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ISSN : 1225-309X(Print)
ISSN : 2288-7172(Online)
Journal of the mineralogical society of korea Vol.31 No.4 pp.307-323
DOI : https://doi.org/10.9727/jmsk.2018.31.4.307

Hydrothermal Evolution for the Inseong Au-Ag Deposit in the Hwanggangri Metallogenic Region, Korea

Hye Jeong Cho1, Jung Hun Seo1*, Tong Ha Lee1, Bong Chul Yoo2, Hyeonwoo Lee3, Kangeun Lee3, Subin Lim3, Jangwon Hwang3
1Department of Energy and Resources Engineering, Inha University
2Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources
3Incheon Academy of Science and Arts
Corresponding author: +82-10-4457-4877, E-mail: seo@inha.ac.kr
December 6, 2018 December 18, 2018 December 26, 2018

Abstract


The Inseong Au-Ag and base metal deposit, located in Chungchengbuk-do, Korea, consists of series of quartz veins filling fissures. The deposit occurs in Hwanggangri meta-sediment formation, a lime pebble-bearing phyllite, in the Okcheon Supergroup. Abundant ore minerals in the deposit are pyrite, arsenopyrite, sphalerite, chalcopyrite and galena. The gangue minerals are quartz, calcite and chlorite. Hydrothermal alteration such as chlorization, silicitication, sericitization and carbonitization can be observed around the quartz veins. 4 vein stages can be distinguished based on its paragenetic sequence, vein structure, alteration features and ore minerals. Microthermometry of the fluid inclusion assemblages occur in the veins are conducted to reconstruct a hydrothermal P-T evolution. Fluid inclusions in clean and barren quartz vein in stage 1 have Th of 270~342 °C and salinity of 1.7~6.4 (NaCl eqiv.) wt%. Euhedral quartz crystal in stage 2 have Th of 108~350 °C and salinity of 0.5~7.5 wt%. Barren milky quartz vein in stage 3 have Th of 174~380 °C and salinity of 0.8~7.5 wt%. Calcite vein in stage 4 have Th of 103~265 °C and salinity of 0.7~6.4 wt%. Calculated paleodepth about 0.5~1.5 km (hydrostatic pressure) indicate epithermal ore-forming condition. Shallow depth but relatively high-T hydrothermal fluids possibly create a steep geothermal gradient, sufficient for base metal precipitation in the Inseong deposit.



황강리 광화대 인성 금-은 광상의 광화 유체 진화

조 혜정1, 서 정훈1*, 이 동하1, 유 봉철2, 이 현우3, 이 강은3, 임 수빈3, 황 장원3
1인하대학교 에너지자원공학과
2한국지질자원연구원
3인천과학예술영재학교

초록


인성광상은 옥천누층군의 황강리층 내에 발달한 열극 충진 함 금-은 및 베이스 메탈 석영맥 광 상이다. 광상 생성에 기여한 맥들은 녹니석화, 규화작용, 견운모화 그리고 탄산염화 작용 등 다양한 변질양상 및 광석 광물에 따라 네 시기로 구분된다. 첫 번째 시기(stage 1)에는 자형의 황철석 및 유비 철석과 함께 투명하고 경제적 광석이 나타나지 않는(barren) 석영맥이 나타난다. 두 번째 시기(stage 2) 에는 자형 석영 결정의 석영맥이 형성되며, 유비철석, 섬아연석, 황동석, 황철석 및 방연석이 나타난 다. 세 번째 시기(stage 3)에는 유백색 석영맥과 소량의 섬아연석이 나타난다. 네 번째 시기(stage 4)에 는 자형의 석영 결정을 포획한 방해석맥이 나타나며, 모암 내 탄산염 변질과 함께 소량의 유비철석, 황철석, 방연석, 섬아연석 및 황동석이 산출된다. 각 시기별 유체 포유물은 주로 염 결정이 포함되지 않은 다양한 밀도의 수용액 유체 포유물이 대부분이다. 각 시기의 균질화 온도(Th: °C)와 염 농도 (NaCl equivalent wt%)는 다음과 같다; 시기 1 (270~342 °C 그리고 1.7~6.4 wt%), 시기 2 (108~351 °C 그리고 0.5~7.5 wt%), 시기 3 (174~380 °C 그리고 0.8~7.5 wt%) 그리고 시기 4 (103~265 °C 그 리고 0.7~6.4 wt%). 넓은 범위의 균질화 온도와 염농도는 광화 유체가 천수의 혼입에 의한 냉각과 희 석이 있었을 가능성을 지시한다. 0.5~1.5 km의 인성광상의 계산된 고심도는 천열수 환경을 지시한다.



    서 론

    철강, 자동차, 조선 그리고 전자-통신 관련 고부 가가치 첨단 제품 생산의 비중이 늘어나면서 원자 재들과 핵심 자원으로 여겨지는 희유금속들의 중 요성이 높아졌다. 특히 금-은 자원은 귀금속으로의 가치뿐만 아니라 전자 제품의 도선, 연결 부품과 의료품 등의 역할로 계속해서 수요량이 증가하고 있으나, 과거 가행한 7천여 개의 광상들 중 현재는 은산광상 등 극히 일부 광상만이 가행되고 있어 국 내 수요를 채우지 못하고 수입에 의존하고 있는 실 정이다. 당면한 문제에 따라 금속 자원 회수 목적 의 도시광산 기술 개발 등이 이루어지지만 그 회수 율의 발전은 현저히 더딘 상태이기 때문에 국내 금 -은 광산들에 대한 가능성을 확인하는 심도 있는 탐사 연구가 필요하다.

