물리탐사는 금속광상에서 광화대를 탐사하는데 효율적인 방법으로 국내 외에서 전략광물자원을 개발하기 위하여 널리 이용되고 있다. 물리탐사 결과로부터 광화대를 정확하게 해석하기 위하여 암석의 물리적 특성을 이해하는 것이 매우 중요하다. 따라서 이 연구는 국내 대표적 스카른 광상인 가곡광산의 광석 및 모암을 대상으로 실내에서 다양한 물성을 측정하였으며, 그 결과로부터 가곡 스카른 광상을 구성하는 지층의 물리적 특성을 파악하고자 하였다. 암석시료는 시추코어 및 노두에서 채취하였으며, 시료의 물성은 실내 암석물성 측정시스템을 이용하여 밀도, 대자율, 전기비저항, 광대역 유도분극을 측정하였다. 그 결과 광석은 모암에 비하여 낮은 전기비저항과 높은 대자율 및 밀도를 보였으며, 광대역 유도분극에서 큰 위상과 특정한 임계주파수가 나타났다. 광석의 광대역 유도분극 측정 자료를 Cole-Cole 역산을 통하여 얻은 충전성과 시간상수로부터 황화광물의 함량과 입자의 크기를 추정할 수 있어 스카른 광상 탐사에서 유용할 것으로 기대된다.
물리탐사는 금속광상에서 광화대를 탐사하는데 효율적인 방법으로 국내 외에서 전략광물자원을 개발하기 위하여 널리 이용되고 있다. 물리탐사 결과로부터 광화대를 정확하게 해석하기 위하여 암석의 물리적 특성을 이해하는 것이 매우 중요하다. 따라서 이 연구는 국내 대표적 스카른 광상인 가곡광산의 광석 및 모암을 대상으로 실내에서 다양한 물성을 측정하였으며, 그 결과로부터 가곡 스카른 광상을 구성하는 지층의 물리적 특성을 파악하고자 하였다. 암석시료는 시추코어 및 노두에서 채취하였으며, 시료의 물성은 실내 암석물성 측정시스템을 이용하여 밀도, 대자율, 전기비저항, 광대역 유도분극을 측정하였다. 그 결과 광석은 모암에 비하여 낮은 전기비저항과 높은 대자율 및 밀도를 보였으며, 광대역 유도분극에서 큰 위상과 특정한 임계주파수가 나타났다. 광석의 광대역 유도분극 측정 자료를 Cole-Cole 역산을 통하여 얻은 충전성과 시간상수로부터 황화광물의 함량과 입자의 크기를 추정할 수 있어 스카른 광상 탐사에서 유용할 것으로 기대된다.
Geophysical exploration is widely used to develop strategic mineral resources in the world because of its efficient method in detecting mineralized zones in the metallic ore deposit. It is important to understand the physical properties of the stratum so that geophysical data can be more accurately ...
Geophysical exploration is widely used to develop strategic mineral resources in the world because of its efficient method in detecting mineralized zones in the metallic ore deposit. It is important to understand the physical properties of the stratum so that geophysical data can be more accurately interpreted. This paper is to comprehend physical properties of the rock at the Gagok mine, a typical skarn deposit in Korea. Thus, laboratory tests were conducted on specimens of ore and host rocks which were collected from rock outcrops and drill cores at the Gagok mine. Using the measurement system of rock physical property, we investigated the density, magnetic susceptibility, resistivity, and spectral induced polarization. According to the results, all physical properties of specimens had wide differences depending on contents of ore minerals, which are formed by skarnization. Especially, using the chargeability and time constant from the calculated spectral induced polarization data by the Cole-Cole inversion, we could estimate the volume contents as well as the grain size of the sulfide minerals. Therefore, the spectral induced polarization technique may be considered a useful method when exploring metallic ore deposit with sulfide minerals.
Geophysical exploration is widely used to develop strategic mineral resources in the world because of its efficient method in detecting mineralized zones in the metallic ore deposit. It is important to understand the physical properties of the stratum so that geophysical data can be more accurately interpreted. This paper is to comprehend physical properties of the rock at the Gagok mine, a typical skarn deposit in Korea. Thus, laboratory tests were conducted on specimens of ore and host rocks which were collected from rock outcrops and drill cores at the Gagok mine. Using the measurement system of rock physical property, we investigated the density, magnetic susceptibility, resistivity, and spectral induced polarization. According to the results, all physical properties of specimens had wide differences depending on contents of ore minerals, which are formed by skarnization. Especially, using the chargeability and time constant from the calculated spectral induced polarization data by the Cole-Cole inversion, we could estimate the volume contents as well as the grain size of the sulfide minerals. Therefore, the spectral induced polarization technique may be considered a useful method when exploring metallic ore deposit with sulfide minerals.
