맨틀

맨틀(영어: mantle)은 지구에서는 지각 바로 아래에 있으면서 외핵을 둘러싸고 있는 두꺼운 암석층이다. 다른 행성의 경우에도 금속질의 핵을 둘러싸고 있는 두꺼운 암석층을 맨틀이라고 부른다. 지구의 경우에는 지표면으로부터 깊이 30-2,900킬로미터의 범위에 분포하며, 지구 부피의 80%가량 차지한다.

지각과 맨틀의 경계면은 발견자의 이름을 따 모호로비치치 불연속면이라고 부르며, 보통은 줄여서 모호면이라고도 한다. 지진파의 모호면은 지진파 속도가 갑자기 빨라지는 곳을 경계로 한다. 맨틀의 최상부는 온도가 낮아 딱딱하게 굳어있는데, 이 부분과 지각을 합쳐서 암석권이라고 부른다. 암석권에서는 주로 열전도에 의하여 열이 전달된다.

맨틀과 지각은 크게 화학적 조성의 차이에 의해 구분된다. 지각은 사실상 맨틀의 최초 용융물질이 굳은 것이라고 생각할 수 있다. 맨틀 암석은 감람석, 여러 종류의 휘석과 다른 고철질 광물로 되어있다. 페리도타이트, 더나이트, 에클로자이트 등으로 구분되는 맨틀 암석은 지각에 비하여 철과 마그네슘의 함량이 높고 규소와 알루미늄의 함량은 낮다. 맨틀의 온도는 최상부에서 섭씨 100도 정도이지만 핵과의 경계면에서는 4,000도에 육박한다. 이 정도 온도에서 암석은 용융상태이다.

연약권

암석권으로부터 250km 아래 까지를 연약권이라고 한다. 연약권에서는 주로 열대류에 의하여 열이 전달된다. 연약권에서는 지진파의 속도가 약간 감소하기 때문에 저속도층이라고 부른다. 이렇듯 속도가 낮아지는 이유에 대하여서는 약간의 논쟁이 있지만 현재에는 온도와 압력의 관계에서 부분적으로 용융된 부분이 존재하기 때문에 지진파의 속도가 느려진다고 생각하고 있다.

열대류

암석은 열 전도율이 낮기 때문에, 암석으로 이루어진 맨틀은 열전도 (thermal conduction) 보다는 주로 열대류를 통해 지표면으로 열을 발산하고 있다. 금속은 대체로 높은 열전도율을 가지므로 액상의 철질인 외핵에서는 열대류의 기여도가 상대적으로 낮은 대신 철에 녹아 있는 가벼운 원소들이 대류 (chemical convection)를 돕고 있는 것으로 보인다. 반면 표면에서 식은 무거운 물질은 아래로 침강한다. 외핵의 대류는 지자기 (geomagnetic field)를 만드는 원인으로 생각된다. 차가운 물질들은 대체로 수렴경계를 통해서 맨틀로 들어온 암석권의 물질들이다. 상승하는 맨틀물질들은 단열과정을 통한 팽창을 하면서 온도가 낮아진다. 압력이 낮아지면 부피가 증가하면서 원래 가지고 있던 열을 보다 넓은 공간으로 분배하게 된다. 암석권 근처에서 압력이 낮아짐에 따라 상승하는 맨틀물질의 일부는 부분적으로 용융되고 화산활동을 일으키게 된다.

지구에서 맨틀의 대류는 유체역학적 관점으로 보았을 때 혼돈 과정이다. 또한 맨틀의 대류는 판 운동의 원동력으로 여겨진다. 판 운동은 예전의 개념의 대륙 표이설과 구분된다. 대륙 표이설은 순전히 표면에서 지각의 움직임만을 고려하였기 때문이다. 암석권과 그 아래 맨틀 부분의 움직임은 부분적으로는 독립적이다. 덩어리를 지어서 움직일 수 있는 부분은 강체로 행동하는 암석권이기 때문이다. 맨틀의 대류는 아직까지 명확하고 자세하게 알려져 있지 않다. 맨틀이 독립적인 대류현상이 일어나는 몇 개의 층으로 나뉘어 있다는 설도 있다.

점성

맨틀의 점성은 10¹⁹ Pa·s에서 10²⁴ Pa·s 사이에서 변하는 것으로 생각된다. 맨틀의 점성은 깊이와 함께 증가하는 경향을 보이나 그 관계가 비선형적이고, 특히 상부 맨틀과 핵과의 경계부분에서는 점성이 심하게 낮아지는 층도 있다. 상부 맨틀의 상대적으로 낮은 점성때문에 300km보다 깊은 곳에서는 지진이 일어나지 않을 것으로 생각할 수 있다 하지만 섭입대에서는 차가운 암석권의 물질이 깊은 곳으로 내려가고 있기 때문에 온도 구배가 낮아지고, 주위 맨틀의 강도가 높아진다. 670km 깊이에서도 지진이 일어날 수 있다.

압력

맨틀 바닥 부분의 압력은 140만 기압이다. 압력은 깊이와 함께 증가한다. 하지만 맨틀은 긴 시간척도에서는 유체처럼 변형될 수 있다고 여겨지고 있다. 하지만 점성이 매우 높기 때문에 상부 맨틀이라도 변형되는 비율은 매우 느리다. 그러나 큰 힘이 최상부 맨틀에 작용하면 맨틀이 약해질 수 있는데, 이런 현상은 판 경계가 형성되는 데에 중요한 역할을 하는 것으로 여겨지고 있다.

내핵과 외핵의 차이

내핵은 고체이고, 외핵은 액체이며, 맨틀은 가소성 고체의 성질을 보이는 이유는 각 층의 녹는점에 달려있고, 녹는점은 다시 온도와 압력의 함수로 깊이에 따라 변해간다. 지구 표면에서는 규산염과 철-니켈 합금이 고체로 존재할 만큼 충분히 온도가 낮다. 상부 맨틀은 온도가 높지만 상대적으로 압력이 낮아서 규산염 광물의 일부는 부분적으로 용융되어있고 상대적으로 점성이 낮다. 반면에 하부 맨틀은 엄청난 압력을 받고 있기 때문에 상부 맨틀보다 점성이 높아진다. 철-니켈 합금으로 되어있는 외핵은 높은 압력에도 불구하고 녹는점이 맨틀에 비해 낮기 때문에 액체로 존재할 수 있다. 내핵은 지구 중심부의 굉장한 압력 때문에 고체로 존재한다. 그러나 정확히 말하자면 액체인 동시에 고체인 초이온 상태이다.

기타

맨틀 암석을 채취하려는 두 번째 시도가 2007년에 계획되고 있다. 일본의 해양 탐사선 지큐 호를 이용하여 대양저로부터 7000미터를 시추하는 계획이다. 이 깊이는 지금까지 있었던 최대 해양 시추 깊이의 3배에 달한다. 맨틀 암석을 채취하는 데에 해양지각을 시추하는 이유는 해양지각이 더 얇기 때문이다. 맨틀 암석을 채취하기 위한 첫 번째 시도는 모홀 프로젝트였는데, 거듭되는 실패와 치솟는 비용 때문에 1966년에 중단되었다. 이때 판 깊이는 고작 180미터에 불과했다.

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