동해 화산체의 형성 기원: 대륙지각 하부 암석권 맨틀에 의한 연약권의 EM1 조성

Abstract

독도를 포함한 동해 화산체의 성인으로 슬랩기원, 열점기원 등의 가설이 제시되었으나 여전히 논란의 여지가 남아있다. 이에 한국해양과학기술원에서는 2018년부터 해상 현장조사를 통해 울릉분지의 북동 경계에 위치하는 화산체들 중, 울릉도-안용복해산-독도-심흥택해산에서 해저 기반암 시료를 확보하여 동해 화산체의 성인을 규명하기 위한 연구를 수행해오고 있다. 여기에서는 기반암의 취합된 주원소, 미량원소, Sr-Nd-Pb 동위원소 분석 결과와 성인에 관한 지구조 해석을 제시한다. 해저화산체 기반암들의 조성은 조면현무암에서 조면암까지 알칼리 계열의 분화과정을 따라 넓은 범위의 원소함량 변화를 보이므로, 화산활동 당시 상승하는 마그마가 지각에서 여러 차례 정체하면서 충분한 분화과정을 겪은 것으로 판단된다. 미량원소의 조성은 마그마 분화에 의한 시료간의 차이가 뚜렷하며, 섭입에 의한 특성은 관찰되지 않는 반면, 해양섬 현무암에 가까운 부화 패턴을 보인다. EM1과 유사한 밀집된 범위의 동위원소 조성은 열점기원으로 추정한 기존의 연구결과와 일치한다. 그러나 낮은 Zr/Nb, 높은 Zr/Y, Th/Yb 등은 해양섬 현무암 보다는 대륙지각 하부의 암석권 맨틀(sub-continental lithospheric mantle, SCLM)과 유사하다. 따라서, 후열도 확장의 초기 분리(rifting) 단계에서 유라시아 대륙판에서 박리된(delaminated) SCLM 성분이 천부 심도에서 재활용되어 동해 하부의 연약권이 EM1 조성을 갖게 된 것으로 추정되며, 이 단일 성분의 연약권 맨틀이 상승하면서 대륙지각의 경계부에 동해 화산체가 형성된 것으로 판단된다. 가장 동쪽에 위치한 심흥택해산에서 젊은 연대의 울릉도 쪽으로 갈수록 (Tb/Yb)N 이 증가하는 양상은 암권의 두께에 비례한 용융심도의 증가를 지시하므로, 해저산 형성 당시 심흥택해산의 위치에서 암권의 두께가 가장 얇았으며, 이는 섭입대에서 멀어지는 방향을 갖는 후열도 분지의 맨틀 유동 성분에 의해 순차적으로 동해화산체가 형성되었을 가능성을 시사한다.