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Genetic Environments at the Ssangjeon Tungsten-bearing Hydrothermal Vein Deposit
쌍전 함 텅스텐 열수 맥상광상의 생성환경
Econ. Environ. Geol. 2022 Dec;55(6):689-99
Published online December 31, 2022;  https://doi.org/10.9719/EEG.2022.55.6.689
Copyright © 2022 The Korean Society of Economic and Environmental Geology.

Sunjin Lee, Sang-Hoon Choi*
이선진 · 최상훈*

Department of Earth and Environmental Sciences, Chungbuk National University, Cheongju, 28644, Republic of Korea
충북대학교 지구환경과학과
Received December 23, 2022; Revised December 25, 2022; Accepted December 25, 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 Ssangjeon tungsten deposit is located within the Yeongnam Massif. Within the area a number of hydrothermal quartz veins were formed by narrow open-space filling of parallel and subparallel fractures in the metasedimentary rocks as Wonnam formation, Buncheon granite gneiss, amphibolite and/or pegmatite. Mineral paragenesis can be divided into two stages (stage I, ore-bearing quartz vein; stage II, barren quartz 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 arsenopyrite with pyrite; middle, characterized by introduction of wolframite and scheelite with Ti-Fe-bearing oxides and base-metal sulfides; late, marked by Bi-sulfides.
Fluid inclusion data show that stage I ore mineralization was deposited between initial high temperatures (≥370°C) and later lower temperatures (≈170°C) from H2O-CO2-NaCl fluids with salinities between 18.5 to 0.2 equiv. wt. % NaCl of Ssangjeon 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 ≥370°C to ≈170°C. Changes in stage I vein mineralogy reflect decreasing temperature and fugacity of sulfur by evolution of the Ssangjeon hydrothermal system with increasing paragenetic time.
Keywords : Ssangjeon, tungsten, hydrothermal fluid, vein deposit, H2O-CO2-NaCl system
Research Highlights
  • The Ssangjeon W-bearing hydrothermal vein deposit is located within the Yeongnam Massif, Korea.

  • Mineral paragenesis can be divided into two stages: stage I, W-bearing quartz vein; stage II, barren quartz vein.

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

1. 서 론

텅스텐(tungsten)은 녹는점(3,422℃)과 끓는점(5,930℃)이 금속 원소 중에서 가장 높고, 밀도와 탄성계수 및 고온 강도 등이 크며, 열팽창계수가 모든 금속 중에서 가장 낮다. 이러한 텅스텐은 전기·전자 분야에 활용되며 화합물이나 초경합금 등의 제조 등에 널리 쓰인다. 또한, 텅스텐은 고온 강도, 밀도, 녹는 점 등의 특성을 이용하여 각종 재래식 무기 제작 등에 활용된다.

함 텅스텐 광물에는 다양한 조성의 광물들이 있으나, 주로 상업적 채광 대상이 되는 주요 함 텅스텐 광석광물은 회중석(scheelite; CaWO3)과 철망간중석(wolframite; (Fe,Mn)WO4)이 대표적이다. 이중 철망간중석은 연속고용체(solid solution)로서 철(Fe) 단성분인 철중석(ferberite; FeWO4)과 망간(Mn)의 단성분인 망간중석(huebnerite; MnWO4)의 중간 성분을 지닌 화합물로써 흑중석으로 불리기도 한다.

텅스텐 광구로 등록된 국내 광구 수는 1996년 기준 315개로, 개발 주요 광종 가운데 금, 은, 동, 연, 아연에 이어 6번째로 많은 광구가 등록되어 있다(Seo, 2005). 국내에는 과거 단일규모 광산으로는 세계 최대의 매장량을 가진 것으로 평가되었던 상동광산을 비롯한 금성광산, 대화광산, 동명광산, 동보광산, 쌍전광산, 옥방광산 등의 주요 광산이 있다. 이들 주요 국내 함 텅스텐 광상은 접촉교대광상, 페그마타이트광상 및 열수 맥상광상으로 분류된다. 상동광산, 금성광산, 동명광산은 접촉교대형, 옥방광산은 페그마타이트형, 대화광산과 동보광산은 열수 맥상형 광상에 속한다. 쌍전광산은 과거 페그마타이트형 광상으로 분류되었으나(Kim et al., 1979; Youn and Park, 1982), 근래에는 열수 맥상형 광상으로 해석 제시되었다(Park, 1993; So et al., 1983).

