태평양 북서부 해역, 지구의 거대한 엔진 가운데 하나인 섭입대(Subduction Zone)가 장엄한 종말 단계에 들어섰다.

미국 루이지애나 주립대(LSU)와 컬럼비아 대학교 연구팀은 첨단 캐스캐디아 탄성파 영상을 통해 후안 데푸카판(Juan de Fuca Plate)이 스스로 찢어지며 맨틀과의 연결을 서서히 잃어가는 현장을 인류 역사상 처음으로 명확하게 관측했다. 

이는 수백만 년에 걸쳐 진행되는 지질학적 과정의 마지막 장을 연 획기적인 발견이며, 태평양 북서부 지역의 지진 및 쓰나미 위험 모델을 다듬을 결정적인 실마리를 제공한다.

섭입대의 '수명 종결', 수십 년간 이론에서 현실로

지구의 지각은 하나의 거대한 덩어리가 아니라 여러 개의 퍼즐 조각처럼 이어진 지각판(Tectonic Plates)으로 덮여있다. 이 판들은 끊임없이 움직이며 충돌하는데, 지각판 두 개가 충돌할 때 한 판이 다른 판 아래로 미끄러져 들어가는 현상을 섭입이라 하며, 이 경계를 섭입대라고 부른다. 

섭입대 주변은 지진, 화산 활동 등 강력한 지질 현상이 자주 일어나는 곳으로 알려졌다. 지질학자들은 수십 년간 섭입대가 어떻게 생명을 다하는지에 대해 이론으로만 논해왔으나, 그 종말 단계가 실제로 포착된 것은 이번이 처음이다.

이번 발견은 루이지애나 주립대의 지구 물리학자 브랜든 슉(Brandon Shuck)과 컬럼비아 대학교 라몬트-도허티 지구관측소의 수잔 카보트(Suzanne Carbotte)가 이끈 새로운 탄성파 반사 영상 조사로 이루어졌다. 이 조사는 마치 책의 겉표지처럼 쌓여 있는 지각판의 페이지를 한 장씩 벗겨내, 캐스캐디아 섭입대 북단에서 지각판 경계가 무너지는 과정을 극명하게 보여주었다.

75km 대형 단층 포착⋯'단계적 탈선'의 과학적 증거

연구팀은 2021년 라몬트-도허티 지구관측소의 연구선 '마커스 G. 랑세스(Marcus G. Langseth)'호를 이용한 캐스캐디아 탄성파 영상 실험(CASIE21)을 수행했다. 

카보트 박사가 이끈 팀은 15km(9.3마일) 길이의 수중 수신기 배열을 끌면서 통제된 음파 펄스를 지각으로 발사했다. 이 결과 수천 미터 지하의 단면을 선명하게 보여주는 이미지들을 만들었으며, 밴쿠버섬 해역 아래에서 후안 데푸카판이 북아메리카판 아래로 굽어지면서 단층, 습곡, 그리고 깊은 구조 파열을 일으키는 모습이 전례 없이 상세하게 지도화됐다.

선박 실험으로 해저에서 음파를 반사시키고, 지진으로 발생한 음파(acoustic waves)가 지구 내부를 관통하며 반향하는 원리를 활용했다. 이는 마치 행성 전체를 초음파로 찍는 것과 같다. 특히 익스플로러판을 파괴하는 길이가 무려 75km(47마일)에 달하는 대형 단층이 발견되었으며, 이는 판이 파열 직전의 상태에 놓여 있음을 증명한다.

"이것은 섭입대가 죽어가는 순간을 포착한 최초의 명확한 그림이다"라고 슉 박사는 밝혔다. 그는 "판이 한 번에 완전히 멈추는 대신, 조각조각 찢어지면서 더 작은 미소판(Microplates)과 새로운 경계를 만들고 있다"며, "따라서 큰 사고라기보다는, 기차가 객차 하나씩 서서히 탈선하는 것을 보는 것과 같다"고 덧붙였다. 

이러한 단계적 파열은 기존 지질학 이론과 현장 지질학적 움직임 사이의 간극을 좁힌다. 고대의 지각 엔진이 멈출 때 지각 경계가 어떻게 스스로 모양을 바꾸는지 보여주며, 산맥, 화산호, 심지어 대륙의 진화 과정까지 추적하는 데 핵심적인 통찰을 제공한다. 판이 스스로 파열되면 아래로 당기는 무게가 줄어들고, 결과적으로 섭입판의 하강 운동이 서서히 멈춘다. 이 과정이 섭입대 전체의 소멸로 이어진다.

지질 기록과 일치하는 '점진적 파괴'의 증거

슉 박사는 이 과정이 "한 번에 한 단계씩 진행되는 점진적인 파괴"이며, "화산암의 연대가 이러한 단계별 파열을 반영하는 순서로 젊어지거나 늙어지는" 지질 기록과도 일치한다고 설명했다.

공동 저자인 카보트 박사는 지질학자들이 판의 수명과 죽음에 대한 기존 이론을 확인하거나 거부할 증거를 오랫동안 기다려왔다고 언급하며, "이러한 과정이 작동하는 명확한 그림을 이전에는 본 적이 없다"고 말했다. 그는 "이 새로운 발견은 지구를 형성하는 지각판의 생애 주기를 더 잘 이해하는 데 도움을 준다"고 덧붙였다.

이 발견은 수백만 년에 걸쳐 진행되는 지질학적 현상이라, 앞으로 태평양 북서부 연안 주민들이 걱정할 정도의 일은 아니다. 그러나 섭입대가 약해지고 조각날 수 있다는 지식은 지질학자들이 지진과 쓰나미 같은 재해 모델을 고치는 데 큰 변화를 가져온다.

연구팀은 앞으로 이 내부의 파열 구조를 따라 앞으로의 지진이 터져 나올 가능성이 있는지, 아니면 이러한 구조가 지진 에너지가 퍼질 때 그 경로를 조종할 수 있는지 연구할 계획이다. 이러한 결과는 구조적 복잡성이 지진 파열 경로에 미치는 영향을 연구하는 위험 모델의 정확도를 높이는 중요한 첫걸음이 될 것으로 기대한다.

이 연구는 학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 실렸다.