지르콘, 판구조론, 그리고 생명의 신비 - 물리학의 세계

우리 발 아래의 땅은 단단하고 정지해 있는 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 지구 역사를 통틀어 지구를 덮고 있는 상대적으로 얇은 베니어판은 구조적 힘에 의해 반복적으로 압착되고, 갈라지고, 재조각되었습니다. 판 구조론은 대륙을 이동시키고, 산맥을 형성하며, 억눌린 에너지가 갑자기 방출될 때 지진과 화산을 유발할 수 있습니다.

그러나 구조론은 지역 수준에서 무차별적으로 생명을 파괴할 수 있지만, 지구 표면 전체에서 거주 가능한 조건을 유지하는 데에도 필수적입니다. 이는 탄소가 풍부한 물질이 탄소 순환을 조절하는 데 도움이 되는 과정에서 한 판이 다른 판 아래로 밀려나는 지역인 "섭입대"에서 지구 내부로 다시 재활용되기 때문입니다. 한편, 화산 활동으로 인해 방출되는 수증기와 가스는 지구의 기후와 대기 상태를 안정시키는 데 도움을 줍니다.

판 구조가 없는 암석 행성에서 어떤 일이 일어날 수 있는지 알아보려면 밀도가 높은 이산화탄소와 황산 구름이 있는 금성의 유해 대기만 보면 됩니다. 그렇기 때문에 많은 지구과학자들은 지구 역사의 첫 XNUMX억 년 동안 생명체가 출현할 때까지 판구조론이 존재했음이 틀림없다고 가정했습니다. 본질적으로 판구조론은 생명체의 핵심 전제조건으로 간주되었습니다.

그러나 새로운 발견 국제 연구팀의 연구에 따르면 생명체는 판 구조론보다 먼저 존재했을 수 있으며, 생명체가 어느 정도 먼저 나타났을 수도 있습니다. 연구가 사실이라면, 우리의 젊은 행성은 "정체 뚜껑"으로 알려진 보다 기초적인 형태의 구조 아래에서 움직일 수 있는 판 없이 오랜 기간을 경험했을 수 있습니다. 그러한 시나리오가 확인된다면 생명이 어떻게 출현하고 생존하는지에 대한 우리의 이해를 변화시킬 것이며 잠재적으로 지구 너머의 생명을 찾는 데 도움이 될 것입니다.

흔들리는 땅 위에서

판구조론의 개념은 오늘날 널리 받아들여지고 있지만 수년 동안 논란의 여지가 있었습니다. 이야기는 1912년 독일 과학자가 알프레드 베게너 '대륙이동설'을 제안했다. 그는 오늘날의 대륙이 한때 훨씬 더 큰 초대륙의 일부였으나 나중에 지구 표면의 현재 위치로 표류했다고 제안했습니다. 그의 책에는 대륙과 해양의 기원, 베게너는 남미와 아프리카의 해안선이 어떻게 퍼즐처럼 맞춰져 있는지 유명하게 언급했으며 세계의 완전히 다른 지역에서 유사한 화석이 어떻게 나타나는지 설명했습니다.

베게너의 생각은 처음에는 회의론에 부딪혔는데, 그 이유는 연구자들이 무엇이 판을 움직이게 했는지 확신할 수 없었기 때문입니다. 이에 대한 답은 20세기 중반에 나타나기 시작했습니다. 에서 제작된 지도 1953년 미국 지질학자이자 지도 제작자에 의해 마리 타프 대서양 전체에 걸쳐 있고 대륙 해안선과 평행하게 뻗어 있는 중앙해령의 존재를 밝혀냈습니다. 중앙에 거대한 계곡이 있는 것을 특징으로 하는 Tharpe는 이것이 해저가 확장되고 있음을 의미한다고 주장했습니다.

해저 확장에 대한 완전한 이론 이후 제안된 미국 지질학자에 의해 1962년의 해리 헤스. 그는 해양 지각이 중앙해령에서 지속적으로 형성되고 있으며, 지구 내부에서 녹은 물질이 대류 세포의 일부로 표면으로 솟아올라 새로운 해저로 굳어지는 곳이라고 제안했습니다. 이 신선한 지각은 후속 용승 마그마에 의해 수평으로 양방향으로 분류됩니다.

한편, 해양판이 대륙과 접해 있는 곳에서는 해양 지각의 오래된 부분이 해양 해구의 밀도가 낮은 대륙 지각 아래로 밀려 들어가 지구 내부로 다시 재활용됩니다. 실제로, 판의 가라앉는 끝부분은 판이 심연으로 떨어지는 동안 나머지 판을 뒤로 끌어당겨 해저 확장에 기여합니다.

