서태평양 해저산 고코발트 망간각 자원평가를 위한 광역 탐사 방안 Geophysical and Geological Exploration of Cobalt-rich Ferromanganese Crusts on a Seamount in the Western Pacific원문보기
서태평양 해저산 사면에 부존하는 고코발트 망간각은 코발트, 니켈, 백금, 희유금속 등을 다량 함유하고 있으며, 최근 국제해저기구에서 공해상 탐사규칙이 제정됨에 따라 개발 대상으로 더욱 주목받고 있다. 해저산에 분포하는 망간각의 개발을 위해서는 경사가 낮고 지형기복이 완만하여 채광에 유리한 지형조건을 갖추면서 망간각이 두껍게 분포하는 유망지역을 선별하여야 한다. 따라서 광역단계의 망간각 탐사는 음향 수심탐사를 통한 지형 및 경사도의 확인, 음향산란 자료의 획득을 통한 기저면 표층 매질 분포 파악, 그리고 해저면 영상 관찰과 시료채취를 통한 망간각의 분포 두께 파악이 필요하다. 또한 음향산란 자료를 이용하여 망간각 분포 지역을 확인하기 위해서는 영상관찰 및 시료 채취를 통한 망간각 음향매질 특성분석이 필요하다. 기존의 탐사를 통해 수행된 망간각 기초탐사 자료를 분석한 결과 해저산 지형 해석과 망간각 광역분포와 같은 망간각 유망지역 선별을 위한 일부 자료를 확인할 수 있었다. 하지만, 음향산란 자료를 확보하지 못하여 넓은 탐사지역을 대상으로 망간각 부존 유망지역을 선별하는 데 필요한 망간각 분포 변화는 파악하지 못하였다. 따라서 향후 탐사는 망간각 탐사후보 지역을 대상으로 음향산란 자료의 확보가 선행되어야 하며, 해저면 관찰 및 시료채취를 병행하여 해저면 음향매질 특성과 망간각 분포의 상관성을 파악하기 위한 탐사가 수행되어야 한다.
서태평양 해저산 사면에 부존하는 고코발트 망간각은 코발트, 니켈, 백금, 희유금속 등을 다량 함유하고 있으며, 최근 국제해저기구에서 공해상 탐사규칙이 제정됨에 따라 개발 대상으로 더욱 주목받고 있다. 해저산에 분포하는 망간각의 개발을 위해서는 경사가 낮고 지형기복이 완만하여 채광에 유리한 지형조건을 갖추면서 망간각이 두껍게 분포하는 유망지역을 선별하여야 한다. 따라서 광역단계의 망간각 탐사는 음향 수심탐사를 통한 지형 및 경사도의 확인, 음향산란 자료의 획득을 통한 기저면 표층 매질 분포 파악, 그리고 해저면 영상 관찰과 시료채취를 통한 망간각의 분포 두께 파악이 필요하다. 또한 음향산란 자료를 이용하여 망간각 분포 지역을 확인하기 위해서는 영상관찰 및 시료 채취를 통한 망간각 음향매질 특성분석이 필요하다. 기존의 탐사를 통해 수행된 망간각 기초탐사 자료를 분석한 결과 해저산 지형 해석과 망간각 광역분포와 같은 망간각 유망지역 선별을 위한 일부 자료를 확인할 수 있었다. 하지만, 음향산란 자료를 확보하지 못하여 넓은 탐사지역을 대상으로 망간각 부존 유망지역을 선별하는 데 필요한 망간각 분포 변화는 파악하지 못하였다. 따라서 향후 탐사는 망간각 탐사후보 지역을 대상으로 음향산란 자료의 확보가 선행되어야 하며, 해저면 관찰 및 시료채취를 병행하여 해저면 음향매질 특성과 망간각 분포의 상관성을 파악하기 위한 탐사가 수행되어야 한다.
Co-rich ferromanganese crusts (Fe-Mn crusts) distributed on the seamounts in the western Pacific are potential economic resources for cobalt, nickel, platinum, and other rare metals in the future. Regulations for prospecting and exploration of Fe-Mn crusts in the Area, which enables the process to o...
