서울대학교  1992 년도 학위논문

제주도 현무암질 응회환 및 응회구의 퇴적기구
Depositional models of basaltic tuff rings and tuff cones in Cheju Island, Korea

손영관

서울대학교 대학원 해앙학과

1992 이학박사 학위논문

   제주도는 신생대 제 4 기에 형성된 화산도로서 알칼리암 계열의 현무암 및 조면암 그리고 소량의 화산 쇄설암과 퇴적암으로 이루어져 있다. 특히 360 여 좌에 달하는 분석구와 10 여개의 응회환 및 응회구를 포함한다. 본 논문은 제주도의 서단과 동단에 위치한 수월봉, 송악산, 일출봉 그리고 우도 응회환 및 응회구에 대한 퇴적학적 연구를 포함한다. 수월봉은 화구의 지름이 약 1 km, 높이가 70 m 인 응회환으로서 대수대에서의 수성 폭발 (Hydroexplosion)에 의해 대기 중에서 퇴적되었다. 기공의 함량이 적은 현무암질 유리편 (sideromelane)으로 주로 구성되어 있으며 결정질 현무암편, 퇴적암편, 석영사 등의 포획성분을 포함한다. 화구 근처에는 괴상 또는 성충의 화산력 응회암이 우세하고 하류로 가면서 저각도 파동충, climbing dune, 그리고 엽층리 응회암이 나타난다. 이러한 퇴적상은 하류로 가면 흐름의 세기 (flow power)와 입자의 농도가 감소하고 난류성 운동이 증가하는 화쇄난류 (pyroclastic surge)를 지시한다. 송악산은 화구의 지름이 약 800 m, 높이가 80 m인 응회환으로 화구에는 분석구와 용암호가 자리하고 있다. 송악산 역시 대수대에서의 수성 폭발에 의해 형성되었으며, 수월봉과 유사한 성분 및 퇴적상을 보여 화쇄난류에 의해 주로 퇴적된 것으로 해석된다. 특히 화구주변에서 관찰되는 퇴적상들은 고밀도 저탁암과 유사한 상조합을 보여 화구 인근의 화쇄난류가 복잡한 유변환 (flow transformation)을 겪었음을 시사한다. 일출봉은 화구의 지름이 600 m, 높이가 180 m, 화구바닥의 높이가 90 m인 응회구로서 얕은 해조로의 마그마 분출에 의해 형성되었다. 주로 기공을 비교적 많이 함유한 유리질 화산력으로 구성되어 있으며, 주변암 기원의 결정질 현무암괴를 소량 포함하고 있다. 화구 주위에는 성충 화산력 응회암, 사면 하부에는 괴상 또는 역사층 퇴적체, 가장자리에는 박층리 응회암으로 구성되어 있다. 퇴적은 주로 화산쇄설물의 수지상 분출 (tephra finger jet), 입자류, 쇄설류, 사면사태 그리고 약간의 화쇄난류에 의해 이루어졌다. 우도는 화구의 지름이 850 m, 높이가 130 m인 응회구로 비교적 얕은 대수대와 천해에서의 수성폭발에 의해 형성되었다. 기공의 양이 비교적 많은 유리질 화산력과 현무암 및 응회암편의 포획성분으로 구성되어 있다. 퇴적상은 역점이층을 보이는 판상 또는 렌즈상의 층들로 이루어져 있으며, 이들은 수자상의 쇄설물 분출에서 기인한 입자류에 의해 퇴적된 것으로 해석된다. 입자류는 화설강 (pyroclastic fall) 으로 낙하하던 쇄설물들이 사면을 따라 저농도 입자류 또는 debris fall 로 변환되어 흐른 후 퇴적되었다. 위의 연구결과는 깊은 폭발심도를 가진 응회환이 주로 화쇄난류에 의해 퇴적되는 반면 얕은 폭발심도를 갖는 응회구는 수지상의 쇄설물 제트, 입자류 그리고 재동작용 (resedimentation)에 의해 주로 퇴적됨을 나타낸다. 이러한 퇴적작용의 차이는 응회한 및 응회구의 형태상의 변화를 초래했다. 화쇄난류는 높은 이동성과 빠른 속도를 가져 높이 대 폭의 비율 (aspect ratio) 이 낮은 퇴적체를 형성한 반면, 쇄설물 제트는 화구 주위에 높이 대폭의 비율이 큰 퇴적체를 쌓았다. 후자의 경우 쇄설물이 건조하면 입자류에 의해 주로 퇴적이 되었으나, 쇄설물이 습한 경우에는 퇴적면에 쇄설물이 달라붙어 급경사면을 이룬 후 사면사태가 간헐적으로 일어났다. 물 대 마그마의 혼합비율 (mixing ratio of water to magma) 은 주로 입도 및 퇴적상의 특징들에 영향을 주었다.

