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ISSN : 1225-309X(Print)
ISSN : 2288-7172(Online)
Journal of the mineralogical society of korea Vol.29 No.3 pp.141-153
DOI : https://doi.org/10.9727/jmsk.2016.29.3.141

Skarnization and Fe Mineralization at the Western Orebody in the Manjang Deposit, Goesan

Euddeum Lim1, Bongchul Yoo2, Dongbok Shin1*
1Department of Geoenvironmental Sciences, Kongju National University, Gongju 32588, Korea
2Mineral Resources Department, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 34132, Korea
Corresponding author : +82-41-850-8509, shin@kongju.ac.kr
September 6, 2016 September 26, 2016 September 29, 2016

Abstract

The Manjang deposit is emplaced in Hwajeonri formation comprising limestone that is interbeded with slate and phyllite in the central Okcheon Group. It consists of the Main and the Central orebody of Cu-bearing hydrothermal vein deposit and the Western orebody of iron skarn deposit. Based on coexisting mineral assemblage the skarnization can be divided into prograde skarnization (stage I : clinopyroxene ± magnetite ± quartz, stage II : garnet + clinopyroxene ± magnetite ± quartz) and retrograde hydrothermal alteration (stage III: magnetite + amphibole + quartz ± garnet ± clinopyroxene± chlorite ± epidote ± fluorite ± calcite, stage IV: fluorite ± pyrrhotite ± chalcopyrite ± amphibole ± quartz ± calcite). Diopside is abundant in stage I, and hedenbergite was produced in stage II and III. Garnet compositions change from grandite to andradite, which suggests a redox transition from relatively reduced to oxidized condition during the skarn formation. Magnetite in stage I and II has relatively constant Fe contents, while in the stage III it has increased Si and Ca concentrations. This variation could indicate that magnetite was more strongly affected by host rocks during the retrograde stage. Sulfur isotope compositions of pyrrhotite and chalcopyrite produced in stage IV are within the range of +5.9~6.9 ‰, corresponding to igneous origin, but slightly high sulfur isotope values could be attributed to an interaction with host rocks, limestone.


만장광상 서부광체의 철스카른화 작용 및 생성환경

임 으뜸1, 유 봉철2, 신 동복1*
1공주대학교 지질환경과학과
2한국지질자원연구원

초록

만장광상은 옥천층군 중앙부에 분포하는 석회암을 모암으로 점판암과 천매암이 협재된 화전리 층 내에 배태된 광상으로서 함동맥상광상인 본광체와 중앙광체, 그리고 철스카른광상인 서부광체로 구분된다. 철스카른화 작용은 공생하는 광물군에 따라서 전기 스카른화 작용(I기 : 단사휘석 ± 자철석 ± 석영, II기 : 석류석 + 단사휘석 ± 자철석 ± 석영)와 후기 열수변질작용(III기 : 자철석 + 각섬석 + 석영 ± 석류석 ± 단사휘석 ± 녹니석 ± 녹염석 ± 형석 ± 방해석, IV기 : 형석 ± 자류철석 ± 황동석 ± 각섬석 ± 석영 ± 방해석)으로 구분된다. 스카른화 초기인 I기에는 투휘석이 다량 산출되고, II기와 III 기에 와서는 헤덴버자이트가 정출되었으며, 석류석도 그란다이트에서 안드라다이트로 조성변화를 보 이는데 이는 광화유체가 점차 산화환경으로 진화되었음을 시사한다. 자철석의 경우 전기(I, II기)에는 Fe의 함량이 일정한 반면, 후기(III기)에는 변화폭이 커지고 전기에 비해 Si, Ca 함량이 증가하는 경향 이 나타난다. 이는 후퇴변질작용단계에서 형성된 자철석이 모암의 영향을 보다 강하게 받았음을 보여 준다. 광화후기에 정출된 자류철석과 황동석의 황안정동위원소 조성은 5.9~6.9 ‰로서 화성기원에 해 당하나 모암인 석회암과의 반응을 통해 다소 높은 값을 형성한 것으로 보인다.


    Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources
    16-3211

    서 론

    광물자원의 안정적 수급이 국제적으로 중요한 과제로 대두되는 가운데 우리나라도 국내외 광상 들에 대한 탐사, 개발 및 투자에 많은 노력을 기울 이고 있다. 특히 해외자원 못지않게 국내자원확보 는 안정적 수급에서 중요한 전략적 가치를 지니고 있으며, 이로 인해 자원이 부족한 우리나라로서는 기존 광화대에 대한 재평가를 주로 수행하여 왔다. 국내에는 스카른광상, 열수교대광상, 열수맥상광상 등 다양한 유형의 금속광상들이 분포하는데, 이 가 운데 주요 스카른광상으로는 태백산광화대에 분포 하는 신예미 철광상(Seo et al., 2007), 거도 철-동 광상(Yun, 1983; Kim et al., 2009), 장군 철광상 (Lee et al., 1996, 1998), 연화 연-아연광상(Yun, 1983), 가곡 연-아연광상(Choi et al., 2010), 상동 중석광상(Moon, 1984), 원동 연-아연광상(Hwang and Lee, 1998), 동남 철-몰리브덴광상(Chang et al., 1995)과 이 밖에 울산 철광상(Choi and Imai, 1993), 포천 철광상(Go et al., 2014) 등이 알려져 있다. 이러한 스카른광상에서는 관계화성암과 모암 의 지화학적 특성, 그리고 생성환경의 차이에 따라 스카른광물의 조합과 광물조성, 그리고 금속 종의 다양한 변화가 나타나고 있다.

    한편, 충북 괴산 연풍면 일대에는 만장, 성도, 장 풍 등의 동-철-연-아연광화작용을 수반하는 여러 금속광상들이 분포하고 있다. 이 가운데 만장광산 은 스카른형 철광화작용을 수반하는 서부광체와 열수맥상형 동광화작용을 수반하는 중앙 및 본광 체로 구성되어 있으며, 과거 동광화작용과 관련된 유체포유물 및 안정동위원소 연구가 수행된 바 있 다(Kim and Shin, 1987). 그러나 스카른의 산상과 구성광물, 화학조성 및 그에 따른 생성환경에 대한 연구는 제대로 이루어지지 않았다. 이에 본 연구에 서는 서부광체의 철 스카른 광화작용과 관련된 스 카른의 산상 및 광물의 화학조성을 통해 철광화작 용의 특징과 생성환경을 고찰하고자 한다.

    지질 및 광상

    지 질

    만장광산은 행정구역상 충청북도 괴산군 연풍면 에 속하며 지리좌표상 북위 36° 47ʹ48.86ʺ, 동경 127° 58ʹ04.23ʺ에 위치한다. 옥천층군 중앙부에 해 당하는 연구지역의 지질은 고생대 오르도비스기 석회암층인 화전리층을 기저로 하고, 이와 정합적 으로 구룡산층이 북서쪽에 접해있으며, 그 상부에 이원리층과 황강리층이 순차적으로 발달한다(Fig. 1). 이후 흑석리단층에 의해서 절단된 지층을 중생 대 백악기의 화성암체인 흑운모화강암, 우백질 반 상화강암, 그리고 화강반암이 순차적으로 관입하며 나타난다(Lee and Kim, 1972).

    화전리층은 N25~45°E의 주향, 경사는 25~80°NW 또는 SW로써 북동방향을 축으로 습곡 된 구조를 보이고 있다. 본 층은 고생대 오르도비 스기의 지층으로 석회암층 내에 점판암과 천매암 이 협재하고, 차별침식을 받은 충식구조를 보인다. 본 층의 동쪽과 남서쪽에는 화성암체가 관입되어 있다. 서부광체 주변에서는 순수한 석회암은 관찰 할 수 없고 대부분 접촉교대작용이나 재결정화를 받은 특징을 나타내며, 호온펠스가 발달하기도 한 다. 탄산염대에서는 벽개가 뚜렷이 관찰되는 조립 질의 방해석과 세립질의 방해석이 혼재하며 미량 의 휘석이 관찰되었고, 일부 시료의 경우 다량의 투휘석이 자형내지 반자형으로 산출되기도 한다. 화전리층과 정합관계를 보이는 구룡산층은 고생대 오르도비스기에 형성된 옥천지향사내 변질퇴적암 중에서 탄질물을 함유하는 지층이고, 화전리층과 마찬가지로 흑석리단층을 기준으로 동북부와 서남 부로 구분이 가능하다. 연구지역에 해당되는 동북 부는 흑색점판암과 녹니석견운모편암 및 암회색석 회암, 각섬석편암으로 구성되어 있으며 결정질석회 암이 하부에 협재되어있다. 견운모편암은 소규모 습곡구조가 발달하며, 석영 집합체가 불투명광물을 함유한 채 산출되기도 한다. 층리방향과 비교적 평 행하게 우백질 반상화강암이 관입한 형태를 보인 다(Kim and Shin, 1987).

