• Daum vent field is classified as basaltic-hosted SMS deposit.

• The mound was formed by relatively high-temperature and reducing fluids compared to the chimney.

• Water–rock interaction during hydrothermal circulation is the dominant source of sulfur and most metals in the Daum vent field.

해저열수광상(seafloor massive sulfide deposit)은 해양지각을 대류 순환 한 해수가 열수로 진화하여 순환 유체 배출지에 다량의 유용 광물을 집중시킨 최종 산물로, 중앙해령(mid-ocean ridge), 배호분지(back-arc basin) 및 섭입대 화산호(volcanic arc)를 포함한 다양한 지구조환경에 배태된다(Hannington et al., 2005; Tivey, 2007). 일반적으로 해저열수광상의 성인적 다양성과 금속함량은 주로 (1) 기질과 유체 간 물-암석 상호작용, (2) 열원 반응대(reaction zone; ~425°C, 400 bar) 근접부에서 마그마성 휘발 성분의 공급(magmatic volatile influx), (3) 열수계의 온도ꞏ압력 변화에 따른 유체의 비등(fluid boiling) 및 (4) 해수 혼입(seawater mixing), 금속 재분배(zone refining), 광물 재결정화(recrystallization) 등 광상 형성에 수반되는 다양한 프로세스에 의해 규제되지만, 상기한 인자들의 상호 의존적 작용으로 개별 광상마다 광물ꞏ지구화학적 특성은 다양하게 나타난다(Stoffers et al., 2006; Yeats et al., 2014; Patten et al., 2016; Choi et al., 2021, 2023a).

특히, 중앙해령에 배태되는 해저열수광상의 경우 확장속도에 따른 지구조적 특성 차이로 순환 유체와 반응하는 주요 기질의 조성, 마그마 챔버의 정치 심도, 열수 진화의 지속성 등열수계 발달과 관련된 주요 인자들의 다양한 기여로 각각 현무암 시스템과 초염기성암 시스템으로 대분된다(Hannington et al., 2005; Choi, 2022). 후자의 경우 비대칭성 느린 확장의 영향으로 해양지각 심부(~13 km)로 연장되는 대규모 정단층(분리단층, detachment fault)이 형성되어 현무암 시스템과는 확연히 구분되는 열수계를 구축한다(Escartín et al., 2008; Fouquet et al., 2010; Tao et al., 2020). 그 결과, 초염기성암의 수화작용(사문화작용)으로 생성되는 환원성 가스(H₂ 및 CH₄)의 공급 및 분리단층에 수반되는 열수순환의 지속성 증가로 초염기성암 시스템을 순환한 유체는 환원성 광물조합(자류철석+큐바나이트)의 빈번한 산출 및 Cu, Zn, Au, Co, Sn 등의 금속 부화를 야기한다(Hannington et al., 2005; Nakamura et al., 2009; Fouquet et al., 2010). 이는 유형별 중앙해령 시스템의 뚜렷한 차이점이다.

지난 40년간 해저열수광상의 성인적 특성을 규명하기 위해 수많은 광물ꞏ지구화학적 연구가 수행되었지만, 중앙해령 연구의 대부분은 대서양 및 태평양에 국한된 반면, 인도양 중앙해령(Central Indian Ridge, CIR)에 대한 보고는 상대적으로 제한적이다(Halbach et al., 1998; Escartín et al., 2008; Fouquet et al., 2010; Melekestseva et al., 2017; Grant et al., 2018; Choi et al., 2021. 2023b). 따라서, 대양 별 중앙해령 광화 특성의 전 지구적 상관성을 비교하고, 최종적으로는 자원 잠재성 관점에서 신뢰도 높은 성인적 정보 체계를 구축하기 위해서는 인도양 중앙해령 열수광상에 대한 탐사 수행과 함께 체계적인 연구가 지속적으로 필요하다.

한국해양과학기술원(Korea Institute of Ocean Science & Technology)에서는 지난 2009년부터 인도양 중앙해령(8°–18°S; ~700 km)을 대상으로 열수활동 추적을 위한 대양탐사를 수행하여 총 11개 지역에서 해저열수광상을 새롭게 발견하였다. 그 중 연구지역인 다음 열수분출대(Daum Vent Field, DVF)는 탐사지역 Segment 4(12°–13°30’S)에 위치하며, 2021년 실해역 탐사에서 캐나다 CSSF(Canadian Scientific Submersible Facility)사의 무인잠수정(ROPOS)을 운용하여 기반암, 열수 침니(hydrothermal chimney) 및 마운드(mound) 시료를 획득하였다. 이에, 본 연구에서는 DVF 열수시료들을 대상으로 현미경 관찰, 전암분석, 전자현미분석(Electron probe microanalysis, EPMA) 및 in situ 황 동위원소 분석을 실시하여 DVF 광상의 유형을 구분하고, 주요 황화광물의 지구화학 특성을 바탕으로 침니와 마운드의 광화 조건 비교 및 광상 형성에 기여한 주요 금속 공급원을 규명하고자 한다.

인도양 중앙해령은 칼스버그 해령(Carlsberg Ridge, CR)과 로드리게즈 삼중합점(Rodriguez Triple Junction, RTJ) 사이에 위치하며, 대서양 중앙해령과 유사한 지구조적 특징 및 확장속도(~33-45 mm/yr)를 보인다(Fig. 1A; Pak et al., 2017). 연구지역은 아르고 단열대(Argo fracture zone) 북부의 인도양 중앙해령 Segment 4에 위치하며, 이 지역에서는 마그마 공급의 제한성으로 지구조운동에 의한 확장(tectonic extension)이 우세하게 작용했음을 지시하는 해양핵복합체(ocean core complex, OCC)들이 다수 확인된다(Fig. 1B). Segment 4는 비변환 단층(Non-transform discontinuity, NTD) 4-1에 의해 각각 Segment 4-1과 4-2로 세분되며, OCC 4-1과 4-2 또한 지형학적으로 NTD 4-1과 연결된다. DVF(12°52.08’S, 66°17.66’E)는 OCC 4-2에서 남측으로 약 12 km 떨어진 심해 구릉(abyssal hill) 사면 부 수심 2010-2138m에 분포하며(Fig. 1B), 이곳에서 무인 잠수정 운용을 통해 열수분출대의 산상 조사 및 열수광체 샘플링을 수행하였다.

