• Deep oceanic sediment sample collected near the Mariana Trench has been analyzed by XRD and XRF.

• Chemical composition was found to be similar to average chemical composition of global subducting sediments (GLOSS).

• While quartz, mica, and plagioclase were identified at all depths, hydrous minerals, such as chlorite and zeolites showed a gradual change in phase fraction with depth.

해저에는 약 7 km 두께의 해양판(oceanic plate)이 존재하며 이 판의 가장 상단에는 평균적으로 약 900 m 두께의(Straume et al., 2019) 해양퇴적물(oceanic sediment)이 피복되어 있다. 해양 퇴적물 층의 두께는 그 아래 위치한 해양 지각의 두께보다 약 1/5 정도로 얇지만 해저 생태계의 기반을 유지하며, 탄소 저장에도 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다(Dutkiewicz et al., 2015). 또한 전지구적 생물의 사이클(biochemical cycle), 퇴적물의 이동 메커니즘(sediment transportation), 고환경(paleoenvironment)과 같은 연구에도 다양한 자료를 제공하고 있다. 일반적으로 해양 퇴적물 층의 구성은 석회질 연니(calcareous ooze), 규질 연니(siliceous ooze), 심해 점토(deep-sea clay), 육성기원 퇴적물(terrigenous sediment) 그리고 빙하 퇴적물(glacial sediment)의 5 가지로 분류된다(Berger, 1974). 이러한 퇴적물을 이루는 광물의 종류는 매우 다양하지만 대표적으로는 점토(clay mineral), 장석(feldspar), 제올라이트(zeolite), 방해석(calcite), 황산염(sulfate) 그리고 인산염(phosphate) 등이 알려져 있다(Kastner, 1999).

점토 광물을 포함한 해양 퇴적물은 미고결(unconsolidated) 혹은 준미고결(semi-unconsolidated) 상태로 섭입대 초입(updip)에서는 상부판(upper plate)과 하부판(lower plate) 사이에 위치하여 하강하는 해양판의 비지진성(aseismic) 이동(sliding)을 유도한다(Bergman and Solomon, 1988; Hyndman et al., 1997). 이후 섭입대 약 5-15 km 깊이에서는 온도의 상승(약 100-150 ℃)으로 인해 스멕타이트(smectite)와 같은 함수 점토 광물의 경우 탈수(dehydration)가 발생하고 지진성 단층(seismogenic fault)운동이 발생하는 것으로 알려져 있다(Hyndman et al., 1995). 하지만 최근의 연구에서 층간에 물분자를 함유하고 있지 않은 점토 광물인 카올리나이트(kaolinite, Al₂Si₂O₅(OH)₄))의 경우 차가운 섭입대(cold subduction) 환경의 약 75 km 깊이에서 층간 간격이 약 7 Å에서 10 Å으로 증가하는 반응을 통해 초수화 카올리나이트(super-hydrated kaolinite, Al₂Si₂O₅(OH)₄•3H₂O)로 전환되어 함수(hydration) 반응이 일어날 수 있다(Hwang et al., 2017). 이러한 광물 상에 따른 안정성의 차이는 섭입대 접촉면의 물성의 변화를 결정지을 수 있기 때문에 섭입하는 해양 퇴적물의 구성에 대한 연구는 판구조 운동과 지구 물질 순환을 이해하는 관점에서도 중요하다고 할 수 있다.

서태평양에 위치한 마리아나 해구(Mariana trench)는 이주-보닌-마리아나 섭입대(Izu-Bonin-Mariana subduction system)의 일부분으로 태평양판(Pacific plate)이 마리아나 미소판(Mariana micro-plate) 아래로 섭입되면서 생성된 섭입대이다. 마리아나 해구 인근 해양 퇴적물에 대한 기존 연구에서는 총 24가지 광물종을 확인하였고, 이들을 크게 여섯 그룹으로 나누어 산화광물(i.e., 규산염, 탄산염, 황산염, 인산염, 산화물/수산화물(oxide/hydroxide, i.e., 산화철(iron oxide), 원소광물(natural element, i.e., 황)) 그룹으로 분류하였다(Chunhui et al., 2020). 이 중에 총 16가지의 광물이 발견된 규산염 광물 그룹에서는 특히 석영(quartz)과 사장석(plagioclase)이 우세한 알칼리 장석(alkali feldspar)이 대부분의 깊이에서 많이 포함되어 있다(Chunhui et al., 2020).

