용암과 변성된 맨틀의 빠른 동화 메커니즘

초록

본 연구는 해양중간령 및 섬형 화산암(MORB·OIB)과 상호작용하는 수화된 리소스페릭 페리도타이트(세르펜타인)와 저온 마그마 사이의 반응을 실험적으로 규명한다. 실험 결과는 세르펜타인이 Cr‑풍부 스피넬 함유 하르즈버라이트로 변환되고, 이어서 부분 용융·용해가 진행되어 수분 함유 인터스티셜 마그마가 형성된 뒤, 최종적으로 고MgO·고Cr·Ni 함량의 혼합 마그마가 생성됨을 보여준다. 동화 속도는 주로 수분 마그마 내 실리카 확산에 의해 제어된다.

상세 분석

이 논문은 해양지각에서 흔히 관찰되는 고MgO·고Cr·Ni 함량을 가진 마그마와, 상부 맨틀에 존재하는 수화된 페리도타이트(세르펜타인) 사이의 화학적 교환 과정을 정량적으로 파악하고자 한다. 실험은 1 GPa, 1300 °C 수준의 중간 지구 환경을 모사했으며, 세르펜타인 시료와 토양성 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유 토륨(Th)·라듐(Ra) 함량이 낮은 토양성 토륨 함유…

핵심은 세 단계 반응 메커니즘이다. 첫 단계에서 세르펜타인의 물리적·화학적 구조가 Cr‑풍부 스피넬(크로마이트)과 하르즈버라이트(오리피네) 조합으로 재결정되며, 이 과정에서 물이 포어(fluid) 형태로 방출된다. 두 번째 단계에서는 재결정된 하르즈버라이트가 부분 용융을 겪어, Si‑O 네트워크가 붕괴되고 수분이 풍부한 인터스티셜 마그마가 형성된다. 이 마그마는 높은 MgO와 Cr, Ni를 함유한 용융상으로 전이한다. 마지막 단계에서는 이러한 고MgO·고Cr·Ni 마그마가 남아 있는 세르펜타인/하르즈버라이트와 혼합·동화되면서, 최종적으로 크로마이트·다이아라이트가 석출되는 동시에, 기존 MORB 조성에 비해 MgO와 전이 금속 함량이 상승한 하이브리드 마그마가 생성된다.

실험 결과는 동화 속도가 전적으로 수분 마그마 내 실리카 확산 계수(D_Si)에 의존함을 보여준다. 실리카가 빠르게 확산될수록 반응계면이 넓어지고, Cr‑스피넬이 빠르게 성장한다. 따라서 고온·고압 환경에서 melt/rock 비율이 1 ~ 5 정도일 때, 실리카 확산이 제한 요인이 되며, 이는 실제 해양지각에서 관찰되는 고MgO·고Cr·Ni 화산암 및 크로마이트 광상의 형성 메커니즘과 일치한다.

이 연구는 기존 MORB는 ‘depleted mantle’만을 녹여 만든다고 보는 전통적 관점을 수정한다. 실제로는 상부 맨틀의 수화된 페리도타이트와의 동화가 진행되어, 방사성 Sr 비율이 높은, Cl‑풍부한, 그리고 전이 금속이 농축된 용암을 생성한다는 점을 실험적으로 입증하였다.