해양 중력 자료는 OCC 내부가 가지고 있는 밀도 구조 변화들의 중력 영향을 모두 합 한 효과를 반영한다. 그러나 상부 해양 지각의 주요 구성암체인 현무암의 밀도는 공극률 과 파쇄 정도에 따라 2400~2700 kg/m3의 밀도 분포를 가지며, 하부 해양 지각의 주요 구 성암체인 반려암은 2900 kg/m3의 밀도를 가진다. 그리고 상부 맨틀의 주요 구성암체인 감람암은 3300 kg/m3의 밀도를 가지고 있다. 이러한 밀도 차이는 1.5~2 km 두께의 상부 해양 지각(현무암), 4 km 두께의 하부 해양 지각(반려암), 그리고 지각-맨틀(감람암)에서의
급작스러운 밀도 증가를 보이는 일반적인 해양 지각 모델에서 벗어나는 구조(이 연구의 경우, OCC 구조)를 분별하기에는 충분한 밀도 차이를 가지고 있다(Blackman et al., 2008).
Fig. 2.2-3. 중앙인도양 중앙해령 북단에 위치한 OCC 1-1 구조의 3차원 수심도(Pak et al., 2017)
다른 OCC 지역에서 수행된 기존 중력 연구들에 따르면 얕은 수심을 가지는 dome 구 조는 지역적 지각평형 보상이 이루어지지 않았으며 대체적으로 양의 맨틀 부게 중력이상 을 보이고 있다(Cannat et al., 2006; Fujiwara et al., 2003; Okino et al., 2004). 그러나 OCC 지역에서 맨틀 부게 중력이상을 활용하여 내부구조를 살펴보고자 할 때에는 주의가 필요하다. 맨틀 부게 중력이상 계산은 프리에어 중력이상(free-air gravity anomaly)에서
이 연구에서는 위성 해수면 높이 자료를 사용하여 계산된 프리에어 중력 이상 자료를 사용하였다(Sandwell et al., 2013). 밀도 차이가 발생하는 경계면에서의 중력 이상은 Parker’s method (Parker, 1972)를 활용하여 중력을 계산하였다. 그리고 해양 지판의 연 령에 따라 발생하는 냉각과 수축 과정은 확장축 주변에서 ~30 mGal의 부게 중력 이상 값을 유도할 수 있다. 해저확장축 인근에 위치한 OCC 구조에 의한 중력 이상치를 효과 적으로 분리해내기 위해서는 해양판의 온도 구조 변화에 따른 영향을 전체 중력 값에서 제거해 줄 필요가 있다. 이 계산을 위해서 3차원 ridge-transform-ridge flow and thermal model을 사용하였다(Phipps Morgan and Forsyth, 1988). 이 모델은 확장축에서부터 거리 에 따른 냉각효과를 함께 반영한다(Parsons and Sclater, 1977). 해양판의 온도구조에 의한 중력 계산을 위해서 3.55x10-5/°C의 열팽창계수가 사용되었다.
중앙인도양 중앙해령에 위치한 OCC 1-1(Figs. 2.2-1, -3) OCC 3-1(Figs. 2.2-1, -4)의 내부구조를 규명하기 위하여 다양한 밀도 차이를 활용한 중력 이상치를 계산 및 비교 연 구가 수행되었다. 또한 분리단층에 의해 해저면에 노출된 하반 암체, 즉 하부지각 물질에 대한 중력 이상을 계산하기 위하여 해양 지각을 상부 및 하부 지각으로 나누어 모델링을 수행하였다.
Fig. 2.2-4. 중앙인도양 중앙해령 북단에 위치한 OCC 3-1 구조의 3차원 수심도(Pak et al., 2017)
3. 결과 및 토의
우선 중앙인도양 중앙해령 구간에서의 맨틀부게 중력이상과 잔여맨틀부게 중력이상을 계산하기 위하여 선상 수심자료와 ETOPO1자료를 함께 병합하였다. 병합된 수심자료는 수심변화 및 지각-맨틀 구간의 변화에 따른 중력값을 보정하는 데 활용되었다. 중앙 인 도양 중앙해령 구간에서의 프리에어 중력 이상 분포와 해양 지각 연령 분포는 Fig. 2.2-5 에서 볼 수 있다. 병합된 수심자료를 활용하여 해양-지각 경계와 지각-맨틀 경계의 효과 를 계산하여 프리에어 중력이상에서 제거하게 되면 맨틀 부게 중력 이상을 얻게 된다.
