• A detailed field survey reveals a regional-scale fold in the Daecheong Island.

• The fold is classified as a gently-plunging open overturned fold based on the profile geometry.

• Layer-parallel shortening and subsequent flexural folding caused the fold.

한반도 중서부 낭림육괴 남서쪽 연안에 위치한 백령도-대청도-소청도에는 북한의 상원누층군과 대비되는 중원생대-신원생대 저변성 퇴적암이 넓게 분포한다. 백령도는하부에서부터 남포리층, 중화동층, 두무진층으로 구성되는 백령층군과 이들을 관입하는 신원생대 초기 고철질암상(sill), 그리고 두무진층을 피복하는 신진기 현무암으로 구성된다(Lim et al., 1999; Cho et al., 2021; Kim and Choi, 2021). 대청도에 분포하는 대청층군은 백령층군과대비되며 사암과 이암이 반복적으로 교호하는 하부의 지두리층과 상부의 독바위층으로 구성되고, 이들을 고철질암상이 관입하고 있다(Fig. 1; Cho et al., 2021). 백령도와 대청도의 사암과 고철질 암상에서 얻은 저어콘 U-Pb 연령을 통해 이들의 퇴적시기는 중원생대 말-신원생대 초로 보고되었다(Kim et al., 2016, 2019, 2021; Cho et al., 2021). 소청도는 신원생대 초기의 소청층과 이를 관입하는 휘록암으로 구성된다(Cho et al., 2021). 소청층은 하부에서부터 사암, 이암, 셰일이 교호하는 예동층원과 주로 석회암으로 구성되는 분바위층원으로 이루어져 있다. 이들의 퇴적상과 스트로마톨라이트 내 박테리아 화석은북한에 분포하는 후기 원생대의 상원누층군 묵천층군 및멸악산층군과 대비되는 것으로 보고되었다(Kim and Kim, 1999; Kim and Han, 2010; Lee et al., 2003).

Figure 1. (a) Simplified tectonic provinces of the Korean Peninsula (modified from Kee et al., 2019). Abbreviations: DB―Dumangang Belt, GwM―Gwanmo Massif, BVP―Baekdusan Volcanic Plateau, GMB―Gilju-Myeongcheon Basin, MB―Macheollyeong Belt, NM―Nangnim Massif, PB―Pyeongnam Basin, GM―Gyeonggi Massif, HIB―Hongseong-Imjingang Belt, OB―Okcheon Belt, TB―Taebaeksan Basin, YM―Yeongnam Massif, GB―Gyeongsang Basin, YB―Yeonil Basin, JVT―Jeju Volcanic Terrain. (b) Geologic map of the Daecheong Island showing outcrop locations of Figure 6 (modified from Cho et al., 2021).

백령도, 대청도, 소청도는 각기 다른 지각 변형 양상을기록하고 있다. 백령도에는 동-서 내지 북동-남서 방향의충상단층이 발달하며 이에 수반하여 일부 지층이 습곡되어 있다. 대청도에는 섬 전체의 지층 분포가 광역규모 습곡에 의해 제어되고 있으나, 소청도에는 비교적 익간각이 작은 노두 규모의 비대칭 습곡만이 발달하고 있다(Cho et al., 2021). 특히 대청도에는 사층리와 점이층리 같은1차 퇴적구조가 지층의 역전 여부를 잘 보여주며, 지층내부에 벽개와 기생습곡이 잘 발달하여 광역규모 습곡의기하·운동학적 특성을 연구하기 훌륭한 지역이다.

본 논문에서는 세 섬 중 대청도에 분포하는 퇴적 암상과 이들의 구조적 특징 및 변형 기작을 다룬다. 특히 본연구에서는 야외에서 획득한 층리, 벽개, 습곡힌지, 그리고 단층 등의 구조 요소 자료 및 퇴적암 내 1차 구조를통한 지층 역전 여부 정보를 통해 대청도 내에 광역규모과습곡(overturned fold)이 발달함을 보고한다. 또한 층리면의 등면적 하반구 스테레오 투영(equal area lower hemisphere stereographic projection) 과 습곡된 지층 경계의 하향 투영(down-plunge projection) 을 통해 대청도 과습곡의 구조기하학적 특징을 파악하고, 내부 소습곡의 운동학적 특징을 통해 그 형성 기작에 대해 해석하고자 한다.

