[미국] 남극 얼음 아래 퇴적물서 거대한 지하수 시스템 발견

미국 콜롬비아대 라몬트-도허티 지구관측소 구스타프슨 연구원 등 6개팀 연구조사

서부 남극 대륙 깊은 퇴적물서 활발하게 순환하는 거대한 지하수 시스템을 지도화

연구조사팀, “이전에는 지도화되지 않은 저수지가 빙하의 속도 높이고 탄소 방출할 수 있었다”

5월 5일자 『사이언스 저널(journal Science)』에 실려

많은 과학자들은 액체 상태의 물이 빙하에서 발견되는 얼어붙은 형태의 행동을 이해하는 열쇠라고 말한다. 녹은 물은 자갈 바닥을 윤활하고 바다를 향한 행군을 재촉하는 것으로 알려져 있다. 최근 몇 년 동안 남극 대륙의 연구원들은 수백 개의 상호 연결된 액체 호수와 강이 얼음 그 자체 안에 있는 것을 발견했다.

그리고, 그들은 얼음 아래에 있는 두꺼운 퇴적물 분지를 촬영했는데, 잠재적으로 가장 큰 저수지를 포함하고 있다. 그러나 지금까지 아무도 얼음 아래 퇴적물에 많은 양의 액체 물이 존재하는지 확인하지도 않았고 얼음과 어떻게 상호작용하는 지에 대해서도 연구하지 않았다.

이제 콜롬비아 대학(Columbia University) 라몬트-도허티 지구관측소(Lamont-Doherty Earth Observatory) 등 6개 연구기관의 팀이 처음으로 서부 남극 대륙의 깊은 퇴적물에서 활발하게 순환하는 거대한 지하수 시스템을 지도화했다. 

그들은 아마도 남극 대륙에서 흔히 볼 수 있는 그러한 시스템이 얼어붙은 대륙이 기후변화에 어떻게 반응하거나 기후변화에 기여하는지에 대해 아직 알려지지 않은 의미를 가질 수 있다고 말한다. 이 연구는 5월 5일자 『사이언스 저널(Journal Science)』에 실렸다.

이번 연구의 주저자인 콜롬비아 대학 라몬트-도허티 지구관측소의 클로이 구스타프슨(Chloe Gustafson) 대학원생은 “사람들은 이 퇴적물에 깊은 지하수가 있을 수 있다는 가설을 세웠지만, 지금까지 아무도  상세한 영상을 찍지 못했다”라면서 “우리가 발견한 지하수의 양은 매우 컸고, 그것은 아마도 얼음 흐름 과정에 영향을 미칠 것이다. 이제 우리는 더 많은 것을 알아내고 이를 모델에 통합하는 방법을 찾아야 한다”라고 말했다.

이번 연구조사의 수석 저자인 클로이 구스타프슨(Chloe Gustafson)과 등산가 메건 사이퍼트(Meghan Seifert)는 남극 서부의 윌란스(Whillans) 빙류 아래 지하수를 측정하기 위해 지구 물리학 기기를 설치했다. [사진출처(Photo source) = 콜롬비아대학 라몬트-도허티지구관측소 / 사진제공 = 케리 키(Kerry Key)]

 

과학자들은 수십 년 동안 레이더와 다른 기구들을 남극 빙상 위로 날려보내서 지표면 아래의 특징들을 촬영해 왔다. 다른 많은 것들 중에서, 이러한 임무들은 지하수를 저장할 수 있는 가능성을 제공하는 다공성의 성질을 가진 퇴적 분지를 얼음과 암반 사이에 끼인 것을 밝혀냈다. 그러나 공중에 떠 있는 지구물리학은 일반적으로 그러한 특징들의 대략적인 윤곽만을 드러낼 수 있고, 물의 함량이나 다른 특징들은 드러내지 않는다.

한 가지 예외로, 2019년 남극의 맥머도 드라이 밸리(McMurdo Dry Valleys)에 대한 연구는 헬리콥터를 이용한 도구를 사용하여 약 350m의 얼음 아래에 있는 수백m의 얼음 지하수를 기록했다.

그러나 남극 대륙의 알려진 퇴적 분지의 대부분은 훨씬 더 깊으며 얼음의 대부분은 공중 장비의 범위를 넘어서 훨씬 더 두껍다. 몇몇 장소에서 연구원들은 얼음을 뚫고 퇴적물을 뚫었지만 처음 몇 미터(m)만 침투했다. 따라서 빙상 거동의 모델에는 얼음 내부 또는 얼음 바로 아래의 수문학적 시스템만 포함된다.