    흑운모화강암은 광상 동쪽으로 약 4 km 가량 떨 어진 곳에 분포하며 월악산화강암 일부로 알려져 있다(Fig. 1). 천부 관입체로서 거정질의 페그마타 이트와 유사한 암상을 보이는데(Cheong and Kim, 2012), Rb-Sr 전암 연대 측정 결과는 85 ± 5 Ma (Na, 1994)와 89.6 ± 2.2 Ma (Lee et al., 2010)으 로 모두 후기백악기에 속한다. 노두 관찰시 전반적 으로 분홍빛을 띠고 있고, 흑운모가 큰 결정형을 보이며 산출된다. 우백질 반상화강암은 구룡산층 내에 시트(sheet)상으로 관입부존되는 특징을 보이 며, 유색광물의 함량이 적어 담회색으로 관찰된다. 세립질의 석영, 장석이 주를 이루고 있지만 조립질 의 장석이 다량의 반정으로 나타나는 반상조직을 보인다. 화강반암은 본 지역 화성암체 중에서 최후 기에 산출되는 화성암체로 광상 남단에 가장 소규 모로 산출된다. 중립내지 세립질의 석영과 장석으로 이루어져 있으며, 소량의 흑운모 결정이 관찰된다.

    광 상

    만장광산은 1939년 광권이 설정된 이후 동과 철 을 대상으로 채광되어 오다가 일시 조업중단된 후 1969년 새로운 광업권자가 인수하여 시추 및 탐광 항 등을 시공하였다. 1973년에는 1,478 M/T (Cu 5%)을 생산한 실적이 보고된 바 있고 현재는 휴광 중이다(KMPC, 1976).

    광상은 옥천층군 내에 존재하는 석회암층인 화 전리층을 모암으로 하여 북서부 구룡산층에 해당 하는 천매암과의 지층경계를 따라서 북동-남서방 향으로 본광체, 중앙광체, 서부광체가 배열되어 분 포한다(Fig. 1). 이 가운데 본광체와 중앙광체는 유 비철석, 철망간중석, 회중석, 자류철석, 방연석, 섬 아연석 등이 수반되는 열수교대 및 열수맥상형 광 체로서 북동방향의 구조선을 따라 발달하며 국부 적으로 모암인 석회암이 스카른화 되어 있다. 서부 광체는 박층의 셰일과 결정질 석회암의 호층을 이 루는 석회암을 교대한 철스카른광체로서 석류석, 휘석과 함께 자철석 및 형석이 산출되며, 황화광물 로 소량의 자류철석과 황동석이 수반된다. 서부광 체는 폭 5~7 m, 높이 3~4 m 가량의 디스크(disc) 형태로 발달하며, 광석광물인 자철석 함량은 15~45% 가량이며, 매장량은 약 30,450 M/T이다 (KMPC, 1981). 현재는 과거 개발된 7~8개의 갱도 및 채굴적이 확인가능하다.

    연구방법

    광상일대의 지질 및 광상의 산출상태를 알아보 기 위해 스카른광체와 주변암에 대한 야외조사와 시료채취를 수행하였다. 총 15개의 채취된 시료에 대해 암석절편, 박편 및 연마편 제작을 하고, 투과 및 반사현미경 관찰을 통하여 광물의 공생관계를 규명하였다. 스카른 및 광석광물의 화학조성을 파 악하기 위해 경상대학교 공동실험실습관에서 보유 하고 있는 JEOL사 JXA-8100을 이용하여 전자현 미분석(EPMA)을 수행하였으며, 분석조건은 가속 전압 15 keV, 전류 20 nA, 전자선 지름 1 μm이다. 광석광물을 구성하는 황화광물을 대상으로 황 안정 동위원소 분석을 실시하였으며, 분석은 한국기초과 학지원연구원 오창센터에서 원소분석기(Elemental analyze)를 결합한 안정동위원소질량분석기(Isotope Ratio Mass Spectrometer; Isoprime 100)를 이용하 였고 분석정밀도는 약 ± 0.2 ‰이다.

