맨틀
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1. 개요
맨틀은 지구 내부의 지각과 핵 사이에 위치하며, 약 7km에서 2,900km 깊이까지 층상 구조를 이룬다. 상부 맨틀은 감람암을 주성분으로 하며, 전이대를 거쳐 하부 맨틀로 이어진다. 맨틀의 물리적 성질은 온도와 압력에 따라 변화하며, 긴 시간 척도에서는 유체처럼 변형되는 점성을 가진다. 맨틀 대류는 지구 표면의 판 이동을 일으키는 주요 원동력이다. 맨틀 탐사는 직접 시추와 간접 탐사를 통해 이루어지며, 지구 외 다른 천체에서도 맨틀의 존재가 추정된다.
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대륙 지각은 해양 지각보다 두껍고 밀도가 낮은 지구 지각의 일부로, 지구 표면적의 약 41%를 차지하며, 맨틀 유래 용융체의 분별 결정 작용과 기존 지각의 재용융을 통해 형성되어 육지 환경과 생물 진화에 필수적인 역할을 하였다. - 지구의 구조 - 해양 지각
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| 맨틀 | |
|---|---|
| 지구 맨틀 지도 정보 | |
| 기본 정보 | |
| 질량 | 4.01e+24 kg |
| 두께 | 2900 km (1800 mi) |
| 구성 | |
| 주성분 | 규산염 암석 |
| 특징 | |
| 위치 | 지구의 지각과 외핵 사이 |
| 상태 | 고체이지만, 유동성이 있음 |
| 역할 | 지구 내부 열 전달 및 지각 변동에 영향 |
| 추가 정보 | |
| 관련 링크 | PDS/PPI 홈 페이지 |
| 관련 링크 | NASA 태양계 탐사: 지구 |
| 관련 링크 | 우주 오늘: 지구 맨틀의 구성 |
2. 지구의 맨틀 구조
지구의 맨틀은 지각과 핵 사이에 위치하는 층으로, 깊이에 따라 구조와 구성 물질이 달라진다. 지구 맨틀은 크게 상부 맨틀, 전이대, 하부 맨틀, 그리고 D'' 층으로 나뉜다.[6] 각 층은 지진파 속도의 변화와 광물 조성의 차이에 따라 구분된다.
암석권 아래, 지각-연약권 경계에 의해 분리되는 연약권은 250km 아래까지이며, 열대류에 의하여 열이 전달된다. 연약권에서는 지진파의 속도가 약간 감소하기 때문에 저속도층이라고 부른다. 해양 지각 아래에 있는 지각의 두께는 약 100km인 반면, 대륙 지각 아래에 있는 지각의 두께는 일반적으로 150km에서 200km이다.[5]
4.지권, 5.연약권
지구의 경우, 대륙 지역에서는 지표 약 30~70km부터, 해양 지역에서는 해저면 아래 약 7km부터 약 2,900km까지의 범위를 가리킨다. 지각은 대륙 지각이나 해양 지각과 같은 차이가 있지만 지표면으로부터 지하 약 5~60km의 두께를 가지고 있으며, 맨틀은 그 하층에 위치하고 있다.
지구의 맨틀과 지각의 경계는 모호로비치치 불연속면(약칭 모호면)이라고 불린다. 지진파가 모호면을 통과할 때에는 밀도의 차이로 인해 속도가 급변하고 각도에 따라 굴절된다. 지각 직하의 맨틀은 물리적으로 지각과 일체화되어 있지만, 동시에 모호면이라는 경계가 관측되는 것이다. 맨틀의 아래쪽 경계는 구텐베르크 불연속면이라고 불리며, 외핵과의 경계를 이룬다.
지구의 상부 맨틀은 감람암을 주성분으로 하는 암석으로 구성되어 있으며, 맨틀 내에서 화학적 조성에 큰 차이가 없다는 설과 상부 맨틀과 하부 맨틀이 다르다는 설이 대립하고 있지만, 현재는 지진파 관측 및 분석의 정확도가 향상되고 고온고압 물성 물리학도 크게 발전함에 따라 층상 구조를 이루고 있다는 설이 주류를 이루고 있다.