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해저 확장에 대한 증거는 영국 지질학자들이 1963년에 도착했습니다. 프레드릭 바인 및 드러먼드 매튜스 인도양의 능선을 가로질러 여행하는 연구선이 촬영한 지구 자기장의 측정값을 살펴보았습니다. 그들은 필드가 균일하지 않다는 것을 알았습니다. 줄무늬로 나타나는 변칙 해저를 가로지르는 능선과 평행하고 양쪽에서 사실상 대칭입니다. 그들은 새로 형성된 해저 내의 자성 광물이 암석이 굳어지는 동안 지구 자기장과 정렬되는 경향이 있기 때문에 줄무늬가 발생한다고 말했습니다. 지구 자기장이 역전될 때마다 새로운 줄무늬가 형성되는데, 이는 지구 역사상 북극이 갑자기 남극이 되는 현상이 여러 번 발생했던 현상입니다.

비유하자면, 움직이는 해저는 지자기장의 각 반전을 기록하는 구식 카세트 테이프와 같습니다. 각 반전의 날짜는 화석 연구와 해저에서 뚫은 현무암의 방사성 테스트를 통해 연대를 측정하여 자기장의 역사를 기록할 수 있습니다. 오늘날에는 판구조론의 존재가 거의 보편적으로 받아들여지고 있습니다.

그러나 판구조론이 언제 처음 시작되었는지에 대해서는 합의가 훨씬 적습니다. 문제의 일부는 지구가 대략 4.54억 200천만년 전에 형성되었으며 오늘날 XNUMX억년이 넘은 거의 모든 해양 지각이 지구로 다시 재활용되었다는 것입니다. 즉, 지구 역사에 대한 우리의 장기 기록 보관소는 대륙의 숨겨진 암석층에 포함되어 있습니다.

그러나 그곳에서도 처음 XNUMX억년 동안 남아 있는 접근 가능한 소수의 암석은 열, 화학, 물리적 풍화 및 극한 압력에 의해 크게 변형되었습니다. 그렇기 때문에 판 구조론이 언제 시작되었는지 아무도 확신하지 못합니다. 4억년 전에서 불과 700억년으로 여러 해 전에. 그것은 거대하고 불만족스러운 불확실성입니다.

더 흥미로운 점은 생명체에 대한 가장 초기의 확실한 화석 증거가 3.5억~3.4억년 전으로 거슬러 올라간다는 것입니다. 퇴적암에 있는 생명체의 흔적은 생명체가 존재했을 수도 있음을 나타냅니다. 3.95 억 여러 해 전에. 그렇다면 판 구조론이 존재하기 수억 년 전에 생명체가 출현할 수 있었을까요? 이 시기에는 원래의 암석이 거의 남아 있지 않기 때문에 지질학자들은 종종 추측의 영역에 갇히게 됩니다.

지르콘: 지구의 불타오르는 시작에서 가져온 타임캡슐

다행스럽게도 지구과학자들은 초기 지구의 상태에 대한 스냅샷을 얻을 수 있는 비밀 무기를 가지고 있습니다. 인사하세요 지르콘 – 화학적으로 안정한 광물 조각(ZrSiO₄) 다양한 색상과 지질학적 환경에서 발견됩니다. 지구과학자들에게 있어서 지르콘의 장점은 모암의 변화에 ​​크게 영향을 받지 않는다는 것입니다. 그들은 그 장거리 기간의 타임캡슐과 같습니다.

특히, 최근 과학자들이 연구하고 있는 것은 고대 지르콘 이는 지구의 첫 600억년 동안 형성된 화강암 암석 내에서 결정화되었습니다. 이른바 이 기간 동안 하딘언, 우리 행성은 이산화탄소가 풍부한 대기에 둘러싸여 있고 외계 생명체의 폭격을 자주 받는 지옥 같은 곳이었습니다. 그들 중 하나가 아마도 달을 창조했을 것입니다.

그러나 지각이 없음에도 불구하고 오늘날에는 제한된 수의 암석만 남아 있기 때문에 견고한 암석이 형성되었을 것으로 보입니다. 4억년이나 된 온전한 암석이 존재한다. 아카스타 편마암 단지 캐나다 북서부의 가장 오래된 것으로 알려진 지구 기원 물질은 4.4억년 전의 것입니다. 호주 잭힐스에서 발견된 지르콘 결정체 (자연 지구과학 10 457). 그들은 훨씬 더 새로운 "메타 퇴적물" 암석에 보관되어 있습니다.

