맨틀 산화 이론에 도전하는 새로운 연구

북극 근처 Gakkel Ridge에서 수집한 고대 암석의 얇은 조각으로, 현미경으로 이미지를 촬영하고 교차 편광 아래에서 관찰했습니다. 필드 너비 ~ 14mm. 얇은 단면 암석 분석은 지질학자가 암석 내의 광물을 식별하고 설명하는 데 도움이 됩니다. 분석을 통해 암석의 광물학적 구성, 질감 및 역사에 대한 정보(예: 형성 방식 및 이후에 발생한 변화)가 드러납니다. 연구자들은 지구 맨틀의 고대 암석에 들어 있는 광물의 화학적 조성을 측정하여 암석이 녹는 조건을 확인합니다. 저작권: E. Cottrell, 스미소니언

스미소니언 과학자들은 최소 25억년 전의 고대 “타임캡슐” 암석에 대한 새로운 연구를 수행하고 있습니다.

스미소니언 국립 자연사 박물관의 연구원들은 적어도 25억년 된 것으로 추정되는 암석에 대한 새로운 분석을 수행하여 지구 지각 아래 층인 지구 맨틀의 화학적 역사를 밝혀냈습니다. 그들의 발견은 지구에서 가장 오래된 지질학적 과정에 대한 우리의 이해를 향상시키고 지구의 지질학적 역사에 관한 오랜 과학적 논쟁에 기여합니다. 특히, 이번 연구는 지구 맨틀 대부분의 산화 상태가 지질학적 시간이 지나도 안정적으로 유지되었다는 증거를 제시하며, 주요 변화에 대한 다른 연구자들의 이전 주장에 도전장을 내밀고 있습니다.

박물관 광물학과 책임자인 엘리자베스 코트렐(Elizabeth Cottrell)은 “이번 연구는 우리가 살고 있는 이 특별한 장소가 생명체와 액체 물이 존재할 수 있었던 독특한 표면과 내부를 통해 어떻게 지금의 모습이 되었는지에 대해 더 많은 것을 말해준다”고 말했습니다. , National Rock Collection의 큐레이터이자 연구의 공동 저자입니다. “우리의 기원은 모두 지구가 어떻게 형성되고 진화했는지로 거슬러 올라가기 때문에 인간으로서 우리 이야기의 일부입니다.”

해당 연구는 저널에 게재되었습니다. 자연, 특이한 지구화학적 특성을 지닌 해저에서 수집된 암석 그룹에 중점을 둡니다. 특히, 암석은 매우 낮은 산화 수준으로 극단적인 용해의 증거를 보여줍니다. 산화는 언제인가 옥수수 또는 분자는 화학 반응에서 하나 이상의 전자를 잃습니다. 추가적인 분석과 모델링의 도움으로 연구자들은 이 암석의 고유한 특성을 사용하여 시생대 기간 동안 최소 25억년 전으로 거슬러 올라갈 가능성이 있음을 보여주었습니다. 더욱이, 그 결과는 다른 지질학자들이 이전에 가정했던 것과는 대조적으로, 이러한 암석이 형성된 이후 지구의 맨틀은 일반적으로 안정적인 산화 상태를 유지해 왔다는 것을 보여줍니다.

연구팀은 고대 암석을 해저에서 추출해 연구했다. 사진 제공: Tom Kleindienst

“우리가 연구한 고대 암석은 일반적인 현대 맨틀 암석보다 산화가 10,000배나 적습니다. 이는 맨틀이 오늘날보다 더 뜨거웠던 시생 시대에 지구 깊은 곳에서 녹아내렸기 때문이라는 증거를 제공합니다.”라고 Cottrell은 말했습니다. 다른 사람들은 시생대와 오늘날 사이에 산화 또는 변형 사건이 발생했음을 시사함으로써 오늘날 맨틀 암석에서 볼 수 있는 더 높은 수준의 산화를 설명합니다. “우리의 증거는 산화 수준의 차이가 지구의 맨틀이 수십억 년에 걸쳐 냉각되어 더 이상 산화 수준이 낮은 암석을 생성할 만큼 뜨겁지 않다는 사실로 간단히 설명될 수 있음을 시사합니다.”

지질학적 증거 및 연구 방법론

국립자연사박물관에서 박사후 과정을 마치고 현재 켄터키주 베레아 대학의 조교수로 재직 중인 수석 연구 저자 수잔 버너(Susan Berner)를 포함한 연구팀은 지구의 단단한 맨틀과 현대 화산 사이의 관계를 이해하기 위한 조사를 시작했습니다. 해저에 있는 바위. 연구자들은 지각판이 갈라지고 맨틀이 표면으로 이동하여 새로운 지각을 생성하는 두 해령의 해저에서 발굴된 암석 그룹을 연구하는 것부터 시작했습니다.

연구된 암석이 수집된 두 곳, 즉 북극 근처의 Jackyll 산맥과 아프리카와 남극 대륙 사이의 남서 인도 산맥은 세계에서 가장 느리게 퍼지는 지각판 경계 중 하나입니다. 이러한 해양 능선의 전파 속도가 느리다는 것은 동태평양 해령과 같이 빠르게 퍼지는 화산 능선에 비해 화산 활동이 상대적으로 조용하다는 것을 의미합니다. 이는 천천히 퍼지는 능선에서 수집된 암석이 맨틀 자체의 표본일 가능성이 높다는 것을 의미합니다.