한국해양과학기술원(Korea Institute of Ocean Science and Technology, KIOST)은 2019년 온누리호를 이용하여 괌 북동부 공해에서 지형탐사, 어류채집, 주상시료 채취 등을 처음으로 수행하였고(Hyeong et al., 2021), 이후 2021년 이사부호를 이용하여 수행된 WP21 탐사에서는 기확보 정점의 심부 퇴적물 시료를 확보하기 위한 목적으로 더 깊은 구간의 시료를 채취하였다(Hyeong et al., 2021)(Fig. 1). 본 연구는 WP21 탐사를 통해 마리아나 해구 인근에서 새롭게 획득된 해양 퇴적물의 깊이별 원소 분포와 광물 구성을 규명함으로써 향후 마리아나 섭입대의 깊이에 따른 해양 퇴적물의 거동 연구에 대한 기초 자료를 확보하기 위하여 수행되었다.

Figure 1. A regional map showing the WP21GPC04 site near Mariana Trench.

본 연구에 사용된 해양 퇴적물 시료는 대한민국 해양과학조사선 이사부호의 서태평양 해저산 탐사(WP21) 기간 동안 괌 북동부 피가페타 분지(Pigafetta Basin) 내 수심 5,730 m에 위치한 정점 WP21GPC04 (20.7657°N, 152.5923°E) 지점에서 채취되었다(Fig. 1). 자이언트 피스톤 시추기(giant piston corer, GPC)를 이용하여 총 1,342 cm의 퇴적물 주상코어가 획득되었으며 약 100 cm 간격으로 구분된 코어 시료의 깊이별 11개 부시료(S1-S11)를 분석 대상으로 설정하였다(Fig. 2).

Figure 2. Photographic images of the cross-sections of the oceanic sediments at the WP21GPC04 site near Mariana Trench (as provided by KIOST).

채취된 해양 퇴적물 시료의 퇴적 깊이별 원소 분포를 확인하기 위해 11개 부시료의 일부를 막자 사발로 갈아 분말 시료를 제작하였다. 연세대학교 결정학 연구실의 마이크로 X선 형광분석기(micro X-ray fluorescence spectroscopy, μ-XRF; Bruker M4 Tornado)기기를 이용하였고, 부시료 샘플별로 동일한 측정 조건(Rh-타겟, 50 kV, 200 μA, X-선 빔 크기 25 μm)에서 5개 포인트(point)에 대한 측정을 30초간 진행하였다.

해양 퇴적물의 광물 구성과 함량을 알아보기 위해 방사광 X-선 회절법(synchrotron X-ray diffraction)을 이용하였다. Synchrotron-XRD 측정은 포항가속기연구소(Pohang Accelerator Laboratory, PAL)의 6D 빔라인(beamline)에서 수행되었고 0.65303 Å 파장의 단색화 X-선과 Rayonix 사의 MX225 검출기를 이용하였다. 직경 0.3 mm의 모세 유리관(glass capillary tube)에 장착시킨 각 분말 샘플에 대해 직경 100 μm의 X-선을 이용하여 투과 모드로 측정하였다. 측정된 X-선 회절 자료의 처리와 분석은 각각 Dioptas와 Match! 3 프로그램을 이용하였고(Prescher and Prakapenka, 2015), GSAS 프로그램의 Le Bail 분석법을 이용하여 동정된 각 광물상에 대한 단위포 정보를 확인하였다(Le Bail et al., 1988, Toby, 2001).

