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A Review on Mineralogical and Geochemical Characteristics of Seafloor Massive Sulfide Deposits in Mid-Ocean Ridge and Volcanic Arc Settings: Water-Rock Interaction and Magmatic Contribution
중앙해령 및 섭입대 화산호 지역 해저열수광상의 광물·지구화학적 특성 고찰: 물-암석 상호작용 및 마그마 영향
Econ. Environ. Geol. 2022 Oct;55(5):465-75
Published online October 31, 2022;  https://doi.org/10.9719/EEG.2022.55.5.465
Copyright © 2022 The Korean Society of Economic and Environmental Geology.

Sun Ki Choi*
최선기*

Global Ocean Research Center, Korea Institute of Ocean Science & Technology, Busan 49111, Korea
한국해양과학기술원 대양자원연구센터
Received October 6, 2022; Revised October 14, 2022; Accepted October 14, 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 seafloor massive sulfide deposits are important mineral resources for base and precious metals, and their ore genesis and metal contents are mainly controlled by wall-rock leaching process and/or magmatic volatile input from the underlying magma chamber. However, the contribution of two different metal sources to the seafloor hydrothermal mineralization significantly varies in diverse geological settings and thus still remains controversial. In this review, mineralogical and geochemical characteristics of SMS deposits from mid-ocean ridges (MORs) and volcanic arcs were investigated to understand the contribution from different metal sources and to suggest future challenges that need to be addressed. As a result, the genetic occurrences of enargite and cubanite, galena and barite indicate the effects of magmatic input and water-rock interaction, respectively. Also, the distributional behaviors of Co, As, and Hg in pyrite and FeS content of sphalerite could be useful empirical indicators to discriminate the significant roles of different metal sources between MOR and Arc settings. To date, as most studies have focused on sulfide samples recovered from the seabed, further studies on magmatic sulfides and sulfate minerals are required to fully understand the genetic history of SMS deposits.
Keywords : mid-ocean ridge, volcanic arc, seafloor massive sulfide deposit, water-rock interaction, magmatic contribution
Research Highlights
  • Enargite, cubanite, galena, and barite are characterized by different genetic origins between MOR and arc settings.

  • Pyrite and sphalerite geochemistry reflect the effects of different metal sources.

  • Magmatic sulfides and sulfate minerals are ideal subjects for future studies on the ore-genesis of SMS deposits.

1. 서 론

1.1. 해저열수시스템 개요

1977년 갈라파고스 열곡대(Galapagos Rift)에서 최초의 해저 열수분출이 확인된 이후(Corliss et al., 1979), 중앙해령(mid-ocean ridge), 배호 분지(back-arc basin) 및 섭입대 화산호(volcanic arc)를 포함한 다양한 지구조환경에서 700곳이 넘는 다수의 해저열수분출대(seafloor hydrothermalvent field)가 발견되었다(Hannington et al., 2011; Beaulieu et al., 2015; Fig. 1).

Figure 1. Global distribution of seafloor hydrothermal systems in diverse geological settings (modified from Tivey, 2007, additional data are from Hannington et al., 2011; Beaulieu et al., 2015).

해저열수시스템은 해양지각을 대류순환 하는 해수에 의해 구축된다. 순환에 있어 해양지각 내 단층과 균열대는 투과 경로로서 해수의 유입대(recharge zone) 역할을 하며, 마그마는 주요 열원(heat source)으로 작용한다(McCaig et al., 2007; Tivey, 2007). 해수와 기반암의 상호 반응은 해저면으로 분출하는 열수의 조성을 변화시키고 이 때 열원의 부존 깊이 및 규모가 기반암의 조성과 반응력을 제어한다(Escartín et al., 2008; Tao et al., 2020). 해양지각을 침투한 해수는 열원에 가까워지면서 점차 온도가 상승하고, 기반암과의 물-암석 상호작용을 통해 물리·화학적 특성이 변하게 되면서 점차 열수로 진화한다. 약 250°C 이상의 조건에서 해양 현무암을 구성하는 장석과 휘석의 녹니석화(chroritization), 녹염석화(epidotization) 및 조장석화 작용(albitization)은 초기 해수 대비 마그네슘이 결핍된 산성의 열수 유체를 생성한다(Tivey, 2007; Fox et al., 2020). 이 후 열원 부근 심부 반응대(reaction zone; ~425°C, 400 bar)에서 열수는 최대 온도 조건에 도달하여 기반암이 함유하고 있는 금속과 황을 용탈 시키는데, 이 때 마그마성 휘발성분의 영향으로 금속과 황의 추가적인 공급이 발생한다(Tivey, 2007; Yeats et al., 2014; Martin et al., 2020). 고온의 열수는 상승대(upflow zone)를 따라 해저면으로 빠르게 상승한 후 분출하여 해수와의 급격한 혼합을 통해 전략광물 및 다량의 유용성분을 포함한 해저열수광상(seafloor massive sulfide deposit)을 형성한다. 따라서, 물-암석 상호작용과 마그마 영향은 주요 금속 공급원으로서 이들의 기여도 차이는 다양한 지구조에 배태되는 해저열수광상의 광물·지구화학적 특성에 반영된다(Hannington et al., 2005; Fouquet et al., 2010).

