Agulhas oceanic plateau formed from a branch of hydrous Indo-Africa mantle plume tree

기술 요약: 인도-아프리카 수화된 맨틀 플룸으로부터의 아굴하스 해양 고원 형성

문제 제기
대규모 화성암 지형(LIPs)의 기원에 관한 논쟁은 암석학계의 오랜 과제이다. 대륙성 LIP는 점차 물이 풍부한 맨틀 기원을 갖는 것으로 인식되고 있는 반면, 해양 고원은 전통적으로 비정상적으로 뜨겁지만 상대적으로 건조한 맨틀 플룸의 산물로 해석되어 왔다. 이러한 이분법은 해양 및 대륙 마그마의 기원이 근본적으로 다르다는 것을 시사한다. 그러나 이러한 차이는 샘플링 편향에서 비롯되었을 가능성이 있다. 해양 고원의 현무암질 유리(glass)는 대개 진화하고 탈가스된 상태이므로 일차적인 수분 함량을 과소평가할 수 있으며, 멜트 포괄물(melt inclusions)은 이차적 수화의 영향을 받을 수 있다. 결과적으로, 해양 고원의 휘발성 성분 함량과 심부 맨틀 기원은 규명되지 않은 채 남아 있으며, 이는 해양 및 대륙 LIP가 통일된 수화된 심부 맨틀 메커니즘을 공유하는지에 대한 의문을 남긴다.

연구 방법론
본 연구는 IODP Expedition 392를 통해 아굴하스 고원(Agualhas Plateau, AP)의 기저부에서 회수된 시료를 분석함으로써 이러한 불확실성을 해결하고자 한다. 연구진은 다음과 같은 다중 프로시(multi-proxy) 접근법을 결합하여 활용하였다:

• 시료 선정: Site U1582의 신선한 현무암질 유리(pillows lavas)와 Site U1579 및 U1580의 관입 암맥(sills)에서 추출한 단사휘석(cpx) 결정립.
• 휘발성 성분 분석: SIMS(이차 이온 질량 분석법)를 사용하여 유리 내 H₂O, CO₂, Cl, F 농도를 측정하였다. 또한 SIMS를 통해 인시튜(in situ) 붕소(B) 함량 및 동위원소 조성(δ¹¹B)을 결정하였다.
• 광물 내 수분 함량: FTIR(푸리에 변환 적외선 분광법)을 사용하여 단사휘석 내의 물을 정량화하였다. 단사휘석과 멜트 사이의 실험적으로 도출된 분배 계수를 사용하여 모마그마의 수분 함량을 재구성하였다.
• 동위원소 체계: 수소 동위원소(δD)를 측정하여 일차적 마그마의 물과 이차적 오염을 구분하였다.
• 지화학 모델링: 지각 혼입을 배제하기 위해 미량 원소 체계(Ce/Pb, Nb/U)를 분석하였다. 마그마 분화는 결정 작용의 영향을 보정하고 일차 마그마 조성을 추정하기 위해 Petrolog3 소프트웨어를 사용하여 모델링하였다. 맨틀 잠재 온도(Tp)는 물의 존재를 고려한 보정을 거쳐 PRIMELT3 모델을 사용하여 재구성하였다.

주요 결과

1. 이례적으로 높은 수분 함량: 아굴하스 고원 시료는 보고된 모든 내인성 해양 고원 중 가장 높은 수분 함량과 H₂O/Ce 비율을 나타냈다.
   • 유리 (Site U1582): H₂O/Ce 비율이 621에서 706 사이로 나타났으며, 이는 일반적인 중앙 해령 현무암(MORB) 및 해양 섬 현무암(OIB)을 크게 상회하는 수치이다.
   • 모마그마: 단사휘석 결정으로부터 재구성된 모마그마의 수분 함량은 2.0~6.2 wt.%에 달하며, 이는 섬호 현무암(island arc basalts)에서 볼 수 있는 수준이다.
2. 일차적 마그마 기원: 본 연구는 이 물의 기원이 이차적 수화나 지각 오염이 아님을 입증하였다.
   • 동위원소 증거: 수소(δD: -72 ~ -80‰) 및 붕소(δ¹¹B: -0.19 ~ -7.31‰) 동위원소 조성은 결핍된 맨틀과 겹치며, 해수와의 상호작용이나 변질된 지각의 혼입에서 기대되는 무거운 동위원소 특징을 보이지 않는다.
   • 미량 원소: 맨틀과 유사한 Ce/Pb 및 Nb/U 비율과 더불어, 유동성 원소(Rb, Ba, U, Pb)의 농집이 없다는 점은 변질된 해양 지각의 유의미한 혼입 가능성을 부정한다.
   • 광물학적 증거: 단사휘석의 수분 함량과 사면체 배위 Al³⁺ 사이의 상관관계, 그리고 특정 OH 흡수 밴드는 결정화 과정 중 구조적으로 결합되어 보존된 물임을 나타낸다.
3. 열적 및 지구조적 맥락:
   • 온도: 물이 용융에 미치는 영향을 보정한 후, 맨틀 잠재 온도(Tp)는 약 1437°C로 추정된다. 이는 전 지구적 MORB보다는 높지만, 시베리아 트랩과 같은 주요 LIP보다는 낮은 수준으로, 에메이샨(Emeishan) LIP와 유사한 범위에 위치한다.
   • 기원: 데이터는 이 고원이 중간 정도의 열을 가졌으나 매우 수분이 풍부한 플룸 기원의 부분 용융을 통해 형성되었음을 보여준다.
   • 심부 맨틀 연결성: 고해상도 지진 토모그래피를 통합하여, 저자들은 이 수화된 기원을 아프리카 거대 저속도 영역(LLSVP)에 뿌리를 둔 "플룸 트리(plume-tree)" 시스템의 부베(Bouvet) 분지와 연결시킨다.

의의 및 주장
본 논문은 아굴하스 고원이 수화된 맨틀 기원에서 형성되었음을 입증함으로써, 건조한 해양 고원과 습한 대륙성 LIP 사이의 외견상 모순을 해결한다고 주장한다. 저자들은 다음과 같이 단언한다:

• 통일된 메커니즘: 인도-아프리카 영역의 해양 및 대륙성 LIP는 물이 풍부한 심부 맨틀 기원을 공유할 수 있다.
• 물의 역할: 물은 지구 최대 규모의 마그마 지형을 생성하는 데 있어 능동적이고 결정적인 역할을 수행하며, 이는 해양 고원이 오직 비정상적으로 뜨겁고 건조한 플룸 헤드에 의해 구동된다는 기존의 견해에 도전한다.
• 심부 구조: 아굴하스 기원의 이례적인 수화 특성은 국지적인 이상 현상이 아니라, 대륙 홍수 현무암 및 다른 해양 핫스팟에 영양을 공급하는 더 넓은 아프리카 LLSVP 플룸 트리 시스템에 공급되는 휘발성 물질이 풍부한 물질을 반영하는 것이다.
• 환경적 영향: 이러한 심부의 수화된 기원으로부터 방출된 막대한 양의 휘발성 성분(H₂O, Cl)은 해양-대기 시스템에 상당한 영향을 미쳤을 것이며, 백악기 동안 해양 순환과 전 지구적 기후 진화에 영향을 주었을 가능성이 있다.

결론적으로, 본 연구는 해양 및 대륙성 LIP의 구분이 기존의 생각보다 덜 근본적일 수 있으며, 두 유형 모두 잠재적으로 휘발성 물질이 풍부한 하부 맨틀 저장고를 이용할 수 있음을 시사한다.