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- 하버드 대학, 34억 3천만 ~ 31억 8천만 년 전의 호주 동부 필바라 분화구 암석 샘플 조사
- 화산 폭발로 형성된 암석에서 드릴 코어를 추출하고 다른 층에서 자화의 강도와 방향 결정
- 자석 방향의 미묘한 변화는 자기장이 극성이 안정적일 때에도 시간이 지남에 따라 증가하는 암석의 자화에 약간의 이동이 있음을 보여준다.

32억 5천만 년 전 지구 자기장 극 반전
지구의 자기장, 지오다이나모, 판구조론은 지구 초기에 이미 존재했는가?

예상보다 이른 32억 5천만 년 전, 지구는 안정적인 지오다이나모와 자기장을 가지고 있었고 첫 번째 극성 반전을 경험했다. 이것에 대한 증거는 33억 4천만 년에서 31억 8천만 년 전의 호주 필바라(Pilbara) 분화구의 암석 샘플이다. 이들은 또한 그 당시에 이미 활동적인 판 구조론이 있었고 지구의 판에서 상대적으로 빠른 이동이 있었음을 시사한다. 둘 다 함께 우리 행성이 지구 물리학적으로 30억 년 전에 비교적 현대적이었다는 것을 나타낸다. 

▲ 지구에는 이미 33억 년 전에 쌍극자 자기장이 있었을 수 있으며 그 당시에는 이미 첫 번째 극 반전을 겪고 있었다.© Petrovich9/ Getty images

지구의 자기장은 단단한 우주선에 대한 우리의 가장 중요한 보호이며 우리 행성의 생존에 매우 중요하다. 그러나 이 행성 보호 스크린이 얼마나 오래 존재했을까? 현재 이론에 따르면 안정적인 지구 자기장은 지구의 내핵이 응고될 때만 발생하며 이에 따라 지오다이나모의 전제 조건이 만들어진다. 

 

그러나 지금까지는 이러한 일이 언제 일어났는지에 대해서는 논쟁의 여지가 있다. 일부 연구에서는 지구의 초기에 응고되었다고 말하고, 다른 연구에서는 단지 13억 년 전 또는 심지어 5억 5천만 년 전이라고 말한다.

지오다이나모 이전의 자기장?

문제:
초기 지질 시대에 자기장의 존재를 증명하려면 그 시대의 암석이 필요하다. 그리고 이것은 오늘날 지구 표면에서 매우 드물다. 그런데도 30억 년 이상 된 암석의 자화를 나타내는 일부 측정이 이미 있었다. 2020년 초, 지르코늄 결정은 최초의 자기장이 42억 년 전에 존재했을 수 있다는 증거를 제공했다.

그것은 이 최초의 원시 자기장이 지오다이나모 이전에 존재했음이 틀림없다는 것을 의미할 것이다. 40억 년 이상 전에 지구의 내부 핵은 단단할 수 없었기 때문에 젊은 지구의 내부는 여전히 너무 뜨거웠다. 따라서 일부 과학자들은 이 시기에 다른 이국적인 형태의 자기장 유도를 가정한다. 

▲ 초기 지구 시대의 필바라 크라톤의 재구성된 움직임. © Brenner et al./ PNAS, CC-by-nc-nd 4.0

33억 4천만 년 전 자기장

새로운 측정 데이터는 이제 더 명확성을 제공한다. 그들의 연구를 위해 하버드 대학의 Alec Brenner와 그의 동료들은 34억 3천만 ~ 31억 8천만 년 전의 호주 동부 필바라 분화구(지구상에서 가장 오래되고 가장 안정적인 암석 중 하나)의 암석 샘플을 조사했다. 연구팀은 화산 폭발로 형성된 암석에서 드릴 코어를 추출하고 다른 층에서 자화의 강도와 방향을 결정했다.

