Jour. Petrol. Soc. Korea Vol. 22, No. 4, p. 299~305, 2013 http://dx.doi.org/10.7854/JPSK.2013.22.4.299
홍천 철-희토류 광상의 편마암질 주변암에 대한 SHRIMP U-Pb 연령측정
김명정1·박계헌1*·고상모2·이기욱3
1부경대학교 지구환경과학과, 2한국지질자원연구원 광물자원연구본부,
3한국기초과학지원연구원 환경과학연구부
SHRIMP U-Pb Age Determination for the Gneissic Country Rocks Around the Hongcheon Iron-REE Depsosit
Myoung-Jung Kim1, Kye-Hun Park1*, Sang Mo Koh2, and Keewook Yi3
1Department of Earth Environmental Sciences, Pukyong National University, Busan 608-737, Korea
2Mineral Resources Research Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 305-350, Korea
3Division of Earth and Environmental Science, Korea Basic Science Institute, Ochang 363-883, Korea
요 약: 홍천에는 카보내타이트-포스코라이트 복합체로 구성된 철-희토류 광상이 분포한다. 이 광상배태 지역 의 모암인 변성암류에 대한 저어콘 U-Pb 연대측정을 실시하였다. 그 결과 약 1830 Ma의 연령이 확인되었다.
이러한 연령은 경기육괴에서 일반적으로 산출되는 1870Ma의 화성 및 변성연령보다 다소 젊은 연령이며, 경 기육괴의 고원생대 지질사건들의 시기와 지구조적 진화에 대한 보다 정밀한 연구의 필요성을 제기한다.
핵심어: 홍천, 철-희토류 광상, 저어콘, U-Pb, SHRIMP, 경기육괴
Abstract: It is well known that the Hongcheon iron-rare earth deposit is composed of carbonatite- phoscorite complex. We conducted zircon U-Pb age determination for the gneissic country rocks of this deposit. As the result we obtained ca. 1830 Ma, which is somewhat younger than igneous and metamorphic ages of ca. 1870 Ma generally reported from the Gyeonggi massif, suggesting further investigations for the timing and evolution of the Paleoproterozoic activities of the Gyeonggi massif.
Key words: Hongcheon, iron-REE deposit, zircon, U-Pb, SHRIMP, Gyeonggi massif
서 론
홍천 지역에는 경기육괴의 선캠브리아 기저암체를 모암으로 철-희토류 광상이 존재하는 것이 알려져 있 으며(Fig. 1), 광상지역은 카보내타이트-포스코라이트 복합체로 구성되어 있다(Lee, 1998; Kim et al., 2001; Lee et al., 2002; Park and Lee, 2003;
Kim et al., 2005; Oh et al, 2010; Lee and Ryoo, 2012). Park and Lee(2003)는 홍천 철-희토류광체로 부터 분리한 3개의 모나자이트에 대한 U-Pb 열이온 화질량분석(thermal ionization mass spectrometry,
TIMS)을 통해 약 700~1050 Ma 범위의 분산된 결과 를 얻었으며, 이 중 가장 오차가 적은 자료를 이용하 여 약 850 Ma로 생성시기를 추정하였으나 정확한 연 대는 추가적인 연구가 필요하다.
홍천 철-희토류 광상의 모암은 경기편마암 복합체 의 일부로 알려져 있으나 그 연대가 실제로 측정된 적은 없다. 최근 경기 육괴의 여러 지역에서 측정된 정밀한 연대측정 결과들을 보면 대부분의 지역은 고 원생대의 연령을 가지는 것으로 나타난다. 그러나 이 전에 경기육괴의 일부로 간주되어온 여러 지역으로부 터 기저암체와는 다른 시기에 형성된 암체들이 보고 되고 있다. 소위 태안층은 고생대의 대결층기로 알려 진 시기에 퇴적되었음이 확인되었으며, 홍성지역에서 는 신원생대와 고생대의 연령이 모두 보고되었다(예,
*Corresponding author Tel: 051-629-6629 E-mail: [email protected]
Cho, 2007; Kim and Kee, 2010; Lee and Cho, 2012). 이는 경기육괴로 취급되어온 다른 지역들에서 도 정밀한 연령을 확인하는 것이 필요함을 말해준다.
이 연구에서는 홍천 철-희토류광상의 모암이 실제로 경기육괴에 분포하는 일반적인 기저 편마암 복합체와 동일한 생성시기를 갖는지를 확인하기 위하여 저어콘 U-Pb 분석을 통해 연대측정을 수행하였으며, 그 결과 를 간략하게 보고한다.
