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ISSN : 1225-309X(Print)
ISSN : 2288-7172(Online)
Journal of the mineralogical society of korea Vol.32 No.2 pp.127-143
DOI : https://doi.org/10.9727/jmsk.2019.32.2.127

REE Mineralization and Geology of Chulmasan Area, Taean, Chungchungnamdo

Bong Chul Yoo1,2*
1Convergence Research Center for Development of Mineral Resources, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 34132, Korea
2Department of Mineral and Grroundwater Resources, University of Science and Technology, Daejeon 34113, Korea
Corresponding author: +82-42-868-3505, Email: chbong@kigam.re.kr
May 28, 2019 June 20, 2019 June 25, 2019

Abstract


The geology of the Chulmasan area consists of Precambrain Sogeunri formation, granitic gneiss, foliated biotite granite, foliated mica granite, basic dyke and acidic dyke. REE mineralization in the area occurs at granitic gneiss and foliated mica granite. Minerals with minor amounts of REE and Th from granitic gneiss and foliated mica granite are zircon (Y2O3 0.00~1.18 wt.%, Gd2O3 0.00~0.59 wt.%, Er2O3 0.00~0.22 wt.%, Yb2O3 0.00~0.34 wt.%, Lu2O3 0.00~0.48 wt.%, ThO2 0.00~0.33 wt.%), thorianite (Nd2O3 0.00~0.24 wt.%, Lu2O3 0.00~0.26 wt.%), berthierine (La2O3 0.04~0.26 wt.%, Nd2O3 0.00~0.20 wt.%, Tb2O3 0.04~0.12 wt.%, DY2O3 0.17~0.26 wt.%, Er2O3 0.33~0.44 wt.%, Lu2O3 0.00~ 0.19 wt.%, ThO2 0.61~0.93 wt.%), chlorite (La2O3 0.44~0.68 wt.%, Ce2O3 0.12~0.13 wt.%, Nd2O3 0.31~ 0.44 wt.%, Eu2O3 0.03~0.08 wt.%, DY2O3 0.09~0.21 wt.%, HO2O3 0.04~0.14 wt.%, Er2O3 0.18~0.32 wt.%, Lu2O3 0.07~0.21 wt.%, ThO2 0.00~0.97 wt.%), biotite (Nd2O3 0.02~0.08 wt.%, Gd2O3 0.07~0.08 wt.%, Tb2O3 0.02~0.07 wt.%, DY2O3 0.35~0.43 wt.%, HO2O3 0.15~0.26 wt.%, Er2O3 0.24~0.28 wt.%, Yb2O3 0.06~0.18 wt.%, ThO2 0.00~0.12 wt.%), orthoclase (DY2O3 0.05~0.12 wt.%, HO2O3 0.05~0.06 wt.%, Er2O3 0.28 wt.%, Yb2O3 0.06~0.12 wt.%) and plagioclase (HO2O3 0.01~0.03 wt.%, Er2O3 0.10~0.27 wt.%, ThO2 0.11~0.13 wt.%). REE minerals (bastnaesite and fergusonite) were sealed fractures in mainly fledspar, mica, zircon, apatite and ilmenite. Therefore, bastnaesite and fergusonite from the Chulmasan area were formed from redissolution/reconcentration of REE-and Th-bearing minerals from granitic gneiss and foliated mica granite at late stage by several igneous activies and metamorphism.



