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Carbon release from Chatham Rise pockmarks may have been climatically relevant during the last deglaciation

이 연구는 2차원 수리역학 모델을 사용하여 마지막 빙하기 해퇴기 동안 채덤 라이즈(Chatham Rise) 포크마크로부터의 급격한 유체 방출이 연간 약 2페타그램의 이산화탄소를 배출했을 수 있음을 입증하며, 이는 팔레오세-에오세 최고온기보다 현저히 높은 비율로 이러한 지질학적 탄소 방출가 탈빙기 대기 중 이산화탄소 추세의 주요하고도 이전에는 과소평가되었던 동력이었음을 시사한다.

원저자: Katrina Magno, Jess Hillman, Ludovic Räss, Lowell Stott, Jenny Suckale

게시일 2026-08-20

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CC BY 4.0

원저자: Katrina Magno, Jess Hillman, Ludovic Räss, Lowell Stott, Jenny Suckale

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

해저 깊은 곳, 고대의 탄소가 암석과 퇴적층 속에 거대한 저장고를 이루며 갇혀 있습니다. 수십 년 동안 과학자들은 지구의 기후가 대기 중 이산화탄소의 양과 밀접하게 연결되어 있다는 사실을 알고 있었지만, 이 탄소가 심해의 지구와 공기 사이를 이동하는 정확한 메커니즘은 다소 미스터리로 남아 있었습니다. 핵심적인 질문 중 하나는, 특히 지구가 온난화되고 빙하가 녹는 시기에 이 지질학적 탄소가 얼마나 빠르고 얼마나 많은 양으로 지표로 탈출할 수 있는가 하는 점이었습니다. 엄청난 양의 얼음이 녹을 때, 해저를 누르는 무게가 변하게 되며, 이러한 변화는 지하 깊은 곳에서 유체의 방출을 유발할 수 있습니다. 만약 이 유체들이 이산화탄소를 운반한다면, 이는 지구 온난화를 가속화하여 온난화가 더 많은 탄소 방출을 낳고, 이것이 다시 더 많은 온난화를 초래하는 피드백 루프를 만들 수 있습니다. 이러한 숨겨진 가스의 맥동을 이해하는 것은 과거의 기후를 재구성하고 미래의 지구 시스템의 행동을 예측하는 데 매우 중요합니다.

뉴질랜드 해안 근처, 채텀 라이즈(Chatham Rise)라고 불리는 해저 고원은 이 과정에 대한 거대하고 침묵하는 단서를 간직하고 있습니다. 그곳의 해저에는 아래로부터의 유체 방출로 형성된 45,000개 이상의 분화구 모양의 함몰 지형이 점점이 박혀 있습니다. 세계 다른 지역에서 발견되는 유사한 분화구들은 흔히 녹아내리는 얼음으로부터의 메탄 가스 방출과 연관되지만, 채담 라이즈는 빙하에 덮인 적이 없으며 그 분화구들에는 메탄이 들어있지 않습니다. 대신, 화학적 증거는 이 분화구들이 지구 지각 깊은 곳의 석회암 암석 속에 수백만 년 동안 갇혀 있던 고대 이산화탄소의 배출구임을 시사합니다. 이 분화구들이 나타난 시기는 지구가 빙하기에서 벗어나던 마지막 시기, 즉 붕괴기(deglaciation)를 직접적으로 가리킵니다. 이는 해수면의 급격한 상승이 마치 스위치처럼 작용하여, 깊은 곳의 탄소 저장고를 열고 이를 해양과 대기로 펌프질해 올렸을 가능성을 제기합니다.

이 가설을 검증하기 위해 연구팀은 채텀 라이즈 아래의 해저를 모사한 컴퓨터 시뮬레이션을 구축했습니다. 그들은 깊은 탄소 저장고와 해저 사이에 놓인 두꺼운 점토질 퇴적층에 집중했습니다. 해수면이 안정적인 평상시에는 유체가 스펀지를 통과하는 물처럼 퇴적물을 통해 느리고 균일하게 이동합니다. 그러나 연구진은 마지막 빙하기 동안처럼 해수면이 빠르게 상승할 때 어떤 일이 일어나는지를 모델링했습니다. 그들의 모델은 급격한 수량 증가가 점토 퇴적물을 충분히 배수될 수 없는 상태로 몰아넣는다는 것을 보여주었습니다. 이 압력은 쌓여서 유체가 부드럽게 스며 나오는 대신, 좁고 강력한 통로를 통해 저항이 가장 적은 경로를 찾아 돌파하도록 강제합니다. 이 통로들은 결국 표면에 도달하여 오늘날 해저에서 보이는 분화구들을 만들어냅니다.

