암석지구화학

(1)

암석지구화학

2003-12322 박창신 2007-11562 김성일

(2)

Part 1. 암석지구화학 내용

(3)

개요

1. 정의

2. 암석 중의 원소 함량

3. 생산성 심성암 (Productive Pluton) 4. 광역스케일의 1차 분산 / 지구화학구 5. 국지적 광산 스케일의 1차 분산

(4)

1. 정의

지구화학탐사에서 암석지구화학이란?

광화작용과 원소들의 분포 패턴을 탐지할 목적으로 암석의 화학조성을 측정하는 분야

탐사의 규모

광산단위 국 지 적

지구화학구(Geochemical Province)의 조사

광 역

개개 광상과 관련된 원소들의 분포패턴 규명 광체의 모암에서의 지구화학적 이상 조사

(5)

1. 정의

지구화학적 특성 평가 기준

전암(Whole Rock)중의 미량원소 함량

조암광물 중의 원소(광석원소 /휘발성 원소) 함량

지구화학적으로 관련된 원소들의 함량비 값

지구화학적 특성 규명

(6)

2. 암석 중의 원소 함량

Goldschmidt의 지구화학적 분류(1)

가정:1차적 분포는 지구 형성시/직후에 이루어짐

Siderophile Elements

• 철과 화학적 친화력이 높은 원소, 지구 핵에 주로 농집

• Ni, Pt 등

친철원소

• Ni, Pt 등

Chalcophile Elements

• 황과 화학적 친화력이 높은 원소, 황화광물에 주로 농집

• Cu, Zn, Pb, As 등

Lithophile Elements

• 규산염과 화학적 친화력이 높은 원소, 지각에 주로 농집

• Li, V, W, F, Cl, Rb 등

Atmophile Elements

• 대기 중에 가스 상태로 존재하는 원소

• H, N, He, Rn 등

친동원소

친석원소

친기원소

(7)

2. 암석 중의 원소 함량

H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Goldschmidt의 지구화학적 분류(2)

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Rb Sr Y Zr Nb Mo (Tc) Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba r.e Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi (Po) (At) Rn (Fr) Ra a.i

Rare Earth or Lanthanide Group

La Ce Pr Nd ^(Pm) Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Actinide Group Chalcophile Atmophile

(8)

2. 암석 중의 원소 함량

Beus와 Grigorian 분류

분 류 주성분원소

(>1%)

부성분원소 (0.1~1%)

미량원소(<1%)

광물형성원소 분산원소

Ⅰ.Oxyphile 산화물로 존재하는 원소

a.Lithophile O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K

Mn, Ti, P, (C) Li, Be, B, F, Sr, Ba, Y and rare earth

elements, Zr, Nb, Ta, Sn, Cs, W, Th, U

Ga, Ge, Rb, Hf, Sc, Ra, (TI)

b.Siderophile Fe - V, Cr, Co, Ni -

Ⅱ.Chalcophile - - S, Cu, Zn, As, Se, Mo,

Ag, Sb, Te, Hg, Pb, Bi

Cd, In, Re, Tl, (Ga), (Ge), Rh, Ru

Ⅲ.Noble - - Pd, Os, Ir, Pt, Au

Ⅳ.Hydrophile (O) H Cl, Br, I, (S)

Ⅴ.Atmophile (O) C He, N, Ne, Ar, Xe, Rn

황화물로 존재하는 원소

귀금속 원소 수용액에 존재하는 원소 기체로 대기 중에 존재하는 원소

친석원소 친철원소

(9)

2. 암석 중의 원소 함량

화강암 / 퇴적암 원소 평균함량

염기성 암석

증 가 감 소

Ba, Be, Cl, Cs, F, Mo, W, Li, Pb, Rb, Sn, Th, U

Co, Cr, Cu, Ni, Sr, V, Zn

As, Bi, Cd, Ge, Hg, Sb, Se, Te

산성 암석

(10)

3. 생산성 심성암

생산성 심성암이란?

