서귀포패류화석층

[나비(김순옥)]

출처 : http://geopark.jeju.go.kr/index.php?mid=KR010304

서귀포패류화석층

1960년대 이후 지하수 개발을 위해 제주 전역에 걸쳐 시추된 수천 개의 시추공 자료들을 통해 제주도의 지하층서는 잘 밝혀져 있는 상태이다. 제주도 지하층서의 가장 주목할 만한 점은 제주도의 용암류가 해안지역에서는 두께가 단지 50～150 m 내외의 두께라는 것과 제주도의 지하 전역에 약 100 m의 두께를 가지는 화산쇄설암이 분포한다는 점이다(Sohn and Park, 2004; Sohn et al., 2008). 이 화산쇄설암은 일반적으로 불투수성으로 제주도 전역의 주요 지하수 흐름의 특성을 제어하는 중요한 차수대 역할을 하고 있다(Koh, 1997).

서귀포층의 위치와 지질도. CTA(s): 천지연조면안산암과 분석구 퇴적암, JTB: 정방동조면안산암, SPS: 서귀포층(after Yoon and Chough, 2006)

지하의 이 화산쇄설암은 제주도의 남부 해안지역에만 노출되어 있는 서귀포층에 대비되는 것으로 해석된다. 서귀포지역 일대의 해안에 노출되어 있는 서귀포층은 0.4 Ma의 하와이아이트(hawaiite) 용암에 의해 피복되어 있다(Lee et al., 1988). 40 m 두께로 노출되어 있는 이 층은 주로 현무암질 화산쇄설암으로 구성되어 있고 일부 비화산쇄설성 퇴적층이 협재되어 있다. 노두의 아래쪽 절반은 천해환경(내대륙붕에서 전안)의 암상을 보여주고 있으며, 함화석 층단위와 화석비 포함 층단위가 서로 교호하는 암상이 수매 나타나고 있다. 반면 노두의 위쪽 절반은 대부분 비해성과 비화석 층단위로 구성되어 있다. 이 층은 전반적으로 상위로 갈수록 깊은 수심에서 얕은 수심으로 변화하는 거대 연계층으로 구성되어 있으며, 이들 연계층 내에는 수매의 해침과 해퇴 주기가 나타나고 있는 것으로 알려져 있다.

함화석 층단위에 포함되어 있는 화석들은 연체동물, 완족동물, 유공충, 개형충, 미화석, 해면동물, 산호, 따개비, 성게, 상어 이빨, 이끼벌레 및 고래뼈까지 다양하게 포함하고 있으며, 연안지역에서 형성되는 수많은 흔적화석들도 나타나고 있다(Haraguchi, 1931; Kang, 2003; Kang et al., 1999; Kim, 1972; Li et al., 1999; Yi et al., 1998; Yokoyama, 1923; Yoon, 1988). 이러한 화석의 다양성으로 인해, 서귀포층은 1968년 천연기념물(제195호)로 지정되었다. 하지만 풍부한 화석 기록에도 불구하고, 이 층의 연대에 대해서는 플라이오세(Haraguchi, 1931; Kim, 1972; Yi et al., 1998; Yokoyama, 1923; Yoon, 1988)에서 플라이스토세(Li et al., 1999; Tamanyu, 1990)까지 상이한 결과가 제시되기도 해, 이들의 형성시기에 대해서는 아직도 논란의 여지가 남아 있다. 현재에도 이 층에 대한 다양한 관점의 학술연구가 진행 중에 있다(Khim et al., 2001; Kim et al., 2009; Yoon and Chough, 2006).

서귀포층 내의 손바닥 크기의 연체동물 화석을 포함하고 있는 현무암질 화산쇄설암

Yoon and Chough (2006)는 서귀포층의 노두에 대해 세밀한 퇴적학적인 조사를 실시하였다). 서귀포층은 암상, 퇴적구조, 침식경계면, 생물교란 및 화석포함여부 등을 기준으로, 10개의 화석포함 층단위와 4개의 화석 비포함 층단위로 구분된다. 이들 층단위에서는 역질모래, 모래, 이질 모래, 이질로 분류되는 조직특성과 생물교란, 괴상, 점이층리, 평행층리, 연흔 및 언덕사층리 등의 퇴적구조를 조합하여, 총 12개의 퇴적상이 구분된다.