시뮬레이션 결과, 일단 이러한 통로가 형성되면 유체는 빙하기 사이의 느리고 꾸준한 침출보다 약 천 배 더 빠른 속도로 이동한다는 것이 밝혀졌습니다. 연구진은 이 모델을 상세히 지도화된 476개의 작은 분화구에 적용하여, 이 활동의 첫 번째 파동 동안 방출될 수 있었던 유체의 양을 추정했습니다. 그들은 이 경로를 통해 이동하는 유체의 부피가 연간 약 1,800 입방킬로미터라고 계산했습니다. 기후에 미치는 영향을 파악하기 위해 연구팀은 이 유체 부피를 이산화탄스의 질량으로 변환했습니다. 유체가 이산화탄소를 아주 적은 비율로만 포함하고 있으며 기체 상태라는 가장 보수적인 가정을 사용하더라도, 그 결과는 경이로웠습니다. 방출률은 연간 약 2 페타그램의 이산화탄소에 달했습니다.

이 수치는 지구 역사의 맥락에서 볼 때 매우 유의미합니다. 연구진은 자신들의 발견을 대규모 멸종과 전 지구적 온도 급상승을 초래했던 유명한 고대 온난화 사건인 팔레오세-에오세 최고온기(Paleocene-Eocene Thermal Maximum)의 시작과 비교했습니다. 그들의 추정치는 채텀 라이즈의 함몰 지형에서 발생하는 탄소 방출량이 고대 대재앙의 시작 시점에 추정되는 탄소 방출 속도보다 약 4배나 더 빨랐음을 시사합니다. 이 연구는 특정 분화구 집단에 초점을 맞추었으며 직접적인 측정 대신 시뮬레이션을 사용했지만, 결과는 채텀 라이즈와 같은 영역에서의 지질학적 탄소 방출이 지난 붕괴기 동안 기후 변화의 주요하면서도 이전에 간과되었던 동력이었을 수 있음을 시사합니다. 이 연구는 지구의 깊은 탄소 순환이 표면의 변화에 빠르게 반응할 수 있으며, 잠재적으로 과거의 기후를 형성하는 데 도움을 주었을 수 있는 거대한 온실가스 맥동을 전달할 수 있음을 보여줍니다.

기술 요약: 채텀 상승부(Chatham Rise)의 포크마크(Pockmark)로부터의 탄소 방출

문제 제기
후기 플라이스토세 빙하 해퇴기 동안 대륙 사면에서 발생한 지질학적 탄소의 급격한 방출이 대기 중 $\text{CO}_2$ 추세에 기여했을 것이라는 가설이 존재하지만, 개별 방출 사건의 기후적 관련성은 아직 정량화되지 않았다. 과거 빙하가 덮였던 사면(예: 바렌츠해, 북해)의 포크마크 필드는 빙하 후퇴에 따른 가스 하이드레이트 해리로 인한 메탄 방출과 연관되어 있는 반면, 뉴질랜드 인근의 채텀 상승부는 이와 구별되는 메커니즘을 나타낸다. 빙하의 영향을 받지 않은 이 지역은 45,000개 이상의 포크마크를 보유하고 있다. 지구화학적 증거에 따르면, 이 지형들은 얕은 층의 메탄에 의해 구동되는 것이 아니라 히쿠리 히 플래토(Hikurangi Plateau)의 섭입된 중생대 석회암에서 유래한 깊고 오래된 탄소에 의해 구동된다. 본 연구가 다루는 핵심 문제는 해수면 상승기 동안 이러한 깊은 경로를 통한 분산된 유출에서 국지적인 유체 방출로의 전이가 전 지구적 탄소 순환에 영향을 미칠 만큼 유의미한 $\text{CO}_2$ 플럭스를 생성할 수 있는지 여부이다.

방법론
저자들은 채텀 상승부 아래의 점토질 퇴적층을 통한 유체 이동을 시뮬레이션하기 위해 2D 수리역학 모델을 사용한다. 이 모델은 해양 하부 구조를 탄소가 풍부한 유체와 퇴적암이라는 두 개의 비압축성 상(phase)의 혼합물로 취급하며, 질량 및 운동량 보존을 위한 평균화된 방정식을 해결한다.

