335 http://dx.doi.org/10.9719/EEG.2014.47.4.335
한국 포천 광상의 스카른 진화과정 및 철(-동)광화작용
고지수·최선규*·김창성·김종욱·서지은
고려대학교 지구환경과학과Skarn Evolution and Fe-(Cu) Mineralization at the Pocheon Deposit, Korea
Ji-Su Go, Seon-Gyu Choi*, Chang Seong Kim, Jong Wook Kim and Jieun Seo
Dept. of Earth & Environmental Sciences, Korea University, Seoul 136-713, KoreaThe Pocheon skarn deposit, located at the northwestern part of the Precambrian Gyeonggi massif in South Korea, occurs at the contact between the Cretaceous Myeongseongsan granite and the Precambrian carbonate rocks, and is also controlled by N-S-trending shear zone. The skarn distribution and mineralogy reflects both structural and litho- logical controls. Three types of skarn formations based on mineral assemblages in the Pocheon skarn exist; a sodic- calcic skarn and a magnesian skarn mainly developed in the dolostone, and a calcic skarn developed in the lime- stone. Iron mineralization occurs in the sodic-calcic and magnesian skarn zone, locally superimposed by copper mineralization during retrograde skarn stage. The sodic-calcic skarn is composed of acmite, diopside, albite, garnet, magnetite, maghemite, anhydrite, apatite, and sphene. Retrograde alteration consists of tremolite, phlogopite, epi- dote, sericite, gypum, chlorite, quartz, calcite, and sulfides. Magnesian skarn mainly consists of diopside and forster- ite. Pyroxene and olivine are mainly altered to tremolite, with minor phlogopite, talc, and serpentine. The calcic skarn during prograde stage mainly consists of garnet, pyroxene and wollastonite. Retrograde alteration consists of epidote, vesuvianite, amphibole, biotite, magnetite, chlorite, quartz, calcite, and sulfides. Microprobe analyses indi- cate that the majority of the Pocheon skarn minerals are enriched by Na-Mg composition and have high Fe3+/Fe2+, Mg2+/Fe2+, and Al3+/Fe2+ ratios. Clinopyroxene is acmitic and diopsidic composition, whereas garnet is relatively grossular-rich. Amphiboles are largely of tremolite, pargasite, and magnesian hastingsite composition. The prograde anhydrous skarn assemblages formed at about 400°~500°C in a highly oxidized environment (fO2=10-23~10-26) under a condition of about 0.5 kbar pressure and X(CO2)=0.10. With increasing fluid/rock interaction during retro- grade skarn, epidote, amphibole, sulfides and calcite formed as temperature decreased to approximately 250°~400°C at X(CO2)=0.10.
Key words :Pocheon, skarnification, sodic-calcic, magnesian, calcic, ore-forming environment
선캄브리아기 경기육괴의 북서부에 위치한 포천 스카른 광상은 명성산 화강암과 선캄브리아기 변성퇴적암류에 협 재된 탄산염암의 접촉대를 중심으로 산출되며, N-S방향 전단대를 따라 배태되고 있다. 포천 스카른대 분포와 함께 광 물학적 특성은 구조 규제와 암층 규제에 따라 유도되었다. 포천 스카른은 스카른 광물조합에 따라 백운암을 교대한 Na-Ca계열과 Mg계열 스카른 및 석회암을 교대한 Ca계열 스카른으로 구분된다. 철광화작용은 주로 Na-Ca계열 스카 른대를 따라 배태되고 있으며, 후퇴 스카른 단계에 일부 동 광화작용이 중첩된다. Na-Ca계열 스카른은 주로 추휘석, 투휘석, 조장석, 석류석, 자철석, 매그헤마이트, 경석고, 인회석, 스핀의 공생관계를 보이며, 후퇴 스카른에서는 투각섬 석, 금운모, 녹렴석, 견운모, 석고, 녹니석, 석영, 방해석, 황화광물로 구성된다. 한편 Mg계열 스카른은 주로 감람석과 투휘석의 단순한 광물조합을 보이며, 투휘석과 감람석은 투각섬석과 함께 소량 금운모, 사문석, 녹니석으로 교대된다.
반면에 Ca계열 스카른은 전진 스카른 단계에서 주로 단사휘석, 석류석, 규회석이 정출되며, 후퇴 스카른에서 녹렴석,
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*Corresponding author: seongyu@korea.ac.kr
베수비아나이트, 각섬석, 흑운모, 녹니석, 자철석, 석영, 방해석, 황화광물이 수반된다. 전자현미분석 결과에 의하면 포 천 스카른광물은 대부분 Na-Mg 성분이 부화되었으며, 높은 Fe3+/Fe2+비,Mg2+/Fe2+비, Al3+/Fe2+비의조성 특징을 보인다. 즉 단사휘석은 추휘석과 투휘석 조성이 부화되어 있는 반면, 석류석은 상대적으로 그로슐라 조성이 부화된 경 향을 보인다. 또한 각섬석은 투각섬석, 파가사이트, Mg-헤이스팅사이트로 조성변화를 보인다. 한편 전진 스카른 단계 의 주요 광물조합은 약 0.5 kbar와 X(CO2)=0.10 조건에서 400°~500°C 온도와 높은 산화 환경(f O2=10-23~10-26)을 지시하고 있다. 후퇴 스카른 단계에서는 물-암석반응이 증가됨에 따라 녹렴석, 베수비아나이트, 각섬석, 녹니석, 석영, 방해석은 X(CO2)=0.10 조건에서 250°~400°C 온도 범위에서 정출되었다.
주요어 : 포천, 스카른화작용, Na-Ca, Mg, Ca, 생성 환경
1. 서 언
스카른 광상에서는 일반적으로 석회암 또는 백운암 을 교대하여 Ca계열 또는 Mg계열 스카른이 형성되며, 관계화성암의 지화학적 특성과 함께 스카른화작용이 유 도된 생성환경의 차이에 따라 다양한 금속종이 수반되 고 있다(Meinert, 1993). 한편 국내 스카른 철광상은 Ca계열 스카른에 속하는 울산, 거도광산과 Mg계열 스 카른에 속하는 신예미 광산이 있으며, 자철석과 함께 Cu, W, Mo, Zn, Pb, Au, Ag와 같은 금속이 부산물 로 수반되고 있다. 이러한 스카른 철광상에서는 주변 모암의 다양한 지화학적 특성 그리고 생성환경의 차이 에 따라 스카른광물의 상이한 광물조합과 함께 성분 변화가 언급된 바 있다(Choi and Imai, 1993; Kim et al., 2009; Seo et al., 2007).
포천 광상은 기존 논문에서는 변성 퇴적 광상으로 기재된 바 있으나(Kim, 1977; So, 1977; Lee, 1979), 최근 성인 연구에서 백악기 화성활동과 연계된 스카른 광상으로 해석되었다(Kim et al., 2014). 한편 포천 광 상에서는 Ca계열/Mg계열 스카른뿐만 아니라 독특한 광물상을 갖는 Na-Ca계열 스카른이 국내에서 처음 확 인되었다(Go et al., 2013). 포천 Ca계열 및 Mg계열 스카른은 Ca-/Mg-규산염광물의 전형적인 광물조합을 보이지만, Na-Ca계열 스카른에서는 추휘석(NaFe+3Si2O6)- 조장석과 함께 자철석-각섬석-석류석-녹렴석-경석고의 복합적인 광물상이 확인되었다. 특히 추휘석의 존재는 Na성분과 Fe+3성분이 동시에 공급된 세계적으로 특이 한 고온성 산화환경을 시사하며, 열수작용에서 Na성분 이 부화됨으로써 야기된 조장석화작용은 IOCG 변질대 에서 주로 보고되고 있다(Wang and Williams, 2001;
Monterio et al., 2008). 포천 광상의 지질, 생성연대 및 철(-동)광화작용-스카른화작용의 지화학적 연구는 일 차적으로 Kim et al.(2014)에 의하여 발표된 바 있다.
