1. 서 론
주상절리(columnar joint)는 일반적으로 화산암이나 응회암과 같이 고온에서 급랭하는 과정에서 형성되는 일차적인 구조로서, 마그마의 분출 또는 관입 그리고 화산쇄설물의 퇴적과 같은 화산활동으로 형성된다(Spry, 1962). 국내에 분포하고 있는 주상절리는 최소 68곳이 알려져 있으며, 주상절리를 이루는 화산암은 산성암에서 염기성암까지 매우 다양하게 분포하고 있다(Ahn, 2014).
중생대 이후의 화산활동과 화산암에 대한 다양한 정보를 담고 있어 지질학적 및 학술적으로 중요한 의미를 지니고 있으며, 지형학적으로 아름다울 뿐 아니라 경제적 가치가 큰 지질유산에 해당한다. 최근 이러한 주상절리의 지질유산에 대한 관심 증가로 인해 다양한 연구가 이루어지고 있다(Son and Ahn, 2016; Kong et al., 2018; Kim et al., 2018; Kim and Kong, 2022).
지금까지 주상절리에 대한 연구는 주로 천연기념물과 같은 잘 알려져 있는 주상절리를 대상으로 생성원인, 형태학적 및 암석학적 연구가 수행된 반면, 잘 알려지지 않은 대부분의 주상절리는 암석⋅광물학적 연구조차도 수행되지 않고 있어 천연기념물로 지정되어 있는 주상절리(4곳)를 제외하면 대부분의 주상절리의 경우 그 의미와 중요성이 연구되지 않아 일반인들에게 제대로 전달되지 못하고 있는 실정이다(Ahn, 2014). 특히, 한반도 남동부(포항-경주-울산)의 신생대 마이오세 퇴적분지에는 화산 활동으로 형성된 주상절리 8곳(내륙 5곳, 해안 3곳)이 알려져 있으나(Ahn, 2014), 이 중 해안가에 분포하는 3곳(포항 구룡포 주상절리, 경주 양남 주상절리, 울산 강동화암 주상절리)의 주상절리는 마이오세 지각변형과 퇴적분지 진화사 연구에 있어 매우 중요한 정보를 제공한다. 또한, 내륙에 분포하는 주상절리와 달리 지표면에 수평인 주상절리(소위 와상절리)의 발달로 희귀한 경관적 가치를 가지고 있어 형태 및 성인적 연구만 일부 수행되었다. 따라서 이번 연구는 3곳의 주상절리에 대한 암석⋅광물학적 비교 연구를 통해 생성원인에 대한 기초 정보를 제공하고 지질유산적 가치 제고에 기여하는데 그 목적이 있다.
2. 지질 개요
연구 대상은 한반도 남동부(포항-경주-울산) 일대에 분포하는 포항 구룡포 주상절리, 경주 양남 주상절리, 울산 강동화암 주상절리이며, 행정구역 상 경상북도 포항시 남구 구룡포에서 울산광역시 북구 산하동에 이르기까지 동해안을 따라 약 42 km 구간에 해당한다(Figure 1). 이 중 천연기념물로 지정된 경주 양남 주상절리군의 암석 시료는 지정구역으로부터 약 1 km 떨어져 있는 하서항 일원에서 확보하였다.
포항-경주-울산 일대는 다수의 신생대 마이오세 퇴적 분지가 잘 발달하며 지리적 위치와 퇴적물의 특징에 따라 포항⋅장기⋅와읍⋅하서⋅정자⋅울산분지 등으로 구분된다(Son et al., 2000, 2005; Kim et al., 2011; Kim et al., 2018). 이곳에 분포하는 제3기 화산암류와 퇴적암류는 하위로부터 효동리화산암류, 범곡리층군, 장기층군, 연일층 군이 분포하고 있다(Figure 2; Son et al., 2013).
