역방향 풍화

Reverse weathering

역풍화란 일반적으로 규산염의 풍화와는 무관한 공정에서 양이온과 알칼리성을 이용하는 점토 신형성을 형성하는 것을 말한다. 보다 구체적으로 역방향 풍화란 1) 산화물을 함유한 수용성 양이온 또는 양이온을 함유한 생체 유발 실리카의 반응에서 발생하는 자기유전성 점토 미네랄의 형성을 말한다.[1]

양이온 풍부한 고유 규산염 클라이의 형성은 다음과 같은 단순화된 반응을 통해 발생하는 것으로 생각된다.

생체발생 오팔(SiO2) + 금속 수산화물(Al(OH)4− + 용해된 양이온(K+, Mg2+, Li+ 등) + 중탄산염(HCO3) → 점토 미네랄 + HO2 + CO2[2]

역방향 풍화에 의한 고유질 점토 광물의 형성은 완전히 이해되지 않는다. 많은 연구가 아마존 델타,[3] 미시시피 델타, 에티오피아 리프트 호수와 같은 지역화된 지역에서 수행되어 그 과정에 대한 세계적인 이해를 어렵게 했다.[4] 역방향 풍화 연구를 위한 많은 원동력은 강과 바다 사이의 화학적 질량 균형을 구속하는 것에서 기인한다.[5] 역방향 풍화 현상이 발견되기 전, 해양의 화학적 질량 균형 모델은 관측된 것보다 더 높은 알칼리 금속과 중탄산염(HCO3−) 농도를 예측했다.[5] 자생질 점토 광물의 형성은 처음에는 이 과잉의 전모를 설명한다고 생각되었지만, 열수 분출구의 발견은 알칼리알칼린 토금속과 HCO를3− 바다에서 제거하는 일이 이 장소들에서도 발생하기 때문에 이에 도전했다.[5]

분석방법

역방향 풍화 과정과 정도는 여러 가지 방법과 대리점에 의해 추론되었다.

수생계통 내에서 역방향 풍화 발생률과 정도를 분석하기 위해 생물 유발 실리카와 규산(기상화 산물)의 현장 측정을 사용해 왔다.[6][7] 역방향 풍화작용의 결과로 발생하는 생물학적 실리카의 흡수는 과대수 대비 용해된 SiO의2 상대적인 낮은 농도로 관찰될 것이다.

역방향 풍화 실험의 관찰은 오팔 용해율을[2][3] 측정하기 위해 인큐베이팅과 원자로를 통한 유동을 사용하여 수행되었다 점토는 스캔 전자현미경, x-ray, 전송 전자현미경을 사용하여 연구되었다.[1] 점토가 빠르게 형성되는 것이 관찰되었으며, 이 시간과 침전물의 알려진 함량을 이용하여 이 과정에서 소비되는 칼륨 이온의 농도를 지구 전역의 강에서 추정하였다.[1]

실험실 실험은 또한 배양 실험을 포함할 수 있는데, 이 실험에서는 자연환경에서 얻은 침전물 샘플이 다양한 농도의 역내화 반응제(다이아톰, 양이온, 금속 등의 형태의 생물학적 실리카)가 밀폐 가능한 용기에 밀폐된다.[2]

ICP-OES 기기

또한 유도결합플라즈마 광 방출 분광계(ICP-OES)를 사용하여 모공수 내 양이온 및 실리카 농도에 대한 농도 및 동위원소 정보를 제공하고 침전물 샘플을 소화한다. 다집합체 유도결합플라즈마 질량분석기(MC-ICP-MS)의 활용은 용액 내 금속과 실리카의 동위원소 데이터를 얻는 수단으로도 사용된다.[7]

플랑크토닉포라미페라 내 리튬 동위원소 농도는 지난 6천8백만 년 동안 규산염과 역내화율의 과거 변화를 유추하기 위해 사용되어 왔다.[8] 바닷물에서 리튬을 제거하는 것은 주로 해양 퇴적물 내에서의 동화에 의존하고 있으며, 변형은 다른 요인 외에도 규산염 풍화 및 역풍화의 상대적인 비율을 나타내는 것으로 생각된다. 리튬 함량이 낮은 포라미페라는 그 기간 동안 역방향 풍화 현상이 더 두드러졌을 수 있음을 시사한다.[8]