따라서 본 연구에서는 포천 철(-동)광상의 스카른 유형
별 광물화학 특성과 열수진화과정을 종합적으로 비교 검토하여 광화작용과 관련된 생성환경을 제시하고자 한다.
2. 스카른 유형별 진화과정
포천 지역에 분포하는 백악기 명성산 화강암은 N-S 방향 주향이동 단층대를 따라 자철석 계열 천부 반심 성암으로 관입하고 있으며, 생성연대는 약 112 Ma로 보고된 바 있다(Hwang and Kihm, 2007). 포천 철 광체는 주로 괴상/렌즈상으로 배태되고 부분적으로 소 습곡 구조와 조화적인 박리형 층상 조직이 기재된바 있으며(So, 1977), 2010년/2011년 한국광물자원공사의 시추 시료는 공간적 측면에서 기존 철 광체와 인접한 외각 스카른대에 해당된다. 또한 기존 개발된 철 광체 는 주로 각섬암 또는 규화-석회질암과 변성퇴적암 간 의 점이적인 접촉 관계를 보이며(Kim, 1977; Lee, 1979), 특히 각섬암은 철 광체와 성인 측면에서 밀접하 게 연관된 암석으로 해석되었다(So, 1977). 한편 포천 스카른 광상의 광화시기는 약 110.3±1.3 Ma로서 동일 한 시기에 정치된 명성산 화성암이 관계화성암으로 추 정되었다(Kim et al., 2014). 지금까지 포천 광산의 시 추 및 기존 갱내에서 확인된 철 광체와 스카른대는 화 강반암/석영반암과 밀접한 관계를 보이고 있어 천부 열 수시스템에서 유도된 광화작용을 시사하고 있다.
한편 포천 광상은 N-S방향 전단대와 접촉하고 있는 변성퇴적암류에 협재된 백운암/석회암을 교대하여 남 북방향으로 스카른대가 배태되었으며, 내성 스카른에 비하여 외성 스카른이 주로 산출되고 있다(Go et al., 2013). 압쇄암의 하부를 따라 자철석 광체의 상반과 하 반에서 혼펠스와 함께 산출되는 스카른대는 서로 상이 한 화학조성 및 광물조합을 갖는 다양한 스카른 변질 대로 확인되었으며(Fig. 1), 이러한 스카른은 Na-Ca계 열/Mg계열/Ca계열 외성 스카른으로 구분된다(Table 1).
특히 Na-Ca계열 스카른은 석류석-녹렴석이 수반되는
Na-Ca계열 스카른과 두 광물이 수반되지 않는 Na계열 스카른으로 세분되지만, 추휘석-조장석-자철석-매그헤 마이트-경석고-석영-방해석 등의 공통적인 특징을 보이 고 있어 동일 계열 스카른으로 분류하였다.
2.1. Na-Ca계열 스카른
암편 상에서 추휘석과 각섬석의 산출 빈도에 따라 담녹색~암녹색을 띠며, 간혹 조장석의 담홍색 반점이 혼재되어 있다. 조장석은 현미경하에서 담홍색을 띠며, 견운모로 변질되어 있으나 부분적으로 쌍정이 확인된 다. Na계열 스카른은 전형적인 조장석화작용에 따라 주로 추휘석-조장석-투휘석-자철석-매그헤마이트-경석고 의 독특한 광물조합을 보이며(Fig. 1B), Na-Ca계열 스 카른에서는 Na계열 스카른의 광물상과 함께 전진 스 카른 단계 후기에 정출된 석류석-녹렴석이 수반된다.
철 산화광물은 주로 자철석-매그헤마이트로 구성되며,
자형 추휘석 또는 조장석의 입자 사이를 충진하고 부 분적으로 수지상 조직을 보인다(Fig. 2A, B). 매그헤마 이트는 부분적으로 입자 경계를 따라 일부 적철석으로 교대된다(Fig. 2C). 특히 담황색 자형/반자형 석류석은 이방성 성질을 보이며, 간혹 변질된 단사휘석과 또는 조장석 포유물을 함유하고 있다. 후퇴 스카른 단계에 서 정출된 투각섬석-녹렴석-운모류-녹니석은 무수스카 른 광물의 입자 사이를 충진하고 있다. 최후기 정출된 석영-방해석은 앞서 정출된 스카른광물을 충진하며, 경 석고는 부분적으로 석고로 변질된다. 후기 정출된 황 동석과 황철석은 자형 자철석과 침상 매그헤마이트 또 는 투각섬석 결정을 충진하고 있다(Fig. 2D). 포천 철 광석은 주로 투각섬석-운모류-녹니석이 주요 광물조합 을 구성하고 있으며, 이는 후퇴 스카른 단계에서 집중 적으로 정출된 자철석의 높은 산출빈도에 기인한다 (Fig. 2E, F).
Fig. 1. Photographs showing mylonite and metasomatic rocks. A. Folded mylonite cut by garnet (Grt) vein and quartz- calcite vein; B. Sodic-calcic skarn showing acmite (Acm) and albite (Ab) associated with magnetite (Mt)-maghemite mineralization; C. Calcic skarn with garnet (Grt), clinopyroxene (Cpx), and wollastonite (Wo); D. Magnesian skarn showing forsterite (Fo) partly replaced by serpentine (Srp).
Table 1. Mineral association and frequency of the magnesian, calcic, and sodic-calcic skarns in the Pocheon deposit Mineral*
Skarn type
Fo Di Acm Wo Grt Amp Tm Bt Phl Epi Ves Ser Chl Srp Tlc Ab Or Qtz Cal Dol Spn Apt Anh Gyp Mt Mh Hm Sul
Sodic-calcic - - - - -
Magnesian - - -
Calcic - - - - -
Frequency and abundance: > > > > -
*Abbreviations: Ab=albite, Acm=acmite, Amp=amphibole, Anh=anhydrite, Apt=apatite, Bt=biotite, Cal=calcite, Chl=chlorite, Di=diopside, Dol=dolomite, Epi=epidote, Fo=forsterite, Grt=garnet, Gyp=gypsum, Hm=hematite, Mh=maghemite, Mt=magnetite, Or=orthoclase, Phl=phlogopite, Qtz=quartz, Ser=sericite, Spn=sphene, Srp=serpenitne, Sul=sulfide, Tlc=talc, Tm=tremolite, Ves=vesuvianite, Wo=wollastonite.
