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Au-Ag-bearing Ore Mineralization at the Geochang Hydrothermal Vein Deposit
거창 열수 맥상광상의 함 금-은 광화작용
Econ. Environ. Geol. 2022 Apr;55(2):171-81
Published online April 30, 2022;  https://doi.org/10.9719/EEG.2022.55.2.171
Copyright © 2022 The Korean Society of Economic and Environmental Geology.

Seok Jin Hong1, Sunjin Lee2, Sang-Hoon Choi2,*
홍석진1 · 이선진2 · 최상훈2,*

1Intellegio, Seoul 08390, Korea
2Department of Earth and Environmental Sciences, Chungbuk National University, Cheongju 28644, Korea
1(주) 인텔리지오
2충북대학교 지구환경과학과
Received April 20, 2022; Revised April 26, 2022; Accepted April 26, 2022.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
 Abstract
The Geochang Au-Ag deposit is located within the Yeongnam Massif. Within the area a number of hydrothermal quartz and calcite veins were formed by narrow open-space filling of parallel and subparallel fractures in the granitic gneiss and/or gneissic granite. Mineral paragenesis can be divided into two stages (stage I, ore-bearing quartz vein; stage II, barren calcite vein) by major tectonic fracturing. Stage I, at which the precipitation of major ore minerals occurred, is further divided into three substages (early, middle and late) with paragenetic time based on minor fractures and discernible mineral assemblages: early, marked by deposition of pyrite with minor pyrrhotite and arsenopyrite; middle, characterized by introduction of electrum and base-metal sulfides with minor sulfosalts; late, marked by hematite with base-metal sulfides. Fluid inclusion data show that stage I ore mineralization was deposited between initial high temperatures (≥380°C) and later lower temperatures (≤210°C) from H2O-CO2-NaCl fluids with salinities between 7.0 to 0.7 equiv. wt. % NaCl of Geochang hydrothermal system. The relationship between salinity and homogenization temperature indicates a complex history of boiling, fluid unmixing (CO2 effervescence), cooling and dilution via influx of cooler, more dilute meteoric waters over the temperature range ≥380°C to ≤210°C. Changes in stage I vein mineralogy reflect decreasing temperature and fugacity of sulfur by evolution of the Geochang hydrothermal system with increasing paragenetic time. The Geochang deposit may represents a mesothermal gold-silver deposit.
Keywords : Geochang deposit, Au-Ag, vein deposit, H2O-CO2-NaCl, mesothermal
Research Highlights
  • The Geochang hydrothermal Au-Ag vein deposit is located within the Yeongnam Massif.

  • The hydrothermal system formed by boiling, fluid unmixing, cooling, and dilution via influx of cooler, more dilute meteoric waters.

  • The deposit may represents a mesothermal gold-silver deposit.

1. 서 론

국내에 부존하는 함 금·은 광상은 스카른형 광상, 알라스카이트형 광상, 열수교대형 광상, 열수맥상형 광상 및 충적형 사금광상 등의 유형으로 분류되지만, 대부분은 열극충전형 열수 맥상광상에 속한다. 국내의 열극충전형 함 금·은 열수 맥상광상은 주로 중생대 쥐라기 대보 및 백악기 불국사 화성활동과 매우 밀접하게 관련되어 있다(Choi et al., 2001, 2006). 상기 화성활동과 관련된 관입암체의 관입 심도는 광상마다 상당한 차이를 보이나, 일반적으로 쥐라기 관입암체의 정체 심도는 ≥5km, 백악기 관입암체의 정체 심도는 ≤2∼3km로 보고된 바 있다(Tsusue et al., 1981; Cho and Kwon, 1994). 화성활동 시기에 따른 관입 정체 심도의 차이와 더불어 광화유체의 생성환경에 기인하는 지질학적 환경이 광상마다 다양하여 금·은의 침전환경 등의 차이를 나타내고 있어 상이한 유형의 광상이 배태되고 있다(Choi, 1999; Choi et al., 2001).

