명왕누대

Hadean

지구의 역사 History of Earth 地球史

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신제3기

제4기

1 개요

명왕누대(Hadean Eon, 冥古宙, 冥王代)는 지구 탄생 이래 최초의 이언으로 시생누대 이전의 지질 시대다. 국제층서위원회에서 정의하는 바에 의하면 지구가 탄생한 약 45억 6천만년 전부터 약 38억 년 전까지의 시기를 가리킨다. Hadean의 어원은 그리스 신화에 등장하는 지하 세계의 신인 하데스며, 그 단어에서 연상되듯이 이 당시는 표면이 아직 매우 뜨겁고 화산 활동이 활발한, 말 그대로 지옥 그 자체와 같은 시기였다. 화성정도의 크기를 가진 원시행성 테이아(Theia)와 충돌하면서 테이아와 지구충돌에서 나온 파편들이 달이 되었으며, 지구의 맨틀과 지각이 생긴 시대지만, 바다는 형성되지 않은 시대다. 또한 유일하게 돌, 화석, 생명체 등의 지질학적 증거가 전혀 없는 시대기도 하다.

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 하위 구분

명왕누대가 지구 최초의 지질 시대이기도 하고 그 당시에는 지구가 안정되기 전의 상태라 그 시기에 생성된 지질학적 증거가 많이 부족하기 때문에 학계에서 공식적으로 수용된 하위 구분은 없다. 그러나 대개 달의 생성 과정을 통해 명왕누대를 크게 두 개의 지질 시대로 분류한다.

• 선넥타리안기 : 달이 생성된 45.5억년 전부터 39.2억년 전까지의 시기
• 넥타리안기 : 39.2억년 전부터 달과 다른 천체의 충돌이 잦아드는 38.5억년 전까지의 시기

최근 들어 학계에서 명왕누대 이전에 Chatoian과 Prenephelean의 두 이언을 추가하고 명왕누대를 각각 두 기로 구성된 세 개의 대로 분류하자고 주장하는 학자들이 있다. 하지만 명왕누대라는 시기 자체가 앞서 말했듯이 워낙 지질학적 증거가 부족한 시기라서 이 주장이 큰 지지를 얻고 있지는 못하다.

3 분류

초기 지구의 시대를 나누는 것은 초기 어떤 방사성 동위 원소가 존재했느냐에 따른다. 명왕누대도 여러 시대로 나눌 수 있는데 첫번째로 알루미늄-26이 다량 존재하던 시대는 휘발 용암 시대다. 왜 휘발 용암 시대라 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 증발시키기 충분했기 때문에 오히려 행성들이 소규모로 천천히 뭉쳐질 수 밖에 없었다.

행성들은 태양계 형성 500만년 뒤인 지금으로부터 45억 6300만년전, 알루미늄-26이 상당수 붕괴된 후에야 본격적으로 형성되기 시작하므로 그로부터 백만년 내에 원시지구가 거대 천체와 충돌해서 달을 형성할 수 있게 된 것이다.

두번째 시대는 용암바다 시대다. 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 80% 이상은 철-60의 붕괴에서 생성되었다고 할 수 있을 만큼으로 사실상 알루미늄-26 다음으로 가장 많이 형성되는 방사성 동위체라 할 수 있다.

철-60이 어느 정도 붕괴하기 전까지는 지구는 용암바다를 유지할 수 밖에 없다. 즉 3000만년동안 용암바다를 유지했다는 것을 의미한다. 45억 5천만년전에는 지구의 표면온도는 섭씨 1200도에의 뜨거운 용암 상태였으며, 화산은 분수 형태로 용암이 분수처럼 나왔는데, 분수 용암의 온도는 2000도에서 2800도의 뜨거운 열기의 용암이었다. 대기압도 120기압으로 지금보다 훨씬 높았다.
45억 3천만년전에는 얇은 지각이 생성되었는데 스펀지처럼 푹푹 들어가는 얇은 지각의 형태였다.
당시에도 표면온도는 650도에 이르렀으며 분수 화산에서 막 나온 용암의 온도는 2500도에 이르렀다.

