서 론

한반도에서는 중생대로부터 신생대초까지 활발한 화성활동이 있었으며, 이를 구분해 보면 크게 쥬라기의 대보화강암과 백악기-제3기의 불국사화강암으로 볼 수 있다. 따라서 한반도의 지질분포는 절반 이상이 화성활동으로 쥬라기와 백악기에 관입한 화강암과 선캠브리아누대의 퇴적암이 화강암화 작용으로 변성된 화강편마암으로 구성되어 있다(Park, 2012). 한반도의 화성활동 중 백악기 초기부터 신생대 제3기 초기까지 화산암류와 심성암류가 시 ‧ 공간적으로 매우 밀접하게 관련되어 분포하는 화산-심성활동(volcano-plutonism)이 단속적으로 계속되었다. 그리고 신생대 에오세로부터 마이오세 말까지 간헐적으로 산성 화산암질암(에오세)과 소량의 산성 화산암을 수반한 염기성에서 초염기성의 화산암(마이오세)이 분출 내지 관입하여 환동해지역의 지구조 운동 및 이와 관련된 화성활동에도 큰 영향을 주었다(Lee et al., 1987; Sagong et al., 2005; Song et al., 2006).

한반도에 제4기 화산암류가 분포하는 지역은 백두산 일대의 개마고원, 평안북도 중강, 우시, 화평, 함경북도 어랑-길주, 문수리-진수봉 및 황해도 신계-곡산, 장연-용연 그리고 강원도 안변-평강, 통천, 회양-창도 및 원산-회양-평강-철원-경기도 전곡을 잇는 소위 추가령 구조대, 그리고 제주도, 울릉도와 독도지역으로 알려져 있다. 이 중 울릉도 화산활동 시기인 플라이오세(Pliocene)에서 홀로세(Holocene) 사이의 한반도 화산활동은 한반도의 여러 곳에서 진행되었으며 대표적으로 독도, 제주도 등지로 알려져 있다.

울릉도 화산암체에 관한 지질학적 연구는 일제강점기부터 암석, 화산층서, 지구화학적 연구, 알칼리 화산암의 암석 성인 등을 규명하기 위해 다방면에서 수행되어 왔다(Harumoto, 1970; Kim and Kim, 1977; Won and Lee, 1984; Min et al., 1988; Kim, 1996). Kwon et al. (1995)에 의해 울릉도 일부지역에 대한 지구물리학적 조사가 수행되었으나, 울릉도 전역에 대한 화산암체와 그 주변의 지질구조, 특히 칼데라인 나리분지와 알봉분지에 대한 연구는 아직까지 미흡한 편이다.

따라서 화산활동으로 인한 화산암체의 지질구조적 분포특성을 파악하기 위하여 울릉도 전역을 대상으로 자력탐사를 실시하고, 이들 결과 분석을 통해 자기이상대와 울릉도 화산암체와의 지구물리학적 관계로부터 화산암체의 지질구조 특성을 핵석하였다.

연구지역

울릉도는 부속도서까지 포함하여 72.82km²의 면적으로 동경 130° 47'37''∼130° 56'36'', 북위 37° 27'14''∼37° 33'09''에 위치하는 동해상의 화산섬이다. 섬은 불규칙한 오각형의 형태를 보이며 북동-남서방향의 장축은 약 12km, 북서-남동방향의 단축은 약 8km, 섬의 둘레는 약 53km, 가장 높은 곳은 해발고도 983.6m의 성인봉이다.

울릉도를 이루고 있는 화산체는 풍화에 의해 초기 원형이 거의 파괴 되었으나, 화산활동 후기에 형성된 칼데라와 용암 분출로 형성된 알봉은 원형을 그대로 가지고 있다(Kwon et al., 1995). 특히 화구의 함몰에 의해 형성된 칼데라의 외륜산은 본섬에서 가장 높은 지형으로 남측의 성인봉(△983.6 m)에서 시계방향으로 미륵산(△900.8 m), 형제봉(△713 m), 송곳산(△605.6 m), 나리봉(△780 m), 천두산(△967.8 m)으로 이어지는 원형의 능선을 형성하고 있다.

