독도 괴상 응회질 각력암층에서 나타나는 화산암편의 암석학적 특성과 기원 Petrological Characteristics and Origin of Volcaniclasts within the Massive Tuff Breccia Formation from Dokdo Island, Korea원문보기
독도 괴상 응회질 각력암층의 다양한 화산암편에 대한 암석기재 및 지구화학 자료를 바탕으로 초기 수중 독도 화산체의 특성과 그에 대한 기원 및 진화에 대해 연구하였다. 야외지질조사 및 주원소 분석결과 동, 서도 간의 괴상 응회질 각력암층은 다소 상이한 특성이 나타난다. 동도의 경우 괴상 응회질 각력암층은 해안 절벽을 따라 대략 40-50 m 고도까지 노출되어 있으며 암편으로는 현무암과 조면현무암이 우세하고, 조면암 및 스코리아 등도 상당부분 포함 되어 있다. 반면, 서도의 경우 어업민 숙소 부근의 조면안산암과 조면암맥에 암편이 포유되거나 물골 쪽에 소규모로 분포하는데 현무암, 조면현무암, 조면암의 비율이 비슷한 것이 특징이다. 이것은 분화구 위치에 따른 차이와 하부 조면암 용암이 분출할 당시의 해수면에 대한 지형적인 차이로 인해 각력암의 퇴적양상이 달라졌기 때문으로 해석된다. 미량원소 분석 결과에 의하면 동도 조면암편의 Ba와 Sr은 66-103 ppm, 45-56 ppm인 반면 서도 조면암편은 각각 785-1259 ppm, 466-1230 ppm을 보여 동, 서도의 차이가 인지된다. 이러한 차이는 동일층 내에서의 층위 차이 혹은 P, Ti의 함량 차이와 더불어 알칼리장석, 준장석류, 흑운모, 인회석 혹은 티탄철석의 정출이 차별적으로 진행된 암석학적 차이를 의미한다. 하지만 $(La/Yb)_N$값은 동도에서 23.9-40.2, 서도에서 27.4-32.9로 거의 같은 범위로 나타나고 LREE, HREE의 패턴으로 미루어 보아 동, 서도의 차이는 동원마그마 내의 부분적인 조성 차이임을 시사한다. Ba, K, Rb의 부화는 섭입시 변성교대작용에 의해서 발생한 유체와 맨틀 업웰링(mantle upwelling)에 기인한 마그마와 상호작용에 의해서 생성된 것으로 해석된다.
독도 괴상 응회질 각력암층의 다양한 화산암편에 대한 암석기재 및 지구화학 자료를 바탕으로 초기 수중 독도 화산체의 특성과 그에 대한 기원 및 진화에 대해 연구하였다. 야외지질조사 및 주원소 분석결과 동, 서도 간의 괴상 응회질 각력암층은 다소 상이한 특성이 나타난다. 동도의 경우 괴상 응회질 각력암층은 해안 절벽을 따라 대략 40-50 m 고도까지 노출되어 있으며 암편으로는 현무암과 조면현무암이 우세하고, 조면암 및 스코리아 등도 상당부분 포함 되어 있다. 반면, 서도의 경우 어업민 숙소 부근의 조면안산암과 조면암맥에 암편이 포유되거나 물골 쪽에 소규모로 분포하는데 현무암, 조면현무암, 조면암의 비율이 비슷한 것이 특징이다. 이것은 분화구 위치에 따른 차이와 하부 조면암 용암이 분출할 당시의 해수면에 대한 지형적인 차이로 인해 각력암의 퇴적양상이 달라졌기 때문으로 해석된다. 미량원소 분석 결과에 의하면 동도 조면암편의 Ba와 Sr은 66-103 ppm, 45-56 ppm인 반면 서도 조면암편은 각각 785-1259 ppm, 466-1230 ppm을 보여 동, 서도의 차이가 인지된다. 이러한 차이는 동일층 내에서의 층위 차이 혹은 P, Ti의 함량 차이와 더불어 알칼리장석, 준장석류, 흑운모, 인회석 혹은 티탄철석의 정출이 차별적으로 진행된 암석학적 차이를 의미한다. 하지만 $(La/Yb)_N$값은 동도에서 23.9-40.2, 서도에서 27.4-32.9로 거의 같은 범위로 나타나고 LREE, HREE의 패턴으로 미루어 보아 동, 서도의 차이는 동원마그마 내의 부분적인 조성 차이임을 시사한다. Ba, K, Rb의 부화는 섭입시 변성교대작용에 의해서 발생한 유체와 맨틀 업웰링(mantle upwelling)에 기인한 마그마와 상호작용에 의해서 생성된 것으로 해석된다.
