Aims & Scope

연구지역은 행정구역상 충남 금산군 복수면 수영리에 속하며, 좌표상으로 북위 36°11’25”, 동경 127°24’20” 부근에 위치한다. 연구지역을 포함하는 금산군 복수면과 진산면 일대는 지질학적으로 옥천변성대 남서부로 대전도폭의 중남부에 해당한다(Lee et al., 1980). 암석은 대부분 선캄브리아기 편마암류를 기반암으로 시대미상 및 고생대 변성퇴적암과 백악기 화성암으로 구성되어 있다(그림 1).

Fig. 1. 
Geologic map of the Suyoungri area.

연구지역 일대는 점판암이 주로 분포하는 지역으로 야외에서 육안상으로 암회색점판암, 흑색점판암, 그리고 녹회색점판암으로 구분 지을 수 있으며 편리구조가 뚜렷이 잘 발달하고 있다. 암회색점판암과 흑색점판암은 연구지역 중앙부와 남동부에 반복되어 분포하는데 탄질점판암이 협재된 흑색점판암의 경우 다른 점판암보다 어두운 색상을 띤다. Lim et al. (2006)에 의하면 두 점판암은 페름기의 비봉층에 해당되고, 북서부에는 상기 지층과 드러스트로 접하는 시대미상의 녹회색점판암이 발달하는데 판상의 세립사암과 박층의 이질암이 교호한다.

암회색점판암은 연구지역 중앙부에 북동방향의 주향을 가지며 흑색점판암과 서로 교호하면서 분포하며, 대체적으로 흑색점판암과 유사한 광물군을 보이나 상대적으로 탄질의 함량이 적고 흑색점판암에 비해서 밝은 색상을 보인다(그림 2A). 석영, 백운모가 주구성 광물로 관찰되며, 녹니석, 각섬석 및 소량의 금홍석이 수반되고, 황철석이 산점상으로 분포한다(그림 3A). 이 밖에 소규모의 석영세맥이 관찰된다. 흑색점판암은 암회색점판암과 같이 평행하게 발달하는데, 암회색점판암이나 녹회색점판암에 비해 석영 함량이 적고 탄질과 운모의 함량이 높아서 육안상 다른 두 점판암에 비해서 어두운 색상을 보인다(그림 2B). 흑색점판암 내에는 소규모 습곡과 단층 등의 변형 작용의 흔적이 나타나고, 암석 내에 절리구조가 발달하고 틈을 따라서 황철석을 수반한 석영맥이 발달한다. 백운모와 석영이 주로 관찰되고, 사장석, 첨정석 및 소량의 금운모와 투각섬석이 산출된다(그림 3B, C). 다른 두 점판암에 비해서 밝게 나타나는 녹회색점판암은 연구지역 북서부에 분포하는데(그림 2C), 세립의 석영과 백운모가 주를 이루며, 소량의 녹니석이 수반된다(그림 3D).

Fig. 2. 
Outcrop images of various rock types from the Suyoungri area. (A) dark gray slate, (B) black slate, (C) green gray slate, (D) coaly slate (Co) in sharp contact with black slate (Bk), (E) coaly slate showing brecciation texture, (F) acidic dyke.

Fig. 3. 
Photomicrographs of slate samples from the Suyoungri area. (A) dark gray slate showing foliated texture consisting of muscovite and quartz, (B) black slate consisting of muscovite, coal materials, and quartz vein, (C) quartz vein containing pyrite in black slate, (D) green gray slate consisting of fine-grained muscovite and quartz, (E) coaly slate consisting of coal materials, quartz, and pyrite. (F) reflected microscopic image of coaly slate showing pyrite associated with quartz

이 밖에 북서방향으로 발달한 소규모의 백악기 산성암맥이 연구지역 남동부와 남서부에서 관찰되는데(그림 2F), 이들은 석영, 사장석 및 정장석이 주구성 광물을 이루고, 소량의 금홍석과 황철석이 수반된다.

