태양계와 지구 형성의 비밀이 담긴 블랙박스

태양계가 형성될 때 만들어진 지구는 화학적 분화를 거듭해 현재의 모습이 됐다.

지금도 살아 있는 지구라는 표현이 어울리게 바다 속에서는 퇴적암이 만들어지고, 섭입대에서는 지각 암석이 맨틀로 사라지고 화산을 통해서는 새로운 지각이 형성되는 과정을 반복하고 있다.

이러한 분화 과정에 의해 지구상의 어떠한 암석도 태양계와 지구가 처음 만들어졌을 때의 조성과 광물 조합을 보관하고 있지 않다.

태양계와 지구 형성 초기 모습을 엿볼 수 있는 유일한 통로는 초기 태양계와 행성이 생성된 시기에 행성 형성에 참여하지 못해 지금까지 우주를 떠돌고 있는 운석이다.

[칼럼] 태양계와 지구 형성의 비밀이 담긴 블랙박스 writer. 김태훈 박사(한국지질자원연구원 운석신고센터)

운석 연구의 역사 운석은 오래 전부터 인류의 역사에 등장하기 시작했다.

그리스 로마 등 고대 시대에서 돌이 하늘에서 떨어지는 것을 관찰하고 수집한 것으로 알려졌다.

또 이 암석을 소중하고 신성시하며 무덤의 부장품 등 중요한 장소에 보관했다는 것이다.

근대적 의미의 운석에 관한 연구가 시작된 것은 약 200년 전의 1800년대 초부터. 그 당시 이미 운석이 지구상의 암석의 구성 광물과 달리 금속 황화물, 암석 성분 등으로 구성되고 있어 그는 현재는 콘도르 유루(chondrule)로 불리는 “이상한 구체(암석의 방울)”에 대해서도 기술했다.

운석에 대한 단순한 기술에서 벗어나고 현대적 의미의 운석 연구를 완성하게 된 것은 1950년대 이후 X 선 및 질량 분석을 이용한 성분 분석과 동위 원소 분석 기술이 발달하면서부터다.

이를 통해서 운석 분류와 기원 등에 관한 연구가 확립되고, 현재 우리가 46억년으로 알고 있는 태양계의 연령도 운석 내의 Rb-Sr, Pb-Pb등의 다양한 복사 기원 동위 원소비를 정밀하게 측정함으로써 얻어진 값이다.

지구에서 태어난 암석 VS우주에서 온 운석 엄밀한 의미에서 운석도 암석의 일종이다.

일반적인 암석과 마찬가지로 전체 암석 성분에 의한 광물의 조합으로 구성되며 지구상의 암석과 비교하면 성분과 생성 환경이 다르기 때문에 구성 물질과 광물의 차이가 있다.

운석 시료의 박편을 만들어 관찰하거나 정밀 분석을 통해서 구성 광물과 성분을 파악하고 심지어 산소 동위 원소 조성을 조사하면 지구상의 암석과 차이가 있는 구별이 가능하다.

육안으로 운석을 구별하기는 쉽지는 않지만 우선 운석은 우주에서 중력에 의해서 대기권을 통과하고 낙게 된다.

빠른 속도로 낙면서 공기와의 마찰로 운석 표면이 녹게 되면서 녹던 표면은 마찰로 깎이고 결과적으로 용융 뿔이라고 불리는 1mm이내의 얇은 유리질 암석 판이 만들어진다.

육안으로 운석을 판단할 때 우선 용융각 여부가 가장 큰 판단 기준이 된다.

사막, 남극 등에 오래 전에 낙고 풍화를 경험한 운석의 경우도 부분적으로는 용융 뿔이 남아 있는 경우가 많아 용융 뿔이 완전히 사라지게 풍화를 경험한 운석의 경우 육안으로 구별하는 데는 어려움이 있다.

특히 화성 운석, 달 운석을 포함한 분화 운석의 경우는 용융 뿔이 존재하지 않으면 육안 관찰을 포함한 간단한 관찰과 분석만으로는 구별이 어렵다.

실제로 지구상에서 가장 건조한 지역인 남극, 사하라 사막 등에서 운석을 발견하고 수집하는 이유도 다른 지역보다 비교적 물리 화학적 풍화가 늦게 진행되기 때문이다.

미세 분화 운석이나 철질, 운석(조급한 전철실 이은세키)에서는 지구상의 암석에서 산출하지 않는 금속 철이 존재하는 이런 금속 철의 산출도 운석을 구별하는 방법의 하나이다.

연마된 내부에 은백색의 금속 광택 있는 쇠가 존재한다면 운석이나 제철소 등으로 구성되었는지, 2개의 사례 중 1개이다.