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문제 정의
또한 탐광조사에 활용되고 있는 다양한 물리탐사 결과를 해석하기 위한 암석의 물성 측정 및 해석 방법에 대한 연구는 전무한 실정이다. 따라서 이 연구는 스카른 광상의 가곡광산을 대상으로 시추코어 및 노두로부터 광석과 모암 시료를 채취하고, 실내에서 전기비저항을 비롯한 다양한 물성을 측정하여 광석 및 모암별 물성치의 분포 범위 및 특성을 파악하여 스카른 광상의 광화대 물리탐사 결과를 해석하는데 기초적 자료로 활용하고자 한다.
이러한 탐사방법을 통해 얻은 결과로부터 광화대를 해석하기 위해서는 주변 모암과 광화대의 전기적 물성차이를 파악하는 것이 중요하며, 더 나아가 다량의 주파수별 유도분극 자료를 해석하여 광종 구별 및 유용광물의 함량 등을 파악할 수 있기를 기대한다. 이러한 측면에서 이 연구는 가곡광산의 스카른광석과 모암을 비롯한 주변 암석 및 관계화성암을 대상으로 밀도, 대자율, 전기비저항, 광대역유도분극을 측정하여 물리탐사 결과에 의한 스카른광상 해석에 기초자료를 제시하고자 하였다.
제안 방법
광대역 유도분극에서는 주파수에 따른 위상으로부터 유도분극 효과를 파악하여 황화금속 광물에 대한 정보를 정성적으로 파악하였다. 또한 측정 자료를 Cole-Cole 모델 역산을 통해서 유도분극 매개변수인 충전성과 시간상수를 얻었으며, 괴상의 황화금속 광물을 다량으로 수반하고 있는 광석은 주변모암에 비하여 충전성과 시간상수가 컸다.
광물자원 탐사에서 유용하게 사용되는 전기비저항과 대자율의 측정 결과로부터 Table 3과 같이 물성치의 분포 범위를 이용하여 3가지의 물성그룹으로 구분하였으며, Fig 7에 그래프로 도시하였다. 물성 그룹 1은 대자율이 100 × 10−5 SI 보다 크고, 전기비저항은 100 ohm-m 이하에 속하는 시료들로서 전도 성이 높은 금속광물을 함유하고 있는 광석 시료(82.
Lee and Lee (2009)은 시멘트로 제작한 시료를 물로 포화시키고, 시료의 함수율에 따른 전기비저항 변화를 파악하였다. 그리고 표준화된 측정공정을 제안하여 측정에서 발생하는 오차를 줄이도록 하였다. Park (2004)는 지반의 전기비저항에 영향을 미치는 요인을 파악하기 위하여 암석시료에 다양한 전기전도도를 가진 물로 포화시켜 전기비저항 변화를 측정하였다.
그러나 이 연구에서는 같은 시료에 대해서 여러 가지 물성을 측정하기 때문에 시료를 보존해야 한다. 따라서 원통형 시료의 대자율은 윗면과 아랫면에 센서를 직접 접촉해서 측정하는 방법을 선택하였다.
또한 송신되는 전류량 및 전원방식에 영향을 고려하여 다양한 전기저항을 대상으로 송신되는 전류량, 송신기의 종류 및 분로저항의 크기 등을 순차적으로 변화시켜 자료를 얻었다. 그 결과 최대 주파수인 1,024 Hz에서 위상이 가장 작게 측정된 조건을 제시하였다(Table 2).
수중에서 시료의 무게는 소수점 둘째 자리까지 측정할 수 있는 전자저울 아래에 줄을 연결하고 그 줄에 시료를 매달아 물을 채운 용기 안에서 측정하였고, 공기 중에서 시료의 무게는 표면의 물기를 젖은 수건으로 닦은 다음 전자저울로 측정하였다.
