통가 해구

통가 해구는 남서태평양에 위치한 해구로, 남반구에서 가장 깊은 해구이며 전 세계에서는 마리아나 해구 다음으로 두 번째로 깊다. 이 해구는 태평양판이 서쪽으로 섭입되며 형성된 구조로, 인접한 오스트레일리아판 아래로 빠르게 미끄러져 들어가는 지점이다. 현재 지구상에서 가장 빠른 판 운동 속도가 이곳에서 관측되고 있으며, 이러한 활발한 섭입 활동은 강한 지진 발생과 지각 변형, 화산호 형성과 같은 다양한 지질현상을 수반한다.

해구는 북쪽의 케르마덱 해구와 연결되어 하나의 연속된 섭입대를 구성하며, 동쪽에는 태평양판, 서쪽에는 오스트레일리아판이 위치한다. 섭입대의 경사면을 따라 해저 지각이 지속적으로 가라앉고 있으며, 그 결과로 심해 해구, 전단대, 융기구조, 퇴적분지 등이 발달해 있다. 특히, 통가 해구에서는 섭입 속도가 연간 24cm에 이를 정도로 빠르게 진행되고 있어, 지각의 열 순환과 물질 교환이 활발하게 이루어지는 것으로 분석된다.

호라이즌 해연은 남반구에서 가장 깊은 해저 지형이며, 태평양판이 통가 해구를 따라 케르마덱판 아래로 섭입되는 접촉대의 최심부에 위치한다. 이 해연은 남위 23.25833도, 서경 174.726667도에 자리잡고 있으며, 현재까지 측정된 최대 수심은 약 10,800m로, 이는 지구 표면에서 두 번째로 깊은 해양 구조에 해당한다. 가장 깊은 마리아나 해구의 챌린저 해연과 비교될 정도로 극한적인 수심을 지닌 이곳은, 대기권의 평균 고도보다 더 낮은 심도로 인해 지표에서 가장 높은 수압이 작용하는 영역 중 하나로 분류된다.

이 지점의 깊이는 2019년 6월 10일, 유인 심해 잠수정 리미팅 팩터를 활용한 직접 수압 측정을 통해 공식적으로 확인되었다. 이 탐사는 오대양의 최심부를 모두 탐험하는 국제 심해 프로젝트인 '파이브 딥스 원정'의 일환으로 진행되었으며, 그 결과 호라이즌 해연은 세계 심해 탐사의 주요 지점으로 부상하게 되었다. 해연의 명칭은 1952년 12월, 이 지역을 처음 기록한 연구선 호라이즌의 이름에서 비롯되었으며, 이 선박은 미국 스크립스 해양학 연구소 소속으로 태평양의 심해 지형을 조사하는 임무를 수행하였다.

지질학적으로 호라이즌 해연은 고심도 섭입대의 최종 변형대에 해당한다. 이 구간은 해양지각이 수직 방향의 극심한 전단력과 압축력을 받으며, 지각 단층 구조와 변형된 퇴적물 지층이 매우 두드러지게 나타나는 것이 특징이다. 급경사의 단층면을 따라 단단한 해양지각이 케르마덱 판 아래로 밀려 들어가는 구조는 일반적인 해구보다 훨씬 더 강한 압축 환경을 형성한다. 특히 이 해연은 그 구조적 기울기가 매우 가파르며, 퇴적물의 축적보다는 침강과 변형이 주요한 과정을 이루고 있다.

이 해연이 형성된 판 경계는 활발한 섭입 활동이 지속되는 활단층으로, 지진 발생률이 높으며 해저 지각의 미세 변위가 빈번하게 감지된다. 섭입 속도는 대략 연간 24cm에 달하며, 이는 전 세계적으로 가장 빠른 섭입 속도에 속한다. 이처럼 빠른 섭입 속도는 해양지각이 조기에 심해로 가라앉아 열 흐름과 지각 물질의 순환에 중대한 영향을 미치며, 단층의 형성과 해저 변형 구조의 다양성을 유발하는 주요 원인으로 작용한다.