이와 같이 울릉도는 해수면에서 약 1,000m에 가까운 높이를 가지고 있는 화산체이며, 울릉도 주변 동해의 수심이 약 2,000m 가량임을 감안할 때 울릉도 화산체는 약 3,000m의 높이로 큰 화산체이다(KHOA, 1998). 해저에서 수심 500m까지 Aspite형 화산을 이루나, 그 상부에서 해수면 위의 화산체는 Tholoide형 화산체를 형성하고 있으며 해수면에서 수심 1,500m 사이에는 약 30여개의 기생화산들이 산재되어 있는 것으로 추정하고 있다(Won and Lee, 1984).

지 질

울릉도 화산체의 대부분을 이루는 해수면 아래 부분에 대해서는 거의 관찰되지 않아 알려져 있지 않지만 현무암질암이 분포하고 있을 것으로 추정하고 있다. 울릉도 둘레를 따라 일부 지역에 현무암질 집괴암 또는 조면현무암질 집괴암이 피복하고 있으며, 그 상부에 조면암질 집괴암이 분포하고 있다(Kim and Kim, 1977). 집괴암 위에 조면암질 용암층이 급경사의 지형을 이루며, 그 위에 조면암질 미고결 분출물인 부석층이 넓은 지역을 덮고 있다.

조면암질 분출물의 생성 이후에 만들어진 칼데라 내부에서 조면안산암이 분출하면서 칼데라 내의 퇴적분지를 북쪽의 나리분지와 남쪽의 알봉분지로 양분하고 있다. 울릉도의 지질과 단층을 도시한 지질도는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1.

Geologic map of Ulleung-do (modified from Kim and Kim, 1977; Kim and Lee, 2008; Hwang et al., 2012).

울릉도 화산체의 단층은 Kim and Kim (1977)에 의해 조사된 단층 자료와 현장 지질조사 자료를 추가하여 Fig. 1과 같이 이들 단층 중에서 현장조사에서 확인된 것은 실선으로 표기하고, 연장성이 있을 것으로 추정되는 것은 점선으로 표기하였다.

현장조사로 파악되어 추가된 단층선은 남동측에 위치한 사동리의 북서-남동방향의 단층(Fault A)과 남서측에 위치한 남양리의 북동-남서방향의 단층(Fault B) 및 사태감 부근의 북동-남서방향의 단층(Fault C)이다. 이 단층들은 지구조적인 환경에 의해 생성된 결과 일수도 있지만 화산활동 시에 조면암질 용암이 급한 경사를 이루며 형성되었다가 여러 층으로 분포된 조면암질암의 일부 층이 미끄러지면서 발생한 것으로도 추정할 수 있다. 또한 알봉분지와 나리분지에서의 단층선을 일부 확인한 결과, Fig. 1에 제시된 바와 같이 화구 함몰 시 역삼각형의 단층이 발생하였으며 현재의 나리칼데라를 형성한 것으로 추정된다.

자력탐사 및 자료해석

자력탐사

울릉도 전역에 대한 자력탐사를 실시하기 위해 핵자력계인 Geometrics사의 G-856X Proton Magnetometer로 한 대는 기준점(base point)에 고정시켜 일변화를 측정하고, 다른 한 대는 각 측점에서 총자기력(total filed intensity)을 측정하였다. 본 자력계는 양성자의 세차운동(proton precession)을 이용하여 총자기장을 측정하는 핵자기형 자력계로서 정밀도는 0.1로 측정방향 및 주위의 온도 등에 영향을 받지 않고 쉽게 측정할 수 있는 장점이 있다.

자력탐사는 2008년 5월 3일부터 5월 9일까지 총 7일간 실시되었으며, 기준점에서 일변화를 측정하는 동안 울릉도 전역에서 해안지역과 계곡의 주도로와 인접한 소도로, 접근이 가능한 등산로를 따라 50∼1,000m의 측점 간격을 유지하며 총 407개소에서 자력 측정을 Fig. 2와 같이 실시하였다.

Fig. 2.

Location map showing the magnetic data measurement points.

