제주도 현무암 내 감람석 Fe-Mg 확산 시계열 분석을 통한 분출 전 마그마 진화과정 복원 = Reconstructing Pre-eruptive Basaltic Magma Process Beneath Jeju Island using Olivine Fe-Mg Diffusion Chronometry

국문 초록 (Abstract)

현무암 내 감람석과 휘석의 원소(Fe-Mg, Ca 및 Ni)의 확산 양상을 해석하는 것은 마그마 분출 전 마그마 분화과정에 대한 이해를 가능하게 한다. 특히, 마그마 분출 전 하부 지각에서 일어나는 마그마 저장, 재충전, 그리고 혼합 과정은 반정 내 원소 분포를 통하여 뚜렷하게 보존되므로 마그마 진화의 시간적 규모를 정량적으로 복원할 수 있는 핵심 단서를 제공한다. 이에 본 연구에서는 제주 어승생 1호 시추코어에서 획득된 현무암 시료 중 순상 화산체 형성단계에 분출된 여러 시료(109, 125, 141 및 154 m)를 확산 시계열 분석 연구에 활용하였다. 감람석과 휘석 반정에서 관찰되는 원소의 공간적 분포를 확인하기 위해, 각 시료 당 30개의 반정에 대하여 반정의 Rim-to-Core 선형 프로파일 EPMA 분석을 수행하였다. 또한 지온·지압계를 적용하기 위해 단사휘석 정량 분석 후, XRF 분석을 통해 획득된 전암 조성을 기반으로 단사휘석-전암 조성 평형 조건의 마그마 저장소 깊이와 온도를 추정하였다.
연구 결과, 시추코어 내 암석학적 특징과 고토양층의 존재 여부를 바탕으로 용암류의 단위를 154 m (Unit 1), 141 m (Unit 2 하부), 125 m (Unit 2 상부), 109 m (Unit 3)로 세분화하였다. 분출단위별 반정 관찰 결과, 109 m에서는 정상 누대구조가, 125, 141 및 154 m의 경우 역누대구조가 지배적으로 산출되었다. 이는 분출 단위에 따라 서로 다른 마그마 유입 및 혼합 과정이 있었음을 시사한다. 단사휘석을 활용한 지온·지압계 결과, 단사휘석과 평형을 이루는 마그마저장소 조건은 약 7 kbar, 1473 K으로 계산되었으며, 이는 중-하부 지각 깊이의 저장소에서 최종 평형이 이루어졌음을 시사한다. 감람석 내에 기록된 확산의 경우 크게 (1) 서로 다른 두 마그마의 혼합 후 상승 전까지의 시간 규모(반정 내 확산 영역이 존재하는 역누대구조)와 (2) 상승에서 분출까지의 시간 규모(최외곽부 Mg 급감 영역)로 구분될 수 있다. 이 중, Unit 1과 2의 경우 분출 전 하부 지각 조건에서 서로 다른 두 마그마가 혼합된 양상이 확인되며, 재충전 후 Unit 1에서는 약 400일 이후, Unit 2 하부의 경우 약 2100일 이후에 상승이 시작된 것으로 추정되었다. Unit 2 상부에서는 동일한 용암류임에도 불구하고, 시간 규모가 약 500일로 감소하였다. Unit 3에서 관찰되는 정상 누대구조의 경우 확산의 영향인지, 결정 성장의 영향인지 명확히 구분되지 않아 추가적인 분석이 필요하다.
본 연구는 현무암 순상 화산체 형성단계의 마그마 분화 과정을 정량적으로 복원하여, 제주 현무암질 화산체 형성에 다양한 화성 과정이 관여했음을 보여주었다. 이러한 결과는 제주도 마그마 시스템을 시공간적으로 정밀하게 이해하는데 기여할 뿐 아니라, 향후 화산 활동의 잠재적 위험성 평가와 재해 대응 전략 수립에도 중요한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Interpreting the diffusion profiles of key elements (e.g., Fe–Mg, Ca, and Ni) within olivine and clinopyroxene phenocrysts provides critical insights into the sequence of pre-eruptive magmatic processes in basaltic systems. In particular, the stages of magma storage, recharge, and mixing occurring in the lower crust prior to eruption are commonly preserved as distinct chemical zoning patterns, enabling the reconstruction of the temporal evolution of magmatic differentiation. In this study, we applied diffusion chronometry to basaltic samples obtained from the Eoseungsaeng-1 drill core on Jeju Island, South Korea. These samples (109, 125, 141, and 154 m depths) represent multiple eruptive units belonging to the shield-forming stage of the Jeju Volcanic Field. To identify the spatial distribution of chemical zoning in phenocrysts, we performed rim-to-core linear profile EPMA analyses on thirty olivine and clinopyroxene grains per depth interval. In addition, clinopyroxene-based geothermobarometry was conducted using major-element compositions of clinopyroxene and whole-rock data obtained by XRF analysis, allowing us to estimate the pressure–temperature conditions of magma storage.