Co-rich ferromanganese crusts (Fe-Mn crusts) distributed on the seamounts in the western Pacific are potential economic resources for cobalt, nickel, platinum, and other rare metals in the future. Regulations for prospecting and exploration of Fe-Mn crusts in the Area, which enables the process to obtain an exclusive exploration right for blocks of the fixed size, were enacted recently by the International Seabed Authority, which led to public attention on its potential for commercial development. Evaluation and selection of a mining site can be established based on abundance and grade of Fe-Mn crusts in the site as well as topography that should be smooth enough for mining efficiency. Therefore, acquisition of shipboard echo-sounding and acoustic backscatter data are prerequisite to select potential mine sites in addition to visual and sampling operations. Acoustic backscatter data can be used to locate crust-covered areas in a regional scale with the understanding of acoustic properties of crust through its correlation with visual and sampling data. KIOST had collected the topographic and geologic data to assess the resources potential for Fe-Mn crusts in the west Pacific region from 1994 to 2001. However, they could not obtain acoustic backscatter data that is crucial for the selection of prospective mining sites. Therefore, additional exploration surveys are required to carry out side scan sonar mapping combined with seafloor observation and sampling to decide the blocks for application of an exclusive exploration right.
Co-rich ferromanganese crusts (Fe-Mn crusts) distributed on the seamounts in the western Pacific are potential economic resources for cobalt, nickel, platinum, and other rare metals in the future. Regulations for prospecting and exploration of Fe-Mn crusts in the Area, which enables the process to obtain an exclusive exploration right for blocks of the fixed size, were enacted recently by the International Seabed Authority, which led to public attention on its potential for commercial development. Evaluation and selection of a mining site can be established based on abundance and grade of Fe-Mn crusts in the site as well as topography that should be smooth enough for mining efficiency. Therefore, acquisition of shipboard echo-sounding and acoustic backscatter data are prerequisite to select potential mine sites in addition to visual and sampling operations. Acoustic backscatter data can be used to locate crust-covered areas in a regional scale with the understanding of acoustic properties of crust through its correlation with visual and sampling data. KIOST had collected the topographic and geologic data to assess the resources potential for Fe-Mn crusts in the west Pacific region from 1994 to 2001. However, they could not obtain acoustic backscatter data that is crucial for the selection of prospective mining sites. Therefore, additional exploration surveys are required to carry out side scan sonar mapping combined with seafloor observation and sampling to decide the blocks for application of an exclusive exploration right.
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문제 정의
이 논문에서는 망간각 유망지역 선정을 위해 고려해야할 요인을 정리하고 이들 요인을 파악하기 위한 망간각 탐사기법들을 기술하였다. 또한 기존의 망간각 기초탐사 자료와 해석결과를 평가하고 이를 통해 유망지역 선정 및 자원평가를 위한 효율적인 탐사방안을 제시하고자 하였다.
이 논문에서는 망간각 유망지역 선정을 위해 고려해야할 요인을 정리하고 이들 요인을 파악하기 위한 망간각 탐사기법들을 기술하였다. 또한 기존의 망간각 기초탐사 자료와 해석결과를 평가하고 이를 통해 유망지역 선정 및 자원평가를 위한 효율적인 탐사방안을 제시하고자 하였다.
가설 설정
망간각이 두껍게 성장하기 위해서는 (1) 산소가 풍부한 저층류가 지속적인 공급되어야 하고, (2) 망간각이 성장하는 해저면의 기반암이 오랜 기간에 걸쳐 안정적으로 유지되어야 하며, (3) 망간각의 성장을 방해하는 퇴적물의 공급이 적어야 한다. 동일한 해저산내에서 저층류의 공급이나 퇴적률의 차이가 크지 않을 것이라고 가정한다면 사면 내 망간각의 두께에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 안정적인 기반암 환경으로 볼 수 있다. 즉, 사태나 저탁류의 생성이 빈번하거나 기반암의 침하 등이 일어나는 불안정한 조건에서는 상대적으로 망간각이 두껍게 성장하기 어렵다는 것이다.
제안 방법
OSM7 해저산을 대상으로 수행된 지구물리, 해저면관찰, 망간각 시료채취 결과를 정리해보면 먼저 지구 물리 탐사를 통해 지형도, 경사분석도, 최상부 음파투명층 두께 분포, 음향상 분류도 등이 작성되었으며, 심해저카메라 운영을 통해 1개 측선에 대한 해저면 관찰과 망간각 분포를 파악하였다. 그리고 드렛지 시료채취를 통해 7개 방향 사면에 대한 상부 및 하부의 망간각 분포와 두께 자료를 획득하였다.
