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이 병 주

SEIM-Korea/부회장

한국지질자원연구원/명예연구원

이학박사 (bjlee@kigam.re.kr)

                      




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1. 개요

        

지반공학 학회지 35권 4호부터 7호까지 특별테마편에서 지구상에 존재하는 큰 분류의 3가지 종류인 퇴적암(sedimentary rock), 화성암(igneous rock) 및 변성암(metamorphic rock)의 생성과 지반공학적 특성에 대해 기술하였다. 그러면 우리가 사는 이 땅에는 이들 암석 중 어떠한 암석이 어디에 분포하는지에 대해 2회에 걸쳐 기술해 보기로 한다. 즉 한반도의 지질편이다. 그러기 위해서 남북한을 포함한 한반도 전체보다 우리가 직접 다니며 조사가 가능한 남한 지역의 암석 분포지에 대한 기술이 더 필요하리라 생각하며, 먼저 이번호에서 서울특별시, 경기도, 강원도 및 충청도 일대에는 어떠한 암석들이 분포하는지를 알아보기로 한다. 앞서 네 번에 걸쳐 각각의 암석에 대한 지질공학적 문제점을 기술한 바 이 지역에서의 토목 건설의 시공이나 설계 시 유용한 자료가 되기를 간절히 바란다.


그림 1(a)의 지질도에서 보면 충청남도 서산시에서 강원도 중부 해안까지 분포하는 갈색의 지질과 충청남도 남쪽에서 충청북도를 거쳐 강원도 남쪽으로 분포하는 하늘색과 연두색의 지질 및 그 사이를 채우는 진분홍색의 지질로 크게 3대분함을 알 수 있다.

        

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2. 선캠브리아기 시대의 경기육괴

        

 경기육괴란 지체구조적 구분 단위로 강원도 동쪽 고성-간성 지역에서 화천을 거쳐 가평-양평지역과 춘천을 지나 경기도 포천-고양과 충청남도 서산을 잇는 지역에 분포하는 지체구조구이다. 선캠브리아기인 시생대 및 원생대의 변성암들인 암상에 의해 경기편마암복합체라 명명되고 이들 복합체 내에는 서산층군, 춘천층군 및 연천계라 불리는 변성퇴적암류들도 모두 포함되고 이 원생대에 화성 관입활동에 의한 화강편마암도 존재한다(표 1).


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경기편마암복합체에는 미그마타이트질(migmatitic) 편마암, 흑운모 호상편마암, 운모편암, 함석류석 화강편마암, 안구상 편마암, 우백질 편마암 등으로 이루어져있다. 이들 중 미그마타이트질 편마암과 흑운모 호상편마암의 암상은 다음과 같다.


미그마타이트질 편마암은 호상편마암과 더불어 경기편마암복합체의 기저를 이루며 이질 내지 이질사암 기원의 원암이 부분 용융을 받아 형성된 암석으로 대부분이 우백대(leucosome)로 구성된 성분대가 미약한 호 상구조를 보이는 것 이 특징이다. 일부 부분용융이 심한 부분에서는 이러한 호상구조가 화강암질부의 증가로 인하여 심하게 교란 되기도 한다. 우백대는 대부분이 정장석, 사장석 및 석영으로 구성된 전형적인 화강암질 성분을 보인다(그림 2a).


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흑운모 호상편마암은 주로 석영-장석으로 구성된 우백질대와 흑운모로 구성된 우흑질대가 상호 교호하며 나타나는 호상구조가 특징적이다. 그러나 상대적으로 성분대의 분화가 불량한 화강암질 편마암도 흔하게 산출되며, 다수의 규암 및 대리암을 협재한다. 또한 우백질 편마암과 반상변정질 편마암과 같은 고기 화성암체의 주변부에서는 이들 관입암체로부터 유입된 것으로 생각되는 화강암질 성분의 우백질대가 우세하게 나타나기도 한다. 부분적으로는 흑운모 외에 각섬석을 함유하는 보다 고철질의 우흑질대가 관찰되기도 한다. 우백질대는 전형적인 석영과 장석 등으로 구성된 화강암질 성분이다. 우흑질대는 주로 흑운모로 구성되나 석류석, 근청석 및 규선석이 부구성 광물로 흔히 산출되며, 후퇴변성작용을 받은 일부 암석에서는 녹니석, 백운모 등의 2차 광물들이 흔히 관찰된다(그림 2b).


