가곡면 면산층 내 Ti-Fe 산화광물의 산상 및 조성변화

1. 서 론

최근 첨단산업이 발달함에 따라 핵심소재원료물질에 대한 관심이 증대되고 있다. 이 중 티타늄(Ti)은 동일 부피의 강철보다 가볍고 단단한 특징이 있어 이를 이용한 티타늄합금은 다양한 산업분야에서 그 활용성이 늘어나고 있다(Jeon et al., 2018; Park et al., 2022). 하지만 국내에서 사용되는 티타늄의 대부분은 수입에 의존하고 있어 국내 광체탐사를 통해 자원을 확보하게 될 경우 많은 경제적 이점을 기대해 볼 수 있다(Jeon et al., 2018). 티타늄은 지각에서 9번째로 풍부한 원소로 금홍석(TiO₂)과 티탄철석(FeTiO₃)이 주요 함티탄 광물이다(Force, 1991; Meinhold, 2010). 이들 대부분은 화성암에서 산출되거나 퇴적암에 퇴적물 형태로 산출된다(Force, 1991). 국내 대표적인 티타늄광상은 연천, 소연평도, 보름도에 위치하며 이들은 선캠브리아기 변성암류 지층에 발달하는 화성기원의 특징을 보인다. 또한 이들은 자철석과 함께 수반되어 산출되는 것으로 보고되어 있다(Kim et al., 1994; Lee et al., 2022).

반면, 면산층은 퇴적광상의 한 형태인 고-사광상(Paleo-placer deposit)에 해당한다(Kim, 1991; Kim and Lee, 2006; Parnell et al., 2014). Park et al. (2022)는 면산층, 대기층, 화절층, 동점층, 두무골층, 그리고 막골층에 대한 현미경 관찰 결과 면산층이 다른 층들에 비해 많은 양의 불투명광물을 함유하고, 휴대용 X-선 형광분석 결과 평균 티타늄 함량이 4.35%로 변이가 심하지만 다른 층들과 달리 높은 함량을 갖는다고 보고하였다.

이처럼 최근 들어 첨단소재 원료의 필요성으로 면산층 내 티타늄에 대한 관심이 증가하면서 자원확보를 위한 구체적인 연구가 필요한 실정이다. 본 연구는 삼척시 가곡면 풍곡리 일대에 분포하는 면산층을 홍제사화강암 접촉부에서부터 이와 정합적 관계를 보이는 하부 묘봉층에 이르기까지 Ti-Fe 산화광물의 산출특성 및 지화학적 연구결과를 통하여 이들의 성인적 특징을 고찰하고자 한다.

2. 지 질

한반도 중동부에 위치하는 태백산분지는 선캠브리아기 편마암으로 구성된 영남육괴를 기반암으로 하여 상부에 고생대 캠브로-오르도비스기에 퇴적된 조선누층군과 석탄기-트라이아스기 초기에 퇴적된 평안누층군으로 구성된다(Chough, 2013). 연구지역인 장성지구는 가곡면 풍곡리 일대로 선캠브리아기 홍제사화강암을 기반암으로 하여 상부에 부정합으로 조선누층군의 면산층, 묘봉층 및 화절층이 분포한다(Choi et al., 2004). 그리고 이를 후기에 백악기 화강암체가 관입하여 나타난다(그림 1).

Fig. 1.

Geologic map and the sample location.

홍제사화강암은 선캠브리아기 변성퇴적암류로 구성된 율리층군을 관입하여 나타나며, 중심부에서 주변으로 갈수록 흑운모화강암에서 복운모화강암으로 변하는 특징을 나타낸다(Kim and Cho, 1994). 그리고 지역에 따라 괴상의 화강암, 호상편마암, 그리고 거정질 미그마타이트가 산출된다(Kim and Cho, 1994). 저어콘을 이용한 U-Pb 연대측정 결과 2013+³⁰/_-24 Ma로 확인되었다(Lee et al., 2010).

