[논문]원동 중석 스카른대에서의 관입암류와 스카른광물에 대한 U-Pb(SHRIMP) 및 K-Ar 연대

박창윤; 송윤구; 지세정; 강일모; 이기욱; 정동훈

doi:10.9727/jmsk.2013.26.3.161

원동 중석 스카른대에서의 관입암류와 스카른광물에 대한 U-Pb(SHRIMP) 및 K-Ar 연대
U-Pb(SHRIMP) and K-Ar Age Dating of Intrusive Rocks and Skarn Minerals at the W-Skarn in Weondong Deposit 원문보기

韓國鑛物學會誌 = Journal of the Mineralogical Society of Korea, v.26 no.3, 2013년, pp.161 - 174

박창윤 (연세대학교 지구시스템과학과) , 송윤구 (연세대학교 지구시스템과학과) , 지세정 (한국지질자원연구원) , 강일모 (한국지질자원연구원) , 이기욱 (한국기초과학지원연구원) , 정동훈 (연세대학교 지구시스템과학과)

초록
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원동지역은 스카른형 다중금속 광상으로서, 최근에는 회중석을 포함하는 텅스텐 광체의 유망광구로 주목받고 있다. 본 연구는 관입암체와 스카른 광물에 대한 연대측정을 통하여 스카른 형성 시기에 대한 지질연대학적 정보를 제공하고자 한다. 원동 지역의 층서는 석탄기와 트라이아스기, 캠브리아기와 오르도비스기의 층으로 이루어져있다. SHRIMP U-Pb 연대측정으로 원동지역 일대에 분포하고 있는 관입암류인 석영반암($79.37{\pm}0.94$ Ma)과 장석반암암맥($50.64{\pm}0.44$ Ma)의 정치고결시기를 결정하였다. K-Ar 연대측정으로 거정질의 금운모($49.1{\pm}1.1$ Ma), 괴상의 금운모($49.2{\pm}1.2$ Ma), 스카른광물과 공생하는 금운모($49.9{\pm}3.6$ Ma), 그리고 열수변질작용의 산물인 일라이트($48.3{\pm}1.1$ Ma)의 생성시기를 밝혀내었다. 열수 변질된 석영반암에서의 SHRIMP U-Pb 연대는 59.7~38.7 Ma까지 다양한 연대분포를 보이는데, 저어콘의 조직과 관련하여 메타믹티제이션(metamictization) 받은 저어콘 조직에서는 Pb 손실이 발생하여 연대 신뢰도가 떨어지는 반면, 용해-침전작용을 받은 부분의 연대 값은 동위원소 재평형 작용의 가능성이 있어 또다른 열수변질시기 혹은 화성활동시기에 대한 정보를 제공할 수 있다. 연대측정 결과와 광물 공생관계, 그리고 야외조사에서 확인된 석영반암 내 혹은 균열대에 발달해 있는 스카른용액 침투흔적으로 볼 때, 연구지역에서의 중석 스카른 광화시기는 약 50 Ma일 가능성이 높지만, 스카른 광체 선후관계 및 장석반암과 스카른 광체의 지질학적 연관관계에 대한 연구가 추가적으로 이루어져야 할 필요가 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The geology of the weondong deposit area consists mainly of Cambro-Ordovician and Carboniferous-Triassic formations, and intruded quartz porphyry and dyke. The skarn mineralized zone in the weondong deposit is the most prospective region for the useful W-mineral deposits. To determine the skarn-mineralization age, U-Pb SHRIMP and K-Ar age dating methods were employed. The U-Pb zircon ages of quartz porphyry intrusion (WD-A) and feldspar porphyry dyke (WD-B) are 79.37 Ma and 50.64 Ma. The K-Ar ages of coarse-grained crystalline phlogopite (WD-1), massive phlogopite (WDR-1), phlogopite coexisted with skarn minerals (WD-M), and vein type illite (WD-2) were determined as $49.1{\pm}1.1$ Ma, $49.2{\pm}1.2$ Ma, $49.9{\pm}3.6$ Ma, and $48.3{\pm}1.1$ Ma, respectively. And the ages of the high uranium zircon of hydrothermally altered quartz porphyry (WD-C) range from 59.7 to 38.7 Ma, which dependson zircon's textures affected by hydrothermal fluids. It is regarded as the effect of some hydrothermal events, which may precipitate and overgrow the high-U zircons, and happen the zircon's metamictization and dissolution-reprecipitation reactions. Based on the K-Ar age datings for the skarn minerals and field evidences, we suggest that the timing of W-skarn mineralization in weondong deposit may be about 50 Ma. However, for the accurate timing of skarn mineralization in this area, the additional researches about the sequence of superposition at the skarn minerals and geological relationship between skarn deposits and dyke should be needed in the future.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 원동지역 중석 스카른화작용 또는 열수유체의 이동과 관련된 광화작용을 논의하기에 앞서 필수적으로 연구가 진행되어야 하는 화성활동 시기에 대해서는 충분히 논의가 되지 않았다. 따라서 본 연구의 목적은 원동광상에서의 화성암류를 이루는 석영반암과 암맥, 그리고 스카른 광물과 열수변질 광물에 대한 연대를 SHRIMP(Sensitive High Resolution Ion Microprobe) U-Pb 연대측정법과 K-Ar 연대측정법을 이용해 밝혀내고, 향후 원동광상지역 정밀탐사 및 심부 잠두광체 탐사 시 가장 기본이 되는 정보를 제공하고자 한다.