쌍전광산은 함 텅스텐(W) 광물과 함께 몰리브덴(Mo), 철(Fe), 비소(As), 금(Au), 은(Ag), 동(Cu), 연(Pb), 아연(Zn) 및 비스무트(Bi) 광물 등이 산출하는 텅스텐 광산이다. 쌍전광산은 1963년 광업권 등록 후 1975년부터 본격적인 개발이 진행되었으며, 1983년 휴광 전까지 약 273톤의 텅스텐 정광(WO3: 70%)이 생산되었다. 이후 1986년부터 갱도 보수와 본맥 서측 연장부에 대한 탐광 굴진이 진행되었고, 텅스텐과 함께 규사를 동시 생산한 바 있으며(KMPC, 1989, 1990), 2018년에 현 광업권자가 현동62호 광구에 대한 채굴권 취득 후 갱도의 신규 개설 및 구 갱도 일부까지 연장하여 재개발을 위한 조사가 진행되고 있다(KOMIR, 2022).

본 연구에서는 쌍전광산 함 텅스텐 광화작용에 대하여, 항내 조사가 가능한 중앙갱과 새로이 개설된 신본갱에서 실시된 시추(22-1과 22-2) 시료에 대한 지질·광상학적 조사와 광석광물의 산출 특성, 공생관계, 열역학적 자료에 근거한 광석광물의 침전환경 및 광화유체의 특성과 진화과정 등을 해석하고, 연구 내용을 바탕으로 광화작용 시의 지배적인 물리·화학적 요인과 부존 특성 등을 규명하여 제시하고자 한다.

2. 지질개요

쌍전광산은 한반도 지체구조 상 영남육괴 북동부에 위치한다(Figure 1). 영남육괴는 주로 선캠브리아기 편마암류와 편암류로 구성된 기반암과 이들을 관입한 화강암류로 이루어져 있으며, 영남육괴 북동부에서 남서부까지 분포 위치에 따라 태백산 편마암복합체, 소백산 편마암복합체, 호남 편마암복합체로 세분된다(Lee and Cho, 2012). 쌍전광산은 태백산 편마암복합체에 위치한다. 태백산 편마암복합체는 하부로부터 영남누층군에 해당하는 평해층군, 기성층군, 원남층군의 변성암류로 구성된다.

Figure 1. Geological map of the Ssangjeon deposit area(from KORES, 2011) with simplified geologic map of Korea (right side) showing the tectonic province and location of the Ssangjeon deposit.

쌍전광산 일대 지질은 선캠브리아기 변성퇴적암류인 원남층을 기저로 하여 분천 화강편마암과 각섬암이 분포하며, 시대 미상의 페그마타이트, 염기성 암맥 및 산성암맥이 상기 암석들을 관입 분포한다(Figure 1).

원남층은 광산 지역 북부에 광역적으로 분포하며(Figure 1), 흑운모 및 흑운모-석류석 편암, 흑운모-백운모 편암, 석영-운모 편암과 함께 부분적으로 산출하여 분포하는 각섬석 편암으로 구성된다. 현동지구 내 원남층 엽리의 주향과 경사는 N50°E ~ N70°E, 35°~ 65°NW이다(So et al., 1983).

분천 화강편마암은 지역 내 남부 및 남동부에 분포(Figure 1)하며, 기저층인 원남층을 관입하여 산출한다. 분천 화강편마암은 원남층과 유사한 암석학적 특성 및 변성조직 특성을 보임으로써, 두 암상 간 경계부는 점이적인 특성을 보인다(KORES, 2011). 주 구성광물은 정장석, 사장석, 석영, 흑운모 등이며 저어콘과 인회석 등이 수반된다. 본 암은 부분적으로 파쇄변형 되어있고, 안구상 구조와 반상 변정 구조가 관찰되며, 엽리는 주로 주향 E-W, 경사 40°~ 60°N의 방향성을 보여준다(So et al., 1983).

각섬암은 지역 내에서 원남층과 분천 화강편마암의 경계부를 따라 분포하며, 주로 동서 또는 북동 방향의 방향성을 보이며 지역 남서 중앙부와 북동부에 집중적으로 분포하며, 지역 남서 중앙부에 분포하는 각섬암 내에는 페그마타이트, 석영맥 및 염기성 암맥 등이 관입하여 산출한다(Figure 1; KMPC, 1980, 1983).

