도쿄공업대학 지구생명연구소(ELSI), 애히매대학 새틀라이트(지구심부 다이나믹센터, GRC), 미국 코넬대학 연구팀은 지구 맨틀 하부에 안정적이고 새로운 함수광물인 H상 구조와 탄성적 성질을 이론계산에 의해 해명하였다.

지구내부에는 지구표층을 덮고 있는 해수의 수 배에서 수십 배의 물이 존재한다고 계산하였다. 그러나 그 물의 상태 및 양에 관해서는 거의 알려져 있지 않다. 지구표층에 존재하는 물은 암석과 반응하여 현무암 등 함수광물을 형성한다. 이러한 함수광물이 플레이트에 의해 지구심부까지 운반되면 고밀도 함수 마그네슘규산염(DHMS)이라는 함수광물로 변화한다. 이러한 DHMS는 발견된 순으로 A상, B상, D상 등 알파벳을 이용하여 이름지어졌다.

최근까지 하부 맨틀 상부영역(약 40만 기압, 깊이 1,250km)에서 D상이라는 함수광물이 탈수분해하되고, 그 이상의 깊이에 DHMS가 물을 수송하지 않는다고 생각하였다. 그러나 2013년에 연구팀이 제1원리 시뮬레이션에 기초하여 이 40만 기압부근에서 D상이 다른 결정구조를 가진 새로운 함수광물로 변화하고, 추가적으로 지구 심부로 물을 수송한다는 것을 발표하였다. 본 연구는 약 30년만에 발견된 새로운 DHMS상인 H상의 속보이며, 보다 상세한 결정구조와 탄성적 성질에 관한 제1원리 계산을 수행하여 보고하였다.

최근 컴퓨터의 성능이 비약적으로 향상되어 제1원리 계산법은 물질과학분야에서 상당히 유력한 연구방법이 되었다. 이 방법을 이용하여 물질의 구조 및 안정성, 물성을 높은 정밀도로 계산할 수 있게 되었다. 특히 지구 심부와 같이 초고압 조건에서는 고정밀도 실험이 어렵기 때문에 상당히 유력한 방법이 된다.

탄성적 성질은 체적 탄성률 및 강성률 등 물질의 단단함 및 파괴되기 어려움을 나타내는 성질로 이것을 이용하여 물질 중을 전파하는 파의 속도를 계산할 수 있다. 실제로 시료를 이용하여 조사할 수 없는 지구 심부에서는 암석의 탄성률로 결정된 탄성파 속도와 관측된 지진파 속도를 비교함으로써 지구 심부의 화학조성 및 구조를 조사할 수 있다.

연구팀은 제1원리 계산이라는 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 H상의 상세한 결정구조와 탄성적 성질을 밝혀내었다. 2013년 H상의 이론예측을 받은 일본, 미국, 이탈리아 및 영국 연구자들은 H상의 이론계산 및 실험을 수행하였지만, 지금까지 탄성적 성질에 관한 보고는 거의 없었다. 이번에 결정된 탄성률을 기초로 H상을 전파하는 지진파 속도를 계산할 수 있었다. 이것은 실제로 지진파 관측에 의해 지구 심부에서 H상을 탐색하는 경우 불가결한 정보이다. 이번에 결정된 탄성적 성질은 H상을 지진파가 전파하는 경우, 어떤 특징(높은 이방성)을 나타낸다는 것을 시사한다.

H상은 맨틀과 핵의 경계부근인 2,900킬로미터까지 물을 운반할 가능성을 가지고 있다. 물의 존재는 암석의 융해온도를 낮추기 때문에 맨틀 최하부에서 마그마의 발생을 일으키고, 이것에 의해 맨틀 최하부에서 관측된 초저속도층 및 이 부근에서 기원을 가진 맨틀 상승류 등의 원인이 될 가능성이 있다. 또한 지구 중심핵의 주요물질인 용융철로의 유입 등 지구 심부의 물질 및 운동 해명에 중요한 영향을 미칠 것으로 생각된다. 이번에 결정된 H상의 탄성적 성질은 이러한 지구 심부 물의 순환경로를 조사하는데 상당히 중요한 정보가 될 것이다.

(그림 1) 지구 내부 구조와 지구 심부에로의 물순환
(그림 2) D상에서 H상으로의 상전이
(그림 3) H상의 탄성적 성질

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 11월 23일]