파주지역 규암의 층서관계 규명을 위한 지구화학적-구조지질학적 연구: 층서규명을 위한 희토류원소 분포도와 Nd 동위원소의 응용 Geochemical and Structural Geological Approach for clarifying Stratigraphy of Quartzite in the Paju Area: an Application of Rare Earth Element and Nd Isotope in Stratigraphy원문보기
경기도 파주시 월롱면, 광탄면, 조리면 지역에는 다중 습곡 작용을 받은 선캠브리아기 암석이 $N10^{\circ}E$ 방향의 습곡축을 갖는 2조의 U형 습곡구조(습곡 I과 II)를 따라서 분포한다. 습곡구조를 따라 분포하는 10여 매의 규암과 4 매의 석회질 편암은 기원 퇴적암이 순차적으로 반복 퇴적된 것인지, 혹은 $1\~2$의 동일한 규암과 석회질 편암이 등사습곡작용에 의하여 반복 분포되는 것인지에 관한 직접적인 증거(퇴적구조)는 발견되지 않는다. 이 논문에서는 U형 습곡이 습곡축을 중심으로 동측과 서측의 양 방향에 분포하는 규암의 상호 연결성을 희토류원소 분포도와 Nd 동위원소비와 같은 지구화학적 방법으로 대비하였다. 습곡구조를 형성하는 규암의 희토류원소 분포도 특성은 경희토류는 편평하고 중희토류가 약간 결핍되어 있다. 또한 Ce의 부(-)의 이상을 보여주는 반면에 Eu의 이상은 거의 존재하지 않는다. 희토류원소 분포도 양상은 습곡축을 중심으로 동서 양 방향의 규암에 있어서 매우 유사하게 나타났다 이들 규암의 Nd모델연대도 습곡축의 양쪽 외 곽부에서 내부로 들어오면서 젊어지는 경향을 보여준다. 이와 같이 유사한 희토류원소 분포특성과 Nd 모델연대는 연구지역내에서 습곡축을 중심으로 동측과 서측에 분포하는 규암이 동일한 기원물질로부터 유래되었음을 시사해주는 것으로서, 층서적 및 구조지질학적 연결과 대비되는 것으로 볼 수 있다. 규암과 호층을 형성하는 운모편암의 희토류원소 분포도 및 Sr, Ba, Eu, Rb과 같은 미량원소의 상관관계도는 운모편암이 규암의 근원 물질과는 다를 가능성을 지시한다. 이는 변성작용, 풍화작용과 같은 지질현상에 의해서도 전체적인 분포 특성이 거의 영향을 받지 않는 희토류원소 지구화학과, 지각내 체류시간을 지시해주는 Nd 동위원소 지구화학이 서로 떨어져 분포하는 퇴적층의 연결성을 추적하는데 유용하게 활용될 수 있음을 지시해준다.
경기도 파주시 월롱면, 광탄면, 조리면 지역에는 다중 습곡 작용을 받은 선캠브리아기 암석이 $N10^{\circ}E$ 방향의 습곡축을 갖는 2조의 U형 습곡구조(습곡 I과 II)를 따라서 분포한다. 습곡구조를 따라 분포하는 10여 매의 규암과 4 매의 석회질 편암은 기원 퇴적암이 순차적으로 반복 퇴적된 것인지, 혹은 $1\~2$의 동일한 규암과 석회질 편암이 등사습곡작용에 의하여 반복 분포되는 것인지에 관한 직접적인 증거(퇴적구조)는 발견되지 않는다. 이 논문에서는 U형 습곡이 습곡축을 중심으로 동측과 서측의 양 방향에 분포하는 규암의 상호 연결성을 희토류원소 분포도와 Nd 동위원소비와 같은 지구화학적 방법으로 대비하였다. 습곡구조를 형성하는 규암의 희토류원소 분포도 특성은 경희토류는 편평하고 중희토류가 약간 결핍되어 있다. 또한 Ce의 부(-)의 이상을 보여주는 반면에 Eu의 이상은 거의 존재하지 않는다. 희토류원소 분포도 양상은 습곡축을 중심으로 동서 양 방향의 규암에 있어서 매우 유사하게 나타났다 이들 규암의 Nd모델연대도 습곡축의 양쪽 외 곽부에서 내부로 들어오면서 젊어지는 경향을 보여준다. 이와 같이 유사한 희토류원소 분포특성과 Nd 모델연대는 연구지역내에서 습곡축을 중심으로 동측과 서측에 분포하는 규암이 동일한 기원물질로부터 유래되었음을 시사해주는 것으로서, 층서적 및 구조지질학적 연결과 대비되는 것으로 볼 수 있다. 규암과 호층을 형성하는 운모편암의 희토류원소 분포도 및 Sr, Ba, Eu, Rb과 같은 미량원소의 상관관계도는 운모편암이 규암의 근원 물질과는 다를 가능성을 지시한다. 이는 변성작용, 풍화작용과 같은 지질현상에 의해서도 전체적인 분포 특성이 거의 영향을 받지 않는 희토류원소 지구화학과, 지각내 체류시간을 지시해주는 Nd 동위원소 지구화학이 서로 떨어져 분포하는 퇴적층의 연결성을 추적하는데 유용하게 활용될 수 있음을 지시해준다.
