가스 하이드레이트 분해와 관련된 해저 산사태와 기후 돌연변이 사건.

니옥근 1,2 하진 1,2 마승중 1,2 < P > (1. 광저우 해양지질조사국 광저우 5176; 2. 국토자원부 해저광산자원중점연구실 광저우 5176)

기금 프로젝트: 국립해양국 해저과학중점연구실개방기금 (KLSG95). 제 1 저자 소개: 오옥근 (1984-), 남자, 석사, 주로 해양지질과 가스하이드레이트 연구에 종사한다. 이메일: niyugen @ 163.com 입니다. < P > 요약 지질사 시절 가스하이드레이트 분해로 인한 해저 산사태는 세계 해역에 광범위하게 분포했다. 유명한 것은 노르웨이 해안 외 Storegga 산사태, 미국 알래스카 북부 Beaufort Sea 육포 산사태, 미국 동해안 남카로라나 대륙 융상 Cape Fear 산사태, 브라질 북동부 대륙 가장자리에 있는 아마존팬, 서부 지중해 발리알리 분지의 거탁층이다 가스 하이드레이트 분해로 인한 기후 돌연변이 사건도 여러 차례 발생했다. 쥐라기 조톨계 대양 산소 부족 사건 (Early Toarcian OAE), 백악기 아푸트 오션 산소 부족 사건 (Aptian OAE), 만고신세 극열 사건 (LPTM), 제 4 기 간빙기 지구 온난화 등으로 유명하다. 지질사의 추운 시기에 정수압이 빠르게 떨어지든 지질역사의 따뜻한 시기에 지하수가 따뜻해지면 가스하이드레이트 불안정으로 분해되어 해저 산사태 (미끄러짐) 를 유발하고 대량의 메탄을 대기로 방출하여 지구 기후의 급격한 변화를 초래할 수 있다. 가스 하이드레이트 분해로 인한 해저 산사태와 기후 돌연변이 사건은 과거뿐만 아니라 미래에도 발생할 수 있으며, 그 영향은 모두 재앙적일 수 있다. 따라서 우리는 가스 하이드레이트를 탐사하면서 환경 효과에 대한 심도 있는 연구를 통해 가스 하이드레이트 개발의 장단점을 평가하고 따져 가스 하이드레이트 자원 효과와 환경 효과 사이의 균형을 파악해야 합니다. < P > 키워드 가스하이드레이트 해저산사태 기후변화

1 머리말 < P > 가스하이드레이트는 고압 저온조건에서 특정 가스분자 (주로 메탄) 와 물 분자로 구성된 고체의 비정비 케이지 화합물이다. 가스 하이드레이트는 새로운 유형의 청정 에너지, 특히 오늘날의 에너지 부족 상황에서 광범위한 개발 전망을 가지고 있습니다. 보수적인 추산에 따르면 가스 하이드레이트에 함유된 에너지는 다른 모든 화석 연료의 합계의 두 배 [1] 이다. 가스 하이드레이트 자원은 주로 해양 환경에 존재하며, 전 세계 대륙 가장자리에 저장된 메탄 (가스 하이드레이트와 유리가스 포함) 은 최대 1 조 ~ 2 조 톤 [2 ~ 4] 에 달한다. 미국, 일본, 캐나다, 독일, 인도, 중국 등은 가스 하이드레이트 자원의 탐사 개발에 거액을 투자하여 중대한 돌파구를 마련했다. 여러 나라가 가스 하이드레이트의 상업화 채굴을 위한 시간표를 마련했다. 하지만 가스 하이드레이트는 엄청난 자원 효율을 지닌 동시에 분해가 발생하면 재앙적인 해저 산사태와 기후 돌연변이를 일으킬 수 있다. (윌리엄 셰익스피어, 가스하이드레이트, 가스하이드레이트, 가스하이드레이트, 가스하이드레이트, 가스하이드레이트, 가스하이드레이트)

2 가스하이드레이트 분해로 인한 해저 산사태 < P > 가스하이드레이트 분해로 인한 해저 산사태 (붕괴) 가 전 세계에 널리 분포되어 있다. 가장 많이 연구한 것은 마지막 빙하기 때 형성된 노르웨이 해안 외 Storegga 산사태, 미국 알래스카 북부 Beaufort Sea 루파 산사태, 미국 동해안 남카로라나 대륙 융상 Cape Fear 산사태, 브라질 북동부 대륙 가장자리에 있는 아마존 팬, 서부 지중해 발리알리 분지의 거탁적층 등이다.