3. 광 상

이번 연구가 진행된 쌍전광산의 중앙갱에 대한 항내 조사와 신본갱에서 실시된 시추(22-1과 22-2) 시료에 대한 지질 광상학적 실험·연구 결과 등에 대하여 검토한 결과, 쌍전광상은 주로 원남층 내 구조면을 따라 관입한 각섬암과 분천 화강편마암 또는 페그마타이트의 접촉부 및 구조면을 따라 관입 발달한 열극 충진형 함 텅스텐 열수석영 맥상광상이다.

쌍전광상 내 함 텅스텐 석영맥은 주로 선명한 백색 내지 유백색 혹은 투명한 회색을 띠는, 맥폭 ≤5cm의 세맥형태부터 ≈40m에 이르는 괴상맥의 형태까지 다양하게 관찰된다. 쌍전광상을 구성하는 주요 석영맥들의 주향 및 경사는 N80°E ~ EW, 40°NW ~ 40°N으로, 원남층과 분천 화강편마암 및 각섬암 내 발달한 엽리의 방향성과 유사하며, 맥의 연장은 ≈450~550m이다(KMPC, 1989).

석영맥 내에는 육안 관찰이 가능한 함 텅스텐 광물인 회중석, 철망간중석과 함께 유비철석, 황철석 및 황동석 등이 수반 산출된다(Figure 2). 이들을 포함한 금속광물들은 일반적으로 맥상 석영 입자들 사이를 충진하거나 석영맥 내에 세맥상, 괴상, 광염상으로 산출한다. 쌍전광상의 주된 함 텅스텐 광물인 회중석은 석영맥 내에 단속적인 세맥상, 입상의 집합구조상, 광염상, 괴상 또는 자형의 결정으로 산출하는 철망간중석의 외각 또는 균열부를 치환하여 산출한다.

Figure 2. Photographs of the hand specimens at Ssnagjeon deposit. The lower photographs (in B and C) is under uv-lamp to observe tungsten-bearing minerals. Scale bar is 2cm. Abbreviations: qtz=quartz, sch=scheelite, sul=sulfides, wf=wolframite.
4. 광물 및 공생관계

쌍전광상의 광화작용은 지구조운동(tectonic break)에 의하여 광화 1기(stage I)와 광화 2기(stage II)로 구분된다(Figure 3). 쌍전광상의 광화 1기는 함 텅스텐 광화작용이 진행된 주 광화시기로, 열수 석영맥 내 주요 텅스텐광물인 회중석 및 철망간중석과 함께 금속 황화광물 및 산화광물이 산출한다. 광화 2기는 주 광화작용이 진행된 이후의 시기로서, 텅스텐을 비롯한 함 금속광물의 광화작용이 이루어지지 않은 석영맥의 생성 시기이다(Figure 3).

Figure 3. Mineral paragenesis of the Ssangjeon deposit.

광화 1기: 광화 1기는 산출 광물들의 조합 특성 및 공생관계 등에 의하여 3개의 광화시기(초기, 중기, 후기)로 구분된다(Figure 3). 광화작용 초기에는 함 철 황화광물이 우세하게 산출된 시기로서, 주로 유비철석(arsenopyrite)이 산출되며, 황철석(pyrite)과 소량의 휘수연석(molybdenite)이 수반 산출한다. 광화 1기 중기에는 주된 텅스텐 광화작용이 진행되어 회중석, 철망간중석과 함께 황철석, 자류철석(pyrrhotite), 황동석(chalcopyrite) 및 섬아연석(sphalerite) 등의 황화광물과 함 티탄(Ti) 산화광물인 티타나이트(titanite), 티탄철석(titanite), 금홍석(rutile)이 산출된다. 광화작용 1기 후기에는 주로 중기 이후에 정출된 황철석, 황동석, 섬아연석과 함께 소량의 함 철-코발트 광물인 글로코도트(glaucodot)와 함께 함 비스무트 광물인 휘창연석(bismuthinite) 및 자연 비스무트(native bismuth)가 산출한다. 이후 광화 1기 최후기에는 이차광물인 백철석이 상기 함 철 황화광물(유비철석, 황철석, 자류철석, 황동석 등)의 균열부 및 광물 간 틈새를 교대하여 산출한다(Figures 3 and 4).

