Microstructure Related to the Growth of Rare-earth Mineral in the Eoraesan Area, Chungju, Korea

Jour. Petrol. Soc. Korea Vol. 28, No. 2, p. 129~141, 2019 https://doi.org/10.7854/JPSK.2019.28.2.129

충주 어래산 지역에서 희토류 광물의 성장과 관련된 미구조

강지훈*

안동대학교 지구환경과학과

Microstructure Related to the Growth of Rare-earth Mineral in the Eoraesan Area, Chungju, Korea

Ji-Hoon Kang*

Department of Earth and Environmental Sciences, Andong National University, Andong, 36729, Korea

요 약: 옥천변성대의 북서부에 위치하는 충주 어래산 지역은 주로 신원생대 계명산층과 이를 관입하는 중 생대 화성암류로 구성되어 있다. 계명산층의 변성산성암의 방사능 값은 매우 높게 나타나고, 전기 쥬라기 흑 운모 화강암은 이 지역에 광범위하게 분포한다. 이 논문에서는 변성산성암을 중심으로 희토류 광물인 갈렴석 의 성장과 관련된 미구조 연구를 수행하여 희토류 광화작용의 기원과 발생 시기를 고찰하였다. 변성산성암은 주로 알칼리장석(주로 미사장석), 석영, 철산화광물, 흑운모, 사장석, 각섬석, 갈렴석, 저어콘, 녹렴석, 형석, 인 회석, 석류석, (사)유렴석 등으로 구성되어 있다. 갈렴석은 흑운모와의 접촉부에 방사선 손상에 의한 짙은 갈 색 광륜을 형성시키기도 하고, 광역엽리를 따라 집합체로 산출되기도 한다. 대부분의 갈렴석(집합체)의 주변 부에서는 광역엽리가 형성되기 이전에 이들이 성장하였음을 지시하는 변형그늘이나 광역엽리의 굴곡면은 관 찰되지 않는다. 갈렴석 집합체에 포획된 철산화광물의 입자 크기와 방향성은 광역엽리를 따라 산출하는 기질 부의 철산화광물과 동일하다. 후기 화성암의 관입에 의한 열수변질작용으로 각섬석의 흑운모화가 인지되고, 이차적으로 성장한 흑운모는 갈렴석, 저어콘, 녹렴석 등과 접촉 공생한다. 이러한 미구조로부터 희토류 광물 인 갈렴석(집합체)은 주로 광역엽리가 형성된 이후에 화성암의 관입과 관련된 열수변질작용으로 성장하였으 며, 충주 어래산 지역의 희토류 광화작용은 이 지역에 광범위하게 산출되는 전기 쥬라기 흑운모화강암의 관 입과 밀접한 관련성이 있는 것으로 고찰된다.

핵심어: 충주 어래산 지역, 갈렴석, 미구조, 희토류 광화작용, 전기 쥬라기 흑운모화강암

Abstract:

*Corresponding author Tel: +82-54-820-5474 E-mail: [email protected]

the rare-earth mineral of allanite (aggregate) grew by the hydrothermal alteration due to the intrusion of igneous rock after the formation of regional foliation. It is considered that the REE mineralization is closely related to the intrusion of Early Jurassic biotite granite which is regionally distributed in this area.

Keywords:

서 론

조산대 지역에서 변성광물의 성장 요인이 되는 변 성작용 내지 광화작용은 변형작용과 밀접한 관련이 있다. 변성작용 내지 광화작용 동안에 성장된 변성광 물과 변형작용 동안에 형성 내지 변형된 변성광물 내

·외부 엽리 사이의 기하학적인 형태는 변형작용에 대 한 변성광물의 성장 시기에 좌우되어 다양하게 나타 난다(e.g. Zwart, 1962; Vernon and Ryde, 1978;

Toteu and Macaudiere, 1984; Passchier and Trouw, 1996의 p.153~196). 따라서 변성광물과 이들 엽리 사 이의 다양한 기하학적 형태를 이용하여 변형작용에 대한 변성광물의 상대적 성장 시기 즉 전구조(pre- tectonic), 동구조(syn-tectonic), 후구조(post-tectonic) 변성광물을 결정하는 연대학적 구조분석(chronological structural analysis) 방법은 조산대 지역에서 변형작용 과 변성작용(광화작용) 사이의 상대적인 시간관계를 결정하는데 매우 유용한 연구도구로서 활용되어 왔다 (e.g. Kang et al., 1993; Kang et al., 1998; Kang, 2010; Kang and Lee, 2012).