운석의 종류 운석은 구성하고 있는 재질을 기준으로 석질 운석과 철질, 운석, 석 철질, 운석으로 분류할 수 있다.

석질 운석은 구성 성분의 차이는 있지만 우리가 알고 있는 암석으로 구성됐고 많은 경우 금속 철의 작은 조각을 담고 있다.

철질, 운석은 내부가 은백색의 금속 광택 있는 철 니켈 합금으로 구성된다.

석 철질, 운석은 철질, 운석을 기질(토대)로서 내부에 양배추석, 휘석 등의 광물로 구성된 암석질이 혼재하고 있으며 성인상에서 석질 운석과 철질, 운석의 중간적 형태와 이해할 수 있다.

재질에 의한 구분은 운석의 구별과 분류에 쉽지 않지만 운석의 성인과 진화 과정을 이해하는 데는 한계가 있다.

운석의 성분과 성인에 의한 다양한 분류가 있지만 크게는 시원한 운석(primitive meteorite;미분화 운석)과 분화 운석(differentiated meteorite)로 분류된다.

시원한 운석은 초기 태양계 성운에서 생성된 물질의 조성이 크게 달라지지 않는 운석으로 작은 암석 구슬 형태의 콘도르률(condrule)을 포함하고 콘도르 라이트(chondrite)이라고도 불린다.

초기 태양계의 생성 과정에서 수많은 초기 암석 물질이 서로 뭉쳐서 행성을 만드는 험한 경쟁에서 살아남은 것이 우리가 잘 아는 수성 금성 지구 화성 등 현재 태양계 행성 규모가 커지고 부분적으로 화학적 분화까지 경험했지만 생존하고 행성에 자라지 못하고 도중에 깨진 파편이 분화 운석에 해당한다.

운석을 활용한 다양한 연구 지구는 운석이 모여서 만들어진 행성이다.

핵(core), 맨틀, 지각이란 각각 다른 조성의 층을 이루다 화학적 분화 과정을 거쳐서 현재의 모습을 하고 있다.

그래서 지각의 어떤 암석도 태양계와 지구가 처음 만들었을 때 조성을 보관하지 않는다.

초기의 태양계가 생성될 때 함께 만들어진 운석은 지구 형성 초기의 모습을 알리는 프리즘이다.

시원(콘드 라이트)운석의 조성 분석을 통해서 태양계의 평균 원소 조성과 화학적으로 분화하기 이전의 지구 전체의 성분을 유추할 수 있다.

이를 통해서 초기 태양계에서 일어난 다양한 사건을 물리-화학적으로 규명할 수 있다.

또, 동위 원소 연대 분석을 통해서 태양계 및 지구의 생성 연대를 비롯한 월의 생성, 태양계가 만들어진 후의 대소 행사에 대한 시기를 알 수 있다.

또 90년대 이후, 시원한 운석에 미량으로 남아 있는 태양계 생성 이전의 물질인처 태양계 광물(presolar grain)에 대한 연구를 통해서 태양계 이전에 존재한 태양계 생성의 재료 물질에 대한 연구도 최근까지 활발하게 진행되고 있다.

처음에 행성이 생성되며 크기가 어느 정도 커지면 용융이 일어나고 지구 같은 화성 활동도 일어나게 되고, 그 결과물에 해당하는 것이 분화 운석이다.

철운석은 초기 행성의 코어에 해당하는 화산 활동을 포함한 화성 활동의 산물에 해당하는 석질 분화 운석은 석질이 아니라는 의미에서 어콘드 라이트(achondrite)이라고도 불린다.

이런 분화 운석은 초기 행성의 형성 과정 연구의 기초가 되며, 심지어 지구의 핵, 맨틀, 지각 형성이 생성되는 때에 일어나는 물리 화학, 광물학적 현상과 원소의 분배에 대한 연구의 단서를 제공한다.

지구상의 생명의 기원에 관한 연구도 최근 큰 화제의 하나이다.

시원한 운석 중 비교적 다량의 유기물을 함유하는 탄소질 콘드 라이트(carbonaceous chondrite)은 태양계 내의 생명 탄생의 가능성을 지시했다.

최근, 고감도 단백질 질량 분석 기술의 개발로 탄소질 콘드 라이트인 Allende, Muchison운석 내에서 아미노산의 관찰이 보고되었다.

2020년에는 Acf086탄소질 운석 내의 유기 물질 연구에서 지구 밖의 세계에서 생성된 것으로 생각된다 비교적 복잡한 형태의 단백질을 발견함으로써 생명의 기원이 운석, 즉 외계일 가능성의 또 하나의 증거를 제시했다.

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