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열수분출공

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목차

1. 개요

열수분출공은 해령과 같은 해저 지각판 경계에서 형성되는 지형으로, 뜨거운 물이 분출되는 곳이다. 분출수는 해수와 마그마수, 변성수 등을 포함하며, 온도는 최대 464°C에 달한다. 열수분출공은 분출되는 광물에 따라 블랙 스모커와 화이트 스모커로 나뉘며, 주변에는 독특한 생태계를 이루는 생물들이 서식한다. 이 생태계는 화학합성 세균을 기반으로 하며, 생명체의 기원 연구에도 중요한 단서를 제공한다. 최근에는 해저 광물 자원 개발의 대상으로도 주목받고 있으며, 환경 보존을 위한 노력도 이루어지고 있다.

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열수분출공

2. 물리적 특성

심해 열수분출공은 동태평양 해팽과 대서양 중앙 해령과 같이 해령에서 주로 형성되는데, 이곳은 지각판이 갈라지고 새로운 지각이 생성되는 곳이다.[5]

분출되는 물은 대부분 해수로 구성되어 있으며, 이 해수는 단층과 다공성 퇴적물, 화산 지층을 통해 화산체와 비슷한 열수시스템으로 유입된다.[1] 일부는 마그마에 의해 방출되는 변성수, 마그마수, 퇴적물 구성 상 염분을 다량 함유하고 있는 고염수를 포함하며, 이 비율은 장소에 따라 다르다.

주변 해수 온도는 약 2°C이지만, 열수분출공에서 나오는 물의 온도는 60°C에서 최대 464°C에 이른다.[225][226] 이러한 깊이에서는 높은 수압 때문에 물은 액체 또는 초임계 유체 상태로 존재한다. 물의 임계점은 218 기압에서 375°C이다.

이 상평형 그림은 녹색 점선이 융점을, 파란색 선이 끓는점을 나타내며, 물의 상태가 압력에 따라 어떻게 변하는지 보여준다. 녹색 실선은 일반적인 물질의 전형적인 융점 거동을 나타낸다.


액체에 염분을 주입하면 높은 온도와 압력에 대한 임계점이 높아진다. 바닷물(3.2 wt% NaCl)의 임계점은 해수면 아래 약 2960m의 깊이에서 407°C와 298.5bars이다.[227] 따라서 염도 3.2 wt%의 열수유체(hydrothermal fluid)가 407°C 및 298.5bars 이상으로 기체가 배출됐을 때의 상태를 초임계라고 한다. 분출구의 염도는 지각의 상 분리로 인해 매우 다양하게 나타난다.[228] 염도가 낮은 유체의 임계점은 해수보다 낮은 온도와 압력 조건이지만 순수한 물보다는 높다. 예를 들어, 2.24 wt.% 염도를 가진 분출구는 임계점 400°C와 280.5 bars를 가진다. 일부 열수분출공의 가장 뜨거운 부분에서 나오는 물은 초임계 유체일 수 있으며, 이는 기체와 액체 사이의 물리적 성질을 가지고 있다.[225][226]

NOAA의 열수 분출공 관련 비디오

3. 블랙 스모커와 화이트 스모커

열수분출공은 분출되는 유체에 포함된 광물에 따라 "블랙 스모커"와 "화이트 스모커"로 구분된다.

대부분의 열수분출공은 원통형의 굴뚝 구조를 형성하고 있다. 이곳에서 발생하는 특수한 연기는 열수분출공의 유체에 용해된 미네랄로부터 형성된다. 과열된 물이 차가운 바닷물과 접촉할 때 미네랄이 침전되어 입자를 형성하여 퇴적물의 높이를 증가시킨다.[229] 이러한 구조물들 중 일부는 60m 높이까지 올라갈 수도 있는데, 오리건주 인근 태평양 심해저에 있는 고질라(Godzilla)가 그 예시이다.[230]

블랙 스모커와 화이트 스모커는 같은 열수 분출공에서 공존할 수 있지만, 각각 주 상류층으로의 근위부(근접부)와 원위부(말단부) 분출구를 나타낸다. 또한, 마그마 결정화로 인해 열원이 점차 멀어지고, 방출되는 물 대신 바닷물이 지배적이게 되면서 화이트 스모커는 이러한 감소 단계에 해당하기도 한다.