Shelton et al.(1988)은 상기 특성 등을 반영하여 국내함 금·은 열수 맥상광상들을 Au/Ag 비, 금의 침전 온도 조건, 광상의 생성 심도, 모암의 특성 등을 반영하여 중열수 광상, 한국형 광상 및 천열수 광상으로 분류하였다. 또한, Choi et al.(1988a, b)은 한반도 내 함 금·은 열수맥상형 광상들을 금·은 생산량 비, 광석 내 금·은 함량비, 주 및 미량 원소들의 거동특성, Fe-S계 광물 및 Ag 계 광물들의 산출 특성, 산출 광물의 공생관계와 광물학적 특성, 광맥의 조직적 특성 등 산상 및 모암 특성과 생성 시기 등을 반영하여, 금 단일형 광상인 Group I(자류철석형 금광상)과 Groups IIA, IIB(황철석형 금광상), 금-은 혼합형광상인 Group III(휘은석형 금은광상)와 Group IV(안티몬형 금은광상) 및 은 단일형 광상인 Group V(안티몬형 은광상) 등 6가지 유형으로 분류하였다.

거창광상은 영남육괴 중앙부 남쪽에 위치하는 안의지구에 부존하는 함 금-은 열극충전형 열수 맥상광상으로, 1928년 광업권이 등록되어 탐·채광을 진행하고 연평균Au 14.9kg(Au 99.9%)을 생산하다가 산금정지령으로 휴광된 상태에 있었으며, 1961년 재개발에 착수하여 1975년까지 원광과 정광을 간헐적으로 매광 한 바 있다. 1975년도 이후에는 광업권만 수차 이전되었으나 채광작업은 실시되지 않았다. 본 광산에 대하여는 10 여개 소의 갱도를 개설, 총연장 3Km 정도의 갱도굴진을 실시하였으며, 현재까지 5개 조의 광맥이 확인되어 있다(Chang and Kim, 1990).

본 연구는 거창광상의 맥상광체 중 항내 입항이 가능했던 남갱맥 및 북갱맥의 개설된 갱도 내에 대한 현장조사와 채취한 시료를 대상으로 실험·연구를 수행하여, 함 금-은 광화작용과 관련된 광석광물의 산출상태, 광물학적 특성, 광물 공생관계, 열역학적 자료 등에 근거한 광석광물의 침전환경 및 광화유체의 특성과 진화과정 등을 밝히고, 이를 근거로 광상 생성 시의 지배적인 물리·화학적 요인과 부존 특성 등을 규명하여 추가 탐사 및 재개발 등에 활용 가능한 광상학적 지침자료를 제시하고자한다.

2. 지질개요

거창광산 주변의 지질은 혼성암질 편마암과 화강암질 편마암 및 편마상 화강암이 분포하며, 산성 암맥이 이들을 관입하여 산출한다(Figure 1).

Figure 1. Geological map of the Geochang deposit area (left side; modified from Cheong et al., 2018) with simplified geologic map of Korea showing the location of the Geochang Au-Ag deposit (right side).

거창광산 주변에 분포하는 변성암류인 혼성암질 편마암과 화강암질 편마암은 과거 영남육괴의 기반암복합체를 이루는 선캠브리아기 퇴적기원 편마암류로 기재되어 왔으나, 근래에는 중생대 쥐라기 초기 화성기원 편마암류로 기재되고 있다(Song, 1989; Turek and Kim, 1996; Lee et al., 2007; Seo et al., 2016; Cheong et al., 2018). 편마상 화강암은 시대가 불확실하나, 주변 암석과의 관계로 볼 때, 상기 편마암류와 비슷한 시기로 추정되며 화강암질 편마암보다는 다소 후기에 생성된 것으로 기재되었다(Cheong et al., 2018).

혼성암질 편마암은 광상 지역 남동부에 비교적 소규모로 분포한다. 본 암은 주로 재결정된 등립질의 석영과 사장석, 미사장석, 흑운모 등으로 구성되며, 흑운모 주변부는 일반적으로 녹니석화 되어있다(Cheong et al., 2018). 화강암질 편마암은 거창광상 지역 중앙부에 북동-남서의 방향성을 보이며 광범위하게 분포하며, 안의도폭의 반상변정 화강암질 편마암에 해당한다. 화강암질 편마암은 주로 반상변정 화강암질 편마암과 조립질 화강편마암으로 구성되나 일부 지역에서는 안구상 편마암 및 호상 편마암의 양상으로 산출되기도 한다(Cheong et al., 2018).

