Mantle-derived CO₂-fluid Inclusions in Peridotite Xenoliths from the Alkali Basalt, Jeju Island, South Korea

제주도 현무암에 포획된 페리도타이트에 산출되는 맨틀 기원의 CO

₂

서민영·우용훈·박근영·김은주·임현수·양경희*

부산대학교 지질환경과학과

Mantle-derived CO ₂ -fluid Inclusions in Peridotite Xenoliths from the Alkali Basalt, Jeju Island, South Korea

Minyoung Seo, Yonghoon Woo, Geunyeong Park, Eunju Kim, Hyoun Soo Lim, and Kyounghee Yang*

Dept. of Geological Sciences, Pusan National University, Busan 46241, Korea

요 약: 제주도 현무암에 산출되는 첨정석 페리도타이트 포획암에 CO

- 유체포유물이 포획되어 있다. 이 CO

- 유체포유물들은 규칙적인 결정면으로 둘러싸여 있으며 세립의 네오블라스트 결정에는 일차포유물로, 조립의 반상쇄성에는 이차포유물로 산출된다. 냉각/가열 실험에서 CO

- 유체포유물의 삼중점은 -57.1

C(±0.9

C) 로서 대 체로 균질하다. 이는 이 CO

-유체포유물들이 거의 순수하게 CO

로 이루어져 있음을 의미한다. 그러나 균질 화 온도는 -39

C( ρ=1.12 g/cm

) 에서 23

C( ρ=0.82 g/cm

) 로 넓은 범위에 걸쳐 나타나며, 이는 많은 유체포유물 이 포획된 이후 재평형 되어졌음을 반영한다. 일차/이차포유물과 균질화온도 사이에 체계적인 차이는 없다. 가 장 낮은 균질화온도(즉, 가장 높은 밀도)를 보이는 유체포유물에서 계산된 포획 압력은 ≈0.9 GPa이다. 제주 페리도타이트와 CO

-유체포유물의 조직적 특성과 낮은 균질화 온도는 CO

-유체가 맨틀기원의 유체로서 상부 맨틀암석권에서 페리도타이트의 재결정화 작용 동안 존재하던 유체로 해석된다. CO

- 유체의 포획은 제주 페 리도타이트의 진화과정에서 후기의 사건이며, 상부맨틀 암석권의 상부(천부)에서 일어났음을 지시하고 있다.

핵심어: 제주도, 첨정석 페리도타이트 포획암, CO

- 유체포유물, 상부맨틀암석권유체, 재평형

Abstract: Negative crystal shaped CO

-rich fluid inclusions, trapped as primary inclusions in neoblasts and as secondary inclusions in porphyroblasts, were studied in spinel peridotite xenoliths from Jeju Island.

Based on microthermometric experiments, the solid phase melts at -57.1

C(±0.9

C) with no other observable melting events, indicating that the trapped fluid is mostly CO

. The homogenization temperatures show a much wider range from -39

C( ρ=1.12 g/cm

) to 23

C( ρ=0.82 g/cm

), suggesting that most of the inclusions (originally trapped at mantle conditions) re-equilibrated to lower density values.

Nevertheless, the highest density CO

in our fluid inclusions is consistent with entrapment of fluids at upper mantle pressures (and depths). The calculated trapping pressure from CO

-rich fluid inclusions that appear to be free from re-equilibrium, e.g., showing the lowest homogenization temperatures, is ≈0.9 GPa.

Based on the petrographic evidences, the fluid entrapment can be regarded as a late stage event in the evolution of the shallow lithospheric mantle.

Keywords: Jeju Island, pinel peridotite xenoliths, CO

-rich fluid inclusions, shallows lithospheric mantle fluid, re-equilibration

*Corresponding author

Tel: +82-51-510-2247

E-mail: [email protected]

서 언

유체포유물은 지질학적 진화과정 동안 어느 특정한 시점에서 암석과 상호작용을 했던 실질적인 유체 (fluid)가 포획된 것으로 유체와 모결정의 P-T-X 진화 사에 대한 정보를 제공한다(Roedder, 1984). 페리도타 이트 포획암에 대한 유체포유물 연구는 상부맨틀 암 석권에는 CO₂가 가장 우세한 유체이며, 그 이외에 H₂O, H₂S, CO, SO₂, N₂ 등의 다양한 성분이 존재 한다는 것을 밝혀내고 있다(Frezzottiet et al., 1991;

Szabó and Bodnar, 1996; Metrich et al., 1999;

Viti and Frezzotti, 2000; Frezzotti and Peccerillo, 2007; Hidas et al., 2010; Berkesi et al., 2012).

이 연구들은 상부맨틀 암석권에서의 CO₂는 교대작용 을 주도하는 맨틀유체로서 혹은 지질학적 진화과정에 서 암석과 상호작용에 의해 생산된 유체의 일부분으 로 해석되고 있다.

한반도를 포함한 주변 동북아시아 지역에는 지구 내부의 물질이 지구표면으로 배출되는 판내부 발산환 경(백두산, 제주도 백령도 등)과 지표면 물질이 지구 내부로 유입되는 지판충돌 섭입대(동일본지진대), 그 리고 지구조과정과 관련되어 형성된 배호분지(동해) 가 함께 분포하고 있다(Fig. 1). 이러한 지질학적 모 습은 암석권의 생성과 소멸이 동시에 일어나고 있으 며, 지구의 물질 순환이 가장 활발한 지역임을 나타 낸다. 이곳의 물질 순환은 현재 진행 중이며 2011년 동일본 지진발생, 캄차카 반도의 활화산과 2015년 일 본 구치노에라부섬의 폭발적인 화산분화, 백두산의 대 규모 마그마 분화/폭발의 징후 등으로 표현되고 있다.

이러한 사건들은 현재 한반도 아래 상부맨틀 암석권 은 진화하고 있으며, 지구 암석권의 진화연구에 최적 의 실험실로 제공 되고 있다.

