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ISSN : 1225-309X(Print)
ISSN : 2288-7172(Online)
Journal of the mineralogical society of korea Vol.32 No.1 pp.15-39
DOI : https://doi.org/10.9727/jmsk.2019.32.1.15

Petrochemistry of the Peridotites within an Andong Ultramafic Complex and Characteristics of Asbestos Occurrences

Suckhwan Song*
Department of Civil Engineering, Joongbu University, Kyeonggi-Do 10279, Korea
Corresponding author: +82-31-8075-1663, E-mail: shsong@joongbu.ac.kr
December 27, 2018 February 21, 2019 March 7, 2019

Abstract


An ultramafic complex occurs as an isolated lenticular body in the Andong area. The Andong ultramafic complex comprises ultramafic and mafic rocks, but mainly peridotites. The complex extends for several kilometer to ENE direction, adjacent to the Andong fault line. This study is for petrochemistry of the peridotites within the ultramafic complex and characteristics of asbestos occurrences. The peridotites are igneous origin, ranging from lherzolite to wehrlites and are characterized by high Fo olivine (Fo0.85-0.87), Mg clinopyroxene (Mg87.5-93.5), and tremolitic to tschermakitic hornblende. Geochemically, these rocks show high magnesium number (mainly Mg = 85.3-87.38) and transitional element and low alkali element contents. The peridotites host asbestos, including chrysotile, tremolite and actinolite asbestos, but dominated by amphibole asbestos. The amphibole asbestos are found along small fault face, and cleavage and fracture showing several cm to ten cm in width as slip and oblique fibers, while the chryostiles occur at cleavage and vein showing several mm-cm in width as cross and slip fibers. They are confirmed by PLM, XRD and SEM results. Overall characteristics of peridotites from the Andong ultramafic complex and occurrences of the asbestos are similar to those of worldwide orogenic related Alpine type ultramafic rocks and serpentinized ultramafic bodies in Chungnam, Korea, respectively.



안동 초염기성암 복합체 내 페리도타이트의 암석지화학과 석면 산출 특성

송 석환*
중부대학교 토목공학과

초록


안동 지역에 하나의 초염기성암 복합체가 격리된 안구상 형태로 산출된다. 이 초염기성암 복합 체는 초염기성암에서 염기성암이며, 대부분은 페리도타이트이다. 이 복합체는 수 km로 동북동 방향으 로 안동 단층을 따라 신장되어 있다. 이 연구는 안동 초염기성암 복합체 중 페리도타이트에 대한 암석 지화학과 이곳에서 산출되는 석면의 특징에 대해서이다. 이 페리도타이트는 화성기원으로, 레조라이 트에서 웨를라이트이고 높은 포스테라이트 조성의 감람석과 마그네슘 비의 단사휘석, 트레몰라이트에 서 체마카이트질 조성의 각섬석을 포함한다. 지화학적으로 이들 암석은 높은 마그네슘비, 전이원소 함 량과 낮은 알칼리 원소 함량을 보인다. 이 페리도타이트는 백석면, 트레몰라이트 및 악티노라이트 석 면을 포함하나, 후자가 우세하다. 이들 각섬석계 석면은 소 단층면, 수 cm에서 십 cm 폭의 벽개, 단구 에서 미끄럼 및 경사 섬유로써 산출이 되고, 백석면들은 수 mm~cm 폭의 맥 및 벽개에서 교차 및 미 끄럼 섬유로서 산출이 된다. 이들 결과들은 PLM, XRD, SEM 결과로서 확인이 된다. 전체적인 안동 초염기성암 복합체 중 초염기성암의 특징과 석면의 산출 양상은 각각 전 세계의 알파인형 초염기성암 과 충남 지역의 사문암화된 초염기성암의 특성과 유사하다.



    Joongbu University

    서 론

    안동 풍천면 지역 안동 단층(Kang and Lee, 2008)의 인접부에 변성 및 변질 작용에 의해 사문 암화된 초염기성암체가 분포하고 있다(Kim et al., 1988;Yun et al., 1988, Hwang et al., 1993;Jeong et al., 2012). 이런 조산운동과 관련해 맨틀로부터 기원하여 지표면에 노출된 초염기성암을 알파인형 초염기성암(Hess, 1955;Moores and MacGregor, 1972)이라 한다.

    이 안동 암체 분포 지역은 1963년부터 석면, 사문 석, 활석으로 개발이 되었고(Kim et al., 1988;Yun et al., 1988), 일부 광구는 현재까지도 환경부 고시 2012-72에서 언급하는 석면 및 석면 함유 광종으로 등록되어 있다(Table 1).

    전 세계의 연구들을 보면 알파인형 초염기성암체 가 현재 또는 기존의 판 경계부(Moore and Jackson, 1974) 및 조산운동 지역, 화산호 지역, 해령 또는 변환단층대를 따라 발견되고 있어(Girardeau and Mercier, 1988;Mevel et al., 1991), 이들 암석 분포 지에 대한 지구조사(Bodinier, 1988;Dymek et al., 1988)에 대한 중요한 정보를 제공한다고 보고 있다.

    이 초염기성암이 변성 및 변질 과정 중 부분적으 로 사문석계 및 각섬석계 석면이 산출(Churchill and Hill, 2000;Churchill et al., 2000)되고 있고, 많은 사례가 미국 서부 지역에 있다(Clinkenbeard et al., 2002: Higgins and Clinkenbeard, 2006).

    기존의 국내 연구들도 초염기성암이 변성 및 변 질 과정 중 부분적으로 사문암화(Kim et al., 1990;Woo et al., 1991;Hwang et al., 1993;Kim et al., 1993;Yun et al., 1994;Wee et al., 1994) 되어 충청도 서부(Yoon et al., 2010;Jeong and Choi, 2012) 및 경상도 울산(Park and Lee, 1995)에서 사 문석계 및 각섬석계 석면이 산출되고 있음을 지적 하고 있다. 이런 자연적으로 지질 분포 지역에서 산 출되는 석면 중, 광산 또는 상업적으로 개발된 지역 을 제외한 지역을 자연발생 석면(naturally occurring asbestos, NOA) 지역이라(Harper, 2008;Lee et al., 2008) 한다.

