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44억 년 전 지르콘 결정이 품은 원시지구의 비밀은? 목록

조회 : 6343 | 2014-04-08

  잭힐스     지르콘

호주 서부 잭 힐스에서 암석 샘플을 채취하고 있는 연구진(왼쪽), 44억 년 전의 광물인 것으로 밝혀진 지르콘 결정 (오른쪽) / 이미지 출처 : 왼쪽-CAMECA, 오른쪽-John Valley(Madison, University of Wisconsin)

 

지난 2월 24일 CNN 등 세계적인 매체들이 지난 2001년 호주 서부 잭 힐스에서 발견된 지르콘 한 조각이 지구에서 가장 오래된 암석으로 확인됐다는 내용의 보도를 했습니다.

전날인 2월 23일 ‘네이처 지오사이언스’에 이 암석은 44억 년 전에 결정된 광물로 지구에서 가장 오래된 지각의 파편이라는 미국 위스콘신 대학교 메디슨 캠퍼스의 지질학과 존 벨리 교수의 연구팀의 논문이 게재됐거든요.

호주에서 발견된 작은 암석 조각이 원시지구는 물렁한 마그마로 뒤덮였었다는 것을 뒤집었다고 해요. 이 광물의 길이는 400㎛로 직경이 집먼지 진드기 정도라고 해요.

밸리 교수는 "그것은 아주 작기 때문에 보잘 것 없다. 그러나 나에게 있어 그것은 초기 지구에 대한 많은 추론을 이끌어낼 수 있는 신비한 물질"이라며 "이것은 초기 지구 역사에 대한 첫 관찰"이라고 강조했다고 수많은 언론들이 인용 보도하기도 했는데요, 이 작은 광물이 원시 지구의 비밀에 대해 많은 것을 알려줬다고 하는데 대체 그 내용은 무엇일까요?

이번 주 따끈따끈 과학에서는 이전까지 알려져 있던 원시 지구의 모습은 어땠는지, 이 44억 년 전의 암석 조각 한 덩이가 어떻게 잘못된 오류를 바로 잡은 것인지 또 어떤 새로운 내용을 알려줬는지 등에 대해 살펴볼까 합니다.

 

 

* 알아보기

- 지르콘이란?

- 지르콘 한 조각, 세상을 뒤흔들 발견?

- 지구의 역사, 45억 년 동안 지구에서 일어난 일들은?

 

* 생각 키우기

지구가 형성된 약 45억 년 전부터 지금까지 지구에 있었던 일들을 좀 더 찾아보도록 합시다.

 

 

 

- 지르콘이란?

지르콘 원석  

미국 자연사박물관에 전시된 지르콘 원석과 가공된 지르콘 보석들. / 이미지 출처 : 퍼블릭 도메인(wikipedia.org)

지르콘

이미지 출처 : By Eurico Zimbres (FGEL-UERJ) / Tom Epaminondas (mineral collector)-CC-BY-SA-2.0(Wikipedia.org)

 

지르콘(Zircon)은 원래 마그마가 결정화 되어 형성되는 변성암 같은 각종 암석에서 산출되는 물질입니다. 화학명은 zirconium silicate, 화학식은 ZrSiO4이고요. 지르콘은 내구성이 강하고, 외부로부터의 화학적 충격에도 매우 잘 견뎌내는 열과 화학반응에 강한 광물이에요. 보석으로도 쓰이는데, 다이아몬드처럼 광택이 나며 색이 없는 것부터 적색, 황색, 청색 등 여러 빛깔을 띠기도 합니다.

또 지르콘은 나무가 자라면서 해마다 나이테가 생기는 것처럼 원래의 결정 주위에 추가적으로 지르콘 고리가 형성되어 많은 지질학적 정보를 담고 보전될 수도 있다고 해요. 그래서 지르콘 조각은 지구과학에서 시계와 같은 역할을 하는데, 지구의 탄생부터 지금까지 일어났던 수많은 시간을 기록한 타임캡슐인 셈이지요.

 

 

 

- 지르콘 조각, 세상을 뒤흔들 발견?

호주 서부의 잭스 힐 지역의 양목장에서 발견된 400마이크론 크기의 지르콘 한 조각. 연구진은 암석 속에 들어 있는 납 원소들을 영상화해 동위원소 비율을 판단할 수 있는 원자 탐촉자 단층촬영술이란 방법을 활용해서 지르콘이 결정화된 후 납 원자 덩어리가 1억 년 동안 형성된 것임을 밝혀냈어요. 또 납 원자들은 암석 속에서 돌아다니기 때문에 많이 이동했을 경우 정확한 연대 측정이 어렵지만 이 조각에서는 납 원자들이 많이 이동하지 않아 기존 방법인 방사성 동위원소 연대측정법 중 표준 방법인 납이 우라늄에 붕괴하는 비율을 측정하는 우라늄-납 측정법으로도 광물 연대를 약 44억 년 전의 것으로 측정하는 것이 가능했다고 해요. 그리고 이 작은 알갱이를 화학적으로 분석하면 이것이 물이 존재하는 곳에서 형성된 것인지 아닌지를 알아낼 수 있습니다. 이 광물을 분석했더니 화학요소 구성 중 특히 산소 동위원소가 있어서 액체 상태의 물에서 형성된 것으로 밝혀졌어요. 그러니까 약 44억 년 전의 이 광물에 산소 동위원소가 포함되어 있다는 사실로 인해, 초기 지구의 표면에는 이미 물이 존재했었다는 결론을 내릴 수 있게 되는 것이지요. 이전에는 원시 지구가 물이 없는 메마른 상태로 마그마가 끓고 있었다고 알려져 있었는데요, 이 조각의 발견으로 이것이 틀렸다는 것을 밝혀낸 것이지요. 이 지르콘 결정은 지구 형성과정에 대한 새로운 단서가 될 수 있는 발견으로 평가받고 있기도 합니다. 실제로 제1저자인 존 밸리 위스콘신대 교수는 이 지르콘을 분석해 초창기 지구가 어떻게 식었으며 생명체가 살 만한 환경이 됐는지에 대한 내용을 확인해 줄 수 있다며, 초기 지구가 오늘 날의 지구와 훨씬 더 유사했고 생명체가 살 수 없는 곳이 아니었다는 것도 알려준다고 설명했답니다.

