[함께 읽는 과학도서] 천천히 곱씹으며 느리게 읽기 <지구의 짧은 역사> 3부

“ 지구의 분화 탄생 초기의 지구는 생성 당시 수많은 암석 덩어리의 충돌에 의해 발생한 에너지와 암석 속에 포함된 방사성동위원소의 붕괴에 의해 방출되는 에너지에 의해 매우 높은 온도로 가열되게 된다. 충분히 높은 온도로 가열된 행성은 녹기 시작하여 내부에 크고 작은 마그마 덩어리를 형성한다. 이때 생성된 마그마는 크게 설질 마그마와 철질 마그마로 구분된다. 철질 마그마와 석질 마그마는 마치 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 성질이 있다. 물과 기름을 잘 섞은 후 같은 용기에 담아두면 시간이 지나며넛 점차 분리되어 좀더 가벼운 기름이 항상 물 위에 떠있는 것을 볼 수가 있다. 지구에서 형성된 석질 마그마와 철질 마그마 중 좀더 가벼운 석질 마그마는 위로 떠오르려 하고 무거운 철질 마그마는 아래로 가라앉는다. 무거운 철질 마그마가 지구 중심으로 가라앉아 모인 것이 핵이며, 상대적으로 가벼워 위로 떠오른 석질 마그마는 식어 지구의 맨틀을 만들었다(그림3-5). 우리가 살고 있는 지구의 껍질인 지각은 맨틀의 일부가 다시 높아 표면으로 떠오른 후 익은 것이다(하와이 섬의 화산과 같이 맨틀에서는 지금도 암석의 일부가 녹아 지각으로 이동하고 있다). ”

“ 지구의 ‘노른자’는 중심핵이다. 뜨겁고 아주 조밀하며, 지구 질량의 약 1/3을 차지한다. 중심핵은 주로 철로 되어 있고, 니켈이 약간 섞여 있으며, 수소, 산소, 황S, 질소 등 더 가벼운 원소들이 약 10퍼센트를 차지한다고 추정된다. ‘추정된다’고 말할 수밖에 없는 것이 표본을 채집하러 지구 중심까지 간 사람이 아무도 없기 때문이다. 그런 생각을 한 쥘 베른Jules Verne이 존경스럽긴 하지만. 지진으로 생긴 에너지 파동은 병원의 CT 스캐너와 매우 비슷한 역할을 하며, 이런 파동이 땅속에서 어떻게 전달과 반사되고 휘어지며 흡수되는지를 분석하면 중심핵의 크기와 밀도 등을 알 수 있다. 밀도를 분석하면, 중심핵이 설령 전부는 아니라고 해도 대부분 철로 이루어져 있음을 알 수 있다. 연구실에서 실험과 계산을 하니, 앞에 말한 것 같은 가벼운 원소들이 섞여 있다고 해야 관측한 밀도와 들어맞았지만, 실제 정확한 조성은 알지 못한다. 이 문제의 유일한 해답이 될 조성을 찾아낸 사람이 아직 아무도 없기 때문이다. ”

“ 순수한 철(+니켈)로 이루어진 마그마는 석질 마그마에 비해 녹는점이 높다. 하지만 철질 마그마에 황과 같이 좀더 가벼운 원소가 조금 첨가된다면 녹는점이 석질 마그마보다 오히려 낮아지게 된다. 지구의 핵에는 철과 니켈 외에도 황과 같은 가벼운 원소가 소량 포함되어 있을 것으로 생각되며 따라서 먼저 석질의 맨틀이 식어 고체가 된 후에도 액체 상태로 남아 있게 된다. 지구는 생성 이후 계속 식어 왔으며 액체 상태의 핵도 식어 부분적으로 고체로 바뀌어 왔다. 굳어진 철질 물질이 지구 중심부의 고체 상태의 내핵이며 아직도 굳지 않고 남아 있는 철질 마그마가 외핵을 형성하고 있다. 지구는 지금도 서서히 식어가고 있기 때문에 외핵은 점차 작아지고 내핵은 점차 성장하게 된다. 또한 지구의 핵이 아직도 완전히 굳지 않았기 때문에 액체의 철 성분이 대류하면서 지구의 자기장을 만들어 내고 있으며, 또 서서히 식어가는 외핵에서 방출되는 열은 지구 표면까지 올라와 화산 활동과 같은 지구 표면의 여러 가지 지질 현상에 중요한 열원의 일부를 제공하고 있다. ”