편마암질 화강암은 안의도폭의 조립 화강암질 편마암에 해당하며, 거창광상 지역 중앙부에 산출하는 화강암질 편마암의 북쪽과 남쪽 접하여 분포한다(Figure 1). 화강암질 편마암과는 광물성분이나 조직이 유사하나 화강암질 조직이 우세하다(Cheong et al., 2018).

백악기 산성 암맥은 북북동의 방향성을 보이며 광상 지역 북쪽에 편마암질 화강암을 관입하여 소규모로 산출분포한다.

3. 광 상

거창 광상은 주로 화강암질 편마암 또는 편마암질 화강암의 구조면(단층과 엽리 등)을 따라 발달한 열극을 충전하여 생성된 함 금-은 석영 맥상광상이다(Figure 2). 거창광상의 본갱에서 확인되는 맥은 5개 조로 확인되며, 이들 광맥의 주된 주향 및 경사는 N20°~60°E, 40°~85°NW이다. 맥폭은 일반적으로 10~70cm이며, 부분적으로 ≥150cm인 곳도 있다(Figure 2). 맥의 연장은 본갱의 남갱맥, 북갱맥을 연결하여 약 1,000m정도 확인되며, 인접 광구의 은갱맥까지 고려한다면 총연장은 2,000m 이상으로 예상된다(Cheong et al., 2018). 거창 광상은 과거에 금을 주로 채굴한 본갱, 북갱 및 남갱 등과 은을 주로 채굴한 은갱 등이 개설되어 있는데, 현재 본 갱을 제외한 나머지는 입갱이 불가하다. 본갱은 크로스로 약 400m 굴진하였으며 크로스 갱도 상에서 갑자맥, 북갱맥, 남갱맥(1호맥, 2호맥) 등이 확인된다.

Figure 2. Photographs of the Au-Ag-bearing hydrothermal vein outcrops (A and B) and the products of hydrothermal mineralization (C) at Geochang Au-Ag deposit. Abbreviations: asp=arsenopyrite, c-r=country rock, gn=galena, py=pyrite, qtz-v=quartz vein, sl=sphalerite.

이러한 맥상광체는 괴상 및 호상 조직과 함께 부분적인 각력상 조직 및 정동의 발달 등 복합적인 조직적 특성을 보여주는 함 금·은 열수 석영 및 방해석 맥으로 구성된다(Figure 2).

4. 광물 및 공생관계

거창광상의 광화작용은 구조운동(tectonic break)에 의하여 광화 1시기(stage I)와 광화 2시기(stage II)로 구분된다(Figure 3). 광화 1시기는 함 금·은 광화작용이 진행된 주 광화시기로서, 열수 석영맥 내에 함 금·은 광물인 에렉트럼(electrum)과 함께 함 금속 황화광물 및 산화광물이 산출한다. 광화 2시기는 주 광화작용이 진행된 이후의 함 금·은 및 금속 광화작용이 이루어지지 않은 방해석맥의 생성 시기이다(Figure 3).

Figure 3. Mineral paragenesis of the Geochang Au-Ag deposit.

광화 1시기: 광화 1시기는 산출하는 광물조합 특성 및 공생관계 등에 의하여 3개의 광화시기(초기, 중기, 후기)로 구분된다. 광화 초기에는 주로 황철석(pyrite), 유비철석(arsenopyrite) 및 자류철석(pyrrhotite) 등이 산출한다. 중기는 주된 금·은 광화작용이 진행된 시기로, 주 함금·은 광물인 에렉트럼(electrum)과 함께 황동석(chalcopyrite), 섬아연석(sphalerite) 등이 휘안동은석(polybasite)을 미량 수반하여 산출하는 시기이며, 후기에는 섬아연석, 방연석 등과 함께 소량의 적철석이 수반 산출한다(Figure 3).

황철석은 주로 초기 맥상 석영을 따라 세립 내지 조립상으로 산출되며, 부분적으로 소량의 자류철석을 포획하거나(Figure 4A), 유비철석과 밀접한 공생관계를 보이며 산출하며(Figure 4B), 미량의 arsenopolybasite가 균열부를 충전하여 부분적으로 관찰된다(Figure 4G). 중·후기의 황철석은 부분적으로 섬아연석의 균열부를 따라 산출된다(Figures 4C and D).