제안 방법

K-Ar연대분석은 일본 오카야마 대학교에서 수행 되었다. ⁴⁰K의 함량은 습식분석을 통해 원자흡광분석기(AAS)를 사용하여 측정하였다. 그리고 3개의 콜렉터(Three collectors)로 ³⁶Ar, ³⁸Ar, ⁴⁰Ar를 측정하고 1% 정도의 Ar 함량의 에러를 가지는 질량분석기(HIRU)를 사용하여 ⁴⁰Ar의 함량을 측정하였다(Itaya, 1991).
99이다. CL영상에서는 뚜렷한 저어콘 결정 영상을 확보할 수 없어 BSE영상으로 저어콘 결정 영상 분석을 실시하였다. WD-C 시료의 저어콘 결정에서는 진동누대구조가 BSE 영상에서 보이지 않거나, 일부 결정에서 외곽부에 밝은 회색을 띈 불규칙적 누대구조를 보인다(그림 4).
하지만, MSWD값이 343을 나타내는 것으로 보아 각 결과 값의 밀집도로 변질된 석영반암의 연대를 판단하기는 어렵다. SEM-EDS (JSM-5610LV)을 이용하여 WD-C시료에 대한 저어콘 화학조성분석을 실시하였다. 어두운 회색지역에서는 저어콘 조성(Zr, Si, O)외에도 Ca, Fe, Al이 검출됨을 확인하였다(그림 4).
⁴⁰K의 함량은 습식분석을 통해 원자흡광분석기(AAS)를 사용하여 측정하였다. 그리고 3개의 콜렉터(Three collectors)로 ³⁶Ar, ³⁸Ar, ⁴⁰Ar를 측정하고 1% 정도의 Ar 함량의 에러를 가지는 질량분석기(HIRU)를 사용하여 ⁴⁰Ar의 함량을 측정하였다(Itaya, 1991).
연구지역에서 정치․고결된 화성암류 및 스카른 광물, 열수변질 광물에 대한 연대측정을 위해 총 7개의 시료를 채택하여 연대측정을 실시하였다. 석영반암(WD-A)과 원동광상 최상부의 열수변질작용을 받은 석영반암(WD-C), 그리고 서낭골 동쪽 방향 암맥에서 채취한 장석반암(WD-B)에 대하여 U-Pb 저어콘 연대측정을 실시하였다. 연구지역 내 재결정작용을 받은 거정질의 방해석과 함께 공생하며 수 cm 크기의 결정질의 금운모(WD-1), 괴상 조직의 자철석, 재결정작용을 받아 치밀한 구조를 보이는 산점상의 방해석과 공존하는 세립질 금운모(WDR-1), 자철석, 투휘석 및 회중석과 공생하고 있는 금운모(WD-M), 그리고 열수변질작용을 받은 석영 반암 내 균열대를 따라 열수로부터 침전된 세맥의 일라이트(WD-2)에 대해서는 K-Ar 동위원소 연대측정을 실시하였다.
각 과정을 거쳐 회수된 중광물들 중 시료당 약 100여 개의 저어콘 결정들이 실체현미경을 사용해 수작업으로 선별되어졌다. 선별된 저어콘 결정들은 표준시료와 함께 에폭시 마운팅 후 저어콘 입자의 절반 정도만 남아있도록 갈아내고 다이아몬드 연마제로 연마한 후 금으로 코팅하였다. 한국기초과학지원연구원 오창 센터에서 보유하고 있는 SEM JEOL6610LV를 이용하여 저어콘 결정내부의 CL (Cathodoluminescence) 영상, BSE (Back-Scattered Electron)영상을 촬영하고 이를 이용하여 유체 포유물, 결정 균열부와 같이 오차를 낼 수 있는 요소들을 배제하여 분석 지점을 지정하였다.
석영반암(WD-A)과 원동광상 최상부의 열수변질작용을 받은 석영반암(WD-C), 그리고 서낭골 동쪽 방향 암맥에서 채취한 장석반암(WD-B)에 대하여 U-Pb 저어콘 연대측정을 실시하였다. 연구지역 내 재결정작용을 받은 거정질의 방해석과 함께 공생하며 수 cm 크기의 결정질의 금운모(WD-1), 괴상 조직의 자철석, 재결정작용을 받아 치밀한 구조를 보이는 산점상의 방해석과 공존하는 세립질 금운모(WDR-1), 자철석, 투휘석 및 회중석과 공생하고 있는 금운모(WD-M), 그리고 열수변질작용을 받은 석영 반암 내 균열대를 따라 열수로부터 침전된 세맥의 일라이트(WD-2)에 대해서는 K-Ar 동위원소 연대측정을 실시하였다.