SHRIMP U-Pb 연대측정 및 결과
연구대상 표품은 홍천 철-희토류 광상지역의 남광 체중 과거 채굴흔적이 있는 지점과 북광체의 도로변 노두에서 채취하였다. 남광체의 두 표품중 하나는 고 철질 광물이 비교적 적은 흑운모를 포함하는 규장질 의 편마암이며, 다른 하나는 편마구조가 잘 발달되어 있으며 우흑부는 각섬석으로 구성되어 있고, 우백부 는 대부분 사장석으로 구성되어 있고 석영이 드물게 산출되는 앰피볼라이트이다. 북광체 주변에서 채취한 표품 역시 앰피볼라이트이다.
이 연구에서는 저어콘에 대한 U-Pb 분석을 통해 연령을 산출하였다. 저어콘 분리는 암석 파쇄물로부 터 비중이 큰 입자들을 물과 비이커를 이용하여 골라 낸 뒤 실체현미경 아래서 순수한 저어콘을 분리하였 다. 분리된 저어콘을 연대측정 표준인 FC-1 저어콘과 함께 심어 직경 1인치의 에폭시 마운트를 제작한 후, 표면을 다이아몬드 연마제를 이용하여 평탄하게 연마 하였다. 금으로 코팅한 마운트로부터 한국기초과학지 원연구원의 주사전자현미경(JEOL JSM-6610LV 모델) 을 이용한 후방산란전자(back-scattered electron, BSE) 영상 및 음극선발광(cathodoluminescence, CL) 영상 을 획득하였다. BSE 및 CL 영상을 검토하여 오래된 상속핵(inherited core), 포유물, 갈라진 틈, 누대조직 의 특성 등과 같은 내부조직을 관찰하고 이를 바탕으 로 이온빔으로 가격할 지점을 선정하였으며, 한국기 초과학지원연구원 오창센터에 설치된 SHRIMP-IIe를 이용하여 U-Pb 분석을 수행하였다. 일차이온빔은 산 소 음이온(O2-)을 이용하였으며, 4-6 nA의 세기와 약 25µm 직경을 갖도록 조절하였다. U 함량측정과 U/
Pb 연대보정을 위해 저어콘 표준물질은 SL13과 FC- 1을 사용하였다. 이 기기를 이용한 일반적인 연대측 정법은 Ireland and Williams(2003) 및 Williams et al.(2009) 등에 기술되어 있다. 연령의 계산은 Isoplot/
Ex와 Squid(Ludwig, 2008, 2009) 프로그램을 이용하 였다.
홍천 철-희토류광상의 모암인 선캠브리아 기반암에 대하여 수행된 저어콘 U-Pb 분석결과는 남광체와 북 광체 지역의 암석이 비슷한 결과를 보인다(Table 1, Fig. 2, Fig. 3). 남광체 지역의 규장질 편마암(HJC 1-2)은 일치곡선(concordia)에 놓이는 분석결과가 없고 약 2400 Ma와 1800 Ma 부근의 고원생대 연령을 보 인다. 가장 많은 수의 저어콘 분석이 수행된 남광체 지역의 앰피볼라이트 표품 HJC 1-10의 경우는 U-Pb 분석결과가 대부분 일치곡선상에 놓이며, 약 1800 Ma 로부터 2500 Ma의 범위를 보이고, 대부분은 1800~
2000 Ma의 구간에 집중된다. 이 중에서 자료들이 몰 려있는 부분을 연대로 계산하면 1931±4 Ma(n=6)와 1831±18 Ma(n=7)가 구해진다. 북광체지역에서 채취한 앰피볼라이트 표품 HJC 2의 결과 역시 약 1800- 2000 Ma의 범위에 집중되는 모습을 보여주며, 여러 자료가 모이는 부분은 하나의 일치곡선연령으로 계산 되지 않는다. 따라서 이를 많은 수의 분석점들이 모 이는 곳으로부터 계산하면 1823±12 Ma(n=10)의 연령 이 계산되며, 나머지 분석점들은 1860±6 Ma(n=4)의 위치에 모인다. 현재 분석점의 수가 비교적 적고, 약 1800~1900 Ma의 범위에 분산되어 나타나기 때문에 앞에서 구한 연대처럼 둘로 나누어 연대를 구하는 것 의 정당성 확인과 함께 보다 정밀한 연대를 구하기 위해서는 추가적인 분석이 필요하다. 그러나 북광체 와 남광체 지역의 앰피볼라이트 각각에서 모두 약 1830 Ma 부근에 상당한 분석점들이 모이며, 그 값이 서로 일치함에 주목할 필요가 있다. 이 분석점들은 대부분 Th/U 비율이 0.1보다 훨씬 크기 때문에 일반 적으로는 당시에 일어났던 화성작용의 시기를 나타낼 가능성이 높다고 해석할 수도 있다. 그러나 일부 분 석점들의 Th/U 비율은 0.1보다 훨씬 낮은 값을 보이 는 것들도 있으며, 이 경우 통상 변성연대로 해석된 다. 분석된 암석들에서는 서로 다른 Th/U 비율을 나 타내는 분석점들의 연령값들의 분포범위가 중첩되며 뚜렷한 차이를 나타내지는 않는 것으로 파악된다. 따 라서 구해진 연대가 화성연대인지 아니면 변성시기를 나타내는지 여부를 판단하기가 쉽지 않다. 저어콘의 생장 조직을 나타내는 CL 영상에서 단순한 진동누대 구조로 보이지 않는 누대조직도 일부 관찰되기 때문 에 이들이 모두 마그마에서 정출한 단일의 화성활동 으로 생성된 것으로 보기는 어렵다. 현재의 U-Pb 분