Figure 4. Photomicrographs of mineral occurrence and assemblages at the Geochang Au-Ag deposit. Abbreviations: apob=arsenopolybasite, asp=arsenopyrite, cp=chalcopyrite, el=electrum, gn=galena, pob=polybasite, py=pyrite, pyr=pyrrhotite, qtz=quartz, sl=sphalerite, ht=hematiite.

유비철석은 초기 광화작용 동안 주로 괴상의 황철석 내에 포획되어 밀접한 공생관계를 이루거나(Figure 4B), 초기 석영 입자 사이를 충전하여 산출된다. 전자현미분석(EPMA) 결과 확인된 이들 유비철석의 화학조성은 30.7∼27.9 atomic % As로 확인되었다(Table 1).

Table 1 . Chemical composition of arsenopyrite from the Geochang Au-Ag deposit

Sample no.Weight %Atomic %
FeAsSTotalFeAsSTotal
GC 34-4-135.241.022.798.933.329.137.6100.0
GC 34-4-235.141.222.899.033.329.137.6100.0
GC 34-4-336.040.223.199.333.728.437.9100.0
GC 34-4-434.942.721.499.033.730.535.8100.0
GC 34-4-535.940.522.999.333.728.437.9100.0
GC 34-4-635.142.721.299.033.930.735.5100.0
GC 35-5-135.439.523.898.733.227.939.0100.0
GC 35-5-235.140.722.898.733.528.737.8100.0
GC 35-5-335.541.522.299.234.029.336.7100.0
GC 35-5-435.739.923.398.933.727.938.4100.0
GC 35-5-535.540.823.099.333.728.437.9100.0


황동석은 섬아연석과 용리조직을 이루며 밀접한 공생관계를 이루는 것이 대부분이며(Figures 4D and E), 부분적으로 황철석 입자 사이 또는 균열면을 충전하여 산출한다.

거창광상의 주 함 금·은 광물인 에렉트럼은 광화 1시기 초기의 말기부터 후기의 초에 걸쳐 산출된다. 초기 에렉트럼은 황철석 또는 유비철석과 공생관계를 보여준다. 중기의 에렉트럼은 초기 황철석 또는 유비철석의 균열부를 충전하여 산출하거나(Figure 4C), 섬아연석 내에 포획되어 공생관계를 보이며 산출된다(Figure 4D). 광화 1시기 후기의 초에 산출된 후기 에렉트럼은 섬아연석의 균열부를 충전하여 방연석과 공생관계를 보이며 산출된다(Figure 4E). 전자현미분석(EPMA) 결과, 이들 초, 중, 후기 에렉트럼의 화학조성은 약 58.1~73.8 atomic % Ag로 확인되었으며, 광화시기에 따른 변화 양상은 보여주지 않는다(Table 2).

Table 2 . Representative chemical composition of electrum from the Geochang Au-Ag deposit

Sample no.Weight %Atomic %Remark*
AgAuTotalAgAuAg/Au
GC 34-1-147.152.799.862.038.01.6Early
GC 28-1-645.252.897.961.039.01.6Middle
GC 28-1-1241.055.996.957.242.81.3
GC 28-2-159.338.597.873.826.22.8
GC 34-3-147.052.399.362.237.81.6
GC 34-3-250.349.699.965.035.01.9
GC 34-3-354.144.798.868.831.22.2
GC 34-4-153.646.399.967.932.12.1Late
GC 34-4-254.145.199.268.731.32.2
GC 34-4-355.045.4100.468.931.12.2
GC 34-5-448.951.7100.663.336.71.7
GC 34-5-543.156.9100.058.141.91.4

*Substages of stage I.



섬아연석은 초기에는 주로 황철석, 유비철석 또는 에렉트럼 내 균열을 충전하거나 공생관계를 보이면서 괴상으로 산출한다(Figures 4C and E). 중기의 섬아연석은 주로 황동석과 공생관계를 이루며 산출되며(Figures 4D and E), 미량의 휘안동은석이 부분적으로 관찰된다(Figure 4H). 후기에는 에렉트럼을 포획하거나 방연석에 의하여 교대되기도 한다(Figures 4E and F). 이들 초, 중, 후기 섬아연석의 화학조성 변화는 초기에서 후기로 가면서 FeS의 함량이 감소하는 경향성을 보여준다(초기: 19.2~ 14.7mole % FeS; 중기: 12.9~9.6mole % FeS; 후기: 6.1~ 0.9mole % FeS; Table 3).

