[논문]포항분지 시추 코어시료의 SHRIMP U-Pb 저어콘 연대 및 지구화학

이태호; 이기욱; 정창식; 정연중; 김남훈; 김명정

doi:10.7854/jpsk.2014.23.3.167

포항분지 시추 코어시료의 SHRIMP U-Pb 저어콘 연대 및 지구화학
SHRIMP U-Pb Zircon Geochronology and Geochemistry of Drill Cores from the Pohang Basin 원문보기

암석학회지 = The journal of the petrological society of korea, v.23 no.3, 2014년, pp.167 - 185

이태호 (한국기초과학지원연구원 환경과학연구부) , 이기욱 (한국기초과학지원연구원 환경과학연구부) , 정창식 (한국기초과학지원연구원 환경과학연구부) , 정연중 (한국기초과학지원연구원 환경과학연구부) , 김남훈 (한국기초과학지원연구원 환경과학연구부) , 김명정 (부경대학교 지구환경과학과)

초록
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포항분지 374-3390 m 심도에서 채취한 3개 시추공 코어 시료의 SHRIMP U-Pb 저어콘 연대측정과 함께 주원소 및 Sr-Nd 동위원소 분석을 실시하였다. 주성분 원소 분석 결과 총알칼리-규산 도표에서 천부화산암은 유문암으로, 심부심성암은 반려암과 화강암으로 도시되었으며 AFM 다이아그램에서는 칼크-알칼리 계열의 분화경향을 보인다. $K_2O-SiO_2$ 상관도에 따르면 모두 High-K 영역에 속하며 일부 주성분원소들은 $SiO_2$ 함량에 따른 상관성을 보인다. SHRIMP 저어콘 U-Pb 연대측정 결과 한 시추공의 천부화산암에 대해 $66.84{\pm}0.66Ma$ (n=12, MSWD=0.02)와 $66.52{\pm}0.55Ma$ (n=12, MSWD=0.46)의 일치곡선연령 값을 획득하였으며, 다른 시추공의 화산암에 대해서는 $71.34{\pm}0.85Ma$ (n=11, MSWD=0.79)와 $49.40{\pm}0.37Ma$ (n=11, MSWD=1.9)의 일치곡선연령 값과 가중평균 값을 획득하였다. 또 다른 시추공의 화강암에서 추출한 저어콘은 $261.8{\pm}1.5Ma$(n=31, MSWD=1.3)의 가중평균값을 나타내었고 반려암에서 추출한 저어콘은 조직적 특징에 따라 $262.4{\pm}3.6Ma$ (n=21, MSWD=4.5)와 $252.4{\pm}3.6Ma$ (n=8, MSWD=1.9)의 연대를 보였다. 천부화산암 상부 퇴적암의 연대측정 결과 신원생대에서 신생대까지 다양한 분포를 보였으며 $21.89{\pm}1.1Ma$ (n=15, MSWD=0.04)와 $21.68{\pm}1.2Ma$ (n=10, MSWD=19)의 가장 젊은 일치곡선연령이 구해졌다. 이 연구 결과는 포항분지 심부가 페름기 후기에서 에오세에 이르기까지 비교적 긴 시간에 걸쳐 형성된 심성암 및 화산암체로 구성되어 있으며 그 상위에 아마도 동해확장과 관련되어 마이오세 초기 이후에 퇴적된 지층이 피복하고 있음을 지시한다. 페름기 심부심성암의 전암 $^{87}Sr/^{86}Sr$ 초기치 (0.7034-0.7042)와 ${\varepsilon}_{Nd}$ 초기치 (4.0-5.1)는 비슷한 연대범위를 가지는 영덕 지역의 화강암류와 유사하며 이들 화강암류가 백악기-제3기의 경상분지 화강암 기원물질로 재순환되었을 가능성을 시사한다.

