우즈홀 해양연구소(Woods Hole Oceanographic Institution, WHOI)는 중앙 태평양 심해가 용존 철의 주요 발생원임을 밝혔다. 연구진은 심해의 철 원소가 대양 혼합 과정을 통해, 바다 표면에 서식하는 생물에게 공급됨을 발견하였다. 생물의 생존에 필수적인 철 원소 공급에 대양 혼합이 매우 중요한 역할을 하는 셈이다. Tristan Horner 박사는, “이번 연구결과는 중앙 태평양에서 발생한 철의, 과거 7600만여 년에 걸친 장기간의 변화를 보여주고 있다“고 설명하였다. 이번 연구결과는 “Proceedings of the National Academy of Sciences” 최신호에 게재된다.

바닷속 다양한 지역은 기타 영양물질을 풍부하게 보유하고 있지만, 종종 철 원소는 부족하게 된다. 철은 해양 생물에게 중요한 원소 중 하나이며, 특히 해양 먹이사슬의 기반이며 지구 기후에 중요한 역할을 하는 플랑크톤의 성장에 핵심적인 요소이다. 플랑크톤은, 지구상 산소의 약 절반을 생산할 뿐 아니라, 바다 표면에서 살면서 이산화탄소의 스펀지 역할을 한다. 플랑크톤은 광합성을 통해서 대기 중 탄소를 자신의 몸에 흡수한다. 플랑크톤이 사멸하거나 다른 생물에게 먹힐 경우, 상당량의 탄소가 심해로 잠기게 되면서 대기 중으로 재진입할 수 없게 된다.

Sune Nielsen 교수는 “기본적으로, 철 원소는 기후 제어에 도움이 됨으로 매우 중요하다. 해양 탄소 순환에서의 철 원소 역할을 깊이 이해하려면, 이러한 바닷속 철이 어디에서 기인했는지 이해할 필요가 있다”고 설명하였다. 과학계에서는 오랫동안 바닷속 철 원소가 대기 중 먼지에서 대부분 기원했으며, 일부는 해저 대륙 주변부를 따라 용존 퇴적물에서 유입되거나 미네랄이 풍부한 해저 열수 분출공 유체에서 유래되었다고 여겨왔다. 철 원소는 열수 분출공 지역과 대륙 주변부의 저산소 영역에서 빠르게 용해되지만, 이러한 국소 영역에 철 원소가 잔류하면서 바닷속 전체 철 함량에는 크게 기여하지 않을 것으로 믿어져 왔다.

Nielsen 박사는 “이전 이론에 따르면, 철 원소가 풍부한 유체는 고농도의 산소를 가진 해수와 충돌하자마자, 철 원소가 흩어져버리기 때문에 어딘가로 이동이 불가능했다. 하지만 최소한 중앙 태평양의 경우에는 이런 이론이 맞지 않았다. 우리 연구진은 열수 분출공과 해수면 수천 미터 아래의 퇴적물에서 유래한 많은 양의 용존 철을 발견하였다. 또한 이러한 심해 발생원에서 출발한 철 원소는 먼 거리까지 이동이 가능함을 확인하였다”고 설명하였다.

연구진은 망간철 크러스트로 불리는 해양 퇴적물을, 중앙 태평양 열수 분출공 지역에서 멀리 떨어진 지점에서 채취하여 분석하였다. 시료는 중앙 태평양에 위치한 해저산인 Karin Ridge 측면부에서 채취하였다. 연구진은 질량분석계를 이용하여, 망간철 크러스트 생장층에 기록된 해수 동위원소 화학변화의 장기간의 변화를 분석하였다. 이러한 화학변화는 매우 느리게 이루어진다. 시료의 단면에 구멍을 뚫어 “시간별 구획”을 살펴볼 수 있었으며, 이를 통해 철 동위원소(Fe-56, Fe-54) 구성의 변화를 분석하였다.

