소연평도 함티타늄자철광상의 암석 지구화학적 연구

Abstract

남한의 선캠브리아기의 연천계 변성암 지층내에 발달하는 함티타늄자철광상은 소연평도, 볼음도, 연천 고남산 등지에 분포하고 있다. 고남산 지역에서는 함티타늄자철광상이 알카리 반려암과 밀접히 수반되며 소연평도와 볼음도 광상은 각섬암과 밀접히 수반된다. 본 연구 대상은 인천에서 약 90 ㎞ 떨어진 서해안에 위치한 섬인 소연평도에 분포하고 있는 함티타늄자철광상이다. 소연평도 함티타늄자철광상의 성인과 광물화학의 특징, 광화환경, 광화시기, 모암의 암석화학적 특징 및 자철광화와의 성인적 관련성을 연구하기 위하여 야외지질조사, 각섬암의 암석화학적 연구, 광물기재 및 광물화학연구, 산소 및 수소 안정동위원소 분석, K-Ar 절대연령측정 등을 실시하였다. 얻어진 연구결과는 다음과 같다. 소연평도 함티타늄자철광상은 연천계의 변성퇴적암류를 관입한 각섬암질내에 렌즈상으로 발달하는 정마그마성광상이다. 각섬암의 각섬석의 K-Ar 연령은 440.0 ± 6.4 Ma 이며 편마상각섬암중의 각섬석은 351.0 ± 5.2 Ma 으로 측정되어 이들 두 시기는 모두 변성작용의 시기로 해석되며 각섬암의 관입시기는 고생대 오르도뷔스기 이전으로 생각된다. 함티타늄자철광상의 모암은 화성기원의 각섬암질암으로 각섬암, 편상각섬암, 편마상각섬암으로 구분된다. 각섬암 전암의 TiO_(2) 함량은 0.94 ~ 6.39 wt% (평균 4.05 wt%)로 화성기원의 각섬암보다 높은 함량을 가진 고티타늄 각섬암이다. 각섬암의 미량성분중에는 V의 함량이 200 ~ 300 ppm으로 특히 높으며 REE는 LREE의 강한 부화와 상대적으로 적은 HREE를 갖는다. 각섬암 구성광물중 amphibole group은 hornblende와 ferroan pargasite, tschermakite로서 calcic amphibole group에 속하는 광물로 구성되어 있다. 흑운모의 성분은 Mg/(Mg+Fe) = 0.33 ~ 0.44, Al^(+6) = 0.43 ~ 0.72 로 흑운모의 대부분이 각섬석의 결정면이나 쪼개짐면을 따라 발달하여 각섬석보다 후기의 변성산물이다. 열수변질을 받은 부분과 광체내에서 산출되는 녹니석은 ripidolite와 sheridanite에 해당된다. 소연평도 함티탄늄자철광석의 주구성광물은 TiO_(2) = 49.96 ~ 53.14 wt%, total FeO = 40.99 ~ 48.87 wt%인 일메나이트계열과 TiO_(2) = 0.59 ~ 10.98 wt%, total FeO = 78.66 ~ 91.16 wt%인 함티타늄자철석(titanomagnetite)계열로 대분되며 황동석 등의 화화광물이 소량 수반된다. 각섬암 및 함티타늄자철광체내 공존하는 각섬석의 산소 및 수소 안정동위원소비는 각각 δ^(18)O = 0.8 ~ 3.9 ‰, δD = -87.8 ~ -108.7 ‰로 비교적 균일한 동위원소비를 가지며 편마상각섬암의 각섬석의 동위원소비는 δ^(18)O = -2.4 ~ -4.0‰, δD = -109.3 ~ 113.3 ‰로 변성시 ^(18)O가 결핍된 순환수의 혼입 때문으로 추정된다. 자철광체와 각섬암내의 각섬석과 동위원소평형에 있었던 열수의 동위원소비는 δ^(18)O = 2.79 ~ 5.89 ‰, δD = -60.41 ~ -81.31 ‰로 마그마기원의 멜트로 해석되며 각섬암질 규산염 마그마 멜트에서 Ti-산화물 유체로 불혼화시에 ^(18)O 결핍된 순환수의 혼입때문으로 다소 산소편이(oxygen shift) 현상이 나타나고 있다. 함티타늄자철석의 산소동위원소비는 0.4 ~ 1.9 ‰이다. 광상형성온도 550℃에서 이와 동위원소 평형에 있었던 광화용액의 δ^(18)O 값은 6.37 ~ 7.87 ‰로 primary magmatic water의 값과 일치하고 있다. 소연평도 함티타늄자철광체의 산출상태, 각섬암질 모암의 화학조성, 동위원소비 등의 연구내용을 종합하면 광화용액의 기원은 광체를 배태하고 있는 각섬암질암에 둘 수 있다. 그리고 함티타늄자철광상은 고농도의 함티타늄 염기성 멜트에서 규산염 멜트와 함티타늄자철석 멜트의 불혼화로 형성된 정마그마 기원의 광상으로 해석된다.;Lens shaped titanomagnetite orebodies in the Soyeonpyeong iron mine are embedded in amphibolites, which were intruded into Precambrian metasediments such as garnet-mica schist, marble, mica schist, and quartz schist. Mineral chemistry, K- Ar dating and hydrogen and oxygen stable isotopic analysis for the amphibolites and titanomagnetite ores were conducted