생물학적으로 호라이즌 해연은 매우 특이한 심해 생태계를 구성하고 있다. 이곳의 바닥 퇴적물에서는 둥근벌레를 비롯한 저서생물이 고밀도로 분포하고 있음이 확인되었다. 2016년에 발표된 연구에 따르면, 호라이즌 해연 바닥의 생물 개체 수는 인근 6,250m 수심의 경사면과 비교하여 약 여섯 배나 많은 것으로 나타났으며, 생물량은 그보다 훨씬 더 큰 차이를 보였다. 이는 극한 환경 하에서도 생물 군집이 자원을 집중적으로 활용하고, 제한된 종들이 우세 군집을 형성함으로써 고밀도의 생태계가 유지될 수 있음을 보여준다.

반면, 종다양성은 해연의 경사면이 바닥보다 두 배 이상 높은 수준으로 관찰되었다. 이는 해연 바닥에서는 극소수의 내성 종이 생존하는 반면, 경사면은 보다 다양한 환경 조건이 공존함으로써 다양한 생물종의 서식이 가능해지기 때문이다. 이러한 양상은 극심한 수압과 낮은 온도, 제한된 에너지 공급 조건이 종선택에 강하게 작용한다는 사실을 잘 보여주는 사례로 간주된다.

호라이즌 해연에 대한 고해상도 지형 조사는 DSSV 프레셔 드롭이라는 심해 탐사 지원 선박을 통해 수행되었다. 이 선박에는 Kongsberg사의 SIMRAD EM124 다중음향측심 시스템이 장착되어 있었으며, 이를 통해 정밀한 해저 지형 데이터가 수집되었다. 해당 자료는 국제 해저지도 제작 프로젝트인 GEBCO 해저지도 2030 이니셔티브에 기증되었으며, 이를 통해 호라이즌 해연은 전 지구적 심해 지형 정보의 정밀도 향상에 기여하게 되었다.

호라이즌 해연은 단순히 지구에서 가장 깊은 장소 중 하나라는 점 외에도, 판구조 경계의 극단적인 변형 양상, 심해 생태계의 적응 메커니즘, 해양지각의 열역학적 거동 등을 연구할 수 있는 지점이다.

호라이즌 해연에 대한 최초의 유인 잠수 탐사는 2019년 6월 10일에 이루어졌으며, 심해 유인 잠수정 DSV 리미팅 팩터를 이용하여 탐험가 빅터 베스코보가 해연의 저점에 도달하였다. 이는 호라이즌 해연을 인간이 직접 방문한 최초의 기록으로 남게 되었다.

이 잠수는 파이브 딥스 원정이라는 대규모 해양 탐사 프로젝트의 일부로 수행되었다. 파이브 딥스 원정은 세계 다섯 대양의 가장 깊은 지점을 직접 유인 잠수정을 통해 탐사하고, 해저 지형을 정밀하게 측량하여 전 지구적 해저 지도화를 추진하는 것을 목표로 하였다. 이 원정은 2018년부터 2019년 사이에 실행되었으며, 심해 기술과 인간의 탐사 능력이 결합된 전례 없는 시도로 평가된다.

탐사 준비 작업은 심해 잠수 지원선 DSSV 프레셔 드롭을 통해 진행되었다. 이 선박은 해저 지형 탐사를 위해 콘스버그 시브마드사의 EM124 다중빔 음향측심 장비를 탑재하고 있었으며, 호라이즌 해연을 포함한 통가 해구 일대의 광범위한 수심 조사를 실시하였다. 이 조사에서 확보된 수심 데이터는 GEBCO Seabed 2030 계획에 기증되었으며, 이는 2030년까지 전 지구의 해저를 정밀하게 지도화하는 국제 협력 프로젝트로, 국제 해양 과학계에서 중요한 의의를 지닌다.

