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해령

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해령의 단면도

해령(海嶺, MOR)은 판 구조론에 따라 형성된 해저 산맥 체계이다. 일반적으로 수심은 약 2,600 m이며, 해분의 가장 깊은 곳으로부터 약 2,000 m 높이로 솟아 있다. 이 지형은 발산하는 판 경계를 따라 해저 확장이 일어나는 곳이다. 해저 확장 속도는 해령 정상의 형태와 해분 내에서의 폭을 결정한다.

판이 분리됨에 따라 맨틀이 용승하여 새로운 해저와 해양 암석권이 생성된다. 분리되는 판 사이의 선형적인 약한 부분을 따라 마그마가 상승하고, 용암으로 분출되어 냉각되면서 새로운 해양 지각과 암석권을 형성한다.

처음으로 발견된 해령은 대서양 중앙 해령으로, 북대서양과 남대서양 해분을 가로지르는 확장 경계의 중심이다. 이 때문에 '해령(중앙 해령)'이라는 이름이 유래되었다. 대부분의 해양 확장 중심은 그들이 속한 해분의 한가운데에 위치하지는 않지만, 관습적으로 해령이라 불린다.

세계 해령의 분포

전 세계의 해령은 판 구조 경계로 연결되어 있으며, 해저를 가로지르는 해령의 자국은 야구공의 솔기 모양과 비슷하다. 세계의 해령 대부분은 서로 연결되어 모든 대양의 일부를 이루는 전 지구적 해령 체계를 형성하며, 이는 세계에서 가장 긴 산맥이 된다. 이 연속적인 산맥의 길이는 65,000 km에 달하며(대륙에서 가장 긴 산맥인 안데스산맥보다 몇 배 더 길다), 전체 해양 해령 체계의 길이는 80,000 km에 이른다.[1]

설명

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마리 타프와 브루스 히젠의 지도. 하인리히 C. 베란이 그림(1977). 해령 체계와 함께 해저의 지형을 보여준다.
해령 아래의 마그마 방에서 마그마가 상승하여 새로운 해양 암석권을 형성하고 해령으로부터 멀어지는 모습
아이슬란드 싱벨리어 국립공원의 열곡대. 이 섬은 대서양 중앙 해령의 해수면 위 노출 부분이다.

지형

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해령의 확장 중심에서 해저 수심은 약 2,600 m이다.[2][3] 해령의 사면에서 해저 수심(또는 기준면으로부터 해령의 높이)은 그 연령(수심이 측정된 암석권의 연령)과 상관관계가 있다. 수심-연령 관계는 암석권 판의 냉각[4][5] 또는 맨틀 반공간 모델로 설명될 수 있다.[6] 적절한 근사치로 계산하면 해령 확장 지점의 해저 수심이 해저 연령의 제곱근에 비례한다.[6] 해령의 전반적인 모양은 프랫의 지각 평형설로 유도된다. 해령 축 근처에는 뜨겁고 밀도가 낮은 맨틀이 해양 지각을 지탱하고 있다. 해양 판이 냉각되어 해령 축에서 멀어짐에 따라, 해양 맨틀 암석권(지각과 함께 해양 판을 구성하는 차갑고 밀도가 높은 맨틀 부분)이 두꺼워지고 밀도가 증가한다. 따라서 연령이 오래된 해저일수록 더 밀도가 높은 물질이 아래에 있어 수심이 더 깊어진다.[4][5]

확장 속도는 해저 확장에 의해 해분이 넓어지는 속도이다. 이 속도는 해령을 가로지르는 해양 자기 이상을 지도화하여 계산할 수 있다. 해령 축에서 분출된 결정화된 현무암이 적절한 철-티타늄 산화물의 큐리 온도 이하로 냉각되면서 지구 자기장과 평행한 자기장 방향이 해당 산화물에 기록된다. 해양 지각에 보존된 자기장 방향은 시간에 따른 지자기 방향의 기록을 담고 있다. 지구 자기장은 역사적으로 알려진 간격으로 방향이 반전되었기 때문에, 해양 지각의 지자기 역전 패턴을 연령의 지표로 사용할 수 있다. 지각의 연령과 해령 축으로부터의 거리를 알면 확장 속도를 계산할 수 있다.[2][3][7][8]

