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Hydrothermal Au-Ag Mineralization of the Oknam Mine in the Northern Sobaegsan Massif
윤성택,지세정,소칠섭,허철호,Yun, Seong-Taek,Chi, Se-Jung,So, Chil-Sup,Heo, Chul-Ho The Korean Society of Economic and Environmental G 1998 자원환경지질 Vol.31 No.5
옥남 금-은 광상은 소백산육괴 선캠브리아기 율리층의 흑운모편암 및 천매암 내에 발달하는 함금-은 능망간석맥으로 산출된다. 광맥의 상호 구조에 근거하여 5회의 광물 침전기 (stage)가 인지되며, 각 시기는 특징적인 광물 조합을 나타낸다. 함금-은 맥(광화 3기)에서의 정출 광물은 맥의 연변부로부터 내측으로 가면서 다음과 같이 변화한다: 유비철석+황철석 (암색 능망간석 밴드 내)$\Rightarrow$섬아연석+황동석+방연석+에렉트럼 (담색 능망간석 밴드 내)$\Rightarrow$ 방연석+함은 광물 (정동 부위). 유체포유물 자료에 의하면, 광화유체의 온도 및 염농도는 시간에 따라 전반적으로 다음과 같이 감소했음을 지시한다: 광화 I기 (석영맥 광화작용), $345^{\circ}{\sim}240^{\circ}C$, 3.4~7.8 wt.% NaCl 상당농도; 함망간 탄산염기 (II 및 III), 3130-2070C, 2.3-8.7 wt.% NaCl; 광화 4기 (석영맥 광화작용), $328^{\circ}{\sim}213^{\circ}C$, 3.6~5.4 wt.% NaCl. 광화유체는 냉각 희석 상태의 순환강우의 혼입과 주기적으로 반복된 버등을 통하여 진화한 것으로 사료되며, 유체포유물 자료와 지질 증거에 의하면 광화작용 중 양력은 90~340 bar이었다. 금은 함은량이 높은 에렉트럼 (21~29 atom.% Au)으로 산출되며 주로 $300^{\circ}{\sim}240^{\circ}C$ 사이의 온도에서 침전되었다. 열역학적 검토에 의하면, 금은 pH의 증가와 더불어 온도, 유황분압 및 산소분압의 감소에 의해 침전하였으리라 사료된다. The Au-Ag deposit of the Oknam mine occurs as gold-silver-bearing rhodochrosite veins in biotite schist and phyllite of the Precambriam Yulri Group. Five stages of ore deposition are recognized, each showing a definite mineral assemblage. General mineral parageneses in veins (stage III) associated with gold and silver vary inwardly from the vein margin: arsenopyrite + pyrite $\Rightarrow$ sphalerite+chalcopyrite+galena+gold $\Rightarrow$ ga1ena+Ag-bearing minerals. Fluid inclusion data indicate that temperature and salinity of ore fluids overally decreased with time: $345^{\circ}{\sim}240^{\circ}C$ and 3.4~7.8 wt. % NaCl equiv during stage I (quartz vein mineralization), $313^{\circ}{\sim}207^{\circ}C$ and 2.3~8.7 wt.% NaCl equiv during manganese-bearing carbonate stages (II and III), and $328^{\circ}{\sim}213^{\circ}C$ and 3.6-5.4 wt.% NaCl equiv during stage IV (quartz vein mineralization). The ore fluids probably evolved through repeated pulses of boiling and later mixing with cooler and more dilute meteoric waters. Fluid inclusion data and geologic arguments indicate that pressures during the mineralization were in the range of 90 to 340 bars. Gold occurs as silver-rich electrums (21 to 29 atom. % Au) and was deposited at temperatures between $300^{\circ}$ and $240^{\circ}C$. Thermochemical calculations suggest that gold was deposited as a combined result of increase in pH and decreases in temperature, $fs_2$ and $fo_2$.
