맨틀 대류.....

 

 

 

대류는 온도차에 의해 생겨난 유체의 흐름에 의해서 열이 전달되는 방법이다. 즉, 열을 받아 뜨거워진 부분은 열팽창이 일어나 가벼워져서 위로 상승하게 되고, 열을 잃어 차가워진 부분은 물질의 밀도가 커져 하강하게 된다. 일반적으로 대류는 기체나 액체에서 분자들의 이동을 의미하다. 그런데, 맨틀은 감람암, 스피넬 또는 페로브스카이트 같은 고체의 암석으로 이루어져 있다.  고체인 맨틀에서도 대류가 일어날 수 있을까?

 

 

대륙이동설이 옳다면 대륙 이동의 원동력이 있어야…

유럽지질과학협회(EGU)에서는 아서 홈스의 업적을 기념하여 뛰어난 지질학자에게 ‘아서 홈스 메달’을 수여하고 있다. <출처: European Geosciences Union>

맨틀대류설은 1928년 영국의 아서 홈스(Arthur Holmes, 1890~1965)에 의해 제안되었다. 그 당시 홈스는 독일의 알프레트 베게너(Alfred Lothar Wegener, 1880~1930)가 주장한 대륙이동설에 관심이 많았다. 베게너는 대서양 양쪽 대륙의 해안 굴곡이 서로 일치하는 점, 지금은 멀리 떨어져 있는 남아메리카·아프리카·오스트레일리아·인도·남극에서 동일한 화석이 발견된다는 점, 3억 년 전의 빙하에 의해서 생성된 빙퇴석이 지금은 열대나 온대지방인 남아메리카·아프리카·인도·오스트레일리아에서 발견된다는 점, 그리고 대서양 양쪽 대륙에서 나타나는 지질구조가 연속적이라는 점 등을 들어 대륙이동설을 주장했지만, 대륙이동의 원동력을 명확히 설명하지 못하고 있었다.   처음에 베게너는 “달에 의한 조수의 영향에 의해 대륙들이 서쪽으로 움직일 수 있다”고 제안했지만, 이내 “조석이 대륙을 이동시킬 만큼 크다면 아마도 몇 년 뒤에는 지구의 자전이 멈출 것이다”라는 반론에 부딪혔다. 다시 베게너는 “쇄빙선이 얼음을 부수며 나아가는 것처럼, 크고 단단한 대륙이 해양지각을 부수며 움직일 수 있다”고 제안했지만, 또다시 “지구의 내부물질이 고체인데 어떻게 대륙이 움직일 수 있냐”는 반론에 부딪혔다. 사실 해양지각은 대륙지각보다 상대적으로 약하지만, 대륙의 움직임에 의해 해양지각이 부서지거나 변형을 받은 증거들은 관찰되지 않았다.

 

 