이렇게 오래된 지르콘 조각이 생성된 연대를 알아내기 위해서는 새로운 원자탐침 단층촬영기술 방식을 사용해 샘플 속 원자의 위치를 3D로 재구성해 낼 수 있었답니다. 이어서 이온질량 분광분석을 통해 보다 정확한 지르콘의 생성연대를 확인했고요.

지구

아폴로 17호가 찍은 지구의 모습. 우리가 살고 있는 지구는 지난 45억 년이라는 시간 동안 얼마나 많은 숨겨진 이야기들을 담고 있을까요? / 이미지 출처 : 미항공우주국(NASA.org)

 

지구의 나이가 45억 살 그러니까 45억 년 전에 생성된 지구에서 이 지르콘 결정체의 발견은 단단한 지각 덩어리가 형성되는 데 지구가 탄생한 후 약 1억 년 밖에 걸리지 않았다는 것을 의미해요. 이 지각이 형성된 후 대양이 형성되었고, 이 결정체로 또 초기 생명체 구성요소가 과학자들의 생각보다 훨씬 더 일찍 형성되었을지도 모른다는 것까지 짐작하게 해 준답니다.

이 지르콘 조각이 발견되기 전까지 과학자들은 38억 년 전 생성된 것으로 믿어지는 한 바윗덩어리를 토대로 38억 년 전에 지구에 물이 만들어진 것으로 추정해 왔답니다. 하지만 이 지르콘 조각의 발견은 44억 년 전에 이미 지구상에는 물이 있었다는 것을 알려주는 것이지요.

 

 

 

- 지구의 역사, 45억 년 동안 지구에서 일어난 일들은?

지구는 약 45억 년 전에 생겨났어요. 지구는 혹독할 정도로 격렬한 초기 발생 과정을 거쳤는데, 생성된 지 얼마지 않던 태양계 내에는 지구가 탄생하던 당시까지도 수많은 파편들이 떠다녔고, 지구에는 6억 년 이상이나 많은 운석이 날아와 부딪쳤답니다. 지금까지 과학자들은 마그마와 가스가 만들어 놓은 지구의 모습은 약 40억 년 전까지 마치 지옥과도 같았을 거라고 짐작해 왔습니다. 운석이 부딪치면서 엄청난 열이 발생했고, 우라늄과 같은 물질에서 나오는 열과 합쳐져 지구의 온도가 점점 더 높아져 원시 지구 표면의 많은 물질이 녹게 되었을 것이라고요.

지구역사   지구형성 시기부터 지금까지 약 45억 년의 과정에서 주요 사건들을 담은 타임라인(Ga = 10억 년, 현재로부터 과거로 거꾸로 셈). / 이미지 출처 : Andrée Valley(University of Wisconsin)

 

45억 년이란 지구의 역사 속에서 위 이미지에서 언급한 것들 이외에도 우리가 짐작할 수도 없는 수많은 일들이 일어났을 거예요.

과거 지질시대에 살았던 생물을 고생물이라고 하는데, 퇴적물 속에 남아있는 화석에 근거해 과거의 생물을 연구하는 고생물학은 과거 지구상에 살았던 수많은 생물의 탄생과 진화 그리고 멸종되는 과정을 연구해 이 자료들을 토대로 고생물들이 살았던 지구의 모습을 밝혀낸답니다.

45억 년 전에 태어난 지구는 수많은 변화를 겼으며 현재의 모습이 되었고, 지금 이 순간에도 끊임없는 변화를 하고 있는 중입니다. 앞으로도 변하게 될 거고요.

하지만 우리는 지구의 모습이 어떻게 변화될 지 알 수는 없어요. 하지만, 화석과 암석에 대한 연구로 과거에 지구가 겪어온 변화들을 알아내 그것을 근거로 지구의 미래를 예측할 수는 있답니다.

 

 

 

* 생각 키우기

지구가 형성된 약 45억 년 전부터 지금까지 지구에는 우리가 상상할 수도 없는 수많은 일들이 일어났고, 공룡을 비롯한 수많은 생명체가 나타났다 사라지기를 반복해 왔습니다.

지구에서 그동안 있었던 일들을 좀 더 찾아보도록 합시다.

지구의 탄생부터 지금까지 지구의 전체 역사를 살펴보기 어렵다면 대기와 바다의 형성, 생명의 탄생과 진화, 지각의 이동 등 관심 있는 분야를 좀 더 자세히 살펴보는 것도 좋을 것 같습니다.

주제!
지각 ,암석
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