KIGAM 한국지질자원연구원

탄소 활동과 백두산 화산 활동의 연결성

  글. 이윤수(국토지질연구본부 책임연구원)

탄소는 생명체의 주요 구성 원소로서 기후, 생태계, 환경에 많은 영향을 미친다.
따라서 탄소 순환계에 대한 연구는 백두산 화산의 마그마를 연구하는 데 중요한 자료가 된다.
백두산 화산 분화의 주기와 규모를 예측할 수 있는 방법이기 때문이다.
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<탄소는 생명체의 주요 구성 원소로서 기후, 생태계, 환경에 많은 영향을 미친다>

지구 기후변동과 탄소

미국해양대기국(NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration) 통계에 따르면, 산업혁명 이전 280ppm이었던 대기중 이산화탄소 농도가 2015년 400ppm을 넘어섰다. 기후모델 연구 결과는 인류가 산업 활동으로 배출한 이산화탄소와 메탄가스가 대기중 이산화탄소 농도를 증가시킨 주범이라는 것을 보여준다. 이대로 간과한다면 300년 이내 대기중 이산화탄소는 1,800ppm에 육박하게 될것이다. 그렇게 되면 어떤 일이 벌어질까?

초대형 화산 활동 이벤트는 지구 생명체를 멸종시킬 만큼 많은 양의 탄소를 배출한다. 5천5백만 년 전, 대서양중앙해령에서 거대한 화산분출이 일어났다. PETM(Paleocene-Eocene Thermal Maximum, 팔레오세에-에오세 최고온기)으로 불리는 이벤트로, 무려 2조ton의 탄소가 해저에서 방출되었고(1만년 이내), 급격한 지구 온난화(1,800-2,000 ppm)를 유발시켰다.(Zachos et al., 2001) 이 시기 동안 해류와 대기 마찰력 변화가 지구 자전 속도에 영향을 일으켜, 결국 지구 자기장의 역전을 초래했다.(Lee and Kodama, 2009) 11만 년 간 지속된 PETM으로 전 지구 생명체 3분의 2가 절멸했다. 이는 오늘날 급격한 지구온난화에 대한 지구의 경고 메시지이다.

<탄소 순환계에 대한 연구는 백두산 화산의 마그마를 연구하는데 중요한 자료가 된다. 백두산 화산 분화의 주기와 규모를 예측할 수 있는 방법이기 때문이다>

지구 대기중 이산화탄소 농도가 높으면 바닷물에 녹아들어 무기적(석회암, marl 등), 유기적(조개, 산호, 식물 등) 작용이 활발하게 일어나, 탄산칼슘의 형태로 결정시키거나 고정시켜 대기중 이산화탄소 농도를 감소시킨다. 이산화탄소 농도가 낮으면, 지구기온은 떨어지고 지구표면에서 무기적·유기적 활동은 약화되어, 다시 대기와 해수중의 이산화탄소 농도는 증가한다. 이처럼 지구는 물리·화학적 침식, 용해, 퇴적작용으로 대기 중 이산화탄소와 해수중 이산화탄소 농도를 스스로 조정해왔다. 하지만 오늘날 인류는 과도한 탄소 배출로 지구온난화에 직면했다. 하지만 대기중 이산화탄소 농도 그 자체보다, 그 증가 속도가 자연계가 탄소를 스스로 조정할 수 있는 한계를 훨씬 뛰어 넘었다는 것이 더 큰 문제이다.

