중앙 해령(r12 판)

중앙 해령(Mid-Ocean Ridge, MOR)은 해양 지각에서 판 구조 운동에 의해 형성된 거대한 산맥 구조이다. 이 지형은 평균 수심 약 2,600 m이며, 주변 해저보다 약 2,000 m 높이 솟아 있다. 해양의 중앙 해령은 발산형 판 경계에서 해저 확장이 이루어지는 핵심 지점으로, 해령의 형태와 폭은 해저 확장 속도에 따라 달라진다.

판의 분리에 따라 맨틀에서 상승하는 물질은 용융되어 마그마가 되고, 판 사이의 약한 부분을 따라 분출되어 새로운 해양 지각과 암석권을 형성한다. 이 과정에서 용암이 냉각되면서 새로운 해양 지각이 생성되며, 지속적인 확장으로 인해 해양 바닥이 점진적으로 넓어진다.

중앙 해령 중 가장 먼저 발견된 것은 대서양 중앙 해령으로, 북대서양과 남대서양을 가로지르며 확장하는 중심부 역할을 한다. ‘중앙 해령’이라는 명칭은 이와 같은 특성을 기반으로 붙여졌지만, 대부분의 해양 확장 중심은 대양의 정중앙에 위치하지 않더라도 전통적으로 같은 이름이 사용된다.

중앙 해령들은 전 세계 판 경계를 따라 연결되어 있으며, 해저를 따라 이어지는 모양이 마치 야구공의 솔기와 유사하다. 이 해령 시스템은 지구상에서 가장 긴 산맥으로, 전체 길이는 약 65,000 km에 달한다.

해양 중앙 해령의 확장 중심부에서는 해저의 깊이가 약 2,600 m에 이른다. 해령의 양쪽 사면에서는 해저의 깊이(또는 특정 지점이 기준 수위 대비 얼마나 높은지)가 해당 지점의 해양 지각 연령과 연관된다. 이러한 깊이와 연령의 관계는 냉각되는 암석권 판 또는 맨틀 반공간 모델을 통해 설명할 수 있다. 일반적으로 확장 중심부에서 멀어질수록 해양 지각의 나이가 증가하며, 그 깊이는 연령의 제곱근에 비례하는 경향을 보인다.

해령의 전반적인 형태는 프랫 평형설에 의해 결정된다. 해령 축 가까이에서는 고온 저밀도의 맨틀이 해양 지각을 지탱하며, 해령에서 멀어질수록 해양 맨틀 암석권이 냉각되어 점차 두꺼워지고 밀도가 증가한다. 따라서 오래된 해저는 더 밀도가 높은 암석층에 의해 지지되면서 점점 더 깊은 위치에 자리하게 된다.

해양 분지가 확장하는 속도는 해저 확장 속도로 측정되며, 이는 해양 중앙 해령을 가로지르는 해양 자기 이상대를 분석함으로써 산출할 수 있다. 해령 축에서 분출된 현무암이 냉각되면서 철-티타늄 산화물의 큐리 온도 이하로 내려가면, 당시의 지구 자기장이 이들 광물에 기록된다. 지구 자기장은 일정한 주기를 가지고 역전되어 왔기 때문에, 해양 지각에 남아 있는 자기장의 변화 패턴을 분석하면 해당 해양 지각의 형성 시점을 추정할 수 있다. 이를 통해 특정 시점의 해령 축에서의 거리와 자기 이상 패턴을 비교하면 해저 확장 속도를 계산할 수 있다.

해저 확장 속도는 대양마다 다르게 나타나며, 전체적으로 연간 약 10 mm에서 200 mm까지 다양하다. 일반적으로 느린 확장 속도를 가지는 해령과 빠른 확장 속도를 가지는 해령의 지형적 특징은 크게 다르다.

확장 속도가 연간 40 mm 이하인 경우, 이를 ‘느린 확장 해령’이라고 하며, 대표적인 예로 대서양 중앙 해령이 있다. 이러한 해령에서는 확장 속도가 느리기 때문에 새로운 해양 지각이 형성되는 속도가 상대적으로 낮아 해령 축이 깊고 좁으며, 가파른 경사를 보인다. 느린 확장 해령에서는 일반적으로 대규모 열곡이 형성되며, 열곡의 폭은 10~20 km에 이르기도 한다. 해령의 정상부에는 매우 험준한 지형이 발달하는데, 그 높이 차이는 최대 1,000 m에 달한다.

