[논문]백악기 동아시아 신지구조 모델: 맨틀 플룸의 역할

이창열

doi:10.9719/eeg.2019.52.5.337

백악기 동아시아 신지구조 모델: 맨틀 플룸의 역할
A New Tectonic Model of Cretaceous East Asia: Role of Mantle Plume 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.52 no.5, 2019년, pp.337 - 345

이창열 (연세대학교 지구시스템과학과)

초록
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중국, 한국 그리고 일본을 포함한 동아시아 지역의 백악기 시기 화성 활동을 설명하기 위하여 해령 섭입 가설이 제안되어 널리 받아들여 졌다. 특히, 해령 섭입 가설은 남서일본에서 발견되는 아다카이트의 북동 방향으로의 분출 시기의 감소를 잘 설명하였다. 그러나, 해령 섭입 가설은 이후 밝혀진 지구화학 연구 결과 및 판재구성 모델과 배치되기 때문에 여러 문제점을 지닌다. 따라서, 해령 섭입 가설의 문제점을 극복하고 이 시기 화성 활동을 설명하기 위한 플룸-대륙 및 플룸-슬랩 상호 작용 가설이 제안되었고 이 가설은 해령 섭입 가설이 내포한 문제점을 극복할 뿐만 아니라 동아시아 지역의 백악기 화성 활동을 설명할 수 있다. 이 고찰에서는 해령 섭입 가설과 그 대안인 플룸-대륙 및 플룸-슬랩 상호 작용 가설에 대해 요약하여 소개하고 이 대안 가설을 증명하기 위한 추가 연구에 대해 제언한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The hypothesis of ridge subduction which explains the Cretaceous igneous activities in East Asia including China, Korea and Japan, has been widely accepted in the society. Especially, the hypothesis explains the southwest-to-northeast migration of the Cretaceous adakite emergence in Southwest Japan. However, the hypothesis has several issues because the geochemical analyses and plate reconstruction model are not consistent with the consequences of the ridge subduction. To resolve the issues, a new hypothesis of the plume-continent and plume-slab interaction is suggested, which explains the igneous activities during the Cretaceous. In this review, I briefly introduce the two hypotheses and suggest an additional future study to prove the new hypothesis.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Tectonomagmatism and basins in East Asia during the Cretaceous depicted on a present-day map. a) A-type granitoids (cyan squares), I-type granitoids (blue squares), adakitic rocks (extrusive: red circles; intrusive: red squares), high-Mg basalts (e.g., picrites) (large green squares), adakites (red triangles), basin-and-range-type basins (gray shaded areas) are described with symbols. The blue numbers represent the ages of the igneous rocks and basin development. Q, D and S represent Qingling, Dabie and Sulu regions, respectively. Modified from Ryu and Lee (2017).
그림 Fig. 2. Schematic map of the southwest-to-northeast distribution of Late Jurassic–Cenozoic adakitic arc magmatism in East Asia and snapshots at 120, 90 and 60 Ma of the plate reconstruction models. a) The Late Jurassic–Cenozoic adakitic arc magmatism is modified from Kinoshita (1995). The abbreviations GD, FJ, G, SJ, NJ, SA, SR, and AL represent Guangdong, Fujian, Gyeongsang, southwest Japan, northwest Japan, Sikhote- Alin, Sredinny, and the Aleutians, respectively. The red dashed line indicates the Late Jurassic–Cenozoic trench, and the numbers along the trench indicate the ages of the adakitic arc magmatism. b-d) The plate reconstruction model is based on Maruyama et al. (1997). The abbreviations NC, SC, KP, JI, IZ, OK, and PA represent the North China, South China, Korean Peninsula, Japanese Islands, Izanagi, Okhotsk, and Pacific plates, respectively. The units for convergence rate and slab age are cm/y and Ma, respectively. The magenta Izanagi–Pacific ridge is fragmented by the white transform faults.
그림 Fig. 3. Temperature distributions of the numerical model designed for evaluating the injection of the plume blob into the mantle wedge in Northeast Japan at 22.5 Ma and a conceptual model for the localized and pulse-like eruption of the Abukuma adakite at 17 Ma. a) Temperature distributions of the 3-dimensional numerical model representing the injected plume blob into the mantle wedge at 22.5 Ma. The subducting slab and overlying plate correspond to the Pacific plate and Northeast Japan, respectively. The temperature contours are depicted every 150°C with the contours of 0 and 100°C. The region where the 1450°C contour exists indicates the plume blob injected from the back-arc mantle. b) A conceptual model for the localized and pulse-like eruption of the Abukuma adakite at 17 Ma, overridden on the slab surface temperatures calculated from the 3-dimensional numerical model at 17.5 Ma. The temperature contours are depicted every 25°C. The Abukuma adakite was generated by the partial melting of the subducted oceanic crust, which results from the hot plume blob. Modified from Lee and Lim (2016).
그림 Fig. 4. Snapshots of the plate reconstruction model with the conjectured core locations of the intracontinental mantle plume and a schematic diagram of the plume-continent and plume-slab interaction during the Cretaceous. a) Snapshots of the plate reconstruction model with convergence direction of the Izanagi plate and the conjectured core locations of the mantle plume (dashed circle) migrated from southwest to northeast due to the opponent migration of the overlying continents with respect to the Izanagi plate. The channel-like flow of the mantle plume is generated by corner flow in the mantle wedge. The numbers on the isochrons represent the ages of the oceanic plate. The black dashed line in the snapshot of 60 Ma indicates the mid-ocean ridge between the Izanagi and Pacific oceanic plates. b) Cretaceous tectonic model deduced from the numerical model experiments from Ryu and Lee (2017), depicted on the plate reconstruction model at 90 Ma. The northeastto- southwest migration of the East Asian continents with respect to the Izanagi oceanic plate (1/30 Ma/km) results in the plume-continent and plume-slab interactions which apparently migrated from southwest to northeast; the migration of the intracontinental and arc magmatism. Modified from Ryu and Lee (2017).
그림 Fig. 5. Conjectured potential emergence of the adakite at 120 Ma with the Cretaceous tectonomagmatism depicted on the plate reconstruction model at 100 Ma. The yellow ellipse indicates a potential emergence of the adakite at 120 Ma based on the numerical model from Lee (2018). NCC (North China Craton), SCC (South China Craton), BB (Bohaiwan Basin), SB (Songliao Basin), Q (Qinling), D (Dabie) and S (Sulu), ECS (East China Sea) and IZ (Izanagi) are described on the figure. Modified from Lee (2018).