XRD와 XRF 측정 모두 여러 광물 상이 존재하는 자연산 퇴적물을 이용하여 분석을 진행하였기에 광물의 상 동정(phase identification)과 화학식 도출에서 검출한계 미만으로 소량인 경우 확인이 어려워진다. 하지만 퇴적물을 이루고 있는 주요한 상들에 대해서는 두 가지 데이터를 상호보완적으로 활용함므로서, 각 상의 존재 여부를 확정할 수 있다.

마리아나 해구 인근 WP21GPC04 해양 퇴적물의 깊이에 따른 XRD (Fig. 3) 및 XRF 자료 분석을 통해 퇴적물을 구성하고 있는 광물의 상 동정(phase identification)을 진행하였다. 채취한 해양 퇴적물에는 SiO₂, Fe₂O₃, Al₂O₃ 그리고 CaO가 가장 풍부하게 존재하며 이는 평균 해양 퇴적물 조성인 global subducting sediment (GLOSS)의 결과와 유사함을 확인할 수 있었다(Table 1). 시료 S1-S11에서 확인된 주요 구성 광물은 총 6가지로, 석영(quartz, SiO₂), 운모(mica, XY_2-3Z₄O₁₀(OH,F)₂), 사장석(plagioclase, (Na,Ca)Al(Si,Al)₂O₈), 녹니석(chlorite, (Mg,Fe²⁺,Fe³⁺,Al)₃(Al,Si)₄O₁₀(OH)₂-(Mg,Fe²⁺,Fe³⁺,Al)₃(OH)₆), 필립사이트(phillipsite, (Na,K,Ca)_1-2(Si,Al)₈O₁₆•16H₂O), 휼란다이트(heluandite, (K,Na,Ca)_2-3Al₃(Al,Si)₂Si₁₃O₃₆•12H₂O) 상들이 확인되었다. 이들 중에서 석영, 운모 그리고 사장석은 모든 시료에서 확인되었으나 녹니석은 상대적으로 얕은 깊이(S1-S4 시료)에서만 확인되었다. 제올라이트의 종류인 필립사이트와 휼란다이트는 각각 S1-S11, S8-S11 시료 군에서 관찰됨으로써 깊이에 따른 분포 패턴을 보여주었다(Fig. 4B). 한편 모든 깊이에서 확인된 암염은 해수의 증발 후 남은 성분으로 판단하여 해양 퇴적물의 주요 구성 광물로는 고려하지 않았다.

Figure 3. XRD patterns of the oceanic sediments samples S1-S11 at the WP21GPC04 site near Mariana Trench. Representative diffraction peaks of composing minerals are marked with downside triangles. Chl=chlorite, Hul=heulandite, Mca=mica, Php=phillipsite, Pl=plagioclase, Qz=quartz, Hl=halite.

Figure 4. (A) A plot showing depth-dependent chemical compositions of the oceanic sediments at the WP21GPC04 site near Mariana Trench (in oxide form). Chemical composition of global subducting sediment (GLOSS) is shown for comparison. (B) A plot showing depth-dependent mineral fractions (excluding halite) of the oceanic sediments at the WP21GPC04 site near Mariana Trench. Relative diffraction peak intensities were used to estimate respective mineral fractions using Chl=chlorite (14.14 Å), Hl=halite (2.82 Å), Hul=heulandite (8.99 Å), Mca=mica (4.49 Å, 10.02 Å), Php=phillipsite (7.13 Å), Pl=plagioclase (3.78 Å), Qz=quartz (3.35 Å).

Table 1

Average chemical composition (wt%) of the oceanic sediments at the WP21GPC04 site near Mariana Trench. Chemical composition of global subducting sediment (GLOSS) is shown in the right column for comparison.

