백두산 화산지역의 제 4기 화산분출물 부석과 맨틀 포획함의 지구화학적 연구

Abstract

백두산은 신생대 제 3, 4기에 일어난 화산활동으로 형성되었으며 일본 및 중국에까지 당시의 화산쇄설물이 발견될 정도로 대규모의 폭발적인 화산이었다. 이 연구에서는 백두산에 분포하는 알칼리 화산암류 중 부석과 맨틀 포획암의 광물·암석 화학적 특성과 맨틀 포획암의 광물 화학자료를 이용하여 백두산 심부의 지질압력과 온도 계산, 백두산 화산활동의 근원 및 특성과 이 지역 상부 맨틀의 구성물질과 지온구배의 특성을 파악하고자 한다. 이를 위해 백두산 천지를 중심으로 동쪽편과 서쪽편, 그리고 쌍봉과 적봉에 분포하는 화산암류와 백두산 지역에서 산출된 맨틀 포획암과 백두산 화산활동대 부근에 위치한 중국 룽첸(龍泉) 지역의 맨틀 포획암을 대상으로 주성분, 미량성분, 희토류 원소 등 광물암석 화학적 특성을 분석·검토하였다. 백두산 화산암류는 현무암, 조면현무암, 현무암질 안산암, 안산암, 조면암, 유문암 등으로 다양하게 산출된다. 백두산 화산암류의 주성분 원소와 미량원소에 대한 지구화학적 특징은 감람석과 휘석류, 장석류의 정출과 관련되어 나타나고, 콘드라이트로 표준화한 REE 패턴은 대체적으로 LREE에서 HREE로 갈수록 감소하는 상관을 보이며 후기 분출 암석에서 사장석의 분별정출과 관련된 Eu 부의 이상이 보인다. 백두산 지역 화산암류의 주성분원소, 미량원소와 희토류 원소의 패턴은 유문암질 및 현무암질 화산암 특성의 두 그룹으로 구분되며, 이 같은 전암의 지화학적 특징은 백두산 화산암이 현무암질 마그마의 일련의 분화산물이 아니고 상이한 초기의 현무암질 마그마와 대륙 지각 물질 혼입에 기인한 후기의 유문암질 마그마의 산물임을 가리키고 있다. 백두산 지역 부석 시료는 주성분 원소 중 K의 함량이 High-K의 영역에 속하며 미량원소 특징은 대륙의 칼크-알칼리 계열과 판 내부 계열 사이에 해당하고 있다. 백두산 지역 부석은 주성분 원소의 특성 및 REE 패턴에서 일본 홋카이도 B-Tm의 것과 지구화학적으로 유사하다. 이는 일본 홋카이도에 분포하고 있는 부석층이 백두산 화산분출로 해석한 선행연구자들의 결론을 지시하고 있다. 백두산 지역 맨틀 포획암 산출지의 상부 맨틀 지질온도는 916~983 ℃, 지질압력은 14.8~17.6 kbar이며, 중국 북동부 룽첸 지역의 상부 맨틀의 지질온도는 1028~1211 ℃이며, 지질압력은 26.3~28.2 kbar로 계산되었다. 지질온도와 압력의 지온구배는 두 지역 모두 해양성 맨틀 지온구배에 속하며, 백두산 지역의 맨틀 포획암은 스피넬-레졸라이트에 속하고 중국 룽치엔 지역의 것은 석류석-레졸라이트에 속하고 있다. 그리고 백두산의 맨틀 포획암을 운반한 알칼리 현무암질 마그마의 생성 심도는 44~53 ㎞, 중국 룽첸 지역의 것은 79~85 ㎞ 부근으로 해석된다. 백두산의 화산활동은 태평양판과 유라시아판이 충돌하면서 중국 동부 연변부가 침강하였던 지구조 운동와 관련한 영향으로 열플룸이 상승하여 마그마방이 형성되었고, 초기 알칼리 현무암질 마그마 화산활동과 지각 물질의 다량 혼입으로 인한 후기의 조면암질 또는 유문암질 화산활동으로 진화된 것으로 해석된다.;The Cenozoic Baekdusan volcanic eruption produced a large volume of early basaltic lava and late comenditic trachytic tephra. The widespread tephra deposition reaches to the northeastern Japanese island through the East sea. Geochemical analyses including major, trace and rare earth elements(REE) for the alkali volcanic rocks, pumices and mantle xenoliths from the Baekdusan area were carried out to interpret the origin and implications for the evolution the Baekdusan alkali basaltic magma. Mineral chemistry for the lherzolite mantle xenoliths from the Baekdusan and Lungchen area was determined to obtain informations of the uppermost mantle beneath the Baekdusan area. Analytical results were summarized as follows. The volcanic rocks can be divided geochemically into two groups as (1) alkali basaltic rocks and (2) trachytic and rhyolitic rocks represented by comenditic tephra. This suggests that they are not caused by successive evolution of basaltic magma but discontinuous evolution from early basaltic magma to late rhyolitic magma with a contamination of continental crustal materials. The comenditic tephra represented by trachyte, ignimbrites, pumice and volcanic ash shows a high-K and continental calc- alkaline characteristics. In geochemical properties, the pumice in the Baekdusan area shows a quite similar to B-Tm pyroclastics in the Hokkaido area, Japan. Based on the mineral chemistry of the xenoliths, the equilibrium temperatures and pressures of clinopyroxene-olivine-orthopyroxene mineral pairs in lherzolitic mantle xenoliths were calculated to be from ca. 14.8kbar at 916℃ to 17.6kbar at 983℃ for the Baekdusan area and from 26.3kbar at 1028℃ to 28.2kbar at 1211℃ for the Lungchen district. The xenolith-derived paleogeotherm from the Baekdusan and Lungchen area is constrained in the depth from 44 to 53km and from 79 to 85km, respectively. This provides a possible depth information of alkali volcanic magma chamber in the upper mantle of the continental margin of the Eurasian plate.