   Cheju Island, Korea is a Quaternary shield volcano composed mainly of basalt, minor trachyte and pyroclastic rocks of an alkaline basalt-trachyte association. The island contains about 360 scoria cones and about 10 tuff rings and cones. Two tuff rings (Suwolbong and Songaksan) and two tuff cones (Ilchulbong and Udo) have been studied for eruptive and depositional processes. The Suwolbong sequence comprises partly preserved rim beds of a low-aspect-ratio tuff ring whose rim-to -tim width exceeds 1 km and height is about 70 m. The tuff ring formed on a subaerial basalt plateau by hydroexplosions at a moderately deep aquifer. The hydroclastic sequence contains abundant accessory lithics such as crystalline basalt fragments, sedimentary rock fragments and quartz sand as well as juvenile components of non-vesicular sideromelane shards and tachylite. The tuff ring is characterized by massive to crudely stratified lapilli tuff in the proximal part and by low-angle undulatory-bedded, climbing dune-bedded and very thin-bedded (lapilli) tuff in the medial-to-distal part. The facies organization suggests dry pyroclastic surges which decrease in particle concentration and in suspended-load fallout rate with an increase in turbulence and sorting processes. The Songaksan tuff ring is about 80 m high near the crater rim whose diameter measures ca. 800 m. It contains a cluster of scoria cone and a lava pond in its crater. The tuff ring formed on a basalt plateau covered with very shallow sea water. Explosions occurred at a moderately deep aquifer, resulting in admixture of considerable amounts of accidental components in the tuff ring deposits. Inward-dipping to horizontal near-vent deposits show facies sequences composed of scour-fill bedded, inversely graded, massive and laminated deposits from base to top. The facies organization suggests flow (gravity) transformation of near-vent pyroclastic surges due to flow unsteadiness and variations in suspended-load fallout rate. Sedimentary facies in outward-dipping flank deposits are similar to those of the Suwolbong tuff ring, suggestive of waning flow power of pyroclastic surges. The Ilchulbong tuff cone shows a very high aspect ratio with a height of 180 m and rim-to-rim width of 600 m. Crater floor is 90 m above pre-eruption surface. The tuff cone formed on a basalt plateau covered with shallow sea water a few metres deep. Magmatic components are generally lapilli-size and poorly to moderately vesicular. Accessory components comprise only crystalline basalt fragments derived from the underlying basalt basement, suggestive of shallow depth of explosion. Sedimentary facies comprise crudely and evenly bedded deposits in steep rim beds, lenticular beds of massive and backset-stacked deposits in base-of-slope, thin-bedded tuff in distal margin, and irregular bedded, massive deposits in volcaniclastic apron. Depositional processes were dominated by wet tephra finger jets which constructed steep rim beds. The rim beds were occasionally resedimented by debris flows and slide/slump, forming base-of-slope deposits. Minor pyroclastic surges produced distal, marginal beds. After eruption ceased. cone materials were reworked by debris and stream flow, forming volcaniclastic apron. The Udo tuff cone shows a moderately high aspect ratio with a height of 130 m and rim-to-rim width of 850 m. The crater contains a scoria cone and a lava flow basalt. Magmatic components are generally lapilli-size and poorly to moderately vesicular. Accessory components comprise crystalline basalt and acidic tuff fragments. Explosion probably occurred at a shallow aquifer of basalt. Sedimentary facies comprise mostly planar to lenticular beds of inversely graded lapilli, thin interbeds of tuff layers and occasional massive to chaotic deposits. Depositional processes were dominated by grain flows transformed from tephra jets. Occasional failure of steep rim beds produced massive or chaotic deposits. Estimation of explosion depths, vent-region hydrology and water/magma ratios suggests that the two tuff rings were associated with deep explosion depths and efficient mixing rations of water to magma (either relatively dry, e.g. Suwolbong or wet, e.g. Songaksan). The tuff cones resulted from shallow explosions and either dry (e.g. Udo) or wet (e.g. Ilchulbong) eruptions. Water/magma ratios are mainly related to the size and wetness of individual particles and hence control mainly type and character of sedimentary facies. Effects on morphology of volcanic edifices are subordinate. Morphologic variations result primarily from eruptive and depositional processes, whether they are dominated by pyroclastic surges (tuff rings) or by tephra jets and grain flows (tuff cones). The eruptive and depositional processes are, in turn, controlled by the depth of explosion because the explosion depth determines the character of volcanic jets (velocity and pressure) and subsequent depositional processes.