    스카른 및 광석광물

    스카른화 작용

    스카른광상은 탄산염암을 모암으로 하는 지층에 화성암체가 관입되어 스카른광물을 형성하는 접촉 교대작용의 산물이다. 스카른화 작용은 화성암체와 탄산염암의 접촉부에서부터 모암쪽으로 가면서 진 행되며, 열수유체와 모암과의 반응에 따라 석류석, 휘석 등을 포함한 다양한 광물들이 발달하게 된다 (Einaudi et al., 1981; Meinert, 1998). 이러한 변 화는 모암의 조성, 스카른이 형성되는 깊이, 화학 적 성질 등에 따라서 다양하게 나타날 수 있다 (Zaw et al., 2000; Zurcher et al., 2001; Kim et al., 2012). 만장광산 스카른광체에서 산출되는 주 요 광물로는 자철석, 석류석, 단사휘석, 각섬석, 녹 니석, 녹염석, 형석과 이 밖에 석영, 방해석, 적철 석, 자류철석, 황동석 등이 소량 수반된다. 서부광 체의 스카른광화작용은 산출되는 광물들의 공생관 계와 정출순서에 따라 전기 스카른화작용(I, II기) 와 후기 열수변질작용(III, IV기)으로 구분되며(Fig. 2), 이들은 각각 I기 : 단사휘석 ± 자철석 ± 석영, II기 : 석류석 + 단사휘석 ± 자철석 ± 석영, III기 : 자철석 + 각섬석 + 석영 ± 석류석 ± 단사휘석 ± 녹니석 ± 녹염석 ± 형석 ± 방해석, IV기 : 형석 ± 자류철석 ± 황동석 ± 각섬석 ± 석영 ± 방해석(IV 기)에 해당한다(Fig. 3).

    광화 I기 : 단사휘석 ± 자철석 ± 석영

    I기에는 단사휘석이 우세하게 산출되는데 연회 색에서 연녹색을 띠며(Fig. 2a), 현미경하에서 자형 및 반자형의 결정형을 보이고, 부분적으로 각섬석 에 의해서 교대되어진다. 자철석도 자형 및 반자형 을 이루며 단사휘석과 함께 산출된다(Fig. 4a).

    광화 II기 : 석류석 + 단사휘석 ± 자철석 ± 석영

    II기 스카른은 전반적으로 연갈색을 띠며 다량의 석류석이 단사휘석과 함께 산출되는데 I기 스카른 을 교대한다(Fig. 2a, b). I기와 유사한 특징을 보이 는 단사휘석이 관찰되고, 뚜렷한 벽개를 보이고 있 다(Fig. 4b). 자형의 등방성 석류석이 다량 산출되 고 이들 사이로 단사휘석이 관찰되며, 소량의 자철 석이 수반된다.

    광화 III기 : 자철석 + 각섬석 + 석영 ± 석류석 ± 단사휘석 ± 녹니석 ± 녹염석 ± 형석 ± 방해석

    III기 스카른은 맥상내지 괴상 형태로 산출되는 주광화작용 시기로서 자철석과 다량의 함수광물 (각섬석, 녹니석, 녹염석)이 정출된다(Fig. 4d, e). 각섬석은 자철석과 더불어 석류석을 교대하거나 석류석 결정 사이에서 침전되기도 하며(Fig. 4c), 녹니석과 녹염석이 먼저 침전된 자철석을 교대하 는 조직을 보이기도 한다(Fig. 4f). 적철석이 용리 구조를 보이며 자철석과 함께 산출되며, 일부 누대 구조가 발달한 이방성 석류석이 관찰되기도 한다.

    광화 IV기 : 형석 ± 자류철석 ± 황동석 ± 각섬석 ± 석영 ± 방해석

    IV기 스카른은 담녹색에서 암녹색을 띠며 다량 의 형석이 산출되며(Fig. 2c, 4g), 먼저 정출된 스 카른광물들이 교대되어 불규칙한 조직을 보이기도 한다(Fig. 2c). 광석광물로는 소량 자류철석과 황동 석이 수반된다(Fig. 4h, i).

