[맨틀.. 수억년 전 과거 간직한 암석층, '꿈의 배'가 탐사한다] ....

[맨틀.. 수억년 전 과거 간직한 암석층, '꿈의 배'가 탐사한다]

[‘탄소포집·저장’ 실증센터]

[美와 우주 전쟁 중인 中, 1만1100m 위구르 땅 팠다 왜?]

 

 

 

맨틀.. 수억년 전 과거 간직한 암석층, '꿈의 배'가 탐사한다

 

우리는 지구와 멀리 떨어진 화성으로 우주 탐사선을 쏘아 올리는 등 태양계 끝자락 행성들의 비밀을 밝혀내는 시대에 살고 있어요. 그런데 정작 우리가 매일 밟고 살아가는 지구의 속은 얼마나 알고 있을까요. 놀랍게도 거의 아는 게 없습니다. 반지름이 6400㎞에 달하는 지구의 가장 겉부분인 ‘지각’을 끝까지 파서 내려간 적도 없습니다. 지구를 삶은 달걀에 비유하자면 껍데기도 못 벗긴 셈이죠.

 

이 껍데기 바로 밑에는 거대한 흰자에 해당하는 ‘맨틀’이 있어요. 미지의 세계죠. 만약 이 부분에 도달한다면 지구의 비밀을 푸는 데 한층 더 가까워질 것으로 보입니다. 인류가 이 베일을 벗기기 위한 여정에 나섭니다. 바다 밑바닥에 구멍을 뚫는 특수한 배, 시추선 ‘멍샹호’가 그 주인공이랍니다.

 

지구 부피의 84% 차지하는 맨틀

 

지구는 겉에서부터 지각, 맨틀, 외핵, 내핵 순으로 이뤄져 있어요. 인류는 지구의 내부를 들여다본 적은 없지만, 지진에 의한 파동인 지진파를 정밀하게 분석해 지구가 네 부분으로 나뉜다는 사실을 알아냈습니다. 먼저 지각은 우리가 발을 디디고 사는 단단한 지구 표면이에요. 두께는 30~70㎞입니다. 지각 아래부터 지하 2900㎞까지는 거대한 암석층인 맨틀이 펼쳐져 있지요. 지구 전체 부피의 약 84%를 차지한답니다. 맨틀 아래부터 약 5100㎞ 지점까지는 액체 상태의 외핵이, 거기서부터 지구의 중심인 6400㎞ 지점까지는 고체 상태의 내핵이 각각 있답니다. 핵은 지구의 심장부라고 할 수 있어요.

 

맨틀은 아주 뜨겁답니다. 온도가 섭씨 1000도를 넘고, 외핵 근처로 가면 4000도까지 치솟죠. 이 열기 때문에 단단한 바위가 치즈처럼 말랑하게 녹아 아주 천천히 움직이고 있어요. 주전자 속 끓는 물이 빙글빙글 위아래로 대류 운동(뜨거운 것이 올라가고 차가운 것이 아래로 내려오는 현상)을 하듯, 맨틀도 특정 지역에서 위로 솟구치고 다른 지역에선 아래로 가라앉는 현상을 반복하고 있습니다. 

 

지구 초창기 모습 간직한 역사책

 

맨틀을 들여다볼 수 있다면 지구과학 연구 수준은 크게 성장할 거예요. 먼저 지진과 화산 현상을 더욱 정밀히 분석하게 됩니다. 지구 표면은 ‘판’이라는 여러 조각으로 쪼개져 있는데, 이 판들은 제자리에 가만히 있지 않고 아주 미세하게 움직입니다. 판이 이동하는 건 맨틀의 대류 운동 때문이에요. 맨틀의 흐름에 맞춰 판도 서서히 자리를 옮기는 거죠. 그러다 서로 다른 판끼리 부딪치거나 엇갈리면, 한쪽 판이 다른 판 밑으로 밀려 들어가고 지각과 맨틀 윗부분의 암석층이 휘어지거나 압축돼요. 그리고 어느 시점에 이르러 암석층이 더 이상 버티지 못하는 순간, 지각이 ‘퍽’ 하고 갈라지며 흔들리게 됩니다. 이것이 바로 지진이에요. 화산도 마찬가지입니다. 판들이 부딪칠 때 생기는 뜨거운 마찰열로 바위가 녹아 마그마가 되고, 이 마그마가 쌓였다가 땅 위로 치솟는 게 화산 폭발이랍니다. 즉, 인류에게 위협적인 자연재해인 지진, 화산의 배경에는 맨틀의 대류 운동이 있습니다. 그래서 인류가 맨틀의 성분과 구조를 직접 확인한다면 지진과 화산이 언제 어떻게 일어날지 훨씬 정확하게 예측할 수 있지요.