깊이가 깊어짐에 따라 온도와 밀도 모두 증가하지만, 특히 밀도는 광물의 상전이에 의해 불연속적으로 증가한다. 410km, 520km, 660km, 2700km 지점에 지진파의 불연속면이 있으며, 이것이 상전이의 경계로 여겨진다.
또한, 맨틀을 역학적 성질로 분류하면, 상부부터 지각과 함께 리소스피어, 애스테노스피어, 메소스피어로 분류된다.[39] 리소스피어는 지각을 포함한 맨틀 상부의 층으로, 온도와 밀도가 낮고, 강성도 높다. 그 하면은 60~100km 지점에 있다. 리소스피어는 플레이트테크토닉스에서 플레이트에 거의 상당하는 부분으로, 지표면을 이동하고 있다. 애스테노스피어는 리소스피어와 메소스피어 사이에 있는 층으로, 100~300km 사이에 있다. 지진파의 저속도 영역이며, 물질이 부분 용융되어 유동성을 가지고 있다. 저속도 영역만이 애스테노스피어로 간주되지만, 경우에 따라 하한을 660km 면으로 생각하는 설도 있다. 메소스피어는 맨틀의 대부분을 차지하며, 높은 강성을 가진 고체로 생각된다.
2. 1. 상부 맨틀
상부 맨틀은 모호로비치치 불연속면(모호면)에서 시작하여 약 410km 깊이까지의 영역이다.[7] 모호면은 1909년 안드리야 모호로비치치가 발견한 경계면으로, 이 곳에서 지진파 속도가 급격히 증가한다.[8][9]상부 맨틀은 주로 감람암으로 구성되어 있으며, 감람석, 단사휘석, 사방휘석 등의 광물이 포함되어 있다.[10] 또한, 알루미늄을 함유한 광물도 존재하는데, 깊이에 따라 사장석, 스피넬, 석류석 순으로 나타난다.[10] 약 100km 깊이 아래에서는 석류석이 나타나며, 휘석은 점차 안정성이 낮아져 마조라이트로 변환된다.[11]
상부 맨틀의 최상부는 지각과 함께 판을 구성하며, 이 판은 연약권 위에서 이동한다. 이러한 판의 이동은 대륙 이동과 해저 확장을 일으키는 주요 원인이다.
2. 2. 전이대
전이대는 약 410km에서 660km 깊이까지이며, 맨틀 상부와 맨틀 하부 사이의 중간 영역이다.[6] 이 영역에서는 감람석이 고압 환경에서 와즈레이트와 링우다이트로 변환되는 상전이가 일어난다. 전이대는 상당량의 물을 포함하고 있을 가능성이 제기되고 있다.2. 3. 하부 맨틀
하부 맨틀은 약 660km에서 2891km 깊이까지이며, 지구 맨틀의 가장 큰 부분을 차지한다.[6] 이 깊이에서는 압력이 23.4 GPa를 넘는다.[40] 하부 맨틀은 주로 브리지마나이트와 포스트페로브스카이트로 구성된다.660km 불연속면은 상부 맨틀과 하부 맨틀의 경계이며, 이 경계를 넘어가면 광물 구성이 달라진다. 스피넬상 구조의 감람석은 마그네시오우스타이트(Mg,Fe)O와 고밀도 구조의 페로브스카이트 MgSiO₃으로 분해된다.[40] 브리지마나이트는 약 660km에서 2685km까지, 포스트페로브스카이트는 약 2685km에서 2891km까지 안정적으로 존재한다.[6] 2700km 이후의 맨틀 최하부는 D″층이라고도 불리며, 페로브스카이트상보다 고밀도인 포스트페로브스카이트상으로 되어 있다. 포스트페로브스카이트상은 2004년에 발견되었다.[40]