면산층은 태백산분지의 최하부층으로 장산층과 대비되어 나타나는 것으로 해석되었다(Cheong, 1969; Cheong et al., 1973; Kim and Cheong, 1987). 이 층은 홍제사화강암을 부정합으로 덮고 있으며 약 100 m 두께의 암회색 사암 및 실트암으로 구성된다(Cheong et al., 1973). 면산층의 기저부는 역암이 우세하게 나타나며 역들은 주로 화강암질 편마암 또는 규암으로 구성된다(Kim, 1991). 기저부에서 상부로 올라갈수록 어두운 색의 사층리가 발달하는 세립 내지 중립질 사암이 관찰되며 점진적으로 실트암 내지 이암상으로 발달하는 특징을 보인다(Kim, 1991). 그리고 면산층에서 주로 나타나는 Ti-Fe 산화광물은 선캠브리아기 철과 티타늄이 풍부한 화성암, 변성암 또는 퇴적암에서 기원된 것으로 보이며, 천해환경에서 퇴적된 것으로 여겨졌고(Kim, 1991), Woo et al. (2006)는 면산층이 조류의 영향을 우세하게 받는 조간대 환경에서 형성된 것으로 해석하였다.

묘봉층은 면산층과 마찬가지로 북동방향의 주향으로 분포하며 면산층 위에 정합으로 놓여있다. 이 층은 주로 암회색 점판암으로 구성되며, 일부 렌즈상 사층리 사암상이나 생물교란 사암 등 주로 세립질 사암 또는 실트암으로 이루어진다(Oh, 2020). 연구지역 남부와 서부에 넓게 분포하는 백악기 관입암체는 주로 암상이나 암맥 형태로 나타나고 화강암, 화강반암, 염기성 암맥 등이 복합적으로 산출된다(그림 1). 특히 화강암체는 반상조직이 발달하는데, 석영 및 알칼리장석이 반정으로 산출되고 기질은 주로 세립질 석영 및 정장석으로 구성된다(Seo et al., 2020). 조사지역 북서쪽에는 가곡 연-아연광상이 위치하고 있으며 조사지역 일부에도 열수작용에 따른 황화광물의 정출과 변질대의 발달이 확인된다(그림 1).

3. 연구방법

가곡광산 진입로에서 벗어나 산사면에 위치한 홍제사화강암 접촉부의 면산층, 진입로를 따라 분포하는 면산층, 그리고 상위의 묘봉층에 대해 순차적으로 암상관찰 및 시료를 채취하였다(그림 1). 면산층은 하부에서 상부로 가면서 변화특성을 파악하기 위해 산성암맥이 관입한 하단부를 시점으로 3~5 m 간격으로 시료를 채취하였으며, 거리 기준으로 하부(2~34 m), 중부(37~71 m), 그리고 상부(74~108 m)로 면산층을 구분하여 비교하였다(그림 1). 시료번호는 하단부로부터의 거리를 반영하여 표기하였다(예, GG-37: 면산층 하단부로부터 37 m 지점).

또한 탐사지표로 대자율 값을 확인하기 위해 대자율측정기(ZH instuments, SM-30)를 이용하여 채취한 시료의 암석단면을 측정하였고, 박편시료에 대한 편광현미경 및 후방산란전자이미지(BSE: Back scattered electron image) 분석을 통한 암석기재 및 분말시료에 대한 X선회절분석을 수행하였다. XRD (X-ray diffraction) 분석은 공주대학교 공동실험실습관의 Rigaku사 MiniFlex600 (600 W, 4 kV, 15 mA)을 이용하여 3~90° 구간에 분당 10° 간격으로 수행하였다. 전자현미분석(EPMA: Electon Probe Microanalysis)은 산화광물을 대상으로 부산대학교 공동실험실습관에서 Jeol JXA-8530F를 이용하여 실시하였으며, 분석조건은 15 KeV, 20 nA, 빔의 직경은 1~3 μm이다. 그리고 휴대용 X선 형광분석은 사질성분대와 이질성분대를 구분하여 수행하였다. 사질성분대는 회색 내지 암회색을 띠고 육안으로 입자가 관찰되는 반면, 이질성분대는 흑색 내지 암녹색을 띠고 육안으로 입자가 보이지 않는 특징으로 구분하였다. 분석에 사용된 장비는 Olympus사 DELTA Professional XRF DPO-6000으로 광원은 40 kV miniature X-ray tube를 통해 조사되었으며, 검출기는 Silicon Drift Detector를 사용하였다.

