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최근 한국은 유엔(UN)에서 세계 7번째 국가로 심해저 개발 광구를 등록함으로써 본격적인 심해저자원 개발 시대를 열기 시작했다. 심해저자원 개발이 갖는 의미는 무엇이고, 그동안의 성과는 어떤 것들이 있는지 살펴본다.


바다는 자연의 어머니로서, 생명의 근원지로서 늘 신비롭고 경이로운 대상이었다. 그러던 것이 해양기술의 발전으로 점차 새로운 인류 자원의 보고로 등장했다. 특히 심해저 개발은 인간의 한계를 극복한다는 점과 부족한 자원을 개발한다는 측면에서 매우 중요해지기 시작했다.

많은 에너지와 금속광물자원을 소비하고 있는 현대 산업사회에서 지구의 70%를 차지하고 있는 바다로 눈을 돌리는 것은 어쩌면 당연한 귀결일지 모른다. 자원전문가들은 세계의 육상광물자원이 20-30년이 지나면 고갈될 것으로 내다보고 있고, 자원빈국인 한국도 해양자원을 개발해야 한다는 점에서 똑같은 상황에 처해 있다.
 

나이테 그리며 자라는 망간단괴

한국은 2백30여종의 다양한 광물을 보유하고 있어 세계의 광물전시장으로 불리고 있다. 그러나 자원으로서 경제성을 갖춘 광물은 그리 많지 않다. 전량 수입에 의존하는 금속광물도 꽤 많다. 현재 금속광물을 수입하는 데 들어가는 비용은 연간 10억달러 정도.

2000년에는 17억달러, 2010년에는 26억달러로 늘어날 전망이어서 그 대책 마련이 시급하다.

바다에서 구할 수 있는 주요 광물자원은 주로 육지에서 유입돼 퇴적된 모래 자갈 등과 같은 연안성 골재자원과 사금 백금 주석 등과 같은 광물자원 등이 있다. 또 석유와 천연가스와 같이 수심 2백m 이내의 대륙붕에서 활발하게 개발되고 있는 에너지자원이 있다. 더 깊은 바다로 들어가 수심 8백-5천m의 심해저에는 망간단괴, 망간각, 열수유화광물 등이 있다. 요즘 세계적으로 많은 나라들이 군침을 흘리는 것이 바로 이것이다. 특히 망간단괴는 가까운 미래에 상업적인 생산이 가능한 품목으로 선진국에서는 이미 탐사를 끝내고 생산만을 기다리고 있는 실정이다.

망간단괴는 1873년에서 1876년까지 이뤄진 H. M. S. 챌린지호의 대양탐사에 의해 처음 발견됐다. 수심 4천-5천m의 해저면에 주로 분포하고 있는 망간단괴는 나이테를 그리며 점차 성장하는 광물이다. 바닷물 속의 광물질들이 퇴적물이나 바위조각에 부착돼 자라는 망간단괴의 성장속도는 1백만년에 1cm 정도로 매우 느리다

망간단괴에는 망간, 니켈, 동, 코발트 등 40여종의 유용한 금속들이 들어 있다. 육지에서 캐 내는 광물에 비해 순도가 높고, 고부가가치 첨단산업의 원재료로 쓰이는 광물을 많이 함유하고 있어 망간단괴는 '검은 황금' 으로 불리기도 한다.

1973년 석유파동 이후 일었던 자원무기화 바람을 교훈으로 삼아 선진국에서는 이미 심해저를 영토화하려는 움직임을 보이고 있다. 비교적 심해저 어느 곳에서나 망간단괴가 분포하고 있지만 채광할 만큼 경제성이 있는 곳은 일부 지역에 한정돼 있다. 그러므로 누가 먼저 차지하느냐가 중요하다.

