Geochemical and isotopic characteristics of the Pirrit Hills granite in West Antarctica

국문 초록 (Abstract)

서남극 지역의 중생대 지질특성은 곤드와나 대륙의 분리와 밀접한 관련을 가지고 있어, 이 지역에 분포하는 화강암들에 대한 암석ㆍ지화학ㆍ방사성 동위원소 연구가 대륙 분리 과정과 관련된 마그마 활동을 이해하는데 좋은 사례들을 제공한다. 서남극은 동남극에 비해 상대적으로 지각이 얇으며, 5개의 지괴로 구성되어있다. 이 지괴들은 지각심부 열극대에 의해 구분되며, 곤드와나 대륙의 분리기간 중 서로 독립적으로 이동하였을 것으로 추정된다. 피릿힐(Pirrit Hills) 화강암은 이들 지괴 중에서 엘스워드-위트모아(Ellsworth-Whitmore) 산맥 지괴 내에 분포하고 있다.
피릿힐 화강암의 주 구성광물은 퍼사이트(perthite) 조직을 나타내는 알칼리 장석, 타형의 석영과 사장석이며, 이 밖에 흑운모와 백운모가 석영과 장석 사이의 간극을 충전하고 있는 형태로 나타난다. 피릿힐 화강암은 매우 균질하고 극단적으로 분화된 과알루미나형(peraluminous) 산성암이다. 이 화강암의 암석학적, 지구화학적 특성은 확장 환경 또는 비조산 환경에서 생성되는 A-type 화강암과 매우 유사하다. 콘드라이트 값으로 표준화한 희토류 원소 분포도에서 피릿힐 화강암은 경희토류가 중희토류에 비해 부화된 특징을 보이는 일반적인 I-type 또는 S-type 화강암질 마그마의 분화경향과 대조적으로 매우 편평한 희토류 분포 패턴을 보이며, 뚜렷한 Eu 음(-)이상을 나타낸다. 이러한 경향은 사장석 분별이 피릿힐 화강암의 생성과정에 매우 중요한 역할을 하였음을 지시한다. 따라서 피릿힐 화강암은 석류석과 같은 중희토류 원소를 선호하는 광물이 마그마 생성과정에 참여하였거나, 혹은 마그마 분화 과정 중에 극심한 사장석의 분별정출작용에 의해 생성되었을 것으로 추정된다.
높은 Ga/Al 비를 가지는 피릿힐 화강암은 지구화학적 특성들이 A-type 화강암과 매우 유사하다. 하지만, 일부 지체구조 판별도에서 피릿힐 화강암은 판내부기원 화강암뿐만 아니라 충돌대와 후조산운동 확장환경에서 생성된 화강암 영역에도 도시된다. 또한 A-type 화강암을 세분하는 Nb-Y-Ce과 Nb-Y-3Ga 삼각도에서 피릿힐 화강암은 조산 운동 후 확장 환경 하에서 생성되는 A2형으로 분류되며, 대륙지각 기원으로 맨틀기원인 A1형과는 구분된다. 따라서 피릿힐 화강암이 확장 환경 또는 비조산 환경에서 생성되기 전에 우리가 인지하지 못한 조산운동이 있었을 가능성을 지시한다. 하지만 현재의 데이터로는 피릿힐 화강암의 지구조환경과 성인을 명확히 하기에는 어려움이 있다.
연대측정 결과, U-Pb 저어콘 연대, Rb-Sr과 Sm-Nd 전암 연대는 선행 연구된 Rb-Sr 전암 연대(173 ± 3 Ma) 보다 약 8 Ma 더 젊은 164.5 ± 2.3 Ma (MSWD = 1.3), 159.5 ± 7.5 Ma (MSWD = 42), 169 ± 12 Ma (MSWD = 1.7) 였다. 그리고 피릿힐 화강암의 Sr과 Nd의 동위원소비 초기값은 각각 0.711 ± 0.025 (2σ SE)와 0.512207 ± 0.000017 (2σ SE) 으로 피릿힐 화강암의 기원 물질이 지각임을 지시한다. Nd 결핍맨틀 모델연대 TDM 2는 1.28～1.34 Ga 범위로 피릿힐 화강암의 지각 기원 물질이 중기 원생대의 결핍맨틀로부터 유래되었음을 지시한다.
