[논문]에티오피아 남부 켄티차 페그마타이트의 분화양상과 희유원소 광화작용

김의준; 김수영; 문동혁; 고상모

doi:10.9719/eeg.2013.46.5.375

초록
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켄티차(Kenticha) 희유원소(Ta-Li-Nb-Be) 광화대는 에티오피아 남부의 오피올라이트 습곡-쓰러스트 복합체내에 위치하고 있으며, 1980년대 에티오피아-구소련간 수행된 공동탐사 프로그램을 통해서 처음 발견되었다. 켄티차 희유원소 광화대는 남쪽에서 북쪽으로 덜미다마(Dermidama), 킬킬리(Kilkele), 슈니힐(Shuni Hill), 켄티차, 부포(Bupo) 페그마타이트를 포함한다. 켄티차 페그마타이트는 남북방향의 사문암과 활석-녹니석 편암층을 평행하게 관입하고 있으며, 대략 연장 2 km, 폭 400-700 m로 노출되어 있다. 켄티차 페그마타이트는 내부적으로 대상(zoning)을 이루고 있으며, 광물조합에 따라 하부 석영-백운모-조장석 화강암, 중부 백운모-석영-조장석-미사장석 페그마타이트, 상부 스포듀민-석영-조장석 페그마타이트로 세분된다. 주성분, 미량성분(Rb, Li, Nb, Ta, Ga), 원소비(K/Rb, Nb/Ta, Mg/Li, Al/Ga)는 페그마타이트의 분별작용과 고화작용이 하부에서 상부 페그마타이트로 진행되었음을 시사한다. 반면에 일반적인 페그마타이트 멜트의 분화양상과 달리 켄티차 페그마타이트의 Mg/Li 비는 상부 페그마타이트로 가면서 증가하는 양상을 보인다. 이러한 양상은 후기 마그마성 열수변질 또는 상부 초염기성암과의 반응 결과로 해석된다. 켄티차 페그마타이트의 희유원소 광화작용은 상부 페그마타이트에 집중되며, 최대 $Li_2O$ 3.0%, Rb 3,780 pm, Cs 111 ppm, Ta 1,320 ppm, and Nb 332 ppm을 함유하고 있다. 켄티차 페그마타이트에서 광석광물은 주로 탄탈라이트, 스포듀민, 레피돌라이트가 산출되며, 탄탈라이트는 거정의 석영-스포듀민과 상대적으로 세립의 당상 조장석과 함께 산출된다. 탄탈라이트는 $Mn^*$과 $Ta^*$ 값에 근거할 때 Mn-탄탈라이트로 분류된다. 거정질과 세립의 탄탈라이트는 조성($Mn^*$, $Ta^*$, Nb/Ta) 차이가 명확히 나타나며, 거정질 탄탈라이트는 세립의 탄탈라이트에 비해 Ta이 강하게 부화되며 Nb은 결핍되어 있다. 결론적으로 켄티차 페그마타이트에서 희유원소 광화작용은 마그마 멜트의 분별작용 최후기에 형성되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Kenticha rare-element (Ta-Li-Nb-Be) mineralized zone is located in ophiolitic fold and thrust complex of southern Ethiopia and was firstly discovered by joint exploration program of Ethiopia-Soviet in 1980s. It includes Dermidama, Kilkele, Shuni Hill, Kenticha, and Bupo pegmatites from south to ...

The Kenticha rare-element (Ta-Li-Nb-Be) mineralized zone is located in ophiolitic fold and thrust complex of southern Ethiopia and was firstly discovered by joint exploration program of Ethiopia-Soviet in 1980s. It includes Dermidama, Kilkele, Shuni Hill, Kenticha, and Bupo pegmatites from south to north. The Kenticha pegmatite intruded parallel to NS-striking serpentinite and talc-chlorite schist, and is exposed approximately 2 km length and 400-700 m width. The Kenticha pegmatite is internally zoned and subdivided into lower quartz-muscovite-albite granite, intermediate muscovite-quartz-albite-microcline pegmatite, and upper spodumene-quartz-albite pegmatite, based on their mineral assemblage. The major, trace elements (e.g., Rb, Li, Nb, Ta, and Ga), and element ratios (e.g., K/Rb, Nb/Ta, Mg/Li, and Al/Ga) suggest that the fractionation and solidification of pegmatite have progressed from the lower towards upper pegmatite. In contrast, unlike general magmatic fractionation, Mg/Li ratios of the Kenticha pegmatite tend to be increased towards the upper pegmatite. It may result from post-magmatic hydrothermal alteration and/or interaction with upper ultramafic rock. Rare-element mineralization in Kenticha pegmatite concentrates on the upper pegmatite, which contains up to 3.0 wt % $Li_2O$, 3,780 ppm Rb, 111 ppm Cs, 1,320 ppm Ta, and 332 ppm Nb. Ore minerals in Kenticha pegmatite mostly include tantalite, spodumene, and lepidolite, and tantalite has an association with coarser quartz-spodumene and relatively fine sacchroidal albite. The tantalite is classified into Mn-tantalite as a function of $Mn^*[Mn/(Mn+Fe)]$ and $Ta^*[Ta/(Ta+Nb)]$ values. Its compositions ($Mn^*$, $Ta^*$, and Nb/Ta) between coarse and fine tantalites are different and the former is strongly enriched in Ta and depleted in Nb compared to latter one. In conclusion, rare-element mineralization in the Kenticha pegmatite may has occurred in the latest stage of magmatic fractionation.