한국은 1982년부터 주요 전략 광물자원을 장기적으로 확보하기 위해 심해저 광물자원 개발을 검토하기 시작했다. 광물자원의 수입 의존도가 큰 우리나라로선 시급한 과제였던 것이다.이듬해 한국해양연구소(KORDI)는 망간단괴가 어느 지역보다도 풍부하게 매장된 북동태평양 하와이 동남쪽 클라리온-클리퍼튼 균열대 내에서 최초의 탐사를 실시했다. 하와이대학의 해양조사선 카나케오키호(Kana Keoki)를 빌어 총 20만㎢에 달하는 지역을 탐사했다.

그러나 심해저 개발은 곧 이어 벽에 부딪혔다. 당시 심해저개발을 위한 선행국가가 되려면 3천만달러의 비용이 드는데, 이를 짧은 기간 안에 마련하는 일이 쉽지 않았기 때문이다. 이미 투자한 다른 국가들과 광구가 겹치는 문제도 신경이 쓰이는 부분이었다. 그리고 개발에 대한 불확실성까지 영향을 미침으로써 심해저 탐사는 87년까지 '개점 후 휴업' 상태로 들어갔다.

심해저 탐사가 다시 시작된 것은 1989년. 이때는 5만㎢를 탐사하는데 그쳤다. 1992년이 돼서야 본격적인 탐사가 이뤄졌는데 한국해양연구소는 해양자원 개발의 중요성을 인식한 정부의 지원으로 첨단 종합해양조사선인 온누리호(1천5백t)를 건조했다. 이때 탐사한 심해저는 50만㎢에 달했다. 1993년에는 79만6천㎢을, 1994년에는 80만㎢로 탐사지역이 늘어났다. 10여년에 걸쳐 우리 국토의 18배에 달하는 1백80만㎢을 탐사한 노력으로 우리나라는 새로운 영토를 갖게 됐다.

2백조원의 권리 확보

1994년 8월 유엔은 망간단괴가 가장 풍부한 클라리온-클리퍼튼 균열대 내의 15만㎢을 단독개발광구로 한국에게 내주었다. 우리나라는 세계 7번째로 공해 상에서 해양자원을 개발할 수 있는 땅과 권리를 확보한 것이다. 한국이 등록한 개발광구에는 망간단괴가 9억3천6백만t이 매장돼 있다. 망간단괴 내 함유돼 있는 전략금속들은 망간 1억8천4백만t, 니켈 7백64만t, 구리 6백72만t, 코발트 1백33만t에 이른다. 이를 현재의 돈을 대략 따진다면 약 2백조원 정도. 여러 개의 등록광구 중 한 곳에서 연간 3백만t의 망간단괴를 생산할 경우 전략금속자원의 자급률은 100%에 이른다.

심해저 개발을 하기 위해서는 먼저 수심 5천m의 해저에 분포하고 있는 망간단괴가 얼마나 매장돼 있는지 정확히 살펴야 한다. 이를 위해 해저면을 촬영하고 퇴적물 시료를 채취하는 것이 필요하다. 해저면의 지형과 지질학적 특성, 해양 퇴적층과 지구 지각의 지구물리적인 특성들을 파악해야만 최적의 개발 지역을 찾을 수 있기 때문이다.

심해저 개발을 위해 또 준비해야 할 것이있다. 심해자원을 개발할 때 일어날 수 있는 환경파괴를 최소화하는 연구들이다. 해양환경 파괴는 지구 전체 미치는 영향이 매우 크기 때문에 심해환경 연구는 매우 중요하다. 이는 그동안 인류가 개발이라는 명목 아래 수많은 환경파괴를 자행해 왔던 것을 반성하는 것이기도 하다. 우리나라가 심해저 개발에 앞서 많은 연구비를 들여 심해환경 연구에 신경을 많이 쓰는 이유는 여기에 있다.
 

심해저 자원 어떤 것들 있나_바다가 만들어낸 검은 황금
바닷속 광물들은 자란다. 해수와 특수한 심해환경이 고품질의 금속광물을 만들어낸다. 어떤 매커니즘으로 검은 황금들이 탄생하는 것일까.

