Evolution of the Mesozoic sedimentary basins of the southern Korean Peninsula inferred from geochemistry, sedimentology, and detrital zircon geochronology

Abstract

Understanding evolution of the Korean Mesozoic sedimentary basins is important to reconstruct the geological history of the Mesozoic Korean Peninsula. This study deals with three topics about sedimentary basins of two different ages in the western Korean Peninsula: (1) the Neungju Basin (Cretaceous), (2) the Chungnam and Gimpo basins with the Seokmun Formation (Triassic to Jurassic). In Chapter 1, facies analysis is carried out to investigate stratigraphic evolution of the Cretaceous Neungju Basin. Four facies associations are recognized: (1) alluvial fan, (2) alluvial plain, (3) sandflat, and (4) playa lake. Vertical and spatial changes in depositional environments were strongly controlled by tectono-volcanic subsidence and source area rejuvenation after active volcanism. The boundary between syneruption and inter-eruption deposits is highly variable according to the relative position in the basin. In proximal environments, erosive boundaries were formed on syn-eruption deposits after volcanism due to minor influence of tectono-volcanic subsidence. In distal environments, whereas, conformable surface (flooding surface) was formed on syn-eruption deposits due to tectono-volcanic subsidence. In Chapter 2, mudstone geochemistry was examined in the Neungju Basin to investigate compositional contrast due to separation and mixing of different source rocks, in support of previous detrital zircon age data. The Neungju Basin fill of the study area was derived from Precambrian metamorphic rocks, Triassic to Jurassic granites, and Cretaceous volcaniclastic plains on the southern part of the basin. Sediment detritus derived from these source rocks were not fully mixed in the proximal environments (alluvial to sandflat), and thus, the proximal sediments do not reflect the overall compositional characteristics of the surrounding rocks, providing inappropriate information about tectonic settings. On the other hand, sediments deposited in the distal environment (the central playa lake) provide weathering intensities lower than expected, due to the input of unaltered materials from the unstable, southern volcaniclastic plains. In Chapter 3, the tectonic evolution of the western Korean Peninsula during the Early Mesozoic is inferred by mudstone geochemistry and detrital zircon U-Pb age dating. The results suggest (1) the northern distribution of crystalline basement rocks as the hinterland side and southern distribution of metasedimentary cover rocks as the foreland side in the Early Mesozoic orogenic belts, (2) a transition from a collisional to a convergent tectonic setting during their deposition.

한반도 중생대 지질사를 복원하기 위해서는 중생대 퇴적분지들의 발달에 해한 이해가 요구된다. 본 연구는 한반도 서부에 분포하고 있는 두 시기의 중생대 퇴적분지에 대한 세 가지 주제를 다루고 있다. 연구 대상은 백악기의 능주분지와 삼첩기-쥬라기의 충남분지, 김포층군, 그리고 석문층이다. 제1장에서는 능주분지의 발달사를 조사하기 위해 퇴적상분석 통한 연구를 수행하였다. 능주분지에서는 선상지, 선상지평원, 사질평원 및 플라야호수 환경을 지시하는 네 종의 퇴적상조합이 확인되었다. 퇴적환경의 시공간적 분포는 화산활동 이후 수발된 분지침강과 기원지의 융기에 의해 결정되었다. 화산활동기와 비활동기 퇴적물 사이의 경계면은 분지 내에서의 상대적 위치에 따라 다양하다. 근부환경에서는 화산활동과 관계된 침강의 영향이 적어 화산활동기 퇴적물 위에 침식면이 발달할 수 있으나, 원부환경에서는 침강의 영향이 지배적이기 때문에 화산활동기 퇴적물 위에 정합적으로 호수퇴적이 쌓이게 된다. 제2장에서는 서로 다른 기원지로부터 공급된 퇴적물이 분리/혼합되는 양상을 연구하기 위해 기존 연구들에서 제시된 능주분지 사암의 저어콘 U-Pb 연대자료와 함께 능주분지 이암의 지화학적 조성을 조사하였다. 연구지역 능주분지의 분지충진물은 선캄브리아기 변성암, 삼첩기-쥬라기 화강암 및 분지남부지역 내에 발달한 화산쇄설물평원에서 기원하였다. 서로 다른 기원지로부터 공급된 퇴적물질은 근부환경(선상지에서 사질평원)에서는 완전한 혼합을 이루지 않았으며, 따라서 근부환경 퇴적물은 분지를 둘러쌓은 기원암 전반의 조성적 특징을 반영하지 않아 분지의 지구조환경에 대한 부적절한 정보를 제공한다. 한편 원부환경(플라야호수)의 퇴적물은 화산쇄설물평원으로부터 충분히 풍화받지 않은 퇴적물질을 공급받았기 때문에 다른 퇴적학적, 고생물학적 증거들로부터 제시되는 풍화강도에 비해 낮은 풍화강도를 산출한다. 제3장에서는 이암의 지화학분석과 사암의 저어콘 연대 분석을 통하여 전기 중생대 동안 한반도 서부에서 발생한 지구조적 진화를 조사하였다. 그 결과 전기중생대 동안 한반도 서부에 발달한 조산대는 기반암이 노출된 북쪽의 후방지(hinterland side)와 변성퇴적암류가 노출된 남부의 전방지(foreland side)로 구성되어 있었으며, 전기중생대의 퇴적분지들이 발달하는 동안 한반도 서부는 충돌성(collision) 지구조환경에서 수렴성(convergent) 지구조 환경으로 전이했다는 것을 확인할 수 있었다.