会员登录 - 用户注册 - 设为메인 화면 - 선택 반전 - 사이트 지도 다이아몬드에 박힌 초대륙 이동!

다이아몬드에 박힌 초대륙 이동

시간:2024-03-28 20:45:40 출처:레인보우웨이브뉴스 작성자:여가 읽기:470次

다이아몬드에 박힌 초대륙 이동

다이아몬드. 게티이미지뱅크 제공
보석의 왕이라 불리는 다이아몬드. 그 속에는 멀게는 수십 억 년 전부터 가깝게는 수 억 년 전에 있었던 초대륙의 움직임이 단단하게 박혀있습니다. 땅속 깊이 끌려 들어갔다가 찢어지는 대륙과 함께 이동하고 다시 지표면 근처까지 솟아오른 다이아몬드를 따라 초대륙 여행을 함께해 봅시다.

● 초대륙, 다이아몬드에 기록된 아주 오래된 여행지

“아는 것이 힘이다!” 아는 만큼 보이기 때문에, 아는 만큼 감동이 클 수밖에 없습니다. 본격적인 여행에 앞서 다이아몬드와 함께 둘러볼 여행지에 대해 살펴보겠습니다.

대부분의 다이아몬드는 최대 수십억 년 전, 강한 열과 압력으로 변형된 탄소입니다. 지표면 120~250km 아래 깊숙한 곳에서 말입니다. 이 탄소 동소체가 어떠한 힘에 의해 인간이 채굴할 수 있는 지표면 근처까지 올라와야만 다이아몬드 광산이 만들어집니다.

우리나라에는 다이아몬드 광산이 없습니다. 전 세계에서 다이아몬드 광산을 보유한 나라는 22개 국뿐입니다.

러시아, 캐나다, 보츠와나, 남아프리카공화국, 앙골라 등이 다이아몬드 생산을 주도해 왔고, 짐바브웨, 호주, 브라질 등이 그 양은 적어도 정기적으로 다이아몬드를 생산해 왔습니다. 세계 지도를 보면 아프리카와 남아메리카의 동부에 이들 중 20개 나라가 모여 있단 것을 알 수 있습니다.

아프리카와 남아메리카는 독일 기상학자 알프레드 베게너가 1912년 저서 ‘대륙의 기원’을 통해 처음 주장한 대륙 이동설의 시초가 된 땅입니다. 이후 대륙 이동설은 맨틀 대류설, 해양저확장설을 거쳐 판 구조론으로 발전했습니다.

판 구조론에 의하면 초대륙은 원시 지구의 탄생 이후 현재까지 지구상의 여러 대륙들이 모여 만든 하나의 거대 대륙입니다. 현재 세계 주요 다이아몬드 산지는 대부분 초대륙이 붕괴하면서 발생한 화산 폭발이 있었던 곳들입니다. 이 폭발이 다이아몬드를 지표면 근처로 가져다줬습니다.

가장 유명한 초대륙이자 최후의 초대륙인 ‘판게아’는 약 3억 년 전, 고생대 말기부터 중생대 초기까지 존재했습니다. 판게아 이전에 존재했을 것으로 추정되는 초대륙은 서너 개입니다. 지르콘 광물과 수동형 대륙주변부를 분석하면 선캄브리아 시대에는 서너 번의 초대륙 시기가 존재했기 때문입니다.

멀리 떨어진 서로 다른 대륙에서 같은 생물이 발생했을 가능성보다, 해당 생물이 발생할 당시 대륙들이 붙어 있었을 가능성이 높다고 보는 것이 합리적이다. 동물들의 화석은 대륙 이동설의 근거 중 하나로 꼽힌다. 그림은 알프레드 베게너가 제안한 원시 대륙 판게아다. 정종훈 제공
일반적으로 초대륙이 형성되거나 분리되는 시기에는 지르콘이 많이 생성되고 초대륙 상태를 유지할 때는 지르콘 생성이 줄어드는 것으로 알려져 있습니다.

대륙과 해양이 만나는 경계 중 대륙붕 등이 넓게 발달해 지진이나 화산활동이 적은 수동형 대륙주변부도 초대륙이 분리되는 기간에는 늘어나고 초대륙이 만들어지는 과정에서는 줄어듭니다. 이를 통해 초대륙의 개수를 추정할 수 있습니다. 과학자들은 약 31억 년 전부터, 대륙들이 약 5억 년을 주기로 하나로 뭉쳤다 분리되기를 반복하고 있다고 말합니다.