Table 3 . Representative chemical composition of sphalerite from the Geochang Au-Ag deposit

Sample no.Weight %Mole %Remark*
ZnFeCdCuSTotalZnSFeSCdS
GC 34-5-152.510.40.43.633.2100.180.819.20.0Early
GC 34-5-257.08.60.433.499.485.314.70.0
GC 16-1-257.77.10.51.031.397.787.112.90.0Middle
GC 29-2-354.15.90.55.531.697.589.310.80.0
GC 34-3-361.05.90.531.498.889.410.60.0
GC 34-3-461.25.90.631.599.288.710.40.9
GC 34-3-561.15.70.631.098.489.49.61.0
GC 12-165.31.70.631.198.796.22.91.0Late
GC 12-263.63.00.630.497.794.24.91.0
GC 12-364.02.50.730.998.095.23.91.0
GC 28-167.20.70.431.299.599.01.00.0
GC 28-265.31.10.531.298.298.02.00.0
GC 28-361.03.10.63.431.899.894.95.10.0
GC 28-468.70.50.431.8101.499.10.90.0
GC 29-2-461.13.30.62.331.498.693.96.10.0
GC 34-1-165.61.40.533.7101.297.12.90.0
GC 34-1-265.70.80.533.0100.099.01.00.0
GC 34-463.72.80.533.2100.195.14.90.0

*Substages of stage I.



방연석은 광화작용 중기 말에 산출되기 시작하였으며, 초기에 산출된 자형의 황철석 입자 사이 또는 균열부를 충전하여 산출된다. 방연석은 주로 후기에 산출되며, 일반적으로 괴상의 산출 양상을 보여준다(Figures 4E and F).

광화 2시기: 광화 2시기는 주 광화작용이 진행된 이후의 금속 광화작용이 이루어지지 않은 방해석맥의 생성시기이다(Figure 3). 광상 내에서 부분적으로 관찰되는 방해석맥은 주 광화작용이 진행된 광화 1시기 석영맥을 절단하여 산출한다.

5. 유체포유물

유체포유물 실험·연구는 거창광상 열수 맥상광체 내 광화 1시기 석영 시료를 대상으로 양면 연마박편을 제작하여 유체포유물에 대한 가열·냉각 실험을 수행하였다. 현미경 가열·냉각 실험은 충북대학교 광상학 실험실에 설치된 Linkam Scientific Instruments의 THMS 600(TMS93) Heating/Freezing stage를 이용하여 수행되었다. 유체포유물에 대한 가열·냉각 실험 시에는 정확도를 높이기 위해서 Haynes(1985)의 repeated freezing technique를 활용하였으며, 가열실험에서 측정되는 균일화온도의 측정오차는 ±1.0℃이다. 염농도는 H2O-NaCl계의 경우 냉각실험에서 측정되는 ice-melting 온도와 freezing-point depression(Potter et al., 1978), H2O-CO2-NaCl계의 경우 clathrate-melting 온도(Bozzo et al., 1975)를 이용하여 구하였다. 냉각실험에서 측정되는 ice-melting 및 clathratemelting 온도의 측정오차는 ±0.2℃이다.

5.1. 유체포유물 가열 및 냉각실험 결과

거창광상의 유체포유물 실험·연구결과, 상온(20℃)에서의 상(phase)관계 및 균일화 특성 등에 의하여 H2O-NaCl계 유체포유물(type I: liqid-rich; type II: vapor-rich)과 H2O-CO2-NaCl계 유체포유물(type IV: liqid CO2-bearing)이 관찰되었다.

Type I 유체포유물(aqueous, liquid-rich)은 기상(vapor)과 액상(aqueous liquid)으로 구성되며, 액상이 우세(약 60 vol. % 이상)하여 가열실험 시 액상으로 균일화되는 특징을 갖는다.

Type II 유체포유물(aqueous, vapor-rich)은 type I 유체포유물과 같이 기상과 액상으로만 구성되나, 기상이 우세(약 60 vol % 이상)하여 가열실험 시 기상으로 균일화되는 특징을 보여준다. Type II 유체포유물은 일부 시료에서 제한적으로 관찰되며, 상대적으로 고온의 균일화온도를 갖는 type I 유체포유물과 함께 산출되고 유사한 균일화온도를 갖는 것으로 확인되어, 거창 열수계 광화 1시기 초기 광화유체의 비등현상을 지시하여준다.

