플룸 구조론(차가운 플룸과 뜨거운 플룸)

플룸 구조론은 지구의 맨틀 내부에서 발생하는 대규모의 열 대류 운동을 설명하는 이론이다. 이 이론은 판 구조론이 지각의 수평적 운동을 설명하는 데 중점을 둔다면, 맨틀 깊은 곳에서 시작되는 수직적 상승 및 하강 흐름이 지각 변동의 근본 원인이라는 점을 강조한다.

핵심 개념은 맨틀 깊은 곳(핵-맨틀 경계 근처)에서 상승하는 고온의 뜨거운 플룸과 지각 하부에서 하강하는 저온의 차가운 플룸이 존재한다는 것이다. 뜨거운 플룸은 열점을 형성하여 화산 활동을 일으키고, 대륙을 갈라 열곡대를 만들기도 한다. 반면, 차가운 플룸은 해구나 조산대 아래로 가라앉아 지각을 수렴시키는 힘을 제공한다.

이 이론은 하와이 제도와 같은 열점 화산군의 생성, 슈퍼콘티넨트의 분열과 집합, 그리고 맨틀 내부의 화학적 불균질성 등을 통합적으로 설명하려는 시도에서 비롯되었다. 플룸 구조론은 판 구조론을 보완하며, 지구 내부의 역학을 이해하는 중요한 틀을 제공한다.

플룸 구조론은 판 구조론이 지각과 상부 맨틀의 수평적 운동을 설명하는 데 주력한 반면, 맨틀 깊은 곳에서의 수직적 대류 운동을 설명하기 위해 제안된 이론이다. 이 개념의 초기 단서는 1960년대 후반 해령 중앙부에서 관측된 이상 고열 지역과, 하와이 제도와 같은 열점의 존재에서 찾을 수 있다.

1971년, 지구물리학자 윌리엄 제이슨 모건은 '딥 플룸 가설'을 발표하며 이 개념을 정식으로 제안했다[1]. 그는 지구의 핵-맨틀 경계 근처에서 발생하는 고열의 물질 덩어리가 상승하여 암석권 하부를 녹이고, 화산 활동과 지형 융기를 일으킨다고 주장했다. 이는 당시 지질학계의 주류 패러다임이었던 판 구조론만으로는 설명하기 어려운, 판 내부의 광범위한 화산 활동을 설명할 수 있는 새로운 틀을 제공했다.

초기 모델은 주로 상승하는 뜨거운 플룸에 집중되었으나, 이후 연구를 통해 하강하는 차가운 플룸의 존재도 제안되었다. 1980년대와 1990년대에 걸쳐 지진파 단층촬영 기술이 발전하면서, 맨틀 깊은 곳에 존재하는 것으로 추정되는 거대한 속도 이상대의 영상이 획득되며 플룸 구조론에 대한 실증적 증거가 축적되기 시작했다. 이는 지구 내부의 역학을 이해하는 데 있어 판 구조론과 플룸 구조론이 상호 보완적일 수 있음을 시사했다.

차가운 플룸은 지구의 맨틀 깊은 곳, 특히 하부 맨틀과 외핵의 경계 부근에서 시작되어 상승하는 고온의 맨틀 플룸과 반대되는 개념이다. 이는 지구 표면의 암석권이 맨틀 내부로 가라앉는, 즉 섭입이 심화된 형태로 이해된다. 주로 해양 지각의 차갑고 무거운 물질이 섭입대를 통해 맨틀 깊숙이 침강하여 형성된다.

차가운 플룸의 주요 형성 원인은 판 구조론의 섭입 과정이다. 해양 지각은 해령에서 생성된 후 시간이 지나면서 차갑고 밀도가 높아진다. 이렇게 냉각된 해양판이 다른 판 아래로 섭입할 때, 판의 선단부는 맨틀 전이대를 통과하여 깊이 가라앉을 수 있다. 일부 모델에 따르면, 이렇게 모인 차갑고 고밀도의 물질 덩어리가 하부 맨틀까지 도달하여 하나의 거대한 흐름, 즉 차가운 플룸을 구성한다[2]. 이 플룸의 온도는 주변 맨틀보다 수백 도 낮으며, 그로 인해 밀도가 높고 강성이 크다.

차가운 플룸은 지표면에 뚜렷한 지질학적 영향을 미친다. 그 가장 직접적인 영향은 강력한 수직적 하향 운동을 유발하여 광범위한 지역의 지각을 침강시키는 것이다. 이는 대륙 내부에서 관찰되는 거대하고 오래 지속되는 퇴적분지의 형성 원인으로 여겨진다. 또한, 차가운 플룸이 하부 맨틀 깊숙이 존재하면 그 상승류인 맨틀 대류 세포의 하강부 역할을 하여, 지표면의 판 운동과 조산 운동에 간접적인 영향을 줄 수 있다. 일부 연구에서는 과거 초대륙의 분열과 해체가 그 아래에 형성된 거대한 차가운 플룸의 영향과 연관되어 있을 가능성을 제시한다.