노르웨이 해안 밖의 Storegga ("Greatedge") 산사태계 [5] 는 해안에서 1km 떨어진 선반 가장자리에 최대 29km 까지 있는 최고의 해저 산사태 중 하나입니다. 이 산사태는 대륙 경사면에서 36m 까지 뻗어 있는 심해 대야로 8km 이상 떨어져 있으며, 산사태로 인한 부스러기 퇴적은 45m, 총 부피는 약 56km3 에 달한다. 이 산사태계는 3 기 행사로 1 기 규모가 가장 크며 (약 388km3), 3 ~ 5 년 전, 다른 2 기는 6 ~ 8 년 전에 발생할 수 있다. 2 기 산사태는 1 기 산사태에 비해 6 ~ 8KM 을 거슬러 올라가 45km3 의 선반 가장자리를 파괴한 것으로, 이 중 15～2m 두께, 1×3km 폭의 토층 두 개가 육지 경사 (평균 경사 .3 도) 를 따라 약 2km 아래로 이동했다. 3 기 산사태는 2 기 산사태의 잔해 위에 국한되어 있으며, 아마도 2 기 산사태의 마지막 시기의 활동일 것이다. 노르웨이 분지의 가장 깊은 부위에는 산사태 곡두에서 7km 가 넘는 6m 두께의 미세한 탁체가 쌓여 있어 2 기 산사태와 관련이 있을 수 있다. (윌리엄 셰익스피어, Northern Exposure (미국 TV 드라마), Northern Exposure Storegga 산사태의 슬라이딩 표면은 가스 하이드레이트의 하단 경계 (BSR) 와 같은 깊이에 있습니다. Bugge 등 [5] 지진과 가스하이드레이트 분해로 퇴적물이 액화되면서 Storegga 산사태가 촉발된 것으로 보고 있다. 이 산사태의 첫 번째 활동으로 인해 5×115 g 이상의 메탄이 방출될 수 있다 [6]. < P > 알래스카 북부의 Beaufort Sea 육지에서 발달한 거대한 해저 산사태 (붕괴) 벨트 [7] 은 가스 하이드레이트 퇴적 지역의 범위 (지진 자료에 따르면) 와 일치한다 (그림 1). 케이언과 리 [7] 는 늦은 홍적세 해퇴기에 약 28 ~ 17 년 동안 해수면이 1m 정도 낮아져 해저의 정수압이 약 1kPa 낮아졌다고 생각한다. 압력 감소는 가스 하이드레이트의 분해로 이어지고 대량의 메탄과 물을 방출하여 해저가 붕괴되어 거대한 해저 산사태를 형성한다.