Figure 1. (A) Tectonic boundaries in the Indian Ocean. The yellow box indicates the location of the 4^th segment of the Central Indian Ridge (CIR). (B) Detailed bathymetric map of the 4th segment of the CIR. The location of the Daum vent field is marked by a red star. CR=Carlsberg Ridge; NTD=non-transform discontinuity; OCC=ocean core complex; RTJ=Rodriguez Triple Junction; SWIR=Southwest Indian Ridge.

무인 잠수정 운용 결과, 광범위하게 분포하는 현무암이 DVF 지역의 주요 기질을 구성한다(Fig. 2A). 침니의 대부분은 본연의 성장 구조체를 보존하지 못하고 붕괴되어 그 잔존물만이 마운드에서 드물게 확인되지만, 간헐적으로 높이 70cm 이하의 병합된 침니 군이 일부 마운드 정상에서 확인된다(Fig. 2B). 침니의 최 외측부는 철ꞏ망간 수산화물로 피복되어 있으며, 열수활동의 증거인 유체의 분출은 확인되지 않는다. 침니와 비교해 마운드의 최 외측부는 상대적으로 두꺼운 철ꞏ망간 수산화물로 피복되어 있으며, 피복 산화물의 대부분은 파쇄되어 마운드 사면에 중첩된 특징을 보인다(Fig. 2C, D). 일반적으로 개별 마운드는 직경 10m 이하의 규모로 분포하고, 이들은 서로 연장되어 북서-남동 방향의 대규모 광화대를 형성한다(Fig. 2C, D). 종합적으로 DVF 침니와 마운드의 분포 산상은 열수활동 쇠퇴기 이후 오랜 시간이 경과되었음을 시사한다.

Figure 2. Photographs of the Daum vent field. (A) Pillow lavas around hydrothermal vents. (B) Inactive chimneys coalesced into a cluster. (C and D) Hydrothermal mound covered by sediment layers.

3.1. X-선 회절분석

X-선 회절분석은 한국해양과학기술원에서 보유하고 있는 Panalytical X’Pert-PRO를 이용하였으며, 40kV/30mA 하에서 CuKα (1.54056Å)를 사용하여 2θ 5~65° 구간을 대상으로 측간 간격(step size) 0.02° 및 주사 속도(scan rate) 3°/min 조건으로 분석하였다.

3.2. 전암분석

열수광체의 주 원소 및 미량원소 분석은 캐나다 Activation Laboratories Ltd.에 의뢰하여 실시하였다. 분석대상 원소에 따라 중성자활성분석기(INAA), 유도결합플라즈마 분광분석기(ICP-OES) 및 유도결합플라즈마 질량분석기(ICP-MS)를 복합적으로 활용하였으며, Au-Ag Fire Assay, 8-Peroxide Assay 및 Multi-Method Analysis Ultratrace 7의 분석법이 적용되었다. 해당 원소들의 데이터 검증을 위해 다음과 같은 표준물질들이 사용되었다: MP-1b (Fe, Cu, Zn, Pb), OREAS 905 (Au), OREAS 96 (Ag, Se), OREAS 101b (Co), OREAS 904 (Mn), REE-1 (As) 및 ZW-C (Sb, Tl). 분석대상 원소 별 검출한계, 결과 및 표준물질들에 대한 분석값은 Table 1에 제시하였다.

Table 1

Bulk chemical compositions of chimney and mound samples collected from the Daum vent field.

Sample No.		Fe	Cu	Zn	Pb		Au	Ag	Co	Se	As	Sb	Mn	Tl
		Weight percent					Part per million
Detection limit		0.05	0.005	0.01	0.01		0.002	0.05	0.1	0.1	0.5	0.1	1	0.05
Reference materials	Measured value	8.26	3.10	16.6	2.07		0.40	10.3	45.0	43.6	133	4.50	457	37.1
	Certified value	8.19	3.07	16.7	2.09		0.39	11.5	47.0	40.7	124	4.20	410	34.0
Chimney
R2173_CH01-S1		41.2	0.06	5.95	0.06		6.60	52.9	0.7	3.9	72.5	9.6	283	42.8
R2173_CH01-S2		39.5	0.17	7.66	0.03		6.32	43.2	8.8	6.8	138	10.1	449	16.1
R2173_CH01-S3		39.0	0.18	8.47	0.04		5.14	62.7	7.2	6.3	81.2	11.9	768	24.1
R2173_CH03-S1		47.2	0.08	0.29	0.03		2.51	24.4	36.6	2.9	64.8	4.7	84	12.6
R2173_CH03-S2		46.8	0.08	0.27	0.02		1.92	13.9	513	7.2	147	3.6	115	6.8
Mound
R2173_CH02-S1		45.9	0.07	0.07	0.02		2.21	30.3	1020	18.2	123	2.5	30	5.3
R2173_CH02-S2		46.4	0.02	0.03	0.01		2.02	7.3	698	10.7	137	2.2	22	2.7
R2173_CH02-S3		45.9	0.02	0.12	0.01		1.81	19.6	872	< 0.1	139	3.1	27	5.4
R2173_CH02-S4		46.4	0.02	0.05	0.02		2.67	13.5	153	4.6	135	2.2	31	3.0

3.3. 황화광물 주 원소 분석

황화광물의 주 원소 정량분석은 경상국립대학교 첨단소재 분석지원센터에서 수행되었으며, WDS(Wavelength dispersive spectrometry)가 장착된 JEOL사의 JXA-8530F PLUS EPMA를 사용하였다. 가속전압 15 kV, 빔 전류 20 nA 및 빔 크기 5 µm을 적용하여 총 9개 원소들(S, Fe, Cu, Zn, Pb, Co, Ni, As, Sb)을 대상으로 분석하였으며, 피크 계산시간(peak counting time)과 배경 계산시간(background counting time)은 각각 10초와 5초가 적용되었다. 데이터 교정에는 다음의 표준물질들이 사용되었다: FeS₂ (for Fe and S), CuFeS₂ (Cu), ZnS (Zn), PbS (Pb), Sb₂S₃ (Sb), InAs (As) 및 금속(Co and Ni). 각각의 황화광물에 대한 분석결과는 Table 2에 제시하였다.