충남 태안 철마산 일대의 지질 및 희토류 광화작용

유 봉철1,2*
1한국지질자원연구원 DMR융합연구단
2과학기술연합대학원대학교 광물지하수자원학과

초록


철마산 일대의 지질은 하부로부터 선캠브리아기의 소근리층, 화강암질편마암, 엽리상 흑운모화 강암, 엽리상 운모화강암, 염기성암맥 및 산성암맥으로 구성된다. 이 일대의 희토류 광화작용은 화강 암질편마암과 엽리상 운모화강암에서 관찰된다. 이들 암석에서 소량 희토류 원소 및 토륨을 함유한 광물들은 저어콘(Y2O3 0.00~1.18 wt.%, Gd2O3 0.00~0.59 wt.%, Er2O3 0.00~0.22 wt.%, Yb2O3 0.00~0.34 wt.%, Lu2O3 0.00~0.48 wt.%, ThO2 0.00~0.33 wt.%), 토리아나이트(Nd2O3 0.00~0.24 wt.%, Lu2O3 0.00~0.26 wt.%), 베르시에린(La2O3 0.04~0.26 wt.%, Nd2O3 0.00~0.20 wt.%, Tb2O3 0.04~0.12 wt.%, DY2O3 0.17~0.26 wt.%, Er2O3 0.33~0.44 wt.%, Lu2O3 0.00~0.19 wt.%, ThO2 0.61~0.93 wt.%), 녹니석 (La2O3 0.44~0.68 wt.%, Ce2O3 0.12~0.13 wt.%, Nd2O3 0.31~0.44 wt.%, Eu2O3 0.03~0.08 wt.%, DY2O3 0.09~0.21 wt.%, HO2O3 0.04~0.14 wt.%, Er2O3 0.18~0.32 wt.%, Lu2O3 0.07~0.21 wt.%, ThO2 0.00~ 0.97 wt.%), 흑운모(Nd2O3 0.02~0.08 wt.%, Gd2O3 0.07~0.08 wt.%, Tb2O3 0.02~0.07 wt.%, DY2O3 0.35~ 0.43 wt.%, HO2O3 0.15~0.26 wt.%, Er2O3 0.24~0.28 wt.%, Yb2O3 0.06~0.18 wt.%, ThO2 0.00~0.12 wt.%), 정장석(DY2O3 0.05~0.12 wt.%, HO2O3 0.05~0.06 wt.%, Er2O3 0.28 wt.%, Yb2O3 0.06~0.12 wt.%) 및 사장석(HO2O3 0.01~0.03 wt.%, Er2O3 0.10~0.27 wt.%, ThO2 0.11~0.13 wt.%)이며 희토류 광물로는 바스트나사이트와 퍼구소나이트이다. 희토류 광물들은 주로 장석류, 운모류, 저어콘, 인회석 및 티탄 철석의 간극을 따라 산출된다. 따라서 철마산 일대의 희토류 광화작용 산물인 바스트나사이트와 퍼구 소나이트는 화강암질편마암과 엽리상 운모화강암의 형성 시 희토류 원소 및 토륨이 구성광물 내에 소 량 함유되어 있었으며 그후 계속된 화성활동 및 변성작용에 의하여 기존 광물 내에 함유되어 있던 희 토류 원소가 재 농집에 의해 형성된 것으로 생각된다.



    Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources
    12-1218
    18-8901

    서 언

    희토류(REE)는 최근 들어 우리 일상생활에서 매 우 다양한 곳에 이용되는 원소들이다. 특히, 첨단산 업의 발전과 더불어 희토류의 비중은 한층 증대되 고 있는 실정이다. 희토류 자원은 하이브리드카 및 고기능재 수요 증가에 따라 세계 수요량이 2012년 까지 급증하였으나 최근 들어 점차적으로 하락하 고 있는 실정이다. 그러나 희토류 자원은 기존 물 질에 첨가되어 기존 물질에 대한 기능 및 성능을 향상시켜 주는 자원이기 때문에 현대첨단산업에는 꼭 필요한 자원이다. Koh (2009)에 의하면 전 세 계 희토류 자원의 매장량은 88 Mt이며 중국, 미국, 스웨덴, 러시아 및 호주 등이 주요 매장국이지만 희 토류 세계 부존 자원량 약 60 %가 중국에 매장되 어 있다. 희토류 생산과 관련되어 심각한 환경오염 이 유발되기 때문에 많은 희토류 매장국들은 생산 을 중단하였으며 이로 인해 2000년 이후 중국 생산 량이 세계 총 생산량의 90 % 이상을 차지하고 있 다(Koh, 2009). 자원의 편재로 인한 국가 간 자원 분쟁에 대표적인 예가 과거 중국과 일본 간의 영토 분쟁(센카쿠)으로 촉발됐던 희토류 분쟁을 생각하 지 않을 수 없다. 이와 같은 일렬의 자원분쟁은 자 원 안보 및 자원 민족주의라는 단어가 낯설지 않은 시대에 접어들었다는 것을 의미한다(Yoo and Koh, 2011). 희토류 자원의 최대 소비국 중 하나인 일본 은 중국과의 희토류 분쟁 이후 희토류 자원을 대체 할 대체소재개발 및 해저희토류자원 탐사 등에 일 본 정부가 많은 투자를 하고 있는 실정이다. 최근 들어 중국은 미중 간 무역전쟁에서 중국산 희토류 를 미국에 대한 통상보복 수단으로 할 수 있다는 언 론보도가 나오고 있다.

    희토류가 생산되는 중요한 광상 유형은 카보나타 이트 광상형, 알카라인암체 광상형, IOCG 광상형, 사광상형 및 이온흡착광상형 등이 있으며 대부분이 카보나타이트 광상형에서 산출된다(Koh, 2009). 카 보나타이트 광상형은 미국의 마운트패스(Mountain Pass) 광상 및 중국의 바이안 오보(Bayan Obo) 광 상 등이 대표적이며 주로 중기 내지 후기 원생대에 판 내부 또는 판경계 열곡대에서 초래된 알카리 마 그마티즘과 성인적으로 관련된다(Koh, 2009). 알카 라인암체 광상형은 캐나다의 토르 레이크(Tor Lake) 광상 및 러시아의 로보제로(Lovozero) 광상 등이 대 표적이며 전 지질시대에 걸쳐 알카라인 마그마티즘 과 성인적으로 관련된다(Koh, 2009). IOCG 광상 형은 스웨덴의 키루나바라 광상 및 호주의 올림픽 댐 광상 등이 대표적이며 초기 내지 중기 원생대에 대륙내부 조산충돌대 또는 비조산마그마티즘과 성 인적으로 관련된다(Koh, 2009). 이온흡착광상형은 중국 남부에 위치한 롱남(Longnan) 광상 등이 대표 적이며 성인적으로 기존 희토류가 부화된 화강암의 풍화작용에 의해 형성된다(Koh, 2009). 이온흡착광 상형은 주로 중희토류를 생산하지만 다른 광상형 들은 주로 경희토류를 생산한다. 대표적인 희토류 광물들은 광상 유형에 따라 다르게 산출되며 주로 탄산염광물 및 인산염광물로 산출되나 일부 규산염 광물 및 산화광물로도 산출된다.