다이아몬드는 자연 물질 중 가장 단단하고 깰 수 없는 광물입니다. 때문에 대륙이 갈라졌다가 붙었다를 반복하는 동안에도 사라지지 않고 많은 정보를 저장해 타임캡슐 역할을 합니다. 그럼 본격적으로 다이아몬드와 여행을 떠나봅시다.

전 세계 다이아몬드 생산국은 총 22개다. 그 중 20개 국이 남아메리카와 아프리카 대륙에 있다. 남아메리카 동부 해안과 아프리카 서남부 해안은 과거 초대륙 ‘판게아’ 당시 이어져 있었다. 게티이미지뱅크 제공
● 다이아몬드 하강 "35억 년 전 판 구조론의 증거를 품다"

세계에서 가장 오래된 다이아몬드는 1890년부터 1930년 사이에 남아프리카공화국의 수도 요하네스버그에서 채굴됐습니다. 무려 35억 년 전에 만들어진 다이아몬드들입니다. 이들이 첫 번째 하강 여행의 주인공입니다.

지구의 나이는 약 45억 년이지만 지구 암석 중 30억 년 이전에 만들어진 암석이 드뭅니다. 이 때문에 여러 개의 크고 작은 판이 언제 처음 움직였는지에 대한 증거는 거의 남아있지 않습니다. 과학자들이 간접적인 증거를 통해 40억 년~25억 년 전인 시생누대에 시작됐을 것이라 추정할 뿐이었습니다.

그런데 2016년 1월 케이티 스마트 당시 남아프리카공화국 위트워터스랜드대 연구원이 이끈 공동연구팀이 실물 다이아몬드를 분석해 지구 대륙의 이동이 최소 35억 년 전에 시작됐다는 연구 결과를 국제학술지 ‘네이처 지구과학’에 발표했습니다. (doi: 10.1038/ngeo2628)

남아프리카공화국 요하네스버그에서 채굴된 세계에서 가장 오래된 다이아몬드. 35억 년 전 지각판이 섭입하며 만들어졌다. 게티이미지뱅크, Wits University 제공
연구팀은 다이아몬드에 갇힌 불순물인 질소의 동위원소 구성비를 분석한 결과, 지구 맨틀이 아닌 지구 표면에서 유래한 질소가 존재함을 확인했습니다. 판이 이동하다가 서로 충돌해 판이 다른 판의 밑으로 들어가는 현상을 ‘섭입’이라고 부릅니다.

지각이 맨틀로 섭입하면 퇴적물과 유기 물질이 지구 내부 깊숙이 끌려 들어가게 됩니다. 다이아몬드에 이런 하강 여행의 기록이 담긴 겁니다. 그리고 120~250km 깊이에서 만들어지는 다이아몬드에 지구 표면 물질이 존재한다는 것은 다이아몬드가 만들어지던 35억 년 전 지구엔 이미 판 구조론이 활발하게 작동하고 있었다는 증거가 됩니다.

보통 다이아몬드의 불순물은 보석의 가치를 떨어뜨리지만 과학 연구에선 다릅니다. 불순물은 지구의 역사와 구성에 관한 정보를 담고 있습니다.

연구팀은 다이아몬드에 갇힌 불순물인 질소의 동위원소 구성비를 분석한 결과, 지구 맨틀이 아닌 지구 표면에서 유래한 질소가 존재함을 확인했습니다. 판이 이동하다가 서로 충돌해 판이 다른 판의 밑으로 들어가는 현상을 ‘섭입’이라고 부릅니다. 지각이 맨틀로 섭입하면 퇴적물과 유기 물질이 지구 내부 깊숙이 끌려 들어가게 됩니다. 다이아몬드에 이런 하강 여행의 기록이 담긴 겁니다. 그리고 120~250km 깊이에서 만들어지는 다이아몬드에 지구 표면 물질이 존재한다는 것은 다이아몬드가 만들어지던 35억 년 전 지구엔 이미 판 구조론이 활발하게 작동하고 있었다는 증거가 됩니다. 보통 다이아몬드의 불순물은 보석의 가치를 떨어뜨리지만, 과학 연구에선 다릅니다. 불순물은 지구의 역사와 구성에 관한 정보를 담고 있습니다.
● 다이아몬드 수평이동 "움직이는 맨틀 뿌리에 붙어 6500km 이동"

브라질의 주이나 지역과 기니의 칸칸 지역에서 두 번째 여행이 시작됩니다. 이 두 곳에서 캐낸 주인공은 아주 깊은 곳에서 만들어진 초심층(Super-deep) 다이아몬드입니다. 초심층 다이아몬드는 지표면 300~700km 아래 전이대에서 형성된 것들입니다. 전이대는 상부 맨틀이 하부 맨틀과 접해있는 부분입니다. 초심층 다이아몬드의 형성 깊이는 일반 다이아몬드가 만들어지는 깊이의 3배에 달합니다.