    광석광물

    자철석

    서부광체에서 산출되는 자철석은 공생광물과 형 태에 따라서 전기자철석과 후기자철석으로 구분된 다. 전기자철석은 I기와 II기에 산출되는 것으로 단 사휘석 및 석류석과 공생관계를 보이며, 후기 광물 에 의해 교대되어진다(Fig. 4a, f). 결정은 반자형 내지 타형을 보이며 깨끗한 광물표면을 보인다. 후 기자철석은 III기에 해당하는 것으로 전기자철석과 는 달리 각섬석, 녹니석 등과 함께 정출된다(Fig. 4d, e). 이들은 대체로 타형을 이루며 석류석 결정 사이를 충진하거나 교대하는 형태로 정출되기도 하며(Fig. 4c), 황동석에 의해 교대된 모습을 보여 준다(Fig. 4i).

    자류철석과 황동석

    서부광체에서 산출되는 황화광물은 자류철석과 황동석이며, 이들은 IV기 스카른에서만 부분적으 로 관찰되는 것으로 보아 스카른 후기에 저온성광 물이 형성될 때 함께 정출되었음을 보여준다. 자류 철석은 일반적으로 괴상 내지 입상의 결정형을 가 지는데, 서부광체에서 산출되는 자류철석 역시 괴 상의 형태로 육안상 적황색을 보이며, 공생하는 황 동석에 비해 상대적으로 많은 양이 산출된다. 황동 석은 괴상의 형태로 대체로 자류철석과 공생하지 만 일부 단독으로 산출되는 황동석은 후기자철석 을 교대하기도 한다(Fig. 4h).

    분석결과

    스카른광물

    서부광체에서 산출되는 단사휘석과 석류석에 대 한 전자현미분석결과는 Tables 1, 2와 같다. 이들 은 각각 투휘석-헤덴버자이트계열과 그로슐라-안드 라다이트계열에 속하는데 생성시기에 따라 서로 다른 조성을 보이며, 뚜렷한 구분을 나타낸다. 단 사휘석의 경우 I기에는 Mg가 부화된 투휘석계열 (Di82-97Hd2-15Jo0-3)이 먼저 산출되며, 이후 II기 (Di0-7Hd67-85Jo12-29)와 III기(Di7-19Hd73-83Jo8-12)에서 는 Fe가 부화된 유체에 의해서 헤덴버자이트계열 이 형성되었다(Fig. 5). MnO성 분은 I기에서는 0.15-0.91 wt%이던 것이 II기에서는 3.59-8.40 wt%로 급격히 증가하였다가 III기에 와서는 2.34- 3.46 wt%로서 다시 감소하는 경향을 보인다.

    석류석의 경우 II기에는 Grs0-52Adr46-98Pyr2-8 조 성으로서 그란다이트계열에서 안드라다이트까지의 범위를 보이지만, III기에는 Grs2-9Adr89-97Pyr2-4으로 안드라다이트 조성을 나타낸다(Fig. 5). 산출되는 석류석 중에는 이방성의 누대구조가 관찰되기도 하며, 이들에 대한 화학분석 결과 그란다이트계열 과 안드라다이트계열이 반복적으로 나타난다. MnO 성분은 II기에는 0.58-3.39 wt%인 반면, III기에는 0.47-0.90 wt%로 감소한다.

    자철석

    자철석에 대한 전자현미분석결과 전기자철석의 FeO와 Fe2O3의 함량은 각각 30.29~31.19 wt% (avg. 30.73 wt%)와 67.43~68.98 wt% (avg. 68.22 wt%)으로 거의 일정한 조성 범위를 보이며 함량비 가 약 1 : 2를 이룬다(Table 3). 자철석에 함유된 미량원소의 경우 Si < 0.37 wt%, Al < 0.19 wt%, Ca < 0.04 wt%, Mg < 0.30 wt%, 그리고 Mn < 0.31 wt%를 나타낸다.

    이에 반해 후기자철석의 FeO와 Fe2O3의 함량은 각각 31.68~36.18 wt% (avg. 34.35 wt%)와 56.57~67.23 wt% (avg. 61.76 wt%)으로 전기자철 석에 비해서 조성 변화폭이 증가하였고, 수반되는 미량원소의 경우 Si 0.67~4.87 wt% (avg. 2.89 wt%), Al 0.04~0.45 wt% (avg. 0.17 wt%), Ca 0.04~0.84 wt% (avg. 0.32 wt%)로서 전기에 비해 뚜렷이 증가하였고, Mg과 Mn은 각각 < 0.04 wt% 와 <0.23 wt%로서 전기와 비슷하거나 약간 감소 한 경향을 보인다. 전체적으로 전기에서 후기로 가 면서 자철석의 Fe 함량은 감소하고 Ca + Mg + Al + Si 함량이 증가하는 반비례관계를 보인다(Fig. 6).

