하부 맨틀

역사적으로 중간권(mesosphere)으로도 알려진 하부 맨틀(Lower mantle)은 지구 전체 부피의 약 56%를 차지하며, 지구 표면 아래 660 km에서 2,890 km까지의 영역으로, 전이대 (지구)와 외핵 사이에 있다.^[1] 예비 참조 지구 모델(PREM)은 하부 맨틀을 세 부분으로 나눈다. 각각 최상부(660~770 km), 중하부 맨틀(770~2,700 km), D"층(2,700~2,890 km)이다.^[2] 하부 맨틀의 압력과 온도는 24~127 GPa^[2] 및 1900~2600 켈빈 범위이다.^[3] 하부 맨틀의 구성은 파이롤라이트성로 추정되며,^[4] 브리지마나이트, 페로페리클라세, 칼슘-규산염 페로브스카이트의 세 가지 주요 상을 보인다. 하부 맨틀의 고압은 철을 함유한 브리지마나이트와 페로페리클라세의 스핀 전이를 유도하는 것으로 나타났으며,^[5] 이는 맨틀 플룸 역학^[6][7] 및 하부 맨틀 화학 모두에 영향을 미칠 수 있다.^[5] 맨틀은 연간 약 1 cm의 속도로 움직인다.^[8]

하부 맨틀이 표시된 지구 내부 구조.

상부 경계는 깊이 660 km에서 지진파 속도와 밀도의 급격한 증가하는 경계로 정의된다.^[9] 660 km 깊이에서 링우다이트(γ-(Mg,Fe)
2SiO
4)는 Mg-Si 페로브스카이트와 마그네시오뷔스타이트로 분해된다.^[9] 이 반응은 상부 맨틀과 하부 맨틀의 경계를 나타낸다. 이 측정값은 지진 데이터와 고압 실험실 실험에서 추정된 것이다. 중간권의 바닥에는 핵-맨틀 경계 바로 위에 약 2,700~2,890 km에 위치한 D″층이 포함된다.^[9]

물리적 특성

하부 맨틀은 원래 불런의 구형 대칭 지구 모델에서 D층으로 명명되었다.^[10] 지구 내부의 PREM 지진 모델은 지진파 속도 불연속성에 따라 D층을 세 개의 뚜렷한 층으로 분리했다:^[2]

• 660~770 km: 압축파 속도(6~11%)의 불연속성이 급격한 기울기로 이어지며, 이는 링우다이트 광물의 브리지마나이트 및 페로페리클라세로의 변환과 전이대 층에서 하부 맨틀로의 전이를 나타낸다.
• 770~2,700 km: 하부 맨틀 광물상의 단열 압축을 나타내는 점진적인 속도 증가.
• 2,700~2,900 km: D층이 하부 맨틀에서 외핵으로의 전이로 간주된다.

하부 맨틀의 온도는 최상층에서 1,960 K (1,690 °C; 3,070 °F)부터 깊이 2,700 km에서 2,630 K (2,360 °C; 4,270 °F)까지 범위이다.^[3] 하부 맨틀의 온도 모델은 대류를 주요 열 전달 기여로 근사화하며, 전도 및 복사열 전달은 무시할 수 있는 것으로 간주된다. 결과적으로, 깊이에 따른 하부 맨틀의 온도 기울기는 거의 단열에 가까운 모양을 보인다.^[1] 지온 변화도 계산에 따르면 최상부 하부 맨틀에서 0.47 켈빈 매 킬로미터 (0.47 °C/km)에서 2600km에서 0.24 켈빈 매 킬로미터 (0.24 °C/km)로 감소하는 것이 관찰되었다.^[3]

구성

하부 맨틀은 주로 브리지마나이트, 페로페리클라세, 칼슘-규산염 페로브스카이트(CaSiO₃-페로브스카이트)의 세 가지 구성 요소로 이루어져 있다. 각 구성 요소의 비율은 역사적으로 논쟁의 대상이었으며, 전체 조성은 다음과 같이 제안되었다.

• 파이롤라이트성: 상부 맨틀 감람암의 암석학적 조성 경향에서 유래한 것으로, 상부 및 하부 맨틀 간의 균질성을 제안하며 Mg/Si 비율은 1.27이다. 이 모델은 하부 맨틀이 부피 기준으로 브리지마나이트 75%, 페로페리클라세 17%, CaSiO₃-페로브스카이트 8%로 구성되어 있음을 의미한다.^[4]
• 콘드라이트성: 지구의 하부 맨틀이 구립운석의 조성으로부터 형성되었음을 시사하며, Mg/Si 비율은 약 1이다. 이는 브리지마나이트와 CaSiO₃-페로브스카이트가 주요 구성 요소임을 의미한다.