대청도를 구성하는 대청층군은 하부의 지두리층과 상부의 독바위층으로 구성된다(Fig. 1; Cho et al., 2021). 지두리층은 대청도의 북서부 해안을 따라 분포한다. 지두리층의 하부는 주로 중립-조립질의 회백색 사암으로 구성되고 중·상부에서는 회색 이암과 세립-중립질의 회백색 사암이 수 cm 에서 수 m 두께로 불규칙하게 교호한다(Fig. 2a). 독바위층은 대청도에서 가장 넓은 노출 면적을가지며 지두리층을 정합적으로 덮고 있다. 독바위층은 대체로 회백색의 중립-조립질 사암으로 구성되며 간혹 수 mm 내지는 수 cm 두께의 이암을 포함한다(Fig. 2b). 또한 암회색 이암과 담회색 세립질 사암이 수 mm 에서 수 cm 간격으로 불규칙하게 반복되는 교호대가 독바위층 내에 최대 350 m 두께로 발달한다(Figs. 1, 2c).

Figure 2. Outcrop photographs showing sedimentary rocks in the Daecheong Island. ‘Y’ symbols indicate the younging direction of the sedimentary rocks. (a) Jiduri Formation. (b) Dokbawi Formation. (c) Alternation of fine-grained sandstone and mudstone in the Dokbawi Formation. (d) Cross-stratification in a sandstone of the Dokbawi Formation. Abbreviation: S₀─bedding, S₁─cleavage, S ─Sandstone, M─Mudstone.

대청층군의 층상 사암 내에는 사층리, 연흔 등 1차 퇴적구조가 뚜렷하게 관찰된다(Fig. 2d). 이암은 평행 엽층리 등의 퇴적구조를 잘 보이며 대부분의 노두에서 습곡축면에 평행한 벽개의 발달이 뚜렷하다. 이암 내 발달하는 벽개는 극세립질의 운모류 및 판상 광물의 배열로 정의되며 석영 입자를 감싸면서 발달하는 망상 벽개(anastomosing cleavage)로 분류할 수 있다(Fig. 3b).

Figure 3. Photomicrographs of a sandstone in the Dokbawi Formation (a) and a mudstone in the Jiduri Formation (b). Abbreviation: S₀─bedding, S₁─cleavage, Qtz─Quartz, Mic─Mica, Op─Opaque minerals.

현미경상에서 대청층군 사암의 석영은 약 200–300 µm의 장축을 가지는 모입자(original grain)가 최대 3:1 정도의 종횡비로 약하게 신장되어 있다(Fig. 3a). 모입자는 파동 소광하며 입자 경계부를 따라서 약 40 µm 내외의 아입자(subgrain)가 관찰된다. 이암에서는 점토 기질 내에100-200 µm와 수십 µm 크기 석영 입자들의 반복 배열로정의되는 층리가 잘 발달하며, 운모류의 이차적인 배열로 정의되는 벽개가 이를 중첩한다(Fig. 3b).

대청도의 지층 분포를 제어하는 광역규모 습곡의 기하·운동학적 특징을 해석하기 위하여 연구지역에서 획득한 구조요소(층리, 벽개)를 하반구 스테레오 투영하였고, 이를 통해 구한 습곡축의 자세를 지층 경계의 하향 투영에사용하였다. 하향 투영에는 Rockware 사의 Spheristat 3가사용되었다. 본 연구에서는 지층의 방향 및 역전 여부를기준으로 총 4 개의 구조 영역(structural domain)을 정의하였다. 영역 1-3 은 습곡의 각기 다른 날개에 해당하며, 영역 4는 운동학적 성격이 불명확한 동-서 방향 단층에의해 구별되는 연구지역 남단부에 해당한다(Fig. 4).

Figure 4. Detailed structural map of the Daecheong Island. Equal-area stereograms show poles to bedding, cleavage, and π-axis.

