최하부 맨틀은 더욱 복잡해졌다. : 대홍수-격변 [한국창조과학회 자료실]

미디어위원회

2026-08-31

최하부 맨틀은 더욱 복잡해졌다.

(Lowermost mantle becomes more complicated)

By Michael J. Oard

새로운 광물상(mineral phase)의 발견은 노아 홍수의 지구조학(geotectonics, 地構造學)'을 이해하는 데 도움이 될 수 있다.

하부 맨틀(lower mantle)은 지구 내부 깊이 660km에서 2,900km 사이에 위치하며, 지구 전체 부피의 56%를 차지한다. 하부 맨틀은 세 광물로 구성된 것으로 여겨지는데, 그것들은 브리지그마나이트(bridgmanite, (Mg,Fe)SiO3), 페로페리클라제(ferropericlase, (CaMg)O), 칼슘-규산염 페로브스카이트(calcium-silicate perovskite, CaSiO3) 이다. 이들 중 브리지그마나이트가 주요 구성 요소로 여겨지고 있다.[1]

노아 홍수에서 하부 맨틀의 중요성

하부 맨틀의 특성은 중요한데, 맨틀의 점성, 온도, 밀도, 조성 모델이 수직 구조론(vertical tectonics), 격변적 판구조론(catastrophic plate tectonics, CPT), 지진파 속도(seismic velocities) 평가, 지진파 단층촬영(seismic tomography) 해석 등 홍수 모델의 여러 측면에 영향을 미치기 때문이다. 주요 쟁점 중 일부는 ‘거대 저전단 속도 영역(LLSVPs)’과 ‘초저속 대(ULVZ)’의 해석과 관련이 있다.

*LLSVP(Large Low-Shear-Velocity Provinces) : 거대 저전단 속도 영역.

지구 맨틀 최하부에 존재하는 지진파(특히 S파)의 속도가 주변보다 매우 느리게 통과하는 거대한 두 개의 덩어리이다. 아프리카 대륙 아래와 태평양 아래에 각각 하나씩 거대한 대륙 크기의 덩어리로 자리 잡고 있다.

*ULVZ(Ultra-Low Velocity Zone) : 초저속도대.

맨틀과 외핵 경계면 바로 위에 위치하며, 지진파의 속도가 극단적으로(최대 10~30%까지) 느려지는 얇은 층들을 말한다. 거대 저전단 속도 영역(LLSVP)의 바닥이나 가장자리에서 주로 발견되며, 크기는 수 km에서 수십 km 두께로 국지적이다.

거대 저전단 속도 영역과 초저속도대

거대 저전단 속도 영역(LLSVP)은 지진파 단층촬영(그림 1)으로 감지되는, 하부 맨틀에서 두 개의 낮은 전단파 속도 영역으로 구성되어 있다. 이들은 아프리카와 서대서양 아래(투조(Tuzo)라 불림)와 적도 태평양 대부분 지역(제이슨(Jason)이라 불림)에 분포해 있다. LLSVP는 더 높은 지진파 속도 영역으로 둘러싸여 있다. 이들은 핵-맨틀 경계(core-mantle boundary, CMB) 위의 가장 하부 맨틀의 약 30%를 덮고 있으며, 약 1,000 km 위쪽으로 확장된 것으로 추정된다.[2] 수년간 수많은 단층촬영 관찰을 통해 꾸준히 발견되어 왔으므로, 실제 특징일 가능성이 매우 높다. 흥미로운 점은 LLSVP들이 대부분 적도를 가로지르며, 서로 반대 방향에 있다는 것이다. 측면 및 수직 이질성을 가지는 가장 낮은 맨틀 평균 속도보다, 지진 S파(전단파) 속도는 2% 낮고[2], P파(1차 파) 속도는 0.5% 낮다.

그림 1. 지구 중심부(파란색)의 구조물 그림. 태평양 거대 저전단 속도 영역(LLSVP)은 적색으로 표시되어 있으며, 더 작고 얇은 초저속도대(ULVZ)는 밝은 적색으로 표시되어 있다. <Wikimedia / CC BY SA 3.0>

… 격변적 판구조론(CPT) 모델에서, 이것들은 4,500년 전 노아 홍수 당시 차가운 섭입 판들에 의해서 이 위치로 밀려난, 더 뜨거운 하부 맨틀 덩어리일 수 있다.