연구지역에서 관찰되는 관입암류는 스카른 광화시기 및 후기의 변질시기에 대한 정보로 지질학적인 진화과정을 설명하는 데에 중요한 역할을 할 수 있다. 연구지역에서 정치․고결된 화성암류 및 스카른 광물, 열수변질 광물에 대한 연대측정을 위해 총 7개의 시료를 채택하여 연대측정을 실시하였다. 석영반암(WD-A)과 원동광상 최상부의 열수변질작용을 받은 석영반암(WD-C), 그리고 서낭골 동쪽 방향 암맥에서 채취한 장석반암(WD-B)에 대하여 U-Pb 저어콘 연대측정을 실시하였다.
, 2006; Choi and Pak, 2007), 원동광상 지역은 이와 맞물려 연-아연 광화작용, 자철석 광화작용, 중석 광화작용이 일어났던 지역으로 판단된다. 이러한 광화작용이 일어난 시기에 대한 해석은 추가적인 광체 탐사를 위한 중요한 자료로 활용될 수 있는데, 본 연구에서 분석된 두 가지의 관입암체의 연대측정 결과와 야외조사, 광물학적인 특징을 통하여 원동광상에서의 광화시기에 대한 해석을 시도하였다. 그림 1에 나타나 있는 것처럼 원동지역에서의 전체적인 스카른화 작용은 광범위한 분포를 하고 있는 석영반암(79.
한국기초과학지원연구원 오창 센터에서 보유하고 있는 SEM JEOL6610LV를 이용하여 저어콘 결정내부의 CL (Cathodoluminescence) 영상, BSE (Back-Scattered Electron)영상을 촬영하고 이를 이용하여 유체 포유물, 결정 균열부와 같이 오차를 낼 수 있는 요소들을 배제하여 분석 지점을 지정하였다. 저어콘 연대측정을 위하여 한국기초과학지원 연구원 오창 센터에서 보유하고 있는 SHRIMP기기를 이용하였고 측정 시 연대보정을 위하여 미국 미네소타주 둘루스 복합체(Duluth Complex)에서의 표준 저어콘시료(FCI)분석을 실시하였다(Paces and Miller, 1993). 일차이온(O^2-) 빔의 전류는 2～3 nA, 크기는 20～25 µm의 직경으로 조절하였다.
저어콘의 연대측정을 위해 준비된 각 시료(WD-A, WD-B, WD-C) 2 kg를 유압파쇄기로 분쇄한 후 링밀(Ring mill)을 이용해 세립질의 입자로 파쇄하였다. 파쇄된 각 시료들은 245 µm 체에 통과시켜 245 µm 이하의 입자만을 선별적으로 수집하여 패닝(Panning)과 자성분리법을 적용하고 메틸아이오다이드를 이용한 중액분리를 실시하였다.
파쇄된 각 시료들은 245 µm 체에 통과시켜 245 µm 이하의 입자만을 선별적으로 수집하여 패닝(Panning)과 자성분리법을 적용하고 메틸아이오다이드를 이용한 중액분리를 실시하였다.
선별된 저어콘 결정들은 표준시료와 함께 에폭시 마운팅 후 저어콘 입자의 절반 정도만 남아있도록 갈아내고 다이아몬드 연마제로 연마한 후 금으로 코팅하였다. 한국기초과학지원연구원 오창 센터에서 보유하고 있는 SEM JEOL6610LV를 이용하여 저어콘 결정내부의 CL (Cathodoluminescence) 영상, BSE (Back-Scattered Electron)영상을 촬영하고 이를 이용하여 유체 포유물, 결정 균열부와 같이 오차를 낼 수 있는 요소들을 배제하여 분석 지점을 지정하였다. 저어콘 연대측정을 위하여 한국기초과학지원 연구원 오창 센터에서 보유하고 있는 SHRIMP기기를 이용하였고 측정 시 연대보정을 위하여 미국 미네소타주 둘루스 복합체(Duluth Complex)에서의 표준 저어콘시료(FCI)분석을 실시하였다(Paces and Miller, 1993).

