마리아나해구 바닥의 미세 입자는 어디에서 올까? 퇴적물의 기원과 이동 경로

마리아나해구의 바닥을 덮고 있는 퇴적물은 그 자리에서 만들어진 물질만으로 이루어져 있지 않습니다.

화산에서 만들어진 광물 입자, 해양 생물의 잔해, 대기를 타고 이동한 먼지, 그리고 해구 사면에서 다시 이동한 오래된 퇴적물까지 다양한 물질이 섞여 있습니다.

특히 챌린저 딥처럼 수심이 약 11km에 이르는 곳에서는 입자가 단순히 해수면에서 수직으로 떨어지는 과정만으로 퇴적환경을 설명하기 어렵습니다.

해류와 해저 지형, 사면에서의 퇴적물 재이동 등이 입자를 옆으로 운반하고 해구의 깊은 부분에 집중시킬 수 있기 때문입니다.

그렇다면 과학자들은 마리아나해구 바닥에서 발견되는 아주 작은 입자가 어디에서 왔으며 어떤 과정을 거쳐 이동했는지 어떻게 알아낼까요?

마리아나해구의 퇴적물은 여러 공급원의 혼합물이다

마리아나해구의 퇴적물은 하나의 공급원에서 만들어지지 않습니다.

주변의 화산과 해령에서 공급되는 화산성 물질, 대기를 통해 이동하는 풍성먼지, 해양 생물에서 만들어진 유기물과 생물성 입자, 그리고 이미 해저에 쌓였다가 다시 이동한 퇴적물이 함께 존재할 수 있습니다.

따라서 해구 바닥의 퇴적물을 분석하는 것은 단순히 바닥의 흙을 조사하는 작업이 아닙니다.

입자들의 광물조성과 화학성분을 조사하면 주변 지역에서 어떤 물질이 공급되고 어떻게 이동했는지를 추적할 수 있습니다.

중요한 공급원 가운데 하나는 주변의 화산성 물질이다

마리아나해구는 거대한 섭입대의 일부이며 주변에는 마리아나 화산호와 여러 해령, 해저 화산이 존재합니다.

화산 분출과 암석의 풍화·침식 과정에서는 다양한 크기의 광물 입자가 만들어집니다.

이 가운데 작은 입자는 바닷물 속에서 이동한 뒤 해구 방향으로 운반될 수 있습니다.

챌린저 딥의 침강 입자를 분석한 연구에서는 총 24종의 광물과 화합물이 확인됐으며, 광물학적·지구화학적 분석 결과 주변 해령과 해분에서 공급된 화산성 물질이 주요 공급원으로 나타났습니다.

특히 West Mariana Ridge와 Kyushu-Palau Ridge에서 공급된 물질의 영향이 큰 것으로 분석됐습니다.

아시아에서 날아온 먼지도 마리아나해구까지 도달할 수 있다

마리아나해구는 육지에서 매우 멀리 떨어져 있지만 대륙에서 발생한 미세먼지가 전혀 도달하지 않는 것은 아닙니다.

아시아 내륙의 건조지역에서 발생한 작은 광물 입자는 강한 바람을 타고 서태평양까지 이동할 수 있습니다.

이처럼 대기를 통해 운반되는 물질을 풍성먼지(eolian dust)라고 합니다.

대기 중을 이동하던 입자는 비와 함께 떨어지거나 직접 해수면에 내려앉은 뒤 바닷물 속으로 침강할 수 있습니다.

퇴적물 속 점토광물과 희토류 원소 등의 조성을 분석하면 이러한 대륙 기원 물질의 영향을 추적할 수 있습니다.

다만 Challenger Deep의 침강 입자를 분석한 연구에서는 풍성먼지보다 주변 지역에서 공급된 화산성 물질이 더 중요한 공급원으로 나타났습니다.

해수면에서 만들어진 생물성 물질도 깊은 바다로 내려간다

마리아나해구 바닥으로 내려가는 것은 광물 입자뿐만이 아닙니다.

해수면 가까운 곳에서 살아가는 식물플랑크톤과 다른 생물에서 만들어진 유기물도 깊은 바다로 이동합니다.

