서 론
변질 지수
AI (Alteration Index)
CCPI (Chlorite-Carbonate-Pyrite Index)
연구대상 지역
암석상태 시료의 화학 조성 분석
분말상태 시료의 변질지수 분석
휴대용 XRF를 이용한 암석상태 시료의 변질지수 분석
결 론
서 론
대한민국의 2013년도 경상가격기준 금속 광물의 수입의존도는 99.5%, 비금속 광물의 수입의존도는 27.4%, 전체 광산물의 수입의존도는 92.0%이다(Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, 2014). 이처럼 광산물의 수입의존도가 높은 상황에서 해외 자원개발 뿐 아니라 국내 자원개발 역시 매우 중요해지고 있으며, 우리나라 최대의 광화대인 태백산 광화대에 대한 지속적인 연구와 탐사 또한 강조되고 있다(Sung et al., 2007). 이미 많은 탐사와 개발이 이루어진 태백산 광화대를 대상으로 경제적인 광상탐사를 수행하기 위해서는 광상 주변에 상대적으로 넓게 분포하고 있는 변질대를 규명하는 것이 중요하다(Murakami and Nakano, 1999). 열수 변질된 암석이 반드시 광석을 포함하고 있는 것은 아니지만 강한 변질을 받은 지역은 대체로 광체를 찾기 위한 좋은 지시자가 될 수 있다(Gemmell, 2007). 모암 및 열수의 물리화학적 특성, 지질구조 등 지역적 특이성에 따라 변질대의 형태가 상이하기 때문에 태백산 광화대에 적합한 변질대 분류방법을 적용할 필요가 있다(Park et al., 2005).
광상 탐사를 위해 열수에 의한 변질대를 파악하려는 연구는 국내외에서 일부 수행된 바 있다. 호주 연방과학원(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organ-isation, 2001)은 위성영상을 이용한 원격탐사 기법을 활용하여 변질대를 파악함으로써 스카른 반암형 광상 탐사를 수행하였다. Beane과 Bodnar (1995)는 유체 포유물에 대한 분석을 통해 열수 변질과 반암형 동광상의 연관성 및 공간적 분포를 분석하고 이를 광상 탐사에 적용하였다. Gemmel (2007)은 인도네시아 천열수 금은 광상 탐사를 위해서 XRF (X-Ray Fluorescence Spectrometry)와 ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer) 성분분석 결과를 이용하여 대상지역의 변질지수 분포를 분석하였다. Fisher 등(2013)은 호주의 우라늄 광상 탐사를 위해서 희토류 원소의 거동 및 이와 관련된 변질을 화학적으로 분석하고 3차원 가시화하였다. Murakami와 Nakano (1999)는 스카른 연아연 광상 탐사를 위해서 동위원소 분석, 화학성분 분석, 발광성 분석 등을 통한 석회암의 열수변질을 연구하였다. 국내에서는 Noh와 Oh (2005)는 풍촌층 석회암을 대상으로 열수변질에 의한 고품위 석회암의 생성에 관한 연구를 수행하였고 스카른 광화작용과의 연계성을 제안하였다. Son 등(2012)은 ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) 위성영상 자료를 이용하여 몽골 톨고이 반암형 구리-금 광상지역의 분광학적 특성을 분석하고 열수변질도를 작성하였다.
그러나 태백산 광화대에 대한 기존 연구에서는 암석 시료에 대한 정량적 분석은 일부 이루어져왔으나(Noh and Oh, 2005; Moon et al., 2015) 이를 활용하여 변질정도를 정량적으로 평가하고 분류한 사례는 상대적으로 부족하였다. 본 연구에서는 강원도 영월군 내 석회석광산의 시추코어를 대상으로 암석 샘플링 및 XRF, ICP-AES를 이용한 함량 분석을 수행하였으며 변질지수를 적용하여 석회질 모암과 변질대의 관계 및 분포를 분석하였다. 분석대상 지역을 포함하는 태백산 광화대에는 풍촌층 석회암을 모암으로 하는 스카른 광상들이 위치하는 것으로 알려져 있다(Noh and Oh, 2005). 따라서 대상지역의 암석시추 시료를 분석함으로써 열수에 의해 형성된 고품위 석회암과 스카른 및 유용광물의 형성에 대한 관계성을 확인할 수 있을 것이다. 또한 본 연구를 통해 변질 정도를 정량화하는데 있어 휴대용 XRF의 적용성(Guselle et al., 2012; Sack and Lewis, 2013)을 확인하고, 향후 다수의 시추 자료 분석을 통한 변질대 분류에 유용하게 활용될 수 있음을 확인하고자 한다.