맨틀 깊은 곳, 주로 핵-맨틀 경계 부근에서 기원하는 고온의 암석 물질이 상승하는 대류 구조를 뜨거운 플룸이라고 부른다. 이는 지구 내부에서 발생하는 열적 불안정성에 의해 형성되며, 주변 맨틀보다 밀도가 낮고 온도가 높아 부력에 의해 상승한다. 뜨거운 플룸은 일반적으로 직경이 수백 킬로미터에 이르는 좁은 기둥 형태로 상승하며, 맨틀을 뚫고 올라와 암석권 하부에 도달하면 수평으로 퍼져 나가는 머리 부분을 형성한다.

뜨거운 플룸이 지표면에 미치는 가장 두드러진 영향은 대규모 화산 활동과 관련이 있다. 플룸 머리가 암석권 하부에 도달하면 막대한 양의 열이 공급되고 부분 용융이 촉진되어 마그마가 생성된다. 이는 지표에서 용암 고원이나 해산과 같은 특정한 화산 지형을 만든다. 대표적인 예로는 시베리아 트랩, 데칸 트랩과 같은 대륙 내 대규모 현무암 지역과 하와이 제도를 형성한 하와이-엠퍼러 해산열이 있다[3].

뜨거운 플룸의 활동은 단순히 화산을 만드는 것을 넘어서, 장기적인 지형 융기와 대륙 분열을 유발할 수 있다. 플룸 머리에서 공급되는 열은 상부의 암석권을 가열하고 팽창시켜 넓은 지역을 융기시키며, 이는 결국 지각을 약화시키고 균열을 발생시켜 새로운 해령이 탄생하는 원인이 되기도 한다. 예를 들어, 아프리카 동부의 동아프리카 지구대는 아래에 존재하는 아프리카 슈퍼플룸과 연관되어 대륙 분열의 초기 단계로 여겨진다.

맨틀 내부의 차가운 플룸과 뜨거운 플룸은 정지해 있지 않고, 복잡한 대류 운동을 통해 이동하며 서로 상호작용한다. 이들의 이동 경로와 속도는 맨틀의 점성, 온도 구배, 그리고 주변 물질과의 밀도 차이에 의해 결정된다. 일반적으로 뜨거운 플룸은 핵-맨틀 경계면에서 상승하며, 차가운 플룸은 리소스페어 하부나 전이대[4]에서 하강한다.

플룸의 상호작용은 지구 내부 물질의 순환과 열 에너지의 재분배에 핵심적인 역할을 한다. 뜨거운 플룸의 상승류는 상부의 암석권을 약화시키고 용승을 일으켜 열점이나 대규모 화산 지역을 형성한다. 반대로 차가운 플룸의 하강류는 해양판의 섭입을 촉진하고, 깊은 맨틀로 차가운 물질을 공급하여 대류 세기를 증가시킨다. 때로는 상승하는 뜨거운 플룸이 하강하는 차가운 플룸의 경로를 방해하거나 왜곡시키기도 한다.

이러한 상호작용의 공간적 규모와 시간적 지속성은 매우 다양하다. 주요한 상호작용 사례는 다음과 같다.

플룸의 이동과 충돌은 장기적인 판 구조 운동의 원동력으로 작용한다. 예를 들어, 대륙 아래에 위치한 뜨거운 플룸은 대륙을 분리시키는 열적 돔을 만들고, 결국 새로운 해양 분지가 열리는 원인이 된다. 또한, 맨틀 깊은 곳에서 시작된 차가운 플룸이 하강하면서 생성하는 흐름은 지표의 판 운동 속도와 방향에 영향을 미친다. 이처럼 플룸 구조론은 지구 내부의 수직적 물질 순환과 지표의 수평적 판 운동을 연결하는 통합적인 틀을 제공한다.

플룸 구조론을 지지하는 주요 증거는 지진파 단층촬영과 지화학적 분석을 통해 얻어진다. 지진파 단층촬영은 지구 내부의 속도 구조를 3차원적으로 이미지화하는 기술이다. 이 방법으로 맨틀 깊은 곳에서 상승하는 저속도 영역(뜨거운 플룸)과 암석권 아래로 가라앉는 고속도 영역(차가운 플룸)을 확인할 수 있다[5]. 특히 태평양과 아프리카 대륙 아래의 외핵-맨틀 경계면 근처에는 거대한 초저속도대가 존재하는데, 이는 대형 뜨거운 플룸의 근원지로 해석된다.

지화학적 분석은 화산암과 현무암의 동위원소 비율과 원소 조성을 연구한다. 하와이 제도나 아이슬란드와 같은 열점에서 분출하는 현무암은 일반적인 해령 현무암과 뚜렷이 다른 지화학적 서명을 보인다. 예를 들어, 헬륨 동위원소 비율(He-3/He-4)이 매우 높은 것은 이 암석이 오래되고 원시적인 물질을 포함한 깊은 맨틀 원천에서 기원했음을 시사한다. 이는 표층 판의 순환과는 독립적인 깊은 맨틀의 상승류, 즉 뜨거운 플룸의 존재를 강력히 지지하는 증거이다.