    우리나라에서 과거 희토류가 보고되어 있는 지역 으로는 홍천, 충주, 양양, 하동 및 철마산 일대 등 이 있다. 희토류가 산출되는 홍천, 충주, 양양 및 하 동 일대에 대한 연구는 많이 있으나 철마산 일대에 대한 연구는 Park et al. (1998) 외엔 거의 없는 실 정이다. 따라서 이 연구는 국내 희유금속 광화대 광 상탐사 일환으로 태안군 철마산 일대에 대한 지표 지질조사를 통한 새로운 지질도 작성 및 희토류 광 화작용과 관련된 희토류 광물들의 산상 및 화학조 성에 대해 고찰해 보고자 한다.

    주변지질

    철마산 일대는 행정구역상 충청남도 태안군 소원 면 영정리 및 소근리와 원북면 장대리 일대로서 북 위 36° 47’와 동경 126° 13’에 해당된다. 연구지역 으로 접근 도로는 태안에서 만리포를 연결하는 32 번 국도를 이용하여 소원면 119지역대 삼거리에서 북서방향 9번 지방도(소근로)를 이용하여 조사지역 에 접근할 수 있다. 철마산 일대의 지형은 노년기 지형으로 서해안에서 일반적으로 볼 수 있는 해발 100 m 내외의 구릉들이 발달해 있으며 산계는 북 동방향으로 발달하며 전반적으로 철마산 일대에 넓 게 분포하는 변성퇴적암류의 주향방향과 거의 일치 한다(Park et al., 1998).

    철마산 일대의 주변지질은 기 연구에 의하면 모 항도폭 내 선캠브리아기의 대기리층과 이를 관입 한 화강암질편마암으로 구성되며(Chang and Lee, 1982) 그 후 Park et al. (1998)에 의하면 선캠브리 아기의 소근리층과 화강암질편마암으로 구성된다 고 보고하였다. 이번 철마산 일대에 대한 지표지질 조사를 통하여 새로이 지질도를 작성하였으며 하부 로부터 선캠브리아기의 소근리층, 화강암질편마암, 엽리상 흑운모화강암, 엽리상 운모화강암, 염기성 암맥 및 산성암맥으로 구성된다(Fig. 1).

    선캠브리아기의 소근리층은 철마산의 서측부인 영전2리, 소근2리 및 소근리 일대에서 북북동방향 으로 분포한다(Fig. 1). 또한 철마산 동측 장대2리 일대에서 루우프 펜던트(roof pendant)로써 NE 방 향으로 산출된다(Fig. 1). 이 층은 운모편암, 호상 편마암, 우백질편마암 및 규암 등으로 구성되며 엽 리의 방향성은 주로 NE 방향성이나 일부 NW 방 향성도 관찰되고 경사는 SE 및 NW 방향성을 갖 는다(Fig. 1). Fig. 1에서 보는 것과 같이 조사지역 의 소근리층은 향사 및 배사구조가 관찰되며 최소 2회 이상의 습곡작용을 받았다. 운모편암은 조사지 역 전반에 걸쳐 분포하며 유백색 내지 회백색을 띠 며 입도는 다양하게 산출된다(Fig. 2a). 이 암석은 운모류가 많은 부분에선 거의 우백대가 관찰되지 않지만 일부 지역에선 우백대와 교호하게 산출되는 부분으로 산출된다. 이 암석의 운모류는 백운모와 견운모로 구성되고 우백대는 주로 석영과 장석류로 구성된다(Fig. 2b). 운모편암에 대한 현미경 관찰시 구성광물은 백운모, 견운모, 석영, 장석류, 녹니석 및 황철석 등이 관찰되며 희토류 광물은 관찰되지 않는다(Fig. 3a). 호상편마암은 조사지역의 일부 지 역에서 운모편암과 함께 산출되며 그 규모는 크지 않다. 이 암석은 전반적으로 유백색 내지 회백색을 띠며 입도는 다양하다. 호상편마암에 대한 현미경 관찰시 구성광물은 백운모, 견운모, 석영, 장석류 등 이 주로 관찰되고 희토류 광물은 관찰되지 않는다. 우백질편마암은 조사지역의 일부 지역에서 산출되 며 규모는 크지 않다. 이 암석은 전반적으로 유백 색 내지 회백색을 띠며 입도는 중립 이상으로 산출 된다. 우백질편마암에 대한 현미경 관찰시 구성광 물은 석영, 장석류 및 일부 운모류가 관찰되고 희 토류 광물은 관찰되지 않는다. 규암은 영전2리 및 소근2리 일대에서 최소 3매 이상이 NE 방향으로 분포하며 폭은 다양하게 산출된다(Fig. 1). 이 암석 은 거의 순수한 석영으로만 구성되어 있으며 철마 산 정상 근처 서측에서 산출되는 규암은 일부 전기 석 등이 관찰되기도 한다.

