Geochemical and Isotopical Studies for Ultramafic Xenoliths from the Korean Peninsula

Abstract

맨틀포획암은 상부 맨틀 조각이 현무암질 마그마에 포획되어 매우 빠른 속도로 지표면으로 올라온 상부 맨틀의 암석이기 때문에 상부 맨틀에 대한 정보를 줄 수 있는 중요한 암석이다. 유라시아판의 동남쪽에 위치한 한반도에서는 제주도, 백령도, 보은, 백두산, 룽첸 지역에서 맨틀포획암이 산출된다. 이 연구에서는 해당 지역의 맨틀포획암에 대한 지화학적, 동위원소적 연구를 통해 첫째, 한반도 상부 맨틀의 지화학적 특성을 규명하고, 둘째, 평형온도와 평형압력을 산출하고, 셋째, 산소 동위원소비 분석으로 한반도 상부 맨틀 물질의 특성과 맨틀 물질의 진화를 추론하고자 한다. 제주도, 백령도, 보은, 백두산, 룽첸지역의 대표적인 맨틀포획암에 대한 지화학적 특성을 규명하기 위하여 감람석과 휘석 광물의 EPMA 분석을 실시하였으며, 분석치를 바탕으로 Brey & Köhler (1990), Köhler & Brey (1990), Putirka (2008)의 지질온도계와 지질압력계를 사용하여 각 지역 맨틀 포획암의 평형온도와 평형압력을 산출하였다. 또한 각 지역 감람석 시료 15개에 대하여 CO2 레이저 불화방식으로 산소를 추출하여 산소 동위원소비를 측정하였다. 분석 결과 한반도 맨틀포획암은 전형적인 스피넬 레졸라이트(spinel lherzolite) 초염기성포획암으로 (MgO = 49.12 ~ 50.95wt%, Mg# = 90.1 ~ 92.2)으로 구성되어 있다. 둘째, 한반도 맨틀포획암의 평형온도는 854 ~ 1016℃ 이고, 평형압력은 4.6 ~ 24.4 kbar 로 얻어졌다. 셋째, 한반도 맨틀포획암의 δ18Ool은 5.06‰ ~ 5.51‰로 MORB 기원을 나타낸다. 특히 백두산의 맨틀포획암에서 나타난 높은 δ18Ool값은 대륙지각 물질의 동화작용이나 교대작용의 가능성을 시사한다. 또한 한반돌의 맨틀포획암에서 나타난 높은 δ18Ool값은 EM2 요소와의 혼합으로 해석될 수 있다. ;Ultramafic xenoliths are considered to be fragments derived from the upper mantle accidentally brought to the surface by their host alkali basalt volcanism. For this reason ultramafic xenoliths offer important information on the composition, structure and the most direct evidence of the igneous processes that take place in the upper mantle. Cenozoic alkali basalts with abundant ultramafic xenoliths are distributed in the Korean peninsula which is located on the southeast continental margin of the Eurasian plate. Ultramafic xenoliths are distributed not only in the Chejudo, Baegryeongdo, Jogokri (Boen), and Baegdusan, but Long Quan of Chinese territory as well. This study presents the oxygen isotopic composition of olivines as well as the mineral chemistry of mantle xenoliths from the various geological sites of the Korean peninsula and aims to deduce: (1) geochemical characteristics, (2) the equilibrium temperature and pressure conditions, and (3) oxygen isotope composition of the upper mantle of the Korean peninsula. The major-element compositions of three constituent phases of ultramafic xenoliths were determined by a JEOL-JXA-8900R electron microprobe at National Center for Inter-University Research Facilities (NCIRF). The equilibrium temperatures and pressures of ultramafic xenoliths of the Korean peninsula were calculated using a geothermometer of Brey and Köhler (1990) (TBK), Köhler & Brey (1990), and Putirka (2008). And oxygen isotopic ratios for olivines were measured with CO2 laser fluorination at the Korea Polar Research Institute (KOPRI). The results show the followings: (1) The ultramafic xenoliths from the Korean peninsula mainly consist of typical high magnesium olivine (MgO = 49.12 ~ 50.95 wt%, Mg# = 90.1 ~ 92.2), corresponding to worldwide Cenozoic ultramafic xenoliths in chemical compositions. (2) The pressure-temperature conditions of ultramafic xenoliths in the Korean peninsula are from 854 ℃ to 1016 ℃ and 4.6 to 24.4 kbar. (3) The oxygen isotopic ratios (δ18O) for olivines in the Korean peninsula range from 5.06 ‰ to 5.51 ‰, which are overlapped by MORB and upper mantle peridotite. However, the high δ18O signature suggests that the Baegdusan xenoliths allow constraints to be assimilated with continental crustal materials and/or attributed to be metasomatized mantle. In addition, the high δ18O signature of ultramafic xenoliths in the Korean peninsula can be interpreted as an additional EM2 component to the xenoliths.