Hydrous Minerals (Phlogopite and Amphibole) from Basaltic Rocks, Jeju Island: Evidences for Modal Metasomatism

(1)

제주도 현무암에 산출되는 함수광물(금운모와 각섬석):

모달교대작용의 증거

허서영·양경희*·정훈영 부산대학교 지구환경시스템학부

Hydrous Minerals (Phlogopite and Amphibole) from Basaltic Rocks, Jeju Island: Evidences for Modal Metasomatism

Seoyoung Heo, Kyounghee Yang∗ and Hoonyoung Jeong

Dept. of Geological Sciences, Division of Earth Environmental System, Pusan National University, Busan, 609-735

요 약: 제주도의 초염기성-염기성 암편을 포획하고 있는 현무암은 조직적으로 일반 반정과 뚜렷하게 구별되 는 금운모와 커슈타이트 결정을 산출하고 있다. 금운모와 커슈타이트는 모암인 현무암에서는 비교적 조립질 (2-10 mm)로 산출되며, 금운모는 초염기성 맨틀포획암에서, 커슈타이트는 염기성 반려암질 포획암에서 세립의 입자(1 mm 이하)로 간극을 채우거나, 미세맥으로 혹은 코로나로 뚜렷한 이차조직으로 산출된다. 금운모는 TiO₂(4.1-6.9 wt%)와 F(2.8-4.6 wt%)가 풍부하고, mg#[=100Mg/(Mg+Fe^t) in mols, where Fe^t is total iron]는 88-80 으로 매우 높다. 커슈타이트는 높은 TiO₂(5.6-6.11 wt%)와 비교적 낮은 mg#(68-64)를 보인다. 금운모와 커슈 타이트는 서로 관련된 것은 아니며, 금운모의 형성은 상부맨틀에서 먼저 일어난 사건이고 커슈타이트의 형성 은 하부지각에서 나중에 일어난 사건으로 해석된다. 이들 결정들 사이의 mg#와 조직적 특성은 제주도 암석 권에서 맨틀의 심부일수록 금운모 부화작용을 경험하였으며, 천부일수록 각섬석 부화작용이 있었음을 지시하 고 있다. 현무암에 금운모와 각섬석이 산출된다는 것은 제주도 상부맨틀/하부지각에 K-, Ti-를 함유한 휘발성 성분이 풍부한 멜트/유체가 이동하고 있다는 것에 대한 직접적인 증거가 되며, 제주도 하부 상부맨틀/하부지 각도 다양한 모달 교대작용을 경험하였음을 의미한다.

핵심어: 제주도, 알칼리현무암, 금운모, 커슈타이트, 모달교대작용

Abstract: Phlogopite and kaersutite, showing distinctively different textural characteristics compared to the common phenocrysts, are observed in alkali basalt from Jeju Island. They occur as large crystals (2-10 mm) in host basalts, whereas fine-grained phlogopite and kaersutite occur in ultramafic mantle xenoliths and mafic gabbroic xenoliths, respectively, as an interstitial and microvein phases, or in corona textures (<1 mm).

This textural characteristics of fine-grained grains clearly indicates secondary in origin. Phlogopite contains high TiO₂(4.1-6.9 wt%) and F(2.8-4.6 wt%) and relatively high mg#[=100Mg/(Mg+Fe^t) in mols, where Fe^t is total iron](88-80), whereas kaersutite has high TiO₂(5.6-6.11 wt%) and much lower mg#s(68-64). Our textural observations and the geochemical character of these hydrous minerals suggest that they were unrelated to each other and mica formation happened early in the upper mantle before the mantle xenoliths had been trapped. In contrast, kaersutite formation has happened later, probably during the late stage of crystallization as intracrustal processes. The presence of phlogopite and kaersutitic amphibole is a direct evidence for K-, Ti-, F- and H₂O-bearing fluid/melt percolation in the lithosphere beneath Jeju Island, indicating that they are product of interaction between host rock/peridotite/fluid-melt. Thus, the upper mantle/lower crust beneath Jeju Island are metasomatized to various extents, characterized by a change in major metasomatic hydrous minerals from phlogopite to amphibole with decreasing depth.

Key words: Jeju Island, Alkali basalt, Phlogopite, Kaersutite, Modal metasomatism

*Corresponding author Tel: 051-510-2247

E-mail: [email protected]

(2)

서 언

상부맨틀에서 유래된 현무암과 이 현무암에 포획된 맨틀포획암에 대한 지질학적 연구로부터 상부맨틀에 서 다양한 교대작용이 일어나고 있으며, 이곳에서의 교대작용이 상부맨틀의 진화에 핵심적인 과정으로 알 려져 있다(Frey and Prinz, 1978; Menzies, et al., 1987; Franz et al., 2002; Szabet al., 2004; Coltorti and Gregoire, 2008 and references therein). 이러한 교대작용은 두 가지 타입으로 그 곳의 암석에 기록된 다. 하나는 “모달 교대작용(modal metasomatism)”으 로 교대작용을 분명하게 인지할 수 있는 새로운 광물 이 이차적으로 형성되어, 이차 조직(secondary tex- ture)이 존재하는 경우로 정의된다. 반면에 새로운 광 물의 출현이나 조직적 변화가 없이 화학성분 분석에 의해 미량원소의 부화특성이 인지되어지는 경우를 “은 폐 교대작용(cryptic metasomatism)”이라 정의한다.

제주도는 판구조론적으로 상반된 환경인 발산/섭입 환경이 시공간적으로 인접한 곳으로 한반도 지역의 상부맨틀/하부지각에 대한 물리화학적, 지구동력학적 상태와 지구의 판구조론적 물질의 순환 연구에 중요 하고 독특한 환경을 제공하고 있다(Lee at al., 1982;

박준범 외, 1999; Nakamura et al., 1989; 고기원 외, 2004)(Fig. 1). 제주도에 분포하는 현무암에는 상 부맨틀/하부지각 암석권에서 유래된 초염기성-염기성 외래포획물이 포획되어 있어(윤성효 외, 1998; Choi et al., 2002; 엄영보 외, 2007; Yang et al., 2010) 상부맨틀/하부지각에 대한 지질학적 특성연구에 최적 의 장소이다. 교대작용이 상부맨틀의 진화에 있어서 핵심적인 과정이라는 많은 연구결과들이 보고되고 있 지만 제주도 아래 상부맨틀에 대한 교대작용에 대한 연구는 매우 드물다. 제주도 상부맨틀/하부지각은 은 폐교대작용만이 존재하는 것으로 보고되어 왔다(Choi et al., 2002; Tatsumi et al., 2005). 그러나 최근 다 양한 모습의 이차 사방휘석이 거의 모든 맨틀 페리도 타이트 포획암에서 관찰되어, 제주도 상부맨틀이 광 범위하게 실리카에 부화된 모달교대작용을 경험하였 음을 보고하고 있다(유재은 외, 2011).