이 새로운 연구에서는 (자연 618 531), 연구자들은 3.9억~3.3억년 전의 Jack Hills 지르콘과 남아프리카의 Barberton Greenstone Belt에서 발견된 같은 시기의 지르콘을 연구했습니다. 주도 존 타두노 미국 로체스터 대학의 연구자들은 처음에 지르콘이 그 기간 동안 지구 자기장의 상태에 대해 무엇을 밝혀줄 수 있는지에 관심이 있었습니다. 나중에서야 그들은 자신들의 발견이 훨씬 더 광범위한 의미를 갖는다는 것을 깨달았습니다.

호주와 남아프리카 지역의 지르콘 결정에는 철이 풍부한 광물인 자철석이 함유되어 있는 것으로 밝혀졌는데, 이는 형성 당시 지구의 자기장에 의해 자화되었습니다. 그로부터 수십억 년이 흘렀음에도 불구하고 지구의 고대 자기장에 대한 정보는 내내 지르콘 결정에 갇혀 있었습니다. 실제로, 지구의 자기장은 위도에 따라 자기장 강도가 달라지는 쌍극자이기 때문에 지르콘의 자철석 함량 중 잔류 자화 강도를 측정하면 그것이 형성되는 위도를 밝힐 수 있습니다.

다음 과제는 지르콘 샘플의 연대를 측정하는 것이었습니다. 편리하게도 지르콘의 결정 구조에는 우라늄이 포함되어 있으며, 우라늄은 알려진 속도로 점진적으로 납으로 붕괴됩니다. 따라서 연구자들은 우라늄과 납의 비율로부터 지르콘 결정의 나이를 알아낼 수 있었으며 Tarduno 팀은 이를 사용하여 측정했습니다. 선택적 고해상도 이온 마이크로프로브, 또는 새우.

이 연구에서 다루는 600억년 동안 판 구조론이 존재했다면 판이 움직일 때 다양한 위도에서 지르콘 결정이 형성되었을 것으로 예상할 수 있습니다. 이는 결국 지르콘 결정이 얼마나 오래되었는지에 따라 다양한 자화 강도를 갖는다는 것을 의미합니다. 그러나 놀랍게도 Tarduno와 팀은 매우 다른 것을 발견했습니다.

호주와 남아프리카 지역 모두에서 자화 강도는 3.9억년에서 3.4억년 전 사이에 거의 일정하게 유지되었습니다. 이는 두 지르콘 세트가 변하지 않는 위도에서 형성되고 있음을 시사합니다. 즉, 판 구조론은 아직 시작되지 않았습니다. 이러한 결론이 나온 이유 중 하나는 평균적으로 지난 600억년 동안 판이 위도에서 최소 8500km 이동했다는 것입니다. 그리고 최근 이 기간 동안 두 개의 판이 동시에 일정한 위도에 남아 있는 사례는 한 번도 없었습니다.”

즉, 판 구조론은 아직 시작되지 않았습니다. 연구자들은 지구가 화학적 재활용과 지구 표면 고체 암석의 균열을 포함하는 보다 기초적인 다양한 구조를 갖고 있을 가능성이 높다고 결론지었습니다.

오늘날의 판구조론과 이것의 결정적인 차이점은 다음과 같다. “정체된 뚜껑” 구조론의 한 형태는 후자가 표면을 가로질러 수평으로 움직이는 판을 포함하지 않아 열이 효율적으로 방출된다는 것입니다. 대신 지구는 용승하는 마그마 영역으로 분리된 두꺼운 해양 지각으로 이루어진 고립된 지역으로 채워져 있고 대륙 지각이 없는 부패한 세계였을 것입니다(그림 1). Tarduno는 “사람들이 아무 일도 일어나지 않는다고 생각할 수 있기 때문에 정체된 뚜껑은 불행한 이름일 수도 있습니다.”라고 말합니다. "그러나 당신이 가지고 있는 것은 이 원시 지각과 암석권의 바닥을 가열할 수 있는 물질의 기둥이 솟아오르고 있다는 것입니다."

