배아 상태 현무암질 마그마의 원자구조 및 엔트로피
배아 상태 현무암질 마그마의 원자구조 및 엔트로피
  • 함예솔
  • 승인 2020.09.03 15:35
  • 조회수 1556
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서울대학교 자연과학대학 지구환경과학부 이성근 교수 연구팀은 지구내부에서 맨틀 암석의 용융 시 형성되는 현무암질 용융체의 원자구조를 세계 최초 실험적으로 규명했습니다.

 

이러한 원자단위의 정보를 바탕으로 배아 현무암질 용융체가 상승하며 겪는 얼개(network)의 얽힘 정도의 변화를 규명했고 이로부터 용융체의 엔트로피를 구했습니다. 배아용융체의 엔트로피 변화가 맨틀의 기계적 특성(지진파속도)의 변화에 미치는 미시적 기원을 정립했습니다. 이번 연구는 <PNAS>에 게재됐습니다.

 

지구과학이 규명해야 할 난제 중 하나

 

지판이 분리되는 해양저의 중앙해령에서 분출된 현무암질 용융체(melts)가 냉각되고 고화돼 해양지각이 형성됩니다. 지표에서 분출된 중앙해령 현무암질 용융체는 지하 수십 km에서, 혹은 물과 같은 유체(fluid)와 공존할 경우 지구내부 150km (약 ~5만 기압, 대기압의 5만 배의 압력) 이상의 깊이에 존재하는 맨틀 암석의 용융(melting)에서 기원합니다.

지판이 분리되는 해양저의 중앙해령에서 분출된 현무암질 용융체(melts)가 냉각되고 고화돼 해양지각이 형성. 출처: AdobeStock
지판이 분리되는 해양저의 중앙해령에서 분출된 현무암질 용융체(melts)가 냉각되고 고화돼 해양지각이 형성. 출처: AdobeStock

따라서, 초기 용융체의 기원지인 지구내부 맨틀의 정보(맨틀의 조성, 기계적 성질-딱딱한 정도)는 실제 확인하기 어려우므로 지표에서 분출된 현무암질 용융체를 분석해 간접적으로 정보를 얻고 있습니다. 그러나, 지구내부에서 맨틀암석의 용융으로 형성된 초기상태의 마그마의 성질은 지표에서 분출된 용융체와는 매우 다른 것으로 알려져 있습니다. 참고로 이번 논문에서는 지구내부에서 맨틀암석의 용융으로 형성된 초기상태의 마그마를 생명체에 비유해 배아 현무암질 용융체(embryonic basaltic melts)라 부릅니다.  

현무암질 마그마. 출처: AdobeStock
현무암질 마그마. 출처: AdobeStock

따라서, 맨틀의 진정한 이해를 위하여서는 지표면에 분출한 용융체가 아니라, 지구 내부에서 생성된 배아 현무암질 용융체를 이해하는 것이 중요합니다. 특히 배아 상태 용융체의 원자구조를 규명해 생성 당시의 기원지인 맨틀의 특성을 직접적으로 이해할 수 있습니다. 이러한 중요성에도 불구하고, 마그마의 상승 과정 중에 용융 당시의 깊이에서의 생성초기의 원자단위의 정보가 소실돼 고압환경에서 탄생한 배아 상태 마그마의 원자구조는 알려지지 않았으며 이는 현대 지구과학이 규명해야 할 난제 중에 하나입니다. 서울대학교의 이성근 교수 연구팀은 배아상태 마그마의 원자구조에 대한 정보를 최초로 실험적으로 밝혀냈습니다.

 

초기 상태의 마그마 융용체 진화 과정 규명

 

이성근 교수 연구팀은 지표에서부터 지구 상부맨틀의 암석이 최초로 녹는 약 150km까지의 압력에 해당하는 5만 기압의 압력에서 현무암질 용융체의 원자 구조를 최초로 보고했습니다. 또한 150km의 형성 깊이에서부터 용승하는 비정질 마그마의 구조를 거슬러 올라가 초기 상태의 마그마 용융체(embryonic basaltic melts)의 진화 과정을 규명했습니다.

압력의 변화에 따른 마그마 용융체 얼게의 얽힘 변화. 고압환경에서의 얽혀있는 용융체(오른쪽)가 상승해 압력이 감소하면, 얼게가 풀리는 것(왼쪽)을 보여줍니다. 이러한 얼게의 얽힘정도의 변화는 일상생활에서 흔히 접하는 꽈배기나 DNA의 사슬에서 보여주는 구조와 유사합니다. 출처: 서울대학교
압력의 변화에 따른 마그마 용융체 얼게의 얽힘 변화. 고압환경에서의 얽혀있는 용융체(오른쪽)가 상승해 압력이 감소하면, 얼게가 풀리는 것(왼쪽)을 보여줍니다. 이러한 얼게의 얽힘정도의 변화는 일상생활에서 흔히 접하는 꽈배기나 DNA의 사슬에서 보여주는 구조와 유사합니다. 출처: 서울대학교

배아 상태 현무암질 용융체의 비정질 얼게(network)가 지표면의 용융체에 비하여 더 심하게 얽혀있는 구조를 가지고 있습니다. 따라서 고압환경에서 생성된 마그마가 지표로 용승하면서 얼게의 얽혀있는 정도가 감소합니다. 지구 내부의 현무암질 용융체얼게의 얽힘 정도에 따라 현무암질 용융체의 엔트로피가 결정됩니다. 이러한 엔트로피의 변화가 맨틀의 지진파 전달 특성(지진파의 속도)을 설명하는 체계를 제시했습니다. 즉 배아 상태 용융체의 엔트로피가 증가하면 지진파의 속도가 느려지고, 엔트로피가 감소하면 지진파의 속도가 증가하는 관계를 밝혔습니다.

 

지구 내부에서 현무암질용융체의 얽힘의 정도의 변화로 인한 지진파 속도의 감소로부터, 100-150km에서 맨틀의 연화(softening, 딱딱한 정도의 감소)에 대한 원인을 제공했습니다. 이로부터 지구형성초기에서부터 지구맨틀의 진화에 대한 미시적 실마리를 제공했습니다.


##참고자료##

 

Lee, Sung Keun, et al. "Configurational entropy of basaltic melts in Earth’s mantle." Proceedings of the National Academy of Sciences (2020).


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