기준점 일변화 분석

Fig. 2에서와 같이 기준점(base point)에서 측정한 일변화는 1분당 1회씩 자동측정이 되도록 설정하여 자력측정 수행 기간동안 하루 평균 14시간씩 연속적으로 측정하였다. Fig. 3과 같이 기준점에서 측정된 7일간의 일변화 측정값은 최소 49,683.7$\gamma$에서 최대 49,750.7$\gamma$의 범위로 66.3$\gamma$의 차이를 갖는 것으로 분석되었다.

Fig. 3.

Diurnal variation in the reference measurement point.

기준점에서 측정된 자력값을 1일 기준으로 하여 변화량을 분석하면 울릉도에서 측정된 지자기장은 하루를 주기로 통상 아침에서 정오로 갈수록 자력값이 커지다가 오후에 다시 감소하는 자기장의 변화를 보이는 것으로 나타났다. 일변화는 최소 20.8$\gamma$에서 최대 47.7$\gamma$의 범위를 보이며 평균 30.1$\gamma$로 나타났다.

자력탐사 자료보정

자력탐사는 각 측점에서 자력값에 영향을 줄 수 있는 전선이나 콘크리트 구조물 등이 있는 경우 측정오차가 발생할 수 있어 최소 50m 이상 이격하여 자력측정을 실시하였다. 또한 한 측점에서 최소 5회 이상 측정한 후 최대값과 최소값을 제외한 나머지 자력값의 평균값을 각 측점의 자력값으로 산정하였다. 측점 407개소의 자력값은 최소 48,326.2$\gamma$에서 최대 53,838.7$\gamma$의 범위로 측정되었으며 그 차는 5,512.5$\gamma$이다.

측정 자력값에 대한 일변화 보정을 위해 기준점에서 측정한 자력값 중에서 배경값(background value)으로 49,719.9$\gamma$를 선정하고, 이를 각 측점에서 측정된 총자기력으로부터 시간에 따른 변화량을 보정하였다. 울릉도 전역 내삽을 통해 곡면을 형성하고 이를 이용해 변수를 구해 크리깅(Kriging) 기법을 적용하여 총자기이상도(Total-field magnetic anomaly map)를 작성하였다(Fig. 4).

Fig. 4.

Total-field magnetic anomaly map constructed using a diurnal variation correction.

울릉도는 경사가 급하고 험준한 산악지역이 많아 일부 지역은 자력측정이 불가능하였고, 일부 구간은 자기 이상값의 분포 간격이 매우 넓었다. 이와 같이자기 이상값의 분포가 넓은 지역은 크리깅으로 값을 예측할 경우 오차가 크게 나타날 가능성이 많으므로 주의해야 한다. 따라서 본 연구에서는 크리깅에 의한 오차발생 가능성을 줄이기 위하여 Geosoft사의 Oasis Montaj ver. 6.4.2 프로그램을 사용하여 울릉도 전역에 대한 자력값을 크리깅한 후 총자기이상도를 작성하였다.

지자기 정규보정은 측정치에서 국제표준자력값(International Geomagnetic Reference Field, IGRF)을 제거하는 것으로 지구를 균일하게 자화된 회전 타원체로 근사시키고 이로 생성된 자기장을 구면조화함수로 표시한 것이다. 즉, 각각의 측정위치 및 시간에 따른 기준 지자기장을 구한 후, 기준 지자기장값과 측정값 사이의 차이로부터 자기이상을 산정하였다. Table 1과 같이 IGRF 2005 개정계수를 이용하여 IGRF를 구하고 이를 일변화 보정 자력값에서 소거하여 총자기이상도를 산출하였다(Fig. 5).

Table 1. Summary of nomenclature and the history of IGRF

Fig. 5.

Total-field magnetic anomaly map constructed using the IGRF correction.

자력탐사 자료처리 및 결과

지자기장의 일변화 보정과 IGRF 보정을 수행한 후 계산된 포텐셜 자료는 지하 지질구조에 의한 영향뿐만 아니라 각종 잡음을 포함하고 있다. 이러한 잡음을 제거하기 위하여 FFT(Fast Fourier Transform) 변환을 이용해 필터링을 실시하였고, 자극화변환(Reduction To the Pole, RTP)과 analytic signal을 적용하였다.