U-Pb 저어콘 연대 측정 결과, 피릿힐 화강암은 164.5 ± 2.3 Ma 에 관입하였으며, 이 연대는 곤드와나 대륙 분리의 첫 번째 열곡 형성 단계인 165 Ma와 잘 일치한다. 따라서 피릿힐 화강암은 쥬라기 중기에 곤드와나 대륙의 분리와 관련된 확장환경 하에서 지각의 신장에 따라 발생한 마그마 활동에 의해 생성되었음을 지시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Mesozoic geology of West Antarctica is largely related with the break-up of the Gondwana supercontinent and offers a good example for understanding magmatism associated with the continental break-up process. West Antarctica can be divided into five crustal blocks with relatively thin crust. The blocks are separated by deep rift zones and have moved during the Mesozoic break-up of Gondwana. The Pirrit Hills granite occurs as an isolated pluton in the Ellsworth-Whitmore Mountains block, which is the center of five blocks in the present configuration.
The Pirrit Hills granite consists of quartz, perthitic alkali feldspar, and plagioclase, together with minor amounts of interstitial biotite and muscovite. The granite is a highly homogeneous, strongly fractionated, and mildly peraluminous. Its petrological and geochemical characteristics are largely akin to A-type granites, which are usually generated in an extensional and anorogenic environment. The chondrite-normalized REE patterns show moderately enriched (> ×10) and very flat patterns with significant negative Eu anomalies, suggesting that plagioclase played an important role in characterizing geochemical features of the granite during either the magma production or the fractionation process. At present, it remains unclear if flat REE patterns are originated from the involvement of HREE-bearing minerals, such as garnet, during the partial melting and parental magma formation in the source region, or the significant fractionation of plagioclase with HREE-bearing minerals during the magma fractionation. Although much of the geochemical features of the Pirrit Hills granite are similar to A-type granites, the Pirrit Hills granite also retains some geochemical features akin to orogenic or post-orogenic granites. In some tectonic discrimination diagrams, therefore, the Pirrit Hills granite is plotted in the post-collisional granite and syn-collisional granite fields as well as within-plate granite field. These geochemical features may suggest that there was an unrecognized orogenic event before initiation of extensional and anorogenic environment to produce the Pirrit Hills granite. This inference could be further supported by A2-type nature, such a magma with which is known to be derived from the low-pressure melting of continental crust or underplated crust during the waning (post-collisional) or end (anorogenic) stage through a cycle of continental collision or arc magmatism. However, it is difficult to clarify the detailed petrogenetic process and their tectonic environment for the formation of the Pirrit Hills granite due to the limited number of data at present.
The U-Pb zircon age of 164.5 ± 2.3 Ma (MSWD = 1.3) was obtained for the Pirrit Hills granite, and is considered as the best age for the emplacement of the granite. This age is ~8 Ma younger than the previously reported Rb-Sr whole rock isochron age of 173 ± 3 Ma. The Rb-Sr whole rock errorchron age and Sm-Nd whole rock isochron age were also yielded 159 ± 7.5 Ma (MSWD = 42) and 169 ± 12 Ma (MSWD = 1.7), respectively. The estimated initial Nd and Sr isotope ratios were 0.512207 ± 0.000017 (2σ SE) and 0.711 ± 0.025 (2σ SE), respectively, and suggest that the magma source was largely derived from crustal materials. Two-stage Nd model ages ranging from 1.28 to 1.34 Ga indicate that the Pirrit Hills granite was formed by remelting of Mesoproterozoic mantle-derived crustal materials.
The emplacement age of the Pirrit Hills granite corresponds to the first rifting stage of the break-up of Gondwana (at 165 Ma) and geochemical features of the Pirrit Hills granite have mostly affinity with A-type granites. Therefore, the Pirrit Hills granite represents the magmatic event that occurred responding the crustal thinning due to the break-up of Gondwana during the middle Jurassic in the West Antarctica.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Geological Setting 5
• Chapter 3. Petrography 8
• Chapter 4. Geochemistry 25
• 4.1. Analytical method 25
• 4.2. Major elements 27
• 4.3. Trace and rare earth elements (REEs) 38
• 4.4. Tectonic discrimination 47
• Chapter 5. Radiogenic isotopes 54
• 5.1. Analytical method 54
• 5.1.1. U-Pb zircon age dating 54
• 5.1.2. Whole rock Rb-Sr and Sm-Nd isotope analysis 55
• 5.2. U-Pb zircon age 58
• 5.3. Rb-Sr and Sm-Nd isotope systematics 64
• 5.4. Source materials of the Pirrit Hills granite 71
• Chapter 6. Discussion 76
• Chapter 7. Conclusions 80
• References 82
• Appendices 94
• I. Experimental procedure 94
• I-1. Clean room, reagents, and lab ware 94
• I-2. Sample decomposition 96
• I-3. Separation procedures for Rb, Sr, and REE 98
• I-4. Separation procedures for Sm and Nd 102
• Ⅱ. Instrumental procedure 106
• Ⅱ-1. Mass spectrometer 106
• Ⅱ-2. Sample loading 107
• Ⅱ-3. Mass fractionation 109
• Ⅱ-4. Ionization at TIMS 122
• Abstract in Korean 129