확장 속도는 대략 10~200 mm/yr 범위이다.[2][3] 대서양 중앙 해령과 같은 저속 확장 해령은 동태평양 해팽과 같은 고속 확장 해령보다 동일한 시간 동안 훨씬 적게 확장되어 더 가파른 단면을 보여준다.[2] 저속 확장 해령(40 mm/yr 미만)은 일반적으로 폭이 10~20 km에 달하는 거대한 열곡을 가지며, 해령 정상부의 지형은 매우 험준하여 고저차가 1,000 m에 이르기도 한다.[2][3][9][10] 반면, 동태평양 해팽과 같은 고속 확장 해령(90 mm/yr 이상)은 열곡이 없다. 북대서양의 확장 속도는 약 25 mm/yr인 반면, 태평양 지역은 80~145 mm/yr이다.[11] 가장 빠른 것으로 알려진 속도는 마이오세 당시 동태평양 해팽의 200 mm/yr 이상이다.[12] 20 mm/yr 미만의 속도로 확장되는 해령은 초저속 확장 해령이라 불린다[3][13] (예: 북극해의 가켈 해령 및 인도양 남서해령).

확장 중심 또는 축은 일반적으로 축과 직각을 이루는 변환 단층과 연결된다. 해령의 사면은 많은 곳에서 파쇄대라고 불리는 비활성 변환 단층의 흔적이 나타난다. 확장 속도가 빠를수록 축은 변환 단층 대신 중첩 확장 중심(overlapping spreading centers)을 보이는 경우가 많다.[2][14] 축의 수심은 변환 단층이나 중첩 확장 중심과 같은 오프셋 사이에서 더 얕아지는 방식으로 체계적으로 변하며, 이는 축을 여러 분절로 나눈다. 축을 따라 수심이 달라지는 이유에 대한 한 가지 가설은 확장 중심으로의 마그마 공급량 차이이다.[2] 초저속 확장 해령은 변환 단층 없이 마그마성 및 비마그마성(현재 화산 활동이 없는) 해령 분절을 모두 형성한다.[13]

화산 활동

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해령은 활발한 화산 작용과 지진 활동을 보인다.[3] 해양 지각은 해저 확장과 판 구조론의 과정에 따라 해령에서 끊임없이 '갱신'되는 상태에 있다. 새로운 마그마가 해저로 꾸준히 올라오며 해령 축을 따른 열곡 근처의 기존 해양 지각에 침투한다. 해저 아래 지각을 구성하는 암석은 해령 축을 따라 가장 젊으며, 축에서 거리가 멀어질수록 연령이 높아진다. 현무암질 조성의 새로운 마그마는 하부 맨틀의 감압 용융으로 축 부근에서 올라온다.[15] 가역 단열 용승하는 고체 맨틀 물질이 고상선 온도를 초과하여 녹게 된다.

결정화된 마그마는 MORB(해령 현무암)로 알려진 새로운 현무암 지각을 형성하고, 그 아래 해양 지각 하부에는 반려암을 형성한다.[16] 해령 현무암은 솔레아이트 현무암이며 불호성 원소 함량이 낮다.[17][18] 마그마와 화산 열에 의해 에너지를 얻는 열수분출공은 해양의 확장 중심에서 보이는 일반적인 특징이다.[19][20] 솟아오른 해령의 특징은 약 1–10 μcal/cm2s,[21] 즉 대략 0.04–0.4 W/m2로 상대적으로 높은 지열류량 값을 가진다는 것이다.

해분의 지각 대부분은 2억 년 미만이며,[22][23] 이는 45.4억 년인 지구의 나이보다 훨씬 젊다. 이 사실은 섭입 과정에서 암석권이 맨틀로 재순환되는 과정을 반영한다. 해양 지각과 암석권이 해령 축에서 멀어짐에 따라, 하부 맨틀 암석권의 감람암이 냉각되어 더 단단해진다. 지각과 그 아래의 비교적 단단한 감람암은 해양 암석권을 형성하며, 이는 덜 단단하고 점성이 있는 연약권 위에 놓여 있다.[3]

해양 지각의 연령. 빨간색은 가장 최근, 파란색은 가장 오래된 것을 의미한다.

작동 기재

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해양 지각은 해령에서 형성되는 반면, 암석권은 해구에서 연약권으로 다시 섭입된다.