제주도의 초염기성-염기성 포획암을 포획하고 있는 현무암에는 함수광물인 각섬석과 금운모가 드물게 산 출되고 있으며, 이들의 입자크기는 주변의 반정들과 비교해 매우 조립질로 산출되고 있다. 본 연구는 이 들 함수광물과 이들을 포함하고 있는 모현무암에 대

한 조직적 특성과 주성분원소 조성을 통해 제주도 상 부맨틀/하부지각에서의 교대작용을 보고하고 있다.

연구방법

본 연구를 위해 초염기성-염기성 포획암을 포획하 고 있는 현무암이 분포하는 노두 5곳, 즉, 송악산, 산 굼부리, 지그리오름, 남원, 신산리지역 일대에서 시료 가 채취되었다(Fig. 1). 채취된 모현무암과 광물에 대 한 조직과 성분조성의 특성을 파악하기 위해 박편과 연마편을 제작하여 관찰하였다. 현미경하에서의 암석 기재와 성분분석을 위해 대표적인 시료가 선택되었다.

모현무암에 대해서는 주성분 원소, 미량 원소 및 희토 류원소의 화학분석이 실시되었고(Table 1-2), 반정 혹 은 외래결정에 대해서는 주성분원소 분석이 이루어졌 다(Table 3-7). 각섬석 주성분 성분의 일부분은 Yang et al.(2012)에서 인용되었다. 모든 Table에서 SS=신산 리, SG=산굼부리, SA=송악산, GG=지그리오름, MV=

남원 지역에서 채취된 시료임을 나타내고 있다.

모현무암에 대한 주성분 원소의 분석은 부경대학교 공동실험실습관의 X-선 형광분석기, XRF-1700, SHI- MADZU를 이용하였다. 분석은 가속전압 40 kV, 전류 70 mA하에서 X-선을 조사한 후 시료로부터 방출되는 원소의 특성 에너지를 갖는 형광 X-선을 측정하여 형 광 X-선의 방출 강도를 표준시료의 것과 비교함으로 써 이루어졌으며, 3회 측정 후, 그 평균값으로 계산하 였다. 미량원소 및 희토류 원소는 한국기초과학지원 연구원의 유도결합플라즈마 질량분석기(ICP-MS)와 유 도결합플라즈마 방출분광 분석기(ICP-AES)로 분석하 였다. ICP-MS 분석 시 사용된 기종은 Elan 6100 m, Perkin Elmer이며 RF generator power 1100 W, RF frequency 40 MHz의 분석 조건에서 이루어졌다.

광물(감람석, 사방휘석, 단사휘석, 사장석, 금운모, 각섬석)에 대한 주성분원소 분석은 부산대학교 공동 실험실습관에 있는 CAMECA SX100 전자현미분석 기를 통해 이루어졌다. 가속전압 15 kv, 샘플 전류 20 nA, 빔 직경 1 μm으로 분석 되었으며 각 원소의 분석시간은 10초로 하였다. 분석을 위해 천연과 인조 의 표준 샘플이 사용되었다. 정밀도는 ±1%, 정확도는

±0.3%로 유지되었다. 하나의 결정 내에서 BSE 사진 을 촬영하여 중앙부와 가장자리를 분석하였으나 화학 적 누대가 관찰되지 않았으며 대체로 균질한 조성을 보였다.

(3)

일반지질과 암석기재

판내부기원의 제4기 화산암으로 형성된 제주도는 유라시안판 내부의 동쪽 연변에 위치하면서 동시에 필리핀판이 유라시안판 아래로 섭입하고 있는 난까이 트러프(Nankai Trough) 섭입대 전면에서 약 600 km 뒤쪽에 위치하고 있다(Lee, 1982; 원종관 외, 1998;

박준범 외, 1999; 윤성효 외, 2002; Kubo and Fuku- yama, 2003)(Fig. 1). 현재, 제주도와 한반도 육지부 는 같은 유라시안판에 위치하고 있어 제주도가 국부 적인 판내부 리프트시스템과 관련되어 있음을 입증하 고 있다(Hamdy et al., 2004). 중생대 백악기에는 제

주도가 위치한 지역 역시 경상분지가 겪은 안디안형 섭입환경에서의 칼크-알칼리 마그마 활동을 경험하였 다(이문원 외, 1994; Kim et al., 2003). 제주도를 형성하고 있는 용암의 기반암은 경상분지의 중생대의 화강암과 화산암, 영남육괴의 화강편마암과 유사한 암 석으로 보고되고 있다(Kim, et al., 2003). 제주도가 만들어지는 동안에 여러 번의 빙하기가 있었으며, 빙 하기에는 지금보다 해수면이 130 m정도 낮아 여러 차례 육지와 연결되었던 적이 있었을 것이라는 해석 도 있다(박기화, 2004). 화산으로서의 제주도는 미교 결 사니층과 접촉하는 서귀포층으로부터 시작된다. 약 간의 시간적 단절은 있으나 제주도의 화산활동을 하 Fig. 1. Generalized geological map of Jeju Island showing stratigraphic relationships of volcanic rocks(after Lee, 1982 and Chang et al., 1999) and five sample localities of this study. A photo-map containing present-day geodynamic setting along the eastern margin of Eurasian plate and geological framework of Jeju Island(top right) are also shown(after Tatsumi et al., 2005).

(4)

나의 연속된 화산활동으로 보고되고 있으며, 대략 1.7 Ma에 화산작용이 시작되었다(Lee, 1982; 고기원 외, 2004).