옥천변성대의 북서부에 위치하는 충주-괴산 지역은 옥천변성대의 주요 구성 지층인 계명산층, 향산리돌 로마이트층, 대향산규암층, 문주리층, 운교리층, 황강 리층과 이들 지층을 관입하는 중생대 화성암류가 분 포한다(Kim and Lee, 1965; Lee and Kim, 1972) (Figs. 1, 2). 이 지역의 계명산층, 문주리층, 운교리층 내에는 대륙판 내부의 옥천열곡작용과 관련된 쌍봉형 화성활동의 화산암과 심성암이 다량 산출된다(e.g., Cluzel et al., 1990; Kang, 1994a, 1994b; Kang and Ryoo, 1997; Koh et al., 2005). 또한 이들 지 층에서는 희토류 광화대와 이와 관련된 높은 자력 및 방사능 이상대가 보고된 바가 있다(Koo et al., 1986; Oh et al., 1988). 이에 충주-괴산 지역에서 희토류 광체의 기원암과 그 분포 및 특성 그리고 형 성시기 등을 파악하기 위한 광상학적 연구와 지구연 대학적 연구는 지금까지 활발히 수행되었다(Oh et

al., 1988; Park and Kim, 1995, 1998; Kim et al., 1998; Park et al., 2005; You et al., 2012),

최근 Kang et al.(2017)은 이들 주요 지층 사이의 지질학적 관계를 직접 조사할 수 있고, 희토류 광화 대와 관련된 높은 자력 및 방사능 이상대를 보이는 충주 어래산, 철광산, 남산, 향산리, 옥녀봉 지역들과 괴산 검승리 지역(Figs. 1, 2)에서 이들 지층에 대한 암상단위 구분에 의한 상세한 지질도를 작성하고, 옥 천변성대 북서부의 지질 및 구성암류, 지구연대학적 자료와 지화학적 자료를 종합하여 옥천열곡분지의 형 성 및 진화 과정에 수반된 옥천열곡분지의 화성활동 사를 보고한 바가 있다.

또한 Kang et al.(2018a)은 충주 어래산 지역에서 암상단위 구분에 의해 작성된 상세한 지질도를 바탕 으로 암상별 방사능 값과 그 밀도분포도를 분석하였 다. 그 결과 계명산층 내 함염기성형 변성심성산성암 의 분포영역이 희토류 광화대의 분포영역(Oh et al., 1988)과 매우 유사함을 인지하고, 이 암석을 희토류 광체의 기원암으로 해석한 바가 있다. 그리고 이러한 가능성을 확인하기 위해 Kang et al.(2018b)은 계명 산층과 이와 유사한 구성암류가 광범위하게 분포하는 충주-괴산 지역에서 암상별 방사능 값과 그 밀도분포 도를 분석하였다. 그 결과 세부 지역별 구성암류의 방사능 최대(평균)값이 변성 심성 및 화산 산성암에 서 일반적으로 높게 나타나고, 특히 전기 쥬라기 흑 운모화강암이 광범위하게 산출하는 충주 어래산 지역 의 변성심성산성암(함염기성형)과 철광산 지역 북부 영역의 변성 심성 및 화산 산성암에서 그 방사능 값 이 월등히 높게 나타났다. 이에 그들은 충주-괴산 지 역에서 희토류 광화작용은 전기 쥬라기 화성활동과 밀접한 관련성이 있고, 전기 쥬라기 화성활동은 충주 -괴산 지역 구성암류의 방사능 평균값을 적어도 22∼

81 (최대 899) cps 범위 이상을 증가시켰으며, 그 상 승효과는 충주 어래산 지역에 분포하는 함염기성 변 성심성산성암이 근원암일 때 최대가 되는 것으로 보 고한 바가 있다.

충주 어래산 지역에서 희토류 광물의 성장과 관련된 미구조 131

Fig. 1. (a) Tectonic province maps of the Korean Peninsula, and (b) geological map showing the division of stratigraphic sequences and structural units in the Ogcheon Belt with the locality of study area (Kang et al., 2012b). 1: Thrust, 2: Fault, B: Bonghwa, Bo: Boeun, C: Chungju, G: Gwangju, Ga: Gangneung, Je: Jeonju, M:

Mungyeong, Mo: Mokpo, O: Ogcheon, P: Pyeongchang, S: Sunchang, W: Wando, Y: Yecheon, Ye: Yeongkwang.

본 논문에서는 충주 어래산 지역을 중심으로 변성 심성 및 화산 산성암에서 산출되는 희토류 광물의 성 장(광화작용)과 변형작용 사이의 상대적인 시간관계 에 관한 미구조 연구결과를 보고하고, 이 미구조 연 구결과와 상기된 기존 연구결과(Koo et al., 1986;

Oh et al., 1988; Kang et al., 2017, 2018a, 2018b)를 종합하여 충주-괴산 지역에서 희토류 광체 의 형성 기원과 희토류 광체 형성과 관련된 광화작용 의 발생시기를 고찰해 보고자 한다.