1.2. 해저열수광상의 금속 공급원 검토 필요성

지난 40여 년 동안, 해저열수광상의 생성 및 성인적 환경 해석을 위해 다수의 광물·지구화학적 연구들이 수행되었다(Haymon, 1983; Hannington et al., 2005; Fouquet et al., 2010; Toffolo et al., 2020; Choi et al., 2021a). 연구결과 해저열수광화작용(seafloor hydrothermal mineralization)은 기반암 조성(초염기성암에서 산성암), 마그마 영향, 유체의 물리·화학적 특성(온도, pH 및 산화·환원 조건) 차이 및 다양한 침전 메커니즘(비등, 해수 혼합, 재결정화 작용 등)들에 의해 제어되며, 이들 인자들은 상호 의존적으로 복잡하게 관련되어 있기 때문에 해저열수광상은 지구조환경에 따라 서로 다른 금속 함량, 광물조합 및 광종을 보인다. 특히, 열수 순환에 수반되는 물-암석 상호작용과 마그마 영향은 상기한 광화 조절인자들의 특성변화는 물론 열수시스템으로 금속과 황을 공급하는데 있어 중요한 역할을 한다(Schmidt et al., 2011; Berkenbosch et al., 2012; Pattern et al., 2016, 2020). 기존 연구에서 보고된 증거들(황화광물조합, 미량원소거동, 황 동위원소, 유체 조성, 기반암의 열수변질 등)은 유형별, 지역별 해저열수광상들이 금속 공급원의 영향을 다양하게 받았음을 시사한다(Kim et al., 2006; Yeats et al., 2014; Wohlgemuth-Ueberwasser et al., 2015).

일반적으로 섭입대 지역 화산호는 휘발성분 및 물이 풍부한 마그마 특성으로 인해 해저열수광상 형성에 있어 마그마 유체의 영향을 강하게 받는 반면, 중앙해령에서는 단층대 및 균열대의 빈번한 형성과 함께 섭입대 지역과 상반된 마그마 특성으로 물-암석 상호작용이 우세하게 작용한다(Hannington et al., 2005; de Ronde et al., 2011; Pattern et al., 2020). 이와는 대조적으로 배호에 형성된 해저열수광상들은 인접한 화산호로부터의 거리에

따라 물-암석 작용과 마그마 영향을 복합적으로 다양하게 받는다(Herzig et al., 1993; Kim et al., 2004; Yeats et al., 2014). 예를 들면, 화산호로부터 원거리 떨어진 성숙한 배호(예: 북피지 분지)에 형성된 해저열수광상들은 중앙해령의 것들과 마찬가지로 물-암석 상호작용의 영향을 강하게 받는 반면, 활동성 화산호 근접부에 위치한 미성숙 배호(예: 동마누스 분지)의 해저열수광상들에서는 마그마 영향이 우세한 특징을 보인다. 따라서, 지구조별 금속 공급원의 특성을 파악하기 위해서는 중앙해령 및 화산호 지역 해저열수광상들을 대상으로 연구가 수행되어야 한다.

지구조별 금속 공급원에 대한 연구는 해저열수광상 탐사·개발을 위한 보다 상세한 성인모델을 제시하기 위해 필수적이다. 하지만, 상기한 물-암석 상호작용과 마그마 영향에 대한 일반적 견해와 상반된 연구 결과들 역시 보고되고 있다: (1) 화산호 지역 Brothers 시스템에서 광화작용은 금속 공급에 있어 마그마 기원 황화광물과의 물-암석 상호작용이 중요한 역할을 함(Keith et al., 2018a), (2) 중앙해령 시스템인 Semenov-1 광상에서 확인되는 중정석(barite)의 광범위한 산출은 마그마 영향 때문임 (Melekestseva et al., 2014), (3) 중앙해령 Semenov-2 열수대에서 확인되는 비정상적인 금의 부화(최대 188 ppm)는 마그마 유체에 의해 상당량의 금이 공급된 결과임(Melekestseva et al., 2017). 이러한 결과들은 결국 현재까지 연구가 주로 열수 침전에 의한 해저면 근처 광체에만 국한되었기 때문에 그동안 획득된 광물·지구화학적 데이터로는 해저 하부를 포함한 열수시스템 전반의 열수진화 과정을 설명하기에 한계가 있음을 시사한다. 따라서, 지구조별 금속 공급원의 영향은 여전히 논란이 진행중이며, 이에 대한 올바른 해석은 각 광상 유형별 광물·지구 화학적 특성에 대한 체계적인 검토가 뒷받침되어야 한다.