Table 2

Chemical composition of sulfides as determined by EPMA..

Minerals	Elements	S	Fe	Cu	Zn	Pb	Co	Ni	As	Sb	Total
		wt.%	wt.%	wt.%	wt.%	wt.%	wt.%	wt.%	wt.%	wt.%
Detection limit (average)		0.007	0.019	0.021	0.020	0.027	0.017	0.019	0.039	0.012
Chimney
Pyrite	Minimum	51.678	46.745	0.022	0.021	0.027	0.027	0.020	0.077	0.012	98.75
n=61	Maximum	53.420	48.063	0.231	0.711	0.152	0.362	0.037	0.077	0.036	101.42
	Median	52.851	47.399	0.047	0.096	0.037	0.065	0.028	0.077	0.015	100.44
Sphalerite	Minimum	32.688	2.011	0.025	58.558	0.005	0.018	0.026	bdl	0.013	98.55
n=41	Maximum	33.884	7.741	1.265	64.523	0.617	0.046	0.037	bdl	0.078	100.81
	Median	33.288	5.282	0.214	60.400	0.017	0.022	0.036	bdl	0.029	99.71
Mound
Pyrite	Minimum	51.547	45.838	0.023	0.023	0.029	0.031	0.019	0.068	0.012	98.84
n=61	Maximum	53.978	48.262	0.221	0.239	0.184	1.164	0.049	0.068	0.036	101.73
	Median	52.535	47.424	0.049	0.042	0.049	0.107	0.025	0.068	0.022	100.21
Sphalerite	Minimum	33.021	2.299	0.024	44.109	0.018	0.025	0.020	bdl	0.020	98.61
n=16	Maximum	35.220	18.979	2.251	63.950	0.205	0.169	0.022	bdl	0.056	100.82
	Median	33.238	7.156	0.107	58.938	0.043	0.063	0.021	bdl	0.035	99.35
Chalcopyrite	Minimum	34.395	31.655	32.971	0.021	bdl	0.056	bdl	bdl	bdl	99.82
n=3	Maximum	34.925	32.263	33.733	0.050	bdl	0.078	bdl	bdl	bdl	100.53
	Median	34.758	32.245	33.157	0.037	bdl	0.069	bdl	bdl	bdl	100.15
Reference material	RSD (%)	1.04	0.08	0.22	0.64	0.62	3.47	0.58	2.86	1.49

bdl=below detection limit; RSD=relative standard deviation.

3.4. 황철석 황 동위원소 분석

황철석 황 동위원소 분석은 중국의 Wuhan Sample Solution Analytical Technology Co. Ltd.에서 수행되었으며, Coherent사의 193 nm GeoLas HD excimer ArF 레이저 시스템을 장착한 Thermo Fisher Scientific사의 다중검출기 유도결합플라즈마 질량분석기(Neptune Plus MC-ICP-MS)를 사용하였다. 분석 조건은 레이저 빔 직경 44 μm, 펄스 주파수 2 Hz, 빔 세기 6 J/cm²이 적용되었으며, 황철석 PPP-1(Fu et al., 2016)을 표준물질로 사용하였다. 데이터 검증을 위해 자류철석 SP-Po-01 및 황철석 SP-Py-01 표준물질들을 미지시료로 설정하여 반복 분석을 실시하였으며, 오차범위는 각각 ± 0.08‰, ± 0.18‰ 이다. 분석결과는 Table 3에 제시하였다.

Table 3

Sulfur isotope value of pyrite analyzed by LA-MC-ICP-MS.

Sample	δ34S（‰）	Standard deviation (2σ)	Proportion of sulfur sources (%)*
			Seawater origin	Igneous origin
Chimney
SC-Py-01	8.70	0.10	40.6	59.4
SC-Py-02	9.49	0.09	44.4	55.6
SC-Py-03	8.62	0.10	40.2	59.8
SC-Py-04	8.31	0.12	38.7	61.3
SC-Py-05	10.52	0.18	49.4	50.6
SC-Py-06	10.25	0.12	48.1	51.9
Mound
SM-Py-01	9.86	0.08	46.2	53.8
SM-Py-02	9.58	0.08	44.8	55.2
SM-Py-03	9.92	0.10	46.5	53.5
SM-Py-04	9.42	0.09	44.1	55.9
SM-Py-05	8.36	0.09	38.9	61.1
Reference material
Sample	δ34S（‰）		Standard deviation (2σ)	Relative standard deviation (%)
	Certified value	Measured concentration (n=20, average)
PPP-1	5.30±0.2	5.30	0.08	1.43

*Calculated by the two-end member mixing model (Zeng et al., 2017).

무인 잠수정을 통해 실시간 송출되는 영상을 토대로 열수 분출공 주변 기반암을 포함하여 침니와 마운드 구조체가 비교적 명확히 구분되는 지역에서 광체 시료를 채취하였다(Fig. 3). 획득한 기반암 시료는 파쇄된 중앙해령 현무암(mid-ocean ridge basalt, MORB)으로 시료의 절단면을 통해 외측에서 내측부로 연장된 균열대가 확인된다(Fig. 3A). 광체의 경우 총 2점의 침니 시료(R2173-CH01, R2173-CH03)와 1점의 마운드 시료(R2173-CH02)가 획득되었다. 육안관찰 결과, DVF 침니는 일반적인 해저열수침니에서 관찰되는 외측부에서 내측부로 연속되는 광물의 누대 구조를 포함하지 않으며 주로 단일 광물(황철석)로 구성된다(Fig. 3B, C). 괴상(massive) 조직의 외측부와 달리 매우 다공성(porous) 조직 특성을 보이는 매질이 내측부를 구성하며, 최 내측부에서는 가형의 열수 분출구 흔적이 드물게 확인된다(Fig. 3B, C). 침니 시료에 대한 X-선 회절분석 결과, 황철석, 비정질 실리카 및 백철석의 회절 피크가 외측부에서 확인되는 반면, 내측부에서는 황철석 피크가 우세하게 나타난다(Fig. 4). 침니와 마찬가지로 마운드는 주로 단일 광물로 구성되지만, 내∙외측부 모두 치밀한 괴상 조직을 특징으로 한다(Fig. 3D).