경기육괴 중 한반도 중서부 서산지역의 변성암류를 서산층군이라 한다. 서산층군의 층명은 손치무(1971)에 의해 “연천계 분포지역에 발달된 철광상을 포함하는 규암층을 편의상 서산층군이라 한다” 라고 최초로 정의된 바 있다. 그러나 그 후 많은 지질학자들에 의해 우리나라 중부 서해안 일대에 분포하는 규암 및 편암류가 통칭 서산층군이라 불리고 있으며, 서산-모항, 대산 등지에서도 태안반도 및 안면도 일대에 분포하는 규암과 석회암을 포함하는 편암류 및 이들을 관입한 화강편마암과 이 두 암체를 부정합으로 덮고 있는 태안층을 서산층군으로 하였다.


경기도 가평에서 춘천 일대에는 춘천층군이라 명명된 변성암류들이 분포하는데 춘천층군은 김옥준(1973)에 의해 경기편마암복합체를 부정합으로 피복하는 장락층군 및 의암층군과 그에 대비되는 지층군으로 정의된 바 있다. 춘천층군은 대부분이 규암에 의해 그 분포가 잘 규제되는 것으로 생각되나, 편마암류의 경우 하부의 경기편마암복합체와 유사한 경우가 많아서 구분이 모호하기도 하다. 춘천층군내의 편마암류는 주로 춘천 및 양평지역에 분포하며, 여러 매의 규암 및 석회암을 협재하고 있다. 이들 편마암류는 대부분이 반상변정질 편마암 혹은 화강편마암에서 유래한 화강암질 물질의 유입을 받아 불규칙적인 호상구조를 보이는 것이 특징이다. 이러한 현상이 편암류에는 잘 관찰이 되지 않는 점으로 보아 편마암류가 편암보다 상대적으로 하위에 놓이는 것으로 생각된다.


연천-전곡지역에 분포하는 변성퇴적암류를 연천층군이라 불리우는데, 이 층군의 하부는 주로 석회규산염암, 변성사질암, 각섬암 및 각섬석편마암으로 구성되며, 상부는 주로 변성이질암으로 구성된다. 연천층군의 시대는 본래 중기 고생대로 간주되었으나 최근의 연구에 의하면 중기 내지 후기 원생대에 해당하는 것으로 간주되고 있다.


3. 고생대의 조선누층군과 평안층군

        

앞의 그림 1(b)에서 기재한 옥천습곡대는 충청도 일대의 소위 옥천대라 지칭하는 천매암류들로 구성된 변성퇴적암과(그림 3) 강원도 일대의 소위 삼척탄전지대의 석회암과 무연탄을 함유하는 퇴적암이 분포하는 두 영역으로 나눠진다. 전자를 옥천변성대 후자를 옥천비변성대라 칭하기도 하는데 여기서는 옥천대의 지질은 간략히 언급하고 주로 옥천비변성대에 속하는 고생대 조선누층군과 평안층군에 대해 기술한다.


옥천대는 한반도에서 현재까지 지질시대 및 층서 등에서 아직 확실히 규명되지 않은 지층이다. 손치무 교수는 옥천층군이란 연속적으로 퇴적된 층이 아니라 지질시대를 달리하는 수개의 지층이 상호 부정합관계를 가지고 교호층을 이루는 누층으로 조선누층군의 상위에 관계불명으로 놓인다고 주장하였다. 이에 반해 김옥준 교수는 조선누층군의 상부에 옥천층군이 놓이는 이유는 선캠브리아기 시대의 옥천층군이 저각의 역단층인 오버스러스트에 기인한 것으로 간주하며 본 층군의 지질시대에 대한 논란이 팽팽히 맞서게 되었다. 일반적으로 옥천층군이 분포하는 지역은 한반도에서 가장 지질구조적으로 복잡한 곳으로 수차례의 중복 변형작용으로 지층이 매우 교란되어 있어 아직 지질구조가 확실히 정립되지는 않고 있다. Reedman과 Fletcher(1976)는 이 지역에서 최소한 3번의 습곡작용을 포함한 변형작용이 있었음을 시사하고, 그 후 이병주와 박봉순(1983), Cluzel(1990) 등도 습곡작용 및 스러스트 단층 작용이 3~4회 반복되었다고 주장하였다.