대상 데이터

WD-C시료에 대한 저어콘 화학조성분석을 위하여 연세대학교 지구시스템과학과에서 보유하고 있는 SEM-EDS (JSM-5610LV) 기기를 이용하였다. K-Ar연대분석은 일본 오카야마 대학교에서 수행 되었다. ⁴⁰K의 함량은 습식분석을 통해 원자흡광분석기(AAS)를 사용하여 측정하였다.
, 2011). 연구지역에서 채취한 암맥류는 암회색의 석영질로 이루어진 기질부분과 수 mm～수 cm 정도의 원형 혹은 주상으로 산출되는 장석으로 구성되어있으며, 소량의 휘석과 점토광물을 수반한다.
연구지역인 태백산 광화대 내 함백산 지향사 북익부에 위치하는 원동광상은 스카른형 다중금속 광상으로서 철-연-아연 광종을 대상으로 탐사가 진행되어오다가 최근에는 이곳에서 산출되는 중석(Scheelite)을 대상으로 재 탐사 및 연구가 진행되어 왔다. 하지만 원동지역 중석 스카른화작용 또는 열수유체의 이동과 관련된 광화작용을 논의하기에 앞서 필수적으로 연구가 진행되어야 하는 화성활동 시기에 대해서는 충분히 논의가 되지 않았다.

데이터처리

Williams (1998)에 기술되어있는 과정을 통해 U-Th-Pb 동위원소 성분분석과 ²⁰⁷Pb보정을 실시하였다. PRAWN/LEAD 6.5.5 프로그램을 통하여 계산이 완료된 U-Pb-Th 동위원소비는 Isoplot/EX(Ludwig, 2003) 프로그램을 이용하여 도표와 그래프를 도시하였다. WD-C시료에 대한 저어콘 화학조성분석을 위하여 연세대학교 지구시스템과학과에서 보유하고 있는 SEM-EDS (JSM-5610LV) 기기를 이용하였다.

