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하부 맨틀

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하부 맨틀이 표시된 지구 내부 구조.

역사적으로 중간권(mesosphere)으로도 알려진 하부 맨틀(Lower mantle)은 지구 전체 부피의 약 56%를 차지하며, 지구 표면 아래 660 km에서 2,890 km까지의 영역으로, 전이대 (지구)와 외핵 사이에 있다.[1] 예비 참조 지구 모델(PREM)은 하부 맨틀을 세 부분으로 나눈다. 각각 최상부(660~770 km), 중하부 맨틀(770~2,700 km), D"층(2,700~2,890 km)이다.[2] 하부 맨틀의 압력과 온도는 24~127 GPa[2] 및 1900~2600 켈빈 범위이다.[3] 하부 맨틀의 구성은 파이롤라이트성로 추정되며,[4] 브리지마나이트, 페로페리클라세, 칼슘-규산염 페로브스카이트의 세 가지 주요 상을 보인다. 하부 맨틀의 고압은 철을 함유한 브리지마나이트와 페로페리클라세의 스핀 전이를 유도하는 것으로 나타났으며,[5] 이는 맨틀 플룸 역학[6][7] 및 하부 맨틀 화학 모두에 영향을 미칠 수 있다.[5] 맨틀은 연간 약 1 cm의 속도로 움직인다.[8]

상부 경계는 깊이 660 km에서 지진파 속도와 밀도의 급격한 증가하는 경계로 정의된다.[9] 660 km 깊이에서 링우다이트(γ-(Mg,Fe)
2SiO
4)는 Mg-Si 페로브스카이트와 마그네시오뷔스타이트로 분해된다.[9] 이 반응은 상부 맨틀과 하부 맨틀의 경계를 나타낸다. 이 측정값은 지진 데이터와 고압 실험실 실험에서 추정된 것이다. 중간권의 바닥에는 핵-맨틀 경계 바로 위에 약 2,700~2,890 km에 위치한 D″층이 포함된다.[9]

물리적 특성

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하부 맨틀은 원래 불런의 구형 대칭 지구 모델에서 D층으로 명명되었다.[10] 지구 내부의 PREM 지진 모델은 지진파 속도 불연속성에 따라 D층을 세 개의 뚜렷한 층으로 분리했다:[2]

  • 660~770 km: 압축파 속도(6~11%)의 불연속성이 급격한 기울기로 이어지며, 이는 링우다이트 광물의 브리지마나이트 및 페로페리클라세로의 변환과 전이대 층에서 하부 맨틀로의 전이를 나타낸다.
  • 770~2,700 km: 하부 맨틀 광물상의 단열 압축을 나타내는 점진적인 속도 증가.
  • 2,700~2,900 km: D층이 하부 맨틀에서 외핵으로의 전이로 간주된다.

하부 맨틀의 온도는 최상층에서 1,960 K (1,690 °C; 3,070 °F)부터 깊이 2,700 km에서 2,630 K (2,360 °C; 4,270 °F)까지 범위이다.[3] 하부 맨틀의 온도 모델은 대류를 주요 열 전달 기여로 근사화하며, 전도 및 복사열 전달은 무시할 수 있는 것으로 간주된다. 결과적으로, 깊이에 따른 하부 맨틀의 온도 기울기는 거의 단열에 가까운 모양을 보인다.[1] 지온 변화도 계산에 따르면 최상부 하부 맨틀에서 0.47 켈빈 매 킬로미터 (0.47 °C/km)에서 2600km에서 0.24 켈빈 매 킬로미터 (0.24 °C/km)로 감소하는 것이 관찰되었다.[3]

구성

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하부 맨틀은 주로 브리지마나이트, 페로페리클라세, 칼슘-규산염 페로브스카이트(CaSiO3-페로브스카이트)의 세 가지 구성 요소로 이루어져 있다. 각 구성 요소의 비율은 역사적으로 논쟁의 대상이었으며, 전체 조성은 다음과 같이 제안되었다.

  • 파이롤라이트성: 상부 맨틀 감람암의 암석학적 조성 경향에서 유래한 것으로, 상부 및 하부 맨틀 간의 균질성을 제안하며 Mg/Si 비율은 1.27이다. 이 모델은 하부 맨틀이 부피 기준으로 브리지마나이트 75%, 페로페리클라세 17%, CaSiO3-페로브스카이트 8%로 구성되어 있음을 의미한다.[4]
  • 콘드라이트성: 지구의 하부 맨틀이 구립운석의 조성으로부터 형성되었음을 시사하며, Mg/Si 비율은 약 1이다. 이는 브리지마나이트와 CaSiO3-페로브스카이트가 주요 구성 요소임을 의미한다.