지진파(seismic waves)는 압력과 온도 차이 모두에 영향을 받는다. 만약 지진파 속도가 전적으로 온도 차이에 의해 발생한다면, S파-속도 감소 1%는 200°C의 온도 상승에 해당된다.[2] 그리고 만약 LLSVP가 전적으로 열에 의해 형성된다면, 부력이 있을 것이고, 이것이 세속 과학자들이 LLSVP가 대부분 또는 전적으로 더 높은 밀도를 제공하는 화학적 차이라고 믿고 있는 이유 중 하나이다.[3, 4] 따라서 LLSVP는 수억 년 동안 핵-맨틀 경계(CMB) 위에 머물렀던 것으로 여겨지고 있다.

하지만 격변적 판구조론(CPT, Catastrophic Plate Tectonics) 모델에서, 이것들은 4,500년 전 노아 홍수 당시 차가운 섭입 판들에 의해서 이 위치로 밀려난, 더 뜨거운 하부 맨틀 덩어리일 수 있다.[5] 그때는 뜨거운 덩어리들이 크게 상승할 시간이 충분하지 않았을 수도 있지만, 그것들은 '핫스팟(hot spots)'을 설명할 수 있는 '맨틀 플룸(mantle plumes)'의 원인일 수 있다.

그러나 거대 저전단 속도 영역(LLSVP)의 원인과 특성은 아직 밝혀지지 않았다.

그러나 LLSVP의 원인과 특성은 아직 밝혀지지 않았다.[6] 전체 지진파 속도는 LLSVP에서 아마도 평균보다 0.5~1.0% 더 높을 것이다.[7] 이는 지진파 속도 감소가 모두 온도 상승 때문만은 아님을 시사한다.

초저속도대(ULVZ)는 면적이 LLSVP보다 훨씬 작으며, 두께가 5~25km로 추정되며, 맨틀핵 경계(CMB) 상단에 위치한다.[8] 각각 5~50%와 5~25%의 S파 및 P-파동 감소율을 가지고 있어, LLSVP보다 훨씬 낮은 파동 속도를 제공한다! 이들의 분포는 맨틀핵 경계(CMB)에서 들쭉날쭉하며, 일반적으로 LLSVP와 연관되어 있다(그림 1).[9] 초저속도대(ULVZ)의 원인은 알려져 있지 않으나, 부분 용융, 맨틀 하부 광물의 다른 조성, 핵에서의 강한 가열, 초고밀도 섭입 잔해 등으로 추정된다.[6]

세속 과학자들은 LLSVP와 ULVZ가 원시 현상일 수 있으며, 맨틀 광물의 정확한 화학 성분 차이, '마그마 바다'의 침하, 핵으로부터의 열, 또는 섭입의 결과로 인해 발생할 수 있다고 제안한다.

초-심층 다이아몬드에서 발견된 새로운 광물상

연구자들은 이전에 상온과 맨틀 압력에서 연구된 칼슘-규산염 페로브스카이트가 하부 맨틀에서 정방형(tetragonal) 배열을 이루고 있다고 추정했다. 그 구조는 변형에 대해 큰 힘으로 저항한다.[10] 최근 연구자들은 남아프리카공화국에서 발견된 '초심층' 다이아몬드(super-deep diamond)에서 칼슘-규산염 페로브스카이트(calcium-silicate perovskite)의 새로운 상(phase)을 발견했으며, 이 다이아몬드는 지구 깊숙이 200~1,000km 깊이에서 형성된 것으로 추정되고 있다.[11] 이러한 다이아몬드는 때때로 다른 하부 맨틀 광물도 포함하고 있다. 심층에서 형성된 이 다이아몬드들은 킴벌라이트 파이프(kimberlite pipes)라고 불리는, 좁은 폭발성 화도(explosive diatremes)를 통해 빠르게 지상으로 운반된다.

