가장 오래된 광물 분석했더니…"33억 년 전 판구조 운동 시작"

서호주 잭힐스에서 채취한 지르콘을 음극발광 기법으로 촬영한 이미지. 초기 지구의 화학적 특성을 보여준다. 셰인 하우친, 네이처 제공

지구에서 가장 오래된 광물인 '지르콘'을 분석한 결과 지구의 판구조 운동이 최소 33억 년 전에는 시작됐을 가능성이 제기됐다.

셰인 하우친 미국 캘리포니아공대 교수 연구팀은 서호주 잭힐스에서 채취한 지르콘 수십 개를 정밀 분석한 결과 초기 지각이 기존 추정보다 더 산화된 환경에서 형성됐으며 33억 년 전 무렵에는 지각이 깊은 곳으로 이동하는 판구조 운동이 작동했을 가능성을 확인하고 연구결과를 2일(현지시간) 국제학술지 '미국국립과학원회보(PNAS)'에 공개했다.

지구 초기의 암석은 판구조 운동 과정에서 대부분 재순환돼 직접적인 지질 기록이 거의 남아 있지 않다. 판구조의 시작 시점과 당시 대기·지각의 화학 환경을 밝히기 위해서는 다른 지질 단서가 필요하다.

지르콘은 고온의 마그마가 식는 과정에서 형성되는 규산염 광물로 수십억 년 동안 내부 화학 정보를 비교적 잘 보존하는 특성이 있다. 지르콘은 형성 당시의 환경을 추적할 수 있는 핵심 단서로 활용된다.

연구팀은 지르콘 가장자리의 화학적 상태를 고해상도 엑스선으로 분석했다. 분석 결과 지르콘 결정에 포함된 우라늄이 예상보다 더 산화된 상태로 존재한다는 사실을 확인했다. 우라늄이 전자를 잃은 산화 상태라는 점은 지르콘이 형성될 당시 마그마와 주변 환경이 비교적 산화적이었음을 시사한다. 이는 초기 지구에 산소와 물이 기존 가정보다 더 풍부했을 가능성을 뒷받침하는 근거로 해석된다.

연구팀은 지르콘이 형성된 온도와 압력 조건도 함께 비교했다. 약 40억 년 전 지르콘은 상대적으로 낮은 압력에서도 높은 온도에서 형성된 흔적을 보였다. 반면 약 33억 년 전의 지르콘은 비슷한 압력 조건에서 더 낮은 온도에서 형성된 것으로 나타났다.

연구팀은 이를 지각 일부가 더 깊은 곳으로 이동한 뒤 다시 상승하는 과정과 연관 지었다. 이런 지각의 순환은 판구조 운동이 작동했음을 보여주는 단서다.

모든 연구자가 같은 해석에 동의하는 것은 아니다. 사이먼 터너 호주 맥쿼리대 교수와 휴 오닐 모나시대 교수는 국제학술지 '네이처'에 지르콘 가장자리의 산화 신호가 대기 중 산소 때문이 아니라 초기 마그마 내 기체 거동 등 다른 요인으로도 설명될 수 있다고 지적했다. 추가 분석과 표본 확대가 필요하다는 뜻이다.

이번 연구는 지구 최초 10억 년의 환경을 복원하려는 시도에 새로운 자료를 보탰다는 평가를 받는다. 하우친 교수는 “우리는 단편적인 증거를 모아 지구의 기원 이야기를 재구성하려 하고 있다”며 “앞으로 수백 개의 지르콘을 더 분석해 초기 지구의 모습을 더욱 구체적으로 밝히고 싶다”고 말했다.

<참고>
doi.org/10.1038/d41586-026-00628-3

[임정우 기자 jjwl@donga.com]