맨틀 대류와 플룸

하와이는 판의 경계에서 수천 km 떨어진 태평양판 한가운데에 있는데도 화산 활동이 활발하다. 그리고 하와이 열도의 섬들은 남동쪽 끝의 하와이섬에서 북서쪽으로 갈수록 나이가 많아진다. 화산섬들이 한 줄로 늘어서 차례로 나이를 먹는 까닭은 무엇일까? 그 나이와 거리만으로 판이 움직이는 빠르기를 알 수 있을까?

섬 (0 하와이섬 … 4 미드웨이)

1.3.1맨틀 대류와 판의 운동

맨틀은 고체이지만 수백만 년에 걸쳐 아주 천천히 흐른다. 핵에 가까운 뜨거운 맨틀은 가벼워져 올라오고, 차가워진 맨틀은 무거워져 내려간다. 이 대류와 함께, 해령에서 밀어내는 힘과 섭입대에서 차갑고 무거운 판이 끌어당기는 힘이 판을 움직인다. 판은 1년에 수 cm씩, 손톱이 자라는 빠르기로 움직인다. 느려 보이지만 천만 년이면 수백 km가 된다.

판이 고정된 열점 위를 지나가면, 열점 바로 위에서 화산섬이 생기고, 판이 움직임에 따라 섬이 열점에서 멀어지며 화산 활동이 멈춘다. 그 자리에 다시 새 섬이 생긴다. 그래서 섬들이 판의 운동 방향으로 한 줄로 늘어서고, 멀수록 나이가 많다. 반대로 섭입한 판이 맨틀 깊이 가라앉은 차가운 덩어리를 차가운 플룸이라 한다.¹

1.3.2섬의 나이로 판의 속도 구하기

그림 1에서 섬을 바꾸어 보자. 카우아이섬은 열점에서 약 520 km 떨어져 있고 나이는 약 510만 년이다. 섬마다 거리를 나이로 나누면 판이 움직인 평균 빠르기가 나온다. 하와이 열도는 대략 1년에 8~10 cm로, 다른 판들보다 빠른 편이다.

1.3.3예제 풀이

카우아이섬은 \(\dfrac{520 \times 10^5\ \text{cm}}{5.1 \times 10^6\ \text{년}} \approx 10.2\) cm/년이고, 미드웨이는 \(\dfrac{2430 \times 10^5}{2.8 \times 10^7} \approx 8.7\) cm/년이다. 두 값이 비슷하여 판이 수천만 년 동안 거의 일정하게 움직였음을 알 수 있다.

100만 년 동안은 약 9 cm × 10⁶ = 9 × 10⁶ cm, 곧 약 90 km를 북서쪽으로 이동한다. 그러면 지금의 하와이섬은 열점에서 벗어나 화산 활동이 멈추고, 그 남동쪽 바다 밑에서 자라고 있는 해저 화산 로이히가 새 섬이 될 것이다. 그래서 열점은 판의 운동을 기록하는 자연의 테이프 같은 역할을 한다.

아래 탐구 카드에서 바다 밑 줄무늬가 기록한 것과 판 경계마다 다른 지진과 화산을 살펴보고, 섬의 나이로 판의 속도를 직접 구해 보자.

1. 하와이 열도는 약 4700만 년 전 섬들에서 방향이 꺾여 북쪽의 엠퍼러 해산열로 이어진다. 이 꺾임은 태평양판의 운동 방향이 그 무렵 바뀌었음을 보여 준다.