    화강암질편마암은 철마산 정상을 중심으로 영전 1리, 장대1리 및 소근1리 일대에 NE 방향으로 분 포한다(Fig. 1). 이 암석과 소근리층의 경계는 노두 가 발견되지 않아 직접 확인하지 못하였다. 이 암 석은 호상구조 및 안구상구조 등이 잘 관찰되는 지 역과 이들 구조가 잘 관찰되지 않는 지역들이 혼재 되어 산출된다. 이 암석의 편리의 방향성은 주로 NE 방향이고 경사는 SE 방향성을 갖는 단사구조를 갖는다(Fig. 1). 이 암석은 주로 암홍색을 띠며 입 도는 조립질 이상으로 산출된다(Fig. 2c). 이 암석 은 장대1리 송무사 일대에선 운모류보다 석영 및 장석류가 많고 안구상구조를 갖는 암석으로 산출 된다. 그러나 장대1리 농장일대에선 이 암석은 운 모류와 석영 및 장석류가 호상구조를 갖는 암석으 로 산출된다(Fig. 2d). 더불어 농장에서 철마산 정 상으로 감에 따라 전반적으로 호상구조를 갖는 암 석으로 산출되고 석영 및 장석류는 입도가 다양하 며 일부 거정으로 산출되기도 한다. 이 암석에 대 한 현미경 관찰시 구성광물은 석영, 정장석, 사장석, 흑운모, 백운모, 녹니석 및 희토류 광물 등이 관찰 된다(Fig. 3b).

    엽리상 흑운모화강암은 영전리, 철마산 정상 좌 측 및 소근1리 일대에서 NE 방향성을 갖고 분포한 다(Fig. 1). 이 암석은 선캠브리아기의 소근리층 및 화강암질편마암을 관입하여 분포하며 그 경계는 노 두가 발견되지 않아 직접 확인하지 못하였다. 이 암 석은 엽리상 구조가 잘 관찰되고 입도는 중립질 이 하이며 회백색 내지 유백색을 띤다(Fig. 2e). 이 암 석은 일부 화강암질편마암과의 경계에서 입도가 조 립질 내지 거정질로 변화된다. 이 암석의 엽리방향 성은 NE 주향에 SE 경사를 갖는다. 이 암석은 야 외 조사 시 유백색 내지 회색 석영, 장석류 및 운모 류 등이 관찰되며 이들 광물들이 교호해 산출된다 (Fig. 2f). 일부 지역에선 백운모가 많은 곳도 관찰 되며 또한 석영이 많은 곳도 관찰된다. 유백색 석 영 및 장석류와 운모류의 교호 두께는 다양하며 일 반적으로 2 mm 정도이다. 이 암석에 대한 현미경 관찰시, 구성광물은 한 방향으로 잘 배열되어 있는 석영, 흑운모, 정장석 및 사장석 등이 관찰되며 희 토류 광물들은 관찰되지 않는다(Fig. 3c).

    엽리상 운모화강암은 소근 1리 일대에서 소규모 암주로 소근리층, 화강암질편마암 및 엽리상 흑운 모화강암을 관입하여 NE 방향성을 갖고 분포한다 (Fig. 1). 이 암석은 엽리상이 뚜렷하지 않으나 전 반적인 광물의 방향성을 인지할 수 있으며 회백색 내지 유백색을 띤다(Fig. 2g). 이 암석의 입도는 중 립질 이상이며 경우에 따라 조립 내지 거정질로 산 출되는 곳도 있다. 이 암석의 엽리방향성은 NE 주 향에 SE 경사를 갖고 주로 석영, 장석류, 백운모 및 흑운모 등이 관찰되며 일부 우백대와 우흑대가 미 약하지만 교호하는 것도 관찰된다(Fig. 2h). 이 암 석에 대한 현미경 관찰시 구성광물은 석영, 정장석, 사장석, 흑운모, 백운모 및 희토류 광물 등이 관찰 된다(Fig. 3d).

    염기성 및 산성암맥은 조사지역 일대에서 다양한 크기 및 폭으로 산출되며 방향성은 NE 또는 NW 방향성을 갖으며 경사는 NW 또는 SW 방향성을 갖 는다(Fig. 1).

