[국내논문]통가 TA25 해저산 칼데라 해저열수 분출구의 광석광물 산상 및 유체포유물 연구 Mineralogical and Fluid Inclusion Study on Seafloor Hydrothermal Vents at TA25 Subsea Caldera in Tongan Waters원문보기
통가화산호의 TA25 해저산 서측에서는 열수광체가 처음 발견되었다. 이 지역에 분포하는 열수분출구들은 열수분출이 막 시작된 미성숙한 분출구로서 최저 $150^{\circ}C$에서 최대 $242^{\circ}C$ (평균: $203^{\circ}C$)의 열수온도를 보인다. 주요 황화광물로는 섬아연석, 황철석, 백철석, 방연석, 황동석, 코벨라이트, 비사면동석(tennantite), 황비동석(enargite)이 산출되며, 중정석, 석고/경석고 등의 황산염 광물들이 침니 외각에서 산출된다. 특히, 섬아연석이 높은 산출빈도를 보이는 아연 우세형 (Zn-rich) 광체로 분류된다. 광석광물 중 황비동석의 산출은 이 지역 열수분출구의 광화작용이 고유황형 환경에서 진행되었음을 시사한다. 섬아연석은 열수분출구의 외각부에서 내측부로 갈수록 산출빈도가 증가하며, 섬아연석 내 철함량 (mole% FeS)도 높아진다. 또한, 이들 섬아연석은 은 (~10 wt.%)을 함유하고 있는 특징을 보인다. 황동석은 침니에 비해 광체구에서 높은 산출빈도를 보여, 침니와 비교하여 광체구에서 다소 고온의 광화작용이 진행된 것으로 판단된다. 열수분출구 구성광물 중 광체구에서 산출되는 중정석을 대상으로 한 유체포유물 실험 결과, 균일화 온도 및 염농도는 $148^{\circ}C{\sim}341^{\circ}C$ (평균: $213^{\circ}C$) 및 0.4~3.1 equiv. wt.% NaCl를 보여 섬아연석 등 광석광물의 주된 광화작용이 약 ${\geq}200^{\circ}C$에서 진행된 것으로 확인되며, 동광화작용이 미약한 침니에서는 보다 낮은 온도에서 광화작용이 진행되었던 것으로 판단된다.
통가화산호의 TA25 해저산 서측에서는 열수광체가 처음 발견되었다. 이 지역에 분포하는 열수분출구들은 열수분출이 막 시작된 미성숙한 분출구로서 최저 $150^{\circ}C$에서 최대 $242^{\circ}C$ (평균: $203^{\circ}C$)의 열수온도를 보인다. 주요 황화광물로는 섬아연석, 황철석, 백철석, 방연석, 황동석, 코벨라이트, 비사면동석(tennantite), 황비동석(enargite)이 산출되며, 중정석, 석고/경석고 등의 황산염 광물들이 침니 외각에서 산출된다. 특히, 섬아연석이 높은 산출빈도를 보이는 아연 우세형 (Zn-rich) 광체로 분류된다. 광석광물 중 황비동석의 산출은 이 지역 열수분출구의 광화작용이 고유황형 환경에서 진행되었음을 시사한다. 섬아연석은 열수분출구의 외각부에서 내측부로 갈수록 산출빈도가 증가하며, 섬아연석 내 철함량 (mole% FeS)도 높아진다. 또한, 이들 섬아연석은 은 (~10 wt.%)을 함유하고 있는 특징을 보인다. 황동석은 침니에 비해 광체구에서 높은 산출빈도를 보여, 침니와 비교하여 광체구에서 다소 고온의 광화작용이 진행된 것으로 판단된다. 열수분출구 구성광물 중 광체구에서 산출되는 중정석을 대상으로 한 유체포유물 실험 결과, 균일화 온도 및 염농도는 $148^{\circ}C{\sim}341^{\circ}C$ (평균: $213^{\circ}C$) 및 0.4~3.1 equiv. wt.% NaCl를 보여 섬아연석 등 광석광물의 주된 광화작용이 약 ${\geq}200^{\circ}C$에서 진행된 것으로 확인되며, 동광화작용이 미약한 침니에서는 보다 낮은 온도에서 광화작용이 진행되었던 것으로 판단된다.