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윤성택,최상훈,허철호,소칠섭,채기탁,김기욱 대한자원환경지질학회 1999 자원환경지질 Vol.32 No.5
현동 안티모니 광상능 소백산 육괴의 북동부 지역에 위치하며, 선캠브리아기 변성암류(주로 화강암질 편마암)에 발달하는 단층 열극을 단층 열극을 충진한 석영+탄산염 광맥 및 망상맥으로 산츨된다. 광맥 인접부에는 견운모화 및 규화 작용으로 특징되는 열수 변질대가 발달된다. 변질대 견운모의 K-Ar 연령은 139.2±4.4 Ma로서 백악기초의 광화 시기를 나타내는데, 광화작용은 산성 암맥(주로 석영 반암)의 관입과 관련되었으리라 사료된다. 열수 광화작용은 5회에 걸쳐 진행되었다. 광화1기에는 옥수질 석영이 침전되었다. 광화 2기에는 천금속(base-metal) 황화 광물 및 휘안석을 수반한 석영맥이 형성되었다. 광화 3기에는 휘안석, 농홍은석, 버티어라이트, 자연 안티모드, 구드문다이트, 울마나이트 등 다양한 함안티모니 광물이 석영 및 탄산염 광물(방해석, 돌로마이트, 앵커나이트, 능망간석)에 수반되어 정출되었다. 광화 4기에는 휘안석을 수반한 방해석이, 그리고 광화 5기에는 barren한 방해석이 침전되었다. 안티모니느 광화 2기에소 4기에 걸쳐 주로 휘안석으로 산출되며, 산점상, 세맥상 및 조립질 자형 결정 등 다양한 형태를 갖는다. 유체 포유물 연구에 의하면, 열수 광화작용은 ≤ 5.3wt % NaCl 상당 염농도의 유체로부터 120∼330℃의 온도에서진행되었다. 광화 유체의 온도 및 염농도는 광화작용의 진행과 더불어 점진적으로 감소하였는데, 이는 열수계 내로 다량의 순환 강우가 유입되었음을 지시한다. 함안티모니 광물의 침전은 비교적 저온(<250℃)에서 주로 유체의 냉각 및 휘석 작용에 의해 진행되었다. 광화 2기 초기에는 인지되는 유체의 비등현상에 의하여, 광화적용의 압력에 의하여, 광화작용의 압력은 비교적 낮았음(정수압 조건에서 약 350m의 심도에 해당하는 약 80 bar)을 알 수 있다. 광석광물의 조합에 대한 열역학적 고찰 결과, 안티모니 침전은 열수 유체의 온도 및 유황 분압의 감소에 기안하였다. 광화 유체의 활동위원소 조성(δ34SΣs)은 5.4∼7.8‰이었으며, 이는 화성 기원을 지시한다.