The Precambrian quartzite and calc-schist layers experienced multi-1310ing events are distributed along the two kinds of U-shaped 1310 (Fold I and II) with $N10^{\circ}E-directed$ fo1d axis in Wollong-myeon, Gwangtan-myeon, Jori-myeon of Paju city, the northeastern part of Gyeonggido. Occ...
The Precambrian quartzite and calc-schist layers experienced multi-1310ing events are distributed along the two kinds of U-shaped 1310 (Fold I and II) with $N10^{\circ}E-directed$ fo1d axis in Wollong-myeon, Gwangtan-myeon, Jori-myeon of Paju city, the northeastern part of Gyeonggido. Occurrence of 10 layers of quartzite and 4 layers of calc-schist is not clear whether quartzite and schist layers were deposited sequentially each other or one to two layers of quartzite and schist were distributed repeatedly by isoclinal folding and thrusting, because of lack of sedimentary structures. In this paper, we tried to clarify the correlative relationship among the quartzite beds which are distributed along the U-shaped folds using geochemical tools such as rare earth element (REE) patterns and Nd isotope ratio. Quartzites have characteristics of LREE-flattened, HREE- slightly depleted patterns. They also show Ce negative anomaly whereas there are no Eu anomalies. As a result, quartzite beds occurred along the bilateral sides of fold axis show very similar REE patterns from outer side to inner side of 1314. The Nd model age of quartzite layers shows a trend that the inner part of fold is younger than the outer part of it. Such geochemical characteristics suggest that bilateral quartzite beds occurred along the fold axis were derived from the cogenetic source materials. The REE patterns and trace element geochemistry of mica schist intercalated within quartzite indicate that the quartzite and mica schist may be derived from different source materials. Our results suggest that REE and Nd isotope geochemistries may be very useful in clarifying the relationship of sedimentary deposits which do not show stratigraphical and structural connections in the field.
The Precambrian quartzite and calc-schist layers experienced multi-1310ing events are distributed along the two kinds of U-shaped 1310 (Fold I and II) with $N10^{\circ}E-directed$ fo1d axis in Wollong-myeon, Gwangtan-myeon, Jori-myeon of Paju city, the northeastern part of Gyeonggido. Occurrence of 10 layers of quartzite and 4 layers of calc-schist is not clear whether quartzite and schist layers were deposited sequentially each other or one to two layers of quartzite and schist were distributed repeatedly by isoclinal folding and thrusting, because of lack of sedimentary structures. In this paper, we tried to clarify the correlative relationship among the quartzite beds which are distributed along the U-shaped folds using geochemical tools such as rare earth element (REE) patterns and Nd isotope ratio. Quartzites have characteristics of LREE-flattened, HREE- slightly depleted patterns. They also show Ce negative anomaly whereas there are no Eu anomalies. As a result, quartzite beds occurred along the bilateral sides of fold axis show very similar REE patterns from outer side to inner side of 1314. The Nd model age of quartzite layers shows a trend that the inner part of fold is younger than the outer part of it. Such geochemical characteristics suggest that bilateral quartzite beds occurred along the fold axis were derived from the cogenetic source materials. The REE patterns and trace element geochemistry of mica schist intercalated within quartzite indicate that the quartzite and mica schist may be derived from different source materials. Our results suggest that REE and Nd isotope geochemistries may be very useful in clarifying the relationship of sedimentary deposits which do not show stratigraphical and structural connections in the field.