 

아울러 맨틀은 지구 태초의 모습을 간직한 ‘역사책’이기도 합니다. 지표면의 돌들은 수억 년 동안 비바람에 깎이고 변했지만, 맨틀 속 물질은 지구가 처음 태어났을 때의 모습을 그대로 간직하고 있어요. 그래서 맨틀을 분석하면 지구의 과거를 파악하게 되고, 나아가 미래에 지각이 어떻게 변할지도 예측해볼 수 있습니다. 또 지하 생명체를 찾을 수도 있어요. 과학자들은 빛도 없고 뜨거운 열과 압력만 가득한 지각과 맨틀의 경계선에도 미생물이 살고 있을 거라고 믿어요. 만약 이곳에서 생명체를 발견한다면, 화성이나 목성의 위성처럼 환경이 아주 혹독한 외계 행성에도 생명이 존재할 수 있다는 강력한 증거가 됩니다.

 

멍샹호, ‘꿈’의 시추선

 

세계적으로 권위 있는 학술지 ‘네이처’는 올해 주목할 과학계 이슈를 꼽았는데요. 그중 하나가 중국의 시추선 ‘멍샹호’였습니다. 지각을 넘어 맨틀까지 도달하는 구멍을 뚫는 임무를 올해 하반기부터 시작할 예정입니다. 멍샹(夢想)은 ‘꿈’을 의미합니다. 과학계 숙원이었던 ‘지구 내부 탐사’라는 꿈을 안고, 세계의 기대를 한 몸에 받으며 출격하는 것이죠.

 

멍샹호는 길이 179.8m, 폭 32.8m에 달하는 대형 선박입니다. 그런데 과학자들은 시추를 시작하는 곳으로 왜 땅이 아닌 바다를 택했을까요? 사실 인류는 12.2㎞까지는 파고 들어간 적이 있습니다. 냉전 시기 소련이 육지인 콜라 반도에서 파기 시작한 ‘콜라 시추공’입니다. 현재는 더 파지 않고 있습니다. 아까 배운 지각의 두께가 30~70㎞였으니 콜라 시추공은 맨틀에는 크게 못 미친 겁니다. 그런데 바다는 지각 두께가 이보다 훨씬 얇습니다. 5~10㎞ 정도죠. 육지의 경우 오랜 지질 활동으로 점점 두꺼워진 반면 바다는 그렇지 않았던 겁니다. 그래서 인류는 맨틀에 도달하기 위해 바다로 눈을 돌렸습니다. 맨틀로 가는 ‘지름길’을 택한 셈이죠. 멍샹호는 11㎞까지 파이프를 내리게 됩니다. 세계에서 가장 높은 에베레스트산(8848m)을 거꾸로 뒤집어 넣고도 또 한참을 들어가야 하는 엄청난 깊이입니다.

 

하지만 바다 시추는 상당히 까다로워요. 거센 파도와 엄청난 수압을 견뎌야 하고, 장비를 부식시키는 바닷물과도 싸워야 합니다. 출렁이는 바다 위에서 파이프를 심해 정확한 지점에 내리꽂는 것은 우주선을 쏘아 올리는 것만큼이나 정밀하고 어려운 기술이에요. 그래서 멍샹호는 각종 최신 기술을 활용합니다. 멍샹호는 AI 기술을 기반으로 복잡한 데이터를 정밀하게 계산해 시추하며, 역시 AI가 탑재된 해저 로봇은 어두운 바다에서도 정확한 위치를 찾아내며 멍샹호를 돕게 됩니다. 드론은 바다 위에서 주변 환경을 점검하고요. 인류의 오랜 꿈과 최신 기술을 모두 안고 나서는 멍샹호. 인류가 맨틀 조각을 무사히 건져 올려, 지구의 비밀을 풀어줄 날을 기대해 봅니다.