컨트롤

열역학

역방향 풍화를 통한 고유 규산염 클라이의 형성은 아마존 델타 퇴적물 연구 중 열역학적으로 유리한 것으로 나타났다.[3] Authigenic silicate clay의 형성에 대한 일차적 통제는 용액 내 반응제 공급에 관한 것이다. 한정된 생물 유발 오팔, 금속 수산화물(예: 알루민산염(Al(OH)))4− 또는 용해된 양이온 영역은 고유 규산염 클라이의 생산을 제한한다.[2] 금속, 양이온, 실리카는 주로 토착 물질의 풍화작용에 의해 공급되며, 이는 역풍화의 열역학적 선호도에 영향을 미친다.[9]

키네틱스

운동학적으로 역풍화에 의한 점토 광물의 형성은 비교적 빠를 수 있다(<1년).[3] 짧은 형성 시간 때문에 역방향 풍화작용은 다양한 해양 생물화학 주기에 합리적인 기여를 하는 것으로 평가된다.[3]

글로벌 사이클에 미치는 영향

탄소 순환

탄소 순환

역방향 풍화작용을 통해 고유질 점토 광물을 생성하는 과정은 이산화탄소(CO2)를 배출한다.[9] 그러나 규산염 풍화에 의한 중탄산염 방출은 역풍화에 의한 CO2 발생량을 초과한다. 따라서 역방향 풍화작용은 Autigenic 클레이 광물 생산 시 CO를2 증가시키지만, 시스템 내 HCO3− 농도에 압도되어 국부 pH에 큰 영향을 미치지는 않을 것이다.[9]

Treguer 등, 1995년에[10] 채택된 해상 실리카 사이클의 기본 다이어그램

실리카 사이클

최근 몇 년 동안, 역풍화 작용이 생체 유발 실리카에 미치는 영향은 실리카 사이클을 계량화하는 데 큰 관심을 가져왔다. 풍화작용 동안 용해된 실리카는 빙하 유출과 강물의 입력을 통해 바다로 전달된다.[2] 이 용해된 실리카는 규조류와 같은 많은 해양 생물이 차지하며, 보호 조개껍질을 만드는데 사용된다.[2] 이 유기체들이 죽으면, 그들은 물기둥으로 가라앉는다.[2] 생물학적 SiO의2 적극적인 생산 없이, 광물은 diagenesis를 시작한다.[2] 역방향 풍화 과정을 통해 용해된 실리카를 고유 규산염 클라이로 변환하면 실리콘 입력의 20-25%가 제거된다.[11]

역방향 풍화현상은 하천 들타에서 종종 발생하는 것으로 확인되는데, 이들 계통은 침전물 축적률이 높고 급속한 다이오메네시스 현상이 관찰되기 때문이다.[12] 규산염 클라이의 형성은 침전물의 기공수에서 반응하는 실리카를 제거하여, 이들 위치에서 형성되는 암석들에서 발견되는 실리카의 농도를 증가시킨다.[12]

규산염 풍화작용은 또한 더 깊은 필로겐성 퇴적물에서 지배적인 과정인 반면에 역풍화작용은 표면 퇴적물에서 더 흔하지만, 여전히 낮은 비율로 발생한다.[3]

스터디 위치

아마존 강 삼각주

델타스

아마존강 삼각주에서는 매장된 SiO의2 약 90%가 역풍화 과정에서 소진되는 반면, 이 지역에서 칼륨 이온의 생성은 연간−1 약 2.8μmol g이다−1.[3] 아마존 강에서 유입되는 칼륨의 거의 7-10%는 칼륨 철이 풍부한 알루미늄산염의 형성에 의해 바다에서 제거된다.[3] 미시시피강 삼각주에서는 침전물에 매립되는 SiO의2 약 40%가 고유 알루미늄산염으로 변환된다.[13] 두 델타에서 큰 차이는 아마존 델타 내 퇴적물이 여러 에로션과 퇴적 과정을 거치면서 풍부한 철산화물이 생성되기 때문이다. 침전물은 일반적으로 이 지역에 평균 30년 동안 존재하지만, 상층부는 매년 1~2회 주요한 물리적 재작업을 거친다. 모공수 데이터는 아마존 델타에서 Autogenic clay의 형성이 몇 달에서 몇 년의 순서로 발생한다는 것을 암시한다. 이 지역에서 점토 형성의 제한반응제는 하천수가 일반적으로 철, 칼륨, 마그네슘, 알루미늄과 같은 다른 반응물질의 농도가 높기 때문에 이용할 수 있는 SiO의2, 양이다.[3] 반면 미시시피 삼각주에서는 이러한 반응에 제한적인 영양소가 철분이다.