지질개요

1: 50,000 충주도폭(Kim and Lee, 1965)의 중서

부에 위치하는 충주 어래산 지역은 신원생대 계명산 층과 중생대 화성암류가 분포하고, 이 지역의 계명산 층 내에서는 희토류 광화대가 보고된 바가 있다(Oh et al., 1988). 그러나 기존 연구결과(Kim and Lee, 1965)와 달리 이 지역의 신원생대 계명산층과 중생대 화성암류는 매우 다양한 구성암류로 되어 있고, 중생 대 흑운모화강암은 광범위하게 분포하며 계명산층의 주요 구성암류를 광범위하게 접촉 변성시켰다(Fig. 3).

계명산층의 구성암류에는 광역엽리와 신장선구조가 발달한다. 광역엽리는 주로 판상광물의 정향배열에 의 한 편리, 무색광물대와 유색광물대가 호층을 이루는 편마구조, 구성광물의 입도 세립화와 함께 형성된 압 쇄엽리 등으로 인지된다. 그 방향성은 동북동 주향에 북쪽으로 중각 내지 고각으로 경사하는 우세한 방향 성을 보이나 분산되어 있고, 광역엽리의 우세한 방향 성은 계명산층 주요 구성암상의 대상 분포방향과 거 의 일치한다(Fig. 3, Kang et al., 2018a의 Fig. 3).

신장선구조는 광역엽리 상에서 주로 신장된 석영 및 장석 집합체들의 정향배열에 의해 인지된다. 그 방향 성은 북동 방향으로 중각 침강하는 우세한 방향성을 보이며 다소 분산되어 있다(Kang et al., 2018a의 Fig. 3).

지질도 상에 인지되는 주요 단층으로는 북서, 서북 서, 남북, 북동 방향의 단층들이 있다(Fig. 3). 이들 단층 중에 북서 방향의 단층이 우세하게 발달하고, 이들 단층은 이 지역 주요 구성암류의 연장성을 절단 한다.

구성암류와 방사능 값

야외에서 신원생대 계명산층의 주요 암상은 변성이 질암, 화강암질편마암, 함철규암, 변성심성산성암(호상 형, 세립형, 함염기성형, 조립형), 변성화산산성암 등 으로 구분되고, 이를 관입하는 중생대 화성암류는 페 그마타이트, 흑운모화강암, 반려암, 섬록암, 염기성 암 맥 등으로 구분된다(Fig. 3).

신원생대 계명산층

변성이질암은 세립형 변성심성산성암에 협재되어 이 지역의 북부에 소규모로 산출한다(Fig. 3). 주로 흑운모, 석영, 장석으로 구성되어 있고, 소량의 각섬 석, 저어콘 등을 포함한다. 흑운모와 신장된 석영 및 장석의 정향배열에 의한 편리가 발달한다.

Fig. 2. The locality of study area in the Chungju (Kim

and Lee, 1965) (upper C) and Goesan (Lee and Kim,

1972) (lower G) sheets (1: 50,000). For detailed

explanation, see the 1: 50,000 Chungju and Goesan

sheets.

충주 어래산 지역에서 희토류 광물의 성장과 관련된 미구조 133

화강암질편마암은 이 지역의 남부에 소규모로 산출 한다(Fig. 3). 그 분포는 충주도폭(Kim and Lee, 1965)의 백악기 각섬석화강암의 분포와 일부 일치한 다. 장석이 풍부한 무색광물대와 흑운모 및 철산화광 물이 풍부한 유색광물대가 호층을 이루는 편마구조가 발달한다. 최근 Cheong et al. (2015)은 이 지역 화 강암질편마암(편마상 섬장암)의 저어콘 입자들의 중 심부와 주변부로부터 각각 전기 신원생대(858.2±6.3 Ma)와 전기 쥬라기(ca. 190 Ma)의 ²⁰⁶Pb/²³⁸U 연대를 보고하고, 이들을 각각 전기 신원생대 화성활동과 전 기 쥬라기 화강암의 접촉변성작용 시기로 해석한 바 가 있다.

함철규암은 이 지역의 중앙부에서 주로 조립형 변 성심성산성암에 협재되어 소규모 렌즈상으로 산출한 다(Fig. 3). 주 구성광물은 석영과 철산화광물로 되어 있고 소량의 흑운모가 관찰되며, 신장된 이들 구성광 물의 정향배열에 의한 엽리가 우세하게 발달한다.

변성심성산성암은 이 지역의 전역에서 산출하며 계 명산층의 대부분을 차지한다(Fig. 3). 구성광물 및 조 직의 차이에 의해 야외에서 호상형, 세립형, 함염기성 형, 조립형 등으로 세분된다.

호상형은 이 지역의 남부에 주로 분포하고, 북부에 소규모로 분포한다(Fig. 3). 주로 장석 및 석영 집합 체로 구성된 무색광물대와 주로 흑운모와 철산화광물 로 구성된 유색광물대가 호층을 이루는 편마구조가 발달한다. 세립 기질에 석영, 장석, 철산화광물이 반 정으로 나타나기도 하고, 이들 반정의 입도 세립화와 함께 압쇄엽리가 발달하기도 한다.