Fig. 2. Microphotographs of representative skarns in the Pocheon deposit. A-B. Sodic-calcic skarn showing early acmite (Acm)-albite (Ab) assemblages overprinted by magnetite (Mt) dendrites which are infilled by late anhydrite, quartz, and calcite (Cal). C. A Fe ore showing maghemite (Mh) infilled by magnetite (Mt) and partly replaced by hematite (Hm). D. A Fe-Cu ore showing euhedral magnetite (Mt) and tremolite (Tm) infilled by chalcopyrite (Cpy). E. Retrograde skarn showing phlogopite (Phl) closely infilled by magnetite (Mt). F. Retrograde skarn assemblages with magnetite (Mt) and tremolite (Tm). G. Magnesian skarn showing olivine (Ol)-clinopyroxene (Cpx) assemblages partly replaced by serpentine (Srp). H.
Typical calcic skarn with garnet (Grt) and clinopyroxene (Cpx) infilled by chalcopyrite (Cpy).
2.2. Mg계열 스카른
백운암으로부터 교대된 Mg계열 스카른은 담녹색 또 는 암흑색을 띠며, 담녹색 감람석-투휘석 스카른은 사 문석화작용에 의하여 암흑색으로 색상 변화와 함께 미 세한 검은색 반점이 산재한 점이적인 색상 변화를 보 인다(Fig. 2G). 초기 정출된 감람석-투휘석은 후퇴 스 카른 단계에서 감람석이 사문석-자철석으로, 투휘석이 투각섬석-금운모-활석-녹니석으로 교대된다. 전진 스카 른 단계에서 초기 정출된 자철석은 조립질 투휘석 결 정 내부에 미립 자형 결정으로 다수 포획되어 있으나, 전반적으로 매우 낮은 산출 빈도를 보이고 있다. 후기 석영 세맥 또는 섬아연석-황동석-황철석 세맥이 간혹 Mg계열 스카른을 절단하며, 황화광물 세맥과 접촉부에 서는 사문석화작용에 의하여 변질된 극미립 자철석-사 문석이 교대되어 암흑색 반점으로 산출된다(Fig. 1D).
2.3. Ca계열 스카른
Ca계열 스카른은 자철석 광체를 중심으로 상하 외각 스카른대에 해당되며, 주로 층상 또는 괴상 스카른으 로 배태된다(Fig. 1C). 전진 스카른 단계에서 규회석- 단사휘석-등방성 석류석-인회석-스핀이 정출되며, 후퇴 스카른 단계에서 석류석을 교대한 베수비아나이트와 단 사휘석을 교대한 암록색 각섬석과 함께 녹렴석, 흑운 모, 석영, 방해석이 자주 관찰된다. 단사휘석 내에 자 형 자철석 결정의 미립 포유물이 포획되어 있는 경우 도 관찰되고 있으나, 전반적으로 낮은 산출빈도를 보 인다. 층상 스카른은 갈색~담갈색 석류석, 녹색~담녹 색 단사휘석, 백색 규회석이 교호되며, 이러한 스카른 은 주로 이질 성분을 함유한 석회암이 교대된 것으로 추정된다. Ca계열 스카른은 규회석-담홍색 석류석-단사 휘석의 불규칙적인 산출양상을 보이며, 압쇄암은 부분 적으로 스카른화되어 점이적으로 변화된다. 압쇄암의 스카른 접촉대는 간혹 후기 맥상 스카른에 의하여 절 단된다(Fig. 1A). 맥상 스카른은 주로 암갈색 이방성 석류석과 단사휘석으로 구성된다. 후기 맥상 스카른의 주변부를 따라 황동석과 황철석이 단사휘석-석류석의 입자 사이를 간혹 충진하고 있다(Fig. 2H).
포천 스카른화작용은 전진 스카른의 초기 단계에 정 출된 무수 스카른 광물이 원암 조성 및 구조에 따라 괴상/층상 스카른으로 산출되며, 철 광체는 주로 초기 스카른대의 중앙부를 중심으로 배태되고 있다. 전진 스 카른 단계에서는 단사휘석-석류석-조장석-자철석-매그 헤마이트-스핀-인회석-경석고가 우세하게 정출되며, 후 퇴 스카른 단계는 자철석-녹렴석-각섬석류-운모류-베수
비아나이트-사문석-견운모-활석-석고-황동석-섬아연석- 황철석-석영-방해석이 수반되고 있다(Fig. 3). 후퇴 스 카른 단계에서 정출된 각섬석은 주로 투휘석을 교대한 무색 투각섬석과 암녹색 각섬석의 두 유형으로 산출된 다. 자철석-매그헤마이트로 구성된 철산화물은 Na-Ca 계열 스카른과 Mg계열 스카른에서 높은 산출빈도를 보이는 반면, Ca계열 스카른에서는 상대적으로 낮은 산 출 빈도를 보인다(Fig. 3). 특히 철산화물은 후퇴 스카 른 단계에 함수규산염광물과 함께 재차 정출 부화됨으 로써 양적으로 현저하게 증가하는 경향성을 보이며, 고 품위 철광석에서 맥석광물은 대부분 함수규산염광물조 합으로 구성된다. 특히 기존 논문에서 언급된 각섬암 은 각섬석-사장석-흑운모-녹렴석의 광물조합으로 구성 되며(Kim, 1977; So, 1977; Lee, 1979), 후퇴 스카른 단계의 광물조합과 전반적으로 일치하고 있다.
3. 스카른 유형별 광물화학
포천 Ca계열/Mg계열/Na-Ca계열 스카른은 전반적으 Fig. 3. Simplified paragenetic sequence of the magnesian, calcic, and sodic-calcic skarns in the Pocheon deposit.
로 주변 모암의 전암 성분과 열수 특성을 반영하고 있 으며, 전진/후퇴 스카른 단계에서 다음과 같이 다양한 스카른 광물의 조성 차이를 나타내고 있다(Table 1).
포천 스카른화작용과 관련된 진화특성을 검토하기 위 하여 Na-Ca계열, Ca계열, Mg계열 스카른 유형별 주요 스카른 광물의 정량분석을 실시하였다. 전자현미분석은 고려대학교 부설 전략광물자원연구소 JEOL JXA- 8600SX-Oxford INCA-6025를 이용하였고, 정량분석조건 은 가속전압 15 kV, 전류 3 nA, 분석직경 <5 µm, 측 정시간 100초이며, ZAF법으로 보정되었다. 표준물질로 SiO2,Al2O3,Fe2O3,MgO, CaSiO3,NaAlSi2O6,KAlSi3O8, MnO, TiO2를 사용하였다.
3.1. Na-Ca계열 스카른의 광물화학
단사휘석: 단사휘석은 현미경하에서 주로 녹황색~
담녹색의 다색성을 띠며, 자형~반자형 결정으로 산출 된다. 단사휘석은 결정 입자의 중심부와 외각부가 각 각 상이한 색상을 갖는 누대 조직을 보이며(Fig. 2A), 일부 시료에서는 대부분 투각섬석-운모류로 교대되어 있다. 특히 단사휘석은 중심부에서 투휘석 성분(Di92) 이 부화되어 있으나, 외각부에서 Na2O성분이 최대 11.35 wt. %까지 함유되어 추휘석 단성분(Acm87)에 근접하고 있다(Table 2). 즉, 이는 초기 Ca형 단사휘석 이 정출되었으나 점차 Ca-Na형 또는 Na형 단사휘석으 로 연속적으로 변화되는 전진 스카른 단계의 진화과정 을 시사하고 있다(Fig. 4A).