제주도를 포함하는 한반도 알칼리현무암 내 포획되 어 노출된 페리도타이트에 대한 암석학적/지화학적 연 구들은 한반도 상부맨틀 암석권도 세계 다른 곳과 유 사한 부분용융과 교대작용의 진화사를 경험했다는 것 을 보고하고 있다(Choi et al., 2002, 2005; Yang et al., 2010; Woo et al., 2014). 최근의 연구에서는 한반도 상부맨틀 암석권에서의 교대작용을 야기한 대 행자는 섭입슬랩에서 유래된 유체이거나 멜트(melt)라 고 보고하고 있다(Woo et al., 2014). 그러나 유체에 대한 실질적인 연구는 수행된 적이 없다. 제주도 맨 틀포획암의 구성광물인 감람석, 사방휘석, 단사휘석에

는 일차 CO₂-유체포유물이 하나의 독립된 상으로 산 출되고 있다. 본 연구의 목적은 제주도 페리도타이트 포획암에 산출되는 CO₂-유체포유물의 조직적 특성과 성분조성을 파악하여 CO₂ 유체의 기원과 역할, 압력- 온도 진화사를 규명하는데 있다.

지질배경

제주도(75×35 km)는 지구조적으로 유라시아판 동쪽 끝에 위치하고 있으며, 제주도의 동쪽에는 일본남서 부 아크(SW Japan Arc), 남동쪽에는 오키나와 트러프 (trough)가 발달하고 있다(Fig. 1). 일본남서부 아크는 이자나기판이 유라시아판 아래로 섭입을 시작하였던 트라이아스기 이전부터 형성된 것으로 알려져 있다

Fig. 1. Generalized geological map of Jeju Island. (a)

Photo map containing the present-day geodynamic

setting along the eastern margin of the Eurasian Plate

(after Tatsumi et al., 2005). (b) The geological framework

showing the stratigraphic relationships of volcanic

rocks (modified after Lee, 1982) and the sample

location of this study.

(Sager et al., 1988; Chough et al., 2000; Steinberger and Gaina, 2007). 현재는 태평양판(해양판)이 쿠릴- 캄챠카, 일본, 이주-보닌, 마리아나 해구를 따라 북서 방향으로 유라시아판(대륙판)과 필리핀판(해양판) 아 래로 섭입하고 있다(Sager et al., 1988; Chough et al., 2000). 신생대 배호분지가 만들어지기 시작하기 이전(27-15 Ma)의 제주도는 한반도와 동일한 지구조 적 환경에 놓여 있었으며, 백악기말-제3기초에 한반 도 남부지역과 동일하게 칼크-알칼리 마그마활동을 경 험하였다(Miyazawa, 1985; Otofuji et al., 1985; Lee et al., 1987; Sibuet et al., 1987; Chough et al., 2000; Kim et al., 2003). 이러한 칼크-알칼리 마그 마활동을 나타내는 노두는 제주도 지표에 노출되어 있지 않지만, 전남 및 경남 남해안 지역에 분포하는 중생대 화강암류 및 응회암류와 유사한 조직적, 지화 학적 특성을 가진 암석이 제주도 시추코어로 확인되 고 있으며, 현무암에 포획암편으로도 산출된다.

제주도를 형성하는 화산암은 지난 1.8 Ma부터 0.025 Ma의 시간동안 판내부 기원의 마그마가 대륙암 석권 위에 분출되어진 알칼린 계열의 화산활동으로 분류된다(Lee, 1982; Park et al., 1999; Yun et al., 2002; Tatsumi et al., 2005; Koh et al., 2013). 이 화산암은 현무암에서 조면암류의 조성을 갖는 알칼리 암류와 소량의 쏠레아이트 현무암류의 비알칼리암류 로 구성되어 있다. 페리도타이트를 포획하고 있는 모 현무암은 비교적 젊은(0.7-0.3 Ma) 암석에 속하며, 성 분도 상대적으로 원시적인 편이다(Heo et al., 2012).

이 모현무암은 페리도타이트 뿐만 아니라 다양한 성 분의 반려암질 암석과 하부지각 기원으로 여겨지는 암석과 거정질의 결정도 포획하고 있다(e.g., Yang et al., 2012a, 2012b).

페리도타이트 포획암

제주도 페리도타이트 포획암은 크롬(Cr)-단사휘석을 갖는 암석으로 Frey and Prinz(1978)의 Group I (Cr-diopside) 계열에 속하며, 포획암 모두 첨정석 (spinel)을 가진다. 노두에서 암편의 크기는 직경 1- 10 cm으로 레졸라이트(lherzolite) 성분이 가장 우세하 다. 이보다 적은 양으로 하즈버가이트(harzburgite)와 휘석암(pyroxenite)이 노두에서 관찰된다(Choi et al., 2002, 2005; Kil et al., 2008; Yang et al., 2010;

Woo et al., 2014). 구성광물 입자크기와 조직에 따

라 분류하면 조립질의 프로토그래뉼라(protogranular) 가 가장 우세하며, 쌍봉입자분포를 가지는 반상쇄성 (porphyroclastic), 그리고 세립질이며 약한 엽리를 보 이는 포획암편이 소량 산출된다(Yang et al., 2010;

Yu et al., 2012; Woo et al., 2014).

조립질 입자(직경 3-7 mm)인 반상쇄성에는 아입자 (subgrain)와 굽어진 용리엽리가 발달하고 있으며, 파 동소광, 입자경계가 이동하여 형성된 남겨진(left-over) 감람석입자, 감람석과 사방휘석 내부에 포획되어진 50-60μm 크기의 둥근 첨정석입자, 동일한 광물조성 을 가지면서 결정 중심 둘레에 작은 입자들의 집합체 로 둘러싸인 맨틀-핵(mantle-core)과 같은 변형 조직 이 발달하고 있다(Yang et al., 2010; Woo et al., 2014). 반면에 세립질 입자(neoblasts)들은 변형작용을 나타내는 조직으로부터 자유롭다. 구성광물 입자들 사 이의 경계는 불규칙한 것에서 약간 커브형, 직선형이 며, 삼중점을 보이는 어닐링(annealing) 특징을 보이 기도 한다(Choi et al., 2002; Yang et al., 2010).