4. 분석결과

4.1 암석기재학

연구지역 홍제사화강암 접촉부는 급경사를 이루며 면산층과 불규칙한 경계를 이루고 있다(그림 2a). 암상은 주로 암회색을 띠고 사질과 이질부분이 구분되며 층리가 발달한다(그림 2g). 현미경관찰 결과 세립의 석영이 산재하며 녹니석, 견운모가 관찰되고 상대적으로 괴상을 이루는 이질부분에서의 엽리구분은 미약한 편이다(그림 3a).

Fig. 2.

Photographs of representative outcrops and rock slabs. (a) Myeonsan Formation at the contact with the Hongjesa granite, (b) Myeonsan Formation intruded by felsic dyke, (c-d) Gray to dark gray Myeonsan Formation dominated by fine to medium grained sandstone, (e) Contact between Myeonsan and Myobong Formations, (f) Reddish brown massive Myobong Formation, (g) Sandy and muddy layers in the Myeonsan Formation at the contact with the Hongjesa granite, (h) Sharp contact between sandy and muddy layer in the Myeonsan Formation, (i) Pyrite along the layer of the Myeonsan Formation, (j) Gravelly sandstone in the Myeonsan Formation, (k) Microfolding with displacement in the Myobong Formation.

Fig. 3.

Microphotograps of thin sections. (a) Hongjesa granite contact, (b-f) Myeonsan Formation, (g-i) Myobong Formation. Abbreviations: Ab = albite, Cc = calcite, Chl = chlorite, Ht = hematite, ilm = ilmenite, Mus = muscovite, Qtz = quartz, Rt = rutile, Ser = sericite.

연구지역 중심부를 차지하는 면산층은 주로 암회색 내지 회색을 띠며(그림 2c, 2d) 세립 내지 중립질 사암이 우세하고 하단부분과 중간부분에 산성암맥이 관입하여 나타난다(그림 2b). 암석단면 관찰 시 사질부분과 이질부분이 교호하는 특징이 잘 나타나고 경계가 비교적 뚜렷하다(그림 2h). 일부 층리면을 따라 황철석이 산출되기도 하며, 부분적으로 역질 암편을 포함하기도 한다(그림 2i, 2j). 현미경관찰 시 구성광물로 석영, 백운모, 장석, 견운모, 녹니석, 방해석 등이 관찰되고 일부 알칼리장석이 관찰된다(그림 3b-3f). 금속광물로는 금홍석, 티탄철석, 적철석, 그리고 자철석이 산출된다(그림 3d-3f, 4a-4e). 대부분 층리가 잘 발달하고 석영 입자의 원마도는 불량한 편에 속하지만 층리구조가 뚜렷하지 않은 부분에서는 상대적으로 양호한 원마도를 나타내기도 한다(그림 3f). 그리고 사질과 이질부분은 비교적 뚜렷한 경계를 이룬다(그림 3e). 층리구조가 발달한 부분에서 금속광물은 광물들 사이에 분산된 형태로 산출되거나 석영-녹니석-견운모와 호층을 이루며 산출된다(그림 3d-3f). BSE 이미지 관찰결과 티탄철석은 적철석 내 용리조직으로 주로 산출된다(그림 4a), 금홍석은 외곽부에서 티탄철석이나 적철석에 의해 둘러싸여 교대된 것처럼 나타난다(그림 4b, 4c). 자철석은 금홍석과 유사하게 독립된 결정으로 산출된다(그림 4d).

Fig. 4.

Back scattered electron images of Ti-Fe oxide minerals. (a-e) Myeonsan Formation, (f) Myobong Formation. Refer to Figure 3 for abbreviations.

묘봉층은 면산층과 정합적인 관계를 이루나 정확한 경계를 식별하는데 어려움이 있다(그림 2e). 조사지역 하부에서는 암회색 판상을 이루다가 점차 적갈색의 괴상암체가 우세하게 발달하는 경향이 있고(그림 2e, 2f), 상부에서는 셰일 혹은 천매암질 암석으로 변하는 양상을 나타낸다. 또한 부분적으로 열수변질의 영향으로 황화광물이 관찰된다. 암석단면 관찰 시 전반적으로 어두운색을 띠고 암회색의 층리가 관찰되며 소규모 습곡과 같이 변형작용을 받아 층리가 절단되기도 한다(그림 2k). 현미경관찰 결과 석영, 방해석 및 적철석이 상호 불규칙한 분포를 보이며 분대를 이루거나 세립질의 석영, 견운모 및 녹니석이 층리를 형성하거나 렌즈형태로 뭉쳐 산출되기도 한다(그림 3g-3i). 금속광물은 적철석이 주를 이루며 미량의 티탄철석이 수반되며 면산층보다 크기나 양이 현저히 적게 산출된다. BSE 이미지 관찰결과 용리조직을 수반하는 티탄철석 결정 가장자리를 따라 적철석이 발달하기도 한다(그림 4f).