포천 Na-Ca계열 스카른에서 산출되는 단사휘석은 Q-J분류 기준(Morimoto, 1989)에서 Ca형~Ca-Na형~Na 형 단사휘석까지 모든 영역에서 다양한 조성에 걸쳐 산 출되며, Acm-Di-Hd 관계도에서 Acm24-87Di0-93Hd4-35조 성 범위를 보이고 있다(Fig. 4A). 일반적으로 스카른 광 상의 단사휘석은 Na2O성분이 약 <1 wt. %이며, Fe3+/ (Fe2++Fe3+) ≤ 0.3의 조성을 갖고 있어 NaFeSi2O6 또는 CaFe2SiO6의 광물성분이 거의 함유되지 않는 광 물화학적 특성이 보고되고 있으나(Nakano, 1998), 포 천 Na-Ca계열 스카른대의 단사휘석은 Na2O-Fe2O3성 분이 동시에 부화됨으로써 특이하게 Fe3+/(Fe2++Fe3+) 비가 0.26~0.91의 함량을 보이는 단사휘석 유형이 정 출되었다. 이러한 Na형 단사휘석은 일반적으로 Na+와 Fe3+성분이 모두 증가하는 산화환경에서 제한적으로 정출되며, 주로 IOCG광상 유형에서 이와 유사한 광물 상이 보고된 바 있다(Frietsch et al., 1997; Torab and Lehmann, 2007). Na-Ca계열 스카른대 하부에서 산출되는 알비타이트에서는 부분적인 스카른화작용에
의하여 Di74-77Hd22-25Jo1의 투휘석 조성을 보인다.
석류석-녹렴석: 석류석은 담황색 자형~반자형 결정 으로 약한 이방성을 띠며, 추휘석-조장석-자철석의 포 유물을 함유하고 있어 전진 스카른 단계 후기에 주로 정출되었음을 알 수 있다. 포천 석류석은 주로 Al3+- Fe3+성분 사이의 현저한 변화 양상을 보이며, MnO성 분이 최대 3.25 wt. %까지 함유되어 있다. 석류석은 대부분 Grs28-72Adr24-68Sps1-8Alm0-2 조성 변화를 보이 며, 앨만딘 성분이 현저하게 결여되어 있어 전반적으 로 산화 상태의 정출환경을 시사한다(Fig. 4B). 한편 녹렴석은 후퇴 스카른 단계에서 석류석을 부분적으로 교대하거나 자형/반자형 결정으로 정출되며, 이러한 녹 렴석은 Fe2O3성분이 약 19.07 wt. %까지 함유된 피 스타사이트의 최대 고용체 조성을 보이며, 이는 후퇴 스카른 단계에서도 높은 산화환경이 유지되었음을 시 사하고 있다.
Fig. 4. Composition of clinopyroxenes, garnets, olivines, and feldspars. A. Q-J diagram showing the composition of diverse clinopyroxenes from sodic-calcic skarns. Acm-Di- Hd diagram for the clinopyroxenes from sodic-calcic skarns.
Jo-Di-Hd diagram for the clinopyroxenes from calcic and magnesian skarns. B. (Sps+Alm)-Grs-Adr diagram for the garnets from sodic-calcic and calcic skarns. C. Te-Fo-Fa diagram for the olivines from magnesian skarns and Or- Ab-An diagram for the feldspars from some host rocks and diverse skarns. Ab=albite, Acm=acmite, Adr=andradite, Alm=almandine, An=anorthite, Di=diopside, Fa=fayalite, Fo=fosterite, Grs=grossular, Hd=hedenbergite, J=2Na, Jo=
johannsenite, Or=orthoclase, Q=Ca+Mg+Fe2+, Sps=spessartine, and Te=tephroite.
Table 2. Representative chemical composition of clinopyroxenes and garnets in the Pocheon magnesian, calcic, and sodic-calcic skarns ClinopyroxeneGarnet Sodic-calcic skarnCalcic skarnMagnesian skarnAlbititeSodic-calcic skarnCalcic skarn Sample1001 -231001 -231001 -301001 -251001 -121001 -141103 -21001 -11A1103 -301001 -37Sample1001 -26B1001 -321001 -251103 -21001 -121001 -14 SiO250.6851.8251.8954.3353.5148.9751.4755.5754.7653.37SiO235.7937.9735.1937.2137.8539.40 TiO20.83---TiO20.84-0.710.420.95- Al2O30.720.521.470.560.63-2.56-0.400.32Al2O36.9413.586.9412.5716.6019.49 Fe2O3*33.0223.9829.40---FeO*--- FeO*--2.358.2821.577.640.622.748.88Fe2O3*23.3213.3622.3814.978.475.39 MnO-0.28---0.50---0.30MnO0.731.040.780.870.410.43 MgO-5.322.5116.9313.124.0213.4918.4117.3113.44MgO-0.24-0.350.210.28 CaO2.769.816.6326.0225.2322.9525.5726.0626.0824.87CaO32.7333.9833.3334.4235.2835.77 Na2O11.367.889.39--1.04----Na2O--- Total99.3799.61101.29100.19100.7799.05100.73100.66101.29101.18Total100.35100.1799.33100.8199.77100.76 Number of cations on the basis of 6 oxygensNumber of cations on the basis of 12 oxygens TSi1.991.991.981.971.991.961.901.991.971.98TSi2.932.992.902.932.942.99 TAl0.010.020.020.020.01-0.10-0.020.01TAl0.070.010.100.070.060.01 TFe3+---0.04-0.010.020.01Sum_T3.003.003.003.003.003.00 Sum_T2.002.012.002.002.002.002.002.002.002.00AlVI0.601.250.571.091.461.73 M1Al0.020.010.05-0.01-0.01---Fe3+1.370.761.390.890.480.28 M1Ti0.02---Ti0.05-0.040.030.06- M1Fe3+0.810.590.670.03-0.120.090.010.030.03Sum_A2.022.012.002.002.002.01 M1Fe2+0.150.100.140.040.260.560.150.010.040.23Fe2+0.060.03--0.010.03 M1Mg-0.300.140.920.730.240.740.990.930.74Mg-0.03-0.040.020.03 Sum_M11.001.001.000.991.000.920.991.001.001.00Mn0.050.070.050.060.030.03 M2Mg---Ca2.872.872.942.902.942.91 M2Fe2+0.02-0.03---0.01Sum_B2.982.993.003.003.002.99 M2Mn-0.01---0.02---0.01 M2Ca0.120.400.271.011.000.981.011.001.000.99 M2Na0.860.590.70--0.08---- Sum_M21.001.001.001.011.001.081.011.001.001.00 Alm2.11.0--0.40.9 Jo---2.4---1.0Adr68.037.969.244.324.114.0 Di-30.314.792.973.729.383.599.095.975.5Grs28.257.828.952.473.783.2 Hd15.610.114.74.526.368.316.51.04.123.5Prp-0.9-1.40.81.1 Acm84.459.670.52.6---Sps1.72.31.81.90.90.9
장석: 장석은 전반적으로 홍색~담홍색을 띠며 견운 모화되어 있으나, 부분적으로 조장석 쌍정이 관찰된다.
조장석은 추휘석을 충진하며, 주로 자철석-경석고-투각 섬석과 밀접하게 산출된다. 사장석은 Ab95-100An0-5Or0-2 로 순수한 조장석 조성 특징을 보이고 있다(Fig. 4C).