망간단괴(manganese nodule)

망간단괴는 70여종의 원소로 구성돼 있다. 전세계의 대양저 및 호수등에 광범위하게 분포돼 있지만 사업적 가치를 지닌 망간단괴의 광상은 퇴적률이 매우 낮은 심해저 분지에 주로 분포한다. 특히 망간단괴가 많이 분포하는 지역은 적점토(redclay)와 규질연니(siliceousooze)가 퇴적 돼 있는 북태평양으로 이 지역의 적점토 퇴적률은 1-3mm/1천년, 규질연니 퇴적률은 3-5mm/1천년으로 매우 낮다.

세계에서 가장 높은 망간단괴 밀집지역은 하와이 동남쪽의 클라리온-클리퍼톤 균열대(Clarion-Clipperton Fracture zone). 이곳에는 평균 11.9kg/㎡의 망간단괴가 있다. 그래서 우리나라를 비롯해 프랑스 러시아 일본 중국 독일 영국 등 여러나라가 개발에 참여하고 있다.

망간각(managanese crust)

망간 니켈 코발트 금 백금 등의 금속자원을 함유하고 있는 망간각은 일반적으로 수심 8백-2천5백m 사이의 노출된 암반 위에 2-10cm 두께로 형성돼 있다. 태평양의 6천 6백여개의 해저산에 약 2조톤의 망간각 자원이 흩어져 있는 것으로 추정된다. 망간각을 구성하는 금속성분은 해수에서 녹아있는 것들이 붙어 생긴다. 성장속도는 1-5mm/1백만년으로 매우 느리다.

1980년대 중반 중앙태평양 해저산을 중심으로 탐사한 결과 망간각은 주요 자원으로 주목받기 시작했다. 분포수심이 망간단괴보다 깊지않아 개발비용이 적게 들 것이라는 이유 때문이다. 그래서 망간각이 망간단괴보다 상업생산이 선행될 것으로 전망하느 견해도 많다. 일부 선진국의 경우 채광을 위한 소규모 모형시스템(pilot system) 제작을 완료하고 현재 채광시험 단계에 있다.

우리나라는 1989-91년 동안 한국해양연구소와 미국국립지질조사소가 공동으로 서태평양지역에 위치한 마샬군도와 미크로네시아군도 근처의 36개 해저산을 대상으로 망간각 탐사를 수행했다.

해저열수광상(hydrothermal sulfide minerals)

해수가 해저 지각의 암석 틈새를 통해 지하로 스며들면 마그마의 영향으로 온도와 압력이 상승해 유용 금속을 다량 함유한 열수광화용액으로 변화된다. 온도와 압력이 높아진 열수광화용액은 더이상 지하 심부에 갖혀있지 못하고 다시 해저면으로 올라와 분출된다. 열수광화용액이 해저면으로 올라오는 도중 또는 분출 후에는 차가운 해수와 혼합돼 있던 아연 구리 금 은 등의 유용 금속이 침전돼 광상을 형성한다.

이와 같이 해저에서 마그마의 영향으로 뜨거운 물이 만들어지고 순환되는 과정에 의해 형성되는 광상을 해저열수광상이라 한다.

해저열수광상은 마그마의 영향을 많이 받는 곳에 주로 분포하고 있다. 주로 새로운 해저지각이 생성되고 소멸되는 중앙해령과 해구 및 호상열도 주변부에 많이 분포돼 있다. 특히 해저 지각이 새롭게 만들어지는 중앙 해령은 열수광화용액의 분출현상을 직접 관찰할 수 있다. 따라서 이곳은 지구의 신비를 밝히고 열수광상을 개발하기 위한 선진국의 각축장이 되고 있다.

1960년대에 홍해의 해저 퇴적물에서 열수작용으로 형성된 다금속 이질광상(여러 금속이 포함돼 있다는 뜻)이 처음 발견됐다. 그후 미국 프랑스 캐나다 등 서구 선진국들의 탐사로 해저열수광상이 발견되고 자원으로서 경제적 가치도 확인됐다.

