[논문]산소-탄소 안정동위원소특성을 이용한 대기층 고품위 석회석의 생성기작 해석

김창성; 최선규; 김규보; 강정극; 김상태; 이종현; 장재호

doi:10.9719/eeg.2019.52.1.107

초록
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태백산분지 북익부 고품위 석회석의 생성은 크게 동생적(syngenetic)과 후생적(epigenetic) 관점으로 나뉘어 있으며, 산소-탄소 안정동위원소 비 특성을 이용하여 이들의 생성환경을 고찰하였다. 북익부의 4개 광산(GMI, 정선, 백운, 백광)과 남익부의 상동(오미아)광산, 그리고, 삼척지역의 쌍용동해광산을 대상으로 하였으며, 이들과의 비교를 위해 정선지역 대기층 노두시료를 포함하였으며, 이들을 색상에 따라 암회색, 회색, 담회색, 백색으로 구분하였다. 산소 안정동위원소 비는 4.5 ~ 21.6 ‰의 넓은 범위의 변화를 보이지만, 탄소 안정동위원소 비는 -1.1 ~ 0.8 ‰ (방해석 맥 제외)로 매우 좁은 범위를 보여, 열수의 작용이 크지 않았음을 지시한다. 또한, 광산별, 색상별 산소-탄소 안정동위원소 비의 분포범위의 차이는 없으며, 주변 노두에서 채취된 탄산염암과 유사한 범위를 보이는 것으로 보인다. 이와 같은 결과는 고품위 석회석의 생성에 있어서 열수의 영향은 거의 없었다는 것을 지시한다. 산소 안정동위원소 비 값은 암석의 색상변화(백색화)보다는 조직의 변화와 관련되는데, 산소 안정동위원소 비 15 ‰ 전후를 기준으로 탄산염암의 산상을 구분할 수 있다. 이보다 높은 경우 괴상 또는 층리가 잘 보존된 특징을 보이는 반면, 낮은 경우 하나의 시료 내에서 두 가지 이상의 색상이 나타나고 있으며, 층리는 교란되거나 거의 소멸하여 흔적만 확인된다. 두 가지 이상의 색상이 나타나는 경우 밝은 부분이 어두운 부분에 비해 현저히 낮은 산소 안정동위원소 비를 보이는 경우가 다수 관찰되며, 이는 열수와의 반응에 의한 현상으로 해석된다. 다만, 이와 같은 현상은 소규모로 나타나고 있으며, 광상 전체적인 고품위 석회석의 생성에 대한 해석으로는 적당하지 않다. 특히, 재결정화한 백색의 탄산염암에서 높은 산소 안정동위원소 비 값을 보이는 것은 이 지역 탄산염암의 재결정화에 열수의 작용이 매우 적었음을 지시하며, 주변 마그마에 의한 열적 영향만을 받은 결과로 해석된다. 또한, 고품위 석회석광상 내 광체의 분포가 수평으로 연속적이며, 고품위 석회석 상하 주변에 백운석이 층상으로 협재되는 등의 산상을 고려할 때, 연구지역 고품위 석회석의 생성은 동생적(syngenetic) 해석이 보다 더 타당할 것으로 판단된다. 따라서, 태백산분지 전반적으로 순차층서적 관점에 의한 퇴적상의 해석이 필요할 것으로 사료되며, 이는 추가적인 고품위 석회석 광체의 확보에 매우 중요한 요소가 될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Two assertions about the process the formation of the high-purity limestone in the Taebaeksan Basin, categorized into syngenetic and epigenetic origin, are verified on the basis of its oxygen-carbon stable isotopic characteristics. The carbonate rocks sampled from the selective six high-purity limes...