연구지역의 동서로 발달한 골짜기를 중심으로 흑색점판암과 암회색점판암이 분포하는 중앙부의 3개소에서 소규모의 역단층이 관찰된다. 이들은 지층의 주향과 평행한 N40∼60°E의 방향을 가지며 일부 단층대를 따라서 탄층이 발달하고 이를 따라 굴진한 흔적이 관찰된다. 연구지역 점판암은 대체로 N50∼70°E 주향과 40∼70°NW의 경사를 보이나 북동부 흑색점판암대에서는 지층이 교란된 흔적이 관찰된다. 습곡은 주로 중앙부의 흑색점판암 분포 지역에서 관찰되는데 습곡축은 북동방향으로서 단층과 유사한 방향을 보여준다.

연구지역 우라늄 광체는 흑색점판암 내에 탄질성분이 주를 이루고 있는 탄층을 따라 부존된 양상을 보인다. 주변 흑색점판암에 비해 현저히 어두운 색을 띠고 있어서 육안으로 비교적 쉽게 구분되고 뚜렷한 경계를 나타내며, 흑색점판암과 대체로 평행하게 발달하나 층리가 교란되거나 각력화 된 특징을 보이기도 한다(그림 2D, E). 연구지역에는 3매의 광체가 흑색점판암내에서 북동방향으로 발달하며 약 1∼3 m의 두께와 1 km 가량의 연장을 보인다. 광체를 따라 곳곳에 채굴적과 폐갱도가 발달하나 이들 중 일부는 과거 흑연을 개발했던 것으로 알려져 있다. 갱도는 붕락되거나 물이 차 있고 일부는 입구가 차단되어 있어서 내부 진입은 대부분 불가능한 상태이다.

탄질점판암은 흑색점판암에 비해 다량의 탄질물질과 더불어 석영 및 황철석의 산출이 많고 백운모, 금운모, 녹니석, 방해석 등이 수반된다. 특히, 1 mm 내외의 폭을 가지는 세맥들이 종종 관찰되는데 이들은 주로 석영, 방해석, 혹은 녹니석으로 구성되며 황화광물이 흔히 수반된다(그림 3E, F). 황화광물이 관찰되는 부분이 주로 균열대 부근이지만, 주변 모암과 더불어 변성작용을 받아 세맥을 이루고 있는 것으로 보아 변성작용을 받는 도중 혹은 변성작용이 끝날 무렵 생성된 것으로 보인다. 모암인 흑색점판암에서는 반자형내지 타형의 황철석 입자들이 산점상으로 산출되는 것이 일반적이나 탄질점판암에서는 괴상의 황화광물 집합체가 석영과 더불어 단속적으로 산출되기도 한다.

연구지역의 암회색점판암, 흑색점판암, 녹회색점판암 및 탄질점판암의 20개 시료에 대한 주원소 분석결과 SiO₂ 함량은 녹회색점판암이 79.43∼86.19 wt.%(평균 82.81 wt.%)로서 암회색점판암(평균 68.13 wt.%)이나 흑색점판암(평균 65.17 wt.%)에 비해 높은 함량을 보이고, 탄질점판암은 다른 유형에 비해 넓은 조성변화(33.29∼65.70 wt.%)를 보이며 평균 함량(53.07 wt.%)은 가장 적게 나타난다(표 1). SiO₂ 외에도 Al₂O₃ (5.19∼16.52 wt.%, 평균 11.31 wt.%), Fe₂O₃ (1.13∼9.80 wt.%, 평균 3.28 wt.%) MgO (0.85∼5.02 wt.%, 평균 2.06 wt.%), K₂O (0.46∼4.98 wt.%, 평균 2.73 wt.%) 등 대부분의 원소에서 탄질점판암의 함량변화는 흑색점판암을 비롯한 다른 암종에 비해 크게 나타난다. LOI는 탄질점판암이 24.84 wt.%로 흑색점판암(평균 5.83 wt.%)이나 다른 점판암에 비해 현저히 높게 나타난다.

