Dating ductile deformation of the Earth’s crust: the critical role of fluids

지각은 정적인 껍데기가 아닙니다. 그것은 엄청난 압력 아래에서 끊임없이 이동하고, 접히고, 늘어나는 역동적인 층입니다. 지하 깊은 곳의 암석이 압착되고 가열될 때, 암석은 항상 깨지기 쉬운 유리처럼 갈라지는 것은 아닙니다. 대신, 수백만 년에 걸쳐 천천히 흐를 수 있는데, 이 과정을 연성 변형(ductile deformation)이라고 합니다. 이러한 느리고 가소성 있는 움직임은 산맥이 어떻게 형성되는지, 그리고 지구가 어떻게 스트레스를 방출하는지를 이해하는 데 매우 중요합니다. 이러한 사건들에 대한 정확한 모델을 구축하기 위해, 지질학자들은 암석이 정확히 언제 움직였는지를 알아야 합니다. 그러나 이 느린 흐름의 연대를 결정하는 것은 오랫동안 난제였습니다. 전통적인 방법들은 암석이 변형됨에 따라 내부의 화학적 시계가 자동으로 재설정되어 사건에 대한 명확한 타임스탬프를 제공한다고 가정하곤 합니다. 하지만 이 가정은 암석이 완벽하게 혼합되고 화학적으로 균일하다는 생각에 의존하는데, 이는 암석 내부의 미시 세계를 매우 자세히 들여다보지 않고서는 검증하기 어려운 개념입니다.

스위스와 독일의 대학 연구진은 스위스 알프스의 특정 지각 단면을 조사함으로써 이 오래된 가정을 반박했습니다. 그들은 고대 화강암이 마일로나이트(mylonite)라고 불리는 미세한 입자의 흐르는 암석으로 압착된 구역에 집중했습니다. 고해결도 화학 지도와 정밀한 연대 측정 기술을 결합하여, 그들은 암석을 짜내는 행위 자체만으로는 내부 시계를 재설정하기에 충분하지 않다는 것을 발견했습니다. 대신, 그들은 물이 풍부한 유체의 존재가 암석의 화학 시스템이 재설정되어 변형의 시간을 기록할 수 있게 하는 결정적인 성분이라는 것을 발견했습니다. 이 발견은 산맥 형성의 역사를 해석하는 방식에 변화를 가져오며, 유체가 없다면 암석이 으깨지고 재형성되는 동안에도 과거의 기억을 간직하고 있음을 시사합니다.

연구진은 유럽 판과 아드리아 판의 충돌 중에 밀려 올라온 거대한 암석 덩어리인 고타드 나페(Gotthard nappe)의 한 섹션을 연구했습니다. 그들은 약간 늘어난 암석부터 아주 미세하고 매끄러운 마일로나이트로 갈려 나간 암석에 이르기까지, 다양한 정도로 변형된 화강암 샘플을 수집했습니다. 첨단 현미경과 화학 분석기를 사용하여, 그들은 암석 내의 광물, 특히 백색 운모, 흑운모, 장석을 상세히 지도화했습니다. 이 광물들은 방사성 원소를 포함하고 있어 알려진 속도로 붕괴하며, 이를 통해 과학자들이 광물이 형성되었거나 마지막으로 화학적으로 재설정된 시점을 계산할 수 있게 하므로 자연적인 시계 역할을 합니다. 연구팀은 동일한 암석 샘플의 서로 다른 부분을 측정하기 위해, 광물에 갇힌 아르곤 가스에 기반한 방법과 스트론튬 동위원소 비율에 기반한 두 가지 서로 다른 연대 측정법을 사용했습니다.

그들이 발견한 것은 놀라웠습니다. 중간 정도의 변형을 받은 암석에서는 화학적 시계가 매우 오래된 것부터 젊은 것까지 넓은 연령대를 보여주었습니다. 가장 격렬하게 변형된 전단대(shear zone) 쪽으로 이동함에 따라, 그들은 암석이 미세한 반죽처럼 갈려 나간 상태에서 변형의 시기를 나타내는 단일하고 균일한 연대를 발견할 것이라 예상했습니다. 그러나 그들은 가장 심하게 변형된 암석에서도 여전히 상당한 양의 재설정되지 않은 오래된 물질을 포함하고 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 고대 동위원소 '유물(relicts)'의 풍부함은 변형의 강도가 높아질수록 오히려 증가했습니다. 이는 변형과 화학 반응이 완벽하게 발맞추어 일어난다는 가설에 정면으로 배치되는 결과였습니다. 만약 산맥 형성의 물리적 스트레스에 의해 암석이 단순히 혼합되는 것이라면, 오래된 화학적 징후들은 지워졌어야 했습니다. 그것들이 남아 있다는 사실은 물리적 변형만으로는 암석의 내부 시계를 재설정할 수 없음을 시사합니다.