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Juan de Fuca 해령 Cleft Segment에서 회수된 황화물 침니: 광물조성 및 유체포유물
윤성택,허철호,소칠섭,염승준,이경용 대한자원환경지질학회 2002 자원환경지질 Vol.35 No.3
해저 열수 광화작용을 대효할 수 있는 황화물 침니(sulfide chimney)의 성장 메카니즘을 고찰하기 위하여 Juan de Fuca 혜령의 최남단에 위치하는 Cleft segment의 열수장(hydrothermal field)에서 회수한 비활동성이고 황화물과 실리카가 풍부한 침니를 대상으로 광물 및 유체포유물 연구를 수행하였다. 기존 연구에 의하면, Cleft sogment에는 많은 활동성 및 비활동성의 열수 분출구가 존재하는 것으로 보고되어 있다. 연구 대상 침니는 주로 비정질 실리카, 황칠석, 섬아연석 및 섬유아연석(wurtzite)으로 구성되어 있고,소량의 황동석 및 백칠석을 함유하고 있다. 유체통로로 추정되는 침니의 내부는 다공질이며, 비정질의 교질성(colloidal) 실리카로 피복되어 있다. 섬아연석과 섬유아연석으로 구성되어 있는 아연이 풍부한 황화물의 FeS 함량은 13.9~34.3 mole%의 범위를 보이며, 철이 풍부한 중심부와 철이 부족한 연변부를 지닌다. 이는 광화유체의 화학적.물리석 특성들의 변화로부터 기인되었으리라 사료된다. 침니 내부성장대별 화학조성은 열적구배 및 구성광물의 차이로 인해 다른 특징들을 보여주고 있다. 광화후기에 침전된 비정질 실리카중의 액상이 풍부한 유체포유물을 대상으로 가열 및 냉각 실험을 수행한 결과, 열수유체의 최소 포획 온도는 약 114$^{\circ}$~145$^{\circ}C$이며, 해당 염농도는 3.2~4.8 wt.% NaCl equip, 이다. 실제 열구에서 배출되는 유체 온도 자료를 입수하지는 못했지만, 본 연구를 통해서 광물의 침전작용 동안 상대적으로 저온의 침전조건이 매우 지배적이었음을 알수 있다. Juan de Fuca 해령내 Cleft seamen에서 회수된 황화물 침니는 산출형태, 교질성 조직, 전(bulk) 화학조성, 광물조합(황철석+백철석+섬유아연석+비정질 실리카) 등으로 볼 때, 기존 보고된 침니 유형보다는 상당히 낮은 온도에서 느린 유체 유동과 전도성 냉각(<25$0^{\circ}C$)에 의해 생성되었으리라 사료된다. In order to elucidate the growth mechanism of sulfide chimney formed as a result of seafloor hydrothermal mineralization, we carried out the mineralogical and fluid inclusion studies on the inactive, sulfide- and silica-rich chimney which has been recovered from a hydrothermal field in the Cleft segment of the Juan de Fuca Ridge. According to previous studies, many active and inactive vents are present in the Cleft segment. The sulfide- and silica-rich chimney is composed of amorphous silica, pyrite, sphalerite and wurtzite with minor amounts of chalcopyrite and marcasite. The interior part of the chimney is highly porous and represents a flow channel. Open spaces within chimneys are typically coated with colloform layers of amorphous silica. The FeS content of Zn-sulfides varies widely from 13.9 to 34.3 mole% with Fe-rich core and Fe-poor rims. This variation possibly reflects the change of physicochemical characteristics of hydrothermal fluids. Chemical and mineralogical compositions of the each growth zone are also varied, possibly due to a thermal gradient. Based on the microthermometric measurements of liquid-rich, two-phase inclusions in amorphous silica that was precipitated in the late stage of mineralization, minimum trapping temperatures are estimated to be about 1140 to 145$^{\circ}$C with the salinities between 3.2 and 4.8 wt.% NaCI equiv. Although the actual fluid temperatures of the vent are not available, this study suggests that the lowtemperature conditions were predominant during the mineralization in the hydrothermal field at Cleft segment. Comparing with the previously reported chimney types, the morphology, colloform texture, bulk chemistry, and a characteristic mineral assemblage (pyrite + marcasite + wurtzite + amorphous silica) of this chimney indicate that the chimney have been formed from a relatively low-temperature (<250$^{\circ}$C) hydrothermal fluid that was changed by sluggish fluid flow and conductive cooling.