Dokdo Island, Korea, is located in the East Sea belonging to back arc basin. In this study we examined petrology and geochemistry of massive tuffaceous breccia (MTB) from Dongdo (Eastern islet) and Seodo(Western islet), the two largest islands of Dokdo. Field studies and chemical analysis distinguis...
Dokdo Island, Korea, is located in the East Sea belonging to back arc basin. In this study we examined petrology and geochemistry of massive tuffaceous breccia (MTB) from Dongdo (Eastern islet) and Seodo(Western islet), the two largest islands of Dokdo. Field studies and chemical analysis distinguish the MTB in Dongdo and Seodo. The Dongdo MTB (DMTB) is exposed up to 50 m on the ocean cliff and it has dominant basalt and trachybasalt with moderate amount of trachyte and scoria. On the other hand, Seodo MTB (SMTB), which is preserved between trachyte dike and trachyandesite, is composed of roughly equal amounts of basalt, trachybasalt and trachyte. The location of the islets were related to the source vent having in contact with underlying trachyte lava and differential pyroclastic deposits made them different characteristics. According to trace element analysis of trachytic volcanic clasts, the Ba concentration ranges from 66 to 103 ppm and Sr varies from 44 to 56 ppm in DMTB. However, Br and Sr in SMTB correspondingly showed relatively wide ranges: Br 785-1259 ppm and Sr 466-1230 ppm. These differential trends between DMTB and SMTB, along with the difference in P and Ti, indicate that the crystallization of alkali feldspar, feldspathoid, biotite, apatite and titanium took place differently. Nevertheless, DMTB and SMTB are similar in REE patterns and they are correspondingly characterized by high LREE, low HREE and similar $(La/Yb)_N$ values with 23.9-40.2 in DMTB and 27.4-32.9 in SMTB. These patterns suggest that Dongdo and Seodo might be originated from coeval magma suites. Dokdo island shows high concentrations of Ba, K and Rb. These signatures mark a result attributed to the mantle upwelling because the magma derived from the asthenosphere was metasomatized with subduction-related fluids.
Dokdo Island, Korea, is located in the East Sea belonging to back arc basin. In this study we examined petrology and geochemistry of massive tuffaceous breccia (MTB) from Dongdo (Eastern islet) and Seodo(Western islet), the two largest islands of Dokdo. Field studies and chemical analysis distinguish the MTB in Dongdo and Seodo. The Dongdo MTB (DMTB) is exposed up to 50 m on the ocean cliff and it has dominant basalt and trachybasalt with moderate amount of trachyte and scoria. On the other hand, Seodo MTB (SMTB), which is preserved between trachyte dike and trachyandesite, is composed of roughly equal amounts of basalt, trachybasalt and trachyte. The location of the islets were related to the source vent having in contact with underlying trachyte lava and differential pyroclastic deposits made them different characteristics. According to trace element analysis of trachytic volcanic clasts, the Ba concentration ranges from 66 to 103 ppm and Sr varies from 44 to 56 ppm in DMTB. However, Br and Sr in SMTB correspondingly showed relatively wide ranges: Br 785-1259 ppm and Sr 466-1230 ppm. These differential trends between DMTB and SMTB, along with the difference in P and Ti, indicate that the crystallization of alkali feldspar, feldspathoid, biotite, apatite and titanium took place differently. Nevertheless, DMTB and SMTB are similar in REE patterns and they are correspondingly characterized by high LREE, low HREE and similar $(La/Yb)_N$ values with 23.9-40.2 in DMTB and 27.4-32.9 in SMTB. These patterns suggest that Dongdo and Seodo might be originated from coeval magma suites. Dokdo island shows high concentrations of Ba, K and Rb. These signatures mark a result attributed to the mantle upwelling because the magma derived from the asthenosphere was metasomatized with subduction-related fluids.
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문제 정의
그러나 이러한 결과는 여러 가정들이 포함되어 있어 그 생성원인을 정확히 파악하기에는 어려움이 따른다. 따라서 본 연구는 초기 독도 화산 생성당시의 분출물인 독도 괴상 응회질 각력암층에 내재되어 있는 화산암편의 암석과 광물의 조직, 주원소, 미량원소 화학조성변화 연구를 통해 해수면 하에서 괴상 응회질 각력암층의 형성 및 초기 독도 화산체의 진화경향을 유추하는 것으로서 이 연구는 독도 및 울릉분지 해산의 생성기작에 대한 기초자료로 이용되어 질 것이다.