Figure 4. Photomicrographs of the mineral occurrence and assemblages at the Ssangjeon deposit. Abbreviations: asp=arsenopyrite, bn=bismuthinite, cp=chalcopyrite, gd=glaucodot, im=ilmenite, mar=marcasite, nb=native bismuth, po=pyrrhotitie, py=pyrite, qtz=quartz, sch=scheelite, sl=sphalerite, tt=titanite, wf=wolframite.

유비철석은 쌍전 함 텅스텐 광화작용 1기 초기부터 중기까지 우세하게 산출된 광물로, 광화 1기 초기에는 열수 맥상 석영 내 조립상의 자형 및 반자형의 입자들이 모여 세맥상 또는 입상의 집합구조 형태로 산출한다. 광화 1기 중기에 산출된 유비철석은 황철석 내부에 포획되거나 자류철석과 공생관계를 보이며 산출한다(Figures 4C, 4D, 4D and 4F). 전자현미분석(EPMA) 결과, 이들 유비철석의 조성은 29.6~34.1 atomic %의 As 조성을 보여주어(Table 1), 산출 시기 및 광물 입자 내 누대구조 등에 의한 함량 변화 특성을 반영하고 있다.

Table 1 . Chemical composition of arsenopyrite from the Ssangjeon W deposit

Sample no.wt. %atomic %
FeAsCuSTotalFeAsSTotal
J834.844.10.020.599.333.531.934.6100.0
34.346.40.018.799.433.534.132.4100.0
35.145.50.019.6100.234.133.033.0100.0
35.245.10.019.9100.234.132.433.5100.0
J18-334.945.40.019.9100.233.533.033.5100.0
34.545.60.019.799.833.533.033.5100.0
J3-133.745.10.020.299.032.832.834.4100.0
35.342.00.022.399.533.329.637.0100.0
34.742.50.022.499.632.830.237.0100.0
J18-2-134.744.40.019.898.933.932.233.9100.0
J18-2-234.045.00.320.299.633.232.634.2100.0
J18-2-334.943.11.021.6100.633.530.336.2100.0


쌍전광상의 주된 함 텅스텐 광물인 회중석과 철망간중석은 주로 광화 1기 초기 말부터 중기에 걸쳐 산출한 것으로 확인된다. 철망간중석은 광화 1기 중기에 주로 석영맥 내부에서 자형 혹은 괴상의 형태로 산출하거나 중기에 산출한 유비철석과 밀접한 공생관계를 보이며 산출한다(Figure 3). 회중석은 광화작용 중기에 주로 석영맥 내 단속적인 세맥상, 세립의 입자들이 모인 집합구조상 및 광염상으로 산출(Figure 2)하거나, 괴상 또는 자형의 결정상으로 산출된 철망간중석 내·외부 균열부를 충진 또는 교대하여 산출한다(Figures 2B and 4A).

황철석은 광화 1기 초기에 산출을 시작하여 중기까지 열수 맥상 석영 내 또는 균열면을 따라 반자형 또는 타형의 입자들이 모여 괴상 형태를 이루며 산출한다. 초기에 산출한 황철석은 초기 유비철석과 밀접한 공생관계를 이루며 산출한다. 중기의 황철석은 철망간중석 내부 균열부를 충전하거나(Figure 4A), 괴상의 회중석 균열부를 따라 교대하여 산출한다(Figure 4H).

광화 1기 중기에 산출한 티타나이트는 회중석 내부 균열부를 따라 산출하며, 이후에 티탄철석으로 교대되거나 밀접한 공생관계를 이루며 산출한다(Figure 4B). 금홍석은 괴상의 회중석 내부 균열부를 충전하거나 교대하여 산출한다.

자류철석은 주로 광화 1기 중기에 산출하며, 유비철석과 황철석을 교대하거나 공생관계를 보여준다(Figure 4C). 광화작용 중기 후반부에 산출한 자류철석은 유비철석을 교대하여 괴상의 형태로 산출되며, 황동석과 밀접한 공생관계를 이루며 산출한다(Figure 4H).

황동석은 주로 광화 1기 중기에 산출한다. 주로 세립의 입자들이 모여 괴상의 형태를 이루어 독립적으로 산출하거나, 철망간중석, 유비철석, 황철석, 자류철석 등의 균열부를 충진 또는 교대하여 산출한다(Figures 4C, 4D and 4H).