Figure 3. Photographs of the collected basalt and hydrothermal precipitates. (A) Basalt recovered with hydrothermal samples. (B and C) Hydrothermal chimneys with a porous texture. (D) A massive mound sample showing Fe-rich mineralization.

Figure 4. X-ray diffraction data for the hydrothermal chimney from the Daum vent field. Mar=marcasite; Py=pyrite.

5.1. 전암조성

DVF 침니와 마운드 시료는 Cu(0.02–0.18 wt.%)와 Zn(0.03–8.47 wt.%)에 비해 Fe(39–47.2 wt.%)가 매우 부화된 특성을 보이며, Zn의 경우 마운드(평균 0.07 wt.%) 보다 침니(평균 4.53 wt.%)에서 높은 함량이 확인된다(Table 1). 다른 지역 중앙해령 광체들과 비교 시 주 원소의 (Cu+Zn)/Fe 구성비는 0.001–0.22 범위를 보여 현무암 시스템 광체들과 동일한 경향성을 보인다(Fig. 5A and Table 1). 미량원소의 경우 Co, Mn 및 Tl의 함량이 침니와 마운드에서 체계적인 변화를 보인다. Co는 침니(평균 113 ppm) 보다 마운드(평균 686 ppm)에서 높은 함량이 확인되는 반면, Mn과 Tl은 마운드(평균 27.5 ppm Mn, 4.1 ppm Tl)와 비교해 침니(평균 340 ppm Mn, 20.5 ppm Tl)에서 부화된다(Table 1). 또한, DVF에서 확인되는 Au와 Ag의 함량은 다른 지역 중앙해령 시스템들과 유사하지만, 상대적으로 마운드(평균 2.18 ppm Au, 17.7 ppm Ag)와 비교해 침니(평균 4.5 ppm Au, 39.4 ppm Ag)에서 높은 함량을 보인다(Table 1).

Figure 5. Bulk chemical compositions of hydrothermal chimney and mound in the Daum vent field. (A) Cu-Zn-Fe ternary diagram using average compositions. Log–log plots of (B) Co versus Zn, (C) Co versus Mn, and (D) Tl versus Mn. Data sources: other basaltic- and ultramafic-hosted systems=Fouquet et al. (2010); Wang et al. (2014).

주 원소와 미량원소의 거동 특성을 비교한 결과 Co는 Zn(R²_Co-Zn = 0.77) 및 Mn(R²_Co-Mn = 0.68)과 음의 상관관계를 보이는 반면(Fig. 5B, C), Mn과 Tl 사이에서 확인되는 서로 간의 양의 상관관계(R²_Tl-Mn = 0.76)는 이들 원소가 Co와 음의 상관관계에 있음을 나타낸다(Fig. 5D).

5.2. 공생관계

DVF 침니와 마운드를 구성하는 주요 황화광물들을 동정하고 이들의 공생관계 및 산출양상을 파악하기 위해 총 11개 연마편을 대상으로 현미경 관찰을 수행하였다(Fig. 6). 그 결과, DVF 침니와 마운드는 주로 황철석으로 구성되며, 미량의 섬아연석, 황동석 및 방연석을 수반한다(Figs. 6 and 7). 특징적으로 주 구성 광물인 황철석은 침니와 마운드에서 뚜렷하게 대비되는 성장 조직을 보인다. 침니의 경우 내∙외측부 모두에서 교질상(colloform) 또는 수지상(dendritic) 황철석의 우세한 산출과 함께 백철석 결정이 드물게 관찰되는 반면(Fig. 6A–D), 자형에서 반자형의 괴상 조직 황철석이 마운드를 주로 구성한다(Fig. 6E–H). 광화가 점차 진행되면서 침니 섬아연석은 황철석 결정 경계를 둘러싸며 침전하거나 황철석과 공침하는 반면(Fig. 6B, C), 마운드 섬아연석의 산출은 황철석 결정 내 포획물로 제한된다(Fig. 6G). 섬아연석은 마운드와 비교해 침니에서 높은 산출량을 보이며(Fig. 7), 이는 마운드 보다 상대적으로 Zn가 부화된 침니의 전암분석 결과와 일치한다(Fig. 5A, B; Table 1). 황동석은 침니와 마운드 모두에서 미량만 확인되지만, 시료 타입에 따라 뚜렷하게 구분되는 산출 특성을 보인다. 침니 황동석은 섬아연석과 공생관계를 보이며 병변(chalcopyrite disease) 형태의 산출을 특징으로 하는 반면(Fig. 6C), 마운드 황동석은 황철석 결정 공극을 충진하거나 드물게는 개별 결정으로 산출한다(Fig. 6G). DVF에서 방연석의 산출은 마운드 시료로 제한되며(Fig. 7), 괴상의 황철석 결정 공극을 충진하거나 황철석과 공침한다(Fig. 6H). DVF의 주 광화 시기 이후에는 비정질 실리카가 기 정출한 황화광물들을 둘러싸며 정출하고(Figs. 6E, G and 7), 해수와 직접 접촉하는 시료의 최 외측부에서는 철 수산화물로 변이된 황철석들이 다수 확인된다(Fig. 6D).

