물이 지구의 핵까지 닿을까?
- 지구환경 / 문광주 기자 / 2023-11-16 13:11:48
3'20" 읽기
- 맨틀 암석에 결합된 물은 핵의 액체 철과 반응하여 끊임없이 새로운 수소와 규산염을 지구 핵으로 가져온다.
핵-맨틀 경계는 지구 내부의 핵심 영역이다. 약 2,900km 깊이에서 지구 외핵의 용융된 철 합금이 약 1000도 더 낮은 고체 맨틀 암석과 직접 접촉하게 된다. 이 접촉 구역은 열 균형과 지구 내부의 화학적 구성에 상응하여 중요하다. 그러나 이 경계에서 얼마나 많은 교류가 일어나는지는 논란의 여지가 있다. 일부 연구에 따르면 지구의 핵이 누출되고 금속이 지구의 맨틀을 관통하고 있으며, 다른 연구에서는 가장 바깥쪽 핵 영역에서 규산염 눈이 결정화되고 있음을 나타낸다.
빛의 요소에 관한 퍼즐
이제 핵-맨틀 경계가 생각보다 더 투과성이 있다는 추가 증거가 있다. 애리조나 주립 대학의 김태현과 그의 동료들이 발견한 것처럼 물조차도 지구 표면에서 하부 맨틀과 핵으로 도달할 수 있다. 그들의 연구의 원동력은 지구의 외핵에 철과 니켈뿐만 아니라 수소, 규소, 산소와 같은 가벼운 원소도 포함되어 있어야 한다는 데이터였다.
그러나 지구의 핵심에 얼마나 많은 빛 요소가 있고 어떤 빛 요소가 있는지는 언제, 어떻게 거기에 도달했는지에 대한 질문만큼 논란의 여지가 있다. 대부분 시나리오에서는 이것이 지구의 핵이 형성되었을 때 일어났다고 가정한다. 그러나 이것이 혼합물의 전체 양이나 다른 현상을 설명할 수는 없다. “지진 이동 시간이 비정상적으로 짧은 지구 외핵의 위쪽 가장자리에 얇은 층이 있다는 증거가 있다”고 연구원은 설명했다.
판 구조론에 대한 심층 분석
이것이 Kim과 그의 팀의 연구가 시작되는 곳이다. 그들은 물과 실리콘이 오늘날에도 지구의 맨틀에서 핵으로 들어갈 수 있는지, 그리고 어떤 형태로 들어갈 수 있는지 조사했다. “판 구조론이 시작된 이래 물은 섭입된 판을 통해 깊은 맨틀에 도달할 수 있었다”고 그들은 설명했다. 추정에 따르면 매년 약 1조 리터의 물이 핵-맨틀 경계로 이동한다. 그러나 현재 이론에 따르면 이 결합된 물은 맨틀에 남아 있으며 대류에 의해 다시 올라온다.
그러나 물이 하부 맨틀에서 지구의 핵으로 침투한다면 어떨까? 연구진은 고압 실험에서 이것이 화학적으로나 물리적으로 가능한지를 테스트했다. 이를 위해 그들은 브리지마나이트, 페리클라아제, 소프라이트 등 하부 맨틀에 전형적인 결합된 수분 함유 광물을 철, 규소와 함께 최대 140GPa(기가파스칼)의 압력과 최대 섭씨 3,500도의 온도에 노출시켰다. 그런 다음 X선 산란 및 화학 분석을 사용하여 무엇이 생성되었는지 조사했다.
내부 깊은 곳에 있는 화학적 경계
결과: "우리의 실험은 수화된 광물의 물이 이러한 조건에서 철-실리콘 합금과 반응한다는 것을 보여준다"고 Kim과 그의 동료들은 보고했다. 이 반응은 수소화철(FeHx)을 생성하고 규소를 규산염(SiO2)으로 산화시킨다. 이는 맨틀 광물이 지구 외핵의 구성 요소와 반응할 수 있음을 시사한다. 연구팀은 “이 반응은 맨틀과 핵 사이에서 실리콘과 수소의 교환을 암시한다”고 말했다.