OSM7의 최상부 음파투명층의 분포와 해저면의 음향상 분류는 천부지층 탐사를 통해 수행되었다(Fig. 3). 심해에 분포하는 최상부 음파투명층은 대부분 원양성 퇴적물로 구성되어 있다고 알려져 있다(Tanahashi, 1986).
심해저 카메라시스템의 운영은 동쪽 사면(DSC 01)의 1524-3726 m 구간에서 수행되었다. 시료 채취를 위한 드렛지 구간은 해저산의 사면별로 수심 2000 m 이하의 하부사면과 2000 m 이상의 상부사면으로 나누었다.
위에서 정리한 망간각의 분포특성과 기술적 요인의 평가는 해저산 지역의 현장 탐사를 통해 획득되는 지구물리, 지질, 해양환경 자료의 분석과 해석을 통해 진행된다. 망간각 개발 유망지역을 선정하기 위한 탐사의 목표는 개발이 유망한 지형조건과 망간각 부존량(두께) 변화 파악으로 요약될 수 있다.
주로 조사선에서 원격탐사를 통해 수행되지만, 견인형 탐사체나 무인잠수정을 이용한 근접해저면 조사를 통해 해상도가 높은 자료의 획득도 가능하다. 해저면 영상탐사는 전통적으로 견인형 카메라를 이용하며 해저면의 직접 관찰을 통해 미세지형 파악, 기반암 및 망간각 피복 판별 등을 수행한다. 최근 무인잠수정 기술의 발전과 함께 고해상도 영상자료와 위치보정자료를 통한 정밀영상탐사가 가능해졌다.
대상 데이터
OSM7 해저산의 망간각 분포는 1개 측선에서의 해저면 영상자료와 7개 측선에서의 드렛지 시료채취를 통해 수행되었다(Fig. 4). 심해저 카메라시스템의 운영은 동쪽 사면(DSC 01)의 1524-3726 m 구간에서 수행되었다.
OSM7 해저산을 대상으로 수행된 지구물리, 해저면관찰, 망간각 시료채취 결과를 정리해보면 먼저 지구 물리 탐사를 통해 지형도, 경사분석도, 최상부 음파투명층 두께 분포, 음향상 분류도 등이 작성되었으며, 심해저카메라 운영을 통해 1개 측선에 대한 해저면 관찰과 망간각 분포를 파악하였다. 그리고 드렛지 시료채취를 통해 7개 방향 사면에 대한 상부 및 하부의 망간각 분포와 두께 자료를 획득하였다. 각각의 결과는 망간각 탐사를 위한 유망지역 선정과 분포를 파악하는데 이용될 수 있다.
우리나라는 지난 1999년부터 2004년까지의 탐사수행을 통해 서태평양 공해지역을 대상으로 14개 해저산의 망간각 기초탐사를 수행하였다. 기존 탐사의 사례분석을 위해 OSM7 해저산을 대상으로 탐사자료를 정리하였다. OSM7은 기존 망간각 탐사 중 가장 후반부에 수행된 해저산 중 하나로 당시 탐사자료가 가장 잘 정리 된 해저산 중 하나이며, 망간각 발달정도가 양호하여 망간각 탐사권 신청을 위한 탐사대상지역에도 포함되어 있어 기존 자료를 확인하고 추가로 획득해야할 탐사자료를 확인하는 데에도 적합하다.
우리나라는 지난 1999년부터 2004년까지 해양수산부의 국가연구개발사업으로 망간각 탐사를 수행하여 서태평양 공해상 해저산을 대상으로 지구물리 탐사를 통한 지형조사, 음향매질 특성, 망간각 분포 및 조성 등 기초탐사자료를 획득하였다. 하지만, 이들 자료를 토대로 망간각 부존 유망지역을 평가하고 국제해저기구에 탐사권을 신청하기에는 탐사자료가 충분하지 않다.
탐사규칙에 따르면 탐사 광구는 정사각형이나 직사각형의 모양을 갖는 20 km2 크기의 블록형태를 가지며 최소한 5개 이상의 블록이 인접한 단위(cluster)로 구성된다.
