이웃집과학자

영화 <코어>에서 주인공들은 탐사선을 타고 지구 깊숙한 곳으로 들어갑니다. 그리고 지구 내부에서 엄청난 크기의 다이아몬드를 관측합니다. 보통 다이아몬드가 '고온, 고압' 환경에서 만들어지기 때문에 이런 점을 영화 속 설정으로 나타낸 것으로 보이는데요. 그런데 지구 속에 다이아몬드가 실제로 존재할지도 모르겠습니다.

MIT의 Ulrich Faul 교수와 국제 공동연구팀에 따르면 지구 내부에는 수천억 톤 이상의 다이아몬드가 있을 수 있다고 합니다. 그 깊이는 지표로부터 100마일(160km) 아래인데요. 이 깊이는 아직 어떤 시추선도 도달하지 못한 깊이라고 합니다. 참고로 현재 지구상에서 실시된 최대 시추 깊이는 약 12km로 러시아의 Kola Superdeep Borehole입니다

지구 표면을 구성하는 지각판 중에는 크라톤(Craton)이 있습니다. 크라톤은 지각판 중심부 아래에 있는 가장 오래되고 안정된 지역이죠. 뒤집힌 산과 같은 모양을 하고 있는데, 지각에서부터 맨틀까지 200마일(약 321km) 정도 뻗어있습니다. 지질학자들은 크라톤의 가장 깊은 부분을 루트(roots)라고 부르는데, 바로 이 부분에 1~2%의 다이아몬드가 포함돼 있다고 합니다. 이걸 어떻게 파악한 걸까요?

연구진은 지진파를 이용해 크라톤의 루트에 다이아몬드가 포함돼 있다는 사실을 발견했습니다. 지질학자들은 지구 속을 들여다 보기 위해 흔히 지진파를 이용합니다. 지진파는 지진이나 해일, 혹은 폭발이 발생하며 진동을 일으킬 때 발생합니다. 이렇게 발생한 지진파는 다양한 속도와 세기로 세계 곳곳에 설치돼 있는 지진관측기에 수집됩니다. 지진파는 암석의 구성 성분, 밀도, 온도에 따라 각기 다른 속도로 지구를 관통하기 때문에 과학자들은 이 데이터를 이용해 지구 내부의 모습을 이미지로 만들 수 있습니다.

이번 연구는 크라톤의 루트 부분에서는 지진파가 유독 빠르게 증가하는 이상 현상을 설명하기 위해 시작됐습니다. 일반적으로 크라톤은 주변을 둘러싼 맨틀에 비해 밀도가 낮고 차갑습니다. 그래서 크라톤을 통과하는 지진파의 속도는 빠르다고 알려져 있습니다. 하지만 과학자들은 유독 크라톤의 루트 부분에서 갑작스럽게 튀어오르는 속도를 설명할 수 없었습니다. 이에 연구팀은 크라톤의 루트 부분이 어떤 구성 성분으로 이뤄졌는지 파악하기 위해 미국지질조사국(USGS)의 데이터를 이용해 3차원 모델링을 실시하기에 이릅니다.

이후 연구팀은 다양한 광물을 결합해 가상의 암석(Virtual rocks)을 만듭니다. 그리고 지진파가 그 암석을 얼마나 빠르게 통과하는지 측정했습니다. 그 결과 과학자들은 지진학자들이 크라톤 루트에서 측정한 지진파 속도와 동일한 속도를 내는 단 한 가지 유형의 암석을 발견해냈습니다.

그 가상의 암석에는 1~2%의 다이아몬드와 상부 맨틀의 주요한 성분으로 알려진 페리도타이트(Peridotite) 그리고 소량의 에클로자이트(eclogite)가 포함돼 있었습니다. 참고로 에클로자이트는 주로 침강하는 해양지각에 들어있는 광물입니다. 연구팀의 이러한 결과는 과거 과학자들이 생각했던 것보다 상부 맨틀에 적어도 1,000배는 더 많은 다이아몬드가 포함돼 있음을 의미합니다. 크라톤 루트는 1~2%의 다이아몬드가 포함된 덕분에 주변의 맨틀보다 밀도가 낮음에도 불구하고 맨틀 아래로 침강하지 않고 지각에 떠 있는 상태를 유지할 수 있게 됩니다. 이는 마치 나무조각이 물 위에 떠있는 것과 비슷하다고 할 수 있습니다.   

다이아몬드는 보통 지구 깊은 곳에서 높은 온도와 압력을 받고, 수천만 년마다 일어나는 대규모 화산분출을 통해서만 지표로 올라옵니다. 분출 경로는 킴벌라이트(Kimberlite) 암석으로 이뤄진 파이프(pipe) 구조를 따라 나오게 됩니다.

일반적으로 킴벌라이트 파이프는 캐나다, 시베리아, 오스트레일리아 및 남아프리카의 특정지역에서 발견됩니다. 이 지역은 크라톤의 가장자리 지역입니다. 이는 크라톤 루트에 다이아몬드가 포함돼 있다는 것을 보여주는 정황 증거가 될 수 있습니다.

연구를 이끈 Faul 교수는 "다양한 각도에서 모든 가능성을 조사했고, 이번 연구의 결과가 유일하게 합리적으로 설명 가능한 결론"이라고 전했습니다.

 ##참고자료##

Garber, Joshua M et al, Multidisciplinary Constraints on the Abundance of Diamond and Eclogite in the Cratonic Lithosphere, Geochemistry, geophysics, geosystems : G3, 10.1029/2018GC007534