    본 연구는 안동 풍천면 지역에서 산출되는 자연 발생 석면 지역인, 사문암화된 초염기성암에 대해서 이다. 기존에 이 암체는 안동 및 예천 지질도에서 반 려암으로 기재(Kim et al., 1988;Yun et al., 1988) 되었으나, 그 후 연구(Hwang et al., 1993;Whattam et al., 2011;Jeong et al., 2012) 및 본 조사의 확 인 결과는 안동 사문암체가 다양한 사문암화 작용 에도 불구하고, 감람암을 포함한 페리도타이트 외 에도, 감람석 반려암과 사방 휘석암 등의 다양한 초 염기성암이 산출되고 있음(Jeong et al., 2012)이 확 인되었다. 따라서 본 연구에서는 안동 풍천면 사문 암화 된 초염기성 암체를 안동 초염기성암 복합체 (Andong ultramafic complex)라 하겠다.

    이외에 안동 사문암체에 관한 광물학적 연구 (Hwang et al., 1993) 및 안동 단층계에 대한 구조 지질학적 연구(Kang and Lee, 2008)가 있다. 구조 지질학적 접근들은 안동 초염기성암 복합체가 단층 과 연관되어 형성되었음을 암시한다(Hwang et al., 1993).

    본 연구에서는 안동 풍천면 지역에서 산출되는 사문암화된 초염기성암 복합체 암석에 대한 야외 산상을 확인하고, 암석지화학적 특성에 대해 알아 보고자 한다. 또한 이들 암체에서 산출되는 석면의 종류 및 산상에 대해서 확인해보고자 한다. 또한 이들의 결과를 기존의 전 세계 및 충남 지역의 초 염기성암 암체의 암석 지화학적 연구 결과 및 석면 의 산출 특성과 비교해보았다.

    지질 및 초염기성암 복합체 개요

    연구 지역의 지질

    일반 지질은 안동 도폭(Kim et al., 1988)과 예천 도폭(Yun et al., 1988)에 잘 기록되어 있다(Fig. 1).

    이 지역은 크게 선캠브리아기 변성암류, 이를 관 입한 쥬라기 화성암류와 이를 모두 부정합으로 접 하는 백악기 경상누층근 퇴적암류, 이를 관입하는 백악기 화성암류(반려암체, 암맥류) 등으로 구성되 어 있으며, 몇 개의 주요 단층들이 발달한다.

    선캠브리아기의 변성암류에는 석영 장석 편마암, 흑운모편마암, 편암류로 구성되어 있으며, 각섬암 류도 산출된다. 편암류의 분포 양상과 엽리의 방향 은 구조선 방향과 일치하는 N40°-50°E이다. 일부 암체에는 석회암 및 규암이 협재되어 나오기도 한 다. 편마암류는 조립질 석리를 보이고, 주 구성 광 물로 석영, 정장석, 미사장석, 사장석 및 흑운모를, 그리고 소량의 투휘석, 각섬석, 인회석, 저어콘, 견 운모, 백운모, 녹리석, 자철석 등을 포함한다.

    각섬암은 엽리가 잘 발달되어 있고, 가끔 호상 구조도 발달이 된다. 대체로 N80°-90°E 주향과 70°-80°NW 경사를 보인다. 경하에서 주로 각섬석 으로 구성되어 있고, 소량의 사장석이 함유되어 있 다. 구성광물들은 일정한 방향으로 배열되어 편상 조직을 보여주고, 사장석은 견운모로 변질되어 있다.

    쥬라기 경상계화강암으로 흑운모 화강암과 우백 질 화강암이 있다. 선캠브리아기의 변성암들을 관 입하고 있고, 경상누층군의 기저부에 의해서 부정 합으로 일부 피복된다. 경하에서 무색광물로 석영, 정장석, 사장석, 미사장석을, 유색광물로 흑운모를 포함하며, 소량의 각섬석 및 투휘석을 포함한다.

    경상누층군은 대부분 변성암류 및 화강암류와 단층으로 접하여 있다. 퇴적암류는 하부로부터 신 동층군으로 명명된 하산동층, 진주층과 하양동층으 로 명명된 일직층, 후평동층으로 구성되어 있다. 하 산동층은 역암, 역질 사암, 자색 셰일 등이 포함되고, 진주층은 사암, 역질 사암, 실트암, 녹회색 이암, 회색 및 자색 셰일 등으로 구성되어 있다. 일직층 은 주로 역암, 사암, 셰일, 자색 실트암, 이암, 셰일 등으로 구성되어 있고, 후평동층은 잡색 역암, 실 트암, 사질암, 사암 등으로 구성되어 있다.

    이들 암체를 백악기의 반려암, 흑운모 화강암 및 섬록암들이 관입하고 있다. 흑운모 화강암은 대상 으로 N40°E 분포 방향을 보인다. 쥬라기 화강암에 비해서 입자가 작은 중립질암이다. 경하에서 쥬라기 화강암에 비해서 견운모화, 녹리석화 및 재결정작 용의 정도가 약하다. 유색광물로 대부분은 흑운모 를, 무색광물로 석영, 장석, 운모를 포함한다.

    섬록암은 암주상으로 분포하고, 우백질 화강암질 편마암을 곳곳에서 관입하고 있다. 암회색 세립질 암체로서 사장석, 흑운모, 각섬석, 휘석, 그리고 소 량의 석영으로 구성되며, 각섬석 결정은 자형을 볼 수 없고, 파쇄되어 있다.

    반려암은 연구 대상 암체로 2.2에서 설명이 되어 있다. 이 암체의 일부는 신립 및 풍산자원으로 개 발되었고, 현재도 가동 중에 있고, 안동 지적 148, 149호 및 예천 8, 9, 19호에 해당되는 지역이다. 전 체적으로 이들 지적의 대부분 광종은 석면, 사문석, 활석으로 등록되었고, 대부분이 폐광되었으나, 일부 지역은 지금도 광구가 등록되어 있다(Fig. 2).