여기에서 해양 지각의 연령에 의한 온도구조 변화에 따른 중력 효과를 보정하게 잔여 맨 틀 부게 중력 이상을 얻게 된다(Fig. 2.2-6).
맨틀 부게 중력이상의 경우 음의 중력 이상 값들이 뚜렷하게 나타나는 구간들은 Seg 1, Seg 2, Seg 3-1, Seg 4-2, Seg 5-1, Seg 5-2, 그리고 Seg 6이다. 이 중 가장 큰 폭의 음 의 중력 이상 값을 가지는 곳은 Seg 5-1로서 가장 빠른 확장속도를 보이는 구간과 일치 한다(Pak et al., 2017). 이러한 맨틀 부게 중력 이상은 해양 지각의 두께 혹은 맨틀의 온 도 및 밀도 구조의 영향을 반영한다. 그러므로 중앙해령 구간에서 맨틀 부게 중력 이상 이 낮게 나타나는 것은 1차적으로 맨틀이 식으면서 중앙해령 주변부의 밀도가 중앙해령 구간보다 더 증가하기 때문이다. 그러므로 중앙해령의 온도 구조와 맨틀 부게 중력이상 은 밀접한 관련을 가지게 된다.
맨틀 부게 중력이상에서 중앙해령의 온도 분포에 의한 영향을 제거하면 잔여 맨틀 부 게 중력이상을 얻게 된다. 잔여 맨틀 부게 중력이상이 낮은 곳은 지각의 두께가 상대적 으로 두껍꺼나, 맨틀의 밀도가 주변보다 낮거나 혹은 온도가 높은 경우에 해당한다. 중앙 인도양 중앙해령 구간의 경우 상대적으로 잔여 맨틀 부게 중력 이상이 낮은 구간은 Seg 1과 Seg 5-1로 나타난다. 그러나 잔여 맨틀 부게 중력 이상이 중앙해령 확장축과 일치하 는 지역들이 지역들이 나타나고 있다. 이는 앞선 연구와 뒤의 결과에 기술하였듯이 중앙 인도양 중앙해령 구간의 해양 지각 연령이 정확하게 정의가 되지 않았기 때문이다. 이러 한 부정확성은 잔여 맨틀 부게 중력이상의 정확도를 떨어뜨리게 된다.
그러나 이러한 맨틀 부게 중력 이상과 잔여 맨틀 부게 중력 이상은 OCC 구조를 부각 시키지 못한다. 그 이유는 계산 과정에서 OCC 지각 구조에 의한 영향보다 중앙해령 구 간에서 일반적으로 관찰되는 해양 지각 구조만이 반영되기 때문이다. 위에서 기술했듯이 이를 보완하는 연구 방법을 OCC 1-1과 OCC 3-1 지역에 적용하였다.
Fig. 2.2-5. 중앙인도양 중앙해령 주변의 프리에어 중력이상도(왼쪽)과 해양 지각 연령 분포 도(오른쪽)
Fig. 2.2-7. 중앙인도양 중앙해령 북단에 위치한 OCC 1-1 구조의 수심자료(왼쪽) 및 중력이상 도(오른쪽)
Fig. 2.2-8. 중앙인도양 중앙해령의 북단 확장구간의 수심자료(왼쪽) 및 해양판 연령(오른 쪽)
Fig. 2.2-9. OCC 1-1 구조에서의 프리에어 중력이상(상단 왼쪽), 해양판 냉각 효과 (상단 오른쪽), 수심자료와 해양판 냉각 효과(하단 왼쪽), 그리고 잔류 중력이상도(하단 오른쪽)
앙해령 지역에 대한 자료 및 모델을 적절하게 반영하고 있지 못하다는 것을 의미한다.