이것은 큰 부족이다. 남극대륙의 대부분의 광대한 퇴적 분지는 현재의 해수면 아래에 있으며, 기반암(bedrock)으로 둘러싸인 육지 얼음과 대륙을 둘러싸고 있는 떠다니는 해양 빙붕(marine ice shelf) 사이에 끼어 있다.

그들은 해수면이 더 높은 따뜻한 시기에 해저에 형성된 것으로 생각된다. 만약 빙붕Ice Shelf)이 따뜻한 기후에서 후퇴한다면, 바닷물은 퇴적물을 재침입할 수 있고, 그 뒤에 있는 빙하는 앞으로 돌진하여 전 세계적으로 해수면을 상승시킬 수 있다.

이 새로운 연구의 연구원들은 캐나다의 유콘 준주(Yukon Territory) 크기에서 세계에서 가장 큰 로스 빙붕(Ross Ice Shelf)을 먹이로 하는 6개의 빠른 흐름 중 하나인 60마일의 너비 윌란스 빙하(Whillans Ice Stream)에 집중했다.

이전의 연구는 얼음 안에 있는 빙하 호수와 그 아래에 펼쳐진 퇴적 분지를 밝혀냈다. 퇴적물의 첫 번째 발에 얕은 구멍을 뚫는 것은 액체 상태의 물과 번성하는 미생물 집단을 불러왔다. 그러나 더 아래에 있는 것은 미스터리였다.

2018년 말, 미국 공군 LC-130 스키 비행기가 콜롬비아 대학 라몬트-도허티 지구관측소(Lamont-Doherty Earth Observatory)의 클로이 구스타프슨(Chloe Gustafson)와 지구물리학자인 케리 키(Kerry Key), 콜로라도 광산대학(Colorado School of Mines)의 지구물리학자 매슈 시그프리드(Matthew Siegfried), 산악인 메건 세이퍼트(Meghan Seifert)와 함께 윌란스(Whillans) 빙하지역에 낙하했다. 

그들의 임무는 지표면에 직접 배치된 지구물리학적 기구를 사용하여 퇴적물과 그 성질을 더 잘 지도화하는 것이다. 만약 어떤 일이 잘못된다면 어떤 도움과는 거리가 멀고, 그들은 눈 속을 파헤치고, 기구를 심고, 그리고 수많은 다른 허드렛일을 하는 6주의 피곤한 여행을 해야 한다.

이 조사팀은 지구 대기에서 높은 곳에서 생성된 자연 전자기 에너지의 지구로의 침투를 측정하는 자기유체영상(magnetotelluric imaging)이라는 기술을 사용했다. 얼음, 퇴적물, 담수(민물), 염수(짠물), 암반 모두 다른 정도로 전자기 에너지를 전도한다. 그 차이를 측정함으로써, 연구원들은 다른 원소의 MRI(자기공명 영상장치 ; magnetic resonance imaging)와 같은 지도를 만들 수 있다.

윌런스 빙하(Whillans Ice Stream) 지역의 측량 위치. 전자기 이미징 스테이션(Electromagnetic imaging stations)은 두 개의 일반 영역(노란색 표시)에 설치되었다. 팀은 빨간색 점으로 표시된 다른 작업을 수행하기 위해 더 넓은 지역을 조사했다. [사진출처(Photo source) = 콜롬비아대학 라몬트-도허티지구관측소 / 사진제공 = 클로이 구스타프슨(Chloe Gustafson)]

 

그 팀은 한번에 하루 정도 눈 구덩이에 악기를 심었다가 파내서 재배치했고, 결국 약 40개의 장소에서 판독을 했다. 그들은 또한 암반, 퇴적물, 얼음을 구별하는 것을 돕기 위해 다른 팀에 의해 수집된 지구로부터 나오는 자연 지진파를 재분석했다.

이 조사팀의 분석은, 위치에 따라, 퇴적물이 암초에 부딪히기 전에 얼음의 바닥 아래 500m에서 거의 2km까지 확장된다는 것을 보여주었다. 그리고 그들은 퇴적물이 액체 상태의 물로 가득 차 있다는 것을 확인했다.

연구원들은 만약 이 모든 것이 추출된다면, 그것은 220m에서 820m 높이의 물기둥을 형성할 것이라고 추정하는데, 이것은 얼음의 내부와 바닥의 얕은 수문 시스템보다 적어도 10배는 더 많을 수도 있고, 어쩌면 그보다 훨씬 더 많을 수도 있다.

