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맨틀
◾ 80-90 km ~ 지구반경의 10배 -- 외권, 일반적으로 500km이하가 지구 대기권이다.
◾ 80-90 ~ 1,000 km -- 상층대기, 열권.
◾ 10 ~ 80-90 km -- 중층대기.
◾ 50 ~ 80-90 km -- 중간권.
◾ 10 ~ 50 km -- 성층권, 안정적이며 오존층이 있다.
◾ 0 ~ 10 km -- 하층대기, 대류권.
◾ 0 km -- 지표.
◾ 0 ~ 150 km -- 암석권.
◾ 0 ~ 30-35 km -- 지각.
◾ v6-35 ~ 2,891 km -- 맨틀.
◾ 6-35 ~ 670 km -- 상부 맨틀.
◾ 670 ~ 2,891 km -- 하부 맨틀.
◾ 2,891 ~ 6,371 km -- 핵.
◾ 2,891 ~ 5,151 km -- 외핵.
◾ 5,151 ~ 6,371 km -- 내핵.
맨틀(mantle)은 지구에서는 지각 (지형) 바로 아래에 있으면서 외핵을 둘러싸고 있는 두꺼운 암석층이다. 다른 행성의 경우에도 금속질의 핵을 둘러싸고 있는 두꺼운 암석층을 맨틀이라고 부른다. 지구의 경우에는 지표면으로부터 깊이 30-2,900킬로미터의 범위에 분포하며, 지구 부피의 80%가량 차지한다.
지각과 맨틀의 경계면은 발견자의 이름을 따 모호로비치치 불연속면이라고 부르며, 보통은 줄여서 모호면이라고도 한다. 지진파의 모호면은 지진파 속도가 갑자기 빨라지는 곳을 경계로 한다. 맨틀의 최상부는 온도가 낮아 딱딱하게 굳어있는데, 이 부분과 지각을 합쳐서 암석권이라고 부른다. 암석권에서는 주로 열전도에 의하여 열이 전달된다.
맨틀과 지각은 크게 화학적 조성의 차이에 의해 구분된다. 지각은 사실상 맨틀의 최초 용융물질이 굳은 것이라고 생각할 수 있다. 맨틀 암석은 감람석, 여러 종류의 휘석과 다른 고철질 광물로 되어있다. 페리도타이트, 더나이트, 에클로자이트 등으로 구분되는 맨틀 암석은 지각에 비하여 철과 마그네슘의 함량이 높고 규소와 알루미늄의 함량은 낮다. 맨틀의 온도는 최상부에서 섭씨 100도 정도이지만 핵과의 경계면에서는 4,000도에 육박한다. 이 정도 온도에서 암석은 용융상태이다.
목차
지구 맨틀[편집]
고체 지구의 내부 층상 구조를 구분하는 것은 주로 지진파 탐사를 기반으로 이루어진다. 지표로부터 수 ~ 수십 km 아래에는 급작스럽게 지진파 속도가 증가하는 깊이가 있다. 이 경계면은 크로아티아의 지진학자 안드리야 모호로비치치(Andrija Mohorovičić)가 발견하여 모호로비치치 불연속면 혹은 간단히 모호(Moho)면이라 부른다. 한편, 지하 약 2900km 아래에는 S파의 전파가 가로막히고 P파의 급격한 속도 변화 및 반사파가 나타나는 특별한 경계면이 다시 나타난다. 이 깊이가 핵의 가장 바깥면으로, 이는 20세기에 이 경계면을 규명한 베노 구텐베르크의 이름을 따 구텐베르크면이라고 부른다. 맨틀은 모호면으로부터 구텐베르크-비헤르트 불연속면까지 이르는, 2800~2900km 두께의 두터운 암석층으로 정의된다. 지구 반경의 거의 절반 가까이를 차지하는 두께인 데다가 핵에 대해 지구 바깥 부분에 분포하여 지구의 약 84%를 차지하는 가장 커다란 암층이다.
맨틀은 판구조론을 사실상 지배하고 있는 층이기 때문에 예로부터 많은 관심을 받고 있다. 또한 맨틀은 직접적으로 시료를 얻을 수 있는 가장 깊은 층에 해당한다. 뿐만 아니라 맨틀은 화산 활동을 일으키는 마그마 대부분을 만들어내는 곳이며, 행성 진화를 연구할 때 가장 중요한 요소를 간직하고 있다.[4] 지구의 절반 이상이 규산염 암석으로 되어 있고, 지각이 부피면에서 무척이나 작은 부분만을 차지하기 때문에 사실상 맨틀은 고체 지구 연구의 핵심을 이루고 있다.