Decade resistance box는 수신기에서 송신 전류를 모니터링하기 위한 분로저항기(shunt resistor)로, 10진 저항의 스위치로 되어 있다. 시료홀더와 전극은 전기비저항 측정시스템과 같은 장치를 사용하였으며, 모든 실험장치의 설치가 끝나면 포화된 암석시료를 측정하였다.
그 결과 최대 주파수인 1,024 Hz에서 위상이 가장 작게 측정된 조건을 제시하였다(Table 2). 암석시료는 전기비저항 측정에서 얻은 시료의 저항크기에 따라 Table 2에서 최적의 조건을 적용시켜 광대역 유도분극 자료를 얻었다.
암석의 기본적 물성인 밀도는 부력법을 이용한 수포화 밀도로서, 진공펌프로 포화시킨 시료에 대해 수중 및 공기 중에서 측정한 무게를 이용하여 (1)과 (2)식으로 계산하였다(Franklin, 1979). 이때 정확한 밀도 계산을 위해서 시료의 공극을 채우는 물의 비중이 동일해야 하기 때문에 탈이온수와 NaCl을 일정한 몰농도(0.001 M)로 혼합한 염수를 이용하였다.
전극방식은 GS식 4극법을 응용한 방법으로써, 전극과 시료 사이에 시료의 공극을 채운 염수보다 농도가 100배 높은 염수(NaCl 0.1M)를 적신 거름종이(Filter paper)를 삽입하여 시료와 전극의 접촉면에서 발생하는 과전압 현상(Madden, 1961)을 줄였다(Park, 2004).
Park (2005)은 점토 광물의 함량에 따른 전기비저항 변화를 파악하기 위하여 공업용 한천과 두 종류의 점토광물로 만든 인공 시료의 전기비저항을 측정하였다. 점토광물의 함량이 높을수록 전기비저항은 낮았으며, 이러한 관계를 이용하여 상관관계식을 유도하였다. Sung (2010)은 국내 암석물성 데이터베이스를 구축하기 위해 국내 여러 지역에서 산출되는 암석에 대한 다양한 물성을 측정하였고, Glass beads와 황화금속 광물을 배합한 인공 시료의 광대역 유도분극을 측정한 결과로부터 통계적 기법을 적용하여 광석의 품위평가에 이용하고자 하였다.
정확한 측정을 위하여 공기 중에서 대자율이 ± 1 × 10−5 SI로 안정되도록 일정시간 동안 예열을 통하여 교정하였다.
측정시스템의 검증을 위하여 유도분극 효과가 없는 전기저항을 측정하였다. 그러나 측정결과 주파수가 10 Hz 보다 큰 주파수 영역에서 유도분극 효과를 나타내는 위상이 관찰되었으며, 주파수가 커질수록 반응이 커졌다.
이 현상을 송수신전선 사이에서 발생하는 유도성 결합(inductive coupling)에 의한 잡음(Hallof, 1974; Wynn and Zonge, 1975)이 원인일 것으로 판단하였다. 측정에서 잡음을 줄이기 위하여 송신전선과 수신 전선 사이의 거리를 이격시키고, 전선의 길이를 최대한 짧게 설치하였다.
지층별로 시료의 수량을 Table 1에 나타냈다. 특히 스카른을 받은 암석 중에서 육안으로 섬아연석, 방연석, 황동석, 자류철석 및 황철석과 같은 황화금속 광물이 다량으로 관찰되는 시료를광석으로 나타냈다.
대상 데이터
Cole-Cole 모델 역산은 모든 주파수 대역을 사용하고자 하였으나 10 Hz 이상에서 시료의 유전체 특성으로 위상이 급격하게 상승함에 따라 충전성이 1 이상으로 계산되는 오류가 발생하였다. 따라서 시료의 유전체 특성을 보이지 않는 10 Hz 이하의 주파수 영역만을 사용하였다.
연구지역인 가곡광산(구 제2연화광산)은 행정구역상 강원도 삼척시 가곡면 풍곡리에 해당하며, 현재는 휴광 중인 광산이다. 그러나 1971년부터 1978년까지 597,351 톤의 광석을 생산한 실적이 있으며, 평균 품위는 Pb가 3.
지질도에 표시된 12개 시추공(Fig. 1)의 시추코어에서 184개의 다양한 암석시료를 채취하였으며, 추가적으로 광산 입구에 있는 3곳의 노두에서 6개의 홍제사 화강암을 채취하였다. 지층별로 시료의 수량을 Table 1에 나타냈다.