변질 지수
열수광상이 형성될 때에는 열수용액과 모암과의 접촉 과정에서 모암의 특정물질이 열수용액 내의 물질과 교환되면서 특정물질의 부화 또는 고갈이 일어난다(Esmaeily et al., 2012). 이 때 열수와 반응한 모암은 변질을 받아 광물조성이 변하게 되며 변질이 일어난 흔적은 광체까지 이어져 있다. 이러한 흔적은 광범위한 변질대 형태로 나타나기 때문에 변질대를 규명하는 과정은 광상탐사에 있어 매우 중요하다(Eilu and Mikucki, 1998). 모암이 변질될 때에는 K2O, Na2O, CaO, MgO 등의 성분이 부화되거나 고갈되는 현상이 발생하기 때문에 이러한 성분 함량의 변화를 정량화 한 것을 변질지수라고 하며, 여러 연구자들에 의해 Table 1과 같은 변질지수들이 제시되었다. 이러한 변질지수들은 다양한 유형의 광상들에 대해 적용되고 제안되었으며 다른 종류의 변질대에 대한 적용성을 규명하는 연구 또한 수행되었다(Yoon et al., 2007). 본 연구에서는 석회암을 모암으로 하는 지역의 시추코어를 대상으로 Alteration Index, Chlorite-Carbonate-Pyrite Index를 적용하였다.
AI (Alteration Index)
AI는 견운모화와 녹니석화를 정량화한 변질지수로 Ishikawa 등(1976)에 의해 처음 제시되었다. AI는 사장석에 포함된 Na 성분이 견운모의 K 성분 및 녹니석의 Fe, Mg로 치환되는 반응을 반영하였다. AI를 산정하는 식은 식 (1)과 같으며 고갈되는 성분을 분모에 놓고 부화되는 성분을 분자와 분모에 위치시켜 변질의 치환반응을 반영하였다. 그러나 탄산염변질을 설명하지 못하며 견운모화와 녹니석화를 구분하지 못한다는 한계가 있다(Large et al., 2001).
(1)
CCPI (Chlorite-Carbonate-Pyrite Index)
CCPI는 모암의 장석 또는 견운모 등이 Mg 또는 Fe 성분으로 교환되면서 MgO, FeO 부화가 일어나고 Na2O와 K2O 성분이 고갈되는 Mg-Fe 녹니석화를 반영한 변질지수이다. 이러한 함량 변화를 고려하여 식 (2)와 같은 CCPI 변질지수가 제시되었다(Large et al., 2001). 여기서 FeO는 전체 산화철 성분의 함량을 의미한다. CCPI는 녹니석화 뿐만 아니라 Mg-Fe 탄산염 변질과 황철석 및 적철석의 부화를 반영할 수 있다. 그러나 암석의 성분 변화에 따라 값의 변동이 크다는 한계점이 있다.
(2)
각 변질지수는 한계점이 있고 하나의 변질지수만 적용해서는 변질의 유형을 분류하기 어렵기 때문에 본 연구에서는 AI와 CCPI를 각각 x축과 y축으로 하는 Alteration Box Plot을 적용하였다. Alteration Box Plot은 하나의 값으로 변질정도를 정량화하지는 않지만 AI와 CCPI를 함께 고려하여 AI와 CCPI의 단점을 보완하고자 제안되었다(Large et al., 2001).