제주도의 화산암은 알칼리 화산암류로 현무암에서 조면암의 용암류와 360여개의 단성화산체, 소량의 쏠 리아이트 화산암류로 이루어져 있다. 용암류의 성분 조성은 SiO₂가46-62 wt%, MgO는 1-9 wt%로 현무 암에서 조면암까지의 광범위한 성분을 나타낸다(진명 식, 2004). 원시 초생마그마와 비교할 때, 제주도 현 무암류는 비교적 낮은 mg# 값과 Ni(200 ppm 이하) 함량을 가진다. 이는 제주도 현무암질 마그마가 지표 면에 폭발하기 전에 광범위한 분화작용을 경험했음을 의미하고, 분화작용은 대체로 분별결정작용에 의한 것 이며 마그마 혼합이나 지각오염에 의한 것은 미비한 것으로 알려져 있다(박준범과 권성택, 1996; 원종관 외, 1998; Tatsumi et al., 2005). 제주도의 알칼리암

류와 쏠리아이트 계열의 암석은 동일한 석류석 페리 도타이트 근원 물질이 다른 정도의 부분용융을 겪어 형성된 모마그마로부터 유래된 것으로 해석된다. 그 러나 이와는 달리 결핍된 플럼에서 깊이가 다르고 그 에 따라 부분용융의 정도가 다르게 형성된 마그마가 분리되어 다양한 성분의 용암이 지표면에 분출되어진 것으로 제시되기도 한다(Tatsumi et al., 2005).

초염기성-염기성 포획암을 포획하고 있는 다섯 지 역의 현무암은 미반상조직으로 암회색을 띠며, 대부 분 파호이호이용암의 특성을 보이지만 부분적으로 아 아용암의 거친 표면을 나타내기도 한다. 곳에 따라 기공이 거의 30 vol%를 육박할 정도로 다공질의 특 성을 나타내기도 하지만 대체로 치밀한 편이다. 이들 현무암은 페리도타이트 포획암 뿐만 아니라 반려암질 포획암, 휘석암, 거정의 단사휘석과 사장석 등을 포획 하고 있으며, 육안으로는 식별이 어렵지만 드물게 각

Fig. 2. Photomicrographs of phlogopite from Jeju Island. The photo “a” were taken under cross-polarized light and

“b, c and d” taken under cross-polarized light. (a, b) Highly resorbed phlogopite in the host basalt (c) Euhedral phlogopite at the contact between the host basalt and mantle xenolith. Note the melt(now plagioclase) is crosscutting the phlogopite (d) Interstitial phlogopite in the mantle xenolith. ol=olivine, phlo=phlogopite, plagio=

plagioclase.

(5)

섬석과 금운모도 산출하고 있다(Fig. 2, 3). 현무암에 산출되는 반정은 반자형 내지 타형의 감람석과 단사 휘석, 사장석의 미반정(0.1-2 mm)이 대부분이다. 감람 석은 결정주변부를 따라 이딩자이트화(iddingsite)되어 있으며, 융식되어 있는 것이 대부분이다. 사방휘석은 매우 드물게 반정으로 산출되며 본 연구에서는 산굼 부리에 분포하는 현무암에서 관찰되어진다. 단사휘석 은 대부분 융식되어 있으며, 크기는 1 mm 이하인 것 이 대부분이다. 석기는 래스(lath) 상의 사장석과 세립 의 감람석, 휘석, 불투명광물, 유리질 물질이 등립질 로 이루어져 있다. 세립의 감람석이 석기로 비교적 풍부하게 나타나고 있어, 알칼리 현무암의 특징을 보 여주고 있다(McBirney, 1993). 불투명광물은 자철석 과 티탄철석으로 반사현미경하에서 용리엽리를 나타 내기도 한다.

금운모는 오렌지빛 갈색을 띠며 크기는 대체로 0.1-

5 mm 이하로 세 종류의 산출상태를 보인다(Fig. 2):

(1) Type I: 모현무암 내에서 산출되는 금운모는 심하 게 융식되어진 것이 대부분이며, 주변의 반정광물과 크기를 비교할 때 금운모입자가 뚜렷하게 크다. 모암 의 침입을 받아 사장석 래스(lath)가 종종 금운모의 벽개면을 따라 가로지르고 있다(Fig. 2a, b). 이는 금 운모의 형성이 모현무암의 결정작용보다 먼저 일어났 음을 지시하고 있다. (2) Type 2: 초염기성 맨틀포획 암과 모현무암의 경계면에서 산출되는 것으로 {001}

방향의 뚜렷한 벽개를 보이며, 자형의 결정으로 산출 된다(Fig. 2c). 맨틀포획암과 모현무암과 경계면은 기 공이 발달하는데 이는 원래 마그마에 있던 기공인지 아니면 박편 제작 시 형성되어진 것인지 알 수는 없 지만 적어도 어느 정도는 마그마에서 유래된 것으로 여겨진다. 왜냐하면 금운모가 있는 곳에 거의 항상 기공이 존재하고 있기 때문이다. 이 조직에서도 사장 Fig. 3. Photomicrographs of kaersutite from Jeju Island. The photo “a and b” were taken under plain-polarized light and “c and d” taken under cross-polarized light. (a) Amphibole megacryst enclosing resorbed olivine and clinopyroxene (b) Amphibole megacrysts enclosing euhedral to subhedral apatite. (c) Amphibole megacryst enclosing reserbed clinopyroxene and plagioclase. (d) Multiply twinned subhedral plagioclase laths with rounded pyroxene grains and secondary amphibole and opaque phases surrounding pyroxenes. kaer=kaersutite, cpx=clinopyroxene, ol=olivine, ap=apatite, pl=plagioclase, opq=opaque, opx=orthopyroxene.

(6)

석 래스가 자형의 금운모를 자르고 있어(Fig. 2c) 금 운모의 형성이 모현무암의 결정작용보다 먼저 일어났 음을 지시하고 있다. (3) Type 3: 맨틀포획암내에서 산출되는 것으로 간극을 채우거나(Fig. 2d), 재결정화 되어 세립의 등립질 입자들로 이루어진 멜트포켓과 연결된 미파쇄대에서 관찰된다. Type 3 형은 그 크기 가 상대적으로 작으며(0.5 mm 이하) 타형으로 산출된 다. 이 조직은 금운모가 맨틀포획암보다는 나중에 형 성되었음을 보여주고 있다.