4.2 X-선 회절분석

X선 회절분석은 면산층 24개, 묘봉층 5개, 그리고 홍제사화강암 접촉부 2개 시료를 대상으로 실시하였으며 분석 결과 현미경에서 관찰된 석영, 알칼리장석, 백운모, 견운모, 녹니석, 그리고 방해석이 나타나며(그림 5), 금속광물은 주로 금홍석이나 적철석이 관찰되며 부수적으로 티탄철석, 자철석 및 황철석이 수반된다(그림 5, 6).

Fig. 5.

X-ray diffraction patterns of powered samples. (a) Hongjesa granite contact (b-e) Myeonsan Formation, (f) Myobong Formation. Abbreviation: Py = pyrite. Refer to Figure 3 for others.

Fig. 6.

Variation of Ti-Fe oxide mineral contents of (a) rutile, (b) ilmenite, (c) magnetite, and (d) hematite obtained by XRD analysis and of (e) magnetic susceptibility.

홍제사화강암 접촉부의 금홍석 평균 함량은 1.9%이며, 면산층에서는 하부 3.4%, 중부 3.2%, 그리고 상부 1.9% 순으로 점차 감소한다(표 1). 묘봉층에서는 1.0%로 가장 적다. 티탄철석의 경우 홍제사화강암 접촉부에서는 평균 1.9%이며, 면산층 하부에서 1.6%, 중부 1.1%, 상부 1.2%이고, 묘봉층은 검출한계 미만으로 나타난다. 적철석 평균 함량은 홍제사화강암 접촉부에서 5.0%로 가장 높고, 면산층 하부 4.0%, 중부 1.4%, 상부 3.2%, 그리고 묘봉층 1.8%로 나타난다. 자철석은 대부분 1% 미만으로 산출되고 묘봉층에서는 거의 검출되지 않는다.

Table 1.

Statistics of quantitative XRD analyses of the samples (%).

4.3 전자현미분석

연구지역에서 산출되는 금홍석, 티탄철석, 적철석, 그리고 자철석에 대한 전자현미분석결과는 표 2~표 5에 제시하였다. 홍제사화강암 접촉부 금홍석의 TiO₂ 평균 함량은 98.74 wt.%를 갖고(표 2), 면산층에서는 하부 99.22 wt.%, 중부 98.37 wt.%, 그리고 상부 98.70 wt.%로 점차 감소한다(그림 7, 8). 티탄철석의 TiO₂ 함량은 FeO보다 높게 나타나는데(그림 7), 면산층 하부에서는 51.68~54.57 wt.% (avg. 53.09 wt.%), 중부 50.19~52.73 wt.% (avg. 51.84 wt.%), 그리고 상부 49.16~51.56 wt.% (avg. 50.41 wt.%) 순으로 감소하는 경향이 뚜렷하다(그림 8).

Table 2.

Representative electron microprobe analyses of rutile (wt.%).

Table 3.

Electron microprobe analyses of ilmenite (wt.%).

Table 4.

Representative electron microprobe analyses of hematite (wt.%).

Table 5.

Electron microprobe analyses of magnetite (wt.%).

Fig. 7.

Phases in the TiO2-FeO-Fe2O3 system for Ti-Fe oxide minerals, showing the major solid solution series magnetite-ulvöspinel, hematite-ilmenite, and ferropseudobrookite-pseudobrookite (after Buddington and Lindsley, 1964).

Fig. 8.

Variation of TiO2 contents obtained by EPMA for (a) rutile, (b) ilmenite, and (c) hematite.