연구 기간이 끝날 무렵(3.4억~3.3억년 전), 지르콘 결정에서 관찰된 자화가 강화되기 시작하며, Tarduno는 이것이 판 구조론의 시작을 나타낼 수 있다고 제안합니다. 그 이유는 섭입대에서 지구 내부로 내려가는 거대한 지각판으로 인해 맨틀이 더 빨리 냉각되기 때문입니다. 결과적으로 이 과정은 외핵의 대류 효율성을 강화하여 더 강한 지자기장을 생성할 수 있습니다.

어린 시절의 '골디락스 상황'?

이 연구에서 암시하는 것처럼 기본 생명체가 구조론보다 거의 XNUMX억년 전에 이미 존재했다면 판구조론이 없는 세계에서 생명체가 어떻게 생존할 수 있는지에 대한 흥미로운 질문을 제기합니다. 이 정체된 덮개 단계에서 발생하는 약한 자기장은 지구 표면을 우주 방사선에 더 많이 노출시켰을 것이며, 현재의 강한 자기장은 우리를 보호해 줍니다. 태양풍의 에너지 양성자는 대기 입자와 충돌하여 우주로 탈출할 수 있도록 충전하고 에너지를 공급합니다. 원칙적으로 행성 전체의 물을 제거합니다.

그러나 Tarduno는 이 새로운 연구에서 관찰된 상대적으로 약한 자기장 강도조차도 어느 정도 차폐를 제공했을 것이라고 말합니다. 실제로 그는 이 끓고 정체된 형태의 구조론이 본격적인 판 구조론에서 발생할 수 있는 환경 조건의 극적인 변화가 없는 원시 생명체에 딱 맞는 "골디락스 상황"을 만들었을 수 있다고 제안합니다.

정체된 덮개 형태의 구조론은 금성, 수성 및 화성에서는 덜 역동적인 형태로 존재하는 우리 태양계 전체에서 흔히 볼 수 있는 것으로 생각되기 때문에 이는 흥미로운 아이디어입니다.

연구를 발전시키기 위해 Tarduno 팀은 이제 더 넓은 범위의 데이터 포인트를 제공하기 위해 다른 위치에서 비슷한 연령의 지르콘을 연구할 계획입니다. "우리의 접근 방식은 모션 표시기가 있기 때문에 이전 작업과 다릅니다."라고 그는 말합니다. "지구 역사상 이 시기에 판구조론에 관한 모든 주장은 지구화학에 기반을 두고 있는 것이지 판구조론이 무엇인지를 알려주는 주요 지표에 기초한 것이 아닙니다."

피터 카우드, 호주 모나쉬 대학의 지구 과학자, 그는 이 일에 관여하지 않았습니다. 자연 연구에 따르면 초기 지구에 대한 더 깊은 이해는 판 구조론에 의해 표면이 반복적으로 재활용되지 않은 태양계의 장소에서 나올 수 있다고 합니다. “화성, 달, 운석은 초기 역사에 대한 더 광범위한 기록을 제공합니다.”라고 그는 말합니다. "이 시체에서 나온 샘플, 특히 화성에서 샘플을 반환하는 임무의 가능성은 초기 지구에 작용한 프로세스에 대한 중요하고 새로운 통찰력을 제공할 수 있습니다."

신기원 또는 사건? 인류세를 정의하다

그 전선에서 거대한 도약은 다음을 통해 일어날 수 있습니다. 화성 샘플 반환 임무, 2027년 발사 예정. 그러나 Cawood는 아마도 초기 생명체의 발달에 대한 더 중요한 질문은 생명체의 전제 조건인 물이 정확히 언제 지구에 처음 등장했는지일 것이라고 생각합니다. “산소 동위원소를 사용한 잭 힐스 지르콘에 대한 이전 연구는 적어도 4400억년 전부터 물이 존재했음을 암시합니다.”라고 그는 말합니다.

Cawood의 경우, 이 연구는 태양계 내부와 그 너머의 생명체를 찾는 데 잠재적으로 도움이 될 수 있으며 심지어 생명체가 어떻게 생겼는지에 대한 개념까지도 도울 수 있습니다. “만약 이 정체된 덮개 단계 동안 지구상의 생명체가 발달했다면 아마도 화성에서도 이런 일이 일어났을 것입니다. 만약 지구가 정체된 덮개 단계에 머물고 생명체가 계속해서 진화했다면, 지구는 오늘날 우리가 갖고 있는 생물권과는 확실히 달라 보일 것입니다. 따라서 Kirk에게 말하는 Spock을 의역하면 'Jim의 삶이지만 우리가 아는 것과는 다릅니다'.”

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• 출처: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/