Fluid Inclusion and Stable Isotope Studies of the Kwangsin Pb-Zn Deposit

광신 연 - 아연 광상의 유체포유물 및 안정동위원소 연구

Lead and zinc mineralization of the Kwangsin mine was formed in quartz and carbonate veins that filled fault-related fractures in the limestone-rich Samtaesan Formation of the Chosun Supergroup and the phyllite-rich Suchangni Formation of unknown age. A K-Ar date of alteration sericite indicates that the Pb-Zn mineralization took place during Late Cretaceous (83.5 Ma), genetically in relation to the cooling of the nearby Muamsa Granite (83~87 Ma). Mineral paragenesis can be divided into three stages (I, II, III): (I) the deposition of barren massive white quartz, (II) the main Pb-Zn mineralization with deposition of white crystalline quartz and/or carbonates (rhodochrosite and dolomite), and (III) the deposition of post-ore barren calcite. Mineralogic and fluid inclusion data indicate that lead-zinc minerals in middle stage II (IIb) were deposited at temperatures between $182^{\circ}$ and $276^{\circ}C$ from fluids with salinities of 2.7 to 5.4 wt. % equiv. NaCl and with log $fs_2$ values of -15.5 to -11.8 atm. The relationship between homogenization temperature and salinity data indicates that lead-zinc deposition was a result of fluid boiling and later meteoric water mixing. Ore mineralization occurred at depths of about 600 to 700 m. Sulfur isotope compositions of sulfide minerals (${\delta}^{34}S_{CDT}=9.0{\sim}14.5$ ‰) indicate a relatively high ${\delta}^{34}S_{{\Sigma}S}$ value of ore fluids (up to 14 ‰), likely indicating an igneous source of sulfur largely mixed with an isotopically heavier sulfur source (possibly sulfates in surrounding sedimentary rocks). There is a remarkable decrease of calculated ${\delta}^{18}O$ value of water in hydrothermal fluids with increasing paragenetic time: stage I, 14.6~10.1 ‰; stage IIa, 5.8~2.2 ‰; stage IIb, 0.8~2.0 ‰; stage IIc, -6.1~-6.8 ‰, This indicates a progressive increase of meteoric water influx in the hydrothermal system at Kwangsin. Measured and calculated hydrogen and oxygen isotope values indicate that the Kwangsin hydrothermal fluids was formed from a circulating (due to intrusion of the Muamsa Granite) meteoric waters which evolved through interaction mainly with the Samtaesan Formation (${\delta}^{18}O=20.1$ to 24.9 ‰) under low water/rock ratios.

광신 연-아연 광산은 단층 열극을 충진한 열극 충진 광상으로서 조선계의 삼태산층과 시대미상의 서창리층에 발달된 석영과 탄산엽맥으로 이루어져 있다. 광화작용은 3회에 걸쳐 진행되었으며, 각 광화시기의 특징은 다음과 같다. 광화 I기=barren한 석영의 침전기, 광화 II기=석영과 능망간석에 수반된 연-아연 광물의 주 침전기, 광화 III기=barren한 방해석의 침전기. 특히, 연-아연 광물은 주로 광화 IIb기에 침전하였다. 유체포유물 연구에 의하면, 광화 IIb기 광화유체의 온도와 염농도는 $182^{\circ}{\sim}276^{\circ}C$와 2.7~5.4 wt. % NaCl 상당 염농도였으며, 연-아연 광물의 침전은 주로 비등작용과 더불어 후기의 천수 혼입작용에 기인하였음을 지시한다. 광화작용은 약 600~700 m의 심도에서 이루어진 것으로 판단된다. 섬아연석과 유비철석의 성분 함량을 이용하여 추정한 광화 IIb기의 황분압($log\;fs_2$)은 -15.5~11.8 atm이다. 황화물의 황동위원소 조성 (${\delta}^{34}S_{CDT}=9.0{\sim}14.5$ ‰)에 근거한 열수유체의 전(全) 황동위원소값 (${\delta}^{34}S_{{\Sigma}S}$)은 약 14 ‰로서 매우 높은데, 이는 심부 화성기원의 황이 퇴적암류내의 황산염과 다소 혼합 된 결과로 사료된다. 산소-수소 동위원소 분석 연구에 의하면, 광화유체는 낮은 수-암비 환경 하에서 주로 주변 모암인 삼태산층 (${\delta}^{18}O=20.1{\sim}24.9$ ‰)과 상당히 반응한 심부 순환 천수로부터 형성되었다. 한편, 광화유체의 산소동위원소값 (${\delta}^{18}O_{H2O}$)은 광화작용의 진행과 더불어 체계적으로 감소 (광화 I기, 14.6~10.1 ‰; 광화 IIa기, 5.8~2.2 ‰; 광화 IIb기, 0.8~-2.0 ‰; 광화 IIc기, -6.1~-6.8 ‰)하였다. 이는 열수계 내로의 천수 혼입이 시간 경과와 더불어 점진적으로 증가하였음을 지시한다.