Oxygen-isotope palaeothermometry of the Eocene Harudi Formation, Kutch Basin, western India: evidence for an early inception of the Middle Eocene Climatic Optimum

심원한 시간(Deep time)은 흔히 느리고 꾸준한 표류로 상상되곤 하지만, 지구의 기후 역사는 사실 갑작스러운 도약과 극적인 역전의 이야기입니다. 약 5,600만 년 전에서 3,400만 년 전 사이의 에오세(Eocene) 동안, 지구는 오늘날보다 훨씬 더 따뜻했던 온실 세계였습니다. 그러나 이 뜨거운 시대 속에서도 기후는 정체되어 있지 않았습니다. 기후는 하이퍼서멀(hyperthermal) 이벤트라고 불리는 짧고 강렬한 열기 급증을 경험했으며, 그 뒤에는 일반적인 냉각 추세와 대비되는 긴 온난기가 뒤따랐습니다. 이러한 온난기 중 가장 중요한 시기 중 하나는 중기 에오세 최적기(Middle Eocene Climatic Optimum)로, 전 지구적 기온이 수십만 년 동안 치솟았던 시기입니다. 이 온난화가 정확히 언제 시작되었는지, 그리고 특정 지역에서는 어떻게 느껴졌는지를 이해하는 것은 과학자들이 지구의 기후 시스템이 변화에 어떻게 반응하는지 조각을 맞춰가는 데 매우 중요합니다. 이를 위해 연구자들은 종종 고대 조개껍데기에 남겨진 화학적 지문을 관찰하는데, 이 껍데기들은 조개가 자라던 당시의 해수 온도를 기록하는 천연 온도계 역할을 합니다.

수십 년 동안 인도 서부의 하루디 층(Harudi Formation)이라 알려진 특정 암석층은 이 글로벌 퍼즐 속에서 미스터리로 남아 있었습니다. 고대 고래, 악어, 거대 바다 달팽이의 화석이 풍부한 이 퇴적층은 쿠치 분지(Kutch Basin)에 위치하며 에오세 중기를 보여주는 중요한 창 역할을 합니다. 그러나 그 중요성에도 불구하고, 과학자들은 이 시기와 장소의 실제 수온에 대한 데이터가 거의 없었습니다. 어려움은 바로 암석 자체에 있었습니다. 이 지역은 화석으로 유명하지만, 발견되는 껍데기들은 수백만 년 동안의 압력과 지하수에 의해 화학적으로 변질되어 온도 기록이 신뢰하기 어려운 경우가 많았습니다. 온전하고 변하지 않은 껍데기가 없다면, 과거 온도를 계산하는 데 필요한 화학적 신호는 소실되거나 뒤섞이게 됩니다. 이는 서인도 지역의 고대 기후 지도에 상당한 공백을 남겼으며, 연구자들이 주변의 다른 암석층 데이터에 의존하게 만들었으나 그 데이터들은 동일한 이야기를 들려주지 못할 수도 있었습니다.

한 연구팀은 완벽한 상태로 보존된 여섯 개의 화석 샘 샘플을 신중하게 선택함으로써 이 공백을 메웠습니다. 그들은 암석층이 명확하게 드러나는 특정 도로 절개지에서 수집된 다섯 개의 굴 껍데기와 하나의 거대 단세포 해양 생물인 누물리테스(Numulites) 껍데기를 선택했습니다. 온도 계산을 시도하기 전, 연구팀은 이 껍데기들이 수백만 년 동안 화학적으로 손상되지 않았음을 반드시 확인해야 했습니다. 그들은 강력한 X선 기술을 사용하여 각 샘플의 내부 구조를 스캔했고, 모든 샘플이 동물들이 원래 껍데기를 만들 때 사용했던 것과 동일한 순수하고 안정적인 방해석(calcite)으로 이루어져 있음을 확인했습니다. 이러한 검증은 필수적이었습니다. 왜냐하면 이는 껍데기가 이후의 지질학적 과정에 의해 재결정화되거나 변형되지 않았음을 입증하여, 껍데기가 보유한 화학적 데이터가 고대 해양의 진정한 기록임을 보장해주었기 때문입니다.