한국해양과학기술원(Korea Institute of Ocean Science & Technology)에서는 약 10여년의 광물자원탐사를 통해 인도양 중앙해령, 통가 화산호 및 마리아나 화산호 지역에서 다수의 열수 분출대를 발견했으며, 광체 시료를 확보하여 이에 대한 광물·지구화학적 연구를 수행하였다. 이와 같은 선행 연구결과들을 종합하여, 본 논평에서는 중앙해령과 화산호에 부존하는 해저열수광상의 광물조합 및 지구화학적 특성을 검토하여 해저열수광상 성인연구를보다 효과적으로 수행하기 위한 방향성을 고찰하고자 한다.

2. 지구조별 해저열수시스템 특성

2.1. 중앙해령(Mid-Ocean Ridge)

다양한 범위의 확장 속도를 특징으로 하는 중앙해령에 발달된 해저열수시스템은 관련 기반암의 조성 차이에 따라 각각 현무암 시스템과 초염기성암 시스템으로 분류된다(Fig. 2). 대칭성 빠른 확장 해령에서 열수의 순환은 비교적 천부에 위치한 마그마 챔버로 인해 깊이 약 1-2 km 이내의 천부 해양지각을 구성하는 현무암(MORB) 및 암맥(sheeted dykes) 층에 의해 규제된다(Hannington et al., 2005; Fig. 2A). 이와 달리, 비대칭성 느린 확장대의 경우 해양핵복합체(ocean core complex)의 형성과 밀접하게 관련된 분리단층(detachment fault)의 발달로 열수의 순환은 빠른 확장 해령에서 보다 심부(~8 km)까지 연장되어 초고철질암의 영향을 강하게 받는다(McCaig et al., 2007; Escartín et al., 2008; Fig. 2B). 이와 같이 열수 순환과 관련된 주 반응 기질의 조성 차이는 유체의 물리·화학적 특성 및 금속 함량을 변화시키기 때문에 중앙해령 해저열수광상들은 각 시스템 유형에 따라 서로 다른 광물조합, 광종 및 유용성분 함량을 보이게 된다(Fouquet et al., 2010; Toffolo et al., 2020; Choi et al., 2021a).

Figure 2. Different styles of seafloor hydrothermal systems in midocean ridges (modified from Escartín et al., 2008). (A) MORBhosted system. (B) Ultramafic-hosted system.

현무암 광체와 비교하여 초염기성암 광체에서는 환원성 광물조합(자류철석+큐바나이트)의 산출 및 Co, Ni, Sn, Au의 부화가 특징적으로 나타난다(Fouquet et al., 2010; Wang et al., 2018; Choi et al., 2021a). 환원성 광물조합의 산출은 관련된 광화 작용이 환원성 유체의 영향을 강하게 받았음을 시사하며, 이는 결국 사문암화 작용(serpentinization)으로 발생된 환원성 가스인 수소와 메탄의 농집과 밀접하게 관련되어 있다(Nakamura et al., 2009; Kawasumi and Chiba, 2017). Co, Ni, Au의 부화는 현무암 보다 초염기성암에 농집되는 이들 원소의 특성을 반영하지만, 대표적 불호정성 원소인 Sn의 부화는 기반암 조성 차이로 설명할 수 없다(Choi et al., 2021a, b). 오히려, Sn의 부화는 초염기성암 시스템에 발달하는 분리단층의 영향으로 열수 순환의 지속성 증가 및 물-암석 상호작용이 광범위하게 발생한 결과로 사료된다 (McCaig et al., 2007; Knight et al., 2018). 하지만, 초염기성암 시스템에서 열수 진화와 관련된 미량원소의 거동 특성을 올바로 파악하기 위해서는 관련된 유체 및 기반암의 지구화학적 특성에 대한 세부적인 정보가 추가적으로 뒷받침되어야 한다.