이러한 특징은 맨틀에서 상승하는 마그마 공급량이 상대적으로 적기 때문이다. 마그마가 부족하면 해령 중심부의 지각이 충분히 채워지지 않아 판이 벌어질 때 지각이 직접 찢어지고, 단층과 균열이 많이 형성된다. 이러한 이유로 느린 확장 해령에서는 절벽과 급경사의 단층 지형이 자주 관찰되며, 해령 축이 비교적 깊은 곳에 위치하는 경향이 있다.

확장 속도가 연간 90 mm 이상이면 이를 ‘빠른 확장 해령’이라고 하며, 대표적인 예로 동태평양 해령이 있다. 빠른 확장 속도를 가진 해령에서는 마그마 공급량이 많고 해양 지각이 신속하게 형성되기 때문에, 해령 축의 경사가 완만하고 상대적으로 평탄한 지형을 보인다.

빠른 확장 해령에서는 열곡이 거의 존재하지 않으며, 해령 축 주변의 해저 지형이 상대적으로 균일하다. 마그마가 지속적으로 공급되면서 해령 축이 빠르게 충전되기 때문에, 해양 지각이 부드럽게 확장되며 단층과 균열이 적게 형성된다. 이로 인해 빠른 확장 해령은 대체로 낮고 완만한 해저 산맥을 형성하며, 전체적인 해저 지형이 비교적 매끄러운 특징을 보인다.

해양 확장 속도는 대양마다 다르게 나타난다. 예를 들어, 대서양 중앙 해령의 확장 속도는 연간 약 25 mm로 상대적으로 느린 편이며, 태평양 지역에서는 80~145 mm에 이른다. 현재까지 기록된 가장 빠른 확장 속도는 마이오세 시기에 동태평양 해령에서 연간 200 mm 이상을 기록한 사례이다.

해저 확장 속도가 연간 20 mm 이하인 경우, 이를 ‘초저속 확장 해령’이라고 하며, 대표적인 예로 북극해의 가켈 해령과 남서인도양 해령이 있다. 이러한 초저속 확장 해령에서는 마그마 활동이 매우 제한적이며, 해령이 분절되어 있거나 일부 구간에서는 마그마가 거의 분출되지 않는 암화(Amagmatic) 해령 구간이 존재할 수도 있다.

해령 축은 종종 변환 단층과 연결되어 있으며, 이 변환 단층은 해령 축과 직각으로 놓인다. 변환 단층은 지각이 서로 다른 속도로 이동하는 두 판 사이의 경계를 형성하며, 시간이 지나면서 단층 활동이 멈추면 단층 흔적이 남게 되는데, 이를 단층 파열대라고 한다.

확장 속도가 빠른 해령에서는 변환 단층이 나타나지 않는 경우도 있으며, 대신 겹쳐진 확장 중심부가 나타나는 경우가 많다. 해령 축의 깊이는 변환 단층과 같은 지질 구조에 따라 체계적으로 변화하며, 변환 단층이 있는 구간에서는 해령 축이 상대적으로 깊어지고, 변환 단층이 없는 구간에서는 얕은 해령 축이 형성된다.

이러한 해령 축 깊이의 차이는 확장 중심부로 공급되는 마그마의 양에 따라 달라질 수 있다는 가설이 있다. 특히 초저속 확장 해령에서는 마그마 활동이 활발한 구간과 마그마 활동이 거의 없는 구간이 혼재하며, 일부 구간에서는 변환 단층 없이 해령이 형성되기도 한다.

해양 중앙 해령에서 해저 확장은 해저 자기 이상대를 분석하여 측정할 수 있으며, 확장 속도에 따라 해령의 형태와 구조가 크게 달라진다. 느린 확장 해령은 좁고 가파른 열곡이 발달하며, 단층과 균열이 많은 험준한 지형을 형성하는 반면, 빠른 확장 해령은 마그마 공급이 풍부하여 완만하고 평탄한 지형을 나타낸다. 초저속 확장 해령에서는 마그마 활동이 극히 적거나 일부 구간에서는 전혀 없는 암화 해령이 형성될 수도 있다.