    초염기성암 복합체의 개요

    안동 초염기성암 복합체는 안동 도폭(Kim et al., 1988)과 예천 도폭(Yun et al., 1988)에서 백악기 하 양층군을 관입한 백악기 반려암으로 기재되어 있으 나, 기 연구(Hwang et al., 1993;Whattam et al., 2011;Jeong et al., 2012) 및 본 연구 및 야외조사, 암석학적, 지화학적, 광물학적 특징을 근거로 보면 페리도타이트를 주로 포함하고, 휘석암을 포함하며, 부분적으로 반려암질암도 포함되고 있음이 확인되고 있다. 따라서 본 연구에서도 Whattam et al. (2011) 와 같이 이 암체를 안동 초염기성암 복합체(Andong ultramafic complex)라 하고, 열수에 의해 사문암화 된 암체를 사문암체라 부르겠다.

    안동 초염기성암 복합체는 길이 3.5 km, 폭 1.2 km (Hwang et al., 1993)로 ENE (Kang and Lee, 2008) 방향으로 신장되어 있다. 이 암체의 인접부 에서는 백악기 경상분지와 선캠브리아기-쥬라기 기 반암류(영남육괴)의 경계단층에 해당하는 동북동 방 향에서 안동단층, 이에 평행한 남후단층, 북북서 방 향의 매봉단층, 남남동 방향으로 볼록한 활형의 광 덕단층, 북북동 방향의 하회단층 등 다수의 단층이 분포하고 있다. 그 단층들 사이에 안동 초염기성암 복합체가 안구상으로 분포하는바 암석의 산상이 경 상계의 지구조 운동과 관련이 있음을 암시한다 (Whattam et al., 2011).

    본 연구에서는 안동 초염기성암 복합체 중 페리 도타이트 조성을 보이는 암체를 주 대상으로 하고 자 한다(Fig. 3). 이 초염기성암 복합체 주변에는 중 생대의 화강암류가 넓게 분포하고 있고, 반화강암 과 같은 산성 암맥 및 소규모 산성 세맥들이 관입 하고 있어, 이들이 초염기성암 복합체를 사문암화 시킨 주요 열수 공급원으로 추정된다. 이 복합체는 암체 내에서 소단층 및 절리면을 따라 단층 활면 (Slickenside)을 보여 초염기성암이 지표면에 정치 된 후 이동되었고 초염기성 암체 내에 수차례에 걸 친 단층운동을 받았음도 암시한다. 부분적으로 파 쇄면을 따라 녹리석화, 질석화, 활석화의 특징을 보 이기도 한다.

    시료 채취 및 연구 방법

    2008년부터 2011년까지 3년여 동안 수 회에 걸 친 야외조사를 실시하여 안동 초염기성암 복합체 의 분포 지역을 확인하였고, 주변 백악기 경상분지 및 선캠브리아기-쥬라기 기반암류와의 관계를 확 인하였다. 본 연구에서는 초염기성암 복합체 주변 을 따라 상세 조사를 진행하였고, 페리도타이트 조 성을 보이는 암체에서 대표적인 모암 시료를 채취 하였다. 또한 암체 내의 석면 계열 광물의 산상을 확인하고 암석의 열극, 단구, 세맥에 따라 사문석 계와 각섬석계의 석면으로 고려되는 시료들을 채 취하였다.

    연구는 모암에 대한 암석, 광물, 지화학적 특성을 확인하는 부분과 산상별로 채취된 석면으로 추정 된 시료에 대한 석면의 특성을 확인하는 부분으로 진행하였다. 전자를 위해 박편 시료를 편광현미경 (polarized light microscopy)으로 확인하고, 광물 조 성을 알기 위해 전자 탐침 미세 분석(electron micro probe analyzer, EPMA)을, 암석의 지화학적 특성을 확인하기 위해 유도결합 플라스마(inductively coupled plasma, ICP)와 유도결합 플라스마 질량분석 기(inductively coupled plasma mass spectromerty, ICP-MS)를 실시하였다. 후자를 위해 편광현미경법 (polarized light microscopy analysis, PLM), X-선 회절분석(x-ray powder diffraction, XRD), 주사전 자현미경(field emission scanning electron microscope, SEM)의 확인 및 분석을 실시하였다.

    첫째, 모암의 광물 조합 및 석면 광물의 광학적 특성을 확인하기 위해 박편을 제작, 확인하였다. 단 단하고 쉽게 부서지지 않는 시료는 접착제로 굳히 고 연마를 하였으며, 부서지기 쉬운 시료는 접착제 를 이용하여 굳게 한 후 전자와 동일한 과정으로 박편을 제작하였다. 연구에서 사용된 편광현미경은 BX51, Olympus (Japan)이다.

    둘째, 전자 탐침 미세 분석(EPMA)을 이용하여 연마 박편의 주 원소 조성을 확인하기 위해 검출기 EDS (energy dispersive x-ray spectrometer) 검출 기로 측정, 시료의 화학조성을 규명하여, 결과 값 을 ZAF 보정법으로 보정하고 화학 조성비를 계산 하였다. 이 연구에 사용된 기기는 JEOL Superprobe, JXA-8600SX와 CAMECA SX-50 EDS이었다(분석 조건은 각각 가속전압 15, 15 kV, 시료전류 3, 20 nA, 측정시간 100, 10 sec).

    셋째, 암석의 주 원소 및 미량 원소 그리고 희토 류 원소의 조성을 알아보기 위해 캐나다 ACTLABS 의 고주파 유도 결합 플라스마(ICP)와 유도결합 플 라스마 질량분석기(ICP-MS)를 이용하여 분석하였 다. ICP 분석을 위해 0.5 g의 시료를 왕수로 95 ℃ 2시간 동안 용융, 이어 냉각시키고, 탈이온수와 함 께 희석시킨 후, Varian VISTA PRO ICP-OES (Australia)로 분석하였다. ICP-MS 분석을 위해 0.25 g의 시료를 불산을 포함한 4개 산으로 용해 시키고, 질산과 과염소산을 혼합시킨다. 정확한 프 로그램에 의해 가열시킨 후 건조시켜, 다시 질산과 과염소산에 혼합시킨다. 용해된 시료는 Perkin Elmer Sciex ELAN 6000, 6100 또는 9000 ICP/MS로 분 석되었다.