이론/모형
망간각 탐사기법 중 OSM7 해저산에 적용된 탐사항목들은 Table 1 에 요약되어 있다. 조사선은 해양과학기술원의 온누리호를 이용하였다. 탐사항목은 크게 음향장비를 이용한 지형조사와 천부지층탐사 등 지구물리탐사와 드렛지를 이용한 망간각 시료채취 결과로 나뉜다.
성능/효과
OSM7에서 드렛지가 수행된 사면의 방향을 따라 채취된 망간각의 평균두께와 최대두께를 살펴보면 OSM7 해저산의 북서 방향과 동쪽방향의 사면에서 평균두께 100 mm 이상으로 두껍게 발달한 반면, 북동사면, 남쪽사면 및 남서사면에서는 상대적으로 망간각의 피복 두께가 얇은 것으로 나타난다(Fig. 4). 채취된 망간각이 가장 두꺼운 정점은 해저산 동쪽의 상부사면인 DG6-2로 최대 135 mm의 두께를 나타낸다.
5 Mt으로 추정하였다. 또한 이들의 결과가 유사한 크기의 해저산에서 높은 음향산란강도 지역을 모두 망간각 피복지역으로 간주하여 추정된 매장량인 34 Mt에 비해 차이가 크다는 점을 지적하고, 높은 음향산란강도 지역을 모두 망간각 피복지역으로 간주할 경우 실제 매장량이 과장될 가능성이 높다고 하였다.
후속연구
그리고 드렛지 시료채취를 통해 7개 방향 사면에 대한 상부 및 하부의 망간각 분포와 두께 자료를 획득하였다. 각각의 결과는 망간각 탐사를 위한 유망지역 선정과 분포를 파악하는데 이용될 수 있다. 지형 및 경사분석 결과는 망간각 채광 불리 지형을 판별하고, 음파투명층 두께를 통해 망간각의 형성이 어려운 퇴적물 피복지역을 파악하는데 이용될 수 있다.
선상 원격탐사가 보다 넓은 면적을 대상으로 시간대비 효율적인 탐사자료를 획득할 수 있는 반면 견인체 탐사는 고해상도 자료를 획득할 수 있는 장점이있다. 따라서 선상 원격탐사를 통해 전체 탐사대상 지역에 대한 음향산란 자료를 획득하는 동시에 탐사 지역의 해저면 매질특성 분포를 대표할 수 있는 정밀탐사지역을 선정하고 견인체 탐사 및 해저면 영상탐사를 병행하여 음향산란강도와 해저면의 지질 특히 망간각 피복여부와의 상관성을 기준으로 음향 매질 특성을 분류하여야 할 것이다.
각각의 결과는 망간각 탐사를 위한 유망지역 선정과 분포를 파악하는데 이용될 수 있다. 지형 및 경사분석 결과는 망간각 채광 불리 지형을 판별하고, 음파투명층 두께를 통해 망간각의 형성이 어려운 퇴적물 피복지역을 파악하는데 이용될 수 있다. 또한 해저면 관찰 및 망간각 시료채취 결과를 토대로 망간각이 발달한 사면의 방향과 깊이에 따른 분포 경향을 파악할 수 있다.
따라서 각각의 탐사 기법을 통해 망간각의 실제 분포 특성을 파악하기는 어려우며 이들 탐사 기법의 조합을 통해 효율성 높은 탐사를 수행하는 것이 관건이다. 특히, 이 논문에서 고려하는 탐사는 국제해저기구 탐사광구 신청을 위한 목적으로 보다 넓은 지역을 효율적으로 탐사하고 광구 등록 이후 수행될 정밀 탐사를 수행하기 위한 대상을 선정하는 광역탐사 단계라는 점도 고려되어야 한다.