Two assertions about the process the formation of the high-purity limestone in the Taebaeksan Basin, categorized into syngenetic and epigenetic origin, are verified on the basis of its oxygen-carbon stable isotopic characteristics. The carbonate rocks sampled from the selective six high-purity limestone mines and several outcrops in the Daegi formation are featured by various colors such as the gray, light gray and dark gray. They show a wide range of oxygen stable isotope ratios (4.5 ~ 21.6 ‰), but a narrow range of carbon stable isotope ratios (-1.1 ~ 0.8 ‰, except for vein calcite), which means that they had not experienced strong hydrothermal alteration. In addition, there is no difference in the range of the oxygen stable isotope ratios by mine and color, and it is similar to the range from surrounding outcrop samples. These results indicate that the effect of the hydrothermal alteration were negligible in the generation of high-purity limestone in deposit scale. Whereas, the carbonate rocks can be divided texturally into two groups on the basis of an oxygen isotope ratio; the massive-textured or well-layered samples (>15 ‰), and the layer-disturbed (or layer-destructed) and showing over two colors in one sample (<15 ‰). In the multi-colored samples, the bright parts are characterized by the very low oxygen stable isotope ratios, compared to the dark parts, implying the increase in brightness of the carbonate rocks could be induced by the interaction between hydrothermal fluid and rock. However, these can be applied in a small scale such as one sample and are not suitable for interpretation of the generation of high-purity limestone as a deposit scale. In particular, the high oxygen isotope ratios from the recrystallized white limestone suggest that hydrothermal fluids are also rarely involved during recrystallization process. In addition, the occurrences of the high-purity limestone orebody strongly support the high-purity limestone in the area are syngenetic rather than epigenetic; the high-purity limestone layers in the area show continuous and almost horizontal shapes, and is intercalated between dolomite layers. Consequently, the overall reinterpretation based on the sequential stratigraphy over the Taebaeksan basin would play an important role to find additional reserves of the high-purity limestone.

Keyword

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Geologic map of the Taebaeksan Basin with shown representative high-purity limestone and metal deposits (modified from Koh et al., 2001).
그림 Fig. 2. Slab photographs of the representative carbonate rocks which are indicated the color group and the O-C stable isotopic values. a) dark grey, b) grey, c) light grey, d) white, and e) recrystallized.
그림 Fig. 3. Slab photographs of the representative carbonate rocks showing the different colors in each sample which are indicated the analysed spots (black or white dots) and O-C stable isotopic values.
표 Table 1. Values of oxygen-carbon stable isotope ratio of the Daegi Formation at some high-purity limestone deposits
표 Table 2. Ranges of oxygen-carbon stable isotope ratio by color at some high-purity limestone deposits (included the data from the GMI mine)
표 Table 3. Values of oxygen-carbon stable isotope ratio of the outcrops in the Daegi Formation
그림 Fig. 4. Distribution of oxygen-carbon stable isotope ratios of the carbonates in the Daegi Formation from some highpurity limestone deposits (a) and by color (b). It is found that the large variation of the oxygen isotopic values but that the small of the carbon except one sample, calcite vein. There is no difference in the oxygen isotpoic ratios by color. Range of sedimentary and magmatic carbonates are from James and Jones (2016) and Tayler et al. (1967). Magmatic water box: δ¹³CPDB = -8.0 ~ -5.0 ‰; δ¹⁸OSMOW = 5.5 ~ 10.0 ‰.
그림 Fig. 5. XRD results of the white (a) and dark grey (b)carbonate rocks from the Daegi Formation. cal = calcite,dol = dolomite.
그림 Fig. 6. Distribution of oxygen-carbon stable isotope ratios of the carbonates in the Daegi Formation from some metal deposits.
그림 Fig. 7. Distribution of oxygen-carbon stable isotope ratios of the carbonates in the Daegi Formation from several outcrops.
그림 Fig. 8. Microphotographs of the carbonate rocks from the high-purity limestone deposits by color. a) white, b) light grey, c)grey, and d) dark grey. The carbonate rocks of white and light grey color consist only carbonate mineral (a, b) but, the grey and dark grey samples contain some pelitic material (c, d).
표 Table 4. Characteristics of the carbonate rocks grouped by oxygen stable isotopic values

