[칠레] 안데스 산맥을 형성한 주기적 펄스 현상
과학자들이 안데스(Andes) 산맥과 주변의 높은 산맥이 어떻게 형성됐는지를 이해하기 위해 오랫동안 노력하는 가운데, 로체스터 대학교(University of Rochester) 카말라 가지온(Carmala Garzione) 환경과학교수와 동료들은 이 미스터리에 대한 실마리를 제공하고 있다.
지구행성과학레터(Earth and Planetary Science Letters)에 발표된 최근 논문에서 가지온 교수는 중앙 안데스 산맥의 알티플래노(Altiplano) 고원이 연속되는 급속한 분출을 통해 형성됐음을 설명하고 있다.
가지온 교수는 “이번 연구는 전통적으로 여겨진 지속적이고 점차적인 표면 융기가 아닌, 빠른 주기적 펄스를 통해 고원이 형성됐음을 보여주는 증거를 제시한다”고 전하면서 “지질학적으로 빠르다는 것은 수백만년 동안에 1킬로미터 또는 그 이상의 상승을 의미하는데 이는 매우 인상적”이라고 전했다.
안데스 산맥은 남미 대륙판 아래의 나즈카(Nazca) 해양판이 미끌어져 성장하는 것으로 이해되고 있으며 이 때문에 지구 지각은 접고 끊어지는 현상에 의해 짧고 얇아진다. 이 현상은 두 가지 질문을 만든다: 안데스는 얼마나 빠르게 현재 높이로 융기했는가, 상승을 일으키는 실제 프로세스는 무엇인가 하는 점이다.
몇 년 전, 가지온 교수와 동료들은 중앙 알티플래노 토양에서 보존된 고대 표면 온도와 강우 성분을 측정함으로써 중앙 안데스의 표면 융기 시기와 속도를 최초로 추정했다. 이 연구는 ‘지질학자 예상보다 매우 빨리 상승하는 산맥’(Mountain Ranges Rise Much More Rapidly than Geologists Expected)이라는 논문에서 소개됐다. 알티플래노는 볼리비아와 페루의 고원으로 고도는 해수면에서 12,000피트이다.
가지온 교수는 얇은 대륙판이 가열되면 지각 토대에서 닻처럼 거동하는 농축된 하부 지각과 상부 맨틀 부분이 주기적으로 분리되고 맨틀에 가라앉는다고 결론 내렸다. 이 농축된 닻이 분리되면 낮은 밀도의 상부 지각은 되튀고 급격히 상승한다.
그 이후 가지온 교수와 사우스 캐롤라이나 대학교(University of South Carolina) 지구해양과학 앤드류 레이어(Andrew Leier) 조교수는 안데스의 다른 2개 지역에서 수행된 온도기록 기법을 이용해, 급상승하는 표면 융기 펄스가 정상 현상 또는 예외적 현상 여부를 결정했다.
가지온 및 레이어 교수는 강우에 함유된 광물 방해석의 탄소와 산소동위원소 결합된 거동에 포커스를 두고 연구를 수행했다. 이 연구는 ‘불리비아, 중앙 안데스 산맥에 나타난 급속한 표면 융기의 복합적인 펄스를 보여주는 안정적인 동위원소 증거’(Stable isotope evidence for multiple pulses of rapid surface uplift in the Central Andes, Bolivia)라는 논문에 게재됐다.
가지온은 남부 알티플래노에서 작업하면서 해수면에 근접한 낮은 고도의 고대 토양에 보존된 기후 기록을 수집했다. 이 지역의 온도는 안데스의 역사에서 온난했으며 높은 고도에서는 산맥 상승과 함께 온도가 냉각됐어야 했다. 토양에서 발견된 방해석은 희귀한 무거운 탄소(13C) 및 산소동위원소(18O)뿐만 아니라 더 가벼운 탄소(12C)와 산소 동위원소(16O)도 함유하고 있다. 방해석을 통한 고대 온도의 추정은 무거운 동위원소가 형성하는 강한 결합에 의존하고 있다.
