히말라야 변성암에서 티타나이트와 CO₂ 방출 시기와 규모 규명

초록

히말라야의 가장 흔한 석회·규산암인 클리노피록시엔+스카폴라이트+K-장석+플라기오클라스 조합 암석을 대상으로, 티타나이트 동시 성장과 CO₂ 발생 반응을 정밀히 규명하였다. Zr 함량 기반 티타나이트 온도계와 U‑Pb 연대 측정을 통해 두 차례의 티타나이트 형성(약 30–26 Ma, 25–20 Ma)과 각각 730‑740 °C·10 kbar, 740‑765 °C·10.5 kbar 조건을 확인했으며, 이때 발생한 CO₂ 양은 전체 암석 중 1.4‑1.8 wt %에 해당한다. 이를 히말라야 전체 규모로 외삽하면 연간 1.4‑19.4 Mt의 메타모픽 CO₂ 플럭스가 추정되며, 이는 현재 메인 센트럴 쓰러스트(MCT)에서 관측되는 현천수 방출량과 동등한 규모이다.

상세 분석

본 연구는 히말라야 대산맥에서 가장 널리 분포하는 석회·규산암(클리노피록시엔‑스카폴라이트‑K‑장석‑플라기오클라스±칼사이트)에 초점을 맞추어, 메타모픽 탈탄산 반응과 티타나이트 성장 사이의 정량적 연관성을 최초로 제시한다. 저자들은 미세구조·광물화학 분석을 통해 두 개의 서로 다른 층(칼사이트 풍부층과 빈약층)에서 동일한 광물 조성을 확인했으며, 특히 티타나이트가 스카폴라이트, 석영, 바이오타이트와 복합적으로 포함되는 형태를 관찰하였다. Zr 함량을 이용한 티타나이트 온도계(Zr‑in‑Ttn)와 U‑Pb 동위 원소 연대 측정은 티타나이트가 두 차례에 걸쳐 거의 연속적으로 성장했음을 보여준다. 첫 번째는 ‘근정점’이라 부르는 730‑740 °C, 10 kbar 조건에서 약 30‑26 Ma에 형성되었고, 두 번째는 ‘정점’이라 정의된 740‑765 °C, 10.5 kbar 조건에서 25‑20 Ma 사이에 발생하였다. 두 단계 모두 특정 탈탄산 반응—예를 들어, 클리노피록시엔 + 스카폴라이트 + K‑장석 → 티타나이트 + CO₂와 같은 반응—과 동시 진행되었다는 점이 핵심이다.

탄소 방출량은 광물계량 및 반응 스토이키오메트리를 통해 1.4‑1.8 wt % CO₂가 전체 암석에 함유된 것으로 산출되었다. 이를 히말라야 전체 석회·규산암의 부피(문헌에 기반한 추정)와 결합해 연간 메타모픽 CO₂ 플럭스를 1.4‑19.4 Mt yr⁻¹으로 환산하였다. 이 범위는 현재 MCT 단층대에서 측정된 온천수·샘물에서 방출되는 CO₂와 비슷하거나 약간 높은 수준이며, 따라서 히말라야에서의 메타모픽 탈탄산이 전 지구 탄소 순환에 기여하는 비중을 무시할 수 없음을 시사한다.

또한, 저자들은 티타나이트가 ‘내부 완충’ 시스템에서 거의 등압 불변점(invariant point)에서 성장한다는 점을 강조한다. 이는 탈탄산 사건이 전체 전진 변성 기간에 비해 매우 짧은 시간(수백 킬로년 이하) 동안 집중적으로 일어났음을 의미한다. 이러한 시간‑스케일 제약은 기존의 전진 변성 모델이 과대평가한 CO₂ 방출 지속 시간을 재조정하는 데 중요한 근거가 된다.

연구 방법론 측면에서는 미세 XRF를 통한 전반적인 광물 분포 파악, SEM‑EDS를 이용한 정밀 화학조성 분석, LA‑ICP‑MS 기반 Zr‑in‑Ttn 온도 측정 및 U‑Pb 연대 측정이 통합적으로 활용되었다. 특히, 티타나이트 내부에서 Zr와 U‑Pb를 동시에 측정함으로써 온도‑시간 연관성을 직접적으로 도출할 수 있었으며, 이는 기존에 별도 시료를 사용해 온도와 연대를 추정하던 방식보다 높은 정확성을 제공한다.

결론적으로, 이 논문은 히말라야 대산맥에서 메타모픽 CO₂ 방출이 언제, 어떤 압·온도 조건에서, 어느 정도 규모로 발생했는지를 정량적으로 제시함으로써, 고지대 변성 탈탄산이 전 지구 탄소 순환 모델에 포함될 필요성을 강력히 뒷받침한다.