맨틀 하부의 아래쪽 약 200km는 D" (D-더블 프라임) 층을 구성하며, 이는 지진파 특성이 비정상적인 영역이다. 이 영역에는 대규모 저전단속도 영역과 초저속도대가 포함된다.[6] 핵 경계 부근의 구조는 불명확한 부분이 많고, 하부 맨틀 층의 심부에서 핵에 접하고 있는 부분은 얇은 층이 용융되어, 이 용융 부분에서 맨틀 플룸이 상승하고 있다는 설이 있다.[41]
2. 4. D'' 층
맨틀 하부의 아래쪽 약 200km 영역은 D'' (D-더블 프라임) 층이라고 불리는 특이한 영역이다. 이 영역은 지진파 특성이 주변과 다르며, 대규모 저전단속도 영역과 초저속도대를 포함한다.[6]지구 내부 지진파 영상 분석 결과, 최하부 맨틀에는 대륙 크기의 저속도 지진파 이상대 두 곳이 발견되었다. 이 지역들은 주변 맨틀보다 밀도가 높고 조성이 다를 가능성이 있으며, 달 형성 거대 충돌 이후 남은 테이아 맨틀 물질의 잔해일 수 있다는 가설이 제기되었다.[15]
D'' 층은 포스트페로브스카이트상으로 구성된다. 이는 페로브스카이트상보다 더 고밀도이며, 2004년에 발견되었다. 핵 경계 부근의 구조는 아직 불분명한 부분이 많지만, 하부 맨틀 심부에서 핵과 맞닿은 얇은 층이 용융되어 맨틀 플룸이 상승한다는 가설이 있다.[41]
3. 맨틀의 구성 성분
지구의 맨틀은 지진파 속도의 급격한 변화에 의해 정의되는 세 개의 주요 층으로 나뉜다.[6]
- 맨틀 상부: 모호면에서 시작하여 약 410km까지이다. 모호면은 지표면 아래 약 7km에서 35km 사이에 위치한다.[7]
- 전이대: 약 410km에서 660km 깊이에 해당하며, 와들레이트(≈ 410km에서 520km)와 링우다이트(≈ 525km에서 660km)가 안정적으로 존재한다.
- 맨틀 하부: 약 660km에서 2891km 깊이에 해당하며, 브리지매나이트(≈ 660km에서 2685km)와 포스트 페로브스카이트(≈ 2685km에서 2891km)가 안정적으로 존재한다.
전이대 상부에서 감람석은 와즈레이트와 링우다이트로 동질다상 변환을 일으킨다. 명목상 무수 감람석과 달리, 이러한 고압 감람석 다형체는 결정 구조에 많은 양의 물을 저장할 수 있어 전이대가 많은 양의 물을 포함하고 있을 수 있다는 가설이 제기되었다.[12] 전이대 하부에서 링우다이트는 브리지매나이트(이전에는 마그네슘 규산염 페롭스카이트라고 불림)와 페로페리클라스로 분해된다. 석류석 또한 전이대 하부 또는 그 약간 아래에서 불안정해진다.[13]
맨틀 하부의 아래쪽 약 200km는 D" (D-더블 프라임) 층을 구성하며, 이는 지진파 특성이 비정상적인 영역이다. 이 영역에는 대규모 저전단속도 영역과 초저속도대가 포함된다.
맨틀 조성에 대한 대부분의 추정치는 최상부 맨틀만을 표본으로 하는 암석을 기반으로 한다. 나머지 맨틀, 특히 하부 맨틀이 같은 전체 조성을 가지고 있는지에 대한 논쟁이 있다.[18] 맨틀의 조성은 해양 지각과 대륙 지각을 형성하기 위해 고화된 마그마의 추출로 인해 지구 역사를 통해 변화해왔다.