Abstract ▼ AI-Helper

SHRIMP zircon U-Pb ages and major element and Sr-Nd isotopic compositions were determined for drill cores (374-3390 m in depth) recovered from three boreholes in the Pohonag basin, southeastern Korea. Shallow-seated volcanic rocks and underlain plutonic rocks were geochemically classified as rhyolite and gabbro-granite, respectively. They showed high-K calc-alkaline trends on the $K_2O-SiO_2$ and AFM diagrams. Zircons from volcanic rocks of borehole PB-1 yielded concordia ages of $66.84{\pm}0.66Ma$ (n=12, MSWD=0.02) and $66.52{\pm}0.55Ma$ (n=12, MSWD=0.46). Zircons from volcanic rocks of borehole PB-2 gave a concordia age of $71.34{\pm}0.85Ma$ (n=11, MSWD=0.79) and a weighted mean $^{206}Pb/^{238}U$ ages of $49.40{\pm}0.37Ma$ (n=11, MSWD=1.9). On the other hand, zircons from plutonic rocks of borehole PB-3 yielded weighted mean $^{206}Pb/^{238}U$ ages of $262.4{\pm}3.6Ma$ (n=21, MSWD=4.5), $252.4{\pm}3.6Ma$ (n=8, MSWD=1.9) and $261.8{\pm}1.5Ma$ (n=31, MSWD=1.3). Detrital zircons from the sedimentary strata overlain the volcanic rocks showed a wide age span from Neoproterozoic to Cenozoic, with the youngest population corresponding to $21.89{\pm}1.1Ma$ (n=15, MSWD=0.04) and $21.68{\pm}1.2Ma$ (n=10, MSWD=19). These dating results indicate that the basement of the Pohang basin is composed of Late Permian plutonic rocks and overlain Late Cretaceous to Eocene volcanic sequences. Miocene sediments were deposited in the uppermost part of the basin, possibly associated with the opening of the East Sea. The Sr-Nd isotopic compositions of the Permian plutonic rocks were comparable with those reported from Permian-Triassic granitoids in the Yeongdeok area, northern Gyeongsang basin. They may have been recycled into parts of the Cretaceous-Paleogene magmatic rocks within the Gyeongsang basin.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이후 Yun(1986)은 기존에 6개로 분류된 포항분지의 지층을 암상적, 그리고 습곡된 암석의 구조적인 재조사를 통해 하부에서부터 3개의 지층 즉 천북역암층, 학전층 그리고 두호층으로 구분하였다. 이번 연구에서는 기존의 연구결과 가운데 Yun(1986)이 층서검토 및 수정을 통해 제시한 포항분지 3기층의 연구결과를 토대로 퇴적층을 기술하고자 한다(Fig. 1). 포항분지는 전술한 것 처럼 3개의 지층으로 구분가능하며 이들 지층들은 주로 남북 또는 북동-남서방향으로 분포하고 있다.
이와 같이 시추코어를 이용한 포항분지 심부기반암에 대한 연대측정 연구가 몇 차례 있었음에도 불구하고 신뢰할 만한 연대측정 데이터는 아직 부족한 실정이며, 특히 포항분지 천부에 분포하는 기반암인 화산암류에 관한 연대측정 및 지구화학 연구 결과는 아직 발표된 바 없다. 이번 연구에서는 포항분지 내 3개의 시추공으로부터 획득한 6개의 시추코어 및 2종류의 화성암류 파편시료를 대상으로 SHRIMP 저어콘 U-Pb 연대측정과 주원소 및 Sr-Nd 동위원소 분석 결과를 보고한다.

