열점

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▲ 열점의 대략적인 발달을 보여주는 모식도. (1)열점의 상승과 (2)뜨거운 플룸의 최상부(Hot plume head)에 의해 만들어지는 대규모 화산암 지대(Large Igneous Province, LIP), 그리고 (3) 이후 만들어지는 일렬로 늘어선 화산섬.

1 개요

판 내부 화산활동(Intra-plate volcanism) 중 열주한 화산체와 대규모 용암류를 설명하는 지질학적 모델이다.

열점이란, 하부맨틀에서 기원한 고온의 맨틀 상승류에 의해 마그마 활동이 지속적으로 발생하는 지점을 말한다. 마그마 생성 메커니즘이 판구조 운동의 직접적 결과가 아니기 때문에 지표에서 관찰할 때 마그마 활동 위치가 고정되어 있다. 하와이, 레위니옹, 아이슬란드, 옐로스톤 국립공원 등이 대표적이다.

흔히 고등학교 레벨의 지구과학에서 대부분의 화산이나 지진이 판의 경계 부근에서 발생한다고 배우는데, 경계와 멀리 떨어진 내부(이를테면 태평양 판 한가운데에 있는 하와이)에서 발생하는 화산을 설명할 수 있는 모델이다.

2 역사

1963년 투조 윌슨(T. Wilson)은 하와이 제도를 비롯한 태평양의 여러 열도의 평행한 배치가 우연이 아니라고 주장했다. 당시는 판구조론이 이제 막 진지하게 논의되면서 지구가 역동적이라는 것이 차츰 받아들여지던 시기였다. 따라서 투조 윌슨은 이러한 지구의 움직임과 태평양의 여러 열도가 잘 맞아떨어진다고 주장했다.

한편, 1960년대에는 하와이의 마그마와 해령에서 분출하는 마그마는 동일한 쏠레아이틱(tholeiitic) 마그마임에도 불구하고 다른 기원의 마그마일 것이라는 생각이 있어왔다. 특히 해양 섬 현무암(Ocean Island Basalt)은 더 깊은 곳에서 기원했을 것이라는 예측이 있었다. 이에 따라 W.J.모건은 고지자기, 지구동력학, 구조지질학, 지구화학적 선행연구를 종합하여 1971년에 맨틀 하부에서 기원한 '플룸(plume)'이 열점의 기원일 것이라는 모델을 제시했다.

이후 여러 지구화학/지구물리 탐사를 통해 하와이는 물론이고 여러 '열점'과 그 일대의 연구가 누적되어 왔다. 아직 지구물리학에서 다루는 지진파 자료의 정밀함과 변수 통제가 확실하지 않아서, 맨틀 플룸의 정확한 메커니즘이나 구조는 확실하게 정립되지 않고 있다. 다만 지표 근처에서 마그마가 만들어지는 섭입대와 해령과는 상이한 조성이 나타나는 것이 사실이며, 현재까지 누적된 지진파 토모그래피 자료도 대체로 플룸 모델을 지지하고 있다.

3 발달 과정

지금까지 학계에서 보통 받아들여지는 모델에 따르면, 맨틀 플룸이 상승하게 되면, 상부의 높은 점성 때문에 플룸의 최상부는 고온의 상승류가 집적되면서 마치 버섯구름 같은 구조를 만든다. 중요한 건 최상부에 특히 고온의 물질이 많이 분포한다는 것인데, 이것이 가장 먼저 암석권에 도달하게 된다. 이 때 고온의 물질이 아래에 놓인 암석권은 부풀어올라 플룸이 닿은 곳을 중심으로 부푼 지형과 방사상의 단층과 관입이 일어나게 된다. 또한 높은 온도에 감압 효과가 가세하면서 다량의 용융이 발생하게 된다. 이렇게 용융량이 많아지게 되면서 엄청난 양의 쏠레아이트질 용암을 쏟아붓게 되는데, 이는 대규모 화성암 지대(Large Igneous Province)를 이루게 된다.

대규모 화성암 지대는 그 이름에 걸맞게 분출한 용암의 양이 상상을 초월한다. 데칸 고원, 시베리아 트랩, 온통-자바 트랩, 콜롬비아강 현무암대지 등이 유명한데, 그들의 면적은 어지간한 유럽의 나라 쯤은 덮어버릴 수 있을 정도로 넓고 넓다. 얼마나 많은 양이 분출했으면, 그들 중에서도 큰 양이 분출했을 때 대규모 멸종 사건의 책임을 물을 수 있을 정도이다. 이 다량의 분출은 모든 플룸에 항상 나타나거나 발견되는 것 같지는 않으나, 굵직굵직한 주요 열점의 시작점을 추적해보면 대게 대규모 화성암지대가 발견된다.

이후 맨틀 플룸의 기둥(?) 혹은 꼬리 부분이 지표에 마그마를 만들면서 화산을 쌓아올린다. 상부의 지각판은 지속적으로 움직이고 있기 때문에 화산이 성장하다보면 열점과의 거리가 점점 멀어지게 된다. 그렇게 되면 또 새로운 화산이 성장하게 된다. 이에 따라 화산은 고정된 열점 위치에 따라 재봉틀 움직이듯 화산을 일렬로 배치하게 되는 것이다. 열점의 화산은 처음에 만들어지고 발달할 때는 열점 바로 위에 있기 때문에 마그마의 공급이 풍부하고 안정적이라서, 쏠레아이트질 용암이 주 성분이 된다. 하와이의 경우가 전형적인데, 하와이의 기저를 이루는 대부분의 화산체는 쏠레아이트질 용암으로 되어 있다. 그러나 나중에 마그마의 공급원이 영 안정적이지 않아지면 점점 알칼리 현무암질이나 보다 진화한 규장질 마그마로 변해가게 된다.

