Jour. Petrol. Soc. Korea Vol. 23, No. 3, p. 279~292, 2014 http://dx.doi.org/10.7854/JPSK.2014.23.3.279
한국 현생 화강암류의 Nd 동위원소 조성 특성과 성인적 의미
박계헌1*·이태호1,2
1부경대학교 환경해양대학 지구환경과학과, 2한국기초과학지원연구원 환경과학연구부
Characteristics of Nd Isotopic Compositions of the Phanerozoic Granitoids of Korea and Their Genetic Significance
Kye-Hun Park1* and Tae-Ho Lee1,2
1Department of Earth Environmental Sciences, Pukyong National University, Busan 608-737, Korea
2Division of Earth and Environmental Sciences, Korea Basic Science Institute, Ochang, Chungbuk 363-883, Korea
요 약: 한국의 현생 화강암류에서 분석된 Nd 동위원소 자료를 종합하여 고찰해보았다. Nd 동위원소의 변화 는 추세적인 변화 또는 지역적인 변화로 설명될 수 있다. 세 차례로 나타나는 화성활동기 중에서 페름기-트 라이아스기 그리고 쥬라기에 있었던 두 차례의 화성활동기에서는 초기에는 높은 εNd(t) 값을 갖는 마그마가 만들어진 이후에 점차 낮은 εNd(t) 값을 갖는 방향으로 변화한 것으로 볼 수 있다. 섭입작용의 시작과 더불어 초기에 생성된 마그마의 경우 섭입된 해양지각의 용융과 같은 결핍맨틀의 함량이 높은 마그마가 생성되고, 섭 입작용의 진행과 더불어 마그마의 생성에 오래된 지각물질의 영향이 더욱 커져서 이러한 변화경향을 만들어 낸 것이라고 해석할 수 있다. 그러나 백악기-고제3기의 화성활동기에서는 후기의 화성암체들이 오히려 더 높 은 εNd(t) 값을 갖는, 이전의 화성활동기와는 반대되는 변화경향이 나타난다. 다른 해석으로는 페름기-트라이 아스기 활동기 초기의 영덕화강암과 쥬라기 활동기 초기의 청송화강암 등 높은 εNd(t) 값의 암체들이 대부분 이 경상북도 북부지역에 밀집되어 있기 때문에 이러한 변화가 단순히 지역적인 차이를 반영하는 것이라는 해 석도 전적으로 배제할 수는 없다. 이 외에도 백악기-고제3기 활동기에서 높은 εNd(t) 값을 갖는 암체인 온정 리 화강암 역시 영덕화강암과 인접하여 산출하며, 그 밖의 높은 εNd(t) 값을 갖는 화성암들은 주로 경상분지 내에서만 산출되는 것 역시 지역적 차이라는 가설을 지지한다고 볼 수 있다. 이 경우 높은 εNd(t) 값을 갖는 지역은 다른 지역에 비해 상대적으로 젊은 평균지각 연령을 갖는 등 구분되는 지각진화사를 가질 것으로 판 단된다. 이상에서 제기한 두 가설들 사이의 선택은 추가적인 연구를 통해 판단해야 할 것으로 생각된다.
핵심어: 화강암, Nd, Hf, 결핍맨틀 모델연령, 현생
Abstract: Nd isotopic compositions analyzed from the Phanerozoic granitoids of Korea are integrated and discussed. Variations in Nd isotopic compositions can be explained either by temporal trend or by regional differences. Among the three active periods, first two periods during the Permian-Triassic and Jurassic seem to show variations from rather high εNd(t) values at the beginning to lower εNd(t) values during the later stages. Such trends probably reflect melting of the subducting oceanic crust and producing magma with higher proportion of depleted mantle derived materials during the early stage of subduction process, and subsequent magmas with greater proportion of old continental crust with progress of subduction.
However, the Cretaceous-Paleogene period of active magmatism displays higher εNd(t) values during the advanced stage of the igneous activities, which is opposite to the previous active periods. The other explanation is that such differences in εNd(t) reflect regional differences, based on the observations that such high-εNd(t) granitoids distribute in the northeastern Gyeongbuk Province and Gyeongsang Basin. If this is the case, the regions with highr εNd(t) values may have distinct crustal evolution histories, e.g.
younger average age. The choice between the two hypothesis could be made through further studies.
Keywords: granite, Nd, Hf, depleted mantle model age, Phanerozoic
*Corresponding author Tel: 051-629-6629 E-mail: [email protected]
서 론
Sr, Nd, Pb 방사기원(radiogenic) 동위원소 자료는 연대측정은 물론 맨틀과 지각 구성물질들의 순환과 진화를 연구하는데 매우 유용하게 활용되어 왔다. 예 를 들면 화성암의 근원마그마 생성시 맨틀 기원물질 과 지각물질의 상대적인 기여정도의 평가, 쇄설성 퇴 적암의 근원물질이 나타내는 평균적 지각 체류기간 등을 포함하는 여러 성인적 연구 또는 조구조적 환경 에 대한 연구에 중요한 연구수단으로 활용되어 왔다.
한국의 현생 화성암체들에 대해서도 이러한 방사기원 동위원소의 연구가 많이 보고되어왔다(예, Park, 1972; Jin, 1980; Cheong and Chang, 1997; Yi et al., 2012). 여러 방사기원 동위원소 중에서도 특히
143Nd/144Nd 값의 경우 마그마에 포함된 맨틀과 대륙 지각 기원물질의 상대적인 기여도 평가에 매우 유용 하기 때문에 소위 대보 화강암과 불국사 화강암과 같 은 시대적 구분에 따른 근원물질의 비교뿐만 아니라 경기육괴, 옥천대, 영남육괴, 경상분지와 같은 지리적, 성인적 분대에 따른 화성암 근원물질의 비교 등에도 활용되어 왔다(예, Jwa et al., 2005; Jwa, 2008).
그 결과로 일반적으로 경기육괴와 영남육괴에 분포하 는 화강암질 암체의 경우는 비교적 낮은 εNd(t) 값을 가지며, 반면에 경상분지 내에 분포하는 규장질 화성 암의 경우는 상당히 높은 εNd(t) 값을 갖는 것으로 알 려져 있다. 또한 비교적 최근의 연구들에 의하면 영 덕 지역의 화강암류들 또한 높은 εNd(t) 값을 갖는다 (예, Cheong et al., 1998, 2002; Lee et al., 2010a).
이와 같은 변화는 대개 오래된 지각물질의 영향으로 설명되어 왔으나 영덕의 경우는 젊은 해양지각의 용 융으로 설명된다.
한편 한국의 지질에 대한 최근의 연구에서 가장 괄 목할만한 연구성과를 내고 있는 분야는 고분해능 이 차이온질량분석기(Sensitive High-Resolution Ion Microprobe, SHRIMP)를 이용한 연대측정분야라고 할 수 있다. 이를 통해 한반도의 여러 구성암체들에 대한 많은 정밀한 연대자료들이 많이 보고되었으며, 이는 현생 화강암질 암체도 마찬가지다(예, Williams et al., 2009; Kee et al., 2010; Kim, J. et al., 2011; Kim, S.W. et al., 2011). 이 논평에서는 이처 럼 최근에 보고된 보다 정밀한 연령자료들을 반영하 여 현재까지 축적된 한국의 현생 화강암질 화성암류 들에 대한 Nd 동위원소 값을 종합 정리하고, 그 결
과에 대하여 논의하고자 한다. 여기에는 지질시대에 따른 143Nd/144Nd 값의 변화경향을 파악함과 동시에 한국의 지구조 단위별로 Nd 동위원소 값에 어떤 차 이가 존재하는지에 대하여 알아보는 것이 포함된다.
즉, Nd 동위원소 값이 지질시대에 따라 맨틀과 상부 지각 물질의 상대적 기여도가 변화했는지, 아니면 지 구조 단위별로 전혀 다른 진화사를 갖는 지각의 영향 으로 그 값이 달라지는지 등에 대해 논의한다.
한편 최근에는 레이저프로브를 장착한 다검출기 유 도결합플라즈마 질량분석기(laser ablation multi- collector inductively coupled plasma mass spect- rometer, LA-MC-ICPMS)를 이용하여 고체시료의 용 해 없이 동위원소 조성을 분석하는 방법이 개발되었 다. 이 중에서도 특히 많은 연구자들의 주목을 받고 있는 것이 저어콘 입자로부터 Hf 동위원소를 분석하 는 것이며, 이 방법을 통해 최근 매우 많은 연구자료 들이 생산되고 있다. 저어콘은 HfO2를 2 wt% 부근까 지의 높은 함량으로 갖는 반면에 Lu의 함량은 상대 적으로 매우 낮아 대부분의 경우 분석된 176Hf/177Hf 값이 저어콘 생성 당시의 초기치를 나타낸다. 또한 저어콘으로부터 함께 분석한 U-Pb 연령을 함께 이용 할 수 있어 화성암은 물론 퇴적암의 쇄설성 저어콘으 로부터도 LA-MC-ICPMS를 이용한 Hf 동위원소 분 석이 매우 각광을 받고 있다. 우리나라의 경우에도 이러한 분석자료가 보고되기 시작했다(Cheong et al., 2013).