서귀포층의 층서, 퇴적상 및 퇴적환경을 보여주는 전체주상도(after Yoon and Chough, 2006)

Class GS	역질사암(자갈 5-20%; 모래 80-95%; 이질 < 20%) 퇴적상 GS1 : 생물교란 역질사암 퇴적상 mGS1 : 생물교란 니역질사암 퇴적상 GS4 : 평행층리 역질사암 퇴적상 GS5 : 대규모 사층리 역질사암
Class S	사암(자갈 < 5%; 모래 > 80%; 이질 < 20%) 퇴적상 S1 : 생물교란 사암 퇴적암 S2 : 괴상 사암 퇴적상 S3 : 점이층리 사암 퇴적상 S4 : 평행층리 사암 퇴적상 S5-1 : 연흔사층리 사암 퇴적상 S5-2 : 언덕사층리 사암
Class MS	이질사암 (자갈 < 5%; 모래 48-80%; 이질 48-20%) 퇴적상 MS1 : 생물교란 이질사암
Class M	이암 (자갈 < 5%; 모래 < 20%; 이질 > 80%) 퇴적상 M2 : 균질 이암

각 층단위의 퇴적학적 특징

층단위 I은 생교란된 반고화의 이질사암층(퇴적상 MS1)으로 구성되며, 서귀포층 노두의 최하부에 해당된다. 구성 입자는 대부분 중립 모래 크기이며, 탄산염 생물파편이 우세하게 나타난다. 층단위 II와의 상부 경계면은 비교적 뚜렷하게 나타난다. 층단위의 전반적인 특성은 층단위 VII과 매우 유사하다.

층단위 II는 분급이 불량한 생물교란 역질 사암(퇴적상 GS1)으로 구성되어 있다. 다양한 종류와 크기의 해양화석(Pectenid, 따개비, 굴 등)과 소량의 원마도가 양호한 현무암편(역 또는 모래 크기)이 혼재되어 나타나며, Dunham (1962)의 석회암 분류기준에 따르면 입자암 내지 팩스톤에 해당된다. 이들 입자들은 중립 내지 세립 모래 크기의 생물파편기질(matrix)로 충진되어 있다. 패류화석들은 대부분 아래로 오목하게 놓여 있으며, 상당수 화석들이 부서지거나 마모되어 나타난다. 층단위의 최상부에서는 10여 cm 두께의 분급이 비교적 양호한 세립질괴상 사암(퇴적상 S2)이 점이적으로 하부 역질사암층을 덮고 있다.

층단위 III은 뚜렷한 상하부 경계면을 보이는 약 2～2.5 m 두께의 화석 비포함층으로서 주로 화산기원 퇴적물로 구성되어 있다. 두께 10 cm 이하의 얇은 사암층과 이암층이 교호하면서 뚜렷한 층리(beping)를 형성하고 있으며, 상부로 갈수록 협재되는 이암의 두께가 얇아지고 교호되는 횟수도 적어져서 사암이 두껍게 융합되어 나타난다. 대부분의 사암과 이암은 황갈색 내지 갈색을 띠지만, 일부 암회색을 띠는 사암은 주로 원마도가 불량한 화산암편으로 구성되어있다. 층단위를 이루는 개별 층들은 수평연장성이 비교적 양호하며, 두께의 변화도 거의 나타나지 않는다. 사암층에서는 괴상(S2), 점이층리(S3), 평행층리(S4), 연흔사층리(S5-1) 등이 관찰되는데, 점이층리 사암은 주로 층단위의 하부에, 연흔 사층리 사암은 상부에 우세하게 나타난다. 연흔은 비대칭적이며 파장 10～15 cm, 높이 1 cm 이하로서 고화되는 동안 수직방향으로 상당히 압축된 것으로 보인다. 평면상에서 연흔 정선(crest line)은 직선형 또는 파형으로 나타나며, 내부 사층리 방향으로부터 남쪽으로 이동하는 수류에 의해 형성되었음을 추정할 수 있다. 층단위의 상부경계부는 불규칙한 침식면으로 되어 있으며, 층단위 IV에서 시작된 생물서식구조에 의해 부분적으로 교란되어 있다.

약 1 m 두께의 층단위 IV는 생물교란을 심하게 받은 녹회색의 탄산염 이질사암(퇴적상 mGS1과 MS1)으로서, 왁케스톤(wackestone)에 해당된다. 주로 생물파편으로 구성되며, 화산암편과 비교적 온전한 형태의 패류화석을 소량 포함하고 있다. 생물교란은 거의 층단위 전체에 걸쳐 관찰되며, 주로 Psilonichnus 흔적화석상이 우세하다. 패류화석은 층경계면에 경사지거나 또는 불규칙하게 놓여 있는데, 심한 생물교란의 영향으로 추정된다. 층단위의 중간에는 약 10 cm 두께의 균질 이암층(M2)이 협재하며, 생물교란에 의해 층경계면이 부분적으로 변형되었다.