희토류원소 분석결과 전체 평균 함량은 암회색점판암 188.2 ppm, 흑색점판암 154.4 ppm, 녹회색점판암 112.2 ppm, 그리고 탄질점판암 214.1 ppm으로서 탄질점판암에서 가장 부화되어 나타난다(표 2). 이들을 NASC (North American Shale Composite: Gromet et al., 1984)로 표준화하여 La/Yb 값을 상호 비교한 결과 흑색점판암은 La/Yb 값이 1.2∼1.9로서 비교적 일정한 변화곡선을 보이며 다른 점판암에 비해 상대적으로 좁은 범위의 함량변화를 나타낸다(그림 5). 암회색점판암은 La/Yb 값이 1.1∼2.8로서 희토류함량 범위가 넓고, 다른 점판암에 비해 경희토류가 상대적으로 약간 부화된 모습을 보이며, 녹회색점판암 두 개 시료는 La/Yb 값이 각각 1.0, 1.9를 보인다. 이에 반해 탄질점판암은 0.8∼1.9의 범위로서 흑색점판암과 유사하게 거의 평평한 곡선을 나타낸다. Eu 이상 값(Eu/Eu^*=Eu/((SmN+Gd_N)/2)은 암회색점판암 0.8∼1.0(평균 0.8), 흑색점판암 0.9∼1.2(평균 1.0), 녹회색점판암 0.7인 반면, 탄질점판암에서는 그보다 높은 0.8∼3.5(평균 2.1)의 값을 나타내어 탄질시료가 다른 점판암에 비해 Eu가 현저히 부화되어 있어서, 해저열수환경의 특징을 보여준다(Craddock, 2010).

Fig. 5. 
REE patterns normalized by NASC (North American Shale Composite) for (A) dark gray slate, black slates, and green gray slate, and (B) coaly slates.

희유원소분석결과 탄질시료는 U 외에도 V, Cr 및 Mo 등이 상당히 부화되어 나타난다. U함량은 다른 점판암에서는 평균 3∼4 ppm을 보이지만 탄질점판암에서는 약 40 ppm에 이른다(표 3). V은 암회색점판암과 녹회색점판암이 각각 83 ppm, 30 ppm인 반면, 흑색점판암에서 282 ppm으로 높게 나타나고, 탄질시료는 2352 ppm으로서 현저히 부화된 양상을 보인다. Mo의 경우 탄질점판암을 제외한 다른 점판암에서는 대부분 10 ppm 이하로 산출되나 탄질점판암에서는 평균 160 ppm에 이른다. TOC (Total organic carbon)은 암회색점판암, 흑색점판암, 그리고 녹회색점판암에서 각각 평균 0.30 wt.%, 2.06 wt.%, 0.04 wt.%를 보이는 반면, 탄질점판암에서는 21.35 wt.%로 가장 높게 나타난다.

연구지역 점판암을 구성하는 주성분 원소비는 흑색점판암의 경우 SiO₂/Al₂O₃은 3.17∼4.22로서 비교적 좁은 조성범위를 갖지만, Al₂O₃/Na₂O와 K₂O/ Na₂O은 각각 13.12∼81.11과 2.96∼20.41로서 비교적 넓은 범위를 나타내며, 암회색점판암과 녹회색점판암도 유사한 특징을 보여준다. 특히, 탄질점판암의 경우 이들 원소비가 각각 3.22∼9.10, 4.25∼117.92, 0.27∼35.51로서 넓은 범위를 나타내는 것으로 보아 퇴적 당시 근원암이 단순히 퇴적물에 의한 퇴적암이 아닌 화성기원 퇴적물이 함께 혼재되어 형성되었을 것으로 추정된다(McLennan et al., 1984; Lee and Lee, 1997).

희유원소들과 고장력원소(High field strength elements; Zr, Hf, Nb, Ta, Ti) 및 Th, Sc, Co는 풍화, 속성작용, 변성작용 등이 일어날 때 낮은 이동성을 보이며 이를 통해 퇴적암의 근원암을 유추하게 되는데, 이 가운데 Th과 La은 불호정성으로써 염기성암보다는 규장질암에 더 농집되며, Sc, Co는 호정성이 강해서 반대로 규장질암보다는 염기성암에 더 많이 농집이 되어 있다(Taylor and McLennan, 1985). 이를 바탕으로 연구지역 점판암을 Co/Th-La/Sc 다이어그램에 도시한 결과 규장질암에 해당하는 것을 알 수 있다(그림 6).

