장기분지는 한반도 남동부 일원에 분포하는 전기 마이오세 퇴적분지들 중 단일 면적으로는 가장 큰 규모의 분지로, 분지충전물의 층서, 비금속광상, 퇴적상, 식물화석, 고자기, 화산암류의 성인 등 다방면의 연구들이 1980년대 후반 이후 지속적으로 수행되어 왔다. 이러한 노력을 바탕으로 분지에 대한 이해가 상당히 증대되었으나 아직까지 장기분지의 구체적인 범위와 형성 과정에 관한 해석은 의문점으로 남아있다. 이번 연구의 궁극적인 목적은 한반도 남동부의 마이오세 퇴적분지의 형성과 지각변형사를 이해함에 있어 핵심적이면서도 미해결 과제로 남아있는 장기분지의 기하, 분지충전물의 특성, 분지의 확장 형식과 구조발달사를 규명하는데 있다. 이를 위해 1) 분지 전반을 대상으로 비교적 상세한 야외조사를 실시하여 지질도를 작성하고 분지 내부의 지질구조 요소들의 주요 특징을 파악하기 위한 자료를 수집하였다. 2) 분지충전물을 분대하고 야외에서 확인된 선후관계를 근거로 그 층서를 수립하였다. 3) 분지 내부에서 관찰되는 구조적 특징에 근거하여 장기분지를 총 5개의 지괴로 구분하였으며, 지괴 별로 충전물 분포와 내부 구조 그리고 경계 특성을 해석하였다. 4) 분지 내외에 발달된 주요 단층의 기하와 운동감각, 상호 간의 횡절을 규명하는 한편, 분지충전물 내에서 관찰되는 퇴적동시성 변형구조를 포함한 취성변형요소들을 활용하여 분지의 확장을 지시하는 고응력장을 복원하였다. 5) 분지충전물 내 포함된 화산암류의 절대연령을 측정하여 분지충전물의 퇴적시기와 경계단층의 운동시기를 파악하였으며, 이를 바탕으로 각 지괴의 주된 확장 시기를 해석하였다. 6) 획득된 정보들을 종합하여 장기분지의 범위와 기하, 분지충전물 층서, 확장 방향과 형식에 대한 해석을 제시하였으며, 이와 더불어 분지의 시공간적 발달 역사에 대한 총체적인 해석을 실시하였다.
장기분지는 주요 단층과 지층의 자세에 따라 북으로부터 소위 구룡포, 오천, 뇌성산, 영암리 지괴와 양포소분지로 구분된다. 구룡포지괴 내에는 다른 지괴에서 관찰되지 않는 보다 전기의 분지충전물이 분포하며, 이 암석들은 암상 특징, 화산물질의 조성과 산상, 상호 횡절을 기준으로 하부로부터 중흥리층, 구룡포층 그리고 공개산데사이트질암으로 분대된다. 각각은 모두 정합 접촉하며, 후기의 현무암에 의해 피복 및 관입되어 있다. 중흥리층은 각지고 분급이 불량한 기반암과 데사이트질 화산물질을 포함하는 괴상 역암으로 주로 구성되며, 내부에 한 매의 데사이트질 응회암을 포함한다. 구룡포층은 데사이트질 응회암류와 이에 협재된 세립질 퇴적물이 우세한 응회질 퇴적암으로 구성된다. 이 지층의 하부와 상부에는 공통적으로 퇴적암이 협재되며, 그 사이에는 용결 유리질 응회암이 우세한 특징을 보인다. 공개산데사이트질암은 하위의 암석을 피복 또는 관입한 데사이트질 용암류와 맥암류 그리고 일부의 집괴암으로 구성된다. 이들 지층은 모두 뇌성산현무암질암을 구성하는 용암류에 의해 피복되거나 맥암류에 의해 관입되어 있다. 한편, 오천, 영암리, 뇌성산 그리고 양포소분지는 구룡포지괴의 분지충전물과 부정합 관계인 보다 후기의 암석들로 충전되어 있으며, 이들 지괴의 분지충전물은 서로 유사한 암상 특징과 층서를 보인다. 공통적으로 분지충전물의 기저에는 비화산성 기원의 쇄설성 퇴적물이 분포하며, 그 상부를 데사이트질 화산물질을 다량 포함한 지층들이 정합으로 피복하고 있다. 구룡포지괴와 인접한 오천과 뇌성산 지괴의 분지기저층인 정천리역암과 장기역암 내에는 공통적으로 구룡포지괴 분지충전물 내 포함된 데사이트질 응회질 물질이 다량 포함된다. 이는 구룡포지괴의 분지충전물이 상대적으로 전기에 퇴적된 이후 다른 지괴 분지충전물 내에 외래 쇄설성 물질의 형태로 유입되었음을 지시한다. 한편, 이들 지층들은 모두 보다 후기의 현무암질 용암류와 응회질 각력암, 맥암류에 의해 피복 또는 관입되어 있다. 화산암류 내에 포함된 저어콘을 활용하여 LA-MC-ICPMS U-Pb 방사성 동위원소 절대연령을 실시한 결과, 구룡포층의 데사이트질 응회암과 공개산데사이트질암의 데사이트의 연대는 각각 22.97±0.13 ~ 22.59±0.13 Ma, 22.99±0.27 ~ 22.38±0.16 Ma로 도출된다. 