Carbonatite melt pathways connect the deep mantle to Archean craton margins
본 연구는 장주기 지자기 탐사 데이터를 활용하여 가울러 크레이튼(Gawler Craton) 하부의 전기 전도성이 높은 이방성 구조를 식별하며, 이는 휘발성 성분과 희토류 원소를 크레이튼 가장자리로 운반하는 심부 맨틀 카보나타이트 용융물의 증거로서, 여기서 분리된 흑연이 모호면(Moho)에서 저저항 특성을 생성한다.
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지표면 아래 깊은 곳에서는 지구 내부의 탄소를 다시 지표로 이동시키는 숨겨진 순환이 움직이고 있으며, 이 과정은 수십억 년 동안 활발하게 지속되어 왔습니다. 이 순환은 우리 대기와 해양의 화학 성분을 조절하기 때문에 매우 중요하지만, 탄소가 깊은 맨틀에서부터 지각까지 이동하는 메커니데는 그동안 규명되지 않은 채 남아 있었습니다. 과학자들은 탄소가 풍부한 암석이 하나의 지각판이 다른 판 아래로 미끄러져 들어가는 섭입대(subduction zones)를 통해 지구 내부로 끌려 들어간다는 사실을 알고 있습니다. 이 탄소 중 일부는 과정 초기에 방출되기도 하지만, 상당 부분은 카보네타이트(carbonatite)라고 불리는 특수한 종류의 용융된 암석에 의해 운반되어 훨씬 더 깊은 곳까지 이동하는 것으로 생각됩니다. 이 용융물은 탄소가 풍부하며 희귀한 원소와 가스를 녹여서 운반할 수 있다는 점에서 독특합니다. 그러나 지하 깊은 곳에 있는 이 작은 용융체 주머니들을 직접 관찰하는 것은 매우 어렵습니다. 그것들은 너무 작아서 직접 볼 수 없으며, 지표로 보내는 신호는 물이 풍부한 광물과 같은 다른 물질들과 쉽게 혼동될 수 있기 때문입니다.
애들레이드 대학교 연구팀은 이제 마그네토텔루릭(magnetotellurics, 전자기 탐사)이라는 강력한 방법을 사용하여 호주 남부 가울러 크라톤(Gawler Craton) 아래의 숨겨진 세계를 들여다보았습니다. 이 고대의 암석 블록인 크라톤은 대륙의 안정적인 핵심부를 형성합니다. 과학자들은 자연적인 전류가 지구를 통해 흐르는 것을 측정하기 위해 경관 전역에 센서 네트워크를 배치했습니다. 이들은 전류가 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지를 분석함으로써 지하 깊은 곳의 전기 전도도에 대한 상세한 3차원 지도를 구축할 수 있었습니다. 그들의 목표는 저 그 elusive(찾기 힘든)한 카보네타이트 용융체의 징후를 찾아내고, 이들이 지각과 맨틀을 통해 어떻게 이동하는지 이해하는 것이었습니다.
연구진은 가울러 크라톤 중앙부 깊은 곳에서 눈에 띄는 이상 현상을 발견했습니다. 지구의 단단한 외각이 그 아래의 흐르는 맨틀과 만나는 경계인 약 180km 깊이에서, 그들은 유난히 전도성이 높은 암석층을 발견했습니다. 이 층은 바로 위의 암석보다 약 1,000배 더 전도성이 높습니다. 연구팀은 이 전도성 층이 균일하지 않으며, 특정 방향으로 훨씬 더 쉽게 전기를 전달하는 고도의 방향성을 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 방향성 특성인 이방성(anisotropy)은 이 전도성 물질이 단순히 무작위적인 액체 덩어리가 아니라, 얇고 정렬된 채널 형태로 조직되어 있음을 시사합니다.
저자들은 이 전도성 있고 방향성을 가진 층에 대한 가장 가능성 있는 설명이 아주 적은 양의 카보네타이트 용융물이라고 주장합니다. 연구진은 용융물의 부피가 커다란 양동이에 담긴 몇 방울의 물 정도인 0.05%만큼만 되어도 관찰된 전기 신호를 만들어내기에 충분하다고 추정합니다. 이 작은 비율의 용융물은 광물 입자들의 경계를 따라 연결된 네트워크를 형성하기 때문에 암석의 전기 저항을 급격히 낮추기에 충분합니다. 연구진은 물이 풍부한 광물만으로는 이 현상을 설명할 수 없다는 점을 명시적으로 배제했습니다. 물 또한 암석을 더 전도성 있게 만들 수는 있지만, 측정된 전도 수준은 암석이 물로 포화되어 있다 하더라도 물만으로는 설명하기에 너무 높기 때문입니다. 그들은 또한 불소(fluorine)가 풍부한 광물의 가능성도 고려했으나, 증거는 탄소가 풍로한 용융체의 존재를 더 강력하게 가리키고 있습니다.
이 연구는 또한 고대 크라톤의 가장자리 근처에서 두 번째로 관련된 현상을 밝혀냈습니다. 지각과 맨틀 사이의 약 40km 깊이에서, 연구진은 또 다른 저전기 저항 구역을 발견했습니다. 깊은 맨틀의 전도체와 달리, 이 구역은 방향성이 덜합니다. 연구팀은 이를 탄소가 깊은 용융물에 의해 운반된 후 방출되어 흑연(graphite)으로 변형된 장소로 해석합니다. 탄소가 풍부한 유체가 위로 이동하며 식으면서, 탄소가 용액에서 침전되어 전기 전도성이 뛰어난 고체 흑연을 형성한 것입니다. 이 과정은 수십억 년 동안 안정적으로 유지되어 온 지속적이고 전도성 있는 층을 하부 지각에 만들었습니다.
이 발견은 심부 맨틀과 지구 표면 사이의 연속적인 연결 고리를 시사합니다. 연구진은 약 16억 년 전 해양판의 섭입과 같은 고대의 지구조적 사건들이 탄소가 풍부한 물질을 맨틀 깊숙이 밀어 넣었다고 제안합니다. 이 물질은 소량의 카보네타이트 용융물을 생성하여 크라톤 기저부의 채널에 갇히게 되었습니다. 시간이 흐르면서 이 용융물 중 일부는 크려톤의 가장자리로 이동하여 지각으로 솟아올랐고, 그 과정에서 흑연 퇴적물을 남겼습니다. 이 경로는 전기 신호를 설명할 뿐만 아니라, 올림픽 댐(Olympic Dam)과 같은 주요 광상에서 발견되는 것과 같은 가치 있는 원소들이 어떻게 지구의 지각으로 운반되고 농축되었는지에 대한 메커니즘을 제공합니다. 이 연구 결과는 복잡한 생명체가 탄생한 이래로 지구의 화학 성분과 광물 자원을 형성해 온 심부 지구의 과정을 엿볼 수 있는 드문 기회를 제공합니다.
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