철-60이 어느 정도 붕괴할 시점에 이르자, 지각은 안정화 되기 시작했다. 그로 인해 45억 2000만년전에는 지각이 단단하게 굳을 수 있었고 이 때를 용암바다 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.
또한 이때부터는 지표면에 물이 형성될 수 있는 시기였다. 이전에는 워낙 뜨거워서 비가 내리자마자 증발하였지만 이 시기부터는 물이 지표면에서 안정하게 흐를 수 있게 되었다. 다만 이 시기의 물은 뜨거운 물이였으며, 내부에서는 온천수가 펄펄 쏟아져 나왔으며, 비도 뜨뜻한 비가 내려 대기는 수증기가 많아 습도도 매우 높고, 가시거리도 매우 짧았다.

다만 45억 1천만년전에는 대기압은 지금의 6배까지 낮아졌으므로 온실효과는 이전보다 급격히 줄었다.

세번째 시대는 맨틀분화의 완성 시대(45억 1천만년전부터 44억 6천만년전까지다.)다. 이 동위체는 나이오븀-92와 우라늄-236과 같은 동위체들의 존재다. 지구가 용암바다를 형성한 초창기 때부터 이미 맨틀분화는 시작되었고 지각이 형성될 시점에 지구 외곽 부분의 맨틀분화는 끝나게 된다. 하지만 지구 내부의 밀도가 높아 맨틀분화가 느리게 진행되었는데 특히 하부 맨틀과 중심핵에 걸친 지구 내부에서는 상당 기간동안 맨틀 분화가 이루어진다. 하지만 이 동위체들 덕분에 맨틀 분화가 빠르게 완성될 수 있다.물론 행성 내부에 열원이 존재하여 녹아 있으면 어느 행성이나 맨틀분화는 될 수 있지만 속도의 차이는 존재하는데 나이오븀-92가 내뿜는 열이 마무리 맨틀분화를 빨리 할 수 있도록 도와준 것이다

세번째 시대가 끝날 즈음의 대기압도 현재의 2배로 줄어들었으며 지구 표면 평균 온도도 70도까지 내려갔다.

네번째 시대는 안정된 대기와 열 시대다. 플루토늄-244와 사마륨-146과 같은 중반감기 동위체들 덕분이다. 이 시기는 44억 6천만년전부터 41억년전까지의 시기이다. 이 시기는 안정된 물과 대기가 존재했었지만 거대한 화산군도(수백개의 화산이 밀집되 있는)가 곳곳에 생겨났고 이 화산들의 폭발로 용암의 강이 형성된 시기다.

네번째 시대에는 제법 넓은 면적의 바다도 형성되었으며, 큰 강도 형성되었다는 점이다. 이 시대가 시작될 쯔음인 44억 6천만년전에는 지구 표면 온도는 70도 이하로 내려갔으며, 44억년전에는 섭씨 50도까지 온도가 낮아졌다.

또한 뜨거운 폭포수와 같은 뜨거운 온천수가 표면으로 흘러나왔으며 초대형 화산의 폭발로 거대한 용암 호수도 형성된 시기였다. 당시에는 홍수 현무암 현상도 자주 일어났으며 1억km^3(화산지수 13급)이상의 용암을 뿜어내는 초대형 화산들도 존재했었다. 지표면으로 갓 나온 용암의 온도는 지금보다 훨씬 뜨거워 섭씨 1800~2200도에 이르렀으며 호주 면적의 3배의 면적을 용암 대지로 만들 만큼의 강력한 위력을 가진 화산들도 있었다. 42억 8천만년전의 태양 광도는 현재의 72.7%로 최저에 이르렀지만 현 대기압의 2배에 달하는 온실기체로 현재보다 30도나 높은 섭씨 45도 이상의 대기를 가지고 있었다. 하지만 바다도 형성되었고 강도 형성되었고 곳곳에 뜨거운 온천수도 흘러나온 시기였다. 또한 대륙이동도 시작되었고 대륙 이동 속도도 맨틀 열류량이 높아 빠르기 때문에 지금보다 더 빠른 표면 변화도 보였다. 빠른 대륙 이동 속도로 인해 화산이 엄청나게 많은 수가 형성되었음을 볼 수 있다.