영역 1에서 층리는 동북동–서남서에서 서북서–동남동방향의 주향과 북쪽 경사를 가진다. 이 영역에서는 지층이 역전되어 남쪽으로 갈수록 젊어진다(Figs. 5, 6a). 영역 2는 정상위 지층으로 구성되며, 영역 내에서 측정된층리는 대체로 북북서–남남동에서 북북동–남남서 방향의주향을 가지고 동쪽으로 경사한다(Fig. 5). 영역 3을 이루는 지층의 경우 동–서 방향의 주향이 우세하고 대체로북쪽경사하며, 역전되어남쪽으로갈수록젊어진다(Figs. 5, 6c–d). 영역 4에서는 층리가 대체로 북동–남서 방향이며남동 방향으로 저각 경사한다. 다만 동-서 방향 단층대인근에서는 층리의 방향이 단층과 아평행하게 변화한다(Fig. 6e). 그리고 특징적으로 구조 영역에 따라 내부 기생습곡의 형태가 변화한다. 즉, 영역 1과 3에는 북서쪽버전스(vergence), 영역 2에는 남동쪽 버전스를 보이는 비대칭 소습곡이 발달한다(Fig. 6a–d). 그러나 습곡의 힌지부에 해당하는 구조 영역 1-3 의 경계부에는 대칭 형태의소습곡이 발달한다(Fig. 6f). 단층에 의해 분리되어 있는영역 4를 제외한 영역 1-3 내 모든 층리면의 극점을 등면적 스테레오 네트에 투영한 결과 하나의 대원이 잘 정의되며 이를 통해 구한 습곡축(π-pole)의 방향은 32°/054° 이다(Fig. 4). 이와같은 습곡축은 노두에서 측정한 소습곡 힌지의 방향과 아평행하다(Fig. 6f).

Figure 5. Equal-area stereograms showing poles to bedding (left) and cleavage (right).

Figure 6. Outcrop photographs showing minor folds and bedding-cleavage relationships in each domain. ‘Y’ symbols indicate the younging direction of the sedimentary rocks. (a) Overturned Jiduri Formation in domain 1. (b) Jiduri Formation showing the SEvergence in domain 2. (c, d) Overturned Jiduri Formation showing the NW-vergence in domain 3. (e) Dokbawi Formation showing bedding parallel to the E-W fault in domain 4. (f) Dokbawi Formation showing symmetric M-shaped fold in the boundary area between domain 1 and 2. Abbreviation: S₀─bedding, S₁─cleavage, L₁─fold axis.

습곡 내 벽개의 방향은 날개부와 힌지부에서 각기 다른 특성을 보인다. 날개부에선 벽개가 대체로 N30°-60°W 의 주향과 40°-55°NE 의 경사를 가진다(Fig. 5). 반면 힌지부에선 벽개가 패닝(fanning)하여 남-북에서 북서-남동, 그리고 동-서 방향까지 넓은 범위의 주향을 가진다(Fig. 5). 이러한 패닝 양상은 노두 규모 습곡에서도 인지된다. 점성 차(viscosity contrast) 를 가지는 사암과 이암이 교호하는 일부 습곡 노두에서 이암 영역에서의 힌지 붕괴(hinge collapse) 및 벽개가 습곡의 핵을 향해 발산하는 벽개 패닝(divergent cleavage fanning) 이 관찰된다(Fig. 7a). 또한습곡의 힌지부에서 비교적 점성이 낮은 이암이 뾰족한형태(cusp)를 보임에 따라 발산형 벽개 패닝이 관찰되기도 한다(Fig. 7b).

Figure 7. Outcrop photographs of outcrop-scale folds. (a) Hinge collapse and divergent cleavage fanning in the Jiduri Formation. (b) Cusp-shaped mudstone layers. The cusp is convex toward the sandstone layer. Yellow and white dashed lines indicate lithologic boundary and cleavage, respectively. Abbreviation: SS ─Sandstone-dominated layer, SM─Alternating layer between sandstone and mudstone.

연구지역에 지형 기복이 존재하고 습곡의 축이 침강하고 있어 지질도 및 수직 단면도에서는 습곡 기하의 왜곡이 발생한다. 따라서 대청도 내 광역규모 과습곡의 실제 기하를 파악하기 위해 앞서 언급한 습곡축(32°/054°)을이용하여 하향 투영 단면(down-plunge projection profile) 을 작성하였다(Fig. 8). 복원된 단면에서 습곡 힌지부의폭은 좁으며 익간각은 약 70°-80° 이다. 종합하면 대청도내 지층 분포를 제어하는 광역규모 습곡은 완만하게 침강된 개방 과습곡(gently-plunging open overturned fold) 으로 분류된다(Fossen, 2016).

Figure 8. Down-plunge projection profile of the regional-scale overturned fold in the Daecheong Island.