Type IV 유체포유물(liquid CO2-bearing)은 상온에서 관찰 시 liquid H2O, liquid CO2 및 vapor CO2 등 3상(phase)이 관찰되는 유체포유물이다. 거창광상 함 금·은 열수 맥상 석영 시료의 유체포유물에 대한 가열·냉각 실험 결과는 Figures 5~7에 제시되어 있다.

Figure 5. Histogram of homogenization temperatures (Th) of fluid inclusions in vein quartz of the Geochang Au-Ag deposit. Abbreviations: Type I=type I fluid inclusion, Type II=type II fluid inclusion, Type IV=type IV fluid inclusion.

거창광상의 광화 1시기 맥상 석영 시료 내 유체포유물은 379℃~168℃의 온도 범위에서 균일화된다. 이들 유체포유물 중 초생 유체포유물(primary fluid inclusions)은 379℃~217℃의 온도 범위에서 균일화되며, type I 초생유체포유물은 379℃~217℃, type II 초생 유체포유물은 368℃~349℃, type IV 초생 유체포유물은 350℃~249℃ 의 온도 범위에서 균일화된다(Figure 5).

거창광상의 광화 1시기 맥상 석영 내 유체포유물은 7.0~0.7 wt. % NaCl 상당 염농도를 보여준다. Type I 초생 유체포유물은 7.0~1.0 wt. % NaCl, type IV 초생 유체포유물은 약 6.0~0.7 wt. % NaCl 상당 염농도를 보여준다(Figure 6).

Figure 6. Histogram of salinities of fluid inclusions in vein quartz of the Geochang Au-Ag deposit. Abbreviations: Type I=type I fluid inclusion, Type IV=type IV fluid inclusion.

5.2. 거창 열수계의 진화특성

거창광상 함 금-은 광화작용이 진행된 광화 I시기 맥상석영시료의 유체포유물 균일화온도는 비교적 넓은 온도범위(379℃~168℃)에서 변화를 보여주며, 염농도의 경우 그 변화폭은 적으나(7.0~0.7 equiv. wt % NaCl) 열수유체의 진화특성을 반영하여 증감이 이루어졌다. Figure 7은 거창광상 유체포유물 가열·냉각실험 결과를 균일화온도와 염농도 상관도에 도시한 결과이다.

Figure 7. Homogenization temperature (Th) versus salinity diagram for type I and IV fluid inclusions in vein quartz of the Geochang Au-Ag deposit. Abbreviations: Type I=type I fluid inclusion, Type IV=type IV fluid inclusion.

거창 광화작용은 열수계에 유입된 초기 고온(≥380℃)의 H2O-CO2-NaCl계 광화유체로부터 시작되었다. 열수계에 유입된 초기 고온(≥380℃)의 H2O-CO2-NaCl계 광화유체는 유체의 냉각과 비등(boiling)작용 및 이에 수반된 불혼화용융과 서로 다른 유체의 혼입(mixing) 등의 기구를 통하여 유체의 진화가 이루어졌으며, 이러한 진화에 수반되는 열수계 내 물리·화학적 환경변화에 따라 광화작용의 진행과 함께 서로 상이한 광물 산출 특성 및 공생관계를 갖는 광화작용이 진행되었다.

초기 거창 열수계에 유입된 상대적으로 높은 온도(≥380℃)를 갖는 H2O-CO2-NaCl계 열수유체는 ≥380℃ 내지 300℃의 온도 범위에서 초기 광화작용을 야기한 냉각 및 비등작용이 진행되었다. 이러한 초기 광화유체의 냉각 및 비등작용은 H2O-CO2-NaCl계 열수유체에 대한 불혼화용융을 진행 시킨다. H2O-CO2-NaCl계 열수유체의 경우 불혼화용융에 의하여 CO2를 포함하는 H2O-CO2-NaCl계 유체와 CO2를 포함하지 않는 H2O-NaCl계 유체로 분리되어 진화하게 된다. 불혼화용융에 의한 H2O-CO2-NaCl계 유체 내에는 H2O-NaCl계 유체 내에 대비하여 NaCl의 함량이 적게 분별 되어, 온도감소와 함께 염농도의 감소 경향성이 나타난다(Burrus, 1981: Figure 7). 불혼화용융에 의한 광화유체의 진화 이후, 거창 열수계는 광화 1시기 중·후기에 순환 유체(≤250℃, 4.0~0.0 equiv. wt. % NaCl)의 혼입(fluid-fluid mixing) 또는 천수 혼입(meteoric water mixing) 등에 의하여 진화되었으며, 이들 진화기구에 수반되는 냉각작용과 화학성 변화에 의한 온도 감소(≤210℃)와 염농도 변화(≤1.0 equiv. wt. % NaCl)등이 야기되었다.