해양 암석권은 해령에서 형성되는 반면, 암석권은 해구에서 다시 연약권으로 섭입된다. 해령에서의 확장은 해령 밀기(ridge-push)와 슬래브 끌어당김(slab pull)이라는 두 가지 과정이 원인인 것으로 추정된다.[24] 해령 밀기는 더 뜨거운 연약권 위에 솟아오른 해양 판이 중력에 의해 미끄러져 내리는 현상을 말하며, 이는 판을 사면 아래로 밀어내는 체적력을 생성한다.[25] 슬래브 끌어당김은 섭입대에서 상부 판 아래로 섭입(끌어당겨짐)되는 판의 무게가 나머지 판을 뒤따라 끌어당기는 힘이다. 슬래브 끌어당김 메커니즘이 해령 밀기보다 더 큰 기여를 하는 것으로 간주된다.[24][26]

이전에 판의 이동과 새로운 해양 지각 형성에 기여한다고 제안된 또 다른 과정은 깊은 곳의 맨틀 대류에 의한 "맨틀 컨베이어 벨트"이다(그림 참조).[27][28] 그러나 일부 연구에서는 상부 맨틀(연약권)이 판을 끌어당길 만큼 충분한 마찰력을 생성하기에는 너무 유연(가소성)하다는 것을 보여주었다.[29][30] 게다가 해령 아래에서 마그마를 형성하게 하는 맨틀 용승은 상부 400 km 정도에만 관련되어 있는 것으로 지진파 토모그래피 및 상부 맨틀의 지진파 불연속대 관찰을 통해 추정되었다. 반면에 북아메리카판이나 남아메리카판 같은 세계에서 가장 큰 일부 판은 이동하고 있지만, 소앤틸리스호나 스코샤호 같은 제한된 장소에서만 섭입되고 있다. 이는 이들 판에 해령 밀기가 작용하고 있음을 시사한다. 판과 맨틀 운동에 대한 컴퓨터 모델링은 판의 이동과 맨틀 대류가 직접적으로 연결되지 않았으며, 주요한 판의 원동력은 슬래브 끌어당김임을 보여준다.[31]

전 지구적 해수면에 미치는 영향

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해저 확장 속도의 증가(즉, 해령의 팽창 속도)는 매우 긴 시간 규모(수백만 년)에 걸쳐 전 지구적(유스테틱) 해수면을 상승시킨다.[32][33] 해저 확장 속도가 빨라지면 해령이 팽창하여 평균 수심이 얕고 폭이 넓은 해령을 형성하게 되며, 이는 해분 내에서 더 많은 공간을 차지한다. 이로 인해 바닷물이 밀려 올라가 해수면이 상승한다.[34]

해수면 변화는 다른 요인(열팽창, 빙하 용해, 동적 지형을 만드는 맨틀 대류[35])을 통해서도 일어날 수 있다. 그러나 매우 긴 시간 규모에서 이는 해령을 따른 해저 확장 속도의 변화에 영향을 받는 해분 부피 변화의 결과이다.[36]

백악기(1억 4400만~6500만 년 전)의 해수면이 현재보다 100~170 m 높았던 것은 부분적으로 판 구조론 때문으로 여겨진다. 열팽창과 빙상의 부재만으로는 높은 해수면을 모두 설명할 수 없기 때문이다.[34]

바닷물 화학 및 탄산염 퇴적에 미치는 영향

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해령에서의 마그네슘/칼슘 비율 변화

해령에서의 해저 확장은 전 지구적 규모의 이온 교환 체계이기도 하다.[37] 확장 중심의 열수분출공은 상당한 양의 철, 황, 망가니즈, 규소, 기타 원소를 바다로 내보내며, 이들 중 일부는 해양 지각으로 재순환된다. 맨틀의 화산 활동과 동반되는 이소토프인 헬륨-3은 열수분출공에서 배출되어 해양 내의 플룸에서 검출될 수 있다.[38]

확장 속도가 빠르면 해령이 팽창하여 현무암과 바닷물의 반응이 더 빠르게 일어난다. 더 많은 마그네슘 이온이 바닷물에서 제거되어 암석에 쌓이고, 더 많은 칼슘 이온이 암석에서 제거되어 바닷물로 방출되므로 마그네슘/칼슘 비율이 낮아진다. 해령 정상부의 열수 활동은 마그네슘을 제거하는 데 효율적이다.[39] 낮은 Mg/Ca 비율은 탄산 칼슘의 저마그네슘 동질이상인 방해석의 침전을 촉진한다(방해석 바다).[40][41]

해령에서의 저속 확장은 반대의 효과를 가져와 Mg/Ca 비율을 높이고, 아라고나이트와 고마그네슘 방해석의 침전을 촉진한다(아라고나이트 바다).[41]

실험에 따르면 대부분의 현대 고마그네슘 방해석 생물은 과거 방해석 바다에서는 저마그네슘 방해석이었을 것이며,[42] 이는 생물 골격의 Mg/Ca 비율이 그것이 자란 바닷물의 Mg/Ca 비율에 따라 달라짐을 의미한다.