    한반도에 분포하는 금-은 광상의 대부분은 화성 암과 변성암을 모암으로 하는 열극 충진 광상이 70~80 %를 차지하며(KIGAM, 1982) 쥬라기 대보 화강암과 백악기 불국사 화강암과 관련되어있다 (Kim, 1970;Son, 1971;Shin, 1974). 학자들은 이 러한 지체구조적 사건과 관련된 금-은 광상을 찾기 위해 반암형 광상, 천열수 광상 및 Iron oxide copper 광상 등 금광상의 부존가능성을 둔 탐사를 진행하기도 하였다(Richards and Kerrich, 2007). 금-은 광상의 주요 위치를 찾아보면 대부분이 중부 이북에 위치하고 특히 옥천변성대를 이루는 충남- 충북지역이 35 %를 차지한다(Kim, 1970;Kim, 1986). 국내 부존자원을 찾고자 금-은 광상들이 산 재한 옥천변성대 내 지화학적 방법을 이용한 연구 들이 수행되었다(Lee 2000;Yoo, 2013;Shin et al., 2015).

    인성 금-은 광상은 옥천변성대의 황강리층 내에 형성되어 있으며, 과거 1983년부터 1985년간 광업 진흥공사에 의해 개발된 바 있다. 인성 광상 일대 의 지질에 대한 연구와 해석 및 인성 광상의 광화 작용-주변지질에 대한 세밀한 연구가 진행된 바 있 으나(Lee and Moon, 1989), 광상 내 자형 석영결정 에 존재하는 유체 포유물 연구 외에 추가적인 고밀 도의 유체 온도-압력 데이터를 기반으로한 열수 진 화에 대한 연구는 수행되지 않았다. 이번 연구의 목 적은 광상주변부 지질시대 및 논란이 있던 층의 정 렬, 모암의 변질 및 광상의 광석광물에 대한 공생관 계 그리고 다양한 시기의 석영맥에 나타나는 대량의 유체 포유물 assemblage 연구 및 microthermometry 실험을 실시하여, 인성 광상의 열수 진화와 관련한 통계적으로 좀더 유효한 유체의 온도-압력의 시간 적 변화를 재구성하기 위함이다.

    지질개요

    인성 광상은 옥천누층군의 상층인 황강리층 내 에 발달한 열극충진 금-은 광상으로 충북 괴산군 장연면 추점리에 위치한다. 이 광상을 배태하는 주 변 지질은 옥천누층군과 이를 후기에 관입한 중생대 흑운모화강암, 우백질 반상화강암, 화강반암 및 염기 성-산성암맥으로 구성된다(Lee and Moon, 1989). 인성 광상이 위치한 황강리층은 본 광상의 동남쪽 에서 흑색 세립 천매암인 서창리층과 부정합으로 접하고 서북쪽에서는 황강리층 위로 운모질 천매 암, 석영-흑운모 편암으로 구성된 문주리층이 정합 적으로 놓인다(Fig. 1). 과거 이원리층, 북노리층이 라고 표현된 함력 사질천매암층은 함유된 역이 상 이한 황강리층이 구조적으로 반복 분포한 것이며 (Lim et al., 2007; Kim, 2017), 황강리층은 다양한 종류와 크기의 역들을 함유하는 암회색의 함력 사 질-이질암으로 구성되며 기질부는 대부분 천매암 화 되었다. 석회석을 주 구성역으로 가지며 천매암 질 기질에는 15 cm 내외의 원마도가 높은 석회암 역들이 엽리 방향으로 elongate되어 있다(Lee and Moon, 1989). 쥐라기 화강암체에 접한 일부 황강 리층은 화강암 관입에 따른 열변질작용으로 담회 색~회백색을 띄며 기질부가 규화작용을 받아, 다른 층의 암석처럼 보이기도 한다(Lim et al., 2007). 인성 광산이 위치하는 옥천누층군은 층서, 지질구 조, 지질시대는 습곡, 단층, 부정합과 절리로 인해 아직까지도 학자들간 이견과 논란이 있다(Lee and Park, 1965;Kim and Lee, 1965;Lee et al., 1977). 황강리층 내 석회암질 역 내에서 발견된 코 노돈트의 미화석을 연구한 결과 전기 오오도비스 기임이 밝혀진 후(Lee et al., 1989), Lee and Moon (1989)은 황강리층을 관입한 흑운모 화강암 내 흑운모 K-Ar 연대측정 결과 226 ± 0.3 Ma 트 라이아스기의 화성활동으로 생긴 화강암임을 주장 하였고, Cheong et al. (2003)은 291~281 Ma에 옥천변성대에 큰 변성작용이 일어났다고 하였으며, Oh et al. (2004)과 Kim et al. (2005) 또한 옥천대 주변성 시기가 고생대 말이라고 추정하였다. Suzuki et al. (2006)가 황강리층에 함유된 화강편마암 역 을 이용한 연구에서 맨틀 과성장이 370 Ma 시기 에 발생했다는 연구결과를 내었고 Cho and Kim (2005) 또한 285 Ma에 광역변성작용이 발생하였 다고 추정하였다. Cho (2006)는 약 280 Ma 시기 에 대규모 드러스트-납페(thrust-nappe) 운동을 수 반한 옥천조산운동을 통해 최대 9 kbar의 중압형 변성작용이 발생하였다고 주장하였다. 위와 같은 연구들은(Cheong et al., 2003;Oh et al., 2004;Kim et al., 2005;Cho and Kim, 2005) 황강리층 이 위치한 서북부 옥천대에 광역적이며 결정적인 변성작용이 전기 페름기에 일어났다고 하는 Lim (2007)의 주장에 부합하므로 이러한 결과를 토대 로 본 논문에서 황강리층의 지질시대는 후기 오르 도비스기에서 전기 석탄기라고 추정한다.

