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현무암 마그마의 빠른 상승
(The Rapid Ascent of Basalt Magmas)
Andrew Snelling

   오늘날 하와이의 킬라우에아 화산체(Kilauea Volcano)와 같은 많은 화산체들에서 용암류로 분출된 현무암 마그마(basalt magmas)의 근원이 지구의 상부 맨틀(upper mantle)임은 잘 입증되어 있다. 지각(earth's crust)은 화강암질 성분이 주를 이루는 반면, 맨틀은 현무암질 성분에 가깝다. 맨틀 암석의 일부 조각들은 종종 현무암 용암류 내에서 지표면으로 올라온다. 다른 증거도 또한 현무암 마그마가 상부 맨틀 암석의 부분적 용융에 의해서 생성되었음을 확인해주고 있다.

그림 1. 지각 내 균열을 뚫고 지표면으로 폭발적으로 분출하는 킴벌라이트 마그마계의 모식도.


폭발적인 분출과 맨틀 수(Mantle Water)

그러한 화산폭발이 대륙에서 일어나는 곳에서는 현무암 마그마가 전형적으로 상부 맨틀로부터 지표면까지 약 60-80km를 상승해야 한다. 더 나아가 마그마의 상승 메커니즘과 마그마의 상승속도는 화산폭발의 동력에 있어서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 그러나  이 현상들은 지금까지 잘 이해되지 않고 있었다. 따라서 격변적 홍수지질학(catastrophic Flood geology)의 비판가들은 현무암 마그마의 오랜 기간에 걸친 느리고 점진적인 상승을 가정하여 왔었다. 그리고 오늘날 지표면으로 운반된 적은 양의 현무암 마그마를 동일과정적으로 과거로 외삽하여, 지질기록에서 발견되는 엄청난 현무암 용암들이 만들어지기 위해서는 수백만 년에 걸친 분출이 필요했을 것이라고 주장하고 있었다.

하지만, 기체가 풍부해서 폭발적으로 분출하는 다이아몬드를 함유한 킴벌라이트 마그마 (volatile-rich kimberlite magmas)의 상승속도는 초당 4 m(분당 약 240 m, 시간당 약 14.5 km)인 것으로 이전에 측정되었다![2] 이 드문 마그마에 의해서 맨틀 내 200-400 km 깊이에서 지표면까지 운반되는 다이아몬드가 보존되기 위해서는 이렇게 빠른 상승속도가 결정적으로 중요하다. 상승속도가 느리다면 다이아몬드는 흑연(graphite)으로 바뀌게 될 것이기 때문이다. 이러한 상승속도의 관점에서 보면, 다이아몬드를 운반하는 킴벌라이트 마그마가 맨틀 내 200-400 km 깊이에서 지표면으로 분출하기까지 이동하는데 걸린 시간은 12-30시간 밖에 되지 않는다는 것이다 (그림 1).

현무암 마그마로부터 지표면으로 운반된 맨틀암석 조각(포획암, xenoliths) 내의 광물 속에 적은 양의 물(water)이 수소와 수산기(hydroxyl) 이온(해리된 물의 성분)으로 용해되어 있는 것이 발견되었다.[3] 심지어 이처럼 적은 양의 물도 맨틀 내에서 물리적 및 화학적 작용에 있어서 커다란 효과를 가질 뿐만 아니라, 판구조론에서도 중요할 수 있다.[4] 더 나아가, 실험 연구들도 맨틀 광물 내에 용해되어 있던 물이 상승하는 마그마 내로 분배되면서, 지표면으로 운반되는 동안 일부분을 잃어버렸을 것임을 보여주었다.[5] 그 결과, 분출된 현무암의 포획암과 같은 광물들 내에 아직까지 용해되어 있는 물을 측정하는 것은 분출 전에 마그마의 상승속도를 정량화하는데 있어서 단서를 제공할 수 있다.


