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침강된 지각 용암형태로 재분출한다

지구내부 비밀 밝히는 '판-플룸 순환이론'

지각은 깊이 침강하여 용암의 플룸에서 솟아오르며, 이 순환이 완성되는 데는 수백만년이 걸린다.

지구물리학자들은 최근 지구 내부 열기관의 메커니즘을 이해하는데 있어 두드러진 진전을 보였다. 근착 '뉴욕 타임스'에 따르면 지구물리학자들은 지난 수개월을 거치면서 해저를 구성하는 거대한 지판(地板)이 지구 맨틀 깊숙이 침강하여 거대하고도 뜨거운 암석의 플룸(방사성원소가 농집되어 다른 곳보다 온도가 높고 반용융상태인 지점)을 통해 순환한다는 사실에 동의하게 되었다고 한다.

이중 일부는 그 플룸이 지구의 핵에서 나오는 열에 의해 하와이 열도같은 해양열도를 구성하거나 거대한 용암으로 대륙을 뒤덮기도 한다고 믿고 있다.

지구 내부에 관한 권위자인 미셀 위세션 워싱턴 대학 교수는 이 발견이 과학적 시기 구분에 있어서 판구조른에 필적할 만한 '두번째 혁명'이라고 주장한다. 30년 전부터 받아들여져온 판구조론은 지질학적인 시간을 통해 대륙이 지속적인 운동을 하고 있으며 거대한 판들을 따라 움직인다는 것을 보여주었다.

여기 비해 새로운 이론은 거대한 지판 밑에서 벌어지는 일의 많은 부분을 설명해준다. 위세션 박사는 이 이론들이 '그림의 다른 절반부'를 보여준다고 표현한다. 판구조론은 점진적으로 움직이는 해양판들이 결국은 냉각되어 남아메리카 서부 해안이나 알류산 열도의 남쪽 호와 같은 깊은 해구 속으로 사라지면서 맨틀 속으로 들어가게 된다고 인식했다. 그러나 그 이후의 지판의 운명은 불분명했다.

새로운 이론은 지판이 수백만년 동안 형성된 해양 퇴적물을 운반하면서 맨틀 속에서 수백만년 후에 지표로 분출되어 나오는 뜨거운 암석의 거대한 플룸의 체계로 순환한다고 주장한다.

지금까지 약 60개의 플룸이 확인됐는데, 이들은 해양의 섬 밑과 대륙의 심장부에 있는 화산들에서 상승한다. 이 플룸들이 생겨나는 깊이가 어느 정도인지는 아직 확실하지 않다. 그러나 그것들이 해양판의 물질들, 즉 한때 표면에 있었던 생물들과 연관된 탄소와 산소를 포함하고 있다는 사실이 현재 논란을 부르고 있다.

코넬대학의 지구물리학자인 윌리엄 화이트 박사가 '네이처'지에 발표한 논문에 따르면, 남태평양의 어느 한 플룸으로부터 분출된 화산암의 유리질 성분 속 산소를 분석해보면 한때는 그것들이 지구 표면에 있었던 구성성분을 포함하고 있다는 결론을 피할 수 없다고 한다.

독일의 연구선인 '소네'가 피카인섬에서 떨어진 해산(海山)에서 채취한 유리질 성분은 오스트레일리아 영국 독일인으로 구성된 과학자팀에 의해 분석됐다. 비록 플룸이 지구 깊숙한 곳으로부터 유리질 성분을 운반했을 가능성을 배제할 수는 없지만, 권위자가 말하듯이 오래전에 지표와 접촉했음을 보여주는 산소를 포함하고 있다. 다시 말해 그 일부는 한때 해저나 대륙이었다는 말이 된다.

화이트박사는 주석에서 플룸들이 탄소가 풍부한 고생대 화석들을 운반하기 때문에 결과적으로 그것이 대기로 이산화탄소를 운반하는 것은 그린하우스 가스(그린하우스 효과에 관련된 가스인듯: 역주)의 수위에 영향을 미친다고 주장했다. 그는 "심층 맨틀 순환과 맨틀 플룸은 장기적인 기후조절을 담당하는 듯하다"고 말했다.