연구대상 지역
태백산 광화대 지역은 고생대 탄산염암을 모암으로 하여 대규모의 광상이 배태되는 경향이 있으며 다수의 금속 광산 및 비금속 광산들이 위치하고 있다(Fig. 1) (Choi and Park, 2007). 풍촌층 석회암의 열수변질 양상은 태백-삼척 간을 제외한 대부분의 풍촌층 분포지역에서 나타나는데 그 결과 고품위 석회석이 생성되고 특징적인 함석회규산염 광물(스카른 광물)들과 금속 산화-황화광물들이 산출된다(Noh and Oh, 2005). 비교적 균질한 석회암 대에서는 방해석의 재결정과 Ca 부화를 수반하는 열수변질 작용이 나타나며 불균질한 석회암이나 백운암 부분에서는 광화용액의 성격에 따라 다양한 석회규산염 광물 집합체로 이루어진 스카른이 형성되는 경향을 발견하였다(Noh and Oh, 2005). 대상 지역 일대는 고생대 초기의 조선누층군 탄산염 지대에 속하고 인근 지역에는 중생대 화강암 및 화강반암체와 수 cm에서 1 m 두께의 산성, 염기성 암맥이 분포하고 있다(Lee et al., 2003). 또한 이 지역 인근에는 대규모 스카른 광상인 신예미 스카른 철광상이 풍촌층 상부의 막골층에 존재한다. Lee 등(2003)은 풍촌층 석회석 광화대가 조선누층군 석회암층에 금속(Pb, Zn, W) 광상을 형성시킨 스카른 광화대의 외곽 지역일 것으로 추정하였다. 본 연구에서는 강원도 영월군 내 풍촌층 석회석광산의 5개 시추공(A, B, C, D, E로 표기)에 대한 시추코어를 대상으로 시료채취를 수행하였다.
암석상태 시료의 화학 조성 분석
5개 시추공 A, B, C, D, E에 대하여 1 m 간격으로 총 89개의 샘플링을 수행하였다. 대상지역은 고품위 석회석이 생산되는 지역이기 때문에 코어 샘플의 대부분은 모암으로서의 석회암과 열수변질을 받은 고품위 석회암, 대리암으로 이루어졌으며 관입암으로 추정되는 화강암과 변질을 받은 암석, 백운암 등도 분포하고 있다. 본 연구에서는 다수의 자료 확보를 위해 암석상태의 샘플을 휴대용 XRF인 BRUKER S1 TITAN을 이용하여 측정하였으며, 이 중 변질을 받은 것으로 판단되는 암석 위주로 25개의 시료는 200 mesh 크기의 분말형태로 가공하여 한국지질자원연구원의 XRF 기기 RIGAKU NEX CG(이하 고정밀 XRF)와 서울대학교 기초과학공동기기원의 ICP-AES (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer) 기기 OPTIMA 8300을 이용하여 추가로 분석하였다. 비파괴로 암석의 성분을 분석할 수 있는 XRF 분석법은 분석시간이 짧고 장비의 가격도 상대적으로 저렴하다는 장점을 가지며(Kalnicky and Singhvi, 2001; Carr et al., 2008) 최근에는 휴대용으로 제작되어 현장에서 바로 성분 분석이 가능해졌다(Jang et al., 2008, Lee and Choi, 2014). 휴대용 XRF는 측정 후 별도의 처리 없이 다원소의 함량을 알 수 있다는 장점을 가지기 때문에 다수의 분석결과를 확보하기에 유리하지만 정확도면에서 다소 떨어질 수 있다. 본 연구에서 사용한 BRUKER S1 TITAN은 ppm 단위의 분석이 가능하고 Mg과 Al 등의 경원소를 포함한 37개의 원소에 대해 분석이 가능하다. 원소들의 검출한계는 일반적으로 질량비 0.001%～0.5%, Mg와 같은 경원소의 경우 약 1.5%이며 Na은 측정이 불가능하다. 고정밀 XRF는 휴대용 XRF에 비해 상대적으로 더 정확한 값을 예측할 수 있지만 현장에서의 분석이 어렵고 분석시간이 상대적으로 길기 때문에 다수의 분석결과를 확보하는데 어려움이 있다. 본 연구에서 사용한 RIGAKU NEX CG는 Na부터 U까지 분석이 가능하고 수용액 형태의 샘플에 대해서는 원소에 따라 약 20 ppb 수준까지 검출한계를 높일 수 있다. ICP 분석법은 분석의 정확도가 높고 다양한 응용분야에서 활용되고 있지만 전처리를 하는 과정이 복잡하고 휴대성이 떨어지기 때문에 현장에서 활용하기 어렵다는 단점이 있다(Hou et al., 2004; Tolner et al., 2010). 본 연구에서 사용한 Optima 8300은 미량원소의 경우 ppb 단위의 분석이 가능하고 수 ppb에서 수백 ppm의 범위에서 약 70여개의 원소를 측정할 수 있다.