샘플이 온전함이 확인되자, 연구자들은 껍데기의 결정 구조 안에 갇힌 산소 동위원소를 분석했습니다. 껍데기 내 서로 다른 종류의 산소 원자의 비율은 동물이 살아있을 당시의 물이 얼마나 따뜻했느냐에 따라 달라집니다. 이 비율을 측정하고 이를 알려진 고대 해수의 화학적 구성과 비교함으로써, 연구팀은 각 암석층의 정확한 수온을 계산할 수 있었습니다. 결과는 역동적인 열적 역사를 보여주었습니다. 이 지역의 수온은 층의 상부에서는 상대적으로 서늘한 섭씨 27.31도에서, 특정 갈색 셰일(shale) 층에서는 무려 섭씨 38.44도의 뜨거운 온도까지 나타났습니다. 특히 주목할 점은 두 번의 뚜렷한 열기 급증이 발견되었다는 것입니다. 한 번의 정점은 대규모 폭풍으로 인해 껍데기들이 쌓인 층에서 섭씨 32.25도에 도달했으며, 또 다른 더 뜨거운 정점인 섭씨 38.44도는 증발암 광물을 포함한 진흙 층에서 발견되었습니다. 이는 물이 얕고 염도가 매우 높았던 시기를 암시합니다.

이러한 온도 급증은 앞서 언급한 전 지구적 온난화 이벤트인 중기 에오세 최적기의 국지적 징후로 해석됩니다. 이 발견을 특히 흥러운 점은 그 타이밍입니다. 다른 연구들은 이 전 지구적 온난화 이벤트가 약 4,050만 년 전쯤 시작되었다고 제안해 왔습니다. 그러나 열기 급증이 발견된 하루디 층의 암석층은 약 4,160만 년 전의 경계선을 가로지르며 이보다 약간 더 오래된 것으로 연대가 측정되었습니다. 이는 중기 에오세 최적 것과 관련된 온난화가 이 지역에서는 전 지구적 평균이 시사하는 것보다 더 일찍 시작되었거나, 적어도 전 세계의 다른 지역에 완전히 기록되기 전에 서인도양에 먼저 도착했음을 시사합니다. 연구자들은 또한 가장 뜨거웠던 온도가 폭풍에 휩쓸린 껍데기 층이나 염분이 높은 증발 라군(lagoon)과 같이 생명체에게 스트레스를 주는 환경과 일치한다는 점에 주목했습니다. 이는 극심한 열기가 증발과 염도 변화를 일으켜 강인한 생물들만이 생존할 수 있는 환경을 만든다는 점에서 타당한 결과입니다.

이 연구는 최종 결론이라기보다는 예비 단계로서 제시되었습니다. 연구팀은 여섯 개의 샘플이 이 층에 대한 첫 번째 직접적인 온도 기록을 제공하기는 하지만, 데이터 포인트의 수가 적기 때문에 전체적인 그림은 여전히 구성 중이라는 점을 강조했습니다. 특히 섭씨 38.44도라는 극단적인 열값은 매우 놀랍지만, 연구자들은 통계적 확실성을 가지고 이러한 경향을 확인하기 위해 더 많은 샘플이 필요하다고 주의를 기울였습니다. 그들은 또한 껍데기 속의 일부 화학적 신호가 특이하다는 점을 언급하며, 이는 아직 완전히 이해되지 않은 방식으로 국지적 환경 요인이 데이터에 영향을 미쳤을 가능성을 암시합니다. 이러한 유보 조항에도 불구하고, 이 작업은 향후 연구를 위한 토대를 성공적으로 마련했습니다. 이는 하루디 층이 읽을 수 있는 기후 기록을 보유하고 있음을 입증하며, 중기 에오세의 온난화가 이 지역에서 이전에 생각했던 것보다 더 복잡하고 이른 시기에 시작되었을 수 있다는 점을 시사하여, 이 고대의 온실 세계가 실제로 어떻게 기능했는지에 대한 추가 조사를 유도하고 있습니다.