이용재 교수팀, 지구 내부로 물이 유입되는 새로운 기작 제시

섭입하는 점토광물의 상전이에 의해 지표의 물이 하부맨틀까지 이동하는 메커니즘 밝혀

판구조 운동을 통해 물을 운반하는 광물의 중요성 시사

세계적인 과학 저널 ‘Nature Communications’ 게재

[사진 1. 이용재 교수]

이용재 교수(지구시스템과학과) 연구팀은 점토광물이 차가운 섭입대 환경을 따라 지구 내부로 들어갈 때, 단계적 상전이를 통해 하부맨틀까지 물을 운반할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 연구 결과는 세계적인 과학 저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 5월 24일(현지시간) 게재됐다.

물은 지구 지표의 약 70%를 차지하며 수권을 형성하고 있다. 최근 연구에 따르면, 물을 구성하는 수소와 산소의 분포는 지각 아래의 상부맨틀, 전이대, 하부맨틀, 그리고 핵으로 갈수록 더 많아지는 것으로 추정된다. 일부 연구자들은 수권의 약 4배와 12배에 해당하는 물이 각각 전이대와 하부맨틀을 구성하는 광물 속 불순물의 형태로 존재한다고 주장한다. 이처럼 지구의 물 분포가 어떻게 시작됐고, 46억 년 역사 동안 어떻게 변화해 왔는지, 그리고 앞으로 어떻게 변할지는 아직 많은 부분이 밝혀지지 않았다. 

[그림 1. 지각판의 섭입에 따라 점토광물에 포함된 물이 분해반응을 통해 하부맨틀까지 운반됨을 형상화한 그림]

이번 연구는 광물 속에 포함된 물 함량의 변화 과정을 통해 지각판의 섭입 과정이 전 지구적인 물의 이동과 분포에 어떤 영향을 미치는지를 이해하고자 진행됐다. 연구팀은 지표에서부터 하부맨틀에 해당하는 온도와 압력 환경을 재현해 해양 퇴적물을 구성하는 주요 점토광물 중 하나인 엽납석(Pyrophyllite)의 깊이에 따른 변화를 관찰했다. 실험 결과, 엽납석은 상대적으로 물이 풍부하고 ‘차가운’ 섭입대 환경에서 단계적 수화(Hydration)와 탈수(Dehydration) 과정을 거치며 본래 함유하고 있던 양만큼의 물을 맨틀 전이대를 통과해 하부맨틀까지 이동시켰다.

기존의 연구들은 섭입하는 광물 속에 포함된 물은 섭입대 일정 깊이 영역에서 빠져나와 지진이나 화산 활동에 영향을 미친다고만 알려져 왔다. 그러나 이번 연구는 물을 포함한 일부 점토광물이 섭입 과정에서 더 많은 양의 물을 포함한 고밀도 상의 안정적인 맨틀 광물로 전환되는 과정을 거치면서 하부맨틀까지 물을 이동시킬 수 있음을 보여줬다. 이는 지구 전체 물의 분포와 그 변화 과정을 이해하고 예측하는데 판구조 운동과 물을 운반하는 광물의 역할이 중요함을 시사한다.

이용재 교수는 “만약 이러한 점토광물의 섭입 과정이 지난 25억 년간 진행돼 왔다면, 현재 바닷물의 약 2.5%에 해당하는 물이 지표에서 하부맨틀로 이동했을 것이다.”며 연구 결과를 해석하고, 지구 진화의 역동적인 모습을 강조했다. 

한편, 이번 연구는 한국연구재단 리더연구자사업(고압광물물리화학연구단)의 지원으로 수행됐으며, 방사광가속기 고온·고압 X-선 회절 실험은 미국 알곤국립연구소(ANL), 독일 전자방사광연구소(DESY), 그리고 포항가속기연구소(PLS-II)의 연구시설을 활용해 수행됐다.

논문정보

● 논문 제목: 

A role for subducting clays in the water transportation into the Earth’s lower mantle

● 논문 주소: https://www.nature.com/articles/s41467-024-48501-z