Journal Archive

브랜스필드 해협(Bransfild Strait)은 남극반도 북단과 남 쉐틀랜드 군도(South Shetland Islands) 사이에 위치하며 세 개의 분지(서부, 중앙 및 동부 분지)로 나누어지며(그림 1), 내대륙 분열에서 배호 확장(back-arc spreading)의 전환기에 놓여있다. 활발한 호상 화산활동과 섭입(subduction)이 거의 없어 해양 지각 위에 해저 확장에 놓인 배호 분지보다는 평행축들을 따라 발생하는 내대륙 분열의 확장성 대륙주변부 분지로 알려져 있다(Keller et al., 1991). 현재 이 해협은 열수계의 초기 진화단계를 보여주고 있으며, 1990년대에 해령 분출계의 일반적인 발달을 연구하기 위한 해양지화학적/지질학적인 연구지로 관심이 높았다(Birkenmajer and Keller, 1990; Braut and Simoneit, 1990; Whiticar and Suess, 1990; Chin et al., 1996; Dählmann et al., 2001; Klinkhammer et al., 2001). 브랜스필드 열수 활동에 대한 이전 연구(Suess et al., 1987; Schlosser et al., 1988)에서 동부와 중앙 분지의 열수 활동이 활발하며 7 nM 이상의 망간 농도와 7 이하의 δ³He의 이상값들이 수층에서 발견되었다. 또한, 퇴적물 내에는 철 황화물, 철-아연 황화물, 철-아연-구리 황화물, 아연 염화물 및 철과 아연 산화물이 발견되었다.

Fig. 1. 
General circulation and hydrothermal survey zone in the Bransfield Strait. WBB, CBB and EBB denote the western, central and eastern Bransfield basins, respectively. AP=Antarctic Peninsula; BSS=Bellingshausen Sea; DI=Deception Island; DP=Drake Passage; EI=Elephant Island; KGI=King George Island; SSI=South Shetland Islands; SSR=South Shetland Ridge.

지구조적인 관점에서 이 해협의 북대륙붕 바깥 남 쉐틀랜드 해구에서 3~4 백만년 전에 섭입이 멈추거나 적어도 급속하게 느려졌다(Barker and Austin, 1994; Livermoore et al., 2000). 그리고 약 1~2 백만년 전에 이 해협에서 후열도 확장이 시작되었다(Keller and Fisk, 1992). 이러한 영향으로 킹조지 섬(King George Island)에서 3,000~300,000 년에 화산활동이 발견되었으며(Birkenmajer and Keller, 1990), 이 해협의 서부 분지에 위치한 디셉선 섬(Deception Island)에서도 화산활동이 보고되었다(Elderfield, 1972). 이러한 심해열수환경은 해양의 물질순환과 환경변화, 지각의 운동과 진화 과정, 생물학적 유기성 등을 연구할 수 있는 장소이며, 열수 주변의 환경탐사를 통하여 해양광물자원 개발에도 관여할 수 있다. 또한, 극지역의 장기적인 지구조적인 변동과 해저 열수 활동은 빙하의 증감에도 영향을 줄 수 있기 때문에, 열수 활동 지역의 퇴적 환경은 과거 극지 환경을 추적할 수 있는 기본적인 정보를 제공한다(Campbell, 2006).

