혜성의 충돌이 지구의 대륙을 만드는 원동력이 되었을 가능성이 확인

혜성의 충돌이 지구의 대륙을 만드는 원동력이 되었을 가능성이 확인

지구의 표면은 지각이라고 하는 암석 층으로 이루어져 있다. 이 지각은 얇은 현무암으로 만들어진 해양 지각과 두꺼운 화강암으로 된 대륙 지각으로 나누어진다. 이처럼 지각이 화학 조성이 다른 암석으로 나뉘어 있는 것은 다른 암석 행성에서 찾아볼 수 없는 특징이다.

대륙 지각의 형성은 행성 과학뿐만 아니라 생명과학 분야에서도 흥미로운 대상이다. 비바람과 하천에 의한 대륙의 풍화로 해양으로 흘러드는 영양분이 증가하여 생명의 진화를 도왔다고도 생각되기 때문이다. 그러나 대륙 지각이 어떻게 생겼는지는 오랜 수수께끼다. 대륙지각은 태고대(40억년~25억년 전)에 화학조성이 다른 물질이 분리되는 분화작용에 의해 형성된 것으로 추정되지만 자세한 내용은 밝혀지지 않았다.

이번에 커틴대학의 Christopher L Kirkland 등의 연구팀은 초기에 형성된 것으로 여겨지는 대륙 지각의 단편들을 분석하여 위와 다른 가능성을 도출했다. Kirkland 등은 그린란드 남서부에 있는 '북대서양 크래톤(North Atlantic Craton)'과 호주 대륙 서부에 있는 '필바라크라톤(Pilbara Craton)'에서 수백 개의 샘플을 채집해 분석했다. 이들은 모두 태고대에 형성된 대륙 지각의 단편들로 추정되고 있다.

분석 대상이 된 것은 「지르콘」이라고 하는 광물이다. 지르콘은 물리적으로나 화학적으로 안정적인 광물로 수십억 년 동안 안정적으로 존재하는 이른바 타임캡슐과 같은 물질이다. 지르콘에 포함된 하프늄이라는 원소를 살펴보면 방사성 연대측정법(*)을 통해 지르콘이 굳어진 연대를 파악할 수 있다. 즉 지르콘을 조사하면 지르콘을 포함한 암석 샘플이 언제 굳어졌는지 시계열적으로 알 수 있는 것이다.

*방사성 연대측정법 : 자연계에는 방사선을 내어 붕괴하고, 종류가 바뀌는 원자핵이 존재한다. 원자핵이 붕괴하는 속도는 일정하며 붕괴한 후의 종류도 알고 있다.샘플에 포함된 붕괴 전과 붕괴 후의 원자핵 비율을 바탕으로 샘플이 고화된 연대를 역산하는 방법을 방사성 연대 측정법이라고 한다.

【▲ 표 1: 시대별 산소의 동위체 비율 변화. 동위체 비율 변화와 은하 원반의 통과 주기의 주기는 거의 일치한다. 또, 특히 무거운 동위체가 적었던 35억 6000만 년 전부터 34억 3000만 년 전, 태양계는 은하 안에 들어 있지 않았다.

샘플을 시계열 순으로 나열할 수 있다면, 다음은 지르콘에 포함된 산소의 동위체(**) 비율을 조사한다. 이번 연구에서는 샘플을 시계열 순으로 나열한 후 산소의 동위체 비율이 어떻게 변화하고 있는지 조사되었다. 그 결과 1억 7000만 년에서 2억 년이라는 주기로 동위체 비율이 변화하고 있는 것으로 나타났다.

**동위체 : 원소의 종류를 결정하는 양성자의 수는 같지만 중성자의 수가 다른 원자핵을 말한다. 하프늄에 의한 방사성 연대 측정법에서는 원자핵이 붕괴하는 '방사성 동위체'를 이용했지만 다음 산소의 동위체 비율 분석에서는 붕괴하지 않는 '안정 동위체'를 이용하고 있다.

【▲ 표 2 : (A) 은하수 은하의 지도와 태양계의 이동 경로. 태양계는 은하수를 파도치듯 공전하고 있다. (B) 태양계의 개념도. 태양계는 그 바깥쪽에 지름 약 3.2광년의 올트 구름이 있는 것으로 추정되고 있다. 올트 구름에서 천체가 태양계 중심부로 떨어지면 혜성으로 관측된다.


이러한 길이의 주기와 잘 들어맞는 것이 지구를 포함한 태양계의 이동이다. 태양계는 은하수 은하 안에서 파도를 그리듯 공전하고 있다. 이 파도의 진동주기와 이번에 발견된 동위체 비율의 변화가 거의 일치한다!

항성(恒星)이 고밀도로 모여 있는 은하 원반을 태양계가 통과하고 있을 때에는 다른 항성이 태양계 근처를 통과할 가능성이 높아진다. 그러면 혜성의 둥지라고도 하는 올트 구름이 휘젓고 태양계의 중심부로 떨어질 확률도 높아진다. 결과적으로 혜성이 지구에 접근하면서 충돌할 확률도 높아지는 셈이다.

혜성이 지구 표면에 충돌하면 지각을 부수어 다수의 균열을 형성하고 그 밑에 있는 맨틀에까지 충격이 전달된다. 이를 통해 충돌한 지점의 아래쪽에서는 지구 깊은 곳에서 물질이 지각으로 공급된다. 또한 금이 간 지각에는 물이 들어가 암석의 융점을 낮추게 된다. 이 두 가지 작용에 의해 화강암 덩어리가 형성되고 나중에 대륙 지각의 "핵"이 되었을 것으로 추정하고 있다.

【▲ 표 3 : 혜성의 지구 표면 낙하는 대륙 지각을 형성하는 원동력이 되었을 수 있다. 

이렇게 추정하는데 있어 관건은 동위체 비율의 변화 방법에 있다. 무거운 동위체는 가벼운 동위체에 비해 가라앉기 쉽기 때문에 지구 깊숙이 갈수록 무거운 동위체의 비율이 높아진다. 뒤집어 보면 다른 시대와 비교해 무거운 동위체를 포함한 샘플은 지구 지하 깊은 곳에서 상승해 온 물질로 이루어져 있다는 것을 의미한다.

그리고 무거운 동위체의 비율이 특히 낮은 시기, 즉 지구 심부로부터의 물질 공급이 적었던 시기는 태양계가 페르세우스 팔(Perseus Arm)을 탈출한 후 노르마 팔(Norma Arm)로 진입하기까지의 기간과 일치한다! 은하 팔은 다른 곳과 비교해 항성의 밀도가 특히 높기 때문에 팔에서 나오는 시대에 혜성의 충돌이 적다는 것도 설명할 수 있다.

지구 역사상 천체충돌이 집중되는 '폭격기'가 여러 차례 일어났다는 사실이나 그것이 대략 주기적으로 일어나고 있다는 사실은 지금까지 알고 있었지만 이것이 대륙 지각 형성에 관여했을 가능성이 이번에 밝혀진 것이다. 대륙지각을 형성하는 메인의 작용은 지구 내부에서 완결되었다는 점은 변함이 없지만 대륙지각의 형성을 촉진하는 작용으로서 우주로부터의 천체충돌이 관련되어 있다는 것은 매우 흥미로운 학설이 되고 있다.

Source
https://pubs.geoscienceworld.org/gsa/geology/article/doi/10.1130/G50513.1/616377/Did-transit-through-the-galactic-spiral-arms-seed

Did transit through the galactic spiral arms seed crust production on the early Earth? | Geology | GeoScienceWorld