자극화변환은 경사진 자기장하에서 유도 자화되어 있는 것처럼 연직방향 자화성분으로 변화시킴으로써 자성체로 인해 발생되는 자기이상 분포를 자성체 직상부로 집중시켜 단순화시키는 것이다. 이것은 잔류자화가 유도자화에 비해서 충분히 작다고 가정했을 경우 지자장에 의해 왜곡된 자성체의 자기이상 분포를 연직성분화 하는 것을 의미한다. 즉, 주파수영역에서 자기장의 남북방향을 따라 자기이상의 진폭을 보정하거나 공간영역에서 대체 자성체에 대한 자기이상을 계산하는 방법이다(Silva, 1986; Hansen and Pawlowski, 1989; Mendonca and Silva, 1993; Nebere, 2015).

Macleod et al. (1993)에 따르면 주파수영역에서 자극화변환 연산자는 다음과 같다.

여기서, $\theta$는 주파수 방향, $I$는 복각, $D$는 편각이다. Mendonca and Silva(1993)에 의하면 $I$가 0, 즉 자기적도 방향으로 근접하고 $(D-\theta )$가 $\pi /2$에 가까워질 때 무한대로 발산하는 것으로 알려져 있다.

자극화변환을 위한 자기복각 및 편각은 국제표준지자장(IGRF)을 이용하여 연구지역의 중심인 37°29'57''N, 130° 51'55''E 지점을 기준으로 산출하였다. 여기서 구한 자기복각 및 편각은 각각 52.47°, -8.2°이다. 10m 간격으로 격자화된 필터링 자기이상은 산출된 자기복각 및 편각과 2차원 FFT변환에 의해서 자극화변환하였다. FFT변환으로 변환된 자기이상에 자극화변환 연산자를 곱해 공간영역으로 역변환된 결과를 Fig. 6에 도시하였다. Fig. 6에서 보는 바와 같이 자극화변환 자기이상분포는 자극화변환 전(Fig. 5)에 비해서 훨씬 단순화되고 지하 자성체 위치에 집중하는 형태로 바뀌었음을 보여준다.

Fig. 6.

Total-field magnetic anomaly map constructed using RTP.

일반적으로 자성체는 단순히 현재 지자기장에 의하여 유도 자화만 되어있는 것이 아니라 잔류자화도 포함한 경우가 많기 때문에 이것을 정확히 자극화변환시키는 것은 쉽지 않다. 따라서 보다 효과적으로 자성체의 자기이상을 단순화시키기 위하여 analytic signal 방법을 이용하여 자성체의 자화방향과 관계없이 자성체에 의한 자기이상분포를 단순화시킬 수 있다(Macleod et al., 1993).

analytic signal 방법은 자력이상의 수평 및 수직 미분을 이용하며, 이 진폭은 자성체 자화강도의 진폭과 밀접한 관계를 갖기 때문에 암체 또는 지질구조의 경계에서 analytic signal의 절대값이 최대값을 갖는다(Thurston and Brown, 1994; Blakely, 1995; Hsu et al., 1996). 따라서 자기이상의 analytic signal 진폭은 주변 자기장이나 자성체의 자화방향과 무관하게 자화특성 차이가 나타나는 경계를 따라 최대치를 가지므로 자력기반암의 경계를 파악할 수 있어 잔류잔화가 크게 영향을 주는 자성체의 자기이상을 단순화하는데 매우 효과적인 방법이다(Nabigian, 1972; Atchuta et al., 1981).

본 연구에서는 analytic signal을 구하기 위하여 자기이상치를 10m 간격으로 격자화하고 각 방향에 대한 미분치를 계산하였다. 우선 $x$, $y$에 대한 수평 미분치를 계산하고 다음으로 수직미분을 구하여 analytic signal의 진폭을 계산하였다. 산출된 analytic signal 분포는 Fig. 7과 같다.

Fig. 7.

Total-field magnetic anomaly map constructed using the analytic signal.

자료해석

단층이나 관입암체의 크기나 깊이보다는 존재유무를 판단하고 화산암체와 자기이상과의 관계를 규명하기 위해서 자기이상도를 이용해 정성적인 해석을 실시하였다.