층단위 V는 미고화의 생물교란 사암층으로서 구성입자의 90% 이상이 분급이 매우 양호한 세립질 모래(평균입도 2.2～3.1Φ)이며, 석영입자가 우세하게 나타난다. 두께가 15 m에 달하는 두꺼운 층단위지만, 층리나 기타 퇴적구조는 전혀 관찰되지 않는다. 층단위 전반에 걸쳐 균일하지는 않지만 수직의 생물서식구조인 Ophiomorpha(지름 1.5～2 cm, 길이 10～15 cm)가 관찰되며, 대부분 아래로 오목하게 놓인 패류화석은 본 층단위의 하부에서 우세하게 산출된다. 아울러 수평의 생물서식구조와 2～3 cm 크기의 이매패류로 구성된 화석집중대가 다수의 층준에서 관찰되기도 한다. 층단위의 상하부 경계면은 침식면은 아니지만 비교적 뚜렷하게 나타난다.

고화되어 있지 않은 층단위 VI은 두께 1.3～1.5 m의 균질 이암층(M2)이다. 구성 퇴적물의 평균 입도는 약 8Φ이며 모래입자의 함유량이 5% 이하로 매우 적고, 상부로 가면서 약간의 세립화 경향을 보인다. 전반적으로 층단위 최상부를 제외하면 뚜렷한 생물서식구조가 나타나지 않지만, 층단위의 중간에는 수 cm 크기의 Pectenid 패류화석이 얇은 렌즈상으로 협재되어 나타나기도 한다. 층단위 최상부 50 cm 구간에서는 상위의 층단위 VII에서 시작된 수직 생물서식구조가 나타나며, 이들은 모두 사질 퇴적물로 충진되어 있다. 상하부 층경계면은 침식면은 아니지만 비교적 뚜렷하고 평탄하다.

층단위 VII은 0.4～0.5 m 두께의 미고결 이질사암층(퇴적상 MS1)으로서, 생물교란을 심하게 받았으며 전반적으로 황갈색을 띤다. 모래입자는 중립질이며, 염산반응을 하는 것으로 보아 생물기원 입자가 상당량 포함되어 있는 것으로 보인다. 층단위 VI과의 경계면은 생물의 활동에 의해 심하게 교란되어 불규칙하게 나타난다.

층단위 VIII은 1～1.5 m 두께의 기질지지 역질사암층으로서 화산암편의 역과 비교적 온전한 형태의 패류와 복족류 화석을 포함하고 있다. 층단위의 하부 경계면은 비교적 불규칙한 침식면으로 나타난다. 본 층단위에서는 층리가 다소 불명확한 수평 평행층리(퇴적상 GS4)와 저각도 혹은 고각도 사층리(퇴적상 GS5)가 관찰되는데, 서귀포층 노두의 동부에서는 주로 사층리 역질사암이 우세하고, 서부로 가면서 점차 평행층리 역질사암으로 대체된다. 생물교란구조는 거의 관찰되지 않지만, 다양한 화석이 포함되어 있는데, 사층리 역질사암에 포함된 화석에 비해 평행층리 역질사암에 포함된 화석이 보존상태가 양호하며 이들은 대부분이 아래로 오목하게 놓여있다. 사층리 세트는 5～30 cm 두께이며 곡형(trough) 또는 판상형(tabular)으로 나타나는데, 층단위 하부에서 상부로 가면서 세트의 두께가 다소 감소하고 형태는 곡형에서 판상형으로 바뀐다. 패류화석은 Glycymeris sp.와 Pectenid가 우세하며, 아래로 오목한 상태로 사층리면과 평행하게 배열되어 있다. 일부 두께 1 cm 내외의 이질 층(layer)가 층리를 따라 협재하기도 한다. 다양한 종으로 구성된 패류화석은 주로 층단위의 하부에 집중되어 있으며, 상부로 갈수록 양이 감소하고 대신 화산기원의 퇴적물이 우세하게 관찰된다. 층단위 상부를 구성하는 역 또는 모래 입자는 일부 산화되어 나타난다.