수제트 팀머만 스위스 베른대 지질학과 교수가 이끈 국제 공동연구팀은 2023년 10월 18일 국제학술지 ‘네이처’에 초심층 다이아몬드가 지구 진화 정보를 고스란히 담고 있다는 연구를 발표했습니다. (doi: 10.1038/s41586-023-06662-9)

연구팀은 브라질과 기니에서 채취한 다이아몬드의 동위원소를 분석해 이것이 약 6억 5000만 년~ 4억 5000만 년 전에 만들어졌음을 확인했습니다. 이 시기 지구엔 초대륙 곤드와나가 있었습니다.

이번 다이아몬드 여행도 시작부터 다이내믹합니다. 판과 판이 충돌해 초대륙이 만들어지는 순간부터 출발하기 때문입니다. 해양지각은 대륙지각 밑으로 섭입합니다. 초심층 다이아몬드는 곤드와나가 남극과 부딪치고 남극이 섭입될 때 만들어졌습니다.

다이아몬드 결정이 만들어지는 과정에서 부력이 생기는데, 이때 용융된 남극대륙 맨틀 물질이 초심층 다이아몬드에 함유됐습니다. 연구팀은 다이아몬드에서 그 증거인 규산염과 황화물을 확인했습니다.

비슷한 시기 비슷한 환경에서 만들어진 초심층 다이아몬드는 오늘날 대서양을 건너 약 5377km 떨어진 브라질과 기니에서 동시에 발견됐습니다. 곤드와나가 다시 여러 개의 대륙으로 쪼개지고, 대륙이 서서히 멀어질 때 이들 다이아몬드가 함께 움직였단 뜻입니다.

다이아몬드는 ‘안전 여행’에 성공합니다. 연구팀은 초심층 다이아몬드가 파괴되지 않은 비결이 ‘착붙’ 전략이었다고 말합니다. 안정화된 곤드와나 맨틀 뿌리 부분에 딱 붙은 다이아몬드가 최소 6500km를 여행한 뒤 추후 각각의 지역에서 화산 폭발과 함께 지표면으로 올라왔다는 겁니다.

● 다이아몬드 상승 "대륙이 분열된 틈으로 재빠르게 솟다"

100km 아래의 지구 내부는 온도가 수 백℃에 이릅니다. 만약 다이아몬드가 지표면 근처로 끌어올려질 때 그 속도가 빠르지 않다면 다이아몬드는 흑연이나 이산화탄소로 변해버리고 말죠. 즉 이번 다이아몬드 여행의 핵심은 속도입니다.

핑크다이아몬드. 다이아몬드 10만 개 중 1개꼴인 핑크 다이아몬드는 희소가치가 매우 높다. Sotheby 제공
세 번째 여행의 주인공은 분홍빛이 아름다운 핑크 다이아몬드입니다. 다이아몬드 10만 개 중 1개꼴인 핑크 다이아몬드는 희소가치가 높기로 유명합니다. 핑크 다이아몬드는 대부분 호주 서북부, 킴벌리 지역에 위치한 아가일 광산에서 채굴됐습니다.

무려 90%의 핑크 다이아몬드가 아가일 광산 출신이죠. 유색 다이아몬드의 최대 산지였던 아가일 광산은 한때 전 세계에서 가장 많은 다이아몬드를 생산해 내기도 했지만 2022년 11월, 37년 만에 채굴이 임시 종료됐습니다. 채굴에 드는 돈이 채굴해서 얻는 돈보다 더 커졌기 때문입니다.

2023년 9월 휴고 올리어룩 연구원이 이끈 호주 커스틴대 연구팀은 핑크 다이아몬드가 수 백km 상승 여행을 할 수 있던 이유를 찾아냈습니다. 답은 바로 ‘틈’. 초대륙 컬럼비아(누나)가 붕괴하면서 만들어낸 지각의 틈이 핑크 다이아몬드가 솟구쳐 오를 수 있게 했다는 겁니다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 게재됐습니다. (doi: 10.1038/s41467-023-40904-8)

대부분의 다이아몬드는 킴벌라이트라는 화산 활동으로 솟구쳐 오릅니다. 킴벌라이트는 중생대에서 신생대에 걸쳐 여러 시간대 분출했지만, 인류는 단 한 번도 직접 목격한 적 없는 화산이죠. 연구에 따르면 킴벌라이트는 엄청난 양의 유체를 포함하고 있으며, 또 폭발적일 것으로 추정됩니다. 다이아몬드가 발견된 암석이 이 화산 구멍을 통해 나오면 킴벌라이트 암석이라 부릅니다.