본격적인 유인 잠수 탐사는 트리톤사에서 제작한 DSV 리미팅 팩터를 통해 이루어졌다. 이 잠수정은 2인용으로 설계된 구형 티타늄 선체를 중심으로 구성되어 있으며, 최대 작동 수심은 11,000 m를 넘는 것으로 알려져 있다. 탐사 당일, 빅터 베스코보는 이 잠수정에 탑승하여 호라이즌 해연의 저점까지 수직 하강하였고, 그 과정에서 수온, 염분, 압력을 정밀 측정할 수 있는 CTD 센서를 통해 직접 수압을 측정하였다. 측정된 수심은 약 10,823 m였으며, 오차 범위는 ±10 m로 계산되었다. 이 수치는 호라이즌 해연이 마리아나 해구에 이은 세계에서 두 번째로 깊은 해저임을 입증했으며, 남반구에서는 가장 깊은 해연이라는 점을 명확히 하였다.

이번 유인 탐사는 기술적 성취뿐만 아니라 과학적 의미도 컸다. 인간이 직접 접근하여 수집한 자료는 원격 장비로는 확보하기 어려운 해저 생물학, 지질학, 해양 물리학 등의 연구에 매우 중요한 기초 데이터를 제공하였고, 장비의 성능과 인류의 심해 탐사 능력의 한계를 극복했다는 점에서 학계와 산업계 모두에게 큰 의미를 부여하였다. 탐사 이후에도 리미팅 팩터와 프레셔 드롭은 다른 대양의 해연 탐사에 연이어 투입되었으며, 지구 심해 탐사의 중추적 기점으로 기능하였다. 이와 같은 유인 탐사는 해연 환경의 이해를 높이는 동시에, 해저 탐사 기술의 미래를 여는 이정표로 간주된다.

통가 해구와 라우 후열 분지 사이에 위치한 통가-케르마덱 융기대는 지질학적으로 독립적인 판 운동을 보이는 영역으로, 오스트레일리아판이나 태평양판에 직접적으로 속하지 않는다. 이 융기대는 다시 통가판, 케르마덱판, 니우아포우판 등 여러 개의 소규모 판으로 구성되며, 특히 통가판은 통가 해구를 직접적으로 접하고 있다. 이러한 독립적 판 운동은 일반적인 대륙판 경계와는 다른 독특한 지각 구조와 동역학적 특성을 만들어낸다.

통가-케르마덱 호-해구 구조는 전형적인 섭입대임에도 불구하고, 퇴적물을 축적하지 않는 비축적성 수렴 경계로 분류된다. 이 구조계는 확장 우세형 수렴 경계로, 해구에서 태평양 판이 서쪽 방향으로 활발하게 섭입되고 있으며, 이는 지구상에서 가장 빠른 판 운동 중 하나로 간주된다. 전통적인 수렴 속도는 연간 15cm 수준으로 평가되었으나, 북부 해구에서의 위성측지 측정 결과는 최대 24cm에 이르는 매우 빠른 섭입 속도를 보여준다. 이 같은 속도는 지구에서 가장 빠른 판 경계 이동 중 하나이며, 이로 인해 통가-케르마덱 호 구조계는 맨틀 내 지진활동이 가장 활발한 지점으로 여겨진다.

이 섭입 속도는 북쪽에서 남쪽으로 갈수록 점차 감소하는 경향을 보인다. 북부 통가 해구에서는 연간 24cm의 섭입 속도를 보이나, 남부 케르마덱 해구로 내려갈수록 그 속도는 약 6cm로 감소하며, 동시에 수렴 경향은 점차 사선으로 변한다. 이러한 변화는 판 경계의 기하구조뿐 아니라 해구 전면의 후열분 확장 속도와 밀접한 관련이 있다. 특히 북부 통가 해구에서 섭입 속도가 빠른 주요 원인 중 하나는 라우 분지에서의 지각 확장 속도가 줄어들었기 때문이다.

라우-콜빌 융기대에서의 지각 확장은 약 600만 년 전 신제3기 중기(미오세)에 시작되었으며, 이는 라우 분지와 하브레 해구의 개방을 유도하였다. 이 확장은 이후 남쪽으로 점차 전파되었으며, 현재는 통가 해구 전면에서 해양 지각이 생성되는 중심적인 확장 중심으로 발전하였다. 이로 인해 통가-케르마덱 해구 구조계에서는 해구 전면에서 새로운 해양지각이 생성되는 동시에, 해구 뒤편에서는 오래된 지각이 섭입되는 이중적인 작용이 동시에 진행되고 있다.