제안 방법

5 kg의 암석을 유압압축기와 링밀(ring mill)을 이용해 파쇄 및 분쇄 후 1회용 망체를 이용해 245 µm이하의 입자를 분리하였다. PB-3 시추공으로부터 획득한 암석파편은 깊이에 상관없이 암회색의 반려암 파편(PB-3-1)과 분홍색의 K-장석을 특징적으로 함유하는 화강암 파편(PB-3-2)로 구분 후 파쇄 및 분쇄 그리고 PB-1, PB-2와 같이 1회용 망체를 이용하여 입자를 분리하였다. 걸러진 입자를 대상으로 선광팬과 물을 사용하여 중광물을 모았으며 이후 Nd자석을 이용해 자성광물을 제거하였다.
는 5%)이다. Rb, Sr, Sm 그리고 Nd 동위원소 분석은 양이온교환칼럼화학과 음이온교환칼럼화학으로 시료를 전처리한 후 한국기초과학지원연구원 환경과학연구부의 열이온화 질량분석기(Isoprobe-T)를 사용하여 측정하였다. Sr동위원소 분석을 위한 표준시료는 NIST987을 이용하여 30회 반복 측정을 하였으며 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr의 비는 0.
SHRIMP U-Pb 저어콘 연대측정을 위해 시추공 PB-1과 PB-2의 시추 코어 시료들은 각각 0.5 kg의 암석을 유압압축기와 링밀(ring mill)을 이용해 파쇄 및 분쇄 후 1회용 망체를 이용해 245 µm이하의 입자를 분리하였다.
Sr동위원소 분석을 위한 표준시료는 NIST987을 이용하여 30회 반복 측정을 하였으며 87Sr/86Sr의 비는 0.710245±0.000004 (2σ)이고, Sr의 바닥값은 0.1ng 이하였다.
PB-3 시추공으로부터 획득한 암석파편은 깊이에 상관없이 암회색의 반려암 파편(PB-3-1)과 분홍색의 K-장석을 특징적으로 함유하는 화강암 파편(PB-3-2)로 구분 후 파쇄 및 분쇄 그리고 PB-1, PB-2와 같이 1회용 망체를 이용하여 입자를 분리하였다. 걸러진 입자를 대상으로 선광팬과 물을 사용하여 중광물을 모았으며 이후 Nd자석을 이용해 자성광물을 제거하였다. 비자성광물을 대상으로 중액분리를 통해 무거운 중광물을 선별하였으며 이들을 대상으로 실체현미경하에서 저어콘을 골라내었다.
걸러진 입자를 대상으로 선광팬과 물을 사용하여 중광물을 모았으며 이후 Nd자석을 이용해 자성광물을 제거하였다. 비자성광물을 대상으로 중액분리를 통해 무거운 중광물을 선별하였으며 이들을 대상으로 실체현미경하에서 저어콘을 골라내었다. 분리한 저어 콘은 표준시료 FC-1(1099 Ma, Paces and Miller, 1993)과 함께 마운트로 제작하여 저어콘 두께의 절반이 드러날 때까지 연마하였다.
5''E)에서는 심도 2698-3390 m 구간으로부터 수집한 심부심성암의 시추 파편들을 대상으로 하였다. 이중 시추공 PB-3으로부터 획득한 시료는 각각 2698-2944 m, 3046-3288 m 그리고 3310-3390 m의 깊이에 따라 암석 파편을 3 그룹으로 분리하였고, 이들을 다시 암상에 따라 암회색 반려암(PB-3-1a, PB-3-1b, PB-3-1c)과 화강암(PB-3-2a, PB-3-2b, PB-3-2c)으로 구분하였다(Fig. 1, Table 1).
저어콘 U-Pb 연대측정은 한국기초과학지원연구원의 SHIRMPIIe/MC를 이용하였으며 U 농도보정을 위해 SL-13 (238 ppm; Claoué-Long et al., 1995), 연대보정을 위해 FC-1 표준물질을 이용해 분석하였다.
포항분지 기반암들의 지화학적 특성을 살펴보기 위해 전암 주성분원소 분석을 실시하였다. 천부화산암 4개 시료와 심부심성암 6개 시료에 대한 XRF 주원소 분석 값은 Table 2와 같다.

