달은 원시지구에 화성 크기의 천체인 테이아(Theia)가 충돌하면서 만들어졌습니다. 이 재앙적인 충돌은 지구의 행성 내부를 녹일 수 있을 만큼의 충분한 에너지를 만들었을 것으로 추정됩니다. 참고로 지구가 완전히 용융된 상태를 ‘마그마 바다’라고 합니다. 지구 내부의 화학작용을 일으키는 이 마그마 바다의 점진적인 냉각과 결정화로 지구는 구조를 형성하고 원시 대기를 형성했는데요.
과학자들은 지구에 마그마 바다 상태의 시대가 존재했다는 사실에 대해서는 알고 있지만, 이 시기의 역사에 대해서는 잘 알지 못했습니다. 왜냐하면 지각 변동 과정으로 40억년 이상 된 오래된 거의 모든 암석들이 재순환 되며 과거를 유추할 방법이 없었기 때문입니다. 그런데 케임브리지대학교(University of Cambridge)가 주도한 새로운 연구에 따르면 그린란드의 고대 암석에 보존된 화학물질을 통해 지구가 거의 완전히 녹아버렸던 이 시기에 대한 단서를 찾았다고 합니다. 해당 연구는 ‘Science Advances’에 게재됐습니다.
마그마 바다의 흔적, 암석 속에 남아
연구진들은 그린란드 남서부의 36억년 된 암석에서 마그마 바다의 화학적 잔존물을 발견했는데요. 이 발견은 지구가 한때 거의 완전히 녹았었다는, 오랫동안 유지되어온 이론을 뒷받침합니다. 또한 지구가 굳어지기 시작하고 오늘날 지구 내부 구조를 지배하는 화학적 성질이 영향을 주기 시작한 시기에 대한 정보를 제공하는데요. 이 연구는 지구 표면의 다른 암석들에서도 원시지구의 마그마 바다의 증거가 보존돼 있을 수 있다는 걸 시사합니다.
케임브리지대학교 지구과학부 Helen Williams 박사는 “지구 역사의 첫 10억년 동안 그 사건들에 지질학적 제약을 가할 기회는 거의 없었다”며 “지구의 초기 역사에 대한 세부사항은 말할 것도 없고 우리가 이 암석을 손에 쥘 수 있다는 것은 놀라운 일”이라고 말합니다.
이 연구는 그린란드 암석의 원시적 기원과 그것들이 어떻게 지표에 도달했는지를 찾기 위한 열역학적 모델링과 함께 화학적 분석을 통해 이뤄졌습니다. 언뜻 보면, 마그마 바다의 증거를 간직한 이 암석은 그린란드의 이수아 선지각 벨트(Isua supracrustal)를 구성하는, 오늘날 해저에서 볼 수 있는 현무암과 비슷해 보입니다. 하지만 1960년대 처음 기술된, 암석이 발견된 이 노두는 지구상에서 가장 오래된 암석이 노출되어 있는 곳이라고 합니다. 미생물과 판구조론의 초기 증거를 포함하고 있는 것으로 알려진 곳이기도 합니다.
이 새로운 연구를 통해 마그마 바다가 식으면서 남겨진 결정체 잔여물을 발견하면서, 이수아 암석이 판구조론보다 앞선 희귀한 증거도 보존하고 있다는 걸 보여줍니다. 이번 연구의 공동저자이자 칼턴대학교(Carleton University)의 Hanika Rizo 박사는 “그것은 우리가 했던 몇몇 새로운 화학적 분석과 이전에 발표된 자료들의 조합이었는데, 이수아 암석들이 고대 물질의 흔적을 포함하고 있을지도 모른다는 것을 우리에게 알려줬다”며 “하프늄(hafnium)과 네오디뮴(neodymium) 동위원소는 정말 애타게 했는데, 동위원소 시스템은 수정이 매우 어렵기 때문이다. 그래서 우리는 그들의 화학적 성질을 좀 더 자세히 보아야 했다”고 전했습니다.
철 동위원소 분류학을 통해 Williams 박사와 연구팀이 이수아 암석이 마그마 바다 결정화의 결과로 형성된 지구 내부 일부에서 파생됐다는 것을 확인했습니다. 이 원시 암석의 대부분은 맨틀 대류에 의해 혼합됐지만 과학자들은 맨틀과 핵의 경계 깊은 곳에는 일부 고립된 지역들, 즉, 수십억 년 동안 영향을 받지 않고 남아 있는 고대 결정체의 묘지라 불리는 곳이 있을 것이라고 생각했습니다.
Williams박사는 “철의 지문이 있는 이 표본들은 또한 지구 형성의 특징이라고 할 수 있는 텅스텐 동위원소 변칙(tungsten anomaly)을 가지고 있는데, 이것은 우리가 이 암석들의 기원이 원시 결정에서 유래됐다고 생각하게 한다”고 설명합니다. 하지만 고대 마그마 바다의 흔적들이 어떻게 이 깊은 맨틀에서 지표면으로 올라올 수 있었을까요?
이 암석에서 발견된 동위원소 구성은 맨틀-핵 경계에서 녹아서 생긴 것이 아니란 걸 보여줍니다. 대신 이 암석들의 여정은 몇몇의 결정화 단계과 재용융 단계를 수반하며 더 순환적이었던 것으로 보이는데요. 고대 결정과 마그마의 혼합은 처음에는 상부 맨틀로 옮겨갔을 것이고, 다른 깊이의 암석들로 이뤄진 ‘대리석 케이크(marble cake)’를 만들기 위해 휘저어졌을 겁니다. 나중에는 그 암석들의 혼합물이 녹아 그린란드의 이수아 선지각 벨트를 만든 마그마를 만들었을 것으로 추측됩니다.
연구팀의 발견은 비교적 최근에 형성된 것으로 생각되어지는 열점 화산(hotspot volcanoes)들이 실제로는 아주 오래된 과정의 영향을 받을 수 있다는 걸 시사합니다. 이에 대해 또 다른 공동 저자인 Oliver Shorttle는 “그린란드 암석들에서 우리가 보고한 지구화학적 징후들은 하와이와 같은 열점 화산에서 분출된 암석들과 유사성을 가지고 있다”며 “우리의 관심사는 그들이 깊숙한 곳까지 파고들어 일반적으로 우리가 도달할 수 없는 지구 내부까지 접근하는지 여부이다”고 말합니다. 연구진은 향후 고대 암석에서의 단서 탐색 범위를 넓히고 실험적으로 하부 맨틀의 동위원소 분별에 대한 모델링을 통해 마그마 바다를 이해하기 위한 연구를 계속할 계획이라고 합니다.
이번 연구의 공동저자이자 아이슬란드대학교(University of Iceland)의 Simon Matthews박사는 “우리는 수십억 년 전에 지구의 한 부분에서 어떤 일이 있었는지 밝혀낼 수 있었다”며 “하지만 더 많은 그림을 채우기 위해서 우리는 고대 암석들에서 더 많은 화학적 단서들을 계속 찾아야 한다”고 말합니다.
한편, 과학자들은 종종 이러한 고대 사건의 화학적 증거 찾기를 꺼려왔는데요. 윌리엄스 박사에 따르면 이러한 증거는 시간의 흐름에 따라 종종 변하기 때문이라고 합니다. 하지만 이번에 연구진이 발견한 사실은 다른 고대 암석들의 화학 작용이 지구의 형성과 진화에 대해 더 많은 통찰력을 줄 수 있다는 걸 의미한다고 합니다.
##참고자료##