이러한 구조는 일반적인 해구와는 달리, 섭입대와 확장대가 매우 인접한 형태로 공존하고 있으며, 그 결과로 전 세계에서 가장 빠른 판 물질 순환 경로가 형성되었다. 또한 이 지역의 판 경계는 대규모 단층과 수직 및 사선 전단력이 혼재된 복잡한 변형 구조를 가지며, 깊은 해구와 활화산대가 함께 형성되어 판구조론의 정형적인 사례로 자주 인용된다.

통가-케르마덱 호 구조계는 또한 지각 내에서 발생하는 초심부 지진, 수렴과 확장의 경계에서 나타나는 복합적 마그마 활동, 그리고 열류량의 이상 분포 등 지구 내부 동력학을 연구하는 데 있어 핵심적인 관측지로 여겨진다. 특히 이 지역은 지각의 생성과 소멸이 동시에 일어나는 구조적 특성으로 인해, 지구 전체적인 판 순환 시스템과 맨틀의 대류 작용을 규명하는 데 있어 중요한 기초 자료를 제공한다.

통가 해구의 지진은 겉보기에는 표층에서의 판 충돌과 마찰에 의해 발생하는 특징으로 보인다. 그러나 이 지역의 지질 구조를 심층적으로 분석하면, 지표 아래 수백 km에 이르는 깊은 맨틀 영역에서 두 개 이상의 해양판이 상호 충돌하고 뒤얽히는 현상이 존재함이 확인된다. 이러한 현상은 일반적인 섭입 작용을 넘어서는 복합적인 판 구조 재편 과정으로, ‘맨틀 내 충돌 변형 작용’이라 부를 수 있다.

이 작용은 주로 태평양판과 오스트레일리아판이라는 두 해양판이 동시에 섭입되는 통가 해구 및 북피지 분지 하부의 심부에서 나타난다. 태평양판은 매우 오래되고 냉각된 해양 지각으로, 형성된 지 약 1억에서 1억 4,000만 년이 지난 것으로 추정된다. 이처럼 오래되고 단단한 판은 섭입 과정에서 많은 탄성 에너지를 저장할 수 있으며, 휘어짐과 압축에 의한 응력이 심부 지진을 유발한다. 특히 이 판은 깊이 약 600km 이상 맨틀 속으로 침강하면서 불연속적인 밀도 경계면에 도달하고, 이로 인해 구부러지거나 뒤틀리며 구조적으로 복잡한 형태로 변형된다.

북피지 분지 아래 약 500km 깊이에서는 오스트레일리아판의 절단된 섭입 조각이 태평양판과 충돌하는 현상이 지진파 분석을 통해 확인되었다. 이 절단 조각은 과거에 섭입되던 오스트레일리아판의 일부가 완전히 분리되어, 맨틀 내에서 다시 다른 섭입판과 충돌하는 형태로 나타난다. 이러한 충돌은 단순한 판의 중첩이나 휨을 넘어, 두 판이 660km 깊이의 맨틀 불연속면에서 직접적으로 압축되고 변형되는 작용으로 이어진다. 해당 충돌은 약 500만 년에서 400만 년 전, 라우 분지가 열리기 시작한 시점과 겹치며, 이 시기의 판 경계 재편과 밀접한 관련이 있다.

이와 같은 맨틀 내 충돌 변형 작용은 태평양판 내부에서도 심발 지진의 원인이 된다. 대다수의 대규모 지진은 판 경계의 마찰로 인해 발생하지만, 태평양판 내에서 발생하는 일부 지진은 판 자체가 맨틀 내에서 구부러지거나 끊어지는 과정에서 유도된다. 이는 전형적인 표층 섭입대 지진과는 달리, 깊이 400km 이상에서 발생하는 심발 지진으로 기록되며, 판 내부의 복잡한 응력 분포와 에너지 방출 과정을 보여주는 중요한 사례다.