대상 데이터

그리고 시추공 PB-3(36°06'24.4''N, 129° 22'41.5''E)에서는 심도 2698-3390 m 구간으로부터 수집한 심부심성암의 시추 파편들을 대상으로 하였다.
암석의 주성분 원소 분석은 부경대학교 공동실험실습관의 X-선 형광분석기(XRF; Shimadzu, XRF-1700)를 이용하였고 주성분원소의 분석오차는 1%이 내(MnO와 P₂O₅는 5%)이다. Rb, Sr, Sm 그리고 Nd 동위원소 분석은 양이온교환칼럼화학과 음이온교환칼럼화학으로 시료를 전처리한 후 한국기초과학지원연구원 환경과학연구부의 열이온화 질량분석기(Isoprobe-T)를 사용하여 측정하였다.
이번 연구에서 사용된 모든 시료는 두호층내 3개의 시추공으로부터 수집된 퇴적암, 천부화산암 그리고 심부기반암들을 대상으로 하였다. 퇴적암 시료 및 천부화산암시료는 시추공 PB-1(36° 04'36.
저어콘을 이용한 SHRIMP U-Pb 연대측정 결과 PB-1-1과 PB-1-2의 포항분지 천부화산암 시료는 각각 66.84±0.66 Ma (n=12, MSWD=0.02)와 66.52±0.55 Ma (n=12, MSWD=0.46)의 일치곡선연령 값을 획득하였으며, PB-2-1과 PB-2-2으로부터는 71.34±0.85 Ma (n=11, MSWD=0.79)와 49.40±0.37 Ma (n=11, MSWD=1.9)의 일치곡선연령 값과 가중평균 값을 각각 획득하였다.
퇴적암 시료 및 천부화산암시료는 시추공 PB-1(36° 04'36.0''N, 129° 25'7.2''E)의 심도 374 m 구간의 퇴적암(PB-1-SS), 561 m와 575 m 지점의 천부화산암 시료(PB-1-1, PB-1-2)를, 시추공 PB-2(36° 06'47.6''N, 129° 25'29.29''E)의 심도 427 m 구간의 퇴적암(PB-2-SS), 546 m와 570 m 깊이의 천부화산암 시료(PB-2-1, PB-2-2) 등 총 6개의 시추 코어 샘플을 대상으로 정하였다.
포항분지 심부심성암 시료인 암회색 반려암(PB-3-1)은 진동누대구조를 보이는 저어콘 과 띠모양의 누대구조를 보이는 두 종류의 저어콘이 관찰되었으며 각각 262.4±3.6 Ma (n=21, MSWD=4.5)와 252.4±3.6 Ma (n=8, MSWD=1.9)로 서로 상이한 가중평균 연령값을 획득하였다.

데이터처리

Nd 동위원소 분석은 JNDi-1의 표준시료를 사용하였고 30회 반복측정한 143Nd/144Nd 값은 0.512101±0.000002(2σ)이며 Nd의 바닥값은 0.1 ng이하 였다.
, 1995), 연대보정을 위해 FC-1 표준물질을 이용해 분석하였다. 분석된 데이터는 Isoplot 3.71(Ludwig, 2008)과 Squid 2.50 (Ludwig, 2009)을 이용해 연대계산을 하였다.

이론/모형

분리한 저어 콘은 표준시료 FC-1(1099 Ma, Paces and Miller, 1993)과 함께 마운트로 제작하여 저어콘 두께의 절반이 드러날 때까지 연마하였다. 저어콘의 내부 구조를 파악하기 위해 한국기초과학지원연구원의 주사전자현미경(JEOL JSM-6610 LV)을 이용하여 후방산란전자 영상(backscattered electron image) 및 음극선발광영상(cathodoluminescence image)을 획득하였다. 저어콘 U-Pb 연대측정은 한국기초과학지원연구원의 SHIRMPIIe/MC를 이용하였으며 U 농도보정을 위해 SL-13 (238 ppm; Claoué-Long et al.

