선캄브리아기 경기육괴의 북서부에 위치한 포천 철(-동)광상은 다양한 이론이 제시되어 논쟁 대상이 되었으며, 성인적 측면에서 변성(-배기형) 퇴적 광상이 주된 생성이론으로 인지되었다. 본 논문에서는 포천 스카른화작용/철광화작용의 핵심 증거를 통하여 공간적으로 인접한 명성산 화강암이 관계화성암의 가능성을 제시하였다. 포천 스카른은 석회암과 백운암의 다양한 탄산염암을 모암으로 하여 Ca계열, Mg계열 및 Na-Ca계열 스카른이 형성되었다. 철광화작용은 주로 Na-Ca계열 스카른대를 따라 배태되고 있으며, 후퇴 스카른 단계에 국부적으로 동 광화작용이 중첩된다. 포천 후퇴 스카른 단계에 정출된 금운모의 Ar-Ar과 K-Ar연대측정 결과는 $110.3{\pm}1.0{\sim}108.3{\pm}2.8Ma$이며, 스카른 철(-동) 광화작용은 천부 관입암체인 명성산 화강암의 관입시기(112 Ma)와 일치하여 관계화성암으로 추정된다. 주변 탄산염암, 스카른 및 맥상의 탄산염광물간 산소-탄소 동위원소 빈화된 경향성은 개방계 조건($XCO_2=0.1$)에서 열수의 탈탄산염화 작용과 침투작용에서 유도되었다. 한편 황화광물(황동석-황철석 혼합물)과 경석고에서 매우 높은 황 동위원소 값은 황근원물질이 주변 탄산염암에 함유되어 있던 황산염광물로부터 공급되었을 가능성을 지시한다. 포천 광상 주변의 전단대에서는 파쇄대가 중첩되어 발달하여 있으며, 백악기 화강암으로부터 공급된 고온성 광화유체가 이러한 약선대를 따라 유입되어 약 $500^{\circ}{\sim}400^{\circ}C$의 온도범위에서 강력한 근지성 스카른화작용과 함께 광화작용이 유도되었다.
선캄브리아기 경기육괴의 북서부에 위치한 포천 철(-동)광상은 다양한 이론이 제시되어 논쟁 대상이 되었으며, 성인적 측면에서 변성(-배기형) 퇴적 광상이 주된 생성이론으로 인지되었다. 본 논문에서는 포천 스카른화작용/철광화작용의 핵심 증거를 통하여 공간적으로 인접한 명성산 화강암이 관계화성암의 가능성을 제시하였다. 포천 스카른은 석회암과 백운암의 다양한 탄산염암을 모암으로 하여 Ca계열, Mg계열 및 Na-Ca계열 스카른이 형성되었다. 철광화작용은 주로 Na-Ca계열 스카른대를 따라 배태되고 있으며, 후퇴 스카른 단계에 국부적으로 동 광화작용이 중첩된다. 포천 후퇴 스카른 단계에 정출된 금운모의 Ar-Ar과 K-Ar연대측정 결과는 $110.3{\pm}1.0{\sim}108.3{\pm}2.8Ma$이며, 스카른 철(-동) 광화작용은 천부 관입암체인 명성산 화강암의 관입시기(112 Ma)와 일치하여 관계화성암으로 추정된다. 주변 탄산염암, 스카른 및 맥상의 탄산염광물간 산소-탄소 동위원소 빈화된 경향성은 개방계 조건($XCO_2=0.1$)에서 열수의 탈탄산염화 작용과 침투작용에서 유도되었다. 한편 황화광물(황동석-황철석 혼합물)과 경석고에서 매우 높은 황 동위원소 값은 황근원물질이 주변 탄산염암에 함유되어 있던 황산염광물로부터 공급되었을 가능성을 지시한다. 포천 광상 주변의 전단대에서는 파쇄대가 중첩되어 발달하여 있으며, 백악기 화강암으로부터 공급된 고온성 광화유체가 이러한 약선대를 따라 유입되어 약 $500^{\circ}{\sim}400^{\circ}C$의 온도범위에서 강력한 근지성 스카른화작용과 함께 광화작용이 유도되었다.