어닐링은 온도가 비교적 높은 맨틀환경에서는 변형작 용이 끝나고 난후에, 맨틀플럼과 같은 뜨거운 연약권 물질이 유입되거나 맨틀포획암을 운반한 모마그마에 의해서 유도되어질 수도 있다(Mercier and Nicolas, 1975; Vauchez and Garrido, 2001, Xu et al., 2003).

이러한 조직적 특성은 제주도 페리도타이트 포획암이 동력±정적 재결정작용(dynamic±static recrystallization) 을 경험한 암석임을 지시하고 있다(Passchier and Trouw, 1996; Yang et al., 2010). 그러나 그 변형의 정도는 약한 편이고 비교적 부분적으로 변형작용이 일어났다.

광역적 관점에서 보면, 제주도 페리도타이트 포획 암의 조직적/지화학적 특성은 세계 다른 곳의 상부맨 틀 암석권의 모습과 대체로 유사하다. 제주도 페리도 타이트 포획암의 주성분, 미량원소성분 조성은 비교 적 균질하며, 높은 Cr과 Mg 성분과 결핍된 현무암질 성분(Al, Ti)은 분별부분용융 이후에 남아있는 잔류물 특성을 나타낸다(Choi et al., 2002, 2005; Kil et al., 2008; Yang et al., 2010; Woo et al., 2014).

이는 제주도가 만들어지기 이전에 이 암석권에서 많 은 마그마가 지표로 배출하였음을 의미한다. 반면에 맨틀에서 대부분의 미량원소를 가지고 있는 단사휘석 은 경희토류원소(LREE)와 불호정성 원소에 부화되어 있어 제주도 상부맨틀 암석권은 부분용융 이 후에 다 시 물질이 유입되어 교대작용을 받았다. 또한 고장력

원소(HFSE: High field strength elements)인 Nb- Ta, Zr-Hf이 결핍되어 있어 이 원소들을 주로 가지고 있는 금운모나 각섬석류와 같은 광물이 상부맨틀 암 석권에 존재하고 있음을 나타낸다. 더욱이 제주도 페 리도타이트 포획암에는 감람석을 치환하고 있는 이차 사방휘석이 산출되고 있다(Woo et al., 2014). 이차 사방휘석은 SiO₂ 성분이 상부맨틀 암석권에 유입되어 실리카부화작용이 일어났음을 지시한다. 이러한 연구 는 제주도 상부맨틀 암석권이 적어도 두 단계의 진화 과정, 즉 부분용융과 부화작용을 경험하면서 역동적 이고 다양하게 진화하고 있음을 나타내고 있다.

연구방법

제주도 동남부 신산리 해안가에서 현무암에 포획되 어 노출된 30개 이상의 페리도타이트 암편이 수집되 었다. 이 중에 현미경관찰과 지화학적 분석이 잘 이 루어진 시료를 선택하여 양면 연마편이 만들어졌다.

이들 양면 연마편 중에 CO₂-유체포유물의 산출양식 이 비교적 뚜렷하게 관찰되는 시료 6개가 선택되었다 (Table 1). 유체포유물 관찰을 위한 양면연마편 제작 은 전통적인 EPMA용 연마를 수행하고 그 이후 이 보다 2단계 더 높은 연마를 진행하였다. 이를 위해 0.05 µm 크기의 γ Al₂O₃와 실리카 콜로이드 연마제가 사용되었다. 제작된 6개의 연마편에 대해 감람석, 사

방휘석, 단사휘석에 산출되는 CO₂-유체유물의 조직적 특성파악을 위해 현미경 관찰을 수행하였으며 성분조 성을 파악하기 위해 가열/냉각(heating and cooling) 실험이 실시되었다.

CO₂-유체유물에 대한 가열/냉각 실험은 부산대학교 지질환경과학과의 Linkam THMSG600 가열/냉각대를 이용하였으며, 가열/냉각대는 표준 인공유체포유물 (synthetic fluid inclusions standard)로 보정되었다.

사용된 표준시료는 CO₂-H₂O (T_m=-56.8±0.1^oC; T_m^cla

=+9.9±0.1^oC), H₂O-NaCl (T_e=-21.2±0.1^oC), H₂O (T_m= 0.01±0.1^oC;T_h=374.1±0.1^oC)로서 가열/냉각대는 저온 에서는 약 ±0.2^oC, 고온에서는 ±0.5^oC의 정확도와 재 현성을 가진다. CO₂-유체포유물 가열/냉각 실험동안 관찰한 온도는 유체포유물이 상온에서 냉각할 시 유 체포유물이 완전히 어는 온도(eutectic temperature, T_e)와 액체와 기포가 균질화되는 온도(homogenization temperature, Th)이다. 선택된 모든 유체포유물은 -120^oC 이하로 냉각하여 유체포유물 전체를 완전히 고체로 만들고 난 후에 서서히 가열하면서 상변화 온 도를 측정하였다. 이러한 방법은 상온에서 서서히 냉 각하면서 상변화를 관찰하는 것보다 더 효율적으로 정확한 상변화온도를 측정할 수 있다. 가열속도는 처 음에는 30^oC/분으로, 약 -65^oC에서 부터는 5^oC/분으 로 낮추어 상변화를 관찰하였다.