이처럼 해저 확장 속도는 지각의 형성과정과 관련된 중요한 요소로, 해양 지각의 성장과 해저 지형을 결정하는 핵심 요인이다. 이를 통해 해양 중앙 해령의 진화 과정과 지질학적 특징을 이해할 수 있으며, 해양 지각이 어떻게 생성되고 변화하는지를 연구하는 데 중요한 역할을 한다.

중앙 해령에서는 활발한 화산활동과 지진 활동이 지속적으로 발생한다. 해양 지각은 해저 확장과 판 구조 운동의 과정 속에서 지속적으로 ‘재생’되며, 새로운 마그마가 꾸준히 해저로 분화하거나 기존의 해양 지각 내부로 침입하면서 새로운 해양 지각을 형성한다.

해령 축과 그 주변의 열곡을 따라 현무암질 마그마가 상승하며, 가장 젊은 암석층이 해령 축을 따라 분포하고, 해령 축에서 멀어질수록 점차 나이가 많은 암석이 위치하게 된다. 이와 같은 마그마 분출은 지구 맨틀에서 일어나는 감압 용융 과정으로 인해 발생한다. 상승하는 고체 맨틀 물질이 등엔트로피 과정(isentropic upwelling)을 거치면서 녹는점(고형선 온도)을 초과하여 부분적으로 용융되며, 이때 형성된 마그마가 해령 축을 따라 분출하게 된다.

중앙 해령에서 분출된 마그마는 해수와 접촉하면서 급격히 냉각되고 응고되며, 이 과정에서 해양 지각을 구성하는 다양한 암석층이 형성된다. 가장 표면에 위치하는 암석층은 중앙 해령 현무암(MORB, Mid-Ocean Ridge Basalt)으로 불리며, 이는 해령을 따라 지속적으로 생성되는 새로운 해양 지각의 주요 구성 요소이다.

해양 중앙 해령 현무암(MORB)은 일반적으로 토레이아이트(tholeiitic) 계열의 현무암으로, 화학적 조성이 비교적 단순하며 불용화 원소(incompatible elements)의 함량이 낮은 것이 특징이다. 주요 성분은 규산염(SiO₂), 철(Fe), 마그네슘(Mg)이며, 알칼리 함량이 낮고, 칼슘과 알루미늄이 풍부한 편이다. MORB의 주요 광물 조성은 사장석(plagioclase), 휘석(pyroxene), 감람석(olivine)이며, 냉각 속도가 빠르기 때문에 결정 크기가 작고, 화산암으로 분류된다. 해저에서 분출된 용암은 급격히 응고되면서 유리질 구조를 형성하는 경우도 많으며, 이러한 암석은 유리질 현무암(glassy basalt)이라고도 불린다.

MORB 아래에서는 보다 심부에서 서서히 냉각된 가브로(gabbro)층이 존재한다. 가브로는 현무암과 같은 화학 조성을 가지지만, 냉각 속도가 상대적으로 느려 더 큰 결정이 형성되는 것이 특징이다. 가브로층은 해양 지각의 하부를 구성하며, 그 아래에는 맨틀 기원의 감람암(peridotite)이 존재한다. 감람암은 철과 마그네슘이 풍부한 초염기성 암석으로, 맨틀의 주요 구성 요소 중 하나이다.

중앙 해령에서는 마그마의 활동과 열 공급에 의해 해수와 맨틀 물질이 상호작용하면서 열수 분출공(hydrothermal vents)이 형성된다. 이 열수 분출공은 해령을 따라 나타나며, 맨틀에서 가열된 해수가 다양한 화학 반응을 거쳐 해저로 다시 분출되는 과정에서 여러 종류의 광물과 열을 방출한다.

열수 분출공에서 나타나는 열류 밀도는 일반적으로 1–10 μcal/cm²·s(약 0.04–0.4 W/m²) 범위에 해당하며, 이는 주변 해저보다 훨씬 높은 열 방출을 의미한다.

