“지구 맨틀하부에, 가라앉는 석판들 ‘정체구간’ 있다”

지구 맨틀의 고압환경에서 점성 상승 '새로운 층' 발견

정체구간 지나면 지각 석판 가라앉는 속도 다시 높아져


00earth_mantle.jpg » 지구 맨틀을 구성하는 광물의 물성을 측정해보니 압력이 높은 맨틀하부에선 물질의 점성이 매우 높아져, 가라앉는 지각 석판들이 이곳에 '고이는' 정체 현상을 빚는 것으로 나타났다고 미국 연구진이 밝혔다. 출처/ 미국 유타대학교

각과 맨틀, 핵으로 이뤄진 지구 땅덩어리에서, 해양지각 판의 끄트머리는 솟아나는 마그마가 만드는 반대쪽의 새로운 지각에 밀려 다른 지판 아래로 말려들어간다. 그러곤 지구 내부 맨틀 층상으로 돌아갔다가 다시 마그마로 솟아오른다. 수억 년이 걸리는 순환운동이다.


그런데 이런 순환운동에서 잘 설명되지 않았던 대목이 있다고 한다. 다른 판 아래로 말려들어가는 섭입(subduction) 작용으로 지구 내부 세계로 가라앉는 지각 석판(slab)이 맨틀하부의 일정한 깊이에선 정체하는 모습을 보인다는 것이다.


☞ 용어 설명

00earth1.jpg 지각(crust)은 지구의 껍데기 부분으로 대륙 지각과 해양 지각이 있다. 대륙 지각의 평균 두께는 33km이고, 해양 지각의 평균 두께는 10km이다.

맨틀(mantle)은 지각 아래에 있으면서 외핵을 둘러싸고 있는 두꺼운 암석층이다. 지표면에서 깊이 30~2900km에 분포하며 지구 부피의 70%가량을 차지한다.

지구핵(core)은 깊이 약 2900~5100km의 외핵과 약 5100~6400km의 내핵으로 나뉜다.


(설명 출처/ 위키백과 ko.wikipedia.org)


이런 맨틀하부의 ‘정체구간’이 지금까지 알려지지 않았던, 다른 물성을 지닌 새로운 층(layer)으로 보인다는 연구결과가 나왔다.


맨틀에서 깊이 410 마일(대략 660km)에서 930 마일(대략 1500km)까지 구간에서, 압력이 높아질수록 이 층을 이루는 광물의 강도가 세지고 점성도 엄청나게 커져 내부로 가라앉던 석판의 하강이 느려져 정체하기 때문이라는 것이다. 미국 유타대학교의 지질학자인 로웰 미야기(Lowell Miyagi) 연구팀이 발표한 이 연구 결과는 과학저널 <네이처 지오사이언스(Nature Geoscience)>에 최근 발표됐다.


이번 연구는 그동안 이 분야에서 제기된 문제를 풀이하는 과정에서 나온 것이다. 다음은 같은 저널에 실린 다른 연구자의 논문 해설이다.


“인도네시아 밑에서, 조밀하고 차가운 인도-오스트레일리아 판이 가라앉아 맨틀로 들어간다. 지진기록은 밑으로 말려들어가는 석판의 진행을 보여주며, 석판이 충분히 지구 맨틀하부로 뚫고 들어가는 것을 보여준다. 그렇지만 이런 활 모양 서쪽 면에서, 석판은 대략 1000km 깊이에서 펑퍼짐해지며 정체하는 듯한 모습을 보여준다. 다른 석판들도 또한 지구 맨틀하부를 거쳐 하강하는 동안에 정체한다. 그러나 이처럼 석판들이 이 깊이에서 정체하도록 만드는 구조나 성분 변화는 알려진 바가 없다. <네이처 지오사이언스>에 실린 논문에서, 저자들(Marquardt와 Miyagi)은 흔한 맨틀 광물인 페로페리클레이스(ferropericlase, 철마그네슘 산화물)의 강도가 압력에 의해 커지며 이것이 말려들어가는 석판들을 둘러싼 맨틀 암석의 점성을 높여서 석판이 아래로 더 가라앉는 걸 가로막는다는 설명을 제시한다.”


유타대학의 보도자료를 보면, 연구진은 페로페리클레이스 광물의 강도가 지구 내부 410 마일 깊이에 해당하는 압력(대기압의 23만5000 배)을 받을 때 증강하기 시작해 930 마일 깊이의 압력(대기압의 64만 배)에서는 최고인 3배까지 증강한다는 것을 광물 시료의 압착 실험으로 보여주었다. 깊은 곳일수록 광물의 강도는 높아지고 점성은 훨씬 더 커져, 석판의 가라앉는 속도를 늦춘다는 것이다. 다음은 유타대학교 보도자료의 일부이다.


“연구진은 맨틀하부의 상층부에서 (다른 주요 광물인) 브리지머나이트와 섞인 상태에서 페로페리클레이스가 어떻게 거동하는지를 보는 시뮬레이션을 시행했으며, 이를 통해 930 마일 깊이에서 맨틀 암석의 점성은 410 마일 깊이에 놓일 때보다 대략 300배나 더 크다는 계산 결과를 얻어냈다.”