세립형은 이 지역의 북부와 남부에 분포한다(Fig.

3). 주 구성광물은 세립의 장석, 석영과 극세립의 철 산화광물로 되어 있다. 육안으로 장석과 석영은 포도 송이와 같은 등립상 조직을 보인다. 일반적으로 엽리 의 발달이 미약하다. 드물게 신장된 철산화광물 집합 체의 배열에 의한 엽리가 발달한다.

Fig. 3. Geological map of the Eoraesan area, Chungju (Kang et al., 2017, 2018a). Numbers (167, 179, 187, 342,

431): sample sites of Figs. 4, 6~8.

함염기성형은 이 지역의 중부에 산출한다(Fig. 3).

거정의 핑크색 장석을 주 구성광물로 하고 각섬석, 흑운모, 석영을 포함한다. 엽리는 이들 구성광물 집합 체의 정향배열에 의해 정의된다. 다양한 크기의 장석 반정을 포함하고 철광층을 드물게 협재한다. 어래산 부근에서 동북동 방향의 대상 분포를 보이는 이 암석 을 Kang et al.(2018a)은 희토류 광체의 기원암으로 해석한 바가 있다.

조립형은 이 지역의 중부와 남부에 분포하고, 부분 적으로 변성화산산성암과 호층을 이루며 산출한다(Fig.

3). 조립~거정의 핑크색 장석을 주 구성광물로 하고, 소량의 유색광물을 포함한다. 함염기성형과 유사한 광 물조성을 보이나, 일반적으로 철광층을 협재하고 신 장된 철광층 내지 유색광물 집합체의 정향배열에 의 한 엽리가 발달한다. 경하에서 거정의 장석은 주로 세립화된 기질에 재결정된 세립 장석집합체인 장석풀 (pool)로 관찰되나. 광역엽리 형성 이전의 원암 조직 도 종종 관찰된다. Kang(1994b)과 Kang and Ryoo (1997)는 이 암석을 섬장암질암 내지 몬조나이트질암 으로 기재한 바가 있다. 또한 Kang et al.(2012a)은 이 지역 이 암석으로부터 870±66 Ma (871±66 Ma) 와 194±18 Ma (192±18 Ma)의 SHRIMP U-Pb 저 어콘 연대를 구하고, 이들을 각각 전기 신원생대의 화성활동과 전기 쥬라기 흑운모화강암의 접촉변성작 용 시기로 보고한 바가 있다.

변성화산산성암은 이 지역의 중앙 북부와 중앙 서 부에 산출하고, 주로 동북동 방향의 대상 분포를 보 인다(Fig. 3). 불평탄한 깨진자국과 (극)세립 치밀한 조직과 괴상 조직을 보이고, 괴상인 경우 장석 반정 이 관찰되기도 한다. Kang(1994b)과 Kang and Ryoo (1997)는 담회색 내지 암회색을 띄며 세립질인 이 암 석을 조면암질암으로 기재한 바가 있다. Lee et al.

(1998)은 옥녀봉 지역과 그 부근 문주리층의 변성화 산산성암(변성조면암과 변성유문암)으로부터 755.8±

1.3 Ma와 160±19 Ma의 U-Pb 저어콘 연대를 얻고, 이들을 각각 옥천변성대에 중기 신원생대의 화성활동 과 중기 쥬라기의 접촉변성작용 시기로 보고한 바가 있다.

중생대 화성암류

페그마타이트는 이 지역의 중앙부에 (동)북동 방향 으로 소규모 산출한다(Fig. 3). 핑크색 거정 내지 조 립 장석을 주 구성광물로 하고, 페그마타이트질 내지

조립질 입상조직을 보인다. 페그마타이트 모암인 희 토류 광체의 약 190 Ma U-Pb 저어콘 연대(You et al., 2012)와 페그마타이틱 화강암맥의 190.1±1.6 Ma

206Pb/²³⁸U 저어콘 연대(Cheong et al., 2015)로부터 이 지역 페그마타이트의 관입시기는 전기 쥬라기로 보고된 바가 있다.

흑운모화강암은 충주도폭(Kim and Lee, 1965)과 달리 이 지역의 서부와 동부에 넓게 분포하고, 그 외 전 영역에서 소규모로 노출되어 있다(Fig. 3). 이러한 산출양상은 흑운모화강암이 광범위하게 관입하여 계 명산층의 주요 구성암상을 광범위하게 접촉변성 시켰 음을 의미한다. 주 구성광물은 순백색 장석, 석영, 흑 운모로 되어 있다. 조립질 입상 조직을 보이고, 엽리 는 발달하지 않는다. 최근 보고된 연대측정 자료에 의하면 이 지역 흑운모화강암의 관입 및 접촉변성작 용의 시기는 전기 쥬라기로 나타난다(Kang et al., 2012a; Cheong et al., 2015).