    넷째, 석면으로 예상된 섬유상 형태를 핸드밀로 100 μm 이하로 분쇄, 편광현미경을 이용, 광학적 특 성을 파악하였다. 이 편광현미경법(PLM)은 미국환 경보호청(enviromental protection agency)의 EPA 600/R-600/R93-116 방법으로 진행하였고, 광물질의 형태, 색상, 다색성, 굴절률, 신장부호, 분산염색, 소 광특성, 복굴절 등을 확인하였다(Perkins and Harvey, 1993). 또한, 석면형태(asbestiform)로 평균 길이 대 지름의 비(aspect ratio)가 20 : 1 이상이며, 길이가 5 μm 이상 섬유에 대해서 석면으로 판명하였다. 연 구에서 사용한 기자재는 ATMICROSCOPE, PS300 (한국) 편광현미경이다.

    다섯째, X-선 회절분석을 실시하였다. 분석을 위 해 핸드밀을 이용하여 100 μm 이하로 분쇄된 분말 시료를 X-선 회절분석기의 시료 홀더에 충진하여 광물이 가지는 고유의 피크를 확인하였다 이 결과 고유의 각에서 나타나는 d 값을 미국표준기술연구 소(national institute of standards and technology, NIST)의 표준참고물질(standard reference materials, SRM)과 비교하여 석면 여부와 종류를 판명하였다. 연구에 사용된 분석기기는 LabX XRD-6000, SHIMADZU (일본)이다(분석 조건은 Cu Ka선, 가 속 전압 40 kV, 주사범위 5~60°2θ, 주사속도 1°2 θ/분, 0.02°스텝, 시료회전 60 RPM).

    마지막으로 주사전자현미경을 이용하여 섬유조직 을 파악하고, 에너지 분산 분광장치(energy dispersive x-ray spectrometer, EDX)를 이용한 화학 분석을 실 시하였다. 섬유조직의 형태를 확인하기 위해 모암시 료를 100 μm 이하로 분쇄하여 15 nm로 Pt 코팅된 시료를 주사전자현미경(FNOVA NANOSEM 400, FEI, USA)에서 일만 배 확대하였다(가속전압 20 kV, working distance 5 mm). 또한 EDS (NORAN system SIX, THERMO, USA)를 이용, 섬유의 주 원소를 분석하여 석면 여부와 종류를 확인하였다.

    연구 결과

    야외에서 산상

    앞부분에서 언급했듯이 안동 초염기성암 복합체 는 다양한 초염기성암에서 염기성암에서 이르는 다 양한 암상으로 구성되어 있어 야외에서 암회색, 암 녹색 등 다양한 노두 색을 보인다. 기존 연구는 안동 의 암체를 페리도타이트로서 웨를라이트, 함 사장 석 웨를라이트, 휘석암으로서 함 사장석-감람석 웹 스터라이트, 함 첨정석-사장석 웹스터라이트, 함 첨 정석-사장석-감람석 단사휘석암, 반려암으로서 함 각섬석-흑운모 반려암으로 기재하고 있다(Whattam et al., 2011). Hwang et al. (1993)은 안동 초염기성 암 복합체의 원암은 페리도타이트이며, 대부분 광 물이 사문석으로 보고 사문암체로 명명하였다. 광 물 조합의 연구에서는 대부분의 암체가 사문석, 감 람석, 투각섬석, 휘석으로 구성되었음을 언급하였다.

    기 연구와 본 조사를 종합하면 안동 초염기성암 복합체에는 초염기성암이 주축이고 암상은 초염기 성암에서 염기성암까지 다양한 암석들이 존재하고 있음을 암시한다.

    연구 대상 암체인 페리도타이트는 변질 정도에 따라 암녹색, 암회색, 청록색, 황록색을 띄고, 많은 파쇄면을 보인다(Fig. 3). 일반적으로 사문암화가 미 약한 부분에서 암녹색을 띄지만, 사문암화가 더 진 행된 부분은 검은색을, 활석화가 진행된 부분은 암 회색을, 녹리석화 진행된 부분은 녹색을 띄는 경향 이 있다.

    소단층의 접촉부나, 페리도타이트가 지표면에서 정치 및 지중에서 상부로 이동 중 생긴 균열에서는 사문석계 석면과 각섬석계 석면이 같이 산출되었다 (Fig. 4). 부분적인 차이가 나타났는데 주변암이 사 문암화가 더 진행된 경우는 백석면이, 활석화가 더 욱 진행된 경우는 각섬석 석면이 우세하였다. 일반 적으로 수 mm 두께의 작은 세맥에는 백석면이 우 세하였다. 세맥에서 백석면은 산상 차이를 보였는 데, 섬유 장축이 세맥 벽에 수직인 교차섬유 형태 이거나, 섬유 장축이 세맥 벽에 일정한 각도를 이루 는 미끌림 섬유 또는 경사 섬유 형태로 산출되었다. 비교적 폭이 큰 수 cm~십 여 cm 두께의 맥에서는 각섬석계 석면이 우세하게 나타났고, 단구에서 산출 되는 석면은 거의 대부분이 각섬석계 석면이다. 비 교적 큰 깨진 틈인 단구에서는 이들이 질석이 같이 공존하여 나타났다.

    모암의 특징

    연구 지역 암석에 대한 Streckeisen (1976) 분류 에 따르면 비교적 신선한 암석의 광물 조합에서 감 람석(68~92 %) + 단사휘석(13~21 %) + 투각섬석 을 포함하고 드물게 사방휘석을 포함하는 듀나이트, 레조라이트, 웨를라이트 조성을 보인다. 이 암석들 은 화성암에서 나타나는 포이킬리틱(poilolitic), 입 상(equant), 등립질-모자이크(equigranular-mosaic) 조직을 보였다(Fig. 5). 사문암화가 진행됨에 따라 유색광물의 함량이 감소하고 각섬석, 사문석 및 자 철석의 양이 증가한다.

    이 결과는 충남 서부의 초염기성암체와는 광물 조 합 및 조직 부분에서 커다란 차이를 보인다(Song and Song, 2001;Song et al., 2008). 이 암체들은 광물 조합에서 대부분이 감람석, 사방휘석, 각섬석 을 주로 포함하며 암석 분류상 듀나이트 또는 하즈 버자이트에 해당되나, 변성 작용의 흔적을 보인다. 변성 흔적으로서 재결정작용 및 휘석 및 각섬석의 거정질을 보이는 잔쇄반상조직이 두드러지며, 등립 상-모자이크 조직 및 원생입상 조직이 부분적으로 보이기도 한다.