죽은 플랑크톤과 배설물, 점액질 물질, 작은 생물 잔해 등이 서로 뭉치면 침강 속도가 빨라질 수 있습니다.

이러한 물질 가운데 상당 부분은 내려가는 동안 미생물이나 다른 생물에 의해 소비되고 분해됩니다.

그러나 일부 유기물은 수천 미터 아래까지 빠르게 이동해 심해와 초심해 생태계의 먹이원이 될 수 있습니다.

실제로 마리아나해구의 침강 입자에서 측정된 방사성탄소 자료는 표층에서 만들어진 비교적 새로운 입자성 유기탄소가 깊은 수심까지 전달될 수 있음을 보여줍니다.

침강하는 입자를 어떻게 직접 조사할까?

바닷물 속을 내려가는 입자를 연구하기 위해 과학자들은 sediment trap(침강입자 포집기)이라는 장비를 사용합니다.

이 장비를 원하는 수심에 설치하면 위쪽에서 내려오는 입자를 일정 기간 동안 수집할 수 있습니다.

연구자는 수집된 물질의 양뿐 아니라 광물조성, 유기탄소, 주요 원소와 미량원소 등을 분석합니다.

이를 통해 어떤 종류의 물질이 어느 수심까지 이동하는지, 계절이나 수심에 따라 입자 공급량이 어떻게 달라지는지를 조사할 수 있습니다.

챌린저 딥에서는 2,000m·4,000m·6,000m에서 입자를 수집했다

2020년 Deep Sea Research Part I에 발표된 연구에서는 챌린저 딥의 수심 2,000m, 4,000m, 6,000m에 시간계열 sediment trap을 설치해 침강 입자를 수집했습니다.

연구자들은 포집된 입자를 현미경으로 관찰하고 광물조성과 주요·미량원소, 희토류 원소 등을 분석했습니다.

분석 결과 침강 입자에는 광물 입자뿐 아니라 생물에서 유래한 입자도 포함되어 있었습니다.

특히 흥미로운 점은 6,000m에서 측정된 입자 플럭스가 2,000m와 4,000m보다 높게 나타났다는 것입니다.

이는 마리아나해구의 입자 이동을 단순히 해수면에서 아래쪽으로 내려오는 과정만으로 설명하기 어렵다는 사실을 보여줍니다.

왜 더 깊은 6,000m에서 입자가 증가할까?

일반적인 바다에서는 입자가 아래로 내려가는 동안 분해되거나 소비되기 때문에 깊이가 증가할수록 침강 입자량이 감소할 것으로 생각하기 쉽습니다.

하지만 해구에서는 상황이 다를 수 있습니다.

해구 양쪽에는 가파른 사면이 존재하고 그 사면에도 많은 퇴적물이 쌓여 있습니다.

이 물질이 중력이나 해류 등의 영향을 받아 아래쪽으로 이동하면 위에서 내려오는 입자에 사면에서 공급된 입자가 추가됩니다.

챌린저 딥 침강 입자 연구에서는 이러한 지형적 funneling effect가 6,000m에서 미세 광물 입자의 양을 증가시키는 원인 가운데 하나로 제시됐습니다.

마리아나해구는 거대한 깔때기처럼 작용할 수 있다

해구의 단면을 생각하면 양쪽의 경사진 사면 사이에 매우 깊은 해구축이 존재합니다.

사면에 있던 퇴적물이 아래쪽으로 이동하면 결국 깊은 해구축 방향으로 물질이 집중될 수 있습니다.

이 때문에 hadal trench는 주변에서 이동해온 입자를 모으는 지형적인 함정처럼 작용할 수 있습니다.

이러한 과정은 광물 입자뿐 아니라 유기탄소가 깊은 해구로 집중되는 데에도 영향을 줄 수 있습니다.

이미 쌓인 퇴적물도 다시 움직일 수 있다

해저에 한 번 쌓인 퇴적물이 영원히 그 자리에 머무르는 것은 아닙니다.

특히 경사가 큰 해구 사면에서는 퇴적물이 불안정해질 수 있습니다.

퇴적물이 다시 움직이면 이전에 쌓였던 광물과 유기물이 더 깊은 곳으로 이동할 수 있습니다.