반려암은 이 지역 북부와 중앙부에 소규모 암주상 으로 산출한다(Fig. 3). 주로 거정~조립의 각섬석과 장석으로 구성되어 있고, 조립질 입상조직을 보이며 엽리의 발달이 없다. 섬록암은 반려암에 비해 각섬석 이 세립이며 장석의 함량이 많다. 이 지역의 동부와 북부에서 흑운모화강암을 관입하는 암맥상으로 산출 된다(Fig. 3). 염기성암맥은 북북서와 북북동의 관입 방향을 보이며 소규모로 산출된다(Fig. 3).

암상별 방사능 값

충주 어래산 지역의 암상별 방사능 값의 범위와 평 균값은 신원생대 계명산층의 변성이질암이 78~196 (평균값: 122) cps, 화강암질편마암이 55~86(평균값:

70) cps, 함철규암이 30~180(평균값: 130) cps, 변성 심성산성암의 호상형이 171~283(평균값: 221) cps, 세립형이 39~278(평균값: 134) cps, 함염기성형이 852~1217(평균값: 1039) cps, 조립형이 104~251(평 균값: 174) cps, 변성화산산성암이 98~263(평균값:

131) cps 등으로 나타난다(Kang et al., 2018a). 중 생대 화성암류의 페그마타이트는 155~214(평균값:

176) cps, 흑운모화강암이 41~223(평균값: 82) cps, 반려암이 18~51(평균값: 38) cps, 섬록암이 21~120 (평균값: 101) cps, 염기성암맥이 75~107(평균값: 86) cps 등으로 나타난다(Kang et al., 2018a). 이들 구성 암류 중에서 함염기성형 변성심성산성암의 방사능 값 은 다른 구성암상에 비해 월등히 높게 나타난다.

충주 어래산 지역에서 희토류 광물의 성장과 관련된 미구조 135

충주-괴산 지역에서 암상별 방사능 최대(평균)값은 변성 심성 및 화산 산성암에서 높게 일반적으로 나타 나고, 충주 철광산 지역(최대값: 1404 cps)과 함께 충주 어래산 지역의 구성암류의 방사능 최대값(1217 cps)과 최대평균값(1039 cps)은 다른 지역들(최대값 범위: 310~498 cps, 최대평균값 범위; 114~258 cps) 에 비해 월등히 높게 나타난다(Kang et al., 2018b).

미구조

변성심성산성암의 구성광물은 암형에 따라 다소 차 이를 보이나, 주로 알칼리장석(주로 미사장석), 석영, 철산화광물, 흑운모, 사장석, 각섬석, 갈렴석, 저어콘, 녹렴석, 형석, 인회석, 석류석, (사)유렴석[(clino)zoisite]

등으로 되어있다. 광역엽리가 발달되지 않은 변성심 성산성암에서 주 구성광물인 장석, 석영, 철산화광물

등은 조립 내지 중립으로 나타나고, 이들 광물로부터 원암인 심성암의 조직은 종종 관찰된다(Fig. 4a, 4b).

반면에 광역엽리가 발달된 변성심성산성암에서 이들 주 구성광물은 압쇄암화되는 동안에 동력재결정작용 으로 입도 세립화되어 세립 내지 극세립으로 나타나 고, 이들 광물로부터 원암의 조직은 거의 인지하기 어렵다(Fig. 4c, 4d).

변성화산산성암의 구성광물은 변성심성산성암과 유 사하나, 세립질 내지 반상 조직을 보인다(Kang et al., 2017의 Fig. 12i). 이러한 변성화산산성암의 조직 은 광역엽리가 발달된 변성심성산성암의 조직과 유사 하여 이들 사이의 조직적 차이점을 인지하기는 어렵 다. 또한 압쇄암화작용 동안에 구성광물의 입도 세립 화와 함께 압쇄엽리가 발달된 변성화산산성암은 빈번 히 관찰되고, 이러한 암석에서는 변성화산산성암의 조 직 및 구성광물은 거의 인지하기가 어렵다(Kang et

Fig. 4. Microphotographs of microstructures (a, b: No. 342-1, coarse-grained type) before and (c, d: No. 167, coarse-grained type) after the formation of regional foliation (Sn) in the metaplutonic acidic rocks. B: biotite, K: K- feldspar, Mi: microcline, I: iron-oxidizing mineral, Q: quartz. Scale bar: 0.3 mm. (a, c): plane polarized light, (b, d):

crossed nicols. For detailed explanation, see the text.