    지화학적 특성

    주 원소 및 전이 원소

    대표적인 분석결과가 Tables 2, 3에 있다. 이 암 석들은 SiO2, 마그네슘비(= 100 × Mg / (Mg + Fe (total)), LOI (Loss on ignition) 그리고 전이원소 및 알칼리원소 함량에서 두드러진 특징을 보인다 (Table 2).

    이 암석들의 SiO2 조성비는 40 wt% 이하였고, ADM19 (91.28)를 제외한 전 암석이 마그네슘비에 서 85.3~87.3 이하였다. LOI 값은 3.76~11.28로 보 통에서 심한 정도의 다양한 사문암화 작용을 받았 음을 암시한다. 알칼리 원소 함량(Al2O3 0.51~4.28 wt%, Na2O 0.01~0.19 wt%, K2O 0.01~0.04 wt%) 은 모두 매우 낮았으며 TiO2 (각각, < 0.14 wt%)와 P2O5 (< 0.02 wt%) 조성 또한 낮은 값을 보였다.Al2O3-SiO2/MgO 관계에서 Al2O3 (0.51~4.28 wt%) 함량과 SiO2/MgO (0.86~1.10) 비는 전 세계적인 페 리도타이트 영역(Bodinier and Godard, 2003)에 해 당된다.

    전이원소 함량에서 높은 Ni (760~2,610 ppm, 평 균 1,214.7 ppm), Cr (990~3,640 ppm, 평균 2,795.3 ppm), Co (75~149 ppm 평균 115.1 ppm) 원소 함 량을 보였고 비교적 낮은 V (9~41 ppm, 평균 28.2 ppm), Sc (5~16, 평균 10.8 ppm) 함량을 나타냈다.

    이 암석들의 지화학적 특징들은 변성 작용의 흔적 을 우세하게 보이는 충남 신곡 지역 사문암체(Song and Song, 2001)와 SiO2 조성비, LOI 그리고 전이 원소 및 알칼리원소 함량에서 유사한 특징을 보였 으나, 마그네슘비(= 100 × Mg / (Mg + Fe(total))에 서는 차이를 보였다. 신곡 암석들의 SiO2 조성비는 37.21~44.75 wt% 이하였고, LOI 값은 6.35~13.11 로 보통에서 심한 정도의 다양한 사문암화 작용을 받았음을 암시한다. 알칼리 원소 함량(Al2O3 0.44~ 2.95 wt%, Na2O 0.01~0.3 wt%, K2O 0.01~0.11 wt%)은 모두 매우 낮았으며 TiO2 (< 0.107 wt%)와 P2O5 (각각, < 0.17 wt%) 또한 낮은 값을 보였다.

    전이원소 함량에서 높은 Ni (595~2,610 ppm), Cr (1,010~4,400 ppm), Co (36~120 ppm) 원소 함량 을 보였고 비교적 낮은 V (13~69 ppm), Sc (1~12 ppm) 함량을 나타냈다. 하지만 신곡 지역 암체는 마그네슘비에서 89.74~92.69로 안동 지역에 비해 높았다.

    위를 종합해보면 전체적인 안동 및 충남 신곡 지 역 페리도타이트들이 보이는 낮은 알칼리 원소 함 량, 높은 마그네슘비 및 전이 원소 함량은 기존의 인접 비봉 및 광시 지역의 것들(Song et al., 1997) 및 전형적인 상부 맨틀 포획암(Griffin et al., 1988; O’Reilly and Griffin, 1988;McDonough, 1990), 그리고 전 세계적인 알파인형 초염기성암의 결과치 (Dymek et al., 1988)와 유사했다.

    그 외의 미량 및 희토류 원소

    대표적인 분석결과가 Table 4에 있으며 일반적으 로 낮은 LFSE (low field strength element) 값과 원 소의 다양한 함량 변화가 특징적이었다. 안동 암체 는 Rb (< 2 ppm), Ba (3~135 ppm), Sr (7~144 ppm) 원소가 낮거나 넓은 범위의 함량 변화를 보 였다. 이는 모암의 다양한 변질 작용을 반영하는 것으로 추측된다. 하지만 변질정도에 따라 차이를 보였는데 LOI 값이 낮을수록, 사문암화가 덜 진행 될수록 HFSE (high field strength element, Zr, Hf, Y)와 LFSE (Ba, Sr)에서 높은 값을 보였고, 전체 REE 원소 함량에서 부화되는 특징을 보였다.

    이 암석들은 충남 신곡 지역 암체(Song and Song, 2001)들과 지화학적 특징에서 유사한 특징을 보였 다. 신곡 지역 암체의 경우 Rb (< 3 ppm), Ba (3~15 ppm), Sr (1~34 ppm) 원소가 낮거나 넓은 범위의 함량 변화를 보였다. 또한 변질정도에 따라 차이를 보였는데 LOI 값이 낮을수록, 사문암화가 덜 진행 될수록 HFSE (Zr, Hf, Y)와 LFSE (Ba, Sr)에서 높 은 값을 보였고, 전체 REE 원소 함량에서 부화되 는 특징을 보였다.

    운석(Sun and McDonough, 1989) 조성치로 표 준화한 희토류 원소 빈도결과(Fig. 6)에서 변질에 따른 차이가 두드러졌는데 사문암화가 진행될수록 HREE에 비해 LREE가 부화되어 나타났고, 덜 사 문암화 된 암석일수록 전체적인 원소 함량이 부화 되며 평행한 분포경향을 보였다. 이런 경향은 충남 신곡 지역 초염기성암의 각 암상 차이에 따른 원소 빈도의 변화 특성(Song and Song, 2001)과 유사하 였다.

    광물학적 특성

    감람석

    이 광물은 야외에서 옅은 녹색을 띄며 현미경하 에서는 포이킬리틱, 등립질 결정형태로 산출된다. 전체 또는 부분이 사문암화 되었다. 이들 광물들은 제한적인 포스테라이트 Fo0.85-0.87 (Table 5) 조성을 보였고, 매우 낮은 Na2O, Al2O3와 K2O 조성을 보 였다. 전암 조성과의 관계를 고려해볼 때 전체적으 로 변질의 차이에 의한 암상의 함량차이가 광물에 서 나타나지 않았다. 이 결과치를 변성 작용의 흔적 을 우세하게 보이는 신곡 지역 암체(Song and Song, 2001)와 비교 시 낮은 알칼리 원소 함량 특성은 유 사했으나, 포스테라이트 함량에서 차이를 보였다. 신 곡 감람석은 높고 제한적인 Fo0.88-0.93 조성을 보였다.