Figure 6. Photomicrographs and backscattered-electron (BSE) image of dominant sulfides in the Daum vent field. Chimney: (A and B) Colloform pyrite in the chimney exterior. (B) Sphalerite surrounding dendritic and/or colloform pyrite. (C) Co-precipitation of sphalerite, chalcopyrite, and pyrite/marcasite. (D) Colloform pyrite transformed to Fe-oxyhydroxides. Mound: (E and F) Sub- to euhedral crystals of pyrite. (G) Sphalerite and chalcopyrite infill some cavities of pyrite. (H) Trace amounts of galena inclusions in pyrite. Ams=amorphous silica; Cp=chalcopyrite; Fe-ox=Fe-oxyhydroxides; Gn=galena; Mar=marcasite; Py=pyrite; Sp=sphalerite.

Figure 7. Paragenesis of hydrothermal chimney and mound in the Daum vent field.

5.3. 황화광물 지구화학

주요 황화광물에 대한 전자현미분석 결과는 Table 2에 제시하였다. 황철석에 대한 분석 원소들의 함량은 대부분 EPMA 검출한계 값 이하이거나 이에 근접하지만, Co의 경우 상대적으로 높은 함량과 함께 침니와 마운드에서 뚜렷한 거동 특성 차이를 보인다. 교질상/수지상 산출을 특징으로 하는 침니 황철석(0.027–0.362 wt.%)과 비교해 괴상으로 산출되는 마운드 황철석(0.031–1.164 wt.%)에서 Co가 부화되며(Table 2), 상대적으로 고함량의 Co는 Fe 함량의 감소에 따라 증가하는 경향을 보인다(Fig. 8A).

Figure 8. Chemical compositions of pyrite (A) and sphalerite (B and C) in the Daum vent field. Data sources: other basaltic- and ultramafic-hosted systems= Keith et al. (2014); Kawasumi and Chiba (2017); Choi et al. (2021, 2023b).

시료 타입 별 Co의 거동 특성은 섬아연석 분석결과에서도 동일하게 확인되며, Co는 침니 섬아연석(0.018–0.046 wt.%) 보다 마운드 섬아연석(0.025–0.169 wt.%)에서 부화된다(Table 2). 하지만, 황철석에서 확인되는 결과와 반대로 상대적으로 고함량의 섬아연석 Co는 Fe 함량이 증가함에 따라 함께 증가하는 경향을 보인다(Fig. 8B). 이는 침니 섬아연석과 비교해 Co가 부화된 마운드 섬아연석이 상대적으로 높은 FeS 함량을 보이는 결과와 일치한다(Figs. 7 and 8C). 특히, 다른 지역 중앙해령 시스템 섬아연석들의 비교연구 결과, FeS 함량의 분포는 초염기성암 시스템과 현무암 시스템에서 뚜렷한 차이를 보인다(Fig. 8C). 상대적으로 높은 FeS 함량은 초염기성암 시스템에 집중되는 반면, 현무암 시스템의 경우 대부분 20 mole% FeS 이하 값을 특징으로 한다. DVF 섬아연석의 FeS 함량 대부분은 다른 현무암 시스템들과 유사한 범위를 갖지만, 일부 마운드 섬아연석에서 30 mole% 이상의 매우 높은 FeS 함량과 함께 상대적으로 Cu(1.95–2.25 wt.%)가 부화된 특징이 확인된다(Table 2).

침니에서 황동석은 섬아연석 결정 내 병변으로만 산출되기 때문에 EPMA 분석은 마운드 황동석을 대상으로 수행되었다. 분석대상 미량 원소들은 대부분 검출한계 값 이하를 보이며 미량의 Zn(0.021–0.05 wt.%)와 Co(0.056–0.078 wt.%) 함량만이 검출된다(Table 2).

5.4. 황 동위원소 조성

주 구성 광물인 황철석에서 확인되는 시료 타입 별 성장 조직 차이를 고려하여 in situ 황 동위원소 분석을 실시하였다. 그 결과, 침니와 마운드 황철석의 δ³⁴S 값은 성장 조직 특성과는 무관하게 +8.31‰에서 +10.52‰의 비교적 좁은 범위를 보인다(Table 3). 측정된 δ³⁴S 값 범위는 MORB의 황 동위원소 조성(+0.3‰; Sakai et al., 1984)과 해수의 황 동위원소 조성(+21‰; Rees et al.,1978) 사이에 포함된다(Fig. 9). 다양한 지구조환경에서 획득된 해저열수광체들의 황 동위원소 조성을 비교한 결과, DVF 황 동위원소 조성은 다른 중앙해령 시스템들과 마찬가지로 화산호/배호 시스템들(δ³⁴S <0 ‰)에 비해 상대적으로 높은 범위 값을 보인다(Fig. 9).

Figure 9. Sulfur isotope compositions of pyrite in the Daum vent field. Data sources: δ³⁴S values of other seafloor hydrothermal systems=Zeng et al. (2017) and references therein.

6.1. 유형별 중앙해령 시스템 광물ꞏ지구화학적 상관성 비교

DVF 침니와 마운드는 철-우세형 광화 작용을 특징으로 하며, 주로 황철석±섬아연석±황동석 광물조합으로 구성된다(Figs. 6 and 7). 이는 초염기성암 시스템에서 우세하게 산출되는 환원성 광물조합(자류철석+큐바나이트)과 뚜렷하게 대비된다(Fouquet et al., 2010). Cu-Fe-S 시스템에서 Fe의 거동은 관련 유체의 ƒO₂ 변화에 의해 규제되기 때문에 상대적으로 낮은 ƒO₂ 조건의 광화 작용은 황동석 대비 Fe가 부화된 큐바나이트 정출에 유리하며, 이들은 일반적으로 자류철석과의 공생관계를 특징으로 한다(Kojima and Sugaki, 1985; Fouquet et al., 2010; Wang et al., 2014; Choi et al., 2021; 2023b). 따라서, 열수 유체의 산화ꞏ환원 조건을 조절하는 주요 인자가 H₂임을 고려하면(Kawasumi et al., 2017), 순환 유체와 반응하는 주요 기질의 조성 차이에 따른 환원성 가스(H₂)의 공급량 변화는 유형별 중앙해령 시스템에서 확인되는 서로 다른 광물조합의 주된 요인이다. 특히, 유체-현무암 상호작용과 비교해 초염기성암의 사문화 작용은 2가 Fe의 산화로 H₂ 생성에 있어 유리하기 때문에(Nakamura et al., 2009), DVF 지역에서 광범위한 분포를 보이는 현무암은 열수계를 구성한 주요 기질로서 H₂ 생성에 있어 불리한 환경을 제공했음을 시사한다(Figs. 2A and 3A).

