영남육괴 북동부 일대에 분포하는 선캠브리아기 기반암류의 암석학, 지구화학 및 지구연대학적 연구

Abstract

한반도의 선캠브리아 기저는 낭림, 경기, 영남육괴로 구성되며, 영남육괴는 태백산 일대의 북동부 지역, 김천-상주를 중심으로 하는 중앙부지역, 그리고 지리산 일대의 남동부지역으로 세분된다. 연구지역인 북동 영남육괴에는 주로 변성이질암과 변성사질암의 호층으로 이루어진 변성퇴적암류들이 광역적으로 분포하고 있으며, 이들 변성퇴적암류를 관입한 화강암질 편마암과 우백질 화강편마암들은 저반 혹은 암주상으로 산출된다. 또한 소규모의 각섬암들이 변성퇴적암류와 대체로 조화적으로 관입 혹은 분출하며 산출된다. 이 연구는 야외조사, 변성암석학적, 지구화학적, 지구연대학적 연구를 수행하여 북동 영남육괴의 조구조적 진화과정을 밝히고자 시도하였다. 태백산편마암 복합체(이상만과 김형식, 1984)에 해당하는 연구지역의 변성퇴적암류는 평해층, 원남층 그리고 호산리층으로 구성된다(김옥준 외, 1964a, 1964b, 1964c). 과거 도폭조사자들이 기성층이 주로 변성화산암으로 구성되었으며, 이를 건층으로 평해층을 상부층으로 원남층을 하부층으로 하는 층서관계를 설정한 바 있다. 하지만, 김남훈 외(1999, 2001)는 과거 기성층으로 분류한 지역은 광역적인 전단변형에 의해 형성된 압쇄암 내지 초압쇄암들로 구성된 구조암대인 것으로 보고한 바 있다. 또한, 소위 기성층의 압쇄암에 대한 SHRIMP U-Pb 저콘 연대측정 결과, 신원생대에서 고생대 석탄기 시기(942~306Ma)의 화성활동과 페름기의 변성작용(264.3±3.9Ma)으로 생성된 저콘들이 발견되었다. 이러한 결과는 기성층이 선캠브리아의 변성퇴적암층이 아니며 석탄기 이후로부터 페름기 전에 생성된 퇴적암이 페름기 이후의 형성된 구조암대임이 보다 명확하게 밝혀졌다. 저콘의 SHRIMP와 LA-ICPMS U-Pb 연대측정 결과, 원남층, 평해층 및 호산리층의 변성퇴적암류는 약 2100 Ma에서 최대 2500 Ma에 이르는 초기 원생대의 지각물질로부터 유래된 퇴적물들이 포함되며, 1880~1840 Ma의 변성시기를 나타낸다. 변성퇴적암류를 관입하고 있는 화강암질 편마암류의 관입시기는 각각 분천 화강편마암 1963.6±10 Ma, 평해 화강편마암 1982.0±6.3 Ma, 하다 우백질화강편마암은 1971.0±9 Ma, 홍제사 화강암은 1959.3±16 Ma, 그리고 죽변 화강편마암은 1968.4±5.9 Ma로 대부분의 고기 화강암체들이 약 1970Ma 전후의 정치시기를 나타낸다. 한편 평해층 내에 산출하는 화강편마암으로부터 1869.2±8.2Ma의 관입시기를 나타내며, 주변성시기인 약 1870Ma 의 시기에도 소규모 화강암질 화성활동이 있었음을 나타낸다. 지구화학 분석결과 약 1.95Ga 시기에 산출하는 화강암류들의 생성환경은 대륙충돌과 연관이 있는 동시충돌형 내지 화산호에서 생성된 것으로 여겨진다. 기반암류에 대체로 조화적으로 산출하는 각섬암류는 염기성 마그마의 분출 혹은 관입에 의해 형성되었으며, 쏠레아이트질의 중앙해령현무암 혹은 부화된 중앙해령현무암(E-MORB)으로부터 유래되었다. 