지질환경

독도의 지질

현재 해수면 위에 노출된 독도화산체는 화성쇄설암, 용암과 관입암 등의 화산암들로 구성되어 있으며, 층서(지층이 쌓인 순서)는 다음과 같다(그림 1).

그림 1. 독도의 동도와 서도의 일반 지질(Sohn and Park, 1994)

독도화산체의 기저를 구성하는 조면암I은 조면암질 용암과 각력암의 복합체로 수중에서 분출한 용암과 유리질쇄설암으로 해석되며 서도에서만 관찰된다. 이 조면암 상부에는 오랜 기간 동안 화산활동 중단에 의한 부정합면이 형성되었고 그 위에 두꺼운 화성쇄설암이 퇴적되었다. 화성쇄설암은 괴상각력암(P-I)과 층상응회암(P-II)으로 구분된다. 괴상각력암은 현무암질 각력암으로 역점이 구조를 보이기도 하며 대기중 입자류 퇴적 및 수중 쇄설류 퇴적을 보여준다. 이 각력암 내의 현무암 역은 4.6±0.4Ma(K-Ar 전암 연대)의 연령을 가진다. 층상 응회암은 점이와 층리를 동시에 보여주는 화산력 응회암으로 구성되며 화구에 인접하여 퇴적된 화쇄난류층으로 해석된다.

이들 화성쇄설암 위에 2.7±0.1Ma(K-Ar 전암 연대 측정치)에 분출한 육상 용암류인 조면안산암 용암이 쌓이고, 다시 그 위에 스코리아성 라필리응회암(P-III)이 쌓였다. 라필리응회암은 다시 조면암II에 의해 덮이며 조면암II의 연령도 2.7±0.1Ma(K-Ar 전암 연대 측정치)로 확인되었다. 독도의 최후 화산활동은 조면암의 관입이며 이 조면암의 K-Ar 전암 연대측정에 의하면 2.5±0.1Ma이 된다. 이러한 용암과 화성쇄설암의 반복은 해수면 위의 독도화산체가 성층화산의 일부라는 것을 암시한다.

해양수산부(2000)에 의해 화산암의 연령에 대한 연구가 다시 시도되었으며, 그 결과 초기 분출 조면암 용암이 2.7~2.4Ma, 중기분출 조면안산암 용암이 2.4~2.3Ma 그리고 말기의 조면암 용암 및 암맥이 2.2~2.1Ma에 형성된 것으로 보인다. 한편 송과 박(2006)은 조면암류로부터는 2.89~2.74Ma, 최종 관입한 조면암맥으로부터는 1.89±0.29Ma을 얻었다. 이 측정치는 Sohn and Park(1994)에 의해 측정된 2.7~2.5Ma 범위보다는 상당히 넓은 2.9~1.9Ma 기간 동안의 후기 플라이오세에 독도 화산암류의 분출이 있었던 것을 나타낸다.

이러한 일련의 8개 암석단위와 그 층서는 독도가 3차례 분출 윤회를 경험하였음을 보여준다(황과 전, 2003). 1차 분출윤회는 독도 해저화산 위의 수중에서 비교적 조용한 용암분출이 일어나 돔 형태의 조면암 용암과 유리쇄설성 각력암을 형성하였다. 이러한 분출물은 해수면 아래에 더 크게 연장될 것으로 짐작된다. 또한 용암 분출 직전에는 폭발적인 분출단계가 있었을 것으로 생각되지만 해수면 위에서는 확인되지 않는다. 그리고 이 용암과 다음 윤회의 화성쇄설암층과의 부정합은 화산활동의 휴지기가 도래하여 다음 폭발 활동이 시작되기 전에 독도의 침식이 일어났음을 암시한다(Sohn and Park, 1994; Sohn, 1995).

2차 분출윤회는 독도 화산이 해수면 위로 출현한 후 진행되었다. 먼저 화도에 해수가 유입되어 폭발적인 수증기 마그마성 폭발로 유도되었다. 이로 인하여 매우 크고 다양한 블록을 함유하는 괴상 응회각력암층을 형성하였다. 후기로 가면서 점차 해수 유입은 감소되어 해수와 마그마의 혼합비가 폭발 최적 강도에 달하였고 이때 분출은 점차 탈리언 분출로 전환되어 화성쇄설 써지를 수반하면서 층상 라필리응회암층을 형성하였다. 이 분출단계의 마지막에는 마그마 파쇄작용이 거의 절정에 달하여 응회암층을 형성하였다.

그리고 최종적으로 해수유입이 차단됨으로 또다시 조용한 용암분출로 전환되어 다량의 조면안산암을 생산하면서 2차 윤회는 종식되었다. 그 이후 단열대를 따라 유입된 해수에 의한 폭발력이나 마그마 자체의 비축되었던 폭발력에 의해 일어난 3차 분출 윤회는 스코리아성 라필리응회암층을 형성하였다. 그리고 점차 폭발력이 소진되어 다시 조용한 분출로 전환되어 조면암 용암이 소량으로 흘러나왔다. 이 용암은 독도에서 마지막 분출물이었으며 거의 돔과 같은 형태로 제한적으로 분포되었다. 그리고 마지막 단계에서는 기존에 형성된 단층과 단열대 등을 통해 잔류마그마가 관입하였다. 해수면 위로 노출된 화산체에 대하여는 위와 같은 연구가 진행되었지만 해수면 밑에 나타나는 순상형 화산 부분의 암석시료를 채취할 수 없어 아직 연구되지 못하고 있다.

