지각판을 움직이는 힘
지각판을 움직이는 힘
  • 함예솔
  • 승인 2019.11.23 23:50
  • 조회수 1845
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판구조론을 아시나요? 출처: AdobeStock
판구조론을 아시나요? 출처: AdobeStock

'지구과학' 좀 배우신 분들이라면 판구조론(plate tectonics)에 대해 들어 보신 적 있으실 겁니다. 판구조론에 따르면 지구의 표층, 가장 바깥 껍데기는 유라시아판, 태평양판, 북미판 등 10여개의 판으로 나뉘어 있습니다. 이 판들은 서로 부딪치거나 밀고, 포개지는 상호작용을 합니다. 이 과정에서 지진이 발생하기도 합니다. 보통 판의 경계(interplate)에서 지진이 발생하기 쉽다고 하는데요. 종종 지구 내부에서도 발생합니다.

 

판구조론은 대륙 이동설에서 시작해 맨틀 대류설, 해저 확장설로 이어지며 확고히 정립됐는데요. 1912년 독일의 지질학자 알프레드 베게너는 현재 지구의 지각이 2억년 전에 '판게아'라는 하나의 초대륙에서 갈라져 나왔으며 대륙은 이동하고 있다고 주장했습니다. 이런 '대륙 이동설'을 바탕으로 1960년 후반에 판구조론이 등장했습니다. 하지만 처음 베게너가 대륙이동설을 발표했을 땐 대륙이동을 일으키는 힘의 근원이 무엇인지 규명하지 못해 학계에 인정을 받지 못하기도 했었죠. 

1915년 지질학자 베게너는 대륙이동설을 주장했습니다. 출처: fotolia
1915년 지질학자 베게너는 대륙이동설을 주장했습니다. 출처: fotolia

최근에는 맨틀과 지구 내부의 운동이 플룸(plume)에 의한 것이라는 '플룸구조론'이 주목받고 있습니다. 참고로 플룸이란 지구 내부에 뭉쳐진 열 덩어리가 상승하거나 하강하면서 만들어진 흐름을 말합니다.

 

지구 맨틀과 지각은 격렬한 전투 중 

 

지구의 뜨겁고 끈적거리는 맨틀과 차갑고 딱딱한 지각판은 지질구조판이 서서히 움직이도록 영향을 미칩니다. 그런데 드디어 맨틀과 지각 '힘의 균형'이 새롭게 드러났습니다. <Science Advance>에 게재된 연구에 따르면 걸쭉한 마그마가 흘러나오는 맨틀은 초대륙(supercontinents)을 형성할 수 있다고 하는데요. 반면에 지각은 초대륙을 갈라놓는다고 합니다. 

 

판구조론 과정에 관한 이러한 결론에 도달하기 위해 과학자들은 지각과 맨들이 하나로 균일한 시스템을 가진 지구의 새로운 컴퓨터 모델을 만들었는데요. 시간이 지남에 따라 이 '가상지구'에서 발생하는 지각 운동의 약 60%는 지표로부터 약 100km 이내의 얕은 곳에서 발생하는 힘에 의해 움직였는데요. 나머지는 맨틀의 깊은 곳에서 세차게 움직이고 있는 맨틀의 힘으로 움직였습니다. 특히 맨틀은 대륙판들이 초대륙을 만들기 위해 함께 움직일 때 중요했다고 하는데요. 반면 초대륙이 만들어지고 분열될 때에는 얕은 곳에서 발생하는 힘이 우세했습니다.

 

지각과 맨틀은 어떤 사이?

 

연구진이 만들어낸 이 가상지구 컴퓨터 모델은 지각과 맨틀이 상호 연결된 동적 시스템을 가지고 있다는 관점으로 본 최초의 모델이라고 합니다. 과거에도 연구원들은 실제 맨틀의 관측과 일치하는 열-구동식 대류(heat-driven convection) 모델을 만들었지만 지각까지 모의한 모델은 아니었습니다. 또한 지각과 관련한 판구조론 모델에서는 이 판들이 어떻게 움직이는지에 관해 실제 관측을 예측할 수 있었습니다. 하지만 맨틀의 관측과는 잘 일치하지 않았습니다. 분명히 이전 컴퓨터 모델에서는 두 시스템을 하나로 묶는 방식에 있어 뭔가가 빠져 있었습니다.  