주요 방법론적 구성 요소는 다음과 같다:

체제 비교: 연구는 준정상 상태(quasi-steady)의 완전 배수 체제(간빙기를 나타냄)와 급격한 표면 하중(해수면 상승)에 의해 구동되는 불평형의 부분 미배수(partly undrained) 체제를 대조한다.
매개변수화: 퇴적물 특성은 히쿠리 히 사면의 IODP Expedition 372/375 데이터를 바탕으로 제한되며, 이는 실트질 점토로서 투과율은 $3.0 \times 10^{-17}$ 에서 $6.0 \times 10^{-14} \text{ m}^2$ 사이이다. 모델은 압축과 감압 사이의 비대칭성을 포착하기 위해 공극도 의존적 투과율 관계( $k_\phi = k_0 (\phi/\phi_0)^{n_k}$ )와 다공성 점성(poroviscous) 변형을 활용한다.
시뮬레이션 설정: 저자들은 초기 투과율( $k_0$ ) 값을 $5 \times 10^{-16}$ 에서 $5 \times 10^{-15} \text{ m}^2$ 사이에서 테스트하며, 관측된 포크마크 크기에 가장 잘 부합하는 값으로 $5 \times 10^{-15} \text{ m}^2$ 를 선택하였다. 시뮬레이션은 퇴적물 매트릭스가 미배수 상태로 전이됨에 따라 발생하는 국지적 유체 경로(포크마크)의 출현을 추적한다.
플럭스 추정: 유체 체적 플럭스는 해저면을 따라 수직 플럭스의 정점을 식별하여 이를 2D 가우시안 곡면으로 근사하고, 면적과 정점 플럭스의 곱을 적분함으로써 계산한다. 분석은 국지적 경로의 시작부터 총 수직 플럭스의 첫 번째 국소 최솟값에 도달할 때까지의 구간인 "첫 번째 파동(first wave)"에 집중한다.
탄소 전환: $\text{CO}_2$ 질량 플럭스를 추정하기 위해 저자들은 보수적인 경계값을 적용한다: $\text{CO}_2$ 체적 분율 1~5% (염수 내 용해도 한계에 근거)와 포크마크의 수심(250–700 m)에 해당하는 두 가지 상 밀도(가스 및 액체)를 적용한다.

주요 결과

국지화 메커니즘: 모델은 급격한 해수면 상승이 퇴적물 매트릭스를 부분 미배수 및 점성 변형 상태로 몰아넣음을 보여준다. 이는 흐름의 국지화를 유발하며, 여기서 발생하는 경로 내 수직 플럭스는 준정상 체제의 분산된 배경 플럭스보다 약 3 자릿수( $\sim 10^3$ ) 더 높게 나타난다.
유체 체적 플럭스: 채텀 상승부에 매핑된 476개의 소형 포크마크(<1.45 $\text{km}^2$ )에 대해, 국지적 방출의 첫 번째 파동 동안의 통합 유체 체적 플럭스는 약 $1.8 \times 10^3 \text{ km}^3/\text{yr}$ 로 추정된다.
$\text{CO}_2$ 질량 플럭스: 가장 보수적인 가정(기체 형태의 $\text{CO}_2$ 체적 분율 1%) 하에서도, 추정된 방출률은 약 2 페타그램(Pg) $\text{CO}_2/\text{yr}$ 이다.
규모 비교: 이 하한치 추정치는 팔레오세-에오세 최대 온난기(PETM)의 시작 시점에 추정된 중간 $\text{CO}_2$ 방출률(0.6 Pg/yr)보다 약 4배 더 크다.

의의 및 주장
본 논문은 지질학적 탄소 방출이 포크마크 필드로부터 발생하는 현상이 이전에 과소평가되었던 탈빙기 탄소 순환의 구성 요소일 수 있다고 주장한다. 저자들은 제안된 메커니즘(급격한 하중을 통해 점토질 퇴적물을 통과하여 깊은 곳의 고대 지질 탄소 저장고를 이용하는 방식)이 빙하 사면에서 관찰되는 얕은 메탄 방출 메커니즘과는 근본적으로 다르다고 주장한다.

연구의 의의는 추정된 플럭스의 규모에 있다. 저자들은 약 2 Pg $\text{CO}_2/\text{yr}$ 의 방출률이 해양 탄소 순환 반응(남태평양 중간층 해수의 경우 수십 년에서 수 세기)에 비해 상대적으로 짧은 기간 동안 지속될 경우 기후적으로 유의미하다고 기술한다. 그들은 전 세계의 점토질 대륙 사면에서도 유사한 펄스(pulse)가 발생하여 빙하 코어에 기록된 "톱날 모양"의 탄소 순환 변동에 기여할 수 있음을 시사하지만, 이를 전 지구적으로 정량화하기 위해서는 현재 결여된 현장 특정적 증거가 필요함을 강조한다. 이 연구는 열역학이나 지구화학을 직접 모델링했다고 주장하는 것이 아니라, 이러한 깊은 탄소 방출 사건의 잠재적 규모를 추정하기 위한 수리역학적 틀을 제공하는 것이다.

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