3. 1. 블랙 스모커

블랙 스모커는 검은 연기 형태의 굴뚝 모양 구조물로, 황을 포함한 광물, 즉 황화물이 많이 함유된 입자를 방출한다.[233] 1979년 스크립스 해양연구소 과학자들이 동태평양 해팽에서 처음 발견했으며,[233] 우즈 홀 해양연구소의 심해 잠수정 ALVIN을 사용하여 관찰했다. 현재 블랙 스모커는 대서양과 태평양의 평균 수심 2100m에 존재하는 것으로 알려져 있다.

블랙 스모커는 1979년 북위 21도 동태평양 해팽에서 처음 발견되었다.


가장 북쪽에 있는 블랙 스모커는 로키 성이며,[234] 베르겐 대학교 과학자들이 그린란드와 노르웨이 사이 대서양 중앙 해령에서 발견했다.[234] 이 블랙 스모커는 구조적인 힘이 적고 열수 분출구가 덜 흔한, 안정적인 지각 영역에 있어 주목받는다.[235] 세계에서 가장 깊은 곳에 있는 블랙 스모커는 케이맨 해구의 해수면 아래 5000m에 위치한다.[236] 아조레스 제도 지역 대서양 중앙 해령에 있는 일부 블랙 스모커는 Rainbow Vent Field영어와 같이 철 농도가 24,000 μM영어에 달하는 등 금속 함량이 매우 풍부하다.[232]

블랙 스모커는 지각 아래에서 과열된 물(최대 400°C)이 수백 미터 너비의 심해저 평원을 뚫고 들어올 때 형성된다. 차가운 바닷물과 접촉하면 많은 광물이 침전되어 각 분출구 주위에 검은 굴뚝 같은 구조를 형성한다. 침전된 금속 황화물은 시간이 지나면서 거대한 황화물 광상이 될 수 있다.

수심 의 대서양 중앙 해령에 위치한 로가체프 열수구역의 블랙 스모커 "칸델라브라"


블랙 스모커의 음향 기록

3. 2. 화이트 스모커

화이트 스모커는 바륨, 칼슘, 실리콘 같은 밝은 색의 광물을 방출하며, 일반적으로 열원에서 멀리 떨어져 있어 낮은 온도대를 보인다.[237]

블랙 스모커와 화이트 스모커는 같은 열수 분출공에서 공존할 수 있지만, 각각 주 상류층에 대한 근위부(근접부)와 원위부(말단부) 분출구를 나타낸다. 열원은 마그마 결정화로 인해 점차 멀어지고, 방출되는 물 대신 바닷물이 지배적이게 되면서 화이트 스모커는 이러한 감소 단계에 해당하게 된다. 이러한 분출공에서 나오는 미네랄 함유 유체는 칼슘이 풍부하고 황산염(중정석 및 경석고)과 탄산염 퇴적물을 형성한다.[238]

탄산 가스 기포가 에이후쿠의 샴페인 열수구에서 백색 열수 분출공으로부터 뿜어져 나오고 있다.

4. 열수 플룸

열수 플룸은 활동적인 열수 분출구에서 열수 유체가 상부 수주로 배출될 때 나타나는 유체 덩어리이다.[20] 열수 유체는 해수와 물리적(예: 온도, 밀도), 화학적(예: pH, Eh, 주요 이온) 특성이 다르기 때문에, 열수 분출공은 산화 환원 반응, 침전 반응 등 다양한 화학 반응을 촉진하는 물리적, 화학적 기울기를 나타낸다.[20] 이러한 반응으로 열수 분출공은 바다 내에서 공간과 시간에 따라 물리적, 화학적 특성이 변하는 역동적인 덩어리가 된다.