Fig. 6. 
Correlation between Co/Th and La/Sc for slates

이상과 같이 주원소 및 희유원소 등을 이용한 연구지역 퇴적암의 근원암을 조사한 결과 이들은 단순히 한 종류에 의해 형성된 것이 아닌 규장질 화성암을 포함한 여러 종류의 퇴적물질이 혼재되어 형성된 것으로 추정된다.

산화환원환경에 민감한 원소들에 대하여 연구지역 모암과 탄질점판암을 NASC (North American Shale Composite: Degens et al., 1958; Wedepohl, 1974; Gromet et al., 1984)와 비교해 본 결과 V, Cr, Mo, U이 탄질점판암에서 현저히 부화된 값을 보이는 반면, Mn, Co, Zr의 경우에는 표준시료에 비해 현저히 결핍되어 있으며, Sc, Ti, Ni 및 Th는 별다른 차이를 나타내지 않는다(그림 7). 특히, V가 현저히 부화된 이유는 산화환경에서 이온상태로 존재하다가 혐기성환경에서 퇴적되어 농집된 결과로 해석된다(Francois, 1988). 우라늄 또한 탄질점판암에서 부화된 양상을 보이는 것은 연구지역 우라늄 농집이 일반적인 해수에서의 단순한 침전이 아닌 다른 기작의 영향을 받았음을 시사한다.

Fig. 7. 
Concentrations of some redox-sensitive elements (V, Cr, Mn, Co, Ni, Mo, Th, U), as well as Sc, Ti and Zr for (A) dark gray slate, black slates, and green gray slate, and (B) coaly slates. The values were normalized to NASC (Gromet et al., 1984), except V (Degens et al., 1958) and Mo (Wedepohl, 1974).

총유기탄소(TOC: Total organic carbon)와 희유원소들(U, V, Mo) 간의 상관관계를 통해서도 환원상태에 대해서 설명할 수 있다. U은 대부분 산화 내지 아산화 환경의 해양내에 우라닐 탄소 복합체[UO₂(CO₃)₃^4-]의 형태로 존재하나 U⁴⁺으로 환원되면 퇴적암 내에 우라니나이트 결정으로 침전되거나 환원 상태의 준안정 전구체로 된다(Anderson et al., 1989; Calvert and Pedersen, 1993). U⁶⁺의 감소는 대부분 박테리아에 의한 황화물의 감소와 관련이 있고 이런 감소는 유기물의 양과 큰 관계를 보이고 있다. 그래서 일반적으로 황화물이 없는 무산소 내의 TOC와 U은 강한 상관관계를 보이는 반면, 황화물이 있는 폐쇄해성내에서는 상당량의 U이 농집이 되지만 U-TOC의 상관관계는 약하거나 거의 변화가 없게 나타난다(Tribovillard et al., 2006). 연구지역 시료들에 포함된 U, V, Mo 금속원소들의 TOC와의 상관관계는 비교적 약하게 나타나는 편이다(그림 8). 다만, V의 경우 다른 점판암에서는 비교적 뚜렷한 정의 상관관계를 형성하지만 탄질점판암에서는 별다른 경향을 보이지 않는다.

연구지역의 점판암의 U/Al(ppm/%)을 황화물이 없는 환원환경인 PAAS (Post Archaean Australian Shale)(0.31; Taylor and McLennan, 1985)와 황화물이 풍부한 환원환경인 흑해의 퇴적암(3.3; Calvert and Pedersen, 1993)과 비교해 본 결과 탄질점판암을 제외한 나머지 세 암석(암회색점판암 0.25; 흑색점판암 0.24; 녹회색점판암 0.49)은 대체로 PAAS와 유사한 값을 보이는 반면, 탄질점판암(4.14)은 황화물이 풍부한 환원환경에 가까운 값을 나타내고 있다.

Fig. 8. 
Correlation between TOC with U, V, and Mo contents for slates.

