45억 년 전에 형성된 원시 지각의 유물, 여전히 ​​​​지구 맨틀 깊숙이 자리

문광주 기자 / 기사승인 : 2022-05-05 21:28:55
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- 남아프리카의 심성암에 대한 동위원소 분석 중에 이 징후 발견
- 동위원소 분석은 이 고대 암석의 일부가 텅스텐의 한 동위원소에서 현저한 결핍
- 화산의 맨틀 기둥은 분명히 때때로 원시 지각의 잔해를 드러내
- 이 매혹적인 발견은 초기 지구의 지구화학적 지문을 얻을 수 있는 가능성

지구의 원시 지각 묘지
45억 년 전에 형성된 원시 지각의 유물은 여전히 ​​​​지구 맨틀 깊숙이 자리 잡고 있다.


원시 유물:
지구의 맨틀 깊숙한 곳에는 45억 년 전에 녹은 마그마로 형성된 원시 지각이 지구 맨틀의 깊숙한 곳에 아직 묻혀 있는 것 같다. 지질학자들은 남아프리카의 심성암에 대한 동위원소 분석 중에 이것의 징후를 발견했다. 그들의 텅스텐 동위원소는 이전의 가정과 달리 원시 지각의 잔해가 지구의 하부 맨틀에 보존됐으며 뿌리가 깊은 일부 화산에서 다시 나타나고 있다. 

▲ 약 45억 년 전, 원시 지구의 마그마가 냉각되기 시작했고 최초의 단단한 지각이 형성되었다. 그의 유물이 남아 있을까? © Thanapol sinsrang/ Getty images

지각과 그 아래의 맨틀은 끊임없이 움직이고 있다. 큰 역류는 대륙을 표류하고 충돌하는 지각판을 아래로 밀어내고 뜨거운 마그마를 다른 곳의 표면으로 다시 가져온다. 이러한 해류는 판 구조론을 추진할 뿐만 아니라 지구 맨틀의 점성 암석이 혼합되고 지속적으로 "재활용"되도록 한다.

지화학적 기억이 지워진다?

이것은 또한 우리 행성의 지구 화학적 "기억"이 지속적으로 덮어 쓰여지고 있음을 의미한다. 현재의 가정에 따르면 지구의 맨 처음 지각의 유물, 즉 원시 마그마 바다가 식었을 때 40억 년 전에 형성된 원시 지각의 유물을 찾을 가능성은 없다. "판 구조론으로 인해 지구에 접근할 수 있는 규산염 저장소는 지구 역사의 처음 5억 년 정도에 대한 기억을 크게 잃었다"고 쾰른 대학의 Jonas Tusch와 그의 동료가 설명했다.

▲ 일반적인 가정에 따르면 맨틀 대류는 맨틀이 지속적으로

혼합되도록 한다. ©USGS


그렇지 않다면, 연구원들이 이제 발견한 것처럼, 우리 행성 초기의 유물은 분명히 여전히 지구의 맨틀 깊숙이 숨겨져 있다. 연구를 위해 그들은 남아프리카에 있는 약 35억 5천만 년 된 Kaapvaal 분화구의 암석 샘플을 동위원소 분석에 적용했다. 이 암석은 지구상에서 가장 오래된 암석 중 하나이며 한때 지구의 맨틀에서 파낸 것이다.

동위원소 이상


동위원소 분석은 이 고대 암석의 일부가 텅스텐의 한 동위원소에서 현저한 결핍을 보여주었다. 그들은 정상의 현대 맨틀 암석보다 동위원소 텅스텐-182를 900만분의 1 적게 함유하고 있다. 이러한 결핍과 함께 ​​이 암석 샘플은 또한 하프늄, 세륨 및 네오디뮴의 매우 오래 지속되는 다른 동위원소에서 비정상적인 패턴을 보였다고 팀은 보고했다.

