Southwest Research Institute의 Simon March 박사가 공동 집필한 새로운 연구에서는 금과 백금을 포함하여 지구 맨틀에 있는 특정 귀금속의 풍부함을 설명할 수 있는 최초의 지구물리학적으로 그럴듯한 시나리오를 발견했습니다. 시뮬레이션이나 모델을 기반으로 과학자들은 충격에 의한 맨틀 재료 혼합 시나리오가 금속이 코어 속으로 완전히 가라앉는 것을 방지할 수 있다는 사실을 발견했습니다.
Southwest Research Institute의 Simon March 박사가 공동 집필한 새로운 연구에서는 금과 백금을 포함하여 지구 맨틀에 있는 특정 귀금속의 풍부함을 설명할 수 있는 최초의 지구물리학적으로 그럴듯한 시나리오를 발견했습니다. 이러한 시뮬레이션을 바탕으로 과학자들은 금속이 핵 속으로 완전히 가라앉는 것을 방지할 수 있는 맨틀 물질의 충격 구동 혼합 시나리오를 발견했습니다. 이미지 출처: 사우스웨스트 연구소
진화 초기인 약 45억년 전, 지구는 화성 크기의 행성과 충돌했고, 달은 지구 궤도에 충돌한 원반 조각으로 형성되었을 수 있습니다. 뒤따른 것은 달만큼 큰 소행성체가 지구에 충돌하여 "철과 강한 친화력을 갖는 금속"(철에 강한 친화성을 갖는 금속)을 포함하는 물질을 방출하는 "만기 강착"으로 알려진 오랜 기간의 폭격이었습니다.
"맨틀 관통 충돌에 대한 이전 시뮬레이션에서는 소행성체의 금속 핵 중 극히 일부만이 맨틀에 흡수될 수 있으며 HSE를 포함한 대부분의 금속이 핵으로 빠르게 흘러간다는 것을 보여주었습니다."라고 March는 말했습니다. 새로운 발견을 요약한 국립과학원회보(PNAS) 논문의 공동 집필자입니다. "이것은 우리에게 질문을 제기합니다. 지구는 어떻게 귀금속을 얻었습니까? 우리는 오늘날 맨틀에서 금속과 암석 물질의 혼합을 설명하기 위해 새로운 시뮬레이션을 개발했습니다."
이 도식은 지구 맨틀에 풍부한 HSE 금속이 존재한다는 지구물리학적으로 가장 그럴듯한 설명을 보여줍니다. 장기간의 폭격으로 충격 장치는 지구에 충돌하여 물질을 전달합니다. (a) 액체 금속은 국부적으로 생성된 충격으로 생성된 마그마 바다에 가라앉은 다음 아래의 부분적으로 녹은 지역으로 스며들었을 것입니다. (b) 압축으로 인해 용융 영역의 금속이 응고되고 가라앉습니다. (c) 열 대류는 더 긴 지질학적 시간 규모에 걸쳐 금속이 함침된 맨틀 구성을 혼합하고 재분배합니다. 이미지 출처: 사우스웨스트 연구소
맨틀에 HSE가 상대적으로 풍부하다는 것은 HSE가 핵 형성 후 충격에 의해 전달되었음을 시사합니다. 그러나 맨틀에 이러한 요소를 유지하는 것은 지금까지 모델링하기 어려운 것으로 입증되었습니다. 새로운 시뮬레이션은 국지적 충돌로 인해 생성된 마그마 바다 아래 부분적으로 녹은 지역이 어떻게 소행성 금속이 지구 핵으로 떨어지는 것을 방지할 수 있는지를 고려합니다.
"이를 달성하기 위해 우리는 고체 규산염 광물, 용융 규산염 마그마 및 액체 금속의 세 가지 흐름 단계에서 충돌하는 소행성 물질과 맨틀 물질의 혼합을 시뮬레이션했습니다."라고 논문의 주저자인 예일 대학의 Jun Korenaga 박사가 말했습니다. "맨틀의 대류에 의해 제공되는 장기간의 혼합과 결합된 이 3상 시스템의 빠른 역학 덕분에 소행성에서 나온 HSE가 맨틀에 유지될 수 있습니다."
이 경우 충격기가 지구에 부딪혀 중금속이 바닥으로 가라앉는 액체 마그마의 국지적인 바다를 생성하게 됩니다. 금속이 아래 부분적으로 용융된 영역에 도달하면 빠르게 용융물을 관통한 다음 천천히 맨틀 바닥으로 가라앉습니다. 이 과정에서 용융된 맨틀이 응고되어 금속을 가두게 됩니다. 이때 대류가 시작됩니다. 지구 핵의 열로 인해 고체 맨틀의 물질이 매우 천천히 흔들리고, 그 결과로 발생하는 흐름이 내부에서 지구 표면으로 열을 전달하기 때문입니다.
“맨틀 대류는 뜨거운 맨틀 물질이 상승하고 더 차가운 물질이 가라앉는 과정입니다.”라고 Korenaga는 말했습니다. "맨틀은 거의 완전히 단단하지만 오랜 지질학적 시간에 걸쳐 수십억 년 전에 발생한 대규모 충돌로 축적된 HSE를 포함하여 맨틀 물질을 혼합하고 재분배하는 연성과 점성이 높은 유체처럼 행동합니다."