열수 분출구 유체는 해저 해수(약 4°C)보다 훨씬 높은 온도(약 40°C ~ 400°C 이상)를 가져, 부력으로 인해 수주를 통해 상승하며 열수 분출공을 형성한다. 이를 "부력 플룸" 단계라고 한다.[20] 이 단계에서 열수 분출공과 주변 해수 사이의 전단력은 난류를 발생시켜 두 유체를 혼합시키고, 열수 분출공을 점차 희석시킨다.[20] 희석과 함께 점차 따뜻해지는(밀도가 낮은) 상부 해수로 상승하면서, 열수 분출공은 해저 위 특정 높이에서 중성 부력을 갖게 된다. 이 단계를 "비부력 플룸" 단계라고 한다.[20] 중성 부력을 갖게 된 플룸은 더 이상 상승하지 않고, 수천 킬로미터에 걸쳐 바다 전체로 퍼져나간다.[21]

화학 반응은 열수 분출공의 물리적 변화와 동시에 일어난다. 해수는 비교적 산화성이지만, 열수 분출구 유체는 환원성을 띤다.[20] 따라서 수소 가스, 황화 수소, 메탄, Fe2+, Mn2+ 등 환원성 화학 물질은 해수와 혼합되며 반응한다. H2S 농도가 높은 유체에서는 Fe2+, Mn2+ 등 용존 금속 이온이 검은색 금속 황화물 광물로 침전된다("블랙 스모커" 참조).[20] 열수 분출공 내 Fe2+, Mn2+는 산화되어 불용성 Fe, Mn (옥시)수산화 광물을 형성한다.[22] 이러한 이유로, 금속의 활성 산화가 진행되는 열수 분출공 영역을 "근접장", 금속 산화가 완료된 플룸 영역을 "원거리장"이라고 부른다.[21]

4. 1. 식별 및 연대 측정

비활성 기체인 헬륨은 열수 활동을 추적하는 데 유용하게 사용된다. 열수 분출공은 해수에 비해 헬륨-3 농도가 높은데, 헬륨-3은 지구 내부에서 만들어진 희귀하고 자연적으로 발생하는 헬륨 동위원소이기 때문이다.[20] 해양 열수 분출 기둥을 통해 3He이 바다 전체로 퍼지면서, 열수 분출을 나타내는 특이한 해수 헬륨 동위원소 조성이 만들어진다. 라돈 또한 열수 활동을 추적할 수 있는 또 다른 비활성 기체이다. 자연적으로 발생하는 모든 라돈 동위원소는 방사성을 띠므로, 해수의 라돈 농도는 헬륨 동위원소 데이터와 결합하여 열수 분출 기둥의 연대를 측정하는 정보를 제공할 수 있다.[20] 이 목적으로는 라돈-222 동위원소가 활용되는데, 222Rn은 자연적으로 발생하는 모든 라돈 동위원소 중에서 반감기가 가장 길어 약 3.82일이다.[23] H2, H2S, CH4와 같은 용존 가스 및 Fe, Mn과 같은 금속은 해수에 비해 열수 분출구 유체에 많이 존재하며, 열수 분출 기둥 및 활동적인 분출을 진단하는 데 사용될 수 있지만, 이러한 성분은 반응성이 있어 열수 활동 추적자로는 덜 적합하다.[20]

4. 2. 해양 생지화학

열수 플룸은 다양한 미량 금속을 바다로 배출하여 해양 생지화학 순환에 영향을 미친다. 유기 착물 형성과 콜로이드 형성은 금속의 원거리 수송을 가능하게 한다. 철 (옥시)수산화물 광물은 인, 바나듐, 비소, 희토류 원소 등을 흡착하여 해양에서 제거하는 역할을 한다.[13]

5. 열수분출공의 생물학

열수 분출공 주변 생태계는 화학 합성을 기반으로 하며, 대부분의 생태계가 의존하는 태양 에너지와는 다르다. 화학 합성 박테리아는 황화 수소를 포함한 황 화합물을 이용하여 유기물을 생산한다.[27]

열수 분출공은 해양에서 철의 중요한 공급원 역할을 하여 식물 플랑크톤에게 철을 제공한다.[28]

열수 분출공과 관련된 "현대적" 생물 군집의 가장 오래된 기록은 캘리포니아 초기 쥐라기의 피게로아 황화물이다.[29]

수심 의 대서양 중앙 해령의 열수 분출공에서 발견된 생물 군집

5. 1. 생물 군집

열수 분출공 주변에는 태양 에너지 대신 화학 합성을 통해 에너지를 얻는 독특한 생물 군집이 형성된다. 이들은 화학 합성 박테리아를 기반으로 한 먹이 사슬을 이루며, 다양한 생물들이 서식한다.