염수은 담수보다 에너지를 더 잘 전달하기 때문에 지하수가 깊이와 함께 더 염분이 많아진다는 것도 보여줄 수 있었다. 케리 키(Kerry Key)는 “퇴적물이 오래 전에 해양 환경에서 형성되었다고 믿기 때문에 이것이 말이 된다”고 말했다.

바닷물은 아마도 약 5,000년에서 7,000년 전 따뜻한 기간 동안 현재 윌란스(Whillans)를 덮고 있는 지역에 마지막으로 도달했을 것이고, 퇴적물은 소금물로 포화되었다. 얼음이 재진입했을 때, 얼음 밑바닥의 마찰과 압력에 의해 생성된 신선한 녹은 물이 분명히 상부 퇴적물로 밀려왔다. “오늘도 계속 걸러지고 섞일 것 같다”고 지구물리학자인 케리 키(Kerry Key)가 말했다.

이번 연구조사의 공동저자인 콜로라도 광산학교(Colorado School of Mines)의 매튜 시그프리드(Matthew Siegfried)는 묻힌 전극 와이어를 끌어올리고 있다. [사진출처(Photo source) = 콜롬비아대학 라몬트-도허티지구관측소 / 사진제공 = 케리 키(Kerry Key)]

 

연구원들은 침전물로 담수를 천천히 배출하는 것이 얼음의 바닥에 물이 쌓이는 것을 막을 수 있다고 말한다. 이것은 얼음의 전진 운동에 브레이크 역할을 할 수 있다. 육지로 향하는 얼음줄기가 떠다니는 빙붕(ice shelf)과 만나는 지점인 이 얼음줄기의 접지선에서 다른 과학자들에 의한 측정은 그곳의 물이 일반적인 바닷물보다 다소 덜 짜다는 것을 보여준다. 이는 담수가 퇴적물을 통해 바다로 흘러들어 더 많은 녹은 물이 들어갈 수 있는 공간을 만들고 시스템을 안정적으로 유지하고 있음을 시사한다.

하지만, 연구원들은 만약 얼음 표면이 너무 얇다면, 기후가 따뜻해질 때 뚜렷한 가능성이 있다고 말한다. 물의 흐름의 방향이 바뀔 수 있다. 상공의 압력은 줄어들 것이고, 더 깊은 지하수는 얼음기지를 향해 부풀어오르기 시작할 것이다. 이것은 얼음의 밑부분을 더 윤활시키고 그것의 전진 운동을 증가시킬 수 있다. (윌란스는 이미 하루에 약 1m 정도 바다 쪽으로 얼음을 움직인다. 빙하의 경우 매우 빠른 속도이다.)

게다가, 만약 깊은 지하수가 위로 흐른다면, 그것은 암반에서 자연적으로 생성된 지열을 운반할 수 있을 것이다. 이것은 얼음의 밑부분을 더 녹이고 앞으로 나아가게 할 수 있다. 그러나 그것이 일어날 것인지, 그리고 어느 정도인지는 명확하지 않다.

클로이 구스타프슨(Chloe Gustafson)은“결국, 우리는 퇴적물의 투과성이나 물이 얼마나 빨리 흐를 지에 대한 큰 제약을 받지 않는다”라고 강조하면서 “폭주 반응을 일으키는 데 큰 차이가 있을까요? 아니면 지하수가 얼음 흐름의 거대한 계획에서 더 작은 역할을 하는 것일까요?”라고 반문했다.

연구진은 “얕은 퇴적물에 미생물이 있다는 사실이 알려지면서 또 다른 주름살이 생겼다”고 말했다. 이 분지와 다른 분지들은 더 아래쪽에 거주할 가능성이 높으며, 지하수가 위로 이동하기 시작하면, 이 유기체들이 사용하는 용해된 탄소를 가져올 것이다.

클로이 구스타프슨(Chloe Gustafson)은 “측면의 지하수 흐름은 이 탄소의 일부를 바다로 보낼 것이다. 이것은 아마도 남극대륙을 이미 수영하고 있는 세계에서 지금까지 고려되지 않은 탄소의 원천으로 만들 것이다. 그러나 다시 한번 문제는 이것이 어떤 중요한 효과를 낼 수 있느냐 하는 것이다”라고 말했다.