가설 설정
(b) Acicular clinopyroxene phenocryst. (c) Biotite phenocryst having trachytic texture in which microphenocrysts of K-felspar are aligned to flow. (d) Anorthoclase phenocryst having trachytic texture composed of small aligned K-feldspar lath.
(b) Spherulitic texture of clinopyroxene. (c) Zoned K-feldspar twinned. (d) Glomerophyric texture in feldspathoid.
채취된 시료들은 각 암석을 대표하는 44개의 시료에 대하여 증류수로 수 회 세척하여 해수의 오염성분을 제거한 후에 연마박편을 제작하여 구성광물의 조성, 조직을 편광현미경으로 관찰하였다. 암괴를 암석화학적 성분을 밝히기 위해 모든 시료에 대해서 기기분석 및 습식분석을 실시하였다. 화학분석을 위해 시료를 암석 압쇄기를 사용하여 1-2 cm크기로 파쇄한 후 Miller를 이용하여 분쇄하고 이를 마노유발(agate motar)를 이용하여 분말을 제작하였다.
화학분석을 위해 시료를 암석 압쇄기를 사용하여 1-2 cm크기로 파쇄한 후 Miller를 이용하여 분쇄하고 이를 마노유발(agate motar)를 이용하여 분말을 제작하였다. 주원소 분석은 암석 분말을 비드로 제작하여 경북대학교 지질학과의 X-선 형광분석기(XRF, Philips 1404-10)를 이용하여 정량 분석하였다. 미량원소 및 희토류원소 분석은 캐나다 Activation Laboratories의 ICP-MS를 이용하였다.
독도 하부 괴상 응회질 각력암층의 다양한 암괴들을 대상으로 3차례의 걸쳐 체계적으로 총 52개의 시료를 획득하였다. 채취된 시료들은 각 암석을 대표하는 44개의 시료에 대하여 증류수로 수 회 세척하여 해수의 오염성분을 제거한 후에 연마박편을 제작하여 구성광물의 조성, 조직을 편광현미경으로 관찰하였다. 암괴를 암석화학적 성분을 밝히기 위해 모든 시료에 대해서 기기분석 및 습식분석을 실시하였다.
암괴를 암석화학적 성분을 밝히기 위해 모든 시료에 대해서 기기분석 및 습식분석을 실시하였다. 화학분석을 위해 시료를 암석 압쇄기를 사용하여 1-2 cm크기로 파쇄한 후 Miller를 이용하여 분쇄하고 이를 마노유발(agate motar)를 이용하여 분말을 제작하였다. 주원소 분석은 암석 분말을 비드로 제작하여 경북대학교 지질학과의 X-선 형광분석기(XRF, Philips 1404-10)를 이용하여 정량 분석하였다.
대상 데이터
독도 하부 괴상 응회질 각력암층의 다양한 암괴들을 대상으로 3차례의 걸쳐 체계적으로 총 52개의 시료를 획득하였다. 채취된 시료들은 각 암석을 대표하는 44개의 시료에 대하여 증류수로 수 회 세척하여 해수의 오염성분을 제거한 후에 연마박편을 제작하여 구성광물의 조성, 조직을 편광현미경으로 관찰하였다.
이론/모형
주원소 분석은 암석 분말을 비드로 제작하여 경북대학교 지질학과의 X-선 형광분석기(XRF, Philips 1404-10)를 이용하여 정량 분석하였다. 미량원소 및 희토류원소 분석은 캐나다 Activation Laboratories의 ICP-MS를 이용하였다.
성능/효과
1. 동도의 괴상 응회질 각력암층은 주로 수평층리나 사층리가 잘 발달하지만 서도에서는 비교적 가파른 경사와 점이 또는 역점이 층리가 발달한다. 또한 동도에서는 현무암역과 조면현무암역이 우세하고, 조면암 및 스코리아 등도 있지만 서도는 현무암과 조면 현무암 그리고 조면암의 비율이 유사하다.