The extensive hydrothermal deposits have been found, for the first time, on the western TA25 seamount caldera in the Tonga arc. The seafloor hydrothermal vents are active and immature, emitting the transparent fluids of which temperatures range from $150^{\circ}C$ to $242^{\circ}C$
The extensive hydrothermal deposits have been found, for the first time, on the western TA25 seamount caldera in the Tonga arc. The seafloor hydrothermal vents are active and immature, emitting the transparent fluids of which temperatures range from $150^{\circ}C$ to $242^{\circ}C$ (average=$203^{\circ}C$). The recovered hydrothermal sulfides are mainly composed of sphalerite, pyrite, marcasite, galena, chalcopyrite, covellite, tennantite, enargite and sulfates such as barite, gypsum/anhydrite. Predominant sphalerite categorize it into Zn-rich hydrothermal ore body. Zn-rich sulfide ores have minor enargite, indicating that mineralization occurred in high sulfidation environment. The proportion and FeS content of sphalerite increase from outside to inside of the hydrothermal ores, respectively. In particular, sphalerite has a great silver content (up to ~10 wt.%). Chalcopyrite is more frequently observed in mound than in the chimney, implying mineralization temperature in the mound is higher than in the chimney. Homogenization temperatures and salinities from fluid inclusions in barite at the mound range from $148^{\circ}C$ to $341^{\circ}C$ (average=$213^{\circ}C$) and 0.4 to 3.6 equiv. wt.% NaCl, respectively. Homogenization temperatures suggest that sulfides in the mound mineralized at a higher temperature (${\geq}200^{\circ}C$) than in the chimney.
The extensive hydrothermal deposits have been found, for the first time, on the western TA25 seamount caldera in the Tonga arc. The seafloor hydrothermal vents are active and immature, emitting the transparent fluids of which temperatures range from $150^{\circ}C$ to $242^{\circ}C$ (average=$203^{\circ}C$). The recovered hydrothermal sulfides are mainly composed of sphalerite, pyrite, marcasite, galena, chalcopyrite, covellite, tennantite, enargite and sulfates such as barite, gypsum/anhydrite. Predominant sphalerite categorize it into Zn-rich hydrothermal ore body. Zn-rich sulfide ores have minor enargite, indicating that mineralization occurred in high sulfidation environment. The proportion and FeS content of sphalerite increase from outside to inside of the hydrothermal ores, respectively. In particular, sphalerite has a great silver content (up to ~10 wt.%). Chalcopyrite is more frequently observed in mound than in the chimney, implying mineralization temperature in the mound is higher than in the chimney. Homogenization temperatures and salinities from fluid inclusions in barite at the mound range from $148^{\circ}C$ to $341^{\circ}C$ (average=$213^{\circ}C$) and 0.4 to 3.6 equiv. wt.% NaCl, respectively. Homogenization temperatures suggest that sulfides in the mound mineralized at a higher temperature (${\geq}200^{\circ}C$) than in the chimney.
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문제 정의
TA25 해저산 내 열수광화작용과 관련된 유체의 온도조건과 염농도 등을 규명하고자 유체포유물 실험 연구를 수행하였다. 일반적으로 열수분출구에서의 유체포 유물 연구는 경석고, 섬아연석, 중정석을 대상으로 수행되나 본 연구에서는 TA25에서 채취된 광체구 시료에서 분리한 중정석 내에서만 유체포유물이 확인되며, 침니 시료에서는 유체포유물이 관찰되지 않는다.
본 연구에서는 통가 EEZ 내 남위 20o ~25o 사이에 위치하는 해저산 및 칼데라 중 TA25 해저산에서 발견된 해저열수침니 및 광체구의 산상을 보고하고, 광물·광상학적 연구 및 유체포유물 연구를 수행하여 이 지역에 분포하는 열수분출구의 특성을 제시하고자 한다.
가설 설정
(G) Subhedral galena replaced by covellite. (H) Enargite and tennantite located in chalcopyrite grain boundary. Abbreviations; ang=anglesite, ba=barite, cp=chalcopyrite, cv=covellite, eng=enargite, gn=galena, mar=marcasite, py=pyrite, sph=sphalerite, tnt=tennantite.