4 판구조와의 관계

열점은 맨틀 플룸과 관련이 있을 것이라 생각되기 때문에 열점의 기원은 하부 맨틀일 것이라고 보고 있다. 맨틀 최하부의 구조는 무척 복잡하여 지진파 자료에서도 많은 변화가 관찰되고 있다. 이 최하부의 변화가 열점을 유발할 것이라는 주장이 있다. 주로 맨틀과 핵의 경계의 지구물리적 성질을 연구하는 연구팀에서 제안되는데, 특히 지진파 탐사를 통해 알려진 D층이 중요한 역할을 수행할 것이라고 여겨지고 있다.

특히 D층의 지형이 볼록하게 올라와 있는 지역이 두 군데 알려져 있는데, 하나는 대서양 및 아프리카 판 하부이며, 하나는 태평양판 하부이다. 특히 대서양과 아프리카 판 하부에 위치한 볼록한 구조는 그 지역 일대에 퍼져있는 십수개의 열점 분포와 상당한 일치를 보이고 있다. 이 열점들 지표에 도달하기 시작한 시점은 대략 2억 년 전 혹은 그 이후로, 판게아를 찢어놓는 데 핵심적인 기여를 했을 것이라 여겨진다. 특히 대서양 연안 혹은 그 일대에 분포하는 방사형의 암맥다발은 판게아 분리에 기여했다는 것을 암시하는 좋은 근거가 된다.

플룸과 이에 따른 열점은 지표를 들어올리고 마그마를 관입시켜 지각과 상부맨틀의 장력에 대한 저항을 낮추게 된다. 이에 따라 초대륙을 찢어놓을 수 있게 되는 것이다. 태평양판의 해령과는 달리, 오늘날 대서양 중앙 해령 혹은 그 근처에는 많은 열점이 분포한다. 많은 경우, 이 열점의 흔적은 주변 대륙까지 연결되어 있다.

플룸은 꼭 해양지각 위에 발달하라는 법이 없으므로 오늘날 열점 중에서도 대륙지각에 발달한 경우도 발견된다. 가장 대표적인 것이 바로 옐로스톤 화산이다. 옐로스톤 열점은, 미국서부에 위치한 거대한 콜롬비아 강 현무암대지를 시작으로 동쪽에 옛날 화산지형을 남겨놓았고, 현재는 그 끄트머리에 위치해 있다. 열점이 대륙지각 하부에 생기게 되면 마그마가 형성되지만 두꺼운 대륙지각을 통과해야하기 때문에 해양지각에 발달하는 열점과 달리 현무암 뿐만 아니라 고도로 발달된 규장질 화산암류도 많이 만들어낸다. 옐로스톤 열점은 미국 서부에 엄청난 양의 규장질 화산암류를 퇴적시켜놓았으며 이에 따른 다양한 지형과 암상이 발견된다.

5 대표적인 열점들

• 하와이 - 가장 유명한 열점. 하와이 제도는 물론이고 뒤쪽의 엠페러 해산군까지 모두 하와이 열점에서 생긴 것이다. 태평양판의 이동 방향을 알 수 있게 해준 열점이기도 하다.
• 이스터 섬 - 현재 바다 위에 나와있는 부분은 이스터 섬만이지만 해저로 지형이 존재한다.
• 세인트헬레나 - 나폴레옹이 유배되었던 그 섬 맞다. 지구 상에서 가장 오래된 열점으로 생각된다. 1억 4천 5백만년 전(쥐라기)부터 현무암질 용암을 뿜어왔다고.
• 갈라파고스 제도
• 옐로스톤 국립공원
• 아이슬란드

6 기타

열점은 지구에서 발견되는 여러 종류의 화산 활동 중에서도 그 잠재적 파괴력이 으뜸이다. 해령에서 분출하는 양은 판구조 운동의 속도에 달려있는데, 판구조 운동의 속도는 지구 내부 열에 의해 제한된다. 따라서 해령에서 분출될 수 있는 마그마의 양에는 한계가 있기 마련이다. 마찬가지로 섭입대의 마그마 활동도 강력할 수 있지만, 마그마 공급량이 섭입하는 판의 속도와 상부판의 온도 등 여러 제한에 걸리기 때문에 그 규모에 한계가 있다. 그러나 열점 혹은 맨틀 플룸은 맨틀하부의 엄청난 열을 비교적 짧은 시간에 상부로 옮겨놓으며, 그에 따른 분출량은 플룸의 크기에 따라 달려있다. 굵직굵직한 맨틀 플룸의 초기 규모는 어마어마하다. 인류가 경험해보지 못한 화산 활동은 대규모 화성암 지대를 만든 분출과 옐로스톤과 같이 극도로 거대한 규모의 화산 두 가지가 있다. 그런데 두 경우 모두 열점에 의한 것이다.