주원소, 미량원소, 그리고 희토류원소의 특징으로 두 종류의 기원 마그마가 있었음을 나타내며, 이들 마그마들이 상승할 때 부분적으로 지각물질에 의한 오염이 있었던 것으로 생각된다. 평해층, 원남층, 호산리층에 대해 변성광물군을 설정하고 이를 기반으로 변성작용의 온도, 압력 조건을 계산하였다. 평해층에서 산출하는 화강편마암과 토날라이트질 편마암으로부터 각각 630~720℃, 5.6~8 kbar, 680~720℃, 6.5~8.1kbar의 정점 변성작용의 온도압력 조건과 화강편마암으로부터 계산된 후퇴변성의 온도압력조건은 505~550℃, 3.8~5.4 kbar으로 계산되었다. 원남층에서 산출하는 함석류석 각섬암에 대한 정점변성작용이 889.4℃, 9.45 kbar의 온도압력 조건을 나타내며, 후퇴변성조건은 변성퇴적암으로부터 570~610℃, 3.2~5.5 kbar로 계산되었다. 그리고 호산리층에서 산출하는 미그마타이트로부터 정점변성작용이 699.93±52℃, 5.75±0.77kbar의 범위이며, 후퇴 변성조건은 620~660℃, 3.2~4.6kbar로 계산되었다. 기존에 보고된 연구 결과(김정민, 2004; 정원석, 2009; 정창식 외, 2004; Lee et al., 2000)와 연구결과를 종합하면, 북동 영남육괴에 광역적으로 분포하는 변성퇴적암류는 3500~2200 Ma의 고원생대 지각물질이 비활동성 대륙연변부에 약 2100 Ma까지 퇴적되었으며, 퇴적 이후에 1960 Ma에 대륙충돌 혹은 화산호 환경에서 유래된 광역적인 산성질 마그마활동이 있었다. 또한 각섬암류를 형성시킨 염기성 화성활동은 맨틀기원의 쏠레아이트 계열 마그마로부터 중앙해령기원의 마그마가 변성퇴적암류를 관입 혹은 분출하였으며, 옥방각섬암의 관입시기인 1917±7.5 Ma(Chang et al., 1988)를 근거로 연구지역에 산출하는 각섬암류들도 야외 산상과 주변암석과의 관계로 미루어 이와 비슷한 시기에 생성된 것이라 여겨진다. 그리고 1.88~1.84 Ga 동안에 광역적인 변성작용을 받았으며, 1.87 Ga에 산성질 화성활동은 상부 각섬암상 내지 그래뉼라이트상의 높은 온도, 압력하에서 형성된 것으로 여겨진다. 그래뉼라이트상 내지 상부 각섬암상의 정점 변성작용은 원남층, 평해층, 호산리층 순서로 변성온도압력이 낮아지는 것은, 각 층들이 광역변성작용을 받을 당시의 하부 지각내의 위치차이에 의한 것으로 여겨진다. 기존의 연구결과와 함께 고려해보면, 영남육괴 북동부일대는 상부 각섬암상에서 그래뉼라이트상에 이르는 정점 변성작용 이후 하부 각섬암상 내지 녹염석 각섬암상의 후퇴변성조건으로 시계방향의 온도, 압력경로를 나타낸다. 영남육괴 북동부 일대는 지화학 및 지질연대학적 자료를 종합하면 비활동성 대륙연변부, 활동성 대륙연변부, 열곡대를 거쳐 다시 활동성 대륙연변부로의 환경변화를 나타낸다. 또한 주요한 화성활동 및 변성작용의 시기는 콜롬비아 초대륙의 형성과 관련된 일련의 사건들을 나타낼 수 있으며, 북중국 지괴의 동쪽 블록과 대비된다.