Lithological characteristics and the presence of paleosol layers within the drill core enabled the stratigraphic subdivision of the eruptive units into 154 m (Unit 1), 141 m (Unit 2 lower), 125 m (Unit 2 upper), and 109 m (Unit 3). Textural observations reveal that olivine phenocrysts from Unit 3 exhibit normal zoning, whereas those from Units 1 and 2 are dominated by reverse zoning, suggesting depth-dependent variations in magma recharge and mixing. Geothermobarometric results indicate that clinopyroxene crystallized in equilibrium with a magma stored at approximately 7 kbar and 1473 K, consistent with a mid- to lower-crustal reservoir. Diffusion profiles preserved in olivine phenocrysts record two characteristic timescales: (1) the mixing-to-eruption time following recharge, represented by diffusive smoothing of reverse zoning; and (2) the ascent-to-eruption time inferred from sharp Fo decreases at the outermost rims. Units 1 and 2 show clear evidence for the mixing of compositionally distinct magmas at depth, with subsequent magma ascent initiating ~400 days (Unit 1) and ~2100 days (Unit 2 lower) after recharge. By contrast, zoning patterns in Unit 3 do not allow a clear distinction between diffusion-controlled modification and growth-related effects, requiring further investigation.
Overall, this study quantitatively reconstructs the sequence and timing of magmatic processes associated with the basaltic shield-building stage on Jeju Island. Our results demonstrate that multiple, depth-dependent magmatic events contributed to the construction of the basaltic edifice and highlight the complexity of the magma plumbing system beneath the Jeju Volcanic Field. These findings provide essential constraints on the spatio-temporal evolution of magmatism in the region and offer a foundation for evaluating potential volcanic hazards and future eruptive behavior.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 요약문(국문) 12
• Ⅱ. 서론 14
• 2.1. 마그마 저장소 구조와 연구의 변화 14
• 2.2. 확산 시계열 분석의 원리와 작용 15
• 2.3. 감람석의 확산 특성과 활용성 15
• 2.4. 연구의 필요성과 목적 16
• Ⅲ. 제주 현무암질 마그마 분출 전 진화 과정 규명을 위한 광물 누대구조의 암석학적 및 지화학적 연구 17
• 3.1. 요약문 17
• 3.2. 서론 19
• 3.3. 지질 개요 21
• 3.4. 연구방법 23
• 3.4.1. 시료 및 기재 23
• 3.4.2. 전암 분석 27
• 3.4.3. 반정 조직 관찰 및 전자 현미분석 27
• 3.5. 결과 및 토의 29
• 3.5.1. 코어 기재 및 인접 코어와의 비교 29
• 3.5.2. 시추 코어의 분출단계별 암석 조직 및 광물 반정 특성 32
• 3.5.3 전암 화학분석 37
• 3.5.4. 산출 심도에 따른 현무암 반정의 조직적-화학적 특성 45
• 3.5.5. 광물 반정에 기록된 현무암질 마그마의 재충전 51
• 3.6. 결론 53
• Ⅳ. 제주도 현무암 내 감람석 Fe-Mg 확산 시계열 분석을 통한 분출 전 마그마 진화과정 복원 55
• 4.1. 요약문 55
• 4.2. 서론 56
• 4.3 지질 개요 및 시료 58
• 4.4. 연구 방법 62
• 4.4.1. 전암 분석 62
• 4.4.2. 조직 관찰 및 EPMA 선형 프로파일 정량분석 62
• 4.4.3. EBSD 분석 63
• 4.4.4. 단사휘석 지온지압계 63
• 4.4.5.1. 단사휘석-전암 조성 지온지압계 64
• 4.4.5.2. 단사휘석-단독 조성 지온지압계 65
• 4.4.5. 확산 모델링 65
• 4.5. 결과 및 토의 66
• 4.5.1. 광물 반정 내 누대구조 특성 66
• 4.5.2. 깊이별 현무암 내 감람석 반정 확산 양상 70
• 4.5.2.1. 누대구조 유형에 따른 확산 양상 분류 70
• 4.5.5.2. 깊이별 감람석 확산 양상 해석 72
• 4.5.3. 마그마 저장소 조건 추정 91
• 4.5.3.1. 단사휘석 반정의 조직적화학적 특성 91
• 4.5.3.2. 단사휘석 지온지압계를 통한 마그마 조정소 조건 산출 93
• 4.5.4. 감람석 반정을 활용한 확산 시계열 분석 98
• 4.5.4.1. 감람석 반정에 분출 전 정치 시간 규모 98
• 4.5.4.2. 감람석 반정 최외곽부의 시간 규모 102
• 4.5.5. 다중 저장소-재충전 및 혼합에 의한 현무암질 순상 화산체 형성의 시공간적 진화 106
• 4.6. 결론 107
• Ⅴ. 요약문(영문) 109
• Ⅵ. 참고문헌 111