파이롤라이트의 실험실 다중 모루 압축 실험으로 단열 지온선 조건을 시뮬레이션하고 엑스선 회절을 이용하여 밀도를 측정했다. 지온선을 따른 밀도 프로파일이 PREM 모델과 일치하는 것으로 나타났다.[11] 다양한 브리지마나이트와 페로페리클라세 비율에 대한 하부 맨틀 지온선을 가로지르는 밀도 및 속도 프로파일의 일차 원리 계산은 8:2 비율에서 PREM 모델과 일치하는 것을 관찰했다. 이 비율은 하부 맨틀의 파이롤라이트성 전체 조성과 일치한다.[12] 더욱이, 미량 원소를 고려한 파이롤라이트성 하부 맨틀 조성의 전단파 속도 계산은 PREM 전단파 속도 프로파일과 1% 이내로 일치했다.[13] 반면에, 관련 압력 및 온도에서의 브릴루앙 분광학 연구는 93% 이상의 브리지마나이트 상으로 구성된 하부 맨틀이 측정된 지진 속도에 해당하는 전단파 속도를 가짐을 밝혀냈다. 제안된 조성은 콘드라이트성 하부 맨틀과 일치한다.[14] 따라서 하부 맨틀의 전체 조성은 현재 논쟁의 대상이다.

스핀 전이대

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하부 맨틀에 있는 두 가지 철 함유 광물(브리지마나이트, 페로페리클라세)의 전자 환경은 고스핀(HS) 상태에서 저스핀(LS) 상태로 전이한다.[5] 페로페리클라세 내 Fe2+는 50~90 GPa 사이에서 전이를 겪는다. 브리지마나이트는 구조 내에 Fe3+와 Fe2+를 모두 포함하며, Fe2+는 A-자리를 차지하고 120 GPa에서 LS 상태로 전이한다. Fe3+는 A-자리와 B-자리를 모두 차지하며, B-자리의 Fe3+는 30~70 GPa에서 HS에서 LS로 전이하는 반면, A-자리의 Fe3+는 B-자리의 Al3+ 양이온과 교환하여 LS가 된다.[15] 철 양이온의 이러한 스핀 전이는 페로페리클라세와 브리지마나이트 간의 분배 계수를 10~14로 증가시켜 브리지마나이트의 Fe2+를 고갈시키고 페로페리클라세를 Fe2+로 풍부하게 만든다.[5] HS에서 LS로의 전이는 철 함유 광물의 물리적 특성에 영향을 미치는 것으로 보고되었다. 예를 들어, 페로페리클라세에서 HS에서 LS 상태로 전환될 때 밀도와 비압축성이 증가하는 것으로 보고되었다.[16] 스핀 전이가 하부 맨틀의 운송 특성 및 유변학에 미치는 영향은 현재 수치 시뮬레이션을 사용하여 조사되고 논의되고 있다.

역사

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중간권(대기의 층인 중간권과 혼동하지 말 것)은 하버드 대학교 지질학 교수인 레지널드 올드워스 데일리가 만든 "중간권 껍질"에서 유래했다. 판 구조론 이전 시대에 데일리(1940)는 지구 외부가 암석권(지각 (지질학) 포함), 연약권, 중간권 껍질의 세 가지 구형 층으로 구성되어 있다고 추정했다.[17] 데일리의 가설적인 암석권-연약권 경계 깊이는 80~100 km 범위였고, 중간권 껍질의 상부(연약권의 바닥)는 200~480 km 범위였다. 따라서 데일리의 연약권은 두께가 120~400 km로 추정되었다. 데일리에 따르면, 고체 지구 중간권의 바닥은 맨틀의 바닥(따라서 핵의 상부)까지 확장될 수 있었다.

"메조플레이트"라는 파생 용어는 맨틀의 열점이 존재하는 가정된 기준 틀에 대해 "중간권"과 "판"을 결합한 휴리스틱을 기반으로 도입되었다.[18]

같이 보기

[편집]