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윤성택,고용권,김천수,소칠섭,Yun, Seong-Taek,Koh, Yong-Kwon,Kim, Chun-Soo,So, Chil-Sup The Korean Society of Economic and Environmental G 1998 자원환경지질 Vol.31 No.3
1995~1996년중 부곡 지열수 지역에서 채수한 유형별 자연수를 대상으로 수문지구화학 및 환경동위원소 연구를 수행하였다. 연구 지역에는 물리화학적으로 뚜렷히 구분되는 세 유형의 자연수, 즉 (1) 군접 I (지열수 지역의 중심부에서 산출되고 최대 $77^{\circ}C$의 용출 온도를 갖는 $Na-SO_4$ 유형), (2) 군집 II(외곽부에서 산출되며 다소 낮은 온도를 갖는 $Na-HCO_{3}-SO_{4}$ 유형) 및 (3) 군집 III(지표수나 천층 냉각 지하수로서 $Ca-HCO_3$ 유형)이 함께 산출된다. 군집 I은 Ia 및 Ib로 세분된다. 수문지구화학적 진화는 수 암 반응의 증가에 따라 군집 III$\rightarrow$II$\rightarrow$I의 순으로 진행되었다. 군집 II 및 III의 자연수는 비교적 낮은 수-암 반응, 특히 방해석 및 Na-사장석의 용해 반응에 의해 형성되었지만, 군집 I은 사장석, K 장석, 백운모, 녹려석, 황철석 등과의 높은 수-암 반응에 의해 형성되었다. 용존 황산염의 농도 및 황동위원소 조성은 지열수의 기원 및 전화를 해석하는데 중요한 정보가 된다. 용존 황산염은 퇴적 기원 황철석의 산화에 의해 생성되거나 (군집 Ib의 경우), 또는 열수의 상승 통로인 단열대에 존재하는 마그마 열수기원 황철석의 용해에 의해 생성되었다 (군집 Ia의 경우). 지열 저장지의 온도 규명을 위한 알칼리 이온 지옹계의 적용성은 화학조성을 변화시키는 요인들, 특히 마그네슘이 풍부한 지표수와의 혼합에 의해 제한된다. 그러나 다성분 광물/물 평형계에 대한 열역학적 계산 및 유체포유물 설험 결과, 심부 지열 저장지 (냉각중인 화성암체?)의 온도는 $125^{\circ}C$에 이르는 것으로 판단된다. 환경동위원소 (산소-수소, 삼중수소) 연구에 의하면, 자연수는 모두 상이한 충진 특성을 갖는 강우로부터 기원하였다. 특히 군집 Ia의 물은 심부 지열 저장지까지 심부 순환한 오래된 (40년 이상) 강우로부터 기원하였으며 지표부 물과의 혼합 정도도 낮다. 본 논문에서는 황산염이 풍부한 국내 지열수의 성인 및 진화에 관한 모델을 제시한다. Hydrogeochemical and environmental isotope studies were undertaken for various kinds of water samples collected in 1995-1996 from the Bugok geothermal area. Physicochemical data indicate the occurrence of three distinct groups of natural water: Group I ($Na-S0_4$ type water with high temperatures up to $77^{\circ}C$, occurring from the central part of the geothermal area), Group II (warm $Na-HCO_{3}-SO_{4}$ type water, occurring from peripheral sites), Group III ($Ca-HCO_3$ type water, occurring as surface waters and/or shallow cold groundwaters). The Group I waters are further divided into two SUbtypes: Subgroup Ia and Subgroup lb. The general order of increasing degrees of hydrogeochemical evolution (due to the degrees of water-rock interaction) is: Group III$\rightarrow$Group II$\rightarrow$Group I. The Group II and III waters show smaller degrees of interaction with rocks (largely calcite and Na-plagioclase), whereas the Group I waters record the stronger interaction with plagioclase, K-feldspar, mica, chlorite and pyrite. The concentration and sulfur isotope composition of dissolved sulfate appear as a key parameter to understand the origin and evolution of geothermal waters. The sulfate was derived not only from oxidation of sedimentary pyrites in surrounding rocks (especially for the Subgroup Ib waters) but also from magmatic hydrothermal pyrites occurring in restricted fracture channels which extend down to a deep geothermal reservoir (typically for the Subgroup Ia waters). It is shown that the applicability of alkaliion geothermometer calculations for these waters is hampered by several processes (especially the mixing with Mg-rich near-surface waters) that modify the chemical composition. However, the multi-component mineral/water equilibria calculation and available fluid inclusion data indicate that geothermal waters of the Bugok area reach temperatures around $125^{\circ}C$ at deep geothermal reservoir (possibly a cooling pluton). Environmental isotope data (oxygen-18, deuterium and tritium) indicate the origin of all groups of waters from diverse meteoric waters. The Subgroup Ia waters are typically lower in O-H isotope values and tritium content, indicating their derivation from distinct meteoric waters. Combined with tritium isotope data, the Subgroup Ia waters likely represent the older (at least 45 years old) meteoric waters circuated down to the deep geothermal reservoir and record the lesser degrees of mixing with near-surface waters. We propose a model for the genesis and evolution of sulfate-rich geothermal waters.
