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[이윤수 연구정보]

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맨틀대류는 어떻게 일어나는가 [1999.10.7]
이름	이윤수
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도시의 개인주택에 살아 본 독자들이라면 쓰레기 치우기가 조금은 번잡한 일상사임을 짐작할 것이다.  쓰레기가 적정량이 쌓이는 주기가 되면 쓰레기차가 와서 치워가는 시스템은 정말 편리하다. 특히 그 전의 주기를 한번 놓치고 나서 수북히 쌓여진 것을 치웠을 때의 기분은 상쾌하기까지 하다. 지구에서 수행되는 시스템도 이와 유사하다. 지구내부의 상부와 하부맨틀의 전이대(약 650 km 깊이) 에는 해구를 통하여 버려진 해양지각 더미들을 모아두는 곳이 있다. 이 더미들이 충분히 모여지게 되면, 이른 봄날 고드름에 매달린 물방울이 모여 중력에 못이겨 떨어지듯이, 더미들은 맨틀 바닥까지 떨어져 버리는 것이다. 이 떨어지는 더미들을 저온 플룸(cold plume 혹은 cold slab)이라 한다.    어떻게 그 큰 지각이 떠다닐 수 있을까?  누구나 한번쯤은 이런 고민에 잠겼던 경험이 있었을 것이다. 지각의 평균 두께는 불과 40 km 정도로써, 6378 km의 평균반경을 갖는 지구 규모에서 보면, 스프가 식을 때 생기는 얇고 가벼운 껍데기에 불과하다. 그 껍데기의 표면에서 우리는 집짓고 살고 있는 것이다. 또한 지각이 쉽게 맨틀위를 떠다닐 수 있는 것은, 지표에서 상부맨틀까지 압력에 비하여 지온의 증가율이 훨씬 커서, 상부맨틀의 특정부(100-250 km)에 부드러운 층이 존재하기 때문이다(지진파의 속도가 유난히 낮아 저속도층이라 불린다). 이 층을 따라 지각은 마치 콘베이어 벨트를 타고 여행하고 있는 셈이다.   그렇다면, 도대체 어떠한 힘이 이처럼 지각을 떠 다니도록 만드는 걸까?  그 이유는 본질적으로 지구 내부의 핵으로부터 지표를 향하여 방출하는 단위시간(초)당 열량(10^13 W)이 맨틀이 단열온도구배로 전도하기에는 워낙 크기 때문이다. 따라서, 이 열을 좀 더 효율적으로 지표로 나르기 위하여 맨틀내에 대류가 발생하게 되는 것이고, 이 대류에너지가 맨틀 위에 떠있는 암석권(lithosphere, 지각과 상부맨틀의 최상부 부분으로 구성)을 분열시키면서 양 바깥쪽으로 밀어내는 것이다(주: 지구의 핵은 고상의 내핵과 액상의 외핵으로 구성되며, 내핵이 고화될 때 발생하는 잠열과 내핵에서 외핵으로 가벼운 원소들의 방출될 때 야기되는 중력포텐셜이 핵의 주 에너지원이다).    최근의 지구물리학 및 지질학 연구에 의하면, 핵과 맨틀사이에는 얇은 두께의 경계층(D\"-layer, 약 지표로부터 2700-2900 km 깊이)이 존재한다는 설이 받아들여 지고 있다. 경계층의 상하부에는, 압력과 온도에 따른 철의 용융곡선과 맨틀의 온도구배를 고려할 때, 1500 K 이상의 온도구배가 존재할 것으로 추정된다.  특히 해양지각의 더미(cold plume)들이 맨틀 바닥으로 떨어지면, 맨틀내의 주변 온도차가 충분히 크게 되어 경계층이 두텁게 발달된다.  이런 경우 맨틀은 내부 열을 효율적으로 나를 수 있는 난류 상태로 되어, 맨틀 물질 자체가 부력을 받아 상승류(hot plume)를 형성하여 이동하게 되며, 이것이 1990년대 들어오면서 판구조론을 수정하게 만든 신 학설, 플룸론(plume theory)의 기본 개념이다.    우리나라도 마이카시대를 맞이하여 최근 10 여년간 교통량이 급격히 늘어나, 정체구간이란 용어가 생겼다. 지진파의 속도는 통과하는 매질의 물성에 기인한다. 지진파가 지구 내부 맨틀의 어떤 부분을 통과할 때, 꼭 지체되는 구간과 빨라지는 구간이 따로 있으며, 이같이 불균질한 매질의 물성의 차이는 불균질한 온도가 주 원인일 것으로 해석되고 있다. 최근의 지진학자들은 이같은 원리를 이용하여 맨틀에 대한 3차원 지진파 토모그래피를 만들어 냈다.    야-! 플룸이 보인다.