망간각 시료채취의 가장 이상적인 방법으로는 음향산란 자료를 확보한 지역의 해저면 사면을 따라 해저면 관찰을 수행하고 특정 구간에서 소규모 시추를 통해 망간각의 두께를 확인하는 것이다. 하지만, 해저면 시추는 비용이 크고 장기간의 탐사기간이 요구되므로 시추를 통한 망간각 분포는 보다 좁은 지역을 대상으로 수행되는 정밀탐사 단계에서 수행되는 것이 더 타당할 것이며, 탐사지역 신청을 위한 광역탐사 단계에서는 기존의 드렛지 운영을 통한 시료채취가 주로 수행되어야 할 것이다. 드렛지를 이용한 망간각 시료채취는 해저산의 규모에 따라 다양한 방향과 서로 다른 수심대에서 수행되기 위해 1 km 이하의 짧은 구간에서의 운영이 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
망간각이 분포하는 해저산의 특징은?
망간각의 개발을 위해서는 지구물리와 지질탐사를 통한 자원량 평가와 유망지역 선정이 선행되어야 한다. 망간각이 분포하는 해저산은 지형 기복이 심하고, 기반암의 종류, 퇴적물의 분포와 피복정도가 다양하다. 이러한 해저산의 특성은 망간각의 성장 및 분포와 밀접한 관련을 보인다.
망간각의 자원량평가를 위해 탐사해야하는 것은?
따라서 망간각의 자원량평가를 위해서는 탐사를 통해 해저산의 지형, 지질, 해양 특성을 탐사하고 이를 자원량평가 목적에 부합하도록 이용해야 한다. 예를 들어, 망간각의 부존량(두께) 변화에 영향을 미치는 공간 요인의 평가, 망간각와 기반암과의 상관관계, 망간각의 조성변화 파악과 영향요인 평가 등을 들 수 있을 것이다.
망간각에는 어떤 자원이 존재하는가?
서태평양의 해저산들에 광범위하게 부존하는 것으로 알려진 수성기원 고코발트 망간각(Cobalt-rich Ferromanganese Crust, 망간각)에는 경제적 가치가 높은 금속원소들의 함량이 높아 망간단괴, 해저열수광상과 함께 개발가치가 높은 주요 해양광물자원으로 알려져 왔다. 망간각에는 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn)은 물론 최근 전자, 통신 산업과 같은 첨단 산업에 이용되는 희토류원소(Rare Earth Elements), 백금족원소 (Platinum Group Elements), 텔루륨(Te), 타이타늄 (Ti), 몰리브덴(Mo), 지르코늄(Zr), 비스무스(Bi), 텅스텐 (W)의 함량이 높아 최근 들어 더 높은 자원가치를 인정받고 있다(Halbach and Manheim 1984; Hein et al., 2000; Hein et al.
참고문헌 (10)
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Halbach, P. and Manheim, F.Y. (1984) Potential of cobalt and other metals in ferromanganese crusts on seamounts of central Pacific basin. Marine Mining, v.4, p.319-336.
Hein, J.R., Koschinsky, A., Halbach, P., Manheim, F.T., Bau, M., Kang, J.-K. and Lubik, N. (1997) Iron and manganese oxide mineralization in the Pacific. In Nicholson, K. et al. (eds.) Manganese Mineralization: Geochemistry and Mineralogy of Terrestrial and Marine Deposits. Geological Society Special Publication 119, London, p.123-138.
Hein, J.R., Koschinsky, A., Bau, M., Manheim, F.T., Kang, J.-K. and Roberts, L. (2000) Cobalt-rich ferromanganese crusts in the Pacific. In Cronan, D.S. (ed.) Handbook of Marine Mineral Deposits. CRC Press, Boca Raton, p.239-279.
Hein, J.R., Conrad, T.A. and Dunham, R.E. (2009) Seamount characteristics and mine-site model applied to exploration- and mining-lease-block selection for Cobalt-rich ferromanganese crusts. Marine Georesources and Geotechnology, v.27, p.160-176.
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Tanahashi, M. (1986) Subsurface acoustic layers detected by 3.5 kHz subbottom profiler in the GH81-4 area (Eastern part of the Central Pacific Basin). Geol. Surv. Japan Cruise Rept. v. 21, p. 21-32.
Usui, A. and Ito, T. (1993) Fossil manganese deposits buried within DSDP/ODP cores, legs 1-126. Marine Geology, v.119, p.111-136.
Usui, A. and Okamoto, N. (2010) Geophysical and geological exploration of Cobalt-rich ferromanganese crusts: An attempt of small-scale mapping on a Micronesian seamount. Marine Georesources and Geotechnology, v.28, p.192-206.
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