성능/효과

따라서 이를 통해 저어콘 U-Pb 연령과 피션트랙연령(Shin, 2013)을 비교해 보면, 시추공 PB-1은 장기분지 동남단 오류리화강암 인접부의 데사이트질 응회암 피션트랙 저어콘연대인 66.4±4.2 Ma와 오차범위 내에서 일치하며 시추공 PB2의 연대는 오차가 다소 크긴 하나 포항분지 동남단과 장기분지 북서부 마이오세 분지충전물의 기반암으로 산출되는 유문암질응회암의 77.6±8.0 Ma, 포항분지 중서부의 유문암질 응회암의 73.8±5.7 Ma 그리고 장기분지 동남부 데사이트질 응회암의 77.5±6.7 Ma 연대와 오차범위 안에서 일치함을 알 수 있다.
또한 화강암 (PB-3-2)으로부터 획득한 저어콘은 261.8±1.5 Ma (n=31, MSWD=1.3)의 가중평균값을 나타내어 암회색 반려암(PB-3-1)의 진동누대구조를 보이는 저어콘 그룹과 오차내에서 일치함을 확인할 수 있었다(Fig. 7, Table 3).
포항분지 천부화산암과 심부심성암 시료는 시추공들의 위치가 상이하며 서로간의 관계가 불분명하므로 이들 두 종류의 기반암체는 각각 따로 나누어 생각해 볼 필요가 있다. 먼저 포항 분지 천부화산암들은 SiO2 함량이 증가함에 따라 Al₂O₃, MgO, Fe₂O₃, CaO, TiO₂ 그리고 P₂O₅ 등이 감소하는 것으로 나타나며, 심부심성암들은 SiO₂ 함량 증가와 함께 Al₂O₃, MgO, Fe₂O₃, CaO와 TiO₂ 등이 감소하는 것으로 나타난다. K₂O는 SiO₂ 함량의 증가와 함께 천부화산암 및 심부심성암에서도 각각 대체적으로 증가하는 양상을 보이며 Na₂O는 천부화산암과 심부심성암 모두에서 SiO₂ 함량과는 큰 상관관계를 보이지 않는 것을 알 수 있다.
8 Ga)의 저어콘이 발견되는데, 그 의미는 불분명하다. 이상의 연대측정 결과에서 나타난 포항분지 시추 코어의 천부 화산암 SHRIMP UPb 저어콘 연대는 이전에 보고된 경상분지 유천층군 유문암질-데사이트질암 피션트랙 연대의 오차범위 내에 포함되는 것으로 나타났다. 심성암으로부터 생성된 저어콘의 피션트랙연령은 오랜 냉각시간에 의해 마그마 정치 후 약 210±20o C에 해당하는 냉각시기를 지시하지만(Zaun and Wagner, 1985), 화산암은 분출후 매우 빠른 시간에 지표온도로 냉각되므로 화산암저어콘 피션트랙 연령은 분출시기를 잘 지시한다고 할 수 있다(Naeser, 1979).
3 Ma 연대와 잘 일치한다. 이처럼 포항분지의 천부화산암을 이루고 있는 유문암질암은 후기 백악기 화산활동부터 에오세 초기까지 비교적 긴 시간에 걸쳐 형성되었으며 시추공 PB-1 아래 천부화산암이 PB-2의 천부화산암 기반암 보다 약 3-5 Ma 젊은 화산암층으로 이루어졌음을 확인할 수 있다. 또한 시추공 PB-2는 심도 546 m에 위치한 PB-2-1 시추 코어 샘플보다 더 하부인 570 m에 위치한 PB-2-2 시추 코어 샘플이 약 20 Ma 젊은 것으로 나타나는데 이는 546 m-570 m 사이에 단층이 존재하거나 또는 후기 백악기 화산활동으로 PB-2-1의 천부화산암이 형성되고 약 20 Ma 이후 에오세 초기의 관입활동에 의해 PB-2-2가 생성 되었다고 생각할 수 있다.
일치곡선상의 가장 젊은 연령은 오차범위 내에서 일치하는 하부 마이오세(21.68±1.2 Ma, n=10, MSWD=19; 21.89±1.1 Ma, n=15, MSWD=0.04)로 구해졌으며 두 시추 코어 시료에서 공통적으로 나타나는 가장 젊은 일치곡선 연령을 간주 할 때 포항분지는 생층서연대에서 제시된 퇴적시기와 부합되는 마이오세 전기에서 중기(Bak et al., 1997; Kim, 1965; Yi and Yun, 1995; Yoon, 1979)에 퇴적된 지층임을 확인할 수 있다.
천부화산암으로부터 산출된 저어콘들은 100-350 µm까지 다양한 크기의 직경을 가지며 대체적으로 자형에 진동누대구조가 발달한 화성기원의 저어콘 특징을 보이고 있으며 그밖에 장축에 평행한 줄무늬 누대구조를 보이거나 상속핵을 포함하는 저어콘들도 관찰되었다.
, 1997; Kim, 1965; Yi and Yun, 1995; Yoon, 1979)에 퇴적된 지층임을 확인할 수 있다. 퇴적암으로부터 분석된 모든 저어콘은 Th/U 값이 0.1 이상으로 화성기원 저어콘임을 확인할 수 있었고 두 퇴적암 모두 20-30 Ma와 50-70 Ma에 두드러진 연대 분포 양상을 나타내는 것으로 보아 퇴적암의 기원지에서는 불연속적인 두 번의 큰 화성활동 시기가 존재했으며 이들 화성활동의 산물이 포항분지 퇴적물에 영향을 미쳤을 것으로 해석된다. 또한 포항분지 시추 코어 퇴적암으로부터 분리한 쇄설성저어콘들에는 선캠브리아-고생대에 해당하는 저어콘 및 포항분지의 심부심성암에서 산출된 페름기-트라이아스기 시기의 저어콘 연령이 아주 극소수 분포하며, 초기-중기(120-80 Ma) 백악기 연령의 저어콘이 PB-2-SS에서는 산출되는데 반해 PB-1-SS에서는 전혀 발견되지 않는다.
포항분지 퇴적암의 쇄설성저어콘 연대측정 결과 PB-1-SS에서는 신원생대-마이오세까지, PB-2-SS는 석탄기-마이오세까지 다양한 연대분포를 이루고 있는 것으로 나타났다(Fig. 7, Table 3). 일치곡선상의 가장 젊은 연령은 오차범위 내에서 일치하는 하부 마이오세(21.