Table 1. Modal composition, lithology, calculated pressure and equilibrium temperature conditions for the studied

Xenolith 07SS10 09SS26 11SS7 SS132 06SS1 SS1

Modal % Olivine 57 74 51 79 80 55

　 Orthopyroxene 37 15 28 19 17 30

　 Clinopyroxene 5 8 16 1 1 9

　 Spinel 1 3 5 1 2 6

Rock name

Lherz Lherz Lherz harz harz Lherz

Texture

C C P C C M

Mg#

Olivine 89 89 89 91 92 89

　 Orthopyroxene 91 90 89 91 92 90

　 Clinopyroxene 91 90 90 92 92 90

Cr#

Spinel 22 11 9 52 16 12

ET(°C)

B&K

1019 954 913 943 989 922

　 B&K

967 972 946 1002 963 938

a

Rock name: harz=harzburgite; lherz=lherzolite.

b

Texture: C=coarse-grained or protogranular; P=porphyroclastic; M=mylonitic.

c

Mg#=100×Mg/(Mg+Fe

) atomic ratio].

Cr#=100×Cr/(Cr+Al) atomic ratio

e

ET=average equilibrium temperature; B&Kcpx-opx and B&KCa-in-opx: at 15 kbars from Brey & Köhler (1990)

st.dev±16

C.

CO₂-유체포유물

유체포유물기재

제주도 페리도타이트 포획암에 포획된 CO₂-유체포 유물은 대부분 직경 2-60 µm의 크기이며, Roedder

(1984)의 분류에 의해 일차(primary), 가이차(pseudo- secondary)와 이차(secondary) 유체포유물로 분류된다.

일차 혹은 가이차 유체포유물은 세립의 감람석 네오 블라스트에서 관찰된다(Fig. 2a, b). 큰 결정인 반상쇄 성에는 유체포유물이 거의 없거나(Fig. 2a) 아니면 이

Fig. 2. Photomicrographs showing the petrographic characteristics of CO

-fluid inclusions from the peridotite xenoliths from Jeju Island. The photos were taken under plain-polarized light except for “f”taken under cross- polarized light. (a-b) Primary CO

-fluid inclusions hosted in olivine neoblast (06SS, a protogranular harzburgite).

Note that olivine porphyroblasts do not contain fluid inclusions in photo “a”. (c) Orthopyroxene porphyroblast hosting secondary fluid inclusion trails. (d) Cluster of primary CO

fluid inclusions hosted in clinopyroxene neoblast (07SS10), showing one phase liquid at room temperature. (e) Olivine neoblast-hosted CO

fluid inclusions along the growth zone, which appear to be partially decrepitated (arrows) containing two phases, a liquid and a vapor, at room temperature (07SS10, a protogranular lherzolite). (f) At least two generations of CO

FI(1) and CO

FI(2), which are cross-cutting each other, hosted in orthopyroxene porphyroclast (11SS7, a porphyroclastic lherzolite).

Abbreviations: FI=fluid inclusions, L=liquid phase V=vapor phase., ol=olivine, opx=orthopyroxene, cpx=clinopyroxene.

차유체포유물로 산출되는 것이 일반적이다(Fig. 2c).

일차포유물은 규칙적인 결정면(negative crystal-shape) 을 보이면서 모결정의 입자경계를 넘어서지 않는 미 파쇄(Fig. 2b)에 포획되었거나, 삼차원적으로 클러스 터(Fig. 2d)를 이루거나, 모결정의 성장대(Fig. 2f)를 따라서 포획되어 있다. 일차 CO₂-유체포유물은 상온 에서는 대체로 액체(liquid)만으로 이루어진 것이 일 반적이지만(Fig. 2b, d), 깨어져(decrepitated) 재평형 을 이룬 포유물들은 기포와 액체의 두 개의 상으로 산출되기도 한다(Fig. 2e). 깨어진 CO₂-유체포유물은 포획된 후에 상부맨틀에서 지표면까지 상승하는 동안 에 포유물 내부에 형성된 높은 압력에 의해 깨어진 것으로 여겨진다. 깨어짐을 나타내는 조직은 유체포 유물이 꼬리같은 미파쇄대 모습을 보이거나(Fig. 2e), 깨어진 후광(haloes)이 유체포유물 주변을 둘러싸고 있다(Fig. 2f). 일차-이차 포유물이 서로 같은 공간에 겹치면서 포획된 것도 흔하게 산출된다(Fig. 2f).

유체포유물 냉각/가열실험

현미경 관찰시 분명하게 깨어진 조직을 보이는 유 체포유물은 냉각/가열 실험 대상에서 배제되었다. Fig.

3은 유체포유물 하나를 예로 들어 온도에 따르는 상 변화를 사진으로 나타내고 있으며, 좀 더 뚜렷한 상 변화를 표현하기 위해 오른쪽에 만화로 그려져 있다.

Fig. 4에는 이 유체포유물의 상변화 궤도를 온도-압력 상다이아그램에 모식적으로 도시하고 있다. Fig. 3에 서 “a”라고 표시된 사진은 Fig. 4에서도 역시 “a”로 표시되고 있다.

상온(25^oC)에서 하나의 액체상(liquid phase)으로 이

Fig. 3. Series of photomicrographs depicting the phase behaviors of an example CO

-fluid inclusion (30 µm in diameter) during heating from low temperature.

This inclusion was cooled to -120

C and then gradually heated. See the text for a more detailed description.

S=solid phase, L=liquid, V=vapor.

Fig. 4. Schematic, distorted P-T projection diagram for the system CO

showing the heating trajectory of the

example inclusion from Fig. 3. The dashed lines with numbers (1.12 and 0.82) correspond to the isochores of the

CO

labeled in g/cm

. See the text for a more detailed description.