각섬석은 짙은 갈색의 다색성을 보이며 두 종류의 산출상태를 보인다(Fig. 3). 현무암에서 산출되거나 (Fig. 3a, b, c), 반려암질 포획암내에 이차적 조직을 보이며 산출된다(Fig. 3d). 이차 조직의 각섬석이 산 출되는 경우에는 모현무암내에 조립의 각섬석이 항상 같이 산출된다(즉, Fig. 3c와 3d). 현무암내에서는 산

출되는 각섬석은 크기가 매우 큰 직경 5-10 mm의 거정질인 경우가 대부분이며, 뚜렷한 {110} 혹은 {010} 방향의 벽개를 가지고 있다. 또한 거의 항상 다른 결정들 즉, 감람석, 혹은 단사휘석결정을 내부에 포함하고 있거나, 융식된 사장석과 단사휘석, 혹은 인 회석을 가장자리에 포획하고 있다(Fig. 3a, b, c). 이 런 조직은 각섬석이 내부 결정보다 후기에 만들어진 것으로 감람석이나 단사휘석, 사장석과 같은 반정광 물과 마그마/유체와의 반응에 의한 것임을 나타내고 있다. 모든 각섬석의 가장자리는 세립의 Fe-Ti 산화 물로 이루어진 반응연(reaction rim)을 형성하고 있으 며, 이 반응연은 급격한 압력 감소로 인해 각섬석에 서 휘발성분이 빠져나가는 탈수화 작용과 산화작용의 모습이다(Winter, 2001). 각섬석이 반려암질 포획암내 에서 산출되는 경우에는 각섬석이 사방휘석이나 단사 Table 1. Major element compositions(wt%) of the studied volcanic rocks of Jeju Island

Sample SS SS2 SS13 09SS3 10SS7 SG2 0204SG

SiO 49.05 48.98 49.53 49.26 49.21 49.34 49.27

AlO 14.49 14.51 14.78 14.69 14.43 14.11 14.08

TiO 2.33 2.37 2.30 2.33 2.40 2.40 2.40

FeO* 11.92 11.93 11.90 11.90 12.02 12.23 12.28

MnO 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15

MgO 8.14 7.83 7.31 7.75 7.69 8.25 8.28

CaO 8.28 8.21 7.97 8.13 8.18 8.43 8.51

NaO 3.28 3.11 3.38 3.22 3.36 3.24 3.21

KO 1.77 1.82 1.85 1.81 1.87 1.55 1.55

PO 0.53 0.55 0.55 0.56 0.55 0.45 0.46

LOI -0.27 0.16 -0.02 0.05 -0.32 -0.33 -0.54

Total 99.66 99.61 99.70 99.86 99.54 99.83 99.65

**mg# 57 00 57 00 55 00 56 00 56 00 57 00 57 00

Sample SA SA2 07SA1 GG 03GG2 06GG2 04MV1 04MV2

SiO 50.82 50.94 51.02 49.25 50.14 50.35 50.49 49.79

AlO 15.83 16.00 15.96 14.28 14.77 15.00 15.75 14.91

TiO 2.20 2.18 2.18 2.32 2.26 2.27 2.23 2.30

FeO* 11.52 11.44 11.46 12.11 11.77 11.78 11.58 11.85

MnO 0.14 0.14 0.14 0.15 0.15 0.15 0.14 0.15

MgO 5.65 5.42 5.41 7.88 7.28 7.01 5.72 7.25

CaO 7.31 7.21 7.18 8.31 7.96 7.84 6.99 7.80

NaO 3.82 3.94 3.85 3.15 3.48 3.42 3.48 3.32

KO 1.85 1.88 1.89 1.64 1.77 1.78 1.99 1.90

PO 0.57 0.59 0.58 0.48 0.51 0.52 0.58 0.58

LOI 0.13 0.06 -0.10 -0.01 -0.43 -0.15 0.89 0.05

Total 99.84 99.79 99.58 99.55 99.65 99.97 99.84 99.90

**mg# 49.00 48.00 48.00 56.00 55.00 54.00 49.00 55.00

*Total iron as Fe₂O₃; **mg#=Mg/(Mg+Fe_t)

(7)

휘석 주변에 부분적인 코로나 조직을 형성하거나 벽 개 혹은 미파쇄대를 따라 내부에 불규칙하게 작은 점 으로 산출된다(Fig. 3d). 이 조직은 반려암질 포획암 의 구성광물들이 각섬석에 의해 교대작용을 받았음을 지시하고 있다. 이렇게 각섬석이 있는 곳에는 항상 Fe-Ti 산화물로 이루어진 불투명광물이 공존하고 있 다. 이 역시 급격한 압력 감소로 인해 각섬석에서 물 이 빠져나가고 산화되어진 결과로 여겨진다.

암석화학

초염기성: 염기성 포획암을 포획하고 있는 다섯 지역 에 분포하는 용암은 SiO₂=49-51 wt%, Na₂O+K₂O=5-6

wt%, MgO=5-8 wt%, 그리고 mg#[=100Mg/(Mg+Fe^t) in mols, where Fe^t is total iron]=48-57를 나타내는 알칼리 현무암이다(Table 1). 다양한 분류 다이아그램 에서 이들 현무암은 알칼리계열에 속하며(Fig. 4a, b, c), K₂O/Na₂O 비에서 Na 계열과 K 계열이 중첩되는 전이적인 성격을 보인다(Fig. 4d). 이러한 특성은 이 전의 연구와 잘 일치하고 있다(박준범 외, 1999). 제 주도를 구성하고 있는 화산암의 SiO₂ 성분이 48-66 wt%를 이루고 있음을 고려할 때, 본 연구에서 다루 고 있는 현무암은 제주도 화산암 중에 비교적 분화가 덜 진행된 원시적(primitive)인 마그마(즉, MgO >∼5 wt%)이며, 이중에 산굼부리지역과 신산리 지역의 현 무암이 가장 원시적이며, 송악산지역의 용암이 비교

Fig. 4. Classification diagrams (after Cox et al., 1979) in terms of (a) wt.% Na₂O+K₂O versus wt.% SiO₂ [The dividing line between alkalic and subalkalic magma series is from Miyashiro(1978)], (b) wt.% K₂O versus wt.%

SiO₂, (c) wt.% Na₂O versus wt.% SiO₂ and (d) wt.% K₂O versus wt.% Na₂O.