Tateiwa(1924)는 육성기원 퇴적물과 산성 및 염기성 화산물질로 구성되어 있는 장기통과 비화산성 해성퇴적물로 구성되어 있는 연일통으로 구분하였다. 특히 장기통의 경우 장기층군과 이를 부정합으로 피복하고 있는 범곡리 층으로 구분한 바 있으나, 두 층군의 상대적 퇴적시기와 구성 지층에 관해서는 다양한 견해가 있다(Tateiwa, 1924; Lee et al., 1992; Yoon, 1992; Son, 1998; Kim et al., 2005, 2011; Son et al., 2009, 2013; Yoon et al., 2014). 오천단층계 이남 지역의 중앙부에 국지적으로 분포하고 있는 효동리 화산암류는 동해확장으로 인해 한반도 남동부에 발생한 지각변형 초기에 국지적으로 분출한 올리고세 말의 화산 복합체로서, 본격적인 분지확장 이전에 발생한 대륙지각 열개 초기의 화산활동의 결과로 해석하였다(Son et al., 2002; Son et al., 2013).
전기 마이오세 동안 데사이트질에 이은 현무암질 화산 활동으로 대표되는 이원성 화산활동에 의한 범곡리층군(데사이트질 화산물질)과 장기층군(현무암질 화산물질)으로 구분하였으며 범곡리층은 장기층군에 의해 정합으로 피복되어 있다(Son, 1998; Kim et al., 2005, 2011; Son et al., 2013). 연일층군은 한반도 남동부의 퇴적 중심이 북쪽과 서쪽으로 이동되면서 포항분지와 그 이남의 연일구조선 동편 연변을 따라 퇴적된 비화산성 육성 및 해성 퇴적암류이다.
연구 대상인 포항 구룡포 주상절리는 장기분지, 경주 양남 주상절리는 하서분지, 울산 강동화암 주상절리는 정자분지에 해당한다(Figure 2).
3. 연구 방법
연구 대상 주상절리의 암석⋅광물학적 비교 연구를 위해 한반도 남동부 지질구조에 대한 문헌조사와 광역적인 야외 지질조사를 수행하였다. 이를 위해 전암대자율 분석, 편광현미경분석, X-선 회절 분석, X-선 형광 분석을 통해 광물 조합 및 지구화학적 특징을 비교하였다. 전암대자율 측정은 SM-30(ZH Instrument 社)을 사용하여 각 주상절리 당 60회씩 측정한 후 통계 처리하여 비교하였다. 편광현미경(Eclipse LV100N POL, Nikon)을 이용하여 각 주상절리를 구성하고 있는 암석에 대한 조직 및 구성 광물의 종류를 확인하였으며, 조암광물의 조성을 더욱 정밀하게 동정하기 위해 X-선 회절 분석을 실시하였다. 분석은 한국전통문화대학교에서 보유하고 있는 X-선 회절 분석기(D8 Advance, Bruker)를 이용하였다. 분석에 사용된 X-선은 CuKα이며, 전압⋅전류는 40 kV⋅40 mA로, 구간은 5∼80°스텝간격은 0.026°주사시간은 1초로 설정하였다. XRF 분석은 한국기초과학지원연구원(대구센터)에 의뢰하여 주성분 원소를 분석하였다. 분석 조건은 진공 하에서 가속전압 30∼60 kV, 전류 67∼135 mA를 가하여 분석을 진행하였다. 또한, 각 주상절리의 평균 조성을 알아보기 위해 각 주상절리별 5점씩 분석하였다.