후속연구

, 2013)는 약 250 Ma의 영덕 암체는 연대와 ε_Hf값이 경상분지 내부 백악기-제3기 화강암 자료와 연결할 때 평균 지각이 가지는 진화선을 나타내므로 영덕 암체와 비슷한 종류의 화강암류가 더 젊은 화강암류의 기원물질로 고려될 수 있음을 밝혔다. 따라서 포항분지 심부심성암을 포함한 페름기로부터 제3기까지 경상분지 암체들의 비교적 일관된 Sr-Nd 동위원소 조성 변화는 현생 지각의 재순환을 지시할 가능성이 있으며 이에 대해서는 계속적인 연구를 요한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	포항분지는 어떤 지층인가?	한반도 동남쪽에 소규모로 분포하는 포항분지는 신생대 제3기층으로 지열자원 개발 및 이산화탄소 지중저장을 위한 주요 후보지층 중 하나이다. 이산화탄소 지중저장지층의 적합성을 평가하기 위해 최근 포항분지를 중심으로 분지생성과 진화, 지질구조, 퇴적계 해석, 탐사자료 수집 그리고 수리학적 특성 등 다양한 연구가 시행되고 있으나 포항분지의 지층모델링을 위한 기반암 연대측정 및 지구화학 분석에 관한 자료는 매우 제한적인 실정이다.
	신생대 제3기층은 어떻게 구분되는가?	한반도 동남부에는 동해안을 따라 신생대 제3기층이 소규모로 분포하고 있으며 Kim(1970)은 해성층의 분포에 따라 신생대 제3기층을 울산분지, 어일분지 그리고 포항분지로 구분하였다. 이후 Yoon(1986)은 분지구조발달사 및 분지충전물에 근거하여 이를 다시 양남분지와 포항분지로 분류하였다.
	포항분지 374-3390 m 심도에서 채취한 3개 시추공 코어 시료의 주성분 원소 분석 결과는 어떠한가?	포항분지 374-3390 m 심도에서 채취한 3개 시추공 코어 시료의 SHRIMP U-Pb 저어콘 연대측정과 함께 주원소 및 Sr-Nd 동위원소 분석을 실시하였다. 주성분 원소 분석 결과 총알칼리-규산 도표에서 천부화산암은 유문암으로, 심부심성암은 반려암과 화강암으로 도시되었으며 AFM 다이아그램에서는 칼크-알칼리 계열의 분화경향을 보인다. $K_2O-SiO_2$ 상관도에 따르면 모두 High-K 영역에 속하며 일부 주성분원소들은 $SiO_2$ 함량에 따른 상관성을 보인다.

참고문헌 (34)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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