~ 중금속 원소의 동위체비가 해양 대순환의 지표가 될 가능성을 시사 ~

쿄토대학 연구팀은 미량 금속원소의 화학분리방법(염화나트륨을 비롯한 염류를 효율적으로 제거하고, 미량 중금속 원소를 고효율로 신속하게 회수하는 방법)을 이용하여 세계 각지의 해수 중에 용존된 구리의 동위원소비(65Cu/63Cu)의 정밀 측정에 성공하였다.

연구팀은 2008년~2012년에 동태평양, 서태평양, 인도양, 북대서양의 각 해역에서 채취한 해수 중의 구리 동위원소비를 분리방법을 이용하여 비교 분석하였다. 이렇게 다른 해역에서 동위체비의 연직분포를 밝혀낸 것은 본 성과가 처음이다.

분석결과, 구리의 65Cu/63Cu 동위원소비는 표층에서 심층으로 가면서 약 0.3‰ 정도 높다는 것을 알았다. 즉 심층은 표층과 비교하여 무거운 동위원소(65Cu)에 대해 가벼운 동위원소(63Cu)가 적다는 것이다. 표층 해수의 구리 동위원소비는 우수, 하천수 그리고 심층 해수의 구리 혼합인 반면에, 심층 해수는 해수 중에 용해되어 있는 가벼운 동위원소(63Cu)가 머린스노(marine snow) 등의 침강입자에 우선적으로 흡착하여 용존상태로부터 제거되기 때문에 서서히 가벼운 동위원소(63Cu)의 비율이 감소하기 때문이라고 생각된다.

그리고 이 가벼운 동위원소비(63Cu)가 심층 해수 중에서 차지하는 비율을 대서양, 인도양, 태평양의 해역에서 비교한 결과, 대서양이 가장 높고, 인도양, 태평양의 순으로 낮아진다는 것을 알았다. 이 경향은 용존산소농도로부터 구한 겉보기 산소소비량(AOU, apparent oxygen utilisation)과 상관있다. 겉보기 산소소비량은 심층수의 연령의 지표가 된다.

따라서 복수의 해역에서 채취된 해수 중의 구리 동위원소비를 그 해수가 어떤 경로를 거쳐 어느 정도의 속도로 순환하고 있는지를 알기 위한 화학 추적자로서 이용할 수 있다는 가능성을 나타내는 데이터가 본 연구에 의해 세계에서 처음으로 얻어졌다. 구리를 비롯한 해수 중의 미량 금속원소는 해저의 망간 클러스터 및 망간 단괴에 최종적으로 농축되고 성장한다.

따라서 표면에서 심부방향으로 과거의 해수 기록을 보존하고 있기 때문에 본 연구의 방법을 이용하면 수백만 년 이상 전인 태고의 해양에서 해수순환속도를 해명할 수 있을 가능성이 있다. 동위체비로부터 과거의 심층수의 순환경로를 복원하는 연구는 해양 퇴적물 중의 저생 유공충의 껍질에 포함된 네오지움 동위원소를 이용하여 이미 진행 중이지만, 앞으로 구리 동위원소비와 해수 연령과의 상관관계를 과학적으로 밝혀내고, 전 지구 규모로 해양 중의 구리 동위원소 분석이 진행된다면, 태고 해양의 모습이 보다 선명하게 해명될 수 있을 것으로 기대된다.

또한 해양 중의 미량 금속원소의 농도는 해저 퇴적물에 포함된 해수 중으로부터 제거되지만, 하천 및 대기를 경유하여 끊임없이 공급되어 그 균형을 유지하고 있다. 이번에 구리의 동위원소비를 포함한 해양에서의 구리 공급제거모델을 처음으로 구축하였다. 지금까지는 농도로부터만 그 거동을 추정할 수 있었지만, 본 성과에 의해 농도뿐만 아니라, 동위원소비로부터 얻어진 정보를 포함시켜 모델의 정밀화가 이루어질 것으로 기대된다.

중금속 원소 동위원소비의 정밀 측정은 세계적으로 여명기로, 정밀한 공급제거모델의 구축에 필요한 다양한 지질학적 시료의 동위원소 분석은 현재도 활발하게 추진되고 있다. 구리의 경우도, 다양한 공급제거원의 동위원소 측정을 수행하여 그 변동폭을 더욱 정확하게 파악할 필요가 있다.

본 연구팀은 앞으로 대상을 니켈 및 아연 등 중금속 원소의 동위원소비로 확대하여 각각의 원소에 대한 인위적 영향 및 물질순환의 파악을 실시함으로써 "GEOTRACES" 프로젝트에 공헌할 예정이다.

그림 1. 해수 채취지점
그림 2. 인도양(상), 북서태평양(중), 북동태평양(하)의 각 해역에서 구리 농도 심도분포(좌)와 구리 동위체비(파란선) 및 AOU의 상관관계(우).
그림 3. 심층수에서 구리 동위원소비와 AOU와의 관계

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 12월 9일]