September 26,2018

지구 맨틀 속 곳곳에 ‘물 주머니’ 있다

다이아몬드 속 불순물로 지하 800㎞ 액체 존재

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액체 상태의 물 주머니(water pockets)가 지구 맨틀 속 800㎞ 깊이에서도 존재할 수 있다는 최초의 직접적인 증거가 발견됐다.

미국 라스베이거스대(UNLV) 지구과학자인 올리버 샤우너(Oliver Tschauner) 박사팀은 지구 내부에서 솟아 올라온 다이아몬드를 분석한 결과 Ice-VII라고 불리는 독특한 결정화된 물의 흔적을 발견해 지구 속 물 주머니의 존재를 확인했다고 밝혔다.

이 연구는 ‘다이아몬드의 Ice-VII 함유: 지구 깊은 맨틀 속 수성 유체에 대한 증거’란 제목으로 과학저널 ‘사이언스’(Science) 8일자에 발표됐다. Ice-VII는 얼음의 입방 결정체로 온도를 실온으로 낮추거나 중수(D2O) Ice- VI을 감압해 3만 기압 이상의 액체 상태 물에서 형성되는 것으로 알려져 있다.

남아프리카에서 채굴된 화성암인 킴버라이트에 섞여있는 다이아몬드 결정체 Credit: UNLV News Center / Shutterstock

남아프리카에서 채굴된 화성암인 킴버라이트에 섞여있는 다이아몬드 결정체 Credit: UNLV News Center / Shutterstock

불순물 섞인 다이아몬드가 보배

보석산업에서 불순물이 섞인 다이아몬드는 가치가 떨어진다. 그러나 샤우너 같은 지구과학자들에게 함유물이 섞여있는 다이아몬드는 반대로 무한한 가치를 지닌다. 그 이유는 이 같은 함유물은 지구 내부 작용을 이해할 수 있는 열쇠가 될 수 있기 때문이다.

연구를 위해 중국, 남아프리카공화국, 보츠와나의 땅 속에서 올라온 다이아몬드를 조사 분석한 샤우너 박사는 이것이 “세계적인 현상”이라고 밝혔다. 연구팀은 조사에 사용된 다이아몬드가 화씨 1000도(섭씨 538도) 이상에 달하는 맨틀 속에서 생성됐다고 추론했다.

지구 부피의 80% 이상을 차지하는 맨틀은 철과 알루미늄 및 칼슘을 포함하는 규산염 광물로 이루어져 있다. 그런데 이번 연구 결과로 이 목록에 물을 더하게 됐다.

지구 내부 단면도. 1. 대륙의 지각 2. 해양 지각 3. 상부 맨틀 4. 하부 맨틀 5. 외핵 6. 내핵 A:  지각 - 맨틀 경계 B : 지구 핵 - 맨틀 경계 C : 내핵과 외핵의 경계 Credit: Wikimedia Commons / Dake

지구 내부 단면도. 1. 대륙의 지각 2. 해양 지각 3. 상부 맨틀 4. 하부 맨틀 5. 외핵 6. 내핵 A: 지각 – 맨틀 경계 B : 지구 핵 – 맨틀 경계 C : 내핵과 외핵의 경계 Credit: Wikimedia Commons / Dake

맨틀 속에서 수성 유체 자연 발생”

다이아몬드에서 Ice-VII를 발견한 것은 깊은 맨틀 속에서 수성의 유체가 자연 발생했다는 사실을 알려주는 최초의 증거다. Ice-VII는 이전의 실험실 연구에서 물질에 강력한 압력을 가했을 때 생성된 적이 있다. 샤우너 박사는 또 지표에서 발견된 딱딱하게 굳은 다이아몬드 속에 있는 Ice-VII 는 단단하다는 사실을 발견했다. Ice-VII 가 맨틀 속에 있을 때는 액체상태다.

샤우너 박사는 “이러한 발견들은 지구 내부의 물이 풍부한 지역들이 지구의 수자원과 열을 방출하는 방사성 원소들의 움직임에 영향을 줄 수 있다는 것을 이해하는데 중요하다”고 말했다.

이번 발견은 과학자들이 지구 내부에서 일어나고 있는 일, 특히 지각 아래에서 열은 어디서 어떻게 생성되는지에 대한 새롭고 더 정확한 모델을 만드는데 도움을 줄 수 있다.

 Ice-VII의 결정 구조.  Ice-VII는 얼음의 입방 결정체로서 온도를 실온으로 낮추거나 중수(D2O) Ice- VI을 감압해 3만 기압 이상의 액체 상태 물에서 형성된다.   Credit: Wikimedia Commons / Yadevol

Ice-VII의 결정 구조. Ice-VII는 얼음의 입방 결정체로서 온도를 실온으로 낮추거나 중수(D2O) Ice- VI을 감압해 3만 기압 이상의 액체 상태 물에서 형성된다. Credit: Wikimedia Commons / Yadevol

지구 작동 이해하는 또다른 퍼즐 조각”

샤우너 박사는 “이를 다른 말로 하면 지구가 어떻게 작동하는지를 이해하는 또다른 퍼즐 조각”이라고 지칭했다.

샤우너 박사는 종종 어떤 발견이 그러하듯, 이번 발견도 우연히 이루어졌다고 밝혔다. 그는 “우리는 실제로는 이산화탄소를 찾고 있었고, 지금도 찾고 있다”며, “그 과정에서 다이아몬드 속의 Ice-VII 를 발견하게 됐다”고 말했다.

이번 연구에는 시카고대, 캘리포니아 공대, 중국 지구과학대, 마노아 하와이대, 토론토의 로열 온타리오 박물관 과학자들을 비롯해 UNLV 지구과학과 시춘 황(Shichun Huang) 조교수가 논문 공저자로 참여했다.

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