| 심해 탐사의 보물단지 라만분광 탐침, 최초로 해저 노출 가스하이드레이트 발견 | ||
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 최근, 중국 차세대 원양 종합 과학탐사선 "커쉐(科学)"호는 중국 자체로 개발한 라만분광 탐침으로 남중국해에서 해저에 노출된 "불타는 얼음"을 최초로 발견하였다. 해당 삽입형 심해 원위치 라만분광 탐침 시스템(Ramaninsertion Probe, RiP)은 주로 수중 메인 내압실과 맞춤형 탐침으로 구성되었는데 이 또한 중국 최초이다. 기존의 심해 극한 환경 탐사는 대부분 먼저 샘플을 채취한 다음 실험실로 옮겨 분석하는 방법으로 진행되었다. 그런데 채취 샘플의 일부 특정 성분(메탄, 황화수소 등)은 온도와 압력 조건이 변함에 따라 휘발되거나 분해된다. 더 심각한 문제는 보압 샘플링 방법으로 채취한 샘플일지라도 그 성분은 원위치 실제 농도와 큰 차이가 존재한다는 점이다. 상기 문제는 RiP 시스템으로 해결 가능하다. RiP 시스템은 맞춤형 탐침 교체를 통해 심해 냉수공, 열수공, 퇴적물 등 극한 지역의 유체, 공극수, 가스하이드레이트 등 목표물 성분 구성을 원위치에서 획득할 수 있는 최대 장점을 보유하고 있다. 일종의 분자 스펙트럼인 라만 스펙트럼은 분자 진동, 회전에너지준위(rotational energy level)를 구현하기에 "분자 지문 스펙트럼"으로도 불린다. 입사 레이저를 목표물에 비추면 라만 활성을 보유한 샘플 분자는 입사 레이저와 에너지 전이를 발생한다. 그리고 라만 스펙트럼 신호를 방출한다. 이렇게 방출된 라만 신호를 통해 샘플 분자의 분자 구조, 진동 패턴 등 정보를 분석할 수 있다. RiP 시스템은 라만 분광 기술에 기반한 원위치 탐측 시스템이다. RiP 시스템을 실험실에서 구축한 정량적 분석 방법과 결합시켜 목표물 성분 구성뿐만 아니라 심해 극한 지역 탐사 목표물의 원위치 농도도 획득할 수 있다. RiP 시스템은 중국 차세대 원양 종합 과학탐사선 "커쉐"호에 탑재한 "파셴(發現)"호－케이블 원격조종 무인잠수정에 장착되어 20여 차례 탐사 임무를 수행하면서 수백 폭의 원위치 라만 스펙트럼을 획득하였다. 구체적 성과는 다음과 같다. 1) 최초로 고온 열수공 유체 성분 원위치 탐측 일정 지질구조 조건에서 지층 깊은 곳의 물질은 가열된 해수에 의해 열수공 주변으로 분출된다. 그 중 황화물이 분출구 부근에 쌓여 검은 굴뚝을 형성하는데 주변 온도는 약 300℃ 또는 이상에 도달한다. 열수공 지역은 고온, 고압, 고부식성 극한 환경으로서 분출구 유체에 대한 원위치 탐측이 어렵다. 2015년에 있은 남중국해 냉수공－마누스 열수 종합 탐사에서 열수 탐침(Ramaninsertion Probe for Hydrothermal vent, RiP-Hv)을 장착한 RiP 시스템으로 다양한 온도의 열수공 유체 성분을 원위치 탐측하였다. RiP 시스템은 이번 탐사에서 세계 최초로 279℃ 열수공 원위치 스펙트럼을 획득하였다. 획득한 데이터에 대한 후속 분석을 통해 열수공 유체의 원위치 성분과 농도뿐만 아니라 분출구 지역의 원위치 pH값도 알아낼 수 있다. 이러한 데이터는 열수 시스템의 변화, 물질－에너지 교환 및 주변 환경과의 상호 영향을 연구하는데 중요한 원위치 데이터를 지원하였다. 2) 남중국해 냉수공 유체 원위치 탐측 및 분석 대륙사면 지역에서 열기원성 또는 생물기원성 알케인계 가스가 저층 퇴적물로부터 위로 누출되면서 냉수공을 형성한다. 이러한 누출 활동에 의해 해수에 배출된 알케인계 가스와 황화수소 가스는 화학합성 세균에 탄소원과 에너지원을 제공한다. 따라서 냉수공 부근에는 특정 화학합성 생태계가 형성된다. 2015년, 2016년, 2017년에 있은 "커쉐"호 남중국해 냉수공 종합 탐사에서 냉수공 탐침(Ramaninsertion Probe for Cold seep, RiP-Cs)을 장착한 RiP 시스템으로 냉수공 유체 및 부근 생물군락 하층수에 대한 원위치 탐측을 수행하였다. 데이터 분석을 통해 냉수공 유체의 주요 화학성분을 획득함과 아울러 최초로 생물군락 하층수에서 단일원소로 존재하는 황을 발견하였다. 3) 심해 퇴적물 AOM 반응 원위치 탐측 심해 퇴적물 내부에서는 산소부족으로 인한 독특한 생물지구화학 반응이 발생한다. 그 중 가장 유명한 반응이 혐기성 메탄 산화 반응(Anaerobic Oxidation of Methane, AOM)이다. 해당 반응은 황산염 환원반응과의 연계를 형성하고 나아가 탄소순환과 황순환을 관련시킨다. 지난 몇년간 남중국해 냉수공 부근 퇴적물 탐사에서 퇴적물 탐침(Ramaninsertion Probe for Pore water, RiP-Pw)을 장착한 RiP 시스템을 사용하여 다양한 깊이의 퇴적물 공극수 원위치 라만 스펙트럼을 획득하였다. 분석 결과, 생화학 반응 표지물로 이용 가능한 황산염기와 메탄의 농도는 깊이에 따른 규칙적 변화를 나타냈다. 이러한 결과는 퇴적물 내부 복잡계 생화학반응을 규명하는데 현장 자료를 제공하였다. 4) 냉수공 부근에 노출된 가스하이드레이트 발견 보다 활동적인 냉수공 부근의 저층 퇴적물 또는 자생적 탄산염 간극에 가스하이드레이트가 존재할 가능성이 있다. 지난번의 남중국해 냉수공 부근 탐사에서 가스하이드레이트 탐침(Raman insertion Probe for Gas hydrate, RiP-Gh)을 장착한 RiP시스템을 사용하여 중국 해역에서 최초로 표층에 노출된 가스하이드레이트를 발견하였다. 연구팀은 해당 탐침으로 획득한 원위치 라만 스펙트럼을 통해 가스하이드레이트 성분, 수화물 유형 등 물리적 파라미터를 분석하였다. 이는 가스하이드레이트 형성·분해 메커니즘 연구에 중요한 참고적 가치가 있다. Rip 시스템은 심해 극한 환경 원위치 탐사에서 열수, 냉수 지역의 환경 변화 연구에 중요한 원위치 데이터를 지원할 뿐만 아니라 심해 극한 환경 생물군락의 생존 메커니즘 연구에 보조적 증거를 제공할 수 있다. 향후 Rip 시스템이 일상적 임무 수행에 돌입하게 되면 더 많은 심해 극한 환경 비밀이 밝혀질 것으로 전망된다. 정보출처 : http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/10/390699.shtm |
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