분석 결과 지구는 30억 년 전에 뚜렷한 쌍극자 자기장을 가졌음에 틀림없다는 것이 밝혀졌다. 연구원들은 암석 드릴 코어와 샘플의 개별 자철광 입자 모두에서 해당 자화의 잔류물을 감지할 수 있었다.

자기장 역전의 가장 오래된 증거

측정 데이터는 또한 초기 지구의 자기장이 약 32억 5천만 년 전에 극성 반전(자기 북극과 남극의 교환)을 경험했음에 틀림없다는 것을 보여주었다. "이것은 지자기 극성 반전의 가장 오래된 증거이자 지구 자기장 기하학에 대한 가장 오래된 직접 테스트다"고 Brenner와 그의 팀은 보고했다. "이러한 극 반전은 그러한 사건에 대한 이전의 신뢰할 수 있는 증거보다 4억 8천만 년 더 지난 것이다.“

과학자들에 따르면, 이것은 이미 32억 5천만 년 전에 지구가 주기적인 극 반전을 포함해 지오다이나모와 대체로 "현대적인" 거동을 갖는 안정적인 쌍극자 장을 가졌음을 보여준다. 지난 8천만 년 동안에만 183번의 극성 반전과 짧은 극 점프가 있었을 수 있다. 새로운 데이터는 이제 지구 자기장이 초기에도 극성이 반전되는 경향이 있음을 시사한다.

초기 판구조론의 증거

필바라(Pilbara) 샘플의 자기 측정은 두 번째 지구역학적 과정인 판 구조론에 대한 새로운 정보도 제공한다. 지금까지 정확히 언제, 어떻게 시작되었는지에 대해서도 논란이 되고 있다. Pilbara 암석 샘플에서 자석 방향의 미묘한 변화는 자기장이 극성이 안정적일 때에도 시간이 지남에 따라 증가하는 암석의 자화에 약간의 이동이 있음을 보여준다. 그들은 지구 표면을 가로지르는 필바라 크레이터의 점진적인 표류(초기 판 구조론)를 지적한다.

구체적으로 측정 결과는 다음과 같다. "첫째, 33억 4,300만 년에서 33억 5,000만 년 전 동쪽 필바라는 100만 년당 약 0.55도의 속도로 북쪽으로 표류했다"고 브레너와 그의 팀은 보고했다. 따라서 이 암석층은 연간 약 6.1cm의 속도로 움직이고 있었다. 오늘날의 판 구조론의 기준에서도 이것은 비교적 빠르다. 두 번째 단계는 32억 5,000만 년 전에 동쪽 필바라가 더 이상 위도를 변경하지 않고 시계 반대 방향으로 회전한 이후에 이어졌다.

지구 역학적으로 놀랍도록 "현대적“

이러한 결과로부터 연구자들은 당시 지구에 자기장이 있었을 뿐만 아니라 실제 판구조론도 있었다는 결론을 내렸다. 대체 가설은 지각이 어떻게 그렇게 빨리 움직여야 하는지 설명할 수 없기 때문이다. 이것은 현대 모델에 기반한 지각판과 맨틀 대류가 이미 있는 경우에만 가능하다. Brenner와 그의 팀은 "이동성 지각 뚜껑 내의 차동 운동은 이러한 발견과 양립할 수 있는 유일한 메커니즘이다"고 말했다.

이를 종합하면 "우리 데이터는 이미 지구역학적으로 성숙한 초기 지구의 그림을 그린다"고 Brenner는 말했다. "그것은 이미 오늘날까지 우리 행성에 안정적인 조건을 제공하고 한때 생명체가 발생하고 진화할 수 있었던 것과 동일한 역동적인 과정을 가지고 있다.“

연구원들은 이제 Pilbara craton에서 더 오래된 다른 암석 샘플을 찾고 있다. 그들의 분석은 지상의 지오다이나모가 언제 시작되었고 언제 판 구조론이 시작되었는지에 대한 더 많은 정보를 제공할 수 있다.
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; doi: 10.1073/pnas.2210258119)
출처: Harvard University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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