이러한 과정을 퇴적물 재이동 또는 재퇴적이라고 볼 수 있습니다.

따라서 챌린저 딥 바닥에서 발견된 입자가 반드시 바로 위의 바닷물에서 수직으로 떨어졌다고 판단해서는 안 됩니다.

지진도 퇴적물 이동에 영향을 줄 수 있다

마리아나해구는 태평양판이 필리핀해판 아래로 섭입하는 활발한 판 경계입니다.

따라서 크고 작은 지진이 반복적으로 발생합니다.

강한 지진은 경사진 해저에 쌓여 있던 퇴적물을 불안정하게 만들어 사면 아래로 이동시키는 계기가 될 수 있습니다.

이 과정에서 비교적 짧은 시간에 많은 양의 퇴적물이 깊은 곳으로 운반될 수 있습니다.

따라서 해구 퇴적층에는 오랜 시간 천천히 쌓인 물질과 갑작스러운 사건으로 이동한 물질이 함께 존재할 수 있습니다.

입자의 출발지는 어떻게 알아낼까?

해저 퇴적물에는 어디에서 왔는지를 알려주는 표지가 붙어 있지 않습니다.

대신 과학자들은 입자의 광물학적·지구화학적 특징을 일종의 지문처럼 이용합니다.

어떤 점토광물이 포함되어 있는지 확인하고 주요 원소와 미량원소, 희토류 원소의 분포 등을 분석합니다.

서로 다른 암석과 지역은 서로 다른 광물·원소 조성을 가질 수 있기 때문에 분석 결과를 주변 해령과 화산암, 대륙성 먼지 등의 자료와 비교하면 가능한 공급원을 좁힐 수 있습니다.

챌린저 딥 침강 입자 연구에서도 이러한 방법을 이용해 주변 화산성 물질이 주요 공급원이라는 결론을 얻었습니다.

희토류 원소가 입자의 이동경로를 알려주는 이유

희토류 원소(REE)는 지질학과 해양학에서 물질의 기원을 추적하는 데 자주 이용됩니다.

서로 다른 암석이나 퇴적물은 희토류 원소의 상대적인 분포가 다를 수 있습니다.

따라서 침강 입자의 희토류 원소 패턴을 주변 지역의 암석이나 퇴적물과 비교하면 어떤 공급원의 영향을 많이 받았는지 판단하는 데 도움이 됩니다.

이 방법은 마리아나해구처럼 여러 종류의 물질이 혼합되는 환경에서 특히 유용합니다.

입자의 크기도 이동 과정을 알려준다

퇴적물의 입자 크기는 단순한 외형적 특징이 아닙니다.

일반적으로 작은 점토 입자는 물속에서 비교적 오랫동안 떠 있을 수 있는 반면 큰 입자는 더 빠르게 가라앉는 경향이 있습니다.

하지만 실제 해양에서는 작은 입자들이 유기물과 결합해 큰 덩어리를 만들 수도 있고 해류에 의해 다시 떠오를 수도 있습니다.

따라서 연구자들은 퇴적물의 입도 분포를 광물과 원소 자료, 퇴적층 구조와 함께 분석해 입자가 어떤 환경에서 운반됐는지를 추정합니다.

유기물의 기원도 분석할 수 있다

퇴적물 속 유기물 역시 모두 같은 곳에서 만들어진 것은 아닙니다.

탄소와 질소의 비율, 탄소 안정동위원소 등의 자료를 이용하면 유기물이 주로 해양 생물에서 만들어졌는지 육상에서 공급됐는지를 추정할 수 있습니다.

남부 마리아나해구의 수심 약 4,900~7,118m에서 확보된 퇴적물을 분석한 연구에서는 대부분의 유기물이 해양 조류 등 해양 생물 기원인 것으로 해석됐습니다.

또 표층 퇴적물의 총유기탄소 함량은 대체로 수심이 증가할수록 높아지는 경향을 보였습니다.

깊은 곳에서 유기물이 증가하는 이유는 무엇일까?

일반적으로 해수면에서 만들어진 유기물은 깊은 바다로 내려가는 동안 상당 부분 분해됩니다.

따라서 단순한 수직 침강만 생각하면 깊은 곳일수록 유기물 공급이 감소할 것으로 예상할 수 있습니다.