실험과 보완 모델에 따르면, 핵-맨틀 경계에서의 이러한 반응은 수소화철과 규산염이 풍부한 지구 핵의 얇은 외부 층을 생성한다. 이전 연구에서 제안한 것처럼 규산염은 시간이 지남에 따라 결정화되어 눈의 유형으로 눈이 위로 올라갈 수 있다. "이것은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 역동적인 핵-맨틀 상호작용을 시사한다"고 공동 저자인 애리조나 주립 대학의 심상헌은 말했다.
현재까지의 수소 보충
연구팀에 따르면, 그들의 결과는 가벼운 원소 중 일부가 지구의 핵에 어떻게 들어가는지 설명할 수 있다. Kim 연구팀은 “우리의 모델은 지구의 맨틀과 핵이 지질학적 시간 동안 서로 화학적으로 분리된 상태로 유지되지 않았음을 보여준다.”며 “그들은 초기 지구의 핵이 형성된 후에도 계속해서 원소를 교환했을 수 있다”고 썼다. 형성된 분자는 또한 지구 핵의 지진적으로 변칙적인 얇은 가장자리 층을 설명할 것이다.
동시에 이는 지구의 물 순환이 지구의 지각이나 맨틀에서 멈추지 않고 지구의 핵까지 도달할 수 있음을 의미한다. 수십억 년에 걸쳐 물은 반복적으로 핵-맨틀 경계에 도달했으며 거기에서 수소와 규산염의 형태로 지구 핵으로 들어갔다.
(Nature Geoscience, 2023; doi: 10.1038/s41561-023-01324-x)
출처: Arizona State University
- 맨틀 암석에 결합된 물은 핵의 액체 철과 반응하여 끊임없이 새로운 수소와 규산염을 지구 핵으로 가져온다.
물이 지구의 핵까지 닿을까?
맨틀 암석과 철 사이의 반응은 수소를 지구 핵으로 가져올 수 있다.
심부 순환:
지구의 핵과 맨틀 사이의 경계는 예상보다 더 투과성이 있을 수 있다. 현재 고압 실험에서 알 수 있듯이 물이 깊은 곳으로 이동하는 경우에도 마찬가지다. 따라서 맨틀 암석에 결합된 물은 핵의 액체 철과 반응하여 끊임없이 새로운 수소와 규산염을 지구 핵으로 가져온다. 이는 지구의 핵이 예상보다 가벼운 이유를 설명할 수 있을 뿐만 아니라, 연구자들이 "자연 지구과학(Nature Geoscience)"에서 보고한 것처럼 지구의 물 순환에 새로운 빛을 비춰준다.
 |
| ▲ 핵-맨틀 경계 조건에서 맨틀 광물, 암석수 및 액체 철은 반응하여 수소화철과 결정질 규산염을 형성할 수 있다. © Dan Shim / Arizona State University |
핵-맨틀 경계는 지구 내부의 핵심 영역이다. 약 2,900km 깊이에서 지구 외핵의 용융된 철 합금이 약 1000도 더 낮은 고체 맨틀 암석과 직접 접촉하게 된다. 이 접촉 구역은 열 균형과 지구 내부의 화학적 구성에 상응하여 중요하다. 그러나 이 경계에서 얼마나 많은 교류가 일어나는지는 논란의 여지가 있다. 일부 연구에 따르면 지구의 핵이 누출되고 금속이 지구의 맨틀을 관통하고 있으며, 다른 연구에서는 가장 바깥쪽 핵 영역에서 규산염 눈이 결정화되고 있음을 나타낸다.
빛의 요소에 관한 퍼즐
이제 핵-맨틀 경계가 생각보다 더 투과성이 있다는 추가 증거가 있다. 애리조나 주립 대학의 김태현과 그의 동료들이 발견한 것처럼 물조차도 지구 표면에서 하부 맨틀과 핵으로 도달할 수 있다. 그들의 연구의 원동력은 지구의 외핵에 철과 니켈뿐만 아니라 수소, 규소, 산소와 같은 가벼운 원소도 포함되어 있어야 한다는 데이터였다.
