1. 행성 내부에 있는 암층
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mantle
암석질 행성의 핵을 감싸는 두꺼운 고체층을 가리키는 말이다. 행성의 크기가 어느 정도 존재하여 행성 형성 초기 단계에 부분이나 전체 용융이 발생하면 핵이 분리되는데, 이때 맨틀이 만들어진다. 따라서 행성 구조의 기본은 핵과 맨틀이며, 보통 행성의 대부분의 부피를 둘이서 나누어 갖는다. 지구 역시 그런 분화 과정을 거쳤기 때문에 지구에도 맨틀이 있다.
맨틀(mantle)이라는 단어는 본래 망토( 프랑스어 manteau로, 어원이 같다.)나 겉 껍질, 덮개 등 무언가를 감싸거나 덮는 것을 가리키는 말이다. 따라서 핵과 맨틀이라는 쌍은 자연스러운 단어 조합인데, 다른 층상구조는 이너 코어, 아우터 코어, 크러스트 등으로 쓰이지 않고, 맨틀만 외래어 음차를 그대로 쓰는 것은 독특한 점이다.[1] 다른 층상구조(내-외핵,지각, ~불연속면)의 명칭이 한자 조합이기도 하고 묘하게 한국어 조합으로도 말이되는것 같은 조합이라서 한국어 맨+틀이라고 착각하기 쉽다.
1.1. 지구 맨틀
고체 지구의 내부 층상 구조를 구분하는 것은 주로 지진파 탐사를 기반으로 이루어진다. 지표로부터 수 ~ 수십 km 아래[2]에는 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 2,900km 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 구텐베르크[3]면이라고 부른다. 맨틀은 모호면으로부터 구텐베르크-비헤르트 불연속면까지 이르는, 2,800~2,900km 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. 이때의 온도 상승률은 위치마다 차이를 보이나, 8~15K/km 정도이다. 그러나 이 온도 상승률은 어느 정도 깊이에 이르면 급격히 변한다. 온도가 약 1,000도 정도 되는 깊이에 가면 온도 상승률이 1~2K/km로 낮아진다. 이렇게 변화하는 곳의 깊이는 보통 100km정도인데 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 670km 정도의 경계를 기준으로 생각하면 크게 벗어나지 않는다.[5] 맨틀 최하단의 온도는 4,400°C 정도이며, 이곳은 외핵과의 경계를 이뤄 많은 물리, 화학적 움직임이 있을 것으로 생각되지만 이렇다할 근거 자료는 얻기 힘든 실정이다. 맨틀 플룸의 발원지로 지목되기도 하며,[6] 오래된 판이 마침내 가라앉아 종말을 고하는 곳으로 생각하기도 한다.
맨틀과 지각에 있는 방사성 동위원소의 붕괴로 19.52TW의 열이 생산된다.
1.1.1. 내부 구조
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.[7] 최근 수십 년간의 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) 지각과 맨틀의 최상부를 합쳐서 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, 암석권보다 아래에서 상부 맨틀이 유동적으로 움직이는 부분을 연약권(asthenosphere)이라고 부른다. 연약권의 대류는 판을 움직이게 하는 원동력 역할을 한다. 판 구조론에 따라, 지구의 표면은 수많은 판들로 이루어져있다. 각각의 판은 맨틀의 대류에 따라 이동하면서 지진대나 화산대가 자주 분포하는 지각 변동이 자주 일어나는 변동대가 나타난다. 전 세계 판의 분포와 이동 방향 및 여러가지 판의 경계에서 나타나는 지형을 보면, 각각의 판은 서로 다른 방향으로 천천히 움직이고 있다는 소리다. 여기서 생기는 발산형/수렴형/보존형 경계 관련 내용은 판 구조론 문서로.
지각판과 맨틀 사이 160㎞ 아래에 암석이 부분적으로 녹아있는 지금까지 알려지지 않았던 새로운 층이 존재하는 것으로 학계에 보고됐다. #
최신 연구에 따르면 맨틀 하부 2,900km 지점에 테이아의 잔해로 추정되는 거대한 구조가 발견되었다.
1.1.2. 구성 물질
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%등 비교적 가벼운 규산염 물질로 이루어져 있지만, 깊이 내려갈수록 가벼운 원소들에 비해 비교적 무거운 원소( 철, 니켈 등)들이 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 (지표의 상온으로 식으면) 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.
▲ 상부 맨틀을 구성하는 감람암의 한 예. 연두색은 감람석, 짙은 녹색과 검은색은 휘석이다.
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 1,000km지점에 물이 암석형태로 존재하며 이것이 맨틀의 대류에 영향을 준다고 한다. # 기사에는 바다라고 돼있지만 바다는 아니고 수활석이라는 형태로 존재하며 이것이 없을 시 행성의 화산활동이 멈춰버리게 된다고 한다.
1.1.3. 맨틀 암석의 채취
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. -
오피올라이트(ophiolite)
종종 섭입대나 발산 경계가 압축력을 받으면서 한쪽 판이 다른 판 위로 얹어질 때가 있다. 지표에 드러나 있는 두꺼운 암층을 오피올라이트라고 하는데, 이때 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. -
해령 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.
1.1.3.1. 굴착 시도
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, 12,262m 정도 내려갔을 때( 1989년) 급격한 온도 상승[8] 탓에 프로젝트를 중단했던 적이 있다. # 2008년에는 카타르에서 12,289m를, 2011년에는 러시아 사할린 섬에서 12,345m를 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.
1.2. 지구 이외의 맨틀
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.
2. AMD의 그래픽 API Mantle(API)
3. 헤일로 시리즈에 나오는 수호자의 의무의 줄임말
4. 미국의 前 야구선수 미키 맨틀
[1]
덮층이라든지 얼마든지 순화할 수 있다.
[2]
지각의 구조에 따라 이 깊이는 무척 다양하다.
[3]
비록 성은 같으나
요하네스 구텐베르크와는 관련이 없다.
[4]
예컨대
수소,
아르곤,
물,
이산화 탄소,
네온 등 휘발성 물질은 행성 진화에 있어 중요한 요소 중 하나이며, 이들의 저장고 역할을 하는 맨틀이 중요하지 않을 수 없다.
[5]
이는 과거 맨틀 대류층에 대한 모델이 여러 가지가 제시되어 왔기 때문인데, 670km는 보통 상부와 하부를 나누는 경계로 생각한다. 이때의 밀도 변화가 꽤 중요하기 때문이다.
[6]
지각 판 내부에 화산활동이 있는 경우 이 플룸의 영향으로 생긴 열점이 원인인 경우가 많으며 이러한 화산은 맨틀과 직결되어 지구 내부의 굴뚝 역할을 한다.
[7]
지진파 탐사는 다른 여러 탐사법이 그렇듯이 거리 혹은 깊이가 멀어지면 변수가 많아지고 파동의 에너지가 많이 줄어들면서 오차가 커지기 마련이다.
[8]
온도가 180도까지 치솟고 압력도 높아서 날을 교체하려고 꺼내면 다시 시추공이 막히는 일이 많아졌다.