자기이상도에 나타나는 등자기선의 형태가 지질구조의 형태와 반드시 일치하지는 않지만 일반적으로 자기이상도에서 선형으로 나타나는 형태는 관입암 구조나 기반암내 단층구조에 기인하는 경우가 많다. 예를 들어, 자기이상도에서 선형의 방향성은 선형의 지질구조뿐만 아니라 천부에 존재하는 신선한 암반이 균일하게 자화된 것으로도 해석될 수 있다. 또한 퇴적분지에서의 등자기선의 고저는 지형뿐만 아니라 퇴적분지 하부에 존재하는 기반암의 암질, 즉 대자율의 수평적 변화에도 좌우된다. 뿐만 아니라 단층 등의 구조선은 자력분포가 급히 변화하며, 파쇄대의 경우에는 띠 모양의 자력이상으로부터 그 존재를 인식할 수 있다(Yu et al., 2005).

자극화변환 자기이상을 분석한 결과, 붉은색의 높은 자기이상과 푸른색의 낮은 자기이상의 분포는 울릉도 화산체의 대표적인 암상인 현무암질암류와 조면암질암류의 분포위치와 대체로 잘 일치하는 것으로 볼 수 있다(Fig. 8). 이는 자성체의 자화방향에 따라 왜곡된 형태를 갖는 자기이상 분포에 비해 화산분출암이나 관입암체 등 지하 하부 자성체의 존재 위치나 분포를 파악하는데 유리하기 때문이다(Park et al., 1999). 자성체의 함량이 많은 염기성 암석인 현무암질암류는 높은 자기이상이 분포하고 자성체의 함량이 적은 산성 암석인 조면암질암류는 낮은 자기이상이 분포해 있다. 또한 울릉도 화산체 북측에 위치한 나리칼데라와 남서측의 남양리 일대에는 규모가 큰 높은 자기이상을 보여주고 있으며 그 외 작은 규모의 자기이상도 여러 곳에서 나타나고 있다.

Fig. 8.

Magnetic anomaly map reduced to the magnetic pole and geological map.

이와 같은 높은 자기이상 분포는 산성의 조면암질암류 하부에 염기성의 현무암질암류가 국지적으로 존재하기 때문인 것으로 사료된다. 따라서 나리칼데라에서 높은 자기이상이 분포하는 것은 조면암질암류의 분출 이전에 형성된 현무암질암류의 화구 및 화도에 의한 것으로 추정되므로 나리칼데라 이외 지역에서 나타나는 높은 자기이상의 분포 위치 또한 화구 및 화도로 추정할 수 있다.

Park et al. (1999)에 따르면 analytic signal의 절대치들은 지하의 높은 자성체가 존재할 것으로 예상되는 곳의 경계를 따라 최대치를 형성한다. Fig. 9에서와 같이 나리칼데라의 퇴적분지에서 퇴적층 내 또는 그 하부에 형성된 높은 자성의 화성암체나 기반암 돌출 등의 존재는 자기이상 분포나 자극화변환 자기이상분포에서 보다 analytic signal의 자기이상에서 상대적으로 뚜렷이 나타났다. 즉, analytic signal은 자극화변환 자기이상이 갖는 한계성인 유도자화나 잔류자화 등 자화방향의 변화에 따른 자극화변환 결과에서 예상되는 왜곡 및 불완전성을 훨씬 개선할 수 있다는 것을 의미하는 것이다.

Fig. 9.

Analytic signal map of the magnetic anomaly and geological map.

울릉도에서 analytic signal에 의한 높은 자기이상은 나리칼데라와 성인봉 인근 및 해안 전역에서 나타나고 있으며 자극화변환에서 나타나지 않는 자기이상이 소규모로 분포하고 있다. 이는 자극화변환에서 무시되는 높은 자성의 지하 암체에 의한 이상대로 보이며 analytic signal 자기이상 분포에는 자극화변환 자기이상 분포에 비해서 현저히 많은 이상대가 나타나고 있다. 특히, Fig. 8의 자극화변환 자기이상 분포에서 울릉도 남서쪽의 일부인 남양리 부근에서만 자기이상이 나타나고 있는데 반하여 Fig. 9에서와 같이 analytic signal 분포에서는 사태감에서 가두봉까지 북서-남동방향으로 뚜렷한 연속성을 보여준다. 이는 조면암질암류 하부에 위치하는 현무암질암류의 분포로 판단되며 일부는 화구 또는 화도로 추정할 수 있다.