2018년 연구에 따르면, 압력이 가해진 물 방울을 포함하는 다이아몬드가 상승하면서 물이 얼음 VII로 형성되는 데 필요한 조건으로 냉각될 때, 맨틀에서 초임계수로부터 얼음 VII라는 이국적인 형태의 물이 형성될 수 있다고 제안되었다.[19]
3. 1. 상부 맨틀
상부 맨틀은 모호면 또는 "모호"라고 불리는, 안드리야 모호로비치치가 1909년에 처음 발견한 지진파 속도의 급격한 증가로 정의되는 경계면에서 시작한다.[8][9] 상부 맨틀은 모호면에서 시작하여 약 7km에서 35km 아래에서 410km까지의 깊이에 해당한다.[7]상부 맨틀은 주로 페리도타이트라는 암석으로 구성되어 있으며, 감람석, 단사휘석, 사방휘석, 그리고 알루미늄을 함유한 광물들로 이루어져 있다. 알루미늄을 함유한 광물은 최상부 맨틀에서는 사장석이고, 그 아래에서는 스피넬이며, 약 100km 아래에서는 석류석이다.[10] 상부 맨틀을 따라 점차적으로 휘석은 안정성이 낮아지고 마조라이트로 변환된다.[11]
상부 맨틀의 화학 조성은 접근이 어렵기 때문에 정확하게 결정하기는 어렵다. 맨틀 암석이 드물게 노출되는 곳은 오피올라이트인데, 여기서는 해양 지각의 일부가 대륙으로 섭입된 곳이다. 맨틀 암석은 또한 현무암이나 킴벌라이트 내부의 포획암으로 채취되기도 한다.[16]
다음은 지구 상부 맨틀의 조성(고갈된 MORB)을 나타낸 표이다.[16][17]
| 화합물 | 질량 백분율 |
|---|---|
| SiO2 | 44.71 |
| MgO | 38.73 |
| FeO | 8.18 |
| Al2O3 | 3.98 |
| CaO | 3.17 |
| Cr2O3 | 0.57 |
| NiO | 0.24 |
| MnO | 0.13 |
| Na2O | 0.13 |
| TiO2 | 0.13 |
| P2O5 | 0.019 |
| K2O | 0.006 |
다음은 상부 맨틀의 구성 원소를 나타낸 표이다.[47][48]
링우드(A. E. Ringwood, 1963) 등은 상부 맨틀이 다나이트와 현무암이 3:1의 비율로 혼합된 파이롤라이트(pyrolite)라는 가상적인 암석으로 구성되어 있으며, 이 물질이 분별 용융을 일으키면 현무암질 마그마가 생성된다고 생각했다.[42][43]
3. 2. 하부 맨틀
하부 맨틀은 주로 브리지매나이트와 페로페리클라스로 구성되며, 소량의 칼슘 페롭스카이트, 칼슘-페라이트 구조의 산화물, 그리고 스티쇼바이트가 포함된다. 맨틀 최하부 약 200km에서는 브리지매나이트가 동질다상 변환을 거쳐 포스트-페롭스카이트가 된다.[14]하부 맨틀의 구성에 대해서는 여러 설이 있다. 상부 맨틀과 같은 다나이트와 현무암이 3:1의 비율로 혼합된 파이롤라이트(pyrolite)의 구성을 유지하고 있다는 설[44][45]과, 화학 조성이 달라 이산화규소 성분이 더 풍부한 페로브스카이트 상(MgSiO3)을 주성분으로 한다는 설[46]이 대립하고 있다. 전자의 경우 맨틀은 태양계의 원소 조성에 가까운 CI 콘드라이트보다 규소가 고갈되어 있는 것이 되고, 후자의 경우 원시적인 운석인 C1 콘드라이트의 화학 조성과 일치하지만, 맨틀은 2층 대류로 상부와 하부의 물질 혼합이 일어나기 어려운 구조를 지지한다.
4. 맨틀의 물리적 성질
지구의 맨틀은 지진파 속도의 급격한 변화에 의해 정의되는 세 개의 주요 층으로 나뉜다.[6]
- 맨틀 상부: 모호면 또는 지각 기저부에서 시작하여 약 7km 아래에서 410km까지[7]
- 전이대: 약 410km–660km. 와들레이트 (≈ 410km–520km)와 링우다이트 (≈ 525km–660km)가 안정적으로 존재한다.
- 맨틀 하부: 약 660km–2891km. 브리지매나이트 (≈ 660km–2685km)와 포스트 페로브스카이트 (≈ 2685km–2891km)가 안정적으로 존재한다.
맨틀 하부 아래쪽 약 200km에는 D" (D-더블 프라임) 층이 있는데, 이 영역은 지진파 특성이 비정상적이다. 대규모 저전단속도 영역과 초저속도대가 이 영역에 포함된다.