파타고니아 현무암(Patagonian Basalt)에 대한 연구

현재 그러한 연구 하나가 진행되어 왔다.[6] 감람석 결정(olivine crystals)들이 칠레의 팔리-아이크(Pali-Aike)의 신생대 제4기(Quaternary, 대홍수 후) 지층에 있는 알칼리 감람석 현무암류(alkali olivine basalt flows) 내의 석류석(garnet)을 함유한 맨틀 포획암으로부터 분리되었다.[7] 이러한 포획암 내의 광물 결정 중심부에서의 퓨리에변환 적외선분광(Fourier Transform Infrared)은 이러한 맨틀 암석의 조각들이 원래 60-80 km의 깊이에 해당하는 온도와 압력 하에 있었음을 보여준다.[8] 더 나아가, 마그마방의 이들 용암류 아래에서 포획암들이 오랜 기간 저장되었다는, 그리고 맨틀이 지각으로 운반되는 동안 그들의 주마그마(host magma)와 평형되었다는 그 어떠한 지화학적 증거도 없다.

맨틀 포획암들을 가지고 있는 알칼리 현무암은 1200-1290℃ 사이로 추정되는 온도에서 분출된 것으로 평가되었다.[9] 더 나아가, 현무암 내의 가시적 단사휘석 결정들(clinopyroxene crystals, phenocrysts)에 대한 적외선분광광도계(FTIR) 측정치는 그것들 내에 결합된 수산기(OH)에 대한 증거를 하나도 보여주지 않았다. 각섬석(amphibole)의 부재와 더불어, 이것은 현무암이 물로 불포화되었음을 가리키는 것이었다. 그리고 이러한 물의 불포화는 맨틀 포획암들을 운반하는 현무암질 마그마를 수소의 효과적인 ‘흡수원(effective sink, or potential receiver)로 만들고 있었다. 따라서 맨틀 포획암은 마그마가 상승하는 동안에, 그리고 상승속도에 비례하여 점진적으로 탈수(dehydrating)되었을 환경 내에 존재했다.

맨틀 포획암 내의 각각의 입자들을 가로지르는 FTIR 측정치들에 의하면, 감람석(olivine) 입자들 가장자리에는 수산기가 빠져나간 것과 대조적으로, 휘석(pyroxene) 입자들 내에서의 물 분포는 균질함을 보여주었다.[10] 총 30개의 감람석 입자들이 조사되었는데, 직경 0.8 mm 이상인 모든 감람석 입자들은 수산기가 빠진 가장자리를 가지고 있었다. 덧붙여서 감람석 내의 수소 확산은 결정구조와 관계가 있는 것으로 알려져 있기 때문에, 결정학상 배향을 가지는 두 감람석 입자에 대해서는 단면 측정이 반복되었다. 이러한 측정들은 맨틀 포획암 내의 감람석 입자의 가장자리에 수산기가 빠져있음을 확증했다. 이것은 맨틀 포획암들이 물로 불포화된 주 현무암 마그마에 의해 감싸여서 60-80 km 깊이에서 지표면으로 운반되는 동안에, 이들 감람석들은 마그마 내에서 탈수되었음을 보여준다.


계산되어진 용암의 빠른 상승률

감람석의 수화(hydration)에 대해 실험적으로 정해진 확산계수(diffusion coefficients)를 사용하여, 물 확산 분포는 감람석 입자의 세 결정학상 축(crystallographic axes) 모두에 대해서, 1245±45 ℃의 온도에서, 가장자리에서 초기 물 함량이 ~312 wt ppm(weight parts per million)과 최종 물 함량이 0 wt ppm을 가지는 여러 시간들이 계산되었다. 따라서 그것은 맨틀 포획암들의 상승 속도를 대략적으로 계산할 수 있도록 해주었으며, 확대해서 주 용암의 상승속도를 알 수 있게 해주었다. 계산된 용암의 상승속도는 1290℃에서 1.9시간으로부터, 1245℃에서 3.4시간, 1200℃에서 6.3시간 정도의 범위를 가졌다. 더 나아가, 감람석 입자 내의 균열을 가로지른 FTIR 분석치는 수소 분포에 대한 어떠한 섭동(perturbations)도 보여주지 않았다. 그래서 입자 가장자리로부터의 수소 확산은 지표면 근처에서 입자들의 균열 전, 또는 근원 현무암의 분출 후에 주로 일어났음을 보여준다. 그러므로 이러한 맨틀 포획암들은 단지 몇 시간 만에 지표면에 도달했음에 틀림없다.