알비타이트에서는 전반적으로 변질되어 있으며, Ab61- 87An12-38Or0-2로 조장석 성분이 부화되어 있다. 이러한 조장석화작용은 주로 IOCG광화작용과 연계된 스카른 광상의 Na 변질대와 Na-Ca 변질대에서 보고된 바 있 다(Corriveau et al., 2010).
각섬석: Na-Ca계열 스카른에서 각섬석은 투휘석을 교대한 무색 투각섬석이 주로 산출되며, 후기에 정출 된 자형/반자형 암녹색 각섬석이 간혹 수반되고 있다.
각섬석 구조식은 Droop(1987)이 제시한 방법에 따라 Fe2+와 Fe3+를 구분하여 계산하였다. 각섬석 조성은 주로 CaB≥1.5, (Na+K)A<0.5의 분류영역(Leake et al., 1997)에 해당되며, SiIV를 치환한 Al성분은 전반적 으로 매우 미약하게 함유되어 있다(Table 3). 무색 각섬 석의 Si/(AlIV+Si)비와 Mg/(Mg+Fe)비는 각각 0.97~
1.00과 0.37~0.98이며, 대부분은 투각섬석의 단성분과 유사한 조성 변화를 보이고 있다. 한편 층상 철광석에 서 산출되는 각섬석은 Si/(AlIV+Si)비와 Mg/(Mg+Fe) 비가 각각 0.93~1.00과 0.60~0.96로서 Na-Ca계열 스 카른과 매우 유사한 조성을 보이고 있다(Fig. 5A).
운모: Na-Ca계열 스카른의 후퇴 스카른 단계에 정출된 운모는 전반적으로 담녹색을 띠며, 간혹 극미립 투휘 석 결정을 포유물로 함유하고 자철석 결정 입자사이를 충진하고 있다(Fig. 2E). 운모 조성에서 Mg/(Mg+Fe) 비와 AlVI성분이 각각 0.91~0.93과 0.12~0.18로서 거 의 순수한 금운모와 유사한 조성 특징을 보이고 있다 (Fig. 5B).
3.2. Mg계열 스카른의 광물화학
단사휘석: Mg계열 단사휘석은 Q-J분류 기준 (Morimoto, 1989)에서 Na-Ca계열 스카른과 비교하여 Ca형 단사휘석에 속하며, MgO성분은 최대 18.79 wt. % 까지 함유되어 대부분 투휘석 단성분에 근접하고 있다 (Table 2). 단사휘석은 Mg2+-Fe2+사이의 고용체 관계 에 따라 주로 Di70-100Hd0-28Jo0-1 조성을 보이고 있다 (Fig. 4A).
감람석: 감람석은 주로 단사휘석-자철석과 함께 산출 되며, 부분적으로 사문석과 미립 자철석으로 교대된다.
감람석은 FeO 성분이 최대 6.16 wt. %까지 함유되어 있으나(Table 3), 대부분 Fo94-98Fa2-6의 거의 순수한 포 스테라이트 조성을 보이고 있다(Fig. 4C).
3.3. Ca계열 스카른의 광물화학
단사휘석: 단사휘석은 다양한 크기의 타형 입자로 구 성되며, 등방성 석류석에 미립 결정포유물로 포획되어 있 다. 화학조성은 모두 Ca형 단사휘석에 속하며(Table 2), MgO성분과 FeO성분은 각각 최대 14.38과 23.24 wt. % 까지 함유되어 있다. Mg2+-Fe2+ 고용체 영역이 대부분 영역에 걸쳐서 다양하게 변화되는 Di21-90Hd10-75Jo0-3조 성을 보이고 있으며, 압쇄암과 접촉하고 있는 일부 시 료에서 Fe2+조성이 부화된 경향성을 보인다(Fig. 4A).
석류석: 석류석은 다양한 입자 크기의 담황색 타형 결정으로 산출되며, 등방성~약한 이방성을 띠며, 주로 단사휘석-규회석과 함께 소량 산출되며, 간혹 각섬석- 녹렴석-석영-방해석이 충진하고 있다. Ca계열 스카른에 서 Al2O3 조성은 최대 19.94 wt. %까지 함유되어 있 으며, 주로 Al3+-Fe3+성분 간 조성변화를 보인다. 특 히 Na-Ca계열 스카른과 비교하여 Al 성분이 현저하게 부화된 경향을 보이며, 이는 스카른화작용 시 석회암
Fig. 5. Composition of amphiboles and micas. A. TSi-Mg/(Mg+Fe) diagram for the amphiboles from calcic skarn, sodic- calcic skarn, altered mylonite, and iron ore (Leake et al., 1997). B. Mg/(Mg+Fe)-AlIV diagram for the micas from sodic- calcic skarn.
Table 3. Representative chemical composition of olivines, amphiboles, phlogopites, and feldspars in the Pocheon magnesian, calcic, and sodic-calcic skarns OlivineAmphibolePhlogopiteFeldspar Magnesian skarnIron oreSodic-calcic skarnCalcic skarnMyloniteMagnesian skarnSodic-calcic skarnCalcic skarnAlbitite Sample1001- 11A1001-24Sample111001-271001-291001-361001-9Sample1103-221103-22Sample1001-251001-301001-251001-361001-37 SiO241.8942.01SiO250.9158.3858.5143.3540.2143.94SiO239.9440.01SiO268.5768.3367.0167.1158.38 TiO2--TiO2---0.590.660.74TiO20.280.32TiO2----- Al2O3--Al2O33.580.33-9.5116.178.94Al2O314.4414.57Al2O319.7519.5720.4020.8326.71 FeO2.705.93FeO12.251.241.8022.2610.4522.47FeO3.843.64FeO----- MnO--MnO0.32--0.29--MnO--MnO----- MgO54.8953.49MgO15.9124.0723.817.6214.167.66MgO25.1225.40MgO----- CaO--CaO12.7813.6213.3811.7612.9711.51CaO--CaO-0.180.810.378.06 Na2O--Na2O1.34-0.391.422.591.56Na2O0.52-Na2O10.7412.0011.3611.157.06 K2O--K2O0.510.220.121.001.410.88K2O11.1911.30K2O---0.950.24 Total99.48101.43Total97.6097.8698.0197.8098.6297.70Total95.3395.24Total99.06100.0899.58100.41100.45 On the basis of 4 oxygensOn the basis of 23 oxygensOn the basis of 24 oxygensOn the basis of 8 oxygens Si1.001.00TSi7.417.937.966.615.836.70Si5.705.70Si3.012.992.952.942.60 Al--TAl0.590.05-1.392.171.30AlIV2.302.30Al1.021.011.061.071.40 Ti--TFe3+-0.020.04---AlVI0.130.15Fe2+----- Fe2+0.050.12Sum_T8.008.008.008.008.008.00Ti0.030.03Ca-0.010.040.020.39 Mn--CAl0.02--0.320.600.31Fe2+0.460.43Na0.911.020.970.950.61 Mg1.951.89CFe3+0.120.070.010.470.400.43Mg5.355.40K---0.050.01 Ca--CTi---0.070.070.09Na0.14-Cations4.945.025.015.035.01 Na--CMg3.454.884.831.733.061.74K2.042.05 K--CFe2+1.370.060.162.370.872.44Cations16.1416.07X4.033.994.004.014.00 Ni--CMn0.04--0.04--Z0.911.031.011.021.01 Cations3.003.00Sum_C5.005.005.005.005.005.00 BCa1.991.981.951.922.001.88Ab100.099.296.293.160.5 BNa0.01-0.050.08-0.12An-0.83.81.738.2 Sum_B2.001.982.002.002.002.00Or---5.21.4 ACa----0.02- ANa0.37-0.050.340.730.34 AK0.100.040.020.200.260.17 Sum_A0.470.040.080.541.010.51 Cations15.4715.0215.0815.5416.0115.51 Mg/ (Fe+Mg)0.970.94Mg/ (Fe+Mg)0.700.970.960.380.680.38Mg/ (Fe+Mg)0.920.93
에 협재된 이질 성분의 영향으로 해석된다. 석류석은 주로 Grs50-87Adr12-45Sps1-2Alm0-5로서 앨만딘 성분이 현저하게 결여되어 있어 산화 환경을 지시한다(Fig. 4B).