맨틀의 물성값은 아래 표와 같다.[54] 유체역학 등이 맨틀 유동 연구에 활용되지만, 물성값 중 특히 점성(일반적인 유체와 비교했을 때)의 특이성 때문에 CFD 등을 이용한 해석이 어렵다.
| 물성 | 값 | 비고 |
|---|---|---|
| 열팽창률 | K−1 | |
| 열확산율 | m2/s | |
| 정압비열 | J/kg K | |
| 밀도 | 3.3–5.6 kg/m3 | 깊이에 따라 상하 약 65% 차이 |
| 체적탄성률 | 100–600 GPa | |
| 점성률 | – Pa s | 100 K 온도 변화로 1자릿수 감소 |
| 동점성률 | – m2/s | |
| 프란틀 수 | 약 | |
| 응력완화시간 | 10년 – 10만 년 |
지구 맨틀 상부는 점성학적으로 두 개의 주요 층으로 나뉜다. 단단한 지각(가장 위쪽 맨틀(지각맨틀) 포함)과 지각-연약권 경계에 의해 분리되는, 더욱 가소성이 큰 연약권이다. 해양 지각 아래 지각 두께는 약 100km인 반면, 대륙 지각 아래에서는 일반적으로 150km에서 200km 사이이다.[5] 지각과 함께 판을 구성하며, 연약권 위에서 이동한다. 맨틀은 연약권 아래에서 다시 상대적으로 단단해진다.
4. 1. 온도와 압력
맨틀의 온도는 지각과의 상부 경계에서 약 500,000에서 핵-맨틀 경계에서 약 4,200,000까지 다양하다.[20] 맨틀의 온도는 맨틀 상부와 하부의 열 경계층에서 급격히 증가하고, 맨틀 내부를 통해 점진적으로 증가한다.[21] 더 높은 온도는 지표면에서 맨틀 암석의 녹는점(대표적인 페리도타이트의 경우 약 1,500,000)을 훨씬 초과하지만, 맨틀은 거의 전적으로 고체이다.[22] 맨틀에 가해지는 엄청난 암석정역학적 압력은 압력이 증가함에 따라 용융이 시작되는 온도(고상선)가 증가하기 때문에 용융을 방지한다.맨틀의 압력은 모호면에서 수백 메가파스칼에서 핵-맨틀 경계에서 139GPa까지 증가한다.[20] 깊이가 깊어짐에 따라 온도와 밀도 모두 증가하지만, 특히 밀도는 광물의 상전이에 의해 불연속적으로 증가한다. 410km, 520km, 660km, 2700km 지점에 지진파의 불연속면이 있으며, 이것이 상전이의 경계로 여겨진다. 이 중에서 660km 불연속면은 명확하며, 이를 경계로 상부맨틀과 하부맨틀로 나뉜다. 광물상에 의한 분류는 상부부터 감람석(α상), 변형 스피넬상(β상, 워즈레이아이트라고도 함), 스피넬상(γ상, ringwoodite|링우다이트영어라고도 함), 페로브스카이트상, 포스트페로브스카이트상(D″층(디 더블 프라임)이라고도 함)으로 이루어져 있다. 맨틀 구성 물질은 이 경계를 이동할 때마다 상전이를 일으켜 결정 구조가 변화하고, 밀도도 변화한다.
660km 이후의 페로브스카이트상 층에서는 압력이 23.4GPa를 넘는다.[40]
맨틀의 물성값은 아래 표와 같다고 여겨진다.
| 물성 | 값 | 비고 |
|---|---|---|
| 열팽창률 | K−1 | |
| 열확산율 | m2/s | |
| 정압비열 | J/kg K | |
| 밀도 | 3.3–5.6 kg/m3 | 깊이에 따라 상하 약 65%의 차이가 있다고 여겨진다. |
| 체적탄성률 | 100–600 GPa | |
| 점성률 | – Pa s | 100 K의 온도 변화로 1자릿수 감소한다. |
| 동점성률 | – m2/s | |
| 프란틀 수 | 약 | |
| 응력완화시간 | 10년 – 10만 년 |
4. 2. 점성
맨틀의 점성은 1019 Pa·s에서 1024 Pa·s 사이에서 변하는 것으로 생각된다. 맨틀의 점성은 깊이와 함께 증가하는 경향을 보이나 그 관계가 비선형적이고, 특히 상부 맨틀과 핵과의 경계 부분에서는 점성이 심하게 낮아지는 층도 있다.[54] 상부 맨틀의 상대적으로 낮은 점성 때문에 300km보다 깊은 곳에서는 지진이 일어나지 않을 것으로 생각할 수 있다. 하지만 섭입대에서는 차가운 암석권의 물질이 깊은 곳으로 내려가고 있기 때문에 온도 구배가 낮아지고, 주위 맨틀의 강도가 높아져 670km 깊이에서도 지진이 일어날 수 있다.4. 3. 맨틀 대류
지구 표면과 외핵 사이의 온도 차이, 그리고 고온 고압 조건에서 암석이 수백만 년에 걸쳐 느리게 변형될 수 있는 능력 때문에 맨틀에서는 대류 현상이 일어난다.[8] 뜨거운 물질은 맨틀 플룸을 통해 상승하고, 차갑고 무거운 물질은 섭입대라고 불리는 수렴판 경계에서 하강한다. 플룸이 있는 곳의 지표면은 고도가 높고 열점 화산 활동이 나타난다. 이러한 화산 활동은 지각의 수동적인 신장에 의해 마그마가 표면으로 분출되는 것으로 설명되기도 한다.[23]
맨틀 대류는 유체 역학 관점에서 혼돈 과정이며, 판 운동의 핵심적인 부분으로 여겨진다. 이는 대륙의 지각 성분 이동만을 다루는 대륙 이동과는 다르다. 침강하는 지각이 맨틀 대류의 필수 요소이므로, 지권과 그 아래 맨틀의 움직임은 연결되어 있다. 관측되는 대륙 이동은 해양 지각 침강의 원인이 되는 힘과 지구 맨틀 내 움직임 사이의 복잡한 관계이다.