The Pocheon iron (-copper) deposit, located at the northwestern part of the Precambrian Gyeonggi massif in South Korea, genetically remains controversial. Previous researchers advocated a metamorphosed (-exhalative) sedimentary origin for iron enrichment. In this study, we present strong evidences f...
The Pocheon iron (-copper) deposit, located at the northwestern part of the Precambrian Gyeonggi massif in South Korea, genetically remains controversial. Previous researchers advocated a metamorphosed (-exhalative) sedimentary origin for iron enrichment. In this study, we present strong evidences for skarnification and Fe mineralization, spatially associated with the Myeongseongsan granite. The Pocheon deposit is composed of diverse carbonate rocks such as dolostone and limestone which are partially overprinted by various hydrothermal skarns such as sodic-calcic, calcic and magnesian skarn. Iron (-copper) mineralization occurs mainly in the sodic-calcic skarn zone, locally superimposed by copper mineralization during retrograde stage of skarn. Age data determined on phlogopites from retrograde skarn stage by Ar-Ar and K-Ar methods range from $110.3{\pm}1.0Ma$ to $108.3{\pm}2.8Ma$, showing that skarn iron mineralization in the Pocheon is closely related to the shallow-depth Myeongseongsan granite (ca. 112 Ma). Carbon-oxygen isotopic depletions of carbonates in marbles, diverse skarns, and veins can be explained by decarbonation and interaction with an infiltrating hydrothermal fluids in open system ($XCO_2=0.1$). The results of sulfur isotope analyses indicate that both of sulfide (chalcopyrite-pyrite composite) and anhydrites in skarn have very high sulfur isotope values, suggesting the $^{34}S$ enrichment of the Pocheon sulfide and sulfate sulfur was derived from sulfate in the carbonate protolith. Shear zones with fractures in the Pocheon area channeled the saline, high $fO_2$ hydrothermal fluids, resulting in locally developed intense skarn alteration at temperature range of about $500^{\circ}$ to $400^{\circ}C$.
The Pocheon iron (-copper) deposit, located at the northwestern part of the Precambrian Gyeonggi massif in South Korea, genetically remains controversial. Previous researchers advocated a metamorphosed (-exhalative) sedimentary origin for iron enrichment. In this study, we present strong evidences for skarnification and Fe mineralization, spatially associated with the Myeongseongsan granite. The Pocheon deposit is composed of diverse carbonate rocks such as dolostone and limestone which are partially overprinted by various hydrothermal skarns such as sodic-calcic, calcic and magnesian skarn. Iron (-copper) mineralization occurs mainly in the sodic-calcic skarn zone, locally superimposed by copper mineralization during retrograde stage of skarn. Age data determined on phlogopites from retrograde skarn stage by Ar-Ar and K-Ar methods range from $110.3{\pm}1.0Ma$ to $108.3{\pm}2.8Ma$, showing that skarn iron mineralization in the Pocheon is closely related to the shallow-depth Myeongseongsan granite (ca. 112 Ma). Carbon-oxygen isotopic depletions of carbonates in marbles, diverse skarns, and veins can be explained by decarbonation and interaction with an infiltrating hydrothermal fluids in open system ($XCO_2=0.1$). The results of sulfur isotope analyses indicate that both of sulfide (chalcopyrite-pyrite composite) and anhydrites in skarn have very high sulfur isotope values, suggesting the $^{34}S$ enrichment of the Pocheon sulfide and sulfate sulfur was derived from sulfate in the carbonate protolith. Shear zones with fractures in the Pocheon area channeled the saline, high $fO_2$ hydrothermal fluids, resulting in locally developed intense skarn alteration at temperature range of about $500^{\circ}$ to $400^{\circ}C$.