    희토류 광화작용

    철마산 일대에 대한 희토류 광화작용을 알아보기 위하여 지표지질조사와 더불어 지상방사능탐사를 실시하였다. 지상방사능탐사에 이용된 장비는 RADIATION SOLUTIONS사의 RS-230으로 K, U, Th의 3채널 감마레이 스펙트로미터(gamma ray spectrometer)이며 현장에서 채취한 시료들에 대해 편반사 현미경, EPMA (전북테크노파크) 및 ICP-MS (KIGAM 지질자원분석센터)를 이용하여 광물의 조 직, 동정, 화학조성 및 희토류 함량 분석 등을 실시 하였다.

    현장에서 각 암석별 감마레이 스펙트로미터로 측 정된 결과를 살펴보면 다음과 같다. 소근리층은 대 부분 420 cps 이하의 방사능치를 가지며 화강암질 편마암은 배경치가 300 cps 정도의 방사능치를 가 지나 지역에 따라 최고 2,200 cps 방사능치를 가진 곳도 관찰된다. 철마산 일대의 화강암질편마암이 산출되는 곳에서 1,000 cps 방사능치를 가진 곳은 3곳(농장 일대(950~2,200 cps), 철마산 정상일대 (800~1,450 cps), 소근1리 일대(1,000~1,200 cps)) 이며 이는 육안상 전반적으로 홍색의 장석류 및 운 모류가 많은 곳에서 방사능치가 높게 산출되며 석 영이 많은 곳에선 방사능치가 낮게 산출되는 경향 이 있다. 엽리상 흑운모화강암은 110~340 cps 정도 의 방사능치를 가지나 엽리상 운모화강암은 800~ 1,200 cps 정도의 방사능치를 갖는다.

    현장에서 측정된 방사능치를 기초로 각 암석별 채취한 시료들에 대해 희토류 원소들, Y, Th 및 U 함량을 살펴보면 다음과 같다. 소근리층 내 서로 다른 지역에서 산출되는 운모편암의 희토류 함량은 Table 1과 같다. Table 1에서 보는 것과 같이, 운모 편암의 경희토류 원소 함량이 중희토류 원소의 함 량보다 높으며 특히 La, Ce 및 Nd 함량이 높게 산 출된다. 또한 Th 함량은 8.7~36.2 ppm이고 U 함 량은 2.7~5.0 ppm이고 ΣRE2O3 함량은 136 ppm에 서 470 ppm 정도이다. 화강암질편마암의 경희토류 원소 함량은 중희토류 원소의 함량보다 높으며 특 히 La (14.2~316 ppm), Ce (204~672 ppm) 및 Nd (11~240 ppm) 함량이 높게 산출된다(Table 1). 또 한 Th 함량은 44.5~278 ppm이고 U 함량은 2.7~ 22.8 ppm이고 ΣRE2O3 함량은 493~2,024 ppm 정 도이다(Table 1). 특히 조사지역 중에 방사능치가 가장 높게 산출되는 지점인 농장 일대(950~2,200 cps)의 ΣRE2O3 함량은 867~2,024 ppm 정도이다. 또한 다른 상대적으로 방사능치가 높게 산출되는 2지점인 철마산 정상 일대(800~1,450 cps)와 소근 1리 일대(1,000~1,200 cps)의 ΣRE2O3 함량은 각 각 493~1,491 ppm, 777 ppm이다. 엽리상 흑운모 화강암의 경희토류원소 함량은 중희토류 원소의 함 량보다 높으며 특히 La, Ce 및 Nd 함량이 높게 산 출된다(Table 1). 이 경향은 소근리층의 운모편암 및 화강암질편마암의 희토류 함량 경향과 일치한다. 또한 Th 함량은 21.2~30 ppm이고 U 함량은 1.5 ppm이고 ΣRE2O3 함량은 386 ppm에서 447 ppm 정도로서 소근리층의 운모편암의 ΣRE2O3 함량과 유사하다(Table 1). 엽리상 운모화강암의 경희토류 원소 함량은 중희토류 원소의 함량보다 높으며 특 히 La (109~200 ppm), Ce (172~674 ppm) 및 Nd (64~135 ppm) 함량이 높게 산출된다(Table 1). 이 경향은 소근리층의 운모편암, 화강암질편마암 및 엽리상 흑운모화강암의 희토류 함량 경향과 일치 한다. 또한 Th 함량은 96.1~289 ppm이고 U 함량 은 6.6~28.6 ppm이고 ΣRE2O3 함량은 831 ppm에 서 1,732 ppm 정도로서 화강암질편마암의 방사능 치가 높게 산출되는 지점과 유사한 값을 갖는다 (Fig. 1 and Table 1).

