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

“ 철 친화도 성운 먼지에 가장 많이 들어 있는 원소 중 하나는 철이었는데, 미행성체에 포함된 먼지가 녹을 때 철도 거기서 해방되었다. 미행성체의 중력장은 아주 약하지만, 해방되어 자유로이 돌아다니는 철을 미행성체 중심으로 부드럽게 끌어당길 만한 힘은 있었다. 밀도가 큰 금속 철은 펄펄 끓는 마그마 사이로 천천히 가라앉아 결국 미행성체 중심에 아주 많은 양이 모이게 되었다. 지질학자들이 <친철원소>라고 부르는 화학 원소들이 있다. 영어로는 <시데로필siderophile>이라고 하는데, 고대 그리스어로 <철>을 뜻하는 <시데로스σίδηρος>와 <사랑>을 뜻하는 <필리아φιλία>를 합친 단어에서 유래했다. 친철원소는 철에 대한 화학적 친화도가 아주 높다. 지질학적 계-지구의 것이건 천상의 것이건 - 에서 친철원소는 철이 한 광물에서 다른 광물로 옮겨 갈 때 함께 따라가는 경향이 있다. 철이 가는 곳이라면 친철원소도 마다하지 않고 따라간다. 14종의 친철원소에는 니켈, 백금, 이리듐, 텅스텐, 금이 포함된다. 미행성체가 녹으면서 성운 먼지에서 해방된 원소들은 철을 따라 미행성체 중심으로 내려가 철과 함께 거대한 금속 마그마 덩어리를 이루었다. 이것을 핵이라 부른다. 만약 분화된 지 얼마 안 된 미행성체에서 용융 상태의 금속 핵을 볼 수 있다면 태양처럼 뜨겁고 밝게 빛나고 있었을 것이다. 하지만 금속이 가라앉으면서 뒤에 남기고 온 마그마 - 밀도가 금속보다 조금 더 작은 - 가 그 주위를 두껍게 둘러싼 층을 이루고 있어 이 핵을 실제로 볼 수는 없었을 것이다. 철과 친철원소를 거의 다 빼앗긴 바깥층의 화학적 조성은 그 아래에 있는 금속 마그마 구와는 완전히 다르게 변해 갔다. ”

“ 태양보다 좀 더 무거운 별에서는 더 다양한 핵융합 작용이 일어나고 더 무거운 원소들이 만들어진다. 하지만 철보다 무거운 원소를 만들어내지는 못한다. 태양보다 아주 무거운 별들은 일생을 살고 마지막 단계에 이르면 거대한 적색초거성의 단계를 거치고 초신성supernova 형태로 폭발한다. 질량이 아주 무거운 별의 안쪽은 수축해서 블랙홀이 되고 바깥쪽 부분은 초신성 잔해의 형태로 우주 공간으로 흩어진다. 블랙홀이 되기에는 질량이 조금 작은 별들은 일생을 마치면서 폭발해서 중심부는 중성자별neutron star이 된다. 초신성 잔해의 형태로 흩어졌던 중원소를 함유한 가스와 먼지 구름은 시간이 지나고 조건이 갖춰지면 다시 성운으로 뭉쳐진다. 별은 일생을 살면서 끊임없이 핵융합 작용을 한다. 그 결과 빛을 내는 별의 형태를 유지하는 것이다. 더 이상 핵융합 작용을 하지 못하면 빛을 내지 못하고 불안정해지면서 최후를 맞이한다. 마지막 단계를 거치면서 일생 동안 만든 중원소들을 우주 공간으로 내보낸다. 빅뱅으로 우주가 탄생한 지 얼마 지나지 않은 우주 공간 속에서 수소와 헬륨 같은 원소들이 생성됐다면, 철보다 가벼운 중원소들은 별의 내부에서 별이 평생 핵융합을 하는 과정에서 생겨났다. ”