주제어

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문제 정의

이번 연구에서는 켄티차 지역의 야외지질조사와 채취된 시료의 지구화학분석을 통한 페그마타이트의 산출특성, 분별작용, 희유원소 광화작용을 이해하는데 그 목적이 있다. 또한 이번 연구는 국내에 보고되어져 있지 않은 희유원소 페그마타이트의 소개와 함께 그에 대한 관심을 증대시키고자 한다.
이번 연구에서는 켄티차 지역의 야외지질조사와 채취된 시료의 지구화학분석을 통한 페그마타이트의 산출특성, 분별작용, 희유원소 광화작용을 이해하는데 그 목적이 있다. 또한 이번 연구는 국내에 보고되어져 있지 않은 희유원소 페그마타이트의 소개와 함께 그에 대한 관심을 증대시키고자 한다.

제안 방법

페그마타이트 시료의 광물동정은 한국지질자원연구원 광물자원연구실에서 보유하고 있는 Rikaku/ SmartLab 고분해능 X선 회절분석기를 이용하였다. 시료는 입도 분리 또는 화학적 처리를 거치지 않았으며, agate mortar를 이용하여 미분쇄하여 가능한 한 방향성을 가지지 않도록 X선 회절분석기 홀더(holder)에 장착하여 X선 회절분석을 실시하였다. X선 회절분석은 흑연으로 단색화 된 파장(CuKα= 1.
전자현미경 분석은 경상대학교 공동실험실습관의 JXA-8100을 이용하여 탄탈라이트와 장석류들의 화학분석이 이루어졌으며, 분석조건은 전자 빔 크기 0.5 µm, 가속전압 15 kv, 빔 전류 10 nA로 설정하여 분석이 실시되었다.
켄티차 페그마타이트를 대상으로 1:5,000 규모의 정밀 맵핑(mapping)과 페그마타이트의 주향에 교차하는 방향으로 칩 샘플링(Chip sampling)을 실시하였다. 채취된 시료는 총 95개이며, 켄티차 페그마타이트의 하부, 중부, 상부로 각각 구분하여 채취하였다.
페그마타이트의 하부, 중부, 상부는 각각 X-ray Fluorescence(XRF) 분석기를 이용하여 주성분의 분석이 이루어졌으며, 미량성분 및 희토류원소들의 조성은 Perkin-Elmer DRC II ICP-MS를 이용하여 분석이 진행되었다. 페그마타이트 시료의 광물동정은 한국지질자원연구원 광물자원연구실에서 보유하고 있는 Rikaku/ SmartLab 고분해능 X선 회절분석기를 이용하였다. 시료는 입도 분리 또는 화학적 처리를 거치지 않았으며, agate mortar를 이용하여 미분쇄하여 가능한 한 방향성을 가지지 않도록 X선 회절분석기 홀더(holder)에 장착하여 X선 회절분석을 실시하였다.
페그마타이트의 전암분석은 한국지질자원연구원 분석센터에서 Jaw Crusher를 이용하여 분쇄한 후, agate mortar를 이용하여 미 분쇄 하였다. 페그마타이트의 하부, 중부, 상부는 각각 X-ray Fluorescence(XRF) 분석기를 이용하여 주성분의 분석이 이루어졌으며, 미량성분 및 희토류원소들의 조성은 Perkin-Elmer DRC II ICP-MS를 이용하여 분석이 진행되었다. 페그마타이트 시료의 광물동정은 한국지질자원연구원 광물자원연구실에서 보유하고 있는 Rikaku/ SmartLab 고분해능 X선 회절분석기를 이용하였다.

대상 데이터

중부 페그마타이트(KKQ82∼94)는 하부 석영-조장석-백운모 화강암(KKQ95)과의 접촉부에서 2 m 간격으로 채취되었 으며, 상부 페그마타이트(KKQ54-66)는 상부 사문암과의 경계부에서 페그마타이트 내부로 오면서 2 m 간격으로 시료 채취가 이루어졌다.
켄티차 페그마타이트를 대상으로 1:5,000 규모의 정밀 맵핑(mapping)과 페그마타이트의 주향에 교차하는 방향으로 칩 샘플링(Chip sampling)을 실시하였다. 채취된 시료는 총 95개이며, 켄티차 페그마타이트의 하부, 중부, 상부로 각각 구분하여 채취하였다. 하부 페그마타이트(KKQ95)는 석영-조장석-백운모 화강암질 페그마타이트로 암상의 변화가 없이 균질하다.
페그마타이트의 전암분석은 한국지질자원연구원 분석센터에서 Jaw Crusher를 이용하여 분쇄한 후, agate mortar를 이용하여 미 분쇄 하였다. 페그마타이트의 하부, 중부, 상부는 각각 X-ray Fluorescence(XRF) 분석기를 이용하여 주성분의 분석이 이루어졌으며, 미량성분 및 희토류원소들의 조성은 Perkin-Elmer DRC II ICP-MS를 이용하여 분석이 진행되었다.

