마리아나해구 해저 암석의 나이는 어떻게 알아낼까? 방사성 동위원소가 밝히는 지질학적 시간

마리아나해구의 암석을 연구할 때 과학자들이 가장 먼저 알고 싶어 하는 것 가운데 하나는 ‘이 암석이 언제 만들어졌는가’입니다.

암석에는 사람의 눈으로 볼 수 있는 연도표가 없습니다. 겉모습만으로 수백만 년 된 암석과 수천만 년 된 암석을 정확하게 구별하는 것도 불가능합니다. 그런데 지질학자들은 암석 속에 포함된 특정 광물과 동위원소를 분석해 암석이 형성된 시기를 수백만 년 단위로 추적할 수 있습니다.

대표적인 방법이 U-Pb(우라늄-납) 연대측정과 40Ar/39Ar(아르곤-아르곤) 연대측정입니다.

실제로 마리아나해구와 주변 전호(forearc)에서 채취된 암석에도 이러한 연대측정법이 사용됐으며, 그 결과는 오늘날 마리아나 섭입대가 언제 형성되기 시작했는지를 이해하는 중요한 단서가 되고 있습니다.

암석의 나이를 측정한다는 것은 무슨 뜻일까?

암석의 나이라고 하면 하나의 숫자가 존재할 것처럼 생각하기 쉽습니다. 그러나 실제 지질학에서는 무엇의 나이를 측정하는지를 먼저 구분해야 합니다.

마그마가 식으면서 광물이 결정화된 시점을 측정할 수도 있고, 화산암이 분출된 시점을 조사할 수도 있습니다. 퇴적층이라면 그 안에 들어 있는 광물 입자가 처음 만들어진 시기와 퇴적물이 해저에 쌓인 시기가 서로 다를 수도 있습니다.

따라서 연구자는 암석의 종류와 연구 목적에 따라 적절한 연대측정법을 선택합니다.

마리아나 지역처럼 화산암, 반려암, 맨틀 암석과 퇴적물이 복잡하게 존재하는 곳에서는 하나의 방법만 사용하는 것이 아니라 여러 종류의 연대 자료와 지질학적 증거를 함께 비교하는 경우가 많습니다.

방사성 동위원소가 자연의 시계가 되는 이유

일부 원소에는 시간이 지나면서 일정한 속도로 다른 원소로 붕괴하는 방사성 동위원소가 존재합니다.

이때 처음 존재했던 원소를 ‘모원소’, 방사성 붕괴로 만들어진 원소를 ‘딸원소’라고 부릅니다.

방사성 동위원소마다 붕괴 속도가 다르며 이를 나타내는 대표적인 개념이 반감기입니다.

광물이 형성된 이후 모원소와 딸원소의 비율이 어떻게 변했는지를 정밀하게 측정하면 광물이 결정화된 이후 얼마나 많은 시간이 흘렀는지를 계산할 수 있습니다.

이 때문에 방사성 동위원소는 지질학에서 일종의 ‘자연 시계’ 역할을 합니다.

마리아나 암석 연구에서 중요한 저어콘

오래된 화성암의 연대를 조사할 때 매우 중요한 광물 가운데 하나가 저어콘(zircon)입니다.

저어콘은 화학식 ZrSiO₄를 갖는 광물로, 마그마에서 결정화될 때 결정 구조 안에 우라늄을 포함할 수 있습니다.

반면 처음 형성될 때 납은 상대적으로 잘 받아들이지 않는 특성이 있어 우라늄이 시간이 지나면서 납 동위원소로 붕괴하는 과정을 이용한 연대측정에 유리합니다.

또한 저어콘은 비교적 물리적·화학적으로 강한 광물이기 때문에 암석이 오랜 시간 풍화되거나 다른 지질작용을 겪은 뒤에도 남을 수 있습니다.

이 때문에 아주 작은 저어콘 결정 하나가 수천만 년 또는 수억 년 전의 지질학적 사건을 기록하고 있을 수 있습니다.

U-Pb 연대측정은 어떻게 이루어질까?

U-Pb 연대측정은 우라늄 동위원소가 납 동위원소로 붕괴하는 현상을 이용합니다.

대표적으로 우라늄-238은 시간이 지나면서 납-206으로 변하고, 우라늄-235는 납-207로 변합니다.

연구자는 암석에서 저어콘을 분리한 뒤 질량분석기 등을 이용해 이 동위원소들의 비율을 매우 정밀하게 측정합니다.

두 개의 독립적인 붕괴 체계를 비교할 수 있다는 점은 U-Pb 연대측정의 중요한 장점입니다.