“ 공룡은 왜 멸종했을까? 이 수수께끼를 풀 열쇠를 쥐고 있는 것이 금속 원소인 '이리듐'이다. 이리듐은 금속 원소 중에서 가장 녹이 슬지 않고 단단하며 무른 원소다. 금속 원소인 백금과의 합금이 만년필 펜촉에 사용되고 금속 원소인 로듐과의 합금은 자동차의 점화 플러그에 쓰인다. 이리듐은 지구의 지각이나 맨틀에는 거의 함유되어 있지 않지만, 운석에는 많이 함유되어 있다. 그런 이리듐이 중생대 백악기와 신생대 고제3기의 경계(K-Pg 경계)에 해당하는 지층에서 대량으로 발견된 것이다. K-Pg 경계라 불리는 이 지층은 공룡 등의 생물이 대량으로 멸종한, 약 6600만 년 전의 지층이다. 즉, 이 시대에 지구 밖에서 거대한 운석이 떨어져서 산산조각이 났고, 그 운석에 함유되어 있던 이리듐이 지표면에 마구 흩어진 것으로 볼 수 있다. 이 지층에서 발견된 이리듐은 '지구에 거대한 운석이 떨어져서 공룡이 멸종되었다'는 가설의 유력한 근거가 된다. 멕시코의 유카탄 반도에서는 지름이 약 180km나 되는 칙술룹 충돌구가 발견되었는데, 공룡을 멸종시킨 거대한 운석이 충돌한 흔적으로 알려졌다. 이 충돌구의 이리듐 양 등을 바탕으로 지름이 약 10km인 거대 운석이었을 것이라고 추정하고 있다. ”

“ 칙슐럽 크레이터 6500만 년 전의 유카탄 반도는 아열대 지역의 탄산염 지대라 불리는 지금의 바하마처럼 바다의 수심이 얕은 환경이었기 때문에 충돌 뒤에 탄산염 광물이 퇴적돼 크레이터 위를 2000미터가량이나 덮고 있었다. 이 결과 충돌 크레이터가 지하에 묻혀 발견이 어려웠던 것이다. 그런데 이렇게 지하에 묻혀 있던 충돌 크레이터를 대체 어떻게 발견한 것일까? 유카탄 반도의 멕시코만 쪽에는 대규모 유저이 있어 중력이나 지자기 등의 지구 물리 탐사가 이뤄지고 있는데, 그 덕분에 암석 시료를 분석한 결과 이것이 K/T 경계에 형성된 충돌 크레이터라는 사실을 밝혀냈다. 충돌 크레이터의 중심부가 유카탄 반도 북부의 칙슐럽이라는 작은 마을 부근에 있어 칙슐럽Chicxulub 크레이터라는 이름이 붙여졌다(그림7-2). 둥근 충돌 크레이터의 북쪽 절반은 해양에, 남쪽 절반은 유카탄 반도에 있었다. 지름 180킬로미터라면 지구 위에 있는 충돌 크레이터로서는 최대 규모에 속하는 것이다. 마츠이 다카노리松井孝典를 대표로 하는 도쿄대학교 연구팀은 칙슐럽 크레이터가 발견된 직후에 유카탄 반도에서 충돌 크레이터 일대의 지구 물리 탐사를 실시했다. 이 지역에서도 공룡을 멸종시킨 충돌 크레이터의 발견은 유명한 사건이었다. 조사를 위해 유카탄 반도를 동서로 수차례나 왕복했는데, 무엇보다도 가장 인상 깊었던 것은 새하얀 석회암으로 덮인 유카탄 반도가 끝없이 펼쳐져 있었던 일이다. ”