2004년 해상에 있는 연구선 R/V 크노르(R/V Knorr)의 선미. A자형 선체에는 해수면 아래 10,000피트 이상 내려져 지질 샘플을 수집하기 위해 해저를 따라 끌려가는 거대한 금속 양동이와 체인이 고정되어 있습니다. 저작권: Emily Van Ark

연구팀은 이 두 능선에서 수집한 맨틀 암석을 분석했을 때 두 암석이 이상한 화학적 특성을 공유하고 있음을 발견했습니다. 첫째, 암석은 오늘날 전형적인 맨틀 암석보다 훨씬 더 많이 녹았습니다. 둘째, 암석은 대부분의 다른 맨틀 암석 샘플보다 훨씬 덜 산화되었습니다.

이러한 높은 수준의 용융에 도달하기 위해 연구자들은 암석이 매우 높은 온도에서 땅 속 깊은 곳에서 녹아야 한다고 결론지었습니다. 그러한 높은 온도를 포함하는 것으로 알려진 지구 지질학적 역사의 유일한 기간은 시생대(Archean Eon) 기간인 25억년에서 40억년 전 사이였습니다. 따라서 연구자들은 이 맨틀 암석이 아마도 행성 내부 온도가 360도에서 540도 사이였던 시생대 동안 녹았을 것이라고 결론지었습니다. 에프 (200-300도 섭씨) 오늘보다 더 덥네요.

용해도가 높으면 이러한 암석이 화학적 특징을 변화시킬 수 있는 추가 용융으로부터 보호하여 화학적 성질을 크게 변화시키지 않고 수십억 년 동안 지구 맨틀에서 순환할 수 있습니다.

“이 사실만으로는 아무것도 증명할 수 없지만 이 샘플이 시생 시대까지 거슬러 올라가는 실제 지질 타임 캡슐 역할을 할 가능성이 열려 있습니다.”라고 Cottrell은 말했습니다.

과학적 설명과 통찰력

Jackel Ridge와 남서부 Indian Ridge에서 수집된 암석의 낮은 산화 수준을 설명할 수 있는 지구화학적 시나리오를 탐색하기 위해 팀은 측정에 여러 모델을 적용했습니다. 모델은 샘플에서 측정한 낮은 수준의 산화가 지구 깊은 곳의 극도로 뜨거운 조건에서 녹아서 발생했을 가능성이 있음을 밝혔습니다.

두 가지 증거 모두 암석의 비정형 특성이 맨틀이 극도로 높은 온도를 생성할 수 있었던 시생대 동안 지구 내부 깊은 곳에서 녹아 화학적 특징을 나타낸다는 해석을 뒷받침해 줍니다.

이전에 일부 지질학자들은 산화 수준이 낮은 맨틀 암석을 시생대 맨틀이 덜 산화되었으며 어떤 메커니즘을 통해 시간이 지남에 따라 더 산화되었다는 증거로 해석했습니다. 제안된 산화 메커니즘에는 우주로의 가스 손실로 인한 산화 수준의 점진적 증가, 섭입에 의한 고대 해저 재활용, 맨틀 화학에 지구 핵의 지속적인 참여 등이 포함됩니다. 그러나 지금까지 이 견해를 지지하는 사람들은 어떤 설명에도 동의하지 않았습니다.

대신, 새로운 발견은 지구 맨틀의 산화 수준이 수십억 년 동안 대체로 일정했으며 일부 맨틀 샘플에서 볼 수 있는 낮은 산화 수준은 맨틀이 더 이상 생성될 수 없는 지질학적 조건에서 발생했다는 견해를 뒷받침합니다. 그 이후로 냉각되었습니다. 그래서 지구의 맨틀을 만드는 어떤 메커니즘 대신에 더 수십억 년에 걸쳐 산화되었으며, 새로운 연구에서는 시생 시대의 고온이 맨틀의 일부를 만들었다고 주장합니다. 더 적은 시생시대 이후 지구 대기가 냉각되었기 때문에 더 이상 산화 수준이 매우 낮은 암석을 생성할 수 없습니다. Cottrell은 지구 대기의 냉각 과정이 훨씬 간단한 설명을 제공한다고 말합니다. 지구는 더 이상 과거처럼 암석을 만들지 않습니다.

Cottrell과 그녀의 동료들은 현재 실험실에서 Archaea에서 발견되는 극도로 높은 압력과 온도를 시뮬레이션함으로써 Jackyll Range와 남서부 Indian Range의 Archean 맨틀 암석을 형성하는 지구화학적 과정을 더 잘 이해하려고 노력하고 있습니다.

참고 자료: Susan K. 베르너, 엘리자베스 코트렐, 프레드 A. 데이비스와 제시카 M. 워렌, 2024년 7월 24일, 자연.
도이: 10.1038/s41586-024-07603-s

Berner와 Cottrell 외에도 이 연구는 미네소타 덜루스 대학의 Fred Davis와 델라웨어 대학의 Jessica Warren이 공동으로 작성했습니다.

이번 연구는 스미소니언 연구소(Smithsonian Institute)와 국립과학재단(National Science Foundation)의 지원을 받았습니다.