따라서 산호초 형성 생물과 퇴적물 생성 생물의 광물 조성은 해령을 따라 일어나는 화학 반응에 따라 조절되며, 그 속도는 해저 확장 속도에 의해 제어된다.[39][42]

역사

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발견

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대서양 해분을 가로지르는 해령이 있다는 첫 번째 징후는 19세기 영국의 챌린저 탐사 결과에서 나타났다.[43] 해저로 내린 줄의 측정값을 해양학자 매튜 퐁텐 모리와 찰스 와이빌 톰슨이 분석한 결과, 대서양 해분을 북에서 남으로 가로지르는 두드러진 해저 융기부가 발견되었다. 20세기 초에는 소나 음향측심기가 이를 확인했다.[44]

해령의 전체적인 규모가 알려진 것은 제2차 세계 대전 이후 해저가 더 상세히 조사되면서부터였다. 컬럼비아 대학교 라몬트-도허티 지구 관측소의 조사선 베마호(Vema)는 대서양을 횡단하며 해저 수심에 대한 음향 측심 데이터를 기록했다. 마리 타프와 브루스 히젠이 이끄는 팀은 대서양 한가운데를 따라 정상부에 열곡이 있는 거대한 산맥이 이어져 있다는 결론을 내렸다. 과학자들은 이를 '대서양 중앙 해령'이라 명명했다. 다른 연구에서는 해령 정상이 지진학적으로 활발하며[45] 열곡에서 신선한 용암이 발견된다는 것을 보여주었다.[46] 또한 지각 열류량이 대서양 해분의 다른 곳보다 이곳에서 더 높았다.[47]

처음에 해령은 대서양에만 있는 특징이라고 생각되었다. 그러나 전 세계적으로 해저 조사가 계속되면서 모든 대양에 해령 체계가 있다는 사실이 발견되었다. 독일의 메테오 탐사는 20세기 초에 남대서양에서 인도양으로 이어지는 해령을 추적했다. 비록 처음 발견된 해령 구간은 대서양 한가운데를 따라 이어지지만, 다른 대양 해분에서는 대부분의 해령이 중심에서 벗어난 곳에 위치한다는 사실이 밝혀졌다.[2][3]

발견의 영향: 해저 확장

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알프레트 베게너는 1912년에 대륙 이동설을 제안했다. 그는 "대서양 중앙 해령은 ... 대서양 바닥이 계속 확장됨에 따라 끊임없이 찢어져 열리면서 깊은 곳에서 올라오는 신선하고 상대적으로 유동적인 뜨거운 시마를 위한 공간을 만드는 지대이다"라고 언급했다.[48] 그러나 베게너는 이후 저작에서 이 관찰을 더 발전시키지 않았으며, 당시 지질학자는 대륙이 어떻게 해양 지각을 뚫고 지나갈 수 있는지 설명할 메커니즘이 없다는 이유로 그의 이론을 거부했고, 이 이론은 거의 잊혀졌다.

1950년대에 전 지구적 규모의 해령이 발견된 후, 지질학계는 어떻게 그러한 거대한 지질 구조가 형성될 수 있었는지 설명해야 하는 새로운 과제에 직면했다. 1960년대에 지질학자계는 해저확장설을 발견하고 그 메커니즘을 제안하기 시작했다. 해령의 발견과 해저 확장 과정은 베게너의 이론을 확장하여 대륙뿐만 아니라 해양 지각의 이동까지 포함할 수 있게 해주었다.[49] 판 구조론은 해저 확장에 대한 적절한 설명이었으며, 대다수 지질학자가 판 구조론을 받아들이면서 지질학적 사고의 대대적인 패러다임의 전환이 일어났다.

지구의 해령을 따라 매년 2.7 km2 (270 ha)의 새로운 해저가 이 과정에 따라 형성되는 것으로 추정된다.[50] 지각의 두께를 7 km로 볼 때, 이는 매년 약 19 km3 (4.6 cu mi)의 새로운 해양 지각이 형성되는 양이다.[50]

해령 목록

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옛 해령 목록

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같이 보기

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각주

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  1. ↑ “What is the longest mountain range on earth?”. 《Ocean Facts》. NOAA. 2014년 10월 17일에 확인함.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 Macdonald, Ken C. (2019), 〈Mid-Ocean Ridge Tectonics, Volcanism, and Geomorphology〉 (영어), 《Encyclopedia of Ocean Sciences》, Elsevier, 405–419쪽, doi:10.1016/b978-0-12-409548-9.11065-6, ISBN 978-0-12-813082-7, S2CID 264225475
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