    단사휘석

    이 광물은 격리된 자형 및 반자형 결정, 광물 사 이를 채우는 결정, 포이길리틱 결정으로서 산출되며 Mg0.87-0.94 비를 보였고, 투휘석-휘석 조성을 보였다 (Table 6). 하지만 광물의 산상 차이에 따른 함량 차 이는 명확하지 않았다. 안동 암체는 화성흔적을 보 이며 단사휘석을 포함하여, 충남 신곡 지역 암체 (Song and Song, 2001)들과 명확한 차이를 보인 다. 왜냐하면 충남 지역 암체는 변성 작용 흔적을 우세하게 보이고, 사방휘석을 주로 포함하며, 단사 휘석을 거의 포함하지 않기 때문이다.

    각섬석

    이 광물은 단일의 자형 결정, 거정질 또는 휘석 의 2차광물로 산출된다. 일부는 변질에 의한 섬유 상 결정으로 산출된다. 광물 조성상 트레몰라이트, 악티노라이트, 트레몰라이트질 각섬석, 악티노라이 트질 각섬석, 함 마그네슘 각섬석, 체마카이트에 해 당된다(Table. 7, Fig 7). 섬유상 결정 형태는 주로 tremolite에서 actinolite 조성을 보인다. 경하에서 사 문암화가 덜 된 암석 내의 각섬석은 자형 결정을 보였으나, 심하게 사문암화 된 암석 내의 결정들은 섬유상 결정만으로 잔류하였다.

    사문석

    감람석 및 휘석의 변질물로 산출되고, 일부 결정 들은 감람석 및 휘석류의 가상을 보존하기도 한다. 격자형(mesh texture) 망상구조, 아우어 글래스 조 직(hourglass texture), 리본 조직(ribbon texture)을 보이거나 세맥상으로 산출되기도 한다(Fig. 5).

    이 사문석의 다구조형을 화학조성 차이로 구분 (Whittaker and Wicks, 1970)이 가능하나 본 연구 에서는 이들 사이의 명확한 차이가 나타나지 않았다 (Al2O3 0.00~3.53 wt%, CaO 0.03~0.42 wt%, MgO 34.29~40.66 wt%, Cr2O3 0.01~1.29 wt%)(Table. 8).

    첨정석

    이 광물은 모암의 변질도의 정도에 따라 조성차 이를 보인다. 사문암화가 진행된 암석일수록 첨정 석군의 광물들은 갈색에서 흑적색으로 변한다. 일 반적으로 Cr 및 Fe3+ 함량이 증가하고 Mg 함량이 감소되는 경향을 보이며, 함 마그네슘 크롬철석에서 크롬철석 조성을 보인다. 전체적으로 첨정석류는 0.38~0.69 Cr (= Cr / (Cr + Al))와 0.16~0.38 Mg (= Mg / (Mg + Fe(2)) 비를 갖는다(Table. 9).

    그 외 광물

    그 외에 녹리석, 방해석, 자철석, 활석, 금운모 등 이 산출되고 있다.

    석면 시료의 분석

    야외 산상

    안동 페리도타이트 분포지에서는 다양한 산상의 석면 유형 광물이 산출된다(Fig. 4). 본 연구에서는 도로변 및 하천변을 따라 상세 조사를 진행하였고, 파쇄면 및 토양에서 시료를 채취하였다. 각섬석계 석면은 단층면, 단구, 벽개 지역에서 수 cm~수 십 cm 폭으로 미끄럼 섬유 또는 경사 섬유 형태로 산 출이 된다. 백석면은 수 mm 폭의 세맥, 벽개에서 교차 섬유 형태로 산출이 된다.

    켈리포니아의 엘도라도 사문암 지역에서는 주로 미끄럼 섬유 또는 경사 섬유 형태가 단층 및 전단 대에서 산출되었다(Churchill et al., 2000). 이런 경 향은 충남 서부 지역에서 산출되는 사문암화 및 활 석화된 초염기성암의 야외 산상 및 광학적 특성의 연구들(Song et al., 2008, 2013)과 같다.

    편광현미경법 분석

    안동 초염기성암 복합체 분포지에서는 백석면 및 투각섬석계 석면이 PLM 분석 결과 확인이 되었다 (Fig. 8, Table 10). 백석면은 굽이치는 파도형태로 산출이 되었고, 트레몰라이트 석면은 침상형태를 보였다.

    X-선 회절분석

    PLM 분석을 통해 백석면, 트레몰라이트로 확인 된 시료를 100 μm 이하로 분쇄하여 XRD로 분석 하였다(Fig. 9). 분석 결과 광산 모두에서 백석면, 트 레몰라이트, 악티노라이트가 검출되었다.

    주사전자현미경 분석

    PLM 및 XRD 분석을 통해 백석면, 트레몰라이 트, 악티노라이트로 확인된 시료에 대해 주사전자 현미경을 이용하여 2만 배로 확대, 관찰하였다(Fig. 10). 관찰 결과 석면 유형으로 추정되는 각섬석 및 사문석이 섬유조직을 보였다. 대부분의 소 단층면, 단구와 같은 암석의 틈을 따라 발견되는 석면은 각 섬석계 석면이고, 세맥 및 벽개에서 발견되는 석면 은 사문석계 석면이다. SEM으로 확인된 시료를 EDS 를 이용, 주원소를 분석하였다. 이 결과 백석면, 트 레몰라이트 및 악티노라이트 석면을 판명하였다.

    토 의

    기존 알파인형의 초염기성암과의 비교

    안동 초염기기성암 복합체를 초기 조사(Kim et al., 1988;Yun et al., 1988)에서는 반려암으로 기 재를 하고 이들 암체의 산상이 단층과 접하고 있음 을 지적하고 있다. Hwang et al. (1993)은 이 복합 체를 페리도타이트로 기재하고, 사문암화를 근거로 사문암체라 명했다. Jeong et al. (2012)은 대부분 의 복합체가 페리도타이트이나, 그 외에도 휘석암, 반려암이 있음을 분포하고 있는바 Whattam et al. (2011)의 견해를 따라 안동 초염기성암 복합체라 하였다.

