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초저속도대

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초저속도대(Ultra-low velocity zone, ULVZ)는 핵-맨틀 경계에 있는 극히 낮은 지진 속도를 가진 지점이다. 이 지대는 직경 수백 킬로미터, 두께 수십 킬로미터로 지도에 표시되어 있다. 이 지대들의 전단파 속도는 주변 물질보다 최대 30% 낮을 수 있다. 이 지대들의 구성과 기원은 불확실하다. 이 지대는 아프리카 및 태평양 대규모 전단 저속구역(LLSVPs)의 가장자리[1] 및 열점의 위치와 상관관계가 있는 것으로 보인다.[2][3]

발견 및 제약 조건

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ULVZ는 실체파(body waves)가 핵-맨틀 경계에서 반사, 회절 또는 굴절될 때 발생하는 지연 및 산란을 통해 발견된다. 서로 다른 실체파 유형은 ULVZ의 크기 또는 속도 대비에 대해 다른 제약 조건을 제공한다. ULVZ가 여러 곳에서 발견되었음에도 불구하고, 그 범위와 밀도 및 속도를 파악하는 것은 여전히 어렵다. 일반적으로 다양한 매개변수 사이의 상충 관계가 존재한다. 그러나 일반적으로 ULVZ는 수백에서 수천 킬로미터에 걸쳐 있으며 수십 킬로미터 두께를 가지는 것으로 보이지만, 기존의 더 얇거나 작은 ULVZ는 지진학의 해상도 아래로 떨어질 수 있다. 전단파 속도 감소는 -10%에서 -30% 정도이며, 압축파 속도 감소는 더 약한 경향이 있다.[3][4][5]

구성 및 기원

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ULVZ는 철이 풍부하거나 부분적으로 용융되었거나[6] 또는 둘 다의 조합이거나, 탄소의 존재로 인해 발생한다고 가설이 세워져 있다. 철 농축에 대해 다양한 시나리오가 제안되었다. 철이 핵에서 누출되었거나,[7] 과거 섭입을 통해 축적되었거나,[8] 또는 기저 마그마 해의 잔여물일 수 있다.[9] 규산염 페로브스카이트[10]와 페리클레이스[11] (최하부 맨틀에 존재한다고 생각되는)는 이러한 압력과 온도에서 철이 증가함에 따라 속도가 감소하는 것을 보여준다.

철과 물을 동일한 조건에서 실험하면 철 과산화물 FeO2Hx가 형성되어 ULVZ에 기여할 것이다.[12]

분포 및 동역학

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ULVZ는 핵-맨틀 경계에서 안정적으로 유지되기 위해 주변보다 밀도가 높다. 일반적인 맨틀 대류 환경에서 밀도 대비와 사용 가능한 물질의 양은 ULVZ의 형태/모양을 제어한다.[13] 지금까지 다양한 크기의 ULVZ가 발견되었다.[14] ULVZ의 위치와 모양은 열화학적 더미(또는 대규모 전단저속구역(LLSVPs))의 존재에 영향을 받을 수도 있다. 밀도가 더 높은 ULVZ 물질은 이러한 더미의 가장자리에 쌓인다.[1]

하와이 ULVZ

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하와이 ULVZ는 현재까지 매핑된 가장 큰 ULVZ로 보인다.[4] 이 ULVZ는 하와이 열점의 서쪽에 위치한 태평양 대규모 전단저속구역의 북쪽 경계에 있는 핵-맨틀 경계에 자리 잡고 있다. 이 ULVZ는 대략 너비 1000km, 높이 20km로 매핑되었다. 큰 종횡비는 동적으로 매우 밀도가 높다는 것을 시사한다.[13] 이 ULVZ의 전단파 속도 감소는 주변 물질에 비해 약 20%이다. 이 큰 ULVZ와 표면에서 가장 강력한 열점 흐름의 존재 사이의 상관관계는 여전히 추측에 불과하며, ULVZ가 전체 맨틀 플룸의 고정점 역할을 할 수도 있다.

초저속도대(빨간색 구조)와 태평양의 낮은 전단 속도 구역(빨간색 투명) 및 지구의 핵(파란색)을 나타내는 그림

사모아 ULVZ

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사모아 ULVZ는 사모아 열점 바로 아래에 위치한 또 다른 초거대 초저속도대이다.[5][15] 이 구역은 대략 800 x 250km(대략 플로리다 크기)이며 높이는 10~15km이다. 이 물질은 전단파 속도가 45% 느리고, 압축파 속도가 15% 느리며, 밀도가 10% 더 높게 나타난다. 또한 ULVZ는 태평양 LLSVP의 틈새에 위치하는 것으로 보인다[16](여기 그림에는 나타나 있지 않음). 이는 느린 물질이 주변의 큰 더미 때문에 중심으로 밀려 들어간다는 가설로 이어진다.