장석: Ca계열 스카른에서 장석은 압쇄암과 접촉하 는 스카른에서 주로 정장석이 산출되며, 조장석은 일 부 시료만 간혹 확인된다. 장석은 Or92-100Ab0-2An0과 Ab93An2Or5로 각각 거의 순수한 조성 특징을 보이고 있다(Fig. 4C). 한편 부분적으로 스카른화된 압쇄암에 서 장석은 Or92-98Ab2-8An0으로 거의 순수한 정장석 조 성을 보인다.
각섬석: Ca계열 스카른에서 각섬석은 후퇴 스카른 단계에 정출된 자형/반자형 암녹색 각섬석이 주로 산 출되며, Droop(1987)이 제시한 방법을 적용하여 Fe2+
와 Fe3+를 구분하였다. 각섬석 조성은 주로 CaB≥1.5 와 (Na+K)A≥0.5의 분류영역에 속하며, Na-Ca계열 스 카른의 각섬석과 비교하여 SiIV를 치환한 Al성분이 매우 높은 경향을 보이고 있다(Table 3). 암녹색 각섬석은 Si/(AlIV+Si)비와 Mg/(Mg+Fe)비가 각각 0.69~0.82와 0.34~0.74이며, 대부분은 파가사이트-헤이스팅사이트의 조성 변화를 보이고 있다(Fig. 5A). 한편 스카른화된 압쇄암에서 산출되는 각섬석은 Si/(AlIV+Si)비와 Mg/
(Mg+Fe)비가 0.81~0.87과 0.36~0.41로서 Ca계열 스 카른과 비교적 유사한 조성을 보이고 있다(Fig. 5A).
스카른 광상에서는 열수반응에서 유도된 산화-환원 환경 변화에 따라 스카른 광물 중 단사휘석과 석류석
의 조성 변화가 민감하게 작용하며, 수반되는 광종도 서로 밀접하게 연계되어 있다. 포천 스카른에서 수반 되는 광석광물은 주로 자철석-매그헤마이트이며, 황동 석-섬아연석-황철석이 소량 수반되고 있다. Meinert(1998) 가 제시한 Fe형과 Cu형 스카른 광상의 단사휘석과 석 류석의 조성을 중심으로 비교한 결과, 단사휘석과 석 류석의 조성은 세계 스카른 광상 중 Fe, Cu 유형과 전반적으로 일치하고 있다(Fig. 4A, B).
한편 포천 스카른화작용에서는 다양한 원암으로부터 공급된 Ca-Mg-Al-Na 성분과 광화유체 중 Fe3+-Fe2+
의 존재비가 복합적으로 작용하여 무수스카른광물의 조 성 변화를 유도하고 있다. 스카른화작용에서 유도된 산 화 상태의 정출 환경 변화를 검토하기 위하여 스카른 유형별 대표적 시료에 대한 단사휘석 및 석류석의 Fe3+-Fe2+조성비를 앤드라다이트-헤덴버자이트-추휘석 기준으로 비교하였다(Table 4). 이러한 포천 단사휘석- 석류석의 화학조성은 스카른 유형에 따라 다소 차이를 보이지만, 추휘석, 투휘석, 그로슐라 조성이 전반적으 로 우세한 경향성을 나타내고 있다(Fig. 6). 즉, Mg계 열 스카른에서는 감람석(Fo>94)-투휘석(Di>77)-자철석의 높은 산출빈도와 석류석 부재사실을 통하여 백운암에 서 과잉 공급된 Ca-Mg성분에 의한 스카른화작용을 지 시하고 있다. 또한 Na-Ca계열 스카른은 추휘석-석류석 -경석고-매그헤마이트-자철석의 주요 공생관계를 보이 며, 추휘석-앤드라다이트의 높은 조성비와 함께 헤덴버
Table. 4. Comparison of average values (mole %) of clinopyroxenes and garnets in the sodic-calcic, calcic, and magnesian skarns
Skarn type Hedenbergite (mole %) Andradite (mole %) Acmite (mole %)
Sample no. Avg. N Range Avg. N Range Avg. N Range
Sodic-calcic skarn
1001-26B 23.1 4 15.6 - 35.1 63.9 3 60.6 - 68.0 72.5 4 58.8 - 82.3
1001-25 16.6 14 4.5 - 30.7 63.2 11 56.7 - 69.2 19.2 14 2.6 - 29.8
Calcic skarn
1001-4A 39.0 7 33.3 - 42.7 35.1 3 27.9 - 45.0
1001-12 18.4 4 10.3 - 26.3 19.2 6 12.6 - 24.5
1001-14 68.5 4 59.1 - 75.3 14.0 1 14.0 - 14.0
1001-17 32.0 6 27.8 - 37.5 31.7 5 28.7 - 41.8
1103-2 12.2 5 4.9 - 17.0 41.4 4 31.3 - 47.0
Magnesian skarn
1001-11A 1.0 4 0.0 - 2.0
1103-28 4.5 8 1.1 - 10.4
1103-30 11.2 6 4.1 - 28.0
1103-34 9.6 4 4.1 - 13.7
1103-22 6.8 4 4.6 - 7.8
1001-37 22.7 5 18.4 - 25.3
자이트(Hd<23)조성비는 Na+-Fe+3-Mg2+성분이 동시에 부화된 높은 산화 환경을 지시하고 있다. 한편 Ca계열 스카른에서는 단사휘석-석류석-규회석의 주요 공생관계 를 보이며, 철 산화광물은 매우 낮은 산출빈도를 보인 다. 단사휘석과 석류석의 헤덴버자이트(Hd<69)와 그로 슐라(Grs<86)조성비는 비교적 현저하게 변화하는 경향 을 보이며, 이질 성분을 함유된 석회암의 원암 조성이 반영되어 있다. 압쇄암 접촉부의 Ca계열 스카른은 예 외적으로 헤덴버자이트와 그로슐라 조성이 부화되어 있 어 일부 낮은 산화 환경에서 유도된 스카른화작용을 지시하고 있다.