	WP21GPC04	Mariana pelagic claya	GLOSSb
SiO2	53.91 (49.53-59.70)†	50.59	58.57
Al2O3	16.56 (15.03-18.32)	15.07	11.91
CaO	4.79 (2.67-9.27)	2.90	5.95
FeO	4.48 (2.96-7.27)	6.89	5.21
MgO	2.56 (2.13-2.92)	3.10	2.48
Na2O	3.52 (2.18-6.67)	3.35	2.43
K2O	5.48 (4.74-6.43)	3.77	2.04
TiO2	0.76 (0.51-0.95)	0.63	0.62
MnO	1.44 (0.69-2.74)	1.90	0.32
P2O5	2.47 (0.17-5.55)	1.44	0.19

^aPlank and Langmuir (1998), average of Ref. site 800 and 801..

^bPlank and Langmuir (1998).

^†Note that the values in parentheses indicate the range from minimum to maximum values..

해양 퇴적물을 구성하는 광물의 기원은 외부에서 풍화와 침식에 의해 형성되고 이동하여 퇴적된 경우와 퇴적 이후 속성작용(diagenesis)으로 생성된 경우로 나누어 볼 수 있다. 점토와 운모, 녹니석, 사장석은 대표적인 육성 기원 광물로서 외부에서 기인했을 가능성이 높다. 하지만 녹니석이 다른 육성 기원 광물과 다르게 얕은 깊이에서만 확인이 되는 이유는 녹니석이 풍화에 매우 약한 광물이고(Hillier, 1978), 마리아나 해구 근처 바다의 퇴적물이 쌓이는 속도는 약 10^-3-10^-4 cm/yr로(Restreppo et al., 2020) 약 100 cm의 퇴적물이 쌓이는데 최대 약 1 Ma의 시간을 필요로 하기 때문에 하부의 녹니석은 오랜 시간 동안 풍화되어 사라졌을 것이라 추측된다. 모든 깊이의 퇴적물에서 발견되는 석영은 생물 기원(biogenic) 오팔(opal-A)의 속성 작용(Kastner, 1999) 또는 육성 기원(Chunhui et al., 2020)으로 추정된다. 제올라이트의 경우 퇴적물의 상부에는 필립사이트가, 하부에는 휼란다이트가 확인되면서, 깊이에 따른 퇴적물의 공급과 변성 환경의 변화가 있었음을 유추해 볼 수 있게 한다. 태평양에 존재하는 퇴적물에서 흔히 발견되는 필립사이트는 일반적으로 화산 기원 퇴적층이 지표 근처의 환경(near-surface condition)에서 제올라이트화(zeolitized)를 통해 생성되고(Bernat et al., 1970; Gottardi & Galli, 1985; Sand and Mumpton, 1978; Vitali et al., 1995), 늦은 에오세(Eocene)에서 이른 올리고세(Oligocene) 사이의 층에서 많이 발견된다고 보고된 바 있다(Heath, 1969). 한편 휼란다이트는 일반적으로 규소가 보다 풍부한 응회암(tuff)의 매몰 속성 작용(burial diagenesis)에 의해서 약 84-91 ℃ 온도에서 생성되고(Hay, 1986; Kastner, 1999), 태평양 해저의 이른 제3기(Tertiary) 퇴적층에서 발견됨이 보고된 바 있다(Heath, 1969). 이러한 깊이에 따른 제올라이트의 분포를 근거로 과거의 퇴적물에는 오팔과 같은 규소가 풍부한 광물의 퇴적이 우세했다가 이후 화산 활동에 의한 퇴적 환경의 변화가 있었음을 짐작할 수 있다. 실제로 마리아나 해구 쪽으로 보다 가까운 곳에서 채취된 해양 퇴적물에서는 마리아나 열도(Mariana arc)에서 기원한 유리질 화산암(volcanic glass)이 발견된 사례가 있다(Balshaw, 1982).

Table 2

Refined unit cell parameters of the oceanic sediment minerals at the WP21GPC04 site near Mariana Trench. Previously reported cell parameters of corresponding minerals are shown in the caption for comparison.