이러한 관점에서 열곡이 잘 형성된 브랜스필드 해협은 열수 환경과 과거 지구조적인 환경 변화를 연구할 수 있는 최적지이다. 특히, 브랜스필드 해협에서 후크 해령(Hook Ridge)과 세자매 해령(Three Sisters Ridge)는 열수 분출공들이 있어 열수 활동이 활발한 지역이다. 2005/2006년 19차 남극하계연구 활동을 통해 이 중앙 해협의 세자매 해령(Three Sisters Ridge)에 대하여 처음으로 기본적인 열수 탐사가 이루어졌다. 당시 탐사는 “남극 브랜스필드 배호분지 열수시스템에 대한 선도적 연구” 과제의 일환으로 이루어졌으며, 연구 목적은 화산-열수 시스템 분석을 통해 핵심기술을 개발하여 한국형 극지 해양저 연구를 위한 대형 종합과제를 발굴하는데 있었다. 당시 브랜스필드 해협 분지를 포함하여 드레이크 해협(Drake Passage)에서 “Polar Ocean Gateways”라는 다학제간 국제 연구가 추진 중에 있어 국내 미흡한 해양저 열수 시스템 연구를 선도적으로 추진하기 위한 목적 아래 이 탐사가 시작되었다. 기본적으로 이러한 해역에서 열수 활동의 증거를 찾기 위한 기본적인 작업은 이 해역에 대한 해수 특성이며, 해수 내의 화학적인 자료를 획득하기 위해 철과 망간을 측정할 수 있는 센서를 부착한 CTD (conductivity/temperature/depth) 장비가 이용된다(Gamo et al., 1987). 2009년 최첨단 연구장비를 갖춘 쇄빙연구선 아라온호 이전 남극 하계 연구 탐사는 임차 내빙선을 이용하였기 때문에 대부분의 연구선 기반 환경(장비 및 연구비, 탐사일정 등)은 열악하였다. 연구 여건상 연구 지역에서 기본적인 CTD 장비로 ‘Tow-yo' 방식으로 해수 특성을 살펴본 결과 열수 분출의 관점에서 수온과 염분의 수층 특이성이 나타났다. Klinkhammer et al. (2001)은 이 해역에서 용존 금속 및 탁도를 통해 열수 활동을 찾아냈지만, 기본적인 수온과 염분의 수층 특성에 따른 이상치 결과는 보여주지 못하였다. 간헐적인 열수 활동이 일어나는 본 연구 해역에서 해류 순환에 따라 쉽게 희석될 수 있는 수온과 염분 특성에 대한 열수 활동의 증거는 열수 플름(plume)의 시계열 거동을 확인할 수 있는 해수 특성 계류 시스템을 도입할 수 있다. 이로 인해 연구 해역 내 열수 활동에 의한 해양과 해저에 전반적인 생지화적 순환을 이해하는데 도움을 줄 것이다.

브랜스필드 해협은 약 120 km의 폭과 북동 클랜런스 섬(Clarence Island)에서 남서 로우 섬(Low Island)까지 약 460 km의 길이이다(그림 1). 이 해협을 둘러쌓고 있는 수심 500 m보다 낮은 해저 실(submarine sill)이 주변의 드레이크 해협(Drake Passage)과 웨델 해(Weddell Sea)로부터 심층수의 유입을 막고 있다. 동부 분지의 일부 해역은 수심 500 m 보다 깊은 해저실이 있어 외부로부터 물이 들어올 수 있다. 중앙 분지는 서부와 동부 분지 경계에서 각각 수심 1,000 m와 1,100 m의 해저실로부터 주변 분지와 고립되어있다. 해협의 해령계는 수심상 분명하게 드러나지 않지만, 고해상도 다중 측심에서 중앙과 동부 분지는 상이한 지형학적 특성을 보여 주며, 중앙분지는 동부 분지에 비해 매우 편평한 해저 측심이 특징적인 것으로 알려져 있다.

브랜스필드 해협의 북쪽 드레이크 해협의 남극순환심층수(Circumpolar Deep Water)는 상부 남극순환심층수(UCDW: 수심 500 m 근처에서 발견되는 최대영양염과 최대수온층 그리고 최소산소층)와 하부 남극순환심층수(LCDW: 수심 700 m 근처 중심의 최대염분층)로 나누어져있다. 이 해수의 일부가 브랜스필드 해협으로 들어오면서 해수 특성이 변형된다. 이 해수는 변형된 남극순환심층수(modified CDW, MCDW)이며, 해협 내 최대수온층과 최대염분층으로 나타난다. 브랜스필드 해협에 나타나는 변형된 남극순환심층수의 중심은 수심 약 300~400 m이며, 드물게 수온 0.5℃ 이상의 특성을 지닌다(Clowes, 1934; Capella et al., 1992).

