Transition between the Pacific and African mantle domains beneath southwest Pacific marginal basins

지표면 깊은 곳, 지구의 내부는 균일하게 소용돌이치는 수프와 같은 상태가 아닙니다. 대신, 그곳은 수억 년 동안 분리된 상태로 유지되어 온 거대하고 뚜렷한 구역들로 나뉘어 있습니다. 맨틀을 거대하고 느리게 움직이는 암석의 바다라고 상상해 보십시오. 오랫동안 과학자들은 태평양 아래의 암석이 대서양이나 인도양 아래의 암석과 화학적으로 다르다는 것을 알고 있었습니다. 이러한 차이는 지구의 테크토닉 판이 수 세기에 걸쳐 어떻게 이동하고 충돌했는지를 보여주는 유산입니다. 판이 맨틀 깊숙이 잠길 때, 판은 지각의 조각들을 함께 끌고 들어가 아래쪽 암석의 화학적 구성을 변화시킵니다. 시간이 흐르면서 이 과정은 명확한 분기점을 만들어냈습니다. 한쪽은 "태평양식" 맨틀을 보유하고 있고, 다른 한쪽은 "아프리카식" 맨틀을 보유하고 있는 것입니다. 지질학자들의 큰 의문은 이 보이지 않는 선이 정확히 어디에 위치하며, 대륙이 표류하고 해양이 열리고 닫힘에 따라 어떻게 이동했는가 하는 점이었습니다.

연구팀은 이제 지구의 지각이 수백만 년 동안 늘어나고 부서져 온 지역인 남서태평양의 암석을 통해 이 경계선을 추적해 냈습니다. 고대 용암 샘플의 화학적 지문을 분석함으로써, 그들은 두 맨질 세계 사이의 경계선이 고정된 위치에 있지 않다는 것을 발견했습니다. 대신, 이 경계는 하나의 판이 다른 판 아래로 미끄러져 들어가는 섭입대의 복잡한 역사에 의해 형성되고 진화하며 움직여 왔습니다. 그들의 연구는 이 경계가 단순히 지도 위의 단순한 선이 아니라, 시간이 지남에 따라 위치와 깊이가 변해온 역동적인 구역이며, 그곳에서 형성된 암석 속에 명확한 기록을 남겼음을 보여줍니다.

과학자들은 뉴질랜드랜드(Zealandia) 대륙과 호주 대륙이 서로 멀어지기 시작할 때 형성된 태즈먼해, 코럴해, 산타크루즈 분지 등 남서태평양의 일련의 분지들에 초점을 맞추어 연구를 진행했습니다. 이 지역들은 땅이 늘어나고 해저가 확장되면서 지표 깊은 곳에서 마그마가 솟아올라 빈 공간을 채우며 새로운 암석을 만들어냈다는 점에서 특별합니다. 연구진은 이 암석들을 수집하였으며, 특히 해저에서 가장 흔하게 발견되는 유형인 중앙 해령 현무암과 하와이 같은 화산섬에서 발견되는 용암과 유사한 해양 섬 현무암을 조사했습니다. 그들은 이 암석들이 언제 형성되었는지 결정하기 위해 연대를 측정했는데, 일부 샘플은 8,400만 년 전의 것이었고 다른 것들은 2,200만 년 정도로 젊었습니다.

이 암석들의 기원을 이해하기 위해 연구팀은 스트론튬, 네오디뮴, 납, 하프늄과 같은 특정 원소의 비율을 측정했습니다. 이 원소들은 맨질 기원의 화학적 신분증 역할을 합니다. 연구진은 명확한 패턴을 발견했습니다. 8,400만 년 전에서 5,000만 년 전 사이에 형성된 오래된 대륙 주변 분지의 암석들은 "아프리카식" 맨질의 화학적 특징을 지니고 있었습니다. 이는 이 분지들이 태평양 지역에 위치하고 있음에도 불구하고 그러했습니다. 반면, 5,000만 년 이후 동쪽의 해양 분지에서 형성된 더 젊은 암석들은 뚜렷한 "태평양식" 맨질의 특징을 보여주었습니다. 이러한 변화는 두 맨질 영역 사이의 경계가 과거에는 뉴질랜드랜드 대륙 가장자리를 따라 더 동쪽에 위치해 있다가 현재의 위치로 이동했음을 시사합니다.

연구는 또한 맨틀의 매우 깊은 부분을 조사하기 위해 맨틀 최하부에서 솟아오르는 뜨거운 물질의 기둥인 핫스팟(hotspots)에서 형성된 암석을 검토했습니다. 연구진은 북쪽의 타스만티드(Tasmantid) 및 로드 하우(Lord Howe) 체인과 같은 핫스팟들이 농축된 아프리카 맨질과 관련된 EM-1이라는 화학적 특징을 가진 암석을 생성했다는 것을 발견했습니다. 그러나 뉴질랜드랜드와 남극 가장 근처의 남쪽 핫스팟들은 심층 태평양 맨질과 연결된 HIMU라는 다른 특징을 가진 암석을 생성했습니다. 이는 이 지역의 맨틀 상층부는 아프리카 스타일이 지배적이었던 반면, 그 아래의 심층 맨틀은 여전히 태평양의 성질을 띠고 있었음을 나타냅니다. 두 영역이 서로 층을 이루어 쌓여 있는 복잡한 층상 구조를 만들었던 것입니다.

