백두산 후기 신생대 현무암질 암석의 지구화학적 연구: 성인과 근원맨틀에 대한 고찰

Abstract

본 연구에서는 백두산 현무암질 암석의 Sr, Nd, Pb, Hf 그리고 Mg 동위원소를 포함한 지구화학적 성분분석을 통해 암석의 성인과 근원맨틀의 특성에 대해 알아보았다. TAS 분류도에서 백두산 시료들은 알칼리 계열의 배서나이트(basanite)-알칼리현무암-조면현무암-현무암질 조면안산암과 쏠레아이트 계열의 현무암-현무암질 안산암으로 구분된다. 콘드라이트 값으로 표준화한 희토류원소 패턴에서 백두산 화산암류는 경희토류원소가 중희토류원소 보다 부화된 양상을 보인다[(La/Yb)N=3.2－20.2]. 그러나 전형적인 해양도현무암(oceanic island basalt)과 다르게 백두산 시료들은 Eu, Ce 원소에서 각각 양의 이상(positive anomaly)과 음의 이상(negative anomaly)을 보인다. 초기 맨틀 값으로 표준화한 미량원소 함량 분포도에서 백두산 현무암류는 전형적인 해양도현무암처럼 LILE(Large ion Lithophile Element)에 부화되어 있는 특징을 보이지만 Ba, Rb, K, Pb, Sr, P 원소들에서 양의 이상이 나타나는 점에서 해양도현무암과 차이를 보인다. 시료들의 Nb/U비(40 ± 15)는 해양현무암의 범위(47 ± 7)에 포함되는 반면 Ce/Pb비(14.5 ± 4.0)는 해양현무암의 범위(25 ± 5)보다 낮은 값까지 확장되어 있다. 그러나 SiO2 함량과 Sr-Nd-Pb-Hf 동위원소비의 상관도에서 유의미한 상관관계가 나타나지 않으므로 마그마의 분화과정동안 지각혼염의 가능성은 배제할 수 있다. 따라서 낮은 Ce/Pb비는 근원 맨틀의 특징이 반영된 것으로 생각된다. 희토류 원소를 이용한 부분용융 모델링 결과 백두산 시료들의 Gd/Yb비는 석류석 페리도타이트(peridotite)가 부분용융된 액(melt)의 범위 안에 포함된다. 그러나 감람석 반정의 Ca, Ni 원소들의 함량과 주원소를 이용한 모델링 결과는 석류석 페리도타이트 이외에 다른 근원맨틀 물질이 백두산 화산암류 형성에 관여했음을 지시한다. 백두산 현무암질 암석의 Sr-Nd-Pb 동위원소 성분비는 이들의 근원맨틀에 결핍맨틀(DMM, depleted MORB mantle)과 부화맨틀 타입1 (EM1, enriched mantle type 1) 단성분이 혼합되어 있었음을 의미한다. 백두산 시료들의 Mg 동위원소비(δ26Mg= -0.39 ± 0.17‰)는 대개 전형적인 맨틀 값의 범위(δ26Mg=-0.25 ± 0.07‰)보다 낮게 나타나는데 이는 탄산염 광물이 근원맨틀에 포함되어 있을 가능성을 지시한다. 백두산 시료들의 지구화학적 특징을 종합적으로 해석하면 백두산 화산활동을 유발한 근원맨틀에는 전형적인 석류석 페리도타이트 이외에도 최소 두 종류의 물질이 존재할 것으로 생각된다. 첫째는 과거(∼2.2－1.9 Ga)에 섭입된 육성기원 규산염 퇴적물이다. 이는 Sr-Nd-Pb-Hf 동위원소비에서 EM1의 특징을 보이며 상대적으로 높은 δ26Mg값을 가졌을 것으로 예상된다. 두 번째 근원물질은 재활성화(recycled)된 섭입 해양판과 관련된 함탄산염 에클로자이트(carbonated eclogite)이다. 이의 Sr-Nd-PbHf 동위원소비는 위 퇴적물보다 상대적으로 더 중앙해령현무암 값과 유사하며 낮은 δ26Mg값을 가지고 있을 것으로 생각된다. 재활성화된 섭입 퇴적물과 해양판은 맨틀전이대에 존재하고 있을 것으로 추론된다