Table 2는 각 시추공들이 어떠한 암석 위주로 이루어져 있는지를 대략적으로 파악하기 위해서 5개 시추공에 대한 휴대용 XRF 분석 결과를 평균값과 표준편차로 나타내었다. 이 때 샘플링한 각 시추공의 길이는 시추공 A는 23 m, B는 13 m, C는 23 m, D는 15 m, E는 15 m이며, 1 m 간격의 총 89개의 암석상태 시추코어에 대해서 각 5회씩 측정한 평균값을 각 시추코어의 대표값으로 사용하였다. Table 2에 기재한 평균과 표준편차는 이러한 대표값들의 평균과 표준편차를 의미한다. 분석에 사용한 XRF 기기는 FeO와 Fe2O3를 구별할 수 없기 때문에 여기서 FeO*는 전체 산화철 성분의 함량을 의미한다. 하나의 시추공 내에서도 샘플에 따라 성분들의 함량이 다르지만, 이 표를 통해서 각 시추공의 전체적인 특성을 확인할 수 있다. 모든 시추공이 CaO의 함량이 높기 때문에 석회암을 모암으로 하는 지역임을 확인할 수 있으며 특히 시추공 A와 C는 CaO 이외의 성분들의 함량이 매우 낮은 것으로 봤을 때 고품위 석회석 위주의 시추공임을 알 수 있다. 또한 시추공 A의 경우 CaO를 비롯한 주요 성분들의 표준편차가 전반적으로 가장 작기 때문에 가장 균질한 지역임을 유추할 수 있다. 시추공 B는 상대적으로 높은 MgO 함량을 보이며, 시추공 D와 E는 SiO2와 FeO의 값이 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
분말상태 시료의 변질지수 분석
Table 3은 200 mesh 시료 25개에 대해 변질지수를 계산하기 위한 휴대용 XRF, 고정밀 XRF, ICP의 성분분석 결과를 보여주며, Table 4는 이를 이용해 AI와 CCPI를 계산한 결과를 보여준다. 이 때 성분함량 및 변질지수의 변화를 살펴보기에 적절한 시추공 B, C, D, E를 대상으로 분말상태의 시료를 제작하였고, 균질한 고품위 석회석으로서 변화가 적은 시추공 A의 경우에는 이후 단계에서 암석상태에 대한 변질지수 분석결과만을 제시하였다. 이 때 산화물 형태의 함량값을 제시하는 XRF 분석과 달리 ICP 분석결과는 원소 단위의 함량으로 결과가 나오기 때문에 산화물 함량으로 환산하여 변질지수를 계산하였다. Na과 같은 경원소의 경우 형광 X선의 에너지가 약하고 공기 중에서 에너지가 크게 감쇠되기 때문에 본 연구에서 사용한 휴대용 XRF 기기는 Na의 측정이 불가능하다. Sack과 Lewis (2013)는 휴대용 XRF를 이용하여 변질지수를 산정하기 위해서 AI와 CCPI 식에서 Na2O를 제외하고 분석한 바 있으며, Na2O는 AI와 CCPI 수식의 분모에만 위치하기 때문에 AI와 CCPI 값이 다소 과장되는 경향이 있다. Table 3의 고정밀 XRF와 ICP 분석결과를 보면 시료 전체적으로 Na의 함량이 매우 작은 값을 가지므로 AI와 CCPI 값에 끼치는 영향은 크지 않을 것으로 판단된다. 이에 따라 본 연구에서는 휴대용 XRF 결과와의 비교를 위해 변질지수 산정식에서 Na2O를 제외하고 값을 계산하였다. 휴대용 XRF 분석결과로부터 계산한 AI 값의 경우 0의 값을 가지는 시료들이 존재하는데, Mg의 함량이 작은 시료의 경우 이를 측정하지 못하는 경우가 있기 때문이다.