중앙 분지 심층수는 -1.76℃의 최소 온위에 이르며, 웨델해 심층수(WSBW; -0.23~-0..37℃와 34.66 psu)보다 차가운 것으로 알려져 있다(Kerr et al., 2009). 이 해협의 동부 분지가 중앙 분지보다 수심 500 m 깊지만 그 심층수는 0.5℃ 따뜻하고 수심 1,000 m 아래로 중앙분지보다 균질한 염분을 지닌다. 해협 주변수와 유사한 해양 특성을 가진 해협의 심층수가 없으며, 브랜스필드 심층수가 해협 내에서 지역적으로 형성되었다(Clowes, 1934; Gordon and Nowlin, 1978; Killworth, 1983). 또한, Whitworth et al. (1994)는 브랜스필드 심층수가 웨델해수, 남극순환심층수, 그리고 북서 웨델 해 대륙붕수의 혼합이라고 제시하였다.

열수 활동의 직접적인 증거를 수집하기 위해 일부 측선을 따라 조사선에서 해저면 3 m 위에 심해 디지털 카메라가 계류되어 0.3 knots 속도로 이동하면서 10초 간격으로 촬영되었다. 연구선에서 직접 자료를 시간적으로 분석하여 열수 침전물의 위치를 계산하였고, 이 지역을 중심으로 CTD 탐사 측선이 결정되었다. 2005년 12월 12일부터 약 3시간 동안 브랜스필드 해협 중앙분지 서쪽 Three Sisters Ridge에서 해양 수층 특성을 측정하기 위해 SBE 911plus CTD를 해수면 아래 800 m까지 내린 후 최대 해저 수심(기기와 해저 바닥사이 약 10 m)까지 위아래로 견인하였다(그림 2). 연구지역에서 세 개의 측선(A'-A, B'-B 및 C'-C)을 설정하여 DO 센서와 탁도계가 부착된 이 기기(24 Hz sampling rate)를 견인하였다. 표층부터 저층까지의 CTD 측정 또한 동시적으로 이루어졌다. 상대적인 부유물질농도를 측정하기 위해 SEATECH 투광측정계(660 nm 파장과 20 cm beam path length)가 사용되었다. 660 nm에서 투광측정계의 출력은 0~5 V의 전압값이며 이것은 0~100% 투과도에 해당하기 때문에(Bishop, 1986), 전압값이 작을수록 고탁도를 의미한다. 용존산소 센서(SBE 43)는 모든 자연수에서 표층 포화의 120%를 측정할 수 있는 범위를 지니며, 정밀도는 포화의 2%이다.

Fig. 2. 
Bathymetry of the central Bransfield Basin and three CTD towing line (A'-A, B'-B and C'-C). Bathymetric contours are drawn at 50 m intervals and color changes are at every 100 m.

세자매 해령에서 이루어진 세 개의 측선들 중 중앙 자매(Centeral sister)의 A'-A 측선에서 용존산소량이 적어지는 열수 분출의 이상치가 발견되어 해저면 1,120 m, 1,100 m, 1,060 m, 1,050 m, 1,020 m, 990 m, 940 m, 900 m, 845 m, 800 m, 700 m, 600 m 수심에서 채수되었다(그림 2). 해수의 용존성 금속을 분석하기 위해 해수 시료가 0.45 ㎛ 필터 용지로 여과된 후 여과된 시료를 500 mL 병으로 담아 질산을 넣어 산성화시킨다. 현장에서 용존성 금속을 분석하기에 어려움이 있어 -20℃ 냉동실에 보관되었다.