이론/모형

5 프로그램을 통하여 계산이 완료된 U-Pb-Th 동위원소비는 Isoplot/EX(Ludwig, 2003) 프로그램을 이용하여 도표와 그래프를 도시하였다. WD-C시료에 대한 저어콘 화학조성분석을 위하여 연세대학교 지구시스템과학과에서 보유하고 있는 SEM-EDS (JSM-5610LV) 기기를 이용하였다. K-Ar연대분석은 일본 오카야마 대학교에서 수행 되었다.
일차이온(O^2-) 빔의 전류는 2～3 nA, 크기는 20～25 µm의 직경으로 조절하였다. Williams (1998)에 기술되어있는 과정을 통해 U-Th-Pb 동위원소 성분분석과 ²⁰⁷Pb보정을 실시하였다. PRAWN/LEAD 6.

성능/효과

17개의 분석 지점을 선정하여 분석을 실시하였고, 일치곡선(Concordia curve)에 분석결과들을 도시해보면, 일치연령선 상에 결과 값이 위치함을 알 수 있다(38.7 ± 0.2～59.7 ± 0.3 Ma)(그림 4, 표 3).
18개의 분석 지점 중 2δ 오차 막대에서 기계적 오류 혹은 분석지점 오류로 인해 분석치 정확도에 영향을 줄 수 있는 3개 분석지점을 제외하고 분석결과를 가중 평균하여 79.37 ± 0.94 Ma의 연대를 얻었다(그림 2, 표 1).
23개의 분석지점 중 암맥류에서의 저어콘 결정(WD-B)의 연대는 50.64 ± 0.44 Ma로 나타났다(그림 3, 표 2).
44 Ma로 나타났다(그림 3, 표 2). 27개의 분석지점 중 18개를 가중 평균하였고, MSWD는 1.7로 나타났다. 변질된 석영반암에서의 저어콘 결정(WD-C)은 앞서 분석한 화성기원의 저어콘 시료들과는 다른 양상을 보인다.
결과적으로 금운모의 연대측정 결과와 중석과 스카른 광물들의 공생관계, 그리고 중석이 석영반암 내 단열대에 충진 되어 산출된다는 점을 고려하여 볼 때 장석반암암맥(50.64 ± 0.44 Ma)의 광화 용액이 중석, 금운모(WD-1, WDR-1, WD-M) 및 변질산물인 일라이트 및 주요 스카른 광물을 침전시켰을 가능성이 높다는 것을 의미한다.
이는 많은 우라늄양을 함유한 저어콘이 메타믹티제이션의 효과를 증대시켜 방사성 Pb의 손실을 추가적으로 발생시켰을 것이다. 결과적으로, 변질받은 석영반암에서의 높은 U (ppm) 함량을 가지고 있는 WD-C 저어콘은 메타믹티제이션 작용으로 인한 방사성 Pb의 손실로 인하여 연대각각의 분석결과가 의미 있다기보다, 어떤 지질학적 이벤트가 일어날 때에 대한 본래 연대의 기억을 가지고 있는 것으로 해석이 가능하다. 반면에, Geisler et al.
(2012)는 메타믹티제이션 과정을 거친 저어콘과 연관된 방사성 Pb의 손실로 저어콘의 실제 연대값 결과보다 젊게 나오는 ‘Reverse Age Zonation’을 제안하였다. 본 시료(WD-C, 어두운 회색부분)의 우라늄 양을 살펴보면 우라늄 양이 많은 분석지점이 대체로 더 젊은 연대로 나타나는 것으로 확인되었다(그림 4, 표 3). 이는 많은 우라늄양을 함유한 저어콘이 메타믹티제이션의 효과를 증대시켜 방사성 Pb의 손실을 추가적으로 발생시켰을 것이다.
SEM-EDS (JSM-5610LV)을 이용하여 WD-C시료에 대한 저어콘 화학조성분석을 실시하였다. 어두운 회색지역에서는 저어콘 조성(Zr, Si, O)외에도 Ca, Fe, Al이 검출됨을 확인하였다(그림 4). 이에 비해서 밝은 회색지역은 상대적으로 저어콘 조성으로 일정했으며 이 조직 내에서 많은 공극들과 U 혹은 Th을 포함하는 포획물(inclusion)이 발견된다(그림 4).
위의 연구결과들로 미루어볼 때, 연구지역에서의 석영반암(79.37 ± 0.94 Ma)과 암맥류(50.64 ± 0.44 Ma)는 불국사 화성활동기와 연관되어 백악기 후기부터 제삼기에 이르기까지 지구조운동으로 인해 천부관입으로 정치·고결된 관입암일 가능성이 크다.
석영반암 내에 형성된 단층 및 균열대를 통한 광화열수용액의 유용성분 농집 및 스카른화 작용이 나타나며, 중석의 산출 지역 또한 투휘석, 혹은 석류석이 우세한 스카른대 이외에도, 석영반암 내에 존재하는 열극을 따라 방해석 및 형석과 함께 침전되어있는 양상을 보인다. 특히 연구지역에서 발견된 일부 노두에서는 석류석과 규회석대로 스카른화되어있는 암체 내에 석영반암이 부분적으로 잔류하여 남아있고, 이후 플루오린(F)이 풍부한 열수활동으로 인해서 석영반암과 스카른대 사이의 균열대를 통해 형석과 베수비아나이트 그리고 소량의 중석이 함께 침전되어있음을 확인할 수 있다. 연구지역에서 산출되는 금운모(WD-1, WDR-1)는 각력화되어있는 투휘석-석류석 스카른대를 통하여 충진되어있는 형태를 띄고 있고, 각력대 내 결정성장 공간이 충분하여 자형으로 성장하였다(Chi et al.