상기 유체포유물 실험·연구 결과 확인된 거창 열수계의 진화과정을 통하여 규명된 거창 열수 맥상광체의 광화 1시기 금·은 및 수반 금속 광화작용은 다음과 같이 진행되었다. 거창 열수계 내에서 황철석, 자류철석 및 유비철석 등의 침전이 이루어진 초기의 광화작용은 약 ≥380℃~300℃를 전후한 온도조건의 열수유체 내 냉각 및 비등작용 등에 의하여 진행되었다. 그 후 약 300℃ 온도조건을 전후하여 진행된 거창 열수계의 불혼화용용 등에 의하여 열수의 온도감소 및 염농도 증·감 등의 메커니즘에 의한 광화작용 관련 성분들의 과포화가 야기되어, 함금·은 광물인 에렉트럼의 주된 침전을 비롯한 황동석, 섬아연석, 방연석 등의 천금속 황화광물의 침전이 진행되었다. 그 후 거창 열수계는 계 내에 유입된 상대적으로 천부를 순환한 열수유체 또는 천수의 혼입에 의한 냉각 및 희석작용이 진행되었으며, 그 결과 방연석과 적철석 등 후기 광물의 침전이 야기되었다.

6. 지화학적 생성환경

거창광상의 광화 1시기 광화유체 내 환경변화를 규명하기 위하여, 광석광물의 산출 특성과 공생관계 및 에렉트럼을 포함한 유비철석, 섬아연석의 조성 특성 등을 활용한 열역학적 해석을 진행하였다. 주 광화시기의 온도 및 황 분압(fugacity of sulfur(fS2))조건의 규명을 위하여 산출 광석광물의 상 관계 및 Fe-As-S계(Kretschmar and Scott, 1976), Fe-S계, Fe-Zn-S계(Scott and Barnes, 1971), Au-Ag-S계(Barton and Toulmin, 1964: Craig and Barton, 1973)의 열역학 자료와 조성 변화를 활용하였으며, 그 결과는 Figure 8에 제시되어 있다. 광화 1시기의 온도 및 황 분압 조건의 변화는 광물 공생관계와 화학조성 변화를 반영하여 구분된 광화 1시기의 초기(early), 중기(middle), 후기(late)에 대하여 규명하였다.

Figure 8. Fugacity of Sulfur versus temperature diagram for stage I of the Geochang Au-Ag deposit showing the possible sulfur fugacity and temperature ranges with sulfidation reactions. Abbreviations: Arg=argentite, Asp=arsenopyrite, Hm=hematite, Mt=magnetite, NAg=atomic fraction Ag in electrum, Po=pyrrhotite, Py=pyrite.

거창광상 광화 1시기 초기에 산출하는 맥상 광물의 공생관계와 황철석-자류철석-유비철석의 광물조합 및 초기에 산출하는 유비철석의 화학조성(30.7~27.9 atomic % As)과 섬아연석의 화학조성(약 20.0~14.7 mole % FeS)등을 활용한 초기 광화작용 시 온도조건은 ≥353℃에서 약 280℃, 황 분압 조건은 ≥10-9.0 내지 ≤10-11.8atm으로 확인되었다. 중기의 광물 조합(황철석-에렉트럼-섬아연석)과 공생관계 및 에렉트럼의 화학조성(약 57.0~74.0 atomic % Ag)과 섬아연석의 화학조성(≤12.9~9.4 mole % FeS)을 이용하여 규명된 광화 1시기 중기 광화작용 시의 온도와 황 분압 조건은 각각 약 310℃ ~ 230℃, ≥10-9.8 ~ 10-14.2atm이었다. 후기의 경우, 후기에 산출하는 후기 황철석-후기 에렉트럼-후기 섬아연석의 광물조합과 각각의 화학조성 변화(에렉트럼: 약 57.0~65.0 atomic % Ag; 섬아연석: ≤6.1~0.9 mole % FeS)에 의하여 온도와 황 분압 조건이 확인되었다(온도: 265℃ ~ 182℃, 황 분압: 약 10-11.3 ~ 10-15.2atm).