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문제 정의

본 연구에서는 연구범위를 태백산분지 북익부의 다수 고품위 석회석광산으로 확장하여 단일광산에서의 결과가 태백산분지 전반적인 경향으로 확장이 가능한가에 대한 검증을 위하여, 암석의 생성기원에 대한 정보를 가장 잘 반영하는 요소로 알려져 있는 산소-탄소 안정동위원소 비의 변화양상을 이용하여 분지 북익부의 고품위 석회석 생성기작을 해석하고자 한다.
본 연구에서는 화암, 백운, 정선광산 등 태백산광화 대 북익부의 고품위 석회석광상에서 암석의 색상별 산소-탄소 안정동위원소 비의 분포양상을 GMI광상의 자료(Kim et al., 2017)와 함께 검토하였으며, 분지 남익부의 상동(오미아)광상과 삼척지역의 쌍용동해광상에서의 결과를 비교하였다(Table 1). 암회색, 회색, 담회색, 백색의 네 단계 색상구분에 따른 암색과 산소 안정동위원소 비 사이에는 상관관계가 전혀 없었다(Fig.

가설 설정

Microphotographs of the carbonate rocks from the high-purity limestone deposits by color. a) white, b) light grey, c) grey, and d) dark grey. The carbonate rocks of white and light grey color consist only carbonate mineral (a, b) but, the grey and dark grey samples contain some pelitic material (c, d).

제안 방법

주로 채취 당시 생산 중인 막장에서 색상 별로 채취하였으며, GMI, 백운, 정선, 상동광산과 같이 가능한 경우는 시추시료에서도 선택하여 다양한 성질의 시료를 채취하였다. 채취한 시료들은 암회색(dark grey), 회색(grey), 담회색(light grey), 백색(white)의 네 단계의 색상으로 구분하였으며, 조립질, 당정질 등 뚜렷하게 재결정화작용을 받은 시료들을 구분하였다 (Table 1, Fig. 2). Kim et al.
(2017)에서 구분하였던 담갈색(pale brown)은 백운석에서만 일부 나타나므로, 이를 담회색에 포함하여 색상 구분을 단순화하였다. 동일 시료 내에서 색상 변화가 있는 시편에서는 대표적인 색상별로 구분된 영역에 2개 이상의 위치에서 동위원소를 분석하여 색상변화에 따른 동위원소 비의 변화 양상을 고찰하였다(Fig. 3). 또한, 고품위 석회석광상에서 열수의 영향을 검증하기 위하여 광상 주변 정선지 역의 대기층 노두시료를 채취하여 분석하였으며, 산소-탄소 안정동위원소 비의 분포양상을 서로 비교 분석 하였다.
3). 또한, 고품위 석회석광상에서 열수의 영향을 검증하기 위하여 광상 주변 정선지 역의 대기층 노두시료를 채취하여 분석하였으며, 산소-탄소 안정동위원소 비의 분포양상을 서로 비교 분석 하였다.
분석은 캐나다 맥매스터 대학교 동위원소 연구실에서 수행하였으며, 분석방법은 약 150 μg의 분말 시료 에 대하여 인산(H3PO4)을 첨가하고 25°C에서 24시간 반응시켜 탄산염광물을 분해시킨 후, 발생된 이산화탄소 기체를 Gas Bench II 시스템과 Thermo Finnigan Delta plus XP isotope ratio 질량분석기를 이용하여 탄소와 산소의 안정동위원소 분포를 측정하였다.
)을 첨가하고 25°C에서 24시간 반응시켜 탄산염광물을 분해시킨 후, 발생된 이산화탄소 기체를 Gas Bench II 시스템과 Thermo Finnigan Delta plus XP isotope ratio 질량분석기를 이용하여 탄소와 산소의 안정동위원소 분포를 측정하였다. 또한, 일부 시료분석 시 사용된 시료의 질량으로부터 이론적으로 기대되는 CO₂의 양과 실제 인산과 반응에서 발생된 CO₂의 양을 상호 비교하여 시료에 포함된 탄산 염광물의 조성을 추정하였다.
산소-탄소 안정동위원소 비 측정과 더불어 시료 내 이 산화탄소의 총량을 측정하였다. 이론적으로 방해석과 백운석의 CO₂함량은 각각 43.