화학 합성 박테리아는 열수 분출공에서 나오는 황화 수소 등의 화학 물질을 이용하여 유기물을 생성한다. 이 박테리아는 두꺼운 매트 형태로 성장하며, 단각류나 요각류와 같은 작은 동물들의 먹이가 된다. 더 큰 동물들, 예를 들어 바다 복족류, 새우, 게, 관벌레, 등가시치과, 긴꼬리장어과, 첨치목, 서대속 물고기, 그리고 ''Vulcanoctopus hydrothermalis'' 문어 등은 이들을 먹고 살며, 복잡한 먹이 사슬을 형성한다.[27]

갈라파고스 열곡에서 거대한 튜브벌레(''Riftia pachyptila'')가 분출공 주변에 모여 있다.


시보글리니드 관벌레는 2m 이상 자라며, 열수 분출공 군집의 중요한 구성원이다. 이들은 입이나 소화관이 없이, 몸 안에 공생하는 박테리아로부터 영양분을 얻는다. 튜브벌레의 붉은 깃털은 헤모글로빈을 함유하여 황화 수소와 결합, 박테리아에게 전달하고, 박테리아는 탄소 화합물을 만들어 튜브벌레에게 제공한다. 열수 분출공에 서식하는 대표적인 관벌레로는 ''Tevnia jerichonana''와 ''Riftia pachyptila''가 있다.[46][47]

이스트 스코샤 릿지에 밀집한 동물군


아메리칸 사모아 근처 나파누아 화산 원뿔에는 "뱀장어 도시"라 불리는 곳이 있는데, 이곳은 주로 뱀장어로 구성된 군집이다.[30]

1993년에는 100종 이상의 복족류가 열수 분출공에서 발견되었고,[31] 300종 이상의 새로운 종이 발견되기도 했다.[32] 이들 중 많은 종은 지리적으로 분리된 분출공 지역에서 발견되는 다른 종과 "자매 종" 관계를 가진다.

열수 분출구 기저부에 있는 거대한 관벌레


멕시코 해안의 수심 2500m 검은 연기 근처에서는 Chlorobiaceae과에 속하는 광합성 세균이 발견되었다. 이 세균은 햇빛 대신 검은 연기의 희미한 빛을 이용하여 광합성을 한다.[34]

폼페이 벌레 ''Alvinella pompejana''는 80°C까지 견딜 수 있으며, 인도양 Kairei 열수 분출공에서 발견된 비늘발 복족류 ''Chrysomallon squamiferum''는 탄산 칼슘 대신 황화철을 사용하여 피부 경화판을 만든다.[48][49]

새우(''Alvinocaris''), 몇 마리의 가시발새우, 수백 마리의 이매패류(''Bathymodiolus'')


멸종된 연기 옆에 있는 Macrouridae


5. 2. 동물과 박테리아의 공생

열수 분출공 생태계는 거대 무척추 동물과 화학 독립 영양 미생물 간의 공생 관계를 기반으로 한다. 심해 열수 분출공은 햇빛이 도달하지 않기 때문에, 이곳의 생물들은 광합성 대신 황화물과 같은 화학 물질을 에너지원으로 사용하는 화학 합성에 의존한다. 미생물은 황화물을 해독하고 숙주에게 영양분을 제공하며, 숙주는 미생물에게 서식 환경과 화학 물질을 제공한다.[38]

1977년, 과학자들은 열수 분출공 주변에 생물이 가득하다는 사실을 발견하고 놀랐다. 이는 열수 분출공 동물의 아가미에 사는 화학 독립 영양 미생물 덕분이었다. 이 미생물들은 황화물 해독을 통해 숙주가 유독한 환경에서 생존할 수 있도록 돕는다.[39] 1981년에는 거대 관벌레가 화학 독립 영양 박테리아와의 내부 공생을 통해 영양분을 얻는다는 것이 밝혀졌다.[40][41][42] 이후, 조개, 홍합 등 다양한 생물들이 미생물과의 공생 관계를 맺고 있다는 사실이 확인되었다.[43][44][45]