플루토늄-244와 사마륨-146이 어느정도 고갈되자 화산 군도도 많이 줄고 표면 평균 온도도 35도로 내려갔으며 격렬한 화산활동도 훨씬 감소되었다. 이 때가 41억년전이다. 이후 이 두 동위체들이 내뿜는 열기를 합쳐도 다른 동위체가 내뿜는 열기보다 못하게 된다. 이후에는 우라늄-235와 칼륨-40이 내뿜는 열이 주를 이루는 시대가 된다. 다만 후기 대충돌과 최초의 박테리아 출현 때문에 명왕누대를 38억년전까지 잡고 있는 것이다. 즉 명왕누대가 끝나는 시기는 언제든지 바뀔 수도 있는 것이다.

4 명왕누대의 지구

4.1 45억년 전

45억 6720만년 전 태양계가 드디어 역사를 시작했으며 중심에 태양과 함께 수백개의 소행성들이 합체를 시작했다.

초기에는 다량의 알루미늄-26과 철-60의 열원으로 소행성들이 합체를 시작했어도 어느 정도 크기 이상의 행성을 만들지는 못했다. 하지만 태양계가 역사를 시작한 지 400만년이 지나고 알루미늄-26이 일정량 이하로 줄게 되자 암석형 행성의 크기도 거대해지기 시작했다. 그후 100만년 후인 45억 6200만년전 원시행성 테이아와 지구가 충돌하여 달이 만들어졌는데, 이 충돌로 인해 당시 지구의 표면이 증발하여 그 기체가 대기를 덮어버렸다. 그 기체가 다시 지구의 표면으로 가라앉는 과정에서 지구의 대기는 이산화탄소 기체로 가득했으며, 이산화탄소 기체가 표면에 가하는 압력으로 인해 그 당시 지구의 표면 온도가 섭씨 1200도 가량임에도 불구하고 액체 상태의 물이 존재했을 것으로 추정되고 있다.

이후에는 철-60이 지구 내부의 열의 주를 이루었다. 철-60은 반감기 262만년에 양도 다량 존재했으므로 지구는 상당히 오랫동안 뜨거운 용암바다를 유지하였는데 3천만년 이상 용암바다가 들끓었다. 이때가 45억 6천만년~45억 3천만년전 시기로 추정된다. 그로 인해 헬륨, 크립톤과 같은 물질들이 증발했으며 텔루륨과 같은 휘발성 물질들도 증발해 날아갔다. 또한 금과 백금, 철과 같이 무거운 물질은 일부만 위에 떠올라 있고 밑으로 가라앉는 맨틀 분화 시절이 있었다.

45억 3000만년전 방사성 동위 원소들의 붕괴로 어느정도 지구가 식게 되고 지각이 얇게 형성되었다. 당시 얇은 지각은 뜨거워서 스펀지처럼 푹푹 들어가는 반 굳은 지각이었다. 하지만 1000만년이 지난 후 지각은 단단하게 형성될 수 있었다. 물론 지각의 두께는 얇고 뜨거워서 요리를 할 수 있는 온도였다.

45억 1천만년전부터는 나이오븀-92가 열원의 주를 이루는 시대가 되었다. 이때 막바지 맨틀 분화가 일어났으며 44억 6천만년전 맨틀분화는 완전히 끝나게 된다.