1980년대에 이르러 중앙해령을 중심으로 자원 확보를 위해 선진국들의 경쟁이 본격화되면서 심해저 탐사는 해구와 호상열도 주변지역으로 확대됐다. 현재는 선진국 뿐 아니라 많은 나라에서 해양자원의 중요성을 인식하기 시작해 배타적 경제수역에 있는 열수광상을 탐사해 기득권을 얻으려고 뛰어들고 있다.

심해저 탐사 어떻게 하나_원시적 도구와 첨단 장비의 조화
높은 수압과 어둠 속에서 심해저 탐사는 어떻게 할까. 빛도 전파도 무용지물인데 어떻게 통신이 가능할까.

깊은 바닷속을 탐사하는 일은 매우 어렵다. 수중에서는 빛이나 전자기파를 이용해 관찰하고 통신하는 일이 불가능하다. 또 탐사장비들은 높은 수압을 견뎌내야 한다. 심해저에서 빛이 통과하는 거리는 매우 짧다.

할로겐이나 비활성기체(헬륨 네온 아르곤 크립톤 크세논 라돈 등)의 빛은 15m이상 나가지 못하고, 레이저 빔을 이용해도 고작 40m밖에 진출하지 못한다. 또 전자기파는 물속에서 에너지가 급격히 감소하기 때문에 거의 투과하지 못한다.

다행스럽게 음파는 수중에서 감쇄현상이 적어 통신하는데 유용하다. 따라서 잠수정이나 선박의 통신, 잠수정의 위치 확인, 장애물 탐지에 쓰인다. 그렇지만 물속에서 음파의 진행속도는 1.5km/초로 느리다. 또 바닷물의 밀도 차이가 균일하지 않아 그 속도가 변한다. 음파는 주파수가 낮아 반송되는 정보량이 적고 해상력도 나쁘지만 바닷속에서는 최선의 탐사수단이 된다.

한국해양연구소에서 지구물리 탐사를 위해 사용하는 광역수심측정기(SeaBeam 2000)도 음파의 특성을 이용한다. 지구물리탐사를 통해 해저기반암의 심도와 해저면의 분포, 퇴적층의 두께, 지형의 변화 등 다양한 해저지질 정보를 얻을 수 있다.

수압의 경우도 심해저 탐사하는데 큰 적이 된다. 수압은 10m를 잠수할 때 마다 1기압씩 올라간다. 그러므로 망간단괴가 분포하고 있는 수심 5천-6천m까지 내려가려면 최소한 5-6백기압을 견뎌내야한다. 이것은 엄지손가락만한 면적에 10명의 사람이 올라선 정도의 압력이다.

1만m 이상을 탐사하는 무인탐사로봇(ROV, Remotely Operated Vehicle)이나 자율형 무인탐사로봇(AUV, Autonomous Underwater Vehicle)은 이러한 압력을 견뎌내기 위해 초고장력강이나 티탄합금을 사용해서 제작된다. 보통의 물보다 4천배 이상의 전기 전도도를 지닌 심해저의 해수는 탐사장비들을 부식시키는 강한 적이 된다.

이밖에도 심해저 탐사를 위해선 첨단 항법장치가 필요하다. 깊은 바닷속에서 정확한 위치를 파악하는 일은 마치 63빌딩 꼭대기에 앉아 한강에 낚시를 드리우고 고기를 낚는 것과 같은 일이다.

심해저 탐사에서 광물이나 퇴적물, 또는 해수를 채취하는 일은 중요하다. 여기에는 해수 채취기, 퇴적물을 채취할 때 이용하는 상자형 시료채취기(box corer), 피스톤식 시료채취기(piston corer), 망간단괴를 채취할 때 이용하는 자유낙하식 시료채취기(free fall grab)와 주머니식 시료채취기(dredge) 등이 쓰인다. 바닷속에서 시료를 채취할 때는 채취장소의 특성을 보존하기 위해서 들어올리는 동안 시료가 흩어지지 않도록 해야 한다.