Table 3. Major element composition in the powder samples to calculate alteration indexes by using each measuring instrument (unit: wt.%)
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변질지수 AI, CCPI의 계산 결과를 그래프로 나타내면 각각 Fig. 2(a), (b)와 같다. 서로 다른 시추공의 시료는 칸을 구분하여 표시하였다. AI의 경우 시추공 B의 시료들이 높은 값을 가지며 시추공 D의 일부 시료도 높은 값을 가진다. 시추공 C와 E의 시료들은 대체로 작은 값을 가지는 것으로 나타난다. CCPI의 경우에는 시추공 B의 일부 시료를 제외하고는 대체로 매우 높은 값을 가지는데 CCPI 수식에서 분모에만 존재하는 K2O의 함량이 대부분의 시료에서 작은 값을 가지기 때문이다. AI와 CCPI는 분석기기에 따라 다소 차이는 있지만 대체로 유사한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다.
Table 4. Comparison of alteration indexes determined using a portable XRF analyzer, a benchtop XRF analyzer, and a ICP-AES spectrometer, respectively (unit: wt.%)
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Fig. 2(c)는 AI를 x축으로, CCPI를 y축으로 하는 Alteration Box Plot을 적용한 결과이다. 분석기기에 따라 Alteration Box Plot에서의 동일시료 위치가 조금씩 다르지만, 대체로 비슷한 지역에 좌표가 위치하므로 휴대용 XRF의 활용 가능성을 확인할 수 있다. 좌측 상단의 다수 그룹에서 벗어난 시료들은 동일한 시료의 경우 경계를 표시하여 구별해주었다. 일반적으로 알려져 있는 Alteration Box Plot에서의 광물들의 위치는 노란색 사각형으로 표시하였다. 전형적인 방해석은 좌측 상단에 위치하며 주로 방해석으로 이루어진 대부분의 석회암 시료들 역시 분석결과 좌측 상단에 위치하는 것을 확인할 수 있다. 전형적인 견운모는 우측 하단에 위치하게 되며, 견운모화 변질을 받음에 따라 암석들은 우측 대각선 방향을 향하여 위치하게 된다. 본 연구에서는 시추공 B의 일부 시료들이 견운모화 변질을 받은 것으로 판단된다. 일반적으로 백운석은 중앙부 상단, 녹니석과 황철석은 우측 상단에 위치하는데 우측 상단을 향해서 갈수록 금속 광상의 중심에 가까워지는 것으로 알려져 있다. Fig. 3은 Alteration Box Plot 좌측 상단 밀집 지역에 분포하는 시료 중 일부와 밀집 지역에서 벗어나는 시료들의 시추코어 단면을 보여준다. Fig. 4는 Fig. 3의 시료들을 박편으로 제작한 후 편광현미경 직교니콜 하에서 촬영한 광물조성과 조직을 보여준다. Fig. 3(a)는 시추공 B의 23 m 지점에 해당하는 시추코어로서 0.3 mm 크기 입상의 방해석 결정들 사이로 미립의 방해석 및 백운석들이 관찰된다(Fig. 4(a)). MgO의 함량이 상당히 높은 시료로서(Table 3) Alteration Box Plot에서는 백운석 근처에 분포하는 것을 확인할 수 있다(Fig. 2(c)). Fig. 3(b)는 시추공 B의 25 m 지점에 해당하며, 주로 석영과 장석류, 각섬석 등으로 구성되어 있다. Fig. 3(c)부터 Fig. 3(e) 시추코어는 시추공 B의 27 m, 28 m, 30 m 지점으로서 석영 입자들 사이로 미립의 입자들이 충진되어 있고 석영, 장석류를 비롯하여 불투명광물, 변질광물인 녹렴석, 녹니석, 견운모 등이 관찰된다. 