반면, 뇌성산지괴 성동리층의 연대는 보다 젊은 20.22±0.13 Ma로 도출되었으며, 이번의 야외조사에 근거하여 새로이 제시된 암층서가 타당함을 보여준다. 구룡포지괴의 분지충전물은 와읍분지의 분지충전물과 유사한 암상 특징과 절대연령을 보여 서로 대비되는 것으로 판단되며, 그에 따라 한반도 남동부 일원의 전기 마이오세 암석 층서에 관한 거시적인 관점에서는 범곡리층군 하부로 대비된다. 주변 지괴 내의 데사이트질 화산물질을 포함한 지층과 그 하부의 지층들은 모두 범곡리층군 상부로 대비되며, 현무암질 화산물질을 포함한 지층들은 장기층군으로 대비된다. 이러한 결과들은 구룡포지괴의 분지충전물은 그동안 한반도 남동부에서 보고된 전기 마이오세 암석들 중 가장 먼저 퇴적된 분지충전물이며, 장기분지는 전기 마이오세 퇴적분지 내에서 가장 먼저 확장되기 시작한 분지임을 의미한다.
구룡포지괴는 전반적으로 남 내지 남남동 방향으로 경동된 반지구형 분지로, 지괴의 연변부는 대부분 단층으로 경계된다. 동서 내지 동북동 방향의 축을 갖는 길쭉한 인장틈의 형태를 보이며, 지괴 북쪽은 대부분 남쪽으로 경사진 서북서 내지 동서, 북동 내지 동북동 방향의 정단층 내지 좌수향 횡인장성 단층에 의해 경계된다. 서북서와 동서 방향 단층들은 북동 내지 동북동 방향의 현무암질 암맥과 단층에 의해 절단되어 있어 상대적으로 먼저 형성된 구조로 해석된다. 지괴 남쪽의 경계는 현재에는 매몰되어 지표에서 관찰되지 않으나, 인접부에 발달한 퇴적동시성 인장변형구조와 분지충전물의 자세 변화에 근거할 때 북쪽으로 경사진 동서 내지 서북서 방향의 정단층으로 추정된다. 경계단층 인근의 분지충전물 퇴적상과 분포 특징, 지층 자세의 변화, 분지충전물 내에서 관찰되는 성장단층의 기하와 고응력장 복원결과 그리고 데사이트질 암맥의 방향성에 근거하면, 구룡포지괴는 남북 내지 북북동-남남서 방향으로 확장된 것으로 해석된다. 한편, 다른 지괴들은 모두 북동 내지 동북동 방향의 장축을 갖는 인장틈과 유사한 형태를 보이며, 북서-남동 방향의 지각신장을 지시하는 일련의 비대칭형 지구 또는 반지구의 기하를 형성하고 있다. 분지충전물들은 대부분 체계적으로 북서로 경사져 있으며, 후기의 현무암질 화산활동에 의해 교란 또는 함몰된 구역에서는 현무암을 중심으로 경사방향이 수렴되거나 주향이 아동심원상으로 회전되는 특징을 보인다. 공통적으로 지괴의 북서쪽과 북쪽은 북동 내지 동북동 방향의 정단층에 의해 경계되며, 남쪽은 동북동 방향의 정단층들과 이를 연결하는 북북서 방향의 이음단층에 의해 경계된다. 전자들은 모두 남동쪽으로 경사진 점완 또는 서가형 단층기하를 보이며, 후자들은 이와 반향단층으로 운동한 특징을 보인다. 각 지괴의 내부에서 관찰되는 소규모 정단층, 공액상 성장단층, 현무암질 암맥 등의 인장구조들은 거의 대부분 경계단층과 평행한 북동 내지 동북동 방향으로 배열된다. 취성변형요소에 의한 고응력장 복원결과, 최대주응력축(σ1) 또는 중간주응력축(σ2)가 수직 혹은 아수직이며, 최대수평응력(σHmax)과 최소수평응력(σHmin)이 각각 북동 내지 동북동과 북서 내지 서북서 방향으로 도출된다. 이러한 결과들은 모두 전기 마이오세 동안 지속된 광역적인 북서-남동 방향의 인장력에 의해 구룡포지괴를 제외한 장기분지의 전반이 북서-남동 방향으로 확장되었음을 지시한다. 한편, 구룡포지괴의 서 내지 남서편과 다른 지괴들 간의 경계부, 장기분지의 남서편을 기반암과 경계한 단층은 모두 북북서 방향의 우수향 횡인장성 단층으로 규명되었다. 두 단층과 인접한 분지충전물 내에서 북북서 혹은 북동 방향의 소규모 성장단층들이 관찰되며, 이들은 주단층과 평행한 소규모 단층과 이차적인 신장열극에 해당하는 부차단층들로 해석된다. 공통적으로 단층 상반 인접부에 역암이 분포하는데, 보다 상부의 분지충전물에 의해 정합으로 피복된다. 이는 횡인장성 단층들이 분지충전물과 퇴적동시기로 활동하였음을 지시한다. 