남극 북빅토리아랜드의 광물 자원 존재 및 탐사 가능성 평가

1. 서 론

대한민국 극지연구소의 두 번째 남극기지인 장보고 과학기지가 2014년 2월에 남극 북빅토리아랜드(Northern Victoria Land) 테라노바만(Terra Nova Bay) 해안가에 건설되었다(그림 1). 장보고 과학기지의 완공 이후 기지를 기반으로 하여 북빅토리아랜드를 포함한 남극대륙의 더욱 활발한 지질학적 연구를 수행할 수 있는 기반이 마련되었다. 특히 북빅토리아랜드 지역은 남극대륙에서 암석이 노출된 지역이 가장 넓고, 장보고 과학기지에서 북쪽으로 약 30 km 정도 떨어진 멜버른산(Mt. Melbourne)이 위치하고 있어 남극대륙의 과거와 현재의 지질학적 활동을 연구하기에 매우 좋은 조건을 갖추고 있다.

Fig. 1.

Tectonic terranes of Northern Victoria Land (modified from Capponi et al., 1999) and location of Jangbogo station in Terra Nova Bay.

남극대륙은 고생대 말기에서 중생대 초기 사이에 지금의 남아메리카, 아프리카, 호주 및 인도 대륙과 함께 곤드와나 대륙을 구성한 것으로 알려져 있다(Boger, 2011). 남극대륙과 이들 대륙 간의 지질학적 연관성은 광물 자원의 종류와 분포에서도 잘 나타난다. 예를 들어, 남극종단산맥(Transantarctic Mountains)에서 발달한 비콘누층군(Beacon Supergroup) 내의 석탄층은 남아프리카의 카루(Karroo) 석탄층과 많은 부분에서 지질학적 특징이 일치하며(Coates et al., 1990), 펜사콜라 산맥(Pensacola Mountains)에서 발견되는 광범위한 듀펙 층상 고철질 관입암(Dufek layered mafic intrusion)의 상부층은 세계 최대의 크롬, 니켈, 동, 코발트 및 백금족 원소가 매장되어 있는 남아프리카의 부쉬벨드 복합체(Bushveld complex)의 상부층과 층서적으로 매우 유사하다(De Wit and Kruger, 1990; Ford, 1990). 장보고 과학기지가 위치하고 있는 북빅토리아랜드 지역은 곤드와나 대륙 형성 당시 현재 많은 양의 동과 금이 생산되고 있는 지금의 호주 남동부 지역과 인접하고 있었다. 따라서 북빅토리아랜드를 포함한 남극종단산맥 지역에 광물 자원이 매장되어 있을 가능성이 매우 높다고 여겨지고 있다.

남극대륙의 광물 자원 탐사 활동은 1990년대에 급격한 변화를 맞이하게 된다. 1991년에 채택된 남극조약환경의정서(Protocol of Environmental Protection to the Antarctic Treaty)에 의해 의정서 발효 이후 50년 동안 과학적 목적을 제외한 남극대륙에서의 자원 탐사 및 개발 활동이 금지되었다. 이러한 이유로 1990년대 초반까지 활발하게 진행되었던 남극대륙의 광물 자원 탐사 활동은 급격하게 축소되었다. 따라서 과학적 연구 활동을 제외한 남극대륙의 광물 자원 탐사 및 개발 활동은 공식적으로 거의 이루어지지 않고 있다. 그러나 2011년 이탈리아 연구팀이 북빅토리아랜드 바워스 터레인(Bowers Terrane) 내의 변성퇴적암 층에서 남극대륙의 고생대 층에서 최초로 발견된 금 광화작용을 보고하였으며, 이를 조산 활동과 관련된 금 광상(orogenic gold deposit) 유형으로 분류하였다(Crispini et al., 2011). 이는 지질학적 연구 활동을 수행하는 도중에 발견된 남극대륙의 광물 자원 탐사의 대표적인 예이며, 미래의 자원 고갈에 대비하여 남극대륙의 지질학적 연구가 지속적으로 수행될 필요성이 있음을 보여주고 있다.

본 연구에서는 이러한 필요성에 따라 장보고 과학기지가 위치한 북빅토리아랜드 지역을 중점으로 한 남극대륙의 광물 자원 존재 및 탐사 가능성에 대해 평가하고자 한다. 1990년대 이전에 많이 수행되었던 이전의 연구 사례들을 바탕으로 북빅토리아랜드 지역의 조사 결과를 소개하고자 한다. 또한 남극대륙에서 광물 자원 탐사에 대해 고찰하고 미래 우리 나라의 남극대륙 광물 자원 탐사 방향에 대해 논의할 것이다.