그간 정설로 알려졌던 표준적인 맨틀 순환 모델. 출처: 극지연구소
그간 정설로 알려졌던 표준적인 맨틀 순환 모델. 출처: 극지연구소

파리과학인문대학교(PSL University)의 고등사범학교(Ecole Normale Supérieure) 대학원의 Nicolas Coltice 교수는 "대류 모델은 맨틀에서는 좋았지만 지각에서는 아니었고, 판구조론 모델은 지각에서는 좋았지만 맨틀에서는 아니었다"며 "이 시스템의 진화의 이면에는 지각과 맨틀 사이의 피드백이 있다"고 말했습니다. 

 

지각과 맨틀, 떼려야 뗄 수 없는 사이

 

지구 내부의 모든 모델에서는 지구 내부에 뜨겁고 변형 가능한 맨틀 층 위에 얇은 지각이 있다는 걸 보여줍니다. 이 단순한 모델은 지각 아래에 설명할 수 없는 기류에 의해 지각이 단순히 맨틀 위에서 움직이고 있다는 인상을 줄 수 있습니다. 하지만 이는 옳지 않습니다. 지구 과학자들은 지각과 맨틀이 같은 시스템의 일부라는 걸 오래 전부터 알고 있었습니다. 지각과 맨틀은 떼려야 뗄 수 없는 사이죠. 이는 과학자들에게 한 가지 의문을 제기했습니다. '지표의 힘과 맨틀 깊은 곳의 힘 중에서 지각을 구성하는 판의 움직임을 주도하고 있는 건 누구일까?' 하고 말입니다. 가령 지각이 다른 지각 아래로 섭입(subduction)될 때, 이 움직임은 누가 조종하고 있는 걸까요? 

 

사실 지각과 맨틀은 하나의 자기 조직 시스템(self-organizing system)으로 이뤄져 있었습니다. 지각과 맨틀 사이의 동적 균형은 장기적인 지각 변동에 따라 변화하며 작동한다고 합니다. Nicolas Coltice 교수 연구진은 위에 질문 자체가 잘못됐다는 걸 발견했습니다. 왜냐하면 맨틀과 지각은 서로 뒤얽혀 있기 때문에 둘 다 여기에 관여한다는 겁니다. 지난 20년동안 지각과 맨틀의 상호작용을 현실적으로 보여줄 수 있는 컴퓨터 모델링을 위한 연구를 해왔다고 합니다. 연구진은 이 새로운 버전의 모델을 만들어내기 위해 8년간 작업했고 시뮬레이션을 실행하는 데 무려 9개월이 걸렸다고 합니다. 

 

가상지구 만들었다

 

Coltice 교수 연구진은 먼저 열의 흐름에서부터 지질구조판의 크기, 초대륙이 형성되고 분해되는 데 걸리는 시간까지 모든 현실적인 매개변수 값을 완비해 '가상지구'를 만들어야 했습니다. 그럼에도 이 모델은 완벽하게 지구를 모사하진 못했는데요. 예를들어 이 프로그램에서는 이전의 암석변형을 추적하지 않기 때문에 과거에 변형된 암석들은 컴퓨터 모델에서는 현실에서처럼 쉽게 변형되는 경향성을 보이진 않습니다. 그러나 이 모델에서는 섭입대(subduction zones), 대륙이동(continental drift) 그리고 해령이나 해구를 갖춘 진짜처럼 보이는 가상지구를 만들어냈습니다. 

맨틀플룸이 생성되면 지표면에 열점이 만들어집니다. 출처: Wikimedia Commons
맨틀플룸이 생성되면 지표면에 열점이 만들어집니다. 출처: Wikimedia Commons

대륙이 모여 초대륙을 형성했을 때 맨틀 힘이 지배한다는 것을 보여주는 것 외에도 연구원들은 맨틀 플룸(antle plumes)이라 불리는 마그마의 뜨거운 기둥이 초대륙을 분열하는 주된 이유가 아니란 걸 발견했습니다. Coltice 교수는 하나의 판이 다른 판 아래로 침강하는 섭입대가 초대륙을 분열시키는 원동력이라고 말하는데요.

 

맨틀 플룸은 이후에 나오게 됩니다. 기존에 상승하던 맨틀 플룸은 섭입대에 의해 만들어진 힘에 의해 약해진 암석들이 있는 지표에 도달할 수 있습니다. 맨틀 플룸 물질은 약해진 지점으로 서서히 들어가면 초대륙은 그 지점에서 분열될 가능성이 더 높아집니다. Coltice 교수는 다음 단계에서는 모델을 현실 세계의 관측과 연결짓는 것이라고 말합니다. 미래에 이 모델은 주요한 화산 사건에서부터 판의 경계가 어떻게 형성되는지, 지구의 자전과 관련해 맨틀이 움직이는 방법에 이르기까지 모든 것을 탐구하는데 사용될 수 있을 것이라고 말합니다. 

 


##참고자료##

 


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