    황안정동위원소

    서부광체에서 산출되는 황화광물은 자류철석과 황동석으로 IV기에 소량 산출된다. 이들 시료에 대 한 δ34SCDT (‰)의 값은 5.9~6.9 ‰으로 비교적 좁 은 범위를 나타낸다(Table 4).

    토 의

    서부광체의 스카른화작용은 전진변성작용단계와 후퇴변질작용단계로 구분된다. 전진변성작용단계 는 관계화성암에서 유래된 광화유체에 의해서 모 암인 탄산염암을 교대하여 무수스카른광물을 형성 하는 시기로 이때 단사휘석과 석류석이 산출된다. 단사휘석은 전진변성작용단계 전반에 걸쳐서 산출 이 되며, 후반에 갈수록 산출양은 감소한다. 이에 반해 석류석의 경우 전진변성작용 중반부에 주로 산출된다. 이후 광화유체의 진화와 더불어 온도와 압력이 서서히 감소하면서 함수변질광물을 형성하 는 후퇴변질작용단계에 접어들게 되면 각섬석, 녹 니석, 녹염석 및 형석 등의 광물들이 기존의 단사 휘석과 석류석을 교대하면서 발달하는 경향을 보 인다. 이러한 경향은 여러 스카른광상에서 보여주 는 일반적인 발달양상과 유사하게 나타난다 (Einaudi et al., 1981; Kwak, 1994; Singoyi and Zaw, 2001; Seo et al., 2007).

    스카른광상에서 산출되는 스카른광물들은 관입 암 및 모암의 특성에 따라 다양한 유형과 조성을 나타내며(Einaudi et al., 1981; Newberry et al., 1997), 열수유체의 이동에 따른 유체/암석비의 변 화를 반영하게 된다(Bowman et al., 1985; Gerdes and Valley, 1994; Dipple and Gerdes, 1998). 일 반적으로 근원암 인근에서는 높은 유체/암석비를 갖지만, 원지로 갈수록 상대적으로 감소하게 되며, 이로 인해 특히 석류석을 구성하는 철과 알루미늄 함량에 영향을 끼치게 된다(Reed, 1997; Meinert et al., 2005). 연구지역에서 산출되는 석류석은 전 체적으로 그로슐라-안드라다이트 조성의 고용체를 형성하고 있으며, 이들은 Meinert(1998)가 제시한 일반적인 철 및 동광상에서 산출되는 석류석 조성 과 유사한 범위를 보인다(Fig. 5).

    서부광체에 발달하는 스카른 광화작용은 네 단 계로 세분되며 이는 광물의 생성환경 차이를 반영 한다. 이 가운데 전기 스카른화시기에 해당하는 I 기에는 투휘석이 우세하게 산출되지만, II기에 와 서는 온도 감소와 유체의 조성 변화로 Fe2+가 증가 하면서 헤덴버자이트 정출이 두드러진다. 이 시기 의 석류석은 Al과 Fe3+을 함유하는 그란다이트계 열이 산출되다가 III기에 와서는 안드라다이트계열 석류석이 정출되면서 Fe3+가 부화된 산화환경으로 변화가 진행된 것으로 나타난다. 또한 석류석에서 그란다이트계열과 안드라다이트계열의 조성이 반 복적으로 나타나는 진동누대구조의 발달은 유체의 조성이 반복적으로 변화하였음을 지시한다. 대체적 으로 이들 석류석은 알만딘 성분이 결여되어 있어 전반적으로 산화환경에서 정출되었음을 시사한다.

    일반적으로 스카른광상에서는 관계화성암, 모암 및 정출심도에 따른 복합적인 요인에 의해 산화환 원환경이 결정될 수 있다(Newberry, 1991; Ray et al., 1995; Go et al., 2014). 특히, 단사휘석과 석 류석의 화학조성은 스카른 시스템에서 생성환경과 밀접한 관련이 있다. 환원환경의 모암에서는 산화 된 마그마가 관입한 경우에도 석류석/휘석의 비가 낮고, Fe가 비교적 결핍된 석류석(Fe3+ 풍부)과 반 대로 부화된 휘석(Fe2+ 풍부)이 정출되는 경향을 보 이는 것으로 알려져 있다(Meinert et al., 2005; Kim et al., 2009). 만장광상의 경우에도 초기 석류 석/휘석 비가 낮고 Fe가 결핍된 석류석의 정출은 주 변 점판암 내지 천매암질 모암의 영향 때문인 것으 로 여겨진다(Newberry, 1991; Zaw et al., 2011).