핑크 다이아몬드를 포함한 유색 다이아몬드 생산지로 유명한 호주 아가일 광산은 경제적인 이유로 2022년 11월 임시 폐광에 들어갔다. 게티이미지뱅크 제공
그런데 아가일 광산은 킴벌라이트 암석이 아닌 램프로이트 암석으로 이뤄져 있고, 램프로이트 암석에 다이아몬드가 박혀 있습니다. 이곳 램프로이트는 호주 서부와 호주 북부 대륙의 충돌로 만들어졌습니다. 지표면 수 백km 깊이에서 만들어진 이 램프로이트 암석이 어떻게 지표면 근처로 올라올 수 있었는지는 오랫동안 미스터리였습니다.

연구팀은 아가일 광산에서 채취한 램프로이트 암석에 연대 측정 기술을 사용해 핑크 다이아몬드의 상승 여행이 13억 년 전에 이뤄졌음을 밝혔습니다. 13억 년 전은 초대륙 컬럼비아가 분열돼 더 작은 대륙으로 쪼개지던 시기였습니다. 즉 대륙의 분열로 좁지만 틈이 생기면서 램프로이트 암석이 지표면까지 솟구쳐 오를 수 있는 길이 만들어진 것입니다.

초대륙 컬럼비아는 아가일 광산에서 채취되는 다이아몬드가 묘한 색을 가지게 된 원인이기도 합니다. 연구팀은 “18억 5000만 년 전 호주 서부 대륙과 북부 대륙이 충돌하며 발생한 외력에 의해, 다이아몬드의 결정 구조가 뒤틀리고 구부려져 분홍색이 됐다”고 설명했습니다.

2억 5000만 년 뒤 지구에는 새로운 초대륙이 만들어질 것으로 예측된다. 이 초대륙을 ‘판게아 프록시마’ 혹은 ‘판게아 울티마’라고 부른다. 2023년 9월 프록시마가 만들어지는 과정에서 포유류가 멸종할 것이란 연구가 발표됐다. 정종훈 제공
●다이아몬드 여행은 계속된다

지금도 지구 대륙은 계속 움직이고 있습니다. 실제로 북아메리카와 유럽은 1년에 2cm씩 멀어지고 있습니다. ‘5대양 7대륙’의 지구가 미래엔 다른 모습이란 뜻입니다.

판게아 프록시마 혹은 판게아 울티마라고 부르는 초대륙은 초대륙 주기에 따라 2억 5000만 년 뒤에 만들어질 것으로 추정됩니다. 크리스토퍼 스코테즈 미국 노스웨스턴대 지구환경과학과 교수가 1982년에 처음 주장했습니다. 판게아 프록시마 가설에 따르면 아메리카 대륙과 유라시아 대륙은 충돌해 합쳐지며, 호주는 중국에 연결됩니다. 남극은 두 개로 갈라져 각각 남아메리카 대륙과 호주에 연결되고요.

알렉산더 판스워스 영국 브리스톨대 고생물학과 교수팀은 2023년 9월 국제학술지 ‘네이처 지구과학’을 통해 판게아 프록시마가 만들어지면 인류가 멸종할 것이라 주장했습니다. (doi:s41561-023-01259-3)

대륙이 충돌하고 합쳐지는 과정에서 태양 에너지가 증가하고 이산화탄소가 증가해 포유류가 살기 적합하지 않은 환경으로 변모하기 때문입니다. 연구팀은 판게아 프록시마 시대의 지구에서 살아남는 동물은 40~70℃의 기온을 견딜 수 있는 냉혈 파충류일 것으로 예측했습니다. 다이아몬드는 판게아 프록시마와 어떤 여행을 할까요. 여기서부터는 상상의 영역입니다.

우주에서 날아온 수수께끼 블랙 다이아몬드, 에니그마. Sotheby 제공
※관련기사
과학동아 2월호, 다이아몬드에 박힌 초대륙 이동

(책임편집:오락)

추천 콘텐츠
  • [자막뉴스] 전례 없는 절도 격분한 러시아...EU, '레드라인' 넘나
  • 한국, 대일 호감도 44% 사상 최고치…관계 개선 영향
  • EU, 인앱결제 애플에 7000억대 반독점법 과징금 곧 부과
  • EU, 애플에 7000억원대 과징금 부과…반독점법 위반
  • 추운 날씨, 혈관 건강 지키려면… ‘이 반찬’ 즐겨 드세요
  • 올트먼 1경-손정의 133조, AI 전용칩 투자 점입가경(상보)