광물의 성분은 변함이 없지만 압력이 높아지면서 광물의 점성 성질은 급격히 변해, 가라앉던 석판의 하강 속도를 크게 늦춤으로써 석판들을 정체하게 하는 구실을 한다는 것이다. 연구자인 미야기 박사는 “지구에는 양파처럼 많은 층이 있다”면서 “대부분 층은 광물 성분에 의해 규정되는데 이번 발견은 광물의 성분이 아니라 광물의 강도가 변화해도 새로운 층을 형성할 수 있음을 보여준 것”이라는 말로 연구결과의 의미를 설명했다. 그는 또한 “지진 데이터의 영상에서는 인도네시아와 남미 태평양 해안 아래 대략 930 마일 깊이 부근에서 많은 석판들이 ‘고여 있는’(pool) 모습을 보여준다”면서 이번에 발견된 점성 맨틀 내부의 층이 이런 독특한 현상을 설명해준다고 말했다 (보도자료 참조).


00earth_mantle2.jpg » 지구 맨틀의 주요 광물이 맨틀의 고압 환경에서 어떤 물성을 나타내는지 측정하는 데엔 다이어몬드 압착 장치가 사용됐다. 사진에서 연구자인 미야기 박사가 간단한 압착 장치를 들어 보여주고 있다. 사진/ 미국 유타대학교보다 흥미로운 점은 눈으로 직접 볼 수 없는 저 깊은 지구 내부 구조의 수수께끼를 푸는 데 한발짝 다가선 문제풀이가 실험실에서 이뤄진 작은 광물 시료의 분석 결과에서 비롯했다는 점이다.


연구진은 광물 브리지머나트와 더불어 맨틀을 이루는 주요 광물 중 하나인 페로페리클레이스의 시료가 지구 내부로 깊숙이 들어갈수록 높아지는 압력에 의해 어떤 물성 변화를 일으키는지 분석했다. 장치는 간단했다. 끝이 뾰족한 다이어몬드 2개 사이에 페로페리클레이스 광물 시료를 두고서 양쪽의 다이어몬드로 광물 시료를 압착했다. 압착으로 압력을 높이는 데엔 프레스 장치를 이용했다(오른쪽 사진). 이때에 광물 시료에 나타나는 물성 변화는 물질의 미시세계를 보는 도구인 '엑스선 회절' 분석을 통해서 관찰했다.


연구진은 맨틀하부 410~930 마일 깊이의 정체구간을 지나면 점성이 다시 떨어지며, 이 때문에 지각 석판은 다시 좀 더 쉽게 가라앉는 것으로 시뮬레이션 연구에서 나타났다고 전했다. 가라앉은 석판은 수억 년 순환운동 기간을 거쳐 아주 오랜 시간 뒤에 마그마로 분출되어 다시 지각으로 떠오를 것이다.


  참조할 만한 사이언스온의 글들 

[맨틀 광물] 지구 38% 흔한 광물이 이제야 학명 얻은 까닭은 (2014. 12. 01)
http://scienceon.hani.co.kr/219324
 
[점성] ‘빠름빠름의 시대’에 눈길 끄는 ‘느린 과학들’ (2013. 03. 21)
http://scienceon.hani.co.kr/88061
 
[중앙해령] 아라온호, 남극해저 탐사 열수분출구 신호 첫포착 (2011. 08. 03)
http://scienceon.hani.co.kr/31484


  논문 초록

해양암석권의 섭입(subduction)은 지구의 표면과 대기 물질이 순환하면서 깊은 맨틀로 돌아가는 주요한 과정이다. 기진기록을 이용한 영상은 섭입 작용을 하는 해양암석권 석판(slab)이 얕은 맨틀하부에서 정체하며 펑퍼짐해질 수 있음을 보여준다. 맨틀하부를 이루는 브리지머나이트(bridgmanite)와 페로페리클레이스(ferropericlase)는 이 정도 깊이에서 어떤 구조적 변화(transition)를 보이지 않으므로, 최소 2500km 깊이까지는 점성 변이(variation)가 완만하게 나타날 것으로 예측된다. 석판의 정체(stagnation) 현상은 지구 맨틀 심부에 화학적으로 아주 다른 저장소를 만들 수도 있는데, 그런 석판 정체의 이유는 현재 불분명하다. 이번에 우리 연구진은 싱크로트론 방사 엑스선 회절을 사용해 최대 96 기가파스칼(GPa) 압력에 나타나는 페로페리클레이스의 변형 거동을 측정했다. 우리는 페로페리클레이스 강도(strength)가 20에서 65 기가파스칼로 바뀔 때에 3배가량 증가함을 발견했다. 우리 실험 데이터에 기반을 두어 행한 모델링에서는 섭입하는 석판 주변의 이곳 점성이 맨틀하부의 상층 900km를 통과하면서 두자리 수(2.3 orders of magnitude)나 증가하는 것으로 나타난다. 그처럼 점성의 강한 증가는 얕은 쪽의 맨틀하부(shallow lower mantle)를 거쳐 가라앉는 석판에 정체 현상을 초래할 수 있다.

오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr      

@한겨레 과학웹진 사이언스온      

 
 

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오철우 한겨레신문사 과학담당 기자, 사이언스온 운영
1990년 한겨레신문사에 입사해 편집부, 사회부, 문화부, 생활과학부 등을 거쳤으며 주로 과학담당 기자로 일했다. <과학의 수사학>, <과학의 언어>, <온도계의 철학> 등을 번역했으며, <갈릴레오의 두 우주체제에 관한 대화>를 썼다.
이메일 : cheolwoo@hani.co.kr      

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