IEG 환경지질연구정보센터

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Proceedings of the Annual Joint Conference, Mineralogical Society of Korea and Petrological Society of Korea May 31, 2007, Andong, Korea

한국광물학회․한국암석학회 2007년 공동학술발표회 눈문집

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제주도 알칼리 현무암에 포획된 반려암질 포획암에 대한 연구

Gabboic Xenoliths in Alkaline Basalts from Jeju Island

엄영보(Young Bo Um)^1,*․양경희(Gyoung He Yang)¹ 남복현(Bok Hyun Nam)¹․Csaba Szabó^1,2

1 부산대학교 자연과학대학 지구환경시스템학부([email protected])

2 Lithosphere Fluid Research Lab, Institute of Geography and Earth Sciences, Eötvös University, Budapest, Hungary

1. 서 론

제주도는 태평양판과 필리핀판이 유라시아판 아래로 섭입하는 섭입대환경에 가까운 곳에 위치하고 있으면서, 맨틀 플럼 활동에 의한 지판내의 마그마(intraplate magma) 작용으로 형성된 화산섬으로 알려져 있다(Kim, et al., 2003). 제주도에 분포하는 현무암 중에는 맨틀 포획암인 페리도타이트와 반려암질 포획암, 그리고 거정의 결정들을 포획하고 있는 것이 있 다. 이 중에 반려암질 포획암은 마그마 쳄버(reservoir)내에서의 대류에 의한 마그마 혼합, 큐물레이트(cumulate)의 형성, 그리고 모암 현무암과의 관계와 관련하여 매우 중요한 의미 를 내포하고 있다((Fodor, et al., 1994; Sachs and Hansteen, 2000). 본 연구에서는 제주도 현무암에 포획된 반려암질 포획암에 대한 암석기재, 현미경관찰, 반려암질포획암을 구성하고 있는 광물에 대한 화학성분조성을 통해 반려암질 포획암의 조직적 특성과 이에 따른 모암 인 현무암과의 관련성 관계를 파악하려고 한다.

2. 반려암질 포획암의 암석기재

최대 직경 10cm 이상을 넘어서는 반려암질포획암이 현무암에 포획되어 있으며 야외노두 에서도 사장석과 휘석의 흑백의 색이 대비되어 포이킬리틱(poikilitic)과 등립질 (intergranular) 조직이 쉽게 인식된다(Fig. 1). 포획암은 구성광물이 사방휘석 5-17 vol%, 단사휘석 3-41 vol%, 사장석 42-94 vol%으로 이루어져 있는 gabbro norite에 해당된다.

포이킬리틱조직을 보이는 반려암질포획암은 사장석이 oikocryst로 자형의 사방휘석과 단 사휘석을 포함하고 있는 큐물레이트의 특성을 잘 나타내고 있다(Fig. 1a, c). 포이킬리틱조직 에서는 거의 항상 사방휘석과 단사휘석은 붙어서 한 쌍을 이루듯이 산출되는 것이 특징적이 며 대체로 사방휘석의 입자가 큰 편이다. 모암인 현무암과 접촉하는 경계부에서는 사방휘석 에 반응연이 더욱 잘 발달되어 있으며 반응연은 세립의 감람석, 사장석과 불투명광물로 이 루어져 있다. 반면에 단사휘석의 가장자리는 스펀지조직이 발달되어 있다. 등립질조직을 보 이는 반려암질포획암은 반자형에서 타형의 사방휘석, 단사휘석, 사장석으로 구성되어 있으 며, 시료에 따라 불투명 광물의 함량의 변화가 크고 입자의 크기가 조립질에서 중립질의 변 화를 보여준다(Fig. 1b, d). 조사되어진 반려암포획암내에는 1차 감람석과 각섬석은 산출되 지 않지만 2차로 형성된 감람석과 각섬석이 분포하고 있다.

포이킬리틱조직을 보이는 포획암은 현무암질 액체가 포획암내부에 입자사이를 침투 한 흔

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적이 거의 없으며, 포획암과의 경계부분에서만 모암인 현무암과의 반응이 관찰되고, 포획암 은 현무암질 마그마에 포획된 후 모암인 현무암으로부터는 대체로 폐쇄계를 이룬 것으로 여 겨진다. 반면에 등립질 조직을 보이는 포획암은 대체로 폐쇄계를 이룬 것과 열린계를 이룬 것의 두 종류로 관찰된다. 어떤 경우에는 현무암이 침투하여 포획암 내부로 둥글게 만 (basalt lobes)을 형성하거나 oikocryst인 사장석의 결정면을 둥글게 융식하기도 한다. 또한 거정질의 사장석 단결정은 매우 융식되어 있거나 마그마가 결정 깊숙이 침입한 모습이 야외 노두에서도 잘 관찰된다.

Fig 1. Gabbroic xenoliths trapped in basaltic rocks from Jeju Island.

(a) poikilitic and (b) intergranular gabbroic xenoliths at the outcrop. (c) poikilitic and (d) intergranular-textured xenoliths under the microscope.