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3.1 조선누층군

        

조선누층군은 고생대 하부의 캠브리아기-오르도비스기 동안 퇴적된 지층을 통칭하는 지층으로 암상이 지역에 따라 뚜렷한 차이가 있어 지역에 따라 두위봉형, 영월형, 정선형, 평창형 및 문경형 조선누층군으로 구분한다. 이들 다섯 가지의 유형 중 두위봉형과 영월형이 가장 뚜렷한 차이를 보이며 여기서는 이 두 유형만을 기술한다.


두위봉형 조선누층군은 하부는 사암 및 셰일 등의 쇄설물이 대세이나 상부로 가면서 석회암이 위주가 되며 지질시대가 오르도비스기에 오면 다시 쇄설물인 사암 위주인 지층에서 석회암이 위주인 지층으로 변해간다. 캠브리아기의 장산층은 두위봉형 조선누층군의 최하부층으로 선캠브리아기의 화강편마암과 율리층군의 변성퇴적암류를 부정합적으로 덮고 있다. 장산층은 주로 유백색, 담회색 혹은 담홍색의 규암으로 구성되어 있다. 묘봉층은 장산층을 정합적으로 덮으며, 두께는 80~250m이다. 묘봉층은 주로 암회색 내지 암녹회색의 실트질 내지 셰일로 구성되며, 박층의 세립질 내지 조립질 사암이 협재된다. 풍촌층은 비교적 순수한 석회암으로 이루어져 있다. 다시 말해 석회암의 주 구성광물인 방해석의 함량이 높으므로 화학 분석치에서 CaO의 함량이 높아 석회석 광상이 분포하는 지층이다(그림 4(a)). 그 상부의 화절층은 괴상의 담회색~회색, 유백색, 홍백색의 석회암으로 구성되어 있으며, 흑색 내지 적흑색의 셰일, 탄산각력암, 어란상 석회암, 돌로마이트질 석회암 등이 협재되어 나타난다. 이 화절층의 가장 큰 특징은 풍화면에서 충식구조를 가지는 충식석회암이(그림 4(b)) 이 지층을 구성하고 있는 점이다.


오르도비스기의 지층으로는 동점층, 두무골층, 막골층, 직운산층 및 두위봉층이 있다. 동점층은 오르도비스기의 최하부 지층으로 하위의 화절층을 정합적으로 덮는다. 동점층의 두께는 최대 50m 정도로 알려져 있다. 동점층으로 주로 암회색 내지 담갈색의 중립질 사암으로 구성되어 있다. 사암은 주로 세립질 내지 중립질의 석영으로 구성되며 원마도는 좋은 편이다.


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영월형 조선누층군은 영월 일대에 분포하는 조선누층군으로 두위봉형 조선누층군을 비롯한 다른 지역의 조선누층군과는 근본적으로 다른 층서를 보여준다. 영월형 조선누층군은 하부로부터 삼방산층, 마차리층, 와곡층, 문곡층, 영흥층으로 구분된다. 삼방산층은 영월형 조선누층군의 최하부층으로 영월군 북면, 주천, 어상천 일대에 분포한다. 삼방산층은 적색, 녹회색, 담갈색 등 다양한 색의 사암, 실트암 및 셰일로 구성된다. 삼반상층의 두께는 400~750m로 보고된 바 있지만, 층 내에서 반복되는 스러스트 단층과 습곡으로 인해 정확한 두께를 알기는 어렵다.


마차리층은 암회색의 석회암과 흑색셰일의 교호층으로 구성되며, 뚜렷한 호상구조를 보여준다. 마차리층 위에 정합적으로 놓이는 와곡층은 주로 괴상의 담회색 내지 회색 백운암으로 구성된다. 문곡층은 와곡층 위에 정합적으로 놓이며 리본암, 평력암, 입자암, 이회암 등의 다양한 암석으로 구성된다, 영월형 조선누층군의 최상부층인 영흥층은 문곡층 위에 정합적으로 놓이며 대체로 암회색 내지 담회색의 석회암, 백운암질 석회암 또는 백운암으로 이루어져 있다.


3.2 평안층군

        

강원도 태백 장성 지역에서 영월을 거쳐 충청도 단양까지 이르며 분포하는 평안층군은 지역에 따라 층의 두께가 다양하고 최대 1,400m에 이르며 석탄기에서 중생대 트라이아스기까지 걸쳐 퇴적된 지층이다.