대상 데이터

태백산분지 북익부에 분포하는 대표적인 고품위석회 석광상인 GMI광산(강원머티리얼), 정선광산(충무화학), 백운광산(GMC), 화암광산(백광소재)을 선정하였으며 (Fig. 1), 비교분석을 위해 남익부의 상동광산(오미아) 및 삼척지역의 쌍용동해광산(쌍용시멘트)에서 시료를 채취하였다.
1), 비교분석을 위해 남익부의 상동광산(오미아) 및 삼척지역의 쌍용동해광산(쌍용시멘트)에서 시료를 채취하였다. 주로 채취 당시 생산 중인 막장에서 색상 별로 채취하였으며, GMI, 백운, 정선, 상동광산과 같이 가능한 경우는 시추시료에서도 선택하여 다양한 성질의 시료를 채취하였다. 채취한 시료들은 암회색(dark grey), 회색(grey), 담회색(light grey), 백색(white)의 네 단계의 색상으로 구분하였으며, 조립질, 당정질 등 뚜렷하게 재결정화작용을 받은 시료들을 구분하였다 (Table 1, Fig.

성능/효과

재결정화한 탄산염암의 산소 안정동위원소 비의 범위는 16.4 ~ 20.0 ‰ (평균 18.7 ‰)로 재결정화하지 않은 탄산염암에 비해 상당히 높은 산소 안정동위원소 비 값이 확인된다(Table 2).
대상광산 모두 탄소 동위원소비의 변화는 최대 3.6 ‰ 로 미약한 반면, 산소 동위원소 비의 변화는 최대 16.2 ‰로 상당히 넓게 나타난다(Table 1).
태백산분지 북익부 고품위 석회석광상에서의 산소탄소 안정동위원소비 측정 결과 각 광산별 δ18OSMOW와 δ13CPDB의 범위는 GMI광산 4.5 ~ 20.7 ‰과 –2.8 ~ 0.8 ‰ (Kim et al., 2017), 정선광산 9.9 ~ 20.8 ‰ 과 –0.3 ~ 0.5 ‰, 백운광산 17.0 ~ 21.4 ‰과 –0.2 ~ 0.7 ‰, 화암광산 12.2 ~ 21.6 ‰과 –0.5 ~ 0.5 ‰이다(Table 1).
% 로 백운석이 방해석에 비하여 높다. 추출과정에서 탄산염광물의 유형에 따라 인산에 대한 반응성의 차이를 보이며, 방해석은 거의 모두 반응하여 기화되는 반면, 백운석은 매우 느리게 반응하여 일부만 기화되는 양상을 보인다. 따라서, 본 연구에 사용된 분석방법을 적용할 경우 방해석은 40 wt.
, 2015). 따라서, 연구지역에서 탄소 안정동위원소 비의 변화가 미약한 특징은 전반적으로 탄산염암과 열수의 반응이 미약하였음을 시사한다(Fig. 4). 이는 주변 열수광상에 서의 산소-탄소 안정동위원소 비 분포특성과 비교하여 보면 더 확연하게 알 수 있다.
6; Lee and Shin, 2009), 이 지역 연구에 있어서 부분적인 유기탄소의 영향은 고려되어야할 것으로 사료된다. 이와 같이 고품위 석회석광상, 일반노두, 주변 금속광상의 산소탄소 안정동위원소 비 분포특성을 종합적으로 고려할 때, 태백산분지 북익부 고품위 석회석광상 형성에 있어서 열수의 작용은 미약하였을 것으로 판단된다.
특히 다수의 백색 석회암에서 퇴적기원의 동위원소 비인 20 ‰ 내외의 값이 확인되었으며, 일부 암회색의 석회암에서 10 ‰ 미만의 매우 낮은 산소 안정동위원소비 값이 확인되었다(Fig. 4b).