    광상 개요

    황강리층 내에 발달한 주 광체가 분포하는 본 맥 주변부 기질은 함력 천매암이며 광상에서 관찰 할 수 있는 모암들은 주로 녹니석화 작용, 견운모 화 작용, 규화 작용 및 탄산염화 등의 변질 작용을 보인다. 본 광상은 N45-50E, 70-80SE의 주향, 경 사를 가지며, 약 30 m 크로스 굴진 후에 본맥인 석영맥을 따라 약 300 m 연맥 굴진 되었다. 인성 광산의 금-은 광상을 구성하는 주 성분광물은 황철 석, 유비철석, 섬아연석, 방연석이며 부성분광물은 자류철석, 황동석, 미량의 황석석, 휘동석, 자연창 연 그리고 휘창연석 등이다. 광상의 맥폭은 본 갱 입구에서부터 약 100 m 구간까지는 0.1~0.3 m의 석영맥, 방해석 맥을 가지며, 황화광물이 정출이 거의 없고 금-은 함량 또한 1 g/t 이하이다. 갱입구 부터 100~270 m 구간에서는 0.3~0.8 m까지의 맥 폭을 갖는 석영맥과 함께 방해석 세맥이 발달한다. 160~220 m 구간에는 석영맥 내 황철석, 방연석, 섬아연석, 유비철석 등의 황화광물이 정출되고, 광 물들의 품위가 3.7~8.0 % Pb, 3.5~10.0 % Zn, 2.1~ 2.7 g/t Au, 90~200 g/t Ag로 상승한다(Lee and Moon, 1989). 입구에서부터 240~250 m 구간 은 다량의 유비철석을 함유한 맥, 황철석과 유비철 석을 함유한 맥 그리고 부성분 광물인 황동석, 휘 동석, 자연창연 및 휘창연석 등이 함유된 맥 등으 로 구성된다. 입구에서부터 270~330 m 구간 내 맥 들은 0.1~0.3 m 폭의 연장 발달을 보이며 이 구간 내 금-은 품위는 0.6 g/t Au, 70 g/t Ag 이하, 산출 되는 광석 광물은 유비철석, 황철석, 황동석, 휘동 석, 자연창연 및 휘창연석이다. 정동 또는 정동 내 자형 결정인 광석 광물은 대체로 부광대 부근 각력 상 광맥을 이루는 부분에서 잘 발달한다. 함은 광물 은 방연석(0.7~1.0 wt % Ag)과 자연창연(0.4~1.9 wt % Ag)이며 방연석 내에는 창연이 1.9~4.7 wt % 함유된 것이 발견되기도 한다(Lee and Moon, 1989). 인성광상에 대한 전반적이고 기초적인 기존 연구 논문(Lee and Moon, 1989)에서는 열극 내 석영맥을 다음과 같이 3가지 시기로 나누었다. 1기 는 우백색을 띄는 석영맥으로 이 시기의 광화작용 은 매우 미약하다. 2기는 투명하며 자형 석영결정 을 갖는 맥으로 1기의 석영맥을 관입해 발달하거 나 피복한다. 이 시기에는 주 광화작용이 일어나 석영맥 내외로 다량의 광석광물이 정출된다. 3기는 1, 2기의 석영맥을 끊고 발달하는 유백색의 석영맥 시기로 수 cm의 세맥이 발달하며 광화작용은 매우 미약하다. 또한 Lee and Moon (1989)은 인성 금- 은 광상의 물리화학적 생성환경을 고찰하기 위해 유체포유물을 이용한 균질화실험, 초기 정출 광물 인 유비철석의 지질온도계, 2기의 방연석-섬아연석 을 이용한 유황동위체 지질온도계, 그리고 석영맥 내 초생녹니석 지질온도계 등의 여러 실험을 진행 하였다. 그 결과, 광상의 생성온도는 초기 360~ 460 ℃, 중기에는 300~360 ℃, 말기에는 210~310 ℃이며 광화 초기의 유황분압은 fs2 = 10-6 - 10-8.5 atm, 열수의 염농도 범위는 3.3~5.8 wt % NaCl이 었다. 유황동위원소 비는 광화 유체가 화성기원임 을 지시한다(Lee and Moon, 1989). Fig. 2

    맥 시료 채취 및 기재

    본 광상의 열수 환경을 이해하기 위해, 석영맥 시료와 광석 시료를 확보하고 변질 및 광물 조직을 관찰하였다. 광상 암석관찰 및 시료의 연마박편을 이용한 현미경 하에서의 광물간 공생관계, 광석 광 물 구조와 암석 조직, 석영맥 특징등에 대한 연구 를 통한 정출 순서는 Fig. 3와 같다. 기존에 인성광 산에 대한 Lee and Moon (1989)의 연구에서는 자 연창연과 휘창연석 등의 함은 광물들이 산출된다 고 보고되어 있으나 본 연구에서는 관찰되지 않았 다. 광화 시기는 석영맥 절단단계, 변질 종류에 따 라 크게 2시기로 나뉘며, 세부적으로 광물 정출 순 서 및 입자크기 등에 따라 4시기로 분류하였기 때 문에 기존의 연구에서의 분류된 광물 정출 순서와 는 상이하다.