Table 1. SHRIMP U-Pb zircon data of the gneissic country rock of the Hongcheon iron-REE deposit Spot no. U
(ppm)
Th
(ppm) Th/U Common
206Pb (%)
238U/206Pb Error (%)
207Pb/206Pb Error (%)
Apparent age (Ma)
HJC1-2_1.1 77 65 0.88 1.10 2.31 1.5 0.1537 0.93 2387±16
HJC1-2_2.1 326 165 0.52 1.34 2.36 1.1 0.1541 0.74 2392±13
HJC1-2_3.1 694 41 0.06 0.59 3.13 1.1 0.1133 0.38 1852±7
HJC1-2_4.1 1073 56 0.05 4.06 3.16 1.1 0.1149 2.10 1878±38
HJC1-2_5.1 294 147 0.52 3.21 2.62 1.1 0.1524 0.78 2373±13
HJC1-2_6.1 976 53 0.06 0.98 3.23 1.0 0.1139 0.30 1863±5
HJC1-2_7.1 717 56 0.08 1.38 3.34 1.1 0.1135 0.40 1857±7
HJC1-10_1.1 80 24 0.31 -- 2.96 1.5 0.1094 1.69 1789±31
HJC1-10_2.1 1067 486 0.47 0.40 2.93 1.0 0.1187 0.29 1937±5
HJC1-10_3.1 275 111 0.42 0.14 2.85 1.3 0.1193 0.63 1946±11
HJC1-10_4.1 319 98 0.32 0.34 2.86 1.2 0.1198 0.57 1953±10
HJC1-10_5.1 335 112 0.35 0.32 2.86 1.1 0.1192 0.57 1944±10
HJC1-10_6.1 162 61 0.39 0.13 3.01 1.2 0.1120 0.92 1832±17
HJC1-10_7.1 52 76 1.50 0.36 3.04 1.7 0.1101 2.02 1801±37
HJC1-10_8.1 242 72 0.31 0.02 2.93 1.2 0.1144 0.69 1870±12
HJC1-10_9.1 76 26 0.36 -- 2.97 1.5 0.1090 1.63 1783±30
HJC1-10_10.1 988 529 0.55 -- 2.69 1.0 0.1220 0.28 1986±5
HJC1-10_11.1 973 313 0.33 -- 2.72 1.1 0.1188 0.30 1938±5
HJC1-10_12.1 524 181 0.36 0.35 2.93 3.5 0.1175 0.50 1918±9
HJC1-10_13.1 460 119 0.27 0.64 3.10 1.1 0.1141 0.88 1866±16
HJC1-10_14.1 110 29 0.27 0.45 3.08 1.4 0.1088 1.44 1780±26
HJC1-10_15.1 147 42 0.30 1.20 3.16 1.3 0.1145 2.20 1872±40
HJC1-10_16.1 573 137 0.25 0.10 2.89 1.1 0.1175 0.42 1918±8
HJC1-10_17.1 235 75 0.33 0.46 3.10 1.2 0.1125 0.75 1840±14
HJC1-10_17.2 147 115 0.81 -- 2.15 1.6 0.1587 2.06 2442±35
HJC2-1_1.1 76 31 0.42 0.49 2.96 1.6 0.110 3.2 1805±57
HJC2-1_2.1 306 146 0.49 0.51 3.12 1.0 0.111 0.8 1818±15
HJC2-1_3.1 237 121 0.53 0.90 3.10 1.1 0.114 1.0 1866±18
HJC2-1_4.1 266 121 0.47 1.24 3.27 1.0 0.112 0.9 1833±16
HJC2-1_5.1 201 95 0.49 0.90 3.14 1.1 0.112 1.1 1837±19
HJC2-1_6.1 263 137 0.54 0.72 3.13 1.0 0.112 0.9 1834±16