4. 정출 환경
포천 광상의 유체포유물은 Mg계열 스카른의 투휘석 조성이 부화된 단사휘석에서 간혹 관찰되며, 단사휘석 에서는 전반적으로 불규칙하게 산출되지만, 대부분
<5µm 크기로 균질화온도 및 염농도의 측정이 불가능 하였다. 투휘석에서 관찰된 유체포유물의 유형(Nash, 1976)은 상온(약 20oC)에서 액상이 우세한 Type-I, 기 상이 우세한 Type-II, 고상 포유물(투명 결정)이 함유된 Type-III가 관찰된다(Fig. 7A). 투휘석 내 유체포유물에 함유된 고상 포유물은 극미립으로 현미경에서 광물 동 정이 불가능하여 전자현미분석을 실시하여 성분을 검 토하였다. 전자현미분석의 정성분석 결과에서 확인된
성분 중 투휘석 조성을 제외한 Na-K-Cl-S성분이 추가 적으로 확인됨으로써 암염, 실바이트와 경석고의 존재 가능성이 추정되었으며(Fig. 7B), 이는 고염농도 광화 유체로부터 유도된 스카른화작용을 시사하고 있다.
포천 광상의 스카른화작용은 석회암/백운암뿐만 아 니라 협재된 이질암 또는 압쇄암이 부분적으로 개입되 었으며, 이러한 원암 조성이 부분적으로 물-암석반응의 산화-환원 상태에 영향을 미치고 스카른 광물의 조성 변화를 유도하였다. 즉 Ca계열 스카른은 석회암과 압 쇄암/혼펠스의 화학성분이 반영된 Ca-Fe-Al-Mg-Si 열 수계가 유도되어 단사휘석-석류석-규회석-자철석-스핀- 인회석-정장석이 주로 정출되었으며, Mg계열 스카른이 주로 백운암으로부터 유도된 Ca-Mg-Fe-Si 열수계로부 터 감람석-투휘석-자철석이 정출되었다. 한편 Na-Ca계 열 스카른은 전진 스카른 단계에서 Ca성분과 Na-Fe+3 성분이 동시에 부화되어 Na-Ca-Mg-Fe-Al-Si 열수시스 템 유도됨으로써 초기 추휘석-조장석-자철석으로 정출 되며, 스카른화작용이 점차 진행됨에 따라 Na성분의 결핍과 함께 Ca성분이 재차 부화됨으로써 이방성 석류 석-경석고가 정출되었다. 후퇴 스카른 단계에서는 스카 른 유형별로 공생관계의 차이를 보이지만, 자철석-매그 헤마이트-각섬석-금운모-녹렴석이 주로 산출되며, 견운 모-사문석-활석-석고-녹니석-석영-방해석-황동석-황철석 -섬아연석이 소량 수반된다.
포천 광화작용과 관련된 생성 환경을 추정하기 위하 여 상기 스카른 유형별 광물조합과 화학조성에 근거한 스카른화작용의 정출 온도, 산소분압 및 이산화탄소 분 압을 검토하였다. 관계화성암으로 확인된 명성산 화성 암의 산상을 통하여 포천 스카른화작용/광화작용의 생 Fig. 6. Xadr-Xhd diagram illustrating relative oxidation
states of calcic skarns and sodic-calcic skarns. Data points represent averages of clinopyroxene and garnet compositions.
Fig. 7. Microphotograph of fluid inclusion (A) in diopside and qualitative data (B) by EPMA for observed solid phase inclusions in type-III inclusion.
성 심도는 천부 화성활동으로 추정되어 약 0.5 kbar의 압력 조건으로 적용하였으며, 탄소-산소 동위원소 연구 에서 제시된 낮은 CO2 분압은 전반적으로 개방계 지질 조건에서 진행된 것으로 추정되었다(Kim et al., 2014).
Ca계열 스카른에서 전진 스카른은 주로 단사휘석+
석류석±자철석 또는 단사휘석+석류석±규회석±사장 석의 공생관계를 보이고 있으며, Mg계열 스카른에서 전진 스카른은 전반적으로 감람석+단사휘석+자철석 의 스카른 광물조합을 나타내고 있다. 한편 Ca계열/Mg
계열에서 후퇴 스카른은 주로 녹렴석+각섬석+녹니석 +석영+방해석±베수비아나이트±금운모±사문석의 광 물조합을 보이고 있다. 이러한 Ca계열/Mg계열 스카른 에서 확인된 광물조합과 함께 탄소-산소 동위원소 연 구에서 추정된 환경은 XCO2 = 0.1의 개방계 조건으로 적용할 경우, Ca계열/Mg계열 전진 스카른 단계에서 정 출된 석류석-단사휘석±규회석±사장석과 감람석-단사 휘석이 공존하는 안정영역은 주로 약 400o~500oC의 온도범위를 지시하는 반면, 후퇴 스카른 단계에서 교
Fig. 8. Temperature-XCO2 diagrams illustrating the schematic evolutionary path of the ore bearing fluids during prograde (I) and retrograde (II) skarnification for the calcic skarns (A) and magnesian skarns (B) at 0.5 kbar fluid pressure in the Pocheon deposit (modified after Meinert, 1982; Harris and Einaudi, 1982). Calc-silicate equilibria based on the experimental work of Gordon and Greenwood (1971), Greenwood (1967), Slaughter et al. (1975), and Newton (1966). Act=actinolite, Brc=brucite, Mgs=magnesite, Per=periclase, Sa=salite. See Table 1 and Figure 4 for other mineral abbreviations.
Fig. 9. Temperature-LogfO2 (A) and LogfO2-LogfS2 (B) diagrams illustrating the stability relations of minerals during prograde (I) skarnification for the sodic-calcic skarns at 0.5 kbar fluid pressure and XCO2=0.1 in the Pocheon deposit (base from Bowman, 1998) Po=pyrrhotite, Py=pyrite, Sd=siderite. See Table 1 and Figure 4 for other mineral abbreviations.
대된 각섬석+녹렴석 또는 투각섬석+사문석과 같은 함 수규산염광물이 안정된 영역으로 약 250o~<400oC의 온도범위로 추정된다(Fig. 8).
스카른화작용 시 압력-온도-탄소 분압은 약 0.5 kbar, 400oC, XCO2 = 0.1 조건과 전진 스카른 단계에 정출 된 Na-Ca계열 스카른의 추휘석-조장석-석류석-자철석- 경석고-황철석과 Ca계열 스카른의 석류석-단사휘석-규 회석-자철석의 광물조합을 적용하여 안정영역을 검토 하였다. T-f O2과f O2-f S2관계도에 제시된 바와 같이 산 소 분압(f O2)과 황 분압(f S2)은 각각 10-23~10-26과 10-12~10-4이다(Fig. 9).
5. 생성 모델에 대한 고찰
포천 광상은 동시 생성 광상 또는 후기 생성 광상의 서로 상반된 이론이 제기된 바 있으나(Kim, 1977;
So, 1977; Lee, 1979), 최근 수행된 광화시기, 지화학 적 및 동위원소 연구를 통하여 백악기 철(-동) 스카른 광상으로 언급되었다(Kim et al., 2014). 포천지역 명 성산 화강암의 산상, 지질구조 특성, 광화시기 및 탄소 -산소 동위원소분석 결과를 종합적으로 비교하여 스카 른화작용에 수반되는 광화작용의 생성환경을 추정하였 다. 포천 광상은 생성연대가 약 110 Ma로 확인되었으 며, 동일시기에 백악기 주향이동 단층대를 따라 관입 한 명성산 화강암이 관계화성암으로 추정되었다(Kim et al., 2014).