이들은 분지 도처에서 지각신장을 지시하는 인장구조들과 약 40° ~ 65° 각도로 사교한다. 이상의 특징들과 시계방향 지괴수평회전을 보고한 기존 자료들을 종합하면, 장기분지는 전기 마이오세 동안 구룡포지괴의 확장 사건이 종결된 이후 분지의 북동쪽과 북서쪽에서 서로 짝을 이루며 발달한 우수향 주변위대의 사이에서 이차적인 지각신장으로 인해 당겨열림형 확장운동을 겪은 것으로 해석된다. 또한 장기분지는 전기 마이오세 초기인 약 23 ~ 22.4 Ma 동안에는 분지의 북동쪽이 확장되다가 그 이후인 약 22 ~ 18 Ma 에 걸쳐 보다 남서쪽 영역으로 지각 확장 영역과 퇴적심이 이동되는 사건을 겪은 것으로 판단된다. 한편, 장기분지에서 관찰되는 이상의 특징들은 한반도 남동부 일원의 마이오세 퇴적분지에서 일반적으로 관찰되는 당겨열림형 확장 운동, 북서향 지괴 경동, 시계방향 지괴 수평회전, 남서향 전파열개, 데사이트질 및 현무암질 이원성 화산활동 양상들과 잘 부합된다.

This study has the ultimate goal of determining the geometry, basin fills
characteristics, extension mode, and structural evolution history of the Janggi Basin,
which remains a key but unresolved task in understanding the Miocene crustal
deformation and basin formation. The main performance of this study are 1)
detailed geological mapping and data acquisition of the entire basinal region to
identify the major geological and structural characteristics of the Janggi Basin
based on the field survey. 2) Lithostratigraphic classification of the basin fills on
the basis of their cross-cutting relationships determined from field works. 3)
Structural compartmentalization of the basin into five blocks based on their
strucutral features and determining the basin fills distribution, internal structure,
boundary characteristics of the each domain. 4) Investigation of the geometry,
kinematics, and cross-cutting relationships of major faults developed within and
around the basin and performing the paleostress field reconstructions indicating
the basin extension based on the fault slip data and syndepositional structural
components. 5) Measuring the absolute age of volcanic rocks in the basin fills to
identify the depositional age and movement timing of the border fault and
interpreting the main extension timing of the each block. 6) Synthetic
interpretation of the geometry, lithostratigraphy of the basin fills, direction and
mode of the extension as well as spatio-temporal development history of the
Janggi Basin.