새로운 연구는 이러한 문제들을 해결하기 위한 시작에 불과하다고 연구원들은 말한다. “심층 지하수 역학의 존재에 대한 확인은 얼음 흐름의 행동에 대한 우리의 이해를 변화시켰고, 빙하수 모델의 수정을 강요할 것이다”라고 그들은 쓰고 있다.

다른 저자들은 △스크립스 해양학 연구소(Scripps Institution of Oceanography)의 헬렌 프리커(Helen Fricker), △센트럴 워싱턴 대학(Central Washington University)의 J. 폴 윈베리(J. Paul Winberry), △툴레인 대학(Tulane University)의 라이언 벤첼리(Ryan Venturelli), △비글로우 해양과학연구소(Bigelow Laboratory for Ocean Sciences)의 알렉산더 미쇼(Alexander Michaud) 등이다. 클로이 구스타프슨(Chloe Gustafson)은 현재 스크립스(Scripps)의 박사 후 연구원이다.

계속되는 추위와 건조함, 그리고 힘든 노동이 공동저자인 케리 키(Kerry Key)의 손에 금이 갔다. 상처를 봉합하는 방법인 슈퍼 글루( Super Glue)를 사용, 효과가 있었다. [사진출처(Photo source) = 콜롬비아대학 라몬트-도허티지구관측소 / 사진제공 = 케리 키(Kerry Key)]

 

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In Sediments Below Antarctic Ice, Scientists Discover a Giant Groundwater System

Previously Unmapped Reservoirs Could Speed Glaciers, Release Carbon

Many scientists say that liquid water is a key to understanding the behavior of the frozen form found in glaciers. Melt water is known to lubricate their gravelly bases and hasten their march toward the sea. In recent years, researchers in Antarctica have discovered hundreds of interconnected liquid lakes and rivers cradled within the ice itself. 

And, they have imaged thick basins of sediments under the ice, potentially containing the biggest water reservoirs of all. But so far, no one has confirmed the presence of large amounts of liquid water in below-ice sediments, nor studied how it might interact with the ice.

Now, a team from six research institutions has for the first time mapped a huge, actively circulating groundwater system in deep sediments in West Antarctica. They say such systems, probably common in Antarctica, may have as-yet unknown implications for how the frozen continent reacts to, or possibly even contributes to, climate change. The research appears today in the journal Science.

“People have hypothesized that there could be deep groundwater in these sediments, but up to now, no one has done any detailed imaging,” said the study’s lead author, Chloe Gustafson, who did the research as a graduate student at Columbia University’s Lamont-Doherty Earth Observatory. “The amount of groundwater we found was so significant, it likely influences ice-stream processes. Now we have to find out more and figure out how to incorporate that into models.”

Scientists have for decades flown radars and other instruments over the Antarctic ice sheet to image subsurface features. Among many other things, these missions have revealed sedimentary basins - whose porous qualities offer the potential to store groundwater - sandwiched between ice and bedrock. But airborne geophysics can generally reveal only the rough outlines of such features, not water content or other characteristics. 

In one exception, a 2019 study of Antarctica’s McMurdo Dry Valleys used helicopter-borne instruments to document a few hundred meters of subglacial groundwater below about 350 meters of ice. 

But most of Antarctica’s known sedimentary basins are much deeper, and most of its ice is much thicker, beyond the reach of airborne instruments. In a few places, researchers have drilled through the ice into sediments, but have penetrated only the first few meters. Thus, models of ice-sheet behavior include only hydrologic systems within or just below the ice.

This is a big deficiency; most of Antarctica’s expansive sedimentary basins lie below current sea level, wedged between bedrock-bound land ice and floating marine ice shelves that fringe the continent. 

They are thought to have formed on sea bottoms during warm periods when sea levels were higher. If the ice shelves were to pull back in a warming climate, ocean waters could re-invade the sediments, and the glaciers behind them could rush forward and raise sea levels worldwide.

The researchers in the new study concentrated on the 60-mile-wide Whillans Ice Stream, one of a half-dozen fast-moving streams feeding the Ross Ice Shelf, the world’s largest, at about the size of Canada’s Yukon Territory. 

Prior research has revealed a subglacial lake within the ice, and a sedimentary basin stretching beneath it. Shallow drilling into the first foot or so of sediments has brought up liquid water and a thriving community of microbes. But what lies further down has been a mystery.