섬아연석은 주로 광화 1기 중기의 말에 산출되어, 유비철석, 황철석 또는 황동석의 균열부를 충전하거나 교대하여 산출한다(Figure 4C, 4D, 4D and 4H). 일부 섬아연석은 괴상 단일광물의 형태로 산출한다. 전자현미분석(EPMA) 결과, 이들 섬아연석은 평균 5.0(5.8~3.8) mole % FeS 및 0.8(1.9~0.0) mole % CdS의 조성 특성을 보여준다(Table 2).

Table 2 . Chemical composition of sphalerite from the Ssangjeon W deposit

Sample no.weight. %atomic %
ZnFeCdSTotalZnSFeSCdSTotal
J862.52.92.033.2100.693.24.91.9100.0
J18-2-166.52.10.533.4102.596.23.80.0100.0
64.22.60.633.4100.795.24.90.0100.1
J18-2-262.83.20.633.4100.093.25.81.0100.0
64.02.70.633.0100.394.24.81.0100.0
63.23.20.633.3100.393.35.81.0100.1
63.92.60.633.3100.494.24.81.0100.0


글로코도트는 광화 1기 후기 초에 산출하여 주로 유비철석의 균열부를 충전하여 휘창연석과 밀접한 공생관계를 이루며 산출한다(Figure 4E).

휘창연석은 광화 1기 후기 초에 산출하여 괴상의 유비철석 내·외부 균열부를 교대하여 산출하거나(Figures 4E, 4F, 4F and 4G) 유비철석과 황동석 사이를 충전하여 산출한다(Figure 4D). 이후 광화유체의 온도감소에 따라 자연 비스무트가 산출되었다. 자연 비스무트는 주로 괴상의 유비철석 내부 균열부를 충전하거나(Figures 4E and 4G) 휘창연석과 함께 밀접한 공생관계를 보이며 산출한다(Figure 4G).

5. 유체포유물

유체포유물 실험·연구는 쌍전광상 열수 맥상광체 내 광화 1기 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(TMS 93) Heating/Freezing stage를 이용하여 수행되었다. 유체포유물에 대한 가열·냉각 실험 시, 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 온도의 측정오차는 ±0.2℃이다.

5.1. 유체포유물 가열 및 냉각실험 결과

쌍전광상에서 확인되는 유체포유물은 상온(20℃)에서의 상(phase)관계 및 균일화 특성 등에 의하여 4가지 유형(type I: liquid-rich; type II: vapor-rich; type III: three phase, daughter mineral-bearing; type IV: CO2-bearing)의 H2O-NaCl(-CO2)계 유체포유물이 관찰되었다(Figure 5).

Figure 5. Photomicrographs of type I(liquid-rich fluid inclusions: A), type II(vapor-rich fluid inclusions: B), type IVa(CO2-bearing fluid inclusions: D) and ype IVb(CO2-bearing fluid inclusions: C) fluid inclusions in vein quartz, Ssangjeon deposit. Abbreviations: V=vapor phase, L=liquid phase, aq=aqueous.

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(Figure 5A). 일부 type I 유체포유물에서는 냉각실험 시 CO2-clathrate가 관찰되기도 하나, 이러한 경우는 액상부에 극히 미량의 CO2(≤0.85 molal CO2)가 함유된 특성이 반영된 것이다.

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(Figure 5B).

Type III 유체포유물(liquid+vapor+halite±other daughter minerals)은 기상(vapor)과 액상(aqueous liquid)으로 구성된 유체포유물 내에 halite(NaCl) 결정이 산출되는 유형의 유체포유물로서 열수유체의 조성에 따라 sylvite(KCl) 또는 기타의 딸 광물(daughter minerals)이 포획되어 산출하기도 한다. 쌍전광상 맥상 석영 시료에서 확인되는 Type III 유체포유물은 halite나 sylvite 등의 결정은 포획되어있지 않고 딸 광물만이 관찰된다.

Type IV 유체포유물(liquid CO2-bearing)은 상온에서 관찰 시 liquid H2O, liquid CO2 및 vapor CO2 등 3상(phase)이 관찰되는 유체포유물이다. Type IV 유체포유물은 액상 CO2(liquid CO2)로 균일화되는 Type IVa(Figure 5D)와 액상(aqueous liquid)으로 균일화되는 Type IVb 유체포유물(Figure 5C)이 확인된다.