이러한 시료들은 열수변질을 받은 결과 Alteration Box Plot에서 대각선을 따라 분포하게 된다(Fig. 2(c)). Fig. 3(f)는 시추공 C에서 취득한 고품위 대리암으로서 미정질 방해석형 광석이 재차 결정화되어 편향성을 가지는 조립질의 구조를 보이며, 불균질한 부분에서는 미립의 방해석들이 충진되어 있다(Fig. 4(f)). 이 시료는 Alteration Box Plot에서 대부분의 시료들이 위치한 좌측 상단부에 좌표가 위치한다(Fig. 2(c)). Fig. 3(g)는 시추공 D에서 취득한 시료로서 대부분이 불투명 광물로 이루어져 있으며(Fig. 4(g)), 성분분석 결과 Fe 성분이 대부분을 차지하고 있음을 확인하였다(Table 3). Alteration Box Plot에서 전형적인 황철석은 우측 상단에 위치해야 하는데 해당 시료는 이보다는 좌측에 위치하고 있다(Fig. 2(c)). AI 산정식에서는 Fe의 함량을 고려하지 않기 때문에 Fe 함량이 높은 것이 AI가 높다는 것을 의미하지는 않기 때문이다. 시추공 E에서 취득한 Fig. 3(h) 시료의 경우 Fe 성분을 상당량 포함하고(Table 3), 점토광물과 방해석을 비롯해 투휘석, 석류석, 녹렴석 등의 스카른 광물들을 포함하고 있다(Fig. 4(h)). 이러한 암석은 스카른 광상의 지시자가 될 수 있으나 작은 AI 값으로 인해 Alteration Box Plot에서 일반적인 고품위 석회암과 구별하기 어려운 문제점이 있다. 본 연구에서는 이들을 고품위 석회암과 구별하기 위해 식 (4)와 같이 AI와 CCPI의 변수를 함께 고려한 스카른 변질지수(Skarn Alteration Index, SAI)를 제안하였다.
(4)
Fig. 5(e)는 SAI를 적용한 결과를 분석기기에 따른 그래프로 나타낸 것이다. 휴대용 XRF와의 비교를 위해 산정식에서 Na2O는 제외하고 값을 계산하였다. AI와 CCPI에 비해서 기기에 따른 차이가 적기 때문에 휴대용 XRF를 적용하기에 유용할 것으로 생각된다. 전체적인 경향은 AI와 유사한 모습을 보이지만, AI의 경우 시추공 E에서 작은 값을 가지는 반면 SAI의 경우에는 변질을 받은 시료들은 높은 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 시추공 E의 90 m 지점 시료(Fig. 5(a))는 조립질의 비교적 고른 입도 분포를 가지는 방해석으로 이루어져 있으며(Fig. 6(a)) 작은 SAI 값을 가진다(Fig. 5(e)). 반면 열수변질을 받은 93 m 지점 시료(Fig. 5(b))의 경우 점토광물과 함께 석류석과 녹니석 등의 변질광물을 포함하고 있으며(Fig. 6(b)) 상대적으로 높은 SAI 값을 가진다(Fig. 5(e)). 97 m 지점 시료(Fig. 5(c))의 경우에는 점토광물과 방해석을 비롯해 다양한 스카른 광물들을 포함하며(Fig. 6(c)) 더 높은 SAI 값을 가지는 것을 확인할 수 있다(Fig. 5(e)). 99 m 지점의 시료(Fig. 5(d))는 시추공 E에서 가장 높은 SAI 값을 가지며(Fig. 5(e)) 불투명 광물을 비롯하여 석영과 방해석, 다양한 스카른 광물로 이루어진 것을 확인할 수 있다(Fig. 6(d)).