In late 2018, a U.S. Air Force LC-130 ski plane dropped Gustafson, along with Lamont-Doherty geophysicst Kerry Key, Colorado School of Mines geophysicist Matthew Siegfried, and mountaineer Meghan Seifert on the Whillans. Their mission: to better map the sediments and their properties using geophysical instruments placed directly on the surface. Far from any help if something went wrong, it would take them six exhausting weeks of travel, digging in the snow, planting instruments, and countless other chores.

(See videos and images of the expedition)

The team used a technique called magnetotelluric imaging, which measures the penetration into the earth of natural electromagnetic energy generated high in the planet’s atmosphere. Ice, sediments, fresh water, salty water and bedrock all conduct electromagnetic energy to different degrees; by measuring the differences, researchers can create MRI-like maps of the different elements. 

The team planted their instruments in snow pits for a day or so at a time, then dug them out and relocated them, eventually taking readings at some four dozen locations. They also reanalyzed natural seismic waves emanating from the earth that had been collected by another team, to help distinguish bedrock, sediment and ice.

Their analysis showed that, depending on location, the sediments extend below the base of the ice from a half kilometer to nearly two kilometers before hitting bedrock. And they confirmed that the sediments are loaded with liquid water all the way down. 

The researchers estimate that if all of it were extracted, it would form a water column from 220 to 820 meters high?at least 10 times more than in the shallow hydrologic systems within and at the base of the ice?maybe much more even than that.

Salty water conducts energy better than fresh water, so they were also able to show that the groundwater becomes more saline with depth. Key said this makes sense, because the sediments are believed to have been formed in a marine environment long ago. 

Ocean waters probably last reached what is now the area covered by the Whillans during a warm period some 5,000 to 7,000 years ago, saturating the sediments with salt water. When the ice readvanced, fresh melt water produced by pressure from above and friction at the ice base was evidently forced into the upper sediments. It probably continues to filter down and mix in today, said Key.

The researchers say this slow draining of fresh water into the sediments could prevent water from building up at the base of the ice. This could act as a brake on the ice’s forward motion. Measurements by other scientists at the ice stream’s grounding line - the point where the landbound ice stream meets the floating ice shelf - show that the water there is somewhat less salty than normal seawater. This suggests that fresh water is flowing through the sediments to the ocean, making room for more melt water to enter, and keeping the system stable.

However, the researchers say, if the ice surface were to thin?a distinct possibility as climate warms?the direction of water flow could be reversed. Overlying pressures would decrease, and deeper groundwater could begin welling up toward the ice base. This could further lubricate the base of the ice and increase its forward motion. (The Whillans already moves ice seaward about a meter a day?very rapid for glacial ice.)

 Furthermore, if deep groundwater flows upward, it could carry up geothermal heat naturally generated in the bedrock; this could further thaw the base of the ice and propel it forward. But if that will happen, and to what extent, is not clear.

“Ultimately, we don’t have great constraints on the permeability of the sediments or how fast the water would flow,” said Gustafson. “Would it make a big difference that would generate a runaway reaction? Or is groundwater a more minor player in the grand scheme of ice flow?”

The known presence of microbes in the shallow sediments adds another wrinkle, say the researchers. This basin and others are likely inhabited further down; and if groundwater begins moving upward, it would bring up the dissolved carbon used by these organisms. 

Lateral groundwater flow would then send some of this carbon to the ocean. This would possibly turn Antarctica into a so-far unconsidered source of carbon in a world already swimming in it. But again, the question is whether this would produce some significant effect, said Gustafon.

The new study is just a start to addressing these questions, say the researchers. “The confirmation of the existence of deep groundwater dynamics has transformed our understanding of ice-stream behavior, and will force modification of subglacial water models,” they write.

The other authors are Helen Fricker of Scripps Institution of Oceanography, J. Paul Winberry of Central Washington University, Ryan Venturelli of Tulane University, and Alexander Michaud of Bigelow Laboratory for Ocean Sciences. Chloe Gustafson is now postdoctoral researcher at Scripps.

Lead author Chloe Gustafson and mountaineer Meghan Seifert install geophysical instruments to measure groundwater below West Antarctica’s Whillans Ice Stream. (Kerry Key/Lamont-Doherty Earth Observatory)

[출처 = 콜롬비아대학 라몬트-도허티지구관측소(https://news.climate.columbia.edu/2022/05/05/in-sediments-below-antarctic-ice-scientists-discover-a-giant-groundwater-system/) / 2022년 5월 5일 발표 연구조사 보고서]