    자철석은 광화 I기와 II기의 전기자철석과 III기 의 후기자철석으로 구분되며, 주 광화작용은 후기 자철석에 해당한다. 자형 및 반자형을 보이는 전기 자철석은 Fe2+와 Fe3+의 조성비가 약 1 : 2로 거의 일정하고 불순물이 거의 없는 화학조성을 보이는데 이는 전기자철석이 광화유체 조성변화가 거의 없는 환경하에서 정출되었음을 지시한다. 후기자철석은 타형의 결정형과 괴상의 형태를 보이며 후기 변질광 물들과 함께 산출되는데 FeOtotal의 함량(92.75-98.91 wt%, avg. 96.11 wt%)이 전기자철석(98.37-100.11 wt%, avg. 98.95 wt%)에 비해서 낮고, 넓은 범위 를 보이고 있다. 또한 Si와 Ca 함량이 증가함에 따 라서 Fe 함량이 감소하는 경향을 보이고 있다. 이 는 후기자철석이 후퇴변질작용단계에서 분화가 상 당히 진행된 화성기원의 열수유체가 모암인 탄산 염암과 지속적인 반응을 통해서 Ca 함량이 증가하 면서 Fe와의 치환이 활발히 이루어졌기 때문인 것 으로 사료된다. 전기자철석의 Mn과 Mg 함량이 Ca에 비해 상대적으로 높았던 것은 이 시기에 Fe2+ 에 대한 치환이 주로 Mn2+과 Mg2+에 의해 이루어 졌고, 후기에 와서는 Ca2+에 의해 진행되었음을 시 사한다. 아울러 후기에 와서 Si, Al의 증가는 이들 원소에 의한 Fe3+에 대한 치환이 증가하였음을 나 타낸다. 이러한 경향은 정출시기에 따라 자철석의 Fe2+와 Fe3+에 대한 치환 정도에 변화가 있었음을 보여준다. 한편, Cr의 경우 Fe3+를 잘 치환하는 성 질을 갖는 원소이나(Horn et al., 1994; Righter et al., 2006) 연구지역 자철석의 Cr 함량이 적은 것 (<0.05 wt%)은 결핍된 모마그마로부터 기인된 것 으로 해석된다(Krasnova et al., 2004).

    서부광체에서 산출되는 자류철석과 황동석에 대 한 황 동위원소조성이 5.9~6.9 ‰로서 화성기원에 해당하나(Seal et al., 2006) 태백산광화대 주요 스 카른광상과 비교할 때 상대적으로 높은 범위의 값 을 보인다(Fig. 7 : Kim and Nakai, 1980, 1982; Lee, 1985; Moon, 1991; Lee et al., 1998). 일반적 으로 열수광상에서 열수유체의 기원과 주변모암의 특성에 따라 황안정동위원소 조성은 다양하게 나타 난다(Ohmoto and Rye, 1979; Ohmoto and Lasaga, 1982). 특히, 석회암의 경우 해수기원의 높은 황동 위원소조성을 갖는 것으로 알려져 있으며(Claypool et al., 1980; Strauss et al., 2001), 태백산분지 내 석회암에 포함된 황산염광물의 경우도 25.9~45.2 ‰의 값을 나타낸다(Ishihara et al., 2002). 이에 따 라 만장광산 서부광체를 형성한 광화유체가 유체- 암석반응에서 모암인 석회암으로부터 유래된 황의 영향을 받은 것으로 여겨지며, 광화후기에 정출된 황화광물의 이러한 특징은 광화유체와 모암과의 반 응이 두드러진 후기자철석의 특징과 부합된다. 아 울러 모암인 석회암과 광체 내 방해석맥에 대한 탄 소 및 산소동위원소 조성에 관한 연구에서 Kim and Shin (1987)은 광화유체가 심부기원 탄소와 순 환수의 혼합에 의해 형성된 것으로 해석한 바 있어 서 이러한 황동위원소 특성을 뒷받침한다.