Ta bl e 2. M ic ro ther mom etr y of C O

in cl us io ns examin ed in per idot ite xenol iths fr om Je ju Is lan d . Sa m p le Te

(

C) Th

(

C) Ho st mi n er al

Oc cur - an ce

T ext ure 　 Sa m p le Te

(

C) Th

(

C) Ho st mi n er al

Oc cu r- an ce

T ext ure S am p le Te

(

C) Th

(

C) Ho st mi n er al

Oc cu r- an ce

T extur e 　 06 S S 1 -56. 5 - 23.2 Ol PS Fine 　 11 S S 7 -56. 7 - 32.0 Ol P F ine 09SS 2 6 -56. 5 -4 .2 Ol P F ine 　 -56. 5 - 23.6 Ol PS Fine 　　 -56. 6 - 33.4 Ol P F ine 　 -56. 2 - 4 .3 Ol P F ine 　 -56. 5 - 24.1 Ol PS Fine 　　 -56. 8 - 33.1 Ol P F ine 　 -57. 0 - 5 .0 Ol P F ine 　 -56. 4 - 14.2 Ol PS Fine 　　 -56. 5 - 34.1 Ol P F ine 　 -56. 8 - 25.9 Ol P F ine 　 -56. 4 - 12.1 Ol PS Fine 　　 -56. 6 - 36.4 Ol P F ine 　 -56. 5 - 19.2 Ol P F ine 　 -56. 4 - 12.4 Ol PS Fine 　 07SS10 -56. 8 - 22.5 Ol S C oar se 　 -56. 3 - 23.4 Ol PS F ine 　 -56. 4 - 14.6 Ol PS Fine 　　 -56. 7 - 20.7 Ol S C oar se 　 -56. 3 - 24.1 Ol PS F ine 　 -56. 7 - 15.7 Ol PS Fine 　　 -56. 8 - 16.0 Ol S C oar se 　 -56. 3 - 24.0 Ol PS F ine 　 -56. 3 - 4 .4 Ol S C oar se 　　 -57. 0 - 19.0 Ol S C oar se 　 -56. 9 - 1 .2 Ol S F ine 　 -56. 7 - 16.1 Ol S C oar se 　　 -56. 6 - 27.0 Ol S C oar se 　 -56. 9 - 1 .4 Ol S F ine 　 -57. 0 - 3 .8 Ol S C oar se 　　 -57. 0 - 25.5 Ol S C oar se 　 -57. 0 0. 0 Ol S F ine 　 -56. 8 - 2 .1 Ol S C oar se 　　 -57. 0 - 28.7 Ol S C oar se 　 -56. 8 0. 9 Ol S F ine 　 -56. 6 - 7 .2 Ol S C oar se 　　 -57. 2 - 28.7 Ol S C oar se S S 1 -56. 9 4. 7 Opx S F ine 　 -56. 5 - 6 .4 Ol S C oar se 　　 -56. 4 - 39.0 Ol S C oar se 　 -57. 0 3. 6 Opx S F ine 　 -56. 7 - 6 .3 Ol S C oar se 　　 -57. 1 - 10.0 Ol S C oar se 　 -56. 7 3. 8 Opx S F ine 　 -56. 7 - 14.2 Ol P F ine 　　 -57. 5 - 20.7 Ol S C oar se 　 -56. 8 5. 4 Opx S F ine 　 -56. 9 - 13.7 Ol P F ine 　　 -57. 0 - 10.2 Ol S C oar se 　 -56. 4 - 35.7 Opx P S F ine 　 -57. 0 - 13.4 Ol P F ine 　　 -57. 1 - 30.4 Ol S F ine 　 -57. 0 - 34.9 Opx P S F ine 　 -56. 4 - 14.5 Ol PS Fine 　　 -57. 1 - 30.4 Ol S F ine 　 -56. 3 - 35.1 Opx P S F ine 　 -56. 7 - 13.7 Ol PS Fine 　　 -57. 1 - 32.2 Ol S F ine 　 -56. 6 - 13.0 Ol P F ine 　 -56. 6 - 16.0 Ol PS Fine 　　 -57. 1 - 31.6 Ol S F ine 　 -57. 0 - 10.0 Ol P C oar se 　 -56. 5 - 15.8 Ol PS Fine 　　 -56. 8 - 20.5 Ol S F ine 　 -57. 0 - 12.0 Ol S C oar se 　 -57. 0 7. 5 Ol S F ine 　　 -56. 6 20.0 Ol S F ine 　 -56. 6 - 10.0 Ol S C oar se 　 -57. 0 7. 9 Ol S F ine 　　 -56. 6 19.0 Ol S F ine 　 -57. 0 -1 1. 0 Ol S C oar se 　 -56. 8 - 9 .6 Opx S Coar se 　　 -56. 6 - 25.5 Ol P F ine 　 -57. 0 -1 1. 5 Ol S C oar se 　 -56. 5 - 7 .6 Opx S Coar se 　　 -56. 6 - 31.4 Ol P F ine 　 -56. 6 - 10.9 Ol S C oar se 　 -56. 2 - 2 .4 Opx S Coar se 　　 -56. 6 - 27.0 Ol P F ine 　 -56. 6 - 12.0 Ol S C oar se 　 -57. 0 - 22.4 Opx P Coar se 　　 -57. 2 - 7 .4 Ol P F ine 　 -57. 5 - 13.0 Ol S C oar se 　 -56. 8 - 17.2 Opx P Coar se 　　 -56. 6 - 25.1 Ol P F ine S S 132 -56. 7 -10.9 Ol P F ine 　 -56. 5 - 7 .2 Opx S Fine 　　 -56. 6 - 20.7 Ol P F ine 　 -57. 1 -1 1. 7 Ol P F ine 　 -56. 2 - 2 .3 Opx S Fine 　　 -56. 6 - 26.6 Opx P C o ar se 　 -56. 9 - 13.0 Ol P F ine 　 -56. 3 - 12.4 Opx S Fine 　　 -56. 6 - 26.6 Opx P C o ar se 　 -56. 6 - 18.8 Ol P F ine 　 -56. 4 - 9 .3 Opx S Fine 　　 -56. 6 - 25.7 Opx P C o ar se 　 -56. 7 23.0 Ol S F ine 　 -56. 2 - 2 .1 Opx S Fine 　　 -56. 6 - 21.0 C p x S F ine 　 -57. 9 - 27.0 Ol S C oar se 　 -57. 0 - 18.2 Cpx P S F ine 　　 -56. 6 - 22.0 C p x S F ine 　 -58. 0 - 13.7 Ol S C oar se 　 -57. 0 - 17.4 Cpx P S F ine 　　 -57. 0 - 23.0 C p x S F ine 　 -57. 9 - 13.0 Ol S C oar se 　 -56. 2 - 4 .2 Cpx P S F ine 　　 -56. 6 - 20.0 C p x S F ine 　 -58. 0 - 12.2 Ol S C oar se 　 -56. 9 - 24.6 Cpx P S F ine 　　 -57. 5 - 24.0 C p x S F ine 　 -57. 9 - 15.4 Ol S C oar se 　 -57. 0 - 23.9 Cpx P S F ine 　　 -57. 0 - 19.0 C p x S F ine 　 -57. 9 - 19.5 Ol P F ine 　 -56. 7 - 19.8 Cpx P S F ine 　　 -56. 6 - 18.0 C p x S F ine 　 -58. 0 - 19.1 Ol P F ine 11 SS 7 -56. 7 - 27.6 Ol PS Fine 　　 -56. 6 - 20.0 C p x S F ine 　 -58. 0 - 14.3 Ol P F ine 　 -56. 6 - 27.3 Ol PS Fine 　 09SS26 -57. 0 - 3 .6 Ol P F ine 　 -58. 0 - 12.4 Ol P F ine 　 -56. 5 - 24.2 Ol PS Fine 　　 -56. 9 - 3 .8 Ol P F ine 　 -57. 9 - 19.3 Ol P F ine (1 ) T e= eute ct ic t em p er at ur e. (2) T h = hom ogeniz at ion te m p er at ure . (3 ) O l= oli v ine ; Opx= or thopy roxene ; Cpx= c linopy roxene . (4 ) P = pr im ar y ; S = sec ondar y ; PS = pse udosec ondar y.