층단위 IX는 이암과 사암의 교호층으로서 화석이 전혀 나타나지 않는다. 층단위의 두께는 2.6～2.8 m로서 수 km에 이르는 조사지역 내에서의 수평적 층후의 변화는 20 cm 이하로 매우 작으며, 이암과 사암의 수평연장성도 매우 양호하다. 본 층단위의 특성은 조립질의 화산암편이 우세한 사암과 화산암편이 적은 세립질 사암층이 교호하며, 수 mm 두께의 실트질 또는 점토질 층이 자주 협재하며, 이 층은 1 km 이상 떨어진 노두에서도 대비될 만큼 수평연장성이 양호한 경우도 있다. 사암에서는 점이층리(S3), 수평평행층리(S4), 연흔사층리(S5-1), 소규모 저각도 사층리 또는 언덕사층리(S5-2) 등의 다양한 퇴적구조를 보인다. 특히 층단위의 중간에는 사태(slump)에 의한 것으로 해석되는 회선구조(convolution)를 보이는 층이 동부 노두에서 30～40 cm 두께로 나타나며, 이 층은 서쪽으로 가면서 점차 얇아져서 서부 노두에서는 5 cm 이하의 점이층리를 보이는 층으로 연결된다. 비대칭 연흔의 형태로부터 측정된 고수류의 이동방향은 북쪽에서 남쪽이었던 것으로 보인다. 층단위의 상부로 가면서 원마도와 분급이 불량한 화산암편으로 구성된 사암층이 우세하게 나타나며, 화산재가 공중에서 핵을 중심으로 달라붙어 형성된 약 0.5 cm 크기의 부가화산력(accretionary lapilli)이 수 개의 층준을 따라 수평으로 배열되어 있다. 층단위 상부경계면은 뚜렷한 침식면이며, 생물 활동에 의해 형성된 천공구조(boring)가 집중적으로 나타난다. 한편, 층단위의 하부경계면은 비침식면으로서, 일부에서는 하위 층단위 VIII에서와 유사한 얇은 역질사암층이 한 두 차례 협재하는 경우도 관찰된다.

서귀포층 노두에서 패류화석이 가장 풍부하게 산출되는 층단위 X은 두께가 1.5～2 m이며, 생물교란 역질사암(퇴적상 GS1)으로 구성된 다수의 층이 융합되어 나타난다. 대부분 조립질 생물파편으로 이루어져 있어서, 입자지지(clast-supported)의 입자암 내지 팩스톤(packstone)으로 분류되며, 원마도가 비교적 양호한 화산암력을 소량 포함하고 있다. 산출되는 화석은 이매패류, 완족류, 복족류, 산호 등 종류와 크기가 다양하며, 온전한 상태로 보존되어 있는 것들은 대부분 아래로 오목하게 놓여있으나 그 외의 방향으로 불규칙하게 놓인 것들도 다수 관찰된다. 층단위 중간에는 대형 Pectenid들이 집중적으로 쌓여 수평연장성이 양호한 Pectenid층(약 10 cm 두께)을 이루고 있다. 생물교란구조는 층 전반에 걸쳐 관찰되는데, Pectenid층 하부에는 주로 Ophiomorpha나 Skolithos와 같은 수직의 생물서식구조들이 대부분 Pectenid층을 시점으로 하여 하부로 발달되어 있다. Pectenid층 상부의 생물교란구조는 불규칙한 양상을 띠며 층전반에 걸쳐 산재하는데, Psilonichnus 흔적화석상과 관련된 수직의 생물교란구조가 우세하게 나타난다. 한편, 본 층단위 최하부의 일부 노두에서는 최대 30 cm 두께의 판상(planar) 사층리 역질사암층(퇴적상 GS5)이 렌즈형태로 협재하기도 한다. 이 역질사암층은 대부분 원마도가 보통 또는 비교적 양호한 화산암력 또는 모래로 구성되어 있으며 탄산염물질로 교결되어 있다. 그러나 육안으로 확인할 수 있는 화석은 거의 나타나지 않는다. 이 사층리 역암의 하부 경계는 뚜렷한 침식면인 반면, 상부 생물교란 역질사암층으로의 변화는 매우 점이적이어서 경계면이 뚜렷하지는 않다.

층단위 XI은 약 1 m 두께의 화석 비포함층으로서 다양한 1차 퇴적구조를 보이는 이암 및 조립질, 세립질 사암의 교호층이다. 조립질 사암은 원마도가 불량한 화산암편이 우세하며, 세립질 사암은 화산암편의 양이 상대적으로 적다. 이암은 동부 노두에서 층단위의 하부에 다수 협재되나, 서부 노두에서는 나타나지 않는다. 본 층단위의 사암층에서는 괴상(S2), 점이층리(S3), 평행층리(S4) 사암과 함께 상승연흔사층리(S5-1)가 특히 층단위의 상부에서 우세하게 관찰된다. 이들의 이동방향은 대략 남동방향으로서 여러 층준에서 유사한 이동방향을 보인다. 층단위의 하부경계면은 뚜렷하고 평탄한 면이나 침식의 증거는 발견되지 않는다. 상부경계면은 불규칙한 침식면으로서 생물 서식구조인 튜브형의 천공구조가 밀집되어 나타난다.