이론/모형
암석의 기본적 물성인 밀도는 부력법을 이용한 수포화 밀도로서, 진공펌프로 포화시킨 시료에 대해 수중 및 공기 중에서 측정한 무게를 이용하여 (1)과 (2)식으로 계산하였다(Franklin, 1979). 이때 정확한 밀도 계산을 위해서 시료의 공극을 채우는 물의 비중이 동일해야 하기 때문에 탈이온수와 NaCl을 일정한 몰농도(0.
암석의 전기 전도성 차이를 나타내는 전기비저항은 아크릴 소재로 만든 직육면체의 홀더에서 포화된 시료를 고정시켜 정전류 방식의 Handy Viewer MINI-OHM(OYO Co.) 측정기로 측정하였다.
이 연구에서도 암석 및 광석시료의 광대역 유도분극 측정결과를 이용하여 Cole-Cole 모델 역산을 수행하여 충전성과 시간상수를 계산하고(Son et al., 2007), 그 결과를 곡선 형태에 따라 구분하여 Fig. 11에 도시하였다.
성능/효과
100 ohmm의 전기비저항과 100 × 10−5 SI의 대자율을 기준으로 구분하면 광석 시료는 기준보다 낮은 비저항과 높은 대자율을 보이며, 주변 모암의 물성과 확연하게 구별되었다.
전체적으로 보면 화강암 및 페그마타이트 등의 관입암, 모암의 석회암, 슬레이트, 스카른, 광석 순으로 밀도가 높게 나타난다. 광석과 스카른 시료 경우 전체시료 밀도의 평균보다 높은 시료 비율이 62.3%를 차지하였고, 반면에 주변모암인 슬레이트와 석회암, 관입암의 규장암, 화강반암, 화강암 및 페그마타이트 시료의 경우에는 18.4%를 차지하였다. 이 차이는 스카른에 의한 광화작용으로 광석과 스카른 시료의 경우 밀도가 높은 방연석, 섬아연석을 비롯한 다양한 금속광물을 수반하기 때문인 것으로 판단된다.
측정시스템의 검증을 위하여 유도분극 효과가 없는 전기저항을 측정하였다. 그러나 측정결과 주파수가 10 Hz 보다 큰 주파수 영역에서 유도분극 효과를 나타내는 위상이 관찰되었으며, 주파수가 커질수록 반응이 커졌다. 이 현상을 송수신전선 사이에서 발생하는 유도성 결합(inductive coupling)에 의한 잡음(Hallof, 1974; Wynn and Zonge, 1975)이 원인일 것으로 판단하였다.
또한 측정 자료를 Cole-Cole 모델 역산을 통해서 유도분극 매개변수인 충전성과 시간상수를 얻었으며, 괴상의 황화금속 광물을 다량으로 수반하고 있는 광석은 주변모암에 비하여 충전성과 시간상수가 컸다. 또한 분산상으로 황화금속광물을 배태하는 일부 스카른 및 슬레이트를 광석과 구분될뿐만 아니라 다른 주변모암과 효과적으로 구분되었다. 따라서 광대역 유도분극은 황화금속 광물의 상대적인 함량과 입자의 크기를 유추하는데 효과적으로 이용될 것으로 판단된다.
광대역 유도분극에서는 주파수에 따른 위상으로부터 유도분극 효과를 파악하여 황화금속 광물에 대한 정보를 정성적으로 파악하였다. 또한 측정 자료를 Cole-Cole 모델 역산을 통해서 유도분극 매개변수인 충전성과 시간상수를 얻었으며, 괴상의 황화금속 광물을 다량으로 수반하고 있는 광석은 주변모암에 비하여 충전성과 시간상수가 컸다. 또한 분산상으로 황화금속광물을 배태하는 일부 스카른 및 슬레이트를 광석과 구분될뿐만 아니라 다른 주변모암과 효과적으로 구분되었다.
시료의 대자율 평균값으로 보면 광석과 슬레이트 시료가 3,000 × 10−5 SI이상을 나타내고, 스카른 시료는 756 × 10−5 SI를 보이고 있어 주변의 모암이나 관입암에 비하여 월등히 크게 나타난다.
실험을 통해 얻은 암석 물성자료는 암종별로 박스플롯 (Skeletal box-and-whisker plot)을 이용하여 물성의 분포 및 왜도(skewness)를 효과적으로 나타냈다. 박스플롯은 자료에서 최솟값과 최댓값을 양 끝선에 두고, 자료의 25%(제1사분위수)와 75%(제3사분위수) 사이의 분포를 상자로 표시한다.