2.2. 화산호(Volcanic Arc)

화산호 해저열수시스템은 기반암의 조성, 부존 수심 및 마그마 영향 측면에서 중앙해령 시스템과 뚜렷한 차이를 보인다(Hannington et al., 2005; Berkenbosch et al., 2012). 섭입대 지역 화산호는 현무암에서 유문암까지 다양한 기반암 조성을 특징으로 한다(Stoffers et al., 2006; de Ronde et al., 2011; Choi et al., 2015). 이들 암석은 중앙해령의 것들과 비교해 높은 Fe3+/Fe2+값을 갖기 때문에 화산호 지역 해저열수광상들에서는 상대적으로 산화성 유체의 영향을 시사하는 광물·지구화학적 증거들(황철석 안정영역의 확대, 철이 빈화된 섬아연석 등)이 확인된다(Hannington et al., 2005; de Ronde et al., 2019; Toffolo et al., 2020).

부존 수심은 관련된 열수 유체의 비등 유무를 파악할 수 있는 최대 온도를 규제한다(Monecke et al., 2014). 중앙해령 시스템과 비교 시 화산호 시스템은 얕은 부존 수심으로 인해 상대적으로 저온 유체의 분출을 특징으로 하지만(Hannington et al., 2005; Monecke et al., 2014), 수심에 규제되는 최대 온도 조건의 변화량에 비해 지구조환경에 따른 실제 분출 유체의 온도 조건 변화가 작기 때문에 상대적으로 얕은 부존 수심을 갖는 화산호 지역 해저열수시스템은 유체의 비등을 수반할 가능성이 높다. 특히, 비등의 발생 유무는 유체에 포함된 금속의 용해도, 유동성 및 침전에 크게 영향을 미친다(Falkenberg et al., 2021; Nestmeyer et al., 2021). 이와 더불어 화산호 지역은 중앙해령과 비교 시 물과 휘발성분이 부화된 마그마 특성으로 인해 마그마 유체의 영향이 강하게 나타난다(Hannington et al., 2005; Berkenbosch et al., 2012; de Ronde et al., 2011). 일반적으로 화산호 지역에서 획득된 열수 유체에서는 마그마 기원 휘발성분(H2S, CO2, SO2, HF 및 HCl 등)의 부화가 확인된다(Resing et al., 2007; Butterfield et al., 2011). 이들 가스의 공급은 유체의 금속함량 뿐만 아니라 pH 변화를 조절하고, 특히 고 함량 H2S는 유체의 황분압 상승을 유도할 수 있기 때문에 황화광물의 지구화학적 특성 변화, 금의 효과적인 운반·침전 등 관련된 광화 작용에 있어 중요한 역할을 한다(de Ronde et al., 2011; Berkenbosch et al., 2012; Yeats et al., 2014; Choi et al., 2015). 이러한 이유로 화산호 지역 해저열수광상들은 중앙해령의 것들과 비교해 Au, Ag, As, Sb, Hg, Bi, Te, Se 등의 부화가 나타난다 (Hannington et al., 2005; Berkenbosch et al., 2012; Choi et al., 2022). 특히, 지역별 기반암 특성에 따른 이들 원소의 함량 차이는 열수광체에서 확인되는 것과 비교해 미비할 뿐만 아니라 이들 원소의 공급은 주로 마그마 기원 휘발성분에 의해 제어되기 때문에 화산호 지역 열수광체에서 확인되는 이들 원소의 부화는 물-암석 상호작용의 영향으로 설명되기 어렵다.

3. 해저열수광상의 광물·지구화학적 특성 비교

3.1. 광물조합의 이질성

황철석, 섬아연석 및 황동석은 해저열수광상에서 흔하게 산출되는 주 구성 황화광물들로 각 광상마다 이들 광물의 침전은 열수 진화와 관련된 온도 변화에 의해 주로 규제되기 때문에 금속 공급원의 영향을 반영하기 어렵다(Table 1; Choi et al., 2021a; Falkenberg et al., 2021). 물론, 유체 내 구리 함량의 경우 마그마에 의한 직접적인 공급에 의해서 부화가 발생될 수 있지만(de Ronde et al., 2011; Berkenbosch et al., 2012), 이를 주장하기 위해서는 황화광물 지구화학에 대한 세부 데이터가 함께 고려되어야 하기 때문에 광물학적 특성만을 고려할 때 황동석의 산출은 금속 공급원의 지구조별 특성을 설명할 수 없다. 그 대신 지구조환경에 따른 유체의 특성 차이를 가장 잘 설명할 수 있는 구리 광물은 큐바나이트이다. Cu-Fe-S 시스템에서 철의 함량 변화는 유체의 산화·환원 조건과 밀접하게 관련되어 있기 때문에 환원성 광화 작용은 황동석에 비해 철이 부화된 큐바나이트의 침전을 우세하게 발생시킬 수 있다(Kawasumi and Chiba, 2017; Evans et al., 2020). 이는 결국 FeO 광물을 다량 포함하는 염기성암의 물-암석 상호작용으로 생성된 환원성 유체의 영향을 시사하며, 본 연구에서도 큐바나이트의 산출은 중앙해령 특히 초염기성암 시스템에 집중되는 반면 화산호 시스템에서는 황동석만이 산출된다(Table 1).

