[논문]통영 서부 사량도응회암의 암석학적 진화

이소진; 황상구; 송교영

doi:10.7854/jpsk.2019.28.2.71

통영 서부 사량도응회암의 암석학적 진화
Petrological Evolution of the Saryangdo Tuff in Western Tongyeong 원문보기

암석학회지 = The journal of the petrological society of korea, v.28 no.2, 2019년, pp.71 - 83

이소진 (안동대학교 기초과학연구소) , 황상구 (안동대학교 기초과학연구소) , 송교영 (한국지질자원연구원 국토지질연구부)

초록
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사량도 지역의 화산암류는 하부로부터 윗섬안산암, 풍화리응회암, 아랫섬안산암, 오비도층, 남산유문암 그리고 사량도응회암으로 구성된다. 이 화산암류는 안산암-유문데사이트-유문암의 범위를 가지며 칼크알칼리 계열이고 조산대의 화산호환경을 지시한다. 또한 이 화산암류는 미량원소 변화도와 REE 패턴에서 각기 다른 마그마챔버에서 유래된 것으로 해석되는 세 그룹(윗섬안산암, 아랫섬안산암, 사량도응회암)으로 나뉜다. 사량도응회암은 수직 변화도에서 하부에서 상부로 갈수록 데사이트에서 유문암까지 순차적으로 보여준다(점진적으로 변화하는 화학적 조성누대). 순차적인 일련의 조성 변화는 응회암이 중심부의 유문암질 마그마를 둘러싼 상대적으로 데사이트질인 마그마로 누대된 마그마챔버의 상부에서 하부의 연속적인 분출에 의해 형성되었음을 시사한다. 누대된 마그마챔버는 분별결정작용에 의한 마그마 분화과정으로 일어난 연변 누적 및 결정 퇴적으로부터 형성되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The volcanic rocks in Saryangdo area are composed of Witseom Andesite, Punghwari Tuff, Araetseom Andesite, Obido Formation, Namsan Rhyolite and Saryangdo Tuff in ascending order. The volcanic rocks has a range of andesite-rhyodacite-rhyolite, which indicates calc-alkaline series and volcanic arc of orogenic belt. In Harker diagrams for trace element and REE pattern, these are also distinguished into so three groups(Witseom Andesite, Araetseom Andesite and Saryangdo Tuff) that each unit is interpreted to have originated in different magma chamber. The Saryangdo Tuff exhibits systematically(chemical zonations that gradually change) from lower dacite to upper rhyolite in section. The systematic sequence of compositional variations suggests that the tuffs were formed by successive eruptions of upper to lower part of a zoned magma chamber in which relatively dacitic magma is surrounded around rhyolitic magma of the central part. The zoned magma chamber was formed from marginal accretion and crystal settling that resulted form magmatic differentiations by fractional crystallization.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Geological map of the study area, showing sample locations of the whole rock chemical analysis (●) and the SHRIMP zircon U-Pb age dating (■).
그림 Fig. 2. Outcrop photographs and photomicrographs of the Saryangdo Tuff.
표 Table 1. Major element(wt%), trace element(ppm) and rare element(ppm) compositions for the Cretaceous volcanic rocks in Saryangdo area
그림 Fig. 3. (a) Total alkalis vs. SiO₂ (wt%) plotting for the volcanic rocks in the Saryangdo area. A curve diving between alkali (A) and sub-alkalic (SA) magma seriesis from Irvine and Baragar (1971), Kuno (1966); (b) Zr/TiO₂-Nb/Y diagram for the volcanic rocks of the Saryangdo area(after Winchester and Floyd, 1976).
그림 Fig. 4. Harker variation diagram of the major and trace elements vs. SiO₂ for the volcanic rocks of Saryangdo area. Symbols are the same as in Fig. 3.
그림 Fig. 5. Haker variation diagrams of some rare earth elements vs. Zr for the volcanic rocks of the Saryangdo area. Symbols are the same as in Fig. 3.
그림 Fig. 6. Chondrite nomalized REE patterns for the volcanic rocks of the Saryangdo area. Symbols are the same as in Fig. 3.
그림 Fig. 7. (a) Discriminant diagram of Rb as. Y+Nb showing the aparrent affinity of volcanic arc for the volcanic rocks of the Saryangdo area (after Pearce et al., 1984); (b) La/Yb vs. Th/Yb variation diagram for volcanic rocks of the Saryangdo area (after Condie, 1989). Symbols are the same as in Fig. 3.
$Fig. 8. (a) (Ce/Yb)<sub>N</sub>-Ce<sub>N</sub> variation diagram distinguising between general petrogenetic processes by Gill (1981)(1; Effects of fractional crystallization, 2; Compositions of partial melts of peridotite, 3; Compositions of partial melts of eclogite, 4; Compositions of partial melts of average continental crust). (b) La/Yb-La diagram showing two different lines of both partial melting trend and differentiation trend(after Martin, 1987).$ 그림 Fig. 8. (a) (Ce/Yb)_N-Ce_N variation diagram distinguising between general petrogenetic processes by Gill (1981)(1; Effects of fractional crystallization, 2; Compositions of partial melts of peridotite, 3; Compositions of partial melts of eclogite, 4; Compositions of partial melts of average continental crust). (b) La/Yb-La diagram showing two different lines of both partial melting trend and differentiation trend(after Martin, 1987).
그림 Fig. 9. (a) Vertical spatial diagrams for major element from of Saryangdo Tuff; (b) Vertical spatial diagrams for trace element from of Saryangdo Tuff.
그림 Fig. 10. Schematic diagram showing compositional zonation (a, b) and eruption process (c, d) of Saryangdo Tuff (Rh, rhyolite; Da, dacite; An, andesite).