쌍전광상 열수 맥상 석영 시료의 유체포유물에 대한 가열·냉각 실험 결과는 Figures 6∼8에 제시되어 있다. 쌍전광상의 광화 1기 맥상 석영 시료 내 유체포유물은 ≈371℃~162℃의 넓은 온도 범위에서 균일화된다. 열수 맥상석영 내 유체포유물 중 type I 초생(primary) 유체포유물의 균일화 온도는 ≈323℃~177℃, type II 초생 유체포유물은 ≈355℃~270℃, type III 초생 유체포유물은 194~162℃, type IV 초생 유체포유물은 ≈ 371℃~290℃의 범위에서 균일화된다(Figure 6). 쌍전광상의 광화 1기 맥상 석영 내 초생 유체포유물은 18.5~0.2 wt. % NaCl 상당 염농도를 보여준다(Figure 7). 이들 유체포유물 중, type I 초생 유체포유물은 18.5~0.2 wt. % NaCl, type II 초생 유체포유물은 ≈8.3 wt. % NaCl, type IV 초생 유체포유물은 ≈14.4~9.5 wt. % NaCl 상당 염농도 조성을 보여준다(Figure 7).

Figure 6. Histogram of homogenization temperatures(Th) of primary fluid inclusions in vein quartz of the Ssangjeon deposit. Abbreviations: Type I=type I fluid inclusion, Type II=type IIincludion, Type IVa=type IVa fluid inclusion (homogenized by CO2-liquid), Type IVb=type IVb fluid inclusion (homogenized by aqueous liquid).
Figure 7. Histogram of salinities of primary fluid inclusions in vein quartz of the Ssangjeon deposit. Abbreviations are same as Figure 6.

5.2. 쌍전 열수계의 열수유체 진화특성

유체포유물 가열 및 냉각실험을 통해 도출된 균일화온도와 염농도 상관관계는 광석광물의 침전 메카니즘과 관련된 열수계 광화유체의 진화 특성을 반영하게 된다. 따라서 이의 확인을 통하여 광상 내 주요 광석광물의 시공간적 분포 특성 등의 광화작용 특성을 규명할 수 있다.

Figure 8은 쌍전 함 텅스텐 열수 광체의 광화작용을 야기한 쌍전 열수계 광화유체의 진화특성을 규명하기 위해 맥상석영을 대상으로 진행한 유체포유물 가열·냉각 실험결과를 균일화온도와 염농도 상관도에 도시한 결과이다.

Figure 8. Homogenization temperature versus salinity diagram for primary type I, II, IVa and IVb fluid inclusions in vein quartz of the Ssangjeon deposit.

쌍전 열수계의 진화는 중 내지 저 염농도의 H2O-NaCl계 또는 액상 CO2를 포함하는 H2O-CO2-NaCl계 등의 다양한 화학조성을 갖는 광화유체가 초기 열수계를 형성하였으며, 광화작용 후기로 진행됨에 따라 온도감소와 더불어 유체의 불혼화용융(fluid immiscibility), 비등(boiling)과 더불어 서로 다른 밀도와 화학성분을 갖는 유체 혹은 천수(meteoric water)의 혼입(mixing) 및 단순 냉각 등의 기구를 통하여 유체의 진화가 이뤄지며, 이러한 진화에 수반되는 물리·화학적 환경변화에 따라 서로 상이한 광화작용이 진행되었다.

쌍전광상의 열수 광화작용은 쌍전 열수계에 상대적으로 높은 온도(≥370℃)를 갖는 H2O-CO2-NaCl계 열수 유체의 유입으로 시작되어 약 ≥370℃ 내지 ≈170℃의 온도 범위에서 진행되었다.

쌍전 열수계는 약 ≥370℃ 내지 ≈270℃의 온도 범위에서 초기 열수계 광화유체의 냉각 및 비등작용이 야기되었다. 이때 광화유체의 냉각 및 비등작용은 H2O-CO2-NaCl계 열수 유체에 대한 불혼화용융을 야기시킨다. H2OCO2-NaCl계 열수유체의 경우 불혼화용융에 의하여 CO2를 포함하는 H2O-CO2-NaCl계 유체와 CO2를 포함하지 않는 H2O-NaCl계 유체로 분리되어 진화하게 된다. 이 경우 H2O-CO2-NaCl계 유체에는 H2O-NaCl계 유체에 비하여 NaCl의 함량이 적게 분별 되어, 온도감소와 함께 염농도의 감소 경향성이 나타난다(Burrus, 1981). 불혼화용융작용에 의한 광화유체의 진화 이후 쌍전 열수계는 단속적인 비등작용과 함께 광화작용 후기 2차 광물 등의 광화작용을 야기한 유체(≤250℃, 8.0~0.0 equiv. wt. % NaCl)의 혼입(fluid-fluid mixing) 또는 천수 혼입(meteoric water mixing) 등에 의하여 진화되었으며, 이들 진화기구에 수반되는 냉각작용과 화학성 변화에 의하여 온도 감소(≤200℃)와 염농도 변화(≤1.0 equiv. wt. % NaCl) 등이 야기되었다.