Table 1 . Mineralogical composition of hydrothermal vent fields in diverse geological settings. Abundance was determined by investigation of polished sections in this study

Vent FieldsBaritePyrite/MarcasitePyrrhotiteSphaleriteChalcopyriteCubaniteGalenaEnargiteTennantite
Mid-Ocean Ridge (MORB-hosted)
Edmondtr++++++tr
Daum+++++tr
Mid-Ocean Ridge (Ultramafic-hosted)
Cheoeum++++++++++tr
Vema+++tr+++
Argo-2tr+++++++++++
Volcanic Arc
TA25 WVF+++++++++++++++++
TA25 EVF+++++++++++++++++
Volcano 19+++++++++tr
Forecast+++++++++

tr, trace; +, minor; ++, common; +++, abundant



황비동석의 경우 화산호 시스템에서 제한적으로 산출된다(Table 1). 해저열수광상에서 황비동석은 고유황형(high-sulfidation) 환경의 지시 광물로서 마그마 분화후기에 발생하는 휘발성분이 다량 포함된 마그마 유체의 영향을 시사한다(Yeats et al., 2014; Choi et al., 2022). 특히, 일반적으로 황비동석 산출이 수반되는 열수광상들은 마그마 기원 미량원소(As, Te, Bi, Hg, Au 등)의 부화 및 마그마 기원 황의 기여를 시사하는 가벼운 황 동위원소값을 특징으로 한다(de Ronde et al., 2012; Yeats et al., 2014; Choi et al., 2022). 따라서, 화산호 시스템에서 확인되는 황비동석의 제한된 산출은 열수광화작용이 고유황형 환경에서 진행되어 마그마 기원 유체의 혼입이 컸음을 시사하기 때문에 지구조환경에 따른 금속 공급원의 특성을 반영한다. 황비동석과 공생관계에 있는 황동석 결정 내에서 산출되는 텔루라이드 역시 마그마 영향을 뒷받침한다(Table 1; Berkenbosch et al., 2012).

방연석은 화산호 시스템에서 흔하게 산출되지만 중앙해령 시스템에서 그 산출빈도가 확연히 감소하여 마이크로미터 크기 이하의 포유물 형태로 주위 황화광물에 포획된다(Table 1). 이와 유사하게 해저열수광상의 주 구성 황산염광물인 중정석의 경우, 화산호 시스템에서 광범위한 산출을 보이는 반면 중앙해령 시스템에서는 산출이 없거나 매우 드물게 확인된다(Table 1). 일반적으로 열수 유체의 Pb와 Ba의 기원은 광상 배태 지역 열수시스템과 관련된 퇴적물 내 장석류 광물(특히, 칼륨 장석)이 그 대상이 된다(Hannington et al., 2005). 따라서, 퇴적물이 빈화 되어 있는 중앙해령과 비교해 섭입대와 관련하여 퇴적물 공급이 원활한 화산호 지역 해저열수광상은 다량의 방연석 및 중정석 산출이 유리하기 때문에 이들 광물의 산출 특성은 물-암석 상호작용에 의한 지구조별 금속 공급의 차이를 시사한다.

결론적으로, 해저열수광상의 주 구성 광물인 황철석, 섬아연석, 황동석의 경우 지구조별 금속 공급원의 특성 차이에 따른 산출 특성을 보이지 않지만, 황비동석, 큐바나이트, 방연석, 중정석은 비교적 뚜렷한 산출 특성을 보인다. 특히, 황비동석의 산출 특성은 마그마 영향을 반영할 수 있는 반면, 지구조별 물-암석 상호작용의 특성 차이는 큐바나이트, 방연석, 중정석의 산출 특성으로 구분 가능하다.

3.2. 황화광물의 미량원소 거동

레이저 삭박 유도결합플라즈마 질량분석기(LA-ICP-MS)를 활용한 황화광물의 지구화학 연구는 개별 광상 뿐만 아니라 유형별 광상의 소스 물질, 성인, 열수진화 및 침전 프로세스 등 다양한 정보를 제공한다(Keith et al., 2014, 2016; Evans et al., 2020; Choi et al., 2021a; Falkenberg et al., 2021; Nestmeyer et al., 2021). 이러한 중요성에도 불구하고 지구조환경에 따른 황화광물 지구화학 연구는 거의 수행되지 않았기 때문에, 본 논평에서는 기 보고된 LA-ICP-MS 데이터를 종합·비교하여 해저열수광화작용과 관련된 지구조별 금속 공급원의 영향을 효과적으로 추적할 수 있는 대상 광물 및 대상 원소에 대해 살펴보고자 한다.