포획암들이 기원된 깊이를 60-80 km로 가정한다면, 그에 상응하는 상승속도는 초당 6±3 m (시간당 21.6±10.4 km) 이었다. 이들 포획암들은 주 마그마보다 더 치밀하기 때문에, 이 계산은 주 알칼리 현무암 마그마에 대한 최소한의 상승속도를 제시하고 있다. 이것은 이 현무암 마그마가 상부 맨틀로부터 지표면에서 분출하기까지 이동하는데 2시간에서 8시간 밖에 걸리지 않았다는 것과 같다. 지표면으로 그렇게 빠르게 상승하는 것은 이러한 포획암의 신선도와 일치하며, 다이아몬드를 함유하고 있는 휘발성분이 풍부한 킴벌라이트 마그마에 대해 이전에 결정되었던 초당 4 m라는 상승속도와도 비슷한 결과였다.


결론

이제 용암류의 분출이 창세기 대홍수와 젊은 지구 시간 틀과 맞지 않는다는 그 어떠한 주장도 쉽게 기각될 수 있게 되었다. 만약 현무암 마그마가 상부 맨틀 근원지로부터 화산들을 통해 지표면으로 분출하는데 2-8시간 밖에 걸리지 않았다면, 많은 현무암 화산 분출들이 대홍수 동안에 쉽사리 일어났을 것이다. 더 나아가, 소위 홍수 현무암인 데칸 트렙과 시베리아 트랩*과 같은 지질기록 내에서 발견되는 대규모의 거대한 용암 분출들은 오늘날에 볼 수 있는 비교적 소규모의 간헐적 분출과는 대조적으로, 대홍수 시기에 전 지구적으로 대격변이 있었음을 증거하고 있는 것이다.

더 중요한 질문은, 얼마나 많은 양의 상부 맨틀 암석들이 그처럼 방대한 양의 대홍수 현무암을 만들어 내기에 충분할 만큼 부분적으로 빨리 용융될 수 있었을까 하는 것이다. 하지만, 대홍수 기간 동안에 대홍수 이전의 해양저는 판(plates)들로 파열되면서 열적탈주섭입(thermal runaway subduction)을 일으키며 맨틀 내로 가라앉았다. 그 결과 거대한 맨틀 기둥(mantle plumes)들을 만드는 맨틀의 대류 흐름(convective flow)이 만들어졌고, 중앙해령 열곡대 아래의 거대한 양의 상부 맨틀 암석들이 빠르게 용융되었다.[13] 따라서 대홍수 동안의 '격변적 판구조론(catastrophic plate tectonics)'은 지구 암석 기록에서 발견되는 많은 현무암류에 대한 유일하고 확실한 설명인 것이다. 그리고 위에서와 같은 새로운 실험 증거는 성경적 지구 역사의 시간 틀과 일치하는 현무암 용암의 빠른 상승과 분출을 확증하고 있는 것이다.


* 역주

1)데칸 트랩(Deccan Trap) : 인도가 지금은 세이셀 제도(Seychelles)가 된 대륙의 일부로부터 분리되면서, 막대한 양의 용암이 흘러나와 형성된 거대한 용암층들이 인도 대륙 서부를 뒤덮고 있다. 현재 용암들은 약 50만 ㎢나 되는 넓은 지역을 뒤덮고 있으며, 지역에 따라 2 ㎞ 두께로 나타나는 곳도 있다. 당시 분출된 용암의 양은 해저 용암 대지를 포함하여 지금 남아있는 화성암체의 양보다 적어도 2배 이상이었을 것으로 추정되고 있다. 진화론적으로 이 용암의 분출은 백악기 말에서 시작되어 신생대 초에 이르는 최장 1백만 년 동안 계속된 것으로 주장되고 있다.