중앙 해령의 열수 분출공 주변에서는 극한 환경 생물(extremophiles)이 서식하며, 이들은 일반적인 광합성 생물이 아니라 화학합성 생물에 의존하여 생태계를 유지한다. 대표적인 생물로는 화학합성 박테리아(chemosynthetic bacteria), 심해 관벌레(tube worms, Riftia pachyptila), 심해 갑각류와 연체동물이 있으며, 이들은 독특한 적응력을 가지고 열수 분출공 근처에서 서식한다.

이처럼 해양 중앙 해령에서는 맨틀에서 상승한 마그마가 냉각되면서 MORB와 가브로층을 형성하며, 이들이 해양 지각의 주요 구성 요소가 된다. 또한 해령에서는 마그마와 지질학적 열원의 영향을 받아 열수 분출공이 형성되며, 이들은 광물 퇴적과 더불어 독특한 심해 생태계를 유지하는 중요한 역할을 한다. 이러한 과정은 지구 내부의 물질 순환과 에너지 이동을 이해하는 데 중요한 단서를 제공하며, 해양 중앙 해령이 단순한 지질 구조를 넘어 생물학적, 화학적, 지질학적 과정이 복합적으로 얽혀 있는 중요한 연구 대상임을 보여준다.

지구 표면을 덮고 있는 해양 지각은 대부분 2억 년보다 젊은 연령을 가지며, 이는 지구 전체의 나이인 약 45억 4천만 년과 비교하면 극히 짧은 기간에 해당한다. 이러한 현상은 판 구조 운동으로 인해 해양 지각이 지속적으로 생성되고, 시간이 지나면 섭입대를 통해 맨틀로 되돌아가는 순환 과정에서 비롯된다.

해양 지각은 중앙 해령에서 새로운 물질이 상승하면서 형성된다. 상부 맨틀에서 부분 용융된 마그마가 해령을 따라 분출하여 식고 굳어지면서 새로운 해양 지각이 만들어진다. 이후 해령에서 멀어질수록 냉각되며 밀도가 증가하고, 결국 주변보다 무거워진 지각이 섭입대에서 대륙 지각 아래로 내려가 맨틀로 다시 편입된다. 이 과정은 지구 내부의 열 순환을 조절하는 핵심 기작으로 작용한다.

시간이 흐르면서 해양 지각과 그 아래 놓인 상부 맨틀은 점차 냉각되고 단단해지며, 두 층이 결합하여 해양 암석권을 형성한다. 해양 암석권은 상대적으로 강성이 높은 층으로, 그 아래에 위치한 점성이 큰 연약권 위에 떠 있는 구조를 가진다. 연약권은 부분적으로 유동성이 있어 암석권의 이동을 가능하게 하며, 판 구조 운동을 주도하는 역할을 한다.

중앙 해령에서 형성된 해양 지각은 판 이동에 따라 점차 해령으로부터 멀어지면서 오래된 형태로 변화한다. 생성 초기에는 비교적 높은 열과 낮은 밀도를 가지지만, 시간이 지나면 냉각과 수화 작용을 거쳐 더욱 단단하고 무거워진다. 이 과정에서 해양 지각 내부에는 단층과 균열이 형성되며, 이를 따라 열수 순환이 발생해 지각의 화학적 조성이 변화한다.

결국 오래된 해양 지각은 대륙 지각과 충돌하거나 섭입대를 따라 내려가면서 맨틀로 재순환된다. 이 과정에서 해양 지각이 완전히 용해되기도 하고, 일부 물질은 다시 상승하여 새로운 마그마로 공급되기도 한다. 이러한 판 재생 과정은 지구의 열 조절뿐만 아니라 새로운 암석 형성과 화산 활동을 촉진하는 원동력으로 작용하며, 해양 지각의 연령이 일정 수준 이상으로 오래되지 않는 근본적인 이유가 된다.

이처럼 해양 지각의 생성과 소멸은 지구의 물질 순환과 열 전달을 조절하는 중요한 과정이며, 이를 통해 지구 표면의 형태가 지속적으로 변화하게 된다.