한반도 속살 암권맨틀 20억년 전에 ‘세대교체’

한국지질자원연구원 연구팀이 백령도에서 채취한 현무암. 군데군데 박혀 있는 것이 땅속의 암권맨틀을 구성하고 있는 암석이다. 그 나이는 18억∼20억살로 밝혀졌다. 사진 제공 한국지질자원연구원

사회 여러 분야에서 끊임없이 세대교체가 일어난다. 한 시대를 이끌던 정치인, 스타 배우도 시간이 지나면 젊고 패기 넘치는 신세대 후배들에게 자리를 내준다.

세대교체는 심지어 우리가 발을 딛고 살아가는 땅덩어리 밑에서도 일어난다. 최근 한반도 땅속의 암석이 생각보다 ‘젊다’는 사실이 밝혀지면서 오래전 ‘세대교체’가 이뤄졌을 가능성이 제기됐다.

○ 지각 나이보다 5억∼12억년 젊어

지구를 커다란 복숭아라고 하면 씨에 해당하는 부분이 핵, 먹는 부분이 맨틀, 껍질이 지각이다. 지각은 맨틀 윗부분의 일부가 녹아 굳어져 생성된다.

지각이 만들어지고 남은 맨틀 윗부분을 ‘암권(巖圈)맨틀’이라 부른다. 암권맨틀은 유체(流體)인 맨틀보다 단단한 고체라 지각을 떠받쳐주는 역할을 한다. 보통 지각과 암권맨틀은 비슷한 시기에 형성된다.

해양 밑에 있는 암권맨틀의 두께는 8∼10km, 대륙 아래 암권맨틀의 두께는 지역에 따라 다르다. 특히 25억∼30억 년 전에 형성된 지각 밑 암권맨틀은 전 지구적으로 두께가 200∼250km에 이른다고 알려져 왔다.

따라서 과학자들은 암권맨틀 나이가 지각나이와 마찬가지로 25억 년인 한반도 암권맨틀의 두께를 약 250km로 추정해 왔다.

그러나 최근 연구에서 한반도 암권맨틀의 나이가 생각보다 적고 두께도 얇다는 결과가 나왔다. 한국지질자원연구원 지질기반정보연구부 이승렬 박사팀은 충북 보은군, 경기 평택시, 제주도, 백령도 등에서 오래전의 지각운동에 의해 암권맨틀을 이루고 있는 암석이 땅 위로 노출돼 있는 곳을 찾아냈다. 암석을 채취한 다음 갈아서 방사성 동위원소 성분을 분석했다. 동위원소가 얼마나 남아 있는지를 알면 암석의 나이를 유추할 수 있다.

분석 결과 암석은 18억∼20억 년인 것으로 밝혀졌다. 희한하게도 암권맨틀의 나이가 지각보다 5억∼12억 년 정도 더 젊다는 얘기다. 두께도 당초 추정치보다 훨씬 적은 100∼120km인 것으로 나타났다.

○ 판 충돌 후 지각 떠받칠 새 맨틀 생성

지각과 암권맨틀은 서로 붙어서 거대한 ‘판’을 형성한다. 판이 움직이다가 다른 판과 충돌하면 암권맨틀의 일부가 서로 뒤섞이면서 두꺼워진다. 이 부분은 무게를 이기지 못하고 떨어져 나와 맨틀 깊숙이 가라앉게 된다. 그러면 맨틀 윗부분은 다시 굳어지기 시작한다. 지각을 떠받칠 새로운 암권맨틀을 만들기 위해서다.

판의 움직임 때문에 나이 든 암권맨틀이 가라앉고 신세대 암권맨틀이 생겨나는 것. 연구팀은 18억∼20억 년 전 한반도 땅속에서 이런 ‘세대교체’가 일어났을 것으로 추측하고 있다.

이 박사는 “암권맨틀이 교체되는 현상은 학계에 이미 알려져 있지만 한반도 땅속에서 일어났다는 사실을 알아낸 것은 이번이 처음”이라고 말했다.

그는 또 “이번 조사 결과는 한반도 근처에서 대륙충돌 같은 대규모 조산(造山)운동이 일어나 암권맨틀이 교체됐다는 증거”라고 덧붙였다. 이 연구결과는 국제 지질학 저널인 ‘케미컬 지올로지’ 7월 15일자에 실렸다.

○ 새로운 암권맨틀일수록 두께 얇아

최근에 조산운동이 일어난 대륙일수록 암권맨틀의 두께가 상대적으로 얇다.

반대로 오래되고 안정된 대륙 밑에 있는 암권맨틀일수록 두껍다. 암권맨틀의 형성 시기와 두께는 한반도 안에서도 지역에 따라 다르다.

이 박사는 “충청도의 암권맨틀은 다른 지역보다 더 젊은 것으로 나타났다”고 말했다. 이 박사팀은 지역별 암권맨틀의 형성 시기와 두께를 측정해 이를 한눈에 볼 수 있는 지도를 작성하고 있다.

임소형 동아사이언스 기자 sohyung@donga.com