Temporal Variations of Ore Mineralogy and Sulfur Isotope Data from the Boguk Cobalt Mine, Korea: Implication for Genesis and Geochemistry of Co-bearing Hydrothermal System

보국 코발트 광상의 산출 광물종 및 황동위원소 조성의 시간적 변화: 함코발트 열수계의 성인과 지화학적 특성 고찰

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.

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.