거창광상 열수계의 온도와 황 분압 조건은 광화작용의 진행과 함께 감소의 경향성과 함께 증감의 변화 양상을 각각 보여준다(Figure 8). 유체포유물 연구결과 거창 열수계는 광화 1시기 후기 열수계 내에 유입된 상대적으로 천부를 순환한 열수유체 또는 천수의 혼입에 의하여 진화가 진행되었으며, 이러한 진화기구는 온도감소와 함께 산소 분압 조건의 증가 경향성을 지시하여준다. 이러한 거창 열수계의 산화 환경으로의 변화는 열수계 내 금 복합체의 용해도 감소를 유도하였으며, 그 결과 에레트럼의 침전을 야기하였으며 광화작용의 진행과 함께 주 광화시기 후기의 적철석 침전이 야기되었다.

7. 결 론

거창광상은 영남육괴 화강암질 편마암 또는 편마암질 화강암의 단층과 엽리 등 구조면을 따라 발달한 열극을 충전하여 생성된 함 금-은 열수 맥상광상이다. 거창 함금·은 맥상광체는 괴상 및 호상조직과 함께 부분적인 각력상 및 정동의 발달 등 복합적인 조직적 특성을 보여준다.

거창광상의 광화작용은 금속 광화작용이 진행된 광화1시기와 금속 광화작용이 이루어지지 않은 방해석맥이 생성된 광화 2시기로 구분된다. 주 광화시기인 광화 1시기 광화작용은 초기: 황철석-유비철석-자류철석(-에렉트럼) → 중기: 에렉트럼-황동석-섬아연석 → 후기: 에렉트럼-섬아연석-방연석-적철석의 광물조합과 공생관계를 보이며 진행되었다.

H2O-CO2-NaCl계 열수 유입으로 형성된 거창 열수계의 초기 광화작용은 ≥380℃~300℃를 전후한 온도조건의 열수 유체로부터 냉각 및 비등작용에 의하여 진행되었다. 초기 광화유체의 냉각 및 비등작용에 기인한 약 350℃~250℃의 온도 범위에서의 H2O-CO2-NaCl계 열수유체의 불혼화용융은 지속된 냉각 및 비등작용과 함께 주된 에렉트럼의 침전을 포함하는 중기의 광화작용을 야기하였다. 그 후 거창 열수계는 상대적으로 천부를 순환한 열수유체 또는 천수의 혼입에 의한 냉각 및 희석작용에 의하여 진화되었으며, 그 결과 후기 적철석 등의 침전이 야기되었다.

광물 및 열역학적 연구와 유체포유물 연구에 의한 도출된 결과에 의하면, 거창광상의 금·은 광화작용은 주로 약 350℃ ~ 230℃의 온도조건에서 열수계의 온도감소와 비등현상 및 이에 수반된 불혼화용융현상 등에 의하여 진행되었다. 이때의 황 분압 조건은 ≥10-9.8 ~ ≤10-14.2atm이었으며, 광화 후기로 진행되면서 산소 분압 조건의 증가 경향성을 보여준다.

거창광상의 광물학적, 열역학적 및 유체포유물 연구결과들을 Shelton et al.(1988)과 Choi et al.(1988a, b)이 제시한 국내 금·은 광상들에 대한 분류 기준에 비교할 경우, 거창광상은 중열수형 금·은 광상과 Group I과 Group II 금·은 광상들에 각각 대비된다.

이상의 연구결과들을 종합하면, 거창광상은 Group II에 해당하는 중열수형 금·은 광상으로 분류된다.

사 사

본 연구는 한국광물자원공사의 2018년 정밀조사 학술연구용역의 지원을 받아 수행되었다. 현장 광상 조사 시에 함께하여 도움을 주신 한국광물자원공사 탐사팀 팀원들에게 감사의 마음을 전합니다.

본 논문을 세심하게 검토하여 고견을 주신 익명의 심사자들께 진심으로 감사드립니다.

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April 2022, 55 (2)