판구조운동의 엔진
판이 왜 움직이는지는 맨틀대류 이론을 통해 설명할 수 있습니다.
아서 홈스와 대륙이동의 다른 초기 지지자들이 이미 알고 있던 바와 같이, 맨틀대류는 지구표면에서 작동하는 대규모 조구조 과정들을 움직이는 '엔진'입니다.
지구의 깊은 내부에서 빠져나오는 열이 맨틀물질을 1년에 수십 밀리미터의 속도로 대류(상하로 순환)하도록 합니다.
이제 거의 모든 과학자들은 암권판이 어떤 식으로든 이러한 맨틀대류 시스템의 유동에 참여한다는 것을 인정합니다. 어떠한 가설도 아직 모두를 망라하는 하나의 만족스러운 종합적인 이론을 내놓지 못했습니다. 그래서 맨틀대류 시스템에 대한 연구는 아직도 진행 중입니다.
판을 움직이는 힘의 원천
빠르게 움직이는 판(태평양판, 나스카판, 코코스판, 인도판)들은 대부분의 판 경계부를 따라 섭입 되는 것을 알 수 있습니다. 반면에 느리게 움직이는 판 (북아메리카판, 남아메리카판, 아프리카판, 유라시아판, 남극판)들은 상당한 부분이 맨틀로 섭입되지 않습니다. 이 관찰은 오래된 차가운(따라서 무거운) 암권판에 의한 중력이 빠른 판 운동을 야기한다는 것을 시사합니다. 다시 말해 판들은 맨틀심부로부터의 대류 흐름에 의해 끌려다니는 것이 아니라 오히려 자기 자신의 하중에 의해 맨틀로 '가라앉는다'는 것입니다. 이 가설에 의하면 해양 저 확장은 섭입력에 의해 판들이 서로 잡아당겨지는 곳에서 맨틀 물질이 수동적으로 상승하는 것입니다.
그러나 만일 섭입 되는 판의 중력이 판구조운동에서 유일하게 중요한 힘이라면 판게아는 왜 분열되어 대서양이 열리게 되었을까요. 현재 북아메리카판과 남아메리카판에 속하면서 섭입을 하는 부분은 카리브해와 스코샤해에 있는 소규모의 호상열도 부근이 유일한데, 이 섭입 부분은 너무 작아 전체 대서양을 분리할 수 없다고 생각됩니다. 한 가지 가능성은 섭입대에서 섭입 하는 판뿐만이 아니라 그 상부의 판도 수렴형 경계로 끌려 당겨진다는 것입니다. 예를 들면 나스카판이 남아메리카 판 밑으로 섭입 하면서 페루-칠레 해구에 있는 판 경계를 태평양 쪽으로 후퇴시켜 남아메리카판을 서쪽으로 ‘흡입한다'는 것입니다.
판 운동의 역사로부터 봤을 때 다른 힘들도 있는 것이 분명합니다. 대륙들이 서로 충돌하여 판게아를 형성했을 때 판게아가 단열 덮개로 작용하여 열이 맨틀로부터 나오지 못하게 했다는 것입니다(단열 덮개가 없다면 열이 해양저 확장을 통해 방출되었을 것입니다). 그 열은 시간이 지남에 따라 누적되어 초대륙 하부의 맨틀이 뜨겁게 부풀어 올랐을 것입니다. 이 부풂으로 인해 판게아가 약간 들어 올려져 부품의 꼭대기에서 '산사태'가 나는 것처럼 판게아가 벌어졌다는 것입니다. 판들이 대서양중앙해령의 정상에서 '비탈 아래로 미끄러지면' 중력이 지속적으로 이후의 해저확장을 일으키는 힘으로 작용합니다. 판 내부에서 이따금 발생하는 지진은 이들 해령과 연관된 중력이 판의 압축작용을 일으킨다는 것에 대한 직접적인 증거입니다.
판구조운동의 원동력은 한 지점에서는 뜨거운 물질이 상승하고 다른 지역에서는 찬 물질이 가라앉는 맨틀대류입니다. 비록 많은 의문점이 남아있지만, 두 가지 점에 대해서는 확신할 수 있습니다. (1) 이 시스템에서 판 자체는 능동적인 역할을 합니다. (2) 가라앉는 판 및 상승된 해령과 관련된 힘들이 아마도 판 운동의 속도를 좌우하는 가장 중요한 요인일 것입니다.
재순환되는 판의 깊이
판구조운동이 일어나기 위해서는 섭입대에서 맨틀 속으로 하강한 암석권 물질이 맨틀을 통과하며 재순환된 후 결국에는 중앙해령의 확장중심에서 생성된 새로운 암석권이 되어 지각으로 되돌아와야 합니다. 그렇다면 이 재순환과정이 맨틀의 어느 깊이까지 연장되며 즉 맨틀대류 시스템의 하부경계를 알아보겠습니다.