적철석의 TiO₂ 함량은 홍제사화강암 접촉부에서 0.55~5.19 wt.% (avg. 2.54 wt.%)로서 가장 낮게 나타나고(그림 7, 8), 면산층에서 하부 2.04~5.37 wt.% (avg. 3.48 wt.%), 중부 2.50~8.42 wt.% (avg. 4.83 wt.%), 그리고 상부 0.36~13.68 wt.% (avg. 5.85 wt.%)로 상부로 가면서 점차 증가하는 경향을 보인다(그림 7, 8). 묘봉층에서는 0.15~8.11 wt.% (avg. 3.91 wt.%)로 다시 감소한다(그림 7, 8). 자철석내 TiO₂ 함량은 매우 낮아 면산층에서는 0.04 wt.% 이하를 나타내고, 묘봉층에서는 0.12 wt.%를 갖는다(표 5).

4.4 휴대용 X-선 형광분석

휴대용 X선 형광분석에 의한 Ti와 Fe 함량을 표 6에 제시하였다. 홍제사화강암 접촉부 Ti 값은 각각 4.5, 4.4 wt.%이고, Fe는 각각 14.5, 16.9 wt.%로 비교적 높게 나타난다(그림 9). 면산층의 Ti 평균 함량은 2.8 wt.%이며, 이 가운데 사질성분대는 0.5~9.3 wt.% (avg. 3.3 wt.%) 그리고 이질성분대는 0.3~7.1 wt.% (avg. 2.0 wt.%)로 전자가 높다(그림 9). 면산층 하부의 Ti 함량은 0.6~5.9 wt.% (avg. 2.7 wt.%), 중부 0.7~6.6 wt.% (avg. 3.5 wt.%), 그리고 상부 0.8~5.3 wt.% (avg. 2.2 wt.%)로 중부에서 가장 높은 값을 보여준다(그림 9). Fe 함량은 면산층 하부에서 6.8~20.3 wt.% (avg. 13.0 wt.%), 중부 4.8~23.0 wt.% (avg. 13.9 wt.%), 그리고 상부에서 7.9~20.0 wt.% (avg. 12.2 wt.%)로 Ti와 유사하게 중부에서 높게 나타난다(그림 9). 묘봉층의 Ti와 Fe 함량은 각각 0.6~1.3 wt.% (avg. 0.8 wt.%)과 8.6~14.7 wt.% (avg. 10.6 wt.%)로 가장 낮은 값을 보여준다(그림 9).

Table 6.

Portable XRF analyses and magnetic susceptibilities of the samples.

Fig. 9.

Variation of (a) Ti and (b) Fe concentrations obtained by portable X-ray fluorescence for samples. Data for sandy layer, muddy layer and their average values are plotted together.

5. 토 의

5.1 Ti-Fe 산화광물 산출특성

홍제사화강암 접촉부를 포함한 면산층 내 산화광물은 금홍석, 티탄철석, 그리고 적철석이 주를 이루고 소량의 자철석이 수반된다(그림 4, 5). 면산층 내 산화광물의 함량비를 알아본 결과 금홍석과 적철석은 하부에서 상부로 갈수록 전체적으로 감소하는 경향을 보인다(그림 6a, 6d). 특히 면산층 상부에서 금홍석은 하부와 중부에 비해서 현저히 감소한 것을 확인할 수 있다(그림 6a). 티탄철석은 면산층 하부, 중부, 그리고 상부에서 반복적인 변화양상을 보이며, 하부에서 약간 높은 편이나 전체적으로 2% 이하의 낮은 함량을 갖는다(그림 6b). 적철석은 면산층 하부에서 가장 높게 나타난 후 점차 감소하고 면산층과 묘봉층 경계로 가면서 약간 증가하는 경향을 보이지만 이후 다시 감소한다(그림 6d). 홍제사화강암 접촉부의 금홍석, 티탄철석 및 적철석 함량은 면산층 최하부와 대체로 비슷한 경향을 나타낸다(그림 6a, 6b, 6d).