Cape Fear 산사태는 미국 동해안 캐롤라이나하이론에 위치하고 있으며, 그 골짜기의 가파른 벽은 5km, 높이 12m 이며, 그 산사태의 흔적과 미끄러운 퇴적은 적어도 4km［8］ 아래로 뻗어 있다 [8]. Cape Fear 산사태의 퇴적물이 붕괴된 지역은 지층의 BSR 이 매우 분명하다 [8 ~ 9]. Paull 등 [1] 은 14C 연대를 통해 Cape Fear 산사태의 형성이 145 ~ 29 년 기간에 이뤄졌으며, 마지막 빙하기 저해면 시기에 속한다. < P > 아마존 하구 밖에서 지진 자료에 따르면 아마존 부채에 산사태로 인한 대형 블록 운반퇴적체 (MTD) 가 최소 4 개 있는데, 각 퇴적체의 규모는 약 14km2, 두께는 5 ~ 1M 이다. 그 중 한 산사태는 12m 높이의 산사태 가파른 절벽 [11] 을 남겼다. Piper 등 [11] 은 만홍적세 해수면이 떨어지는 시기에 가스하이드레이트의 분해로 퇴적물이 불안정해지면서 해저 산사태가 형성되어 이 대형 블록들이 퇴적사건을 운반하게 되었다고 보고 있다. < P > 서지중해 발리알리 분지의 거탁적층 [12], 두께 8 ~ 1m, 상단은 해저 아래 1 ~ 12m 에 위치해 서지중해의 심해 해저를 통과한다. 이 탁적층의 부피는 5km3 으로 형성 시간은 22 년 전 (14C 연령에서 달력 연령으로 교정됨) 이다. Rothwell 등 [12] 이 거대한 탁적층의 형성은 마지막 빙하기 해수면이 가장 낮을 때 가스 하이드레이트 분해 및/또는 지진 활동으로 인해 대륙 가장자리에 거대한 해저 산사태가 생겨나 강력한 중력류 (탁류) 를 형성하여 대량의 퇴적물을 심해 평원으로 운반할 수 있기 때문이라고 생각한다. < P > 요약하면 가스하이드레이트 분해가 해저산사태를 형성하는 메커니즘은 마지막 빙하기 저해수면 때 해수 압력이 빠르게 낮아져 가스하이드레이트 불안정으로 분해되어 해저 산사태 (미끄러짐) 를 유발해 탁도 < P > 를 형성하고 퇴적물을 심해 평원으로 옮겨 거대한 탁적층을 형성한다는 것으로 요약된다 (그림 2) 이 과정에서 가스 수화물 분해도 엄청난 양의 메탄이 대기로 방출되어 기후변화를 일으킬 수 있다. < P > 그림 1 알래스카 해안 외곽 Beaufort Sea 대륙 가장자리 지질도. 해저 산사태의 범위는 가스 하이드레이트 퇴적 지역의 범위와 일치한다 [7]

fig.1 map of the continental margin of the Beaufort sea offshore from Alaska showing the coincident regid 슬라이드 및 가스 하이드라테스 [7]

3 가스하이드레이트 분해로 인한 기후변화 사건

가스하이드레이트 분해로 방출되는 대량의 메탄은 극심한 기후변화를 초래하고 대양 저산소증과 지구 온난화 등 재앙적인 결과를 초래하며 대규모 종의 멸종을 초래할 수 있다. 지질역사시대에는 가스수화물 분해와 관련된 유명한 사건으로 쥐라기 조톨계 대양 산소 부족 사건 (Early Toarcian OAE), 백악기 아푸트계 대양 산소 부족 사건 (Aptian OAE), 만고신세 극열 사건 (LPTM), 제 4 기 간빙기 지구 온난화 등이 있다. < P > 쥐라기 조톨계 대양 저산소증 사건은 183Ma 이전에 발생하여 매우 높은 유기탄소 퇴적, 고온, 대규모 생물 멸종 [14 ~ 17] 을 초래했다. 이 사건의 지질역사상의 주요 식별 표시는 탄소 동위원소의 음의 표류이다. 해양 탄산염에서 δ13C 드리프트의 양은-2 ‰ ~-5 ‰이고, 나무 화석에서 δ13C 드리프트의 양은-4 ‰ ~-7 ‰ [18] 입니다. Hesselbo 등 [18] 나무 화석에서 얻은 육상δ δ13C 표류는 쥐라기 조톨계 대양 저산소증 사건으로 인한 탄소 동위원소 이상이 바다뿐만 아니라 전 세계 탄소순환 기록에도 나타난다는 것을 보여준다. Hesselbo 등 [18] 이 사건의 원인은 강한 화산활동 및/또는 구조운동으로 해양환경이 바뀌면서 가스하이드레이트가 분해되고 대량의 메탄이 방출되어 δ13C 의 음의 오프셋 (메탄의 δ13C 는 약-6) 이 발생한다는 것이다. 조톨계단은 해수면 상승기에 처해 있어 가스 수화물 분해의 원인은 저수 온도의 증가로 인한 것이다. Hesselbo 등 [18] Dickens 등 [2] LPTM 사건에서 메탄 방출량을 추정하는 방법을 사용하여 δ13C 의 오프셋은-2 ~-3.5 ‰ 로 추정되며 방출되는 메탄의 양은 1.5 × 118 ~ 2 로 추정된다.

