독립행정법인 해양연구개발기구 지구 내부 다이나믹스 영역에서는 지구 내부의 동적거동(다이나믹스)을 이해하기 위해 해저 밑 플레이트 운동 및 구조에 관한 연구를 추진하고 있다. 이번에 해양 플레이트 활동연구프로그램의 연구그룹은 홋카이도 남동 연안 100~700km의 태평양 플레이트 위에서 지하 구조 탐사시스템 및 해저 지진계를 이용하여 지반과 상부 맨틀의 대규모 구조 조사를 실시하였다. 그 결과 해양 플레이트 생성 시에 맨틀의 유동에 의해 플레이트 운동이 구동된다는 것을 발견하였다. 

본 연구팀은 일본 해구, 치시마 해구(千島海溝), 이즈 오가사와라해구(伊豆 小笠原海溝)에 가라앉은 태평양 플레이트의 구조, 운동, 활동에 관한 조사연구를 추진하고 있으며, 그 일환으로서 2009년 6월과 2010년 7월에 홋카이도 남동 연안 약 100~700km의 태평양 플레이트 위에서 심해조사연구선에 의한 지반, 맨틀 구조조사를 실시하였다. 

이 영역의 태평양 플레이트는 지금부터 1억 2천만 년 전에 존재했던 이자나기 플레이트(Izanagi Plate)와 현재 태평양 플레이트의 경계에 존재한 중앙해령에서 북서쪽에서 남동쪽으로 광대하게 생성되었다고 알려져 있으며, 치시마 해구로 향할수록 플레이트 연대가 최근과 가까워진다. 이번 조사에 의해 얻어진 지하구조 전체를 보면, 이 지하구조로부터 두 개의 뚜렷한 특징을 볼 수 있다. 첫 번째는 해양지반 하부 북서측에 20~25도로 경사진 구조의 불연속면이 약 2.5km 간격으로 일정하게 분포하고 있으며, 두 번째는 그 바로 밑 최상부 맨틀에서 지진파가 전달되는 속도가 플레이트 운동방향과 그것과 직교하는 방향으로 8.5~9.8% 다르다는 것이다. 

첫 번째 특징은 불연속면이 지반과 맨틀 경계부까지 연장되어 있지만, 모호로비치치 불연속면(Mohorovi?i? discontinuity)에 단차를 만들지 않기 때문에 역단층 및 정단층을 나타내는 구조와 다른 특징을 나타내고 있다. 한편, 이러한 일련의 특징은 리델전단(Riedel shear)이라는 현상과 잘 일치한다. 리델전단은 다양한 스케일에서 일정한 폭을 가진 고체영역에 전단응력을 준 경우, 전단변형이 그 응력과 사행(비스듬히 진행하는 것)하는 방향으로 일정한 간격으로 집중하여 발생하는 것이다. 만약 관측된 불연속면이 리델전단에 의한 것이라고 하면 모호로비치치면을 잡아당기는 힘이 작용했다는 것을 나타낸다. 

두 번째 특징인 지진파 전단속도의 이방성은 지반 바로 밑의 맨틀이 유동했다는 것을 나타낸다. 일반적으로 맨틀을 구성하는 주요 광물인 감람석은 고온(1,100도 정도)에서 유동하는 경우 유동방향으로 결정이 모이는 특징을 가진다. 이것에 의해 유동하는 방향의 지진파 전단속도가 빨라지고, 그것과 직교하는 방향은 상대적으로 느려진다. 이러한 점 때문에 이번에 확인된 지진파 속도의 이방성은 플레이트가 생성된 중앙해령 인근에서 맨틀 최상부가 플레이트 운동방향으로 유동한다는 것을 나타낸다. 

만약 플레이트가 자기 무게에 의해 운동하고, 그 결과 맨틀이 유동하는 경우, 지반이 맨틀을 중앙해령에서 떨어진 방향으로 잡아당기듯 유동시키므로, 맨틀의 지진파 속도 이방성은 설명되지만, 예상되는 리델 전단의 경사방향은 관측사실과 반대가 된다. 한편 맨틀이 중앙해령에서 떨어진 방향으로 유동하여 지반을 움직이는 모델에서는 맨틀의 유동에 의해 지반 바닥이 해령에서 멀어지는 방향으로 잡아당기게 되고, 이 경우 발생하는 리델 전단의 경사방향은 남동에서 북서로 낮아지는 경사가 되어 관측사실과 정합한다. 또한 지진파 전단속도의 방위이방성도 설명할 수 있다. 

이번 관측 데이터는 홋카이도 남동 연안에서 확인되었지만, 이러한 지반 하부의 구조 불연속면은 태평양 플레이트별 장소에서도 지적되고 있으며, 만약 그 장소에서 강한 지진파 전단속도의 방위이방성이 확인되면 이번 결론이 한 지역의 로컬 현상이 아니라는 것이 증명된 것이다. 

* 자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』