대자율 값은 면산층 하부 및 중부 일부와 홍제사화강암 접촉부에서 상대적으로 높은 값을 나타내지만 대부분 비슷한 범위를 보인다(그림 6e). 일반적으로 대자율 값은 강자성광물에 해당하는 자철석의 영향을 강하게 받으며 함량과 입자크기에 따라 값이 변화한다(Lindsley et al., 1966; Hunt et al., 1995; Hong, 2004). 연구지역 자철석은 일부 시료에서 약 200 μm 정도의 크기로 산출되어(그림 4d) 높은 대자율 값을 갖지만(e.g., GG-37; 그림 6e), 이를 제외하면 대체로 수 μm 크기의 작은 입자로 분포하거나 산화되어 대자율 값과의 상관관계가 미약하게 나타나는 것으로 여겨진다(그림 6c). 반면, 금홍석과 대자율 값은 대체로 상반된 경향을 보인다(그림 6a, 6e).

일반적으로 사암은 약 1.5% 이하의 금속광물을 포함하며(Shawe, 1968), 대자율 값은 최대 20.9 mSI 이내에서 넓은 범위를 보인다(Hunt et al., 1995). 면산층 사암의 금속광물 함량비는 평균 5.2%로서 비교적 많은 양을 함유하고 있으며, 대자율은 일부 이상값(e.g., 26.05 mSI)을 제외하면 평균 1.75 mSI로 대부분 일반적인 사암 범위에 해당한다. 한편 연구지역 묘봉층에서는 대자율 값이 증가하는데 이는 열수변질에 따른 황화광물의 산출과 관련된 것으로, 상대적으로 높은 대자율 값을 갖는 자류철석(최대 1,400 mSI)의 영향인 것으로 해석된다(그림 6e; Hunt et al., 1995).

Park et al. (2022)은 휴대용 X-선 형광분석기를 이용한 면산층에 대한 연구에서 Ti 함량이 넓은 범위(0.51~21.36%, avg. 4.3%)를 갖고, 사질성분대와 이질성분대에 따른 값의 편차가 크며 사질성분대가 더 큰 값을 갖는다고 보고하였다. 본 연구에서도 사질성분대와 이질성분대의 Ti 함량 범위는 상호 유사하나 평균 조성(사질 3.3 wt.%, 이질 2.0 wt.%)에서는 전자가 높게 나타난다(그림 9). 이러한 점은 현미경 관찰 결과 연구지역 Ti-Fe 광물이 석영입자와 더불어 산출되는 것과 관련이 있어 보인다(그림 3d-3f). Kim and Lee (2006)에 의하면 면산층 상위의 묘봉층으로 가면서 사질성분의 양이 줄어들고 이질성분이 증가하는데 이는 연구지역 묘봉층이 면산층에 비해 Ti-Fe 광물산출이 현저히 감소한 점을 설명해 준다(그림 6; 표 7).

Table 7.

Summary of mineralogical and geochemical characteristics.

6. 결 론

가곡면 면산층은 주로 암회색을 띠고 사질과 이질부분이 교호하여 발달하며 층리면을 따라 Ti-Fe 산화광물인 금홍석과 티탄철석이 석영과 함께 산출된다. 티탄철석은 주로 적철석과 함께 산출되며 용리조직을 보인다. 면산층의 금속광물 함량비는 평균 5.2%로 일반적인 사암보다 높으며, 사질성분대와 이질성분대의 Ti 함량범위는 유사하나 평균 조성은 사질성분(3.3 wt.%)에서 높게 나타난다. 연구지역 면산층 내 금홍석 함량은 하부(3.4%)에서 상부(1.9%)로 갈수록 감소하는 경향을 나타내며 티탄철석은 하부(1.6%)에서 상대적으로 높고 상부로 가면서 반복적인 변화양상을 보인다. 금홍석과 티탄철석 내 TiO₂ 함량도 하부에서 상부로 가면서 감소하는 경향이 뚜렷하다. 또한 홍제사화강암 접촉부에서의 Ti 함량은 최대 4.5 wt.%에 이르고, 면산층 상부와 묘봉층으로 가면서 점차 감소한다. 이러한 면산층 Ti-Fe 산화광물의 조직, 함량, 그리고 Ti 조성변화는 하부에서 상부로 가면서 광물군과 티타늄 함량이 순차적으로 변화하는 고철질 화성암체의 풍화에 기인되었음을 시사한다.

Acknowledgments

이 논문은 한국광해광업공단 ‘일반광업육성지원 정밀조사사업(2022)’과 2022년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2022R1A2C1008260). 논문에 대해 유익한 비평을 주신 편집위원과 심사위원들께 감사드린다.

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