그림 2 거대한 탁적체의 가능한 형성 패턴. 가스 수화물 분해는 해저 퇴적체가 불안정해지면서 붕괴될 수 있습니다. 대륙 경사면에서 하향 운동을 하는 해저 산사태와 고밀도 퇴적 물류 (탁류) 를 형성하고 심해 평원에 탁류 퇴적층을 형성한다 [13]

fig.2 the likely mode of formation of a megaturbidite deposit.unstabbble When perturbed, maybe with associated release of methane, Resulting in a submarine landslide and flow of dense currents of sediment (turbidity currents) down a continental slope.the end result Nces on the abyssal plain [13]

백악기 아푸트계 대양 저산소증 사건은 12 Ma 이전에 발생했으며 쥐라기 조톨계 대양 저산소증 사건과 매우 비슷하다. 이 사건에서 탄산염의 δ13C 표류량은-2.5 ‰ ~-3 ‰ [21], 나무 화석의 δ13C 표류량은-7 ‰ [22] 에 이른다. < P > 만고신세 극열 사건은 55.5Ma 년 전 심해 시추 샘플의 해양 퇴적물, 동물 화석 치아 법랑질, 육지 지층의 탄산염과 유기물 중 눈에 띄는 δ13C 마이너스 표류가 발생해 이번 사건을 기록했다. 이 사건에서 δ13C 드리프트의 양은 -2.5‰ 이며, 이 음의 드리프트는 다음 .2Ma 에서 정상 [2,23] 으로 돌아갑니다. Dickens 등 [2, 23] 은 이때 해양온도가 높아지고 새로운 지온선이 건립되면서 초기 지온선과 수화물 균형 곡선 사이에 가스 하이드레이트가 분해되어 대량의 메탄 (1.12×118g) 을 방출하여 환경 점프를 일으킨다는 LPTM 가설을 제시했다 (그림 3) LPTM 가설의 중요성은 세계 탄소순환 및 기타 시스템이 대량의 화석연료 폭발성 방출과 어떻게 연관이 있는지 처음으로 잘 설명했다는 점이다. 이는 오늘날 산업시대에도 발생할 수 있다. < P > 제 4 기 기후순환은 극지 빙심에 기록된 대기 중 메탄 함량 변동과 일치한다 [25 ~ 27], 제 4 기 간빙기의 극심한 지구 온난화는 대기 중 메탄 농도의 빠른 증가와 일치한다 [28]. Kennett 등 [29] Santa Barbara 분지의 ODP893 A 구멍의 플랑크톤 유공충과 저서 유공충의 δ13C 와 δ18O 곡선을 분석한 결과, 6 년 이후 간빙기 중 저서공충이 있는 δ13C 가 큰 음의 오프셋 (-5‰) 을 가지고 있는 것으로 나타났다 일부 기간 동안 큰 저서 유공충δ 13c 음의 오프셋 (최대 -6‰) 과 작은 플랑크톤 유공충δ 13c (최대 -3‰) 가 동시에 나타나면 더 큰 가스 수화물 분해가 반영됩니다. 가스하이드레이트 분해의 주요 원인은 간빙기 때 중층수 온도 상승 (2 ~ 3.5 C) 으로 분해가 해저 불안정을 일으켜 해저 산사태 (미끄러짐) 를 형성한다는 점이다. Kennett 등 [3] 은 15, 년 전 천연 수화물 분해로 방출된 메탄이 극심한 지구 온난화를 일으켰다고 주장하는' 수화물총 가설' (the hydrate gun hypothesis) 을 추가로 제시했다. < P > 그림 3 밤 신세극열 사건 (LPTM) 의 가능한 원인도. 저수 온도가 4 C 상승하면서 초기 지온선과 수화물 균형 곡선 사이에 가스 수화물이 분해되어 대량의 메탄을 방출하고 이산화탄소로 산화해 온난화를 더욱 악화시켰다. 작은 직사각형은 가스 하이드레이트 안정대 [24]

fig.3 hypothesized causes of the late paleocene thermal maximum (lptm), the ocean was warmed by 4