중부 영남육괴에서의 삼첩기 초기부터 쥬라기 초기까지의 화성활동과 변성사건 및 조구조적 의미

Abstract

남한에 분포하고 있는 화강암들은 과거 주로 쥬라기의 대보화강암과 백악기의 불국사 화강암으로 대별되어 왔으나, 최근에는 남북 중국의 대륙충돌 시기를 전후로 하는 삼첩기 연령의 화강암체들이 자주 보고되고 있다. 연구지역은 상주시와 김천시를 중심으로 하는 중부영남육괴로 화강암질 암체가 반이상의 면적을 차지하며 광범위하게 분포하고 있으나, 이들 화강암질 암석에 대한 연대자료는 크게 부족한 실정이다. 이 연구의 목적은 연구지역 화강암질암들의 생성시기를 규명하고 이와 함께 지구화학적인 연구를 통해 영남육괴 중부지역의 중생대 지각 발달사를 규명하는 것이다. 영남육괴 중부지역 화강암질암들에 대하여 SHRIMP와 LA-ICPMS를 이용하여 저어콘 U-Pb 및 스핀 U-Pb 연대측정을 실시한 결과는 다음과 같다. 우선 연구지역 중앙부 김천시 대항면의 비단산 인근에 분포된 과거 선캠브리아기의 편마암으로 알려졌던 암체는 저어콘 진동누대조직에서 약 254~238 Ma의 연령을 확인할 수 있었다. 또한 저어콘 외각의 낮은 Th/U 비율을 갖는 변성누대와 모나자이트 연대측정으로 약 233 Ma와 219 Ma의 변성시기를 획득할 수 있었다. 이는 이 암체가 과거 선캠브리아기 변성암체로 인식되었던 것과는 달리 페름기 말기에서 삼첩기 초기에 관입한 화강암체가 변성작용을 겪은 것임을 입증한다. 이 화강편마암체는 대표적 분포지역의 이름을 붙여 비단산 화강편마암으로 부르기로 하였다. 다른 화강암질 암체들에 대한 연대측정 결과 상주지역에 분포하는 조립질화강암은 약 235 Ma, 흑운모화강암은 약 226 Ma, 그리고 섬록암은 약 225 Ma로 밝혀졌다. 그리고 김천 흑운모화강암은 약 226 Ma, 변형화강암은 약 219 Ma, 성주 화강섬록암은 약 202 Ma, 무풍 화강암은 약 205 Ma의 시기를 얻을 수 있었다. 또한 김천화강섬록암과 미립질염기성포획암에서는 약 187~188 Ma, 선산 섬록암에서는 약 180 Ma의 연대를 획득하였다. 이와 같은 연대측정 결과들을 종합하면 영남육괴의 경우 경기육괴 및 옥천변성대에 분포하는 중생대 화강암질 암체들의 연대분포와는 상당히 다른 특징을 보인다. 약 250~240 Ma의 삼첩기 초기 연령을 갖는 화강암체들은 영남육괴 내에서만 관찰되고, 175~165 Ma의 연령을 갖는 화강암질 암석들은 경기육괴와 옥천변성대에서 흔하게 관찰되는 반면에 영남육괴에서는 북동지역의 영주화강암체를 제외하면 알려지지 않고 있다. 이러한 사실은 영남육괴 중부지역이 한반도의 다른 지역들과는 구분되는 지구조적 환경변화를 겪었을 가능성을 시사한다. 연구지역의 화강암질 암석들의 지구조적 환경변화를 밝히기 위하여 화강편마암의 변성작용 및 지화학적 연구를 수행한 결과를 종합하면 다음과 같다. 영남육괴 중부지역의 비단산 화강편마암의 경우 약 233 Ma에 상부각섬암상에서 각섬암상에 이르는 변성작용을 받았으며, 약 219 Ma에 후퇴변성작용을 겪었다. 비단산 화강편마암과 다른 화강암질 암석들에 대한 지구화학 분석결과는 모두 칼크-알칼리 계열의 I형 화강암으로 섭입대 환경에서 생성되었음을 보여준다. 또한 Nd 동위원소 조성분석 결과를 보면 비단산 화강편마암의 Nd 모델 연령은 1.26~2.41 Ga이고, 화강암질암들은 1.1~1.9 Ga로 상당히 넓은 범위이다. 그리고 영남육괴 선캠브리아기 기저에 비해 더 높은 εNd 값을 보이며, 이는 화강암질 암체들의 형성시 기존 지각물질의 용융과 더불어 일부 맨틀 물질의 유입이 있었음을 나타낸다. 이상과 같은 연대, 변성작용, 지구화학적 연구결과들을 종합하여 영남육괴 중부지역의 중생대 지각진화사를 시기별로 재구축해보면 다음과 같다. 