AI 본문요약
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문제 정의

이처럼 사량도응회암에 대한 암석학적 연구는 거의이루어지지 않았으며 도폭지질조사 이외에는 화산암류에 대한 암석학적 연구 및 암석화학적 연구도 체계적으로 이루어지지 않고 있는 실정이다. 따라서 우리는 이 논문에서 경상분지 남부에 위치한 통영 서부지역에 분포하는 사량도응회암을 대상으로 화산활동양상을 파악하고 더 나아가 암석화학적 고찰을 통해 궁극적으로 사량도응회암의 마그마 성인과 조성누대 및 분출과정을 제시하는 것을 목적으로 한다.
즉 암층의 하부에서 상부로 갈수록 데사이트-유문데사이트-유문암 조성으로 순차적인 변화를 보여주는데(Table 1), 이는 챔버 내에서 마그마가 상단으로부터 아래로 가면서 데사이트질에서 유문데사이트질과 유문암질로 순차적으로 분출되었음을 의미한다. 따라서 이에 대한 마그마챔버 내에서의 조성누대 형성과정과 분출과정을 고찰해보도록 한다.
사량도응회암의 초기 마그마챔버의 상태를 상상해보자. 챔버 내부는 아마도 데사이트질 마그마가 존재했을 것이다(Fig.
이렇게 조성누대를 형성한 마그마챔버를 전제로 하여 사량도응회암의 분출과정에 대하여 살펴보고자 한다. 마그마챔버로부터의 분출퇴각은 흔히 안정된 방출에 의한 하향출조(downward tapping)로부터 설명이 가능하다.

제안 방법

즉, 사량도응회암에서 조성누대는 상향규장질 누대(felsic-upward zoning)를 나타내는데, 이것은 마그마챔버의 중심부로 향하여 규장질 누대(felsic-centerwardzoning)를 갖는 마그마챔버에서 점진적 하향출조(downward tapping)를 나타낸다. 따라서 지하의 마그마챔버의 연변부에 누적된 데사이트질 조성대의 상단부에서 먼저 출조되어 대규모 회류 형성 분출(ashflow-formingeruption)을 일으켰다(Fig. 10c). 이러한분출이 계속되어 그 아래로 출조 위치가 내려가게 되었으며, 결국 마그마챔버의 중심부에 자리잡은 유문암질 조성대에서 출조되어 역시 회류 형성 분출을 일으켰다(Fig.
박편제작은 수우도 및 아랫섬에서 채취한 시료를 대상으로 선정하여 제작하였으며(Fig. 1), 결정의 함량 변화 및 용결 정도 등을 관찰하였다. 현미경 하에서 관찰한 바에 따르면, 본역의 가장 서부에 위치한 수우도에서 채취한 시료(HT416)는 석기에 사장석 반정과 석영립을 포함하며 결정이 매우 풍부하다.
사량도와 그 주변 지역에서 암석 시료는 윗섬안산암에서 2개, 아랫섬안산암에서 2개, 사량도응회암에서6개로 총 10개 시료에 대하여(Fig. 1) 한국지질자원연구원에서 X선 형광분석법(XRF)을 이용하여 주원소분석을 실시하였고, 고분해능 유도결합플라즈마 질량분석기(HR-ICPMS)를 이용하여 미량원소와 희토류원소 분석을 실시하였다.
수직 조성변화: 사량도응회암에서 채취된 시료 6개를대상으로 작성한 주원소의 수직적 변화를 살펴보았다(Fig. 9a). 이 암층에서 SiO₂와 K₂O의 함량 변화는 하부에서는 증가하다가 상부로 갈수록 거의 일정해지는 경향을 보이고, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, TiO₂와 MnO는 대체로 하부에서는 감소하다가 상부로 갈수록 거의 일정해지는 경향을 보인다.

