탄산염의 변동(carbonate fluctuation)

탄산염의 변동(carbonate fluctuation)

고(古) 수심 재현

산을 덮고 계곡에 녹아 있는 눈과 같이 탄산칼슘은 해수면 보다 위 지역을 덮고 상당한 깊이에서 용해된다. 눈의 하부 경계(snow line)는 carbonate line 또는 CCD(carbonate compensation depth)와 비슷하다. CCD 위치는 시간에 따라 변화한다. CCD가 어떻게 확실히 변동했는가? 해양의 생산력과 변화는 화학특성의 변화에 관해서 무엇이 우리에게 말해 줄 수 있는가?

 

CCD변동을 재현하기 전에 해저의 침강(subsidence of sea floor)과 중앙해령 측면 아래를 설명하지 않으면 안 된다. 퇴적깊이를 발견하기 위해 일반화된 침강 곡선을 사용한다. 먼저, 침강곡선에서 주어진 심해기록의 기반연령(basement age)에 상응하는 점을 확인한다. 그래서 역으로 따라 올라가 퇴적 깊이를 결정하고 저하는 퇴적물의 연령에 사용하는 거리를 확인한다. 퇴적시간에 대해서 현재 수심의 차이로서 깊이를 추측한다. 이 추측을 상세히 논하기 위해서 고대로부터 퇴적된 퇴적물의 두께의 절반을 공제하였다. 이것은 해저의 형성과 지각 침강(isostatic subsidence)을 설명하는 것이다. CCD 변동을 재현하기 위해 back tracking'이라는 방법이 있다. 시간 깊이 도면에는 각기 시추위치는 침강곡선으로 나타날 것이다. 그 위에 퇴적상과 비율이 표시될 수 있다. 

 

챌린저 탐사의 시추공 Leg 3과 Leg 14, 심해저 기저면 (basement)의 상부에 탄산염이 나타낸다. Clay는 110m~100m 사이에서 나타난다. 그리고 다시 탄산염이 나타난다. CCD는 두 번 교차된 것이다. 그 위치가 Age-depth-facies 도면으로 도식화된 시기와 장소를 알 수 있다(3.3 ~ 3.5km 부근), 이 같은 충분한 흔적과 함께, 도면은 완성될 수 있고 도식화될 수 있다.

 

대서양과 태평양 CCD

CCD의 재현은 어떤 연령에 대한 자료를 취했느냐, 어떤 가정을 했느냐에 따라서 어느 정도 달라진다. 어떻든 CCD는 후 에오세에 높고, 가장초기 올리고세에 떨어지고, 10~15년 전 사이에 최고로 도달했을 때인 마이오세 (Miocene)에 상승했다. 그리고 4.3km주변, 현재 깊이까지 하강하였다. 태평양, 대서양의 CCD 변동에 전반적인 유사성이 있다. 대양의 화학적 기후는 전반적 기준으로 변화하고 있다는 표시이다. 전반적으로 에오세와 마이오세 (Eocene and Miocene)는 올리고세와 플라이오 플라이스토세보다 낮은 CCD를 갖는다. 산소 동위 원소 변화에 따른 해수면의 변화에 따른 이 같은 양상의 고위도로 특징 지워지며, 낮은 해수면 기간은 깊은 CCD와 차가운 고위도로 특징 지워진다.

CCD 변동 원인

이미 언급한바 대로 고기후와 해수면 관계에서 해침(transgression)은 낮은 Albedo와 온난화, 해퇴(regression)는 고 알베도와 냉각과 일치한다. 왜 상대적으로 온난한 대양이 한랭한 대양 보다 낮은 CCD를 갖게 되는가? 온난한 물보다 탄산염 보존에 덜 유리한 것이 냉수가 아닌지? 이런 역설은 한가지 요소만 택하는 궤변을 보여준다. 모든 변수가 일정할 때 온도(TT)와 같은 한 변수의 변화가 系(system)에 작용하는 것을 예측할 수 있다. 요소들은 일정하기 드물다. 가장 가까운 요인이란 한가지 요소의 변화가 매우 빠를 때 생기는 상황이고 다른 요인들은 새로운 상태에 다다를 시간이 없게될 때 생긴다. 분지 대륙붕 분별작용(basin-shelf fractionation) 개념이 CCD 변동에 해수면을 연결하는 단순한 가설이다. 천해인 대륙붕은 탄산염이 쌓이기에 좋은 지역이다. 왜냐하면 용해도(solubility)와 압력 사이의 상호관계 때문이다. 범람한 대륙붕은 탄산염 trap이 되고 대양으로부터 탄산칼슘을 제거한다(심해저가 고갈되게 하기 위해서). 반대로 고갈된 대륙붕에 탄산염을 심해에 공급한다. 여기에도 문제가 있다. 만약 이 가설이 실제로 CCD 변동을 설명하기에 충분하다면, 깊은 CCD는 심해에서 보다 더 탄산염이 감소해야 한다. 이 점이 이 가설의 허점이다. 불행하게도 퇴적 비율은 CCD가 감소됐을 때인 올리고세 모든 시기에 낮았다. mass balance 즉, 분지와 대륙붕(shelves) 사이에 탄산염의 주고받는 이동이 CCD변동을 좌우할 수 없다. mass balance 가설은 충분치 못하고 심해저 분지 내에서 탄산염의 내부 주기 (internal cycling) 에 기반을 둔 논쟁에 도달한다.

대양의 생물학적 생산성은 탄산염 침전에 따른다는 것을 상기해야 한다. 용해(solution)로부터 고형물질(solids)의 제거는 포화 상태를 낮게 한다. 고생산력은 현재 CCD와 함께 미(未)포화 해양을 초래한다. 이 모델에서 생산력 변동(productivity fluctuation)으로서 CCD 변동을 간주할 수 있다(에 오세와 마이오세엔 높고 올리고세에는 낮은 비옥도(fertility)로 생산력이 올리고세에 낮았다는 다른 독립적인 증거이다. CCD 변동은 심해저에서 침식 (erosion)의 역사와 밀접하게 연관되어 있다. 탄산염 자체의 용해가 물론 침식의 한 형태이다.

 

퇴적율(sedimentation rates)과 'hiatus'의 결합은 이 두 가지 층서적 변수들이 시간을 통해 상당히 변동했음을 보여준다. 이들 변동들과 CCD의 변동사이의 관계는 아직 애매하다. 한가지는 hiatus' 곡선과 퇴적률 곡선은 인공적인 요인이라는 것이다. 실례로 제 3紀를 통해서 높은 비율로의 경향보다 낮은 hiatus' 오래된 퇴적물이 낮은 퇴적률 지역에서 우선 도착되었다는 사실로 단순히 기대된다. 역시 'hiatus'는 재생이 어려울 때 시추하는 동안 형성될지도 모른다. 실례로 이는 에오세의 chert가 풍부한 퇴적물에서 나타난다.