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문제 정의
이들 규암과 석회질 편암의 반복적인 분포는 서로 각각 다른 규암과 석회질 편암을 형성하는 퇴적암이 순차적으로 퇴적된 것인 지, 혹은 1~2매의 동일한 규암과 석회질 편암이 등사 습곡작용 혹은 트러스트 단층작용에 의하여 반복 분포되는 것인지 그 원인이 불분명하다. 그러므로 규암에서 희토류원소의 지구화학적 특성과 Nd 모델연대자료를 토대로 반복 분포하는 규암의 상호 연결성을 밝히고자 한다. 이는 야외지질조사에서 반복 분포하는 지 층의 직접적인 연결성을 확인할 수 없는 경우에 지구 화학적 도구를 이용하여 해석하는데 유용한 방법으로 사용될 수 있다고 사료된다.
본 지역에 분포하는 규암의 연결성을 층서학적 및 구조지질학적으로 이미 앞에서 토의한 바 있다. 이 절에서는 상기에 기술된 희토류원소의 지구화학적 특성, Nd 동위원소비 그리고 미량원소의 지구화학적 특성을 이용하여 서로간의 상관성을 비교 검토하고자 한다. Table 1에는 조사지역내 규암과 운모 편암의 주성분, 미량성분과 희토류원소의 함량을 기재하였고, Table 2에는 미량성분과 희토류원소 조성을 기재하였다.
경기도 파주시, 월롱면, 광탄면, 조리면 지역에는 여러 번의 습곡 작용을 받은 10여매의 선캠브리아기 규암이 NIOoE 방향의 습곡축을 갖는 2조의 U자형 습곡 구조(습곡 I, II)를 중심으로 동측과 서측에 분포한다. 이들 규암과 변성퇴적암에는 지층의 상하 판단을 할 수 있는 퇴적구조가 거의 존재하지 않기 때문에 희토류원소와 Nd 동위원소비를 이용하여 서로 떨어져 분포하는 규암의 연결성을 밝혀내고자 하였다.
Nelson and Depaolo(1988)은 작은 분지에서의 퇴적물의 기원지를 구분하는데 Sm-Nd 계를 적용한 결과, 침식과 퇴적작용에도 불구하고 혼 합물과 단성분(end member) 사이의 Nd 동위원소비는 일정한 상관관계를 보여주는 것으로 보고한 바 있다. 이들 연구는 Nd 동위원소가 퇴적물의 기원물질 혹은 상관성을 밝히는 데 매우 유용하다는 것을 지시해주는 것이다.
제안 방법
Fig. 2에서와 같이 반복 분포하는 규암의 연결성을 밝혀내기 위해, 구조지질학적으로 동일한 암상으로 사료되는 암석을 채취한 후 화학분석을 실시하였다. 시 료채취 위치는 Fig.
실험방법은 김건한과 음철헌(2004)에 기재되어 있다. Nd 동위원소 비는 한국기초과학지원연구원에서 열이온화질량분석기로 분석하였다. Nd 동위 원소비의 측정과 관련된 실험방법은 Cheong and Chang(1997)에 기재되어 있다.
시료는 대개 3~7kg 정도의 무게를 갖는 크기로 채취하였으며, 이 중 1 kg 정도를 분쇄기로 1차 파쇄시켜 이로부터 100g 정도를 화학분석용 시료분말을 만들었다. 그리고 암석시료들의 주성분, 미량성분과 희토류원소는 각각 한국지질자 원연구원의 XRF(Shimadzu MXF-2300) 와 ICP- MS(Elan 6100, Perkin-Elmer Ltd.)를 이용하여 분석하였다. 주성분의 경우 분석오차는 3% 이내이며, 미량원 소와 희토류원소의 경우 분석오차는 10% 이내로 판단된다.
2에서 보는 바와 같은 유사한 암석학적 특성을 갖는 여러 매의 규암, 석회질 편암, 흑운모 편마암이 습곡작용이나 트러스트 단층작용과 같은 지구조 운동에 의하여 동일 지층이 반복 분포하는 것인지, 혹은 서로 다른 시기에 퇴적된 동일 성분의 지층인지에 관한 진위를 확인할 수 없다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 규암에 함유된 희토류원소와 Nd 동위 원소비를 분석한 결과로부터 동일한 특성을 갖는 규암의 분대를 시도하였다.
