백령도 일대와 옥천변성대에 분포하는 신원생대 층의 지화학 및 지질연대학적 연구

Abstract

This contribution provides an overview of the geochemistry and geochronology of the Neoproterozoic strata distributed in the Korean Peninsula and the Chinese massif. The study area is from the Baengnyeondo closest to Hwanghaedo in North Korea, to the Seochangni Formation, Gyemyeongsan Formation, and Cheondeungsan Formation in Okcheon Metamorphic Belt. The U-Pb ages and Hf isotope compositions of those in Daecheongdo and Baengnyeongdo were analyzed using LA-MC-ICPMS. The U-Pb ages of detrital zircons from the Baengnyeong Group were determined, yielding a condensed age population in the range from 1100 Ma to 1800 Ma corresponding to the Mesoproterozoic to late Paleoproterozoic. However, detrital zircons of ca.1800-2000 Ma or ca. 2500 Ma ages, which appear frequently in the lower Paleozoic Joseon Supergroup and the upper Paleozoic Pyeongan Supergroup are lacking in the Baengnyeong Group. The age range and age distribution characteristics of detrital zircon in the Baengnyeong Group are well correlated with those of Neoproterozoic sedimentary strata in the North China Craton, like the Sangwon Supergroup in North Korea. The εHf(t) values of detrital zircons in the Baengnyeong Group range from +11 to -11, and vary significantly as a function of age, reflecting a series of tectonic and magmatic records in association with the breakup of supercontinent Colombia from the late Paleoproterozoic to Mesoproterozoic. The U-Pb age distribution of the detrital zircons in the Seochangni Formation is divided into two types. In the main type, the ages of Late Paleoproterozoic to Mesoproterozoic are dominant. However, the minor type has age components of 0.75 Ga and 1.87 Ga. Age patterns similar to the former type have recently been reported in the western region of the Gyeonggi Massif on the Korean peninsula, as well as in the Sangwon System in North Korea and the southern margin of North China Craton. It suggests a correlation between them and a common crustal evolution within a single craton linked since the Paleoproterozoic. The high positive εHf(t) values of detrital zircons in the Late Paleoproterozoic to Mesoproterozoic period indicate an enhanced input of juvenile materials from the depleted mantle, reflecting the igneous activity associated with the breakup of the supercontinent Columbia. The Cheondeungsan Formation is separated from the Gyemyeongsan Formation and distributed in three regions. The lithologies and geochemical characteristics of this formation are similar to those of the Gyemyeongsan Formation. Both formations have similar petrographic characteristics, such as the magnetites and pinkish feldspars are arranged along the foliation. They also show geochemical characteristics of A-1 type magma indicating a rift environment. These common features suggest that the Cheondeungsan and Gyemyeongsan formations are correlated with each other, indicating that the Gyemyeongsan Formation is distributed much wider than what is currently known. The Gyemyeongsan Formation includes other types of rocks with more continental crust characteristics than typical A-1 type metavolcanics. There are two possible explanations for this incorporation of continental materials. One is that this formation has been affected by continental inputs when volcanism has occurred. Another is that this formation has affinities with reworking and additional deposition after volcanic activities.

한반도와 중국 지괴에 분포하는 신원생대층들 사이의 상호대비 및 지각 진화사를 규명하기 위해 북한의 황해도와 가장 가까운 백령도 일대부터 옥천변성대 일대에 분포하는 서창리층, 계명산층과 천등산층에 대한 지화학 및 지질연령학적 연구를 수행하였으며 그 결과를 보고한다. 백령도와 대청도에 분포하는 백령층군의 두무진층과 장촌층 퇴적암에서 분리한 쇄설성 저어콘들의 U-Pb 연령분포는 주로 중원생대와 고원생대 말의 기간인 약 1100-1800 Ma의 범위에 집중된다. 그러나 하부 고생대 조선누층군이나 상부고생대 평안누층군의 쇄설성 저어콘에서 흔히 나타나는 1800~2000 Ma 또는 약 2500 Ma의 고원생대 연령은 거의 나타나지 않는 특징을 보인다. 이러한 특징은 북한의 신원생대 상원누층군 퇴적암과 동일하며, 백령층군이 상원누층군의 남서쪽 연장부에 해당함을 시사한다. 또한 백령층군 쇄설성 저어콘의 εHf(t) 값은 지질시대에 따라 +11부터 -11까지 상당한 범위의 변화를 보이며 고원생대 후기부터 중원생대에 일어난 초대륙 컬럼비아의 분열과 관련된 지구조환경 및 화성활동의 기록으로 해석할 수 있다. 옥천변성대 내 서창리층 일대의 퇴적암으로부터 분리한 쇄설성 저어콘의 U-Pb 연령과 Hf 동위원소 조성을 살펴보면 대부분 백령층군과 마찬가지로 중원생대 초기와 후기의 연령대에 피크를 보이는 쌍모식 분포를 보이며, 하부에서 상부로 가면서 중원생대 초기의 성분이 상대적으로 강한 분포로부터 중원생대 후기의 성분이 상대적으로 강한 분포로 바뀐다. 이러한 서창리층의 연령 분포는 북한의 상원누층군에서 보고된 쇄설성 저어콘의 연령분포 특성과 유사하며, 하부고생대의 퇴적분지에 인접하여 분포하는 지리적 특성 역시 상원누층군과 마찬가지이다. 따라서 중원생대 연령을 나타내는 서창리층은 상원누층군 퇴적층과 대비될 가능성이 있는 것으로 판단된다. 또한 고원생대 후기에서 중원생대까지의 높은 Hf(t)값은 결핍 맨틀로부터 초생물질의 유입과 콜럼비아 초대륙 분열과 관련된 화성활동을 의미하며 쇄설성 저어콘의 U-Pb 연령분포 특성과 함께 북중국지괴의 신원생대층들과 대비됨의 증거로 판단된다. 계명산층과 분리되어 3개지역에 나뉘어 분포하는 천등산층은 계명산층과 비슷한 암상과 지구화학적 특징을 갖는 것이 확인되었다. 천등산층 암석들은 많은 자철석 입자들이 엽리를 따라 배열되어 있는 특징과 홍색 장석들이 엽리를 따라 밀집하여 배열되어 있는 특징을 보인다. 또한 천등산층 역시 A-1형 마그마의 특징을 보인다. 이러한 특징들을 종합해볼 때 천등산층은 계명산층에 대비되는 층으로 판단된다. 이는 계명산층의 분포범위가 현재에 알려진 것보다 훨씬 더 넓음을 나타낸다. 계명산층내 여러 암석들의 지화학 조성을 비교해보면 상당한 범위의 분산이 확인된다. 일부 암석들은 A-1형 마그마의 특징을 벗어난 조성을 가진다. 이는 계명산층을 구성하는 암석들 모두가 규질의 변성화산암으로 이루어진 것이 아니라 여러 조성의 암석이 섞여 있음을 나타낸다. 화산작용이 일어날 당시의 기존 지각물질과의 섞임 또는 화산작용 후의 재동 및 추가적인 물질의 퇴적 등과 연관이 있을 것으로 보인다.