2. 남극의 광물 자원 및 관련 연구

3. 북빅토리아랜드의 지질

북빅토리아랜드는 선캠브리아기 변성암을 기반암으로 하여 변성암과 화강암질 암석으로 구성된 윌슨 터레인(Wilson Terrane), 쇄설성 퇴적암으로 구성된 바워스 터레인(Bowers Terrane)과 심해저 저탁암으로 구성된 로버트슨 베이 터레인(Robertson Bay Terrane)으로 구성되어 있다(그림 1; 표 1). 전기고생대 시기에 일어난 로스조산운동(Ross Orogeny)의 영향을 받은 이 세 개의 부가(accretionary) 터레인의 기반암 위에 지구조적으로 조용한 시기였던 데본기에서 삼첩기 사이에 쇄설성 규산염 퇴적체인 비콘누층군이 넓은 범위에 쌓였다(그림 2). 이러한 비콘누층군을 화산쇄설성 퇴적암, 커크패트릭 현무암(Kirkpatrick Basalt) 및 조립현무암 수평관입체(Ferrar Dolerite Sill)로 구성된 페라르층군(Ferrar Group)이 덮고 있다(그림 2). 페라르층군은 곤드와나 대륙이 분리되는 과정과 관련된 화산활동에 의한 것으로 생각된다. 캠브리아기-오르도비스기에 윌슨 터레인 지역을 위주로 화강암 복합체인 그래닛하버 관입체(Granite Harbour Intrusives)가 관입하였으며, 로버트슨 베이 터레인에서는 데본기-석탄기 시기에 관입한 화강암질 암석인 어드미럴티 관입체(Admiralty Intrusives)가 나타난다(그림 2). 북빅토리아랜드의 지질과 층서는 Woo et al. (2013)에 보다 상세하게 설명되어 있다.

Table 1.

General and simplified stratigraphy of the Northern Victoria Land (modified from Woo et al., 2013).

Fig. 2.

Geological map of Northern Victoria Land (modified from Woo et al., 2013).

4. 남극 북빅토리아랜드의 광물 자원 탐사에 대한 고찰

5. 우리나라의 남극대륙 광물 자원 탐사

극지연구소와 함께 본 연구진은 2014년과 2015년에 북빅토리아랜드 일대의 지질 조사와 시료 채집을 진행하였다. 장보고 과학기지 주변의 변성암을 포함하여 라이켄힐즈(Lichen Hills), 아웃벡 누나탁(Outback Nunataks), 오클리 글래시어(Oakley Glacier), 보그스 벨리(Boggs Valley)(그림 3a, 3b), 모로주미 레인지(Morozumi Range)(그림 3c, 3d), 다니엘스 레인지(Daniels Range) 지역의 그래닛하버 관입암체, 유레카 스퍼스(Eureka Spurs)와 메사 레인지(Mesa Range) 및 바워스 터레인 일대의 퇴적암 및 변성퇴적암(그림 4), 나이아가라 아이스폴(Niagara Icefalls) 지역의 초염기성/염기성 복합체(Ultramafic/mafic complex), 렌터만 레인지(Lanterman Range) 지역의 변성암 시료들을 확보하였다.

Fig. 3.

(a) The basement, Rennick Schist (dark part) of Boggs valley with igneous intrusive rocks (light part) and (b) outcrop of basement (bottom), Takrouna Formation (middle) and Ferrar dolerite sill (top). Basement is composed of Rennick schists and pegmatitic intrusive rocks. (c) Field photograph of Morozumi Range from aerial view. Morozumi phyllite (dark part) and Morozumi granite (light part) are observed. (d) Morozumi granite from aerial view.