Precambrian basement in Korean peninsula consists of the Nangrim, Gyeonggi, and Yeongnam massifs and the last one of these three massifs, Yeongnam massif, could be geographically divided into three regions such as the northeastern part around the Taebaeksan area, the middle part surroundings Gimcheon and Sangju cities, and the southwestern part of the Jirisan area. This study focused on metamorphic, geochemical and geochronological characteristics of the northeastern part of the Yeongnam massif and I tried to reveal tectonic evolution of this area since Precambrian. In the northeastern part of the Yeongnam massif, Precambrian metasedimentary formations consisting of interlayered pelitic and psammitic rocks are widespread and granitic to leucogranitic orthogneisses occur as older batholiths or stocks. Also, subordinate thin amphibolite layers are nearly harmoniously distributed in metasedimentary formations. Metasedimentary rocks in the study area were divided into several formations such as the Pyeonghae, Giseong, Wonnam and Hosanri Formations according to their geographical distributions. Of these formations, Giseong Formation has been known as metavolcanic strata by older researchers, but Kim et al. (2001) defined this Formation as mylonite or ultramylonite zone formed by regional ductile shear deformation. In this study SHRIMP U-Pb zircon age dating for mylonites from the so-called Giseong Formation was carried out and the result shows several igneous activities from Neoproterozoic to Carboniferous (942~306 Ma) and a metamorphic event of Permian age (264.3±3.9Ma). These results conform the Giseong Formation is not metavolcanics formed in Precambrian era, but tectonites in phanerozoic regional shear zones. SHRIMP and LA-ICPMS zircon U-Pb age data from the Wonnam, Pyeonghae, and Hosanri Formations show the existence of early Paleoproterozoic crust ca. from 2100 Ma to 2500 Ma and a metamorphic event in 1840 Ma to 1880 Ma. And the data on the granitic gneisses indicate that the emplacement ages are 1963.6±10 Ma (Buncheon granite gneiss), 1982.0±6.3 Ma (Pyeonghae granite gneiss), 1971.0±9 Ma (Hada-leucogranite gneiss), 1959.3±16 Ma (Hongjesa granite gneiss), and 1968.4±5.9 Ma (Jukbyeon granite gneiss), respectively. Meanwhile, a sample from thin leucogranite gneiss layer in Pyeonghae Formation shows the emplacement age of 1869.2±8.2 Ma and this indicates partial melting and granitic activity occurred during metamorphism. Geochemical characteristics of granite gneisses indicate felsic magmatic activity in continental collision or volcanic arc environment for ca. 1960-1970 Ma. Amphibolites in harmonious contact with metasedimentary rocks were produced by mafic magmatism showing the affinity with tholeiitic MORB or enriched MORB. Geochemistry of amphibolites indicates two kinds of parent magmas partly contaminated by crustal material during magma upwelling. I established metamorphic parageneses of Paleoproterozoic metasedimentary formations and calculated P-T conditions for peak and retrogressive metamorphisms. Peak metamorphic conditions calculated from the tonalitic gneiss and the granite gneiss from the Pyeonghae Formation are 630~720℃, 5.6~8 kbar and 680~720℃, 6.5~8.1 kbar, respectively. In contrast, the peak P-T condition of 889.4℃ and 9.45 kbar estimated from a garnet-bearing amphibolite in the Wonnam Formation is considerably higher. The retrogressive metamorphic conditions calculated from granite gneisses in the Pyeonghae Formation and metasedimentary rocks in the Wonnam Formation are 505~550℃, 3.8~5.4 kbar. and 570~610℃, 3.2~5.5 kbar, respectively. P-T estimations for migmatites in the Hosanri Formation represent 699.93±52℃, 5.75±0.77 kbar for the peak and 620~660℃, 3.2~4.6 kbar for retrogression. Considering these results with previous works, I established a historical model of the tectonic evolution in the study area from Paleoproterozoic to Mesozoic. Widespread metasedimentary rocks in the northeastern Yeongnam massif were derived from Archean to Paleoproterozoic crust of 3500~2200 Ma and were deposited around 2100 Ma on a passive continental margin. After then acidic magmatisms occurred in continental collision or volcanic arc environment aound 1960 Ma. The protoliths of amphibolites were produced from tholeiitic series magma with MORB affinities which intruded in or erupted over metasedimentary rocks of the area. According to the reported age of the Okbang amphibolites (1917±7.5 Ma, Chang et al., 1988) and harmonious relationship of amphibolite layers with intercalating metasedimentary formations and granite gneisses it seems for most amphibolites in the area to have a formation age of ca. 1900 Ma. After mafic magmatism producing amphibolite layers, all the rock types in the area experienced regional metamorphism up to upper amphibolite or granulite facies in 1840-1880 Ma. Differences in peak metamorphic conditions obtained from the Pyeonghae, Wonnam, and Hosanri Formations seem to represent differences in depth for each formation within crust during metamorphism. Integrated petrographic, geochemical, and geochronological data from the northeastern Yeongnam massif show environmental changes from a passive continental margin through an active continental margin and rift valley to an active continental margin in Paleoproterozoic. Also, age dating results for major igneous activities and metamorphisms possibly represent a series of tectono-magmatic and -metamorphic events occurred during the formation of Columbia supercontinent and it seems that the northeastern Yeongnam massif be well correlated with the eastern block of the north China craton.