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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).

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.

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).

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).

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).

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.

시료별 대자율 측정값은 표 6과 그림 6e에 제시하였다. 면산층은 하부와 중부에서 최대 26.05 mSI에 이르는 일부 불규칙하게 높은 값을 제외하면 대부분 2 mSI 이하의 값을 보인다. 묘봉층도 면산층과 비슷한 양상을 나타내는 반면, 홍제사화강암 접촉부는 9.85 mSI와 4.33 mSI로서 비교적 높은 값을 갖는다.

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).

금홍석은 대부분 TiO₂로 구성되어 96 wt.% 이상의 값을 갖는데(Reyneke and Wallmach, 2007) 연구지역에서는 최소 97 wt.% 이상의 함량을 보여준다(그림 7, 8). 이처럼 TiO₂는 금홍석을 구성하는 주성분으로서 큰 변화를 나타내지 않지만 면산층 하부에서 상부로 가면서 미약하게 감소하는 경향을 보인다(그림 8a). 이상적인 티탄철석은 FeO와 TiO₂ 비가 1:1로 구성되며 일반적으로 50~54 wt.%의 TiO₂ 함량을 갖는다(Reyneke and Wallmach, 2007). 연구지역 내 티탄철석 또한 TiO₂ 함량이 FeO보다 높게 나타난다(그림 7). 티탄철석은 풍화를 받을수록 Fe가 제거되어 Ti 함량이 증가하는 것으로 알려져 있다(Reyneke and Wallmach, 2007). 연구지역 티탄철석 또한 결정면이 뚜렷하지 않고 파쇄된 조직이 발달하는 것으로 보아(그림 4d) 풍화 및 속성작용의 영향으로 TiO₂ 함량이 상대적으로 높게 나타나는 것으로 보인다.

한편, 수도부르카이트(pseudobrookite)는 고온의 산화환경에서 형성되는 Ti-Fe 산화광물로 급격한 냉각을 겪은 화산암에서 주로 산출된다(Haggerty and Lindsley, 1970; Deer, 2011). 일부 면산층 하부와 홍제사화강암 접촉부의 티탄철석은 수도부르카이트 영역에 치우쳐 도시되는 것으로 보아(그림 7), 이들이 고온의 산화환경의 화성활동과 관련되어 생성된 후 풍화작용에 의해 운반되었을 것으로 추정된다.

적철석은 Fe₂O₃ 외에도 TiO₂, MnO 및 MgO를 포함하는데(Deer, 2011), 최대 11.5 wt.%의 높은 TiO₂ 함량을 보이기도 하나(Dougan, 1974), 대체로 0.10~1.8 wt.% 정도의 함량을 갖는 것으로 알려져 있다(Deer, 2011). 면산층 내 적철석은 일반적인 경우보다 높은 TiO₂ 값(0.36~13.68 wt.%)을 나타내며(표 4; 그림 7b), 묘봉층 내 적철석도 최대 8.11 wt.%를 가지며, 면산층과 비슷한 조성범위를 보여준다(그림 7b). 한편, 홍제사화강암 접촉부에서는 순수한 적철석 조성에 좀 더 가깝게 도시된다(그림 7b). Basta (1953)은 합성실험을 통하여 800℃ 온도에서 최대 5 wt.%의 TiO₂가 적철석 내 포함되며, Hwang et al. (2008)은 석류석 감람암(garnet peridotite)의 감람석으로부터 생성된 적철석이 고온고압(5.3~6.6 GPa, 853~957℃)하에서 최대 9.2 wt.% TiO₂ 함량을 갖는다고 보고하였다. 이러한 사실은 적철석내 비교적 높은 TiO₂ 함량이 고온의 생성환경과 관련되었음을 시사하는 것으로 연구지역 적철석의 생성환경을 지시하는 것으로 추정된다.

면산층 시료에 대한 주사전자현미경 관찰결과 석영과 금속광물이 서로 뚜렷한 경계를 보이며 산출되는 것으로 알려져 왔다(Oh, 2020; Lee et al., 2021). 본 연구에서 현미경관찰 시 금속광물은 주로 층리방향을 따라 분포하거나, 석영 입자 사이 공간을 채우며 산출된다(그림 3d, 3f). 또한 견운모와 녹니석이 석영 및 금속광물 사이를 채우는 교질물 형태로 나타나는데(그림 3c), 퇴적 및 속성작용에 따른 결과로 여겨지며 뚜렷한 열수작용의 흔적은 관찰되지 않는다.

면산층의 퇴적시기는 전기캠브리아기로 보고되었으며, 해양기원 체화석이 따로 발견되지 않았지만 흔적화석의 산출로 시기를 추정하였다(Kim, 1991). Parnell et al. (2014)은 선캠브리아시대부터 오랜 기간 지표에 노출되어 풍화작용을 받아 평탄화된 지형으로부터 유래된 다량의 금속성분을 포함한 퇴적물이 캠브리아기 해양분지로 운반되어 퇴적된 사례가 나타난다고 보고하였으며, 태백산분지로 유입된 선캠브리아기 퇴적물은 후기신원생대부터 전기캠브리아기동안 일어난 화성 및 변성활동에 의해 급격한 융기와 침식을 겪은 대륙화산호 또는 조산운동대에서 기원되는 것으로 알려져 있다(Kim et al., 2013). 이러한 특성을 근거로 연구지역 면산층은 풍화작용을 받은 선캠브리아기 기반암으로부터 유래된 금속광물을 포함한 퇴적물이 퇴적분지로 유입되어 형성된 퇴적광상으로, 고사광상(paleoplacer deposit)으로 간주된다(Kim, 1991; Kim and Lee, 2006; Parnell et al., 2014; Lee et al., 2016).