“ 이제 우리는 오시알페(O, Si, Al, Fe)의 비밀에 대해 부분적으로 답할 준비가 되었다. 앞서 석질 마그마는 위로 떠올라 맨틀을 형성하였다고 하였다. 석질이란 주위에서 흔히 볼 수 있는 암석을 구성하고 있는 성분으로 이해할 수 있을 것이다. 지구상의 암석을 구성하는 대표적인 광물그룹은 규산염 광물이다(그림3-6). 규산염 광물이란 하나의 규소(Si) 주위를 네 개의 산소(O)가 둘러싸고 있는 규산염 사면체를 기본 골격으로 하고 있는 광물종이다. 따라서 규산엽 광물이 주종을 이루고 있는 석질 마그마로부터 유래한 맨틀에는 산소와 규소가 가장 풍부한 원소가 될 것이다. 지각은 기본적으로 맨틀 구성물질 일부가 녹아 만들어진 마그마가 상승하여 생성한 것이므로 마찬가지로 산소와 규소가 가장 중요한 구성 원소가 된다. 규산염 구조의 규소 자리를 치환해 들어갈 수 있는 대표적인 원소가 알리미늄(Al)이다. 맨틀 구성물질 일부가 녹을 때 알루미늄은 선택적으로 마그마로 더 많이 녹아 들어가게 되며, 지각에 알루미늄이 농집되는 이유가 된다. 알루미늄은 화학반응 중에 전기적으로 +3가를 가지는 반면, 규소는 +4가이므로 알루미늄이 규소 자리를 대신하는 경우 전기적으로 +1가의 차이가 생긴다. 이를 보완해 주기 위해 다른 양이온이 들어가게 되며 이는 지각에서 발견되는 광물의 화학식을 복잡하게 만드는 이유 중 하나가 된다. 오시알페의 마지막 원소인 철은 맨틀과 핵의 분리가 일어날 때 철질 마그마를 형성하여 핵으로 이동하는 원소이다. 하지만, 철이 철질 마그마로 100% 이동하느냐 아니면, 일부는 규산염(즉, 석질) 마그마로도 들어가느냐는 산소의 양에 따라 결정된다. 습한 대기 중에서 철을 오랫동안 노출시키면 녹이 스는 것을 볼 수 있다. 이는 철이 산소와 결합하여 산화철(+2가 또는 +3가의 철)을 만드는 현상이다. 이처럼 철은 잉여 산소가 풍부한 경우 산소와 결합한다. 초기 지구의 경우 마그네슘 등 다른 원소와 결합하고도 남은 잉여의 산소가 존재했으므로 철의 일부는 산화되어 규산염 마그마, 즉 맨틀에 포함된다. 맨틀 물질이 부분 용융할 때 철을 포함한 규산염 광물은 마그네슘을 포함한 광물에 비해 녹는점이 낮으므로 맨틀의 철/마그네슘 비에 비해 더 높은 철/마그네슘 비를 가진 지각이 형성되게 된다. 이와 같은 이유로 지각에는 오시알페가 농집되게 되는 것이다. ”

“ 내핵은 반지름이 1,226킬로미터이고 고체인 반면, 외핵은 두께가 2,260킬로미터이며, 녹아 있는 상태다. 외핵은 대류를 통해 서서히 움직인다. 아래쪽에 있는 더 뜨겁고 밀도가 높은 물질은 솟아오르고 더 차갑고 밀도가 낮은 물질은 서서히 가라앉는다. 외핵의 이 움직임은 일종의 발전기 역할을 하며, 그 결과 지구의 자기장이 생성된다. 우리는 일상생활을 하면서 지구 자기장을 떠올릴 일이 그다지 없지만, 지구 자기장에 감사해야 마땅하다. 자기장은 태양풍(태양에서 뿜어지는 강력한 하전 입자 흐름)에 대기가 휩쓸려 나가지 않게 보호하고, 나침반의 바늘을 북쪽(대략적으로)으로 향하게 하는 유용한 일을 해주기 때문이다. ”