다이아몬드 내 칼슘-규산염 페로브스카이트의 특별한 구조는 입방형(cubic)이며, 새로운 하부 맨틀 광물로 간주된다. 이것은 데이브마오이트(davemaoite)라고 불리는데, 고압 지구물리학과 지구화학 분야에서 많은 선구적 발견을 한 저명한 중국 연구자 호광 '데이브' 마오(Ho-kwang ‘Dave’ Mao)의 이름을 따서 명명되었다. 입방체 형태는 지표면에서 매우 불안정한데, 이것은 이전에는 알려지지 않았던 것이다. 데이브마오이트는 하부 맨틀 전역에 걸쳐 칼슘-규산염 페로브스카이트를 대표하는 광물로 추정되며, 하부 맨틀의 5~7%를 차지하고 있다.[12]

데이브마오이트는 놀랍도록 '부드럽다'

데이브마오이트의 특성은 연구자들이 1,200km 깊이에 해당하는 압력으로 다이아몬드 앤빌 프레스(diamond anvil press)에 칼슘-실리케이트 페로브스카이트를 넣고 1,150°K까지 가열하면서 발견되었다.[10, 13] 그것들은 입방체 구조를 형성했을 뿐만 아니라, 결정으로 변형되고, 그 특성을 분석할 수 있게 했다. 데이브마오이트의 부피 탄성계수(bulk modulus, 그것의 압축 저항력)와 점도는 브리지마나이트(bridgmanite)와 페로페리클라제(ferropericlase)보다 현저히 낮았다. '연성(softness)'의 정도는 정확한 조성에 따라 달라졌는데, 데이브마오이트는 방사성원소 우라늄, 토륨, 칼륨 외에도 다른 원소의 소량 불순물을 포함할 수 있기 때문이다.[14]

중요할 가능성이 있는 데이브마오이트

데이브마오이트의 상대적 연약함 때문에, 연구자들은 이것이 맨틀 상부에서 낮은 지진파 속도와 LLSVPs와 ULVZ의 다른 특성들을 설명할 수 있다고 가설을 세웠다.[13, 14] 또한 그들은 이 광물이 섭입(subduction) 과정에서, 지각의 분리와 상부 맨틀 암석권이 하부 맨틀로 섭입하는 과정을 포함하여, 한 역할을 했을 수 있었다고 보았다.[13] 이러한 분리는 섭입된 상부 맨틀에서 일어나는 상변화보다 더 큰 상변화로 인해, 해양 지각이 더 조밀해지기 때문에 일어나는 것으로 여겨진다. 이들은 지각이 더 밀도가 높은 LLSVP 및/또는 ULVZ가 되고, 상부 맨틀은 LLSVP를 둘러싼 고지진파 속도 영역으로 남아 있다고 제안하고 있다. 하지만 섭입된 암석판(slab)은 원래 두께가 100km에 불과해, 두꺼운 LLSVP와 ULVS는 여전히 설명하기 어렵다.

데이브마오이트는 재순환된 해양 지각(recycled ocean crust)이 해양섬 현무암(ocean island basalts)의 때때로 혼란스러운 지화학적 다양성을 부분적으로 설명할 수 있음을 입증한다.[13] 하지만 다른 과학자들은 해양 지각의 두께가 6~10km에 불과하며, 그중 23%만이 데이브마오이트로 변환되는 것으로 믿고 있다고 지적한다.[11] 이 부피는 섭입된 암석판이 LLSVP의 엄청난 부피를 설명하기에는 너무 작지만, ULVZ의 적은 부피를 설명할 수는 있다.[10]

최하부 맨틀과 관련된 많은 변수들

최하부 맨틀에 대한 많은 믿음들은 추측에 불과하며, 데이브마오이트의 발견도 그것에 더해지는 추측이다. 문제는 맨틀 광물의 정확한 화학 구성이 매우 다양하며, 맨틀핵 경계(CMB)를 가로지르는 열 흐름, 철의 양, 맨틀 깊이에 따라 변하는 철의 전자 구성, 철이 철 이온 상태인지 철 상태인지, 알루미늄 및 기타 원소의 양, 포스트페로브스카이트(post-perovskite)에 대한 독특한 상 변화의 존재 등 다양한 요인들에 따라 달라진다는 점이다.[1, 6], 이러한 변수들은 점도, 밀도, 열전도도, 지진파 속도 등 다양한 특성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, Al2O3의 양이 맨틀에서 10% 증가하면, LLSVP에서 S파 속도 2% 감소를 모두 설명할 수 있다.[2] 따라서 LLSVP와 ULVZ가 온도 변화, 조성 변화, 약간의 물[18], 용융, 또는 두 가지 이상의 조합을 나타내는지 여부는 아직 알려져 있지 않다.