Mineral	Spage Group	This	Cell parameters
			a (Å)	b (Å)	c (Å)	α (°)	β (°)	γ (°)	V (Å3)
Chl	C2/m	This	5.37(0)	9.26(9)	14.31(1)	-	97.0(1)	-	706.99(9)
Hl	Fm3m	This	5.64(2)	-	-	-	-	-	179.59(7)
Hul	C2/m	This	17.65(0)	17.91(9)	7.40(3)	-	116.0(4)	-	2103.67(4)
Mca	C2/m	This	5.21(8)	8.95(6)	10.20(8)	-	101.1(8)	-	467.99(1)
Php	B2mb	This	10.12(5)	14.24(6)	14.02(7)	-	-	-	2023.26(5)
Pl	C2/m	This	8.50(6)	12.82(6)	7.10(1)	-	115.9(8)	-	696.41(8)
Qz	P3121	This	4.91(5)	-	5.41(1)	-	-	-	113.20(2)

Chlorite (a=5.372(1) Å, b=9.291(2) Å, c=14.270(7) Å, β=97.34(3)°; Guggenheim and Zhan (1999)).

Hl=Halite (a=5.64(2) Å; Walker et al., (2004)).

Hul=Hulandite (a=17.671(1) Å, b=17.875(7) Å, c=7.412(3) Å, β=116.39(3)°; Gunter et al., (1994)).

Mca=Mica (a=5.20(8) Å, b=9.02(0) Å, c=10.16(6) Å, β=101(5)°; Drits et al., (2010)).

Php=Phillipsite (a=9.96(5) Å, b=14.25(2) Å, c=14.25(2) Å; Steinfink (1962)).

Pl=Plagioclase (a=8.3482(7) Å, b=12.9800(7) Å, c=7.1582(5) Å, β=116.109(5)°; Harlow (1982)).

Qz=Quartz (a=4.916(1) Å, c=5.4054(4) Å; Levien et al., (1980)).

Table 3

Depth-dependent chemical compositions of the oceanic sediments at the WP21GPC04 site near Mariana Trench (in oxide form).

	S1	S2	S3	S4	S5	S6	S7	S8	S9	S10	S11	Av.	GLOSS
SiO2	58.84	50.10	53.55	54.47	52.81	53.61	49.53	52.22	55.24	56.32	59.70	53.91	58.57
Al2O3	18.32	16.77	18.21	17.99	16.75	17.10	15.03	15.70	15.40	15.54	16.43	16.56	11.91
CaO	3.94	2.89	3.25	4.23	6.83	4.28	9.27	2.67	6.30	5.43	3.86	4.79	5.95
FeO	4.24	6.15	7.27	4.97	4.17	5.14	4.06	3.34	3.41	2.96	3.87	4.48	5.21
MgO	2.92	2.35	2.34	2.34	2.13	2.88	2.80	2.67	2.33	2.77	2.75	2.56	2.48
Na2O	2.18	6.67	3.73	3.80	4.43	2.91	2.72	3.48	2.66	3.64	2.67	3.52	2.43
K2O	4.86	4.74	5.19	5.76	5.03	5.70	5.24	5.92	6.43	5.83	5.96	5.48	2.04
TiO2	0.92	0.95	1.09	0.93	0.78	0.78	0.68	0.59	0.57	0.51	0.63	0.76	0.62
MnO	0.69	1.51	1.70	1.36	1.13	2.74	1.77	1.75	1.35	1.04	0.90	1.44	0.32
P2O5	-	-	-	-	2.20	1.22	5.55	3.01	2.71	2.51	0.17	2.47	0.19
others	3.09	7.87	3.69	4.15	3.75	3.65	3.37	4.87	3.60	3.45	3.05	4.03	10.3

- under the detection limit (ranging from ~50 μg/g for heavy elements such as Fe to ~ 10,000 μg/g for light elements such as Na, as compiled in Haschke & Boehm, 2017)..