연구지역에서 과습곡에 의해 변형된 지층들은 비교적일정한 두께를 유지한다(Fig. 8). 이는 습곡의 형성 기작을 해석함에 있어 평행습곡(parallel fold)의 운동학적 모델인 요굴습곡작용(flexural folding) 의 역할을 고려해야함을 의미한다. 요굴습곡작용은 접선종변형(tangential longitudinal strain) 또는 직교요굴(orthogonal flexure), 요굴흐름(flexural flow), 그리고 요굴미끄러짐(flexural slip) 의 세 가지 기작으로 구분된다(Ramsay, 1967; Fossen, 2016). 연구 지역의 구조 영역 1-3 에 광범위하게 발달하는 비대칭 기생습곡(Figs. 6, 8)은 과습곡의 형성 과정 중날개부에 전단변형이 발생하였음을 지시한다. 역학적 단위층 경계면(mechanical unit layer boundary)을 따른 미끄러짐의 야외 증거가 뚜렷하지 않고 연성구조에 의해날개부 전단변형이 분산되어 수용되었음을 고려할 때, 대청도 과습곡 형성 과정에서 요굴흐름 기작이 주요하게작용한 것으로 해석된다. 이를 뒷받침하여 구조 영역에따라 변화하는 소습곡의 버전스(Fig. 8) 는 요굴흐름에 의해 발생한 날개부 물질의 회전 방향을 잘 반영한다. 하지만 요굴흐름 모델만으로 대청도 과습곡의 형성 기작을설명하기에는 한계가 있다. 전형적인 요굴흐름 모델에서는힌지부의변형(strain)이존재하지않지만(Ramsay, 1967), 대청도 과습곡의 힌지부에는 대칭 형태의 소습곡이 발달한다. 대칭 소습곡에 의해 반영되는 힌지부의 변형은 과습곡 형성 이전에 지층과 평행하게 작용한 압축작용(layer-parallel shortening) 에 의한 것으로 해석된다. Frehner and Schmalholz (2006) 의 수치 모델에 따르면 지층과 평행한압축작용이 발생할 때 대칭 소습곡이 우선 만들어진다. 이후 요굴흐름에 의해 대규모 습곡이 발달한다면 변형이없는 힌지부에는 소습곡의 대칭적 형태가 유지되지만 전단변형이 발생하는 날개부에는 소습곡의 형태가 비대칭적으로 변화한다(e.g., Hudleston and Treagus, 2010; Torremans et al., 2018; Marshak et al., 2024).

대청도 과습곡은 주변의 백령도와 소청도에 발달하는습곡과 유사한 방향성을 가진다(Cho et al., 2021). 백령도 남포리층을 변형시킨 다양한 규모의 습곡은 동북동방향을 향해 저각으로 침강하고 북서 방향의 버전스를보이며, 대체로 북동-남서 방향의 충상단층에 수반된다(Cho et al., 2021). 소청도 소청층 내에 뚜렷하게 발달하는 소규모 습곡 역시 대체로 북동 내지는 동북동 방향으로 침강하며 북서 방향의 버전스를 보인다. 백령도, 대청도, 소청도가 바다에 의해 서로 떨어져 있어 현재까지 보고된 자료를 통해 구조적 상호 관계를 명확히 파악하기어려우나, 방향적 유사성을 통해 세 섬에 발달하는 압축성 변형구조가 기원적으로 연결될 수 있음을 추정할 수있다. 이는 대청도 내에서 지층의 역전을 야기한 회전의요소가 대규모 충상단층과 연관될 수 있음을 의미한다.

본 연구에서는 상세 야외지질조사 결과를 바탕으로 대청도 내 광역규모 과습곡의 기하·운동학적 특징을 보고하고 가능한 발달 기작을 해석하였다. 과습곡은 조산대에서 흔히 발달하는 구조이다. 연구지역을 포함하는 한반도 중서부는 섭입·충돌과 관련된 여러 차례의 현생이언 조산운동을 경험한 것으로 보고되어 왔다(Oh et al., 2005; 2014; Cho et al., 2007; 2017; Kim et al., 2000; 2006; 2008; 2011; 2017; Park et al., 2014; 2018; 2019; 2020; de Jong et al., 2015; Lee et al., 2019). 만약 대청도 과습곡의 발달 시기를 추적할 수 있다면, 한반도 중서부의 조산운동사를 규명하는데 큰 도움이 될 것이다. 이를 위해 대청도 과습곡과 동시기에 형성된 단층점토, 운모류, 방해석 세맥 등에 대한 절대연령 측정(e.g., Fitz-Diaz and van der Pluijm, 2013; Wang et al., 2016; Lacombe et al., 2021)이 필요하다.

이 논문은 한국지질자원연구원 기본사업인 국토 지질조사 및 지질도·지질주제도 발간(GP2020-003) 및 한국연구재단 개인기초연구(중견연계 신진후속)사업(RS-2023-00208180)의 지원을 받았습니다.