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지하 깊은 곳 부피 커지는 광물 최초 발견...지진 발생 새 원리 제시

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포항지진으로 지진 공포가 확산하는 가운데, 화산활동과 지진 발생의 원리를 새롭게 설명할 수 있는 연구 결과가 나왔다. 지각판이 충돌하는 땅 속 깊은 곳에서 지표에서는 관찰된 적 없는 이른바 ‘초수화 점토광물’이 만들어질 수 있다는 것이다.


이용재 연세대 지구시스템과학과 교수가 이끄는 국제공동연구팀은 많은 양의 물을 함유한 초수화 점토광물이 지각판이 충돌하는 깊은 곳에서 만들어질 수 있다는 사실을 밝히고 지구과학 분야 국제 학술지 ‘네이처 지오사이언스(Nature Geoscience)’ 21일자(한국시간)에 발표했다. 초수화 점토광물의 발견은 지각판 섭입대를 따라 물이 이동하고 지진과 화산활동에 영향을 주는 새 과정을 제시한 것으로 평가된다.

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다이아몬드 앤빌셀 고압기와 방사광가속기를 이용한 지구 내부 연구 모식도./연세대 제공

지구의 땅 속에는 전세계 바닷물 양보다 많은 양의 물이 숨겨져 있는 것으로 알려졌다. 이는 마치 엔진의 윤활유와 같이 지각판과 맨틀의 움직임을 원활하게 하는 역할을 한다.

연구팀은 지구 속의 높은 온도와 압력 환경을 만들어 지각판의 섭입대를 따라 일어날 수 있는 광물과 물의 반응을 관찰했다. 연구진은 ‘다이아몬드 앤빌셀’이라는 장치로 고온고압 실험을 진행했다.

연구팀은 2개의 다이아몬드 사이에 눈에 보이지도 않을 정도의 시료를 가둔 뒤 온도와 압력을 증가시키면서 고에너지의 X선을 시료에 쬐었다. 연구팀이 사용한 시료는 한국 지표에도 풍부해 도자기의 원료로 쓰이는 ‘카올리나이트(고령석)’라는 점토광물이다. 고에너지의 X선은 방사광가속기를 통해 얻었다.

연구팀은 다이아몬드 앤빌셀 장치를 이용해 점토광물을 땅 속 75km 깊이와 유사한 환경인 대기압 2만5000배의 압력과 섭씨 200도 온도로 물과 함께 가열했다. 그 결과 물 분자가 점토광물의 구조 속으로 대거 유입되고 부피가 30% 이상 증가한 것으로 나타났다.

이용재 교수는 “이렇게 만들어진 초수화 카올리나이트는 지각과 맨틀을 구성하는 주요 광물 중에 가장 높은 물 함량을 보였다”며 “초수화 카올리나이트 형성을 통해 지각판 섭입대 접촉면의 물성 변화를 예상할 수 있다”고 말했다. 이 교수는 또 “큰 규모의 지진을 일으키는 지각판 섭입대 접촉면의 물성 변화를 예상하면 지진 발생 메커니즘 변화를 새롭게 설명할 수 있다”며 “주요 지진대에서 지진이 어떻게 발생하는지 새롭게 보여주는 연구로 의미가 있다”고 밝혔다.

연구팀은 지난 2년 동안 국내 포항방사광가속기 연구진을 비롯해 미국과 독일, 중국의 가속기 연구시설을 방문하며 실험을 수행했다. 이 교수는 “앞으로 더 깊은 땅 속에서 일어나는 변화를 이해하기 위해서는 대기압의 백만 배 이상의 초고압과 수천도 이상의 초고온을 발생시켜 광물의 물성 변화를 측정할 수 있는 연구가 필요하다”고 덧붙였다. 

 

<chosunBiz 2017.11.21>

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