    시기 1: 초기 모암에 다량의 녹니석-견운모 변질 을 일으키며 모암 내 소량의 자형 황철석을 산출시 키는 barren한 석영맥 단계이다. 이 단계 시료 내 석영맥은 폭이 약 2 cm인 투명한 세맥이며, 산출되 는 광석 광물의 양은 미량이다. 석영맥 주위 우세한 녹니석화 변질과 함께, 자형결정 황철석 및 유비철 석(0.5 cm)을 소량 산출하였고 이때 녹니석은 Fe가 풍부한 chamosite (Fig. 4)로 저압 내지 중압의 변 성작용을 받은 모암 내 Fe-rich ferromagnesian mineral로부터 교대되었을 것이다(Deer, 1992). 광 석 광물 정출 순서, 변질 양상을 고려하면 본 연구 의 시기 1이 이전의 연구(Lee and Moon, 1989)의 시기 1의 광화 시기에 대비된다.

    시기 2: 시기 1 이후 열수가 다시 유입되어 전 단계의 석영맥을 끊고 다량의 황화 광물과 자형의 투명 석영 결정을 모암으로부터 대칭적 정출시키 는(free standing quartz) 석영맥 단계이다. 이 시기 의 석영맥은 모암으로부터 맥 중심을 향해 다량의 황철석과 유비철석(1.3 cm)을 모암 변질대(salvage) 에 침전시킨 후, 단결정 자형 석영맥(약 3.5 cm)으 로 성장한다. 광석 광물 중 황철석은 조기 정출한 유비철석을 포획하거나, 유비철석의 경계를 따라 산출되기도 한다. 또한 석영맥의 절단으로 모암 내 섬아연석과 방연석이 괴상으로 산출되었으며, 다량 의 유비철석, 섬아연석, 황철석 그리고 소량의 황 동석, 방연석을 순서대로 침전시켰다. 이 단계에서 섬아연석은 상대적으로 높은 Zn 함량으로 인하여 붉은 빛을 띠며, 주로 석영맥을 따라 침전되는 특 징이 있다. 대부분 섬아연석은 황동석 용리 작용 구조 “chalcopyrite diseases texture”를 보이며, 황 동석은 섬아연석 내에서만 존재한다. 황철석은 자 형으로 단독 존재하거나 유비철석의 열극을 충진 또는 교대하며 침전하였다. 방연석은 후기 정출로 황철석, 유비철색을 포획한 형태를 보인다(Fig. 4). 시기 2는 자형 석영맥의 산출상, 광석 광물 정출 순서등을 고려하면 이전의 연구(Lee and Moon, 1989)의 시기 2에 대비된다.

    시기 3: 다량의 광석 광물 침전 후(시기 2) 유입 된 열수는 시기 3의 milky 석영맥(4.5 cm)을 형성 하며, 이 석영맥들은 시기 2에서 생성되었던 자형 석영 결정, 석영맥, 섬아연석, 황동석, 방연석, 황철 석 그리고 유비철석 등에 평행하게 중첩되거나, 혹 은 시기 3의 맥 내에 시기 2시기의 광석이 포획되 기도 한다. 이 시기는 광석 광물의 산출량이 적고 모암에 일으킨 녹니석-견운모화 변질 작용이 특징 이며, 맥 주변 변질로 인하여 모암 내 녹니석 및 일라이트가 나타난다(Figs. 5~6). 방해석 및 앵커 라이트(ankerite)의 존재 그리고 변질 및 광석 광물 정출 순서를 고려하면 본 연구의 시기 3은 이전의 연구(Lee and Moon, 1989)의 시기 3에 부합한다.

    시기 4: 모암 내 방해석 세맥 또는 다량의 석영 결정을 포획한 방해석 맥(10 cm) 시기이다. 마그네 시안(magnesian) 방해석이 조기에 정출된 석영맥 결정의 틈을 충진하거나 교대하고, 황화광물에 대 한 후기 광화작용 및 모암 내 탄산염화, Fe-rich 녹 니석화 변질을 수반한다(Fig. 7). 황화 광물은 모암 내 유비철석, 황철석, 방연석 및 섬아연석과 황동석 순으로 소량 정출하고, 마그네시안 방해석 맥 내에 는 황철석, 유비철석이 모암 변질대에서 맥 중심을 향해 자형으로 정출된다. 이 시기 모암 내에는 변 질로 인해 펜자이트(phengite), 금운모(phlogopite) 및 몬모릴로나이트와 미량의 점토 광물들이 모암 내 변질광물로 나타난다(Fig. 7). 방해석 맥, 변질 양상 그리고 광물 정출 순서를 고려하면 본 연구의 시기 4는 기존 연구(Lee and Moon, 1989)에서 시 기 3의 후기에 일부 대비되며 또한 최후기의 추가 적인 방해석 맥 시기라고 볼 수 있다.

    인성 광상의 광석 광물은 시기별로 정출 순서와 종류 및 형태가 상이하다(Fig. 8). 황철석은 광상 내 가장 우세하게 나타나는 광석으로 다음과 같은 정출 형태를 보인다. 그것들은 1) 조기 정출된 유 비철석을 교대, 2) 조기 정출된 유비철석을 후기 정출된 황철석이 포획, 3) 후기 정출한 섬아연석- 방연석에 의해 황철석의 틈에 충진, 4) 후기 정출 한 유비철석이 조기 정출한 황철석을 교대, 그리고 5) 자형-반자형의 황철석이 녹니석이 변질된 모암 내 형성 등이다. 유비철석은 주로 후기 정출된 황 철석, 섬아연석, 방연석에 의해 교대되거나 포획된 형태로 다른 광석의 유입으로 인해 자형이 깨진 형 태를 갖는다. 섬아연석은 상대적으로 높은 Zn 함 량으로 인해 붉은 빛을 띈다. 발견된 섬아연석은 황동석과 용리조직을 보이며 조기 정출된 유비철 석, 황철석을 교대하거나 틈에 충진한 형태이다. 방연석은 주로 시기 2에서 발견되며, 조기 정출한 유비철석, 황철석의 틈을 충진하거나 섬아연석을 교대한 형태를 보인다. 황동석과 황석석은 섬아연 석 내 용리조직으로만 발견된다.