변형의 실제 타이밍을 밝히는 열쇠는 유체에 있었습니다. 연구진은 세 가지 뚜렷한 광물 세대를 식별했습니다. 산맥 형성이 시작되기 전에 형성된 가장 오래된 광물들은 일부 결정의 핵(core) 부분에 보존되어 있었습니다. 두 번째 세대는 산맥 형성의 정점기에 형성되었으나, 이 광물들은 유체가 존재하는 영역에서만 화학적 시계가 완전히 재설정되었습니다. 세 번째 세대는 이후 냉각 단계 중에 나타났으며, 광물의 조성을 변화시킨 새로운 유체의 도착과 명확하게 연결되어 있었습니다. 이 팀은 화학적 지문을 바탕으로 이러한 서로 다른 광물 세대를 정밀하게 분리함으로써 특정 시점을 정확히 짚어낼 수 있었습니다. 그들은 주요 산맥 형성 단계와 관련된 둔성 변형이 대략 1,880만 년 전에서 1,710만 년 전 사이에 발생했다고 결정했습니다. 냉각 및 유체 이동과 관련된 후기 단계는 약 1,330만 년 전이었습니다.

이 연구는 유체가 암석의 물리적 압착이나 온도 단독의 작용보다는 화학적 및 동위원소 (재)평형의 주요 동력이었음을 밝혔습니다. 암석이 완벽하게 닫힌 계는 아니었지만, 연구진은 마일로나이트화(mylonitisation)가 외부에서 유입된 유체의 접근이 제한된 반-폐쇄 계(semi-closed system)에서 일어났음을 발견했습니다. 가장 심하게 변형된 구역에서는 유체가 희박했기 때문에, 강렬한 변형에도 불구하고 오래된 동위원소 신호가 지속되었다는 화학적 징후가 나타났습니다. 오직 유체가 반응을 촉진하는 곳에서만 동위원소 시계가 재설정되어 변형의 연대를 기록했습니다. 연구진은 암석의 물리적 압착이나 온도 단독의 작용보다는 유체의 움직임이 광물이 재평형을 이루고 변형의 연대를 기록할 수 있게 하는 주요 동력이었다고 결론지었습니다. 이는 산맥이 형성될 때의 시기를 정확히 날짜를 측정하려면, 지질학자들이 먼저 유체의 역할을 이해하고 화학적 매핑을 통해 변형 중에 유체에 의해 재설정된 광물과 단순히 오래된 잔여물을 구분해야 함을 의미합니다.

이 작업은 지각의 변형 속도를 어떻게 계산하는지에 대해 중요한 시사점을 줍니다. 변형 중 유체에 의해 재설정된 특정 광물을 식별함으로써, 연구진은 약 $8.68 \times 10^{-14}$ 초당의 변형률(strain rate)을 계산했습니다. 이 추정치는 이전 연구들에서 흔히 발생하는 오류인 오래된 광물과 새로운 광물의 혼합을 피했기 때문에 더 정확합니다. 이 정밀한 속도는 지각의 느린 깊은 움직임을 지표 근처에서 발생하는 빠른 취성 지진과 연결하는 데 도움을 줍니다. 이는 지각 중간에서의 느린 스트레스 축적이 상부 지각에서의 갑작스러운 에너지 방출과 직접적으로 연결될 수 있음을 보여줍니다.

또한 이 연구는 알프스의 지질학적 역사에 대한 더 명확한 그림을 제공합니다. 변형의 타이밍은 산맥의 서쪽 이동과 일치하며, 이는 지각의 깊은 연성 신장과 쥬라 산맥을 만든 얕은 습곡 사이의 직접적인 연결을 시사합니다. 연구는 암석이 약 400만 년 동안 약 33km 깊이에서 16km 깊이로 굴착(exhumed)되었으며, 온도가 약 섭씨 537도에서 340도로 냉각되었음을 보여줍니다. 이 냉각과 상승은 100만 년당 약 4.3km의 속도로 일어났습니다.

궁극적으로 이 연구는 산맥 형성의 이야기가 암석의 화학적 세부 사항 속에 기록되어 있지만, 우리가 그것을 읽는 법을 알아야만 한다는 것을 보여줍니다. 유체의 존재는 암석의 내부 시계를 재설정하고 변형의 시간을 기록하게 하는 필수적인 열쇠입니다. 유체가 없다면 암석은 재형성되는 동안에도 자신의 옛 역사를 간직합니다. 이러한 통찰은 지질학자들이 지구의 지각에 접근하는 방식에 변화를 요구합니다. 단순히 암석을 부수고 날짜를 측정하는 것만으로는 부족합니다. 과학자들은 이제 유체에 의해 재설정된 부분을 찾기 위해 광물의 화학적 조성을 매핑해야 합니다. 이 접근 방식은 얻은 날짜가 오래된 사건과 새로운 사건의 혼합이 아니라, 실제로 산맥이 건설되던 순간을 진정으로 반영하도록 보장합니다. 이 연구는 열이나 압력뿐만 아니라 유체가 심부 지구의 화학적 변화를 일으키는 주요 동력임을 확인하며, 이러한 관계를 이해하는 것이 지구의 역동적인 역사를 재구성하는 데 필수적임을 입증합니다.