    철마산 일대의 희토류 광화작용이 관찰되는 화강 암질편마암과 엽리상 운모화강암에서 관찰되는 광 물은 주 광물 외에 저어콘, 인회석, 토리아나이트 (thorianite), 바스트나사이트(bastnaesite), 퍼구소나 이트(fergusonite), 베르시에린(berthierine) 및 티탄 철석 등이 산출된다(Fig. 4). 이들 광물들은 산출빈 도와 산출량이 적으며 석영, 정장석, 사장석, 백운모 및 흑운모 등과 함께 산출(Fig. 4a, b, d)되거나 간 극을 따라 산출된다(Fig. 4c). 저어콘은 주로 단결 정으로 산출되며(Fig. 4a) P2O5 (0.05~0.75 wt.%), Nb2O5 (0.00~0.16 wt.%), HfO2 (1.39~4.28 wt.%), ThO2 (0.00~0.33 wt.%), Y2O3 (0.00~1.18 wt.%), Gd2O3 (0.00~0.59 wt.%), Er2O3 (0.00~0.22 wt.%), Yb2O3 (0.00~0.34 wt.%) 및 Lu2O3 (0.00~0.48 wt.%) 원소들이 함유된다(Table 2). Table 2와 Fig. 4d~q 에서 보는 것과 같이, Ti, P 및 Nb 원소들은 Si 원 소를 치환하며 Hf, Th, Yb, Fe 및 F 원소들은 Zr 원소를 치환한다. 더불어 Fig. 4b에서 보는 것과 같 이 저어콘에 대한 전자현미분석(EPMA)의 이차전 자상(BSE)으로 관찰하면 밝은 부분과 어두운 부분 으로 관찰된다. 따라서 이들 부분에 대해 EPMA 정량분석(Fig. 5a) 결과, 밝은 부분에서 P2O5 (0.27~ 0.75 wt.%), Nb2O5 (0.11~0.16 wt.%), Y2O3 (0.41~ 1.18 wt.%), Er2O3 (0.21~0.22 wt.%), Yb2O3 (0.23 ~0.34 wt.%) 및 Lu2O3 (0.13~0.48 wt.%) 원소들은 어두운 부분에서 P2O5 (0.07~0.13 wt.%), Nb2O5 (0.02~0.08 wt.%), Y2O3 (0.00~0.30 wt.%), Er2O3 (0.00~0.07 wt.%), Yb2O3 (0.14~0.21 wt.%) 및 Lu2O3 (0.00~0.20 wt.%) 원소들보다 높은 함량을 갖는다(Table 2). 토리아나이트은 주로 저어콘 및 운모류와 함께 반자형으로 산출되며(Fig. 4b~d) SiO2 (0.00~11.40 wt.%), P2O5 (0.16~0.55 wt.%), Nb2O5 (0.00~0.11 wt.%), ZrO2 (0.00~1.13 wt.%), HfO2 (0.00~0.20 wt.%), Al2O3 (0.31~0.53 wt.%), Y2O3 (0.64~1.42 wt.%), Nd2O3 (0.00~0.24 wt.%), Lu2O3 (0.00~0.26 wt.%), Na2O (0.00~0.13 wt.%), PbO (0.00~0.38 wt.%), CaO (0.36~1.12 wt.%), FeO (0.09~0.59 wt.%) 및 F (2.77~4.29 wt.%) 원 소들이 함유된다(Table 2). 이들 원소들 중 Si과 Zr 원소의 검출은 분석 시 주변 저어콘의 영향으로 생 각되나 다른 원소들은 Th 원소를 치환한다. 더불 어 Fig. 5c에서 보는 것과 같이 이 광물에 대한 전 자현미분석(EPMA)의 이차전자상(BSE)으로 관찰 하면 밝은 부분과 어두운 부분으로 관찰되나 성분 상의 변화는 관찰되지 않는다(Table 2). Fig. 5a에 서 보는 것과 같이, 희토류 원소 및 미량 원소들의 저어콘과 토리아나이트 내 함량변화를 알아보기 위 해 선 분석(Line mapping)을 실시하였다. Lu, Yb, Y, Er 및 P 원소들 함량은 토리아나이트에서 상대 적으로 높게 산출되며 Hf 원소 함량은 저어콘에서 상대적으로 높게 산출되고 Nb 원소의 함량은 큰 차 이가 없다(Fig. 5b).

