지구의 초기 진화사에 대한 최근의 연구 결과
최근 들어 다양한 동위원소 연구를 통한 태양계와 지구의 생성역사를 밝히기 위한 많은 연구가 활발히 진행 중에 있다. 특히 지구의 초기 진화사를 밝히기 위한 이러한 연구는 소위 시생대(Archean) 이전의 시기, 즉 히디안(Headian) 시기로 불리는 지구의 암흑 시기(Earth\'s Dark Ages)에 일어난 지구 생성 비밀을 밝히는데 초점을 맞추고 있으며, 최근 들어 비약적으로 발달하고 있는 첨단 분석 기기 및 분석 기법의 도움으로 지구 생성의 비밀에 대한 보다 정확한 자료가 활발히 발표되고 있다. 다음은 태양계와 지구의 초기 생성사에 대한 최근의 연구 결과들을 정리한 것이다(그림 1). ![\"ip03-09-02.gif](\"http://ieg.or.kr/ip/IP_data/IP_data03-09/ip03-09-02.gif\") |
| 태양계와 지구의 생성 시기는 흔히 U-Pb 동위원소 연구를 통해 이루어지고 있다. U-Pb 연대측정법은 방사성 동위원소 235U과 238U이 각각 안정동위원소인 207Pb와 206Pb로 붕괴하는 원리를 이용한 것이다. 235U과 238U의 방사성 붕괴 확률은 매우 적기 때문에 각각 700 m.y.와 4000 m.y. 이상의 매우 긴 반감기를 가지며, 이들 동위원소를 이용한 연대측정은 단순히 206Pb에 대한 207Pb의 비를 이용하여 구할 수 있다. U-Pb 연대측정법은 심지어 최근에 발생한 지질학적 사건에 의해 U-Pb 비가 교란을 받더라도 유효한 연령을 구할 수 있어, 초기 태양계의 물질들에 대한 절대연령을 측정하는데 있어서 가장 강력한 도구이다. 현재 U-Pb 연대측정법을 통해 밝혀진 태양계의 생성 시기는 4.566 ± 0.002 b.y.이다. |
| U-Pb 연대측정법은 이 시스템이 가지는 매우 긴 반감기 때문에 행성과 행성을 구성하는 요소들, 즉 핵과 대기 등과 같은 부분들의 생성율(rate of formation)을 밝히는 데는 매우 부적절한 약점이 있다. 1950 년대에 현재 절멸동위원소(extinct isotope)로 알려진 129I가 태양계의 탄생 초기에 존재했었다는 확실한 증거가 밝혀졌으며, 이러한 발견은 235U 보다 약 ×100 배 정도 짧은 반감기를 가지고 있는 53Mn, 107Pd, 129I, 182Hf 등과 같은 절멸핵종(extinct nuclides)를 사용하여 태양계 생성 초기의 비밀을 밝히기 위한 연구에 불을 지폈다. 비록 모동위원소(parent isotopes)는 절멸했지만, 모동위원소의 양은 이미 생성 연령이 알려진 대상체의 딸동위원소(daughter isotopes)의 양과 모/딸 원소비(parent/daughter elemental ratio)의 상관관계를 고려하여 독립적으로 구할 수 있다. 그러면 연대를 구할려는 다른 대상체에 있는 딸원소의 동위원소양을 이용하여 원래 대상체의 연령에 대해서 상대적으로 연령을 측정할 수 있다. 절멸핵종을 이용한 연구로부터 태양 성운(Solar nebula) 내에 존재하던 작은 성간물질들의 부가(accretion)가 태양계의 생성 이후 약 10 Ma 이내에 일어났음이 밝혀졌다. 이러한 부가과정의 일부로 지구의 성장이 지속되었으며, 행성물질의 충돌에 의해 지구의 성장이 지배되었다. 이러한 과정을 거쳐서 지구는 약 4.51 b.y.에서 4.45 b.y. 사이에 금속질 핵과 원시 대기를 가진 현재의 질량을 가진 행성으로 도달하였다. 이러한 생성 초기 단계에서 지구는 아마도 충돌(impact)에서 기인하는 열과 원시 대기가 가지는 높은 밀도에 의한 피복효과(blanket effect)에 의해 마그마해양(magma ocean)을 가지고 있었을 것이다. 그러나 원시 대기의 대부분은 지속되는 태양 성운의 분산(dispersion)과 행성 충돌 (planetary collision)에 의해 아마도 사라졌을 것이다. 이후 지구는 급격히 냉각되어 바깥 부분은 고화 되었을 것이며, 처음으로 원시 지각이 생성되었을 것이다. |