    결 론

    만장광상 서부광체의 스카른 광화작용은 전기(I, II기)와 후기(III, IV기)로 나눌 수 있으며, 공생하는 광물군에 따라서 단사휘석 ± 자철석 ± 석영(I기), 석류석 + 단사휘석 ± 자철석 ± 석영(II기), 자철석 + 각섬석 + 석영 ± 석류석 ± 단사휘석 ± 녹니석 ± 녹염석 ± 형석 ± 방해석(III기), 그리고 형석 ± 자 류철석 ± 황동석 ± 각섬석 ± 석영 ± 방해석(IV기) 으로 세분된다. 스카른화 초기에는 투휘석이 다량 산출되고, 점차 헤덴버자이트가 증가하였으며, 석 류석도 그란다이트에서 안드라다이트로 조성변화 가 일어난 것으로 보아 광석광물의 침전은 광화유 체가 점차 산화환경으로 진화되면서 일어난 것으 로 보인다.

    자철석은 전기(I, II기)와 후기(III기) 두 시기에 걸쳐 정출되었으며 전기에 비해 후기자철석의 Si, Ca 함량은 증가하고, Mg, Mn은 감소하였다. 이러 한 경향은 화성기원의 열수유체와 모암인 석회암 과의 지속적인 반응 결과로 해석되며, 정출시기에 따라 자철석의 Fe2+와 Fe3+에 대한 치환 정도에 변 화가 있었음을 보여준다. 광화후기에 정출된 황화 광물의 황안정동위원소 조성은 5.9~6.9 ‰로서 화 성기원에 해당하나 모암인 석회암의 영향으로 다 소 높은 값을 형성한 것으로 보인다.

    사 사

    이 논문은 2016년도 한국지질자원연구원의 태백산광 화대 유망광체 확보를 위한 지질광상조사 및 성인연구사 업(계정번호 16-3211)에 의해 수행되었습니다. 본 원고 에 대하여 건설적인 비평을 주신 인하대학교 서정훈 교 수와 익명의 심사위원께 감사드립니다.

    Figure

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    Geologic map of the study area (modified from Kim and Shin, 1987).

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    Slab photos illustrating various features of skarn stages in the Western Manjang orebody. (a) stage I skarn replaced by stage II and III veins; (b) stage II and III skarns showing different colors; (c) stage IV skarn including rock fragments. Abbreviations; gt = garnet, cpx = clinopyroxene, mt = magnetite, amp = amphibole, fl = fluorite, po = pyrrhotite, cp = chalcopyrite.

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    Paragenetic sequence of minerals in the Western Manjang orebody.

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    Photomicrographs of skarn ores of various stages in the Western Manjang orebody. (a) stage I skarn consisting of clinopyroxene and magnetite replaced by stage III amphibole; (b) garnet coexisting with clinopyroxene in stage II; (c) garnet replaced by magnetite of stage III; (d) anhedral magnetite precipitated with amphibole in stage III; (e) anhedral magnetite coexisting with chlorite; (f) magnetite replaced by epidote; (g) amphibole replaced by fluorite; (h) pyrrhotite coexisting with chalcopyrite in stage IV; (i) magnetite replaced by chalcopyrite. Abbreviations; chl = chlorite, ep = epidote. See Figure 2 for other abbreviations.

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    Chemical compositions of clinopyroxene and garnet in the Western Manjang orebody plotted on the Jo-Di-Hd and Pyr-Gr-Ad ternary diagram, respectively. Shaded areas represent the Cu skarn and Fe skarn of Meinert (1998).

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    Compositional variation of Fe against Ca + Mg + Al + Si for magnetite from the Western Manjang orebody.

    JMSK-29-141_F7.gif

    Sulfur isotope compositions of sulfide minerals from the Western Manjang orebody compared with representative skarn deposits in the Taebaeksan mineralized district.

    Table

    Representative EPMA analyses of pyroxene from the Western Manjang orebody

    Abbreviations; Jo = johannsenite, Di = diopside, Hd = hedenbergite

    Representative EPMA analyses of garnet from the Western Manjang orebody

    Abbreviations; Adr = andradite, Grs = grossular, Pyr = pyralspite

    Representative EPMA analyses of magnetite from the Western Manjang orebody

    Sulfur isotope composition of sulfide minerals from the Western Manjang orebody

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