토 의

자력측정 자료의 자극화변환 자기이상도(Fig. 8)에서 자성체의 함량이 많은 염기성 암석인 현무암질암류는 높은 자기이상이 분포하고 있고 자성체의 함량이 적은 산성 암석인 조면암질암류는 낮은 자기이상이 분포하고 있다. 이상과 같이 자력이상이 화산암류에 따라 대비를 이루고 있으므로 자력이상의 분포를 상호 분석하여 전석, 충적층 또는 퇴적층 등으로 피복되어 있는 지역의 암상 구분에 활용 가능성이 클 것으로 판단된다.

또한 Fig. 8에서 울릉도 화산체 중앙 북측에 위치한 나리칼데라와 남서측의 남양리 일대에는 규모가 큰 높은 자기이상이 나타나며 그 외 작은 규모의 자기이상도 여러 곳에서 나타나고 있다. 이들은 모두 1,000$\gamma$ 이상의 높은 자기이상으로 이는 산성의 조면암질암류 하부에 염기성의 현무암질암류가 국지적으로 존재하기 때문인 것으로 사료된다. 그리고 나리칼데라에서 1,000$\gamma$ 이상의 높은 자기이상이 분포하는 것은 조면암질암류의 분출 이전에 형성된 현무암질암류의 화구 및 화도에 의한 것으로 추정되므로 나리칼데라 이외 지역에서 나타나는 높은 자기이상의 분포지역 중 일부는 화구 및 화도로 추정이 가능하다. 특히 울릉도 남서쪽의 남양리 부근에 분포하는 큰 규모의 높은 자기이상은 현무암질암류의 화구 및 화도 가능성이 클 것으로 추정된다.

결 론

본 연구는 신생대 제3기 말에서 제4기까지 분출한 울릉도의 화산암체에 대한 지질구조 특성을 분석하기 위해 울릉도 전역에 대하여 자력탐사를 실시하여 자기이상 변화를 분석하였으며, 이에 대한 연구결과는 다음과 같다.

울릉도는 전체 면적 72.82km²로 지형적으로는 섬의 가장 중심인 성인봉(983.6 m)을 정점으로 하여 급한 경사를 형성하고 있다. 울릉도 화산체는 기 조사된 연대 측정값에 의하면 해수면 아래의 화산체는 신생대 제3기의 플라이오세이며 해수면 위의 울릉도 화산체의 화산활동 시기는 신생대 제4기 플레이스토세-홀로세이다.

울릉도의 지질은 해수면 부근의 기저에 현무암질 집괴암과 응회암류가 분포하고 있고 상부에 조면암질 집괴암과 응회암이 피복하고 있다. 그 상위에 조면암질암이 여러 차례 분출하면서 넓은 지역에 분포하게 되었고 현재 화산체의 대부분을 차지하고 있다. 그 외 일부지역에 소규모의 현무암질 및 조면암질 암맥과 나리칼데라 내에 조면안산암이 분포한다.

울릉도 전역에 대한 자력탐사 결과에서 염기성암인 현무암질암류는 높은 자기이상을 나타내고 산성암인 조면암질암류는 낮은 자기이상을 나타내었다. 이들 자기이상은 모두 울릉도 화산체의 암상과 대체로 잘 일치하며 화산암의 종류에 따라 대비를 이루고 있으므로 자기이상의 분포를 상호 분석을 통한 전석, 충적층, 퇴적층 등으로 피복되어 있는 지역의 암상 구분에 활용 가능성이 클 것으로 판단된다.

나리칼데라에서 현무암질암이 관찰되지 않으나 1,000$\gamma$ 이상의 높은 자기이상이 분포하는 것은 조면암질암류의 분출 이전에 형성된 현무암질암류의 화구 및 화도에 의한 것이며 나리칼데라 이외 지역에서 나타나는 높은 자기이상의 분포지역 중 일부는 화구 및 화도로 추정 가능하다. 특히 울릉도 남서쪽의 남양리 부근에 분포하는 큰 규모의 1,000$\gamma$ 이상의 높은 자기이상은 현무암질암류의 화구 및 화도 가능성이 클 것으로 추정된다.