열점과 맨틀 그리고 플룸구조

하와이 등 판의 한복판에 위치한 화산을 설명하는 데 열점이라는 개념을 제시한 사람은 판구조론이 형성되던 중 변환 단층을 발견한 윌슨이다. 윌슨은 하와이 등 대양도의 화산 지형이 대양저에 띠 모양으로 있는 것, 활화산이 그 끝자락에 있는 것, 또 몇몇 활화산 섬에서 뻗어 나는 사화산의 배열이 거의 평행인 것에 주목했다. 이런 화산은 판 운동의 영향을 받지 않는 맨틀 심부에 마그마원이 있고, 그 위를 판이 옆으로 이동해 형성된다. 열점을 움직이지 않는 것이라고 가정한다면 열점에서 연결되는 화신 지형의 배열로 판 운동의 속도와 방향을 알 수 있다. 하와이에서 북서 방향으로 줄지은 해저화산군은 미드웨이 섬 근처에서 방향을 바꾸어 덴노 해산의 띠를 이룬다. 이것은 약 4000만 년 전에 태평양판의 움직임에 변화가 있었음을 시사한다. 열점의 화산활동은 중앙해령에서 형성되는 해양판, 섭입대에서 섭입되는 판 등 지구 표층의 구조와 어떤 관련이 있을까? 오늘날 열점은 맨틀 심부에서 발생한 플룸(상승류)에 의한 것으로 여긴다. 지진학자는 진원에서 관측 지점까지 지진파가 전달되는 데 걸린 시간을 이용해 지구 내부에서 지진파의 평균 속도를 이용해 구조를 추정했다. 1980년대 들어서는 지진파가 도달하는 시간이 지역에 따라 편차가 있는 것에 주목하였다. 예컨대 남태평양의 통가 호상열도에서 발생한 지진파는 서태평양의 맨틀을 거쳐 일본 열도에 이른다. 그 주시를 평균적인 지구 모델과 비교하면, 전자의 경로에서는 지진파가 늦게 도달하고, 후자의 경우 빨리 도달한다. 이런 차이는 지진파가 빨리 전달되는 영역과 늦게 전달되는 영역이 있음을 의미한다. 지구 내부에서 생기는 지진파의 전달 속도 차이를 시각화하려면, 진원과 관측 점의 조합에 대한 많은 데이터를 일괄적으로 계산함으로써 주시의 차이를 지구 내부 곳곳에서 속도의 불균일함으로 표현하면 된다. 이처럼 관측 데이터를 바탕으로 지구 내부의 구조를 역산하는 방법을 인버전이라고 한다. 의학 분야에서 인체의 내부를 X선으로 단층 촬영하는 것과 마찬가지로 지구 내부를 진단하기 위해 지진파를 사용하는 것을 지진 단층촬영이라 한다. 또 이런 방법으로 맨틀 전체를 시각화하는 연구를 맨틀 단층촬영이라고 한다. 그림 2-18은 맨틀 단층촬영 연구에서 시각화한 지구 내부 지진파 속도의 불균일성을 나타낸 것이다. 일본 열도와 같은 섭입대에서는 섭입한 판이 맨틀의 어느 깊이까지 도달하는지, 그리고 고온의 물질이 상승하는 중앙해령이나 열점에서는 상승류가 어느 깊이에서 발생하는지가 관심을 끌고 있다. 일본 열도와 같은 섭입대에서는 섭입한 슬래브에 대응하는 지진파의 속도가 빠른 영역이 상부 맨틀과 하부 맨틀의 경계를 꿰뚫고 맨틀 심부까지 이르고 있었다. 하지만 중앙해령의 용출에 대응하는 상승류는 어느 깊이에서 발생하는지, 그리고 열점의 마그원은 어디에 있는지, 나아가 대륙지각의 뿌리는 맨틀의 어느 정도 깊이까지 미치는지 등은 미루어 짐작할 수밖에 없었다. 이런 문제들은 관측 데이터를 바탕으로 해명할 수 있을 것으로 기대했다. 만약 지구 내부에 존재하는 지진파 속도의 불균일성이 물질의 온도를 반영한 것이라면, 속도가 느린 영역은 고온역이며, 속도가 빠른 영역은 저온역인 셈이다. 즉 온도가 높은 영역은 맨틀의 상승류역이며, 차가운 부분은 맨틀의 하강류역이 되기 때문에 현재 지구 내부의 불균일성을 통해 지구 내부의 움직임을 읽을 수 있다. 이처럼 지구 내부를 보면, 지진파의 속도가 느린 곳, 즉 온도가 높은 영역은 맨틀 심부에서 표층으로 원통 모양으로 이어져 있음을 알 수 있다. 이런 원통 모양 구조대는 대류의 플룸과 형태가 유사하다. 즉 맨틀 대류의 상승류는 플룸과 비슷하다. 한편 하강류는 판으로 섭입하는 것이 특징이며, 그 형태는 판 모양을 하고 있다. 나아가 섭입한 슬래브의 행방을 조사하면, 슬래브는 상부 맨틀과 하부 맨틀의 경계에 위치하는 깊이 660킬로미터의 불연속면 지점에 괸 후, 하부 맨틀로 섭입해 맨틀의 가장 깊은 부분까지 가로놓여 있는 것처럼 보인다. 열점의 마그마원에 대해서는 맨틀 가장 깊은 부분에서 플룸 모양으로 상승하고 있는 것이 있다. 아이슬란드처럼 상부 맨틀 안에서는 원통 모양의 저속도 영역이 뚜렷하게 인지되지만, 하부 맨틀에 대해서는 불명료해지는 것도 있다. 맨틀 단층촬영으로 밝힌 지진파 속도의 불균일성을 광역적으로 보면, 남태평양과 아프리카대륙 아래에 넓게 가로놓인 하부 맨틀은 저속도 영역이다. 이런 구조도 대규모 플룸 활동에 의한 것이다. 열점에 마그마를 공급하는 플룸보다 규모가 큰 점에서 이런 플룸을 특히 슈퍼플룸이라고 한다. 지구 표층의 구조는 판의 수평운동이 특징이나, 1990년대 맨틀 단층촬영으로 밝힌 심부 맨틀의 역학적 운동은 플룸 모양의 상승류와 하강류가 특징이다. 열정 같은 판 한복판의 화산활동과 데칸고원 등의 대규모 현무암 대지도 플룸의 활동을 원인으로 발생한다. 나아가 플룸 활동은 초대륙 분열의 계기나, 생물 대량 멸종의 원인으로 추정된다. 지구 내부의 불균일성을 바탕으로 한 맨틀의 플룸 활동은 지구 시스템의 대변동을 초래하는 원동력으로 간주했다. 1960년대에 등장한 판구조론을 대신할 새로운 고체 지구의 변동 모델을 제시하여 지금 플룸구조론이 주목받고 있다. 지각, 상부 맨틀, 하부 맨틀, 외핵, 내핵처럼 지구 내부는 성층 구조를 이룬다 지각은 두께 5~10킬로미터 정도의 현무암질 해양지각과, 두께 30~35킬로미터나 되는 화강암질 대륙지각으로 나뉜다. 지각 아래에는 660킬로미터 깊이에 있는 상부 맨틀과 하부 맨틀로 나뉜다.