 

-김형자 과학칼럼니스트/기획·구성=김민기 기자, 조선일보(26-06-30)-

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‘탄소포집·저장’ 실증센터

 

이산화탄소 9.5만t을 가둔 ‘저장소’… 호주 평범한 초원이었다 

 

15일(현지 시각) 호주 오트웨이 국제 CCS 실증센터에서 CO2CRC 관계자가 이산화탄소를 주입하는 시설에 대해 설명하고 있다. /SK E&S

 

15일(현지 시각) 호주 빅토리아주 멜버른에서 차로 세 시간쯤 거리에 있는 오트웨이 국제 CCS 실증 센터. 도심을 벗어나면 호주 어디서나 볼 수 있을법한 초원이 펼쳐져 있었고, 소들이 풀을 뜯으며 한적하게 거닐고 있었다. 땅 밑에 이산화탄소 9만5000톤이 저장돼 있음을 알아채기는 쉽지 않았다.

 

세계 각국이 기후변화를 막고자 탄소 중립의 중요성을 강조하면서 이산화탄소 포집·저장(Carbon Capture and Storage·CCS) 기술이 각광받고 있다. 국제에너지기구(IEA)는 “CCS 기술이 없다면 지구 온도 상승을 1.5도로 제한하자는 목표를 달성하기가 사실상 불가능하다”며 CCS가 향후 이산화탄소 총감축량에서 차지하는 비율이 18%에 달할 것으로 예상했다.

 

오트웨이 국제 CCS 실증 센터는 호주의 국책 연구 기관 CO2CRC가 2004년부터 운영 중인 세계 최대 규모의 CCS 기술 실증 센터다. 땅속 1500미터 아래에는 대염수층(소금물이 들어 있는 지하수층)이 있어 이산화탄소를 저장하기엔 최적 장소라 CCS 기술의 ‘메카’가 됐다. 2000미터 아래에는 가스를 모두 채취한 뒤 비어 있는 가스전이 있다. CO2CRC는 2004년부터 2009년까지 빈 가스전에 이산화탄소를 주입해 이산화탄소가 어떻게 움직이는지 관찰했다. 이후엔 대염수층에 이산화탄소를 주입하는 실험을 마쳤다. 폴 바라클로그 CO2CRC 최고운영책임자는 “지난 10여 년 동안 이산화탄소 누출이 없었다”고 말했다.

 

현재 전 세계에서는 CCS 프로젝트 30가지를 실제 가동하고 있다. 지난해까지 계획된 사업을 모두 합치면 이산화탄소 총처리량은 2억4400만톤에 이를 것으로 예상된다. 국내 민간 기업 중에서는 SK E&S가 호주의 에너지회사 산토스 등과 함께 이산화탄소 저장소 개발을 추진 중이다. 호주 북서부 해상 바로사 가스전에서 천연가스를 생산하고, 그 과정에서 포집된 이산화탄소를 파이프라인을 통해 조만간 고갈될 바유운단(Bayu Undan) 가스전에 저장한다는 계획이다. CO2CRC와 공동 연구를 진행 중인 한국지질자원연구원 박용찬 박사는 “2050년 현재의 2.3배에 이를 것으로 예상되는 전력 수요를 신재생에너지로 감당하기는 어렵다”면서 “화석연료를 사용할 수밖에 없는 상황에서 CCS는 꼭 필요한 기술”이라고 말했다.

 

-멜버른(호주)=안중현 기자, 조선일보(23-08-18)-

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美와 우주 전쟁 중인 中, 1만1100m 위구르 땅 팠다 왜?

 

두 개의 다이아몬드 사이에 작은 시료를 끼워 넣고 다이아몬드를 통해 레이저를 발사한다. 얼룩만큼 작은 크기의 시료는 순식간에 일상적인 압력의 수백만 배에 달하는 고압에 노출된다. 태양만큼 뜨거운 환경에 놓일 수도 있다. 과학자들이 땅속의 극한 환경을 재현할 때 사용하는 ‘고압 연구’ 방식이다.

