화산이 형성되는 새로운 방법 발견

맨틀 천이대서 마그마 스며올라와 형성

버뮤다의 분홍빛 모래 해변과 청록색 파도는 이곳을 즐겨 찾는 관광객들의 눈을 사로잡는다. 이 버뮤다의 해저 깊은 곳에서 최근 흥미로운 지질학적 연구가 이루어졌다.

지구과학자들이 화산이 형성되는 새로운 방법을 발견한 것. 이들은 물과 결정체, 용융 암석이 풍부한 지구 맨틀 천이대(mantle transition zone)의 심부 물질이 지표로 스며 올라오면서 화산을 형성한다는 직접 증거를 확인했다.

과학자들은 오래전부터 지구 맨틀 상부에서 움직이는 지각판들이 수렴하거나, 혹은 지구 핵과 맨틀 경계에서 원통형 용암인 맨틀 융기(mantle plumes)가 지표로 분출됨으로써 화산이 형성된다고 알고 있었다.

따라서 지표 아래 440~660㎞ 깊이에 있는 맨틀 천이대에서 뿜어져 나오는 물질이 화산을 만들 수 있다는 증거는 지질학자들에게 새로운 사실이다.

논문 시니어 저자로 미국 코넬대 지구 및 대기과학과 에스테반 게이즐(Esteban Gazel) 부교수는 “우리는 화산이 만들어지는 새로운 방법을 발견했다”고 말하고, “지구 맨틀 천이대 심부에서 화산이 형성될 수 있는 명백한 표시를 발견한 것은 이번이 처음”이라고 밝혔다.

이 연구는 과학저널 ‘네이처’(Nature) 15일자에 발표됐다.

버뮤다는 독특한 화산의 과거를 지니고 있다. 3000만년 전 맨틀 천이대에 교란이 일어나 마그마가 올라오면서 섬들이 자리하고 있는 현재의 휴화산 토대를 형성했다.  Credit: Wendy Kenigsberg / Clive Howard – Cornell University, modified from Mazza et al. (2019)

버뮤다는 독특한 화산의 과거를 지니고 있다. 3000만년 전 맨틀 천이대에 교란이 일어나 마그마가 올라오면서 섬들이 자리하고 있는 현재의 휴화산 토대를 형성했다. ⓒ Wendy Kenigsberg / Clive Howard – Cornell University, modified from Mazza et al. (2019)

700m 아래 코어 샘플 분석

게이즐 교수는 “우리는 처음에 하와이에서 그런 것처럼 화산이 심부 맨틀에서 용승하는 맨틀 융기 형성이라는 사실을 보여줄 것으로 기대했었다”고 말했다.

그러나 3000만 년 전 천이대에서 교란이 일어나 마그마 물질이 지표로 뿜어져 나왔고, 이것이 현재 대서양 아래의 휴화산을 형성하고 이어 버뮤다 제도가 만들어지게 되었다.

논문 공저자인 독일 뮌스터대 자라 마차(Sarah Mazza) 박사는 캐나다 노바스코시아 달하우지대학에 보관돼 있는 코어 시추 표본의 횡단면을 대상으로 동위원소와 미량원소, 수분 함량과 다른 휘발성 물질의 증거를 측정했다. 이 코어 표본은 1972년 700m 이상 깊이에서 시추해 낸 것이다. 이를 평가한 결과 버뮤다의 지질 및 화산의 역사가 밝혀지게 되었다.

마차 박사는 “코어 샘플을 수집할 때 버뮤다 화산의 과거가 특별하다는 의구심을 가졌고, 서로 다른 용암류에 보존된 다양한 질감과 광물을 확인했다”며, “미량원소 구성에서 압도적으로 풍부한 성분을 신속히 확인한 결과 놀랍게도 버뮤다의 미스터리가 모습을 드러내기 시작했다”고 말했다.

천이대 교란으로 심부 물질 지표로 상승

연구팀은 코어 샘플에서 천이대의 지화학적 특징을 검출했다. 이 샘플은 섭입대(상대적으로 무거운 해양판이 가벼운 대륙판 밑으로 밀려들어가는 작용이 일어나는 곳)에서 발견되는 것보다 더 많은 양의, 결정체에 들어있는 물을 포함하고 있었다. 섭입대의 물은 지표로 다시 재순환된다.

게이즐 박사에 따르면 천이대에는 최소한 세 개의 대양을 형성할 수 있을 만큼 풍부한 물이 있고 이 물은 천이대에서 암석이 녹는 데 도움을 준다.

시추한 코어 샘플조각을 교차 극성 현미경으로 분석한 모습. 푸른 색과 노란색 결정은 티타늄-휘석으로 장석과 금운모, 첨정석, 회티탄석, 인회석이 포함된 광물질로 둘러싸여 있다. 이같은 조합은 물이 풍부한 맨틀 원천이 이 용암을 생성했다는 사실을 시시한다.  Credit: Gazel Lab

시추한 코어 샘플조각을 교차 극성 현미경으로 분석한 모습. 푸른 색과 노란색 결정은 티타늄-휘석으로 장석과 금운모, 첨정석, 회티탄석, 인회석이 포함된 광물질로 둘러싸여 있다. 이같은 조합은 물이 풍부한 맨틀 원천이 이 용암을 생성했다는 사실을 시시한다. ⓒ Gazel Lab

연구팀은 시라큐스대 지구과학과 로버트 무차( Robert Moucha) 부교수와 함께 수치모델을 개발해 천이대에서의 교란이 맨틀 심부층의 물질을 녹게 함으로써 지표로 스며 올라오도록 했을 것이라는 사실을 발견했다.

해양 용암에 대한 동위원소 측정이 50년 이상 행해졌음에도 불구하고 버뮤다 용암 코어에서 측정된 특별하고 극단적인 수치는 이전에 관찰된 적이 없었다. 연구팀은 이 같은 극단적인 동위원소 조성을 통해 용암의 고유한 원천의 실마리를 풀 수 있었다.

맨틀 천이대의 역할에 새로운 관심

논문 공저자인 미국 사우스캐롤라이나대 마이클 비지미스( Michael Bizimis) 부교수는 “좀 더 세심하게 조사하려고 하면 더 많은 곳에서 이 같은 지화학적 특징을 찾을 수 있을 것”이라고 말했다.

게이즐 교수는 이번 연구가 천이대 층과 지표 화산 사이의 새로운 관계를 제공한다고 설명했다.

그는 “이번 연구를 통해 지구 천이대가 극단적인 화학물질 저장소임을 입증할 수 있었다”며, “이제 지구 역학과 화산활동의 맥락에서 천이대의 중요성을 인식하기 시작했다”고 연구 의미를 부여했다.

게이즐 교수는 “다음 단계로 더 많은 지역을 조사해 지구 내부 화산이 만들어질 수 있는 지질학 과정 사이의 차이점과, 지구 진화에서 맨틀 천이대의 역할을 확인해 볼 계획”이라고 밝혔다.

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