    실험방법

    XRD (X-ray diffraction): 석영맥 변질대 광물들 과 광석광물에 대해 진행한 XRD분석을 진행하였 다. 분석은 인천과학예술영재학교의 LynnxEye 검 출기가 부착된 D8 advance diffractometer (Bruker AXS)를 이용하여 수행하였다. 분석 조건은 CuKα 회절 X선을 이용하여 가속전압 40 kV, 빔 전류 40 mA, 회절 패턴은 5 °~60 ° 2θ 구간, 시간당 0.1 ° 스텝 방법을 이용하였다. 앞서 분류한 네 가지 시 기의 분석 시료들을 준비하였다. 시기 1에는 녹니 석-견운모화가 일어난 모암에 대하여 실시하였고, 시기 2에는 석영맥 주위 광석광물들에 대하여 수 행하였다. 시기 3에는 육안 및 박편 관찰로 판별이 불가한 변질 모암 내 광종의 판별을 위해 진행하였 으며, 시기 4는 녹니석-탄산염화 점토질 변질모암 과 방해석 맥 내 광석광물들에 대하여 수행하였다. 유체 포유물: 유체 포유물 연구는 기존 본 광상 내 자형 석영 결정의 석영맥 시기뿐만 아니라 광상 열 수 진화 환경을 지시하는 네 가지 시기의 석영맥 및 방해석 내의 유체포유물을 대상으로 수행하였 다. 특히 후기 석영맥들이 시기 2의 자형 석영 결 정을 포획하였을 가능성을 고려하여 조심스럽게 선정하여 각 시기별 석영맥 double-polished 박편 을 준비하고 가열-냉각 실험을 진행하였다. 유체포유 물의 assemblage (fluid inclusion assemblage)는 석영 맥 내 석영 시료의 petrography 관찰 및 조직 해석을 통하여 석영맥 내의 crack이 없는 결정 내 primary 및 pseudo-secondary 유체 포유물 assemblage를 선정 하고(Roedder, 1984), 인하대학교 자원지질연구실 에 있는 Linkam FTIR 600 heating-freezing stage 를 이용하여 실시되었다. 표준 합성 유체 포유물 (synthetic fluid inclusion)인 CH4가 혼합된 CO2 (-57.1 ℃) 그리고 H2O (0.0 ℃ 그리고 374.1 ℃)를 이용하여 보정하였다(Bodnar and Sterner, 1987). Ice-melting 온도(Tm ice)와 균질화 온도(Th)는 assemblage 내 유체 포유물의 값들이 조금씩 차이 가 존재하기에, 단일 유체 포유물의 값으로 보고하 지 않고, assemblage에서 분석된 값들의 평균값 및 표준 편차를 이용하기 위해 최소 2개 이상의 단일 유체 포유물을 포함한 163개의 assemblage (단일 포유물로서는 411개)를 석영맥 관찰로부터 획득하 였다(Fig. 9). 유체의 염농도(NaCl eqvalent wt%)는 Tm ice (Bodnar and Vityk, 1994;Driesner and Heinrich, 2007)를 통하여 계산되었다. 실험을 통해 얻은 Th 값은 NaCl-H2O model system (Driesner and Heinrich, 2007)을 바탕으로 하여 최소 포획 온도와 등밀도(isochoric) 곡선을 측정하는 데에 사 용되었다. CO2를 함유한 유체 포유물은 낮은 임계 온도로 인해 높은 실내온도, 현미경의 조명으로 인 한 발열 등으로 의해 실험 전 균질화되어 현미경하 에서는 관찰이 쉽지 않으므로 모든 유체 포유물을 -180 ℃까지 냉각하여 천천히 온도를 올리는 순서 로 상변화를 관찰하였다. 유체 포유물은 대부분 타 원형 내지 불규칙한 모양을 가지며, 종류는 크게 1) 액상 유체 포유물(liquid-rich aqueous inclusion), 2) 중간 밀도의 유체 포유물(intermediated-density aqueous inclusion), 3) 소량의 수증기상 유체 포유 물(vapor-rich inclusion) 그리고 4) 물-이산화탄소 가 포함된 CO2 포유물으로 나뉘며, 염(salt) 결정을 포함한 고염 액상 포유물(brine inclusion)은 발견 되지 않았다(Figs. 9~10). 인성 광상의 맥 내에는 대부분 종류 1과 2의 액상 혹은 중간 밀도 포유물 들과 소량의 수증기상 포유물이 포함되어 있기에, 본 연구에서는 이들에 대해서 microthermometry 연구를 진행하였다. 측정 오차는 냉각 실험시 ± 0.1 ℃, 가열 실험 시 ± 0.5 ℃이다.