루어진 CO₂-유체포유물을 -120^oC까지 빠르게 냉각시 키면 고체 CO₂와 기포가 형성되어진다(“a”in Figs. 3 and 4). -120^oC에서 완전히 얼어붙은 CO₂-유체포유물 을 서서히 가열하면 -56.6^oC까지 거의 상변화가 일어 나지 않는다. 유체포유물은 여전히 고체+기포로 되어 있어 “a-b" 커브에 여전히 놓여있게 된다. 유체포유물 이 -56.6^oC에 도착하면 이온도는 CO₂의 삼중점(Te)이 기 때문에 이론적으로 “고체+액체+기체”가 공존하는 온도이기는 하지만 이를 관찰하기는 매우 어렵거나 거의 불가능하다. 대신에 -56.6^oC에서 “고체+기포 → 액체+기포”로 변하는 상변화를 관찰하게 된다. 이때 순식간에 상변화가 일어나게 되어 -56.6^oC에서 유체포 유물이 출렁거리는 것을 관찰하게 된다(“b” in Figs.

3 and 4). 이 움직임은 고체 CO₂가 액체로 전환되고 고체가 순간적으로 사라지는 것을 나타내고 있다. 제 주도 맨틀포획암내의 CO₂-유체포유물 경우, 이러한 상변화(S+V → L+V)는 -57.1^oC(±0.9^oC)에서 일어났다 (Table 2, Fig. 5). 이 온도범위는 CO₂ 삼중점인 -56.6^oC에서 약간의 오차를 보이고 있지만 CO₂-유체 포유물이 다른 휘발성 성분이 거의 없는 순수한 CO₂ 성분으로 이루어져 있음을 나타낸다.

이제 액체와 기포로 이루어진 유체포유물을 계속 가열하면 유체포유물의 기포는 점점 작아지지만, 유 체포유물은 여전히 “액체+기포”가 공존하는 온도-압 력 커브에 놓여있다(“c” in Figs. 3 and 4). 그 이후 유체포유물을 계속 가열하면 -14^oC에서 기포가 사라 지는 상변화가 일어나고 유체포유물은 균질화된다(“d”

in Figs. 3 and 4). 이후 유체포유물은 “액체+기포”가 공존하는 온도-압력 커브를 벗어나 액체로만 이루어 진 영역으로 들어가게 된다. 하나의 상인 액체로만 이루어진 포유물은 그 이후 상변화를 보이지 않으며 상온인 25^oC에 이르게 된다(Fig. 4d'). 이때 이 유체 포유물은 d-d'로 이어지는 특정한 밀도를 가지는 아 이스코어(isochore: 등밀도선)를 따라 움직이며, 그 결 과 내부 압력은 높아지게 된다. 균질화 된 이 후에 과하게 온도를 높이면 유체포유물은 내부에 형성된 압력 때문에 깨어져 버리는 경향이 있다. 모결정이 석영인 경우는 대체로 높은 내부 압력을 견디지만 감 람석, 사방휘석, 단사휘석의 경우 실험 시 주의를 기 울려 모니터링 해야 한다.

