- 건조한 장석이 1차원 터널 구조로 변하며 분자 형태의 물 포획 -

- 약 750 km 깊이까지 물을 수송하며 하부 맨틀의 경계부 변형 -

- 방사광 가속기 고온고압 실험을 통해 세계적 권위 학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’ 게재 -

 지구시스템과학과 이용재 교수팀은 지각판이 지구 내부로 가라앉는 과정에서 물이 이온 형태가 아닌 물 분자(H₂O) 상태로 하부 맨틀까지 운반될 수 있는 새로운 원리를 규명했다.

연구팀은 지각을 구성하는 대표적인 광물인 장석(Feldspar)이 지구 내부의 높은 압력에서 결정 구조가 바뀌면서 물 분자를 포획하고, 이를 하부 맨틀까지 운반할 수 있음을 실험으로 확인했다. 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’에 게재됐다.

그동안 지구 내부의 물은 주로 수산화기(OH⁻) 형태로 광물의 결정 구조에 결합해 운반되는 것으로 알려져 있었다. 그러나 연구팀은 물이 분자 상태를 유지한 채 광물 내부에 저장될 수 있다는 사실을 확인했다.

연구팀은 방사광가속기를 이용해 지구 내부의 고온·고압 환경을 재현했다. 그 결과, 칼륨(K)을 포함한 장석이 맨틀 전이대(지하 약 410~660km)의 압력과 온도 조건에서 주변의 물과 반응해 홀란다이트형(Hollandite-Type) 구조로 바뀌는 것을 확인했다.

이 과정에서 광물 내부에는 미세한 터널 형태의 공간이 형성되며, 그 안에 칼륨 이온과 물 분자가 함께 저장된다. 이 광물은 자체 무게의 최대 약 2%에 해당하는 물을 포함할 수 있는 것으로 나타났다.

연구팀은 장석에 포획된 물 분자가 맨틀 전이대를 지나 하부 맨틀 상부까지 운반된 뒤 방출되는 과정도 분석했다. 분석 결과, 물을 포함한 홀란다이트형 광물은 지하 약 720~780km에 도달하면 내부 터널 구조가 변형되면서 저장하고 있던 물 분자를 방출하는 것으로 나타났다.

이 과정에서 터널 내부 공간의 부피가 약 6% 줄어들며 물 분자가 밖으로 빠져나온다. 연구팀은 이러한 과정을 통해 하부 맨틀 상부로 이동하는 물의 양이 연간 약 600만 톤에 이를 것으로 추정했다. 이는 약 2억 년 동안 동해 전체 바닷물의 약 70%에 해당하는 물이 이동하는 규모다.

연구팀은 이렇게 방출된 물이 주변으로 퍼지면서 지구 내부의 지진파 특성에도 영향을 줄 수 있다고 설명했다. 특히 맨틀 전이대와 하부 맨틀의 경계인 지하 약 660km 부근에서 지진파의 속도가 급격히 달라지는 경계면이 주변보다 깊어지거나, 이러한 경계면이 두 개로 관측되는 ‘이중 지진파 불연속면(DSDs)’ 현상과 관련이 있을 가능성을 제시했다.

연구를 주도한 이용재 교수는 "물 한 방울 없던 지표의 장석이 지구 내부 맨틀 전이대를 지나며 물을 싣고 더 깊은 곳으로 향하는 운반선으로 변신한다는 사실을 밝혀냈다"며, "온전한 분자 형태의 물(H2O)을 심부까지 이동시키는 독립적인 수송 통로를 확인했다는 점에서, 심부 물 순환과 지진파 이상 현상에 대한 이해를 한 단계 도약시킬 중요한 결과"라고 설명했다.

본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 리더연구자지원사업(광물물리 기반 지구 및 행성시스템 진화연구단)의 일환으로 수행됐다.