(8)

적 산성질의 현무암으로 나타난다(Fig. 4, 5). 이들 현무암의 주원소 성분 변화경향은 감람석, 사장석, 단 사휘석과 Fe-Ti 산화물의 분별결정작용이 이루어졌음 을 비교적 잘 나타내고 있다(Fig. 5). 또한 Tatsumi et al.(2005)이 제주도 화산암을 주원소와 미량원소 성 분조성을 기준으로 나눈 세 그룹, 즉 high-Al alka-

lic, low-Al alkalic, sub-alkalic 계열 중에 이 다섯 지역의 현무암은 모두 low-Al alkalic 계열에 속한다.

토의 부분에서 다시 다루게 되겠지만 Tatsumi et al.(2005)는 low-Al alkalic 계열이 교대작용을 거의 받지 않은 마그마계열이라고 제시하고 있다.

또한 SiO₂가 증가함에 따라 Ni과 Cu가 감소하는

Fig. 5. Major element abundances vs SiO₂ in the studied basalts.

(9)

것은 감람석이 분별결정작용을 하고 있음을 나타내고 있다(Fig. 6). 분산되어 보이지만 SiO₂가 증가함에 따 라 Y, Rb, Ba은 증가하고 있으며, 그 패턴이 유사하 다. 이러한 특성은 이전의 연구와 잘 일치하고 있다 (Tatsumi et al., 2005). 이 세 원소(즉, Y, Rb, Ba) 는 석류석, 각섬석, 알칼리장석, 운모류의 부분용융 혹

은 분별결정작용과 관련성을 가진 원소로서 특히 각 섬석, 알칼리장석, 운모들의 분별작용 여부에 따라 K/

Ba와 K/Rb비가 변하게 된다(Wilson, 1989). 본 연구 에서 분석된 이들 원소들과 MgO의 증가 혹은 감소에 따른 K/Ba와 K/Rb 비율은 거의 변화가 없이 일정하 다(Table 2). 이는 마그마에서 이러한 광물들이 정출

Fig. 6. Trace element abundances vs SiO₂ in the studied basalts.

(10)

Table 2. Trace element compositions(ppm) of the studied volcanic rocks of Jeju Island SampleSSSS2SS 1309SS310SS7SG2SG70204SGSASA207SA1GG03GG206GG204MV104MV2 ICP-MS　　　　　　　 Rb39.5241.3244.1138.2244.9432.8233.0732.0042.0943.6846.0836.7640.9838.3844.2343.29 Sr604594607581586509507514546570572522543553550555 Y19.8021.8422.1320.6922.2622.0722.0321.1021.6522.9723.0320.4621.2121.1920.7822.84 Zn122123125119126171123120128133136118119124128122 Nb47.5046.4541.8361.2743.9145.6027.3328.5038.9440.7739.4440.4339.1131.0940.6426.74 Ba441452460441453358360352466458459378410415446440 La36.4840.4640.7738.5240.7131.0330.8529.9835.8738.6638.8433.1636.0636.9540.2641.24 Ce75.7283.3491.4079.6291.5166.1165.2363.7874.0880.0988.4169.1777.2076.7791.1684.70 Pr8.689.579.599.149.667.847.787.578.559.229.268.068.638.839.529.79 Nd46.4751.4251.6849.1551.5442.4341.8640.7145.9949.5749.9243.0346.2547.4550.8152.58 Sm7.307.968.007.577.987.167.126.937.387.917.886.967.287.397.778.18 Eu2.452.642.692.522.662.362.382.322.482.632.622.322.442.472.542.73 Gd8.219.099.048.549.068.188.167.918.328.978.927.928.338.378.709.17 Tb1.011.101.101.031.111.041.031.001.031.101.110.981.021.031.041.12 Dy4.875.335.385.015.405.225.205.105.145.455.464.905.045.055.025.45 Ho0.850.920.920.870.930.920.910.890.890.940.950.850.870.870.850.93 Er2.292.512.522.382.532.502.492.412.452.582.612.322.362.392.302.55 Tm0.260.280.280.270.290.290.290.280.280.300.300.260.270.270.250.29 Yb1.661.801.791.731.831.851.811.751.801.901.921.721.741.741.681.87 Lu0.230.240.240.230.250.250.250.240.250.260.260.230.230.230.220.25 Hf6.196.185.157.075.227.325.484.806.295.385.275.766.325.376.485.57 Pb2.672.712.572.832.371.631.891.383.523.162.661.822.152.472.472.99 Th6.857.227.337.187.266.815.205.086.477.007.035.856.526.817.427.39 U1.401.651.581.121.581.221.221.161.471.571.591.201.441.461.691.44 XRF Ni185174157167169202198186978996173155168110153 Cu39.9543.6443.8741.1553.5039.7854.1640.6333.5433.9737.2144.0939.7345.6539.2835.95 Cr270260233243252294299291147122136270230237167247 Sc17.3417.3916.5216.2317.0719.2318.9818.8814.3113.4413.2817.5315.8815.9713.8715.90 V172173159158169186180180137133128172157158140150 Zr246236218269223225211187255247200214244171261227 Be1.741.992.131.782.201.832.041.731.842.001.991.591.761.831.751.68 Co45.4946.6744.3245.2246.5689.76173.6890.33123.5034.9336.7796.6570.9174.7956.3394.33 Ga34.3137.2438.3235.8637.9033.4033.8832.5937.9439.9239.3333.8936.1037.6338.9638.92 Mo1.311.321.731.191.621.891.861.892.642.622.641.862.292.152.131.75 Cd<0.2<0.2<0.2<0.2<0.20.380.22<0.2<0.20.21<0.2<0.2<0.2<0.20.20<0.2 Cs0.38<0.20.34<0.20.43<0.20.20<0.20.570.580.61<0.20.20<0.20.69<0.2 Bi<0.2<0.2<0.2<0.2<0.2<0.2<0.2<0.2<0.2<0.2<0.2<0.2<0.2<0.2<0.2<0.2

(11)

되어 분별작용하지 않았거나 거의 미비하다는 것을 지시하고 있으며, 마그마 내의 K/Ba와 K/Rb 비율을 그 대로 가지고 있다는 것을 나타낸다. 조직적으로 알칼 리 장석의 정출은 없었음이 분명하지만 금운모와 각 섬석 거정들이 반정이라면(Fig. 2, 3), K/Ba와 K/Rb 비의 변화가 있어야한다. 그러나 이들 비율이 예상과 다르게 변화없이 일정하게 나타나는 것은 금운모와 각섬석은 반정광물이 아니라 외래결정임을 지시한다.