황철석, 섬아연석, 황동석은 중앙해령, 배호, 화산호 등 다양한 지구조환경에 배태되어 있는 해저열수광상의 대표적인 주 구성 광물들이다. 하지만, 황동석은 황철석, 섬아연석과 비교해 소수의 미량원소만을 포함하며, 유체의 물리·화학적 특성 변화와 2차적 분배과정(재결정화 등)에 의한 미량원소의 거동에 있어서도 제한적인 특징을 보인다(Keith et al., 2014, 2016; Evans et al., 2020; Choi et al., 2022). 따라서, 해저열수광상의 성인 해석을 위한 황화광물 지구화학 연구는 황철석과 섬아연석을 대상으로 수행하는 것이 보다 더 효율적일 것이다.

황철석에는 As, Sb, Co, Se, Ni, Mn, Tl, Mo, U, V, Te, Hg, Au, Ag 등 다수의 미량원소들이 격자 내에 치환된다(Wohlgemuth-Ueberwasser et al., 2015; Keith et al., 2016; Choi et al., 2022). 특히, As의 유입은 황철석 격자에 결함을 발생시켜 다른 미량원소들의 유입을 촉진시킨다(Reich et al., 2005; Keith et al., 2018b). 각 원소들의 거동을 결정하는 인자들을 살펴보면, Co, Se, Ni, Mn, Tl은 유체의 온도조건에 따라 상대적으로 고온의 유체는 Co와 Se을 저온의 유체는 Ni, Mn, Tl을 황철석에 농집시킨다(Maslennikov et al., 2009; Meng et al., 2020; Choi et al., 2022). 하지만, Ni의 부화는 저온성 유체 외에 상대적으로 높은 황분압 조건에 의해서도 영향을 받는다(Maslennikov et al., 2009). 따라서, 황철석의 Co/Ni 값은 광화 시기에 따른 유체의 온도 및 황분압 변화를 추적하는 지시자로 활용 가능하다(Choi et al., 2022). 유체의 산화·환원 조건 역시 Co, Se, Te과 같은 원소들의 거동에 있어 중요하다. 환원성 환경에서 이들 원소들의 용해도는 급격히 감소하기 때문에 상대적으로 많은 양이 황화광물에 포함된다(Maslennikov et al., 2009; Grundler et al., 2013). 일반적으로 Mo, U, V는 해수와 비교해 해저열수유체에서 결핍되기 때문에 황철석에서 확인되는 이들 원소의 부화는 해수 혼합의 영향이 강했음을 시사한다(Douville et al., 2002; Maslennikov et al., 2009; Keith et al., 2016). 상기한 침전 프로세스 조절 인자들 외에도 금속 공급원의 특성 차이에 따라 미량원소의 거동은 제어된다. 예를 들면, 물-암석 상호작용은 Co와 Ni를 마그마 영향은 As, Sb, Hg, Au를 유체로 공급하여 이들 원소가 부화된 황화광물을 침전시킨다(Hannington et al., 2055; Toffolo et al., 2020; Yeats et al., 2014). 이처럼 미량원소의 거동에는 유체의 물리·화학적 특성(온도, pH, 황분압, 산화·환원 조건 등), 마그마 영향, 침전 프로세스(해수 혼합, 유체 비등, 재결정화 작용 등) 및 기반암 조성이 서로 복합적으로 영향을 미친다. 따라서, 과거 국부적인 광화 조건의 변화가 연구 대상 광상에서 발생했다면 상기한 인자들의 영향이 서로 중첩될 수 있기 때문에 금속공급원의 영향만을 명확하게 해석할 수 없다. 하지만, 이들 중 Co 및 As, Hg의 부화에 대해서는 각각 Co가 부화된 염기성암의 물-암석 상호 작용과 마그마성 휘발성분에 의한 As, Hg의 공급이 주 요인으로 작용하기 때문에 상기한 기타 다른 인자들의 영향을 배제시킬 수 있다(Choi et al., 2021b). 선행 연구들의 데이터를 종합해 본 결과, Co는 중앙해령 황철석에서 As와 Hg는 화산호 황철석에서 뚜렷한 부화를 보인다(Fig. 3). 따라서, 황철석 내 Co, As, Hg의 거동 특성은 지구조별 금속 공급원의 영향을 파악하기 위한 유용한 경험적 지표로 활용 가능할 것으로 사료된다.