지각과 맨틀의 경계는 지각과의 상호 관계가 어떻게 되냐에 따라 다양한 온도 범위를 갖는다. 그러나 차가운 경우에도 최소 수백 도의 높은 온도를 유지하며, 하부로 갈수록 온도는 높아져간다. 이 때의 온도 상승률은 위치마다 차이를 보이나, 8~15K/km 정도이다. 그러나 이 온도 상승률은 어느 정도 깊이에 이르면 급격히 변한다. 온도가 약 1000도 정도 되는 깊이에 가면 온도 상승률이 1~2K/km로 낮아진다. 이렇게 변화하는 곳의 깊이는 보통 100 km정도인데 바로 이 경계를 기준으로 위쪽의 암층을 (지각까지 몽땅 합쳐서) 암석권(lithosphere)이라고 하며, 아래쪽 맨틀을 연약권(asthenosphere)이라고 한다. 보통 맨틀의 하부 두꺼운 곳을 연약권이라하지는 않으나, 하부맨틀과 연약권의 경계는 딱히 정해진 것은 없으며 보통 페롭스카이트(perovskite) 광물상이 나타나기 시작하는 670 km 정도의 경계를 기준으로 생각하면 크게 벗어나지 않는다. 맨틀 최하단의 온도는 4400°C 정도이며, 이곳은 외핵과의 경계를 이뤄 많은 물리, 화학적 움직임이 있을 것으로 생각되지만 이렇다할 근거 자료는 얻기 힘든 실정이다. 맨틀 플룸의 발원지로 지목되기도 하며, 오래된 판이 마침내 가라앉아 종말을 고하는 곳으로 생각하기도 한다.
맨틀과 지각에 있는 방사성 동위원소의 붕괴로 19.52TW의 열이 생산된다.
내부 구조[편집]
맨틀은 지진파 연구에 따라 층이 세분화되어 있다. 지진파의 증가가 연속적이지 않기 때문인데, 특히 410km 깊이에서의 증가와 660km에서의 증가가 특징적이다. 열역학적 계산과 관측 결과를 종합해볼 때 이 '불연속적인' 변화는 압력이 상승하면서 발생하는 상전이(phase transition) 때문이라고 생각한다. 다시 말해 각각의 깊이를 넘어서면 맨틀의 구성 물질이 더 고압에 안정적인 격자 구조로 변화하여 분포한다는 의미이다. 따라서 맨틀은 이 경계면을 근거로 410km 깊이보다 위에 분포하는 상부 맨틀과 660km 이하에 분포하는 하부 맨틀, 그리고 그 사이의 전이대(transition zone)로 나뉜다.
하부 맨틀은 깊이를 보면 유추할 수 있듯이 사실상 맨틀 대부분을 구성한다. 그러나 하부 맨틀의 자세한 구조는 그 규모에 비해 지진파 탐사의 오차 한계가 커서 아직은 잘 알려져 있지 않다. 최근 수십 년 간의 실험과 관측, 계산에 따르면, 하부 맨틀의 최하부에는 추가적인 층이 있는데, 이를 '디더블프라임'(D")층이라고 부른다. 이는 거의 핵과 맨틀 경계 가까이에 놓여 있는 상대적으로 얇은 층인데, 종종 이 층은 위치에 따라 발견되지 않기도 한다. D"층은 이 구간에서 특별한 조건이 만나 상전이가 한 단계 더 일어나는 곳이라 추측되고 있으며, 맨틀 대류와 D"의 구조가 밀접한 연관이 있다고 알려져 있다.
한편 맨틀은 가만히 놓여 있지 않고 움직이기 때문에, 움직이는 양상에 따라 추가적인 용어가 도입되어 있다. 가장 중요한 움직임은 맨틀의 대류이다. 대류가 주로 일어나는 층은 하부와 상부의 온도 격차가 적은 것이 특징이다. 맨틀 역시 주로 대류하는 유동적인 구간은 온도 격차가 적다. 그러나 대류하는 구간보다 위에 놓여 있는 맨틀은 열의 전달이 주로 전도를 통해 이루어지고, 당연하게 평균 온도 역시 낮으므로 아래 부분보다 단단하게(rigidly) 움직인다. 두 성질 변화의 경계는 위치마다 무척 다른데, 100km 정도가 보통이다. 이 때 이 100km 정도 되는 최상부층을 암석권(lithosphere)이라고 부른다. 이 암석권은 맨틀의 최상부 일부와 그 위를 덮는 지각이 모두 포함되어 있다. 한편, 그보다 아래에서 유동적으로 움직이는 부분을 연약권(asthenosphere)이라고 부른다. 유동학적 혹은 지구화학적 측면에서 보통 연약권이 어디까지 뻗어있는지는 별 관심이 없고 그 경계도 확실하게 정해져 있지 않다.