시료는 실온에서 해동된 후 해수 내에 용존성 금속 추출 실험을 진행하였다. 해수내 존재하는 용존성 금속을 분리하기 위해 샘플을 100 mL를 250 mL 분별 깔데기(Separate Funnel)에 넣는다. 시료 내에 메틸오렌지를 한 방울씩 떨어뜨리고, pH를 2-3정도로 맞추기 위해 2N NH₄OH와 6N HCl를 이용하여 조절한다. pH 유지는 Citrate Buffer 1mL를 넣으며, 용존성 금속이온을 착화합물을 결합하기 위해 APDC-DDTC (Ammonium Pyrrolidine Dithio Carbamate-Diethyldithio Carbamic Acid) 2 mL과 Fleon 10 mL 넣고 흔들고 준 후 정치한다. 이때 분리된 Fleon 층을 분리하여 125 mL 분별 깔데기에 받아낸다. 이와 같은 방법으로 5 mL의 Fleon을 추가 주입하여 잔존되어 있는 금속이온을 분리한다. 분리된 Fleon은 teflon vial에 올려놓고 Fleon 층을 증발시키고, 모두 증발이 되면 1% HNO₃ 2.5 mL을 넣고 가열한 후, 완료된 용액은 금속이온 분석에 사용하였다.

금속이온 측정은 극지연구소 지구시스템 연구부 내 보유하고 있는 Perkin Elmer사 Elan 6100 ICP-MS를 이용하였다. ICP-MS 장비는 검출 감도가 2백만 카운트보다 낮은 농도인 저농도를 위한 펄스 검출기와 고농도를 위한 아날로그 검출기로 이중 검출기 장치가 내장되어 있다. 이들 검출기에 따른 저농도와 고농도 표준용액 검정곡선의 오차 보정을 위해 200 ppb의 모든 미량원소를 이용하여 이중 검출기 보정이 실행되었다. 검정곡선 작성을 위해 사용된 표준용액은 Inorganic Venture (USA)에서 제조된 100 ppm 농도의 다금속 표준용액(CCS-4, CCS-5)을 이용하여 ICP-MS 표준용액을 제조하였다. 매트릭스 효과와 기기상의 편차를 보정하기 위해 시료 내 내부표준물로 10 ppb의 ¹⁰³Rh가 사용되었다. 모든 시료는 peak hopping mode로 극지연구소에서 측정되었다. 분석에 측정된 용존 원소는 Fe, Mn, Cu이며, 기기상의 측정된 농도는 참고문헌 상의 결과와 비교를 위해 nM 농도로 계산하였다.

남극해 중앙 해령의 열수 탐사의 기초적인 연구를 위해 처음으로 2005/2006년 남극 하계 탐사 기간 동안 브랜스필드 해협의 세자매 해령에서 CTD 견인을 통한 수층 특성과 해수의 지화학적 분석이 이루어졌다. 탐사 기간 동안 수온-염분 관계에서 해협의 서부 분지 외해에서 들어오는 변형된 남극순환심층수는 연구 지역에 나타나지 않았으며, 세자매 해령의 심층은 특징적인 중앙 분지 저층수를 보여준다. 세자매 해령의 정상 위 수심 820 m 근처에서 주변수에 비해 약간 따뜻한 물(>-1.15℃)이 나타나는데, 아마도 탐사 시기 이전 세자매 해령 해저에서 분출된 저염의 따뜻한 열수가 일정기간 동안 상승하여 나타난 결과로 사료된다. 세자매 해령의 정상에서 남쪽으로 27.78의 등밀도선의 왜곡은 해협 내 심층 순환의 결과가 아닌 세자매 해령의 중앙 해령의 열수 활동의 결과로 사료된다. 특히, 이 부근에서 채수된 해수 시료의 용존 금속의 이상치는 “철-구리 풍성 플름”으로 나타나고 해수 특성 결과와 잘 일치한다. 이러한 결과는 열수 활동이 지속적으로 나타나지 않고 간헐적인 분출이 나타나는 본 해역에서 해수의 수층 특성만으로 찾아낸 열수 활동의 증거이며, 차후 이런 해역에서 장기적인 해수 특성 및 해류 관측을 위한 계류를 이용할 경우 열수 분출 플름의 거동과 확산을 연구할 수 있을 것으로 사료된다.