하지만 마리아나해구에서는 주변 사면에서 유기물을 포함한 퇴적물이 옆으로 이동해 해구 내부에 추가될 수 있습니다.

남부 마리아나해구 연구에서는 높은 퇴적률과 수심에 따라 증가하는 총유기탄소 경향이 해구의 깔때기 같은 지형과 국지적인 해류에 의한 측면 이동(lateral transport)의 증거 가운데 하나로 해석됐습니다.

최근 만들어진 유기물도 빠르게 깊은 바다까지 내려갈 수 있다

모든 유기물이 오래된 퇴적물에서 재이동한 것은 아닙니다.

마리아나해구에서 2,000m, 4,000m, 6,000m의 침강 입자성 유기탄소를 방사성탄소로 분석한 연구에서는 비교적 현대적인 방사성탄소 신호가 확인됐습니다.

이는 표층에서 만들어진 신선한 유기물 가운데 일부가 효율적인 생물학적 펌프를 통해 깊은 수심까지 빠르게 전달될 수 있다는 것을 의미합니다.

이러한 물질은 극한환경에서 살아가는 심해 미생물과 저서생물에게 중요한 에너지원이 될 수 있습니다.

오래된 물질과 새로운 물질이 함께 존재할 수 있다

마리아나해구의 퇴적환경이 복잡한 이유가 바로 여기에 있습니다.

표층에서 최근 만들어져 빠르게 침강한 유기물과 해구 사면에서 재이동한 오래된 퇴적물이 같은 장소에 함께 존재할 수 있습니다.

따라서 연구자는 입자의 위치만 보고 나이를 판단하지 않습니다.

방사성탄소와 안정동위원소, 광물조성, 입도와 퇴적구조 등을 함께 분석해야 물질이 어떤 과정을 거쳐 현재 위치에 도달했는지를 보다 정확하게 해석할 수 있습니다.

퇴적물의 기원을 알아내는 연구를 무엇이라고 할까?

퇴적물이 어디에서 공급됐는지를 밝히는 연구를 provenance analysis(기원지 분석)라고 합니다.

이를 통해 마리아나해구의 물질이 주변 화산지역과 해령, 대기, 해양 생물 또는 기존 해저 퇴적물 가운데 어디에서 공급됐는지를 연구할 수 있습니다.

특정 시기에 화산성 물질이나 풍성먼지의 비율이 달라졌다면 과거 화산활동이나 대기순환의 변화를 추적하는 자료로도 사용할 수 있습니다.

따라서 퇴적물은 단순한 심해의 진흙이 아니라 주변 지질과 해양환경의 변화가 기록된 자료입니다.

해구는 지구 탄소순환에서도 중요한 장소다

해구에 집중되는 입자에는 광물뿐 아니라 유기탄소도 포함됩니다.

이 유기물은 심해 미생물과 저서생물의 먹이원이 될 수 있으며 일부는 퇴적물 내부에 묻혀 장기간 저장될 수 있습니다.

따라서 얼마나 많은 유기탄소가 해구로 이동하고 얼마나 빠르게 분해되거나 매몰되는지를 연구하는 것은 지구의 탄소순환을 이해하는 데에도 중요합니다.

Hadal trench가 입자와 유기탄소를 집중시키는 환경이라는 사실은 세계에서 가장 깊은 해구가 단순한 지형적 극한환경 이상의 역할을 하고 있음을 보여줍니다.

작은 입자 하나에도 긴 이동의 역사가 있다

마리아나해구 바닥에서 발견되는 작은 광물 입자 하나를 생각해볼 수 있습니다.

그 입자는 주변 화산암에서 만들어졌을 수도 있고 아시아 대륙에서 대기를 타고 날아왔을 수도 있습니다.

한때 해구 사면에 쌓였다가 다시 이동해 챌린저 딥 방향으로 내려왔을 가능성도 있습니다.

또 해수면에서 만들어진 생물성 물질과 결합해 침강했을 수도 있습니다.

과학자들은 광물조성과 원소, 동위원소, 입도와 퇴적층 구조를 함께 분석해 이러한 복잡한 이동의 역사를 하나씩 추적합니다.