to interpret petrogenesis of amphibolite and ore genesis of titanomagnetite iron ore deposits. The results are as follows: The metasediments belong to amphibolite facies characterized by mineral assemblages including biotite, muscovite, tourmaline, and garnet. Amphibolites of igneous origin from the Soyeonpyeong iron mine have unusually high content of TiO_(2), ranging from 0.94 to 6.39 wt% with the average value of 4.05 wt%. REE patterns of the differant lithology of the amphibolite rocks show the similar trend with a enrichment of LREE. Amphiboles of amphibolites are consist mainly of calcic amphiboles such as ferro hornblende, tschermakite, ferroan pargasite, and ferroan pargasitic hornblende. Hornblende K-Ar ages for amphibolite and gneissic amphibolite from the Soyeonpyeong-do were obtained to be 440.04±6.39 Ma and 351.03±5.21 Ma, respectively. This indicates two metamorphic events of Paleozoic age in the Korean peninsular which are correlated with Altin orogeny in China. The titanomagnetite mineralization in the Soyeonpyeong iron mine seems to have occured before Cambrian age based on the occurence of orebodies and host amphibolites. The Soyeonpyeong iron ores are composed mainly of titanomagnetite, ilmenite, and secondary minerals such as ilmenite and hercynite exsolved in titanomagnetite. The temperature and the oxygen fugacity estimated by the titanomagnetite-ilmenite geothermometer are 500∼600℃(average 550 ℃) and about 2×10^(-23) bar, respectively. Hornblendes from ores and amphibolites which responsible for magnetite ore mineralization, have a relatively homogeneous isotopic compositions ranging from +0.8 to +3.9 ‰(SMOW) in δ^(18)O and from -87.8 to -113.3 ‰(SMOW) in δD. The calculated oxygen and hydrogen isotopic compositions of the fluids which were in equilibrium with hornblende at 550℃, range from +2.8 to +5.9 ‰, in δ^(18)O_(H2O) and from -60.41 to -81.31 ‰. The δ^(18)O_(H2O) value of magnetite ore fluids are in between +6.4 to +7.9 ‰. All of these values fall in the range of primary magmatic water. A slight oxygen shift means that ^(18)O-depleted meteoric water be acted with basic fluids during immisible processes between silicate and titaniferous oxide melt. Mineral chemistry, isotopic compositions, and occurences of amphibolites and orebodies, suggest that the titanomagnetite melt be separated immisciblely from the titaniferous basic magma.