제안 방법
X-선 회절분석은 PANalytical X'Pert-PRO을 이용하여 분석하였으며, CuKα (1.54056Å)를 이용하여 회절각 (2θ) 5o ~70o 까지 분석하였다.
채취된 침니 및 광체구 시료들 중 대표적인 침니와 광체구 시료를 대상으로 광상·광물학적 연구를 수행하였다. 광석광물에 대해서는 X-선 회절분석 (X-ray powder Diffraction)과 전자현미분석 (Electron Probe Micro-Analysis)을 수행하였다. X-선 회절분석은 PANalytical X'Pert-PRO을 이용하여 분석하였으며, CuKα (1.
우리나라의 통가 탐사권 획득지역은 통가-커마덱 섭입대를 따라 분포하는 28개의 크고 작은 활동성 해저산들로 구성된다. 이 중 우리나라는 2008년 이후 계속적인 해저열수광상 탐사를 통하여 본 논문의 연구지역인 TA25 해저산에서 최초로 대규모의 해저열수분출구를 확인하였다.
이들 중정석을 양면 연마박편으로 제작한 후 경하에서 냉각·가열 실험을 수행하였다.
채취된 침니 및 광체구 시료들 중 대표적인 침니와 광체구 시료를 대상으로 광상·광물학적 연구를 수행하였다.
대상 데이터
(B) The exploration area along the Tongaarc is indicated by red box in (A). Our target is TA25 seamount which is perched at southernmost of the exploration area. Abbreviations; CLSC = Central Lau Spreading Center, ELSC = Eastern Lau Spreading Center, VFR = Valu Fa Ridge.
본 탐사에서 확인된 열수분출구들은 칼데라 서측 경사면 (< 40o) 수심 약 1,100 m에 집중 분포하고 있으며, NE-SW, NW-SE 방향 함몰대를 따라 집합적으로 분포하고 있다 (Fig. 2B).
연구는 독일 해양조사선 R/V SONNE호를 이용하였으며, 심해카메라를 이용하여 해저 관찰을 하면서 시료를 채취 할 수 있는 무인잠수정 (Remotely Operated Vehicle, ROV)과 티비그랩 (TV-grab, GTV)을 이용하여 시료를 획득하였다. 획득된 시료는 TA25 해저산 칼데라 서측 경사면에 분포하는 18곳의 서로 다른 위치의 침니 시료 24점, 광체구 시료 9점 및 광체구 상부에 발달한 표층시료 (Fe-crust)이다 (Table 1).
연구지역인 TA25 해저산은 통가 화산호 최남단에 위치하고 있으며 (Fig. 1B), 주로 현무암질 안산암부터 석영안산암, 유문암까지의 다양한 조성을 보인다 (Stoffers et al., 2006; Massoth et al., 2007).
이들 중정석을 양면 연마박편으로 제작한 후 경하에서 냉각·가열 실험을 수행하였다. 이 실험은 충북대학교 Linkam Scientific Instruments의 THMS 600 Heating/ Freezing stage를 이용하였다. 가열 실험에서 측정되는 균일화온도의 측정 오차는 ±1℃이며, 염농도는 H2ONaCl계의 freezing-point depression (Potter et al.
연구는 독일 해양조사선 R/V SONNE호를 이용하였으며, 심해카메라를 이용하여 해저 관찰을 하면서 시료를 채취 할 수 있는 무인잠수정 (Remotely Operated Vehicle, ROV)과 티비그랩 (TV-grab, GTV)을 이용하여 시료를 획득하였다. 획득된 시료는 TA25 해저산 칼데라 서측 경사면에 분포하는 18곳의 서로 다른 위치의 침니 시료 24점, 광체구 시료 9점 및 광체구 상부에 발달한 표층시료 (Fe-crust)이다 (Table 1). 침니 시료는 해수로 분출되는 열수유체에 의해 해저면에서 수직적으로 발달하는 굴뚝 모양의 침니에서 채취된 시료를 의미하며, 광체구 시료는 열수 유체가 해수로 분출되기 전 해저면 하부에서 해저면 하부로 침투하는 해수와 혼입되어 형성되는 해저면 하부의 광체시료를 의미한다.