    결 과

    XRD: 석영맥 주위 일부 변질대 및 광석 광물에 대한 XRD 결과를 통해 시기별로 나타나는 변질 광물들과 광석 광물이 특징적으로 분류되는 것을 확인할 수 있다(Fig. 11). 시기 1은 모암과 석영맥 에 해당하는 부분에 대하여 분석하였으며 미약한 환철석 형성과 우세한 녹니석화 변질을 확인할 수 있다. 시기 2는 주로 광석광물에 대하여 실험하였 으며, 다량의 섬아연석, 황동석, 황철석 등 광석광 물과 모암의 주된 변질광물인 녹니석과 소량의 방 해석의 존재를 확인하였다. 시기 3은 육안-박편 관 찰등으로 판별이 불가한 세립질 변질 모암에 대하 여 실험을 진행하였다. XRD 실험결과 모암에는 주로 다량의 마그네시안 운모(phengite), 앵커라이 트, 마그네시안 방해석 그리고 녹니석이 주된 변질 광물임을 확인할 수 있었다. 시기 4에 대하여 변질 모암과 방해석 맥에 대한 실험을 진행하였고, 그 결과 모암 내 스멕타이트 및 금운모의 존재를 확인 하였고, 방해석 및 백운석의 존재로 모암 내 탄산 염화 변질이 일어났음을 확인하였다. 시기 4의 광 석광물로는 유비철석, 황철석, 섬아연석 그리고 방 연석 등이 확인되었으며, 방해석 맥은 마그네시안 방해석과 백운석으로 이루어져 있고 특히 유비철 석과 황철석은 맥 내에 존재함을 확인할 수 있다. 유체 포유물 microthermometry: 각 시기별 석영맥 과 방해석 맥에 대한 유체 포유물 실험결과는 다음 과 같다(Fig. 12 and Tables 1~ 7). Tables 2, 3, 4, 5, 6

    시기 1: 유체 포유물은 기상과 액상으로 구성, 크기는 10~30 μm 범위를 가지며 액상의 충전도 는 50~70 %로 이는 가열 실험 시 액상으로 균질 화된다(Fig. 10a). 가열 실험을 통한 균질화 온도는 273~342 ℃ (평균 310 ℃) 범위를 가지며 냉각 실 험을 통한 녹는점(Tm ice)은 -4.1~-1.0 ℃ (평균 -2.2 ℃)이다. 녹는점을 따른 염농도는 1.7~6.4 wt% NaCl eqiv. (평균 3.7 wt%)이다. 균질화 온도와 염 농도를 통해 얻은 유체의 밀도는 0.66~0.81 g/cc (평균 0.73 g/cc)이다.

    시기 2: 유체 포유물은 기상과 액상으로 구성, 크기는 10~30 μm 범위를 가지며 액상의 충전도 는 40~80 %로 이는 가열 실험 시 액상으로 균질 화 된다(Fig. 10b). 가열 실험을 통한 균질화 온도 범위는 108~351 ℃ (평균 264 ℃)로 비교적 넓은 범위의 온도를 나타낸다. 냉각 실험을 통한 녹는점 은 -4.3~-0.3 ℃ (평균 -2.1 ℃)이며 녹는점을 따른 염농도는 0.5~7.5 wt% (평균 3.6 wt%)이다. 균질 화 온도와 염농도를 통해 얻은 유체의 밀도는 0.69~ 1.01 g/cc (평균 0.8 g/cc)이다. 시기 2와 시 기 3의 석영맥 내 유체포유물에서는 vapor-rich inclusion assemblage가 일부 발견되었다(Fig. 12).

    시기 3: 유체 포유물은 기상과 액상으로 구성, 크기는 전반적으로 15 μm 이하이다. 액상의 충전 도는 70~90 %로 이는 가열 실험 시 액상으로 균 질화된다(Fig. 10c). 가열 실험을 통한 균질화 온도 범위는 174~380 ℃ (평균 298 ℃)로 비교적 넓은 범위의 온도분포를 보인다. 냉각 실험을 통한 녹는 점은 -4.8~-0.4 ℃ (평균 -2.4 ℃)이며 녹는점에 따 른 유체의 염농도는 0.8~7.5 wt% (평균 3.57 wt%)이다. 균질화 온도와 염농도를 통해 얻은 유 체의 밀도는 0.53~5.91 g/cc (평균 0.75 g/cc)이다.

    시기 4: 유체 포유물은 기상과 액상으로 구성, 전반적으로 5 μm 이하로 작다(Fig. 10d). 액상의 충전도는 80~90 %가 우세하며 이는 가열 실험 시 액상으로 균질화된다. 가열 실험을 통한 균질화 온 도 범위는 103~265 ℃ (평균 170 ℃) 분포를 보인 다. 냉각 실험을 통한 녹는점은 -4.0~-0.4 ℃ (평균 -1.7 ℃)이며 녹는점에 따른 유체의 염농도는 0.7~ 6.4 wt% (평균 2.81 wt%)이다. 균질화 온도와 염 농도를 통해 얻은 유체의 밀도는 0.79~0.98 g/cc (평균 0.91 g/cc)이다. 염도 및 균질화 온도를 통해 모델 H2O-NaCl의 시스템으로 계산된 인성 광상 생성 최소 압력은 lithostatic (hydrostatic) 환경으 로 추정할 때 다음과 같다: 시기 1: 0.6 km (1.5 km), 시기 2: 0.6 km (1.6 km), 시기 3: 0.9 km (2.3 km) 그리고 시기 4: 0.2 km (0.5 km).