일반적으로 176Hf/177Hf 동위원소 비율은 143Nd/144Nd 동위원소 비율과 정의 상관관계를 보이며, 따라서 Nd 과 Hf의 동위원소 분석값은 상호 비교하여 연구할 수 있다. 따라서 앞으로 한국의 지각으로부터 분리한 저 어콘의 Hf 동위원소 분석값이 생산되면 이를 이미 분 석된 Nd 동위원소 자료와 비교분석할 필요가 있다.
이 논평에서는 앞에서 언급한 바와 같이 한국의 현생 화강암들로부터 그동안 발표된 143Nd/144Nd 값들을 종 합하여 그 특성을 살펴봄과 동시에 이를 176Hf/177Hf 자료와 비교하는 문제에 대하여 알아본다.
Nd 동위원소 자료 종합
이 논평에서는 그동안 한국의 현생 화강암에 대해 보고된 Nd 동위원소 분석자료를 종합하였다. 분석된
143Nd/144Nd 동위원소 값과 모-자 동위원소 비율인
147Sm/144Nd, 그리고 해당 암체의 연령으로부터 정치
또는 분출시의 초기치를 계산하고(식 1), 이를 지구평 균과 유사한 것으로 간주되고 있는 가상의 콘드라이 트질의 균질 저장고(Chondritic Uniform Reservoir, CHUR)에 상대적인 값으로 환산하였다(식 2).
(1)
여기서 147Sm의 붕괴상수 λ = 6.54×10-12y-1
(2)
여기서 CHUR의 현재 143Nd/144Nd = 0.512638, 147Sm/
144Nd = 0.1966.
Nd 동위원소값을 보고한 이후 해당 암체에 대한 보다 정밀한 연대측정 결과가 발표된 경우에는 이를 사용하여 εNd(t) 값과 결핍맨틀 모델연령을 새롭게 계 산하였다. 자료의 종합에 활용된 연령자료는 상당수 가 SHRIMP 저어콘 U-Pb 또는 TIMS 티타나이트 U-Pb 연령이며 대부분 Cheong and Kim(2012)이 종 합한 자료와 일치한다. Rb-Sr이나 Sm-Nd 등시선 연 령 또는 K-Ar 연령 등 그 밖의 자료를 사용한 경우 에는 별도로 이를 언급하였다. 결핍맨틀 기원 암석들 은 해당 물질이 언제 맨틀로부터 분리되었는지를 알 아보기 위해 결핍맨틀(Depleted Mantle, DM) 모델연 령을 계산한다. 결핍맨틀 모델연령은 과거 시점의
143Nd/144Nd 동위원소 값이 결핍맨틀의 모델 진화선과 일치하는 시기를 계산하는 것이다(예, 식 3). 그러나 화강암질 암석의 경우 맨틀의 직접적인 용융의 결과 로 생성된 경우보다는 대륙지각(Continental Crust, CC)물질을 포함하는 용융의 경우가 많으며, 따라서 그 근원물질의 상당부분은 마그마를 만들어낸 용융 사건의 이전에 지각 내에서 동위원소 진화를 겪었다 고 보는 것이 보다 타당할 것이다. 이 경우 결핍맨틀 에서 직접 분화된 것을 가정하는 결핍맨틀 모델연령 은 활용도가 떨어지기 때문에 지각 내에서의 동위원 소 진화를 가정하는 2단계 결핍맨틀 모델연령(TDM2) 을 사용하는 것이 보다 일반적이다(식 4). 식 3을 이 용한 단순한 결핍맨틀 모델연령을 구할 경우 여러 화
강암질 암체로부터 지구의 생성연령 자체를 넘어서는 과도한 값이 계산되기도 하지만 2단계 결핍맨틀 모델 연령으로 계산하면 이러한 비정상적인 값들이 대부분 다른 화강암체들과 비슷하며 일반적인 지질학적 진화 모델에 합치하는 값으로 바뀌는 것으로 보더라도 2단 계 결핍맨틀 모델연령을 계산하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.
(3) 여기서 (143Nd/144Nd)DM= 0.51315, (147Sm/144Nd)DM= 0.2137
(4)
여기서 t는 화성암의 생성시기,
f = [(147Sm/144Nd)sample/(147Sm/144Nd)CHUR]−1 fCC=−0.4, fDM= 0.08592 (Jahn et al., 2001).
자료의 종합시 경기육괴, 영남육괴, 옥천대, 그리고 경상분지 북부(Table 1과 Fig. 1, 2의 N Gyeongsang Basin)와 경상분지로 구분하였다. 여기서 옥천대는 북 동부의 태백지역에 분포하는 고생대 퇴적분지 지역과 남서부의 옥천변성대 지역 뿐만 아니라 그 남서 연장 부지역을 포함한다. 북부 경상분지는 장사리, 영덕, 영 해 등 화강암류가 분포하는 지역을 지칭한다. 이 암 체들의 생성시기는 경상분지의 생성 이전이며 영남육 괴의 일부로 취급하는 것이 타당할 수도 있다. 그러 나 이 지역의 화강암류들이 다른 지역에 비해서 결핍 맨틀에 가까운 뚜렷이 구분되는 값을 보이기 때문에 영남육괴와 구분하여 잠정적으로 경상분지 북부로 지 칭한다. 이 지역이 영남육괴의 일부분이지만 국지적 으로 구분되는 동위원소 특성을 갖게된 것인지, 아니 면 나머지 영남육괴와 뚜렷이 구분되는 지각진화사를 갖는 외래의 지괴인지 여부는 추가적인 연구를 통해 밝혀져야 할 것으로 생각한다. 한편 이 암체들보다 후기에 관입한 온정리 화강암의 경우는 비록 인접하 여 분포하며 이들과 유사한 동위원소 특성을 보이지 만 경상분지를 관입하고 있기 때문에 경상분지에 포 함하였다. 현생의 화강암질 화성활동 중에서 충주지
143Nd
144Nd ---
⎝ ⎠
⎜ ⎟
⎛ ⎞
t 143Nd
144Nd ---
⎝ ⎠
⎜ ⎟
⎛ ⎞ 147Sm
144Nd ---
⎝ ⎠
⎜ ⎟
⎛ ⎞
eλt–1
( )
+
=
εNd( )t
143Nd
144Nd ---
⎝ ⎠
⎜ ⎟
⎛ ⎞
t sample
143Nd
144Nd ---
⎝ ⎠
⎜ ⎟
⎛ ⎞
t
--- 1CHUR–
⎝ ⎠
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎛ ⎞
10000
×
=
TDM 1
λ--- 1
Nd⁄144Nd 143
⎝ ⎠
⎛ ⎞
sample ⎝⎛143Nd⁄144Nd⎠⎞ – DM
Sm⁄144Nd 147
⎝ ⎠
⎛ ⎞
sample ⎝⎛147Sm⁄144Nd⎠⎞ – DM
--- +
×
=
TDM2 TDM (TDM–t) fCC–fmeasured fCC–fDM --- –
=
Table 1. Summary of εNd(t) values and TDM2 model ages for the Phanerozoic granitoids of Korea
Locality Rock Type Age εNd(t) TDM2(Ga) N Data Source
Gyeonggi Massif
01. Pocheon Gr 166.7 -18.5±2.6 2.45±0.21 14 Kwon et al. (1999), Kim et al. (1996) 02. Chuncheon Di 228 -20.8±0.5 2.67±0.05 2 Park, Y.R. (2009)
03. Odaesan Gr 227 -19.5±1.9 2.44±0.07 4 Kim, S.W. et al. (2011)
04. Yangpyeong Hb Gb, Qz Mon 232 -19.8±0.4 2.61±0.03 7 Williams et al. (2009), Kim, S.W. et al. (2011) 05. Yeoju-Icheon Bt Gr 172.8 -17.4±2.3 2.37±0.18 4 Kim, J. et al.(2011), Kim et al. (1996) 06. Namyang Gr 227 -13.4±0.4 2.09±0.03 4 Williams et al. (2009)
07. Tando Basin tuff 111.00 -14.7±1.1 2.10±0.09 3 Kim et al. (2012)
08. Hongseong Gr, Qz Sy, Man 226 -11.9±2.3 2.30±0.19 8 Williams et al. (2009), Kim, S.W. et al. (2011) 09. Cheonsuman Basin tuff 109.00 -10.6±1.4 1.77±0.11 4 Kim et al. (2012)
10. Buyeo Af Gr 167 -19.9±1,1 2.59±0.11 5 Park et al. (2009) 10. Buyeo Fol Gr 179 -13.8±0.2 2.08±0.01 4 Park et al. (2009) Okcheon Belt
11. Wonju-Heongseong Bt Gr 172 -19.3±2.0 2.52±0.16 11 Kim, J. et al.(2011), Kim et al. (1996) 12. Jecheon 172 -17.6±1.9 2.39±0.15 4 Kim, J. et al.(2011), Kim et al. (1996) 13. Muamsa Gr 88.1 -14.1±0.7 2.02±0.12 7 Lee et al. (2010a)
16. Weoraksan Gr 89.8 -14.1±0.5 2.02±0.05 10 Lee et al. (2010a)
15. Songnisan Gr 94.2 -14.2±0.7 1.90±0.39 7 Cheong and Chang (1997), Kim et al. (1996) 16. Goesan Di 228.2 -16.1±2.4 2.31±0.20 3 Kim, J. et al. (2011)
17. Cheongju Bt Gr, Di, Po Gr 170 -14.1±1.7 2.10±0.14 6 Cheong et al. (2011), Kim, J. et al. (2011) 18. Boeun Gr 172.2 -16.2±1.8 2.27±0.15 12 Cheong and Chang (1997), Kim et al. (1996),
Shin et al. (1998)