각주

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  1. ↑ 가 나 Kaminsky, Felix V. (2017). 《The Earth's lower mantle: composition and structure》. Cham: Springer. ISBN 9783319556840. OCLC 988167555. 
  2. ↑ 가 나 다 Dziewonski, Adam M.; Anderson, Don L. (1981). 《Preliminary reference Earth model》. 《Physics of the Earth and Planetary Interiors》 25. 297–356쪽. Bibcode:1981PEPI...25..297D. doi:10.1016/0031-9201(81)90046-7. ISSN 0031-9201. 
  3. ↑ 가 나 다 Katsura, Tomoo; Yoneda, Akira; Yamazaki, Daisuke; Yoshino, Takashi; Ito, Eiji (2010). 《Adiabatic temperature profile in the mantle》. 《Physics of the Earth and Planetary Interiors》 183. 212–218쪽. Bibcode:2010PEPI..183..212K. doi:10.1016/j.pepi.2010.07.001. ISSN 0031-9201. 
  4. ↑ 가 나 Ringwood, Alfred E. (1976). 《Composition and petrology of the earth's mantle》. McGraw-Hill. ISBN 0070529329. OCLC 16375050. 
  5. ↑ 가 나 다 라 Badro, J. (2003년 4월 3일). 《Iron Partitioning in Earth's Mantle: Toward a Deep Lower Mantle Discontinuity》. 《Science》 300. 789–791쪽. Bibcode:2003Sci...300..789B. doi:10.1126/science.1081311. ISSN 0036-8075. PMID 12677070. S2CID 12208090. 
  6. ↑ Shahnas, M.H.; Pysklywec, R.N.; Justo, J.F.; Yuen, D.A. (2017년 5월 9일). 《Spin transition-induced anomalies in the lower mantle: implications for mid-mantle partial layering》. 《Geophysical Journal International》 210. 765–773쪽. doi:10.1093/gji/ggx198. ISSN 0956-540X. 
  7. ↑ Bower, Dan J.; Gurnis, Michael; Jackson, Jennifer M.; Sturhahn, Wolfgang (2009년 5월 28일). 《Enhanced convection and fast plumes in the lower mantle induced by the spin transition in ferropericlase》. 《Geophysical Research Letters》 36. Bibcode:2009GeoRL..3610306B. doi:10.1029/2009GL037706. ISSN 0094-8276. 
  8. ↑ Čížková, Hana; van den Berg, Arie P.; Spakman, Wim; Matyska, Ctirad (2012). 《The viscosity of Earth’s lower mantle inferred from sinking speed of subducted lithosphere》. 《Physics of the Earth and Planetary Interiors》. 200-201 (Elsevier BV). 56–62쪽. doi:10.1016/j.pepi.2012.02.010. ISSN 0031-9201. 
  9. ↑ 가 나 다 Condie, Kent C. (2001). 《'Mantle Plumes and Their Record in Earth History》. 케임브리지 대학교 출판부. 3–10쪽. ISBN 0-521-01472-7. 
  10. ↑ Bullen, K.E. (1942). 《The density variation of the earth's central core》. 《Bulletin of the Seismological Society of America》 32. 19–29쪽. Bibcode:1942BuSSA..32...19B. doi:10.1785/BSSA0320010019. 
  11. ↑ Irifune, T.; Shinmei, T.; McCammon, C. A.; Miyajima, N.; Rubie, D. C.; Frost, D. J. (2010년 1월 8일). 《Iron Partitioning and Density Changes of Pyrolite in Earth's Lower Mantle》. 《Science》 327. 193–195쪽. Bibcode:2010Sci...327..193I. doi:10.1126/science.1181443. ISSN 0036-8075. PMID 19965719. S2CID 19243930. 
  12. ↑ Wang, Xianlong; Tsuchiya, Taku; Hase, Atsushi (2015). 《Computational support for a pyrolitic lower mantle containing ferric iron》. 《Nature Geoscience》 8. 556–559쪽. Bibcode:2015NatGe...8..556W. doi:10.1038/ngeo2458. ISSN 1752-0894. 
  13. ↑ Hyung, Eugenia; Huang, Shichun; Petaev, Michail I.; Jacobsen, Stein B. (2016). 《Is the mantle chemically stratified? Insights from sound velocity modeling and isotope evolution of an early magma ocean》. 《Earth and Planetary Science Letters》 440. 158–168쪽. Bibcode:2016E&PSL.440..158H. doi:10.1016/j.epsl.2016.02.001. 
  14. ↑ Murakami, Motohiko; Yasuo; Naohisa; Kei (May 2012). 《A perovskitic lower mantle inferred from high-pressure, high-temperature sound velocity data》. 《Nature》 485. 90–94쪽. Bibcode:2012Natur.485...90M. doi:10.1038/nature11004. ISSN 0028-0836. PMID 22552097. S2CID 4387193. 
  15. ↑ Badro, James (2014년 5월 30일). 《Spin Transitions in Mantle Minerals》. 《Annual Review of Earth and Planetary Sciences》 42. 231–248쪽. Bibcode:2014AREPS..42..231B. doi:10.1146/annurev-earth-042711-105304. ISSN 0084-6597. 
  16. ↑ Lin, Jung-Fu; Speziale, Sergio; Zhu; Hauke (April 2013). 《Effects of the Electronic Spin Transitions of Iron in Lower Mantle Minerals: Implications for Deep Mantle Geophysics and Geochemistry》. 《Reviews of Geophysics》 51. 244–275쪽. Bibcode:2013RvGeo..51..244L. doi:10.1002/rog.20010. S2CID 21661449. 
  17. ↑ Daly, Reginald Aldworth (1940). 《Strength and Structure of the Earth》. 뉴욕: 프렌티스 홀. 
  18. ↑ Kumazawa, M; Fukao, Y (1977). 〈Dual Plate Tectonics Model〉. Manghnani, Murli; Akimoto, Syun-Iti. 《High-Pressure Research: Applications in Geophysics》. Academic Press. 127쪽. doi:10.1016/B978-0-12-468750-9.50014-0. ISBN 978-0-12-468750-9. 
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