해수 채취기는 해수룰 채취한 깊이에서 닫혀지도록 설계돼 있다. 생물체를 포함한 표층수, 부유물질을 함유한 중층수와 저층수들을 떠옴으로써 해저환경 연구에 이용된다.

상자형 시료채취기는 해저퇴적층을 채취할 때 쓰인다. 회수된 퇴적물들을 보면 채취장소의 지화학적 광물학적 토질역학적 생물학적 특성을 알 수 있다. 피스톤식 시료채취기는 수십m 깊이의 주상 퇴적물을 채취할 때 쓴다.

자유낙하식 시료채취기는 부메랑 시료채취기라고도 불리는데 무거운 물질을 안고 중력으로 바닷속에 들어갔다가 시료를 채취하면서 무거운 물질을 떨어뜨리고 부력에 의해 다시 해수면으로 올라오도록 설계돼 있다. 이것은 망간단괴를 채취할 때 유용하다. 주머니식은 가장 단순한 형태의 시료채취 기구로서 자루 물통 형태의 채취기구를 해저면에서 끌면서 시료를 모아 올리는 방식이다. 원시적인 기구이지만 가격도 저렴하고 특별히 대체할 만한 장비가 없어 현재도 많이 쓰인다.

최근에는 전자장비를 갖춘 탐사장비들이 개발되고 있다. 독일 프로사그사는 목표물을 채취하기 전에 조사선에서 모니터로 확인하고 시료를 선택적으로 채취할 수 있는 장비를 개발했다. 이러한 시료채취기는 동축케이블을 사용하며, 암석을 부숴 채취할 수 있을 만큼 강력하다.

한국해양연구소가 현재 보유하고있는 광역수심측정기는 시속 20km의 속력으로 달리면서 해저 14k㎢의 면적을 한꺼번에 측정할 수 있다. 심해저 탐사는 원시적인 채취도구와 첨단 전자장비들이 조화를 이루고 있다고 할 수 있다.
 

도전받는 심해저환경_예기치 못한 생태계 변화 예상해야

개발과 환경보존은 동전의 앞뒤면처럼 함께 생각해야 한다. 심해저 개발도 예외일 수 없이 환경보존이라는 측면을 함께 고려해야한다. 드넓은 태평양 해저면에 깔려 있는 광물을 채취할 경우 많은 흙탕물이 발생할 수 밖에 없는데, 해저 퇴적물에 서식하는 저서생물들을 질식시킬 수있기 때문이다. 또 예기치 못한 생태계 변화를 일으킬 수도 있다.

이러한 우려때문에 심해저 개발에는 반드시 환경조사가 선행되야 한다. 그래서 유엔은 망간단괴 등 심해저 광물자원을 개발하는 나라가 반드시 심해저 환경파괴에 관한 연구를 하도록 국제해양법으로 의무화하고있다. 이미 미국 일본 독일 러시아 등이 심해환경 연구에 많은 노력을 기울이고 있다. 우리나라는 현재 통상산업법부의 예산 지원으로 한국해양연구소에서 심해환경연구를 수행중이다.

1900년대에 이뤄진 주요 심해환경 연구로는 심해광업 및 환경 연구(DOMES)， 망간단괴 프로그램(MANOP), 지구 기후 변화에 따른 적도 태평양의 역할연구(TOGA)등이 있다. 1990년대에는 세계대양 해류관측실험(WOCE)과 해양대기육상간 지구환경변화연구(GOALS) 등이 추진되고 있다.

그러나 심해환경 연구에 대한 비난도 없지 않다. 선진국 수준으로 요구하는 심해환경 연구를 하려면 막대한 비용이 드는데, 후진국은 이러한 비용을 지불할 능력이 없기 때문이다. 그래서 심해환경 연구가 후진국의 심해저 개발 참여를 교묘하게 막고 있다는 주장이다. 이유야 어떻든 심해환경 연구를 통해 환경파괴를 막는 일은 미래의 후손들을 위해서 이뤄져야 할 과제이고, 그린라운드에 대한 대비책이다.