대상 데이터
연구지역은 경도 126045'00"~126°55'00", 북위 37°43'50" ~37°50'00" 내에 위치하며, 선캠브리아기 변성암(변성 퇴적암류 혹은 변성화성암류), 쥬라기 화강암, 제4기 충적층으로 구성된다(Fig. 1). 선캠브리아기 암석은 퇴적기원의 변성암인 흑운모편마암, 미그마타이트질 편 마암, 이들을 관입한 화성기원의 잔류반상질(blastoporphyritic) 화강편마암, 흑운모 화강편마암, 우백질 화강 편마암, 엽리상 거정질 흑운모화강암으로 구성된다(고희재 외, 2004).
습곡의 가장 내부에 해당되는 SG6의 경우 노두 상태가 매우 불량인 관계로 1개의 시료 밖에 얻지 못하였다. 그리고 규암의 근원암 관계를 살펴보기 위해, 규암 사이에 협재되어 분포하는 운모편암의 시료를 채취하였다. 습곡 II 지역은 습곡 I 지역에 비하여 정확한 대비 상태를 규명하는데 어려움이 있으나, SG15-SG21의 시료군과 SG18-SG19-SG20의 시료군, SG12-SG14가 동일한 층인 것으로 간주되는 시료이다.
습곡 II 지역은 습곡 I 지역에 비하여 정확한 대비 상태를 규명하는데 어려움이 있으나, SG15-SG21의 시료군과 SG18-SG19-SG20의 시료군, SG12-SG14가 동일한 층인 것으로 간주되는 시료이다. 시료는 대개 3~7kg 정도의 무게를 갖는 크기로 채취하였으며, 이 중 1 kg 정도를 분쇄기로 1차 파쇄시켜 이로부터 100g 정도를 화학분석용 시료분말을 만들었다. 그리고 암석시료들의 주성분, 미량성분과 희토류원소는 각각 한국지질자 원연구원의 XRF(Shimadzu MXF-2300) 와 ICP- MS(Elan 6100, Perkin-Elmer Ltd.
성능/효과
이 연구에서는 희토류원소의 전체적인 분포도 특성에 따르면 규암간의 상호연관성은 습곡축을 중심으로 각각 크게 3개군으로 구분되며, 특히 습곡의 외곽부에 대칭적으로 분포하는 규암들은 상호 유사한 희토류원 소분포도를 보여준다. 그리고 습곡 Ⅱ의 외곽부에 채취된 시료들은 희토류원소 분포도가 서로 간에 매우 유사하다.
이와 같은 유사한 희토류원소 분포 특성과 Nd 모델연대는 연구지역내에서 습곡축을 중심으로 동측과 서측에 분포하는 규암들이 동일한 기원물질로부터 유래되었음을 시사해주는 것으로써, 층서학적 및 구조지질학적 연결과 대비되는 것으로 볼 수 있다. 이번 연구 결과, 희토류원소 지구화학과 Nd 동위 원소 지구화학이 퇴적작용과 습곡작용에 따른 지질현상과 구조지질학적 증거와 연관하여 해석하는데 유용하게 활용되어질 수 있음이 확인되었다.
일반적으로 퇴적암에서의 Nd 모델연대는 지각내 체류시간을 의미하므로, 이는 규암의 기원물질의 퇴적순서를 시사하는 것으로 볼 수 있다. 즉 습곡 구조의 중심부에 속하는 SG5와 SG7이 가장 젊은 기원의 퇴적물로부터 생성되었고, 외곽부의 SG1과 SG11은 가장 오래된 퇴적물로부터 기원된 것으로 볼 수 있다. 그러나 현재의 Nd 모델연대 자료로부터 연구지역의 규암과 석회질 편암의 반복 원인을 명확히 밝혀내는 것은 어려움이 있다.
후속연구
그러나 현재의 Nd 모델연대 자료로부터 연구지역의 규암과 석회질 편암의 반복 원인을 명확히 밝혀내는 것은 어려움이 있다. 따라서 이와 같은 Nd 모델연대의 차이가 퇴적순서를 지시해주는 지를 밝히기 위해서는 보다 체계적인 시료의 채취와 이에 따른 Nd 동위원소비의 추가적인 연구가 필요하다. 그럼에도 불구하고, SG4와 SG8은 습 곡구조의 외곽부로 갈수록 젊어지는 경향과는 반대로 TcHUR(Ma)가 오래된 것으로 계산되었으며, 이 두 암층 은 서로 간에 매우 유사한 모델연대와 희토류원소 분포도를 나타낸다.
김건한, 음철헌, 2004, 유도결합 플라즈마 질량분광법(ICPMS)에 의한 암석표준물질 중의 Lanthanoids, Y, Th, U 분석. 한국지질자원연구원 논문집, 8. 43-53
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