삼첩기 초기인 254~238 Ma 시기에는 비단산 화강편마암을 비롯하여 상당한 면적에 걸쳐 화강암질암체가 정치하였다. 북동 영남육괴의 영덕 화강암체 역시 동일 시기에 정치하였다. 그러나 경기육괴 및 옥천변성대와 같은 한반도의 다른 지역에서는 동일 시기의 화성활동이 나타나지 않는다. 그러나 이웃한 중국의 경우, 남중국에서는 동일 시기의 화강암질 암체들이 다수 발견된다. 이러한 화성활동은 당시 동아시아 대륙의 동측 연변부를 따라 섭입하는 고기 태평양판의 섭입에 의한 것으로 판단된다. 약 233 Ma에는 비단산 화강편마암의 상부앰피볼라이트 상의 변성작용이 일어났다. 경기육괴의 여러 지역에서도 동일한 시기의 변성작용이 보고되고 있다. 이 시기는 또한 남중국과 북중국 사이의 대륙충돌이 일어난 시기이다. 따라서 이 시기에 한반도에서 발생한 광역적인 변성작용은 한반도의 대부분이 대륙충돌과 직접 또는 간접적으로 관련된 광역적인 압축력이 작용하는 시기로 해석된다. 대륙충돌과 관련한 전체적 응력체계의 변화로 인하여 섭입의 중단 또는 방향의 변화로 이 기간 동안에는 섭입관련 화성활동이 없었던 것으로 생각된다. 약 225 Ma의 시기에는 다시 중부 영남육괴를 포함하여 옥천변성대의 내부, 경기육괴의 여러 곳 등 한반도 남부의 대부분 지역에서 화강암질 암체들의 관입이 일어났다. 삼첩기 초기의 화성활동과는 달리 이 시기의 화강암질 마그마가 더 넓은 지역에서 나타나는 현상은 삼첩기 초기에 비해 더 젊은 해양판의 섭입이 일어나면서 보다 저각으로 대륙판의 내부 멀리까지 화성활동이 일어나게 되었을 가능성 또는 섭입의 방향이 보다 직각인 방향으로 변화하여 야기된 결과일 수 있다고 제안한다. 약 220 Ma에 일어난 대강 및 이안 A형 화강암의 생성은 후충돌 시기에 섭입되어 들어갔었던 대륙지각이 재상승 및 다시 빠져나오면서 야기된 광역적인 응력의 해소과정 또는 동남아시아 지괴의 충돌 등으로 야기된 일시적인 섭입의 방향변화로 인한 판내부의 인장력 환경에서 형성되었을 가능성이 있다. 이와 거의 동일한 시기에 일어난 약 219 Ma의 비단산 화강편마암의 후퇴변성작용 역시 A형 화강암을 생성시킬 정도로 국지적으로 상승된 지온구배에 의해 일어났을 가능성이 있다. 이후 영남육괴 중부지역에서는 189~180 Ma에 화강암질 화성활동이 이어졌으며, 이보다 다소 늦은 175~165 Ma의 시기에는 경기육괴와 옥천변성대 그리고 영남육괴 북동부의 영주지역에 저반상의 화강암질 화성활동이 인지된다. 이같이 인접한 지역에서 시기적으로 다른 화성활동이 나타나는 것은 다시 섭입과 관련한 여러 요소들이 짧은 시간 동안 상당한 변화가 있었음을 시사한다. 영남육괴에 집중되었던 화성활동이 옥천변성대와 경기육괴로 보다 더 내륙쪽으로 이동한 것은 우선 해구까지의 거리에 변화가 있었던 것으로 해석 할 수 있다. 즉, 쥬라기 초기에서 중기로 가면서 아시아 대륙에 더 가까운 쪽으로 섭입대가 이동하여 더 내륙쪽으로 화성활동의 중심이 이동했을 가능성이 있다. 또한 해구에 더 가까이 간 영남육괴의 경우 임계 깊이에 도달하지 못해 중부 쥬라기에는 화성활동이 멈추게 되었을 가능성이 있다. 중부 쥬라기에 한반도의 집중적인 화강암질 저반 형성은 보다 젊은 지각 내지 해령의 섭입으로 일어났을 가능성도 배제할 수 없다. 즉, 중생대 시기의 영남육괴의 조구조 환경의 변화는 경기육괴와 옥천대와는 차이가 있으며, 연구지역 화강암질암들은 남중국지괴에서 흔히 나타나는 삼첩기와 쥬라기 시기의 고기 태평양 판의 섭입과 관련된 화강암들과 유사한 특징을 보인다. 결론적으로 이 연구와 충돌대와 관련된 조구조 모델 논의들을 종합해 볼 때, 영남육괴는 옥천대 및 경기육괴와 함께 남중국 지괴에 대비될 수 있으며, 충돌대의 동쪽연장선은 임진강대로 이어질 가능성이 가장 클 것으로 생각된다.