19. Baengnok Fol Gd 206 -14.1±1.6 2.14±0.13 7 Cheong and Chang (1997), Kim, S.W. et al.
(2011), Kim et al. (2003)
20. Cheongsan Po Gr 217 -13.9±1.6 2.12±0.13 16 Cheong and Chang (1997), Shin et al. (1999), Kim et al. (2003), Kim, S.W. et al. (2011) 21. Jeonju Fol Gr 172 -18.2±2.5 2.43±0.20 26 Na et al. (1997), Shin et al. (2001), Kee et al.
(2010)
22. Jeongeup Fol Gr 172.9 -17.4±2.3 2.28±0.18 10 Jeong et al. (2008)
23. Sunchang Fol Gr 177.4 -17.8±1.6 2.40±0.13 19 Na et al. (1997), Kee et al. (2010) 24. Haenam granophyre 70 -7.7±0.5 1.50±0.04 8 Shin et al. (1997)
Yeongnam Massif
25. Yeongju Gd 185 -19.6±1.0 2.55±0.08 2 Lee et al. (1999) 26. Myeongho Fol Gr 187 -18.6±2.5 2.48±0.02 9 Kim et al. (2008)
27. Andong Gr 185 -12.0±2.2 1.94±0.18 2 Lee et al. (1999)
28. Sangju Gr 239 -11.8±1.4 1.97±0.12 2 Kim, S.W. et al. (2011) 29. Gimcheon-Sangju Gr 228 -15.3±1.3 2.25±0.10 4 Kim, S.W. et al. (2011) 30. Gimcheon Granitic Gneiss 250 -10.6±1.6 1.88±0.13 6 Lee et al. (1992, 2001)
31. Chilgok Gd 199 -4.8±2.1 1.37±0.17 2 Kee et al. (2010)
32. Gimcheon-Geochang Gd 199 -11.1±2.3 1.88±0.19 2 Kee et al. (2010) 33. Beonam Fol Gd, Fol Gr 191.4 -14.5±2.1 1.14±0.26 13 Kee et al. (2010) 34. Hapcheon Di, Gd, Gb 201 -2.0±3.1 1.14±0.26 3 Kee et al. (2010)
35. Sancheong Gb 204 -0.14 0.99 Kee et al. (2010)
36. Sancheong Sy 201 -0.53 1.02 Kee et al. (2010)
37. Macheon Gb 237 -3.9±0.3 1.33±0.03 3 Kim, S.W. et al. (2011) 38. Gangjin-Jangheung granophyre 70 -14.2±0.9 2.03±0.07 4 Shin et al. (1997) 39. Wando granophyre 75.7 -7.4±0.6 1.48±0.05 12 Shin and Kagami (1996)
역의 알칼리 화강암은 포함하지 않았다. 이 알칼리 화강암은 매우 특징적인 지구조환경에서 만들어지는 A-1형의 알칼리 화성활동을 나타내기 때문에(Kim et al., 1998) 한반도의 지각 진화사를 연구하는데 중요 한 역할을 할 것으로 생각된다. 그러나 약 340 Ma로 보고된 연대가 Sm-Nd 등시선으로 구한 것이라 대부 분 U-Pb 저어콘 또는 티타나이트(스핀)으로 연령을 구한 페름기~쥬라기의 정치연령을 갖는 대부분 다른 암체들에 비해 오차가 상대적으로 많이 크며, 다른 시기의 화강암질 화성활동들처럼 상당한 지질시대 동 안 지속되는 화성활동을 보이지 않는 단독적 화성활 동이라고 판단하여 이 연구에서는 제외하였다.
한국의 현생 화강암들로부터 종합한 Nd 동위원소 자료로부터 구한 εNd(t)와 TDM2값을 Table 1에 종합 하였으며, 연령과의 상관관계를 살펴보기 위해 Fig. 2 에 도시하였다.
결과 및 토의
주활동시기
Fig. 2의 화강암 정치연령에 따른 εNd(t) 변화도형을
보면 몇 가지 특징적인 양상이 나타난다. 우선 연령 분포는 크게 보아 3차례의 주된 화강암질 마그마 활 동시기가 있었음을 잘 보여주며, 이러한 3차례의 주 된 활동기는 기존 연구에서도 지적된 바 있다(Park, 2012; Cheong and Kim, 2012). 가장 먼저 약 260 Ma 무렵에 경북지역의 장사리 암체 관입과 이어 진 영덕 암체의 관입(Yi et al., 2012)으로 시작된 활 동기는 50 Ma 가량의 지속기간이 경과한 뒤 220 Ma 무렵의 대강과 이안 A-형 화강암의 관입(Kim et al., 1998; Cho et al., 2008)이후 멈추었다. 약 20 Ma 이 내의 휴지기를 거친 후 그 다음의 활동기는 약 200 Ma 무렵에 경상분지 북부의 청송과 영해 화강암 체 관입(Cheong and Kim, 2012; Yi et al., 2012) 과 영남육괴 중부지역의 함양, 거창 등지 화강암질 암체 관입(Park et al., 2005, 2006)으로 시작되어 약 165 Ma 무렵까지 35 Ma 가량 지속된 활동기이고, 약 55Ma의 휴지기를 거친 뒤에 마지막 활동기가 한반도 의 여러 지역에서 동시다발적으로 나타나는 약 110 Ma의 화성활동(Kim et al., 2012)으로부터 시작 되어 한반도 동남부 지역에서의 A-형 화강암을 포함 하는 약 50 Ma 부근의 화성활동(Hwang et al., Table 1. Continued
Locality Rock Type Age εNd(t) TDM2(Ga) N Data Source
Northern Gyeongsang Basin
40. Yeonghae Di 196 3.2±0.4 0.71±0.03 9 Cheong et al. (2002)
41. Yeongdeok Gr 250 3.5±0.6 0.74±0.05 11 Cheong et al. (2002)
42. Cheongsong Gd 202.9 0.2±1.9 0.96±0.16 9 Cheong et al. (2002) 43. Jangsari Gr, Gb 255.7 4.1±0.3 0.74±0.15 4 Yi et al. (2012) Gyeongsang Basin
44. Onjeongri Gr 83.4 -0.7±0.5 0.94±0.04 6 Cheong et al. (1998), Kim et al. (1996)
45. Palgongsan Gr 85 -4.1±0.2 1.22±0.02 2 Kim et al. (1996)
46. Gyeonggju Alkali Gr 53.9 2.6±0.4 0.65±0.03 5 Kim and Kim (1997)
47. Bulguksa Gr 53.9 1.3±1.1 0.76±0.08 9 Kim and Kim (1997)
48. Tohamsan Gr 51 0.08 0.85 Kim et al. (1996)
49. Ulsan Gr 69 -1.1±2.2 0.96±0.18 2 Kim et al. (1996)
50. Daegokdong And 77.3 -12.6 1.90 Kim et al. (1996)
51. Gacheon, Samsan, Ucheong
And 77.3 -1.8±1.5 1.03±0.12 3 Kim et al. (1996)
52. Donghwa, Miryang, Pyeongchon
And 65.8 -2.4±1.6 1.07±0.13 3 Kim et al. (1996)
53. Eonyang-Yangsan Gr 72 -1.4±1.3 0.99±0.11 2 Kim et al. (1996)
54. Geumjeongsan Gr 63 -0.7±0.1 0.93±0.01 2 Kim et al. (1996)
55. Namhae Micrographic Gr 70 0.1±0.3 0.87±0.03 3 Shin et al. (1997), Kim et al. (1996) Gr: granite, Sy: syenite, Gb; gabbro, Di: diorite, Mon: monzonite, Gd: granodiorite, Man: mangerite, And: andesite, Qz: quartz, Hb:
hornblende, Bt: biotite, Af: alkali feldspar, Fol: foliated, Po: porphyritic
Fig. 1. Distribution of Phanerozoic granitoids in southern Korean peninsula classified by emplacement ages, modified after Cheong and Kim (2012). Solid circles are approximate locations for the granitoids with Nd isotope data utilized in this study and squares are for Hf isotope data by Cheong et al. (2013). The numbers in the circles are the same as in Table 1.