포천 광상에서 산출되는 단사휘석과 석류석은 각각 스카른 유형별로 다소 조성 차이를 보이지만, 전반적
으로 Mg2+-단사휘석과 Al3+-석류석의 지배적인 특징 을 보이며(Fig. 4), 스카른화작용 시 높은 산화 환경을 반영하고 있다(Fig. 6). Mg계열 스카른은 백운암으로부 터 공급된 Ca-Mg성분에 의하여 감람석-투휘석이 지배 적인 산출 양상을 보인다. 또한 Na-Ca계열 스카른에서 추휘석과 경석고의 높은 산출 빈도는 Na+-Fe+3-Mg2+
성분이 동시에 부화된 높은 산화 환경을 지시하고 있 다(Table 4). 한편 Ca계열 스카른은 Mg2+-Fe2+-단사 휘석과 Al+3-석류석은 석회암에 점토질 조성을 반영하 고 있으며, Na-Ca계열 스카른과 비교하여 상대적으로 낮은 산화 환경을 지시하고 있다. 특히 Na-Ca계열 스 카른의 추휘석-조장석-경석고-자철석-매그헤마이트의 독 특한 광물조합과 함께 유체포유물의 특성은 산화 환경 의 고염농도 유체 조성을 시사하고 있다. 또한, 포천 광상 시추 탐사에서 확인된 다양한 스카른 유형 중 국 내에서 처음으로 Na-Ca변질작용이 확인되었으며, 이는 IOCG-IOA형 열수시스템에서 유도된 Na변질대와 매우 유사한 광물학적 특징을 보이고 있다(Wang and Williams, 2001; Monterio et al., 2008).
포천 광산의 주변 지역에서는 생성 깊이의 차이를 보이는 압쇄암과 각력상 분쇄각력암이 산출되고 있으 며, 포천 철 광체와 스카른대는 전반적으로 압쇄암과 각력상 분쇄각력암이 접촉하고 있는 변성퇴적암 중 석 회암/백운암을 중심으로 배태되고 있다. 철 광체 서측 부에서는 신원생대 감악산 섬장암의 관입(742±13 Ma;
Lee et al., 2003) 이후 연성 변형에 의한 N-S방향 전 단대를 따라 압쇄암(226±1.2 Ma; Kim et al., 2000) 이 형성되었으며(Hwang and Kihm, 2007), 재차 백악
Fig. 10. Schematic model depicting the spacial and temporal episodes of hydrothermal activity, magmatism and crustal evolution. Note that skarnification and mineralization reflects both structural and lithological controls with the Late Cretaceous magmatism.
기 주향이동 단층에 의한 구조운동으로 각력상 분쇄각 력암이 배태되었다. 이러한 산출양상은 트라이아스기 심부 전단대가 형성된 이후 융기작용으로 백악기 천부 지질환경에서 주향이동 단층에 의한 파쇄작용이 재차 중첩됨으로써 지질시대를 달리하는 구조운동이 동일지 역에 재활성화된 결과로 해석된다. 이러한 N-S방향 구 조대를 따라 백악기 천부 화강암체(약 112.0 Ma)가 관입하였으며(Hwang and Kihm, 2007), 취성 변형작 용을 받은 파쇄암이 열수의 이동통로로 작용하여 스카 른화작용/광화작용(약 110.0 Ma)을 유도하였다고 추정 된다(Fig. 10). 특히 백악기 명성산 화강암의 관입 이 후, 천부 화강암체로부터 분리된 고온성 열수는 N-S방 향 약선대를 따라 수평-수직적 이동이 진행되었다. 특 히 상부에 위치한 압쇄암이 덮개암으로 작용하여 열수 이동을 지연시킴으로써 그 하부에 분포하는 변성퇴적 암에 협재된 탄산염암을 중심으로 Na성분이 부화된 고 온-고염농도 광화유체로 진화된 결과로 해석된다. 또한, 스카른에서 산출되는 황화광물과 경석고의 높은 황 동 위원소 값으로부터 탄산염암에 함유된 황산염광물로부 터 황성분이 유입되었을 가능성이 제시되었다(Kim et al., 2014). 이와 같이 추휘석-경석고과 같은 광물의 존 재로부터 포천 스카른화작용과 철(-동)광화작용이 높은 산화환경에서 유도된 것으로 추정할 수 있다.
6. 결 언
포천 스카른 광상은 성인적으로 N-S방향 단층을 따 라 관입한 백악기 명성산 천부 화성암체로부터 공급된 고온성-고염농도 열수가 선캄브리아기 변성퇴적암에 협 재된 다양한 조성의 탄산염암과 반응하여 형성된 근지 성 열수광상이다. 포천 광산의 생성 모델은 트라이아 스기 전단대를 따라 연성 변형에 의한 압쇄암이 일차 적으로 발달하게 되었고, 백악기 주향이동 단층대를 따 라 천부까지 산성 마그마의 관입을 유도하게 되고 동 시에 취성 변형에 의한 파쇄작용이 이차적으로 중첩되 어 파쇄암으로 발전하게 되었다. 이 약선대를 따라 백 악기 천부 화강암체로부터 방출된 고온성 열수가 이동 하는 과정에서 접촉한 변성퇴적암 중 석회암/백운암과 반응하여 스카른화작용과 함께 철(-동)광화작용(110 Ma) 을 유도하게 되었다.
포천 스카른화작용은 원암의 다양한 조성에 따라 Ca 계열/Mg계열/Na-Ca계열 스카른이 형성되었으며, 각 유 형에 따라 상이한 스카른 광물조합과 조성 차이를 보 이고 있다. 전진 스카른 단계에서는 단사휘석-석류석-
조장석-자철석-매그헤마이트-스핀-인회석-경석고가 우세 하게 정출되며, 후퇴 스카른 단계는 자철석-녹렴석-각 섬석류-운모류-베수비아나이트-사문석-견운모-활석-석고 -황동석-섬아연석-황철석-석영-방해석이 수반되고 있다.
포천 스카른화작용에서 정출된 단사휘석과 석류석은 추 휘석-Mg2+-단사휘석과 Al3+-석류석이 우세한 산출양상 을 보이고 있다. 특히 Na-Ca계열 스카른에서 추휘석과 함께 황산염광물인 경석고의 존재는 높은 산화 환경을 지시하고 있다. Mg계열 스카른은 백운암으로부터 Ca- Mg성분이 과다 공급됨으로써 감람석-투휘석이 지배적 인 산출빈도를 보인다. 또한 Ca계열 스카른은 석회암 과 소량 함유된 이질 성분으로부터 일부 Al성분의 공 급됨으로써 Al+3-석류석과 Mg2+-Fe2+-단사휘석의 조성 을 유도하였다.
포천 스카른화작용은 각 스카른 유형에서 확인된 광 물조합을 종합적으로 적용한 결과, 전진 스카른 단계 에서 고염농도의 광화유체로부터 정출된 주요 스카른 광물의 생성온도는 약 400o~500oC를 지시하며, 후퇴 스카른 단계에서는 약 250o~<400oC로 추정된다. 또한 스카른화작용 시 압력-온도-탄소 분압을 약 0.5 kbar, 400oC, XCO2 = 0.1 조건에 적용한 결과, 산소 분압 (fO2)과 황 분압(f S2)은 각각 10-23~10-26과 10-12~10-4 를 지시하고 있다.
사 사
본 연구는 미래창조과학부(MSIP) 2012년도 연구 재단의 지원을 받아 수행한 연구 과제(No. 2012- RIA1A2005723)이며, 논문 심사에 유익한 조언을 주신 익명의 심사위원들에 깊은 감사를 드립니다.
References
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