상기 유체포유물 실험·연구 결과 확인된 쌍전 열수계의 열수유체 진화과정을 통하여 규명된 쌍전 열수 맥상광체의 텅스텐 및 수반 금속 광화작용은 다음과 같다. 광화 1기 맥상 석영과 초기에 산출한 유비철석의 침전으로 시작된 광화 1기 초기의 광화작용은 ≥370℃의 온도 조건에서 진행되었다. 이후 쌍전 H2O-CO2-NaCl계 열수 유체는 ≈250℃ 온도 조건까지 냉각과 비등작용 및 이에 수반된 불혼화용융 등에 의하여 진화되었으며, 함 텅스텐 광물인 철망간중석과 회중석 및 수반 황화광물을 등을 주로 침전시킨 광화 1기 중기 광화작용이 진행되었다. 그 후 열수계에 유입된 상대적으로 천부를 순환한 열수 유체 또는 천수의 혼입에 의한 냉각 및 희석작용이 진행되었으며, 그 결과, 함 비스무트 광물의 침전 및 2차 광물인 백철석의 산출 등 광화 1기 후기의 광화작용이 진행되었다.

6. 광석광물의 지화학적 생성환경

쌍전광상의 광화작용과 관련한 광화유체의 환경변화를 규명하기 위하여, 광석광물의 산출 특성과 공생관계 및 조성 특성 등을 활용한 열역학적 해석을 진행하였다.

쌍전광상에서 산출하는 유비철석은 광화 1기 초기에 산출된 것과 중기에 산출된 것으로 구분되며(‘광물 및 공생관계’ 참조), As 함량(초기 ≈31.9 ~ 34.1 atomic %, 중기: ≈29.6 ~ 30.3 atomic %)과 공생관계(초기: 유비철석±황철석; 중기: 유비철석+황철석+자류철석)의 차이를 보여준다. 쌍전광상에서 산출하는 유비철석의 As 함량을 Kretschmar and Scott(1976)이 제시한 Fe-As-S 계 T-X 다이어그램에 도시하였다(Figure 9). 그 결과 광화 1기 초기와 중기에 산출한 유비철석의 생성온도 조건은 각각 ≥480℃ ~ ≤410℃와 ≥350℃ ~ ≈275℃이다(Figure 9). 철망간중석 및 회중석은 주로 광화 1기 중기에 산출된 유비철석과 공생관계를 보이며 일부 황철석 및 자류철석과 공생관계를 보여준다. 따라서 Fe-As-S 계 T-X 다이어그램에 의한 쌍전광상의 주된 함 텅스텐 광물 광화작용시 온도조건은 ≥350℃ ~ ≈275℃이다.

Figure 9. Pseudo-binary condensed T-XAs section of the Fe-As-S system (Kretschmar and Scott, 1976). Filled triangles and inverted triangles indicate As contents in arsenopyrite, Ssangjeon deposit. Black bold line demonstrates As contents in arsenopyrite(with pyrrhotitie and/or pyrite) in Ssangjeon W-bearing deposit. Abbreviations: asp=arsenopyrite, Lo=loellingite, po=pyrrhotite, py=pyrite.