AI 본문요약
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문제 정의

이는 해령 섭입 가설을 부정하는 것으로써 동아시아 지구조사를 다른 관점에서 재해석해야함을 지시한다. 또한 한반도의 화성 활동이 재해석에서 중요한 열쇠가 될 수 있음을 제안한다. 그러므로 이 고찰에서는 과거 제시된 해령 섭입 가설에 대해 전반적으로 소개 및 요약하고 그 문제점을 지적한 후, 새로운 대안으로 제안된 플룸-대륙(plume-continent) 및 플룸-슬랩(plume-slab) 상호 작용 가설에 대해 소개 및 요약하였다.
아다카이트가 형성되기 위해서는 섭입판의 해양지각이 에클로자이트(eclogite) 상태에서 부분 용융을 일으켜야 할 것으로 제안되었다(Defant and Drummond, 1990). 이는 섭입대 호화산을 형성시킨 일반적 기작인 고상선(solidus) 감소에 따른 유체 유입 용융(flux melting)과 다른 기작으로써 섭입해양판이 직접 부분 용융을 일으킨 결과로써 제안되었다. 그러므로 차가운 섭입해양판이 직접 용융될 수 있는 섭입 환경에 대한 많은 연구가 수행되었으며, 섭입해양판의 연령이 25 Ma보다 젊은 환경과 평탄 섭입 등 아다카이트가 생성될 수 있는 특수한 섭입 환경들이 제안되었다(Defant and Drum-mond, 1990; Gutscher et al.

가설 설정

섭입해양판의 연령이 25 Ma보다 적어야 아다카이트가 형성될 수 있다는 점은 쥬라기-백악기 시기 동아시아 지역에서 산출되는 아다카이트를 형성시킨 화성 작용이 해령에서 발산된 젊은 섭입해양판의 부분 용융 결과라는 해령 섭입 가설을 뒷받침한다. 해령 섭입 가설은 이후에도 계속 수정 보완되었으며 특히 남서일본에서 발견되는 백악기 아다카이트의 연대와 해령 섭입시기와의 관계가 정량적으로 해석되었다.
이처럼 백악기 시기 중국 내륙에서의 맨틀 플룸이 발생하였고 뜨거운 맨틀 플룸이 남서 일본 하부 맨틀쐐기로 유입되어 이자나기 판을 부분 용융시켰다는 가설은 중국 대륙과 일본 사이에 존재하였던 한반도의 화성 활동에 큰 영향을 미쳤을 것이다. 이 시기 한반도에서는 A-형 화강암체가 널리 관입하였고(Kim et al.
, 1997)(Figure 2). 해령 섭입 가설은 쥬라기 후기부터 백악기 후기까지 현재의 남동중국에서 연해주까지 이르는 과거 섭입대를 따라 이자나기 판과 태평양 판의 발산 경계인 해령이 수직으로 섭입하면서 북동 방향을 따라 이동하였다는 가설이다(Maruyama et al., 1997). 이를 뒷받침하는 화성 활동으로서 이 지역 섭입대에서 발견되는 아다카이트(adakite)의 연대가 제시되었다.