“ 운석에 들어 있는 추가적인 생명의 필수 성분 마치 단순히 유기 분자들을 공급하는 것만으로는 지구의 초기 생물권에 기여하는 역할로 충분치 않다고 판단했는지, 운석에는 생명에 매우 중요하고 종종 공급이 부족한 그 밖의 성분들이 추가로 들어 있다. 그것이 어떤 과정을 통해 일어났건, 일단 최초의 생명이 지구에서 살아가기 시작하자, 생명을 계속 이어가기 위해서는 영양분에 접근하는 것이 아주 중요했다. 심지어 오늘날에도 생명에 가장 중요한 영양소 중 하나는 반응성이 높고 물에 잘 녹는 인이다. 집에서 기르는 식물이나 논밭에서 기르는 농작물에 뿌리는 비료에 인이 가득 들어 있는 이유는 이 때문이다. 일반적인 비료에는 인이 최대 10%까지 들어 있는데, 식물에 꼭 필요한 성분이기 때문이다. 하지만 인을 원하는 것은 식물뿐만이 아니다. 모든 생물의 거의 모든 기능에 인이 꼭 필요하다. 인은 RNA와 DNA의 중요한 구조 성분이며, 인체에서 에너지 전달을 담당하는 분자인 아데노신삼인산, 즉 ATPadenosine triphosphate에서도 중요한 성분이다.* 비록 인은 놀랍도록 풍부하지만, 지구에서 대부분의 인은 물에 녹지 않고 접근이 힘든 암석에 갇혀 있다. 이 때문에 연간 150억 달러를 넘는 인산염 채굴 산업이 호황을 누리고 있다. 물론 지구에 처음 나타난 생명체들에게는 이 거대한 채굴 산업이 아직 시작되지 않았다는 문제점이 있었고, 그래서 생물 발생 이전의 화학에서 살아 있는 생물의 발달로 도약이 일어나는 데 큰 어려움이 따랐을 것이다. 지금쯤이면 여러분도 충분히 짐작하겠지만, 이 상황에서 운석이 도움의 손길을 뻗어 반응성이 강한 인의 주요 공급원이 되었을 가능성이 있다. 운석에 포함된 인은 훨씬 환원된 형태(산소와의 결합이 훨씬 적은 형태)이기 때문에, 지질 구조와 암석 속에 갇혀 있는 대신에 생물과 그 생활사 속으로 쉽게 스며들 수 있다. 그래서 초기의 운석들은 지구에 생명이 막 나타나기 시작했을 때, 공급이 부족한 필수 영양소의 주요 공급원이 되었을 가능성이 높다. 그리고 마지막으로, 오늘날의 운석을 단지 값비싼 문 버팀쇠나 수집품 또는 과학적 연구 대상으로만 생각해서는 안 된다. 운석은 아직도 필수 영양소와 원재료의 중요한 운송 수단 역할을 계속 수행하고 있다. 거대한 생물권과 우리의 활발한 채굴 노력 덕분에 필수 영양소가 끊임없이 순환하는 오늘날의 지구에서도 많은 생물은 영양 결핍을 겪고 있으며, 운석이 이를 해결해주는 역할을 맡고 있다. *인은 그 밖에도 많은 곳에서 중요하게 쓰이지만, 척추동물에서도 신체 구조의 근간을 이룬다. 뼈와 이빨을 이루는 주요 광물 성분은 매우 안정한 인산염 광물인 인회석이다. ”

“ 인과 마찬가지로 철도 많은 생물의 기능에서 중요한 요소를 차지하지만, 생물이 사용할 수 있는 형태의 철을 얻기가 쉽지 않다. 사실상 거의 모든 곳에 엄청나게 많은 양의 철이 널려 있지만, 지각에 존재하는 철 중 대부분은 산화 상태가 높은 형태의 철(Fe3+)로 존재한다. 이렇게 산화가 많이 된 철은 액체에 녹지 않기 때문에, 생물의 몸속에서 제대로 활용될 수가 없다. 생물에게는 액체에 녹는 형태의 철(Fe2+)이 필요한데, 이런 철은 극히 드물게 존재하며, 많은 생물이 필요한 영양분을 주로 바닷물에서 얻는 바다 같은 장소에서는 더욱 그렇다. 물에 녹아 생물이 이용할 수 있는 형태의 철이 부족한 상황은 바다의 많은 장소에서 생산성을 제한하는 요인이 된다. 특정 위도들에서는 바람에 실려온 사막의 먼지에 물에 녹을 수 있는 철이 충분히 포함돼 있어 해양 생태계의 필요를 충족시킬 수 있다. 하지만 전체 바다 중 넓은 면적은(특히 남반구에서는) 바람에 실려온 철의 혜택을 별로 받지 못해 다른 철 공급원에 의존해야 하는데, 아마도 여러분은 그것이 무엇인지 충분히 짐작할 것이다. 지구에서 가장 중요한 생물인 플랑크톤은 미소 운석과 성간 먼지 입자에 실려온 외계의 철이 없다면, 훨씬 덜 풍부할 것이고 생산성도 크게 떨어질 것이다. 외계의 철이 바다의 생산성에서 차지하는 중요성 때문에 일부 연구자는 약 45억 년 전에 외계 물질의 유입량 증가(기록에 잘 남아 있는)가 전 세계적인 해양 생산성 증가의 원인이었다고 추측한다. 만약 그러한 생산성 증가가 충분히 크게 일어났다면, 전 세계적인 CO2 농도가 크게 줄어들었을 테고, 그에 따라 지구 전체의 기온도 내려갔을 것이다. 따라서 운석 물질의 유입 증가는 지난 5억 년 동안 가장 그 정도가 심했던 빙하 시대, 그리고 그로 인해 당시 해양생물 종 중 약85%를 사라지게 한 오르도비스기-실루리아기 대멸종 사건의 간접적 원인이었을 수 있다. 이처럼 운석이 주는 것도 있지만 앗아가는 것도 있다. ”