유형별 중앙해령 시스템에서 섬아연석의 철 함량(FeS mole%) 변화는 시스템 별 유체의 H₂ 함량 차이를 반영하는 또 다른 증거이다. 섬아연석의 철 함량 변화는 온도, pH, ƒS₂ 및 ƒO₂의 복합적인 영향을 받지만(Scott and Barnes, 1971; Scott, 1983), 최근 연구들은 열수 유체의 샘플링을 통해 섬아연석의 Fe/Zn 값 변화가 유체의 온도 및 H₂ 함량에 따른 산화ꞏ환원 조건을 반영할 수 있음을 보고하였다(Keith et al., 2014; Kawasumi and Chiba, 2017). 즉, 상대적으로 고온의 환원성 유체로부터 침전된 섬아연석은 높은 Fe/Zn 값을 특징으로 하며, 이러한 Fe/Zn와 유체 조성과의 상관성은 광상 성인을 해석하기 위한 주요 지표들 중 하나로 많은 연구에서 활용되었다(Wohlgemuth-Ueberwasser et al., 2015; Falkenberg et al., 2021; Zhao et al., 2022; Choi et al., 2023a). Figure 8C는 유형별 중앙해령 시스템에서 섬아연석 FeS 함량의 체계적인 변화 양상을 보여주며, 상대적으로 높은 값(약>20 mole% FeS)은 초염기성암 시스템에 집중된다. DVF 섬아연석의 FeS 함량(1.28–32.2 mole%)은 대부분 다른 현무암 시스템들과 유사한 범위를 보이지만, 일부 마운드 섬아연석에서 현무암 시스템 범위를 벗어나는 30 mole% 이상의 높은 값이 확인된다(Fig. 7). 예외 값을 보이는 섬아연석은 다른 섬아연석들과 비교 시 상대적으로 높은 Cu 함량(1.95–2.25 wt.%)을 특징으로 한다(Table 2). 일반적으로 섬아연석 격자에 포함될 수 있는 Cu의 한계치(일반적으로 <2 wt.%)를 고려하면(Kojima and Sugaki, 1985; Keith et al., 2014), 일부 DVF 마운드 섬아연석에서 확인되는 Fe과 Cu의 이상 부화는 경하에서 확인되지 않은 um 이하의 황동석 포유물의 영향으로 판단된다(Fig. 7 and Table 2). 따라서, 30 mole% 이상의 예외 값들은 해당 섬아연석의 고유한 FeS 함량을 대변하기 어려우며, 이들을 제외한 DVF 섬아연석의 FeS 함량 범위는 주요 광물조합 특성과 마찬가지로 현무암 시스템에 의해 규제된 광화 작용을 지시한다.

다양한 지구조 환경에 배태되는 해저열수광상은 주 원소 함량비에 따라 지역적 성인 특성이 구분된다(Fouquet et al., 1993, 2010; Hannington et al., 2005). 중앙해령 열수광상의 경우 시스템 유형에 따라 (Cu+Zn)/Fe 구성비가 뚜렷한 차이를 보이며, 일반적으로 초염기성암 시스템과 비교해 현무암 시스템은 상대적으로 낮은 (Cu+Zn)/Fe 값을 특징으로 한다(Fig. 5A; Fouquet et al., 2010). DVF의 (Cu+Zn)/Fe 구성비는 0.001–0.22 범위로 다른 초염기성암 시스템들과 확연하게 구분되며, 현무암 시스템의 영향을 시사한다(Fig. 5A and Table 1). 하지만, 유형별 시스템에서 (Cu+Zn)/Fe 구성비 특성은 관련 기반암의 조성 차이로 설명할 수 없다. 그 이유는 Cu와 Zn는 초염기성암(Cu, 15 ppm; Zn, 60 ppm) 보다 현무암(Cu, 77 ppm; Zn, 74 ppm)에서 부화되기 때문이다(Anderson, 1989). 이와 관련하여, 유형별 중앙해령 시스템에서 관련 기질의 투과성 차이는 해당 광상의 금속함량 뿐만 아니라 광물학적 특성을 결정하는 주요 요인들 중 하나일 것으로 판단된다. 현무암과 비교해 초염기성암은 사문화 작용을 통해 약 20–40%의 부피 증가를 수반하기 때문에(Hannington et al., 2005; Klein and Le Roux, 2020), 순환 유체의 통로 역할을 할 수 있는 새로운 균열대를 형성함으로써 열원 반응대에서 공급된 고온 유체의 광범위한 분출(즉, 구리-우세형 광화 작용)에 유리한 환경을 제공할 것으로 기대된다. 하지만, 시스템 별 (Cu+Zn)/Fe 구성비 특성을 명확히 규명하기 위해서는 추후 다양한 지역을 대상으로 기반암/광체 시료의 확보 및 광물ꞏ지구화학적 연구에 의한 추가적인 해석이 필수적이다.

결론적으로, 본 연구에서 확인되는 현무암의 주요 기질 구성, 환원성 광물조합의 결핍 및 시스템 유형에 따른 섬아연석 FeS 함량과 (Cu+Zn)/Fe 전암 구성비의 상관성은 열수계의 전 순환(유입대–열원 반응대–상승대–분출대) 과정 동안 유체-초염기성암 상호작용의 영향을 거의 받지 않은 현무암 시스템 유체에 의해 DVF가 형성되었음을 나타낸다.