다만 실제 암석은 단순하지 않습니다. 이후의 열이나 변성작용, 납의 손실 등이 측정 결과에 영향을 줄 수 있기 때문에 연구자들은 여러 저어콘 결정과 분석 지점을 비교하고 지질학적 상황을 함께 검토합니다.

남부 마리아나 전호에서는 약 5,150만 년의 연대가 측정됐다

마리아나 지역의 연대측정이 중요한 이유는 이곳이 이즈-보닌-마리아나(Izu-Bonin-Mariana, IBM) 섭입계의 일부이기 때문입니다.

2013년 Earth and Planetary Science Letters에 발표된 연구에서는 괌 남쪽의 남부 마리아나 전호에서 유인잠수정 Shinkai 6500을 이용해 채취한 심부 지각 암석을 분석했습니다.

연구 대상에는 지하 깊은 곳에서 마그마가 천천히 식으면서 형성되는 반려암(gabbro)이 포함됐습니다.

이 반려암에서 분리한 저어콘의 U-Pb 연대를 분석한 결과 약 51.5 ± 0.7 Ma, 즉 약 5,150만 년 전이라는 연대가 얻어졌습니다.

여기서 Ma는 ‘Mega-annum’의 약자로 지질학에서 ‘백만 년 전’을 의미합니다.

이 결과는 마리아나 전호의 초기 지각 형성이 약 5천만 년 전까지 거슬러 올라간다는 중요한 증거 가운데 하나입니다.

암석 하나의 나이가 섭입대의 역사를 알려주는 이유

반려암의 연대가 약 5,150만 년이라는 사실은 단순히 특정 암석 하나가 오래됐다는 의미에 그치지 않습니다.

이 암석은 마리아나 지역에서 초기 섭입작용과 관련된 마그마 활동으로 형성된 지각의 일부로 해석됩니다.

더 북쪽의 보닌 전호에서도 비슷한 시기의 암석이 발견됐습니다.

여러 지역에서 측정된 연대 자료를 비교한 연구에서는 이즈-보닌-마리아나 섭입계의 초기 해저 확장과 마그마 활동이 대략 51~52 Ma 무렵 시작된 것으로 해석되고 있습니다.

즉 서로 멀리 떨어진 해저 암석들의 나이를 비교함으로써 거대한 섭입대가 언제 형성되기 시작했는지를 추적할 수 있는 것입니다.

40Ar/39Ar 연대측정은 무엇일까?

마리아나 지역의 화산암 연구에는 U-Pb 방식 외에도 40Ar/39Ar 연대측정이 사용됩니다.

이 방법은 칼륨-아르곤(K-Ar) 연대측정법을 발전시킨 방법입니다.

방사성 동위원소인 칼륨-40의 일부는 시간이 지나면서 아르곤-40으로 붕괴합니다.

암석이나 광물이 형성되고 냉각되는 과정에서 아르곤이 빠져나가다가 일정 온도 아래로 내려가면 생성된 아르곤이 광물 내부에 보존될 수 있습니다.

이후 광물 내부의 아르곤 동위원소를 분석하면 암석의 형성 또는 냉각과 관련된 시간을 추정할 수 있습니다.

40Ar/39Ar 방식에서는 시료에 중성자를 조사한 뒤 아르곤 동위원소 비율을 측정해 연대를 계산합니다.

마리아나 지역에는 훨씬 젊은 화산암도 존재한다

마리아나 지역의 모든 암석이 5천만 년 된 것은 아닙니다.

이 점은 매우 중요합니다.

남부 마리아나 전호의 Southeast Mariana Forearc Rift에서는 약 3.7~2.7 Ma의 현무암질 화산활동이 보고됐습니다.

즉 같은 마리아나 전호 안에서도 약 5천만 년 전 초기 섭입과 관련된 암석과 수백만 년 전의 훨씬 젊은 화산암이 함께 발견될 수 있습니다.

이처럼 서로 다른 나이의 암석을 지도 위에 배치하면 특정 지역에서 언제 지각이 만들어지고, 언제 다시 갈라지거나 화산활동이 일어났는지를 추적할 수 있습니다.

해저 암석은 어떻게 채취할까?

연대측정을 하려면 먼저 정확한 위치에서 암석을 확보해야 합니다.

마리아나해구와 전호는 수심이 수천 미터에 달하기 때문에 사람이 직접 암석을 채취하기 어렵습니다.

연구자들은 유인잠수정이나 원격조종무인잠수정(ROV), 해저 드레지, 시추장비 등을 이용합니다.

특히 ROV에는 로봇팔이 장착되어 있어 해저 노두에서 노출된 암석이나 바닥에 떨어져 있는 암석을 집어 올릴 수 있습니다.