깊이가 깊어질수록 점성이 커지는 경향이 있지만, 이 관계는 선형적이지 않으며, 특히 상부 맨틀과 핵 경계에서 점성이 급격히 감소하는 층이 나타난다.[24] 핵-맨틀 경계 위 약 200km의 맨틀은 얕은 깊이의 맨틀과 다른 지진파 특성을 가지는데, 이 영역을 '''D'''("D 더블 프라임")이라고 한다.[25] '''D'''는 섭입된 판의 물질이나 페로브스카이트에서 발견된 새로운 광물인 포스트-페로브스카이트로 구성될 수 있다.
얕은 곳의 지진은 단층의 결과이지만, 약 50km 아래에서는 고온 고압 조건이 지진 활동을 억제한다. 그러나 섭입대에서는 670km까지 지진이 관측되는데, 이를 설명하기 위해 탈수, 열 폭주, 상변화 등 여러 메커니즘이 제안되었다. 차가운 물질이 하강하는 곳에서는 지열 기울기가 낮아져 주변 맨틀의 강도가 증가하고, 400km에서 670km 사이 깊이에서 지진이 발생할 수 있다.[26]
5. 맨틀 탐사
맨틀 탐사는 지구 내부 구조와 진화를 이해하기 위한 중요한 연구 분야이다. 맨틀 탐사는 상대적으로 얇은 해양 지각에 비해 훨씬 두꺼운 대륙 지각 때문에 일반적으로 육지가 아닌 해저에서 수행된다.
최초의 맨틀 탐사 시도인 모홀 프로젝트는 반복적인 실패와 예산 초과로 1966년에 중단되었다. 2005년 해양 시추선 조이데스 레졸루션(JOIDES Resolution)호는 해저 아래 1416m까지 시추하였다. 2023년에는 아틀란티스 해산을 수백 미터 시추한 후 상부 맨틀의 암석으로 보이는 코어를 회수했다. 시추공은 최대 1268m 깊이에 도달했으며, 주로 감람암으로 구성된 886미터의 암석 샘플을 회수했다.
2007년 3월 5일, RRS 제임스 쿡(RRS James Cook)호에 탑승한 과학자 팀은 대서양 해저에서 지각이 없는 노출된 맨틀 지역(카보베르데 제도와 카리브해 사이 중간 지점)으로 항해를 시작했다. 노출된 지역은 해수면 아래 약 3km에 위치하며 수천 평방킬로미터에 걸쳐 있다.[30][31]
2005년에는 지구 최상층 수백 킬로미터를 탐사하는 새로운 방법이 제안되었는데, 이는 작고, 밀도가 높고, 열을 발생시키는 탐침으로 구성되어 있으며, 암석에서 생성되는 음향 신호를 통해 위치와 진행 상황을 추적하면서 지각과 맨틀을 녹여 내려간다.[33] 이 탐침은 직경 약 1미터의 텅스텐 외구와 방사성 열원으로 작용하는 코발트-60 내부로 구성된다.