지각판과 맨틀 사이 160㎞ 아래에 암석이 부분적으로 녹아있는 지금까지 알려지지 않았던 새로운 층이 존재하는 것으로 학계에 보고됐다.
구성 물질[편집]
흔히 화산의 뿌리를 묘사하는 과장 섞인 그림 때문에, 시뻘건 액상층일 거라고 생각하기도 한다. 그러나 마그마의 설명에서도 명시하듯, 마그마는 특정 조건하에서 용융된 암석이지 맨틀 그 자체는 아니다. 맨틀은 엄연한 고체이며 암석으로 구성되어 있다.
구성성분은 지각과 비슷하여 산소 44.8%, 규소 21.8%, 알루미늄 7.6%가 함유되어 있지만 깊이 내려갈수록 가벼운 원소들의 양에 비해 무거운 원소들의 양이 증가한다.
맨틀 최상부는 대부분 뚫기 어려운 지각에 덮여 있지만, 사실 구성 암석은 직접 채취 가능하다. 맨틀은 규산염 성분이 상당히 적고(약 무게비 45%) 마그네슘 등이 풍부한 초고철질암으로 구성되어 있다. 특히 감람석과 휘석이 대부분을 차지하는 감람암이 대부분을 차지하고 있다. 이들은 고압 각섬석이 소량 포함되어 있거나 마그마 형성에 관여하면서 만들어지는 소량의 휘석암(pyroxenite)맥이 섞여 있다. 이들은 모두 짙은 녹색 내지는 연녹색을 띠는 암석이기 때문에, 사실 맨틀은 녹색이라고 생각해볼 수 있다. 물론 대단히 높은 온도 때문에 시뻘겋게 달아올라 있을 것이다. 특히 감람석은 '명목상의' 무수광물(Nominally Anhydrous Minerals, NAMs)이라고 부르며, 극소량의 물을 결정 내에 포함한다. 이 때문에 맨틀에도 물이 있는데, 맨틀의 무지막지한 규모 때문에 맨틀 내의 물의 함량도 합쳐보면 대략 바다의 1~1.5배 정도나 된다.
맨틀이 마그마 형성에 단 한 번도 관여하지 않은 이상적인 경우, 이를 원시 맨틀(primitive mantle)이라고 부른다. 맨틀이 용융을 겪으면 잘 녹아 없어지는 휘석양이 줄어들고 마그마에 잘 녹아들어가는 원소들이 도망가기 때문에 잔류 암석의 성분 변화가 극심하게 일어나기 때문이다. 원시 맨틀에 가까운 감람암은 러졸라이트(lherzolite)에 해당하는데, 보통 감람석이 부피비로 따졌을 때 60% 정도를 차지하고 휘석이 약 30%를 차지한다. 맨틀에도 어느 정도의 알루미늄이 포함되어 있지만 휘석과 감람석은 모두 알루미늄을 잘 받아들이지 않아 알루미늄은 제3의 광물을 만들어낸다. 이 알루미늄이 풍부한 광물이 나머지 10%를 가져가게 된다. 최상부의 저압 환경에서는 장석이 그 역할을 수행하지만 압력이 올라가면서 첨정석이라는 광물이 장석을 대체한다. 그러나 약 100km만 내려가도 첨정석은 더 이상 안정하지 않기 때문에 그 이하에서는 석류석이 그 자리를 차지하게 된다. 맨틀 입장에서 지하 100km는 거의 표피나 다름없기 때문에 맨틀은 감람석, 휘석 그리고 석류석 세 가지 광물로 되어 있다고 보고 있다.
한편, 40억 년의 긴 역사에서 맨틀은 곳곳에서 용융 과정이 일어났기 때문에 휘석의 함량이 줄어들어 있는 감람암도 곧잘 섞여 있다. 이러한 암석에는 하즈버가이트(harzburgite)가 섞여 있고, 간혹 마그마에서 침전된 다량의 감람석이 쌓이면서 만들어지는 더나이트(dunite)가 함께 나타나기도 한다. 또한, 해양 지각이 섭입하여 맨틀로 섞여들어가기 때문에 해양 지각, 즉 현무암이 극도의 압력에 놓여 변성된 결과물인 에클로자이트 역시 맨틀 속에 혼재되어 있다.