    베르시에린은 운모류 간극을 따라 산점상으로 산 출되며(Fig. 4d) 정량분석 결과 주성분 이외에 소량 희토류 원소(La2O3 0.04~0.26 wt.%, Nd2O3 0.00~ 0.20 wt.%, Tb2O3 0.04~0.12 wt.%, DY2O3 0.17~ 0.26 wt.%, Er2O3 0.33~0.44 wt.%, Lu2O3 0.00~ 0.19 wt.%) 및 Y2O3 (0.05~0.21 wt.%), ThO2 (0.61~0.93 wt.%) 원소들이 함유된다(Table 3). 이 도표에서 보는 것과 같이 희토류 원소는 대부분 철 및 Al(VI)를 치환하여 산출되며 Al/Si는 0.38~0.63, Al/(Al+Si)는 0.28~0.39, Fe/(Fe+Al+Si)는 0.46~ 0.59 범위를 갖는다. 녹니석은 석영, 운모류 및 바 스트나사이트와 함께 산출되며(Fig. 4c) 정량분석 결과 주성분 이외에 소량 희토류 원소 및 Y2O3 원소 가 함유된다(Table 3). Table 3에서 보는 것과 같 이, 희토류 원소는 대부분 철 및 Al(VI)를 치환하여 산출되며 Al/Si는 0.64~0.92, Al/(Al+Si)는 0.39~ 0.48, Fe/(Fe+Al+Si)는 0.24~0.35 범위를 갖는다. 흑운모 내 희토류 원소는 DY2O3 (0.35~0.43 wt.%), HO2O3 (0.15~0.26 wt.%), Er2O3 (0.24~0.28 wt.%) 및 Yb2O3 (0.06~0.18 wt.%) 등이 소량 함유되며 (Table 3) Al/Si는 0.54~0.56, Al/(Al+Si)는 0.35~ 0.36, Fe/(Fe+Al+Si)는 0.27~0.29 범위를 갖는다. 정 장석과 사장석 내 희토류 원소는 Pr2O3 (0.01 wt.%, 0.01~0.02 wt.%), Nd2O3 (0.00~0.03 wt.%, 0.01~ 0.02 wt.%), DY2O3 (0.05~0.12 wt.%, 0.00~0.05 wt.%), HO2O3 (0.05~0.06 wt.%, 0.01~0.03 wt.%), Er2O3 (0.28 wt.%, 0.10~0.27 wt.%) 및 Yb2O3 (0.06~0.12 wt.%) 등이 소량 함유된다(Table 3).

    철마산 일대에는 희토류 광물은 주로 바스트나사 이트이고 소량 퍼구소나이트가 산출된다. 바스트나 사이트는 장석류, 운모류, 저어콘, 인회석 및 티탄 철석의 간극을 따라 산출된다(Fig. 4a, c and Fig. 5d~q). 이 광물에 대한 정량분석 결과는 Table 4와 같다. 이 Table 4와 Fig. 5m~q에서 보는 것과 같이, 바스트나사이트는 주로 La2O3, Ce2O3, Pr2O3 및 Nd2O3 원소들과 소량 Y2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3 및 DY2O3 원소들이 함유되며 일부 시료에서 높은 값을 갖는 SiO2, Al2O3와 ThO2 원소들은 주변광물 의 영향이라 생각된다. 퍼구소나이트는 바스트나사 이트와 함께 산출되며 정량분석 결과는 Table 4와 같으며 주로 Y2O3, Ce2O3, DY2O3, Er2O3 및 Yb2O3 원소들이 함유되어 있다.

    토의 및 결론

    철마산 일대의 지질은 Park et al. (1998)에 의하 면 선캠브리아기의 소근리층과 화강암질편마암으 로 구성된다고 보고하였으나 이번 지표지질조사를 통하여 하부로부터 선캠브리아기의 소근리층, 화강 암질편마암, 엽리상 흑운모화강암, 엽리상 운모화 강암, 염기성암맥 및 산성암맥이 산출되며 이를 토 대로 철마산 일대에 대한 새로운 지질도를 작성하 였다(Fig. 1).

    철마산 일대의 희토류 광화작용은 Park et al. (1998)에 의하면 화강편마암질암과 관련되며 알카 리장석이 우세한 부분에서 높은 방사능치를 가지 며 석영, 정장석, 사장석, 미사장석, 퍼사이트, 흑운 모, 백운모, 스핀 및 갈염석 등이 산출된다고 보고 하였다. 또한 Park et al. (1998)는 화강편마암질암 의 희토류 원소 분석 결과 총 희토류 값은 토륨함 량과 정의 상관관계를 갖으며 희토류광물로 갈염 석 및 스핀이라 보고하였다. 이번 연구 결과에 의하 면 희토류 광화작용은 주로 화강암질편마암과 엽 리상 운모화강암에서 관찰된다. 이들 암체에서 지 상방사능탐사에 의한 1,000 cps 방사능치를 갖는 곳은 3곳(농장 일대(950~2,200 cps), 철마산 정상일 대(800~1,450 cps), 소근1리 일대(1,000~1,200 cps)) 이 확인되었으며 토륨 함량도 감마레이 스펙트로 미터에서 높은 값을 나타내었다. 이들 지역은 일반 적으로 육안상 산출광물이 홍색의 장석류 및 운모 류가 많이 산출되는 것이 유사하다. 편반사현미경 및 EPMA 분석을 통한 희토류 원소 및 토륨을 소 량 함유한 광물은 저어콘, 토리아나이트, 베르시에 린, 녹니석, 흑운모, 정장석, 사장석, 바스트나사이 트 및 퍼구소나이트 등이다(Tables 2~4). Turek and Kim (1996)은 화강편마암질암 내 저어콘에서 매우 높은 토륨 함량을 갖는다고 보고하였다. 철마산 일 대의 희토류 광화작용과 관련된 광물은 바스트나 사이트와 퍼구소나이트이며 이들 광물은 주로 장 석류, 운모류, 저어콘, 인회석 및 티탄철석의 간극 을 따라 산출된다(Fig. 4 and Fig. 5d). 철마산 일 대를 포함한 경기변성복합체는 고원생대로부터 현 재까지 최소 4회 이상의 시계방향 변성작용(백립암 (granulite)상-녹색편암(greenschist)상)과 화성활동 이 있었음이 보고되어 있다(Kim et al., 2018; Cho et al., 2017; Oh et al., 2017; Park et al., 2017). 따라서 철마산 일대의 희토류 광화작용은 화강암 질편마암과 엽리상 운모화강암의 형성 시 희토류 원소 및 토륨이 구성광물 내에 소량 함유되어 있었 으며 그 후 계속된 화성활동 및 변성작용에 의하여 기존 광물 내에 함유되어 있던 희토류 원소가 재농 집 되는 과정에서 형성된 것으로 생각된다.