구성 광물의 깊이에 따른 상대적인 함량 변화를 추정하기 위해, 각 광물의 가장 강한 회절선(diffraction peak)의 강도(intensity)를 비교하였다. 각 광물별로 선택된 회절선은 d₁₀₁ = 3.35 Å(석영), d₀₂₀ = 4.49 Å(운모), d₁₁₁ = 3.78 Å(사장석), d₀₀₁ = 14.14 Å(녹니석), d₀₂₀ = 7.13 Å(필립사이트), d₀₂₀ = 8.99 Å(휼란다이트)이다. 운모의 경우 가장 강한 회절선인 d₀₂₀ = 4.49 Å와 더불어 층간의 간격을 대표하는 특징적인 회절선인 d₀₀₁ = 10.02 Å를 합산하여 비교하였다(Fig. 4B). 모든 퇴적물 시료에서 가장 두드러지게 나타나는 석영은 깊이에 따라 최대 71%에서 최소 33%까지의 분포함을 보이고, 운모와 사장석은 각각 16~26%와 4~10% 사이의 함량을 가지며 모든 깊이에서 확인되었다. 필립사이트는 S5에서 최대치인 45%, 휼란다이트는 S10에서 최대치인 26%의 함량을 보임을 확인할 수 있었다. 이러한 제올라이트 상의 깊이에 따른 점진적인 함량 변화는 위에서 언급한 바와 같이 깊이에 따른 퇴적물의 공급과 변성 환경의 변화가 있었음을 지시하거나, 서로 유사한 상 안정성을 근거로 pH가 높은 규산질의 알칼리성 공극수에 의해서 함께 생성되어 공생관계를 보이는 것으로도 추정할 수 있다 (de Pablo et al., 2014).

본 연구에서는 2021년 이사부호 탐사를 통해 마리아나 해구에 인접한 서태평양 심해평원의 정점 WP21GPC04에서 수집된 해양 퇴적물의 원소 분포 및 광물 상 분석을 수행하였으며, 주요 결과는 다음과 같다.

1) 서태평양 심해평원에서 산출된 해양 퇴적물의 평균 화학 조성은 SiO₂ 53.91 wt%, FeO 4.48 wt%, Al₂O₃ 16.56 wt%, MgO 2.56 wt%, CaO 4.79 wt%, Na₂O 3.52 wt%, K₂O 5.48 wt%로 나타났다. 이는 Plank and Langmuir (1998)에서 보고된 Mariana Pelagic clay의 성분과 유사함을 확인할 수 있다. 한편 평균 해양 퇴적물의 원소 분포로 알려진 GLOSS (Plank and Langmuir (1998))의 주요한 구성 성분 중 Al₂O₃와 K₂O에서 차이가 확인되는 것으로 보아 서태평양 심해평원에서 산출된 해양 퇴적물의 경우 주요 구성 광물인 사장석, 필립사이트, 휼란다이트 등이 퇴적물 전체 성분 분포에 영향을 끼쳤으리라 유추할 수 있다.

2) 서태평양 심해평원에서 산출된 해양 퇴적물의 광물상 구성은 석영, 운모, 사장석, 녹니석, 필립사이트, 휼란다이트로 확인되었고, 이 중 제올라이트 계열의 두 광물은 깊이에 따라 순차적으로 분포함을 확인하였다. 이는 퇴적 환경의 변화나 유사한 상 안정성에 의한 공생관계로 해석된다.

본 연구 결과는 마리아나 해구 인근 퇴적물의 구성과 연관된 자원이나 해저 환경, 섭입대 광물물리 연구 등 다양한 연구들에 기초 자료로 제공할 것으로 기대된다.

본 연구는 한국연구재단 리더연구자 사업(2018R1A3B1052052)의 지원으로 수행되었다. 방사광가속기를 이용한 실험은 포항가속기연구소의 빔타임 지원으로 수행되었다.