각주

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  1. ↑ 가 나 McNamara, Allen K.; Garnero, Edward J.; Rost, Sebastian (2010). 《Tracking deep mantle reservoirs with ultra-low velocity zones》. 《Earth and Planetary Science Letters》 299. 1–9쪽. Bibcode:2010E&PSL.299....1M. doi:10.1016/j.epsl.2010.07.042. 
  2. ↑ Czechowski L.(1993). The Origin of Hotspots and The D” Layer. In: Montag H., Reigber C. (eds) Geodesy and Physics of the Earth. International Association of Geodesy Symposia, vol 112.
  3. ↑ 가 나 Williams, Q. (1998). 《A Correlation Between Ultra-Low Basal Velocities in the Mantle and Hot Spots》. 《사이언스》 281. 546–549쪽. Bibcode:1998Sci...281..546W. doi:10.1126/science.281.5376.546. 
  4. ↑ 가 나 Cottaar, Sanne; Romanowicz, Barbara (2012). 《An unusually large ULVZ at the base of the mantle near Hawaii》. 《Earth and Planetary Science Letters》. 355–356. 213–222쪽. Bibcode:2012E&PSL.355..213C. doi:10.1016/j.epsl.2012.09.005. 
  5. ↑ 가 나 Thorne, Michael S.; Garnero, Edward J.; Jahnke, Gunnar; Igel, Heiner; McNamara, Allen K. (2013). 《Mega ultra low velocity zone and mantle flow》. 《Earth and Planetary Science Letters》 364. 59–67쪽. Bibcode:2013E&PSL.364...59T. doi:10.1016/j.epsl.2012.12.034. 
  6. ↑ Williams, Q.; Garnero, E. J. (1996). 《Seismic Evidence for Partial Melt at the Base of Earth's Mantle》. 《사이언스》 273. 1528–1530쪽. Bibcode:1996Sci...273.1528W. doi:10.1126/science.273.5281.1528. 
  7. ↑ Otsuka, K.; Karato, S. (2012). 《Deep penetration of molten iron into the mantle caused by a morphological instability》. 《네이처》 492. 243–246쪽. Bibcode:2012Natur.492..243O. doi:10.1038/nature11663. PMID 23235879. 
  8. ↑ Dobson, D. P.; Brodholt, J. P. (2005). 《Subducted banded iron formations as a source of ultralow-velocity zones at the core–mantle boundary》. 《네이처》 434. 371–374쪽. Bibcode:2005Natur.434..371D. doi:10.1038/nature03430. PMID 15772658. 
  9. ↑ Labrosse, S.; Hernlund, J. W.; Coltice, N. (2007). 《A crystallizing dense magma ocean at the base of the Earth's mantle》. 《네이처》 450. 866–869쪽. Bibcode:2007Natur.450..866L. doi:10.1038/nature06355. PMID 18064010. 
  10. ↑ Mao, W. L.; Mao, H. K.; Sturhahn, W.; Zhao, J.; Prakapenka, V. B.; Meng, Y.; Shu, J.; Fei, Y.; Hemley, R. J. (2006). 《Iron-Rich Post-Perovskite and the Origin of Ultralow-Velocity Zones》. 《사이언스》 312. 564–565쪽. Bibcode:2006Sci...312..564M. doi:10.1126/science.1123442. PMID 16645091. 
  11. ↑ Wicks, J. (2013). 《Sound velocities and equation of state of iron-rich (Mg,Fe)O》 (학위논문). 캘리포니아 공과대학교. doi:10.7907/Z94B2Z98. 
  12. ↑ Liu, Jin; Hu, Qingyang; Young Kim, Duck; Wu, Zhongqing; Wang, Wenzhong; Xiao, Yuming; Chow, Paul; Meng, Yue; Prakapenka, Vitali B.; Mao, Ho-Kwang; Mao, Wendy L. (2017). 《Hydrogen-bearing iron peroxide and the origin of ultralow-velocity zones》. 《네이처》 551. 494–497쪽. Bibcode:2017Natur.551..494L. doi:10.1038/nature24461. PMID 29168804. 
  13. ↑ 가 나 Bower, Dan J.; Wicks, June K.; Gurnis, Michael; Jackson, Jennifer M. (2011). 《A geodynamic and mineral physics model of a solid-state ultralow-velocity zone》. 《Earth and Planetary Science Letters》 303. 193–202쪽. Bibcode:2011E&PSL.303..193B. doi:10.1016/j.epsl.2010.12.035. 
  14. ↑ Torsvik, Trond H.; Smethurst, Mark A.; Burke, Kevin; Steinberger, Bernhard (2006). "Large igneous provinces generated from the margins of the large low-velocity provinces in the deep mantle". Geophysical Journal International. 167 (3): 1447–1460. Bibcode:2006GeoJI.167.1447T. doi:10.1111/j.1365-
  15. ↑ “Is The Earth Cooking Up Another Super Volcano?”. 《npr.org》. National Public Radio. 
  16. ↑ He, Yumei; Wen, Lianxing (2009). 《Structural features and shear-velocity structure of the "Pacific Anomaly"》. 《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》 114. B02309쪽. Bibcode:2009JGRB..114.2309H. doi:10.1029/2008JB005814. 
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