이론/모형

X선 회절분석은 흑연으로 단색화 된 파장(CuKα= 1.5406Å)을 사용하였으며, 분석조건은 40 kv/30 mA, 3o ∼60o two-theta구간에서 주사 간격 0.02o two-theta, 주사 시간 4o two-theta/min, 지속스캔(continuous scan)방법으로 설정하여 회절값을 기록하였다.

성능/효과

11). Mn-탄탈라이트와 함께 산출되는 세립의 당상질 조장 석은 주사전자현미경 분석을 통해서도 동정이 되었으며, 크기와 쌍정의 발달 정도 등과 같은 산출특성에 관계없이 균질한 조성을 갖는 것으로 나타났다(Table 4).
일반적으로 페그마타이트를 구성하는 광물들의 결정이 상당히 크기 때문에, 페그마타이트의 전암분석 결과가 단일 암체임에도 불구하고 다양한 범위를 가진다. 그러나 이번 연구에서 도출된 분석결과가 일정한 변화양상을 가지기 때문에 페그마타이트의 분화양상을 이해하는데 적합한 것으로 생각된다. 단일의 켄티차 페그마타이트 내에서도 앞서 언급한 분별작용 지시원소들이 하부에서 상부 페그마타이트로 가면서 일정한 변화양상을 보인다.
켄티차 상부 페그마타이트 내 Ta₂O₅의 함량은 평균 148 ppm으로, 경제성을 갖는 페그마타이트(Ta2O5 150∼200 ppm; Polinares, 2012)와 비교할 때에도 충분히 경제성을 갖는 것으로 판단된다. 또한 이번 연구결과에서 켄티차 상부 페그마타이트의 Li₂O 함량은 평균 0.6 wt %로 나타나, 통상적으로 경제성을 갖는 페그마타이트의 Li₂O의 함량이 0.6 wt % (Kesler et al., 2012)임을 감안하면 부산물이 아닌 주 대상광종으로서 고려될 수 있다.
켄티차 상부 페그마타이트 내 Ta2O5의 함량은 평균 148 ppm으로, 경제성을 갖는 페그마타이트(Ta2O5 150∼200 ppm; Polinares, 2012)와 비교할 때에도 충분히 경제성을 갖는 것으로 판단된다.

후속연구

, 2009)와는 다소 차이를 보인다. 따라서 켄티차 페그마타이트를 대상으로 한 보다 더 정밀하고 체계적인 연구 활동은 켄티차 페그마타이트의 분화양상과 페그마타이트 내 희유원소 광화작용의 성인적 특성을 명확하게 규명할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	켄티차 페그마타이트는 광물조합에 따라 어떻게 나뉘는가?	켄티차 페그마타이트는 광물조합에 따라 하부 석영-백운모-조장석 화강암, 중부 백운모-석영-조장석-미사장석 페그마타이트, 상부 스포듀민-석영-조장석 페그마타이트로 세분된다(Zerihun et al., 1995).
	에티오피아 남부를 구성하는 지질의 특징은 무엇인가?	에티오피아 남부는 신원생대 암석들인 화강암질 편마암 복합체와 오피올라이트 습곡-쓰러스트 복합체로 구성되어 있다. 화강암질 편마암 복합체와 오피올라이트 습곡-쓰러스트 복합체는 남북방향으로 병렬의 형태로 분포하고 있다.
	본 연구에서 켄티차 페그마타이트의 하부, 중부, 상부는 어떻게 채취했는가?	채취된 시료는 총 95개이며, 켄티차 페그마타이트의 하부, 중부, 상부로 각각 구분하여 채취하였다. 하부 페그마타이트(KKQ95)는 석영-조장석-백운모 화강암질 페그마타이트로 암상의 변화가 없이 균질하다. 중부 페그마타이트(KKQ82∼94)는 하부 석영-조장석-백운모 화강암(KKQ95)과의 접촉부에서 2 m 간격으로 채취되었 으며, 상부 페그마타이트(KKQ54-66)는 상부 사문암과의 경계부에서 페그마타이트 내부로 오면서 2 m 간격으로 시료 채취가 이루어졌다. 나머지 페그마타이트 시료들(KKQ1-53, 67-81)은 상부와 중부 페그마타이트에 해당되지만, 명확한 구분이 어렵고 페그마타이트의 분화양상을 설명하기에는 다소 어려움이 있다.

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