최초의 대륙은 어떻게 형성됐을까?
최초의 대륙은 어떻게 형성됐을까?
  • 함예솔
  • 승인 2021.04.01 16:30
  • 조회수 832
  • 댓글 0
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지구는 놀라운 행성입니다. 우리가 알고 있는 한, 지구는 우주에서 유일하게 생명체가 존재하는 행성입니다. 지구는 대륙을 가지고 있는데요. 복잡한 생명체가 살아가는데 필요한 광물들을 보유하고 있는 땅덩어리들 입니다. 그럼 지구에 최초의 대륙은 언제 생겨났을까요? 과학자들은 여전히 대륙이 어떻게 형성됐는지에 대해 격렬한 논쟁을 펼치고 있는데요. 과학자들은 대륙이 만들어지려면 물은 필수적인 요소였다는 사실은 모두 알고 있습니다. 그리고 대부분의 지질학자들은 이 물은 섭입대를 통해 지표로부터 왔을 것이라고 제안합니다. 

 

그런데 ‘Natrue’에 게재된 연구에 따르면 최초의 대륙을 만든 물은 지구 깊숙한 곳에서 왔을지도 모르겠습니다. 이것은 지구가 젊었을 때 과학자들이 이전에 생각했던 것 보다 더 많이, 최초의 원시적인 물들을 함유하면서 오늘날과 매우 다르게 거동했다는 걸 암시합니다. 

 

대륙을 성장시키는 방법 

 

지구는 밀도가 높은 철이 풍부한 핵, 두꺼운 맨틀, 그리고 암석권이라 불리는 지각 표층부로 구성돼 있습니다. 하지만 항상 이런 식은 아니었습니다. 약 45억년 전 지구가 처음 만들어졌을 때, 지구에 주기적으로 떨어지는 운석에 의해 용융된 암석 덩어리였습니다. 약 10억 년에 걸쳐 냉각되던 지구는 첫 대륙이 생겨나게 됐는데요. 옅은 색의 화강암으로 만들어진 대륙이었습니다. 정확히 어떻게 이 대륙들이 생겨났는지는 오래 전부터 과학자들의 흥미를 끌었습니다.   

지구는 핵, 맨틀, 지각으로 이뤄져 있다. 출처:  Shutterstock
지구는 핵, 맨틀, 지각으로 이뤄져 있다. 출처: Shutterstock

화강암으로 이뤄진 대륙 지각이 떠다닐 수 있도록 하기 위해서는 현무암(basalts)라고 알려진 어두운 화산암이 녹아야 합니다. 화강암은 맨틀에서 용융돼 형성되는데, 행성이 형성될 때 지구를 뒤덮었을 것으로 추측됩니다. 하지만 현무암에서 대륙의 지각들이 만들어지기 위해서는 물이 필요합니다. 이 물이 어떻게 충분한 깊이까지 들어갔는지 밝혀내는 것이 최초의 대륙이 어떻게 형성됐는지 이해하는데 핵심입니다. 

 

물을 깊은 곳까지 가져가는 하나의 메커니즘은 바로 섭입(subduction)을 통해서입니다. 이는 남아메리아의 안데스 산맥을 포함해 오늘날 대부분의 새로운 대륙 지각이 생성되는 방법입니다. 섭입대에서는 해저에 있는 암석 판들은 차갑게 식으며 점점 더 밀도가 높아져 결국 대륙 아래 맨틀로 들어가며 바닷물을 가지고 가게 됩니다. 이 물이 맨틀의 현무암과 상호작용 할 때 화강암질의 지각을 만들게 됩니다. 하지만 지구는 수십억 년 전에 훨씬 더 뜨거웠기 때문에 많은 전문가들은 (적어도 우리가 현재 이해하고 있는 형태로) 섭입이 작동했을 리가 없다고 주장해왔습니다. 

dome-and-keel 구조의 단면. 출처: Wikimedia Commons,
,오스트레일리아 서부 필바라 크라톤의 위성 이미지. 옅은 색의 화강암(dome)은 어두운 색의 현무암으로 둘러싸여 있다. 출처:Google Earth

안데스 산맥과 같은 긴 직선모양의 산악지대는 서부 오스트레일리아 외곽의 필바라(Pilbara)지역에 보존돼 있는 화강암질 지각의 구조와 극명하게 대비된다. 위에서 바라본 이 고대 지각은 ‘dome-and-keel’ 패턴을 가지고 있는데, 옅은 색의 화강암이 (dome)이 주변의 더 어둡고 밀도가 높은 현무암(keel) 위로 솟아 있습니다. 하지만 이러한 화강암을 만드는데 필요한 물은 어디서 왔을까요? 