4.2 44억년 전

2008년 9월에 콜로라도 대학교 연구진이 호주에서 찾아낸 약 44억 년 된 암석에 들어있는 지르콘을 분석한 결과 흥미로운 가설을 내세웠는데, 바로 지구가 이미 44~43억 년 전에 판 운동을 했다는 것이다! 즉 맨틀 분화가 끝난 직후부터 말이다. 물론 아직은 확실한 결과가 나오지 않았지만 만약 이 것이 사실이라면, 명왕누대 당시의 지구는 이미 어느 정도 온도가 낮아지고 대기와 표면이 안정된 상태였다는 것으로 풀이될 수 있다.

사실 지구 내부의 방사성 동위체인 철-60, 하프늄-182등과 같은 반감기 1000만년 이내의 방사성 동위체가 어느정도 다량이 붕괴할 만큼의 시간이 지난다면 안정적인 지각과 함께 대기와 표면이 충분히 안정될 수는 있다. 이 말인 즉슨 지구 형성 5000만년 이내에 안정될 수 있다는 뜻인데, 이미 지구는 44억년전에 화산활동은 지금보다 훨씬 활발했고 거대한 화산 활동으로 용암호수가 형성되기는 했지만 안정된 지각과 대기와 안정된 물과 바다가 존재했었다. 즉 지하에 잠들어 있던 물이 지구가 식으면서 일부가 나와 지구 표면에 바다와 호수가 형성될 수 있는 것을 의미한다. 44억년전의 당시 태양의 광도는 현재의 74%에 불과했지만 대기의 온도는 두터운 이산화탄소로 인해 지구 표면 평균 온도는 50도를 유지할 수 있었다.

44억 6천만년전 지구가 형성된지 1억년이 지난 시점부터는 주로 사마륨-146과 플루토늄-244와 같은 방사성 동위 원소의 열원이 주를 이루었다. 따라서 당시 지구는 온천수와 같이 뜨거운 폭포수가 튀어나오는 곳이 많았으며, 얕은 바다가 형성되었고, 격렬한 화산 활동으로 용암호수와 용암의 강이 형성된 곳도 많았다. 또한 화산 활동이 심한 곳은 화산으로 이루어진 산맥이 있었다. 그 산맥은 수백개의 화산으로 이루어진 화산 공동체로 웅장했을 것으로 추정되며 거대한 초대형 화산이 존재하는 곳에는 커다란 용암호수도 생성되었다.

41억년전 플루토늄-244와 사마륨-146과 같은 중기 반감기를 가진 동위체가 대부분 붕괴하고 우라늄-235도 어느 정도 양이 붕괴하자 되자 지구의 온도는 30도까지 내려갔고 화산 공동체도 서서히 사라지기 시작하였다. 이 말은 명왕누대의 종식을 의미한다.

5 초기 지구는 지구 표면이 100% 물로 덮여 있었다.

초기 지구는 생성될 때 현재 지구가 가지고 있는 물의 10~100배나 되는 많은 물을 빨아들였다. 초기 태양계에는 수소와 헬륨과 1.69%의 중원소가 있었으며 중원소들 중에서 물의 비율은 전체 중원소의 50%를 초과해 그야말로 중원소들 중에서는 물이 다수를 차지하고 있었다. 따라서 지구도 초기 강착 시절에 많은 물을 빨아들였지만 다만 지구 강착 시기와 달의 생성 시절때 많은 물을 잃어버리게 되어 현재의 물만을 남겨두었다.