V은 산화되는 퇴적암에 비해 환원되는 퇴적암에 우선적으로 농집이 일어나며 두 종류의 환원상태로 구분 지을 수 있다. V⁵⁺에서 V⁴⁺로의 환원은 황화물이 없는 무산소 상에서 일어나고 TOC와의 상관관계도 뚜렷하게 잘 나타나지만 V⁴⁺에서 V³⁺은 황화물이 있는 상태에서 일어나지만 TOC와는 뚜렷한 상관관계를 보이지 않는다. PAAS (15.0; Taylor and McLennan, 1985)와 흑해의 퇴적암(V/Al=28.8; Calvert and Pedersen, 1993)을 기준으로 비교했을 때, 암회색점판암(평균 5.52), 흑색점판암(평균 16.49), 녹회색점판암(평균 4.36)의 V/Al은 U과 마찬가지로 PAAS에 가까운 값을 나타내는 반면, 탄질점판암(평균 242.05)은 흑해 퇴적암에 비해서도 현저히 높은 값을 보이고 있다.

Mo 또한 PAAS (0.10; Taylor and McLennan, 1985)와 흑해의 퇴적암(Mo/Al=4.3; Calvert and Pedersen, 1993)을 비교했을 때 연구지역의 암회색점판암(평균 0.26), 흑색점판암(평균 0.42), 녹회색점판암(평균 0.70)은 PAAS에 보다 가까운 값을 보여주고, 탄질점판암(평균 18.49)은 흑해 퇴적암보다도 훨씬 높은 값을 보여준다.

이러한 경향은 Yarincik et al. (2000)이 제시한 환원환경 지시원소비 조성에도 나타난다 (표 4). 이들의 분석 값을 보면 연구지역 암회색 및 녹회색점판암은 혐기성환경을 지시하는 V/(V+Ni)를 제외하고는 V/Cr, Ni/Co, U/Th 비가 대부분의 시료에서 산소가 풍부한 환경에 해당하는 값을 보이고, 흑색점판암은 무산소환경과의 중간 정도에 해당하는 것으로 나타난다. 이에 반해 탄질점판암 시료 대부분은 무산소환경에 해당하는 것을 알 수 있다.

일반적으로 해수기원시료의 경우 중희토류로 갈수록 부화되는 경향을 보이고 La, Pr, 혹은 Nd에 비해 Ce 결핍이 두드러진 경향을 나타내는데 이러한 점은 해성기원 세일에서 나타나는 주요 특징으로 알려져 있다(Elderfield and Greaves, 1982; Sotto and Yoshiyuki, 1999). Ce 이상 값(Ce^*=log(3Ce_N/ (2La_N+Nd_N))을 비교해 보면 암회색점판암 -0.08∼-0.06(평균 -0.07), 녹회색점판암 -0.10∼-0.06(평균 -0.08), 흑색점판암 -0.09∼-0.04(평균 -0.08), 탄질점판암 -0.24∼-0.07(평균 -0.13)로서 모암에 해당하는 세 점판암이 상호 유사한 값을 나타내는 반면 탄질점판암은 이들에 비해 낮은 값을 보여준다(표 2). Ce 이상 값은 산화환원환경에 따라 민감하게 변하는 것으로 알려져 있는데(Sholkovitz et al., 1994; Wilde et al., 1996), 산화환경에서는 정의 Ce 이상치(>-0.10)을 보이는 반면, 환원환경에서는 이와는 반대로 부의 이상치(<-0.10)를 나타낸다. 상기한 바와 같이 탄질점판암의 Ce 이상치는 모암인 흑색점판암 보다도 작은 값을 보이고 있어서 탄질점판암의 생성환경이 다른 점판암과는 달리 환원환경이 주를 이루었음을 알 수 있다.

이와 같이 연구지역 대부분을 차지하는 점판암들은 대부분 황화물이 없는 환원환경의 조성에 가까우며, 그 가운데 흑색점판암은 상대적으로 황화물의 함량이 많은 특징을 보여준다. 반면, 탄질점판암은 황화물이 풍부한 환원환경을 지시하는 것으로 보아 다른 점판암과는 성인적으로 뚜렷한 차이가 있는 것으로 해석된다.