광상이 심성암과 밀접히 수반되는 경우 심성암 지칭

예 주석(Sn)이 어떤 특정 화강암과 관련되어 산출 Cu, Ni, Co

Sn, W, Be, U, Li / 기타 친석 원소

→ 생산성 심성암과 관계 ○

Cu, Pb, Zn, Au, Ag / 기타 친동 원소

→ 생산성 심성암과 관계 ×

예

Cu, Ni, Co 등이 초 염기성암과 밀접하게 산출

(11)

3. 생산성 심성암

주석(Sn)

주석광화작용과 관련 관입암 중 부화된 특수 원소

Sn 광상과 관련된 화강암류 → 대표적 과제

주석화강암, 함주석 화강암 용어 사용

Rb/Sr, Li/K 비 ↑

K/Rb, Mg/Li, Ba/Rb 비 ↓ 화강암 중의 주석함량이

15~20ppm 이상

(정상적 화강암 3ppm)

주석화강암의 지구화학적 특성

(12)

3. 생산성 심성암

형성 과정

근원물질, 즉 마그마(Magma) 또는 심성암에 금속원소가 처음 부터 부화(Enrichment)되어 있었을 가능성

1

국지적으로 광상형성을 수반하면서 고화된 대규모 화성암체에 외부로부터 금속이 도입되었을 가능성

2

동시성(Syngenetic) or 후기에 도입(Epigenetic)

(13)

3. 생산성 심성암

Zn광상 형성과정(1)

Zn은 조암광물 중 결정작용의 초기산물로 치환

마그마 중 Zn이 휘석(px)에 분배되면

평형시 대신 농도 대입하면

는 분포계수(distribution coefficient)

2 2

2 6 2 6

( ) ( ) ( ) ( )

Zn

⁺

magma + CaMgSi O px = Mg

⁺

magma + CaZnSi O px

2 6 2

CaZnSi O Zn

CaMgSi O px Mg magma

a a

a K a

+

 

 

= ×

 

   

   

( )

a activity

K

(14)

3. 생산성 심성암

Zn광상 형성과정(2)

Zn, Mg가 마그마, 휘석에서 이상용액으로 존재하면

Zn Zn

Mg K Mg

   

= ×

   

   

단, 는 원자비(atomic ratio) 또는

단, 는 몰분율(mole fraction)

px magma

Mg = K × Mg

   

   

( Zn Mg / )

2 6

CaZnSi O

CaMgSi O px magma

M Zn

M K Mg

   

= ×

   

   

 

M

(15)

K >>1

• Zn은 결정작용 중에 휘석에

K = 1

• 마그마와 휘석 중의 Zn/Mg

K < 1

• Zn은 마그마 중 남아 이동성

3. 생산성 심성암

Zn광상 형성과정(3)

중에 휘석에 농축

중의 Zn/Mg 값 같음

중 남아 이동성 유체상 형성

열수용액이 마그마로부터 분리된다면, 실험에 의해 Zn은 염화물용액에

^ZnCl

₂⁰ 로 존재

2 0

( ) 2 ( .) ( .) 2 ( )

+

+ = +

+

Zn magma NaCl aq ZnCl aq Na magma

(16)

3. 생산성 심성암

Zn광상 형성과정(4)

따라서 평형상수 K는

2

( .) ( ) 2

( .) ( .)

2 2

ZnCl aq Na magma Zn

ZnCl aq NaCl aq

a a a

K a K a

a a a

+ +

×  

= × ⇒ = × ×    

Zn(열수)∝Zn(마그마), NaCl^2

NaCl∝Cl(마그마) → Cl(마그마)가 Zn(열수) 좌우

2

( .) ( .)

2 2

( .) ( )

ZnCl aq NaCl aq

NaCl aq Zn magma Na magma

K a K a

a a

+

a

+

= × ⇒ = × ×      

조암광물 중 Cl함량을 지시원소로 연구

(17)

4. 광역스케일의 1차 분산 / 지구화학구

지구화학구(Geochemical Province)

‘광상구’라는 용어로 어떤 특정 금속원소 또는 원소 들의 수반관계가 공간적으로 분포하는 특징 나타냄

지구화학구는 광상구 중 지각의 규모가 큰 지역

→ 원소들의 1차 분산(분포)의 대규모의 예

지구화학구의 확인 → 광상탐사의 가능성 확인

최근의 지구화학구 개념

- 어떤 지역만을 한정시켜 나타냄Cu 지구화학구의 예

(18)