휴대용 XRF를 이용한 암석상태 시료의 변질지수 분석
광상 탐사를 위해서는 다수의 자료를 확보하여 광범위한 영역에 걸친 분포를 파악하는 것이 중요하다. 휴대용 XRF를 이용할 경우 현장에서도 바로 데이터를 측정할 수 있기 때문에 자료 확보 측면에서 큰 장점을 가진다. 그러나 휴대용 XRF의 경우 Na를 측정할 수 없기 때문에 변질지수 분석시 Na2O 함량을 가정하거나 제외하고 계산할 필요가 있다. Fig. 7은 휴대용 XRF를 이용하여 89개의 암석상태 시추코어에 대한 변질지수를 계산한 그래프를 보여주며, 측정이 불가능한 Na2O의 함량(%)을 0.1, 2, 10이라고 가정했을 때 변질지수의 변화를 나타냈다. 이 분석은 변질지수에서 Na2O의 영향을 파악하기 위한 목적으로 수행하였기 때문에 Na2O외의 다른 주원소 함량은 변동없이 동일하다고 가정하였다. AI의 경우 Fig. 7(a)와 같이 Na2O의 함량 변화에도 전체적인 경향은 유지되며 AI 값이 클수록 변화량이 큰 것을 확인할 수 있다. CCPI의 경우(Fig. 7(b)) Na2O의 함량 변화에 따른 변동폭이 크므로 Na2O의 값을 모르는 상황에서는 신중하게 적용할 필요가 있다. Alteration Box Plot (Fig. 7(d))의 경우에도 CCPI의 영향으로 Na2O가 커질수록 아래쪽으로 분포가 쳐지는 현상이 나타난다. 본 연구에서 제안한 SAI의 경우(Fig. 7(c)) Na2O의 함량 변화에도 전체적인 경향은 유지되며 변동폭도 크지 않은 것으로 나타난다. AI와 비교했을 때 전체적인 경향은 유사하지만 시추공 D와 E에서 Fe 함량이 높은 시료의 경우 SAI 값이 크게 나타난다. CCPI에 비해서 AI와 SAI는 Na2O의 영향을 적게 받으므로 휴대용 XRF를 적용하기에 보다 적절할 것으로 판단된다. 이러한 변질지수는 다량의 데이터를 분류하기에 용이하지만 함철광물의 함량만을 고려하기 때문에 보다 상세한 스카른 변질 및 함철황화광물의 종류를 해석하기 위해서는 XRD (X-ray Diffraction Spectroscopy) 등을 활용한 추가 분석을 수행할 필요가 있다.
AI와 SAI의 관계를 더 자세히 살펴보기 위해 Na2O의 함량을 계산식에서 제외하고 두 변질지수를 그래프(Fig. 8)로 비교하였다. Fig. 8(a)를 살펴보면 시추공 A, B, C는 대체로 AI와 SAI가 유사한 것을 알 수 있으며 시추공 D, E는 일부 시료에서 두 값의 차이가 크게 나는 것을 알 수 있다. 이러한 시료들은 유용광물 및 스카른 광물의 가능성을 나타내는 시료로서 Fe 성분을 다량 함유하는 석회규산염 광물에서 특히 두 값의 차이가 크게 나타날 수 있다. 또한 AI와 SAI를 각각 x축, y축으로 하여 Fig. 8(b)와 같은 그래프(Skarn Alteration Box Plot)를 제안하였다. 고품위의 균질한 석회암일수록 AI와 SAI 모두 작은 값을 가지므로 좌측 하단에 밀집되어 있으며, 견운모화 변질을 받을수록 대각선을 따라 우측 상단으로 분포하게 된다. 시추공 A, C의 시료들은 대부분 고품위 석회암에 해당하며 시추공 B는 깊이가 깊어짐에 따라 견운모화 변질을 받았음을 알 수 있다. 시추공 D, E의 경우 AI에 비해서 SAI가 높은 시료들이 존재하며 그래프에서 대각선의 좌측으로 분포한다. 이러한 분류방법을 활용한다면 기존의 Alteration Box Plot에서 분류하기 어려웠던 석회암 지역에서의 함철 스카른 및 기타 함철광물의 분포를 파악하기에 유용할 것이다.