백두산 화산 활동과 탄소 순환시스템

1980년 세인트헬렌즈 화산 분화(화산분화지수 5, 데싸이트질 마그마, 1.25㎦) 때, 이산화탄소 양은 1년간 약 4백억mol(Harries et al., 1981), 즉 88만ton 정도였다. 1815년, 인도네시아 탐보라 화산 분화(백두산과 같은 규모 7) 때는 화산재가 성층권까지 올라가 태양에너지를 반사시켰다. 때문에 2~3년간 전 지구에 여름이 사라져 기근을 초래했다. 신생대 무렵, 동아시아 일대에 맨틀 연약권이 상승했다. 이로써 만주~동해 일원에 화산 활동이 발생했다. 백두산 화산 활동도 그 연장선상에서 일어난 것으로 보인다. 그렇다면 일본에서 백두산에 이르는 거대한 동아시아 맨틀 Wedge 시스템에서, 탄소는 어떻게 순환하고 어떤 역할을 할까. 태평양판에 실려 주로 탄산연암(석회암)으로 공급되는 탄소는 화산호 영역(심도 60~160km)에서 주로‘초임계유체’나 ‘가스’ 형태로 마그마 방과 그 주변에 존재한다.

<마그마는 수증기 다음으로 이산화탄소를 가장 많이 포함한다. 이산화탄소는 휘발성 가스로 화산 분화를 결정하는 주요 요소다.>

한편, 고압광물실험을 통해 심도 약 120km, 섭씨 900℃ 이하에서 암석은 부분적으로 용융(hydrous carbonatitic liquid)을 일으킨다는 것과 초임계유체가 깊이 관여하고 있다는 것을 밝혀냈다. 최근 심부지구모델 연구(Sverjensky et al., 2014)에서 맨틀 감람암(peridotite)에도 평형상태의 초임계유체에 탄소가 용해된 가스가 존재한다고 알려졌다. 또한 유기기원의 아세테이트(CH3COOH)가 유체에서 탈수되면서, 탄소결정(다이아몬드)이 만들어 진다고 보고되는 등 유체의 중요성이 널리 인식 되고 있다.

백두산 화산은 지금까지 분류되지 못한 새로운 형태이다. 백두산 화산을 알기 위해서는 지구조 운동, 마그마의 정확한 분포, 규모, 물성, 진화, 마그마의 맨틀-지각과의 상호작용, 태평양판 섭입대에서 물리적(심발지진 등)·열화학적(탈수작용, 초임계유체 등) 영향에 대한 이해가 필요하다. 초임계유체는 액체에 근접한 큰 밀도를 갖지만, 기체처럼 자유롭게 확산한다. 이 때문에 유체는 맨틀 wedge 섭입대에 형성된 마그마에, 수분과 탄소 등을 공급해준다. 초임계유체는 백두산 천지 마그마 주변에도 활발하게 활동한다. 유체에는 다량의 수증기, 이산화탄소, 휘발성 가스를 포함한다. 유체에 규소가 포화된 silicate-saturated supercritical fluid는 Eh-pH에 따라 금속광물도 다량 녹아있다.(Ni and Keppler, 2013) 점성이 강한 산성 마그마일수록 엄청난 양의 휘발성 가스를 잡아둔다.

<백두산 화산 연구현장>

마그마가 수증기 다음으로 많은 양을 포함하는 휘발성 가스는 이산화탄소다. 화산분화를 결정하는 주요 요소이다. 매년 5억ton의 이산화탄소가 섭입대를 통해 지구에 유입된다. 그 중 40%가 화산 활동으로 대기 중에 배출된다.(Poli, 2015; Kelemen and Manning, 2015) 탄소는 생명체의 주요 구성원소(C, H, O, N) 중 하나다. 기후 변동, 생태계 유지, 에너지 및 환경의 탄성적 거동에 깊이 관여한다.(Hazen and Schiffries, 2013) 탄소는 오랜 지질시대를 거쳐 지구를 순환했다.

특히 탄산염 형태의 탄소는 맨틀을 쉽게 용해해, 탄소를 순환하는 중요한 역할을 한다. 해령의 열수에서 생명체들이 발견되었던 것처럼, 백두산 마그마 가까운 곳 열수작용대에서 알려지지 않은 새로운 생명체가 존재하고 있는지도 모른다. 이처럼 탄소순환계에 대한 연구는 백두산 화산 마그마의 진화를 이해하는데 필요할 뿐만 아니라, 백두산 화산분화의 주기와 규모를 예측하는데도 매우 긴요한 정보를 제공한다.