낮은 온도에서 원자들은 더욱 천천히 진동하고 무거운 동위원소인 13C-18O 결합은 더욱 분해가 어려우며 그 결과 더욱 높은 농도의 13C-18O 결합이 방해석에서 발견된다. 가지온 교수는 온난한 낮은 고도와 서늘한 높은 고도에서 무거운 동위원소 결합 농도를 측정했다. 그 후 사이트 사이의 온도 차이를 이용해 특별한 시기에 다양한 층의 고도를 추정했다.
그녀는 남부 알티플래노 산맥 지역이 1600만년~900만년 전 약 2.5킬로미터까지 상승했음을 발견했는데, 이는 지질학적 시간에서 급격한 속도이다. 가지온 교수는 펄스 반응이 낮은 지각과 상부 맨틀의 경계에서 성장하는 농축된 뿌리와 관련이 있는 것이 아닌가 추측한다. 해양판이 대륙판 하부에서 미끌어질 때 대륙판은 짧고 두꺼워지며 낮은 지각의 압력은 증대된다.
낮은 지각의 현무암 성분은 에클로자이트(유희암, eclogite)로 불리는 매우 높은 농도의 암석으로 전환되는데, 이 암석이 상부 지각의 낮은 농도에서 닻의 작용을 한다. 뿌리가 더 뜨거운 맨틀로 더 깊이 이동하면 급격하게 제거될 수 있는 온도로 수백만년 동안 가열되고 그 결과 산맥은 빠르게 상승한다.
가지온 교수는 “우리가 알게 된 것은 알티플래노 고원이 수백 만년 동안 급격한 표면 융기 펄스에 의해 형성된 후, 고도가 안정된 장기간(수천만년)에 분리됐다는 점”이라고 밝히면서 “이 프로세스가 다른 높은 산맥에서도 표본이 될 것이라고 의심하지만 확신을 위해서는 더 많은 연구가 필요하다”고 전했다.
[출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 4월 28일]
[원문보기]
Microgel-based thermoresponsive membranes for water filtration
Filtration using membrane filters is one of the most commonly used separation techniques. Modern developments are aimed at membranes with tailored separation properties as well as switchability. German scientists have now developed a very simple method for the modification of membranes through the inclusion of microgels. In the journal Angewandte Chemie
The researchers from RWTH Aachen University and DWI—Leibniz Institute for Interactive Materials used commercially available hollow-fiber membranes used for the ultra- and microfiltration of water. Hollow-fiber filters consist of bundles of fibers made of a semipermeable material with a channel on the inside.
The walls of the fibers act as the membrane. In order to modify the membranes, a team led by Matthias Wessling simply filtered microgel suspensions through them. This allowed the microgels to become embedded into the porous structure of the membrane.
A gel is a three-dimensional molecular network that is filled with a liquid. Unlike the liquid in a sponge, the liquid in the gel is tightly bound. Microparticles of a gel are called microgels. The researchers used microgels made of polyvinylcaprolactam that are stable to about 32°C. Above this temperature, the gel structure collapses, letting the water out.
The hollow-fiber membranes used have an asymmetric pore structure with internal diameters of 30 nm (ultrafiltration) to 200 nm (microfiltration) and external diameters of several micrometers. The fibers can be loaded with the microgels either from the outside in or from the inside out. In the first method the gel particles penetrate partway into the pores and the outside is then coated with microgel.
In the second method, gel particles are only found on the interior of the pores, but not in those pores that are very narrow. In both types of fibers, the microgel is so firmly adsorbed that it cannot be washed away either during filtration or back flushing. The permeability of both types is significantly reduced relative to the untreated membrane, because the microgel makes the pores less accessible.
Raising the temperature causes the microgel to shrink, increasing the permeability of the membrane; cooling reverses the effect. This switching mechanism could be an important method for an efficient cleaning of the hollow fiber when high flow rates are needed during a backwashing step at low temperatures.
“The modification of conventional hollow-fiber membranes with stimuli-responsive microgels provides a straightforward and versatile route to design functional membranes with new, tailored properties that allow for regulation of the permeability,” says Wessling.
“Varying the chemical structures of the microgels allows for the introduction of specific functionalities into membranes, increasing the efficiency and selectivity of separation processes in water treatment and medical technology. We will further develop this versatile platform by fundamental research within the SFB Functional Microgels and Microgel Systems of the German Research Foundation (DFG).”
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