만항층은 조선누층군의 석회암층을 부정합으로 덮고 지층의 두께는 약 250m 내지 300m이다. 이 층은 주로 저색 및 녹회암 또는 담회색의 셰일과 녹색, 담녹색 또는 담회색의 중립 내지 극조립의 사암으로 구성되고, 백색, 담회색 또는 담홍색의 석회암이 협재되며 지역적으로는 기저에 역암이 분포한다. 특징적인 것은 중부에서부터 유백색 또는 담회색의 석회암이 협재되며 암색은 하부의 저색에 비해 녹색이 점차 많이 관찰된다. 본 층 상부는 담녹색 내지 백색의 중립~조립 사암이 협재되는데 이는 함백산층의 사암과 매우 유사하다.


금천층은 주로 암회색 셰일과 회색∼암회색, 세립∼중립 사암, 셰일 및 암회색 렌즈상 석회암으로 구성되어 있다. 이 층에는 렌즈상으로 석회암이 협재하며 사암에는 사층리와 점이층리 등의 퇴적구조가 관찰된다. 장성층은 평안층군에서 석탄층이 발달하는 층으로 과거 삼척탄전에서 무연탄 개발 광산에서 석탄의 주 가행 대상인 지층이다(그림 5(a)). 이 지층은 암회색 세립사암, 암회색 내지 흑색의 셰일, 암회색 조립사암 및 3∼4매의 석탄층으로 구성되어 있으며 층후 약 150m 중 사암이 50%, 셰일 및 탄질셰일 30%, 석탄 20%를 차지한다.


함백산층을 구성하는 주 암석은 굵고 흰 석영립으로 구성된 극조립 사암층으로 구성되어 있으며(그림 5(b)) 하부에는 백색 내지 담회색 조립 사암, 박층의 암회색 셰일층 그리고 사동통과 접하는 부분은 부분적으로 부정합 징조를 보이는 세역질 사암이 나타나는 경우도 있으며 일부 백색 조립사암은 변성작용을 받아 거의 규암화 되어있다.도사곡층은 주로 조립 및 극조립 사암, 역질 사암과 셰일 및 사질 셰일로 구성되어 있는 바, 하부는 대체로 일정하여 유백색~담녹색 조립 및 극조립 사암과 이에 협재된 암회색~녹회색 셰일 및 사질 셰일로 되어 있으며, 함백산층보다 셰일의 협재 빈도수가 많고, 셰일 협층의 두께 역시 두꺼워 20~30m에 이르기도 한다.


평안층군의 최상부 층인 고한층은 도사곡층을 정합적으로 피복하며 회색 내지 녹회색, 암녹색 또는 흑색의 셰일과 회색 내지 녹회색의 세립 및 중조립 사암으로 구성되며 석회암질암을 함유한다. 그러나 셰일의 경우 자색을 띠는 것도 곳에 따라 발견되며, 사암 역시 곳에 따라 매우 조립질로 역암을 협재하기도 한다.

        

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4. 맺음말

        

그간 기술한 각 암석의 성인과 지질공학적 특성을 마치면서 한반도 특히 남한에는 어떠한 암석이 분포하는지를 기술하였다. 그중 먼저 서울특별시, 경기도, 강원도 및 충청도 일대의 선캠브리아기에 만들어진 암석 및 고생대에 형성된 암석에 대해 알아보았다. 이지역의 선캠브리아기 경기편마암복합체의 편마암류와 편암류는 강원도 동쪽 고성-간성 지역에서 화천을 거쳐 가평-양평 지역과 춘천을 지나 경기도 포천-고양과 충청남도 서산을 잇는 지역에 발달하며 그 안에는 서산층군, 춘천층군 및 연천계의 변성암이 존재한다.


고생대 지층은 소위 옥천습곡대라 불리는 곳을 따라 분포하며 이곳은 충청도 일대의 옥천대라 지칭하는 천매암류들로 구성된 변성퇴적암이며 강원도 일대에 소위 삼척탄전 지대의 석회암과 무연탄을 함유하는 퇴적암이 분포하는 두 영역으로 나눠진다. 옥천대는 천매암류인 변성퇴적암이 분포하며 강원도 일대는 하부고생대의 석회암 지층이 주인 조선누층군과 이 조선누층군을 부정합으로 덮으며 상부고생대에 퇴적된 석탄층이 협재됨이 특징인 평안층군이 분포한다.

        

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