파이롤라이트의 실험실 다중 모루 압축 실험으로 단열 지온선 조건을 시뮬레이션하고 엑스선 회절을 이용하여 밀도를 측정했다. 지온선을 따른 밀도 프로파일이 PREM 모델과 일치하는 것으로 나타났다.^[11] 다양한 브리지마나이트와 페로페리클라세 비율에 대한 하부 맨틀 지온선을 가로지르는 밀도 및 속도 프로파일의 일차 원리 계산은 8:2 비율에서 PREM 모델과 일치하는 것을 관찰했다. 이 비율은 하부 맨틀의 파이롤라이트성 전체 조성과 일치한다.^[12] 더욱이, 미량 원소를 고려한 파이롤라이트성 하부 맨틀 조성의 전단파 속도 계산은 PREM 전단파 속도 프로파일과 1% 이내로 일치했다.^[13] 반면에, 관련 압력 및 온도에서의 브릴루앙 분광학 연구는 93% 이상의 브리지마나이트 상으로 구성된 하부 맨틀이 측정된 지진 속도에 해당하는 전단파 속도를 가짐을 밝혀냈다. 제안된 조성은 콘드라이트성 하부 맨틀과 일치한다.^[14] 따라서 하부 맨틀의 전체 조성은 현재 논쟁의 대상이다.

스핀 전이대

하부 맨틀에 있는 두 가지 철 함유 광물(브리지마나이트, 페로페리클라세)의 전자 환경은 고스핀(HS) 상태에서 저스핀(LS) 상태로 전이한다.^[5] 페로페리클라세 내 Fe²⁺는 50~90 GPa 사이에서 전이를 겪는다. 브리지마나이트는 구조 내에 Fe³⁺와 Fe²⁺를 모두 포함하며, Fe²⁺는 A-자리를 차지하고 120 GPa에서 LS 상태로 전이한다. Fe³⁺는 A-자리와 B-자리를 모두 차지하며, B-자리의 Fe³⁺는 30~70 GPa에서 HS에서 LS로 전이하는 반면, A-자리의 Fe³⁺는 B-자리의 Al³⁺ 양이온과 교환하여 LS가 된다.^[15] 철 양이온의 이러한 스핀 전이는 페로페리클라세와 브리지마나이트 간의 분배 계수를 10~14로 증가시켜 브리지마나이트의 Fe²⁺를 고갈시키고 페로페리클라세를 Fe²⁺로 풍부하게 만든다.^[5] HS에서 LS로의 전이는 철 함유 광물의 물리적 특성에 영향을 미치는 것으로 보고되었다. 예를 들어, 페로페리클라세에서 HS에서 LS 상태로 전환될 때 밀도와 비압축성이 증가하는 것으로 보고되었다.^[16] 스핀 전이가 하부 맨틀의 운송 특성 및 유변학에 미치는 영향은 현재 수치 시뮬레이션을 사용하여 조사되고 논의되고 있다.

역사

중간권(대기의 층인 중간권과 혼동하지 말 것)은 하버드 대학교 지질학 교수인 레지널드 올드워스 데일리가 만든 "중간권 껍질"에서 유래했다. 판 구조론 이전 시대에 데일리(1940)는 지구 외부가 암석권(지각 (지질학) 포함), 연약권, 중간권 껍질의 세 가지 구형 층으로 구성되어 있다고 추정했다.^[17] 데일리의 가설적인 암석권-연약권 경계 깊이는 80~100 km 범위였고, 중간권 껍질의 상부(연약권의 바닥)는 200~480 km 범위였다. 따라서 데일리의 연약권은 두께가 120~400 km로 추정되었다. 데일리에 따르면, 고체 지구 중간권의 바닥은 맨틀의 바닥(따라서 핵의 상부)까지 확장될 수 있었다.

"메조플레이트"라는 파생 용어는 맨틀의 열점이 존재하는 가정된 기준 틀에 대해 "중간권"과 "판"을 결합한 휴리스틱을 기반으로 도입되었다.^[18]

같이 보기

• LLSVP