명왕누대
1. 개요
'''冥王累代'''
지구 탄생 이래 최초의 이언으로 시생누대 이전의 지질 시대다. 국제층서 위원회에서 정의하는 바에 의하면 약 기원전 45억 년부터 기원전 38억 년까지 7억 년 동안이다. 영문명 Hadean의 어원은 그리스 신화에 등장하는 지하 세계의 신인 하데스며, 일부 국내 서적에서는 진짜 이 시대의 이름을 하데스라 칭하는 경우도 있었다. 그 단어에서 연상되듯이 이 당시는 표면이 아직 매우 뜨겁고 화산 활동이 활발한, 말 그대로 지옥 그 자체와 같은 시기였다. 이 시기의 지구는 육지는 뜨거운 용암과 화산 활동이 쉴새 없이 진행되었다. 명왕누대 초반부인 지구의 강착 시절 이후 중기 명왕누대 시기 이후에는 맨틀, 지각이 생긴 시대이다. 또한 생명체와 화석 등의 생물학적 증거는 물론, 돌(지르콘)과 같은 지질학적 증거가 발견되지 않은 시대이다.
명왕누대라는 명칭은 미국의 지질학자 프레스턴 클라우드가 현재까지 알려진 지구 상에서 가장 오래된 암석이 발견된 그 이전의 시기를 지칭하기 위해 처음으로 사용되었으며, 이후에 Priscoan, Pre-Archean 등의 여러 명칭으로 불리게 되었다.
2. 거시적 분류
2.1. 용암 시대
초기 지구의 시대를 나누는 것은 초기 어떤 방사성 동위 원소가 존재했느냐에 따른다. 명왕누대도 여러 시대로 나눌 수 있는데 첫 번째로 알루미늄-26이 다량 존재하던 시대는 '''휘발 용암 시대'''이다. 왜 휘발 용암 시대라고 하냐면 너무 뜨거워 가스형 행성의 생성은 가능했지만 거대한 암석형 행성들이 형성되기 힘들었기 때문이다. 알루미늄-26은 항성 내부의 핵융합과 초신성 폭발로 두 조건에서 대량 생성되므로 태양계 초기에 엄청 많이 존재했고 이게 붕괴하면서 뿜어내는 열기가 거대 암석형 행성을 '''증발'''시키기 충분했기 때문에 오히려 행성들이 소규모로 천천히 뭉쳐질 수밖에 없었다.
행성들은 태양계 형성 500만 년 뒤인 지금으로부터 45억 6300만 년 전, 알루미늄-26이 상당수 붕괴된 후에야 본격적으로 형성되기 시작한 것으로 보인다.
철의 동위원소 분석을 통해 지구가 미행성 간 충돌이 아니라 밀리미터밖에 안 되는 작은 먼지들이 계속 집적되며 500만 년밖에 안 되는 아주 짧은 기간에 형성됐다는 새로운 연구 결과가 나왔다.#
2.2. 열의 시대
지구 강착이 끝나고 용암 바다가 시작된 45억 6천만 년, 지구가 성장한 후의 두 번째 시대는 '''열의 시대'''다. 열의 시대는 2가지로 분류가 되는데, 초기 열의 시대(45억 6천만~45억 4천만 년 전)와 얇은 지각이 형성된 후기 열의 시대(45억 4천만~45억 2천만 년 전)로 분류된다. 초기 열의 시대 당시의 지구는 철-60, 팔라듐-107, 퀴륨-247과 같이 반감기가 짧은 동위 원소들은 알루미늄-26보다는 위력이 약하고 양도 적게 형성되지만 철-60은 초신성 폭발에서 극대량으로 형성되는 동위체로 다른 동위체보다는 훨씬 많이 생성된다고 볼 수 있다. 즉 현존하는 니켈-60의 90% 이상은 철-60의 붕괴에서 생성되었다고 할 수 있을 만큼으로 사실상 알루미늄-26 다음으로 가장 많이 형성되는 방사성 동위체라 할 수 있다.
이때 지구가 대부분 물로 덮혔지만 시간이 지나며 물이 줄어들었다는 가설인 바다 행성설이 있다.
철-60이 어느 정도 붕괴하기 전까지는 지구는 매우 뜨거워 얇은 지각을 형성할 수 없었다. 즉 2,000만 년 동안 절반 가까이 용융된 용암 바다를 유지했다는 것을 의미한다. 45억 6천만 년 전의 지구는 시간당 5경 kW의 열원(현재는 470억 kW)을 내부에서 내뿜었으며 이로 인해 매우 뜨거웠는데 대기압이 120기압이 넘어 끓지 않고 뜨거운 물 형태를 유지했다. 이 시기의 바다 밑바닥은 물에 의해 용암이 굳고, 내부의 열에 의해 다시 녹는 과정을 반복하여 화학적 작용과 맨틀 분화가 활발히 일어나는 데 도움을 주었다.