“ 그러나 집단유전학에 아주 결연하게 초점을 맞춤으로써, 심프슨은 지질학에서 나온 진화에 관한 핵심 교훈 하나를 빠뜨렸다. 지구는 역동적인 집단이 진화하는 수동적인 발판이 아니라는 것 말이다. ”

“ 광역변성작용은 단어 그대로 넓은 지역에 걸쳐 일어나는 변성 작용으로, 주로 조산대나 섭입대 또는 큰 규모의 퇴적분지에서 발생한다. 조산대나 섭입대의 경우 판의 수렴과 섭입이 일어나 암석이 점차 고온 고압 환경에 노출되는데, 이에 따라 열에 의한 변성과 압력에 의한 변성이 동시에 발생하게 된다. 이 과정에서 원암이 포함한 변성 유체(물, 이산화탄소 등)에 의해 탄수반응이나 탈탄산염 반응같이 부수적인 화학반응이 일어나기도 한다. 고요한 퇴적분지에서는 대개 변성이 잘 일어나지 않으나, 방대한 퇴적물이 오랜 시간 두껍게 쌓이면 퇴적물 하중으로 암반이 눌리면서 열과 압력에 의한 변성이 일어날 수 있다. 이러한 광역변성작용은 환경이 고온 고압 상태로 변화함에 따라 원암의 점진적 변성을 특징으로 하며, 변성 정도에 따라 여러 단계의 변성암이 존재한다. ”

“ 예를 들어 이질 퇴적암인 셰일이 낮은 열과 압력변성을 받으면 기존의 얇은 판상 구조를 유지한 채 점판암siate으로 변성된다. 이때 더 높은 열과 압력을 받아 변성도가 증가하면 천매암phyllite, 편암schist, 편마암gneiss 순서로 점차 광물의 크기와 재결정 정도가 증가한 변성암이 된다. 천매암은 운모류 광물들이 평행하게 배열되어 반짝이는 광택을 띠며, 편암은 석영과 장석 등 규장질 광물이 엽리를 이룬다. 편마암은 편암보다 더욱 뚜렷한 엽리를 가진 변성암으로, 화강암이 고온 고압 변성을 받은 경우에도 석영과 장석으로 이루어진 띠 모양 엽리follation가 발달하기 때문에 마찬가지로 편마암으로 분류된다. ”

“ 한편, 현무암 같은 고철질 해양지각이 섭입 초기 낮은 열과 압력(저온 고압) 변성을 받으면 푸른 남섬석glaucophane을 특징으로 하는 청색편암blueschist이 만들어진다. 이후 맨틀 가까이 섭입이 더 진행되면 암석은 훨씬 높은 열과 압력(고온 고압)을 받게 되는데, 이때 청색편암이 에클로자이트eclogite로 변성된다. 에클로자이트는 단사휘석의 일종인 녹색의 옴파사이트omphacite에 검붉은 석류석이 알알이 박힌 독특한 외형을 특징으로 한다. ”

“ 이처럼, 지표를 구성하던 화성암과 퇴적암은 여러 변성작용을 받아 굴곡진 변성암으로 거듭난다. 무릇 암석은 변성을 크게 받을 수록 단단해지며, 풍화에 강해 오랜 시간이 지나도 깨지지 않는다. 이는 암석의 풍화물인 토양이나 퇴적물에서 변성암 기원 광물 입자를 유독 보기 힘든 이유이며, 아주 먼 옛날 선캄브리아기 변성암 암체들이 현재 기반암으로 심심찮게 관찰되는 까닭이기도 하다. 암석의 변성작용은 석생石生에 큰 굴곡과 같다. 거대한 열과 압력을 인내한 암석은 더욱 단단해지고, 미래를 견딜 넉넉한 여유를 얻는다. 마치 우리가 피부 주름의 형태로 삶의 역경을 담듯이, 암석 역시 자신이 겪은 지질학적 시련을 변성의 형태로 몸에 간직하는 것이다. 이제 새로운 문장을 더해, 아래와 같이 시를 완성할 수 있겠다. 땅은 파랑들의 도시. 지하 깊은 곳 일렁이는 열과 압력에 수백 수천만 년 자리를 지키던 암석들이 고운 몸체에 단단한 결을 새기고 파도처럼 휘어지다 이내 부서지는 곳. 그 안에 품고 있던 오랜 비밀스런 이야기가 기억과 망각으로 층층이 교차하는 곳. 찰나의 순간과 억겁의 세월을 품은 파란 행성 지구는 하늘, 땅, 바다로 넘실대는 늘 파랑 행성 지구. - 오얼수, <새로 쓴 '파랑 도시'>(2016~2024년) ”