채집된 시료는 일차적으로 주원소 및 미량원소 분석을 통하여 지구화학적 이상치(geochemical anomaly)의 존재 여부를 파악하였다. 야외 지질 조사를 통해 파악된 암상과 지구화학적 분석 자료를 종합하여 추가적인 조사가 필요한 지역을 설정하게 된다. 과거 연구에서 높은 감마선이 검출되어 우라늄 광상이 존재할 가능성이 높은 지역이라 추정되었던 라이켄힐즈와 아웃벡 누나탁 지역에서 산출되는 페그마타이트와 화강암질 암석의 우라늄과 토륨 함량이 분석되었다. 라이켄힐즈 지역 암석의 우라늄과 토륨 함량은 각각 1.21~4.84와 2.67~27.64 ppm의 농도를 보이며, 아웃벡 누나탁 지역 암석의 경우 각각 1.72~8.48, 0.55~20.87 ppm의 범위를 보인다. 측정된 값을 대륙 지각의 평균값(average continental crust)으로 표준화하면 우라늄은 2.91, 토륨은 2.21이 된다. 이러한 값은 대륙 지각의 평균보다 약간 더 높은 값으로, 페그마타이트와 관련된 우라늄 광상을 형성하기에는 낮은 수치라 생각된다. 반면에 탄탈륨의 경우 시료에 따라 대륙 지각의 평균값보다 최대 427배까지 부화된 값을 보인다.

페그마타이트는 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 베릴륨(Be), 리튬(Li), 우라늄(U), 토륨(Th) 및 희토류원소(REE)가 높은 농도로 부화되어 있을 가능성이 있다. 또한 그래닛하버 관입암체가 관입된 지역은 반암동광상을 포함한 마그마-열수 광상이 존재할 가능성이 있다. 또한 나이아가라 아이스폴 지역에서 산출되는 초염기성/염기성 복합체는 동, 니켈, 크롬을 포함한 전이금속과 백금족 원소(PGE)을 배태하는 마그마광상을 만들 수 있는 가능성이 있다. 이 지역의 야외 지질 조사 시 감람석과 휘석의 층상 구조가 아주 일부 노두에서 관찰되었으며, 대표적인 동 광석인 황동석(chalcopyrite)과 공작석(malachite)도 소량 발견되었다. 따라서 나이아가라 아이스폴 지역은 추가적이고 심층적인 야외 조사가 필요하며, 북빅토리아랜드에서 광물 자원이 발견될 가능성이 상대적으로 높다고 여겨진다.

이탈리아 연구진은 북빅토리아랜드 지역의 남극대륙의 고생대 지층에서 처음으로 발견한 금 광화작용의 증거를 통해 북빅토리아랜드에 조산 운동과 연관된 금광상의 존재 가능성을 제시하였다(Crispini et al., 2011). 북빅토리아랜드의 바워스 터레인 지역은 많은 금 및 동 광상이 발견된 호주 남동부 지역과 지질학적 연관성을 보이며, 이는 북빅토리아랜드 바워스 터레인의 고생대 변성퇴적암과 변성화산암 층에서 광범위하게 발달하는 열수시스템이 이 지역에 발견된 것 이외의 추가적인 금 광상을 배태하고 있을 가능성을 뒷받침한다(Crispini et al., 2011). 본 연구진의 지질 조사를 통해 관찰된 바워스 터레인의 변성퇴적암 및 변성화산암에는 함철 탄산염맥이 발달하고 있었다(그림 4). 기존 연구에서 확인된 지역을 중심으로 바워스 터레인 지역에서 금 광상을 포함하여 열수시스템에 의한 광상의 형성 가능성을 추가적으로 조사할 필요성이 있다고 여겨진다.

Fig. 4.

(a) Metasedimentary rocks with lots of Fe-rich carbonate veins and (b) clastic sandstone-shale sequence including Fe-rich carbonate veins in the Mountain McCarthy area. (c) Fe-rich carbonate veins occurring in Reilly Ridge area.

남극대륙에서 효율적인 광물 자원의 탐사를 위해서는 대상 광종을 한정시키는 것이 필요하다. 첫째, 전략광물에 대한 집중이다. 전략광물은 해외의 수입 의존도가 크고, 공급이 중단될 시 국가 경제에 미치는 영향이 큰 광종을 의미한다. 우리나라의 경우 유연탄, 우라늄, 철, 동, 아연, 니켈을 6대전략광물로, 리튬과 희토류를 신전략광물로 지정하여 관리하고 있다. 둘째, 금, 은, 백금족 원소(PGE), 다이아몬드 및 보석류와 같은 고부가가치 광종에 대한 집중이다. 개발 지역에서 선광까지 완료된다는 가정 하에 고부가가치 광종들은 철, 동 등의 광석에 비해 남극대륙에서 다른 대륙으로 수송에 드는 비용이 절감되어 높은 경제성을 가질 수 있을 것이라 예상된다.