에티오피아 리프트 밸리 호

에티오피아 균열호

에티오피아 리프트 호수의 역방향 풍화 현상을 쉽게 관찰할 수 있으며, 이 지역의 최근 연구는 해양에서의 과정 범위를 추론하는 데 이용되고 있다. 한 연구는 호수에 일반적인 알칼리성 결핍이 있으며, 이 결함의 절반 이상이 알루미늄산염 광물의 형성에 기인할 수 있다는 것을 시사한다.[4] 염분의 강수량은 심하지 않기 때문에 바다에 비해 쉽게 관측할 수 있는 역풍화를 통해 이러한 점토 광물의 개발을 가능하게 한다. 이 연구는 에티오피아 리프트 호수의 점토 형성률을 기초로 하여, 바다에서의 점토 형성이 너무 높아서 완전히 역풍화 과정에 기인한다는 것을 시사한다. 일반적으로 pH가 낮기 때문에 심해 역풍화 과정이 결코 완성되지 않는다고 생각된다. 열수 활동은 심해에서 점토가 형성되는 데 큰 기여를 하는 것으로 제안되고 있다.[4]

열수분출구

동스코샤 능선의 열수분출구

어떤 사람들은 열수 분출구가 역풍화의 중요한 원천이 될 수 있다는 가설을 세운다.[12] 한동안, 지상의 충적 입력이 바다를 위한 용해된 염의 유일한 공급원이었던 것으로 추정되었다. 나중에 열수 분출구가 물과 암석의 상호작용에서 나오는 용해된 광물의 급류를 방출함으로써 바다의 염도에 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌다.[14] 이들 위치에서 일부 용존염은 바위와 반응하여 제거되기 때문에 열수액에 비해 바닷물의 이온 성분을 변화시킨다.[14]

일부 연구자들은 역방향 풍화 현상이 열수 분출구의 실리카 주기에 영향을 미칠 수 있다는 가설을 세운다.[5] 저온 열수 분출구는 지구의 지각에서 규산을 방출하고, 그것이 해저에서 빠져나오기 전에, 그것은 냉각되어 스몰타이트와 같은 점토로 침전된다.[11] 열수분출구의 역풍화 정도가 전체 실리카 주기에 어느 정도 더해지는지가 화제다.[15][16][11]

역사

1933년, 빅터 모리츠 골드슈미트는 화성암과 휘발성 암석이 상호 작용하여 퇴적물과 바닷물을 생성하는 반응을 처음 제안했다.[17][18][19] Lars Gunnar Silén은 나중에 1959년에 규산염의 생성과 관련된 반응이 해수의 성분과 pH를 제어하는 데 잠재적으로 역할을 했다고 제안할 것이다.[18] 실렌의 제안 당시에는 점토 광물 반응의 열역학적 상수를 알 수 없었으며, 그러한 반응이 존재한다는 열역학 지표가 거의 없었다.[20] 그런 다음 프레데릭 매켄지와 로버트 가렐스는 1966년 역풍화 가설을 도출하기 위해 골드슈미트의 작품과 실렌의 작품을 재구성 반응의 개념과 결합시키곤 했다.[4] 이후 다양한 해양환경 반응과 관찰에 대한 가능한 설명으로 역풍화법이 활용되고 있다.

오늘날, 역풍화의 의의에 대해 많은 논쟁이 있다. 프로세스의 전지구적 범위는 아직 측정되지 않았지만 구체적인 현지 사례를 이용하여 추론을 할 수 있다.[21]

참조

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