“ 조사 지역에서는 마야의 후예들과도 만날 수 있었다. 그들은 자신들이 위대한 문명을 일으킨 마야족의 혈통을 이어받았다는 사실에 강한 자부심을 품고 있었고 비록 몸집은 작지만 용감하고 힘이 세다는 자랑을 많이 했다. 그런데 이 마야문명과 칙슐럽 크레이터가 깊은 관련이 있다는 이야기를 들어본 적이 있는가? 거의 모든 고대 문명이 큰 강을 끼고 있다는 것은 이미 잘 알려진 사실이다. 그러나 유카탄 반도에는 강이 없다. 그래서 그들은 유카탄 반도 이곳저곳에 존재하는 ‘세노테cenote’라는 샘을 중심으로 도시 국가를 건설했던 것이다. 유명한 치첸이트사Chichen Itza 유적에도 성스러운 샘인 세노테가 있다. 세노테란 석회암이 빗물 등에 용식되어 형성된 천연 우물로 이른바 돌리네doline라 불리는 지형을 말한다. 매우 재미있는 것은 이 수많은 세노테를 지도에 표시하면 유카탄 북부에서 정확히 반원을 그린다는 사실이다(그림7-3). 그렇다. 세노테는 바로 칙슐럽 크레이터의 둘레를 따라 분포해 있는 것이다! 이유는 잘 모르지만 아마도 지하에 있는 충돌 크레이터의 지형적인 영향으로 그 위에 퇴적한 석회암에 단층이 형성되면서 물길이 생겨난 것으로 추측되고 있다. 이 결과 충돌 크레이터의 둘레가 선택적으로 녹아서 세노테가 형성된 것은 아닐까? 세노테는 지하 수로를 통해 서로 연결되어 있는 것으로 보인다. 공룡을 멸종시킨 소행성 충돌이 있고 나서 6500만 년 뒤, 유카탄 반도에는 마야문명이 꽃을 피웠다. 그러나 지금은 이 마야문명도 멸망하고 일설에 따르면 K/T 경계에 있었던 소행성의 충돌 때문에 퇴적되었다는 석유를 현대인들이 채굴하고 있으니 역사의 아이러니라 하지 않을 수 없다. ”

“ 4장 금속과 용융된 암석으로 이루어진 구 용융은 지질학적 파괴를 일으키는 힘이다. 지구의 암석들은 움직이는 판들의 막대한 압력과 혹독한 날씨에 일상적으로 노출되지만, 열만큼 암석을 효과적으로 파괴하는 것도 없다.고체 상태에서 액체 상태로 변하는 순간, 암석 속의 원자들은 화학적 힘을 통해 서로에게 붙들린 상태에서 해방되며, 원자 수준에서 갈가리 분해되고 만다. 용융이 일어나는 동안 암석의 특성은 거의 다 완전히 사라지고 만다. 하지만 자연은 용융된 암석을 잘 활용하는데, 그것으로부터 새로운 암석을 만들어 낸다. 용융의 부활 효과를 경험한 암석은 지구의 암석뿐만이 아니다. 하늘에서 떨어지는 암석 중에도 그런 것이 일부 있다. 알루미늄 방사성 동위 원소인 알루미늄-26은 미행성체에 특히 중요한 열원이다. 방사성 동위 원소가 빠르게 붕괴하면서 원자핵에 붙들려 있던 핵에너지가 신속하게 방출되어 많은 미행성체를 완전히 녹였다. 그 과정에서 이 미행성체들을 만든 성운 먼지들이 완전히 파괴되었고, 전체 세계가 먼지들의 집합체에서 작열하는 액체 암석의 구조로 변했다. 용융된 미행성체들은 대부분 크기가 작아서 수백만 년 이내에 다시 식었다. 미행성체들은 지질학적 열기관의 동력이 금방 고갈되면서 얼어붙었다. 가장 큰 미행성체들 - 자신의 내부 열로 더 오래 버틸 수 있었던 것들 - 조차 약 1억 년 뒤에는 차갑게 식었다. 액체 암석이 식으면서 결정이 생성되기 시작하자 용융된 미행성체는 다시 고체로 변했고, 그 속에 강한 열과 완전한 화학적 변환에 관한 이야기가 얼어붙었다. 이렇게 용융된 소행성에서 유래한 운석인 아콘드라이트는 알려진 것 중 가장 오래된 화성암이다. 작은 규모의 변화 - 작은 먼지 알갱이가 액체 암석으로 변하는 것 -는 변환의 시작에 불과하다. 용융된 소행성의 전체 내부 구조가 <분화differentiation> 과정을 통해 완전히 뒤집혔는데, 전체적으로 다소 균일했던 먼지들의 집합체에서 뚜렷이 구별되는 두 지질학적 층이 있는 물체로 변했다. 금속 핵을 석질 맨틀이 둘러싸고 있는 구조였는데, 맨틀 위의 가장 바깥쪽에는 얇은 지각이 있었다. ”

“ 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). ”