홍수와의 관계

데이브마오이트와 기타 하부 맨틀 광물의 특성은 홍수 모델에 대한 여러 시사점을 가지고 있다.

데이브마오이트와 기타 하부 맨틀 광물의 특성은 홍수 모델에서 여러 시사점을 가지고 있다. 데이브마오이트는 수렴형 판 가장자리(convergent plate margins, 수렴형 판 경계)의 동력학과 관련이 있을 수 있다.[13] 맨틀 점도(mantle viscosity)는 세속 과학자들이 생각하는 것보다 훨씬 낮을 가능성이 높으며, 이는 홍수 모델에서 더 빠른 수직 및/또는 수평 판구조 이동을 가능하게 했을 것이다. 상부 맨틀과[19] 오늘날 국소적으로는 하부 맨틀 모두 예상보다 훨씬 낮은 점도를 가질 수 있다. 또한 데이브마오이트는 LLSVP 및 ULVZ 뿐만 아니라, 하부맨틀 최상부의 저지진파 속도층(low seismic velocity zones)을 적어도 부분적 조성(composition)에 기인한 것으로 설명할 수 있다.[13] 방사성 원소(radioactive elements)들은 주로 대륙 지각과 상부 맨틀에 주로 존재한다고 가정되어왔지만, 심부 맨틀의 데이브마오이트에도 존재할 수 있다. 이는 맨틀 내 방사성 붕괴 가속화에 영향을 미칠 수 있다.

모든 세속적 모델들, 또는 홍수 모델에서 맨틀과 관련된 많은 변수들을 더 잘 이해해야 한다. LLSVP 가장자리의 고속대(higher velocity zones)가 현재 활동 중인 섭입대(subduction zones)와 일치하지 않는 점은 격변적 판구조론(CPT) 옹호자들이 더 나은 설명을 필요로 하는 문제이다. 이것은 고속대가 '고대 섭입대(ancient subduction zones)'이기 때문이라고 말해진다.[20] 하지만 문제는 고대가 도대체 얼마나 오래된 것인가 하는 점이다. 창조 지구물리학자들은 이 구조들이 불과 4,500년 전에 형성되었을 가능성이 있다고 주장한다. 그리고 이들은 노아 홍수의 해 초기에 현재 활동이 없는 섭입대에서 형성되었을 가능성도 있다. 이 주제에 대한 많은 추가적 연구들이 필요하다.

References and Notes

1. Murakami, M., Goncharov, A.F., Miyajima, N., Yamizaki, D., and Holtgrewe, N., Radiative thermal conductivity of single-crystal bridgmanite at the core-mantle boundary with implications for thermal evolution of the Earth, Earth and Planetary Science Letters 578:1–9, 2022.

2. Vilella, K., Bodin, T., Boukaré, C.-E., Deschamps, F., Badro, J., Ballmer, M.D., and Li, Y., Constraints on the composition and temperature of LLSVPs from seismic properties of the lower mantle minerals, Earth and Planetary Science Letters 554:1–12, 2021.

3. Wang, W., Liu, J., Zhu, F., Li, M., Dorman, S.M., Li, J., and Wu, Z., Formation of large low shear velocity provinces through the decomposition of oxidized mantle, Nature communications 12(1911):1–10, 2021.

4. Huang, C., Leng, W., and Wu, Z., The continually stable subduction, iron-spin transitions, and the formation of LLSVPs from subducted ocean crust, J. Geophysical Research Solid Earth 125(e2019JB018262):1–20, 2020.