층단위 XII는 화석을 포함하는 역이질 사암층(퇴적상 mGS1)으로서 대부분 생물파편(왁케스톤 내지 팩스톤)에 해당된다. 소량의 화산암 역과 모래를 포함하고 있으며, 층후는 55～70 cm이다. 화석은 층단위 X에서와 유사한 연체동물 패류와 산호 등이 산재하는데, 패류화석이 놓여 있는 방향은 아래로 오목한 것들이 우세하지만, 위로 오목하게 뒤집어진(concave up) 것이나 수직으로 선 것들도 다수 관찰된다. 또한 층단위 전반에 걸쳐 심한 생물교란과 다양한 생교란구조가 관찰되는데, 이 가운데 특히 수직의 Skolithos가 비교적 뚜렷하게 인지된다. 층단위의 하부 경계는 불규칙한 침식면으로 나타나는데, 하위 층단위 XI에서 뜯겨진 것으로 보이는 수 십 cm 크기의 황갈색 이암편 또는 이질사암편이 층단위 최하부에 집중되어 있다. 이들 암편들은 뒤틀림과 같은 변형을 거의 받지 않았고 경계부가 뚜렷하며, 층단위 XI 최상부에서 관찰되는 것과 같은 생물서식 구조인 튜브형 천공구조를 포함한다.

30～35 cm 두께의 층단위 XIII은 희미한 수평평행층리, 언덕사층리, 파형층리 등을 보이는 황회색의 이질사암(퇴적상 S4, S5-2)으로 이루어져 있다. 구성 퇴적물은 대부분 중립 내지 세립 모래 크기의 변질된 화산암편으로, 육안으로 구분되는 화석은 없으며, 기존 연구에서도 미화석이 보고된 적은 없다. 하부경계는 급격한 암상의 변화로 뚜렷하며 불규칙한 면으로 이루어져 있으나, 침식 및 결층의 여부를 확인하기는 곤란하다. 층단위의 중간에는 상위 층단위 XIV에서 시작된 것으로 보이는 생물서식구조가 관찰되며, 내부에는 상위 층단위의 퇴적물로 충진되어 있다.

층단위 XIV는 약 1 m 두께의 화석을 포함하는 층으로서 주로 생물파편으로 된 왁케스톤(퇴적상 mGS1)으로 이루어져 있다. 전체적인 특징은 층단위 XII와 유사하나 이질 퇴적물의 함량은 다소 많은 편이다. 심한 생물교란이 나타나며, 흔적화석은 Psilonichnus로 분류될 수 있는 것들이 우세하게 관찰된다.

서귀포층 층단위 IX의 노두사진. 조류와 화산쇄설물 낙하에 의해 만들어진 다양한 퇴적구조를 보여주고 있다.

퇴적환경

서귀포층의 퇴적환경 모델
(after Yoon and Chough, 2006)

퇴적상분석과 기존 고생물 자료를 종합한 결과, 서귀포층은 육상 화산쇄설물이 재동되고 유입되어 폭풍의 영향이 우세한 연안 환경에서부터 이질 외대륙붕까지 다양한 천해환경에서 형성된 것으로 해석된다. 하천에 의해 운반된 육상의 화산쇄설물은 삼각주를 형성하면서 급격히 연안으로 유입되었고, 간헐적으로 해류나 해파에 의해 다시 재동되면서 교호하는 괴상, 점이층리, 평행층리, 사층리 사암과 이에 협재하는 박층의 균질 이암이 퇴적되었다. 주로 생물편으로 이루어진 생물교란 역질사암과 니역질 사암은 해안으로 접근하는 폭풍쇄류의 영향으로 연안에 형성된 생물편 뱅크에서 퇴적되었으며, 뱅크를 관통하는 조수로에서는 거대연흔이나 모래파, 또는 수로벽이 이동하면서 대규모 사층리와 평행층리의 역질사암이 집적되었다. 미고화의 두꺼운 생물교란 사질층은 외해역에 집적되어 있었던 퇴적물이 해류나 해파에 의해 지속적으로 재동된 후 연안 내지 내대륙붕으로 이동됨으로써 형성되었다. 생물교란 이질 사암은 생물편 뱅크의 내해쪽 만이나 해파나 조류의 영향이 크지 않았던 연안 내지 내대륙붕에서 퇴적된 것으로 보인다. 한편, 두꺼운 균질 이암은 해류나 해파의 영향이 작은 이질 외대륙붕에서 세립질 부유퇴적물이 침전되어 형성된 것으로 해석된다(Yoon and Chough, 2006).