이 논문의 핵심 발견 중 하나는 두 맨질 세계 사이의 경계가 오늘날 우리가 보는 섭입대에 의해 정의되지 않는다는 점입니다. 오랫동안 과학자들은 태평양 판이 호주 판 아래로 가라앉는 현재의 섭입대가 경계선을 표시한다고 생각했습니다. 그러나 오래된 암석의 화학적 증거는 이 선이 한때 훨씬 더 동쪽인 뉴질랜드랜드의 대륙 가장자리를 따라 있었다는 것을 보여줍니다. 연구진은 약 5,000만 년 전 섭입 방향의 역전, 즉 섭입대의 방향 전환이 경계를 서쪽으로 밀어냈다고 주장합니다. 이러한 움직임 덕분에 태평양 맨질이 이전에 아프리카 맨질이 지배하던 영역으로 흘러 들어올 수 있었습니다.

연구는 또한 관찰된 화학적 차이를 설명할 수 있는 몇 가지 다른 가설들을 배제했습니다. 연구진은 섭입된 퇴적물의 혼합이나 고대 대륙 지각의 파쇄가 이러한 패턴을 설명할 수 있는지 고려했으나, 데이터는 이러한 아이디어를 뒷받식하지 않았습니다. 대신, 증거는 맨질 영역 자체의 이동이 주요 동력임을 강력하게 가리킵니다. 화학적 특징이 너무나 뚜렷하고 광범위하기 때문에 국지적인 오염이나 소규모 혼합의 결과일 수 없습니다. 이 패턴들은 심층 맨틀이 수억 년 동안 두 개의 뚜렷한 구역으로 분리된 채 유지되어 온 거대한 규모의 글로벌한 과정을 시사합니다.

지구의 판이 어떻게 움직였는지에 대한 모델과 화학적 데이터를 결합하여, 연구진은 이 경계의 역사를 재구성할 수 있었습니다. 그들은 초대륙 판게아가 형성되던 시기에 태평양 판의 장기적인 섭입이 태평양 주변에 농축된 맨질의 고리를 형성했다고 제안합니다. 이 고리는 장벽 역할을 하여 태평양과 아프리카 맨질 영역을 분리해 두었습니다. 대륙이 쪼개지고 섭입대가 이동함에 따라 이 경계도 움직였지만, 근본적인 화학적 차이는 그대로 유지되었습니다. 이 연구는 이 경계가 어떻게 진화했는지에 대한 상세한 지도를 제공하며, 이 경계가 초대륙의 형성과 분해의 여러 주기를 거치며 지속되어 온 지구 맨틀의 1차적 특징임을 보여줍니다.

이 연구의 함의는 단지 남서태평양의 역사를 이해하는 데 그치지 않습니다. 이는 지구 내부가 전 지구적 규모에서 어떻게 작동하는지에 대한 새로운 시각을 제공합니다. 이러한 맨질 영역들이 그토록 오랫동안 뚜렷하게 유지되었다는 사실은 지구 내부가 이전에 생각했던 것보다 더 안정적이고 조직적임을 시사합니다. 경계의 이동은 무작위적인 것이 아니라 판의 이동에 의한 거대한 힘에 의해 추진됩니다. 이는 과학자들이 지구의 장기적인 진화와 심층 내부가 지표면에 미치는 영향을 더 잘 이해하도록 돕습니다. 또한 이 연구는 완전한 그림을 얻기 위해 맨틀의 얕은 부분과 깊은 부분을 모두 살펴보는 것이 중요하다는 점을 강조하며, 두 층이 서로 다르게 행동할 수 있고 각기 다른 이야기를 들려줄 수 있음을 보여줍니다.

결국, 이 연구는 내부 구역 간의 경계가 고정된 것이 아니라 상부의 판의 움직임에 의해 끊임없이 재형성되는 역동적인 지구의 모습을 그려냅니다. 남서태평양의 암석 속에 담긴 화학적 지문은 이러한 움직임과 맨질 영역의 이동을 보존하는 타임캡슐 역할을 합니다. 연구 결과는 태평양과 아프리카 맨질 사이의 분리가 실재하는 물리적 경계이며, 시간이 흐름에 따라 이동해 왔음을 확인시켜 줍니다. 이 작업은 지구의 깊은 내부를 이해하는 데 있어 공백을 메우고, 지난 수억 년 동안 지구가 어떻게 변화해 왔는지에 대한 더 명확한 전망을 제공합니다.