6.2. 미량원소(Co, Fe, Mn 및 Tl) 거동 특성

열수 광체를 구성하는 미량원소의 용해도 특성과 관련 유체의 물리ꞏ화학적 조성 변화의 상관성은 광상 형성에 기여한 유체의 진화과정, 광화 조건, 침전 메커니즘 등 성인해석 연구에 필요한 유용한 정보를 제공한다(Maslennikov et al., 2009; Wohlgemuth-Ueberwasser et al., 2015; Grant et al., 2018; Choi et al., 2021; Falkenberg et al., 2021; Meng et al., 2020). EPMA 분석결과, DVF 황화광물의 가장 주목할 특징은 침니와 비교해 마운드에서 부화를 보이는 Co의 거동이다(Fig. 8A, B and Table 2). 열수 유체에서 용존 Co의 용해도는 고온 조건(약 350 °C)에서 급격하게 감소하기 때문에 상대적으로 고온의 유체로부터 침전된 광물은 Co의 부화를 특징으로 한다(Metz and Trefry, 2020). 실제 다양한 광상들을 대상으로 수행된 연구 결과들도 Co가 부화된 광물들이 고온의 환원성 광화 작용과 밀접하게 관련되어 있음을 잘 보여준다(Maslennikov et al., 2017; Grant et al., 2018; Meng et al., 2020; Choi et al., 2023b). 따라서, 상대적으로 Co의 부화가 확인되는 마운드 황철석과 섬아연석은 고온의 환원성 광화 작용이 침니와 비교해 마운드에서 우세하게 진행되었음을 시사한다(Fig. 8A, B). 시료 타입 별 광화 특성 차이는 현미경 관찰에서 확인된 황철석의 산출 조직 특성에 의해 더욱 뒷받침된다(Fig. 6). 구체적으로, 침니 황철석의 산출은 비평형 상태에서 급격한 침전 과정을 반영하는 교질상 또는 수지상 성장 조직이 주를 이루는 반면(Fig. 6A–D; Berkenbosch et al., 2012; Wohlgemuth-Ueberwasser et al., 2015), 마운드 황철석의 산출은 평형 상태에서 안정된 침전 과정의 결과를 반영하는 괴상 조직이 우세하다(Fig. 6E–H; Choi et al., 2021). 이러한 차이는 침니 형성 시 관련 유체의 조성변화가 급격하게 진행되었음을 반영하며, 주변 해수의 유입은 이를 설명하기에 충분하다. 즉, 집중적인 해수 혼입에 의한 유체의 온도 감소 및 ƒO₂ 증가는 Co가 결핍된 교질상/수지상 침니 황철석의 급격한 침전을 촉진시켰음을 나타낸다. 침니 시료에서 관찰되는 서로 다른 광물들(황철석, 섬아연석 및 황동석)의 불규칙한 공침 역시 해수 혼입에 규제된 비평형 상태의 급격한 광화 작용으로 설명될 수 있다(Fig. 6C; Berkenbosch et al., 2012; Choi et al., 2023a). 침니와 마운드 시료에서 확인되는 광화 조건 차이는 섬아연석 EPMA 결과에도 뚜렷하게 반영된다. 섬아연석 Co와 Fe 함량은 서로 양의 상관관계를 보이며, 침니와 비교해 마운드에서 부화를 보인다(Fig. 8B). 특히, 섬아연석 격자로의 Fe 치환은 상대적으로 고온의 낮은 ƒO₂ 조건에서 촉진됨을 고려하면(Keith et al., 2014; Kawasumi and Chiba, 2017), 마운드에서 우세하게 산출되는 Fe-부화 섬아연석은 마운드 광화 작용이 상대적으로 고온의 환원성 유체에 의해 규제되었음을 지시한다(Figs. 7 and 8B).

DVF 침니와 마운드는 주로 단일광물로 구성된 광물학적 특성을 보이기 때문에 전암 조성에서 확인되는 미량원소의 거동 차이는 시료 타입 별 광화 조건 차이를 추적할 수 있는 또 다른 효과적인 방법이다(Figs. 5 and 6). 전암분석 결과, Co, Mn 및 Tl의 거동 특성은 침니와 마운드에서 뚜렷한 차이를 보인다(Fig. 5B–D). 침니와 비교해 마운드에서 확인되는 Co의 부화는 EPMA 결과와 일치하는 반면(Fig. 5B, C), Mn과 Tl은 서로 강한 양의 상관관계와 함께 침니 시료에 더욱 농집된다(Fig. 5C, D). Co와 반대로 유체 내 용존 Mn과 Tl의 용해도는 온도가 상승함에 따라 함께 증가하기 때문에 이들 원소의 부화는 상대적으로 저온의 광화 작용(<200 °C)을 반영한다(Maslennikov et al., 2009; Meng et al., 2020). 따라서, Mn과 Tl의 부화를 특징으로 하는 침니의 형성은 마운드의 형성과 비교해 상대적으로 저온의 광화 조건에서 진행되었음을 나타내며, 이는 EPMA 결과로부터 도출한 시료 타입 별 광화 조건 차이와 일치한다.

본 연구에서 확인되는 미량원소의 거동 특성을 종합적으로 고려하면, DVF 열수 유체의 조성 변화는 해수 혼입에 의해 주로 조절되었으며, 특히 마운드에서의 제한된 해수 유입은 고온의 환원성 유체의 지속성을 증가시킴으로써 Co 부화 및 Mn, Tl 결핍을 특징으로 하는 황화광물의 정출을 야기한 것으로 판단된다. 이와 관련하여, 치밀한 괴상 조직으로 구성된 마운드 시료와 매우 다공성 조직으로 구성된 침니 시료의 매질 특성 차이는 유체와 해수의 혼입 정도를 제어하는데 있어 가장 중요한 역할을 했을 것으로 사료되며(Fig. 2B–D), 특히 마운드와 비교해 침니에서 상대적으로 부화되는 Au과 Ag의 전암 조성은 경하에서 확인되지 않은 비가시성 엘렉트럼(invisible electrum)의 침전이 해수 혼입에 의해 촉진되었을 가능성을 시사한다(Table 1).

