Skarn Formation in Metamorphic Rocks of the Chungju Mine Area

충주광산 지역 계명산층의 텅스텐 스카른화작용

Tungsten skarns in the Chungju mine which consists mainly of strata-bound type iron ore deposits are found in the vicinity of the contact between the age-unknown Kyemeongsan Formation and granitic rock intrusions of Mesozoic age($134{\pm}2Ma$). Tungsten skarns were formed extensively from alumina and silica-rich schistose rocks by the introduction of calcium and iron from hydrothermal solution. The skarns comprise a metasomatic column and are subdivided into four facies; garnet facies, wollastonite facies, epidote facies and chlorite facies. The skarn process in time-evolutional trend can be divided broadly into the four facies in terms of the paragenetic sequence of calc-silicates and their chemical composition. Skarn and ore minerals were formed in the following sequence; (1) garnet facies, adjacent to biotite granite, containing mainly garnet(>Ad96) and magnetite, (2) wollastonite facies containing mainly wollastonite and garnet(Ad95~60), (3) epidote facies, containing mainly epidote(Ps35~31), quartz, andradite-grossular(Ad63~50), and scheelite, (4) chlorite facies, adjacent to and replacing schist, containing mainly chrolite, muscovite, quartz, calcite, epidote(Ps31~25), hematite and sulfides. The mineral assemblage and mineral compositions. suggest that the chemical potentials of Ca and Fe increased toward the granitic rock, and the component Al, Mg, K, and Si decreased from the host rock to granitic rock. The homogenization temperature and salinity of fluid inclusion in scheelite, quartz and epidote of epidote facies skarn is $300-400^{\circ}C$ and 3-8wt.% eqiv. NaCl, respectively. ${\delta}^{34}S$ values of pyrite and galena associated with chlorite facies skarn is $9.13{\sim}9.51%_{\circ}$ and $5.85{\sim}5.96%_{\circ}$, respectively. The temperature obtained from isotopic com· position of coexisting pyrite-galena is $283{\pm}20^{\circ}C$. Mineral assemblages and fluid inclusion data indicate that skarn formed at low $X_{CO_2}$, approximately 0.01. Temperature of the skarn mineralization are estimated to be in the range of $400^{\circ}C$ to $260^{\circ}C$ and pressure to be 0.5 kbar. The oxygen fugacity($fo_2$) of the skarn mineralization decreased with time. The early skarn facies would have formed at log $fo_2$ values of about -25 to -27, and late skarn facies would have formed at log $fo_2$ values of -28 to -30. The estimated physicochemical condition during skarn formation suggests that the principal causes of scheelite mineralization are reduction of the ore·forming fluid and a decrease in temperature.

충주 광산 지역은 계명산층과 이를 관입한 중생대 화강암질 암석으로 구성되며, 이들 화강암질 암석중 백악기초(134 Ma) 흑운모 화강암과 계명산층을 구성하는 석영-운모 편암의 접촉부에서 회중석을 수반하는 스카른 광상이 산출된다. 스카른은 구성광물의 공생 특성과 주 구성광물의 양적인 비에 의해 석류석 스카른대, 규회석 스카른대, 녹염석 스카른대 및 녹니삭 스카른대로 분류된다. 석류석의 화학조성은 초기 순수한 안드라다이트 (>Ad96)에서 후기 알루미늄 함량비가 증가하는 안드라다이트-그라슈라(Ad~50)로 점이적인 변화를 나타내며, 녹염석은 $Fe^{3+}$ 의 함량비가 높은 고용체 상(Ps=35)에서 암루미늄 함량비가 높은 고용체 상(Ps=25)으로 변화하는 양상을 띤다. 광물 공생 및 화학 조성상의 특징으로 볼 때 스카른화 작용은 Ca와 Fe의 활동도가 흑운모 화강암의 접촉부에서 높고 Al, Mg, K 및 Si 활동도는 석영-운모 편암내에 발달되는 스카른에서 증가하는 경향을 나타낸다. 녹염석 스카른대에서 산출되는 회중석의 유체포유물 균질화 온도는 $300{\sim}380^{\circ}C$ 이며 NaCl 상당 염농도는 3-8wt. %로, 석영 및 녹염석 유세포유물 균질화 온도는 $300{\sim}400^{\circ}C$이다. 후기 녹니석 스카른대내에서 수반되는 황화광물의 황 동위원소비는(${\delta}^{34}S$) 황철석 $9.13{\sim}9.51%_{\circ}$, 방연석 $5.85{\sim}5.96%_{\circ}$이며, 공존하는 황철석-방연석 광물쌍에 의한 동위 원소 지질온도는 $283{\pm}20^{\circ}C$이다. 이산화탄소 몰분율($X_{CO_2}$)은 $L-CO_2$가 관찰되지 않으며 $H_2O$ 풍부한 유체포유물로 구성되고 있는점과, 안드라다이트 및 규회석의 광물공생 특성과 대비하여 볼때 약 0.01로 추정된다. 광물공생 및 화학조성, 상 안정 관계, 유체포유물 연구, 동위원소 지질온도계등의 연구 결과에 의해 충주광산 지역 스카른화 작용은 $400{\sim}260^{\circ}C$ 온도 조건과 산소분압이 감소($fo_2=10^{-30}{\sim}10^{-25}$)하는 환경에서 진행되었으며, 텅스텐 광화작용은 이러한 스카른 형성 과정 중 온도의 감소($350^{\circ}C$)와 산소분압이 감소($fo_2=10^{-27}$) 하는 조건에서 수반되었다.