지하 깊은 곳으로 내려가면 압력이 너무 높기 때문에 감람석이 더 이상 안정하지 않다. 이 때문에 감람석(알파감람석)은 410km, 550km 깊이에서 각각 상전이를 일으켜 왓셀라이트(베타감람석), 링우다이트(감마감람석)로 변한다. 670km에서는 고압상의 감람석마저도 더 이상 안정하지 못하므로, 감람석은 두 개의 상으로 쪼개지며 마그네슘-위스타이트와 마그네슘-페롭스카이트 두 가지 상으로 변하게 된다. 이 시점이 되면 휘석도 더 이상 안정하지 못하여 칼슘으로 된 페롭스카이트상이 형성된다고 본다. 이 상전이에 따른 광물 분포가 바로 위에서 말한 전이대의 정체이다. 페롭스카이트 구조가 맨틀 최하부의 열과 압력에 노출되어 포스트-페롭스카이트(PPV)로 변화할 수 있다고 생각되는데, 이 고압층이 앞서 말한 D"층이다.
최근에 밝혀진 것에 따르면 지하 1000km지점에 물이 암석형태로 존재하며 이것이 맨틀의 대류에 영향을 준다고 한다. 기사에는 바다라고 되있지만 바다는 아니고 수활석이라는 형태로 존재하며 이것이 없을시 행성의 화산활동이 멈춰버리게 된다고 한다.
점성[편집]
맨틀의 점성은 10¹⁹ Pa·s에서 10²⁴ Pa·s 사이에서 변하는 것으로 생각된다. 맨틀의 점성은 깊이와 함께 증가하는 경향을 보이나 그 관계가 비선형적이고, 특히 상부 맨틀과 핵과의 경계부분에서는 점성이 심하게 낮아지는 층도 있다. 상부 맨틀의 상대적으로 낮은 점성때문에 300km보다 깊은 곳에서는 지진이 일어나지 않을 것으로 생각할 수 있다 하지만 섭입대에서는 차가운 암석권의 물질이 깊은 곳으로 내려가고 있기 때문에 온도 구배가 낮아지고, 주위 맨틀의 강도가 높아진다. 670km 깊이에서도 지진이 일어날 수 있다.
압력[편집]
맨틀 바닥 부분의 압력은 140만 기압이다. 압력은 깊이와 함께 증가한다. 하지만 맨틀은 긴 시간척도에서는 유체처럼 변형될 수 있다고 여겨지고 있다. 하지만 점성이 매우 높기 때문에 상부 맨틀이라도 변형되는 비율은 매우 느리다. 그러나 큰 힘이 최상부 맨틀에 작용하면 맨틀이 약해질 수 있는데, 이런 현상은 판 경계가 형성되는 데에 중요한 역할을 하는 것으로 여겨지고 있다.
내핵과 외핵의 차이[편집]
내핵은 고체이고, 외핵은 액체이며, 맨틀은 가소성 고체의 성질을 보이는 이유는 각 층의 녹는점에 달려있고, 녹는점은 다시 온도와 압력의 함수로 깊이에 따라 변해간다. 지구 표면에서는 규산염과 철-니켈 합금이 고체로 존재할 만큼 충분히 온도가 낮다. 상부 맨틀은 온도가 높지만 상대적으로 압력이 낮아서 규산염 광물의 일부는 부분적으로 용융되어있고 상대적으로 점성이 낮다. 반면에 하부 맨틀은 엄청난 압력을 받고 있기 때문에 상부 맨틀보다 점성이 높아진다. 철-니켈 합금으로 되어있는 외핵은 높은 압력에도 불구하고 녹는점이 맨틀에 비해 낮기 때문에 액체로 존재할 수 있다. 내핵은 지구 중심부의 굉장한 압력 때문에 고체로 존재한다. 그러나 정확히 말하자면 액체인 동시에 고체인 초이온 상태이다.
맨틀 암석의 채취[편집]
맨틀, 그중에서 상부 맨틀은 인류가 직접 채취 가능한 가장 깊은 지구 내부 층이다. 크게 세 가지의 현상에 의해 채취 가능하다.
- 맨틀 포획암(mantle xenolith)
화산 분출을 일으키는 거의 모든 마그마나 유체는 맨틀 깊이에서 유래한다. 그래서 화산 분출이 일어날 때 그 분출물 중에는 맨틀 암석이 뜯겨져 섞여 나오는 경우가 있다. 이를 맨틀 포획암이라고 부르며, 마그마가 만들어지고 상승하면서 지나간 맨틀의 시료를 채취할 수 있는 좋은 경로를 제공해주는 셈이다.