2012; Cheong et al., 2013)까지 60Ma 가량 지속된 활동기가 존재함이 확인된다. 이러한 각 활동기는 각 각 송림, 대보 및 불국사 활동기로 부를 수도 있을 것으로 생각되지만 이러한 명칭이 의미하는 명확한 지구조 변동의 시기와 성격에 대한 면밀한 재조명과 학계의 의견수렴이 이루어질 때까지 일단 사용을 보 류하고, 페름기-트라이아스기 활동기, 쥬라기 활동기, 그리고 백악기-고제3기 활동기로 부르기로 한다.
각 활동기 내의 Nd 동위원소 초기치 변화 한반도에서 페름기로부터 지금까지 일어난 세 번의
주된 화강암질 화성활동기에서 각각의 활동기 동안에 나타나는 εNd(t) 변화를 보면(Fig. 2) 처음의 두 활동 기 즉 페름기-트라이아스기 활동기와 쥬라기 활동기 에서는 공통적으로 상대적으로 높은 εNd(t) 값으로부 터 시작되어 점차 낮은 εNd(t) 값을 향한 변화를 보여 준다. 반면에 백악기-고제3기 활동기 동안에는 반대 로 활동기의 후반부로 가면서 εNd(t) 값이 점차 높아 지는 변화를 보여준다. 만약 이러한 변화가 우연히 만들어진 겉보기 변화가 아니라 지질연대에 따른 실 제적인 변화라면 화성활동의 시작 및 성숙과 더불어 일어난 조구조환경 및 마그마 근원물질의 변화를 체 Fig. 2. Age versus (a) εNd(t) value and (b) TDM2 model age diagrams for the granitoids of Korea. Zircon Hf isotopic data of Cheong et al. (2013) are also plotted together after conversion of εHf(t) to relevant εNd(t) values.
계적으로 반영한 것일 수 있으며, 따라서 변화경향의 검증과 더불어 이러한 변화를 일으킨 지질학적 요인 에 대한 고찰이 필요하다.
높은 εNd 값은 일반적으로 결핍맨틀 물질이 높은 함량으로 포함됨을 의미한다. 그러나 맨틀의 용융으 로 만들어진 고철질의 마그마가 분화하여 화강암질 마그마가 만들어지는 것은 극단적인 분화가 일어날 경우에 한하여 드물게 나타날 뿐이며, 대규모의 화강 암질 마그마가 결핍맨틀로부터 직접적으로 만들어지 기는 어렵다는 것이 일반적인 견해이다(예, Barbarin, 1999). 하지만 결핍맨틀에서 만들어진지 얼마 경과되 지 않은 현무암질의 고철질 마그마로부터 만들어진 해양지각 또는 지각의 하부에 정치한 비교적 젊은 고 철질 암석이 재차 용융되어 만들어진 화강암질 마그 마는 상당히 높은 εNd값을 가질 수 있다. 이 중에서 특히 젊은 해양지각의 용융이 새로운 섭입작용의 시 작과 더불어 일어날 수 있으며, 특징적인 화학조성을 갖는 아다카이트질의 마그마를 만들어내기도 한다(Zhu et al., 2009). Park(2012)은 한반도에서 일어난 각 화성활동 주기가 아다카이트질 화성활동으로 시작되 었을 가능성을 제기한바 있으며, 이는 페름기-트라이 아스기와 쥬라기 각 화성활동기의 초기에 높은 εNd(t) 값이 나타나는 것과도 합치한다. 그러나 페름기-트라 이아스기 활동기의 초기의 영덕암체는 아다카이트적 특징을 보이는 것으로 확인되었지만(Yi et al., 2012) 쥬라기 화성활동기의 경우에는 높은 εNd(t) 값을 갖는 암석들이 아다카이트 특징을 갖는 것으로 확인되지는 않았다.
흥미로운 것은 페름기-트라이아스기 화성활동기의 후기로 가면서 -10~-20 정도로 낮아졌던 εNd(t) 값이 불과 20 Ma 미만의 휴지기를 거친 이후에 쥬라기의 활동기가 시작되는 시기에 다시 최대 +5 가까이로 높 아졌다는 것이다(Fig. 2). 과연 쥬라기 화성활동기의 초기에 전반적으로 높은 εNd(t) 값을 보이는 것이 추 세적인 변환인지를 확인하기 위해서는 상대적으로 높 은 εNd(t) 값을 갖는 것으로 종합된 암체들의 연령이 확실히 약 190~200 Ma의 시기를 갖는지 확인할 필 요가 있다. 대상 암체들 중에서 청송과 영해 암체의 경우 동위원소를 분석한 암체로부터 동일한 연구자에 의해 SHRIMP U-Pb 연대측정이 이루어졌다(Yi et al., 2012). 하지만 이 시기에 해당하며 높은 εNd(t) 값을 갖는 것으로 종합된 칠곡의 화강섬록암, 합천의 화강섬록암, 섬록암, 반려암과 산청 섬장암의 143Nd/
144Nd 값을 보고한 Kee et al.(2010)은 함께 보고한 여러 다른 암체들에 대해서는 SHRIMP 저어콘 U-Pb 연령을 보고하였으나 칠곡, 합천, 산청 암체들의 연령 은 다른 연구자들의 연구결과(Kim and Turek, 1996;
Park et al., 2005)를 인용하였다. 하지만 지화학적 분석이 이루어진 표품과 연령측정이 이루어진 표품이 동일한 암체인지 여부를 확인할 수가 없다. 따라서 쥬라기 화성활동기 초반의 화성암체들이 높은 εNd(t) 값을 갖는지에 대해서는 추가적인 연구를 통해 확인 할 필요가 있다고 생각한다. 그러나 Fig. 2에 도시된 쥬라기 암체들을 보면 초기의 +5~-10 범위의 급격한 εNd(t) 변화 이후의 암체들은 약 -10 이하의 값을 가 지며, 그 이후 화성암체들의 εNd(t) 최대값과 최소값 모두 연령이 젊어짐에 따라 감소하는 경향을 보인다.
이는 쥬라기 화성활동기 동안에 지질시대에 따라 추 세적인 εNd(t) 감소가 있었음을 나타내는 것으로 보인 다. 이러한 현상은 페름기-트라이아스기의 화성활동기 가 시작할 무렵과 마찬가지로 새로운 섭입의 시작과 더불어 해양지각의 용융과 같이 결핍맨틀성분이 높게 함유된 마그마가 생성되었음을 반영하는 것일 가능성 이 있다.
그러나 Fig. 2에 나타난 백악기-고제3기의 화성암 들의 변화는 이전의 화성활동기와는 전혀 다른 변화 를 보인다. 만약 Wee et al.(2006)이 경상분지 남부 의 진동 화강암에 대하여 약 110 Ma의 Rb-Sr 연령 과 0.70457의 상당히 낮은 87Sr/86Sr 초기치를 보고한 것을 감안하면 백악기-고제3기의 화성활동 역시 초기 에는 결핍 맨틀 성분이 높은 특징을 나타내는 것으로 생각할 수 있다. 진동 암체로부터 보고된 1개 표품의 εNd(t) 값(Kim et al., 1996)은 이 암체의 연령을 얼 마로 보느냐에 따라서(예, 80 Ma와 110 Ma) 약 0.4~0.7로 계산된다. 이 값은 비교적 높은 εNd(t) 값을 갖는 경상분지의 백악기 암체들에 비해서도 다소 높 은 값이라고 할 수 있다. 그러나 이 암체로부터 보고 된 약 110 Ma의 연령은 주변의 백악기 퇴적암체 퇴 적시기 보다도 훨씬 더 오래된 연령이며, 이는 이 지 역의 화강암류들이 경상분지의 퇴적암을 관입하고 있 다는 일반적인 관찰과는 배치된다. 따라서 주변 퇴적 암과 진동 화강암의 관계가 관입이 아니라 부정합 또 는 단층접촉이라는 사실이 확인되거나 또는 저어콘 U-Pb 방법 등으로 추가적인 정밀한 연대 측정이 이 루어지기 전까지는 이 진동화강암체의 연령을 확실한 정치연령으로 취급하는 것을 유보한다.
