Petrogenesis of Mesozoic-Cenozoic granitoid plutons from the Korean Peninsula as constrained by radiogenic and stable isotope systematics of zircon and biotite

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Phanerozoic granitoids, along with Precambrian basements, are numerous and widely distributed in the Korean Peninsula. The Mesozoic-Cenozoic granitoids can be divided into the Jurassic Daebo and Cretaceous-Paleogene Bulguksa granites. Although previously reported in situ zircon U-Th-Pb and Hf isotopic data suggest that these granitoids originated from various source materials in different geotectonic settings, the characteristics of the source materials and their magma petrogenesis remain unclear. Combined zircon and biotite isotopic studies can illuminate the petrogenesis and magmatic processes of the Mesozoic-Cenozoic granitoids.
This thesis deals mainly with two topics on the petrogenesis and evolution of the Mesozoic-Cenozoic granitoids in the Korean Peninsula. The first chapter discusses the interaction of surface materials with magma at shallow depths in a caldera setting, based on in situ zircon U-Pb ages and their O-Hf isotopic compositions and biotite Mg isotopic compositions for the Cretaceous-Paleogene granitoids. Zircon U-Pb dating shows that eight granitoids were emplaced between the late Cretaceous and the Oligocene (88–27Ma), and occasionally contain Cretaceous and Paleoproterozoic to Jurassic inherited zircons, suggesting that pre-existing rocks were partially incorporated in the melt. δ26Mg values of biotites for the four plutons (Daejeon, Namsan, Ijeonri, Gigye), which show a decrease in zircon δ18O values (relative to VSMOW) from core to rim, are exclusively higher than the δ26Mg values of mantle (δ26Mg ≈ –0.25‰ relative to DSM-3), suggesting assimilation of hydrothermally altered material with δ18O values into the magma chamber. The Daejeon, Namsan, Ijeonri, and Gigye plutons were formed through the low-δ18O Yellowstone magmatic process referred to as ‘crustal cannibalization’.
The second chapter discusses possible sources and tectonic settings of Jurassic post-orogenic granitoids in central South Korea on the basis of zircon geochronology and O-Hf isotopic measurements. Early to Middle Jurassic granitoids (177–169 Ma) of Group 1 are widely distributed throughout the Pocheon-Uijeongbu and Yeoju-Wonju-Chungju areas of the Gyeonggi massif, whereas Early Jurassic granitoids (187–184 Ma) of Group 2 are locally distributed in the Chungju-Daejeon area of the central Okcheon belt. Most of the inherited zircons from the former (seven granitoid samples) yielded Archean to Paleoproterozoic ages (ca. 2.5–1.8 Ga), whereas most of inherited zircon grains from the latter (three granitoid samples) range in age from Archean to Paleozoic. The δ18O values of Archean to Paleoproterozoic inherited zircons from all granitoids are higher than those of the mantle (5.3 ± 0.3‰). The δ18O values of Early-Neoproterozoic inherited zircons from the Group 2 granitoids are slightly higher than or similar to the δ18O value of mantle zircon. Mid-Neoproterozoic inherited zircons of Group 2 granitoids have exclusively lower δ18O values (–1.0 to 5.9‰), which are consistent with the protoliths of the South China block. It is notable that inherited zircons of the Group 1 granitoids are dominated by negative initial εHf(t) values whereas inherited zircons of Group 2 granitoids are dominated by supra-chondritic initial εHf(t) values since the Paleoproterozoic. Integrated O-Hf isotope data on inherited zircons from post-orogenic rocks are powerful indicators with which to identify the juxtaposed allochthonous blocks and nature of the source rocks at middle to lower crustal depths.

국문 초록 (Abstract)