관벌레는 입과 소화관이 없지만, 영양체에 공생하는 박테리아로부터 영양분을 흡수한다. 붉은 깃털을 통해 황화 수소, 산소, 이산화 탄소 등을 흡수하여 박테리아에게 제공한다.[46] 관벌레의 헤모글로빈은 황화물과 결합하여 독성을 줄이고, 박테리아에게 안전하게 전달한다.[47]

열수 분출공 주변에는 황화 수소를 산화시키는 세균[48], 메탄을 에너지원으로 사용하는 메탄영양균 등 다양한 미생물이 존재한다. 이들은 숙주에게 영양분을 제공하고, 숙주는 이들에게 서식 환경과 화학 물질을 제공하는 상리 공생 관계를 맺는다.

5. 3. 생명체의 열수 기원 이론

귄터 바흐터쇼이저는 철-황 세계 이론을 제안하고, 생명체가 열수 분출공에서 기원했을 수 있다고 제안했다. 바흐터쇼이저는 초기 형태의 신진대사가 유전학보다 앞섰다고 보았으며, 신진대사를 다른 과정에서 활용될 수 있는 형태로 에너지를 방출하는 일련의 화학 반응으로 정의했다.[53]

아미노산 합성이 지구 지각 깊숙한 곳에서 일어나, 이 아미노산들이 열수 유체와 함께 더 차가운 물로 분출되어 낮은 온도와 점토 광물의 존재가 펩타이드와 원시 세포 형성을 촉진했을 수 있다는 가설이 제기되었다.[54] 이는 열수 분출공 지역에 CH4 (메탄)와 NH3 (암모니아)가 풍부하다는 점에서 매력적인데, 이는 지구의 원시 대기에서는 제공되지 않던 조건이기 때문이다. 이 가설의 주요 제한점은 고온에서 유기 분자가 불안정하다는 것이지만, 일각에서는 생명체가 가장 높은 온도 구역 밖에서 기원했을 것이라고 주장한다.[55]

실험 연구와 컴퓨터 모델링에 따르면, 열수 분출공 내부 광물 입자 표면은 효소와 유사한 촉매 특성을 가지며, 물에 용해된 CO2로부터 메탄올(CH3OH), 개미산(HCO2H) 같은 간단한 유기 분자를 생성할 수 있다.[56][57][58] 일부 지역에서 발견된 초임계 이산화 탄소는 유기 반응 속도를 증가시킬 수 있다는 점에서 생명의 열수 기원 이론을 뒷받침한다. 초임계 이산화 탄소는 높은 용해력과 확산 속도를 가져, 아미노산과 개미산 합성뿐 아니라 알라닌, 아르기닌, 아스파르트산, 글리신 등 4가지 아미노산과 다른 유기 화합물, 고분자 합성도 촉진한다. 현장 실험에서는 높은 N2 함량과 초임계 CO2가 함께 나타나는 지역에서 초임계 CO2 거품 내 복잡한 유기 물질(아미노산)이 발견되었다.[59][60][61]

생명의 기원과 특히 알칼리성 열수 분출공을 연결하는 증거가 존재한다. 이러한 분출공의 pH 조건은 생명체 출현에 더 적합했을 수 있다.[63][64] 현재 이론 중 하나는 심해 분출공에서 자연적으로 발생하는 양성자 기울기가 초기 유기체의 인지질 이중층 막과 양성자 펌프 부족을 보완하여, 현대 세포의 세포 기계 및 구성 요소가 없음에도 이온 기울기를 형성할 수 있게 했다는 것이다.[65]

심해 열수 분출공이 생명 기원에 이상적인 환경이라는 견해는 막성 소포 형성과 많은 생체 분자 합성을 촉진하는 건조-습윤 주기 및 UV 빛 노출이 없다는 점에서 논란의 여지가 있다.[68][69][70]