3. MgO 변화도에서 일반적인 화산암류의 분화과정을 잘 나타내고 있고, 분화과정의 모든 단계에서 이들을 함유한 대표적 부성분광물인 저어콘 등이 분화과정에 참여하지 않았음을 시사한다.
4. 미량원소와 희토류 원소는 해양도 현무암(OIB)의 특징을 보여준다. 그런데 Ba, K, Rb와 Ba/Nb비가 부화된 특징은 OIB와는 다른 DUPAL 이상 OIB의 기원으로 추론된다.
5. 괴상 응회질 각력암층 화산쇄설물의 퇴적양상은 하부 조면암용암의 차별적인 지표 노출 및 분화구의 위치 차이 때문인 것으로 해석된다. 원소 Ba, Sr는 동도와 서도에서는 각각 상당한 변이 폭을 가지는 것이 특징인데, 이는 알칼리장석, 준장석류, 흑운모, 인회석 등의 정출이 차별적으로 진행되었음을 암시 한다.
6 wt%로 비교적 다양한 함량을 가진다. TiO2는 0.6 wt%-3.3 wt%까지의 함량범위를, Al2O3는 17.0-18.0 wt%의 값을 보이며, Fe2O3값은 2.0 wt%에서 10.0 wt%까지의 함량을 보이고, MnO는 0.07 wt%에서 0.31 wt%까지 함량범위가 매우 좁다. 반면 MgO의 함량은 0.
결론적으로 독도의 초기 진화는 동원 마그마 챔버 내의 마그마가 화도를 통해 상승하면서 차별적인 진화 과정을 겪었다고 추론된다. 하지만 현재까지의 자료만으로 결론짓기에는 어려움이 따른다.
상부 조면암 용암은 동도 스코리아성 층상 라필리 응회암층을 분류하며, 독도의 최후기 분출용암으로서 두께가 최대 40 m이상이지만 곳에 따라 다르다. 이 암석은 용암이 흐를 때 형성된 유상구조가 관찰되는 것이 특징이며, 하부 조면암 용암에 비해 알칼리 장석 취반정이 크고 유색 광물 반정이 현저히 줄어든 것은 동일한 마그마 챔버에서 결정분화가 진행되었다는 사실을 암시한다. 각력암은 동도의 천장굴 상부에서 하부로 이어지는 서측 절벽면에 북서-남동 방향으로 수직 분포한다.
동도에서는 남부에서 대체로 10-20° 내외로 남쪽으로 경사되고 북부에서 10° 내외로 완만하다. 전체적으로 서도의 남서부와 동도의 남부에서 더 급하게 남서쪽 혹은 남쪽으로 경사지고 그 북동부와 북부에서 다소 완만해지는 경사를 보인다. 이와 같은 응회암층의 위치를 고려해 볼 때 독도는 본래 칼데라 외륜부에 위치한 잔류체임을 시사한다.
미량원소 변화경향의 상관관계가 비교적 높은 원소들은 MgO와 양의관계 또는 음의관계를 나타내는 것으로 구분 할 수가 있다(Table, 2). 화산암편의 미량원소 수치는 MgO의 함량이 감소함에 따라 호정성 원소(compatible element)에 해당하는 Sc(45-1260 ppm), V(5-320 ppm)은 점진적으로 감소하는 반면에 Rb(30-170 ppm), Th(8-25 ppm), U(2-6 ppm)등의 불호정성 원소(incompatible element)는 점차 증가하는 특성을 보여주고, Zr(220-770 ppm), Nb(43-73 ppm) 등의 원소는 MgO함량이 감소할수록 전반적으로 증가하는 경향을 나타내다가 급격히 증가하는 특성을 보인다. 또한 MgO함량의 감소와 더불어 Ba(20-1500 ppm), Sr(10-1300 ppm)등의 함량은 증가하다가 급격히 감소하는 경향을 나타낸다(Fig.
후속연구
, 2008) 주향이동 단층에 따른 신장 파쇄대를 따라 활동한 화산에 의해 생성되었다고 해석된바 있다(Tatsumoto and Nakamura, 1991). 동일 신장 파쇄대로 추정되는 심흥택 해산, 이사부 해산 및 안용복 해산에 대한 시추를 통한 암석학 및 지질연대학적 연구가 더불어 수반된다면 독도 화산체가 지각의 혼염의 영향을 받았는지, 열점에 의해서 생성된 것인지 알 수 있을 것이다.