Figure 3. Hg-Co-As ternary diagram illustrating the LA-ICP-MS data of pyrite in different types of hydrothermal systems. Data sources: TA25 EVF, Volcano 19, Forecast, Edmond, Daum, Argo-2, Vema=this study; TA25 WVF= Choi et al., 2022; Cheoeum=Choi et al., 2021a; Niua South=Falkenberg et al. (2021).

섬아연석은 다수의 미량원소를 포함할 수 있는 대표적인 황화광물로 알려져 있지만(Cook et al., 2009), 황철석과 비교해 Co, As, Hg의 지구조별 거동 특성에 있어 다소 중첩된 경향을 보인다(Choi et al., 2021b). 이는 미량원소의 거동을 활용한 섬아연석 지구화학 연구의 한계점을 시사하기 때문에 본 논평에서는 주원소인 철 함량을 종합·비교하여 지구조별 금속 공급원 특성 차이를 살펴보았다(Fig. 4). 화산호(Volcano 19, TA25 EVF, TA25WVF, Forecast)와 중앙해령(TAG, MESO, Edmond, Daum, Wocan, Kairei, Cheoeum, Argo-2, Vema) 지역을 모두 포함할 수 있도록 비교 대상 열수분출대를 선별하였다(Fig. 4). 화산호 시템의 경우 모두 활동성 열수분출대로서 유사한 기반암 조성(현무암, 안산암질 현무암, 유문암) 및 미량원소의 부화(Au, Ag, Hg, As, Sb 등)를 특징으로하지만, Volcano 19의 경우 다른 지역들과 달리 유체 비등에 대한 증거(분출 온도, 분출 형태)가 뚜렷하게 확인된다(Stoffers et al., 2006; Ishibashi et al., 2015; Choi et al., 2022). 중앙해령 시스템들은 부존 위치, 기반암 조성, 산출광물 조합, 미량원소 특성을 바탕으로 각각 초염기성암 시스템(TAG, MESO, Edmond, Daum, Wocan)과 현무암 시스템(Kairei, Cheoeum, Argo-2, Vema)으로 분류된다. 각 지역들 마다 활동성 및 불활동성 열수분출대의 분포가 중첩되어 나타나지만, 환원성 광물조합(자류철석-큐바나이트) 및 주석의 부화(최대 1,720 ppm)는 초염기성암 시스템으로 제한된다(Keith et al., 2014, 2016; Wu et al., 2016; Wang et al., 2018; Choi et al., 2021a; this study). 연구 결과, 화산호 섬아연석의 철 함량은 중앙해령 현무암 시스템의 값들과 유사한 범위를 보이지만, 유체의 비등이 확인된 Volcano 19 시스템의 경우 다른 화산호 시스템들과 비교해 확연히 높은 철 함량(약 8-18 mole % FeS)이 확인된다(Fig. 4). 또한, 중앙해령 섬아연석들은 현무암 시스템(약 1-10 mole % FeS) 보다 초염기성암 시스템(대부분 약 12-32 mole % FeS 이상)에서 뚜렷하게 높은 철 함량을 보인다(Fig. 4).

Figure 4. Histogram of mole % FeS contents in sphalerite in different types of hydrothermal systems. Data sources: TA25 EVF, TA25 WVF, Volcano 19, Forecast, Edmond, Daum, Argo-2, Vema, Cheoeum=this study; MESO, TAG, Kairei=Keith et al. (2014); Wocan=Wang et al. (2017).

섬아연석의 철 함량은 유체의 온도, 산화·환원 조건 및 황분압 변화의 복합적인 영향을 받는다(Scott and Barnes, 1971; Keith et al., 2014; Kawasumi and Chiba, 2017). 비교 대상 화산호 열수 분출대에서 측정된 유체의 최대 분출온도는 매우 좁은 범위(210-265°C)를 보이며, 이는 섬아연석의 Fe/Zn 값으로 계산된 침전온도 범위와 유사하다(Stoffers et al., 2006; Keith et al., 2014; Ishibashi et al., 2015; Choi et al., 2022). 따라서, Volcano 19에서 확인되는 상대적으로 높은 철 함량은 상대적으로 낮은 황분압 환경을 시사한다(Fig. 4). 특히, Volcano 19에서 뚜렷하게 확인되는 유체 비등에 대한 증거들을 고려하면(Stoffers et al., 2006), 비등으로 인한 H2S의 이탈로 인해 ƒS2의 감소가 발생한 것으로 판단된다. 또한, 화산호 시스템은 중앙해령 시스템과 비교해 일반적으로 얕은 수심에 부존하기 때문에 유체의 비등 발생 가능성이 높다(Hannington et al., 2005). 이는 지구조환경에 따른 섬아연석의 철 함량 변화가 중앙해령과 화산호 열수 시스템의 금속 공급원 특성을 반영하기 어려운 이유를 설명해 준다.