오스트레일리아 서부 필바라 크라톤의 위성 이미지. 옅은 색의 화강암(dome)은 어두운 색의 현무암으로 둘러싸여 있다. 출처:Google Earth
dome-and-keel 구조의 단면. 출처: Wikimedia Commons

 

지구 초기의 역사를 기록한 작은 결정(crystals)

 

웨스턴 오스트레일리아 지질조사국(Geological Survey of Western Australia, GSWA)와 커틴 대학교(Western Australia and Curtin University) 연구팀은 연구를 통해 이 문제를 해결했는데요. 연구진들은 팔바라에 있는 화강암 돔을 형성하기 위해 낭각되고 굳어진 고대 마그마에 갇혀있는 작은 결정들을 분석했습니다. 지르콘(zircon)이라 불리는 광물로 이뤄진 이 결정체들은 시간이 지남에 따라 납으로 변하는 우라늄을 포함하고 있는데요. 연구진들은 이 변화의 속도를 알고 있고, 안에 포함된 우라늄과 납의 양을 측정할 수 있었습니다. 덕분에 이 결정체의 나이를 알아낼 수 있었는데요. 

고대 마그마에서 자라난 지르콘 결정체
고대 마그마에서 자라난 지르콘 결정체

그 결정체들은 또한 기원에 대한 단서를 포함하고 있었는데요. 산소 동위원소 조성의 측정을 통해 밝혀낼 수 있었습니다. 중요한 것은 지구 표면의 물에 의해 수화된 용융된 암석에서 결정체를 이루게 된 지르콘은 맨틀 깊은 곳에서 형성된 지르콘과는 다른 구성을 가지고 있다는 점 인데요. 가장 원시적인 고대의 화강암에 필요한 물은 지표면이 아니라 지구의 맨틀 깊숙한 곳에서 왔을 것이란 걸 보여줍니다. 

 

현재가 항상 과거의 열쇠가 될까?

 

최초의 대륙이 어떻게 형성됐는가 하는 것은 자연과학의 중심 교리 중 하나인 동일과정설(uniformitarianism)에 관한 더 일반적인 논쟁의 일부입니다. 참고로 동일과정설은 18세기 말, 지사학(historical geology)의 아버지라 불리는 제임스 허턴이 자신의 저서 ‘지구의 이론(1988년)’을 통해 “자연 법칙은 지구와 태양의 일원인 한 과거와 현재는 그대로 변함이 없다”는 주장인데요. 과거의 지질현상은 현재의 자연 현상을 주의 깊게 관찰함으로써 알 수 있으며 과거 지질 시대의 모든 현상도 현재의 자연 법칙으로 발생했다고 주장합니다. 즉, 이 아이디어는 먼 과거에 지구에서 활동했던 과정이 오늘날 관찰된 과정들과 같다는 겁니다. 

최초의 대륙은 어떻게 형성됐을까. 출처: AdobeStock
최초의 대륙은 어떻게 형성됐을까. 출처: AdobeStock

오늘날 지구는 판구조론을 통해 열을 잃고 있는데, 이 때 행성의 단단한 표층부를 형성하는 암석권의 판이 움직입니다. 이는 지구 내부의 온도를 조절하고 대기 구성을 안정적으로 유지시키며 복잡한 생명체의 발달을 용이하게 합니다. 섭입은 이 프로세스의 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 그러나 몇몇 증거들은 초기 지구의 섭입과 판구조론은 일치하지 않습니다. 그것들은 우리 행성이 형성된 후 첫 20억년 간은 오늘날과 매우 다르게 거동했다는 걸 강하게 시사합니다. 

 

따라서 동일과정설이 많은 지질학적 과정에 대해 생각할 때 유용한 방법일 수 있지만, 현재가 항상 과거의 열쇠는 아닐 수도 있는 것 같습니다. 



##참고자료##


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