연구 방법은 다음과 같이 발전해왔다.

이러한 다양한 방법을 통해 수집된 증거들은 맨틀이 단순한 대류 세포만으로 설명하기 어려운 복잡한 수직적 구조와 이질성을 가지고 있으며, 플룸과 같은 국지적이고 격렬한 상하 운동이 존재함을 보여준다.

플룸 구조론은 판 구조론을 보완하는 지구 내부 대류 모델로 제안되었다. 판 구조론이 암석권의 수평적 운동과 그에 따른 지각 현상을 주로 설명하는 반면, 플룸 구조론은 맨틀 깊은 곳 또는 외핵-맨틀 경계에서 발생하는 수직적 대류 현상에 초점을 맞춘다. 두 이론은 서로 경쟁 관계라기보다는 지구 내부의 열적 진화와 동역학을 설명하는 상호보완적 개념으로 이해된다.

판 구조론의 주요 동력원이 해령 아래의 상승류와 섭입대의 하강류라는 맨틀 대류에 기반한다면, 플룸 구조론은 이와 별개로 또는 상호작용하며 작동하는 심부 대류 시스템을 제시한다. 예를 들어, 뜨거운 플룸은 해령과 무관하게 대륙 내부에 용암 대지나 열점 화산을 형성할 수 있다. 반대로, 차가운 플룸은 섭입과 무관하게 대륙 지각의 융기나 내부로의 수축을 유발할 수 있다.

두 구조론의 관계는 다음과 같은 지질 현상을 통해 설명된다.

현대 지구과학에서는 판의 운동이 맨틀 전체의 대류와 플룸의 상승/하강 운동이 복합적으로 작용한 결과로 해석하는 통합적 관점이 지배적이다. 슈퍼콘티넨트의 분열과 집합 같은 장주기적인 현상은 표면의 판 운동과 심부의 플룸 활동이 밀접하게 연관되어 있음을 시사한다[6].

플룸 구조론은 판 구조론이 지각과 상부 맨틀의 수평적 운동을 설명하는 데 주력했다면, 맨틀 전체의 수직적 대류 운동을 강조하여 지구 내부 동역학에 대한 보다 포괄적인 시각을 제공했다. 이 이론은 열점과 대륙 분열, 용암 고원 형성, 그리고 일부 조산 운동과 같은 지질 현상들을 통합적으로 이해하는 데 중요한 개념적 틀을 마련했다. 또한, 지진파 단층촬영 기술의 발전과 함께 맨틀 깊은 곳에서의 열 기둥이나 침강 슬래브의 존재를 가시화하는 데 이론적 배경을 제공하여, 지구 내부 구조에 대한 실증적 연구를 촉진시켰다.

그러나 플룸 구조론은 여전히 여러 한계에 직면해 있다. 가장 큰 도전은 뜨거운 플룸의 존재 자체와 그 기원 깊이에 대한 논쟁이다. 일부 연구자들은 관측된 열점 현상이 맨틀 깊은 곳(핵-맨틀 경계)에서 기원한 독립적인 상승류보다는, 상부 맨틀 내에서의 판의 운동과 관련된 얕은 대류에 의해 설명될 수 있다고 주장한다. 또한, 모델이 예측하는 플룸의 규모, 온도, 상승 속도 등이 실제 관측 자료와 항상 일치하지는 않는다.

현대 지구과학에서는 플룸 구조론과 판 구조론을 대립적인 이론이 아니라 상호 보완적인 개념으로 접근하는 경향이 강하다. 두 모델은 지구 내부의 복잡한 열적·화학적 대류 시스템의 서로 다른 측면을 설명한다. 최근의 연구는 고해상도 지진파 단층촬영과 정밀한 지화학적 분석, 그리고 대규모 컴퓨터 시뮬레이션을 결합하여, 맨틀 대류가 수평적 판 운동과 수직적 플룸 운동이 혼재된 더욱 복합적인 양상임을 점차 밝혀내고 있다. 따라서 플룸 구조론은 지구 내부 과정을 탐구하는 데 있어 하나의 유용한 가설적 모델로서 그 의의를 지니며, 지속적인 검증과 수정을 통해 진화하고 있다.

• 위키백과 - 맨틀 플룸

• 위키백과 - Mantle plume

• 한국지구과학회 - 맨틀 대류와 플룸 구조

• 국립지질조사원 - 지구 내부 구조와 맨틀 대류

• 네이처 지구과학 - Thermochemical piles and the origin of the Pacific LLSVP

• 사이언스 - The role of subducted slabs in mantle plume dynamics

• 나무위키 - 맨틀 플룸