지구과학 고3 지구 탄생과 생동하는 지구

맨틀

지각 아래 약 2900 km까지 이어지는 규산염 암석 층으로, 상부 맨틀(암류권 포함)과 하부 맨틀로 구분된다.

모호면부터 깊이 약 2900 km까지 이어지는 규산염 암석층으로, 지구 부피의 대부분을 차지하며 고체이지만 아주 느리게 흐를 수 있습니다.

차가운 엿을 망치로 치면 유리처럼 깨지지만, 그대로 며칠 놔두면 스스로 흘러내려 퍼집니다. 맨틀도 지진파가 지나가는 몇 초 동안에는 완벽한 고체이고, 수백만 년의 시간에서는 흐르는 물질입니다.

쉽게 말하면

지구 내부 구조에서 맨틀은 모호면 아래부터 구텐베르크면(깊이 약 2900 km)까지입니다. 두께만으로도 지구 반지름의 절반에 가까워, 지구 부피의 80% 이상을 맨틀이 차지합니다. 조성은 감람석과 휘석이 주인 감람암질 암석으로, 지각보다 철과 마그네슘이 많고 밀도도 큽니다(약 $3.3 g/c m^{3}$ ).

맨틀이 고체라는 증거는 단순합니다. 고체만 통과하는 S파(횡파)가 맨틀을 그대로 지나 반대편에 도착합니다. 그런데도 맨틀은 대류합니다. 온도가 높고 압력이 큰 상태에서 오랜 시간 힘을 받으면, 고체 결정도 조금씩 어긋나 쌓이며 결국 흐르는 것처럼 변형되기 때문입니다. 이 느린 흐름이 맨틀 대류이고, 판을 움직이는 원동력입니다.

맨틀은 균일하지 않습니다. 깊이 약 660 km를 경계로 상부 맨틀과 하부 맨틀로 나누는데, 이 깊이에서 광물의 결정 구조가 더 촘촘하게 바뀌며 지진파 속도가 달라집니다. 상부 맨틀 중에서도 깊이 약 100~400 km 구간은 온도가 녹는점에 가까워 부분적으로 녹아 있고 특히 잘 변형되는데, 이 부드러운 층이 연약권입니다. 그 위의 차갑고 단단한 부분 — 지각과 상부 맨틀의 가장 윗부분을 합친 약 100 km — 이 바로 판(암석권)입니다. 즉 맨틀의 일부는 판에 속해 함께 움직이고, 나머지는 그 아래에서 흐릅니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

맨틀 암석을 직접 볼 수 있는 곳

맨틀까지 뚫은 사람은 없지만, 화산이 대신 가져다줍니다. 마그마가 빠르게 올라올 때 통과한 맨틀 암석 덩어리를 그대로 싣고 올라오는 경우가 있어, 현무암 속에서 초록빛 감람암 덩어리가 발견됩니다. 맨틀 조성을 감람암질이라고 말할 수 있는 직접 증거입니다.
예시 2

S파가 맨틀을 통과한다는 사실

전 세계 관측소의 기록을 보면 진앙에서 각거리 $10 3^{\circ}$ 안쪽에서는 S파가 정상적으로 도착합니다. 이 구간의 S파는 맨틀만 지나온 파동입니다. 액체를 통과하지 못하는 S파가 도착했다는 것은, 그 경로 전체가 고체였다는 뜻입니다.
예시 3

연약권 위를 미끄러지는 판

판이 움직일 수 있는 것은 그 아래에 잘 변형되는 연약권이 있기 때문입니다. 만약 지구 전체가 똑같이 단단했다면 판은 어디로도 갈 수 없었을 것이고, 지진도 화산도 산맥도 지금과 전혀 달랐을 것입니다.

자주 하는 오해

맨틀이 녹아 있는 마그마 바다라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움지각 아래는 뜨겁게 녹은 마그마가 가득 차 있고, 그 위에 지각이 둥둥 떠 있다

실제로는맨틀은 거의 전부 고체입니다. 마그마는 맨틀 전체가 아니라, 특별한 조건이 갖춰진 좁은 곳에서만 일시적으로 만들어집니다.

S파가 맨틀을 통과한다는 관측이 이를 못박습니다. 만약 맨틀이 액체라면 S파는 지구 어디에도 도착하지 못했을 것입니다. '뜨겁다'와 '녹았다'는 다른 말입니다 — 압력이 크면 아주 뜨거워도 녹지 않습니다.

화산의 마그마가 원래 아래에 고여 있던 것을 퍼 올린 것이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움맨틀에 있던 마그마가 약한 틈을 찾아 올라오는 것이 화산이다

실제로는고체 맨틀이 '그 자리에서' 부분적으로 녹아 마그마가 새로 만들어집니다. 압력이 낮아지거나(해령·열점), 물이 공급되거나(섭입대) 해야 녹습니다.

그래서 마그마는 아무 데서나 생기지 않고 판 경계와 열점에만 몰려 있습니다. '어디에 고여 있는가'가 아니라 '어디서 녹는 조건이 만들어지는가'가 화산 분포를 정합니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

지구 내부 구조고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

모호면고3 지각 평형설(아이소스타시)고3

같은 단원의 개념 — 지구 탄생과 생동하는 지구

자주 묻는 질문

Q1고체가 어떻게 대류하나요?

짧은 시간(초 단위)에는 단단한 고체지만, 수백만 년 단위로 계속 힘을 받으면 결정 내부의 원자들이 조금씩 자리를 옮겨 전체적으로 흐르는 것처럼 변형됩니다. 속도는 1년에 몇 cm 정도라, 사람의 시간 감각으로는 완전히 멈춰 있는 것처럼 보입니다.

Q2맨틀은 얼마나 뜨거운가요?

위쪽은 1000°C 안팎에서 시작해 깊이 들어갈수록 계속 올라가, 핵과 맞닿는 곳에서는 수천 도에 이릅니다. 그런데도 고체인 이유는 그 깊이의 어마어마한 압력이 녹는점을 함께 끌어올리기 때문입니다.

Q3상부 맨틀과 하부 맨틀은 무엇이 다른가요?

화학 조성은 크게 다르지 않지만, 깊이 약 660 km에서 광물의 결정 구조가 더 조밀한 형태로 바뀌면서 밀도와 지진파 속도가 뛰어오릅니다. 이 경계가 대류의 흐름을 얼마나 막는지가 플룸 구조론의 중요한 논점입니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 지구과학 · 지구 탄생과 생동하는 지구 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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지각이 이 무거운 맨틀 위에 어떻게 떠 있는지 궁금하다면 지각 평형설(아이소스타시)로, 맨틀이 판을 어떻게 움직이는지 보고 싶다면 맨틀 대류로 가세요.

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