사광상(placer deposit)은 결정질 암석이 풍화를 받아 형성된 쇄설성 물질이 해안가로 운반되어 발달하고(Lalomov et al., 2015), 이는 주로 티타늄 뿐 아니라 지르코늄(Zr) 등 다양한 희유금속(rare metal)을 함유하여 발달한다(Hamilton, 1995). 러시아 북쪽 북극해 연안에는 금, 주석, 저어콘-티타늄, 그리고 희유금속을 포함한 다양한 사광상이 분포하고 있으며 퇴적물이 공급된 거리에 따라 근지성 및 원지성으로 구분하였다(Bochneva et al., 2021). 이 가운데 근지성 사광상의 경우 급경사(scarp) 또는 지구(graben) 지형에서 나타나며 근원암의 흔적을 발견할 수 있는 근원지와 가까운 곳에서 형성되고, 금, 백금족, 주석, 그리고 희유원소 광상이 발달한다. 반면, 원지성 사광상은 근원암으로부터 먼 거리로 이동하여 퇴적된 것으로 근원지 특성에 대한 파악이 어려우며. 주로 하천, 삼각주, 그리고 해안가에서 나타나고, 다이아몬드, 티타늄-저어콘, 그리고 금광상이 발달한다(Bochneva et al., 2021). 우크라이나에 위치한 크라스노쿠츠크(Krasnokutsk) 광상의 경우 희유금속-티타늄 사광상으로 파라테티스분지(Paratethys basin)의 침식단계에서 유래된 퇴적물이 해안선을 따라 공급된 것으로 쇄설성 물질이 원거리로 이동하여 형성된 원지성 사광상에 해당한다(Ganzha et al., 2019). 연구지역 면산층은 다른 지층들과 달리 많은 양의 Ti-Fe 산화광물을 함유하고 있고(Kim, 1991; Park et al., 2022), 원암의 기원이 불분명한 상태이며, 공급된 퇴적물이 천해환경 또는 조간대환경과 같은 해안가로 이동하여 퇴적된 것으로 보아(Kim, 1991; Woo et al., 2006) 원지성 사광상에 해당하는 것으로 보인다.

일반적으로 금홍석은 화성암, 고변성 변성암류, 쇄설성 퇴적물, 그리고 사광상에서 산출된다(Stanaway, 2005; Meinhold, 2010). 티탄철석은 대체로 화성암 그리고 변성암에서 부수적으로 산출되며, 반려암, 노라이트(norite) 그리고 회장암과 같은 고철질 화성암과 관련하여 큰 규모로 발달한다(Zhou et al., 2013; Charlier et al., 2015). 중국 남서부에 위치한 어메이산 고철질 화성암체(Emeishan large igneous province)는 높은 Ti 함량과 낮은 Ti 함량을 함유한 화성암이 분포하며 많은 Fe-Ti 광상이 발달하고 있다(Xiao et al., 2004; Pang et al., 2010; Shellnutt, 2014). Xiao et al. (2004)는 어메이산 고철질 화성암체 서부에 위치한 현무암 대지(flood basalt)의 상부가 하부보다 더 분화하였으며 전암분석결과 상부 현무암의 TiO₂ 함량은 약 3 wt.% 이상, 하부는 2 wt.% 이하로 상부가 더 높다고 보고하였다. Kim and Lee (2006)에 의하면 면산층의 Ti-Fe 산화광물을 공급한 기원지와 관련하여 경기육괴 북동부에 위치한 라파키비(rapakivi) 화강암에 대한 가능성을 제시한 바 있다. 이 라파키비 화강암은 1839±10 Ma의 연대를 보이며(Zhai et al., 2005), 반려암, 회장암 등 고철질 화성암과 관련된 비조산성 마그마활동(anorogenic magmatism)에서 나타나는 것으로 알려져 있다(Haapala and Rämö, 1990; Rämö and Haapala, 1995). 이처럼 고철질 화성암체는 많은 양의 Ti-Fe 산화광물을 공급할 수 있는 근원암이 될 수 있으며, 또한 마그마활동으로 산출되는 Ti-Fe 산화광물에는 용리조직이 잘 발달된 특징이 있다(Shellnutt et al., 2011; Tan et al., 2016).

본 연구에서 면산층 내 Ti-Fe 산화광물 함량과 Ti 조성이 하부에서 상부로 갈수록 감소하는 양상을 보이는데(그림 6, 8; 표 7), 이는 공급지에서 원암의 조성이 연속적으로 변화하였음을 시사한다. 면산층 Ti-Fe 산화광물을 공급한 근원암은 고온의 고철질 화성암으로 분화 초기 Ti 함량이 결핍되어 정출되고, 분화가 진행되며 Ti 함량이 증가한 것으로 보인다. 이후 Ti이 풍부한 근원암의 상부에서부터 순차적으로 풍화를 받아 운반된 퇴적물이 면산층을 형성한 것으로 여겨진다. 또한 연구지역 면산층에서 용리조직이 발달한 Ti-Fe 산화광물이 산출되는 것은(그림 4), 이들이 고철질 화성암체에서 유래되었음을 뒷받침한다.