또한 통가 해구와 그 주변 섭입대는 단순히 판의 종말 지점이 아니라, 지각 물질이 맨틀로 재순환되는 경로이자, 새로운 지각 구조가 형성되는 전환대이기도 하다. 섭입대에서는 맨틀에서 기원한 마그마가 상승해 섬호를 형성하고, 동시에 해양 지각과 퇴적물의 일부는 상부 지각에 부착되거나 재용해되어 대륙지각의 기초 재료로 전환된다. 이러한 작용은 지표면에서 대륙이 성장하는 데 중요한 과정을 이룬다.

따라서 맨틀 내 충돌 변형 작용은 단순히 지진 발생의 원인으로만 이해할 수 없으며, 지구 내부의 동역학적 구조 재편, 섭입 과정의 진화, 그리고 대륙지각 형성과 같은 지질학적 흐름을 총체적으로 설명하는 핵심 개념이다. 특히 이 작용이 집중적으로 나타나는 통가 해구 일대는 지구 내부 깊은 곳에서의 판 상호작용이 지표 지질 구조에 어떤 영향을 미치는지를 살펴볼 수 있는 전 지구적 관측소 역할을 한다.

통가 해구 자체는 태평양판이 통가판 아래로 가파르게 섭입하는 활발한 해구 구조지만, 북쪽으로 올라가면서 해구는 점차 방향을 서쪽으로 틀며 단일한 섭입 경계의 성격을 잃고, 점진적으로 복합적인 판 경계 구조로 변모한다. 이 구간은 단순한 섭입에서 주향이동 운동으로 전환되는 과정을 보여주는 곳으로, 판 운동의 성격이 급격히 달라진다. 이와 같은 판 운동의 전환은 좁은 단층선 하나로는 설명될 수 없고, 약 100km에 이르는 넓은 폭의 전이 영역 안에서 수많은 미소단층과 국소적 지각 변형이 병존하는 것으로 나타난다.

이 전이대를 구성하는 핵심 지점은 이른바 ‘망가톨루 삼중 접합부’로, 세 개의 해저확장 중심이 만나면서 지질 활동이 집중된다. 이 삼중 접합부는 지속적인 지각 변형과 강력한 화산 활동을 동반하고 있으며, 인근의 홈 리프와 같은 해저 화산은 이 지점의 화산열 공급체계를 잘 보여주는 사례다. 또한 이 삼중 접합부는 통가 해구와 라우 분지 북부를 연결하는 핵심 경계로 작용하며, 통가 능선과 태평양판, 오스트레일리아판이 동시에 맞물려 있는 구조적 삼각대를 형성하고 있다.

망가톨루 삼중 접합부 북쪽으로는 북동 방향으로 뻗는 해저확장 중심이 존재하는데, 이는 ‘북동 라우 해저확장 중심’으로 불린다. 이 확장 중심은 라우 분지 북부의 주요 확장 축 중 하나로, 푸투나 확장 중심, 북서 라우 확장 중심과 함께 활동하며 라우 미소판을 둘러싼 복합적인 확장 구조를 형성한다. 이 확장 중심에서는 중심부에서 최대 연간 94 mm에 이르는 확장 속도가 측정되며, 이는 전 지구적으로도 높은 수치에 속한다. 그러나 확장 중심의 양단에서는 확장 속도가 급격히 줄어드는 비대칭적 양상을 보인다. 전체적으로 통가판과 오스트레일리아판 사이에서 발생하는 확장 운동의 속도는 연간 157mm로 나타나는데, 이를 설명하기 위해서는 라우 미소판 외에도 다수의 국지적 판 구조 또는 변형대가 존재해야 함을 시사한다.

해저확장 중심의 구조는 일반적인 느린 확장 해령과 유사하게, 좁고 밀집된 능선과 함몰 지형이 반복되는 형태로 나타난다. 이는 맨틀에서 마그마가 천천히 공급되는 환경에서 형성되는 지각 구조로, 북동 라우 확장 중심의 깊은 맨틀 구조 역시 사모아 열점의 영향을 일정 부분 받고 있는 것으로 분석된다.

이 일대는 과거의 해양 판 구조 역시 암시한다. 통가 해구가 북동쪽으로 60도 가까이 굽어지는 구간 너머, 태평양판의 해저에는 수많은 동서 방향의 평행 선형 구조가 존재한다. 이는 활동을 멈춘 고대 해저확장 중심의 흔적으로, 현재의 통가 해구보다 오래된 판 생성 경계였던 시기를 암시한다.