후속연구

고품위 석회석의 자원 확보에서 이들의 생성기작 이 중요한 이유는 앞서 언급한 바와 같이 생성과정의 차이에 의해 고품위 석회석의 부존 양상이 달라질 수 있기 때문이다. 동생적 견해를 따르자면 퇴적 당시에 조간대와 조하대의 경계부분이 장기간 지속된 지역을 순차층서학(sequential stratigraphy)적으로 탐사해야 할 것이며, 후생적 견해에 의한 광상 탐사는 열수의 영향을 상대적으로 강하게 받은 변질대에 집중된 탐사가 필요할 것이다. 이와 같은 두 가지 생성과정 견해에 대하여 최근 북익부 중북부에 위치하는 임계지역의 GMI광상에 대한 광물-암석화학 및 산소-탄소 안정동위원소 연구를 토대로 본 광상에서 산출하는 고품위 석회석의 생성은 동시생성적 과정에 의해 형성된 것으로 해석하기도 하였다(Kim et al.
, 2017), 암회색에서 분산된 CO₂ 함량이 나타나는 것은 방해석과 백운석이 혼재되어 있는 것으로 해석할 수 있다. 이와 같이 XRD와 같은 광물분석을 이용하지 않더라도 안정동위원소 분석 시 추가적인 과정을 통해 성분의 분포를 반정량적으로 알아낼 수 있을 것으로 사료된다.
5 % 미만으로 측정된 결과와도 부합한다. 다만, 분지 북익부 금속광상 중 왕제광상에서 현저하게 낮은 탄소 안정동위원소 비 값이 측정되어 이들을 유기기원의 탄소에 의한 것으로 해석한 바 있어(Fig. 6; Lee and Shin, 2009), 이 지역 연구에 있어서 부분적인 유기탄소의 영향은 고려되어야할 것으로 사료된다. 이와 같이 고품위 석회석광상, 일반노두, 주변 금속광상의 산소탄소 안정동위원소 비 분포특성을 종합적으로 고려할 때, 태백산분지 북익부 고품위 석회석광상 형성에 있어서 열수의 작용은 미약하였을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고품위 석회석 개발을 통한 고부가가치화가 필요한 이유가 무엇인가?	, 2017), 대부분 시멘트 제조용의 중저품위 석회암을 대상으로 노천채광 방식으로 생산 중이다. 최근 인건비 등 생산원가와 환경문제로 인한 인허가 및 환경복원 등 비용 증가로 인해 고품위 석회석 개발을 통한 고부가가치화의 필요성이 지속해서 제기되고 있다. 특히, 세계적으로 노천광산 개발에 따른 환경 훼손을 최소화하고자 하고 있으며(Morales, 2018), 국내에서도 신규 광산개발 허가는 대부분 갱내채광을 전제로 허가되고 있는 실정이다.
	고품위 석회석의 생성기작에 대한 2가지 해석은 각각 무엇인가?	, 2004; Noh and Oh, 2005) 견해로 나뉘고 있다. 동생적 견해에서 는 천해의 탄산염암 퇴적환경에서 퇴적 당시 이질물이 제거되어 고품위의 특성을 가지고 퇴적되었다고 해석하고 있으며, 이들은 조간대와 조하대 사이의 조건에서 해조류들이 사후퇴적 되는 소위 탄산염공장(carbonate factory) 환경이 형성되어 고품위 석회석이 형성된 것으로 해석한다(Ryu, 2003). 후기 캠브리아기의 이 지역 퇴적환경은 해수면의 상승과 하강이 반복되는 천해 환경으로 제시되고 있다(Kim et al., 2016). 후생적 견해에서는 대기층 중-하부의 중-저품위 석회석과 동일하게 퇴적된 이후 태백산 분지 주변부로부터의 광역적 열수 유입이 대기층 상부에 집중되었으며, 이에 의한 열수변질작용으로 대기층 상부가 선택적으로 고품위화 되었다는 견해이다(Noh et al., 2004; Noh and Oh, 2005).
	퇴적 시와 퇴적 이후에 탄산염암의 산소-탄소 안정동위원소 비에 영향을 주는 요인은 무엇인가?	탄산염암의 산소-탄소 안정동위원소 비는 암석의 생성, 속성 및 후기 진화과정에서 유도된 지질작용을 확 인할 수 있는 가장 직접적인 연구방법이다. 탄산염암 퇴적 당시에는 주변 해수의 산소-탄소 안정동위원소 비가 가장 큰 영향을 미치고, 퇴적 이후에는 속성작용, 마그마성 열수, 지하수 및 유기탄소 등이 탄산염암의 산소-탄소 안정동위원소 비 변화에 영향을 준다(Cao et al., 2016).

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