제안 방법

또한 한반도의 화성 활동이 재해석에서 중요한 열쇠가 될 수 있음을 제안한다. 그러므로 이 고찰에서는 과거 제시된 해령 섭입 가설에 대해 전반적으로 소개 및 요약하고 그 문제점을 지적한 후, 새로운 대안으로 제안된 플룸-대륙(plume-continent) 및 플룸-슬랩(plume-slab) 상호 작용 가설에 대해 소개 및 요약하였다. 끝으로 이 가설과 한반도 화성 활동과의 연관성을 파악하고 새로운 가설을 검증하기 위한 추가연구의 필요성에 대해 제안하고자 한다.
Lee (2018)는 3차원 컴퓨터 수치모델링을 수행하여 남동중국에서 남서일본에 이르는 백악기 시기 섭입대에서의 섭입해양판의 부분 용융의 발생 지점을 정량적으로 분석하였다(Figure 5). 실험 결과는 연령이 높은 이자나기 판이 섭입하였던 남동중국에서는 맨틀 플룸의 유입에도 불구하고 섭입해양판의 부분 용융이 일어나지 않으며 현재의 동중국해에 해당하는 지역에 존재하였을 호화산에서 섭입해양판의 부분 용융이 일어나 남서일본에서까지 지속적으로 섭입해양판의 부분 용융이 일어날 수 있음을 제안한다. 이는 맨틀 플룸의 유입에 의한 섭입해양판의 부분 용융에 의한 아다카이트가 현재의 동중국해에서도 발견될 가능성을 지시한다.

성능/효과

셋째, 최근에 제안된 판재구성 모델은 기존 해령 섭입 모델이 간과하거나 단순화한 태평양 주변의 판 이동과 해수면 변화를 고려하여 크게 개선되었으며, 백악기 전체에 걸쳐 동아시아에서 해령 섭입 자체가 존재하지 않았음을 제안하였다(Gurnis et al., 2012; Sdrolias and Müller, 2006).
그러나 대륙 내부에서의 맨틀 플룸의 존재가 대륙 내부뿐만 아닌 대륙 주변부에서의 화성 활동까지 잘 설명할 수 있음에도 불구하고 잘 받아들여지지 않았던 이유로써 크게 두 가지를 들 수 있다. 첫째, 맨틀 플룸의 일반적인 결과물이라고 여겨지는 거대 화성암 지대(large igneous province), 방사형 관입 군체(radial dike swarm) 그리고 지구(rift)들이 중국 내륙에서 관찰되지 않는다는 점이다. 그러나, 맨틀 플룸의 정치 전에 존재했었던 두꺼운 북중국 및 남중국 지괴와 두 지괴의 충돌에 의해 시기 이전에 섭입하였던 해양판이 중국 대륙 내부의 맨틀 플룸을 야기하였을 가능성을 제시하므로 대륙 내부에서의 맨틀 플룸의 존재는 충분히 가능하다.