5. Navarro, E.A., A Catastrophic Plate Tectonics explanation for earth’s large low shear velocity provinces (also known as superplumes), CRSQ 57(3):168–174, 2021.

6. McNamara, A.K., A review of large low shear velocity provinces and ultra low velocity zones, Tectonophysics 760:199–220, 2019.

7. Vilella, K., Bodin, T., Boukaré, C.-E., Deschamps, F., Badro, J., Ballmer, M.D., and Li, Y., Constraints on the composition and temperature of LLSVPs from seismic properties of lower mantle minerals, Earth and Planetary Science Letters 554:1–12, 2021.

8. Jenkins, J., Mousavi, S., Li, Z., and Cottaar, S., A high-resolution map of Hawaiian ULVZ morphology from ScS phases, Earth and Planetary Science Letters 563(116885):1–13, 2021.

9. Liu, J., Li, J., Hrubiak, R., and Smith, J.S., Origins of ultralow velocity zones through slab-derived metallic melt, PNAS 113(20):5,547–5,551, 2016.

10. Tripathy-Lang, A., How a newly discovered mineral might explain weird mantle behavior, Eos, 103, 2022 | doi:10.1029/2022EO220215.

11. Nesolta, F., Koroleve, N., Kopylova, M., Rotiroti, N., Pearson, D.G., Pamato, M.G., Alvaro, M., Peruzzo, L., Gurney, J.J., Moore, A.E., and Davidson, J., CaSiO3 perovskite in diamond indicates the recycling of oceanic crust into the lower mantle, Nature 555:237–241, 2018.

12. Witze, A., Diamond delivers long-sought mineral from the deep Earth, Nature, 11 Nov 2021.

13. Immoor, J., Miyagi, L, Liermann, H.-P., Speziale, S., Schulze, K., Buchan, J., Kurnosov, A., and Marquardt, H., Weak cubic CaSiO3 Perovskite in the Earth’s mantle, Nature 603:276–279, 2022.

14. Tschauner, O., Huang, S., Yang, S., Humayun, M., Liu, W., Gilbert Corder, S.N., Bechtel, H.A., Tischler, J., and Rossman, G.R., Discovery of davemaoite, CaSiO3-perovskite, as a mineral from the lower mantle, Science 374:891–894, 2021.

15. Nakagawa, T. and Tackley, P.J., Effects of low-viscosity post-perovskite on thermo-chemical mantle convection in a 3-D spherical shell, Geophysical Research Letters 38(L04309):1–6, 2011.

16. Huang, C., Leng, W., and Wu, Z., Iron-spin transition controls structure and stability of LLSVPs in the lower mantle, Earth and Planetary Science Letters 423:173–181, 2015.

17. Kennett, B.L.N., The relative behaviour of bulk and shear modulus as an indicator of the iron spin transition in the lower mantle, Earth and Planetary Science Letters 559:1–9, 2021.

18. Ishii, T., Ohtani, E., and Shatskiy, A., Aluminum and hydrogen partitioning between bridgmanite and high-pressure hydrous phases: implications for water storage in the lower mantle, Earth and Planetary Science Letters 583:1–8, 2022.

19. Oard, M.J. and Mogk, N., Earth’s upper mantle viscosity may be lower than assumed, J. Creation 36(1):107–113, 2022.

20. Doucet, L.S., Li, Z.-X., El Dien, H.G., Pourteau, A., Murphy, J.B., Collins, W.J., Mattielli, N., Olierook, K.H., Spencer, C.J., and Mitchell, R.N., Distinct formation history for deep-mantle domains reflected in geochemical differences, Nature Geoscience 13:511–515, 2020.

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*참조 : 맨틀 깊은 곳의 차가운 암석판은 노아 홍수로 설명된다.

https://creation.kr/Catastrophic/?idx=156362490&bmode=view

맨틀 내의 낮은 온도의 암석판들은 최근의 전 지구적 홍수를 가리킨다.

https://creation.kr/Catastrophic/?idx=1752833&bmode=view

네바다 주의 땅속 깊은 곳에서 맨틀 내로 가라앉고 있는 거대한 암석 덩어리가 발견되었다.

https://creation.kr/Catastrophic/?idx=1288272&bmode=view