4. 연구 결과
4.1. 주상절리의 형태와 발달 방향
연구지역인 포항 구룡포 주상절리, 경주 양남 주상절리, 울산 강동화암 주상절리는 소위 와상절리로 알려진 수평 주상절리들이 특징적으로 발달한다(Figure 1, 3). 이번 연구에서는 각 주상절리의 형태학적 특징을 알아보기 위해 주상절리의 단면 형태 및 직경(d)과 방향성을 조사하였다. 구룡포 주상절리는 평균 직경이 10∼20 cm로 가늘고 긴 형태를 보이며, 하부는 해식작용에 의해 풍화되어 있다. 주상절리의 단면형태는 4각형과 5각형이 관찰되나 4각형이 우세하다. 발달 방향은 N40∼70°W와 N50°E로 육지에서 바다 방향이며 수평 주상절리 외 관찰되는 경사진 주상절리들은 14∼46°의 경사를 보이는데 이는 주상절리가 형성될 당시 원지형이 경사져 있었던 것으로 해석된다. 또한 돔(dome) 모양으로 발달한 주상절리가 관찰되는데 이는 주상절리가 방사상의 형태로 발달하고 있는 것을 지시한다(Figure 3A).
양남 주상절리는 수평 주상절리의 단면 직경(평균 64 cm)이 경사진 주상절리의 단면 직경(평균 35 cm)에 비해 상대적으로 크며 단면형태는 5각형과 6각형이 관찰되나 5각형이 우세하다. 발달 방향은 N30∼80°W와 N30∼70°E로 바다로 향하고 있으며 바다로 갈수록 수평 주상절리에서 수직 주상절리로 변하는 경향을 보인다. 경사진 주상절리들은 대체로 10∼30°의 경사를 가진다(Figure 3B).
강동화암 주상절리의 경우 정자해수욕장 해안을 따라 소규모로 분포하고 있으며, 수평 주상절리의 단면 직경(평균 41 cm)이 경사진 주상절리의 단면 직경(평균 27 cm) 에 비해 상대적으로 크며 단면형태는 5각형과 6각형이 우세하게 관찰된다. 발달 방향은 크게 세 방향(N10°E, N60°E 및 N24°W)을 보이며 육지에서 바다로 향하고 있다. 수평 주상절리 외 관찰되는 경사진 주상절리들은 주로 10∼35°의 경사를 보인다(Figure 3C). 양남과 강동 화암 주상절리에서 수평 주상절리와 경사진 주상절리의 단면 직경의 차이는 냉각 속도 차이에서 기인된 것으로 수평 주상절리가 상대적으로 느린 냉각으로 형성된 것으로 해석된다.
4.2. 전암대자율 분석
전암대자율(bulk susceptibility)은 암석의 성인 연구에 많이 활용되고 있으며, 최근에는 석조문화재의 산지 추정 연구에서 육안으로 판단하기 어려운 암석의 동질성을 판단하는데 유용하게 사용하고 있다(Uchida et al., 2007; Kim and Jwa, 2010; Kim et al., 2018). 전암대자율 측정 결과, 포항 구룡포 주상절리는 18.5∼29.6(평균 25.1 ×10-3SI), 경주 양남 주상절리는 4.48∼11.5(평균 7.6×10-3SI), 울산 강동화암 주상절리는 9.38∼16.9(평균 13.5 ×10-3SI)의 범위값을 가진다(Figure 4). 일반적으로 동일 마그마에서 생성된 암석들은 유사한 전암대자율 값을 보이는데 이번 연구에서 측정된 전암대자율의 구분된 분포 범위는 각 주상절리를 형성한 마그마의 성인적 차이에서 기인한 것으로 해석된다(Figure 4).