후속연구

과거 아부쿠마 아다카이트는 빠르게 섭입하는 오래된 태평양 판의 해양 지각이 동해의 확장에 의해 깊은 맨틀로부터 용승(upwelling)된 뜨거운 연약권 맨틀에 의해 부분 용융을 겪어 생긴 것으로 제안되었다(Yamamoto and Hoang, 2009). 그러나 이 연구는 동북 일본 지역에서 아부쿠마 지역에서만 섭입해양판이 부분 용융을 겪은 이유를 설명하지 못하며, 특히 연약권 맨틀의 상승에 의한 단열 팽창에 따른 온도 감소때문에 실제 섭입해양판에 도달하는 맨틀의 온도가 해양지각을 부분 용융 시킬만큼 충분히 높지 못하기 때문에 아부쿠마 아다카이트의 성인을 설명할 수 없다는 한계를 가진다. 이를 해결하기 위하여 Lee and Lim (2014, 2016)은 2차원 및 3차원 컴퓨터 수치모델링을 통해 배호 맨틀에서 뜨거운 온도를 가진 맨틀 플룸에서 기인한 맨틀 덩어리(blob)가 맨틀 쐐기로 유입되어 섭입해양판을 부분 용융시켰다는 가설을 제시하였다(Figure 3).
그러므로 이 고찰에서는 과거 제시된 해령 섭입 가설에 대해 전반적으로 소개 및 요약하고 그 문제점을 지적한 후, 새로운 대안으로 제안된 플룸-대륙(plume-continent) 및 플룸-슬랩(plume-slab) 상호 작용 가설에 대해 소개 및 요약하였다. 끝으로 이 가설과 한반도 화성 활동과의 연관성을 파악하고 새로운 가설을 검증하기 위한 추가연구의 필요성에 대해 제안하고자 한다.
이는 맨틀 플룸의 유입에 의한 섭입해양판의 부분 용융에 의한 아다카이트가 현재의 동중국해에서도 발견될 가능성을 지시한다. 아직까지 이 지역에서 해저시추 등을 통해 아다카이트의 존재가 보고된 적이 없으므로, 플룸-대륙 및 플룸-슬랩 상호 작용 가설을 검증하기 위한 방법으로써 동중국해에서의 해저시추 탐사 등이 수행될 수 있길 기대한다.
, 2007). 이는 대륙 내부에 맨틀 플룸이 존재하여 다수의 화성 작용을 발생시킬수 있는 가능성을 잘 보여주므로, 백악기 시기 중국내륙에서의 맨틀 플룸의 존재도 충분히 가능한 지질현상임을 제안한다.
해령 섭입 가설의 문제점을 해결하기 위하여 제시된 플룸-대륙 및 플룸-슬랩 상호 작용 가설은 전술한대로 백악기 동아시아 지구조사를 해석하는데 새로운 모델이 될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 대륙 내부에서의 맨틀 플룸의 존재가 대륙 내부뿐만 아닌 대륙 주변부에서의 화성 활동까지 잘 설명할 수 있음에도 불구하고 잘 받아들여지지 않았던 이유로써 크게 두 가지를 들 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	쥬라기-백악기 시기 동아시아 지구조의 구성요소는 무엇인가?	쥬라기-백악기 시기 동아시아의 지구조는 크게 양쯔지괴(Yangtze Craton)와 남동중국 습곡계(Southeast China Fold System)를 포함하는 남중국지괴(South China Craton)와 북중국지괴(North China Craton),그리고 이 두 지괴의 충돌에 의해 형성된 친링-다비-술루 충돌대(Qingling-Dabie-Sulu Belt), 한반도 그리고 현재의 일본 열도로 구성된 대륙 지각들과 이 대륙 지각 하부에 섭입(subduction)한 이자나기 판(Izanagi Plate)으로 구성되어 있다(Figure 1). 따라서 이 지구조 중심에 위치한 한반도의 지구조사를 이해하는 것은 중국 및 일본 지각으로 경계지어진 동아시아 지구조사를 이해하는데 중요하다.
	해령 섭입 가설이란 무엇인가?	, 1997)(Figure 2). 해령 섭입 가설은 쥬라기 후기부터 백악기 후기까지 현재의 남동중국에서 연해주까지 이르는 과거 섭입대를 따라 이자나기 판과 태평양 판의 발산 경계인 해령이 수직으로 섭입하면서 북동 방향을 따라 이동하였다는 가설이다(Maruyama et al., 1997).
	해령 섭입의 존재에 대한 의문을 제시하는 판재구성 모델은 무엇인가?	, 2012; Sdrolias and Müller, 2006)은 백악기 동아시아에서 발생한 해령 섭입의 존재 자체에 대한 의문을 제시하였다. 판재구성 모델에 따르면, 백악기 시기 이자나기 판이 동아시아 대륙 주변부를 따라 섭입하였으며 태평양 판과 경계지어진 해령은 백악기 최후기와 신생대 초기에 동아시아 섭입대 전체에 걸쳐 섭입하였음이 제시되었다. 이는 해령 섭입 가설을 부정하는 것으로써 동아시아 지구조사를 다른 관점에서 재해석해야함을 지시한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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