    사 사

    이 연구는 한국지질자원연구원 주요사입인 “국내 희 유금속자원 탐사 및 활용기술 개발(12-1218)” 및 “북한 광물자원 탐사기술 실증 및 잠재성 평가(18-8901)” 과제 의 일부로 수행되었으며 이에 사의를 표한다. 바쁘신 와 중에도 이 논문의 미비점을 지적, 수정하여 주신 책임편 집위원님과 두 분의 심사위원님께 깊이 감사드립니다.

    Figure

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    Geological map of the Chulmasan area (Modified after Park et al., 1998).

    JMSK-32-2-127_F2.gif

    Photographs of rocks from the Chulmasan area. (a) and (b) telescope of mica schist (Sogeunri formation) and rock slab of mica schist, (c) and (d) telescope of granitic gneiss and rock slab of granitic gneiss, (e) and (f) telescope of foliated biotite granite and rock slab of foliated biotite granite, (g) and (h) telescope of foliated mica granite and rock slab of foliated mica granite.

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    Microphotographs of minerals from the Chulmasan area. (a) muscovite, sericite and pyrite from mica schist, (b) quartz, biotite, zircon, apatite, ilmenite and bastnaesite from granitic gneiss, (c) quartz, k-feldspar and biotite from foliated biotite granite, (d) quartz, k-feldspar, biotite and muscovite from foliated mica granite. Abbreviations: Ap = apatite, Bs = bastnaesite, Bt = biotite, Ilm = ilmenite, Kfs = k-felspar, Ms = muscovite, Py = pyrite, Qtz = quartz, Se = sericite, Zm = zircon.

    JMSK-32-2-127_F4.gif

    BSEs of REE minerals, zircon, thorianite and berthierine from the Chulmasan area. (a) bastnaesite showing sealed fractures in ilmenite and biotite, (b) zircon coexisting with thorianite, (c) bastnaesite showing sealed fractures in chlorite, (d) thorianite and berthierine showing sealed fractures in biotite. Abbreviations: Ap = apatite, Br = berthierine, Bs = bastnaesite, Bt = biotite, Chl = chlorite, Ilm = ilmenite, Kfs = k-felspar, Ms = muscovite, Pl = plagioclase, Qtz = quartz, Thr = thorianite, Zm = zircon.

    JMSK-32-2-127_F5.gif

    BSEs and Line/area mappings of zircon, thorianite, bastnaesite, ilmenite, apatite, biotite, k-feldspar, plagioclase and quartz. (a) zircon coexisting with thorianite, (b) line mapping of zircon and thorianite, (c) quantitative analysis points (number) of thorianite, (d) BSE of bastnaesite showing sealed fractures in ilmenite coexisting apatite, zircon, biotite, k-fledspar, plagioclase and quartz, (e)~(q) area mappings of zircon, thorianite, bastnaesite, ilmenite, apatite, biotite, k-feldspar, plagioclase and quartz. Abbreviations; Ap = apatite, Bs = bastnaesite, Bt = biotite, Ilm = ilmenite, Kfs = k-felspar, Pl = plagioclase, Qtz = quartz, Thr = thorianite, Zm = zircon. Numbers indicate quantitative analysis points.

    Table

    REE, Y, Th and U contents (ppm) of rocks from the Chulmasan area

    Chemical composition (wt.%) of zircon and thorianite from the Chulmasan area

    Chemical composition (wt.%) of berthierine, chlorite, biotite, pk-feldspar and plagioclase from the Chulmasan area

    Chemical composition (wt.%) of REE minerals from the Chulmasan area

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