생화학에서 CO2와 H2 반응은 아세틸-CoA 경로 및 크레브스 회로에서 생성되는 생체 분자 전구체를 생성하며, 이는 심해 알칼리성 분출공에서의 생명 기원을 뒷받침한다. 반응에서 생성된 아세틸 인산은 ADP를 ATP로 인산화할 수 있고,[78] 최대 합성은 높은 수분 활성과 낮은 이온 농도에서 발생하는데, 시생대 바다는 현대 바다보다 이온 농도가 낮았을 가능성이 높다. 알칼리성 열수 시스템의 Mg2+ 및 Ca2+ 농도는 바다보다 낮다.[79]

해양연구개발기구(JAMSTEC)와 이화학연구소는 열수 분출공 주변에서 미약한 전류를 확인했으며, 이것이 생명 발생에 역할을 했을 가능성이 있다는 연구 결과를 2017년 5월에 발표했다.[175][176]

5. 4. 심해 고열 생물권

토머스 골드는 1992년 논문 ''The Deep Hot Biosphere''에서 지구 하층에 생물학적 물질이 풍부하며, 이것이 해양 열수구를 통해 표면으로 올라온다는 이론을 제시했다.[83] 그는 저서 ''심층 열권 생물권(The Deep Hot Biosphere)''에서 이 생각을 더욱 확장했다.[84]

2008년 2월 사이언스 저널의 ''무생물적 탄화수소 생성'' 기사에서는 로스트 시티 열수구에서의 실험 데이터를 사용하여 맨틀 유래 이산화탄소로부터 저분자량 탄화수소의 무생물적 합성이 초고마그마 암석, 물, 적당한 열이 존재하면 어떻게 일어날 수 있는지 보고했다.[85]

6. 발견 및 탐사

1949년, 홍해 중앙부 심해 조사에서 비정상적으로 뜨거운 염수가 발견되었다는 보고가 있었다. 1960년대의 추가 연구를 통해 60°C의 고온 염수 및 관련 금속성 진흙의 존재가 확인되었다. 이 뜨거운 용액은 해저 열곡의 활성 균열에서 분출되고 있었으며, 염분 농도가 높아 생명체가 서식하기에는 부적합한 환경이었다.[239] 현재 이 염수와 진흙은 채굴 가능한 귀금속 및 비금속 자원으로 조사되고 있다.

1976년 6월, 스크립스 해양학 연구소 과학자들은 플레이아데스 2호 탐사에서 동태평양 해팽의 갈라파고스 해협을 따라 해저 열수 분출구의 첫 증거를 확보했다.[240] 1977년, 스크립스 해양학 연구소 과학자들은 열수 분출구에 대한 최초의 과학 논문을 발표했으며,[241] 연구 과학자 Peter Lonsdale은 심해 카메라로 촬영한 사진을,[242] 박사 과정 학생 Kathleen Crane은 지도와 온도 이상 데이터를 발표했다.[243] "Clam-bake"라는 별칭이 붙은 현장에 트랜스폰더가 배치되어, 다음 해에 탐사대가 DSV Alvin을 통해 직접 관측할 수 있게 되었다.

1978년의 ''Alvin'', 열수 분출공을 처음 탐사한 지 1년 후. 선수에 매달린 랙은 샘플 용기를 보관한다.


1977년, 국립과학재단의 지원을 받은 해양 지질학자들이 Clambake 현장으로 돌아와 갈라파고스 해저 열수 분출구 주변의 화학 합성 생태계를 처음으로 직접 관측했다. 오리건 주립 대학의 Jack Corliss가 잠수 연구의 주요 연구자였다. 1977년 2월 17일, Corliss와 스탠퍼드 대학교의 Tjeerd van Andel은 우즈홀 해양연구소(WHOI)가 운영하는 연구용 잠수정 DSV Alvin에서 잠수하여 분출구와 그 생태계를 관찰하고 표본을 추출했다.[244] 이 연구에는 WHOI의 Richard (Dick) Von Herzen과 Robert Ballard, 오리건 주립대학의 Jack Dymond와 Louis Gordon, 매사추세츠 공과대학의 John Edmond와 Tanya Atwater, 미국 지질조사국의 Dave Williams, 스크립스 해양학 연구소의 Kathleen Crane 등이 참여했다.[245][244] 이 팀은 열수 분출공, 유기체 및 열수 분출구 액체의 구성에 대한 관찰 결과를 사이언스지에 발표했다.[246] 1979년, WHOI의 J. Frederick Grassle이 이끄는 생물학자 팀이 2년 전 발견된 생물 군집을 조사하기 위해 같은 장소로 돌아왔다.