그럼에도 불구하고, 중앙해령 섬아연석에서 확인되는 철 함량 변화는 초염기성암 시스템과 현무암 시스템 간의 기반암 조성 차이에 따른 물-암석 상호작용 특성을 반영하기에 충분하다(Fig. 4). Kawasumi and Chiba (2017)에 따르면 열수 유체의 H2 함량은 섬아연석 철 함량 변화에 직접적으로 영향을 미치기 때문에 H2가 부화된 환원성 유체로부터 침전된 섬아연석에서는 상대적으로 높은 철 함량이 확인된다. 따라서, 초염기성암 시스템에서 확인되는 섬아연석은 물-암석 상호작용과 관련된 사문화 작용으로 생성되는 상당량의 CH4 및 H2 가스로 인해 현무암 시스템의 섬아연과 비교해 확연히 높은 철 함량 범위를 보이는 것으로 판단된다(Fig. 4).

이러한 결과들은 유체 또는 광체 시료가 충분히 확보되기 어려운 경우 황철석의 Co, As, Hg 거동 특성 및 섬아연석의 철 함량 변화가 해저열수광화작용과 관련된 금속 공급원의 특성을 파악하는 성인 연구에 활용될 수 있음을 시사한다.

4. 결론 및 제언

물-암석 상호작용과 마그마 영향은 해저열수시스템의 주요 금속 공급원들로서 해저열수광상 탐사·개발을 위한 상세한 성인모델을 제시하기 위해서는 지구조환경에 따른 이들의 특성 차이를 체계적으로 검토할 필요가 있다. 이에 선행 연구결과들을 함께 종합하여 지구조환경에 따른 해저열수광상의 광물·지구화학적 특성을 비교하였다. 그 결과, 해저열수광화작용과 관련된 서로 다른 금속 공급원의 영향을 효과적으로 추적할 수 있는 대상 광물 및 대상 원소를 확인하였다. 1) 황비동석 및 큐바나이트, 방연석, 중정석은 각각 화산호 시스템에서의 마그마 영향과 중앙해령 시스템에서의 물-암석 상호작용의 우세함을 시사하는 산출 특성을 보인다. 2) 황철석의 Co 및 As, Hg의 부화는 각각 Co가 부화된 기반암의 물-암석 상호작용과 마그마 영향에 의한 As, Hg의 원활한 공급 특성을 반영한다. 3) 중앙해령 섬아연석의 철 함량 변화는 초염기성암 시스템과 현무암 시스템 간의 기반암 조성 차이에 따른 물-암석 상호작용의 특성을 구분한다.

이러한 결과들을 바탕으로 향후 보완되어야 할 해저열수광상 성인연구에 대해 고찰하였다. 지금까지 연구는 주로 열수 침전에 의한 광체(침니, 마운드)에만 국한되었기 때문에 해양 지각 하부의 열수 진화와 관련된 금속 거동을 이해하기 위해서는 물-암석 상호작용의 주된 소스 물질인 마그마 기원 황화광물(magmatic sulfide)을 대상으로 지구조환경에 따른 지구화학적 특성 연구가 수행되어야 한다. 특히, 마그마 기원 황화광물의 미량원소 분석은 그동안 해결되지 않은 문제들(중앙해령에서 확인되는 Sn, Au, Ba의 이상 부화 등)에 대한 새로운 단서를 제공해 줄 것이다. 또한, 황산염 광물들(경석고, 중정석)은 황화광물과 달리 상당량의 희토류를 포함하기 때문에 이들에 대한 지구화학적 특성 연구는 열수 유체 및 광체로부터 획득한 데이터를 보완·해석하여 해저열수광상의 성인을 종합적으로 이해하는 데 효과적으로 활용될 수 있다. 이러한 연구들은 금속 자원 확보 뿐 아니라 해저열수시스템과 관련된 다양한 지질학적, 해양학적, 생물학적 상호작용에 대한 중요한 기초 자료를 제공할 것이다.

사 사

이 연구는 해양수산과학기술진흥원(인도양 중앙해령 해저열수광상 개발유망광구 선정, 과제번호 20210634)과 한국해양과학기술원(서태평양 공해/심해저 신 생명자원 및 퇴적물 희유금속 자원 탐사, 과제번호 PEA0024)의 지원을 받아 수행되었습니다. 본 논문을 세심하게 검토하여 고견을 주신 익명의 심사자들께 진심으로 감사드립니다.

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October 2022, 55 (5)