Organic Geochemistry of Shale Outcrop From the Morro Do Chaves Formation, Lowercretaceous, Sergipe-Alagoas Basin, Northeastern Brazil

심층적인 시간은 공룡의 뼈나 고대 생물의 껍데기뿐만 아니라, 그들이 살았던 암석의 화학 성분 자체에도 그 지문을 남깁니다. 유기 기하화학(organic geochemistry)이라 불리는 이 분야는 퇴적암을 하나의 화학적 기록 보관소로 취급합니다. 식물, 조류, 그리고 미세한 유기체들이 죽어서 호수나 바다 밑바닥에 가라앉으면, 그 잔해들은 진흙 속에 갇힐 수 있습니다. 수백만 년에 걸쳐 이 유기물은 케로젠(kerogen)이라는 밀랍 같은 물질로 변하며, 자신이 매립되었던 환경의 기억을 간직하게 됩니다. 과학자들은 이 암석들 내의 특정 탄소 분자 유형과 서로 다른 원소들의 비율을 분석함으로써, 고대 기후를 재구성하고, 물이 담수였는지 혹은 염수였는지를 판별하며, 호수 바닥이 산소가 풍ли했는지 아니면 완전히 산소가 결핍된 상태였는지를 파악할 수 있습니다. 이러한 조건을 이해하는 것은 매우 중요한데, 이는 과거에 생명체가 어떻게 생존했는지를 밝혀줄 뿐만 아니라, 지질학자들이 석유와 가스가 형성되었을 법한 고대의 환경을 찾는 데 도움을 주기 때문입니다.

브라질 북동부의 특정 암석 지대는 끊임없이 마음을 바꾸던 호수의 극적인 이야기를 들려줍니다. 백악기 초기에 속하는 모로 두 카베스 층(Morro do Chaves Formation)은 초대륙 곤드와나가 분열하기 시작할 당시 거대한 지구대(rift valley)의 일부였던 지역에 위치해 있습니다. 수십 년 동안 지질학자들은 이곳의 유명한 조개 층, 즉 코키나(coquina)라고 불리는 조개와 달팽이의 잔해가 가득한 층을 연구해 왔습니다. 이 조개 층들은 얕고 폭풍이 치는 호수 환경에서 형성된 것으로 오랫동안 이해되어 왔습니다. 그러나 조개들과 함께 발견되는 검은 진흙질의 셰일(shale) 층은 미스터리로 남아 있었습니다. 조개들이 주목을 받는 동안, 셰일은 물의 화학 성분과 폭풍 사이의 고요한 순간들을 간직한 열쇠를 쥐고 있었습니다. 리우데자네이루 주립대학교와 페트로브라스(Petobra)의 연구팀은 이 간과되었던 이암들을 면밀히 조사하여, 그곳이 어떤 종류의 세상이었는지 이해하기로 했습니다.

연구진은 암석 층이 1킬로미터 이상 수직으로 노출된 알라고아스 주의 한 채석장에 초점을 맞추었습니다. 그들은 노출된 암석의 맨 밑바닥부터 꼭대기까지 총 11개의 서로 다른 층에서 14개의 셰일 샘플을 정교하게 채취했습니다. 실험실에서 그들은 이 암석들의 화학적 역사를 읽어내기 위해 설계된 일련의 테스트를 수행했습니다. 그들은 진흙 속에 얼마나 많은 생명체가 보존되었는지를 나타내는 척도인 총 유기 탄소량을 측정했습니다. 또한, 통제된 환경에서 암석을 가열하여 어떤 종류의 탄화수소가 방출되는지 관찰했는데, 이 과정은 원래 그곳에서 죽었던 생명체의 유형을 드러내 줍니다. 마지막으로, 그들은 첨단 화학적 분리 기술을 사용하여 바이오마커(biomarker)라고 불리는 특정 분자 표지자를 분리해 냈습니다. 이 분자들은 마치 화학적 화석과 같아서, 특정 생물체가 만들어낸 구조적 특징을 유지하고 있으므로 과학자들이 조류, 박테리아, 육상 식물을 구분할 수 있게 해줍니다.