6.3. 황철석 황 동위원소 조성: 주요 금속 공급원

해저열수광화작용에 있어 금속 공급원(물-암석 상호작용과 마그마 영향)의 상대적 기여도는 성인해석을 위한 주요 쟁점들 중 하나이며(Hannington et al., 2005; Choi, 2022), 황 동위원소 분석은 광상 형성에 기여한 황과 금속의 주요 공급원을 추적하는 효과적인 방법이다(Yeats et al., 2014; Meng et al., 2020; Zhao et al., 2022; Choi et al., 2023a). DVF 황철석에 대한 in situ 황동위원소 분석 결과 침니와 마운드 시료에 상관없이 δ³⁴S 값은 +8.31‰에서 +10.52‰의 비교적 좁은 범위를 보인다(Table 3). 특히, 이러한 δ³⁴S 값 범위는 MORB(δ³⁴S = +0.3‰; Sakai et al., 1984)와 해수(δ³⁴S = +21‰; Rees et al.,1978)의 황 동위원소 조성 범위 사이에 포함되어 화성기원 황과 해수기원 황의 혼합 기여를 반영한다(Fig. 9). 각 기원에 대한 기여도를 비교하기 위해 아래의 단성분(MORB와 해수) 혼합모델을 활용하여 해수기원 황의 기여도를 계산하였다(Zeng et al., 2017).

X는 해수기원 황의 기여도이며, δ³⁴S_mix, δ³⁴S_seawater 및 δ³⁴S_basalt는 각각 황철석, 해수(21‰) 및 현무암(0.3‰)의 황 동위원소 조성을 의미한다. 계산 결과, DVF 황철석에서 해수기원 황의 기여도는 38.7–49.4%이다(Table 3). 특히, 마그마 유체의 영향을 강하게 받은 열수계는 SO₂의 불균화 반응으로 상대적으로 가벼운 황의 부화(δ³⁴S <0‰)를 특징으로 하는 황화광물을 형성시키기 때문에(Ohmoto and Lasaga, 1982; Yeats et al., 2014) 황철석에서 확인되는 δ³⁴S 값 범위(+8.31‰에서 +10.52‰)와 단성분 혼합모델로 계산된 결과는 DVF 광화 작용에 있어 주된 황의 공급은 화성기원 기반암(50.6–61.3%)과 관련된 반면, 상대적으로 작은 비율의 해수기원 황이 유체-해수 혼입 과정을 통해 DVF 황철석에 포함되었음을 나타낸다(Table 3). 다시 말해, DVF 형성에 필요한 황과 주요 금속은 열수 순환 동안 발생한 물-암석 상호작용에 의해 공급되었음을 지시한다.

다양한 지구조 환경 열수시스템들의 비교 연구 결과, 물-암석 상호작용의 중요성은 다른 지역 중앙해령 시스템에서도 동일하게 확인된다(Fig. 9). 즉, 일반적으로 중앙해령 시스템의 황 동위원소 조성은 시스템 유형(초염기성암 또는 현무암 시스템)에 상관없이 MORB와 해수의 황 동위원소 조성 범위 사이에 포함된다. 이는 마그마성 휘발 물질의 기여(δ³⁴S <0‰)를 강하게 반영하는 화산호 또는 배호 환경에 배태되는 열수시스템들과 확연한 차이를 보인다(Fig. 8; Yeats et al., 2014; Zeng et al., 2017; Choi et al., 2023a). 이러한 결과들은 유형별 중앙해령 시스템에서 확인되는 광물ꞏ지구화학적 특성 차이가 열수계의 주요 기질 조성과 밀접하게 관련된 물-암석 상호작용에 의해 주로 규제됨을 시사한다.

다음 열수분출대(Daum Vent Field, DVF)는 인도양 중앙해령 내 한국 탐사 지역에서 최근 새롭게 발견되었다. 유형별 중앙해령 시스템과의 상관성 비교 결과, 획득한 침니와 마운드 시료에서 확인되는 환원성 광물 조합의 결핍(황철석±섬아연석±황동석) 및 상대적으로 낮은 섬아연석 FeS 함량(대부분 <20 mole%)과 (Cu+Zn)/Fe 전암 구성비(0.001–0.22)는 DVF가 현무암 시스템의 영향을 강하게 받은 해저열수광상임을 지시한다.

주요 황화광물에 대한 전자현미 분석 비교 결과, 마운드에 비해 침니에서 확인되는 황철석과 섬아연석의 Co 및 Fe의 결핍은 마운드의 형성이 상대적으로 고온의 환원성 유체에 의해 규제되었음을 나타낸다. 이는 마운드 황철석과 비교 시 침니 황철석이 해수 혼입의 영향을 반영하는 교질상/수지상 산출 조직 및 저온 의존성 원소(Mn과 Tl)의 부화를 특징으로 하는 사실과 일치한다.

황철석에 대한 in situ 황 동위원소 분석 결과(δ³⁴S = +8.31‰에서 +10.52‰)는 광화 작용에 있어 해수 기원 황(38.7–49.4%)과 화성 기원 황(50.6–61.3%)의 복합적 기여를 나타내며, DVF 형성에 있어 금속과 황의 주요 공급원이 물-암석 상호작용임을 지시한다. 특히, 다양한 지구조에 배태된 열수 시스템과의 비교 연구는 유형별 중앙해령 시스템에서 확인되는 광물ꞏ지구화학적 특성 차이에 있어 기반암 조성과 관련된 물-암석 상호작용의 중요성을 시사한다.

이 논문은 2023년도 해양수산부 재원으로 해양수산과학기술진흥원의 지원(연구개발과제번호 20210634, 인도양 중앙해령 해저열수광상 개발유망광구 선정) 및 한국해양과학기술원기본사업(과제번호 PEA 0124, 인도양 중앙해령 무기가스/열수분출물 특성 연구 및 자원화 가능성 평가)의 지원을 받아 수행되었습니다. 본 논문의 발전을 위해 유익한 고견을 주신 박정우 교수님과 익명의 심사위원분께 감사드립니다.