한편 경기육괴의 충남분지와 탄도분지에 분포하는 약 110 Ma의 백악기초 화성활동에서는 상당한 비율 의 대륙지각 성분을 반영하는 약 -9~-16의 음의 εNd(t) 값(Kim et al., 2012)을 보이는 것으로부터 시 작하여 한반도 남서부에 분포하는 고제3기에는 남산 A-형 화강암에서는 상당한 비율의 결핍맨틀 성분을 반영하는 +3 이상에 이르는 값(Kim and Kim, 1997) 까지 상승하여 페름기-트라이아스기와 쥬라기의 화성 활동기와는 정 반대의 변화경향을 보여준다. 이러한 변화가 지질시대를 통한 추세적인 조구조환경 및 마 그마 근원의 변화를 반영하는 것인지에 대해서는 추 가적인 연구를 통해 규명할 필요가 있다.
지역적인 Nd 동위원소 초기치 변화
Fig. 2에서 한국의 현생 화강암질 암석들이 보여주 는 εNd(t) 값의 변화는 앞에서 논의한 것처럼 지질시 대에 따른 추세적인 변화로 해석할 수 있지만 또한 지역적인 차이를 반영하는 것인지 여부에 대해서도 검토해볼 필요가 있다. 우선 오래된 기저지각을 갖는 경기육괴와 영남육괴, 그리고 그 사이에 위치한 옥천 대에 분포하는 현생 화성암들은 일반적으로 상당히 낮은 εNd(t) 값을 나타낸다. 반대로 가장 높은 εNd(t) 값을 나타내는 암체는 경상북도 북동부의 영덕, 영해, 청송 지역에 분포한다. 이 지역의 현생 화강암질 암 체들은 페름기-트라이아스기 화성활동기의 초반에 관 입한 영덕-장사리 암체, 쥬라기 활동기의 초기에 관입 한 청송 및 영해 암체가 있으며, 백악기의 온정리 화 강암 역시 이 암체들과 가까운 지역에 분포하며, 모 두 상대적으로 높은 εNd(t) 값을 보인다. 경상북도 북 동부의 영덕-청송 지역 이외에도 경상분지 자체가 전 체적으로 비교적 높은 결핍맨틀 성분을 갖는 것으로 생각되어 왔다. 이는 Fig. 2의 경상분지에 분포하는 백악기 내지 고제3기의 화성암들은 1개 암체를 제외 하고는 +0.4~-4.3의 높은 εNd(t) 값을 가지는 것(Kim et al., 1996)으로도 알 수 있다. 백악기에 생성된 암 체라 하더라도 경상분지 이외의 지역에 분포하는 암 체들은 경상분지의 암체들보다는 낮은 εNd(t) 값을 가 진다. 예를 들어 옥천대의 남서부인 전라남도 지역의 해안지역에 분포하는 백악기 암체들 중에서 해남과 완도지역의 백악기 화강암은 -6.2~-8.2의 εNd(t) 값을 나타내며(Shin et al., 1997), 이는 경상분지의 동시기 암체들보다는 다소 낮은 값이다. 한편 멀리 떨어지지 않은 강진-장흥지역의 백악기 화강암은 이보다 훨씬
낮은 -13.3~-15.2의 εNd(t) 값을 가지며(Shin et al., 1997), 비슷하게 옥천변성대 내에 분포하는 월악산, 속리산, 무암사 백악기 화강암체들은 -13.3~-15.7 범 위의 εNd(t) 값을 보인다(Cheong and Chang, 1997;
Lee et al., 2010a). 이러한 값은 경기육괴, 영남육괴 및 옥천대 내에 분포하는 쥬라기 또는 트라이아스기 화성암들의 일반적인 값과 매우 비슷하다.
이를 요약하면 경기육괴와 영남육괴, 그리고 옥천 대 보다는 영덕-청송지역 및 경상분지의 암체들이 현 저하게 높은 εNd(t) 값을 나타내며, 같은 백악기에 관 입한 암체라 하더라도 나타나는 지역에 따라서 뚜렷 이 구분되는 εNd(t) 값을 갖는다. 따라서 앞에서 논의 했던 것처럼 페름기-트라이아스기의 화성활동기와 쥬 라기 화성활동기의 초기의 암체들이 높은 εNd(t) 값을 갖는 것은 새로운 화성활동기의 시작과 더불어 나타 나는 현상이 아니라 단지 지역적인 현상을 나타내는 것일 수도 있다. 즉, 두 활동기의 초반에 나타나는 이 암체들이 상당히 높은 εNd(t) 값을 갖는 이 지역 하부지각의 용융으로 만들어졌거나 또는 이 지역에는 εNd(t) 값을 상당히 낮게 만들어낼 수 있는 오래된 지 각물질이 별로 없을 가능성도 배제할 수 없다.
그러나 쥬라기 화성활동기의 초반에는 청송-영해 암 체 외에도 높은 εNd(t) 값을 갖는 암체들이 포함된다.
예를 들어 산청지역 섬장암의 경우 -0.5 정도의 높은 εNd(t) 값을 보이며(Kee et al., 2010), 이는 이 암체 로부터 상당한 결핍맨틀 성분이 포함되어 있음을 나 타내는 0.70598±0.00060의 87Sr/86Sr 초기치가 보고된 것(Park et al., 2006)과도 합치한다. 비록 앞에서 논 의한 것처럼 연령의 확인이 필요하기는 하지만 칠곡 과 합천암체 역시 높은 εNd(t) 값을 나타내는 것도 영 덕-청송 및 경상분지 이외의 지역에서도 높은 εNd(t) 값을 갖는 암체들이 나타남을 지지하며, 따라서 새로 운 화성활동기의 초반에 높은 εNd(t) 값을 갖는 화강 암질 마그마가 나타나는 현상을 전적으로 부정하긴 어려울 것 같다.
이처럼 εNd(t) 값이 화성활동기가 진행되면서 시간 에 따라 감소하는 것은 화강암질 마그마에 포함된 결 핍 맨틀로부터 유래한 근원물질의 비율이 점차 낮아 지고 반대로 오래된 대륙지각 기원물질의 양이 상대 적으로 높아짐을 의미한다. 화성활동 주기의 시작 무 렵에 비교적 높은 εNd(t) 값이 나타나는 경향은 태평 양쪽으로부터 아시아 대륙 동쪽 연변부를 따라서 해 양지각이 대륙지각의 아래로 최초의 섭입현상이 일어
날 때 최초에는 해양지각 자체의 용융을 일으켜 아다 카이트질 마그마가 생성되었던 것으로 해석해볼 수 있다. 이후의 εNd(t) 값이 점차 높아지는 현상은 섭입 대에서 해양판과 함께 섭입하는 대륙기원 퇴적물에 의한 맨틀 쐐기 부분에 대한 영향 또는 지속되는 마 그마 주입에 의한 전반적인 온도 상승에 의한 동화현 상의 심화 또는 대륙지각물질 자체의 용융 등에 의한 영향으로 해석된다.
경주 남산 알칼리 화강암은 경상분지의 규장질 화 성암들보다도 더 높은 εNd(t) 값을 보인다. Cheong et al.(2013)이 제시한 고제3기의 화성암들도 높은 εHf(t) 값을 가지며 이들로부터 환산한 εNd(t) 값 역시 경주 남산 알칼리 화강암과 마찬가지로 상당히 높다.
이러한 현상은 백악기-고제3기의 화성활동기 동안에 어떤 요인에 의하여 맨틀 유래물질의 포함 정도, 즉 점차로 εNd(t) 값이 높아진 것으로 해석할 수도 있지 만 이 지역이 나머지 지역과 구분되는 특성을 나타낸 것일 수도 있다. 비슷한 시기의 다른 지역 암체들보 다 월등히 높은 εNd(t) 또는 변환 εNd(t) 값을 갖는 것은 이 지역의 하부지각 및 상부지각의 εNd(t) 값이 근본적으로 다르기 때문일 수도 있다. 어쩌면 경상남 북도의 동해안 지역은 생성 시기와 진화사가 다른 지 괴가 부가된 지역일 수도 있다. 즉 영남육괴나 경기 육괴보다 훨씬 더 젊은 평균연령을 갖는 지각일 수도 있으며 추후 연구를 통해 검증해볼 필요가 있다고 생 각한다.