이들 다섯 지역의 현무암의 미량원소와 희토류원소 성분 조성은 서로 매우 유사한 특성을 보이며 불호정 성 원소가 부화되어진 OIB 특성을 나타내고 있다

(Fig. 7). HREE에 비해 LREE가 강하게 부화되어 있어 근원에 석류석이 있거나 부분용융의 정도가 매 우 낮은 마그마임을 지시하고 있다. 이러한 특성은 이전의 연구와 잘 일치하고 있다(원종관 외, 1998;

Tatsumi et al., 2005). 본 연구에서는 비록 정도가 그렇게 크지는 않지만 Pb와 Zr이 결핍 이상치를 보 이는 반면, Tatsumi et al.(2005)에서는 Pb, Zr, Eu 부화 이상치를 보인다. 본 연구에서는 Eu의 이상치는 나타나지 않는다. 조직적으로는 사장석의 분별결정작 용이 상당히 중요하게 일어났기 때문에 콘드라이트에 정규화된 다이아그램에서 Eu 결핍 이상치가 예견되 지만 Eu의 이상치는 나타나지 않는다(Fig. 7c). 이러 한 Eu의 특성은 이전 연구에서도 보고되어진다(원종 관 외, 1998). Tatsumi et al.(2005)는 원래 Eu가 부 화된 마그마가 근원에서 형성되어 사장석이 분별결정 화되면서 분화작용이 진행될수록 부화된 Eu 이상치 가 사라진다고 설명하고 있다. 하지만 본 연구에서 분석된 암석은 첨정석을 가진 맨틀포획암을 포획하고 있는 현무암으로 제주도 현무암은 적어도 첨정석 맨 틀포획암보다는 깊은 곳에서 형성되었으며, 이곳은 사 장석이 근원광물로 존재하지 않는 곳이다. Eu가 부화 되어진 곳에서 마그마가 형성된다면 이는 매우 천처 의 맨틀이 근원암임을 나타내고 있지만 제주도의 경 우는 아니다. 또한 Tatsumi et al.(2005)에서 보이는 Pb, Zr 부화 이상치는 인회석과의 관련성으로 여겨지 며 이 부분은 다시 검토되어야 할 사항이다.

광물화학

감람석: 감람석 반정은 mg#=83-72, NiO=0.15-0.29 wt%, MnO=0.14-0.35 wt%인 성분조성을 가진다(Table 3). 이들 감람석 반정은 MgO와의 관계에 있어서 NiO 성분은 양의 상관관계, MnO와는 음의 상관관계를 보 인다. 이 중에 높은 mg#와 NiO를 가지는 반정은 액 상선(liquidus) 환경에서 결정화되었을 것이다. 이들 감람석의 성분 조성은 다른 문헌에서 보고되는 제주 도의 감람석 성분과 일치한다(원종관 외, 1998; 윤성 효 외, 2002; Tatsumi et al., 2005). 각섬석에 포획 되어진 감람석입자(Fig. 3a)는 NiO=0.11-0.13 wt%, MnO=0.24-0.30 wt%, mg#=71로 감람석 반정 중에 가장 산성질의 결정과 성분조성이 유사하다. 그러나 감람석을 포획하고 있는 거정의 각섬석의 mg#(62-57;

Table 7)보다는 높다.

Fig. 7. N-MORB-normalized multi-element and chondrite- normalized REE diagrams for the studied basalt.

Normalization values from Sun & McDonough (1989).

(12)

Table 3. Representative major element chemical composition(wt%) of olivine phenocrysts from the studied volcanic rocks of Jeju Island

Sample 04SS10 SS86 SS21 06SG1 04SG1 0204SG3

SiO 40.23 38.02 37.78 38.15 39.54 38.87

FeO* 16.34 21.47 23.25 24.87 18.56 21.53

MnO 0.14 0.30 0.35 0.34 0.24 0.28

MgO 43.83 39.83 38.64 36.72 41.25 38.73

NiO 0.29 0.19 0.16 0.21 0.15 0.25

CaO 0.17 0.17 0.16 0.2 0.20 0.09

Total 100.99 99.98 100.34 100.49 99.94 99.75

**mg# 83.00 77.00 75.00 72.00 80.00 76.00

Sample 03GG4　　 04MV2　2　 Olivine in amphibole

04SS8

SiO 38.98 39.48 39.68 37.92 39.19 37.86 37.84 38.02

FeO* 22.59 19.95 20.21 22.85 16.07 24.36 26.16 25.43

MnO 0.32 0.25 0.23 0.29 0.22 0.26 0.24 0.30

MgO 38.46 40.38 40.21 38.31 43.88 37.15 36.22 35.60

NiO 0.21 0.21 0.17 0.16 0.28 0.21 0.11 0.13

CaO 0.19 0.20 0.19 0.24 0.19 0.22 0.19 0.12

Total 100.75 100.45 100.68 99.76 99.83 100.04 100.76 99.60

**mg# 75.00 78.00 78.00 75.00 83.00 73 .00 71.00 71.00

*Total FeO given in Fe²⁺; **mg#=Mg/(Mg+Fe_t)

Table 4. Representative major element chemical composition(wt%) of pyroxenes from the studied volcanic rocks of Jeju Island

Sample SS13 07SS12 04SS2-3 04SG1 04SG2 06GG2

SiO 49.3 48.7 50.55 49.11 50.11 48.3 49.56 50.26 50.49

TiO 1.48 1.40 1.26 1.59 1.11 1.57 1.23 0.99 1.17

AlO 5.51 5.42 5.34 6.36 4.94 6.22 5.24 5.27 3.51

CrO 0.01 0.09 0.21 0.09 0.21 0.02 0.32 0.32 0.36

FeO* 9.99 9.81 7.79 9.14 8.15 9.66 8.38 7.73 6.88

MnO 0.19 0.18 0.10 0.15 0.1 0.18 0.18 0.22 0.17

MgO 14.0 13.9 15.30 13.87 15.03 13.74 14.42 15.22 15.90

CaO 19.0 19.0 18.89 18.94 19.45 19.31 19.88 18.89 21.10

NaO 0.70 0.72 0.67 0.81 0.79 0.79 0.74 0.70 0.21

Total 100.12 99.20 100.1 100.06 99.89 99.79 99.95 99.60 99.79

**mg# 71 72 78 73 77 72 75 78 80

Wo 41 41 41 41 41 42 42 41 43

En 42 42 46 41 44 41 43 46 46

Fs 18 17 13 16 14 17 15 14 11

(13)