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문제 정의
이러한 포천 철광화작용에 대한 퇴적 기원 또는 열수 기원의 근본적 문제를 규명하기 위하여, 기 발표 논문에서 제시된 앰피볼라이트의 암석 · 지화학적 특성과 함께 2010년/2011년 포천 광산 시추 시료를 종합적으로 검토할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 포천 광상 주변의 화강암류, 탄산염암, 앰피볼라이트(또는 스카른) 및 철광석의 지화학적 특성 및 광화연대에 대한 종합적인 비교 분석을 통하여 기존에 제시된 문제를 재해석을 하고자 한다.
스카른화작용과 연계된 철광화작용의 진화특성을 규명하기 위하여 원암인 탄산염암으로부터 스카른과 철광석 사이의 지화학적 연계성을 검토하였다. Ca-Mg-Fe 관계도(mole %)에 제시된 바와 같이 초기 스카른 단계에서는 백운암과 석회암의 CaO와 MgO 성분 차이에 따라 Ca계열 스카른과 Mg계열 스카른으로 원암의 조성 차이에 따라 서로 상이한 광물조합을 보이며(Fig.
제안 방법
이러한 탄산염암은 간혹 미립 운모류가 산출되며, 탄산염암에 함유된 이질 성분이 열변성작용 시 정출된 변성광물로 추정된다. 또한, 스카른화작용에 의하여 재정출된 탄산염광물은 Na-Ca계열, Ca계열, Mg계열 스카른과 함께 철광석 및 맥상 시료로부터 선별하여 실시하였다. 원암 대조군으로 선택한 포천 탄산염암은 해성 석회암의 산소-탄소 동위원소 영역과 비교하여 매우 빈화된 경향을 보이며(Table 6), 이러한 산소 동위원소 편이는 열변성작용과 열수교대작용으로 추정된다.
스카른 유형별 지화학적 특성을 규명하기 위하여 탄산염암/스카른/광석에 대한 전암 분석을 수행하였다. 상부 시추 시료는 스카른화작용이 전반적으로 미약하여 탄산염광물이 양호하게 보존된 대리암으로 산출되지만, 하부에서는 스카른화작용이 매우 진행된 변화 추이를 보인다.
, 2002). 스카른화작용과 철광화작용을 유도한 관계화성 암의 수반 광종과 지화학적 연계성을 규명하기 위하여, 광상 주변에 분포하는 쥐라기 및 백악기 화강암류 중에서 풍화 및 변질 작용이 관찰되지 않는 비교적 신선한 시료에 대하여 전암 분석을 실시하였다. 특히 시추에서 확인된 홍장석화된 흑운모 화성암은 관계화성암으로 추정되고 있어 백악기 명성산 화강암 및 쥐라기 포천 화강암, (석류석-)복운모 화강암을 종합적으로 비교 검토하였다.
Ltd.에서 수행 하였으며, 주성분 및 부성분 원소는 유도 결합 플라즈마 분광분석기(Fusion-ICP-OES), 미량 원소는 유도 결합 플라즈마 질량분석기(Fusion-ICP-MS)로 분석하였다.
Ltd.에서 수행하였으며, 주성분 및 부성분 원소는 유도 결합 플라즈마 분광 분석기(Fusion-ICP-OES), 미량원소 및 REE는 유도결합 플라즈마 질량분석기(Fusion-ICP-MS)로 분석하였다.
Ltd.에서 실시하였으며, K 함량과 Ar 함량은 각각 V-735 ES-ICP와 Micromass 5400 불활성 기체 질량 분광기를 통하여 분석되었다.
경하에서 운모류는 판상의 자형 결정으로 거의 무색~담록색의 다색성 특징을 보이며, 전자현미분석 결과 비교적 순수한 금운모 조성이 확인되었다. 연대측정 시료는 자철석과 운모의 정출시기와 밀접한 공생관계를 관찰한 이후 해당 시편으로부터 금운모를 단체 분리하였다. PC1103-22시료는 K-Ar 분석법, 그리고 PC1103-31시료는 K-Ar 분석법과 Ar-Ar 분석법을 병행하여 수행하였다.