결핍맨틀 모델연령
연령에 따른 결핍맨틀 모델연령 역시 εNd(t) 값과 유사한 변화 경향을 보인다. 일반적으로 높은 εNd(t) 값을 가지면 젊은 모델연령, 낮은 εNd(t) 값을 가지면 오래된 모델연령이 계산된다. 하지만 모델연령을 나 타낸 그림에서는 평균적인 지각연령에 대한 모델 연 령 값을 볼 수 있다는 것이 장점이라고 할 수 있다.
경기육괴와 영남육괴에 분포하는 선캠브리아 기저 암석에서 구한 2단계 결핍모델연령(TDM2)은 주로 2.7~3.0 Ga 범위의 값을 갖는다(Kim et al., 1997;
Park, et al., 2000; Chang et al., 2003; Lee et al., 2005a, 2005b, 2010b, 2011). 대부분의 한국 현 생 화강암들은 이보다는 다소 젊은 값을 보인다. 상 대적으로 낮은 εNd(t) 값을 갖는 경기육괴와 영남육괴, 그리고 옥천대에 분포하는 페름기-트라이아스기, 그리 고 쥬라기의 화강암류들은 각 활동기의 초기에 나타
나는 높은 εNd(t) 값을 갖는 암체들과 3.0 Ga 내외의 높은 모델연령을 나타내는 소수의 값을 제외하고는 대부분이 1.6~2.7 Ga의 TDM2 모델연령을 갖는다. 따 라서 이 지역의 현생 화강암체들을 만들어낸 마그마 의 생성 당시 오래된 기존 지각의 용융뿐만 아니라 다소의 맨틀기원 물질 또는 상대적으로 젊은 지각 역 시 마그마 생성에 기여한 것으로 생각된다. 이러한 맨틀 또는 젊은 지각 물질의 기여는 영덕 지역 또는 페름기-트라이아스기와 쥬라기 각 화성활동기의 시작 시에 만들어진 마그마에서는 뚜렷이 상대적으로 높은 εNd(t) 값에서도 유추할 수 있으며, 이 암체들로부터는 0.5~1.5 Ga의 상대적으로 젊은 TDM2 모델연령이 계산 된다. 백악기-고제3기의 화성암들에 대한 TDM2 모델 연령은 전체적으로는 0.5~2.2 Ga의 값을 보이지만 이 중에서 경상분지에 분포하는 화성암체들의 대부분은 0.5~1.2 Ga로 비교적 젊은 연령을 보이는 반면에, 옥 천대 또는 경기육괴 등에 분포하는 암체들의 대부분 은 1.4~2.2 Ga로 확실하게 더 오래된 지각성분을 반 영한다.
저어콘 Hf 동위원소 분석결과와의 비교
최근에 국제적인 여러 연구에서 각광을 받고 있는 저어콘에 대한 Hf 동위원소 분석은 지각의 진화를 밝 히는데 있어서 매우 강력한 연구수단으로 자리잡고 있다. 한반도의 현생 화강암질 암석들에 대한 최근의 Cheong et al.(2013)의 논의는 이러한 맥락에서 매우 의미있으며 아울러 비교적 많은 연구결과가 있는 Nd 동위원소 연구결과와도 결부시켜 논의할 필요가 있다.
앞에서 논의한 한국의 현생 화강암으로부터 종합한 Nd 동위원소 값과의 비교논의를 위해 우선 Hf 동위 원소 값을 Nd 동위원소 값으로 환산할 수 있는 방법 에 대하여 먼저 논의하도록 한다.
일반적인 방사기원 동위원소 조성의 분석에는 시료 의 용해, 원소분리, 동위원소 희석법을 사용하기 위한 부화 동위원소 스파이크의 사용, 동위원소 비율의 측 정 등 복잡한 과정과 시간, 노력이 필요하다. 그러나 저어콘에 대한 LA-MC-ICPMS 분석의 경우 이러한 분석단계의 상당부분을 줄일 수 있다. 동시에 시간 단축, 초기치의 직접획득, 단기간 내에 많은 수의 분 석이 가능하다. 무엇보다도 동일한 저어콘 입자 내의 동일한 분석지점으로부터 정밀한 U-Pb 연령분석과 동 시에 176Hf/177Hf 동위원소 초기치를 구할 수 있다는 것은 매우 뛰어난 매력이며, 앞으로 점점 더 많은 분
석이 이루어질 것으로 예상된다. 따라서 기존의 Nd 자료를 어떻게 활용하여 비교하느냐도 중요하다고 할 수 있다.
Nd 동위원소 자료와 Hf 동위원소 자료를 비교하기 위해서는 한 동위원소 값을 다른 동위원소의 어떤 값 과 비교되는지 환산하는 과정이 필요하다. 지구의 여 러 구성물질들로부터 분석된 현재의 143Nd/144Nd 값과
176Hf/177Hf 값은 서로 정의 상관관계를 갖고 변화한다 는 것이 잘 알려져 있다. 만약 εHf-εNd 동위원소 변화 도형에서 현재의 분석값들이 CHUR 값과 DM 값을 지나는 직선을 중심으로 놓인다면 환산식은 간단하게 εHf(0) = 1.69εNd(0)로 쓸 수 있다. 그러나 실제로 맨 틀 암석들을 도시해보면 중앙해령현무암(Mid-Ocean Ridge Basalt, MORB)-해양도현무암(Ocean Island Basalt, OIB)의 Nd, Hf 동위원소 값들이 CHUR 값 을 다소 비껴가는 것으로 나타난다. Chauvel et al.(2008)은 MORB와 OIB의 현재 143Nd/144Nd 값과
176Hf/177Hf 값을 비교하여 εHf(0) = 1.59εNd(0) + 1.28의 환산식을 구하였다. 과거의 값은 이로부터 MORB와 OIB 생성 맨틀의 147Sm/144Nd 및 176Lu/177Hf 값을 적용하여 계산할 수 있다. 그러나 과거 값을 구하기 위한 모자 동위원소 비율의 선정은 다소 임의적이다.
또한 약 250 Ma 정도 과거의 경우에는 위의 현재값 환산식을 쓴 것과, 각 저장고의 과거 값을 구해서 만 들어낸 환산식을 적용한 경우를 비교할 때 최대 0.5 이하의 차이만을 보이며, 이 정도의 값 차이는 현재 의 논의에서는 큰 문제는 없다고 본다. 따라서 복잡 한 과거 값의 환산식을 사용하지 않고 Chauvel et al.(2008)의 환산식을 사용하였다.
Cheong et al.(2013)이 보고한 Hf 동위원소 값을 Chauvel et al.(2008)의 환산식을 사용하여 계산한 결 과를 살펴보면(Fig. 2b) 앞에서 논의했던 εNd(t) 값 변화경향에 대체로 일치하는 값을 보인다. 즉, 페름기 -트라이아스기 화성활동기의 초기에 정치한 암체들과 백악기-고제3기 화성활동기의 후기에 관입한 암체들 의 경우 높은 환산 εNd(t) 값을 보여주며, 다른 암체 들의 Hf 동위원소 값 역시 동 시기에 관입한 암체들 의 변화경향 내에 놓이는 εNd(t) 값으로 환산된다. 다 만 페름기-트라이아스기 화성활동기의 초기에 정치한 암체들과 백악기-고제3기 화성활동기의 후기에 관입 한 암체들의 경우 비슷한 시기의 암체들에 비해 약간 높은 환산 εNd(t) 값으로 계산된 것은 앞에서 언급한 것과 같이 과거의 εHf(t)−εNd(t) 환산식을 만들어 계산
한 것이 아니고 현재의 εHf(0)−εNd(0) 환산식으로 계 산하였기 때문에 약간의 오차를 보이게 된 것으로 판 단된다.
이상에서 살펴본 것처럼 저어콘 입자들로부터 Hf 값을 구하면 이를 기존 Nd 동위원소 자료와 비교하 는 것이 그리 어렵지는 않을 것으로 생각하며, Nd 자료가 없는 부분을 보강해줄 것으로 기대한다. 특히 쇄설성 저어콘으로부터 구한 실제로는 해당 연령의 화성암체가 없는 경우에 매우 유용한 자료가 될 수 있을 것이다. 다만 환산과정에서 나타날 수 있는 오 차를 줄이고 보다 정밀한 비교가 필요한 경우에는 과 거의 εHf(t)-εNd(t) 환산식을 만드는 것도 고려해볼 필 요가 있다고 생각한다.