휘석: 단사휘석 반정은 mg#=80-71, TiO₂=0.99- 1.64 wt%, Al₂O₃=3.51-6.36 wt%, Na₂O=0.65-0.81 wt%, Cr₂O₃=0.01-0.36 wt%의 성분조성을 갖는 휘석(augite) 이다(Table 4). 하지만 시료 06GG2 중에 Na₂O는 예외적으로 낮은 0.21 wt%를 나타내는 데이터 하나 가 있다. En-Fs-Wo에서 En_46-41Fs_18-11Wo_43-40을 보이며 비교적 균질한 성분조성을 가진다. 이들 단사휘석 성 분은 MgO 성분과 함께 Ti, Al은 음의 상관관계, Ca와 Cr은 양의 상관관계를 보인다. 이러한 단사휘석 의 성분조성은 이미 보고된 문헌에서의 데이터와 일 치하고 있다(원종관 외, 1998; 윤성효 외, 2002;

Tatsumi et al., 2005). 각섬석에 포획된 단사휘석 (Fig. 3c)은 반정에 비해 비교적 높은 TiO₂(1.41-1.58 wt%), Al₂O₃(5.83-5.85 wt%), Na₂O(0.73 wt%)을 보 이고, 낮은 Cr2O₃(0.05-0.10 wt%), mg#(73)를 보이지 만 반정들의 성분 조성범위 내에 속한다. 역시 감람석 과 마찬가지로 둘러싸고 있는 각섬석보다 단사휘석이 높은 mg#를 나타낸다. 사방휘석은 mg#=71-74, 비교 적 낮은 TiO₂=0.46-0.54 wt%, Al₂O₃=3.04-3.77 wt%, 그리고 비교적 높은 CaO=1.60-1.77 wt%, En71-68Fs_25-28 Wo_3-4성분조성을 가지는 ferro-enstatite이다(Table 4).

사방휘석의 MgO성분과 TiO₂는 음의 상관관계를 나 타내고 다른 원소 즉, Al₂O₃와 CaO와는 뚜렷한 상관

관계가 없다.

사장석: 사장석은 모두 조회장석(labradorite)이며, K₂O=0.30-0.49 wt%, An_60-38Or_3-2조성으로 비교적 균 질한 성분범위를 가지고 있다. “An” 성분과 K₂O 성 분과는 음의 상관관계를 보여주고 있다(Table 5).

금운모: 금운모는 TiO₂(4.1-6.9 wt%)와 F(2.8-4.6 wt%) 가 풍부하고, Na₂O(0.6-1.0 wt%)가 결핍된 성분으로, 다른 반정결정들이나 커슈타이트에 비해 매우 높은 mg#(88-80)가 특징적이다. Type 1에서 Type 3로 가 면서 TiO₂, Cr₂O₃, mg#는 높아지고, K₂O는 낮아지 는 체계적인 변화를 보인다(Table 6). Type 3 금운모 는 맨틀포획암에서 산출되는 것으로 맨틀포획암의 구 성광물인 감람석, 사방휘석, 단사휘석의 mg#(즉, 92- 88, 유재은 외, 2011)에 근접하고 있다. Type 1 금운 모는 가장 낮은 mg#를 보이고, Type 2는 Type 3와 1의 중간 값의 성분조성을 보인다. 이러한 성분조성 의 변화는 앞에서 서술한 조직적 특성과 함께 금운모 가 현무암과 접하는 곳에서는 현무암의 영향을 받았 음을 의미하며, 현무암의 결정작용 이전에 금운모가 존재하고 있었음을 나타낸다. 현무암질 마그마와 같 은 높은 온도에서는 Mg, Fe 원소의 확산속도(diffu- sion rate)가 매우 빨라서 금운모는 현무암과 빠르게 Mg, Fe 원소의 교환이 이루어진 것으로 여겨진다. 그 Table 4. Continued

Sample 04MV1 04MV2 Cpx in amphibole Opx

04SG1 0204SG2 04SG1 04SG2

SiO 49.54 50.12 48.95 48.65 48.72 52.71 52.9 53.22 52.35 52.14

TiO 1.64 1.59 1.44 1.41 1.58 0.5 0.53 0.46 0.53 0.54

AlO 5.98 5.76 6.23 5.85 5.83 3.04 3.77 3.32 3.69 3.53

CrO 0.07 0.16 0.24 0.05 0.10 0.03 0.04 0.08 0.02 0.03

FeO* 9.59 9.22 8.74 9.20 9.32 17.19 15.55 15.53 16.59 17.77

MnO 0.21 0.17 0.18 0.17 0.15 0.3 0.28 0.26 0.24 0.28

MgO 13.90 13.94 14.47 13.99 14.07 24.67 24.98 25.36 24.85 24.2

CaO 17.96 18.11 18.67 19.09 18.61 1.77 1.65 1.63 1.76 1.6

NaO 0.65 0.65 0.65 0.73 0.73 0.08 0.09 0.1 0.11 0.11

Total 99.53 99.72 99.59 99.14 99.11 100.29 99.79 99.96 100.14 100.2

**mg# 72 73 75 73 73 72 74 74 73 71

Wo 40 40 41 41 41 4 3 3 4 3

En 43 43 44 42 43 69 71 71 70 68

Fs 18 17 16 16 17 27 25 25 26 28

(14)

러나 맨틀포획암에서 산출되는 금운모는 맨틀포획암 의 mg#와 유사하게 나타난다. 이는 맨틀포획암과 금 운모가 현무암에 포획되기 이전에 상부맨틀에 초염기 성 페리도타이트와 함께 금운모도 존재하고 있었음을 지시한다.