스카른화작용과 철광화작용을 유도한 관계화성 암의 수반 광종과 지화학적 연계성을 규명하기 위하여, 광상 주변에 분포하는 쥐라기 및 백악기 화강암류 중에서 풍화 및 변질 작용이 관찰되지 않는 비교적 신선한 시료에 대하여 전암 분석을 실시하였다. 특히 시추에서 확인된 홍장석화된 흑운모 화성암은 관계화성암으로 추정되고 있어 백악기 명성산 화강암 및 쥐라기 포천 화강암, (석류석-)복운모 화강암을 종합적으로 비교 검토하였다. 전암 분석은 캐나다 Activation Lab.
포천 철광상의 광화시기가 백악기 광화작용으로 확인됨에 따라 근원물질 및 스카른화작용과 관련된 열수-탄산염암 반응비에 의한 진화 특성을 검토하기 위하여 탄산염광물, 황산염광물, 황화광물을 대상으로 산소, 탄소, 황 동위원소 분석을 실시하였다. 산소-탄소 동위원소 분석은 캐나다 McMater University의 VG-OPTIMA 동위원소 질량분석기와 중국 Chinese Academy of Science의 MAT235 질량분석기가 사용되었고, 표준시료는 NBS-18과 NBS-19로서 산소-탄소 동위원소 값의 정확도는 각각 McMater University ±0.
포천 철광화작용에서 동시생성의 변성퇴적 광상 또는 후기생성의 접촉교대 광상에 대한 근본적인 문제점을 재해석하기 위하여 광화시기를 일차적으로 검토하였다. 철광화작용과 관련된 연대측정은 자철석-운모-투휘석-스핀-각섬석의 광물조합을 보이는 Mg계열 후퇴 스카른 단계에 정출된 시료를 선택하였다.
4). 한편, 시추 시료에서 확인된 흑운모 화성암은 미량 성분이 명성산 화강암과 전반적으로 유사한 지화학적 특징을 보이고 있어 인접한 명성산 화강암의 동일 암체로 분류하였다. 즉, 명성산 화강암은 쥐라기 포천 화강암, (석류석-)복운모 화강암과 비교하여 Ba, Sr, Zr 성분은 상대적으로 빈화된 반면, Rb, Th 성분은 상대적으로 부화된 특징을 보인다.
대상 데이터
산소-탄소 동위원소 분석은 캐나다 McMater University의 VG-OPTIMA 동위원소 질량분석기와 중국 Chinese Academy of Science의 MAT235 질량분석기가 사용되었고, 표준시료는 NBS-18과 NBS-19로서 산소-탄소 동위원소 값의 정확도는 각각 McMater University ±0.04‰, ±0.08‰, Chinese Academy of Science는 ±0.2 ‰, ±0.2 ‰이다.
상부 시추 시료는 스카른화작용이 전반적으로 미약하여 탄산염광물이 양호하게 보존된 대리암으로 산출되지만, 하부에서는 스카른화작용이 매우 진행된 변화 추이를 보인다. 스카른 광물조합, 산출빈도와 조직 등을 고려하여 대표적인 Mg계열 스카른, Ca계열 스카른, Na-Ca 계열 스카른 및 자철석 광석 총 17개 시료를 선택하였으며, 탄산염암은 육안 관찰시 스카른 광물이 비교적 소량 함유된 22개 시료에 대하여 전암 성분을 실시하였다. 전암 분석은 캐나다 Activation Lab.
포천 철광화작용에서 동시생성의 변성퇴적 광상 또는 후기생성의 접촉교대 광상에 대한 근본적인 문제점을 재해석하기 위하여 광화시기를 일차적으로 검토하였다. 철광화작용과 관련된 연대측정은 자철석-운모-투휘석-스핀-각섬석의 광물조합을 보이는 Mg계열 후퇴 스카른 단계에 정출된 시료를 선택하였다. 경하에서 운모류는 판상의 자형 결정으로 거의 무색~담록색의 다색성 특징을 보이며, 전자현미분석 결과 비교적 순수한 금운모 조성이 확인되었다.