    토의 및 결론

    인성 광상의 광화 작용에 기여한 네 가지 시기 의 특징은 다음과 같다. 시기 1은 clean-barren한 석영맥의 절단 및 자형 황철석-유비철석이 모암 내 소량 생성되는 낮은 광화작용으로 대표된다. 시기 2는 자형 석영 단결정의 석영맥의 관입으로 인한 모암변질과 더불어 유비철석, 섬아연석, 황동석, 황 철석 및 방연석이 순으로 광석광물이 다량 정출된 다. 시기 3는 milky 석영맥의 절단으로 소량의 섬 아연석이 산출되며 후기에 유입된 방해석 및 앵커 라이트, 그리고 모암 내 녹니석-탄산염화 변질이 우세하다. 시기 4는 석영 결정을 포획한 방해석 맥 의 관입으로, 모암 내 탄산염 변질과 함께 소량의 유비철석, 황철석, 방연석, 섬아연석 및 황동석이 산출된다. 본 연구에서는 광석광물의 종류, 변질 및 석영맥의 산출상으로 광상의 정출 시기를 네 가 지 시기로 나누었으나, 기존 인성광산 연구(Lee and Moon, 1989)에서는 세 가지 시기로 분류하였 다. 본 연구의 시기 1로 분류된 barren한 석영맥, 녹니석-견운모화 모암 변질, 소량의 황철석 및 유 비철석의 정출은 기존 연구의 시기 1에서 초기광 화 단계에 대비된다. 본 연구의 시기 2에 정출되는 다량의 광석광물 및 자형 석영맥 산출은 기존 연구 의 시기 2에 부합한다. 본 연구의 시기 3은 기존 연구의 시기 3에 대응하며, 본 연구에서 추가된 시 기 4는 방해석 유입으로 소량의 광석 광물을 침전 시킨 최후기라고 볼 수 있다.

    각 시기별 유체 포유물의 실험을 통한 결과는 기존 인성 광상에 온도 결과와 비교하였다. 섬아연 석-방연석을 이용한 황 동위원소 지질 온도계 (300~360 ℃; Lee and Moon, 1989)와 본 유체 포 유물 연구에서 획득된 시기 1 (272~342 ℃)과 시 기 2 (108~351 ℃)의 온도와 일치하였다. 녹니석 을 이용한 지질 온도(210~310 ℃; Lee and Moon, 1989) 또한 오차범위 내에 시기 3의 유체 포유물 균질화 온도(174~380 ℃)와 일부 부합되는 것을 확인할 수 있다. 시기 4는 본 논문에서 추가된 마 지막 방해석의 변질이 우세한 시기로 가장 낮은 온 도 범위(103~265 ℃)를 가지므로 최후기 열수 진 화를 지시한다.

    Microthermometry 실험을 통해 얻은 시기별 석 영맥의 유체 포유물 균질화 온도-염도 및 그 분포는 정의 상관관계를 갖는다. 균질화 온도가 낮아지면 염농도 값은 감소하는 것으로 보아 이는 광화 유체 가 천수(meteoric water) 혼입에 의한 냉각과 희석 작용이 있었음을 지시한다. 염도 및 균질화 온도를 통해 모델 H2O-NaCl의 시스템으로 계산된 인성 광 상 생성 최소 압력은 lithostatic (hydrostatic) 환경 으로 추정할 때 인성 금-은 광상의 생성 심도가 약 1 km (2 km) 이하의 얕은 천열수 환경에서 생성 되었을 것으로 추정된다. 시기 1과 시기 2는 약 300~350 ℃ 범위 내 온도-압력 분포는 비슷하나 각 시기별 상이한 광석 광물의 산출 정도로 보아 시기 2에서 상대적으로 더 다양한 온도 범위를 가진 열수 의 유입으로 인한 광석 침전이 촉진되었음을 추정 가능하다. 또한 시기 2 석영맥 내 유체포유물의 비 율 분포도 분석결과 vapor-rich inclusion assemblage 이 소량 존재함을 알 수 있었는데(Fig. 12) 이는 풍 부한 구리-아연-납-은 등 함 베이스 메탈(base metal) 광석의 침전이 시기 2과 시기 3에서 이루어진 것 임을 시사한다. 시기 3에서 측정된 다양한 유체 포 유물의 균질화 온도-압력의 증가와 이 지역 맥상 광상들에서 공통적으로 산출되는 맥석 광물인 앵 커라이트가 산출되는 것으로 보아 이 시기에 변성 작용으로 광석의 침전과 열수의 유입이 일어났음 을 유추할 수 있다(Lee et al., 2007). 금-은 광상에 초점을 맞추어 연구한 기존 논문(Lee and Moon, 1989)에서 함 은 광물들 중 하나로 언급된 방연석 은 본 연구에서 시기 2 및 3에서의 다량으로 산출 되는데 이는 황화광물의 광화작용과 더불어 금-은 의 광화작용 또한 이 시기에 발생하였을 것이라고 추정할 수 있으며 다양한 열수의 염도 및 균질화 온도로 추정되는 열수 및 천수와의 혼합 작용은 인 성 광상의 금-은의 침전에 효과적이었을 것이라 생 각된다. 광석 광물이 많이 침전된 시기 2 및 3에서 의 넓은 온도 및 염도 분포는 이 시기에 다른 열수 혹은 천수와의 혼합이 지시하며, 이로 인하여 납- 아연-금-은 등 다양한 광석 침전이 촉진되었을 것 이라 생각한다.

    유체 포유물 연구로 얻어진 염도 및 균질화 온도 를 통하여 계산된 시기 1~3의 고심도(paleodepth) 는 석영맥의 취성(brittle) 특성을 감안하여 hydrostatic 압력을 가정하여 계산하면, 일부 높고 낮기는 하지만 대부분 0.5 km에서 1.5 km의 천부 고심도 환경을 지시한다. 이를 통하여 우리는 인성 광상이 천열수(epithermal) 환경에서 형성되었음을 생각할 수 있으며, 이는 지각 천부의 1.5~2.0 km 가량보다 낮은 고심도에서 형성되는 천열수 광상 (epithermal deposit)과 일치함을 확인할 수 있다 (Silitoe and Hedenquist, 2003; Bodnar et al., 2014). 인성광상의 광석광물 조합-분포, 변질 양상 그리고 열수 염도-온도 등은 전 세계에 분포하는 천열수 광상들 중 납-아연-구리 등 베이스 메탈의 비율이 높은 천열수 광상이라 생각된다. 인성광상 은 일반적인 금-은 천열수 광상보다 열수의 온도가 상대적으로 높기 때문에 중열수 광상(mesothermal deposit)이라 부를 수도 있으나, 명칭이 조산대형 광상(orogenic deposit)과 혼용되어 쓰이는 까닭에 인성 광상은 베이스 메탈 천열수 광상에 속하는 것 으로 사료된다.