획득된 시료는 육안관찰 시 대부분 섬아연석이 우세한 아연 우세형 (Zn-rich) 광체로 분류된다. 생성 초기의 것으로 생각되는 소형 침니 (높이 <20 cm)는 주로 석고/경석고로 구성되어 있어 비교적 약한 경도를 보인다.
이론/모형
54056Å)를 이용하여 회절각 (2θ) 5o ~70o 까지 분석하였다. 전자현미분석은 고려대학교 전략광물자 원연구센터 JEOL JXA-8600SX를 이용하였고, 가속전압 20 kV, 빔전류 2 nA의 조건에서 분석후 ZAF법을 이용하여 보정하였다.
성능/효과
34 wt.%를 보여 섬아연석 입자의 중심부에서 경계부로 갈수록 철함량이 감소하고 은함량이 증가하는 경향을 보인다 (Table 3). 한편, BEI 상에서 관찰되는 섬아연석 내의 밝은 부분은, 분석 빔의 크기 한계에 기인하여 정확한 동정이 어려웠으나 (total value=94.
광체구 시료 역시 섬아연석이 우세하게 산출되며, 침니 시료보다 황동석이 다소 많이 관찰된다. 광체구 시료에 대한 X-선 회절분 석 결과 (Fig. 6), 섬아연석의 회절 피크가 상대적으로 강하게 확인되는 특징을 보이며, 이와 함께 황철석, 황동석, 방연석, 중정석의 회절 피크가 확인된다. 일반적으로 광체구의 최외각부는 중정석의 회절 피크가 상대적으로 강하며, 내측으로 갈수록 황화광물의 X-선 회절 피크가 상대적으로 높아진다.
광체구 시료에서는 주구성광물인 섬아연석의 회절 피크가 광체구 내측으로 갈수록 증가하는 경향을 보이며, 황동석의 회절 피크가 침니에 비해 상대적으로 높게 나타나는 특징을 보인다.
균일화 온도 실험 결과, 광체구 중정석 시료에서는 148℃~341℃ (평균: 213℃)의 균일화 온도 범위를 보인다 (Table 4). 중정석은 광체구 초기 형성 시 광체구 최외각부에서 기질 역할을 하며 산출되는 것으로 보아 광화 주 시기에 정출된 것으로 생각되는 섬아연석, 황철석, 황동석 등은 이보다 온도가 높은 환경 (약 ≥200℃)에서 광화작용이 진행되었을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 액상이 우세하고, 가열실험 시 액상으로 균일화되는 type I 형태의 유체 포유물이 확인되며, 유체포유물 형태는 대부분 부정형으로 20 µm 미만의 크기를 보인다 (Fig. 9).
중정석은 주 구성광물인 섬아연석 보다 주로 전기에 정출된 공생관계로 미루어 광체구에서의 주된 광화작용은 약 ≥200℃에서 진행된 것으로 확인되며, 광체구 보다 해수의 혼입 비율이 높을 것으로 생각되는 침니에서는 이보다 낮은 온도에서 광화작용이 진행되었던 것으로 판단된다.
침니 시료에 대한 X-선 회절분석 결과 (Fig. 5), 섬아연석, 황철석, 방연석, 백철석, 황동석이 확인되며, 이와 함께 석고/경석고, 중정석과 같은 황산염 광물이 우세하게 확인된다. 일반적으로 침니의 최외각부에서는 석고/경석고, 중정석과 같은 황산염 광물의 회절 피크가 강하게 관찰되며, 침니의 내측 분출구 쪽으로 갈수록 황화광물의 상대적 회절 피크가 증가한다.
통가-커마덱 화산호에 위치하는 TA25 해저산의 칼데라 내부 서측 경사면 (약 40o ), 수심 약 1,100 m에서 최초로 대규모의 해저열수분출구를 확인하였다. 대부분의 침니 (높이 <2 m)와 광체구 (직경 <3 m)는 작은 크기로 분포하며, 투명한 저온성 열수유체를 분출하는 활동성 분출구들로서 최저 150℃에서 최대 242℃ (평균: 203℃)의 열수유체가 분출된다.
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