현생 화강암류는 선캠브리아기의 기저암과 더불어 한반도 내에서 넓게 분포하고 있다. 중생대-신생대 화강암류는 크게 쥐라기의 대보 화강암류와 백악기의 불국사 화강암류로 나뉜다. 저어콘 U-Th-Pb 및 하프늄 동위원소 분석결과들을 통해 쥐라기 및 백악기 화강암류는 서로 다른 근원물질과 지구조적 환경에서 만들어졌음을 지시하지만 화강암질 마그마의 근원물질과 성인에 대하여 명확하게 밝혀져 있지 않다. 따라서 저어콘 및 흑운모 동위원소 연구를 통하여 한반도 현생 화강암류에 대한 성인 및 지구조환경을 좀 더 명확하게 규명하였다.
이번 연구는 크게 2가지 주제로 이루어져 있다. 제 1 장에서는 경상호에 분포하는 백악기-고제3기 화강암류의 저어콘 표면 연대와 산소-하프늄 동위원소 및 흑운모 마그네슘 동위원소를 통해 칼데라 지역에서 일어나는 지표물질과 천부 깊이에 위치한 마그마간의 물질 순환을 해석하였다. 8개 화강암류에서 얻은 저어콘 연대는 백악기 후기에서 올리고세 (88-27 Ma)의 범위를 보이며 드물게 백악기 또는 쥐라기-고원생대의 상속핵을 가져 기존 지각이 기원물질로 중요하게 관여했음을 알 수 있다. 저어콘 결정 중심부에서 주변부로 가면서 δ18O 값 (SMOW 기준, 이하 동일)이 낮아지는 경향성을 보이는 4개 암체 (대전리, 남산, 이전리, 기계)는 맨틀 값(δ26Mg ≈ -0.25‰, DSM-3 기준, 이하 동일)보다 높은 흑운모 δ26Mg 값을 가져 기원물질이 열수변질뿐만 아니라 풍화를 겪었음을 지시한다. 결론적으로 대전리, 남산, 이전리, 기계 화강암류는 동일기원지각혼화 (crustal cannibalization)로 만들어졌을 것으로 판단된다.
제 2 장에서는 저어콘 U-Pb 연대, O-Hf 동위원소를 통하여 쥐라기 후충돌 화강암류의 기원물질과 지구조적 환경을 해석하였다. 경기육괴 포천-의정부, 여주-원주-충주 지역에 넓게 분포하는 쥐라기 초기-중기 (177-169 Ma) 화강암 (그룹 1, 7개 시료)의 저어콘은 압도적으로 고원생대 (약 2.5-1.8 Ga)의 상속핵을 보이는 반면 옥천대 중부 충주-대전 지역에 소규모로 분포하는 쥐라기 초 (187-184 Ma) 화강암 (그룹 2, 3개 시료)의 저어콘 상속핵은 시생대-고생대에 이르기까지 다양한 연대 분포를 나타낸다. 시생대-중원생대의 상속핵은 대부분 맨틀 값 (5.3±0.3 ‰)보다 높은 δ18O 값을 가지지만 그룹 2의 신원생대 초 (877-831 Ma) 상속핵은 맨틀 값 또는 그 보다 약간 높은 값 (5.0∼6.1 ‰)을 보인다. 그룹 2에서 보이는 신원생대 중기 (761-684 Ma)에 정출한 저어콘 상속핵은 남중국 지괴에서 특징적으로 보이는 낮은 δ18O 값 (-0.9∼5.9 ‰)을 나타낸다. 한편 그룹 1 저어콘 상속핵의 εHf(t) 값은 음(-)의 값이 주를 이루는데 비하여 그룹 2의 경우 고원생대 이후에는 양(+)의 값이 주를 이룬다는 점도 주목할 만하다. 이번 연구의 저어콘 상속핵 자료는 쥐라기 화강암의 생성 이전에 지각 하부에서 이질적인 지괴 사이의 병치가 일어났었음을 직접적으로 지시하다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract (English) i
• Table of Contents v
• List of Figures ix
• List of Tables xiii
• CHAPTER I 1
• Abstract 3
• 1. Introduction 4
• 2. Geological settings 5
• 3. Materials and methods 8
• 3.1. Materials description 8
• 3.2. Methods 10
• 3.2.1. Oxygen isotopic analysis 10
• 3.2.2. U-Pb geochronology 11
• 3.2.3. Lu-Yb-Hf isotopic analysis 12
• 3.2.4. Mg isotopic analysis 14
• 3.2.5. Raman spectroscopy 15
• 4. Results 18
• 5. Discussion 25
• 6. References 59
• CHAPTER II 67
• Abstract 68
• 1. Introduction 69
• 2. Geological setting and materials 72
• 2.1. Geological settings 72
• 2.2. Materials description 72
• 3. Methods 76
• 3.1. Zircon oxygen isotope 76
• 3.2. Zircon U-Th-Pb isotope 78
• 3.3.Zircon Lu-Yb-Hf isotope 79
• 4.Results 128
• 4.1.Pocheon-Uijeongbu area 131
• 4.2. Yeoju-Wonju-Chungju area 132
• 4.3. Chungju-Daejeon area 133
• 5. Discussion 138
• 5.1. Characteristics of source rocks 138
• 5.2. Neoproterozoic negative and low-δ18O zircon 142
• 5.3. Granite genesis 143
• 5.4. Tectonic implications 146
• 6. Conclusions 150
• 7. References 151
• Abstract (in Korean) 157
• Acknowledgement 159