Horner 박사는 “철 동위원소의 비율은 철 원소의 발생원, 즉 대기 먼지, 열수 분출공, 용해 퇴적물별로 다르게 나타난다. 이러한 비율은 일종의 지문과도 같으며 매우 명확한 지표로 작용한다. 채취 시료 생장층의 동위원소 비율 분석을 통해, 철 원소가 어느 발생원에서 기원했는지, 시간에 따라 서로 다른 철 발생원이 어떻게 약화되었는지 추정할 수 있다”고 설명하였다. 이번 논문은 바닷속 철 원소 함량에 미치는 열수 분출공의 중요성을 새롭게 상기시키는 연구 결과이며, 이를 바탕으로 다른 바다 지역의 철 원소 기원을 새롭게 밝히고 전지구적 철 용량 및 기후에 미치는 철의 영향, 해양에 작용하는 열수 분출공의 메커니즘을 추가적으로 이해할 수 있을 것으로 기대된다.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 2월 9일]

A new study led by scientists at the Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) points to the deep ocean as a major source of dissolved iron in the central Pacific Ocean. This finding highlights the vital role ocean mixing plays in determining whether deep sources of iron reach the surface-dwelling life that need it to survive.

"Our study is a long-term view--over the past 76 million years--of where iron has been coming from in the central Pacific," says Tristan Horner, a postdoctoral fellow in the Marine Chemistry and Geochemistry Department at WHOI and lead author of the paper to be published February 3, 2015, in Proceedings of the National Academy of Sciences.

While many areas of the ocean are rich in other nutrients, they often lack iron--a critical element for marine life. Iron is particularly important for the growth of phytoplankton, which are tiny plant-like organisms that form the base of the ocean food chain and play an important role in Earth's climate.

In addition to producing about half of the planet's oxygen, phytoplankton live at the ocean's surface and act as sponges of carbon dioxide--a heat-trapping gas. Through photosynthesis, phytoplankton take carbon from the air into their bodies. When they die or are eaten, much of the carbon sinks to the deep ocean, where it cannot re-enter the atmosphere.

"In basic terms, iron is so important because it helps control climate," says Sune Nielsen, a WHOI geologist and coauthor. "We need to understand where iron in the ocean is coming from in order to truly understand the role of iron in the marine carbon cycle."

The scientific community has long thought that the vast majority of the ocean's iron comes from atmospheric dust, with smaller inputs from dissolved sediment along continental margins, and fluids from hydrothermal vents, which are mineral-rich hot springs on the seafloor, miles below the surface.

Iron is readily soluble in low oxygen regions at hydrothermal vent sites and along continental margins, but it was believed the iron remained in these localized spots and didn't contribute much to the overall iron content of the ocean. "According to conventional wisdom, as soon as these iron-rich fluids hit seawater with high oxygen concentrations, the iron would just dump out and never really go anywhere," explains Nielsen.

However, Horner says, "That is not the case, at least in the central Pacific Ocean. We found that much of the dissolved iron in that region originated from hydrothermal vents and sediments thousands of meters below the sea surface. And we found that the iron from these deep sources can be transported long distances."

To conduct their research, the researchers analyzed a marine sediment, called a ferromanganese crust, taken from a spot far from any hydrothermal vent sites in the central Pacific Ocean. The sample was collected from the flank of the Karin Ridge, a seamount located in the central Pacific, in the 1980s by coauthor Jim Hein of the U.S. Geological Survey (USGS) in Santa Cruz, from a dredge along the seafloor.

The team used a mass spectrometer to analyze the sample for long-term changes in seawater isotopic chemistry recorded in the growth layers of the ferromanganese crust, which forms very slowly. Drilling cross sections in the sample allowed scientists to look through "sections of time" to analyze variations in the composition of iron isotopes--stable natural isotopes iron-56 and iron-54--in order to track the origins of iron.

"The ratio of iron isotopes vary among the different iron sources--atmospheric dust, hydrothermal vents, and dissolved sediments-- and are actually quite distinct, like fingerprints. We were able to measure those ratios in the growth layers of our sample, which tells us about where the iron came from and how the different iron sources have waxed and waned over time," Horner says.

"This study is exciting in that it applies some of the recently developed metal isotope capabilities to parse the different sources of scarce iron in seawater going back through time, and builds on the emerging story about the importance of hydrothermal vents to the inventory of iron in the sea," adds Mak Saito, a biogeochemist at WHOI and one of the coauthors of the study.

The researchers hope to use this technique to look at iron sources in other parts of the ocean. Future studies could help answer lingering questions about global iron budgets, the influence of iron on climate, and how hydrothermal vents affect the ocean as a whole.