결 론
한국의 현생 화강암에서 분석된 Nd 동위원소 자료 를 살펴보면 세 차례의 화성활동기에서 추세적인 변 화가 존재하는 것처럼 관찰된다. 이 중에서 페름기-트 라이아스기 그리고 쥬라기에 있었던 두 차례의 화성 활동기에서는 초기에는 높은 εNd(t) 값을 갖는 마그마 가 만들어졌으나 점차 낮은 εNd(t) 값을 갖는 방향으 로 변화한 것으로 볼 수 있다. 이러한 변화는 섭입작 용의 시작과 더불어 초기에 생성된 마그마의 경우 섭 입된 해양지각의 용융과 같은 결핍맨틀의 함량이 높 은 마그마가 생성되고, 섭입작용의 진행과 더불어 마 그마의 생성에 오래된 지각물질의 영향이 더욱 커진 것으로 해석할 수 있다. 백악기-고제3기의 화성활동 기에서는 후기의 화성암체들이 오히려 더 높은 εNd(t) 값을 갖는, 이전의 화성활동기와는 반대되는 변화경 향이 나타난다.
그러나 이 두 활동기의 초기에 높은 εNd(t) 값을 갖는 것으로 나타나는 암체들의 대부분이 경상북도 북부지역에 밀집되어 나타나기 때문에 이러한 변화가 조구조적인 환경변화 및 용융물질 내의 맨틀과 지각 물질의 상대적인 비율변화 때문이 아니고 지역적인 차이를 반영하는 것이라는 해석도 전적으로 배제할 수는 없다. 백악기-고제3기 활동기에서도 높은 εNd(t) 값을 갖는 암체들이 온정리 화강암과 같이 영덕화강 암과 인접하여 산출하며, 그 밖의 높은 εHf(t) 값을 갖는 화성암들은 주로 경상분지 내에서만 산출되는 것 역시 지역적 차이라는 가설을 지지한다고 볼 수 있다. 따라서 이 두 가설들 사이의 구분은 추가적인
연구를 통해 해결해야 할 것으로 생각된다.
최근들어 각광받고 있는 저어콘 입자에 대한 Hf 동위원소 분석결과는 기존의 Nd 동위원소 분석자료 와 함께 비교하여 활용할 수 있으며, 적절한 환산식 을 사용할 경우 서로 잘 일치함을 보여준다.
사 사
이 논문은 2010년도와 2013년도 정부(교육과학기 술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행 된 연구이다(NRF-2013R1A1A2012643, NRF-2010- 0023385). 논문을 꼼꼼하게 읽고 여러 가지 유익한 조언을 해주신 이승구 박사, 최성희 교수께 감사드린 다.
References
Barbarin, B., 1999, A review of the relationships between granitoids types, their origins and their geodynamic envi- ronments. Lithos, 46, 605-626.
Chang, H.-W., Turek, A., and Kim, C.-B., 2003, U-Pb zir- con geochronology and Sm-Nd-Pb isotopic constraints for Precambrian plutonic rocks in the northeastern part of Ryeongnam massif, Korea. Geochemical Journal, 37, 471- 491.
Chauvel, C., Lewin, E., Carpentier, M., Arndt, N.T., and Marini, J.-C., 2008, Role of recycled oceanic basalt and sediment in generating the Hf-Nd mantle array. Nature Geosciences, 1, 64-67.
Cheong, C.-S. and Chang, H-W., 1997, Sr, Nd, and Pb iso- tope systematics of granitic rocks in the central Ogcheon Belt, Korea. Geochemical Journal, 31, 17-36.
Cheong, C.-S. and Kim, N., 2012, Review of radiometric ages for Phanerozoic granitoids in southern Korean pen- insula. Journal of the Petrological Society of Korea, 21, 173-192 (in Korean with English abstract).
Cheong, C.S., Kwon, S.T., Kim, J.M., and Chang, B.U., 1998, Geochemical and isotopic study of the Onjeongri granite in the northern Gyeongsang Basin, Korea: com- parison with Cretaceous to Tertiary granitic rocks in the other part of the Gyeongsang Basin and the inner zone of Southwest Japan. Journal of the Petrological Society of Korea, 7, 77-97 (in Korean with English abstract).
Cheong, C.-S., Kwon, S.-T., and Sagong, H., 2002, Geochemical and Sr-Nd-Pb isotopic investigation of Tri- assic granitoids and basement rocks in the northern Gyeo- ngsang Basin, Korea: implications for the young basement in the east Asian continental margin. Island Arc, 11, 25-44.
Cheong, C.-S., Yi, K., Kim, N., Lee, T.-H., Lee, S.R., Geng, J.-z., and Li, H.-k., 2013, Tracking source materi- als of Phanerozoic granitoids in South Korea by zircon Hf isotopes. Terra Nova, 25, 228-235.
Cheong, W., Kim, Y., and Na, K.-C., 2011, SHRIMP zircon U-Pb geochronology, geochemistry and Sr-Nd isotopic study of the Cheongju granitoid rocks. Journal of the Pet- rological Society of Korea, 20, 191-206 (in Korean with English abstract).
Cho, D.-L., Lee, S.R., and Armstrong, R., 2008, Termina- tion of the Permo-Triassic Songrim (Indosinian) orogeny in the Ogcheon belt, South Korea: occurrence of ca. 220 Ma post-orogenic alkali granites and their tectonic impli- cations. Lithos, 105, 191-200.
Hwang, B.-H., Ernst, W.G., and Yang, K., 2012, Two differ- ent magma series imply a Palaeogene tectonic transition from contraction to extension in the SE Korean Penin- sula. International Geology Review, 54, 1284-1295.
Jahn, B.-m., Wu, F., Capdevila, R., Martineau, F., Zhao, Z., and Wang, Y., 2001, Highly evolved juvenile granites with tetrad REE patterns: the Woduhe and Baerzhe gran- ites from the Great Xing'an Mountains in NE China.
Lithos, 59, 171-198.
Jeong, Y.-J., Cheong, C.-S., Park, C.-Y., and Shin, I.-H., 2008, Geochemistry, isotope properties and U-Pb sphene age of the Jeongeup foliated granit, Korea. Journal of the Korean Earth Science Society, 29, 539-550 (in Korean with English abstract).
Jwa, Y.-J., 2008, A preliminary study on granite suite and supersuite for the Jurassic granites in south Korea. Jour- nal of the Petrological Society of Korea, 17, 222-230 (in Korean with English abstract).
Jwa, Y.-J., Kim, J.-S., and Kim, K.-K., 2005, Granite suite and supersuite for the Triassic granites in south Korea.
Journal of the Petrological Society of Korea, 14, 226-236 (in Korean with English abstract).
Jin, M.S., 1980, Geological and isotopic contrasts of the Jurassic and the Cretaceous granites in south Korea. Jour- nal of the Geological Society of Korea, 16, 205-215.
Kee, W.-S., Kim, S.W., Jeong, Y.-J., and Kwon, S., 2010, Characteristics of Jurassic continental arc magmatism in South Korea: tectonic implications. The Journal of Geol- ogy, 118, 305-323.
Kim, C.-B., Chang, H.-W., and Turek, A., 2003, U-Pb zir- con ages and Sr-Nd-Pb isotopic compositions for Per- mian-Jurassic plutons in the Ogcheon belt and Ryeongnam massif, Korea: tectonic implications and cor- relation with the China Qinling-Dabie belt and the Japan Hida belt. Island Arc, 12, 366-382.
Kim, C.-S. and Kim, G.-S., 1997, Petrogenesis of the early Tertiary A-type Namsan alkali granite in the Kyongsang Basin, Korea. Geosciences Journal, 1, 99-107.
Kim, C.-B. and Turek, A., 1996, Advances in U-Pb zircon
geochronology of Mesozoic plutonism in the southwest- ern part of Ryeongnam massif, Korea: Geochem. J., 30, 323-338.
Kim, J., Yi, K., Jeong, Y.-J., and Cheong, C.-S., 2011, Geo- chronological and geochemical constraints on the petro- genesis of Mesozoic high-K granitoids in the central Korean peninsula. Gondwana Research, 20, 608-620.
Kim, J.H., Cheong, C.-S., Son, Y.C., and Koh, H.J., 1997, Geology and Sr, Nd and Pb isotopic compositions of Pre- cambrian granitoids in the Pyeongchang area, Korea.
Journal of the Geological Society of Korea, 33, 27-35 (in Korean with English abstract).
Kim, J.-S., Park, M.-E., and Kim, G.-S., 1998, A geochem- ical study of the alkali granite in the Kyeomyeongsan Formation. Economic and Environmental Geology, 31, 349-360.
Kim, K.H., Park, S.S., and Na, C.K., 1996, Nd and Sr iso- topic signatures of Mesozoic granitoids in South Korea.
Resource Geology, 46, 215-226.
Kim, S.W., Lee, C.Y., and Ryu, I.-C., 2008, Geochemical and Nd-Sr isotope studies for foliated granitoids and mylonitized gneisses from the Myeongho area in north- east Yecheon shear zone. Economic and Environmental Geology, 41, 299-314 (in Korean with English abstract).
