03.23.03.12.72.83.23.12.72.52.42.52.82.4
Tm0.40.30.40.40.40.40.40.40.40.30.40.40.40.40.30.30.30.30.3
Yb2.72.02.32.42.42.62.82.62.62.42.32.62.52.42.32.21.82.01.7
Lu0.20.10.20.20.20.30.30.20.30.30.20.30.20.30.20.20.10.10.1
Hf5.04.54.54.74.74.65.04.74.74.44.34.41.52.42.32.45.55.95.7
Ta20.822.119.525.022.121.020.921.12.516.617.232.12.33.52.12.326.929.427.2
Pb3.83.43.13.23.63.63.73.53.54.03.39.08.86.44.64.42.85.13.4
Th3.32.62.93.03.22.82.92.93.22.82.615.615.40.90.80.64.55.14.5
U0.70.50.50.60.70.80.80.70.80.70.75.04.80.10.10.10.80.70.5
ΣREE143.0125.0128.0131.0138.6132.9139.9132.7137.2119.3124.0412.6390.169.865.162.7152.9169.5157.8
Eu/Eu*1.030.971.010.901.011.020.971.000.991.021.001.111.091.041.021.031.061.051.09
(La/Yb)N7.168.527.397.037.756.636.546.596.926.596.9528.0927.192.472.512.4011.5011.6812.91

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Aug 30, 2024 Vol.57 No.4, pp. 353~471
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pISSN 1225-7281
eISSN 2288-7962
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