연구 결과는 복잡하고 변화무쌍한 생태계의 모습을 그려냈습니다. 분석 결과, 셰일 속의 유기물은 균일하지 않았으며 층마다 현저한 차이를 보였습니다. 어떤 층은 유기 탄소 함량이 매우 높았던 반면, 어떤 층은 매우 빈약했습니다. 화학적 징후들은 이 암석들에 보존된 생명체의 주요 출처가 두 가지, 즉 담수 조류와 육상 식물임을 나타냈습니다. 여러 샘-플에서 연구진은 제1형(Type I) 및 제2형(Type II) 케로젠의 강력한 존재를 발견했습니다. 쉽게 말해, 이는 유기물이 주로 산소가 거의 없는 환경에서 보존된 조류 및 기타 수생 생물에서 유래했음을 의미합니다. 산소가 부족한 물에서만 형성되는 광물인 황철석(pyrite)의 존재는 이 고대 호수의 바닥이 종종 정체되어 있었고 무산소 상태였음을 확인시켜 주었습니다.

하지만 이 이야기는 단순하고 고립된 호수에 관한 것이 아니었습니다. 화학 데이터는 수질이 끊임없이 요동쳤음을 시사했습니다. 어떤 층에서는 분자 표지자들이 육상 식물이 지배하는 순수한 담수 환경을 가리켰습니다. 또 다른 층에서는 담수와 염수가 혼합된 흔적이 나타났는데, 이는 호수가 주기적으로 바다의 침입을 받았음을 의미하며, 이는 해수면 상승과 남대서양의 개방과 관련된 지구조적 운동에 의해 발생했을 가능성이 큽니다. 이러한 사건들은 해수가 호수 분지로 밀고 들어와, 해양 어류와 기수(brackish water) 서식 생물이 담수 종들과 뒤섞일 수 있는 기수역의 라군(lagoon)과 같은 환경을 조성했을 것입니다. 프리스탄(pristane)과 피테인(phytane)의 관계와 같은 특정 분자의 화학적 비율은 연구팀이 이러한 온화하고 습한 시기와, 호수가 줄어들고 물이 농축되었던 더 건조하고 따뜻한 시기를 구분하는 데 도움을 주었습니다.

가장 흥미로운 발견 중 하나는 P05라고 명명된 특정 샘플에서 나왔습니다. 이 층은 조류 물질에 작용하는 박테리아에 의해 전형적으로 생성되는 중간 크기의 탄소 사슬이 지배적인 독특한 화학적 징후를 보여주었습니다. 이는 이 층이 퇴적될 당시의 환경이 특히 온화하고 습했으며, 다른 종류의 생물학적 처리가 일어날 수 있을 만큼 깊고 안정적인 수층을 가지고 있었음을 시사합니다. 대조적으로, 다른 층들은 폭풍이나 급격한 수위 변화와 같은 고에너지 사건의 흔적을 보였는데, 이는 유기물을 많이 씻어 내려가서 해당 샘플들에서 보이는 낮은 탄소 함량을 남겼을 가능성이 큽니다. 암석이 시간이 흐름에 따라 얼마나 많은 열을 받았는지를 측정하는 열적 성숙도 테스트는, 이 암석들이 지질학적 관점에서 여전히 상대적으로 젊으며, 이 분석에 필요한 섬세한 화학 구조를 보존할 수 있을 만큼 충분히 '익지' 않았음을 나타냈습니다.

연구는 모로 두 카베스 층이 교란되고 역동적인 고환경을 나타낸다고 결론짓습니다. 이곳은 정적인 호수가 아니라, 담수, 기수, 해양 조건 사이를 오가는 체계였습니다. 셰일은 주기적인 해수 침입이 호수를 라군으로 변화시켜 다양한 생명체가 번성하고 죽을 수 있었던 독특한 서식지를 만들었다는 역사를 기록하고 있습니다. 대륙성 유기물과 해양성 유기물의 공존, 그리고 변동하는 산소 수치의 화학적 증거는 이 지역이 대륙의 분열과 밀려오는 대양의 힘이 만나는 전이 지대였다는 생각을 뒷받침합니다. 이 이암들의 화학 성분을 읽어냄으로써, 연구진은 유명한 조개 층이 남긴 빈틈을 메우고, 고대 브라질의 이 구석을 형성했던 기후 변화, 지구조 활동, 그리고 담수와 염수 사이의 섬세한 균형에 대한 복잡한 역사를 밝혀냈습니다.