    사 사

    본 연구의 많은 기여를 해주신 인천 영재예술과학고등 학교 이기무 선생님께 감사드립니다. 심사를 해 주신 김 창성 박사님 및 익명의 심사위원님께 감사드립니다.

    Figure

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    Geological map of the Inseong Au-Ag deposit in the Okcheon metamorphic belt (Modified after Lee and Moon, 1989).

    JMSK-31-307_F2.gif

    Quartz vein in the Inseong deposit (A) and photos of vein samples and its descriptions (B-D). Qtz=quartz, Cc=calcite and WR=wallrock.

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    Paragenetic sequence of ore minerals in the 4 vein stages of the Inseong deposit.

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    Quartz vein sample in stage 1-3 (A) and XPL microscopic pictures of thin section showing alternation around quartz vein and ore mineralization (B-D) observed in the red squares (A). Apy = arsenopyrite, Qtz = quartz, Py = pyrite and Cc = calcite.

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    Quartz vein sample in stage 3 (E) and XPL microscopic pictures of thin section showing alternation around quartz vein and ore mineralization observed in the red squares (E). (F) Milky quartz were brecciated by calcite. (G-H) Altered wallrock and quartz and pyrite crystal along ankerite vein. Qtz = quartz, Py = pyrite and Cc = calcite, Ccp = chalcopyrite and Sp=sphalerite.

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    Quartz vein sample in stage 3 (I) and XPL microscopic pictures of thin section showing alternation around quartz vein and ore mineralization observed in the red squares (I). (J) Quartz vein and chlorite in wallrock. (K-L) chlorite development around transparent sphalerite. Qtz = quartz, Cc = calcite, Py = pyrite, Apy = arsenopyrite, Gn = Galena, Sp = sphalerite. Ccp = chalcopyrite

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    Quartz vein and calcite vein sample in stage 4 (M) and XPL microscopic pictures of thin section showing alternation around quartz vein and ore mineralization observed in the red squares (M). (N) Calcite vein and brecciated quartz crystals. (O) Early quartz vein and wall rock and (P) boundary of early quartz vein and altered wallrock. Qtz = quartz, Cc = calcite, Ccp = chalcopyrite, Sp = sphalerite, Py = pyrite, Apy = arsenopyrite

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    Reflected light photomicrographs showing sulfide assemblage and textures of ore minerals. Py = pyrite, Apy = arsenopyrite, Sp = sphalerite, Ccp = chalcopyrite and Gn = galena. (A) Apy replaced by Py. (B) Apy replaced by Py, and Sp-Ccp fill fracture of Apy. (C) Apy replaced by Sp-Apy. (D) Sp fill crack of euhedral Apy, and Sp has Ccp exsolution texture. (E) Py contains Apy, and Sp fills crack of Py. (F) Gn contains euhedral Apy and infills of Sp. (G) Gn fill crack of Py and Apy. (H) Euhedral-subhedral Py located along alternated wallrock. (I) Py replaced by Apy and Gn, Sp fill crack of Apy. (J) subhedral Apy replaced by Sp. (K) Py replaced by Apy. (L) Gn breaks Apy-Py.

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    Representative fluid inclusion assemblages in each veining stage. (A) intermediated-density inclusion assemblages of stage 1, (B) liquid-rich inclusion assemblage of stage 2, (C) intermediated-density inclusion assemblage of stage 3 and (D) liquid-rich inclusion inclusion assemblage of stage 4.

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    Photomicrographs showing representative fluid inclusions in each veining stage. (A) Isolated liquid-rich inclusion of stage 1, (B) vapor-rich fluid inclusion assemblage of stage 2, (C) intermediateddensity fluid inclusion assemblage of stage 3 and (d) liquid-rich inclusion assemblage of stage 4. L = liquid and V = vapor.

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    X-ray diffraction graphs showing minerals in ores and alternated wallrock in each stages. Apy = arsenopyrite, Py = pyrite, Sp = sphalerite, Gn = galena, M = mica, D = dolomite, An = ankerite, Ch = chlorite, Qtz = quartz, Cc = calcite.

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    Homogenization temperature versus salinity of fluid inclusion assemblages and pie charts showing ratio of inclusion types in each veining stage.

    Table

    Microthermometry of fluid inclusion assemblages in the stage 1 vein. Numbers of B10, B20, B30, B40 and B50 represent volume % of bubble in the inclusions from 10 to 50, respectively. Inclusions of 10-30 vol. % of bubble are assigned as liquid-rich aqueous inclusions and 40-50 vol. % are as intermediate-density aqueous inclusions

    Microthermometry of fluid inclusion assemblages in the stage 2 vein

    Microthermometry of fluid inclusion assemblages in the stage 3 vein

    Microthermometry of fluid inclusion assemblages in the stage 3 vein

    Microthermometry of fluid inclusion assemblages in the stage 3 vein

    Microthermometry of fluid inclusion assemblages in the stage 4 vein

    Microthermometry of fluid inclusion assemblages in the stage 4 vein

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