후속연구

하지만 중석과 관련된 스카른 광화작용이 전적으로 장석반암암맥에 의한 스카른 광화작용이라고 단정 짓기에는 연구지역에서 광범위하게 분포하는 석영반암의 영향으로 스카른 대의 중첩이 일어났을 가능성이 있고, 스카른광물 자체에 대한 연대측정 자료가 필요하기 때문에 근원 추적에 어려움이 있다. 따라서 추가적인 스카른광물 연대측정 및 지질학적 연관관계와 함께, 저어콘 연구결과로 밝혀진 또 다른 열수활동시기에 대한 가능성을 포괄적으로 연구하여, 연구지역에서의 광화시기에 대한 정확성을 높일 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원동광상 북부지역은 무엇이 발달하였는가?	연구지역의 남서방향에서 북동방향으로 발달하고 있는 원동충상단층을 기준으로 원동광상 북부지역은 풍촌층과 화절층이 발달하고 있고 남부지역은 캠브로-오르도비스기 조선 누층군을 이루는 풍촌층과 화절층, 동점층, 두무동층, 막골석회암층이 정합적인 층서를 나타내고 있다(그림 1)(Chi et al., 2011).
	원동광상 남부지역은 무엇을 나타내고 있는가?	연구지역의 남서방향에서 북동방향으로 발달하고 있는 원동충상단층을 기준으로 원동광상 북부지역은 풍촌층과 화절층이 발달하고 있고 남부지역은 캠브로-오르도비스기 조선 누층군을 이루는 풍촌층과 화절층, 동점층, 두무동층, 막골석회암층이 정합적인 층서를 나타내고 있다(그림 1)(Chi et al., 2011).
	원동광상에서 채취한 암맥류는 무엇으로 구성되어 있었는가?	, 2011). 연구지역에서 채취한 암맥류는 암회색의 석영질로 이루어진 기질부분과 수 mm～수 cm 정도의 원형 혹은 주상으로 산출되는 장석으로 구성되어있으며, 소량의 휘석과 점토광물을 수반한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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