성능/효과

따라서 본역의 세 암층은 근본적인 생성기원이 동일하지만 서로 다른 마그마챔버에서 유래되어 진화했음을 시사한다. 그러므로 세 암층에 대한 마그마 진화과정을 하나로 묶어서 고찰하기보다는 본역에서 가장 광범위하게 노출되고 시료의 개수가 가장 많은 사량도응회암에 대한 단일 마그마챔버에 대해 고찰하는 것이 본 연구에서 가장 올바르다고 생각된다.
그리고 본 연구에서 사량도응회암에 대해 SHRIMP저어콘 U-Pb 연대측정을 실시한 결과 사량도 아랫섬에서 69.16±0.66 Ma, 수우도에서 69.72±0.69 Ma의 연대를 얻었다.
따라서 사량도응회암의 하부와 상부에서 나타나는 노두에서의 지층 자세와 암상, 현미경 하에서의 특징 그리고 주원소와 미량원소의 수직 변화도에서 나타나는 하부에서 상부로의 연속적인 조성변화로 미루어보아 사량도응회암은 동일한 마그마챔버에서 유래되었지만 이 암층이 마그마챔버에서 분화작용에 의해 조성누대를 형성하였고 동시에 분출되었다기보다는 챔버의 상단에서 아래로 내려가면서 얼마간의 시간적 차이를 두고 순차적으로 분출되어 조성적 차이를 나타내는 것이라는 앞의 해석을 지지해준다.
따라서 야외조사에서 얻은 지층의 자세와 위에서 언급한 사량도응회암의 연대측정 결과를 종합하면 수우도 지역은 사량도응회암의 최하부로, 아랫섬 지역은 사량도응회암의 중부와 상부로 판단할 수 있다.
마지막으로, 사량도응회암은 초기에 챔버 상부의 결정의 함량이 풍부한 데사이트질 조성대로부터 분출하고, 점차 중심부의 유문암질 조성대로부터 분출하였던 것으로 해석할 수 있다.
먼저, 챔버의 연변부는 상대적으로 온도가 낮기 때문에 비교적 캘식한 사장석과 고철질 광물들이 초기에 정출되고(earlier crystallization), 이에 따라 보다 규장질의 용융물은 챔버의 중심부로 약간 이동하게 될 것이다. 또한, 챔버의 중심부에서도 연변부에서처럼 초기에 결정작용이 일어날 것이고 점도가 더 낮기 때문에 아래로 가라앉을 것이다(earlier crystal settling).
위에서 언급한 것처럼 윗섬안산암과 아랫섬안산암, 사량도응회암의 각기 다른 변화경향이 몇몇 주원소와대부분의 미량원소, 희토류원소에서 명백하게 나타나며 이에 따라 3개의 그룹으로 구분되는 것을 확인하였고, 세 암층의 연대측정 결과도 상당한 차이를 보여준다. 따라서 본역의 세 암층은 근본적인 생성기원이 동일하지만 서로 다른 마그마챔버에서 유래되어 진화했음을 시사한다.
9a). 이 암층에서 SiO₂와 K₂O의 함량 변화는 하부에서는 증가하다가 상부로 갈수록 거의 일정해지는 경향을 보이고, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, TiO₂와 MnO는 대체로 하부에서는 감소하다가 상부로 갈수록 거의 일정해지는 경향을 보인다. 즉, 사량도응회암의 하부에서 상부로 갈수록 조성이 규장질로 변화한다.
전술한 내용들을 종합하여 마그마챔버 내에서의 조성누대를 살펴보면, 챔버의 최하부에는 캘식 사장석과 고철질 광물이 추가되어 원래 데사이트질 마그마가 안산암질 마그마로 변화했을 것이고 상부, 하부와측부에는 점이적으로 데사이트질 마그마로 그 조성이 변화할 것이다. 전체적으로 챔버의 연변부와 하부는 데사이트질 마그마로 둘러싸이고, 중심부에는 유문암질 마그마로 조성누대를 이루었을 것이다(Fig.
종합하면, 본역의 화산암류는 미량원소 변화도에서 윗섬안산암과 아랫섬안산암, 사량도응회암에서 나타나는 증감의 양상이 주원소와 비교하여 더 뚜렷하게 세 그룹으로 나누어지는 것을 볼 수 있다. 이는 세 암층이 동일한 마그마챔버에서 유래되지 않았을 가능성을 강하게 시사한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	경상분지는 무엇인가?	경상분지는 백악기에 해양판의 섭입작용으로 인해화성활동이 활발하게 일어났던 지역이며 백악기 퇴적암류와 화산암류, 심성암류가 넓게 분포하고 있다. 경상분지에서 백악기 화산암류에 대한 화성활동 및 암석학적 연구는 여러 연구자들에 의해 수행되었다(Kimand Lee, 1981; Kim et al.
	사량도응회암에서 채취된 시료를 대상으로 작성한 주원소의 수직적 변화는 어떠한가?	9a). 이 암층에서 SiO2와 K2O의 함량 변화는 하부에서는 증가하다가 상부로 갈수록 거의 일정해지는 경향을 보이고, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, TiO2와 MnO는 대체로 하부에서는 감소하다가 상부로 갈수록 거의 일정해지는 경향을 보인다. 즉, 사량도응회암의 하부에서 상부로 갈수록 조성이 규장질로 변화한다.
	사량도 지역의 화산암류는 무엇으로 구성되는가?	사량도 지역의 화산암류는 하부로부터 윗섬안산암, 풍화리응회암, 아랫섬안산암, 오비도층, 남산유문암 그리고 사량도응회암으로 구성된다. 이 화산암류는 안산암-유문데사이트-유문암의 범위를 가지며 칼크알칼리 계열이고 조산대의 화산호환경을 지시한다.

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