대륙 이동의 원동력은 맨틀 대류다 1928년 홈스는 방사성동위원소의 붕괴열과 고온인 지구 중심부에서 맨틀로 올라오는 열에 의해 맨틀 상부와 하부 사이에 온도차가 생기고, 그 결과 매우 느리게 열대류가 일어난다는 맨틀대류설을 발표하였다. 그러나 홈스가 대륙이동의 에너지원으로 제안한 맨틀대류는 실험이나 관측에 의해 증명될 수 있는 것이 그다지 많지 않았기 때문에 당시의 과학자들은 이러한 홈스의 주장을 받아들이지 않았다. 대륙이동설과 이에 대한 반대론은 1940년대까지 서로 대립되어 있었지만, 그 후에는 대부분 과학자들의 뇌리에서 사라졌다. 그러나 1950년대와 60년대에 깊은 바닷속에 대한 해저 탐사가 가능해지면서 새로운 증거가 밝혀져 지구의 성질과 활동에 대한 생각이 바뀌었고 대륙이동설에 대한 관심이 다시 일어났다. 1968년에 이르러, 대륙이동설은 더욱 완벽한 이론인 판구조론(Plate Tectonics)으로 발전했다.     맨틀은 어떻게 대류하나 홈스는 맨틀대류를 바람의 순환계와 비교하여 설명하였다. 즉, 맨틀대류가 상승하는 곳에서는 대륙지각에 장력이 작용하여 대륙을 수평방향으로 늘어뜨리고 마침내 갈라지게 한다. 분리된 대륙의 틈에서는 현무암질 마그마가 상승해 새로운 해양지각이 만들어진다. 또한 맨틀대류가 하강하는 곳에서는 온도가 낮기 때문에 지각을 구성하던 현무암 내지 각섬암질 암석은 수축하여 밀도가 큰 에클로자이트 (eclogite)로 변하면서 아래로 침강하여 대류를 일으킨다고 설명하였다. 그러나 홈스는 대류가 만들어지는 깊이와 크기 등 대류의 실체를 정확히 밝히지는 못했다.   그러나, 해저에 대한 자세한 탐사가 가능하게 되면서 맨틀대류에 대해 많은 부분이 새로 밝혀졌다. 맨틀 대류는 1년에 수cm 정도씩 느리게 이동한다. 이때 맨틀은 액체가 아닌 고체 상태로 대류가 일어나는데, 대류가 상승하는 부분에서는 해령이 그리고 침강하는 부분에서는 해구가 형성됨이 밝혀졌다. 뜨거운 유체의 상승과 차가운 유체의 하강으로 이루어지는 하나의 대류 단위를 대류세포라고 한다. 현재까지 맨틀대류에 대해 크게 두 가지 모델이 제시되었다. 첫 번째는, 맨틀 내에서 두 층의 독립된 대류가 일어난다는 모델이다. 이 모델에 의하면 지하 700km를 경계로 상부의 상부맨틀과 하부의 하부맨틀에서 각각 독립된 대류세포가 존재한다. 상부맨틀과 하부맨틀의 방사성동위원소 함량의 차이가 독립된 두 개의 대류세포를 만드는 중요 원인으로 여겨진다. 실제로 상부맨틀의 방사성동위원소의 함량이 하부맨틀보다 더 높다. 두 번째는, 맨틀 전체에 걸쳐 대류가 일어난다는 모델이다. 맨틀과 핵의 경계에서 기원한 상승류는 지표까지 열과 물질을 이동시키며, 해구에서 섭입하는 해양 암석 판은 맨틀과 핵의 경계에 집적된다.

 

맨틀 전체에 걸쳐 대류가 일어나는 모델.

그림에서 슬랩풀은 해양판이 연약권 아래로 가라앉으면서 뒤따라오는 판을 잡아당기는 현상을 말한다.
<출처: (cc) Surachit at wikipedia>

 

 

맨틀의 대류를 보다 잘 설명하는 플룸구조론 최근 지진파를 3차원으로 해석하고 지각의 열류량을 측정한 자료를 분석하면서 맨틀에서의 대류현상을 더 잘 이해하게 되었다. 이 연구에 의하면, 맨틀과 핵의 경계부분에서는 지표면으로 향하는 뜨거운 상승류가, 그리고 지표면에서는 맨틀하부로 향하는 차가운 하강류가 발견되었다. 이러한 열기둥을 플룸(plume)이라고 한다. 플룸은 상승하면서 윗부분은 버섯처럼 둥근 모양을 가지며 아랫부분은 길쭉하고 가느다란 줄기 모양으로 늘어난 모양을 갖게 된다. 지표에서 맨틀 하부로 향하는 차가운 플룸은 해양판이 대륙지각 밑으로 섭입하면서 시작된다.   유달리 규모가 큰 슈퍼 플룸도 관찰되는데, 아프리카와 남태평양에서는 상승 슈퍼 플룸이 그리고 아시아에서는 하강 슈퍼 플룸이 관찰된다. 열점(hot spot)은 맨틀과 핵의 경계부분에서 만들어진 플룸이 지표까지 상승하여 화산활동을 한 결과 만든 화산섬이다. 하와이제도를 구성하는 섬들은 열점을 잘 나타내주는 한 예이다.

 

맨틀의 하강 슈퍼 플룸 <출처: (cc) Brews_ohare at Wikipedia>

플룸의 위치를 나타낸 한 연구결과

 

 

화성의 내부에서도 대류가? 지구에서는 맨틀 이외에 외핵에서도 대류현상이 일어난다. 외핵을 구성하는 액체가 대류하면서 전류가 발생하여 지구 자기장이 형성된다. 이와 유사하게, 화성의 경우 철로 이루어진 핵이 대류하여 자기장을 형성했었던 것으로 추정된다. 그러나 오래전에 핵의 대류가 멈추어 현재 자기장은 화성의 남반구에만 제한적으로 유지되고 있다         글 김동희 / 국립중앙과학관 연구사