Formation and evolution of the Gyeongsang Basin : constraints from zircon geochronology and Hf isotope geochemistry

Abstract

백악기 경상분지는 두꺼운 퇴적층과 이를 관입한 화성암 그리고 다양한 화산암으로 구성된 한반도에서 가장 큰 퇴적분지이다. 경상분지는 하부에서부터 신동층군, 하양층군, 유천층군으로 구성되어 있으며 신동층군은 다시 낙동층, 하산동층 그리고 진주층으로 나뉜다. 하양층군부터는 지역에 따라 4개의 소분지로 분류가 가능하며 이는 북쪽에서부터 영양소분지, 의성소분지, 밀양소분지 그리고 울산소분지이다. 경상분지가 퇴적되는 동안 동아시아에서는 고태평양판의 섭입 방향변화로 인한 지구조 환경의 역전현상, 지역적 화성활동 그리고 다양한 육성분지들이 생성되었다. 따라서 이때 동아시아서 발생한 다양한 지구조 현상들의 정확한 시기를 알기위해서는 동시기에 퇴적된 경상분지의 연령을 정밀히 한정하는 것이 중요하다. 이러한 이유로 경상분지의 퇴적 연령에 관한 연구가 몇 차례 보고 되었지만 정확한 퇴적시기에 관해서는 아직도 논의가 진행되고 있다. 일반적으로 퇴적분지의 생성시기를 좁게 한정할 수 있는 방법은 고생물학적 연구와 고지자기 연구를 통해서 가능하다. 하지만 경상분지는 육성 환경에서 생성되어 유용한 표준화석들이 산출되지 않고 있으며 경상분지의 퇴적 초기인 하부 백악기는 아주 긴 시간 동안 정자극기만이 이어져 고지자기를 이용한 방법 역시 경상분지의 퇴적시기를 결정하기 어렵다. 앞에 언급한 두 방법을 제외한 퇴적층의 퇴적시기를 한정하는 방법으로는 퇴적층이 퇴적될 당시 분출한 화산쇄설성 물질들의 절대 연령을 이용하는 방법이 있으나 경상분지의 생성 초기에는 이러한 화성활동마저 드물어 퇴적시기를 한정하기에 어려움이 있다. 이번 연구에서는 경상분지 각 층의 표품으로부터 쇄설성 저어콘을 분리하여 U-Pb 연대측정 및 Hf 동위원소 분석을 실시하였다. 이러한 결과를 바탕으로 경상분지의 퇴적시기 및 백악기 초 한반도를 비롯한 동아시아의 지구조 환경 그리고 경상분지를 이루는 퇴적물질들의 기원지에 관해 논의하고자 한다. 이번 연구는 3가지 주제로 이루어져 있다. 제 1장에서는 경상분지의 하부에 해당하는 묘곡층의 쇄설성 저어콘 U-Pb 연령 및 Hf 동위원소 연구를 하였다. 이를 토대로 묘곡층의 퇴적시기 및 묘곡층 퇴적물질의 기원암 연구 그리고 대보조산운동의 마지막 시기를 알아보았다. 제 2장에서는 낙동층으로부터 분리한 쇄설성 저어콘을 이용하여 경상분지의 최초 생성시기를 연구하고 경상분지 생성시의 동아시아 지구조 환경에 관해 기술하였다. 제 3장에서는 낙동층 상부에 해당하는 하산동층, 진주층, 밀양소분지와 울산소분지의 각 지층들로부터 분리한 쇄설성 저어콘의 U-Pb 연령 및 Hf 동위원소 분석을 실시하였다. 이를 바탕으로 경상분지를 이루는 퇴적물질들의 기원지 및 경상분지 생성 후 분지의 진화에 관한 연구를 동위원소 분석결과를 이용하여 논의하였다. 이번 연구에서 분석된 최하부층인 묘곡층에서부터 최상부층인 진동층까지의 쇄설성 저어콘들 연대측정 결과는 시생대에부터 백악기까지 다양한 연령의 분포를 보인다. 이들 각 층의 가장 젊은 일치곡선 연령 및 가장 젊은 가중평균 연령은 묘곡층 138.6 ± 2.1 Ma (n=7), 낙동층 127.8 ± 1.4 Ma (n=15), 하산동층 118.0 ± 2.6 Ma (n=4), 진주층 112.4 ± 1.3 Ma (n=4), 칠곡층 108.7 ± 0.8 Ma (n=11), 신라역암층 107.2 ± 4.6 Ma, 함안층 103.5 ± 1.5 Ma (n=2), 진동층 99.9 ± 0.7 Ma (n=5), 구연리층 106.8 ± 0.8 Ma (n=6), 사연리층 105.0 ± 1.3 Ma (n=6) 그리고 조일리층 103.6 ± 2.5 Ma (n=8) 이다. 이들 연령은 각 층의 최고 퇴적시기로 생각된다. 묘곡층으로부터 구해진 최고 퇴적시기인 138.6 ± 2.1 Ma (n=7)는 묘곡층의 최고 퇴적시기 및 대보조산운동의 마지막 운동시기를 나타내며 이 연령에 의해 대보조산운동의 마지막 운동시기는 호테리비안 (Hauterivian) 또는 바레미안 (Barremian)으로 생각된다. 낙동층의 최고 퇴적시기은 127.8 ± 1.4 Ma (n=15)이므로 경상분지는 약 128 Ma에 퇴적이 시작된 분지로 확인할 수 있으며 이 시기의 동아시아는 압축환경에서 인장환경으로의 지구조 환경변화가 있었을 것이다. 경상분지에 퇴적된 쇄설성 퇴적물의 U-Pb 연령 및 Hf 동위원소 결과는 이들 물질이 분지 주변에 분포하는 선캠브리아 기반암과 중생대 화성암의 값과 잘 일치해 가까운 주변으로부터의 물질 공급이 있었을 것으로 판단된다. 하지만 약 110 Ma의 백악기초기 연령의 저어콘들 중 경상분지 최상부 층인 진동층과 울산소분지 지층들로부터는 양의 εHf(t)값을 보이는 입자가 산출되는데 이러한 입자들은 경상분지의 동쪽으로부터 기원하였을 것이고 새롭게 생성된 화산호 환경을 지시하는 것으로 생각된다. 따라서 경상분지는 약 128 Ma에 인리형 분지로 생성이 시작되어 약 110 Ma에 배호분지로 진화한 것으로 판단된다.