HJC2-1_7.1 303 225 0.77 0.70 3.12 1.0 0.113 0.7 1852±13
HJC2-1_8.1 415 264 0.66 0.84 3.20 0.9 0.112 0.6 1832±11
HJC2-1_9.1 159 83 0.54 0.78 3.09 1.2 0.112 2.6 1831±48
HJC2-1_10.1 195 6 0.03 0.02 2.92 1.1 0.114 0.9 1869±16
HJC2-1_11.1 42 10 0.24 0.21 2.78 2.6 0.105 5.4 1708±100
HJC2-1_12.1 363 196 0.56 1.07 3.24 1.0 0.112 0.7 1840±13
HJC2-1_13.1 720 420 0.60 0.40 3.05 0.9 0.114 0.9 1861±16
HJC2-3_1.1 861 328 0.39 -- 2.70 1.0 0.1213 0.84 1975±15
HJC2-3_2.1 292 8 0.03 0.06 3.01 1.1 0.1126 0.62 1841±11
HJC2-3_3.1 729 454 0.64 -- 2.88 1.1 0.1148 0.36 1876±6
HJC2-3_4.1 1447 671 0.48 -- 2.76 1.0 0.1195 0.24 1949±4
HJC2-3_5.1 674 298 0.46 0.29 3.05 1.1 0.1134 0.80 1855±14
HJC2-3_6.1 291 279 0.99 -- 2.93 1.1 0.1111 0.68 1817±12
HJC2-3_7.1 53 13 0.24 -- 2.98 1.7 0.1049 2.24 1713±41
HJC2-3_8.1 70 22 0.33 0.78 3.16 1.5 0.1090 1.84 1783±33
HJC2-5_1.1 172 88 0.53 0.15 3.05 1.2 0.1118 0.83 1829±15
HJC2-5_2.1 381 159 0.43 0.46 2.85 3.8 0.1215 0.85 1978±15
HJC2-5_3.1 941 310 0.34 0.46 2.97 2.6 0.1173 0.64 1916±11
HJC2-5_4.1 188 105 0.58 0.20 2.98 1.2 0.1137 0.75 1859±14
HJC2-5_5.1 165 7 0.05 0.95 3.21 1.2 0.1136 0.77 1857±14
HJC2-5_6.1 101 30 0.31 0.45 3.03 1.4 0.1117 1.26 1828±23
HJC2-5_7.1 100 2 0.02 0.74 3.20 1.4 0.1115 1.77 1823±32
Errors are 1-sigma. Common lead correction was applied using 204Pb-method. Apparent ages were calculated based on 207Pb/206Pb ratios.
석자료는 저해상도의 CL 영상을 바탕으로 분석점을 선정하여 분석한 것이기 때문에 일부 분석점에는 변 성누대부분과 원래 마그마에서 성장한 부분이 혼합된 결과일 수도 있다. 이처럼 일부 저어콘 입자들이 후 기의 변성작용시 덧성장했을 가능성, 정확한 화성활 동의 시기와 변성시기의 결정 등은 추가적인 연구를 통해 보다 정밀하게 규명되어야 할 필요가 있다.
이 연구에서 제시한 대략적인 연령이 화성활동에 의한 관입시기이거나 아니면 변성작용의 시기이거나
상관없이 기존에 보고된 한반도 기저암의 연령과는 다소 차이가 있다. 이 연령은 얼핏 보기에는 한반도 의 경기육괴와 영남육괴 뿐만 아니라 북한의 낭림육 괴를 포함하는 여러 지역에서 보고된 기반암의 고원 생대 생성 및 변성시기(예, Kim et al., 2009; Song et al., 2009, 2011)와 대체로 일치하는 값이라고 볼 수도 있다. 그러나 최근 Lee and Cho(2012)가 남한 의 경기육괴, 영남육괴 및 북한의 낭림육괴로부터 보 고된 U-Pb 및 Pb-Pb 연대자료들을 종합해 놓은 결 Fig. 1. Geological map of the study area modified after Lee and Ryoo (2012).
과와 비교해보면 경기육괴의 일반적 연대분포 경향과 는 다소 차이가 있음을 알 수 있다. Lee and Cho (2012)에 종합해 놓은 경기육괴의 자료 중에서 1800~1900 Ma 범위로 보고된 연령은 모두 16개 지 역이며, 그 단순평균은 1868±9(1σ) Ma로 계산된다.