제주도 맨틀포획암내의 CO₂-유체포유물의 균질화 온도, 즉 기포가 사라지는(L+V → L)온도는 -39^oC (“I” in Fig. 4)에서 23^oC(“II” in Fig. 4)로 나타나 며 연속적으로 넓은 범위를 보인다(shaded area in Fig. 4; Fig. 6). 이러한 온도범위는 CO₂-유체포유물 의 밀도가 다양하다는 것을 의미하며, -39^oC의 경우 ρ=1.12 g/cm³, 23^oC는 ρ=0.82 g/cm³이다. 맨틀에서의 CO₂의 밀도는 대체로 1 g/cm³보다 높기 때문에 이보 다 낮은 밀도(즉 높은 균질화 온도)를 보이는 유체포 유물들은 재평형(re-equilibration)되었음을 의미한다 (Roedder, 1984; Frezzotti and Peccerillo, 2007;

Hidas et al., 2010; Berkesi et al., 2012). 현미경 관찰시 재평형되지 않은 유체포유물로 여기고 냉각/

가열 실험이 수행되었지만 CO₂-유체포유물의 대부분 은 재평형되었음을 알 수 있다. 현미경관찰로는 보이 지 않는 미파쇄부분을 통해 CO₂의 확산이 일어나 저 밀도로 유체포유물의 성분이 재평형될 수 있다(Viti

Fig. 5. Histogram showing the distribution of solid CO

melting temperatures.

Fig. 6. Histogram showing total homogenization temperatures. P=primary, PS=pseudosecondary, S=

secondary.

and Frezzotti, 2000). 대체로 유체포유물 크기가 큰 것일수록 재평형되어 균질화 온도가 높고, 작을수록 균질화 온도가 낮은 경향을 보인다(Hidas et al., 2010). 이는 작은 포유물일수록 원래의 성분을 잘 보 유하고 있지만 크기가 작은 탓에 가열/냉각 실험시 정확한 상변화 관찰이 쉽지 않거나 거의 불가능한 경 우가 많다.

토 의

페리도타이트에 CO₂-유체가 우세하게 관찰되는 것 은 전 세계적으로 일반적인 모습이며, 제주도 페리도 타이트 포획암에도 CO₂-유체포유물이 우세하게 산출 된다. 연구된 CO₂-유체포유물의 대부분은 규칙적인 결정면으로 만들어져 있다(Fig. 2). 이 유체포유물들 이 타형의 불규칙한 형태가 아닌 규칙적인 결정면을 보인다는 것은 모결정(즉, 감람석, 단사휘석, 사방휘석) 과 포획된 유체사이에 조직적(textural) 평형이 이루어 졌으며 유체포유물이 성숙되었음을 의미한다(Viti and Frezzotti, 2000). 규칙적인 결정면을 가지는 유체포유 물로 성숙되는 시간은 비교적 느리게 진행되며, 페리 도타이트를 포획한 모현무암이 지표면으로 올라오는 시간보다 훨씬 더 오래 걸리는 것으로 알려져 있다 (Szabó and Bodnar, 1996; Bodnar et al., 1989;

Dégi et al., 2009). 또한 모현무암이 상승하는 동안 일어나는 압력변화(즉, 압력감소)는 유체포유물의 내 부와 외부 사이의 압력 차이를 크게 만들어, 압력이 변화하는 과정 중에 규칙적인 결정면을 가지는 유체 포유물로 성숙되는 과정을 방해한다(Bodnar et al., 1989; Dégi et al., 2009). 이러한 이유로 제주도 페 리도타이트는 상부맨틀 암석권에서 CO₂-유체를 먼저 포획하고, 그 이후 상승하는 알칼리현무암에 포획되 어 지표면으로 상승했다는 해석을 가능케 한다. 또한 CO₂-유체포유물 중에 높은 밀도(>1 g/cm³)를 가진 유 체포유물들은 상당히 높은 온도-압력 환경인 맨틀암 석권에 존재하던 유체임을 증거하고 있다.

제주도 페리도타이트 포획암의 조직적 특성은 비교 적 약한 편압에서 부분적으로 동력±정적재결정작용을 경험한 암석임을 지시하고 있다. 재결정작용동안 조 립질인 반상쇄성에는 다양한 변형조직이 형성되었으 며, 비교적 균질한, 변형의 흔적이 없는 세립의 네오 블라스트 결정이 새로 형성되어졌다(Passchier and Trouw, 1996; Yang et al., 2010). 연구된 CO2-유체

포유물은 네오블라스트에는 일차로 포획되고 조립질 의 반상쇄성에는 이차로 포획되어 있다(Fig. 2). 이러 한 산출 특성은 그 당시 존재하던 CO₂-유체가 재결 정작용 동안 형성된 네오블라스트에 일차포유물로, 그 렇치 않은 반상쇄성에는 미파쇄가 만들어지고 여기에 는 이차포유물로 포획되어졌음을 나타낸다. 이러한 해 석은 조직적으로 분류된 일차, 가이차, 이차유체포유 물들과 균질화온도 사이에 차이가 없이 거의 동일한 성분의 유체로 되어 있는 것과 일관성이 있다(Fig.

6). 연구된 CO₂-유체포유물은 제주 상부맨틀 암석권 에서 페리도타이트가 재결정작용동안 페리도타이트와 반응한 유체로 해석되어진다. 국외의 다른 곳에서도 이와 유사한 연구들이 다수 보고되고 있다(Roedder, 1984; Szabó and Bodnar, 1996; Frezzotti and Peccerillo, 2007).

이러한 연구결과를 종합하면 제주 페리도타이트에 포획된 CO₂-유체는 맨틀에서 활동하던 유체임을 지 시한다. 그러나 본 연구에서는 맨틀에서 기대되는 높 은 밀도를 가진 유체포유물(>1 g/cm³)을 풍부하게 찾 아내는데 성공하지 못한 것 같다. 그럼에도 불구하고 가장 낮은 균질화 온도(-39~-36^oC)를 보이는 몇 개의 유체포유물은 재평형 사건을 겪지 않고 맨틀에서의 모습을 그대로 지니고 있다고 할 수 있다. 세계적으 로 보고된 문헌에서도 이 정도의 낮은 균질화 온도를 보이는 CO₂-유체는 맨틀에서 활동하던 유체로 보고 되고 있다(Hidas et al., 2010; Berkesi et al., 2012 and references therein).