4.3. 암석⋅광물학적 분석
각 주상절리를 구성하는 암석을 대상으로 광물학적 특성을 알아보기 위해 편광현미경 분석 및 X-선 회절 분석을 실시하였다. 구룡포 주상절리는 흑색내지 회색의 안산암으로 1∼2 mm 정도 크기의 사장석 반정을 포함하고 있다(Figure 5A1). 편광현미경 하에서 미정질의 기질을 바탕으로 구성광물은 사장석, 휘석, 불투명광물 등이 관찰된다. 알바이트-칼스바드 쌍정이 잘 발달된 사장석은 반정으로 나타나며 그 형태는 자형 내지 반자형이다(Figure 5A2). 경주 양남 주상절리와 울산 강동화암 주상절리는 암회색 내지 흑색의 현무암으로 다양한 크기(수 mm∼1 cm 정도)의 사장석 반정을 포함하며 유사한 광물조합과 조직을 가지고 있다(Figure 5B1, C1). 편광현미경 하에서 미정질의 기질을 바탕으로 구성광물은 3 mm 이상의 사장석과 세립질인 단사휘석, 감람석, 불투명광물 등이 관찰된다. 알바이트-칼스바드 쌍정이 잘 발달된 사장석은 반정으로 나타나며 그 형태는 자형내지 반자형이다. 또한, 기질 내에서는 레스상(lath-shaped)의 사장석들이 일정한 방향으로 배열된 조면 조직이 관찰된다(Figure 5B2, C2). 각 주상절리를 구성하는 암석의 기질은 미정질로 편광현미경 하에서 동정이 어려워 X-선 회절 분석을 실시하였다. 분석 결과, 각 주상절리의 구성광물은 안데신(Andesine)과 휘석(Clinopyroxene, Orthopyroxene)으로 유사하며 이는 편광현미경 분석결과와 일치한다(Figure 5D).
4.4. 지구화학적 특성
각 주상절리의 지구화학적 특성을 비교하기 위해 주성분 원소 분석을 실시하였다. 주성분 분석 결과, SiO2의 함량은 50.28∼59.07 wt.%, Al2O3는 17.09∼20.98 wt.%, TiO2는 0.70∼1.18 wt.%, CaO는 5.87∼11.19 wt.%, MgO는 2.81∼3.71 wt.%, K2O는 0.44∼1.69 wt.%, Na2O는 2.71∼3.61 wt.%로 측정되었다. 이를 TAS(Na2O+K2O vs. SiO2)도에 세분해 보면 구룡포 주상절리는 안산암, 양남 주상절리는 현무암, 강동화암 주상절리는 현무암질 안산암에 점시되며 모두 비알칼리(Sub-alkaline)계열에 해당한다(Figure 6A). 연구 지역의 암석들이 모두 비알칼리(Sub-alkaline)계열로 분류되기 때문에, 이를 다시 AFM(Alkali-Fe2O3-MgO) 성분도에 점시해보면 모두 칼크-알칼리(calc-alkaline)계열에 해당함을 알 수 있다(Figure 6B). 또한, Le maitre et al.(1989) 의 SiO2에 대한 K2O 성분도에 점시해 보면 각 주상절리는 medium K계열의 칼크-알칼리(calc-alkaline)계열에 해당하나, 포항 구룡포 주상절리는 SiO2와 K2O의 함량이 다소 많음을 알 수 있다(Figure 6C).
각 주상절리의 구성암석에 대한 Harker 도표에서 SiO2 변화에 따른 주원소의 변화 양상은 MnO, Na2O, P2O5는일정한 경향을 보이나 SiO2 가 증가할 때 Al2O3, CaO는 뚜렷한 감소를 보이는 반면, K2O는 증가하는 경향을 보인다. 또한, 알칼리원소 중 K2O의 증가 양상이 Na2O보다 뚜렷하게 나타난다(Figure 7). 구룡포 주상절리는 양남 주상절리에 비해 Fe2O3와 TiO2가 낮은 값을 보이는데, 이는 자철석의 분별정출과 관련이 있는 것으로 해석된다(Gill, 1981; Shim et al., 2011). 반면, 강동화암 주상절리는 SiO2 함량에 비해 Fe2O3와 TiO2가 다소 부화되어 나타나며, MgO는 다소 낮은 값을 보인다. 이는 분별결정작용 초기에 철의 부화가 나타나는 쏠레아이트(Tholeiitic)계열의 특성을 반영하고 있는 것으로 판단된다. 이는 분별 초기에 자철석(magnetite), 티탄철석(ilmenite)과 같은 광물의 생성이 억제되고, 상대적으로 MgO를 소모시키는 광물의 생성이 현저한 것으로 판단된다(Park et al., 1999).