45억 4천만 년 전의 시기를 후기 열의 시대로 얇은 지각이 생성되었는데 스펀지처럼 푹푹 들어가는 얇은 지각의 형태였다. 이 시기의 바다 밑바닥에는 온통 해저 화산 투성이였으며 화산이 분화하면 뜨거운 용암이 무려 2천 도에 달하는 용암도 나왔다(물론 바닷물을 만나면서 금방 식었지만). 지구 전체적으로 고르게 해저 화산의 활동이 있었으며 활동이 심한 경우에는 1만 년도 채 안 되어 1억km^3의 용암(화산 지수 13)을 전 지구적으로 분출하기도 하였다(시베리안 트랩의 1,600배의 속도의 용암 분출 활동으로 예상된다).
한편 거대 충돌설에 따르면, 이 시기(지구가 생긴 후 대략 3000만 년 후로 추정)에 테이아(Theia)라는 화성만한 거대 충돌체가 비스듬히[1] 충돌해 지구의 맨틀을 비롯한 지구의 파편들이 우주로 날아갔고, 이것들이 고리를 형성하여 파편들이 뭉쳐 달이 되었을 것으로 추정된다.
물론 다른 가설들도 있지만 달의 기원에 대해서는 달과 지구의 성분이 똑같다는 등의 증거로 거대 충돌설이 압도적인 지지를 받는 편이다. 자세한 내용은 달 참조.
철-60이 어느 정도 붕괴할 시점에 이르자, 지각은 안정화 되기 시작했다. 그로 인해 45억 2천만 년 전에는 지각이 단단하게 굳을 수 있었고 이때를 열의 시대의 끝으로 본다. 또한 화산의 형태도 지금처럼 산의 형태의 화산도 생성되었으나 해발 고도는 지금보다 낮아 언덕보다 조금 높은 형태의 화산이었고 아무리 높아도 해발 500m도 채 되지 않았다. 이때부터 이미 지구는 지각 활동이 일어나기 시작했으나 지각의 두께가 얇아서 효과는 크게 미미했다.
2008년 9월에 콜로라도 대학교 연구진이 호주에서 찾아낸 약 44억 년 된 암석에 들어있는 지르콘[2]을 분석한 결과 흥미로운 가설을 내세웠는데, 바로 '''지구가 이미 44~43억 년 전에 판 운동을 했다는 것이다.''' 즉 맨틀 분화가 끝난 직후부터 말이다. 따라서 명왕누대 당시의 지구는 이미 어느 정도 온도가 낮아지고 대기와 표면이 안정된 상태였다는 것으로 풀이될 수 있다.
이 때까지 금성과 비슷하다는 것이다.#
2.3. 맨틀 완성 시대
세 번째 시대는 '''맨틀 분화의 완성 시대'''(45억 1천만 년 전부터 44억 6천만 년 전까지이다)다. 물론 지구 강착 시절에도 이미 맨틀 분화는 이루어졌지만 이 시대에 이르러 비로소 지구 내부까지도 맨틀 분화가 완성되는 시점이다. 다만 45억 3천만 년 전에 이미 맨틀 분화는 99% 완성되었지만 화학적 작용과 같은 질량, 구성 요소 등의 다양한 변화로 인해 1% 이하의 물질들의 분화가 지구 내부까지 아직 이루어지지 못했다. 또한 지구 내부의 밀도가 높아 맨틀분화가 느리게 진행되었는데 특히 하부 맨틀과 중심핵에 걸친 지구 내부에서는 일부 물질에 한해서 상당 기간 동안 맨틀 분화가 이루어진다.이것을 비교적 빠르게 이루게 해준 동위체는 나이오븀-92와 우라늄-236과 같은 동위체들의 존재이다. 이 동위체들 덕분에 맨틀 분화가 빠르게 완성될 수 있었다. 물론 행성 내부에 열원이 존재하여 녹아 있으면 어느 행성이나 맨틀 분화는 될 수 있지만 속도의 차이는 존재하는데 나이오븀-92가 내뿜는 열이 마무리 맨틀 분화를 빨리 할 수 있도록 도와준 것이다. 세 번째 시대가 끝날 즈음의 대기압도 현재의 2배로 줄어들었으며 지구 표면 평균 온도도 45도까지 내려갔다.
2.4. 안정 시대
네 번째 시대는 '''안정된 대기와 열 시대'''다. 플루토늄-244와 같은 중반감기 동위체들 덕분이다. 이 시기는 44억 6천만 년 전부터 41억 년 전까지의 시기이다. 이 시기에 지구는 제법 많은 산들과 산맥들이 형성되고 화산 군도도 활발히 활동하였다. 일부 거대한 화산들은 엄청나게 많은 용암들을 내뿜어 내었고 최초의 육지를 형성하는 데 도움을 주었다.