4. 광역스케일의 1차 분산 / 지구화학구

적용 예시 – Tauson(1984)

화강암질암을 원소함량비에 따라서 화학적 분류

→ 희유금속을 함유하는 화강암 구별 시도

주석화강암 확인에 (Ba/Rb)비

이용 (Ba/Rb)비 값은 8배나 적음

(K/Na),(K/Rb),(1000Li/K), (F/Li)값

→ 정상화강암과 주석화강암의 차이가 1~2배

(19)

4. 광역스케일의 1차 분산 / 지구화학구

적용 예시 – 상동 / 울진 지역(1)

상동지역 주석광상

- Pegmatite형 광상

- 주변 화강암류 – 선캄브리아시대 농거리, 내덕리 화강암

울진지역 주석광상

- 석영-견운모 광맥

- 주변 화강암류 - 왕피리화강암, 분천화강편마암

(20)

4. 광역스케일의 1차 분산 / 지구화학구

적용 예시 – 상동 / 울진 지역(2)

화강암질암 중의 주석함량 비교

- 쥬라기 / 백악기 화강암질은 평균치(3ppm)과 유사 - 쥬라기 / 백악기 화강암질은 평균치(3ppm)과 유사 - 선캄브리아시대 농거리, 내덕리, 왕피리 화강암

→ 지구화학적 이상 보여줌

- 국내 중생대 화강암질암과 관련된 주석광상 발견 ×

→ 중생대 화강암질암의 낮은 주석 함량과의 관련성 시사

(21)

적용 예시 – 상동 / 울진 지역(3)

F, Li, Sn 등의 원소함량 비교

4. 광역스케일의 1차 분산 / 지구화학구

왕피리, 농거리 화강암

→ 주석화강암의 범주

(22)

적용 예시 – 상동 / 울진 지역(4)

(Ba/Rb), (Li/K), (K/Rb), (Mg/Li), (Rb/Sr) 비교

4. 광역스케일의 1차 분산 / 지구화학구

기준 이하값

기준 이상값

(23)

적용 예시 – 상동 / 울진 지역(5)

(Rb/K)×(Rb/Sr)×(Li/Mg)로 분명히 구분

4. 광역스케일의 1차 분산 / 지구화학구

왕피리 화강암

주석화강암 비생산성 화강암

농거리 화강암

(24)

5. 국지적 광산 스케일의 1차 분산

지시 원소들의 분산 기구(Mechanism)

확산에 의한 1차 분산(1)

- Fick의 제 1법칙, 제 2법칙으로 설명 가능

∂C ^∂ _C ^∂

²

_C

- 금속을 함유하고 있는 열수용액이 맥을 통과한다고 할 때.

년에서의 모암의 농도 Pb농도 0 ppm 가정 →

∂ (1)

= ×

∂ F D C

x

2

(2)

∂ ∂

= ×

∂ ∂

C C

t D x

C=diffusing species 농도, t=시간, x=확산된 거리, D=확산계수, F=diffusing component의 flux

0

= 0

t t = t

₀

(25)

5. 국지적 광산 스케일의 1차 분산

지시 원소들의 분산 기구(Mechanism)

확산에 의한 1차 분산(2)

- 미분방정식을 풀면

x

단 는 일정한 초기농도 는 의

-

유체와 모암 사이에 반응이 없다고 가정

0 (1 )

4 C C erf x

Dt

= −

C 0 error function

4 x erf Dt

4 2

0

100 ( ), 10 / ( 300 ~ 500 )

C = ppm Pb D =

⁻

cm s temp = ° C

(26)

5. 국지적 광산 스케일의 1차 분산

지시 원소들의 분산 기구(Mechanism)

누수에 의해 형성되는 지구화학적 이상

- 독일 Altenberg의 Sn광상

Bi

Li

Sn

Bi

Mo

ore Ga 측면방향으로 Bi, Sn의

1차 분산 → 약 400m

Ga, Mo, Sn, Bi 등 광체하부로도 나타남

(27)

5. 국지적 광산 스케일의 1차 분산

지시 원소들의 분산 기구(Mechanism)