    구조적인 측면에서 Whattam et al. (2011)은 지 구조적, 암석학적 연구를 근거로 안동 사문암체의 모 암인 초염기성암체가 상부 제거 존(supra-subduction zone) 환경에서 생성된 마그마 기원이라고 해석하 였다. 또한 안동의 복합체는 주로 페리도타이트이 고, 부수적으로 휘석암(저-Al 휘석암 인 단사휘석암, 사방휘석암, 웹스터라이트)을 포함한다고 보았다. 이 암석들은 조성상 대륙지각 저부 암권 맨틀 페리도 타이트와 휘석암과 유사함을 언급하였다. 초염기성 암 분류 중 웨를라이트는 침하대 위 마그마 내에서 분별결정 작용에 의해서, 휘석암은 같은 마그마 내 에서의 축척 분리와 관련되어 형성되었다고 보았다.

    안동 초염기성암 복합체는 한반도 남동부 트라 이아스기에서 백악기 동안 형성된 고기 태평양판의 섭입환경과 관련된 맨틀 쐐기(wedge)의 특성 이해 에서 중요한 의미를 갖으나 복잡한 암상, 형성 시 기, 지체구조적 해석 등 아직은 제한적이다(Jeong et al., 2012).

    알파인형 초염기성암 연구들은 초염기성암의 성 인을 크게 마그마 분화(Bodinier, 1988), 천부 맨틀 판(Nicolas, 1989;Raymond, 2002), 심부 맨틀 판/ 맨틀 다이아피어(Dymek et al., 1988;Raymond, 2002)형으로 나눈다.

    마그마 분화형은 마그마의 분화에 기인한 것으 로, 초염기성암 주변에 염기성에서 산성에 이르는 다양한 분화물과 공존한다. 광물로 사방휘석, 단사 휘석, 감람석, 활석, 사장석, 각섬석, 투각섬석 등을 포함하며 화성기원의 잔류 조직으로 반자형-입상, 오피틱, 휘록암상, 누적(cumulate)조직 등을 보인다.

    이 전체적인 특징은 안동의 초염기성암체의 산 상이 마그마 분화형과 유사한 것으로 생각되게 한다.

    본 연구에서도 기 연구 및 본 조사를 근거로 본 암체를 안동 초염기성암 복합체라 칭하고, 연구 대 상 암체는 페리도타이트로 한정하였다. 안동 지역 의 페리도타이트는 충남 신곡 지역(Song and Song, 2001) 암체와 야외산상, 암석학적, 광물학적, 지화학 적 특징에서 넓은 의미에서 유사성을 보인다. 하지 만 두 암체 사이에는 부분적인 차이를 보이기도 한다.

    유사점으로 두 지역의 페리도타이트는 모두 단층 과 연관되어 분포한다(Kim et al., 1988, Yun et al., 1988). 광물 조합 및 암상은 일반적인 초염기성암 이 특성(Griffin et al., 1988;O’Reilly and Griffin, 1988;McDonough, 1990;Dymek et al., 1988)을 보인다. 하지만 암석학적 측면에서 안동 지역 암체 는 화성암의 흔적을, 충남 신곡 암석은 변성 작용 의 흔적을 우세하게 보인다. 광물학적 측면에서 보 면 안동의 암체는 단사휘석을 포함하고, 대부분이 레조라이트에서 웨를라이트에 해당되나, 충남 신곡 암체는 사방휘석을 포함하고 듀나이트와 하즈버자 이트에 해당된다.

    유사한 특징으로 지화학적 특성에서 안동의 페리 도타이트는 낮은 SiO2 조성, 알칼리 원소 함량, 낮 은 LFSE 함량과 다양한 함량 변화, 높은 마그네슘 비(Mg 85.3~87.3), 전이원소 함량, 포스테라이트 조 성(Fo 0.85~0.87), 넓은 범위의 트레몰라이트-체마 카이트 조성의 각섬석 함량을 보인다. 하지만 신곡 지역의 암체는 안동 암체보다 높은 마그네슘비(Mg 89.7~92.7), 포스테라이트 조성(Fo 0.88~0.93)은 보 인다.

    결론적으로 안동 지역 초염기성암 복합체 내의 페리도타이트는 화성기원이며, 부분적으로 사문암 화 작용을 받았으나, 넓은 의미에서 전 세계적인 알 파인형 초염기성암과 유사(Bodinier, 1988;Dymek et al., 1988)하고, 충남의 일부 지역(Lee and Kim, 1963;Song and Song, 2001)과도 유사한 산상을 보임을 확인할 수 있다.

    석면의 산출

    기존의 많은 알파인형의 초염기성암의 연구들은 이 암석이 지표면에 정치 또는 관입 과정 또는 후에 많은 변성 및 변질 작용을 받았음을 언급하고 있다 (Pakdung, 1984;Dymek et al., 1988;Raymond, 1995).

    이런 변성 및 변질 과정 중 사문암 지역에서는 석면이 산출된다. 안동 지역에서도 각섬석계 및 사 문석계 석면이 산출된다. 일반적으로 트레몰라이 트, 악티노라이트 석면은 소 단층면, 벽개, 단구 지 역에서 수 cm~수 십 cm 폭으로 산출이 된다. 산상 은 미끄림 섬유 또는 경사 섬유 형태이다. 백석면 은 수 mm 폭의 세맥, 수 cm 폭의 벽개에서 교차 섬유 형태로 산출이 된다.

    충남 보령의 사문암체에서는 석면들이 열수의 유 입통로로 추정되는 층리, 균열, 열극을 따라 백석 면, 트레몰라이트 및 악티노라이트 석면이 확인된 다(Song et al., 2013). 백석면은 교차 섬유 및 미 끌림 섬유로, 수 mm 맥으로, 수 mm에서 cm의 두 께의 벽개에서 산출된다. 트레몰라이트 및 악티노 라이트 석면은 경사 섬유로, 수 cm에서 수십 cm 두 께로, 맥, 벽개 및 단구를 따라 발견된다. 이런 두 지역의 유사한 특징은 안동 및 보령 지역의 사문암 지역 내 석면이 사문암과 열수와의 상호 반응에 의 해 형성되었음을 암시한다.