컴퓨터 시뮬레이션을 통해 맨틀의 진화를 연구하여 탐사를 지원할 수도 있다. 2009년, 슈퍼컴퓨터 응용 프로그램은 45억 년 전 맨틀이 형성될 당시 특히 철 동위원소의 광상 분포에 대한 새로운 통찰력을 제공했다.[35]
5. 1. 직접 탐사
과거 모홀 프로젝트와 같은 맨틀 시추 시도가 있었으나, 기술적 어려움과 비용 문제로 1966년에 중단되었다.[29] 당시 시추 깊이는 고작 180미터에 불과했다. 1968년부터 1983년까지 운영된 심해 시추 계획(DSDP)은 해저 확장 가설을 뒷받침하고 판구조론 이론을 증명하는 데 기여했다.[29] 현재는 해양연구개발기구(JAMSTEC)가 심해저 시추선 지큐를 이용하여 2020년대 전반에 맨틀 시추 및 시료 직접 채취를 목표로 하고 있다.[50]이 외에도 JAMSTEC은 시즈오카 대학, 니가타 대학, 가나자와 대학과 함께 국제 육상 과학 시추 계획(ICDP)에 참가하고 있다. 과거 지각 변동으로 지표 근처에 솟아오른 맨틀이 포함된 오피올라이트를 중동 오만에서 채취하여 지큐호 내부로 운반하여 분석하고 있다.[51] 오피올라이트[52], 킴벌라이트 등 지표에 분출된 것을 통해서도 맨틀 상부 및 하부 물질에 대한 연구가 진행되고 있다.
5. 2. 간접 탐사
지진파 토모그래피를 이용하여 지구 내부의 밀도 분포를 추정하고, 맨틀의 구조를 파악하는 연구가 활발히 진행되고 있다.[53][46] 이와 더불어 고압 실험을 통해 맨틀의 조건을 재현하고, 광물의 상전이와 물성 변화를 연구하는 실험도 수행되고 있다.[53][46]기존의 지하 직접 탐사는 콜라반도 초심도 시추공(소련)이나 국제 심해 시추 계획 등에서 이루어졌으나, 도달 깊이가 지각에 머물렀다. 따라서 맨틀이나 그 아래 구조는 지진파의 전파 방식 등을 통해 간접적으로 추측하여 조사해 왔다.[49]
해양연구개발기구(JAMSTEC)는 시즈오카 대학, 니가타 대학, 가나자와 대학과 함께 국제 육상 과학 시추 계획(ICDP)에 참가하고 있다. 이들은 과거 지각 변동으로 지표 근처에 솟아오른 맨틀이 포함된 오피올라이트를 중동 오만에서 채취하여 분석하고 있다.[51]
맨틀 상부 물질은 오피올라이트[52]와 같이 조산 운동 등에 의해 지표에 나타난 경우가 있으며, 맨틀 하부 물질은 킴벌라이트처럼 지표에 분출된 것이 발견되기도 한다.
6. 지구 외 다른 천체의 맨틀
지구형 행성이나 큰 암석 위성은 지구와 비슷한 맨틀을 가지고 있을 것으로 추정된다. 금속핵의 비율이 높다고 여겨지는 수성의 맨틀은 지구와 비교하여 산화철의 비율이 적고, 황의 함량이 많을 것으로 추정된다.[55] 반대로, 화성의 맨틀은 산화철의 함량이 많을 것으로 추정된다.[56]
목성형 행성은 핵의 바깥쪽에 금속성 수소의 맨틀을 가지고 있으며, 그 바깥쪽에는 액체 수소층이 있을 것으로 추측된다. 천왕성형 행성은 핵의 바깥쪽에 물, 암모니아, 메탄의 얼음으로 이루어진 맨틀이 있으며, 그 바깥쪽에는 수소와 헬륨층이 있을 것으로 추정된다. 다만, 이러한 층이 맨틀이라고 불리는 경우는 비교적 적다.
큰 얼음 위성이나 태양계 외곽 천체 중에는 얼음과 암석의 2층으로 이루어져 있다고 추측되는 것들이 있다. 이 경우, 중심부의 암석층을 핵, 주변부의 얼음층을 맨틀이라고 부른다. 에우로파나 가니메데 등에서는 맨틀 최하층이 조석 마찰에 의한 지열로 녹아 바다가 되어 있을 가능성이 있다.
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