의성(義城)지역 전흥(田興) 및 옥산(玉山) 열수(熱水) 연(鉛)-아연(亞鉛)-동(銅) 광상(鑛床)에 관한 광물학적(鑛物學的)·지화학적(地化學的) 연구(硏究)

Mineralogy and Geochemistry of the Jeonheung and Oksan Pb-Zn-Cu Deposits, Euiseong Area

경북(慶北) 의성(義城)지역 연(鉛)-아연(亞鉛)-동광상(銅鑛床)(전흥(田興), 옥산(玉山) 광산)은 경상분지(慶尙盆地) 백악기(白堊紀) 퇴적암류내의 구조면을 충진한 열수(熱水) 석영-방해석 맥상(脈狀) 광체(鑛體)로 구성된다. 광화(鑛化)작용은 구조적으로 석영-유화물(硫化物)-유염(硫鹽)광물-적철석 정출기, barren 석영-형석 정출기, barren 방해석 정출기 등 3회로 구분된다. 광화(鑛化) I기(期)의 광석(鑛石)광물은 황철석, 황동석, 섬아연석, 방연석 및 Pb-Ag-Bi-Sb계 유염광물(硫鹽鑛物) 등으로서 두 광산의 광물조성은 유사하지만, 유비철석, 자류철석, 테트라헤드라이트, 철을 다량 함유하는(약 21 mole% FeS)섬아연석 등은 옥산(玉山)광산에서만이 산출된다. 변질대 집운모(緝雲母)에 의한 K-Ar 연령은 약 62 Ma로서, 광화(鑛化)작용이 인근 금성산(金城山) 칼데라 화산암류와 도처에 분포하는 산성암맥의 분출 및 관입 활동과 관련된 후기 백악기(白堊紀) 화성활동의 산물이었음을 지시한다. 광화(鑛化) I기(期) 광물정출은 0.7~6.3wt.% NaCl 상당염농도(相當閻濃度)를 갖는 광화유체(鑛化流體)로부터 > $380^{\circ}{\sim}240^{\circ}C$의 온도범위에서 진행되었고, 특히 동(銅)광물은 대부분 > $300^{\circ}C$의 고온에서 침전하였다. 유체포유물(流體包有物) 연구에 의하면, I기 연(鉛)-아연(亞鉛)-동(銅)광물의 침전은 비등(沸騰) 냉각(冷却) 희석(稀釋)등 비교적 복잡한 양식의 광액(鑛液)진화에 기인하였지만, 전흥(田興)광산의 경우 차가운 천수(天水)의 유입(流入)에 따른 냉각(冷却) 및 희석(稀釋)이 우세하였던 반면, 옥산(玉山)광산의 경우는 비등(沸騰)이 우세하게 진행되었다. 광화유체(鑛化流體)의 비등(沸騰)에 근거한 광화(鑛化)작용시의 압력은 초기 약 210 bar에서 후기 약 80 bar에 이르며, 이는 열수계(熱水系)가 정암압(靜岩壓)이 우세한 환경에서 정수압(靜水壓)이 우세한 환경으로 전이되었음을 지시하여 주고 따라서 광화심도(鑛化深度)는 약 900m로 추정된다. 유화물(硫化物)의 유황동위원소(硫黃同位元素) 조성 ($2.9{\sim}9.6$‰)에 근거한 초기 열수유체(熱水流體)의 전(全)유황동위원소값(${\delta}^{34}S_{{\Sigma}S}$)은 약 8.6‰이며, 이는 심부(深部) 화성원(火成源)의 유황이 퇴적암류내 sulfate (?)와 다소 혼합되었음을 나타내는 것으로 사료된다. 한편, 수속 및 산소동위원소 조성은 열수계(熱水系)내의 물이 대부분 천수(天水)로부터 기원하였음을 지시한다. 광물열역학(鑛物熱力學)적 고찰 결과, I기 광화유체(鑛化流體)의 온도 및 유황분압(硫黃分壓)의 변화는 두 광산에서 다소 상이하였다. 즉, 전흥(田興)광산의 경우 온도 감소와 더불어 유황분압(硫黃盆壓)은 황철석-적철석-자철석의 공존선을 따라 지속적으로 감소하였으나, 옥산(玉山)광산의 경우는 초기 황철석-자류철석 공존환경으로부터 후기 황철석-적철석-자철석의 공존환경으로 전이하였다. 한편, 차고 산화(酸化) 상태인 천수(天水)가 광액(鑛液)중에 혼입(混入)됨에 따라 광액의 산소분압(酸素盆壓)은 점차 증가하였다. 동(銅)광물의 침전은 주로 광화유체(鑛化流體)의 냉각에 따른 동염화복합체(銅鹽化複合體)($CuCl^{\circ}$)의 용해도 감소에 기인하였으리라 고려된다. 이러한 냉각 작용은 전흥(田興)광산의 경우 주로 천수혼입(天水混入)에 따른 결과였지만, 옥산(玉山)광산의 경우는 주로 광화유체(鑛化流體)의 비등(沸騰)에 기인하였다.