점판암들에 대해 퇴적기원암석 지시원소인 Al₂O₃와 이동성이 강한 미량원소인 Ba, V, Sc, U, Mo을 이용하여 상관관계를 도출해 본 결과(Campos Alvarez and Roser, 2007; Pi et al., 2011) Ba, V, 및 Sc의 경우 부분적으로 정의 상관관계를 나타내는 반면, U, Mo, Cr은 별다른 양상을 보이지 않는다(그림 9). 이는 퇴적 당시 함께 수반된 이후 이차적인 요인에 의해 재농집된 것으로 여겨진다. 특히, 탄질점판암의 경우 Sc를 제외하고 암회색점판암이나 녹회색점판암은 물론 모암인 흑색점판암과 보다 현저히 많은 금속원소 함량을 나타내고 있으며, Ba의 경우 정의 상관관계를 보이는 다른 세 점판암과는 달리 별다른 경향성이 나타나지 않고 있어서 탄질점판암이 이차적인 변질작용 산물일 가능성을 시사하고 있다.

Fig. 9. 
Selected minor elements-Al₂O₃ variation diagrams for slates.

특히, 주원소성분의 LOI 함량이 탄질점판암에서 높게 나타나는 것은 기존의 흑색점판암이 열수변질작용에 의해 우라늄이 재농집되었을 가능성이 있음을 시사하는 것으로 여겨진다. 맥상의 석영 및 황철석의 산출은 이러한 열수작용이 활발하였음을 뒷받침하는 증거이다.

퇴적환경 및 산화환원조건에 따라 변하는 Ce 함량은 고해수이나 열수환경에서는 La/Ce가 약 2.8로서 Ce의 부화가 나타나지 않으나, Fe-Mn을 수반한 수성기원 퇴적물에서는 Ce가 부화되어 약 0.25에 이른다(Toth, 1980). 연구지역 시료들에 대한 La/Ce 값을 도시한 결과 0.45∼0.80의 범위를 나타내며 이 가운데 탄질점판암은 다른 암석들에 비해 상대적으로 높은 값을 보이고 있다(그림 10). U/Th의 경우 퇴적 당시의 특징을 잘 나타내는데 Bostrom (1983)에 따르면 U/Th 값이 1보다 낮은 경우 일반적인 퇴적암이고 U/Th 값이 1보다 큰 경우에는 열수에 의해 형성된 것이다. 연구지역 모암에 해당하는 암회색점판암, 흑색점판암, 녹회색점판암의 경우 1보다 낮은 값으로 일반적인 퇴적암의 값을 보이고 있으나, 탄질점판암의 경우 대부분 1보다 큰 값에 도시되는 것으로 보아 우라늄 농집과정에 열수의 영향이 있었던 것으로 생각된다(그림 11).

Fig. 10. 
Correlation diagram showing the Ce-La relationship (according to Toth (1980)).

Fig. 11. 
U-Th correlation diagram for slates (according to Bostrom (1983)).

한편, 열수 환경에서 유동성이 큰 것으로 알려져 있는 Eu는 해저 열수환경에서는 부화되어 나타나는 반면(Manikyamba et al., 1993; Craddock, 2010), 조산대 및 대륙의 열수에서는 반대로 결핍되는 것으로 알려져 있다(Michard and Albarede, 1986). 이는 Eu의 유동성이 산화완원 및 온도 조건에 큰 영향을 받아서 고온의 환원환경에서는 Eu가 부화되는 반면, 저온의 산화환경에서는 결핍되는 특징과 관련되어 있다(Parr, 1992). 연구지역 시료 중에서 탄질점판암의 경우에만 Eu이 부화되어 나타나고, 아울러 Ce의 결핍이 다른 유형의 시료에 비해 두드러진 것으로 보아 탄질점판암의 생성은 해저열수의 영향을 받은 것으로 여겨진다. 옥천변성대가 활발한 화산활동을 수반한 열개 환경이었다는 점에서 (Cluzel et al., 1990; Cho and Kim, 2002; Cho et al., 2004) 연구지역 우라늄광체는 해저화산활동이 수반된 퇴적작용이나 혹은 이차적인 열수작용이 활발한 환원환경하에서 형성된 것으로 여겨진다.