쌍전광상 광화 1기의 각 광화시기 황화광물의 생성과 관련된 온도 및 황 분압(fugacity of sulfur(fS2)) 조건의 변화 규명을 위하여 산출 광석광물의 상 관계 및 Fe-As-S 계(Kretschmar and Scott, 1976), Fe-S계, Fe-Zn-S계(Scott and Barnes, 1971), Bi-S계(Barton and Toulmin, 1964: Craig and Barton, 1973)의 조성 변화를 활용하였으며, 그 결과는 Figure 10에 제시 하였다. 광화 1기 각 광화시기의 온도 및 황 분압 조건의 변화는 광물 공생관계와 화학조성 변화를 반영하여 구분된 초기(early), 중기(middle) 및 후기(late)에 대하여 규명하였다(Figures 3 and 10). 쌍전광상 광화 1기 초기에 산출하는 광물 공생관계, 유비철석-황철석의 광물조합 및 초기에 산출하는 유비철석(31.9 ~ 34.1 atomic %)의 화학조성 등을 활용한 초기 광화작용 시 온도조건은 ≈480℃에서 ≈350℃이었으며, 황분압 조건은 ≥10-5.0 내지 ≈10-8.0 atm이었다. 광화 1기 중기의 광물 조합(유비철석-황철석-자류철석-섬아연석)과 중기에 산출하는 유비철석의 화학조성(≈29.6 ~ 30.3 atomic %) 및 섬아연석의 화학조성(약 5.8~3.8 mole % FeS)을 이용하여 규명된 중기 광화작용 시의 온도와 황 분압 조건은 각각 ≤350℃ ~ ≈275℃, ≈10-8.0 ~ ≤10-12.8 atm 이다. 광화 1기 후기의 광물 조합(섬아연석-휘창연석-자연 비스무트)을 이용하여 추정된 후기 광화작용 시의 온도와 황 분압 조건은 각각 ≤275℃, ≤10-12.8 atm 이다(Figure 10).

Figure 10. Fugacity of Sulfur versus temperature diagram for stage I of the Ssangjeon W-bearing deposit showing the possible sulfur fugacity and temperature ranges with sulfidation reactions. Abbreviations: asp=arsenopyrite, Bi=native bismuth, bn=bismuthinite, hm=hematite, mt=magnetite, po=pyrrhotite, py=pyrite.
7. 토 의

영남육괴 태백산 편마암복합체에 위치하는 쌍전광상은 원남층 변성암류와 분천 화강편마암, 각섬암 또는 페그마타이트 등의 구조면을 따라 관입하여 발달한 열극 충전형 함 텅스텐 열수 맥상광상이다. 유비철석의 정출로 시작된 열수 광화작용에 의해 함 텅스텐 광물인 회중석, 철망간중석이 유비철석, 황철석 및 황동석 등을 수반하여 산출한다. 주된 함 텅스텐 광물인 회중석은 석영맥 내에 단속적인 세맥상, 입상의 집합구조상, 광염상, 괴상 또는 자형의 결정으로 산출하는 철망간중석의 외각부 또는 균열부를 치환하여 산출한다. 광화작용은 지구조활동에 의하여 두 시기(광화 1기, 광화 2기)로 구분된다. 함 텅스텐 광화작용이 석영맥의 생성과 함께 진행된 주 광화시기인 광화 1기는 괴상의 열수 석영맥 내에 주된 함 텅스텐 광물인 회중석 및 철망간중석과 함께 황화광물인 유비철석, 황철석, 자류철석, 황동석 및 섬아연석이 소량의 글로코도트와 휘창연석 등의 함 비스무트 광물을 수반하여 산출한다. 광화 1기 최후기에는 이차 풍화 광물인 백철석이 산출한다.

유체포유물 실험·연구 및 지화학적 생성 환경 연구 결과, 쌍전광상 초기 열수계는 H2O-CO2-NaCl계로 확인되었다. 쌍전 열수계로부터 초기 맥상 석영과 유비철석의 침전으로 시작되어 함 텅스텐 광물인 철망간중석과 회중석 및 수반 황화광물을 주로 침전시킨 광화 1기 초기와 중기의 광화작용은 ≥370℃ 내지 ≈250℃ 온도 조건의 H2O-CO2-NaCl계 열수 유체로부터 냉각과 비등작용 및 이에 수반된 불혼화용융에 의하여 진행되었다. 그 후, 쌍전 열수계는 상대적으로 천부를 순환한 열수 유체 또는 천수의 혼입에 의한 냉각 및 희석작용 등에 의하여 진화되었으며, 함 비스무트 광물의 침전과 2차 광물인 백철석의 산출이 이루어진 후기의 광화작용이 진행되었다.

사 사

이 논문은 2021학년도 충북대학교 연구년제 사업의 연구비 지원에 의하여 연구되었음. 이와 함께 한국광해광업공단의 2022년 학술연구용역의 지원을 받아 수행되었다. 현장 광상 조사 시에 함께하여 도움을 주신 한국광해광업공단 임윤구 차장님께 감사의 마음을 전합니다.

본 논문을 세심하게 검토하여 고견을 주신 익명의 심사자들께 진심으로 감사드립니다.

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