    켈리포니아의 엘도라도의 사문암 지역에서도 교 차섬유, 미끌림 섬유 또는 경사 섬유 형태로 백석 면이, 각섬석계 석면이 단층 및 전단대에서 경사섬 유로 산출되었다(Churchill et al., 2000). 위 결과 는 안동 지역의 전체적인 석면 산상은 충남 및 켈리 포니아의 사례와 유사하다는 것을 보여준다.

    결 론

    안동 지역 초염기성암 복합체 중 페리도타이트 의 암석 지화학과 이들 암석 내에 산출되는 석면의 산상 연구의 결과는 아래와 같다.

    암석지구화학적 연구 결과는 아래와 같다.

    페리도타이트는 낮은 SiO2 조성, 알칼리 원소, LFSE 함량, 높은 마그네슘비, 전이원소 함량, 포스 테라이트, 넓은 범위의 트레몰라이트-체마카이트 조성의 각섬석 함량을 보인다.

    안동의 초염기성암 복합체는 단층과 연관되어 분 포하며, 주 암체는 페리도타이트이고, 부수적으로 휘석암 및 반려암을 포함한다. 페리도타이트는 화 성기원으로 단사휘석을 포함하고, 레조라이트에서 웨를라이트 조성을 보인다.

    부분적인 차이는 있으나 안동의 페리도타이트는 전 세계적인 알파인형 초염기성암 및 충남의 신곡 지역 초염기성암과도 유사한 산상을 보임을 추측 하게 한다.

    석면의 산상에 대한 연구 결과는 아래와 같다.

    안동 지역에서도 각섬석계 및 사문석계 석면이 산출이 되나 각섬석계 석면이 우세하다. 일반적으로 트레몰라이트 및 악티노라이트 석면은 단층면, 벽 개, 단구 지역에서 수 cm~수 십 cm 폭으로 산출이 되고, 산상은 미끌림 섬유 또는 경사 섬유 형태이 다. 백석면은 수 mm 폭의 세맥, 수 cm 폭의 벽개 에서 교차 섬유 형태로 산출이 된다.

    PLM 분석 결과 백석면은 굽이치는 파도형태로 산출이 되고, 트레몰라이트 석면은 침상형태를 보 였다. PLM 분석 결과 석면이 확인된 시료는 X-선 회절분석 결과에서 백석면, 트레몰라이트가 검출되 었었다.

    주사전자현미경 분석결과 커다란 열수 유입 통로 인 소 단층면, 단구와 같은 암석의 틈을 따라 발견 되는 석면은 각섬석계 석면이고, 좁은 열수 유입 통 로인 세맥 및 벽개에서 발견되는 석면은 사문석계 석면이다.

    위 결과는 부분적인 차이는 있으나 안동의 페리 도타이트에서의 석면 산상은 충남 보령 및 켈리포 니아의 엘도라도의 사문암 지역의 석면 산상과 유 사했다.

    사 사

    이 논문은 2018년도 중부대학교 학술연구비 지원에 의하여 이루어진 것임.

    Figure

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    Geological map of the studied area, Andong. Based on Andong (1988) and Yacheon (1988) map.

    JMSK-32-1-15_F2.gif

    Mining land registers of the studied area. Two mine fields are shown.

    JMSK-32-1-15_F3.gif

    Outcrops of peridotites from Andong area. (A) general scenary of the outcrop, (B) outcrops showing various degrees of the alteration, (C) general scenary for road-cut, (D) outcrops showing an evidence for inflow of hydrothermal water.

    JMSK-32-1-15_F4.gif

    Asbestos types found at naturally occurring asbestos area, Andong. (A) tremolite asbestos occurring as slickenside type, (B) chrysotile fell off along a fault, considered as a passageway of hydrothermal water, (C) chrysotile and tremolite asbestos along the fracture and (D) a mass of the asbestos and vermiculite.

    JMSK-32-1-15_F5.gif

    Photomicrographies for the Ansong peridotites. (A) poiklilitic texture, (B) equigranular-mosaic texture, (C) coexisting amphibole, orthopyroxene and olivine, (D) equigranular texture and sepentinization, (E) sepentinization with olivine pseudomorphs, (F) chloritization with serpentinite, (G) acicular and fibrous tremolites with talc, (H) chryostile vein within serpentinites. # Abbreviation olivine (OL), serpentine (SP), chryostile (CY), amphibole (AM), orthopyroxene (OPX) and chlorite (CH). Width of the photomicrography is 2 mm.

    JMSK-32-1-15_F6.gif

    Chondrite normalized REE patterns for the Andong peridotites. Chondrite values from Sun and McDonough (1988). (A) for well serpentinized rocks (ADM12, ADM18, ADM19, ADM20 (10.99~12.18, LOI)), (B) for ADM1, ADM9, ADM11, ADM15, ADM24, ADB1 (3.76~4.99, LOI).

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    Representative EPMA results for the Ca-amphibole asbestos within Andong peridotites. (A) tremolitic hornblende, (B) actinolitic hornblende, (C) ferro-actinolitic hornblende, (D) tschermakitic hornblende and (E) ferro-tschermakitic hornblende.

    JMSK-32-1-15_F8.gif

    Representative PLM photomicrographies of asbestos of Andong peridotites. (A), (C) chryostile and (B), (D) tremolite.

    JMSK-32-1-15_F9.gif

    Representative XRD results for the asbestos within serpentites.

    JMSK-32-1-15_F10.gif

    Representative photomicrographies of SEM for the asbestos within Andong peridotites.

    Table

    A summary of registration for the mineral species of the studied area

    Major element analyses of the peridotites from the Andong area (wt%)

    Transitional element analyses of the peridotites from the Andong area (in ppm)

    Incompatible element and Rare Earth Element analyses of the peridotites from the Andong area (in ppm)

    Representative analyses of the olivines for the peridotites from the Andong area

    Representative analyses of the clinopyroxene for the peridotites from the Andong area

    Representative analyses of the amphiboles for the peridotites from the Andong area

    Representative analyses of the serpentine for the peridotites from the Andong area

    Representative analyses of the chromite for the peridotites from the Andong area

    Representative PLM, XRD and SEM results for asbestos of the Andong area

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