이 연구에서는 해양판의 연령 모델에 의해 온도 구조가 모사되고, 모사된 온도 구조에 의한 중력 효과를 제거해야 할 필요가 있다. 그래서 해양판의 연령 모델을 OCC 1-1 지 역에 적합하게 이동시켜 가상의 연령 모델을 구성하였다(Fig. 2.2-9).
해양판의 냉각과정에 따른 중력변화는 30 mGal 내외의 변화를 가지며 확장축 지역에 서 가장 최솟값을 가지며 연령이 증가할수록 혹은 해양판이 더 많이 식었을수록 중력 값 은 점차적으로 증가하게 된다(Fig. 2.2-9). OCC 1-1 구조는 확장축에서 매우 인접해 있기 때문에, 이러한 해양판 냉각 효과에 의한 중력 변화에 영향을 받은 것으로 보인다. 해양 판 온도 구조에 의한 영향을 제거하고 남은 잔류 중력 이상을 살펴보면 OCC 1-1 상부에 하나의 peak가 domal core 상부에 뚜렷하게 정의되어 있다. 온도구조에 의한 효과를 제 거하기 이전인 프리에어 중력자료에서는 domal core 부분에서 두 개의 peak가 존재하고 있으며, 이것은 해저면 지형 변화에 의한 효과가 보다 많은 기여를 하고 있음을 지시한 다. 그러므로 해양판 온도 구조의 영향을 제거하는 작업이 매우 효과적임을 확인할 수 있다.
향후 연구에서는 OCC 1-1 지역에서 획득된 해상 자력 자료를 활용하여 해양판의 연 령을 보다 정밀하게 정의할 필요가 있다. 해양판의 온도 구조에 의한 중력 영향은 넓은 지역에 걸쳐 천천히 변화하는 양상을 보여준다. 그러나 OCC 구조에 의한 효과를 보다 명확하게 분리해 내기 위해서는 보다 정밀한 연령 구조의 정의가 필요하다.
Fig. 2.2-10. OCC 1-1 구조에 대한 중력 모델링 결과 비교를 위한 profile 위치(왼쪽)와 중력 모델링 결과와 비교자료로 활용된 잔류 중력 이상도(오른쪽)
다음으로 OCC 1-1 지역의 정밀 수심자료와 잔류 중력 이상도를 활용하여 내부구조 모델링을 수행하였다(Fig. 2.2-10). 우선 모델링 결과의 비교 분석을 위하여 OCC 지역과 OCC 지역이 아닌 곳에 대한 profile을 설정하였다. 3차원 구조에 대한 중력 모델링이 수 행되었지만, 설정된 profile을 따라 2차원 공간에서의 비교 작업이 모델링 결과를 확인하 고 개선하는 데 보다 효과적이기 때문이다.
우선적으로 수행된 계산은 잔류 부게 중력이상이다. 잔류 부게 중력이상은 잔류 중력 이상에서 해저면의 지형 변화 효과를 제거하여 계산할 수 있다. OCC 1-1 지역의 경우 확장축에 근접한 지역이므로 퇴적물에 의한 중력 기여도는 매우 미미할 것으로 가정하였 다. 그러므로 해저지형은 해수와 상부 해양 지각 사이의 경계면이 되며, 이 경계면을 따 른 밀도차이는 다른 하부 구조들의 경계면에서보다 가장 큰 값을 가지게 된다.
Fig. 2.2-11. OCC 1-1 구조에서의 잔류 부게 중력 이상 모델링 결과(상단) 및 수심변화(하단) 비교. 잔류 부게 중력 이상 계산에는 해수-해저면 경계면에서 밀도차이를 1700 kg/m3(파란선)과 1850 kg/m3(적색선)를 적용하여 수행되었다.
잔류 부게 중력 이상 계산을 위해서 해수-해저지형 경계면에 적용된 밀도 차이는 1700 kg/m3와 1850 kg/m3이 적용되었다(Fig. 2.2-11). 전자는 해양지각의 평균 밀도를 적 용한 경우이고, 후자는 해양지각보다 높은 밀도 분포를 가지는 경우를 가정하여 적용하 였다. 우선 1700 kg/m3의 밀도차이를 고려하였을 때, OCC 구조에서의 중력 모델링 결과