뜨거운 플룸들이 지표에 도달하면 일련의 해양 열도를 형성하기도 한다. 육지에서는 60만년전 3백50평방마일의 화산재로 북아메리카를 뒤덮은 옐로스톤 국립공원 아래의 반휴지기 화산들과 같은 종류의 화산들을 만들어낸다. 대륙이 서쪽으로 이동하면서 이 플룸은 남 아이다호를 가로지르는 일련의 화산 흔적을 남겼다.

다른 플룸들은 광대한 영역을 용암으로 뒤덮을 수도 있다. 1천5백만년전 워싱턴과 오레곤의 대부분을 용암이 뒤덮었던 경우처럼 이런 현상은 단 하루의 짧은 순간에도 일어났다. 맨틀 심층부에서 발생하는 사건들의 영향으로 플룸들은 서서히 지표를 변형시켜 왔다.

지난 달 볼티모어에서 있었던 '미국 지구물리학 협회'에서 과학자들은 맨틀 속으로 들어가서 플럼에서 상승하는 지판의 움직임에 대해 세부적인 것들을 논의했다. 많은 참석자들이 지판이 맨틀을 완전히 통과하여 밀려들어 가서 지구의 용융된 핵과 맨틀을 구분하는 요동층(turbulent layer)까지 도달한다고 주장했다. 지진 기록이 보여주는 암시는 이 요동층이 지표에서도 가장 산이 많은 지역보다 더 불규칙하다는 것을 보여준다.


솟아오른 뜨거운 용암
 

암석의 거품이 섬들을 만든다

지진 기록은 맨틀이 상부와 하부로 나뉘는 것을 증명한다. 어떤 과학자들은 하부 맨틀이 상부와 화학적으로 다르고, 해양판의 물질이 맨틀의 바닥인 지하 1천8백㎞가 아니라 맨틀의 상하부 경계선인 4백㎞까지만 침강한다고 주장했다. 아마도 플룸들은 그 경계지역에서 생겨날 것이다. 그러나 두 부분의 유일한 차이점은 단지 하부 맨틀의 밀도가 크다는 점이므로, 대부분은 아니지만 많은 지판이 바닥까지 침강한다고 학자들은 믿고 있다.

학회에서는 해양판들이 상부 맨틀의 바닥에 모여 보다 밀도가 큰 상태가 된 다음에 결국 아래로 뚫고 내려간다는 중간적인 이론이 폭넓게 논의되었다.

위세션 박사는 같은 과정이 플룸에서 암석이 상승하는 데도 영향을 미치리라는 의견을 제시했다. 플룸은 상부 맨틀의 바닥으로부터 압력을 받는데, 결국에는 이 압력으로 상부 맨틀을 뚫게 된다. 플룸은 연속적인 흐름이 아니라 각기 거대하고도 뜨거운 암석 거품의 형태로 맨틀을 뚫고 나간다. 수천년을 거쳐 맨틀 정상의 해양저에 도달한 거품은, 각기 대륙에서는 화산, 해양에서는 섬을 창조한다. 거품의 연속적인 도달은 열도로 표시된다.

몇개의 열점(熱点)이 분출하여 폴리네시아 열도를 형성하는 남태평양 해저의 3천평방 마일 지역처럼, 플룸의 상승은 전지역을 융기시킬 수도 있다. 비슷한 융기가 아이슬랜드와 하와이 열도, 남태평양의 커구런 열도 아래에서 발생했다.

지진파와 더불어, 맨틀 속의 움직임에 대한 다른 증거들이 자기 측정과 심층 지구의 압력 하에서 시험된 암석, 해도(海島)와 해령에서 수집된 것들과의 비교에서 구해진다.

플룸이 기원한다고 믿어지는 맨틀과 액체핵 사이의 지역은 '사이언티픽 아메리카' 최근호에서 '지구의 가장 극적인 구조'로 묘사되고 있다.

캘리포니아 대학 버클리교의 레이몬드 진로츠(Raymond Jeanloz) 교수와 산타 크루즈 대학의 손 레이(Thorne Lay) 교수는 이 지역이 아마도 지구에서 '지질학적으로 매우 활동적인 지역'일 것이라고 덧붙였다. 노르웨이와 다른 지역의 지진 감지자에 의해 밀집된 집단으로 표시되는 이 층은, 넓이가 수마일에 이르고 두께가 1마일보다 작은 것에서 2백마일에 이르는 범위를 가진 '덩어리들'로 이루어졌다는 것이 증명됐다.