Fig. 5. Microphotographs of pre-tectonic allanite (Aln) with respect to the formation of regional foliation (Sn) in the metahypabyssal acidic rock of Namsan area, Chungju. Note the well-developed strain caps and strain shadows around the allanite porphyroblast. It indicates that later deformation formed the regional foliation which is deflected around the allanite crystal. Scale bar: 0.3 mm. (a): plane polarized light, (b): crossed nicols.

Fig. 6. Microphotographs of allanite occurring as a single crystal in the metaplutonic acidic rocks. (a, b) Allanite which contacts with iron-oxidizing mineral and zircon and shows a scattered distribution (No. 179, coarse-grained type). (c, d) A dark brown halo in the biotite contacting with allanite (No. 431, basic-bearing type). It was formed due to radiation damage of biotite by the radioactive elements contained in the allanite. Aln: allanite, B: biotite, F:

fluorite, I: iron-oxidizing mineral, K: K-feldspar, Pl: plagioclase, Q: quartz. Zr: zircon. Note the absence of strain

shadows and strain caps around the allanite crystal which are common to pre-tectonic porphyroblast. For detailed

explanation, see the text. Scale bar: 0.3 mm. (a, c): plane polarized light, (b, d): crossed nicols.

충주 어래산 지역에서 희토류 광물의 성장과 관련된 미구조 137

al., 2017의 Fig. 12j).

변성산성암에서 대표적인 희토류 광물인 갈렴석은 크게 두 종류 즉 광역엽리가 발달하기 이전에 성장한 전구조 갈렴석과 이후에 성장한 후구조 갈렴석으로 구분된다. 전자는 광역엽리에 의해 포락되어 있으며, 갈렴석 주변에 광역엽리를 따라 변형그늘(strain shadows)이 발달하는 안구상 조직을 보인다(Fig. 5).

반면에 후자는 갈렴석 주변에서 광역엽리가 굴곡 되 지 않으며, 광역엽리를 따라 변형그늘이 발달하지 않 는다. 또한 전자는 충주 남산 지역에 분포하는 계명 산층의 변성반심성산성암에서 관찰되고(Fig. 2; Kang et al., 2017의 Figs. 5, 11), 이 지역 변성산성암에서 관찰되는 대부분의 갈렴석은 후자에 속한다. 미소규 모에서 후자의 산상적인 특징은 다음과 같다.

갈렴석은 장석, 석영, 철산화광물, 흑운모, 저어콘,

형석 등과 접촉하며 주로 단결정으로 산재되어 산출 한다(Fig. 6). 갈렴석과 접촉하는 저어콘은 철산화광 물을 포획하기도 한다(Fig. 6a, 6b). 흑운모는 갈렴석 과 접촉하거나 갈렴석을 포획하기도 한다. 방사능 값 이 매우 높은 함염기성형 변성심성산성암에서 갈렴석 의 방사성 원소들은 조립 흑운모와의 접촉부에 방사 선 손상(radiation damage)에 의한 짙은 갈색 광륜 (halo)을 형성시키기도 한다(Fig. 6c, 6d). 이러한 조 직을 보이는 갈렴석은 매우 붉은 빛의 암갈색을 보이 고, 형석 내지 저어콘과 접촉하거나 이들 광물을 포 획한다.

갈렴석은 광역엽리를 따라 집합체로 산출되기도 한 다. 갈렴석 집합체는 집합체 내 구성입자의 집합정도 에 따라 고 집합형(Fig. 7a, 7b)과 저 집합형(Fig.

7c, 7d)으로 구분된다. 전자는 집합체 내에 무색광물

Fig. 7. Microphotographs of allanite occurring as aggregate crystals in the metaplutonic acidic rocks (No. 187-2, basic-bearing type). (a, b) More gathering type. (c, d) Less gathering type. Aln: allanite, I: iron-oxidizing mineral, Zr:

zircon. Note the absence of deflection of regional foliation (Sn), strain shadows, strain caps around the allanite aggregate which are common to pre-tectonic porphyroblast. For detailed explanation, see the text. Scale bar:

0.3 mm. (a, c): plane polarized light, (b, d): crossed nicols.

의 함량이 적어 집합체를 구성하는 세립 갈렴석 입자 들이 집중되어 나타나고, 일반적으로 타원상 형태를 보인다. 반면에 후자는 집합체 내에 무색광물의 함량 이 많아 집합체를 구성하는 세립 갈렴석 입자들이 분

산되어 나타나고, 일반적으로 광역엽리를 따라 봉상 형태로 산출한다. 그러나 이들 갈렴석 집합체의 주변 부에서는 공통적으로 광역엽리가 발달하기 이전에 갈 렴석 집합체가 형성되었음을 지시하는 변형그늘이나

Fig. 8. Microphotographs of microstructures showing the hydrothermal conversion of hornblende to biotite in the metaplutonic acidic rocks. (a, b) Partially converted microstructure (No. 187-1, basic-bearing type). (c~f) Almost entirely converted microstructure (c, d: No. 342-2, coarse-grained type; e, f: No. 179-2, coarse-grained type). Aln:

allanite, B: biotite, Ep: epidote, H: hornblende, I: iron-oxidizing mineral, Q: quartz, Zr: zircon. For detailed

explanation, see the text. Scale bar: 0.3 mm. (a, c, e): plane polarized light, (b, d, f): crossed nicols.