누수에 의해 형성되는 지구화학적 이상

- 캐나다 British Columbia 주의 Valley 반암동 광상

Zn Sr

Rb Mo S Cu

감 소 현 상

부 화 현 상

(28)

Part 2. 암석지구화학 사례분석

(29)

개요

1. Case Study

Au 탐사 사례 Au 탐사 사례

Sn 탐사 사례

2. Reference

(30)

Au 탐사 사례(1-1)

Battle Mountain Eureke Trend, Nevada

1. Case Study

(31)

Au 탐사 사례(1-2)

연구목적

- Carlin type 광상 안 광물의 변환, 광화작용 연구

1. Case Study

- 광화작용 / 미광화작용 된 Devinian Rocks in Gold Bar의 특성 연구

연구방법

- 43개의 전암(Whole-rock)샘플 분석 (XRF, ICP-MS사용)

→ Major, Minor, Trace Elements 분석

(32)

Au 탐사 사례(1-3)

규산화 등에 수반하는 Decarbonation

Case Study

(33)

Au 탐사 사례(1-4)

Illite 점토의 중요성 / 황철광의 완전 분해

1. Case Study

(34)

Au 탐사 사례(1-5)

결론

- 금 광화작용을 수반하는 일련의 변질 작용

1. Case Study

→ Decarbonation, Silicification, Decalcification - 황철석은 높은 Au와 As함량 나타냄

위 특징을 통해 Carlin type 금 광상 예측 가능

(35)

Au 탐사 사례(2-1)

Timmins Camp의 광상 탐사 사례

- Au →

CO As K O ₂ , , ₂ ↑ Na O ₂ ↓

1. Case Study

C O A u

2

A s ^{K O}

²

^{N a O}

²

Au 광상 예측 가능

(36)

Au 탐사 사례(3-1)

Kerrich & Hodder(1982) 연구 사례

- 원소간의 상관관계

Au Ag As Sb W ^, ^, ^, ^, ↑ Cu Zn Pb ^, ^, ↓

1. Case Study

(37)

Sn 탐사 사례(1)

Ricobayo Batholith , Spain 지질도 / 샘플링 위치

1. Case Study

(38)

Sn 탐사 사례(2)

Sn 수반관계 – K, Li, Rb, Sr, Ba, Mg 등

K, Ca, Mg,

Atomic absorption

1. Case Study

K, Ca, Mg, Na 등

Rb, Sr, Br 등

Atomic absorption

spectrometry를 이용해 분석

X-ray fluorescence

spectrometry를 이용해 분석

분석 방법

(39)

Sn 탐사 사례(3)

분석 결과 → Contour map

1. Case Study

(40)

Sn 탐사 사례(4)

CaO 분포

- 주석광상의 분포와 가장 유사한 분포를 보임

1. Case Study

- 이질암(Al, K↑, Ca↓ )의 화강암화작용에 의해 주석 생성 - Ca의 조성비는 잘 변화하지 않기 때문에 생산시의 조건에

영향을 받아 주석광상과의 연관 가능성

- CaO 의 분포 < 0.30% 지역 → 주석 광상 존재

CaO 분석을 통해 주석광상 예측 가능

(41)

1. J.G. Davies, Structural interpretation of the Timmins Mining area, Ontario, Can. J.

Earth Sci. 14 , 1977.

2. R. Kerrich and R.W. Hodder, The geology and ore deposits of the No. 8 shaft area, Dome Mine, Geology of Canadian Gold Deposits. In: R.W. Hodder and W. Petruk, Editors, Can. Inst. Min. Metall., Spec. Vol., 24, 1982.

2. Reference

Can. Inst. Min. Metall., Spec. Vol., 24, 1982.

3. Ozcan Yigit, Albert H. Hofstrab, Lithogeochemistry of Carlin-type gold ineralization in the Gold Bar district, Battle Mountain-Eureka trend, Nevada, 2002.

4. J.L. Fernandez-Turiel (I), E. Hernandez-Chiva ('I, M.E. Duran (2) and X. Querol (I),

Lithogeochemical exploration in a Hercynian Tin-Bearing Batholith in the Northwest

of the Iberian Peninsula, ACTA GEOLOGICA HISPANICA, v. 25, n' 3, phgs. 177-183,

1990.

(42)