섭입대 지진 새 원리 찾았다

광석이 물 빨아들이며 2배 늘어

지구에서 가장 흔한 광물인 장석이다. 이용재 연세대 지구시스템과학과 교수 연구팀은 장석이 땅속 깊은곳에서 점토광물로 변하는 현상을 확인했다. 연세대 제공

지각이 충돌하는 곳에서 지진이 일어나는 새로운 원리가 밝혀졌다.

이용재 연세대 지구시스템과학과 교수 연구팀은 지각의 40%를 차지하는 가장 풍부한 광석인 장석이 땅속 깊은 곳으로 들어가면서 점토광물로 변하는 것을 확인하고 지진 발생과 마그마 성분에 영향을 끼칠 수 있음을 제시했다고 22일 밝혔다.

지구 표면은 약 15개의 크고 작은 지각판으로 구성됐다. 지각판은 서로 충돌하면서 상대적으로 무거운 지각판이 땅속으로 들어가는 ‘섭입대’를 만든다. 해저 5만5000km에 걸쳐 분포하는 섭입대는 지진이 잦은 곳으로 마그마를 만드는 역할도 한다. 지각판을 구성하는 광물이 땅 아래로 들어가며 높은 압력과 온도에 의해 바뀌는 과정이 지진과 마그마 형성에 중요한 역할을 한다.

그 결과 섭입대 90km 깊이에 해당하는 대기압 2만 9000배 압력, 290도 온도에서 장석은 점토광물로 변하며 주변 물을 빨아들이는 것으로 관찰됐다. 섭입대 135km 깊이 조건인 대기압 4만 3000배, 430도로 온도와 압력을 올리자 점토광물에서 물이 빠져나오며 경옥으로 바뀌는 것으로 나타났다. 경옥은 나트륨과 알루미늄을 가진 규산염 광물로 흔히 옥으로 불리는 보석이다.

단단한 장석이 높은 압력과 온도를 받아 더 단단한 경옥으로 바뀌는 것은 알려져 있었다. 그러나 중간과정에서 물과 반응해 점토광물로 변하는 것은 처음 확인됐다. 이는 섭입대에서 윤활유 역할을 하던 물이 줄어들어 지진에 영향을 주는 접촉면 물성을 바꾸는 결과를 낳는다. 이 교수는 “실제로 이러한 변화가 일어나는 섭입대 깊이 구간에서 지진이 두 배 많이 발생하는 것으로 확인됐다”며 “기존에는 지진 원인으로 물을 포함한 광물에서 물이 빠져나가는 현상이 알려졌으나 이번에는 반대로 물이 들어가는 현상이 원인이 될 수 있음을 보인 것”이라고 말했다.

장석이 점토광물로 변화는 과정에서 석영의 다른 형체인 모가나이트가 만들어지는 것도 확인됐다. 섭입대 속 물이 알칼리성으로 바뀌며 일어나는 현상이다. 연구팀은 섭입대를 따라 만들어지는 마그마 성분에 대한 기원을 이해할 수 있는 결과 중 하나로 풀이했다.

이 교수는 “섭입대는 지진이나 화산활동 등이 활발하게 일어나 지질 재해로 연결될 수 있는 위험한 지역이나 동시에 지구가 행성으로써 살아 있음을 보여주는 지구 물질의 순환 공장이기도 하다”며 “앞으로 섭입대를 따라 일어나는 광물과 암석의 다양한 변화를 관찰해 살아있는 행성으로써의 지구에 대한 이해를 넓힐 것”이라고 말했다. 이 연구 결과는 19일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 발표됐다. 

[조승한 기자 shinjsh@donga.com]