화산암편의 특성상 동일시대의 것이라고 추측하기는 어려우므로 이 연구에서 나타난 동서도간 다른 화학조성의 결과가 반드시 동일시대에 발생한 동, 서도 간의 차이라고 보기에는 무리가 있다. 산출되는 광물의 누대구조, 체구조등의 EPMA정량분석을 통한 광물의 조성 및 생성당시의 온도, 압력, 퓨거시티(fugacity)등 마그마 챔버의 환경을 추론 할 수 있는 연구 및 화산암편에 대한 정밀한 연대측정이 요구된다.
하지만 현재까지의 자료만으로 결론짓기에는 어려움이 따른다. 화산암편의 특성상 동일시대의 것이라고 추측하기는 어려우므로 이 연구에서 나타난 동서도간 다른 화학조성의 결과가 반드시 동일시대에 발생한 동, 서도 간의 차이라고 보기에는 무리가 있다. 산출되는 광물의 누대구조, 체구조등의 EPMA정량분석을 통한 광물의 조성 및 생성당시의 온도, 압력, 퓨거시티(fugacity)등 마그마 챔버의 환경을 추론 할 수 있는 연구 및 화산암편에 대한 정밀한 연대측정이 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
여러 연구에서 새롭게 제안된 독도의 발생 원인은 무엇인가?
독도는 중국의 북동부와 동부 그리고 한반도의 백두산과 한라산 등에서 관찰되는 제4기의 화산활동과 함께 일본열도 동쪽을 따라 아시아 대륙 밑으로 들어가는 태평양판의 섭입작용과 연관된 것으로 해석되었으나(Kuno, 1959), 여러 연구에서 섭입작용과는 무관한 상부맨틀 플룸의 상승에 의해 생성된 화산으로 새롭게 제안되었다(Nakamura et al., 1989; Tastumoto and Nakamura 1991).
본 논문에서 수행한, 초기 독도 화산 생성당시의 분출물인 독도 괴상 응회질 각력암층에 내재되어 있는 화산암편의 암석과 광물의 조직, 주원소, 미량원소 화학조성변화 연구를 통해 해수면 하에서 괴상 응회질 각력암층의 형성 및 초기 독도 화산체의 진화경향을 유추한 결과는 어떠한가?
1. 동도의 괴상 응회질 각력암층은 주로 수평층리나 사층리가 잘 발달하지만 서도에서는 비교적 가파른 경사와 점이 또는 역점이 층리가 발달한다. 또한 동도에서는 현무암역과 조면현무암역이 우세하고, 조면암 및 스코리아 등도 있지만 서도는 현무암과 조면 현무암 그리고 조면암의 비율이 유사하다.
2. 괴상 응회질 각력암에서 암괴들의 반정으로 산출되는 광물은 주로 휘석, 사장석, 알칼리 장석, 흑운모, 류사이트, 네필린이며, 석기로는 라쓰상의 사장석과 단사휘석이 대부분이며 소량의 유리질 기질, 불투명 광물로 구성된다.
3. MgO 변화도에서 일반적인 화산암류의 분화과정을 잘 나타내고 있고, 분화과정의 모든 단계에서 이들을 함유한 대표적 부성분광물인 저어콘 등이 분화과정에 참여하지 않았음을 시사한다.
4. 미량원소와 희토류 원소는 해양도 현무암(OIB)의 특징을 보여준다. 그런데 Ba, K, Rb와 Ba/Nb비가 부화된 특징은 OIB와는 다른 DUPAL 이상 OIB의 기원으로 추론된다.
5. 괴상 응회질 각력암층 화산쇄설물의 퇴적양상은 하부 조면암용암의 차별적인 지표 노출 및 분화구의 위치 차이 때문인 것으로 해석된다. 원소 Ba, Sr는 동도와 서도에서는 각각 상당한 변이 폭을 가지는 것이 특징인데, 이는 알칼리장석, 준장석류, 흑운모, 인회석 등의 정출이 차별적으로 진행되었음을 암시 한다.
기존의 연구에서 독도는 무엇과 연관된 것으로 해석되었는가?
독도는 중국의 북동부와 동부 그리고 한반도의 백두산과 한라산 등에서 관찰되는 제4기의 화산활동과 함께 일본열도 동쪽을 따라 아시아 대륙 밑으로 들어가는 태평양판의 섭입작용과 연관된 것으로 해석되었으나(Kuno, 1959), 여러 연구에서 섭입작용과는 무관한 상부맨틀 플룸의 상승에 의해 생성된 화산으로 새롭게 제안되었다(Nakamura et al., 1989; Tastumoto and Nakamura 1991).
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