An ancient, deep, and ultra-depleted mantle domain beneath the northern Atlantic Ocean
이 연구는 북대서양 아래에서 심부의 고도 용융 추출을 특징으로 하는 고대의 초결핍 맨틀 영역을 식별하며, 저자들은 이것이 지구의 대규모 조성 구조에 기여하는 고대 맨틀 플룸의 보존된 잔류물을 나타낸다고 제안한다.
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지표면 깊은 곳에는 태양 표면보다 뜨거우면서도 대륙을 등에 업고 이동할 수 있을 만큼 단단한, 요동치는 암석의 바다가 존재한다. 이것이 바로 맨틀로, 이 층은 수십억 년 동안 서로 다른 화학적 가족들로 서서히 분리되어 왔다. 행성이 냉각되고 분화됨에 따라, 맨틀은 가벼운 물질들을 위로 밀어 올려 우리가 걷고 있는 지각을 형성했고, 그 아래 깊은 곳에는 더 무겁고 탈진한 잔여물을 남겼다. 수십 년 동안 과학자들은 이 남겨진 맨틀이 균일하지 않다는 사실을 알고 있었다. 그들은 광범위한 경계를 지도화했다. 태평양 아래의 맨틀은 화학적으로 '결핍(depleted)'되는 경향이 있는데, 이는 이미 녹기 쉬운 성분들을 많이 내어주었음을 의미하며, 아프리카와 인도양 아래의 맨틀은 휘발성 성분들을 더 많이 보유하고 있는 '풍부(enriched)'한 상태라는 것이다. 그러나 퍼즐의 결정적인 조각 하나가 여전히 빠져 있었다. 풍부한 쪽은 잘 연구된 반면, 가장 극단적이고 가장 탈진한 맨틀 구역의 본질과 기원은 미스터리로 남아 있었다.
펑 쉬(Feng Xu)와 동료들의 새로운 연구는 마침내 이 극단적인 구역 중 하나를 찾아냈으며, 북대서양 해저 아래 숨겨진 거대하고 고대의 영역을 밝혀냈다. 화산과 해령에 의해 지표로 운반된 암석들의 화학적 지문을 분석함으로써, 연구진은 이전에 보았던 그 어떤 것보다도 훨씬 더 결핍된 영역을 식별해 냈다. 이것은 단순히 약간 지친 암석 조각이 아니라, 초결핍(ultra-depleted) 영역, 즉 맨질이 극도로 박탈된 곳이다. 연구팀은 이 지역의 암석들이 독특한 화학적 서명, 특히 하프늄과 네오디뮴 동위원소가 반응하는 방식에서 태평양의 결핍된 맨틀이나 남쪽의 풍부한 맨틀과는 구별되는 특징을 지니고 있음을 발견했다.
이 현상이 어떻게 일어났는지 이해하기 위해 연구진은 시간을 거슬러 올라가야 했다. 그들은 맨질이 수십억 년에 걸쳐 어떻게 녹고 변화하는지를 시뮬레이션하기 위해 통계 모델을 구축했다. 그들의 연구는 북대서양 아래의 초결핍 암석들이 적어도 8억 년 전에 발생한 거대하고 고온인 용융 사건에 의해 형성되었음을 시사한다. 결정적으로, 이 용융은 오늘날 해령에서 일어나는 일반적인 용융보다 훨씬 더 깊은 곳에서 일어났다. 이는 아마도 깊은 지구로부터 솟아오르는 뜨거운 암석 기둥인 거대한 맨틀 플룸(mantle plume)의 존재 하에 발생했을 것이며, 이 플룸이 맨질로부터 광물들을 매우 철저하게 벗겨냄으로써 남은 암석을 믿기 힘들 정도로 가볍고 부력 있게 만들었다.
이 연구는 이 암석들의 기원에 관한 몇 가지 다른 가능성들을 명시적으로 배제한다. 연구진은 이 영역이 태평양의 결핍된 맨질을 만드는 일반적인 얕은 용융 과정에 의해 형성된 것도 아니며, 단순히 대륙의 분열이나 지표 지각의 재순환에 의한 결과도 아니라고 주장한다. 화학적 증거는 북대서양의 암석들이 지난 5,500만 년 동안 해양 분지가 열리면서 형성된 것들과는 구별된다는 것을 보여준다. 대신, 데이터는 훨씬 더 오래된 역사를 가리킨다. 모델에 따르면, 이 고대의 깊은 용융 사건 이후, 이 초결핍 블록들은 하부 맨틀로 가라앉았으며 그곳에서 수억 년 동안 보존되었다.
이 암석들이 지표로 돌아온 이야기는 그 형성 과정만큼이나 극적이다. 연구는 지난 5,000만 년 동안, 특히 아이슬란드과 아조레스 제도 아래에서 깊은 지구로부터 새로운 맨틀 플룸이 솟아올랐다고 제안한다. 이 플룸들이 솟아오를 때, 그들은 하부 맨틀에서 기다리고 있던 고대의 초결핍 블록들을 긁어모았다. 이 고대의 파편들은 위로 운반되어 용암으로 분출되었고, 지구의 심층 역사를 지표로 가져왔다. 이 발견은 행성의 내부 구조에 대한 우리의 이해를 바꾼다. 이는 맨틀이 단순히 재순환된 지표 물질과 표준적인 잔여물의 혼합물이 아니라, 거의 10억 년 동안 살아남은 고대의 깊은 영역들을 담고 있는 복잡한 기록 보관소임을 시사한다. 이러한 초결핍 성분의 존재는 왜 일부 화산 지역이 그토록 특이한 화학적 서명을 갖는지 설명하는 데 도움이 되며, 깊은 지구가 자신의 초기est, 가장 격렬했던 역사의 흔적들을 간직한 채 빛을 보기 위해 기다리고 있음을 암시한다.
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