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윤성택,염승준,Yun, Seong-Taek,Youm, Seung-Jun The Korean Society of Economic and Environmental G 1997 자원환경지질 Vol.30 No.4
보국 코발트 광산은 백악기 경상분지내에 위치하며, 셰일로 구성된 건천리층을 천부 관입한 암주상의 미문상 화강암내에 국한하여 배태된다. 광상은 열극 충진형 석영${\pm}$액티놀라이트${\pm}$탄산염 광물맥으로 이루어지며, 광석광물로는 함코발트광물 (비독사석, 휘코발트석, 글로코도트), 함코발트 유비철석과 소량의 황화광물 (자류철석, 황동석, 황철석, 섬아연석) 및 미량의 산화광물 (자철석, 적철석)이 산출된다. Rb-Sr 절대연령 측정 결과, 화강암의 관입 및 이와 관련된 광화작용은 후기 백악기 (85.98 Ma)에 이루어진 것으로 판단된다. 산출광물종은 다소 복잡한 양상을 보이며, 시간에 따라 다음과 같이 변화한다: 액티놀라이트, 탄산염광물 및 석영에 수반되는 함코발트 광물의 정출 (광화시기 I, II)${\rightarrow}$석영에 수반되는 황화광물, 금 및 산화광물의 정출 (광화시기 III)${\rightarrow}$탄산염광물의 정출(광화시기 IV, V). 고온성 광물 (함코발트 광물, 휘수연석, 액티놀라이트)과 더불어 저온성 광물 (황화광물, 금, 탄산염광물)이 산출되는 점으로 보아 열수광화작용은 xenothermal 환경에서 형성되었다. 화강암은 특징적으로 높은 코발트 함유량 (평균 50.90 ppm)을 나타내며, 이는 코발트가 냉각하는 화강암 암주에서 기원하였음을 지시한다. 반면, 건천리층 셰일의 높은 동 및 아연 함유량은 이들 원소가 주로 셰일로부터 유래되었음을 지시한다. 열수용액의 온도 감소와 더불어 산소분압이 감소 (광화 I, II기의 코발트광물 형성, $T=560^{\circ}C-390^{\circ}C$, log $fO_2=$ > -32.7 to -30.7 atm at $350^{\circ}C$; 광화 III기의 황화광물 형성, $T=380^{\circ}-345^{\circ}C$, log $fO_2={\geq}-30.7$ atm at $350^{\circ}C$함은 열수계가 시간이 지남에 따라 초기 마그마성 계로부터 천수로 지배되는 열수계로 전이되었음을 나타낸다. 광화 II기의 유황 동위원소 값은 초기 함코발트 열수 용액이 화성기원 ($${\delta}^{34}S_{{\Sigma}S}{\sim_=}3-5$$‰)으로부터 기원하였음을 증거한다. 열수용액의 ${\delta}^{34}S_{H_2S}$ 값은 광화 II기의 코발트 형성기 (3-5‰)로부터 황화광물 형성 시기인 광화 IV기 (최대 약 20‰)까지 크게 증가하였다. 이는 후기로 갈수록 천수가 우세한 열수계로 진화하면서 주위의 퇴적암을 순환하는 과정에 동위원소적으로 무거운 유황 (퇴적기원의 황산염)과 천금속 (Cu, Zn 등) 및 금을 용해, 농집시켰음을 시사한다. 후기에 천수의 유입이 없었더라면, 보국 광상은 단순히 액티놀라이트 + 석영 + 함코발트 광물로 구성된 광맥으로만 형성되었을 것이다. 또한, 마그마 기원의 열수계가 형성된 이후에 천수 순환계가 형성됨으로 인하여 고온 광물과 저온 광물이 함께 산출되는 xenothermal 한 광상의 특성을 나타내게 되었다. The Boguk cobalt mine is located within the Cretaceous Gyeongsang Sedimentary Basin. Major ore minerals including cobalt-bearing minerals (loellingite, cobaltite, and glaucodot) and Co-bearing arsenopyrite occur together with base-metal sulfides (pyrrhotite, chalcopyrite, pyrite, sphalerite, etc.) and minor amounts of oxides (magnetite and hematite) within fracture-filling $quartz{\pm}actinolite{\pm}carbonate$ veins. These veins are developed within an epicrustal micrographic granite stock which intrudes the Konchonri Formation (mainly of shale). Radiometric date of the granite (85.98 Ma) indicates a Late Cretaceous age for granite emplacement and associated cobalt mineralization. The vein mineralogy is relatively complex and changes with time: cobalt-bearing minerals with actinolite, carbonates, and