충주 어래산 지역에서 희토류 광물의 성장과 관련된 미구조 139

광역엽리의 굴곡면은 관찰되지 않는다. 또한 이들 갈 렴석 집합체는 철산화광물을 포획하는데, 포획된 철 산화광물 입자의 크기와 방향성은 광역엽리를 따라 산출하는 기질부의 철산화광물과 동일하다. 이러한 미 구조로부터 이들 갈렴석 집합체는 광역엽리가 형성된 이후에 성장하였음을 알 수 있다.

화성기원의 일차적인 각섬석이 타형의 흑운모로 변 질된 조직은 빈번히 관찰된다(Fig. 8). 일차적인 각섬 석은 그의 벽개를 따라 흑운모화가 진행되어 잔류된 각섬석과 타형의 흑운모는 일차적인 각섬석의 코아와 맨틀을 각각 이루고 있다(Fig. 8a, 8b). 이러한 미구 조는 각섬석의 결정학적인 방향으로 흑운모의 우선적 인 성장의 결과로 해석되며, 이러한 성장은 300~500^oC 1 Kb에서 후기 화성암의 관입에 의한 각섬석의 열수 변질작용으로 발생한다(Brimhall et al., 1985). 또한 각섬석이 흑운모로 변질된 맨틀 부분은 저어콘, 갈렴 석, 철산화광물 등이 접촉 공생하고 있으며, 이들 접 촉 공생 광물은 주변 기질부에서도 산점상으로 관찰 된다. 각섬석이 흑운모로 더욱 진행된 조직에서 일차 적인 각섬석은 인지하기가 쉽지 않다. 이러한 조직에 서 이차적으로 성장한 거정의 흑운모 내에서는 동심 원상 철산화광물과 저어콘 광물대, 벽개를 따라 주상 으로 성장한 철산화광물과 저어콘(Fig. 8c, 8d), 흑운 모와 교호하는 녹렴석과 갈렴석(Fig. 8e, 8f) 등이 관 찰된다. 이는 이차적인 흑운모를 포함하여 이와 접촉 공생하고 있는 갈렴석, 저어콘, 철산화광물, 녹렴석 등 은 후기 화성암의 관입에 의한 열수변질작용으로 이 차적으로 함께 성장하였음을 지시한다.

고 찰

중부 옥천벨트의 지질 및 구성암류, 절대 및 화석 연대자료, 그리고 지질구조 자료를 종합해보면, 옥천 누층군의 지질시대는 신원생대~후기 고생대로 나타나 고, 옥천퇴적분지의 열곡작용과 이에 수반된 화성활 동은 적어도 4회[신원생대 2회(전기: 약 852~892 Ma와 중기: 약 747~762 Ma)], 고생대 2회(전기: 약 424~463 Ma와 중기: 약 330~398 Ma)] 발생하였다 (e.g. Kang et al., 2012b, 2017). 또한 옥천누층군을 관입하는 중생대 화성암류의 지구연대학적 자료와 지 화학적 자료를 종합해 보면, 옥천변성대 북서부에서 는 전기 신원생대와 고원생대의 화성활동의 산물을 근원 물질로 하는 전기 쥬라기(약 183~199 Ma)와

중기 쥬라기(약 160~180 Ma) 화성암류가 각각 존재 한다(e.g. Kang et al., 2017, 2018b).

옥천변성대 북서부에서 전기 쥬라기 화성암류는 계 명산층, 문주리층, 운교리층의 내부에서 암주상 내지 암맥상으로 산출된다(Kang et al., 2018b). 대표적인 화성암류로는 충주 어래산과 철광산 지역들에서 계명 산층과 문주리층을 관입하는 페그마타이트(약 190 Ma의 U-Pb 저어콘 연대)(You et al., 2012), 페그마 타이트질 화강암맥, 그리고 흑운모화강암(약 187~194 Ma의 ²⁰⁶Pb/²³⁸U 저어콘 연대)(Cheong et al., 2015) 등이 있다. 전기 쥬라기 화성암류의 접촉변성작용의 시기는 충주 어래산 지역의 조립형 변성심성산성암 (중심부: 870±66 Ma, 주변부: 194±18 Ma) (Kang et al., 2012a)과 화강암질편마암(중심부: 858.2±6.3 Ma, 주변부: 약 190 Ma) (Cheong et al., 2015)의 저어콘 입자들의 주변부로부터 측정된 전기 쥬라기 U-Pb 저어콘 연대로부터 알 수 있다. 그리고 중기 쥬라기 화성암류는 계명산층, 문주리층, 운교리층의 외부에서 저반상 내지 암주상으로 산출된다(Kang et al., 2018b). 대표적인 화성암류로는 충주도폭의 북부 와 서부 그리고 남부에서 광범위하게 산출되는 흑운 모화강암(약 175~176 Ma의 ²⁰⁶Pb/²³⁸U 저어콘 연대) (Cheong et al., 2015) 등이 있다(Figs. 1, 2). 중기 쥬라기 화성암류의 접촉변성작용의 시기는 충주 옥녀 봉지역과 그 부근 문주리층의 변성화산산성암(중심부 : 755.8±1.3 Ma, 주변부: 160±19 Ma) (Lee et al., 1998)의 저어콘 입자들의 주변부로부터 측정된 중기 쥬라기 U-Pb 저어콘 연대로부터 알 수 있다.