단, 화산의 형태나 독도화산체에 나타나는 현무암질 각력암에 의해 순상형 해저화산은 주로 현무암으로 이루어졌을 가능성이 높으며 현무암질 각력암으로부터 얻어진 연령을 고려할 때 해저 순상 화산부가 4.6±0.4Ma 이전에 형성되었을 것으로 예측된다.

울릉도와의 상대적 생성시기

울릉도의 조면암과 조면안산암으로부터 울릉도는 2.12~0.51Ma에 생성된 것으로 생각된다(송과박 2006). 이는 울릉도의 성층화산 활동시기가 독도 성층화산보다 0.8~0.6Ma 늦게 시작되었음을 나타낸다. 또한 울릉도의 최하부 현무암질 집괴암으로부터 8.06~8.07Ma의 연령을, 독도의 현무암질 역으로부터 3.67~3.70Ma의 연령을 얻었다. 이는 독도의 현무암 역으로부터 얻은 4.6Ma와 함께 울릉도에서 현무암질 용암을 분출한 화산작용이 먼저 일어났을 가능성을 지시한다(Sohn and Park, 1994). 하지만 독도와 울릉도 하부에는 대규모의 순상형 해저화산이 있어 현무암질 화산암에 대한 제한된 연령만으로는 어느 섬에서 먼저 현무암질 화산암이 만들어졌는지, 언제부터 현무암질 화산암이 분출했는지 결론지을 수 없다.

생성원인

독도와 울릉도 화산암류는 동해 형성과정 해석에 빼놓을 수 없을 정도로 중요한 위치에 있다. 미량원소 및 희토류원소 조성은 독도 화산암류가 해양판의 섭입과 관련없는 환경에서 형성된 해양도 화산암류의 성질을 나타내며, 응회각력암 내에 함유된 현무암편의 희토류원소 조성은 경희토류에서 중희토류로의 단조로운 분별작용이 인지되는 것으로부터 이들의 모마그마가 석류석을 함유한 맨틀 물질의 부분용융에 의해 만들어진 것으로 해석하였다(이 등, 2000). Nd, Sr, Pb 동위원소와 지화학적 자료를 바탕으로 동해 형성과 알칼리 화산암 성인에 대한 다양한 모델이 제시되었다(Nakamura et al., 1989, 1990; Tatsumi et al., 1990; Tatsumoto and Nakamura, 1991; Jolivet et al., 1994).

독도와 울릉도 화산암류는 방사성 동위원소로 구분할 수 없을 정도로 일치하고 이들의 동위원소 조성이 북동아시아 신생대 후기의 여러 알칼리 화산암류와는 대비되지 않는 다른 특성을 가진다(송 등, 1999). 또한 이들은 하와이와 같은 판 내부 해양섬 화산암류가 갖는 화학조성을 보이기 때문에 이 마그마는 깊은 맨틀로부터 상승한 플룸에 의해 형성된 것으로 해석하였다(이 등, 2000).

그림 2. 일본 해구에서부터 동해 및 한반도 하부로 섭입되는 해양지각(하얀 원을 포함한 파란색 부분)과 그 주변에 상대적으로 뜨거운 맨틀(붉은 색, 마그마가 형성될 가능성이 있는 부분)과 차가운 맨틀(파란색). 하얀 원: 지진 발생 지점, 검은 삼각형: 활화산(Zhao and Eiji, 2009)

또한 Nd-Sr 동위원소 특성으로부터 현무암질 마그마는 맨틀 기원 알칼리 현무암질 마그마에 대륙지각 물질의 혼입되어 형성된 것으로 해석하기도 한다(김, 2000). 현재 해수면 위의 독도 화산활동이 울릉도 화산활동보다 먼저 일어난 사실과 화산활동의 종결시기가 독도가 약 200만 년 정도 앞선 것을 바탕으로 독도 화산이 열점으로부터 먼저 형성되고, 판의 이동에 따라 동남동 방향으로 이동한 후 울릉도 화산이 후기 열점활동에 의해 형성된 것으로 해석하였다(이 등, 2000).

하지만 독도와 울릉도의 대부분을 차지하는 순상형 해저화산은 현무암질로 예상되며 아직 연령이 매우 부족하지만 독도의 현무암질 화성암 역이 울릉도의 현무암질 화산암보다 젊은 사실은 열점에 의해 독도가 만들어진 이후 울릉도가 생겼다는 주장에 문제가 있음을 제기한다.

