백악기 탄도분지의 기하와 확장형식 = Geometry and Extension Mode of the Cretaceous Tando Basin, Korea

국문 초록 (Abstract)

탄도분지는 경기도 안산시와 화성시 일원에 위치한 소규모 백악기 퇴적분지로, 이자나기판의 사교섭입과 관련된 좌수향 주향이동단층계에 의해 형성된 당겨열림분지로 알려져 있다. 기존 연구들은 주로 충전물의 노출이 양호한 분지 서부에서 퇴적환경의 진화과정을 분석하였으며, 인근 기반암의 엽리 궤적 분석을 통해 탄도분지를 마름모형 당겨열림분지로 해석한 바 있다. 본 연구에서는 탄도분지 전역에 대한 상세 지질도를 작성하고 분지경계와 내부에 발달한 다양한 구조요소들의 기하와 운동학적 특성을 분석하여 분지의 기하와 확장형식을 규명하고자 하였다. 분지충전물은 다량의 화산쇄설물과 육성기원의 쇄설성퇴적물로 구성되며, 주요 화산쇄설층을 건층으로 활용하여 총 6개의 퇴적단위(A-F)로 구분된다. 최하부 퇴적단위 A는 자색 이암, 사암, 역암으로 구성된 충적평원 퇴적층이며, 퇴적단위 B는 유문암질 화산력응회암과 재동층 및 다이아믹타이트로, 퇴적단위 C는 층상 유문암질 응회암과 재동층으로 구성된다. 퇴적단위 D는 두꺼운 괴상 유문암질 화산력응회암이며, 그 상위로 호성퇴적층인 퇴적단위 E가 놓인다. 최상부는 유문암질 응회각력암인 퇴적단위 F로 구성된다. 분지 서편은 전체 층서가 순차적으로 노출되는 반면, 동편은 상부 퇴적단위만 제한적으로 노출된다. 탄도분지는 북동-남서방향으로 약 3.4 km의 폭과 북서-남동 방향으로 약 2.6 km의 연장을 가진다. 분지 남동편 경계에서는 자색 이암과 기반암이 단층 접촉(N76°E/81°NW)하며, 단층각력암은 자색 이암에서 약 6 m, 기반암에서 약 1 m 두께로 나타난다. 기반암과 자색 이암의 경계에서는 약 3 cm 두께의 단층비지가 발달하며 좌수향 운동감각을 보인다. 충전물의 지층자세는 분지경계부와 내부에서 체계적인 차이를 보인다. 분지 북서 경계부에서는 층리가 유추된 경계단층과 아평행하게 배열되며, 남동 경계부에서는 단층에 가까워질수록 고각으로 경동되고 회전되어 단층의 좌수향 주향이동운동을 지시하는 끌림습곡의 기하를 보인다. 분지 내부층리는 전반적으로 동북동방향으로 경사지며, 평균 경사각은 상부 퇴적단위로 갈수록 28.0°에서 14.2°로 체계적으로 감소한다. 이러한 체계적인 경사각의 감소는 탄도분지가 퇴적동시성 수직 경동 운동을 경험하였음을 지시한다. 퇴적단위 D, E에서는 거의 수평한 남동 방향의 축을 가지는 완만한 향사구조가 인지된다. 분지 내부에는 퇴적동시성 정단층, 쇄설성 암맥, 방해석맥이 발달한다. 퇴적동시성 정단층은 경사 보정 결과 남-북 내지 북북동 주향의 공액상 지구-지루 및 도미노 기하를 보인다. 쇄설성 암맥은 경사 보정 후 평균 북북동-남남서 주향을 보이며, 최대 5 cm 폭의 녹회색 조립질 사암으로 구성된다. 방해석맥은 최하부 퇴적단위 A에 집중적으로 발달하며, 남-북 및 북서-남동 방향이 우세하다. 퇴적동시성 정단층의 단층이동자료와 쇄설성 암맥의 기하 분석으로 복원한 고응력장은 동-서 내지 서북서-동남동 방향의 최소수평응력을 일관되게 지시한다. 이상의 결과를 종합하면, 탄도분지는 동–서 성분의 인장이 작용하는 횡인장 응력장 하에서 북동–북북동 주향 좌수향 경계단층과 연계된 당겨열림 과정으로 형성된 소규모 주향이동분지로 해석된다. 전반적인 형성 메커니즘은 백악기 한반도 중서부의 다른 소규모 당겨열림분지들과 대체로 유사하나, 북북서–남남동 방향 기존 약대의 영향을 반영한 분지기하와 동–서 방향 인장구조의 발달이라는 점에서 구별되는 특징을 보인다. 특히, 인접한 남양분지가 남-북 계열 단층의 우수향 주향이동으로 형성된 것과 달리, 탄도분지는 북동 계열 단층의 좌수향 주향이동이 우세했다는 점에서 대조를 보인다. 이는 동일한 광역 응력장 하에서도 기반암 내 기존 약대의 방향성이 국지적인 단층 거동과 분지발달 양상을 제어하는 주된 요인으로 작용할 수 있음을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Tando Basin, a small Cretaceous sedimentary basin located in the Ansan and Hwaseong areas of Gyeonggi-do, Korea, is known to have formed as a pull-apart basin associated with a sinistral strike-slip fault system related to the NW-ward subduction of the Izanagi Plate. Previous studies have primarily analyzed the evolution of depositional environments in the western part of the basin where outcrops are well exposed, and interpreted the Tando Basin as a rhomboidal pull-apart basin based on foliation trajectory analysis of adjacent basement rocks.