포천 광상의 지질은 선캄브리아기 편마암류와 감악산 섬장암류, 시대 미상의 변성퇴적암 및 후기 관입한 트라이아스기 반상 섬록암, 쥐라기 포천 화강암, 함석류석 화강암, 복운모 화강암 그리고 백악기 명성산 화강암으로 구성된다(Fig. 1). 선캄브리아기 편마암 복합체를 기반암으로 하여 후기 원생대에 관입한 감악산 섬장암류는 SHRIMP U-Pb 저어콘 연대측정 결과에서 742±13 Ma로 보고된 바 있다(Lee et al.
이론/모형
연대측정 시료는 자철석과 운모의 정출시기와 밀접한 공생관계를 관찰한 이후 해당 시편으로부터 금운모를 단체 분리하였다. PC1103-22시료는 K-Ar 분석법, 그리고 PC1103-31시료는 K-Ar 분석법과 Ar-Ar 분석법을 병행하여 수행하였다. K-Ar 연대측정과 Ar-Ar 연대측정은 캐나다 Activation Lab.
성능/효과
1. 포천 철광상은 선캄브리아기 변성암을 기반으로 시대 미상의 변성퇴적암류 협재된 탄산염암에 발달한 약선대를 따라 백악기 화강암으로부터 공급된 고온성광화유체에 의하여 형성된 근지성 스카른 광상으로 Ar-Ar과 K-Ar연대측정 결과에 의하면 광화시기는 약 110 Ma이며, 이는 명성산 화강암의 생성연대와 일치하고 있어 관계화성암으로 추정된다. 명성산 화강암은 주로 자철석 계열, I형, 중알루미나질~고알루미나질 지 화학적 특징과 함께 분화가 매우 진행된 천부 암체의 특징을 보인다.
2. 포천 스카른은 탄산염암의 다양한 조성 특성에 따라 Ca계열 스카른, Mg계열 스카른 및 Na-Ca계열 스카른으로 배태되며, 각 스카른 유형별로 서로 상이한 광물조합을 보인다. 철광화작용은 주로 Na-Ca계열 스카른과 밀접한 연관성을 보이며, 동 광화작용은 후퇴 스카른 단계에 자철석에 중첩되어 광염상 국부적인 산 상을 보인다.
3. 산소-탄소 동위원소 결과에 의하면, 스카른화작용/철광화작용은 전반적으로 개방계(XCO2=0.1) 조건에서 유도되었으며, 전진 스카른 단계는 약 500°~400°C의 온도 범위에서 유도된 높은 수/암 반응비(W/R > 5)의 진화 양상을 보인다.
K-Ar 연대 측정 결과에 의하면 두 개의 시료에서 각각 109.5±2.8 Ma과 108.3±2.8 Ma로 확인되었다(Table 2).
철광화작용과 관련된 연대측정은 자철석-운모-투휘석-스핀-각섬석의 광물조합을 보이는 Mg계열 후퇴 스카른 단계에 정출된 시료를 선택하였다. 경하에서 운모류는 판상의 자형 결정으로 거의 무색~담록색의 다색성 특징을 보이며, 전자현미분석 결과 비교적 순수한 금운모 조성이 확인되었다. 연대측정 시료는 자철석과 운모의 정출시기와 밀접한 공생관계를 관찰한 이후 해당 시편으로부터 금운모를 단체 분리하였다.
또한 Ar-Ar 연대 측정 결과에 의하면 39Ar 유실은 초기 극소량을 제외하고 전반적으로 과잉 유실이 없는 약 98.5 %로서 110.3±1.0 Ma 40Ar/39Ar연대를 지시하며, 39Ar/40Ar-36Ar/40Ar 아이소크론 연대에서도 110.3±1.3 Ma로 두 연대가 서로 일치하고 있어 높은 신뢰도를 나타내고 있다(Fig. 6), 이러한 연대 측정 결과에 따라 철 광화작용의 생성연대는 약 110 Ma로 추정된다.