네 번째 시대의 후반기에 접어드는 43억 년 전에는 지각도 제법 두꺼워져 대륙지각도 형성되게 되고, 최초의 대륙이 형성되었다.
플루토늄-244가 어느 정도 고갈되자 바다 밑바닥의 화산 군도도 많이 줄고 대륙도 제법 커지게 된다. 이때가 41억 년 전으로 예상된다. 이후 이 두 동위체들이 내뿜는 열기를 합쳐도 다른 동위체가 내뿜는 열기보다 못하게 된다. 41억 년 전에 알려진 가장 오래된 암석이 발견되었고 이후에는 우라늄-235와 칼륨-40이 내뿜는 열이 주를 이루는 시대가 된다.
안정된 대기와 열 시대가 끝나고 나서 태양계 행성들의 궤도가 변화하면서 중력의 영향으로 수많은 혜성과 운석들이 충돌하는 폭격시대를 맞이하는데, 이를 제2폭격시대라 한다. 바다가 어떻게 생겨났는지는 다양한 가설들이 있는데, 혜성에 포함된 물들이 모여 바다가 되었다는 가설과 지구 내부의 수증기들이 화산 폭발로 방출되어 대기로 빠져나왔고, 오랫동안 비가 내려 바다가 생겨났다는 가설이 있다.[3]
한편 42억 8천만 년 전 태양은 지금 광도의 73% 정도로 추정된다. 이로 인해 젊은 태양의 역설이 생겼다. 태양열이 부족해 물이 액체 상태로 존재하기 힘들어 냉각된다는 역설. 하지만 이는 초기 지구의 대기에 메탄[4]과 이산화탄소의 비율이 상당했다는 것으로 해결되었다.
이후 아주 뜨거워 거의 온천이나 다름없었던 지구는 계속 식어 온도가 내려갔다. 작은 섬들은 판의 움직임으로 점점 합쳐져 커져가면서 대륙은 더 커지게 되며 시생누대가 시작할 무렵 발바라(Vaalbara)라는 최초의 초대륙으로 성장하고, 최초 원핵생물의 출현과 제2폭격시대가 끝나는 38억 년 전을 기점으로 명왕누대는 끝나게 된다. 명왕누대가 끝나면서 시생누대가 시작되었다.
3. 미시적 분류
명왕누대가 지구 최초의 지질 시대이기도 하고 너무나도 오래전이고 또한 명왕누대 초기에는 지구 지표면이 안정되기 전의 상태라서 그 시기에 생성된 지질학적 증거가 거의 없기 때문에 학계에서 공식적으로 수용된 하위 구분은 없다. 그러나 대개 달의 생성 과정을 통해 명왕누대를 크게 두 개의 지질 시대로 분류한다.
- 선넥타리안기: 달이 생성된 45.5억 년 전부터 39.2억 년 전까지의 시기
- 넥타리안기: 39.2억 년 전부터 달과 다른 천체의 충돌이 잦아드는 38.5억 년 전까지의 시기
- 혼돈(Chaotian)누대
- 초혼돈(Eochaotian)대
- 네펠레(Nephelean)기
- 에레보스(Erebrean)기
- 신혼돈(Neochaotian)대
- 히페리온(Hyperitian)기
- 티타노마키아(Titanomachean)기
- 초혼돈(Eochaotian)대
- 명왕(Hadean)누대
- 초명왕(Eohadean)대
- 헤파이스토스(Hephaestan)기
- 야코브(Jacobian)기
- 지르코늄(Zirconian)대
- 캐나다(Canadian)기
- 프로크루스테스(Procrustian)기
- 초명왕(Eohadean)대
4. 생명
지구의 생명 기원에 대해서는 화학진화가 설명하는데, 화학진화의 가설 중 하나인 판스페르미아(Panspermia)설[5]도 있다.
초기 지구에는 거대한 바다와 약환원성 대기[6]로 이루어져 있었다. 덕분에 생명이 바다에서 탄생할 수 있었다.
[1] 시네스티아(synestia) 가설에서는 정면으로 충돌했다고 주장한다.[2] 정방 정계의 광물로 각종 암석에서 산출된다. 지르콘을 분석하면 암석이 형성된 시기, 형성 과정 등을 알 수 있기 때문에 지질학계에서는 매우 중요한 자료로 쓰인다.[3] 참고로 지구 내부에 존재하는 수분에서 물이 기원했다는 가설도 있다. 링우다이트(Ringwoodite)는 이 가설의 증거다.[4] 이산화탄소보다 20배 강력한 온실가스로 산소에 의해 많이 줄었지만 초기 지구에서는 지구의 온도를 높이는 데 많은 역할을 한 기체이다.[5] 지구 생명체가 외계에서 기원했다는 가설으로, 한자로는 범종설이라 한다.[6] 처음에는 환원성 대기로 추측했다. 요즘에는 산화성 대기였다는 주장이 있으나 약환원성 대기가 지지를 더 많이 받는다.