2)시베리아 트랩(Siberian Traps) : 시베리아와 러시아 전역에 걸쳐 있는 화산암 지대로 호주 면적의 절반이 넘는 평판 지역이다. 동일과정적으로 2억5000만년 전인 페름기와 트라이아스기 사이에 대규모의 용암들이 분출하여 형성된 것으로 보고 있으며, 이것이 형성된 시기와 지구상 생물의 70%가 멸종한 시기가 일치하여 용암 분출이 당시의 생물들을 멸종시킨 것이라는 보고도 있다.

                   
References

1. Hall, A. 1996. Igneous petrology, 2nd ed. Harlow, England: Addison Wesley Longman Ltd.
2. Kelley, S. P., and J.-A. Wartho. 2000. Rapid kimberlite ascent and significance of Ar-Ar ages in xenolith phlogopites. Science 289:609-611.
3. Bell, D. et al. 2003. Hydroxide in olivine: A quantitative determination of the absolute amount and calibration of the IR spectrum. Journal of Geophysical Research 108 doi: 10.1029/2001JB000679.
4. Hirth, G., and D. L. Kohlsedt. 1996. Water in the oceanic upper mantle: implications for rheology, melt extraction and the evolution of the lithosphere. Earth and Planetary Science Letters 144:93-108. Regenauer-Lieb, K., et al. 2001. The initiation of subduction: Criticality by addition of water? Science 294:578-580.
5. Ingrin, J., and H. Skogby. 2000. Hydrogen in nominally anhydrous upper-mantle minerals: Concentration levels and implications. European Journal of Mineralogy 12:543-570.
6. Demouchy, S. et al. 2006. Rapid magma ascent recorded by water diffusion profiles in mantle olivine. Geology 34:429-432.
7. Skewes, M. A., and C. R. Stern. 1979. Petrology and geochemistry of alkali basalts and ultramafic inclusions from the Pali-Aike Volcanic Field in southern Chile and the origin of the Patagonian Plateau lavas. Journal of Volcanology and Geothermal Research 6:3-25.
8. Stern, C. R. et al. 1999. Evidence from mantle xenoliths for relatively thin (<100 km) continental lithosphere below the Phanerozoic crust of southernmost South America. Lithos 48:217-235.
9. D'Orazio, M. et al. 2000. The Pali-Aike Volcanic Field, Patagonia: Slab-window magmatism near the tip of South America. Tectonophysics 321:407-427.
10. Demouchy et al., ref. 6.
11. Kohlstedt, D. L., and S. J. Mackwell. 1999. Solubility and diffusion of 'water' in silicate minerals. In Microscopic properties and processes in minerals, ed. K. Wright and R. Catlow, 539-559. Dortrecht, The Netherlands: Kluwer Academic Publishers.
12. Jerram, D. A., and M. Widdowson. 2005. The anatomy of continental flood basalt provinces: Geological constraints on the processes and products of flood volcanism. Lithos 79:385-405.
13. Austin, S. A., J. R. Baumgardner, D. R. Humphreys, A. A. Snelling, L. Vardiman, and K. P. Wise. 1994. Catastrophic plate tectonics, In Proceedings of the Third International Conference on Creationism, ed. R. E. Walsh, 609-621. Pittsburgh, PA: Creation Science Fellowship.


 

출처 : ICR, Impact No. 410, 2007
URL : http://icr.org/article/3394/
번역자 : 창조과학회 대구지부

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1. 격변적 판구조론과 노아의 홍수 (A Catastrophic Breakup : A Scientific Look Catastrophic Plate Tectonics)
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