각섬석: 현무암내에서 산출되는 각섬석 결정(Fig.

3a, b, c)은 mg#=68-64이며, 높은 TiO₂(5.6-6.11 wt%), 낮은 Al₂O₃(12.6-13.5 wt%), CaO(10.1-11.0 wt%) 그 리고 K₂O(0.8-1.0wt%)를 보이는 커슈타이트(kaersu-

tite)이다(Table 7). 반려암질 포획암에서 이차 각섬석 으로 나타나는 결정(Fig. 3d)도 커슈타이트이며, mg#=62-57, TiO₂=4.1-5.0 wt%, Al₂O₃=11.9-12.3 wt%, CaO=10.2-10.5 wt%, K₂O=0.9-1.0 wt%을 보인다. 현 무암에서 산출되는 거정의 각섬석 결정이 약간 높은 mg#와 낮은 TiO₂를 보인다. 이러한 각섬석의 mg#는 각섬석 내부에 포획하고 있는 감람석과 단사휘석, 현 무암에 반정으로 산출되는 모든 반정들의 mg# 값보 다 낮다(Table 3, 4, 6). 이러한 조직적, 성분 조성의 Table 5. Representative major element chemical composition(wt%) of plagioclase from the studied volcanic rocks of Jeju Island

Sample 04SS3 04SS85 SG3 04SG2 04SG1 03GG4 04MV1

SiO 53.97 55.52 55.15 55.29 54.58 56.58 56.95 56.70 53.82 55.60 55.84 54.14 53.62 TiO 0.15 0.06 0.08 0.12 0.03 0.04 0.06 0.00 0.10 0.07 0.08 0.06 0.05 AlO 28.29 28.1 28.17 28.07 28.45 27.10 27.26 27.28 28.75 27.40 27.57 28.83 29.03 FeO 0.58 0.31 0.39 0.41 0.36 0.33 0.35 0.10 0.60 0.35 0.39 0.41 0.48 CaO 11.17 9.55 10.96 10.54 10.79 9.55 9.41 9.43 11.98 10.15 10.05 11.01 11.52 NaO 5.06 5.83 5.31 5.76 5.63 5.47 5.66 5.59 4.08 5.11 5.06 4.85 4.55 KO 0.36 0.49 0.44 0.41 0.39 0.38 0.39 0.39 0.30 0.38 0.36 0.36 0.35 　

Total 99.58 99.86 100.5 100.6 100.23 99.44 100.08 99.48 99.62 99.06 99.34 99.66 99.60 　

An 54 46 53 50 51 48 47 47 60 51 51 54 57

Ab 44 51 44 47 47 50 51 51 38 47 47 43 41

Or 2 3 3 3 2 2 3 2 2 2 2 2 2

Table 6. Representative major element chemical composition(wt%) of phlogopite from the studied volcanic rocks of Jeju Island

Sample Within the host　basalt　 At the contact with matle xenolith　 Within the matle xenolith

SG2 0204SG3 06SG SG7 SG2 SG7 SG7

SiO 39.46 40.73 40.92 41.44 40.46 40.5 39.72 38.67 39.59 39.74 37.90 39.96

TiO 4.59 5.07 4.48 4.13 4.74 4.93 5.44 5.59 5.82 6.45 6.60 6.93

AlO 13.73 11.75 11.52 11.54 11.63 11.81 11.71 11.54 11.22 12.93 14.85 12.11

CrO 0.08 0.06 0.05 0.02 0.03 0.02 0.13 0.11 0.11 0.17 0.64 0.88

FeO* 6.61 8.16 7.63 8.02 8.32 8.82 5.59 6.14 6.19 6.45 4.82 4.88

MnO 0.02 0.07 0.04 0.03 0.1 0.08 0.04 0.07 0.02 0.03 0.04 0.00

MgO 19.18 19.33 20.22 20.83 20.12 19.54 21.13 20.17 20.19 19.91 18.85 20.27

NaO 0.73 0.83 0.62 0.98 0.9 0.78 0.79 0.73 0.68 0.88 0.80 1.04

KO 9.64 9.19 9.53 9.1 9.15 9.15 8.93 9.51 9.66 8.98 8.62 8.63

F 3.63 4.58 3.87 3.33 2.80 2.95

Cl 0.12 0.28 0.14 0.14 0.11 0.23

Total 97.79 95.19 95.03 96.09 95.45 95.65 98.35 96.54 96.95 95.54 96.03 97.88

**mg# 84.00 81.00 83.00 82.00 81.00 80.00 87.00 85.00 85.00 85.00 87.00 88.00

*Total FeO given in Fe²⁺;**mg#=Mg/(Mg+Fe_t)

(15)

특성은 각섬석이 이들 결정들 보다 후기에 형성되었 음을 나타내고 있다.

토 의

암석기재학적, 지화학적, 동위원소 성분 조성에 대 한 연구에 의하면 제주도에 분포하는 화산암은 마그 마가 지표면에 분출하기 전에 광범위한 분화작용을 경험했고, 이 분화과정을 주도한 것은 분별결정작용 이며, 마그마 혼합이나 지각오염에 의한 것은 미비한 것으로 제시되고 있다(박준범과 권성택, 1996; 윤성효 외, 2002; Tatsumi et al., 2005). 본 연구에서 다루

고 있는 다섯 지역의 현무암의 주원소 성분조성에서 도 감람석, 사장석, 단사휘석의 분별결정작용이 마그 마에서 이루어졌음을 나타내고 있다(Fig. 5). 또한 미 량원소와 희토류원소 성분 조성도 서로 매우 유사한 특성을 보이며 불호정성 원소가 부화되어진 OIB 특 성을 나타내고 있다(Fig. 7). 특히 K/Y-K/Nb 관계에 서 이들 현무암은 섭입환경에서 보이는 높은 K/Nb와 높은 K/Y 비율이 아닌, 높은 K/Y와 낮은 K/Nb 비 율을 가진 판내부와 관련된 현무암임을 잘 나타내고 있다(Fig. 8). 제주도가 중생대 백악기에는 섭입환경 에 있었지만 제 4기에는 섭입환경과 관련성이 없는 판내부 환경이었음을 지시하고 있다. 이러한 모든 지 Table 7. Representative major element chemical composition(wt%) of amphibole of Jeju Island