흥미로운 점은 특히 텅스텐의 경우 이러한 편차는 원시 지각의 유물 때문일 수 있지만 코어-맨틀 경계에서의 지구화학적 상호 작용과 같은 다른 과정 때문일 수도 있다. 측정된 값에 가장 잘 맞는 설명을 찾기 위해 투쉬(Tusch)와 그의 동료들은 지구화학적 모델에서 무슨 일이 일어나고 있는지 재구성했다.

원시 지각의 지문

결과: 핵 물질과의 혼합이나 충돌을 통해 지구에 도달한 물질의 농축은 모델의 암석 샘플에서 특정 동위원소 비율을 설명할 수 없다. 대신 과학자들은 측정 결과가 40억 년 전 원시 지각에서 가라앉은 암석과 가장 잘 일치한다고 말했다.

"우리는 지각의 하부층, 말하자면 초대륙의 뿌리가 지질학적 성숙 과정의 결과 주변보다 무거워져서 용암 램프와 유사한 하부 맨틀 속으로 가라앉았다고 가정한다"고 Tusch는 설명했다. 원시 지각의 이러한 유물은 맨틀 하부에 도달하여 코어-맨틀 경계 근처에 남아 있었고 나머지 맨틀의 혼합에 크게 영향을 받지 않았다.
▲ Kaapvaal Craton의 지각 및 맨틀에서 파생된 암석의 기원에 대해 선호되는 지구 역학 모델이다. (A) ca. 태양계 형성 후 5천만 년. (B) ca. 4.35 및 4.25 Ga. (C) 하부 지각 암석의 재활용과 연기에 의해 시작된 화산 활동은 상승하는 연기에 의해 공급되는 박리된 복원암, 고갈되고 원시 맨틀을 포함하는 잡종 공급원의 용융을 초래한다. 회색 음영은 고갈된 상부 맨틀(DUM)과 하부 맨틀(밝은 회색)을 시각화한다. 박리된 재암석은 하부 맨틀 지역의 뿌리 깊은 맨틀 기둥에 의해 조사되거나 상부 맨틀에서 상승 기둥에 의해 동화될 수 있다. (출처: 관련논문 Long-term preservation of Hadean protocrust in Earth’s mantle / PNAS)

원시 지각의 묘지가 남아 있다.

이것은 다음을 의미한다. 대중적인 믿음과 달리 원시 지각의 일부는 시간이 지남에 따라 살아남았다. 그들은 40억 년 이상 동안 지구의 맨틀 바닥에 있는 일종의 "공동묘지"에서 잠자고 있었다. 남아공의 Kaapvaal 분화구의 경우처럼 맨틀 기둥을 통해서만 이러한 잔해 중 일부는 때때로 더 높은 고도에 도달하고 때로는 지표면에 도달한다. 깊은 상향류를 마그마라고 한다.

연구원들에 따르면, 이 시나리오는 또한 하와이, 라 레위니옹 또는 갈라파고스 제도와 같은 일부 핫스팟 화산에서 유사하게 눈에 띄는 동위원소 이상 현상이 이미 측정된 이유를 설명할 수도 있다. 이 화산의 맨틀 기둥은 분명히 때때로 원시 지각의 잔해를 드러내기도 한다.

젊은 지구 타임캡슐

공저자인 베를린 자유 대학교의 엘리스 호프만(Elis Hoffmann)은 "이 매혹적인 발견은 초기 지구의 지구화학적 지문을 얻을 수 있는 가능성을 열어준다"고 말했다. 이것은 차례로 초기에 우리 행성을 형성한 지구화학적 과정에 대한 귀중한 통찰력을 열어준다.

호프만은 "이를 통해 우리는 지구 역사의 과정에서 거대한 대륙이 어떻게 형성됐고 산소가 풍부한 대기가 어떻게 발달할 수 있었는지 더 잘 이해할 수 있게 되었다. 이는 복잡한 생명체의 출현을 위한 중요한 전제 조건이다"고 말했다.
(국립과학원 회보, 2022, doi:10.1073/pnas.2120241119)
출처: 쾰른 대학교, 베를린 자유 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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