결 론
본 연구에서는 태백산 광화대 석회암 지역의 시추코어를 대상으로 암석 샘플링을 수행하고 성분분석 및 변질대 평가를 수행하였다. 태백산 광화대는 넓게 분포하는 석회질암을 모암으로 하여 대규모의 교대광상이나 스카른 광상이 배태되는 경우가 많고, 광상주변에는 열수변질로 인한 석회암의 변질대가 넓게 분포할 수 있다. 이러한 변질대는 광상탐사의 주요한 지시자가 될 수 있으며 이를 규명하고 정량적으로 분류하는 기술을 개발하기 위해서 본 연구에서는 모암으로서의 석회암과 열수변질을 받은 고품위 석회암, 스카른화 된 암석, 관입암 등을 샘플링하여 암석유형에 따른 성분분석 결과와 변질지수를 비교하였다. 휴대용 XRF, 고정밀 XRF, ICP-AES를 이용하여 200 mesh 크기의 분말 시료들을 분석한 결과 AI와 CCPI의 경우 분석기기에 따라 정확도에 차이는 있으나 전체적인 경향은 유사한 것을 확인할 수 있었다.
대상지역의 암석은 대부분 열수변질에 의한 고품위 석회암 및 대리암이 분포하고 있으며 이질의 석회암 부분에서는 다양한 변질 광물과 황철석 등이 나타난다. 이러한 변질 지역의 주변부는 금속 광상이 배태될 수 있는 가능성을 암시한다. 암석의 변질 정도를 정량화하기 위해서 AI와 CCPI를 적용하였으며, AI와 CCPI를 함께 고려한 Alteration Box Plot을 이용하여 암석 유형을 분류하였다. 그 결과 고품위 석회암, 백운암, 견운모화 변질을 받은 암석 등을 구분할 수 있었으나 스카른 금속광상의 배태와 연관성이 높은 스카른 광물 및 금속 광물들을 분류하기에는 어려움이 있었다. 이를 보완하기 위하여 AI와 CCPI의 변수를 함께 고려한 SAI를 제안하였으며 이를 통해 석회암과 스카른을 정량적으로 구분할 수 있었다.
광상 탐사를 위해서는 광범위한 영역에 걸쳐 다수의 자료를 확보할 필요가 있으며 이 때 분석의 간편성과 효율성 측면에서 장점을 가지는 휴대용 XRF가 유용하게 활용될 수 있다. 그러나 휴대용 XRF는 정확도가 다소 떨어지고 Na와 같은 경원소 측정에 어려움이 있기 때문에 본 연구에서는 석회암 지역에서 변질지수 분석시 Na의 영향을 평가하였다. 분석결과 CCPI는 Na의 함량에 영향을 크게 받지만 AI와 SAI의 경우 Na의 영향이 미미한 것으로 나타났다. 또한 SAI의 경우 휴대용 XRF를 이용하더라도 고정밀 XRF, ICP-AES를 이용하는 경우와 값의 차이가 크지 않은 것으로 분석되었다. 따라서 AI와 본 연구에서 제안한 SAI를 스카른 광상 탐사에 유용하게 활용할 수 있을 것으로 생각된다. 본 연구에서 시추코어 샘플링은 총 5개의 시추공에 대해서 수행되었는데 향후 더 많은 시추공에 대한 분석이 이루어진다면 변질대 및 광화지역에 대한 3차원 공간분포 이해도를 높일 수 있을 것이며, 이 때 휴대용 XRF를 이용할 수 있다. 본 연구결과는 변질대를 정량적으로 분류하기 위한 기반기술로서 적용될 수 있으며 변질에 따른 성분분석 결과의 데이터베이스 확보라는 측면에서도 의미 있게 활용될 수 있다.