This study aims to interpret the basin geometry and extension mode by
conducting detailed geological mapping across the entire Tando Basin and
analyzing the geometry and kinematic characteristics of various structural elements developed at the basin margins and within its interior. The basin fill is composed of a large amount of volcaniclastic material and terrestrial clastic sediments and is divided into six depositional units (A–F) based on major volcaniclastic layers as key beds. The lowermost Unit A is composed of deposits from an alluvial plain
environment, dominated by purple mudstone. Unit B is composed of a lower
bedded rhyolitic lapilli tuff overlain by reworked deposits and landslide deposits (diamictite). Unit C is composed of a bedded rhyolitic tuff and an overlying reworked volcaniclastic rock. Unit D is characterized by thick massive rhyolitic lapilli tuff, overlain by lacustrine deposits of Unit E. The uppermost Unit F consists of rhyolitic tuff breccia. The entire stratigraphic succession is sequentially exposed in the western part of the basin, whereas only the upper units are partially exposed in the eastern part. The Tando Basin has a width of approximately 2.6 km in the NE–SW direction and a length of approximately 3.4 km in the NW–SE direction. At the southeastern basin margin, purple mudstone and basement rocks are in fault contact (N76°E/81°NW). Fault breccia is approximately 6 m thick in the mudstone and 1 m thick in the basement, with fault gouge (~3 cm thick) developed at the contact. Bedding attitudes show systematic differences between the basin margins and interior. At the northwestern margin, bedding is aligned subparallel to the inferred boundary fault, while at the southeastern margin, steeply tilted strata and drag folds are developed. In the basin interior, bedding generally dips toward ENE, with mean dip angles systematically decreasing upward from 28.0° to 14.2°. A gentle synclinal structure with a nearly horizontal SE-trending fold axis is recognized in Units D and E. Syn-depositional normal faults, clastic dikes, and calcite veins are developed within the basin interior. After tilt correction, syn-depositional normal faults show N–S to NNE strikes with conjugate horst– graben and domino geometries. Clastic dikes show an average NE–SW strike after tilt correction and consist of greenish-gray coarse-grained sandstone up to 5 cm in width. Calcite veins are concentrated in the lowermost Unit A and predominantly strike N–S and NW–SE. Paleostress analysis using fault-slip data from
syn-depositional normal faults and geometric analysis of clastic dikes consistently indicates an E–W to WNW–ESE oriented minimum horizontal stress (σHmin). Based on these results, the Tando Basin is interpreted to have formed through a
pull-apart process at a stepover or releasing bend of NE-striking sinistral boundary faults under a transtensional environment. This formation mechanism is consistent with that of other small-scale Cretaceous pull-apart basins in the mid-western Korean Peninsula. In particular, the Tando Basin shows a distinct contrast to the adjacent Namyang Basin, which formed through dextral strike-slip movements along N–S trending faults, whereas the Tando Basin was dominated by sinistral strike-slip movements along NE-trending faults. This suggests that the orientation of pre-existing fabrics within the basement can act as a primary factor controlling local fault kinematics and basin development patterns, even under an identical regional stress field.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 언 1
• II. 지질학적 배경 5
• 1. 분지 주변 기반암 5
• 2. 탄도분지의 연구사 5
• 3. 분지 형성 시기 7
• III. 분지충전물의 퇴적단위 분류와 특성 9
• 1. 퇴적단위 A 10
• 2. 퇴적단위 B 11
• 3. 퇴적단위 C 12
• 4. 퇴적단위 D 13
• 5. 퇴적단위 E 14
• 6. 퇴적단위 F 15
• IV. 지질 구조 18
• 1. 분지경계단층 18
• 2. 지층자세 20
• 2.1. 분지경계 지층 21
• 2.2. 분지 내부 지층 23
• 3. 구조요소 25
• 3.1. 퇴적동시성 정단층 25
• 3.2. 쇄설성 암맥 30
• 3.3. 방해석맥 32
• 4. 고응력장 복원 34
• V. 토의 36
• 1. 분지의 기하 36
• 2. 분지확장형식 38
• 3. 남양분지와의 비교 42
• VI. 결론 45
• 참고문헌 47