3. 반려암질 포획암의 지화학

사방휘석은 SiO2 51-53 wt%, Al2O3는 3-5%, FeO성분이 15-17wt%, MgO성분이 25-27 wt%, CaO성분이 1.6-1.8 wt%, Mg#는 72-77로 나타난다. Wo2-3에 Fs23-27을 나타내고 있다.

사방휘석의 반응연을 이루고 있는 감람석은 SiO2성분은 약 36-38(모암에서는 38-40 wt%), FeO성분은 약 24-29(15-27) wt%, MgO 성분은 34-38(37-46)로서 모암에 산출되는 감람석 반정과 유사한 범위이지만 약간은 분화가 더 진행된 화학조성을 나타내고 있다.

단사휘석의 SiO2 성분은 48-50 wt%, Al2O3는 4-7%, FeO성분이 8-11wt%, MgO성분이 13-15%, CaO성분이 18-21 wt%으로 되어 있다. Mg#는 70-77, Wo41-36에 Fs13-19를 나타내고

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있으며, Al2O3(4-7 wt%)와 TiO2(0.5-1.6 wt%)으로 모암의 단사휘석 반정성분에 비해 비교 적 넓은 범위의 조성을 나타내고 있으나 거의 유사한 성분 조성을 나타내고 있다. 포이킬리 틱조직에 산출되는 단사휘석이 가장 염기성의 특성을 나타내고 있다.

사장석의 화학조성은 SiO2 53-55 wt%, Al2O3 28-29%, CaO 10-12wt%, Na2O 5-6%, K2O 0.29-0.43 wt%으로 현무암에서 산출되는 사장석 반정의 화학조성과 거의 동일하다. An조성 은 57에서 51의 범위에 나타나며, 포이킬리틱 조직의 사장석이 가장 염기성의 특성을 나타 내고 등립질조직의 사장석의 성분은 현무암의 사장석 반정과 거의 동일하게 나타난다.

4. 결론

반려암질포획암을 만들어낸 근원마그마는 제주도 마그마시스템의 일부이다. 포획암을 구 성하고 있는 광물들은 모암인 현무암을 구성하고 있는 광물들과 거의 유사한 지화학적 특성 을 보이고 있다. 이러한 지화학적 특성은 반려암질포획암이 제주 마그마 플러밍계(Jeju magma plumbing system)에 속하고 있다는 것을 나타낸다. 제주도의 반려암질포획암의 조 직과 야외 산출특성에 의해 포이킬리틱 조직의 포획암은 rigid zone을, 등립질의 포획암은 mushy zone을 거정의 사장석은 suspended zone의 특성을 나타내고 있다. 포이킬리틱조직 을 보이는 포획암은 후기의 마그마 침입을 전혀 받지 않은 폐쇄계를 형성했다. 이 포획암은 결정화단계에서 비교적 늙은 위치에 속하며 지화학적으로도 더 염기성의 특성을 보여준다.

한편 등립질조직의 포획암은 포이킬리틱한 것에 비해 열린계의 특성을 보이며 액체가 포획 암 내부까지 침입하였거나 이미 결정화된 부분이 마그마 쳄버의 더 뜨거운 부분으로 이동되 어 융식된 특성도 가지고 있다. 반려암질 포획암을 구성하고 있는 사장석의 모드함량이 모 두 40%이상이며 95%에 육박하고 있다. 이는 상대적으로 밀도가 낮은 사장석이 중력에 의 해 가라앉기보다는 마그마쳄버 상부에 위치하고 있었고, 상승하는 마그마에 의해 벽으로부 터 뜯겨져 나와 마그마에 둥둥 떠 있는 채 지표면으로 분출되었다는 것을 의미한다. 또한 반려암질 포획암에서 감람석이 전혀 포함되지 않는 것은 포이킬리틱 조직과 등립질 조직의 암석을 형성하기 이전에 마그마가 이미 분별결정작용을 받았음을 의미한다. 제주도의 신산 리 해안과 산굼부리에 분포하는 반려암질 포획암은 분화과정을 어느정도 거친 마그마가 마 그마쳄버에서 결정화된 생산물이며, 임시적으로 마그마쳄버를 채웠던 마그마 배치(batch)와 관련된 결정화작용-고립화-포획과정의 생산물이다.

참고문헌

Kim, K.H., Nagao, K., Suzuki, K., Tanaka, T., and Park, E.J (2003) Evidences of the presence of old continental basement in Jeju volcanic Island, South Korea, revealed by Radiometric ages and Nd-Sr isotopes of granitic rocks. Geochem. J., 36, 421-441.

Fodor, R.V., Moore, R.B.,. (1994) Petrology of gabbroic xenoliths in 1960 Kilauea basalt:

crystalline remnants of prior (1955) magmatism. Bull Volcanol, 56, 62-74.

Peter, M.S., Thor, H.H., (2000) Pleistocene underplating and metasomatism of the lower continental crust: a xenolith study. J Petrology, 41, 331-356.