그러나 지구의 핵심에 얼마나 많은 빛 요소가 있고 어떤 빛 요소가 있는지는 언제, 어떻게 거기에 도달했는지에 대한 질문만큼 논란의 여지가 있다. 대부분 시나리오에서는 이것이 지구의 핵이 형성되었을 때 일어났다고 가정한다. 그러나 이것이 혼합물의 전체 양이나 다른 현상을 설명할 수는 없다. “지진 이동 시간이 비정상적으로 짧은 지구 외핵의 위쪽 가장자리에 얇은 층이 있다는 증거가 있다”고 연구원은 설명했다.
판 구조론에 대한 심층 분석
이것이 Kim과 그의 팀의 연구가 시작되는 곳이다. 그들은 물과 실리콘이 오늘날에도 지구의 맨틀에서 핵으로 들어갈 수 있는지, 그리고 어떤 형태로 들어갈 수 있는지 조사했다. “판 구조론이 시작된 이래 물은 섭입된 판을 통해 깊은 맨틀에 도달할 수 있었다”고 그들은 설명했다. 추정에 따르면 매년 약 1조 리터의 물이 핵-맨틀 경계로 이동한다. 그러나 현재 이론에 따르면 이 결합된 물은 맨틀에 남아 있으며 대류에 의해 다시 올라온다.
그러나 물이 하부 맨틀에서 지구의 핵으로 침투한다면 어떨까? 연구진은 고압 실험에서 이것이 화학적으로나 물리적으로 가능한지를 테스트했다. 이를 위해 그들은 브리지마나이트, 페리클라아제, 소프라이트 등 하부 맨틀에 전형적인 결합된 수분 함유 광물을 철, 규소와 함께 최대 140GPa(기가파스칼)의 압력과 최대 섭씨 3,500도의 온도에 노출시켰다. 그런 다음 X선 산란 및 화학 분석을 사용하여 무엇이 생성되었는지 조사했다.
내부 깊은 곳에 있는 화학적 경계
결과: "우리의 실험은 수화된 광물의 물이 이러한 조건에서 철-실리콘 합금과 반응한다는 것을 보여준다"고 Kim과 그의 동료들은 보고했다. 이 반응은 수소화철(FeHx)을 생성하고 규소를 규산염(SiO2)으로 산화시킨다. 이는 맨틀 광물이 지구 외핵의 구성 요소와 반응할 수 있음을 시사한다. 연구팀은 “이 반응은 맨틀과 핵 사이에서 실리콘과 수소의 교환을 암시한다”고 말했다.
실험과 보완 모델에 따르면, 핵-맨틀 경계에서의 이러한 반응은 수소화철과 규산염이 풍부한 지구 핵의 얇은 외부 층을 생성한다. 이전 연구에서 제안한 것처럼 규산염은 시간이 지남에 따라 결정화되어 눈의 유형으로 눈이 위로 올라갈 수 있다. "이것은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 역동적인 핵-맨틀 상호작용을 시사한다"고 공동 저자인 애리조나 주립 대학의 심상헌은 말했다.
현재까지의 수소 보충
연구팀에 따르면, 그들의 결과는 가벼운 원소 중 일부가 지구의 핵에 어떻게 들어가는지 설명할 수 있다. Kim 연구팀은 “우리의 모델은 지구의 맨틀과 핵이 지질학적 시간 동안 서로 화학적으로 분리된 상태로 유지되지 않았음을 보여준다.”며 “그들은 초기 지구의 핵이 형성된 후에도 계속해서 원소를 교환했을 수 있다”고 썼다. 형성된 분자는 또한 지구 핵의 지진적으로 변칙적인 얇은 가장자리 층을 설명할 것이다.
동시에 이는 지구의 물 순환이 지구의 지각이나 맨틀에서 멈추지 않고 지구의 핵까지 도달할 수 있음을 의미한다. 수십억 년에 걸쳐 물은 반복적으로 핵-맨틀 경계에 도달했으며 거기에서 수소와 규산염의 형태로 지구 핵으로 들어갔다.
(Nature Geoscience, 2023; doi: 10.1038/s41561-023-01324-x)
출처: Arizona State University
[더사이언스플러스=문광주 기자]
[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]