태평양판의 서쪽 경계에서는 통가 해구가 남위 26도 부근에서 루이빌 해령과 직접적으로 충돌하고 있다. 루이빌 해령은 북태평양의 하와이- 황제 해저 산열과 유사한 방향으로 형성된 일련의 평정 해산과 침강된 화산 구조물들로 이루어져 있으며, 오랜 기간 태평양판 위를 서쪽으로 이동해왔다.

이 해령은 해구와 만나는 각도가 정면이 아니라 비스듬한 사행 경로를 따라 진입하고 있다. 이러한 비스듬한 충돌 양상은 해령이 남쪽으로 점진적으로 이동하는 결과를 초래하며, 이동 속도는 연간 약 18cm에 이른다. 이와 같은 이동은 단지 지형상의 접촉이 아니라, 해양판과 섭입대가 충돌하는 역동적인 지각 구조 변화를 수반하며, 이와 맞물려 라우 해분의 해령 또한 남쪽으로 동일한 속도로 확장 중이다.

이 충돌 구간은 통가 해구와 케르마덱 해구 사이의 연결 지점을 약 50km 북서쪽으로 밀어내는 역할을 하며, 두 해구 사이에 구조적 불연속면을 형성한다. 특히 통가 해구의 남부에서는 루이빌 해령이 섭입되면서 앞쪽 전호 지대에 강한 침식을 유발하고 있으며, 이로 인해 해구의 경사는 더욱 급격하게 깊어지고 있다. 이러한 과정은 통가 해구가 세계에서 두 번째로 깊은 해구로 자리 잡게 된 주요 요인 중 하나로 여겨진다.

가장 오래된 루이빌 해령의 해산 중 하나인 오스번 해산은 통가 해구의 경계에서 매우 특이한 지형을 이루고 있다. 이 해산은 과거 평탄한 정상을 가졌으나 현재는 해구 방향으로 기울어진 상태로, 섭입 직전의 해산이 어떤 물리적 변화를 겪는지를 보여주는 사례이다. 오스번 해산의 서측에 위치한 단층 지대는 해구의 수심을 주변보다 약 3,000m 얕아지게 하며, 반면 그에 인접한 전호 지대는 약 300m 융기되어 복잡한 해저 협곡들이 나타나 있다. 이 구조는 단층 활동과 해산 융기에 따른 지각 변형의 결과로 해석된다.

이 지역에서 주목되는 또 하나의 현상은, 루이빌 해령이 섭입되고 있는 구간에서 지진 활동이 거의 발생하지 않는다는 점이다. 이는 이른바 ‘루이빌 간극’이라 불리는 저지진대와 관련되어 있으며, 이 구간에서는 일반적인 섭입대에서 흔히 나타나는 규모 큰 지진이 관측되지 않는다. 과학자들은 이 현상이 해산이 단층 파열을 방해하거나 응력을 분산시키는 역할을 하기 때문이라고 보지만, 아직 그 정확한 작동 원리는 밝혀지지 않았다.

지화학 분석에 따르면 루이빌 해령의 일부는 약 400만 년 전부터 본격화된 섭입 과정을 시작한 것으로 보이며, 이로 인해 통가-케르마덱 화산호 아래로 이질적인 맨틀 물질이 유입되고 있다. 지진파 분석 결과에서는 섭입 경계에 따라 남쪽 방향으로 흐르는 맨틀의 이동이 확인되었으며, 이는 통가 해구 서측의 맨틀이 점차 인도-오스트레일리아판 기원의 물질로 대체되고 있다는 사실을 시사한다.

루이빌 해령과 통가 해구의 충돌은 단순한 해산의 섭입이 아니라, 섭입대 구조, 해저 지형, 마그마 생성, 지진 활동 등 여러 지질학적 요소에 영향을 미치는 복합적 과정이다. 이 충돌대는 해양판의 이동과 해구의 진화, 그리고 섭입대 주변 맨틀의 재편 과정까지 파악할 수 있는 중요한 자연 실험실로 평가받고 있다.