Lead-zinc-copper deposits of the Jeonheung and the Oksan mines around Euiseong area occur as hydrothermal quartz and calcite veins that crosscut Cretaceous sedimentary rocks of the Gyeongsang Basin. The mineralization occurred in three distinct stages (I, II, and III): (I) quartz-sulfides-sulfosalts-hematite mineralization stage; (II) barren quartz-fluorite stage; and (III) barren calcite stage. Stage I ore minerals comprise pyrite, chalcopyrite, sphalerite, galena and Pb-Ag-Bi-Sb sulfosalts. Mineralogies of the two mines are different, and arsenopyrite, pyrrhotite, tetrahedrite and iron-rich (up to 21 mole % FeS) sphalerite are restricted to the Oksan mine. A K-Ar radiometric dating for sericite indicates that the Pb-Zn-Cu deposits of the Euiseong area were formed during late Cretaceous age ($62.3{\pm}2.8Ma$), likely associated with a subvolcanic activity related to the volcanic complex in the nearby Geumseongsan Caldera and the ubiquitous felsite dykes. Stage I mineralization occurred at temperatures between > $380^{\circ}C$ and $240^{\circ}C$ from fluids with salinities between 6.3 and 0.7 equiv. wt. % NaCl. The chalcopyrite deposition occurred mostly at higher temperatures of > $300^{\circ}C$. Fluid inclusion data indicate that the Pb-Zn-Cu ore mineralization resulted from a complex history of boiling, cooling and dilution of ore fluids. The mineralization at Jeonheung resulted mainly from cooling and dilution by an influx of cooler meteoric waters, whereas the mineralization at Oksan was largely due to fluid boiling. Evidence of fluid boiling suggests that pressures decreased from about 210 bars to 80 bars. This corresponds to a depth of about 900 m in a hydrothermal system that changed from lithostatic (closed) toward hydrostatic (open) conditions. Sulfur isotope compositions of sulfide minerals (${\delta}^{34}S=2.9{\sim}9.6$ per mil) indicate that the ${\delta}^{34}S_{{\Sigma}S}$ value of ore fluids was ${\approx}8.6$ per mil. This ${\delta}^{34}S_{{\Sigma}S}$ value is likely consistent with an igneous sulfur mixed with sulfates (?) in surrounding sedimentary rocks. Measured and calculated hydrogen and oxygen isotope values of ore-forming fluids suggest meteoric water dominance, approaching unexchanged meteoric water values. Equilibrium thermodynamic interpretation indicates that the temperature versus $fs_2$ variation of stage I ore fluids differed between the two mines as follows: the $fs_2$ of ore fluids at Jeonheung changed with decreasing temperature constantly near the pyrite-hematite-magnetite sulfidation curve, whereas those at Oksan changed from the pyrite-pyrrhotite sulfidation state towards the pyrite-hematite-magnetite state. The shift in minerals precipitated during stage I also reflects a concomitant $fo_2$ increase, probably due to mixing of ore fluids with cooler, more oxidizing meteoric waters. Thermodynamic consideration of copper solubility suggests that the ore-forming fluids cooled through boiling at Oksan and mixing with less-evolved meteoric waters at Jeonheung, and that this cooling was the main cause of copper deposition through destabilization of copper chloride complexes.