지구 강착이 끝나고 용암바다가 시작된 45억 6천만년전 지구는 이미 표면에 물이 100% 덮여 있었다. 사실 지구 강착 시절때도 표면은 물이 덮여 있는 상태에서 성장했다. 지구 형성 시기에 지구는 많은 물을 빨아들이면서 성장했기 때문이다.
끓고 있는 용암위에는 800~1000m를 넘는 깊이의 물들이 덮여 있었다. 대략 현재 지구 표면의 물의 3분의 1에 해당하는 양이다.
45억 6천만년전 방사성 동위 원소인 철-60, 나이오븀-92, 하프늄-182 등등에 의해 시간당 3경kW (현재는 시간당 442억kW)의 열을 내뿜었으므로 용암바다를 유지했지만 표면의 물을 날려보내기엔 결코 충분하지 못했다. 지구를 덮고 있는 물들은 대략 섭씨 200도씨였으며, 당시 대기압이 높아서 끓지는 않았다. 마치 60~70도씨의 물이 수증기를 내뿜뜻이 그러한 형태였다.

바다 밑 바닥에는 1200도의 용암이 물에 열을 빼앗겨서 식어서 470도까지 내려간 상태였으며 바다 밑 바닥에서는 분출화산도 대량 생성되어 있었다. 분출화산의 높이는 아무리 높아야 300m를 넘지 않았기 때문에 해저화산형태로 존재했었으며 거대한 화산은 화산지수 13 (1억km^3)의 용암을 내뿜었다.
45억 3천만년전 용암바다 시대는 끝나고 45억 2천만년전에는 지각이 단단히 굳었다.
당시 지구의 지각은 얇은 해양지각밖에 없다고 보면 된다. 지구 내부가 워낙 뜨거워 대륙 지각을 형성할 수 없었다. 또한 당시 지각도 지질활동을 하여 산을 형성하였지만 높은 산을 형성하지는 못했다. 높은 산을 형성하게 되면 그만큼 지각이 두꺼워져야되는데 당시 지구 내부가 뜨거워 지각이 두껍게 형성되면 가라앉아버렸기 때문이다. 결국 이때의 산들은 높아봐야 400~500m안팎이었다고 보면 된다.
결국 지구 강착시기부터 용암바다 시대가 끝나고 안정된 지각 형성시기와 맨틀 분화 시절때에도 줄곧 지구 표면은 100% 물이 뒤덮은 바다 행성 형태의 행성이었다.

드디어 42억년전, 지구가 많이 식게 되자 그 때서야 두툼한 대륙지각이 형성되기 시작하여 드디어 바다 표면을 뚫고 최초의 육지가 생겨날 수 있게 되었다. 이후 원시 대륙은 계속해서 성장해게 된다.

5.1 후기 대충돌 시절과 명왕누대의 종식

후기 대충돌인 39억년전 최대 100~200km급 소행성이 지구를 강타했다. 물론 이정도의 소행성으로 지구 표면의 물들을 우주로 날려버리기는 불가능하다. 대신 대륙을 전부 녹여서 다시 이전의 용암바다 시절처럼 평평한 지각을 만들만큼의 충분한 에너지를 발산했다.
39억년전 다시 대륙들은 녹아버리고 바다가 다시 100% 지구표면을 뒤덮게 된다. 다만 이 시절때는 명왕누대 초기처럼 용암바다의 열원을 제공해주는 철-60, 하프늄-182, 퀴륨과 같은 방사성 동위체가 없던 시절이므로 불과 수천년만에 바다 밑바닥에 안정된 해양지각이 형성된다.

그리고 바로 지질활동을 시작해 38억년전, 두번째의 최초의 대륙이 물 표면을 뚫고 나오게 된다. 또한 당시에는 지구와 달과의 거리가 가까워 조석간만의 차이가 매우 심했다. 바다를 뚫고 나온 신생대륙은 조석간만의 차로 인해 물에 덮였다 나왔다 반복하였고 이때 물의 작용으로 다양한 지형들이 생성되었고 다량의 조석호수와 웅덩이들이 형성되었다. 따라서 당시 대륙은 물로 인해 다양한 지형들이 형성되어 있었다.

이후 대륙은 점점 더 커지게 되며, 38억년전을 기점으로 명왕누대는 끝나게 된다.