시료가 연구선으로 올라오면 채취 위치와 수심을 기록하고 사진을 촬영한 뒤 암석을 절단하고 분류합니다.

연대측정에서 채취 위치가 중요한 이유는 나이만 알아서는 지질학적 의미를 완전히 해석하기 어렵기 때문입니다. 어떤 지층이나 암체에서 나온 암석인지 알아야 측정된 연대를 실제 지질구조와 연결할 수 있습니다.

NOAA 탐사가 보여주는 마리아나 전호의 지질학적 기록

NOAA Ocean Exploration은 마리아나 지역을 탐사하면서 해구와 전호, 화산호, 배호분지 등 서로 다른 지질환경을 조사해 왔습니다.

특히 전호는 마리아나 섭입계의 오래된 지질학적 기록이 보존된 지역입니다.

NOAA는 이를 마리아나의 지질 역사를 보존한 일종의 ‘박물관’에 비유하기도 합니다.

암석 전체를 그대로 기계에 넣는 것은 아니다

U-Pb 연대측정을 한다고 해서 커다란 암석 덩어리를 그대로 분석기에 넣는 것은 아닙니다.

연구 목적에 따라 암석을 절단하고 분쇄한 뒤 여러 광물을 분리합니다.

저어콘을 분석하려면 암석 속에서 매우 작은 저어콘 결정들을 찾아 분리해야 합니다.

그 뒤 현미경 관찰 등을 통해 결정 상태를 확인하고 분석할 부분을 선택합니다.

고정밀 연구에서는 레이저 절제 유도결합플라즈마 질량분석법(LA-ICP-MS), 이차이온질량분석법(SIMS), 열이온화질량분석법(TIMS) 등 연구 목적과 필요한 정밀도에 따라 다양한 분석 장비가 사용될 수 있습니다.

측정된 숫자가 항상 암석의 ‘탄생일’은 아니다

방사성 동위원소 연대측정에서 가장 주의해야 할 점은 측정값을 무조건 암석의 생성 시기로 해석해서는 안 된다는 것입니다.

암석은 형성된 뒤 열을 받거나 변성작용을 겪을 수 있고, 바닷물과 반응해 변질될 수도 있습니다.

특정 동위원소 체계는 이러한 과정에서 부분적으로 초기화되거나 교란될 수 있습니다.

또 퇴적암에서 발견되는 저어콘은 현재의 퇴적층보다 훨씬 오래된 다른 암석에서 침식되어 이동해온 입자일 수도 있습니다.

따라서 연구자들은 하나의 숫자만 보는 것이 아니라 광물 조직, 암석의 화학조성, 채취 위치, 다른 동위원소 연대와 주변 지층의 관계를 함께 분석합니다.

챌린저 딥 퇴적물에서도 저어콘의 나이를 측정한다

연대측정은 단단한 기반암에만 사용되는 것이 아닙니다.

2024년에는 챌린저 딥을 포함한 남부 마리아나해구에서 채취한 퇴적물 속 쇄설성 광물을 분석한 연구가 발표됐습니다.

쇄설성 저어콘(detrital zircon)은 원래 다른 암석에서 만들어진 뒤 풍화와 침식을 거쳐 퇴적물 속으로 들어온 저어콘입니다.

따라서 이 저어콘의 U-Pb 연대를 측정하면 퇴적물 자체의 퇴적 시기와는 별개로, 입자가 어떤 지질학적 기원의 암석에서 공급됐는지를 추적할 수 있습니다.

챌린저 딥 퇴적물의 저어콘과 다른 광물의 연대 자료는 남부 마리아나 수렴경계의 과거 화산활동과 지각 진화를 해석하는 데 활용되고 있습니다.

암석의 나이와 해구의 나이는 같은 개념이 아니다

마리아나해구의 암석 연대를 이야기할 때 자주 생길 수 있는 오해가 있습니다.

해저에서 발견된 암석의 나이가 곧 현재 마리아나해구 지형의 나이를 의미하는 것은 아닙니다.

현재 해구에는 서로 다른 시기에 만들어진 여러 지질학적 구성요소가 존재합니다.

섭입하고 있는 태평양판에는 훨씬 오래된 중생대 해양지각이 포함되어 있는 반면, 전호에는 약 5천만 년 전 초기 섭입과 관련된 암석이 존재하며, 일부 지역에는 수백만 년 전의 젊은 화산암도 존재합니다.

따라서 과학자들은 하나의 암석 연대를 ‘마리아나해구의 나이’라고 단순화하지 않고 여러 지역의 연대 자료를 종합해 해구와 섭입계의 진화 과정을 재구성합니다.

연대측정으로 마리아나해구에서 무엇을 알 수 있을까?