The Janggi Basin is devided into so-called Guryongpo, Ocheon, Noeseongsan,
Yeongamri blocks, and Yangpo Subbasin from the northern area on the basis of major fault distribution and stratal attitudes of the basin fills. The basin fills in the
Guryongpo Block, the oldest basin fills which are not observed in other blocks, are
classified into Jungheungri Formation, Guryongpo Formation, and Gonggaesan
Dacitic rock in ascending order, based on the lithological characteristics,
composition and occurrence of the containing volcanic rocks, and their
cross-cutting relationships. Those strata show a conformable relationships, and
unconformably covered or intruded by the later basaltic volcanic rocks. The
lowermost Jungheungri Formation is mainly composed of massive conglomerates
including angular and poorly sorted basement-derived clasts and dacitic volcanic
meterials, and contains a dacitic tuff unit. The Guryongpo Formation is comprised
of dacitic tuffs intercalated with fine-grain dominated tuffaceous sedimenary rocks.
The intercalating sedimentary rocks are common in the lower and upper part of
the strata whereas the welded vitric tuffs are dominated in the middle part. The
Gonggaesan Dacitic rock consist of lava flows, dikes, and locally distributed
agglomerates, which are conformably covered or intruded the underlying basin fills.
All the strata are covered by lava flows or intruded by dikes of the Noeseongsan
Basaltic rock. On the other hand, the Ocheon, Yeongamri, Noeseongsan blocks,
and Yanggpo Subbasin are filled with younger basin fills, which have
unconformable relationship with the basin fills in Guryongpo Block, showing a
similar lithological and stratigraphic characteristics. The lowermost part of basin fills
are dominated by non-volcanogenic clastic sediments, but the conformably
overlying basin fills have thick volumes of dacitic volcaniclastic materials in
common. The Jeongcholli Conglomerate and Janggi Conglomerate, the basal strata
of Ocheon and Noeseongsan blocks, respectively, commonly have the dacitic
volcanic materials derived from the adjacent Guryongpo Block. The older dacitic
volcanic materials in the non-volcanic conglomerate, dominated in the basal part
of basin fills, of Ocheon and Noeseongsan blocks indicate that the basin fills of
the Guryongpo Block have redeposited into the adjacent blocks in the form of
exotic clastic sediments after the earlier deposition. All of these basin fills are
covered or intruded by basaltic lava, tuff breccia, dikes of Noeseongsan Basaltic
rock. As a result of LA-MC-ICPMS U-Pb radioactive isotope age dating using the
zircons contained in the volcanic rocks, the absolute ages of dacitic tuff of the
Guryongpo Formation and dacites of the Gonggaesan Dacitic rock are determined
to 22.97±0.13 ~ 22.59±0.13 Ma, 22.99±0.27 ~ 22.38±0.16 Ma, respectively, whereas
the age of Seongdongri Formation in Noeseongsan Block is identified to
20.22±0.13 Ma. The results coinside with the field interpretation, thus reveal that the basin fill lithostratigraphy suggested from this study is reasonable for
understanding the development history of Janggi Basin. It is interpreted that the
basin fills of the Guryongpo Block are correlated with the basin fills of Waup Basin
because of their similar features of lithology and absolute age, the basin fills
therefore can be correlated to the lower part of Beomgokri Group from the view
of regional stratigraphy of the Miocene rocks in the southeastern part of Korean
Peninsula. All the younger basin fills in the adjacent blocks including dacitic and
basaltic volcanic materials are correlated with the upper part of Beomgokri Group
and Janggi Group, respectively. The results imply that the basin fills of Guryongpo
Block are the most earliest Early Miocene basin fills reported from the SE Korea
and the Janggi basin has began to form in the most earliest stage of basin
openings during the Early Miocene.