Kim, S.W., Kwon, S., Ryu, I.-C., Jeong, Y.-J., Choi, S.-J., Kee, W.-S., Yi, K., Lee, Y.S., Kim, B.C., and Park, D.W., 2012, Characteristics of the Early Cretaceous igneous activity in the Korean peninsula and tectonic implications.
The Journal of Geology, 120, 625-646.
Kim, S.W., Kwon, S., Koh, H., Yi, K., Jeong, Y.J., and San- tosh, M., 2011, Geotectonic framework of Permo-Triassic magmatism within the Korean peninsula. Gondwana Research, 20, 865-889.
Kim, Y.-J., Cho, D.-L., and Lee, C.-S., 1998, Petrology, geochemistry and tectonic of the A-type Daegang granite in the Namwon area, Southwestern part of the Korean peninsula. Economic and Environmental Geology, 31, 399-413 (in Korean with English abstract).
Kwon, S.-T., Lan, C.-Y., and Lee, T., 1999, Rb-Sr and Sm- Nd isotopic study of the Seoul granitic batholith in mid- dle Korea. Geosciences Journal, 3, 107-114.
Lee, J.I., Jwa, Y.-J., Park, C.-H., Lee, M.J., Moutte, J., and Kagami, H., 1999, Sr and Nd isotopic compositions of late Paleozoic Younju and Andong granites in the north- eastern Yeongnam massif, Korea. Geochemical Journal, 33, 153-165.
Lee, S.-G., Asahara, Y., Tanaka, T., Kim, N.H., Kim, K.H., Yi, K., Masuda, A., and Song, Y.S., 2010b, La-Ce and Sm-Nd isotopic systematics of early Proterozoic leucog- ranite with tetrad REE pattern. Chemical Geology, 276, 360-373.
Lee, S.-G., Masuda, A., Shimizu, H., and Song, Y.-S., 2001, Crustal evolution history of Korean Peninsula in east
Asia: the significance of Nd, Ce isotopic and REE data from the Korean Precambrian gneisses. Geochemical Journal, 35, 175-187
Lee, S.-G., Kim, T.K., and Lee, T., 2011, Rare earth ele- ment, Sm-Nd and Rb-Sr age and its geochemical impli- cation of leucogranite in the Deokgu hot spring area, Yeongnam massif, Korea. Journal of the Petrological Society of Korea, 20, 207-217 (in Korean with English abstract).
Lee, S.-G., Kim, Y., and Kim, K.-H., 2005a, Geochemistry and Sm-Nd isotope systmematics of Precambrian granitic gneiss and amphibolite core at the Muju area, middle Yeongnam massif. Journal of the Petrological Society, 14, 127-140 (in Korean with English abstract).
Lee, S.-G., Shimizu, H., Masuda, A., and Song, Y.-S., 1992, Crustal evolution of the Precambrian basement in the Korean Peninsula. Journal of the Petrological Society of Korea, 1, 124-131.
Lee, S.-G., Shin, S.-C., Jin, M.-S., Ogasawara, M., and Yang, M.K., 2005b, Two Paleoproterozoic strongly pera- luminous granitic plutons (Nonggeori and Naedeokri granites) at the northeastern part of Yeongnam massif, Korea: geochemical and isotopic constraints in east Asian crustal formation history. Precambrian Research, 139, 101-120.
Lee, S.-G., Shin, S.-C., Kim, K.-H., Lee, T., Koh, H., and Song, Y.-S., 2010a, Petrogenesis of three Cretaceous granites in the Okcheon metamorphic belt, south Korea:
geochemical and Nd-Sr-Pb isotopic constraints. Gond- wana Research, 17, 87-101.
Na, C.-K., Lee, I.-S. and Chung, J.-I., 1997, Petrogenetic study on the foliated granitoids in the Chonju and the Sunchang area (II) -in the light of Sr and Nd isotopic properties- Econ. Environ. Geology, 30, 249-261 (in Korean with English abstract).
Park, B.-K., 1972, Whole-rock rubidium-strontium age of the Seoul granite. Journal of the Geological Society of Korea, 8, 156-161.
Park, K.-H., 2012, Cyclic igneous activities during the Pale- ozoic to Early Cenozoic period over the Korean penin- sula. Journal of the Petrological Society of Korea, 21, 193-202 (in Korean with English abstract).
Park, K.-H., Lee, H.-S. and Cheong, C.-S., 2005, Sphene U- Pb ages of the granodiorites from Gimcheon, Seoungju and Anui areas of the middle Yeongnam massif. Journal of the Petrological Society of Korea, 14, 1-11 (in Korean with English abstract).
Park, K.-H., Lee, H.-S., Song, Y.-S. and Cheong, C.-S., 2006, Sphene U-Pb ages of the granite-granodiorites from Hamyang, Geochang and Yeongju areas of the middle Yeongnam massif. Journal of the Petrological Society of Korea, 15, 39-48 (in Korean with English abstract).
Park, K.-H., Song, Y.-S., Park, M.-E., Lee, S.-G., and Ryu,
H.-J., 2000, Petrological, geochemical and geochronolog- ical studies of Precambrian basement in northeast Asia Region: 1. Age of the metamorphism of Jirisan area.
Journal of the Petrological Society of Korea, 9, 29-39 (in Korean with English abstract).
Park, Y.R., 2009, Enriched geochemical and Sr-Nd isotopic characteristics of Middle Triassic plutonic rocks in Hud- ongri, Chuncheon: derivation from enriched mantle. Jour- nal of the Petrological Society of Korea, 18, 255-267 (in Korean with English abstract).
Park, Y.S., Kim, S.W., Kee, W.-S., Jeong, Y.-J., Yi, K., and Kim, J., 2009, Middle Jurassic tectono-magmatic evolu- tion in the southwestern margin of the Gyeonggi massif, South Korea. Geosciences Journal, 13, 217-231.
Shin, I.-H. and Kagami, H., 1996, Rb-Sr isochron ages, Sr and Nd isotopic compositions of granophyre in the Hae- nam-Wando areas, Korea. Economic and Environmental Geology, 29, 151-158 (in Korean with English abstract).
Shin, I.-H., Kim, H.-N., and Ahn, K.-S., 1997, Origin of granitoids in the southwestern part of Korea based on Sr, Nd isotopic ratio. Journal of the Korean Earth Science Society, 18, 99-104 (in Korean with English abstract).
Shin, I.-H., Park, Y.-S., Park, C.-Y., Jeong, Y.-J., and Iizumi, S., 1998, Petrochemistry and Sr·Nd isotopic compositions of Boeun granite, Korea. Journal of the Korean Earth Science Society, 19, 632-640 (in Korean with English abstract).
Shin, I.-H., Park, Y.-S., Park, C.-Y., Jeong, Y.-J., and Iizumi, S., 1999, Petrochemistry and Sr·Nd isotopic compositions of hornblende-biotite granodiorite in the Cheongsan area,
Korea. Journal of the Korean Earth Science Society, 20, 156-165 (in Korean with English abstract).
Shin, I.-H., Park, C.-Y., and Jeong, Y.-J., 2001, Petrochem- istry and Sr·Nd isotopic compositions of foliated granite in the Jeonju area, Korea. Journal of the Korean Earth Science Society, 22, 1-9 (in Korean with English abstract).
Wee, S.M., Choi, S.G., Ryu, I.C., and Shin, H.J., 2006, Geochemical Characteristics of the Cretaceous Jindong Granites in the Southwestern Part of the Gyeongsang Basin, Korea: Focussed on Adakitic Signatures. Eco- nomic and Environmental Geology, 39, 555-566.
Williams, I.S., Cho, D.-L., and Kim, S.W., 2009, Geochro- nology, and geochemical and Nd-Sr isotopic characteris- tics, of Triassic plutonic rocks in the Gyeonggi massif, south Korea: constraints on Triassic post-collisional mag- matism. Lithos, 107, 239-256.
Yi, K., Cheong, C.-s., Kim, J., Kim, N., Jeong, Y.-J., and Cho, M., 2012, Late Paleozoic to Early Mesozoic arc- related magmatism in southeastern Korea: SHRIMP zir- con geochronology and geochemistry. Lithos, 153, 129- 141.
Zhu, D.-C., Zhao, Z.-D., Pan, G.-T., Lee, H.-Y., Kang, Z.- Q., Liao, Z.-L.,Wang, L.-Q., Li, G.-M., Dong, G.-D., and Liu, B., 2009, Early Cretaceous subduction-related adak- ite-like rocks of the Gandese belt, southern Tibet: prod- ucts of slab melting and subsequent melt-peridotite interaction? Journal of Asian Earth Sciences, 34, 298-309.
2014년 8월 5일 접수 2014년 8월 7일 심사개시 2014년 9월 4일 채택