| 지구에서 처음으로 나타난 지각이 어떠한 형태로 존재했었는가에 대한 직접적인 증거는 아직 발견되고 있지 않다. 달이나 화성과 달리 지구상에서는 아직까지 40 억년 이전의 암석이 발견되고 있지 않다. 달에서 발생산 행성물질의 강력한 충격(bombardment)은 거의 3.9 b.y. 까지 일어난 것으로 알려져 있다. 따라서 동시기 동안 지구에서 생성된 초기 지각도 이러한 충돌에 의해 대부분 파괴되었거나, 혹은 당시의 뜨거운 지구의 온도로 인해 불안정한 표면을 가지고 있었을 것이다. 일부 연구자들은 지구상에서 생성된 가장 초기의 지각은 아마도 Lunar Highland에서 발견되는 암석들, 마그마해양에서 표유하던 결정들의 응결되어서 생성된 것들과 같았을 것이라고 주장을 한다. 다른 연구자들은 현재 지구의 해양저 하부에 존재하는 훨씬 밀도가 높은 암석과 유사하였을 것으로 주장하기도 한다. 그러나 현재 앞서 언급한 이론들에 대한 확고한 증거는 여전히 드물다. |
| 지구상에서 생성된 초기 지각의 특성에 관한 몇몇 증거가 1983년에 40 억년 이상된 저어콘이 발견됨으로서 제시되었다. 이러한 고기 저어콘의 발견은 이전의 이론들과 달리 초기 지각이 현재 대륙지각과 유사했음을 지시한다. 비록 고기 저어콘을 생성시킨 기원암은 이미 삭박에 의해 사라졌으나, 현재 호주에 분포하는 일부 퇴적암에서 발견되는 저어콘의 U-Pb 연령은 약 4.1 - 4.2 b.y.이며 일부 결정은 이보다 더 오래된 연대를 보이고 있다. |
| 저어콘은 대부분이 화강암질 마그마에서 생성된다. 화강암질 마그마는 해양저나 Lunar Highland에서 발견되는 암석의 기원 마그마와 분명히 다르며, 흔히 약 20 km 깊이에서 주로 섭입대 상부에 이미 존재하는 대륙지각의 용융에 의해 생성된다. 그러나 화강암은 상대적으로 밀도가 낮아 부력을 가지고 있어 섭입대에서 섭입하지 않고 상승하여 안데스와 같은 산악지형을 형성한다. 이러한 이유로 약 4.4 b.y.의 연대를 가지는 저어콘의 발견은 이 시기에 현재와 같은 대륙지각이 있었음을 지시한다. 물론 이들 저어콘에서 보고된 오래된 연대를 확신하기 위해서는 보다 많은 연구와 자료가 필요하다. 그럼에도 불구하고 아이슬랜드와 같은 큰 규모의 해양섬(oceanic island)들 내에는 소규모의 화강암질 마그마가 분포하고 있다. 따라서 이러한 초기 화강암질 지각은 초기 대륙(proto-continent)의 형성을 촉진시킨 핵(nuclei)으로 작용했을 것이며 궁극적으로 대륙을 형성할 수 있는 원동력이 되었을 것이다. |
| 한편 40 억년 이상된 고기 저어콘에 대한 산소동위원소 연구에 의하면 이 시기에 지구의 표면에 물이 존재했다는 사실이 밝혀졌다. 저어콘의 산소동위원소 비는 이들 결정들이 생성된 마그마의 성분과 더불어 마그마를 형성한 암석의 성분을 지시한다. 높은 중산소(18O/16O) 비는 대체로 암석이 물과 낮은 온도에서 반응할 때 나타난다. 따라서 고기 저어콘에서 발견되는 높은 중산소 비는 암석이 마그마를 형성하기 위해 녹았을 때 지표에서 물과 반응하였음을 지시하거나 혹은 지구 생성 초기 지표가 매우 뜨거웠을 때 물과 반응한 해양저 암석이 현재 섭입대와 유사한 섭입 과정을 통해 용융되면서 생성되었을 가능성도 있다. 어느 경우이던 고기 저어콘에 대한 산소동위원소 결과는 지표의 암석이 저온 유체에 의해 영향을 받았으며 아마도 상당한 깊이로 운반되어 녹았을 가능성을 지시한다. |
| 이상과 같이 다양한 방사성 동위원소, 절멸동위원소 및 잔류물적 성격을 가지는 저어콘에 대한 안정동위원소 결과들은 앞서 기술한 대로 태양계와 지구의 생성 초기의 역사를 밝히는데 다양하게 사용되고 있다. 특히 대륙지각의 존재를 의미하는 저어콘에 대한 다양한 지구화학적 연구는 초기 지구의 역사를 조명하는데 있어서 매우 큰 잠재성을 가진다. 심지어 저어콘은 심지어 초기 생물학적 활동을 규명하기 위한 동위원소적 혹은 화학적 지시자(tracer)로 사용될 수 있다. |
| 한반도는 이미 잘 알려진대로 선캠브리아 시기의 암석으로 구성된 고기 지각이다. 최근의 연구 결과에 의하면 이러한 지각들이 대부분 중기 시생대 시기에 생성된 것으로 알려져 있다. 따라서 우리나라의 암석에서도 아주 고기의 저어콘이 발견될 가능성이 높으며, 이러한 시도를 통해 현재 지구화학 분야에서 선도적으로 연구되고 있는 태양계 및 지구의 초기 진화사를 밝히기 위한 선진 각국의 연구 동향에 보다 적극적으로 참여할 수 있는 노력이 시급한 것으로 생각된다. |
| Further reading
Wilde, S.A., Valley, J.W., Peck, W.H., Graham, C.M., Nature 409, 175-178 (2001). |