 

최근 미국 정부는 2층 높이의 거대한 고압 연구 장치인 ‘이히반’ 등의 장비를 개발하는 데 1370만달러(약 182억6000만원)의 예산을 투입하기로 했다. 이히반은 6000t 이상의 무게로 짓누르는 압력을 가할 수 있어 지금까지는 아주 작은 시료 분석에 그쳤던 고압 연구의 범위가 확대될 전망이다. 과학자들은 이를 통해 직접 들어가볼 수 없는 지구 안쪽에 대해 더 많은 데이터를 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 

◇ ‘우주의 비밀’ 풀려면 지구 속을 먼저 들여다보라… 우주 선진국도 지구 연구 뛰어들어

 

과학계의 눈이 우주로 쏠려있는 지금, 지구 내부를 들여다보는 연구는 어떤 의미를 가질까. 이히반을 구축 중인 미국 애리조나주립대학교의 행성학자 조셉 오로우크는 워싱턴 포스트에 “(지구에 대한) 우리의 무지는 여전히 심각한 수준이어서 인간은 아직도 아주 기본적인 질문만 하고 있다”며 “지구 내부에 대한 데이터를 축적함으로써 다른 행성에 대한 가설도 검토할 수 있다”고 했다. 

 

◇“지구 심부 탐사가 우주 탐사보다 어려워”

 

교과서에서 볼 수 있는 지구 내부의 모습은 지질학자들이 지진파와 운석·화산 폭발 등으로 인해 드러난 정보를 분석한 결과다. 지질학자들은 마치 의사가 초음파 사진을 읽는 것처럼 지구의 구조를 해독해냈다. 교과서 속 그림은 지구가 지각과 맨틀, 외핵과 내핵으로 깔끔하게 나눠져 있는 것으로 그리지만 최근 정보에 따르면 지구 내부는 지층이 불규칙적으로 중첩되어 있는 복잡한 모양이고, 계속해서 변화하고 있는 것으로 추정된다. 올 초에는 베이징 대학교 지구우주과학과 연구진이 액체로 추정되는 지구 외핵의 움직임이 느려진 것으로 보인다는 연구 결과를 네이처지에 게재해 이 변화가 지구에 미칠 영향을 두고 학계에서 논란이 일기도 했다.

 

인간이 만든 세상에서 가장 깊은 인공 구멍은 러시아 북부 무르만스크주에 위치한 콜라 반도의 ‘콜라 시추공(Kola Borehole)’이다. 냉전 시기 미국과 우주 탐사 경쟁을 펼치던 소련이 지구 연구에서 앞서가기 위해 만든 것이다. 1970년 굴착을 시작해 1989년 1만2262m에 도달한 후 공사가 중단된 후 현재까지 세상에서 가장 깊은 구멍으로 남아있다.

 

이후에도 광물이나 석유를 얻기 위해 깊이 파들어간 시추공들이 있긴 했지만 모두 1만2000m 수준을 넘지 못했다. 지하로 내려갈수록 급격히 오르는 온도와 압력 때문이다. 콜라 시추공이 공사 중단 단계에 달했을 때 드릴에 가해진 압력은 대기압의 1000배를 넘어섰고 온도는 섭씨 180도에 달한 것으로 알려졌다. 미국 메릴랜드 대학교 지진학자 베드런 래키스는 과학잡지 디스커버에 “우리는 다른 행성을 탐험하려고 하지만 사실 지구 내부를 파고들어 무엇이 있는지 규명하는 작업이 기술적으로 우주에 나가는 것보다 더 어렵다”고 했다.

 

◇中, 지구 내부 들여다볼 11km 깊이 구멍 착공

 

해외에선 지구 내부에 대한 연구를 지속적으로 지원하고 있다. 미국은 지난해 이히반을 포함해 고압 비틀림 저항 측정 장치, 고압 가스 장치 등 지구 내부의 환경을 연구하기 위한 대규모 장비를 갖추는 ‘열린 연구를 위한 압축 환경 연구 시설(FORCE: Facility for Open Research in a Compressed Environment)’ 프로그램을 가동했다.

 

중국은 올해 깊이 1만1100m를 목표로 시추공을 똟기 시작했다. 북서부 신장 위구르 자치구의 타림 분지에서 지난 6월 시추를 시작한 이 시추공은 완공에 457일이 소요될 전망이다. 중국 관영 신화통신은 “이번 탐사는 지구 표면 아래의 깊은 곳을 연구할 수 있는 전례없는 기회가 될 것”이라며 “약 1억4500만년 전 백악기 지층으로 거슬러 올라가는 암석의 특징을 연구할 수 있을 것으로 보인다”고 했다. 이 지역은 광물이 풍부하고 석유 자원 매립지로 유명해 중국 정부가 자원을 목표로 개발에 나선 것이라는 해석도 나온다.

 

-김효인 기자, 조선일보(23-08-18)-

 

 

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