핵-맨틀 경계부를 논의하면서 두 과학자는 이 지역이 플룸이 기원하는 곳이라고 못박기를 피했다. 레이박사는 자신이 그 이론을 선호하기는 하지만 아직 경계부나 상부 맨틀의 바닥이 지판의 마지막 종착역이며 플룸들의 기원인지는 확신할 수 없다고 말했다.

화산형성을 둘러싼 세가지 이론

많은 지질학자들은 핵으로부터 상승한 열이 플룸을 움직이는 에너지의 1차적인 기원이라고 믿는다. 과거 언급돼왔던 방사성 원소의 붕괴에서 오는 열은 동력원으로서는 너무 미약해 보이기 때문이다.

판-플룸 순환 이론은 지구물리학자들이 완벽한 화산형성이론을 제시하는 것을 가능하게 한다. 현재는 세가지 기원이 있다. 지각이나 해저를 뚫고나온 플룸이 그 첫번째 것이다. 지판이 하강하면서 압축되는 것이 또 하나다. 이 메커니즘이 북서태평양의 캐스케이드(cascade) 해령과 남아메리카 서부의 일련의 화산들을 형성했다고 믿어진다.

화산활동의 세번째 기원은 지각판이 분리되는 중앙해령과 다른 지역들이다. 용암은 분리되는 해양판의 틈 사이를 채우면서 스며 나온다. 용암의 조성은 그것이 상부 맨틀에서 기원했으며 이전의 믿음과는 반대로 지판을 움직이는 심층순환의 일부가 아니라는 것을 보여준다.

독일 마인츠의 막스 플랑크 연구소와 브뤼셀의 자유대학 과학자들은 '네이처' 5월호에서 플룸의 수명은 기존에 발표됐듯 수십억년이 아니라 수억년에 불과한 듯하다고 발표했다. 그들의 결론은 현재 남인도양 허드섬 아래의, 이전에는 플룸의 상부였을 10군데의 지역에서 수집한 용암 표본의 방사선 연대측정에 근거했다.

인도양 해저가 북쪽으로 이동하면서 이 플룸은 11억7천만년전 인도에서 현재 라즈마할 트랩으로 알려진 용암 지대를 형성했다고 과학자들은 말한다. 인도양 아래에서 그것은 2천 마일이나 계속된 나인티이스트(ninetyeast) 해령으로 알려진 화산 노두를 형성했는데, 이 뒤를 2천만년에서 4천만년 전에 커쿠런 열도가 뒤따랐다.

표본 중 7개는 '해양시추계획'과 그 이전의 '심해시추계획', 광범위한 국제적인 참가 속에 이루어진 미국 탐사에서 구해졌다. 그때 플룸은 "이미 쇠퇴단계에 들어가 있었을 것"이라고 과학자들은 말한다.

지판에 실린 두꺼운 퇴적물층이 깊은 곳에서 어떻게 되는지에 대해서는 오랫동안 토론이 있어왔다. 어떤 퇴적물은 깎여서 캘리포니아 가장자리에서처럼 산맥지대를 형성한다고 생각된다. 최근에 보여지듯 어떤 것은 지판과 함께 심층까지 하강했다가 상승하는 플룸 속으로 휩쓸려 들어간다. 그리고 어떤 퇴적물은 얕은 깊이에서 하강하는 지판 위로 분출하는 용암 속으로 통합되기도 한다.

지난 4월 콜롬비아 대학 지구 관측소의 테리 프랑크 교수와 찰스 랭뮈어 교수는 '네이처'지에 퇴적물의 일부가 이 분출된 용암 속에서 다시 지표로 옮겨진 증거를 제시하였다. 그들은 해저가 지각 아래로 침강하는 알류산열도, 앤틸스, 통가와 마리아나 열도, 멕시코와 과테말라 등 8개 해구의 퇴적물을 추적, 그 속의 원소를 연구했다. 연구자들은 추적 원소의 풍부도가 해구마다 다양하지만, 각각의 지역에서는 그곳에서 분출된 용암 속의 퇴적물과 일치함을 발견했다.


(그림2) 지구의 CT 영상에서 드러난 플룸
 

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1993년 08월 과학동아 정보

  • 월터 설리반 뉴욕타임즈

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