1979년 봄, 스크립스 해양학 연구소 팀은 잠수정 Alvin을 이용하여 고온의 열수 분출구인 "블랙 스모커"를 발견했다. RISE 탐사대는 Alvin으로 해저 지구물리학적 도표화를 테스트하고 갈라파고스 열구 너머의 다른 열수원을 찾기 위해 북위 21°의 동태평양 융기를 탐사했다. 이 탐험은 Fred Spiess와 Ken Macdonald가 이끌었으며, 미국, 멕시코, 프랑스의 연구자들도 포함되었다.[247] 잠수 지역은 1978년 프랑스 CYAMEX 탐사대가 황화물 광물의 해저 언덕을 발견한 것을 기반으로 선정되었다.[248] 잠수 작전 전, Robert Ballard는 심해 견인 기구를 사용하여 바닥 부근의 수온 이상 현상을 발견했다. 1979년 4월 15일 부활절 일요일, Alvin 잠수정이 2600m까지 잠수하던 중 Roger Larson과 Bruce Luyendyk은 갈라파고스 분화구와 유사한 생물 군집을 가진 열수 분출구를 발견했다. 4월 21일, William Normark와 Thierry Juteau는 굴뚝에서 검은 광물 입자를 내뿜는 고온의 분출구를 발견했다. 이후 Macdonald와 Jim Aiken은 Alvin에 온도 측정기를 설치하여 블랙 스모커 분출구의 수온을 측정했고, 심해 열수 분출구에서 기록된 가장 높은 온도인 380 ± 30 °C를 관측했다.[249] 블랙 스모커 물질과 분출구를 분석한 결과, 황화철 침전물이 분출구의 '연기'와 벽에서 흔히 발견되는 광물이라는 사실이 밝혀졌다.[250]

2005년, 광물 탐사 회사인 Neptune Resources NL은 뉴질랜드의 배타적 경제수역(EEZ)에 있는 Kermadec 호의 35,000 km2에 대한 탐사권을 신청하여 현대 열수 분출구에서 형성된 납-아연-구리 황화물의 잠재적 새로운 원천을 탐사했다. 2007년 4월, 코스타리카 앞바다에서 메두사 열수 분출구(그리스 신화의 뱀털 메두사의 이름을 따서 명명)가 발견되었다고 발표되었다.[251] 2010년까지 Ashadze 열수장(중대서양 능선 13°N, 고도 -4200m)이 가장 깊은 고온 열수장으로 알려져 있었으나, NASA 제트 추진 연구소와 우즈홀 해양학 연구소 과학자들은 Beebe site(18°33′N 81°43′W, 고도 –5000m)에서 나오는 열수 기둥을 발견했다.[252] 이 장소는 Cayman Trough 내의 110km 길이의 초저속 확산 Mid-Cayman Rise에 위치한다.[253] 2013년 초, 카리브해에서 5000미터(16,000피트) 깊이의 열수 분출구가 발견되었다.[254]

해양학자들은 지각판들이 서로 멀어지고 있는 Juan de Fuca plate의 화산과 열수 분출구를 연구하고 있다.[255] 현재 멕시코 Baja California Sur의 Bahía de Concepción에서 열수 분출구와 기타 지열 징후가 관찰되고 있다.[256]

7. 분포

열수 분출공은 지구의 판 경계를 따라 분포하며, 핫스팟 화산과 같은 판 내부 위치에서도 발견될 수 있다. 2009년 기준으로 약 500개의 활성 해저 열수 분출공이 알려져 있으며, 이 중 약 절반은 해저에서 직접 관찰되었고 나머지 절반은 수주 지표 및/또는 해저 퇴적물로 추정되었다.[105]

열수 분출공 분포


Rogers et al. (2012)[106]는 열수 분출공 시스템의 최소 11개의 생물지리학적 구역을 인식했다.