한편 Na-Ca계열 스카른은 백운암과 석회암의 중간 영역에 도시되며, Ca계열 스카른의 광물상과 전반적으로 일치하는 경향성을 보인다. 스카른화작용이 진행됨에 따라 광화유체로부터 FeO+Fe2O3 성분이 다량 공급됨으로써 전진 스카른의 후기부터 자철석이 집중적으로 정출되었으며, 철광화작용이 유도된 후퇴 스카른 단계에서는 모든 스카른 유형이 전반적으로 유사한 화학조성을 보인다.
주변 화성암체에 대한 주성분/미량성분/REE 성분을 종합적으로 검토한 결과, 명성산 화강암과 포천 광산 하부 시추 시료인 흑운모 화성암은 전반적으로 유사한 특징을 보이고 있다(Table 1). 백악기 명성산 화강암 및 쥐라기 포천 화강암, 복운모 화강암은 공통적으로 중알루미나질~고알루미나질, I형, 고-칼륨 칼크-알칼리 계열로서 서로 유사한 암석학적 특징을 보이고 있다 (Fig.
후속연구
이러한 포천 철광화작용에 대한 퇴적 기원 또는 열수 기원의 근본적 문제를 규명하기 위하여, 기 발표 논문에서 제시된 앰피볼라이트의 암석 · 지화학적 특성과 함께 2010년/2011년 포천 광산 시추 시료를 종합적으로 검토할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
포천 광산의 시추 시료에서 Na-Ca변질작용 에 의한 독특한 광물조합이 확인되었는데 이는 무엇을 뜻하는가?
한편, 2001년과 2011년 한국광물자원공사에서 실시한 포천 광산의 시추 시료에서 철 광체와 함께 다양한 유형의 스카른대가 배태되며, 이러한 자철석 광석에서는 Na-Ca변질작용에 의한 독특한 광물조합이 확인되었다. 이는 IOCG형(iron oxide-copper-gold type) 열수시스템에서 나타나는 Na 열수변질대의 광물상과 서로 유사한 특징을 보인다(Wang and Williams, 2001; Monterio et al., 2008).
포천 철광상의 특징은?
경기육괴 북서부에 위치한 포천 철광상은 1966년부터 1977년까지 약 65만 톤 정광(약 60 wt. % Fe)을 생산한 국내 대표적인 철광산이며, 총 매장량은 640만 M/T으로 보고되고 있다. 포천 광상은 성인 측면에서 함철퇴적물 기원의 변성 퇴적 광상(Kim, 1977; Lee, 1979), 앰피볼라이트와 연계된 해저 화산성 배기형 퇴적 광상(So, 1977), 그리고 접촉교대작용에 의한 스카른 광상(Kanda, 1969)으로 다양하게 해석되었다.
포천 광상이 성인 측면에서 어떻게 해석되고 있는가?
% Fe)을 생산한 국내 대표적인 철광산이며, 총 매장량은 640만 M/T으로 보고되고 있다. 포천 광상은 성인 측면에서 함철퇴적물 기원의 변성 퇴적 광상(Kim, 1977; Lee, 1979), 앰피볼라이트와 연계된 해저 화산성 배기형 퇴적 광상(So, 1977), 그리고 접촉교대작용에 의한 스카른 광상(Kanda, 1969)으로 다양하게 해석되었다. 이러한 철광화작용은 기본적으로 동시 생성의 퇴적 기원광상 또는 후기 생성의 열수 기원 광상으로 요약되며, 특히 암석학적 관점에서 철 광체와 밀접한 산출양상을 보이는 앰피볼라이트 성인에 대한 해석 차이로부터 시작되고 있다.
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