지구 핵-맨틀 경계에서 지진 속도 편차의 기원을 밝히는 연구결과가 제시됐다.
지구 표면 아래 깊은 곳에는 2000km 두께의 액체 철 합금 층으로 구성된 외핵이 있다. 지표면에서 3000km 깊이에 위치하고 있음에도 불구하고 지구 자기장이 생성되는 지역이기 때문에 여전히 지표면 거주 가능성에 영향을 미친다.
네이처(nature) 저널에 최근 발표된 연구에서 미국 애리조나 주립 대학(Arizona State University, ASU) 과학자 팀은 지구 외핵 고압 및 고온 조건에서 철-수소 합금 액체에서 실리콘이 풍부한 결정 형성에 대한 실험적 관찰을 완료했다.
연구팀에 따르면 기존의 지진 연구는 초저속 구역(ultralow velocity zones, ULVZ) 및 코어 강성 구역과 같은 코어-맨틀 경계(core–mantle boundary, CMB)에서 미세한 규모의 이상 현상을 발견했다. ULVZ는 맨틀 관련 프로세스에 기인하지만 가능한 코어 기원에 대해서는 알려진 바가 거의 없었다.
연구에서는 소량의 철-실리콘(FeSi) 결정이 맨틀에 통합될 수 있다면 CMB 위에 조밀한 저속 구조를 형성할 것이며 이는 일부 ULVZ을 설명할 수 있다고 설명했다.
결정은 액체보다 가벼울 수 있는 충분한 실리콘을 포함하므로 액체 철 금속에서 상승한다.
이 실험을 위해 연구팀은 규소가 풍부한 결정이 외핵에서 가라앉지 않고 상승할 것이라고 예측하기 위해 실험실 관찰에 집중했다.
Sang-Heon Dan Shim ASU 교수는 “실리콘이 풍부한 합금 결정화는 대유행 기간 동안 시카고에서 눈이 내리는 겨울에 실험하는 동안 발견됐다. 이러한 결정화 거동이 외핵에서 실리콘이 풍부한 눈의 상승으로 이어질 수 있다는 것이 흥미롭다”고 말했다.
이 실험을 위해 철-실리콘 합금이 ASU에서 수소-아르곤 가스 혼합물에 용해했다. 그런 다음 다이아몬드 앤빌 셀의 코어에 대해 예상되는 압력으로 샘플을 압축했다.
Shim은 “고압에서 철 합금을 수소에 용해시키기에 충분히 높은 온도를 생성하는 것은 매우 어려웠다. 그 이유는 수소가 다이아몬드 앤빌로 확산되어 이를 깨뜨리고 실험에 실패할 수 있기 때문”이라고 설명했다.
그는 이번 실험을 위해 다이아몬드 앤빌 셀에서 수소와 아르곤을 혼합하는 새로운 방법을 개발했다.
이 현상은 코어와 암석 맨틀 사이의 경계에서 규소가 풍부한 결정 덩어리를 만들 수 있다. 여기에서 수십 년 동안 지진 이미징 연구에서 많은 수수께끼 같은 미세한 구조가 발견됐다.
ASU 박사후 연구원 Suyu Fu(현 도쿄대)는 “실리콘과 수소가 적절한 풍부함을 가진 가장 바깥 쪽 코어의 두 가지 주요 가벼운 요소라면 그러한 실리콘이 풍부한 결정이 발생할 수 있다”고 말했다.
실제로 이러한 구조 중에서 코어-맨틀 경계의 코어 측면에서 발견되는 코어-강성 영역(액체 철 금속 외부 코어에서 고체와 유사한 특성을 가진 수백 미터 두께)은 실리콘이 풍부한 결정 더미일 수 있다.
대류 맨틀 흐름이 이러한 상승하는 실리콘이 풍부한 결정의 일부를 포착할 수 있다면 맨틀에서 지진 속도가 매우 낮은 미세한 구조로 나타날 수 있다.
Fu는 “우리의 연구는 또한 실리콘이 풍부한 결정이 가장 바깥쪽 코어 지역에서 시작하여 지구의 더 지속적인 냉각과 함께 더 깊은 깊이로 발전할 수 있다고 예측한다”고 말했다.