이 경계의 가장 깊은 곳은 맨틀과 핵 사이에 선명한 경계가 있는 약 2,890km 깊이일 수 있습니다. 제1장에서 본 것처럼 이 핵-맨틀 경계 하부의 철이 풍부한 액체는 맨틀의 고체 암석보다 훨씬 밀도가 높아 맨틀과 핵 사이의 물질교환이 힘듭니다. 따라서 판의 물질이 핵-맨틀 경계까지 맨틀 전체를 순환하는 전 맨틀 대류 시스템을 상상할 수 있습니다.
그러나 일부 과학자들은 맨틀이 2개의 층으로 나뉠 수 있다고 생각합니다. 700km 위의 상부맨틀 시스템에서는 암석권의 순환이 일어나고, 700km 깊이에서 핵-맨틀 경계까지의 하부맨틀 시스템에서는 대류가 매우 더디게 일어난다는 것입니다. 층상대류(stratifed convection)라 불리는 이 가설에 의하면, 상부맨틀 시스템은 하부맨틀 시스템보다 가벼운 물질로 구성되어 있어 맨틀이 핵 위에 떠 있는 것과 같이 하부맨틀 위에 떠 있기 때문에 두 시 스템은 분리된 상태를 유지한다고 합니다.
이 2개의 대립되는 가설을 테스트하기 위해 과학자들은 판이 섭입 되는 수렴형 경계 아래에서 '암권판들의 묘지'를 찾으려고 노력해 왔습니다. 오래된 섭입판은 주위의 맨틀보다 차갑기 때문에 지진파를 이용하여 차가운 섭입판을 '볼' 수가 있습니다. 더욱이 수렴형 경계 아래에는 차가운 물질이 많아야만 합니다. 우리가 알고 있는 과거의 판 운동에 대한 지식으로부터 우리는 판게아가 분열된 이후에 지구의 표면적에 해당하는 양의 암석권이 맨틀 속으로 들어가 재순환되었음을 추정할 수 있습니다. 실제로 과학자들은 북아메리카, 남아메리카, 동아시아 등지의 판의 수렴 경계와 인접한 지역의 아래에 있는 맨틀의 깊숙한 곳에서 차가운 물질로 이루어진 지대를 발견하였습니다. 이 차가운 지대는 하강하는 암권판의 연장부로 나타나며, 일부는 핵-맨틀 경계까지 내려가 있는 것으로 보입니다. 이러한 증거로부터 대부분의 과학자들은 판의 재순환이 층상 대류보다는 전체 맨틀대류를 통해 일어난다고 결론지었습니다.
상승하는 대류 흐름의 본질
대부분의 과학자들은 상승류는 보다 느리고 넓은 지역에 걸쳐 퍼져 있다고 믿습니다. 이러한 견해는 해양저 확장이 오히려 수동적인 과정이라는 생각과 일치합니다. 즉, 판을 잡아당기면 아무 데서나 확장중심을 만들 수 있다는 개념입니다.
그러나 한 가지 큰 예외가 있습니다. 이것은 맨틀플룸(mantle plume)이라고 부르는 일종의 좁은 분출 통로 모양의 상승류입니다. 맨틀플룸의 가장 좋은 증거는 하와이처럼 격렬한 국지성 화산활동이 일어나는 지역[열 점(hotspot)이라 부름]에서 나오는데, 이곳에서는 확장중심에서 멀리 떨어진 판의 내부에서 거대한 화산이 만들어집니다. 맨틀플룸은 빠르게 상승하는 물질로 채워진 직경이 100km 미만인 가느다란 원기둥 형태라고 생각되며, 상승하는 물질은 맨틀심부(연약권 아래)에서 유래한다고 생각됩니다. 맨틀플룸은 말 그대로 격렬하게 타올라 판에 구멍을 내고 엄청난 양의 용암을 분출합니다. 맨틀플룸에 의해 뿜어진 용암은 너무나 방대했기 때문에 지구기후를 변화시켜 대량멸종 사건을 일으켰을지도 모릅니다.
맨틀플룸 가설은 판구조론이 정립된 직후인 1970년에 판구조이론의 창설자 중의 한 사람인 프린스턴대학교의 제이슨 모건 (W.Jason Morgan) 교수에 의하여 처음으로 제안되었습니다. 그러나 맨틀대류 시스템의 여러 다른 양상들처럼, 상승하는 대류 흐름과 관련된 관찰들은 모두 간접적인 것들입니다. 그래서 맨틀플룸 가설은 아직까지 많은 논란의 여지를 남겨놓고 있습니다.