디셉션 섬의 화산암류에 대한 지구화학적 연구

Abstract

디셉션 섬은 남극반도와 남아메리카대륙 사이의 남셰틀란드 군도의 아래에 위치한 브랜스필드 해협의 서쪽 끝에 위치하고 있다. 섭입대의 영향으로 화산호인 남셰틀란드 군도가 발달하고 배호분지인 브랜스필드 해협이 생성되었다(Pankhurst and Smellie, 1983; Machado et al., 2005). 20세기 중에도 여러 번의 화산활동이 있었던 디셉선 섬은 정밀한 연대측정이 이루어지진 않았지만 제 4기에 폭발적인 화산활동으로 생성되었다고 알려져 있다. 디셉션 섬의 화산암들은 칼데라 형성시기를 중심으로 그 이전에 형성된 Port Foster Group과 이후에 형성된 Mount Pond Group으로 나누어진다(Smellie and Lopez-Martinez et al., 2002). 디셉션 섬은 배호분지 확장 축에서 생성했다고 보고되고 있지만 화산호 환경에서 형성된 남셰틀란드 군도와도 인접해 있으므로 섭입 영향의 가능성을 배제할 수 없다. 디셉션 섬의 화산암류에 대한 지구화학적 분석 자료는 대략적인 분화경향을 나타내는 단편적인 것으로 그 자료의 양도 적고 상세하게 논의 되지 않았다. Sr-Nd-Pb 동위원소 자료 역시 브랜스필드 해협 및 남셰틀란드 군도와 함께 소수의 시료로부터 보고된 바 있다. 또한 단일 마그마로 부터의 분화여부, 마그마 사이의 혼합 또는 부분용융 등의 기원물질 및 마그마 분화과정에 대한 종합적인 연구가 제대로 수행되지 못하였다. 본 연구는 주원소, 미량원소, Sr-Nd-Pb 동위원소 분석을 통하여 디셉션섬의 화산암류생성의 지구조 환경과 기원물질 및 분화를 기존 자료와 더불어 논의 하는데 목적을 두고 있다. 디셉션 섬의 화산암류는 암석분류에서 현무암에서 유문암까지 넓은 범위로 나타나고 TAS도형에서 모두 비알칼리 계열이지만 알칼리 계열과의 경계에 가깝게 도시된다. AFM 삼각도에서는 모두 쏠레아이트와 칼크알칼리계열의 경계부에 도시된다. 디셉션섬 화산암들은 주원소 조성으로 볼 때 SiO2가 63∼67(wt%)의 구간 갭을 가진다.(Smellie and Lopez-Martinez et al., 2002). 본 연구에서도 같은 구간의 갭을 가질 뿐만 아니라, 보다 넓게 56∼61%에도 단 하나의 시료만 도시된다. 주원소는 하커도형에서 SiO2, K2O, Na2O는 증가하는 경향성을 보이고, Al2O3, CaO는 감소하는 경향성을 보인다. 그리고 TiO2, Fe2O3, P2O5, MnO는 처음에는 증가하는 경향을 보이다가 후기에는 감소하거나 분산되는 경향을 보인다. 미량원소에서는 Nb의 이상치가 나타나는데 이것은 N-MORB와 구별되는 특징으로 섭입대나 지각물질의 혼염을 지시한다. 조구조판별도로 활용되는 Th-Hf-Ta 도형에서는 화산호 환경의 현무암영역과 판 내부 환경 쏠레아이트 영역 사이에 도시가 되며, Th-Hf-Nb 도형에서는 섭입하는 지판의 경계부환경의 현무암 및 그 분화물의 조구조적 위치에 모두 도시되었다. 희토류원소에서는 아주 분화된 암석에서 Yb/La, Lu/La의 비율이 증가함과 동시에 Eu(-) 이상치가 증가하며 이는 사장석의 분별 영향으로 해석된다. Sr-Nd-Pb 동위원소 분석에서 87Sr/86Sr는 0.703228∼0.703615, 143Nd/144Nd는 0.512917∼0.513001, 206Pb/204Pb는 18.682∼18.775의 범위를 가진다. 이것은 비교적 좁은 범위의 값으로 대체로 균질한 근원물질의 용융으로 되었을 것이라고 생각되지만 N-MORB와 는 구분되는 값이다. 그리고 브랜스필드 해협(axis 지역)과 남셰틀란드 군도의 마그마혼합 모델(206Pb/204Pb vs 87Sr/86Sr and 206Pb/204Pb vs 143Nd/144Nd; Keller et al., 1991, 2002)에 적용한 결과 결핍맨틀에 대한 퇴적물 혼합비율이 1∼2%정도로 나타난다. 이러한 혼합비율은 브랜스필드 해협의 화산암류 보다는 높고 남셰틀란드 군도의 화산암류 보다는 낮은 중간정도의 값이다. 그러므로 디셉션 섬은 비록 확장 축에 놓이지만 인접한 섭입대의 영향으로 근원 맨틀내에 다소간의 섭입 퇴적물 혼합이 있었던 것으로 판단된다.

