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지구 속 핵과 맨틀의 실상은?

  • 2018.01.30.
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화산 열점(hotspot) 아래의 지구 맨틀에서 지표 쪽으로 솟아오르는 용암 기둥들은 지구 생성 당시의 상태가 이전에 생각했던 것보다 더욱 혼돈스러웠다는 증거를 내보인 연구 결과가 나왔다.

지구가 ‘젊은’ 태양 주위에 부착돼 있던 물질이 떨어져 나와 형성되었다는 것은 널리 알려진 사실. 지구는 점차 성장하면서 밀도가 높은 철 금속이 안으로 가라앉으며 초기 지구 핵을 형성하게 되었고, 규산염이 풍부한 맨틀이 그 위에 떠있게 되었다.

카네기 과학연구소의 잉 웨이 페이(Yingwei Fei)와 스미소니언 연구소의 콜린 잭슨(Colin Jackson) 박사가 이끄는 연구팀은 과학저널 ‘네이처’(Nature) 최근호에 발표한 새 연구에서 지구 맨틀과 핵의 분리가 그렇게 질서정연한 것은 아니라는 논지를 폈다.

“지구 맨틀 성분 균일하지 않아”

잭슨 박사는 “우리의 발견은 핵이 맨틀에서 추출돼 나오면서 맨틀 자체가 완전하게 잘 뒤섞이지 않았다는 것을 의미한다”고 설명했다. 그는 “지구 핵의 형성은 지구에 큰 충격이 가해지면서 일부가 떨어져나가 달이 형성되었던 것처럼 지구가 성장하는 동안 초기 태양계의 다른 물체가 지구와 충돌하면서 일어났다”며, “지금까지는 매우 강력한 충격들이 맨틀을 완전히 휘저어 모든 구성요소들이 균일한 상태로 섞여졌을 것이라는 생각이 널리 퍼져있었다”고 말했다.

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지구는 생성 초기부터 여러 번 외부로부터의 큰 충격을 경험했다. 그때의 고압과 고온 조건이 오늘날 화학적으로 지구 핵과 맨틀을 분할하는 포켓들을 만들었다. CREDIT: Neil Bennett

 

연구팀이 이 같은 가설을 세우게 된 단서는 하와이 같은 화산 열점에서 발견된 독특한 고대 텅스텐과 크세논 동위원소 특징에서 비롯됐다. 지표로 뿜어져 나오는 마그마 줄기들은 맨틀 심부지역에서 발원하는 것으로 믿어지고 있으나, 이 독특한 동위원소 특징들이 어디서 유래되었는지는 그동안 논란이 돼 왔다. 연구팀은 그 답이 크세논의 모 원소인 요오드가 매우 높은 압력에서 보이는 화학적 작용에 있다고 믿었다.

동위원소들은 같은 수의 양성자를 가지고 있으나 중성자 수가 다르다. 요오드-129같은 원소의 방사성 동위원소는 불안정하다. 요오드-129는 안정성을 얻기 위해 크세논-129로 붕괴된다. 따라서 맨틀 마그마 줄기 표본의 크세논 동위원소 특성은 핵과 맨틀이 분리되는 기간 동안 요오드가 어떤 작용을 했는가와 직접적인 관계가 있다.

지구 속 같은 고압ᆞ고온에서 요오드의 화학변화 연구

잭슨과 페이를 비롯해 동료인 카네기 연구소의 닐 베네트( Neil Bennett)와 지주 두(Zhixue Du), 스미소니언 연구소의 엘리자베스 코트렐(Elizabeth Cottrell) 박사는 지구 핵이 맨틀과 분리된 극한조건을 재현하기 위해 다이아먼드 모루 방을 만들어 금속 성분이 많은 지구 핵과 규산염으로 구성된 맨틀 사이에서 요오드가 어떻게 분할되는지를 확인했다. 이들은 또 발생 초기 핵이 성장하는 동안 맨틀 심부로부터 분리돼 있었다면 맨틀의 포켓들이 맨틀의 다른 부분들과 섞이지 않고 현재까지 유지돼 왔다는 전제 아래, 독특한 텅스텐과 크세논 동위원소 특성을 설명해 줄 수 있는 화학적 성질을 가지고 있을 것이라는 사실을 증명해 보여주었다.

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다이아먼드 앤빌 셀은 초기 지구 조건을 지구 핵과 유사한 재질로 재현했다. 핵을 둘러싼 부분을 안쪽 점선으로, 맨틀의 마그마 바다와 유사한 재질을 바깥 점선으로 표시했다. 왼쪽 패널의 눈금 막대는 10마이크로미터. CREDIT: Colin Jackson

 

베네트 박사는 “우리가 확인한 중요한 작용은 매우 높은 압력과 온도 아래서 요오드가 핵 안으로 녹아들어가기 시작한다는 것”이라며, “이런 극단적인 조건에서 요오드와 하프늄은 크세논과 텅스텐으로 방사성 붕괴돼 지구 핵을 형성하는 금속과는 반대 성향을 나타내며, 이러한 작용들은 현재의 열점과 관련된 독특한 동위원소적 특성으로 이어진다”고 설명했다.

“지구 심부 직접 연구할 수 있는 새로운 기회 열어”

연구팀의 계산에 따르면 텅스텐과 크세논의 동위원소 특성은 맨틀의 밀도 높은 포켓들과 관련돼 있는 것으로 예측된다.

잭슨 박사는 “과자를 만들 반죽에 있는 초콜릿 칩과 같이 맨틀의 이 밀도 높은 주머니들은 반죽과 잘 섞이도록 다시 휘젓기가 매우 어렵고, 이것은 예전의 텅스텐과 크세논의 동위원소 특성을 오늘날까지 유지하는 중요한 특성일 수 있다”고 말했다.

페이 박사는 “더 흥미로운 점은 실제로 지구 핵의 바로 위에 초저속 지역과 대형 저속 전단파 지역(LLSVP)으로 불리는 고밀도 맨틀 지역이 실제로 존재한다는 지구물리학적 증거가 점증하는 가운데 이번 연구는 이런 관측들을 하나로 묶어준다”고 말하고, “이번에 개발된 방법론은 지구 심부를 직접 연구할 수 있는 새로운 기회를 열었다”고 강조했다.

 

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