본 연구진과 극지연구소는 북빅토리아랜드 지역 야외 지질 조사 결과와 이를 통해 획득한 암석의 분석을 통하여 선정된 유망 지역에 대한 집중적인 조사를 진행할 예정이다. 이를 바탕으로 북빅토리아랜드 지역의 광물 자원 존재 및 탐사 가능성을 평가할 계획이다. 또한 장기적으로 남빅토리아랜드와 남극종단산맥으로 연구 지역을 확장시켜 해당 지역의 지질을 조사하는 동시에 광물 자원의 존재 가능성에 대한 지속적인 연구도 계획하고 있다.

Acknowledgments

본 연구는 해양수산부와 극지연구소의 지원을 받아 진행되었다(과제 번호 PM17030). 또한 김영민과 김태우는 서울대학교 BK 21 프로그램의 지원을 받았다. 남극 빅토리아랜드 지역 탐사에 많은 도움을 준 장보고 과학기지 대원들과 쇄빙선 아라온호의 승조원께 감사를 드린다. 또한 본 단보의 발전을 위해 많은 조언과 비판을 해주신 허순도 박사님과 익명의 두 심사위원들께 감사의 말씀을 드린다.

References

• Behrendt, J.C., Drewry, D.J., Jankowski, E., and Grim, M.S., (1980), Aeromagnetic and radio echo ice-sounding measurements show much greater area of the Dufek intrusion, Antarctica, Science, 209(4460), p1014-1017. [https://doi.org/10.1126/science.209.4460.1014]
• Beike, D., (1988), An engineering economic evaluation of mining in Antarctica: A case study of platinum, Wiley Online Library.
• Boger, S.D., (2011), Antarctica-before and after Gondwana, Gondwana Research, 19(2), p335-371. [https://doi.org/10.1016/j.gr.2010.09.003]
• Capponi, G., Crispini, L., and Meccheri, M., (1999), Structural history and tectonic evolution of the boundary between the Wilson and Bowers terranes, Lanterman Range, northern Victoria Land, Antarctica, Tectonophysics, 312(2), p249-266. [https://doi.org/10.1016/s0040-1951(99)00174-2]
• Coates, D., Stricker, G., and Landis, E., (1990), Coal geology, coal quality, and coal resources in Permian rocks of the Beacon Supergroup, Transantarctic Mountains, Antarctica, Mineral resources potential of Antarctica, p133-162.
• Crispini, L., Federico, L., Capponi, G., and Talarico, F., (2011), The Dorn gold deposit in northern Victoria Land, Antarctica: Structure, hydrothermal alteration, and implications for the Gondwana Pacific margin, Gondwana Research, 19(1), p128-140. [https://doi.org/10.1016/j.gr.2010.03.010]
• Crockett, R., and Clarkson, P., (1987), The exploitation of Antarctic minerals, Environment international, 13(1), p121-132. [https://doi.org/10.1016/0160-4120(87)90050-x]
• De Wit, M.J., (1985), Minerals and mining in Antarctica: science and technology, economics and politics, Oxford University Press, USA.
• De Wit, M.J., and Kruger, F.J., (1990), The economic potential of the Dufek Complex, Mineral resources potential of Antarctica, p33-52.
• Dreschhoff, G., Zeller, E., Thoste, V., and Bulla, K., (1980), Resource and radioactivity survey in the Ellsworth Mountains, Antarct. JUS (United States), 15(5).
• Faure, G., and Mensing, T.M., (2005), Isotopes: principles and applications, John Wiley & Sons Inc.
• Ford, A.B., (1983), The Dufek intrusion of Antarctica and a survey of its minor metals and possible resources, Petroleum and mineral resources of Antarctica. US Geological Survey, Circular, 909, p51-75.
• Ford, A.B., (1990), The Dufek intrusion of Antarctica, Mineral resources potential of Antarctica, p15-32.
• Ford, A., Mays, R., Haffty, J., and Fabbi, B., (1983), Reconnaissance of minor metal abundances and possible resources of the Dufek intrusion, Pensacola Mountains, Antarctic earth science. Australian Academy of Science, Canberra, ACT, p433-436.
• Hawkes, D.D., and Littlefair, M.J., (1981), An occurrence of molybdenum, copper, and iron mineralization in the Argentine Islands, West Antarctica, Economic Geology, 76(4), p898-904. [https://doi.org/10.2113/gsecongeo.76.4.898]
• Holdgate, M.W., and Tinker, J., (1979), Oil and Other Minerals in the Antarctic: The Environmental Implications of Possible Mineral Exploration Or Exploitation in Antarctica, Scientific Committee on Antarctic Research.