Deception Island is situated at the western end of the Bransfield Strait, which located between the Antarctic Peninsula and the South Shetland Islands. At the northern tip of the Antarctic Peninsula, the former Phoenix Plate was subducting to the southeast into the South Shetland Trench. The Antarctic Peninsula magmatic arc associated with this subduction was most recently active in the Early Miocene on what are now the South Shetland Islands. The Bransfield Strait area is considered to be a back-arc basin of the South Shetland Islands volcanic arc(Pankhurst and Smellie, 1983; Machado et al., 2005). Despite lack of the precise age, chronological period was certainly considered nearly Quaternary. Volcanic deposits of Deception Island can be subdivided into two main groups by caldera forming period; the earlier Port Foster Group and the later Mount Pond Group respectively(Smellie and Lopez-Martinez et al., 2002). Deception Island was reported to be formed at the axis area of Bransfield Strait. However, the possibility of influence from subduction processes cannot be excluded, because its location is very close to the South Shetland Trench to the north. However geochemistry of the volcanic rocks of Deception island have not been discussed in detail. In this study I report new results of major element, trace element and Sr-Nd-Pb isotopic analysis on the volcanic rocks of Deception Island. The main purpose of this study is to constrain geotectonic environment and source materials of the volcanic rocks of Deception island. Analyzed geochemical data reveal wide range of rock type from basalt to rhyolite. In the TAS diagram, all samples were plotted within sub-alkaline series field but very close to the boundary with alkaline field. In the AFM triangular diagram, most of the samples were plotted on boundary of tholeiites and calc-alkaline fields. They show a significant silica gap also as previous report(63-67% SiO2; Smellie and Lopez-Martinez et al., 2002). Actually they show even broader rage of silica gap (56-61% SiO2) where only one sample is plotted. Many major elements and trace elements display obvious differentiation trends on Harker diagrams. In the primitive mantle-normalized spider diagram, apparent negative anomalies of Nb are present, which is distinct from N-type MORB. This feature indicates subducting environment or contamination of the crustal materials. Plotting to the tectonic discrimination diagram, analyzed volcanic rocks are plotted over the volcanic-arc basalts, the E-type MORB and the within-plate tholeiites field in the Th-Hf-Ta discrimination diagram, and are plotted the destructive plate-margin basalts and differentiates field in the Th-Hf-Nb discrimination diagram. In the C1 chondrite-normalized rare earth elements(REE) variation diagram, analyzed samples display patterns similar each other. However, the very differentiated rocks reveal increased Yb/La, Lu/La and enhanced negative anomalies of Eu which can be explained by fractionation of plagioclase. Volcanic rocks of Deception island have values of 87Sr/86Sr from 0.703228 to 0.703615, 143Nd/144Nd from 0.512917 to 0.513001 and 206Pb/204Pb from 18.682 to 18.775 which is noticeably different from N-type MORB. Such narrow range of the isotopic compositions, indicate the melting of relatively homogeneous source materials. Applying magma mixing model(206Pb/204Pb versus 87Sr/86Sr and 206Pb/204Pb versus 143Nd/144Nd; Keller et al., 1991, 2002), the volcanic rocks of Deception Island display present mixing of sediments about 1-2%. Such values are higher than Bransfield Strait and lower than South Shetland Island Arc. Accordingly, even though the Deception island is located on the axis of nascent spreading, its mantle source has been influenced by subducted material from adjacent subduction zone.