암석 연대 자료를 축적하면 단순히 ‘몇 년 된 암석인가’보다 훨씬 많은 것을 알아낼 수 있습니다.

초기 섭입이 언제 시작됐는지, 새로운 지각이 언제 만들어졌는지, 화산활동이 언제 변화했는지, 전호가 언제 확장됐는지 등을 시간 순서로 배열할 수 있습니다.

특히 마리아나해구는 지구에서 가장 깊은 해구인 동시에 이즈-보닌-마리아나 섭입계의 일부이기 때문에 이러한 연대 자료는 해양판 섭입이 시작되는 과정을 연구하는 데 중요한 자료가 됩니다.

결국 작은 저어콘 결정 속 우라늄과 납의 비율이 수천만 년에 걸친 거대한 판 운동의 역사를 복원하는 단서가 되는 것입니다.

자주 묻는 질문

마리아나해구의 암석은 모두 같은 나이인가요?

아닙니다. 섭입하는 태평양판의 오래된 해양지각, 초기 마리아나 전호를 구성하는 암석, 이후 만들어진 화산암 등 서로 다른 시기에 형성된 암석이 존재합니다.

마리아나 지역에서 약 5,150만 년이라는 연대는 어떻게 알아냈나요?

남부 마리아나 전호에서 채취한 반려암 속 저어콘을 이용한 U-Pb 연대측정 연구에서 약 51.5 ± 0.7 Ma의 결과가 보고됐습니다.

저어콘은 왜 연대측정에 많이 사용되나요?

저어콘은 형성될 때 우라늄을 포함할 수 있고 구조적으로 안정적이며 오래된 지질작용을 견딜 수 있어 U-Pb 연대측정에 매우 유용한 광물입니다.

암석의 나이와 마리아나해구의 나이는 같은가요?

같지 않습니다. 특정 암석의 연대는 그 암석 또는 광물이 형성된 지질학적 사건을 나타냅니다. 해구의 형성과 진화 시기는 여러 암석과 퇴적물, 지질구조의 자료를 종합해 해석해야 합니다.

퇴적물 속 저어콘도 연대측정할 수 있나요?

가능합니다. 다만 쇄설성 저어콘의 연대는 일반적으로 퇴적물이 쌓인 시기 자체가 아니라 저어콘이 원래 결정화된 시기를 나타냅니다. 따라서 퇴적물의 기원과 공급지역을 추적하는 데 활용됩니다.

마무리

마리아나해구의 과거를 이해하는 방법은 깊이를 측정하거나 해저 지형을 관찰하는 것만이 아닙니다.

해저에서 채취한 암석 속에는 수천만 년 전의 시간이 동위원소 형태로 기록되어 있습니다.

남부 마리아나 전호의 반려암에서 측정된 약 5,150만 년의 저어콘 U-Pb 연대는 이즈-보닌-마리아나 섭입계의 초기 형성과 관련된 중요한 증거 가운데 하나입니다.

또한 40Ar/39Ar 연대측정과 퇴적물 속 쇄설성 저어콘 분석 등을 함께 사용하면 초기 섭입 이후 화산활동과 지각 변형이 언제 일어났는지를 보다 세밀하게 재구성할 수 있습니다.

결국 마리아나해구의 암석은 단순한 돌이 아니라 지구의 판 운동이 남긴 시간 기록입니다. 연구자들은 암석 속 아주 작은 광물과 동위원소를 분석함으로써 수천만 년에 걸친 마리아나 섭입대의 역사를 하나씩 복원하고 있습니다.

참고자료

Reagan, M. K. et al. (2013). The geology of the southern Mariana fore-arc crust: Implications for the scale of Eocene volcanism in the western Pacific. Earth and Planetary Science Letters, 380, 41–51.

Reagan, M. K. et al. (2019). Forearc ages reveal extensive short-lived and rapid seafloor spreading following subduction initiation. Earth and Planetary Science Letters.

Cosca, M. A., Arculus, R. J., Pearce, J. A. & Mitchell, J. G. (1998). 40Ar/39Ar and K-Ar geochronological age constraints for the inception and early evolution of the Izu-Bonin-Mariana arc system. Island Arc, 7, 579–595.

Ribeiro, J. M. et al. (2013). Geodynamic evolution of a forearc rift in the southernmost Mariana Arc. Island Arc, 22, 453–476.

Yang, M. et al. (2024). Tectonic and magmatic evolution of the southernmost Mariana convergent margin: Constraints from geochronology and geochemistry of the Challenger Deep sediments. Lithos, 488–489, 107796.

NOAA Ocean Exploration. 2016 Deepwater Exploration of the Marianas: The Geology of the Mariana Convergent Plate Region.