비교적 좁은 범위에 놓이는 이 연령구간에 속하는 암 체들의 저어콘들은 화성활동을 나타내는 것과 변성작 용을 나타내는 것이 모두 포함된 것으로 보고되었다 (Lee and Cho, 2012). 반면에 이 연구에서 구한 홍 천 철-희토류 광상지역의 기반암 연령은 약 1830 Ma 로 역시 고원생대의 지질사건을 나타내기는 하지만 경기육괴에서 일반적으로 나타나는 약 1870 Ma의 화 성활동 및 변성작용을 일으킨 지질사건들과는 구분되
는 값이라고 할 수 있다.
한편 Lee et al.(2012)의 Table 1에 보고된 영남육 괴에 대한 기존 연대측정 자료 중에서 1800-1900 Ma 의 범위에 속하는 것은 총 20개의 자료가 보고되었으 며 그 평균은 1857±19(1σ) Ma이다. 영남육괴의 경 우 이 연령범위의 평균값에 대한 편차가 경기육괴에 비해 훨씬 큰 값으로 계산된 것은 이 시기의 활동이 단일 사건이 아닐 가능성을 시사한다. 만약 이 중에 서 1850 Ma 이상과 이하로 나누어 다시 계산해보면 1850 Ma 초과연령의 경우 11개이고 그 평균은 1871±11(1σ) Ma로 경기육괴에 대한 기존 연구자료의 평균값 1868±9(1σ) Ma와 매우 비슷하다. 한편 1850 Ma 이하는 9개로 1839±9 Ma의 평균값을 보이 Fig. 2. Zircon U-Pb analysis results for the country rocks from the southern ore deposit area. Terra-Wasserburg plots for the biotite-hornblende gneisses (a) HJC 1-2 and (b) HJC 1-10. Isochron ages calculated from the (c) group 1 and (d) group 2 of HJC 1-10.
며, 이 연구에서 구한 약 1830 Ma의 연령과 매우 비 슷하다. 이는 경기육괴와 영남육괴 모두에서 약 1870 Ma와 1830 Ma 두 차례에 걸쳐 공통적인 지질 사건을 겪었을 가능성을 시사한다.
기발표된 연구자료들 중에서도 약 1830 Ma의 시기 또는 그 이후의 고원생대 시기에도 경기육괴의 여러 지역에 화성활동이 일어났을 가능성을 뒷받침하는 연 구결과들이 있다. Zhai et al.(2005)은 양양지역에서 라파키비 화강암의 존재 및 그 연령을 보고하였는데 SHRIMP 저어콘 U-Pb 연령이 1839±10 Ma이다. 또 한 Cho et al.(2006)이 보고한 서산층군 함철규암의 쇄설성 저어콘에 대한 SHRIMP U-Pb 연대분포를 보 면 전체 42개 자료 중에서 207Pb/206Pb 연령이 1850 Ma 이하인 자료가 거의 절반에 가까운 19개이다. 이 중
에서 약 1790~1800 Ma의 범위에 속하는 것만도 6개 의 분석점이 있다. 만약 불일치도(discordancy)가 10% 이내인 자료 중에서 분석자료의 오차가 2% 이 하인 신뢰도가 높은 자료로 범위를 한정하더라도 이 러한 결과는 크게 달라지지 않는다. 이들은 모두 Th/
U>0.1로 화성연대를 나타낸다.
이러한 결과들은 경기육괴의 기반암이 겪은 고원생 대 지질사건들에 대해 보다 정밀한 연구수행이 필요 함을 말해준다. 비록 앞에서 언급한 자료들이 엄격한 통계적 판단을 거친 것은 아니지만 추가적인 연구를 통해 기존에 알려진 흔히 나타나는 약 1870 Ma의 연 령보다 보다 조금 더 젊은 시기의 지질사건 존재가능 성을 확인하고, 나아가 그 성격을 규명할 필요성의 제기에는 큰 무리가 없다고 판단한다.
Fig. 3. Zircon U-Pb analysis results for the country rock from the northern ore deposit area. (a) Histogram of the U-Pb analysis result of biotite-hornblende gneiss HJC 2, (b) Terra-Wasserburg plot, and isochron ages calculated from the (c) group 1 and (d) group 2 of HJC 2.
사 사
이 연구는 한국지질자원연구원에서 수행중인 “국내 희유금속자원 탐사 및 활용기술개발” 과제의 지원으 로 수행되었으며 이에 감사드린다.
References
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2013년 12월 05일 접수 2013년 12월 06일 심사개시 2013년 12월 19일 채택