• Le Roux, J., and Toens, P., (1987), The Permo‐Triassic Uranium Deposits of Gondwanaland, Gondwana Six: Stratigraphy, Sedimentology, and Paleontology, p139-146. [https://doi.org/10.1029/gm041p0139]
• McLeod, I., (1965), Antarctica: Geology and mineral occurrences, Handbook, Australia and New Zealand. Eighth Commonwealth mining and metallurgical congress, Australasian Institute of Mining and Metallurgy, Melbourne, Victoria, Australia, p165-166.
• Mueller, G., (1964), Some notes on mineralization in Antarctica, Antarctic geology, North-Holland, Amsterdam, The Netherlands, p393-394.
• Potter, N., (1969), Natural resource potentials of the Antarctic.
• Ravich, M., Fedorov, L., and Tarutin, O., (1982), Precambrian iron deposits of the Prince Charles Mountains. Antarctic geoscience, University of Wisconsin Press, Madison, WI, p853-858.
• Rowley, P., and Pride, D., (1982), Metallic mineral resources of the Antarctic Peninsula, Antarctic Geosciences, p859-870.
• Rowley, P., Williams, P., Schmidt, D., Reynolds, R., Ford, A., Clark, A., Farrar, E., and McBride, S., (1975), Copper mineralization along the Lassiter Coast of the Antarctic Peninsula, Economic Geology, 70(5), p982-987.
• Rowley, P.D., Farrar, E., Carrara, P.E., Vennum, W., and Kellogg, K., (1988), Porphyry-type copper deposits and potassium-argon ages of plutonic rocks of the Orville Coast and eastern Ellsworth Land, Antarctica, Studies of the Geology and Mineral Resources of the Southern Antarctic Peninsula and Eastern Ellsworth Land, Antarctica, p35-49.
• Rowley, P.D., Schmidt, D.L., and Williams, P.L., (1977), Geology of an Upper Cretaceous Copper Deposit in the Andean Province, Lassiter Coast, Antarctic Peninsula, 2330-7102, US Govt. Print. Off.
• Tingey, R., (1990), Banded iron formations in East Antarctica, Wiley Online Library.
• Vennum, W., and Nishi, J., (1981), New antarctic mineral occurrences, Antar. Jour. US, 15(5), p14-15.
• Webers, G., Craddock, C., and Splettstoesser, J., (1992), Geology and paleontology of the Ellsworth Mountains, West Antarctica, Geological Society of America Memoir, 170, p445.
• Woo, J., Park, T.-Y., Lee, J.I., Lee, M.J., Kim, T.H., Kim, Y.H., and Choe, M.Y., (2013), Geological history and stratigraphy of northern Victoria Land, Journal of the Geological Society of Korea, 49(1), p165-179, (in Korean with English abstract).
• Wright, N.A., and Williams, P.L., (1974), Mineral resources of Antarctica, US Geological Survey Reston, VA.
• Zeller, E.J., and Dreschhoff, G.A., (1987), Radioactive Minerals and the Pre‐Beacon Erosion Surface, Antarctica, Gondwana Six: Stratigraphy, Sedimentology, and Paleontology, p63-72. [https://doi.org/10.1029/gm041p0063]
• Zeller, E., Dreschhoff, G., Crisler, K., Tessensohn, F., (1977), Resource and radioactivity survey in southern Victoria Land, Antarct. JUS (United States), 12(4).
• Zeller, E., Dreschhoff, G., Crisler, K., and Tessensohn, F., (1982), Resource and radioactivity survey in Antarctica by airborne gamma-ray spectrometry. Antarctic earth science, University of Wisconsin Press, Madison, WI, p877-883.
• Zeller, E.J., Dreschhoff, G.A., and Kropp, W.R., (1986), Evaluation of the uranium resource potential of northern Victoria Land, Geological Investigations in Northern Victoria Land, p383-391.
• Zeller, E.J., Dreschhoff, G.A., and Thoste, V., (1990), Uranium resource evaluation in Antarctica, Mineral resources potential of Antarctica, p95-116.
• Zumberge, J.H., (1979), Mineral Resources and Geopolitics in Antarctica: The physical obstacles to exploitation of mineral resources in Antarctica are currently prohibitive, but complex political issues will be raised if such exploitation becomes profitable, American Scientist, 67(1), p68-77.