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- 열수 분출구는 해저 화산 지역의 마그마에 의해 지하에서 가열된 뜨겁고 미네랄이 풍부한 액체로 분출하는 해저의 간헐천
- 일본 해구의 동쪽에 있는 약 5,700m 깊이에는 소위 쁘띠 스팟 화산
- "글로벌 생지화학적 순환에 대한 중요성“

세계에서 가장 깊은 열수 지대 발견
5.7km 깊이의 일본 해구에서 새로운 열수 활동의 증거

지질 현상:
일본 해구에서 가장 깊은 열수장ㅇ이 발견됐다. 해저 간헐천은 섭입대의 "잘못된" 쪽에 있는 5.7km 깊이의 구조적으로 다소 특이한 위치에 있다. 소위 쁘띠 스폿(petit spot) 화산에 직접적으로 위치한 이 새로운 열수 지대의 위치는 그러한 심해 소스가 다른 곳에도 존재할 수 있음을 시사한다. 이것이 사실인지, 해양 물질 순환에 어떤 영향을 미치는지 이제 명확히 해야 한다. 

▲ 새로운 형태의 열수 활동은 소위 쁘띠 스폿 화산(Petit Spot Volcano), 즉 중앙해령에 위치한 작은 해저 화산에서 발생한다. © 와세다대학

열수 분출구는 해저 화산 지역의 빛나는 마그마에 의해 지하에서 가열된 뜨겁고 미네랄이 풍부한 액체로 분출하는 해저의 간헐천이다. 따라서 일반적으로 열수 장은 해저 화산의 경사면이나 중앙 해령에서 발생한다. 그러나 2022년 지구과학자들은 판 경계에서 멀리 떨어진 특히 뜨거운 해저 소스를 발견했다.

Petit Spot 화산에서 단서를 찾고 있다.

도쿄 대학의 Keishiro Azami가 이끄는 연구원들은 이제 일본 해안에서 또 다른 새로운 유형의 열수 분출구를 발견했다. 일본 해구의 동쪽에 있는 약 5,700m 깊이에는 소위 쁘띠 스팟 화산이 있다. 일반적인 해저 화산과 달리 이 작은 해저 분출공은 판 경계나 섭입대의 상부 판에 직접 위치하지 않고 하부 섭입 해양판의 실제 섭입대에서 떨어져 있다.

현재의 이론에 따르면 이러한 쁘띠 스팟 화산은 지각판이 이 지점에서 압력을 받아 구부러지기 때문에 발생한다. 그 결과 마그마가 지하로 이동하여 위로 밀려난다. 일반적으로 이러한 작은 화산 분출구는 알칼리성, CO2가 풍부한 용암을 방출한다. 그러나 흥미로운 점은 작은(Petit) 스팟 화산이 마그마와 지하수와의 상호작용에 의해 형성된 것이 틀림없는 용암 조각과 굳어진 진흙의 집합체인 페페라이트를 생성한다는 것이다"고 Azami와 그의 동료들은 설명했다.

이것은 그러한 소규모 화산에서도 열수 활동이 있을 수 있다는 의심을 불러일으켰다. 이를 확인하기 위해 연구원들은 프티 스팟 화산 근처 해저에서 샘플을 채취해 실험실에서 화학적으로 분석했다.

▲ 일본 해구의 동쪽에 있는 쁘띠 스폿 화산 지대 위치. © Azami et al./ Communications Earth & Environment, CC-by 4.0

망간 산화물 광물은 "수성" 기원을 밝힌다.

결과:
해저 샘플에는 열수 분출구 주변 퇴적물에서 흔히 볼 수 있는 높은 수준의 철 및 망간 산화물이 포함되어 있다. Azami와 그의 팀이 발견한 바와 같이 망간 산화물은 대부분 광물인 버네사이트와 버나디트의 형태였다. 델타 브라운스톤으로도 알려진 이 광물은 15~25%의 결합수를 포함하므로 일반적으로 광물이 풍부한 물의 침전에 의해 형성된다.

규산염, 유로퓸과 같은 특정 희토류 및 납 동위원소 분포의 수준에서 팀은 또한 Petit Spot 화산 지대에서 퇴적물이 용암 분출구에서 떨어진 200도 미만의 다소 낮은 온도에서 형성되었다고 결론지었다. Azami와 그의 동료들은 "우리의 결과는 샘플이 저온 열수 유체에서 실패했음에 틀림없다는 것을 보여준다"고 말했다.

세계에서 가장 깊은 열수 활동

이에 따르면 일본 해구의 심해 화산 지대에서 열수 활동이 일어나고 있다. "우리가 감지한 열수 활동은 현재까지 알려진 것 중 가장 깊다"고 Azami는 말했다. 연구원들은 Petit Spot 화산의 마그마가 이러한 심해 열수 분출구의 열원이라고 믿고 있다. 지하수를 50~150도로 적당히 따뜻하게 데운 다음 퇴적물을 통해 해저로 올라간다.

연구원들은 "이 열수 활동은 분출구 꼭대기가 아닌 쁘띠 스폿 화산의 바닥에서 발생한다"고 설명했다. 화산 분출구는 화학 성분이 다른 화산암으로 덮여 있기 때문이다. 그들의 계산에 따르면, 매년 110억에서 190억 리터의 미네랄이 풍부한 물이 이 열수 심해 밭의 심토에서 솟아날 수 있다.

▲ 샘플 분석(위)과 Petit Spot 화산의 열수 활동 이력. © Waseda University, Azami et al./ Communications Earth & Environment, CC-by 4.0

"글로벌 생지화학적 순환에 대한 중요성“

연구원들에 따르면, 일본 해구에 있는 이 깊은 열수 장은 아마도 예외는 아닐 것이다. 작은 반점 화산의 다른 지역도 열수 활동을 할 수 있다. Azami와 동료들은 "다른 심해 해구에 있는 소규모 화산이 우리 연구 지역만큼 흔하다고 가정하면 열수 시스템에서 나오는 열과 물의 유출이 상당할 수 있다"고 Azami와 동료들은 썼다.

그들은 그러한 깊은 열수 지대에서 생성되는 지구 열이 18억 와트로 추정되며 따뜻하고 미네랄이 풍부한 물의 유출은 연간 0.29조에서 4조 8000억 리터에 이른다. "이것은 전 세계 중앙 해령을 따라 방출되는 것의 약 0.1%에 해당한다"고 과학자들은 설명했다. 그러나 Petit Spot 유전의 유체에는 중앙 해령의 전형적인 블랙 스모커보다 훨씬 더 많은 CO2와 메탄이 포함되어 있기 때문에 해양 물질 순환에 미치는 영향이 훨씬 더 클 수 있다.

"세계의 소규모 열수장의 기여는 지구 생지화학적 순환, 특히 탄소 순환에 상당한 영향을 미칠 수 있다"고 Azami는 설명했다. 이제는 활동하지 않는 것으로 추정되는 다른 오래된 해양판에서 그러한 화산 및 열수 지대를 찾는 것이 더욱 중요해졌다.
(Communications Earth & Environment, 2023; doi: 10.1038/s43247-023-00832-3)
출처: Waseda University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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