자주 묻는 질문

마리아나해구 퇴적물은 대부분 육지에서 온 흙인가요?

아닙니다. Challenger Deep 침강 입자 연구에서는 주변 해령과 해분에서 공급된 화산성 물질이 주요 광물 공급원으로 나타났습니다. 대륙에서 날아온 풍성먼지와 해양에서 만들어진 물질도 존재하지만 공급 비중은 서로 다를 수 있습니다.

해수면에서 만들어진 입자가 수천 미터 아래까지 내려갈 수 있나요?

가능합니다. 실제 방사성탄소 연구에서는 비교적 최근 표층에서 만들어진 입자성 유기탄소가 마리아나해구의 깊은 수심까지 전달되는 현상이 확인됐습니다.

침강하는 입자는 어떻게 직접 측정하나요?

Sediment trap을 특정 수심에 설치해 일정 기간 떨어지는 입자를 수집합니다. Challenger Deep 연구에서는 2,000m, 4,000m, 6,000m 수심에서 시간계열 sediment trap을 이용했습니다.

왜 6,000m에서 더 많은 입자가 발견될 수 있나요?

위에서 수직으로 내려오는 입자뿐 아니라 주변 사면에서 옆으로 이동한 물질이 추가될 수 있기 때문입니다. 연구에서는 해구의 지형적인 funneling effect가 미세 광물 입자를 깊은 곳에 집중시키는 요인으로 제시됐습니다.

지진도 퇴적물 이동에 영향을 줄 수 있나요?

그럴 수 있습니다. 지진은 경사진 해저 퇴적물을 불안정하게 만들어 퇴적물의 재이동을 촉진할 수 있습니다. 따라서 해구 퇴적층을 해석할 때는 이러한 사건성 이동도 고려해야 합니다.

마무리

마리아나해구 바닥의 미세 퇴적물은 단순히 해수면에서 천천히 떨어진 먼지가 아닙니다.

주변 해령과 화산지역에서 공급된 광물, 아시아 대륙에서 날아온 풍성먼지, 해수면에서 만들어진 생물성 물질, 그리고 해구 사면에서 다시 이동한 오래된 퇴적물이 서로 섞여 있습니다.

Challenger Deep의 실제 침강 입자 연구에서는 주변 지역의 화산성 물질이 중요한 공급원으로 확인됐으며 6,000m에서 2,000m와 4,000m보다 높은 입자 플럭스가 관찰됐습니다.

이는 마리아나해구가 단순히 세계에서 가장 깊은 움푹한 지형이 아니라 주변에서 이동하는 물질을 깊은 곳으로 집중시키는 거대한 자연의 퇴적 함정처럼 작용할 수 있음을 보여줍니다.

또한 표층에서 만들어진 비교적 새로운 유기물도 깊은 수심까지 전달될 수 있기 때문에 해구의 퇴적물에는 오래된 재이동 물질과 새로운 생물성 물질이 함께 존재할 수 있습니다.

연구자들은 sediment trap과 퇴적 코어를 이용해 이러한 입자를 수집하고 광물조성, 희토류 원소, 입도, 유기탄소와 동위원소 등을 분석합니다.

결국 마리아나해구 바닥의 작은 입자들은 화산활동과 대기순환, 해양 생산성, 해류와 해저 지형이 함께 만들어낸 기록입니다.

이 미세한 퇴적물의 기원과 이동경로를 밝히는 것은 마리아나해구의 지질학적 변화뿐 아니라 심해 생태계와 지구 탄소순환을 이해하는 데에도 중요한 단서가 됩니다.

참고자료

Xiao, C. et al. (2020). Mineral composition and geochemical characteristics of sinking particles in the Challenger Deep, Mariana Trench: Implications for provenance and sedimentary environment. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 157, 103211.

Luo, M. et al. (2017). Provenances, distribution, and accumulation of organic matter in the southern Mariana Trench rim and slope: Implication for carbon cycle and burial in hadal trenches. Marine Geology, 386, 98–106.

Wang, N. et al. (2020). Carbon cycling in the deep Mariana Trench in the western North Pacific Ocean: Insights from radiocarbon proxy data. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 164, 103370.