냉각/가열 실험을 통해 나타나는 유체포유물의 상 변화와 균질화 온도는 그 유체의 특정한 밀도와 성분 을 결정한다. 특정한 성분을 가진 유체의 밀도는 온 도-압력 다이아그램에서 독특한 아이스코어를 결정한 다(Roedder, 1984). 본 연구에서는 균질화 온도가 -39~-36^oC(ρ=1.12~1.11 g/cm³)인 유체포유물의 아이스 코어를 중심으로 제주도 페리도타이트와 CO₂-유체포 유물의 온도-압력 환경을 다음과 같이 논한다. Fig. 7 은 페리도타이트와 CO₂-유체포유물의 형성 환경을 나 타내는 온도-압력 다이아그램이다. Fig. 7에서 두꺼운 화살표는 페리도타이트를 포획해서 지표면까지 운반 한 모현무암의 온도-압력 궤도이다. 0.6에서 1.1로 번 호가 붙여진 커브선들은 CO₂의 밀도(g/cm³)를 나타내 는 등밀도선이다. 점선으로 만들어진 초록색 사각형 은 암석권 상부맨틀에서 평형상태를 유지하고 있었던 제주도 페리도타이트의 온도범위를 나타내고 있다. 이

온도 범위는 Brey and Köhler(1990)의 지온계를 사 용하여 계산되어진 것이며 910~1020^oC 범위를 이루 고 있다(Table 1). 이 점선 사각형의 위/아래 경계는 첨정석(Spl)/석류석(Grt)과 사장석(Pl)/첨정석(Spl)의 변 환커브에 의해 정해졌다(O'Reilly and Griffin, 1996).

이러한 배경 속에서 1.12~1.11 g/cm³ 밀도를 가지는 CO₂의 유체가 포획된 압력은 대체로 ~0.9 GPa 정도 로 계산되어진다. Fig. 7에서 별모양으로 표시된 것이 CO₂의 유체가 페리도타이트에 포획된 온도-압력 범위 를 나타내고 있다.

본 연구에서는 CO₂-유체포유물에 대한 냉각/가열 실험만이 수행되어 그 해석에는 제한적이다. 그러나 FIB-SEM(focused ion beam-scanning electron microscopy) 분석을 통해 획득된 CO₂-유체포유물에

대한 많은 정보가 발표되고 있다(Hidas et al., 2010;

Berkesi et al., 2012). 이들 연구에서는 CO₂-유체포 유물의 벽에 얇은 유리질막이 침전되어 있으며 이 유 리질막이 CO₂를 모결정으로부터 분리 고립시켜 원래 의 CO₂유체를 포유물 내에 유지하는 역할을 담당한 다고 한다. 이 유리질막 이외에도 CO₂-유체포유물에 형성된 몇 개의 딸결정들의 성분분석을 통해 원래 맨 틀에 있었던 CO₂-유체는 미량원소와 주성분 원소를 운반할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 맨틀에서 교 대작용을 수행하는 유체로 해석하고 있다.

앞에서 논의되어진 제주 페리도타이트와 CO₂-유체 포유물의 조직적 특성과 조성은 CO₂-유체 포획이 페 리도타이트의 진화과정에서 상대적으로 늦은 사건이 며, 비교적 천처의 상부맨틀 암석권에서 일어났음을 지시하고 있다. 일차포유물이든 이차포유물이든 제주 페리도타이트에 풍부하게 산출되는 CO₂-유체의 존재 는 제주도 하부 상부맨틀의 유동성(rheology)에 중요 한 영향을 주고 있음을 짐작하게 한다. 제주 CO₂-유 체포유물에 대한 좀 더 세밀하고 진전된 분석이 이루 어져 더욱 명확한 CO₂-유체의 역할에 대한 앞으로의 연구가 수행되어야 할 것이다.

결 론

1. 제주도 페리도타이트 포획암에 산출되는 CO₂-유 체포유물들은 규칙적인 결정면으로 둘러싸여 있으며 세립의 네오블라스트 결정에는 일차포유물로, 조립의 반상쇄성에는 이차포유물로 포획되어 있다.

2. CO₂-유체포유물의 균질화 온도는 -39^oC에서 23^oC로 넓은 범위에 걸쳐 나타나며, 이는 많은 유체 포유물이 포획된 이후 재평형 되어졌기 때문이다. 재 평형되지 않은 원래의 상태를 그대로 간직하고 있는 유체포유물은 매우 극소수이며 이로부터 계산된 포획 압력은 ~0.9 GPa이다.

3. 연구된 CO₂-유체포유물은 페리도타이트가 재결 정화 되는 동안 상부맨틀암석권에 존재하던 유체로서 CO₂-유체 포획은 제주 페리도타이트의 진화과정에서 늦은 사건이며, 비교적 천처의 상부맨틀 암석권에서 일어났다.

사 사

세심한 심사를 통해 논문의 수준을 높여주신 길용

Fig. 7. Schematic P-T diagram showing the inferred

formation conditions for the host xenolith and fluid inclusions. The black thick arrow shows an approximate P–T path followed by the upwelling basaltic melt/lava that transported the xenolith to the surface. The solid lines with numbers between 0.6 and 1.1 correspond to the isochores of the CO

labeled in g/cm

. The green dashed rectangle indicates the possible P–T ranges where the mantle rocks might have equilibrated in the lithospheric upper mantle. The star indicates P-T projection where CO

fluid inclusions were originally trapped. The dashed lines showing the spinel (Spl)/garnet (Grt) and the plagioclase (Pl)/spinel (Spl) transition curves are from O'Reilly and Griffin(1996). See the text for a more detailed description. Pl=plagioclase, Spl=spinel, Grt=

garnet.

우 교수님과 익명의 심사자께 깊은 감사를 드립니다.

본 연구는 부산대학교 기본연구지원사업 연구비(2년) 에 의하여 연구되었습니다.

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2016 년 2월 1일 접수

2016년 2월 12일 심사개시

2016 년 3월 5일 채택