각 주상절리의 구성 암석에 대한 조구조 환경을 알아보기 위해 주원소 함량을 이용하여 조구조 판별도에 점시해 보았다.Pearce et al.(1977)의 MgO-Al2O3-Fe2O3에 의하면 세 지역의 주상절리 모두 조산대 영역에 해당되며(Figure 8A), Mullen(1983)에 의한 10*MnO-10*P2O5-TiO2 조구조 판별도에서는 도호 솔레아이트 현무암(IAT)에 점시된다(Figure 8B). 이는 세 지역의 주상절리가 조산대의 환경이었으며, 대륙지각의 관여 정도가 낮은 해양 지각을 통과하여 분출한 것으로 판단된다(Park et al., 1999).
그러나 AFM도를 이용하여 구룡포와 양남 주상절리를 비교하면 구룡포 주상절리는 Fe의 부화 없이 Fe와 Mg가 감소하고, 알칼리원소의 양이 증가하는 칼크-알칼리 계열의 조성 변화의 특성을 보이는 반면, 강동화암 주상절리의 경우 전형적인 칼크-알칼리 분화 경로에서 벗어나 있다. 만약 각 주상절리가 동일 마그마로부터 분별정출작용에 의해 형성된 암석이라면, 강동화암 주상절리의 Fe 함량이 가장 높기 때문에 전암대자율이 상대적으로 높게 나타나야하나 Figure 4에서는 구룡포 주상절리의 전암대자율이 가장 높게 나타나고 있다. 따라서 각 주상절리는 다른 마그마로부터 형성된 것으로 해석된다.
6. 결 론
신생대 마이오세 퇴적분지 내 지질유산적 가치가 있는 포항 구룡포 주상절리, 경주 양남 주상절리, 울산 강동화암 주상절리에 대한 암석학적 비교 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 3곳의 주상절리는 수평 주상절리가 특징적으로 발달하고 있으며 주상절리의 발달방향은 NW와 NE로 육지에서 바다 방향이고 수평 주상절리 외 관찰되는 경사진 주상절리는 10∼46°의 경사를 보인다.
2) 각 주상절리의 단면의 형태는 포항 구룡포 주상절리와 경주 양남 주상절리는 각각 4각형과 5각형이 우세한 반면, 강동화암 주상절리는 5각형 내지 6각형이 우세하게 나타난다.
3) 전암대자율 측정 결과, 구룡포 주상절리 18.5∼29.6(×10-3SI), 양남 주상절리 4.48∼9.24(×10-3SI), 강동화암 주상절리 9.38∼16.9 (×10-3SI)의 범위 값을 가진다.
4) 암석 기재적 특징은 구룡포 주상절리의 경우, 안산암으로 작은 크기의 사장석 반정(1∼2 mm)을 포함하는 반면, 양남 주상절리와 강동화암 주상절리는 현무암으로 다소 큰 사장석 반정(수mm∼1 cm)들이 균일하게 분포하고 있어 구룡포 주상절리의 암석과 육안으로도 쉽게 구분된다.
5) TAS도에서 구룡포 주상절리는 안산암, 양남 주상절리는 현무암, 강동화암 주상절리는 현무암질 안산암에 점시되며 모두 비알칼리(Sub-alkaline)계열에 해당한다.
6) AFM도와 전암대자율 분석결과, 3곳의 주상절리는 다른 마그마로부터 형성된 것으로 해석된다.
7) 조구조 판별도에서 3곳의 주상절리는 조산대의 환경이었으며 대륙지각의 관여 정도가 낮은 해양 지각을 통과하여 분출한 것으로 판단된다.
8) 각 주상절리의 발달 환경을 보다 깊이 있게 이해하기 위해서는 기원 마그마 특성 규명 연구가 추가적으로 필요하다. 이러한 다양한 연구 결과가 모여 지질유산적 가치 제고에 기여할 것으로 생각된다.
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