quartz gangues (stages I and II) ${\rightarrow}$ base-metal sulfides, gold, and Fe oxides with quartz gangues (stage III) ${\rightarrow}$ barren carbonates (stages IV and V). The common occurrence of high-temperature minerals (cobalt-bearing minerals, molybdenite and actinolite) with low-temperature minerals (base-metal sulfides, gold and carbonates) in veins indicates a xenothermal condition of the hydrothermal mineralization. High enrichment of Co in the granite (avg. 50.90 ppm) indicates the magmatic hydrothermal derivation of cobalt from this cooling granite stock, whereas higher amounts of Cu and Zn in the Konchonri Formation shale suggest their derivations largely from shale. The decrease in temperature of hydrothermal fluids with a concomitant increase in fugacity of oxygen with time (for cobalt deposition in stages I and II, $T=560^{\circ}C-390^{\circ}C$ and log $fO_2=$ >-32.7 to -30.7 atm at $350^{\circ}C$; for base-metal sulfide deposition in stage III, $T=380^{\circ}-345^{\circ}C$ and log $fO_2={\geq}-30.7$ atm at $350^{\circ}C$) indicates a transition of the hydrothermal system from a magmatic-water domination toward a less-evolved meteoric-water domination. Sulfur isotope data of stage II sulfide minerals evidence that early, Co-bearing hydrothermal fluids derived originally from an igneous source with a ${\delta}^{34}S_{{\Sigma}S}$ value near 3 to 5‰. The remarkable increase in ${\delta}^{34}S_{H2S}$ values of hydrothermal fluids with time from cobalt deposition in stage II (3-5‰) to base-metal sulfide deposition in stage III (up to about 20‰) also indicates the change of the hydrothermal system toward the meteoric water domination, which resulted in the leaching-out and concentration of isotopically heavier sulfur (sedimentary sulfates), base metals (Cu, Zn, etc.) and gold from surrounding sedimentary rocks during the huge, meteoric water circulation. We suggest that without the formation of the later, meteoric water circulation extensively through surrounding sedimentary rocks the Boguk cobalt deposits would be simple veins only with actinolite + quartz + cobalt-bearing minerals. Furthermore, the formation of the meteoric water circulation after the culmination of a magmatic hydrothermal system resulted in the common occurrence of high-temperature minerals with later, lower-temperature minerals, resulting in a xenothermal feature of the mineralization.
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