연구 결과에서 섬아연석과 방연석, 자류철석 및 자철석을 함유하고 있는 스카른 광석은 모암 및 주변암석에 비하여 높은 밀도와 대자율, 낮은 전기비저항, 강한 유도분극 반응을 보이고 있어 황화금속 광물의 영향을 잘 반영하고 있다. 100 ohmm의 전기비저항과 100 × 10−5 SI의 대자율을 기준으로 구분하면 광석 시료는 기준보다 낮은 비저항과 높은 대자율을 보이며, 주변 모암의 물성과 확연하게 구별되었다.
8에 속하며, 관계화성암 등 황화금속 광물이 거의 없는 곡선 형태 4는 충전성과 시간상수가 작게 나타난다. 이러한 결과로부터 Cole-Cole 모델 역산의 충전성 및 시간상수로부터 황화금속광물의 상대적인 함량과 입자의 크기를 유추할 수 있을 것으로 보인다.
3은 다양한 시료의 밀도 분포를 나타내고 있다. 전체적으로 보면 화강암 및 페그마타이트 등의 관입암, 모암의 석회암, 슬레이트, 스카른, 광석 순으로 밀도가 높게 나타난다. 광석과 스카른 시료 경우 전체시료 밀도의 평균보다 높은 시료 비율이 62.
채취한 암석시료는 물성측정을 위하여 원통형으로 성형하였으며, 시추코어는 양 단면을 평행하게 절단하였다. 그리고 노두에서 채취한 암석은 실내에서 코어링 과정을 통하여 원통형으로 성형하였다.
후속연구
또한 분산상으로 황화금속광물을 배태하는 일부 스카른 및 슬레이트를 광석과 구분될뿐만 아니라 다른 주변모암과 효과적으로 구분되었다. 따라서 광대역 유도분극은 황화금속 광물의 상대적인 함량과 입자의 크기를 유추하는데 효과적으로 이용될 것으로 판단된다.
이러한 탐사방법을 통해 얻은 결과로부터 광화대를 해석하기 위해서는 주변 모암과 광화대의 전기적 물성차이를 파악하는 것이 중요하며, 더 나아가 다량의 주파수별 유도분극 자료를 해석하여 광종 구별 및 유용광물의 함량 등을 파악할 수 있기를 기대한다. 이러한 측면에서 이 연구는 가곡광산의 스카른광석과 모암을 비롯한 주변 암석 및 관계화성암을 대상으로 밀도, 대자율, 전기비저항, 광대역유도분극을 측정하여 물리탐사 결과에 의한 스카른광상 해석에 기초자료를 제시하고자 하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
브릭스 국가에는 어떠한 나라들이 있는가?
우리나라는 자원 다소비형 국가로써 2002년 이후 중국, 브라질, 인도 등 브릭스(BRICs) 국가 및 개발도상국의 급속한 경제발전에 따른 광물자원 수요급증과 원자재 가격폭등에 따라 전략광물자원의 안정적인 확보를 위하여 국내·외 광상탐사에 필요한 자원탐사 기술 고도화에 노력하고 있다. 광산 개발의 초기 계획단계에서 광화대를 효율적으로 찾기 위하여 다양한 물리탐사 방법이 이용되고 있으며, 물리탐사 결과로부터 얻은 전기비저항, 충전율, 자화율 및 밀도와 같은 물리량의 차이로 지하구조를 파악하여 광화대를 해석하고 있다.
가곡광산은 무엇인가?
연구지역인 가곡광산(구 제2연화광산)은 행정구역상 강원도 삼척시 가곡면 풍곡리에 해당하며, 현재는 휴광 중인 광산이다. 그러나 1971년부터 1978년까지 597,351 톤의 광석을 생산한 실적이 있으며, 평균 품위는 Pb가 3.
국내에서 두 번째로 큰 규모의 연-아연 광산은 무엇인가?
연구지역인 가곡광산(구 제2연화광산)은 행정구역상 강원도 삼척시 가곡면 풍곡리에 해당하며, 현재는 휴광 중인 광산이다. 그러나 1971년부터 1978년까지 597,351 톤의 광석을 생산한 실적이 있으며, 평균 품위는 Pb가 3.
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