The Guryongpo Block is a half-graben type basin generally tilted toward to
south ~ south-southeast, the margins are mostly bounded by faults. The block has
a EW- to ENE-trending elonggated shape, the northern part of basin is bordered
with WNW- to EW- and NE- to ENE-trending normal to normal slip-dominated
sinistral transtensional fault dipping southward. The WNW- to EW-striking faults are
interpreted to have formed relatively earlier stage because they are cut by the NEto
ENE-striking basaltic dikes and faults. The buried boundary of the southern part
of the block cannot be observed in the surface area, but it can be assumed that
the border fault developed in the subsurface area as EW- to WNW-trending
normal fault dipping toward north-direction, based on the domonated orientations
of the adjacent syndepositional extensional structures and change of stratal
attitudes of the basin fills. On the basis of the sedimentary facies and distribtion
of the basin fills, change of stratal attitudes, geometry of the growth faults
observed in the basin fills, paleostress filed reconstruction results, and orientation
of dacitic dikes, this block is interpereted to have extended with NS to NNE-SSW
direction. In contrast, the other blocks show a similar geometry having a NE- to
ENE-trending elongate shape, they are forming a series of asymmetric graben or
half-graben indicating the NW-SE crustal extensions. Most of the basin fills are
systematically tilted toward to NW except the later basaltic volcanism dominated
area (Noeseongsan Block and northeastern part of Yangpo Subbasin). In the latter
case, the stratal attitudes of dacitic volcanic material-bearing basin fills are
characterized by convergence of dip-direction toward to basaltic bodies and
concentrically rotation of the strikes. The blocks are bounded by NE- to
ENE-striking normal faults in the northwestern and northern margins, and by ENE-striking normal faults connected by NNW-striking transfer faults in the
southern margins, respectively, in common. The former show a systematic listricor
domino-shaped geometry dipping southeastward, while the latter have a
characteristics of antithetic faults. Orientations of the extensional structures
observed in the each block including minor faults, conjugate growth faults, basaltic
dikes are systematically oriented to NW- to ENE-direction parallel to the basin
bounding faults. According to paleostress field reconstuction results calculated from
the geometric and kinematic data indicate a consistent stress field represented by
vertical or sub-vertical principal axes of maximum (σ1) or intermediate (σ2) stress
axes with NE-SW to ENE-WSW and NW-SE to WNW-ESE directed maximum (σHmax)
and minimum (σHmin) horizontal axes, respectively. All the results exhibit that the
overall NW-SE extension of the Janggi Basin due to the regional NW-SE tension
prolonged during the Early Miocene except the Guryongpo Block. In addition, the
boundary between the western and southwestern part of Guryongpo Block and the
adjacent blocks and the southwestern margin of the Janggi Basin were determined
to NNW-trending dextral trastensional faults. NNW- and NE-trending growth faults
observed in the adjacent basin fills are interpreted as the minor faults parallel to
the major faults and secondary extensional structures, i.e. the subsidiary faults. The
conglomerates distributed in the hangging wall are conformably overlain by the
upper basin fills. This reveal that the basin bounding transtensional faults have
activated during syndepositional stage, which intersect the extensional structures
obliquely at an angle of 40° ~ 65°. According to the results and previous studies
reporting the clockwise horizontal block rotation, the Janggi Basin is interpreted to
have formed by pull-apart basin opening due to secondary crustal extension
caused by the dextral movement of a pair of principal displacement zones during
the Early Miocene after the extension of Guryongpo Block. It is also interpreted
that the extension of the Janggi Basin can be divided into two stages, the
northeastern part of basin, the Guryongpo Block, have opened during the earlier
stage (ca. 23 ~ 22.4 Ma) and after that, ca. 22 ~ 18 Ma, major crustal extension
and depositional center have migrated southwestward. Finally, the overall features
including the pull-apart opening, NW-tilting, clockwise block rotation, and dacitic
to basaltic bimodal volcanisms indentified in the Janggi Basin are coincident with
the major characteristics of the Miocene basins in the SE Korea.