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백두산은 과연 어떻게 생겨났나?... BMW vs 판구조론 격돌

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2017년 09월 27일 19:10 프린트하기

 

애국가의 첫 소절부터 등장하는 백두산. 폭발 위험을 내재하고 있는 활화산이다. 10세기 경 화산 폭발지수가 7에 달하는 큰 폭발이 발생했고, 1903년 마지막 폭발이 있었다. 이후 그 모습 그대로 한반도의 지붕을 떠받치고 있는 백두산의 생성 과정에 대한 연구가 활발하게 진행돼 왔지만, 아직 명확한 결론이 나지 못한 상태다.

 

지난 27일 서울 종로구 센터마크호텔에서 열린 ‘제1회 백두산 화산 국제학술회의’에서도 이에 대한 열띤 토론이 이어졌다.

 

  

일본 토호쿠대 다펑자오 교수가 제1회 백두산 화산 국제학술회의 에서 자신의 백두산생성 가설인 BMW모델을 설명하고 있다. - 김진호 제공
일본 토호쿠대 다펑자오 교수가 제1회 백두산 화산 국제학술회의 에서 자신의 백두산생성 가설인 BMW모델을 설명하고 있다. - 김진호 제공 

현재 백두산의 생성 과정을 설명하는 가설로 일본 토호쿠대 지구물리학과 다펑 자오(Dapeng Zhao) 교수의 '빅 맨틀 쐐기(Big mantle wedge, 이하 BMW) 모델'이 학계에서 가장 유력하게 받아들여지고 있다. 그런데 이번 학술회의에서 BMW 모델의 허점이 제기된 데 이어, 인도와 유라시아판의 충돌에 의한 백두산 생성 가설도 새롭게 등장하면서 토론이 거세지고 있다.

 

● 맨틀의 상승으로 백두산 생성, BMW모델

 

백두산은 세계적으로 학자들의 관심이 높은 화산이다. 화산은 크게 판이 모이는 수렴경계나 판이 멀어지는 발산경계 또는 열점 등 세곳에서 생성되는데 백두산은 어디에도 속하지 않는 육상화산이기 때문이다.

 

일본 도호쿠대 자오 교수팀은 2004년 해양판이 섭입되는 과정에서 맨틀이 상승해 백두산이 생성됐다는 BMW 모델을 학술지 ‘지구와 행성 물리학’에 발표한 바 있다. 

 

연구팀은 물렁물렁한 맨틀에서 지진파가 느려지는 성질을 이용한 지진파토모그래피로 지구 내부 구조를 분석했다. 그 결과 상부맨틀 중 연약권 맨틀이 위치한 깊이 500~600㎞까지 태평양판이 뻗어있는 것을 확인, BMW 모델 가설을 세웠다.

 

※ 지구 내부 구성 : 지구 내부는 지각(깊이 약 5~35km), 맨틀, 핵으로 구성된다. 맨틀은 다시 상부맨틀과 하부맨틀로 나뉘며 총 두께는 2900km에 달한다. 지각 밑으로 딱딱한 암권맨틀층이 깊이 100km까지 있고 물렁물렁한 연약권 맨틀층은 약 400~700km까지 존재한다, 이 둘을 합쳐 상부맨틀이라 한다. 그보다 더 깊은 구간부터 핵의 경계까지가 하부맨틀이다.

 

 

BMW모델에 따른 백두산 생성과정 - (주)동아사이언스 제공
BMW모델에 따른 백두산 생성과정 - (주)동아사이언스 제공

BMW 모델에 따르면, 먼저 해양지각인 태평양판이 일본 동쪽에 위치한 해구 밑으로 파고드는 과정에서 탈수 작용으로 물이 생긴다. 이 물로 인해 맨틀 밀도가 떨어져 위로 상승할 때 물이 뜨거워져 한곳에 모이면서 마그마 방(房)을 형성하며, 이후 에너지가 축적되다 폭발해 백두산이 생성됐다는 설명이다. 이는 현재 동북아 지역의 화산 생성 과정을 설명하는 가장 주된 가설로 자리 잡았다.

 

자오 교수는 “백두산은 기존 판구조론으로 설명할 수 없는 새로운 타입의 화산”이라며 “BMW 모델로 울릉도와 한라산 등과 같은 동북아시아 지역의 화산 생성을 설명할 수 있다"고 말했다.

 

● 맨틀의 동쪽으로 이동해서 백두산 생성?

 

하지만 일부 국내 화산 연구자는 BMW 모델로는 백두산을 포함한 한국의 화산을 설명할 수 없다는 입장이다.

 

오창환 전북대 지구환경과학과 교수는 “한라산 같은 경우 내부 판의 구조, 조성 등이 백두산과는 확연히 다른 것에서 알 수 있듯, BMW 모델을 동북아시아의 화산에 일반적으로 적용할 수는 없다”면서 “맨틀이 아래에서 올라와서 생긴 것이 아니라 동쪽으로 이동하면서 백두산이 생성된 것”이라고 설명했다.

 

오 교수의 백두산 생성 가설은 자오 교수가 부인한 판구조론에 근거한다. 그의 가설은 이렇다. 약 7000만 년 전 유라시아판과 인도판이 충돌해 그 힘으로 유라시아판과 그 아래 위치한 맨틀이 동쪽으로 밀려나기 시작했다. 이때 판이 이동하면서 여러 균열(단층)이 생기고, 약 1500만 년 전 동해가 지금의 모습을 갖출 때까지 계속 에너지가 축적됐다는 것이다.

 

오 교수는 “처음 인도와 유라시아판의 충돌로 생긴 에너지가 1500만 년 전 소진되기 시작하고 부분적으로 쪼개져 남아있는 에너지가 축적돼 여러지역에서 마그마 방을 형성한다” 며 “그 에너지가 임계점에 넘어서면서 약 600만 년전부터 동북아 여러지역의 화산이 폭발하게 됐다”고 말했다.

 

그는 이어 “BMW 모델 대로라면 1500만 년전부터 600만 년사이에도 계속 폭발이 발생했어야 하는데 지금까지 관측 결과 이 시기에는 화산 활동이 없었다”면서 “이런 부분을 설명하기위해 새로운 가설이 필요한 것”이라고 덧붙였다.  

 

한편 화학적 분석에서도 BMW 모델로 설명할 수 없는 부분이 있다는 의견도 나왔다. 백두산과 같이 섭입대에서 만들어진 화산암은 나이오븀(Nb)나 탄탈륨(Ta) 같은 미량원소 성분이 결핍돼 있는 것이 특징인데, 백두산에는 이 성분들이 모두 포함돼 있다는 것이다.

 

윤성효 부산대 지구물리학과 교수는 “자오 교수가 밝힌 해양지각판의 섭입 위치처럼 지구물리학적 증거는 그의 가설을 잘 뒷받침하지만 지구화학적 데이터는 일치하지 않는다”면서 “널리 받아들여지고 있는 가설이지만 이를 수정하거나 다시 재논의하는 절차가 필요할 것”이라고 말했다.

 

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