지구의 표층은 플레이트라는 암반으로 덮여 있으며, 그것이 천천히 이동함으로써 지진을 일으키거나 마그마를 발생시키거나 지형을 발달시킨다. 그러나 플레이트와 그 아래에 있는 맨틀은 암석으로 이루어져 있으며, 플레이트의 이동은 암석층끼리 격렬하게 마찰을 일으킨다. 만약 암석층 사이에 마그마가 존재하여 윤활제 역할을 하고 있다면 플레이트가 원활하게 이동할 수 있다는 것을 설명할 수 있다. 이러한 관점에서 해양 플레이트 직하에는 마그마가 존재할 가능성이 제기되었지만, 이번에 홋카이도대학 종합박물관은 신기한 존재라고 알려진 해양 플레이트 직하의 마그마가 실제로 존재하는 증거를 발견하였다.

만약 해양 플레이트 직하의 마그마가 균열부위를 통해 해저로 스며 나온다면 마그마의 공급원은 굉장히 많기 때문에 그 화성활동은 상당히 길게 지속될 것으로 예상된다. 그런데 연구대상인 프티스폿(petit-spot) 화산은 그 이름과 같이 상당히 작은 화산으로 장기간 활동은 상상할 수 없다. 단, 프티스폿 화산은 군을 형성하여 분포하고 있기 때문에 그 지역에 존재하는 프티스폿 화산군 전체에서는 장기간에 걸쳐 화성활동이 존재하고 있을 가능성이 있다. 좁은 영역에서 긴 화성활동이 지속되면 온도구조의 교란이 발생한다.

마그마가 존재하면 그 주위의 암석에 열을 전달할 수 있기 때문에 장기간의 화성활동은 지온의 상승을 가져오고, 암석에 포함되는 광물의 화학조성을 변화시킨다. 본 연구팀은 그 화학조성에서 암석이 가지고 있던 지온을 추정할 수 있지만, 그 화학조성의 변화에는 수백 만 년의 기간이 필요하다. 일반적인 화산의 활동기간은 길어도 10만 년 정도이기 때문에 해양 플레이트의 암석 화학조성이 고온환경에 적응하도록 변화되어 있으면, 그것은 해양 플레이트가 수백 만 년에 걸쳐 가열되었다가 서서히 식은 것을 나타내며, 그 열원은 해양 플레이트 직하에서 유래한 마그마라고 할 수 있다. 이러한 전략을 고려하여 연구팀은 해양 플레이트를 구성하는 암석의 화학조성을 조사하였다.

프티스폿에서 채취한 용암에는 해양 플레이트의 조각이 다수 포함되어 있다. 이러한 지하 심부로부터 상승한 마그마가 통로의 벽에 존재한 암석을 포획하여 해저까지 운반한 것으로 포획암이라고 있다. 지온의 상승은 암석을 구성하는 광물의 화학조성에 변화를 가져오기 때문에 포획암의 화학조성을 조사하면 해양 플레이트에 지온의 상승이 일어난 것을 조사할 수 있다. 단, 이 포획암이 어느 정도의 깊이에서 온 것인지 알지 못하면 지온이 높은 것인지 아닌지 추정할 수 없다. 그래서 연구팀은 새롭게 개발한 방법을 이용하여 포획암이 어느 정도의 깊이 및 온도 영역에서 유래한 것인지 정밀하게 조사하였다.

해양 플레이트는 대규모 해저 화산에 의해 발생하고, 그 후 시간과 함께 점점 냉각된다. 일본에 가라앉기 직전의 해양 플레이트는 탄생 후 1억 4천 만 년 경과하였기 때문에 차가운 온도 구조를 가지고 있다고 예상된다. 그런데 이번에 얻은 온도와 깊이 정보를 보면, 프티스폿 화산 직하의 해양 플레이트는 예상보다 500도 정도 높은 온도구조를 가지고 있다는 것을 알았다. 암석에 기록된 온도의 개변에는 수백 만 년 이상의 시간이 필요하기 때문에 프티스폿 화산군은 수백 만 년 이상에 걸쳐 화성할동에 의해 생성되었다는 것을 알았다.

(그림 1) 용암을 채취한 장소
(그림 2) 마그마에 의해 해저로 운반된 해양 플레이트의 조각(포획암)이 기록한 온도와 깊이의 정보

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 11월 3일]