번호생물지리학적 구역
1대서양 중앙 해령 구역
2사우스 셰틀랜드 해령 구역
3북부 동태평양 해령 구역
4중앙 동태평양 해령 구역
5남부 동태평양 해령 구역
6이스터 미세판 남쪽
7인도양 구역
8서태평양의 4개 구역 및 기타 다수


8. 개발

열수 분출공은 해저 대규모 황화물 매장지의 퇴적을 통해 구리, 아연, 금, 희토류 원소 등 광물 자원을 형성하는 데 기여한다. 오스트레일리아 퀸즐랜드의 마운트 아이사 광상이 대표적인 예시이다.[107] 시생대 해저의 열수 분출은 알고마형 줄무늬 철광층을 형성하여 철광석의 원천이 되었다.[109]

2000년대 중반 이후 기본 금속 가격 상승으로 광물 탐사 회사들은 해저 열수 분출구에서 광물 자원을 채취하는 데 관심을 가지게 되었다. 특히, 광물 자원을 주로 수입에 의존하는 일본은 해저 광물 자원 채취에 적극적으로 투자하고 있다.[111][112] 2017년 8월~9월, 일본 석유·가스·금속광물자원기구(JOGMEC)는 하쿠레이호를 이용하여 세계 최초로 "대규모" 열수 분출구 광물 매장지 채굴을 수행하였다. 이 채굴은 오키나와 해구 내 '이즈나 홀/용광로' 분출구 지역에서 이루어졌다.

현재 노틸러스 미네랄스와 넵튠 미네랄스 두 회사가 해저 대규모 황화물(SMS) 채굴을 추진하고 있다. 노틸러스 미네랄스는 비스마르크 군도 솔와라 매장지에서, 넵튠 미네랄스는 케르마데크 제도 근처 케르마데크 호 럼블 II 웨스트 매장지에서 채굴을 준비하고 있다. 두 회사 모두 기존 기술을 활용할 계획이다. 노틸러스 미네랄스는 2006년 원격 조종 수중 차량(ROV)에 장착된 드럼 커터를, 넵튠 미네랄스는 2007년 ROV에 장착된 석유 산업 흡입 펌프를 사용하여 채굴 시험에 성공한 바 있다.[113][114]

해저 채굴은 먼지 발생, 분출구 붕괴, 메탄 하이드레이트 방출, 해양 지진 등 환경 문제를 야기할 수 있다.[115] 또한, 소음 공해와 인공 조명은 열수 분출구 생태계에 영향을 미칠 수 있다. 채굴 기계 작동으로 인한 소음은 해양 생물의 청각 기관을 손상시키고, 의사소통을 방해할 수 있다.[116] 인공 조명은 심해 생물의 망막 손상을 유발하고, 바닷새를 혼란시켜 충돌 사고를 일으킬 수 있다.[116]

채굴 폐기물은 사이드 캐스트 퇴적물 방출, 탈수 과정, 퇴적물 이동 등으로 인해 퇴적물 플룸(구름)을 형성하여 환경에 영향을 미친다.[116] 특히, 탈수 과정에서 발생하는 중금속 방출은 해양 화학을 변화시키고 생물에게 독성을 유발할 수 있다.[116] 퇴적물 재분배는 해저 생물을 질식시키고, 먹이 섭취 및 가스 교환 과정을 방해할 수 있다.[116]

해저 채굴의 환경 영향을 최소화하기 위한 연구와 노력이 진행되고 있지만, 열수 분출구 생태계 연구는 아직 부족한 상황이다.[118]

1960~1970년대에는 심해 평원에서 망간 단괴 채취 시도가 있었으며, 1974년 중앙 정보국(CIA)은 프로젝트 아조리안을 통해 글로마 익스플로러호를 이용하여 침몰한 소비에트 잠수함 K-129를 인양하면서 망간 단괴 채굴을 위장하기도 했다.[119]

9. 보호

열수 분출공 보존은 지난 20년 동안 해양학계에서 뜨거운 논쟁의 주제였다.[257] 이 희귀한 서식지에 가장 큰 피해를 주는 것은 과학자들일 수 있다는 지적이 있었다.[258][259] 분출구 현장을 조사하는 과학자들의 행동에 대해 합의를 도출하려는 시도가 있었고, 합의된 실무 규정은 있지만 공식적인 국제적이고 법적 구속력이 있는 합의는 아직 없다.[260]

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