- 맨틀 포획암오피올라이트(ophiolite)
종종 섭입대나 발산 경계가 압축력을 받으면서 한쪽 판이 다른 판 위로 얹어질 때가 있다. 이 때 지표에 드러나 있는 두꺼운 암층을 오피올라이트라고 하는데, 이 때 오피올라이트의 대부분은 판이 올라타면서 얹어놓은 맨틀 암석으로 구성되어 있다. 즉, 지각 아래의 구조가 지표에 그대로 보존되어 있는 셈이다. 오피올라이트가 노출된 곳에 가서 암석을 뜯어 오면 그것이 곧 맨틀 시료를 채취하는 셈이다.
- 맨틀 포획암해령 코어 컴플렉스(mid-oceanic ridge core complex)
천천히 발산하는 발산 경계에서는 화성 활동이 왕성하지 못해서 커다란 정단층에 의해 발산이 이뤄지는 구간이 나타난다. 이 때 정단층이 저각으로 강하게 벌어지면서 지각 없이 곧바로 맨틀이 지표와 맞닿아 있는 구간이 만들어진다. 즉, 이 지역은 문자 그대로 지표에 맨틀이 노출되어 있다. 이곳의 암석을 긁어오면 그것이 곧 맨틀 시료를 채취하는 셈이다.
맨틀 암석에 대한 직접적인 분석 연구의 대부분은 위 구조로부터 채취한 시료를 기반으로 한다. 그렇지만 지각으로부터 맨틀에 이르는 수직 구조를 직접 눈으로 보고 싶은 연구자들의 욕망과 도전 정신, 그리고 무엇보다 광산 발굴에 이끌려 땅을 파들어가는 프로젝트가 여러 번 진행되어 왔다. 1957년부터 1966년까지 미국에서는 '모홀 프로젝트'라는 이름으로 시추가 진행되었으나, 자금 사정으로 인해 결국 폐기되었다. 이후 1970년부터 1994년까지 소련의 콜라반도의 페첸스키 구('콜라 초깊이 시추공' )에서도 시추 작업을 진행했는데, 12262m 정도 내려갔을 때(1989년) 급격한 온도 상승 탓에 프로젝트를 중단했던 적이 있다. 2008년에는 카타르에서 12289m를, 2011년에는 러시아 사할린 섬에서 12345m를 시추하면서 현재 최고 기록이다. 다만 21세기에 진행된 카타르와 러시아의 시추 작업은 순수한 연구 목적이 아니라 석유 시추를 목적으로 한 작업이었다.
연구 목적의 단순 시추공이 아닌 일반 광석 채굴 목적으로 사람이 직접 들어가서 캐내는 광산의 깊이는 남아프리카의 금광에서 4,200m(=4.2km)를 파내려간 게 현재까지 최고 기록으로 인정되고 있는데, 얼마나 깊은지 엘리베이터를 타고 내려가는 와중에 기압차가 생겨서 귀가 아파질 정도라고 한다. 1980년대 중반 NHK 다큐멘터리 팀이 갔을 때는 "3,578m(당시 깊이), The deepest place in the world"란 팻말이 붙어 있었다. 바위 표면 온도를 재어보니 지열 때문에 섭씨 52.3도에 달했다고 한다. 뿐만 아니라 세계 10대 광산(매장량이 아닌 깊이로) 중에 6개가 남아프리카에 있는데 대부분 깊이가 2,000~3,000m는 가뿐하게 들어간다.
참고로 맨틀의 두께는 2,900km에 달한다. 즉, 인간은 지구의 1%도 파보지 못한 셈이다.
지구 이외의 맨틀[편집]
태양계 천체들 중, 지구형 행성들은 모두 저마다 맨틀을 가지고 있다. 그 두께는 행성마다 제각각이지만 일단 지구형 행성은 암석으로 되어 있으므로 주성분은 규산염이라는 공통점을 가지고 있으리라 생각되고 있다. 한편, 행성뿐만 아니라 제법 크기가 큰 위성들 역시 각자의 사정으로 맨틀을 보유하고 있기도 하다. 대표적인 예는 달, 이오, 유로파가 있다.
특이한 맨틀의 예로는 타이탄의 것이 있는데, 이 위성은 대부분이 물로 되어 있는 만큼, 맨틀 역시 고체 얼음(고압구조)으로 되어 있다고 추측하고 있다. 또 다른 예는 소행성 베스타인데, 형성되고 600~700만년 지나서 대류가 멈추었다고 한다. 엔셀라두스는 액체인 물로 구성된 맨틀이 있을 것으로 추정 중이다.
동영상[편집]
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