그리고 동해 하부에 대한 지구물리 자료로 볼 때, 동해 하부에는 해양지각이 섭입하고 있고, 맨틀 깊은 곳으로부터 상승하는 플룸이 나타나지 않는다(그림 2). 있다고 가정하더라도 섭입되는 해양지각에 의해 차단되어 동해 지역에 화산을 형성하기 힘들 것이다. 그리고 독도의 성인을 알기 위해서는 해수면 위에 나타난 성층화산에 대한 연구보다 독도의 대부분을 구성하고 있는 하부의 거대 순상형 해저화산부의 성인이 더 중요할 수 있으나 이에 대한 연구가 없는 실정이다.

맨틀 깊이의 변화

울릉분지내 모호면의 분포를 보면 퇴적층이 두껍게 쌓인 중앙부에서 높으며, 북서쪽 한국대지와 남동쪽 오키뱅크 부근으로 가면서 급격히 깊어지는 것을 확인할 수 있다(그림 3).

그림 3. 울릉분지 하부의 지각 및 맨틀 구조. 녹색은 퇴적암층과 화산암, 노란색 부분은 대륙지각을, 붉은색 부분은 맨틀을 나타내며, 독도와 울릉도 사이에 있는 울릉분지 하부는 퇴적암이 두껍게 쌓여있고, 대륙지각의 두께가 상대적으로 얇으며, 맨틀이 상당히 지표 가까이 상승해 있다(박 등, 2009).

이는 울릉도와 독도 사이의 맨틀은 좁은 폭으로 최대 약 13km 지하까지 상승하였음을 지시하며 맨틀이 상승한 지역이 북동-남서 방향성을 가지고 나타난다. 이는 울릉분지에 나타나는 많은 정단층과 함께 동해 확장 시에 작용한 인장력에 의해 울릉분지 하부의 대륙지각이 신장되어 얇아지고, 그에 따라 맨틀이 울릉분지 중앙부에서 지하 약 13km까지 상승하였음을 나타낸다.

해저면 지진계, 중력·자력 및 탄성파 결과들에서 울릉분지의 하부지각이 확장 중심(spreading center)을 가진 두꺼운 해양지각일 가능성이 높다는 주장이 있지만(Kim et al., 1994; Park, 1998; Lee et al., 1999) 아직 해양지각이 생성되었는지는 불분명하다. 동해의 생성을 일으킨 인장력의 기원은 아직 확실치 않지만 동해 열림의 시작시기는 약 21Ma이고, 종료시기는 약 15Ma정도이며, 동해의 서남부에 위치한 울릉분지는 동해의 생성기 중 말기에 생성되었을 것으로 추정하고 있다. 이때에 동해에 주 화산활동이 일어났으며 미약하게는 약 7~6Ma까지 화산활동이 있었다(Tatsumi et al., 1989; Lee et al., 1999; Itoh, 2001; Nohda, 2009). Nohda(2009)는 동해 해저의 현무암은 열개 시약권 맨틀(asthenospheric mantle)이 플룸 형태로 상승하면서 형성되었다고 주장하였다(그림 4). 울릉도에서 발견된 현무암 역이 8억 년임을 고려할 때 울릉도와 독도의 해저부에 존재하는 순상형의 주 화산암체는 동해 열개 시에 형성되지는 않았지만 동해 열개 이후에도 계속적으로 유입되는 약권 맨틀 플룸이 천부까지 상승 후 용융되어 만들어진 마그마로부터 형성되었을 가능성이 높다.

그림 4. (a) 동해가 만들어지기 이전에 대륙지각과 그 하부의 고체 맨틀(SCUM; Subcontinental Upper Mantle)이 인장력을 받아 얇아지고 이로 인해 생성된 공간으로 주변의 약권 맨틀(asthenospheric mantle)이 이동하여 들어오면서 상승한다. (b) 인장력이 더 강해지면서 동해가 형성되고 하부에 맨틀의 순환 및 상승이 일어나며 동해 내 화성작용을 일으킨다.

해수면 위에 발달한 독도 성층화산부에 대한 연구는 부족하기는 하나 어느 정도 진행되었다. 하지만 해수면 밑에 발달한 독도의 대부분을 차지하는 순상형 해저화산부에 대한 연구는 수행되지 못하고 있다. 현재 독도와 울릉도는 울릉분지가 열개된 이후에 지하 깊은 열점으로부터 공급된 마그마에 의해 형성되었다는 설이 우세하나, 동해 하부 맨틀 깊은 곳으로부터 공급되는 핫플룸(hot plume)이 존재하지 않으며, 있었다 하더라도 섭입되는 해양지각에 의해 차단되어 동해에 화산을 형성할 수 없음을 생각할 때 다른 가능성을 생각해야 한다.

울릉분지 내에 북동-남서 방향의 약권 맨틀 상승부가 있으며, 이를 중심으로 대칭되는 위치에 울릉도와 독도가 위치하고 있고, 이 두섬이 대부분 해수면 밑에 발달한 순상형 화산으로 구성되어 있음을 고려할 때, 이들 울릉도와 독도의 순상형 화산부는 울릉분지 열개가 완료된 후 새로이 생긴 공간으로 유입되어 천부까지 상승한 약권 맨틀이 용융되어 만들어진 마그마에 의해 형성되었고, 화산활동 후기에 해수면 위에 독도가 만들어졌을 가능성이 있으나 현재 이를 확인할 자료는 없다.