희토류 광화대와 관련하여 높은 자력 및 방사능 이 상대를 보이는 충주 어래산, 철광산, 남산, 향산리, 옥 녀봉 지역들과 괴산 검승리 지역(Figs. 1, 2, 3)에서 암상별 방사능 최대(평균)값은 전기 쥬라기 흑운모화 강암이 광범위하게 분포하고, 전기 쥬라기 페그마타 이트가 소규모로 분포하는 충주 어래산 지역과 철광 산 지역 북부 영역의 변성산성암에서 특히 높게 나타 난다(Kang et al,, 2018b). 이러한 연구결과를 바탕으 로 충주 어래산 지역 변성산성암에서 산출되는 희토 류 광물인 갈렴석의 성장과 관련된 미구조를 연구한 결과, 갈렴석은 주로 광역엽리가 형성된 이후에 화성 암류의 관입과 관련된 열수변질작용으로 성장하였으 며, 흑운모, 저어콘, 녹렴석, 형석, 철산화광물 등과 접촉 공생하는 산출양상을 보인다. 이는 충주 어래산 지역의 희토류 광화작용은 이 지역에서 암주상으로

광범위하게 산출되는 전기 쥬라기 흑운모화강암(Kang et al., 2012a; Cheong et al., 2015)과 소규모 암맥 상으로 산출되는 전기 쥬라기 페그마타이트(You et al., 2012; Cheong et al., 2015)의 관입과 관련된 전기 쥬라기 화성활동과 밀접한 관련성이 있음을 의 미한다. 그리고 이러한 연구결과는 충주 어래산 지역 계명산층 내의 변성산성암 희토류 광체의 갈렴석 광 물로부터 보고된 전기 쥬라기(약 183~199 Ma)의

208Pb/²³²Th 연대(Cheong et al., 2015)와 일치하고, 충주-괴산 지역에서 노두별 구성암류의 방사능 값과 그 밀도분포도로부터 고찰된 충주-괴산 지역 희토류 광화작용의 연구결과(Kang et al., 2018b)와도 일치한 다.

결 론

전기 쥬라기 흑운모화강암이 광범위하게 분포하고, 신원생대 계명산층 변성산성암의 방사능 값이 매우 높게 나타나는 충주 어래산 지역에서 희토류 광물인 갈렴석의 성장과 관련된 미구조 연구를 수행한 결과 는 다음과 같다. 갈렴석을 포함하여 이와 접촉 공생 하고 있는 흑운모, 저어콘, 녹렴석 등은 주로 광역엽 리가 형성된 이후에 화성암의 관입과 관련된 열수변 질작용으로 성장하였다. 이는 충주 어래산 지역의 희 토류 광화작용은 이 지역에 광범위하게 산출되는 전 기 쥬라기 흑운모화강암의 관입과 밀접한 관련성이 있음을 지시한다. 이러한 연구결과는 충주 어래산 지 역 계명산층 내의 변성산성암 희토류 광체의 갈렴석 광물로부터 보고된 절대연령자료와 일치하고, 노두별 구성암류의 방사능 값과 그 밀도분포도로부터 고찰된 충주-괴산 지역 희토류 광화작용의 연구결과와도 일 치한다. 따라서 충주-괴산지역에 발달하는 희토류 광 화대의 특성을 보다 세부적으로 파악하기 위해서는 추후 옥천변성대 북서부에 분포하는 중생대 화성암류 의 시대적 분류와 분포에 대한 보다 심도 있는 연구 가 요구된다.

사 사

이 논문은 2015학년도 안동대학교 학술연구조성비 (연구교수)에 의하여 연구되었음. 이 논문을 읽고 유 익한 수정과 보완을 해 주신 심사위원들께 감사드립 니다.

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Received June 7, 2019

Review started June 10, 2019

Accepted June 23, 2019