지질학

한국 해양 과학 기술원의 극지연구소는 중국 고비 사막 인근 해발 5,356 m의 치례산에서 빙하 코어를 시추하였다. 드릴로 수백m까지 수직으로 구멍을 뚫어 지름 10cm 정도의 빙하 코어를 시추한 것이다. 빙하는 내린 눈이 녹지 않고 차곡차곡 쌓여 그 압력에 의해 만들어진 얼음덩어리로 눈 사이에 있던 공기까지 그대로 담고 있다. 따라서 빙하 코어는 수만~수십만 년 전의 대기가 시간 순서대로 얼음 속에 갇힌 냉동 타임캡슐인 셈이다. 빙하 속에 갇힌 대기를 분석하면 과거 기온 변화를 예측할 수 있으며, 이산화 탄소나 메테인 등 온실가스의 함량 변화도 추정할 수 있다. 극지연구소는 남극에서 100만 년 전에 형성된 빙하 코어를 시추할 계획도 갖고 있다. 수천m의 빙하가 한 번도 녹지 않고 고스란히 간직된 남극의 빙하는 지구 상에있는 담수의 70%를 보유한 얼음덩어리로 과거 100만 년 전에 내린 눈까지 녹지 않고 있다. 따라서 남극의 빙하를 연구하면 100만 년 전 과거의 기후를 알 수 있게 된다. 인류의 역사는 사용한 도구를 기준으로 석기 시대, 청동기 시대, 철기 시대로 구분한다. 또한, 삼국 시대, 고려 시대, 조선 시대와 같이 왕조의 흥망성쇠를 기준으로 구분하기도 한다. 이러한 시대의 구분은 인류가 사용한 유물이나 옛 기록을 기준으로 한다. 가장 넓은 의미의 지질 시대는 지구의 탄생에서 현재까지의 기간인 약 46억 년으로 수천 년 정도인 인류의 역사와 비교하면 매우 긴 시간이다. 따라서 인류의 역사를 구분하는 것과 같은 기준으로 지구의 역사를 구분하는 것은 불가능하다. 지질 시대는 지구가 오랜 세월 동안 받은 환경 변화와 관련한 몇 가지 지표를 이용하여 구분한다. 지질 시대를 구분하는 가장 보편적인 기준은 대규모로 나타나는 생물의 번성과 멸종이다. 생물의 번성과 멸종은 지층에서 발견되는 화석을 통해 알 수 있다. 화석에는 지층의 생성 시기를 결정하고 지층 대비에 이용되는 표준 화석과 화석이 만들어질 당시의 환경을 잘 알려주는 시상 화석이 있다. 이러한 화석으로 지질 시대를 구분할 수 있으며, 당시 일어났던 환경 변화를 추정할 수 있다. 과거 지구에서는 살고 있던 생물종의 절반 이상이 동시에 자취를 감추는 대규모의 멸종이 여러 번 발생하였다. 이와 같은 생물의 대멸종은 지구의 환경이 끊임없이 변해 왔음을 알려준다.생명체가 나타나기 전 지구의 역사는 암석을 통해 알 수 있다. 암석에는 지구의 변화 과정이 기록되어 있어 처음에는 지질 시대를 상대적으로 구분하는 데 이용되어 왔다. 그러나 절대 연령 측정을 통해 비교적 정확한 시기를 알 수 있게 되면서 지질 시대를 구분하는 기준으로 이용하고 있다. 한편, 부정합 형성과 같은대규모 지각 변동을 통해서도 지질 시대의 단절이 있다는 것을 알 수 있다. 지층에서 비교적 화석이 풍부하게 발견된 시기는 지금으로부터 약 5.41억 년 전 이후 이다. 지질 시대는 시생 누대, 원생 누대와 현생 누대로 구분하는데 시생 누대와 원생 누대를 합하여 선캄브리아 시대라고도 한다. 현생 누대는 다시 고생대, 중생대, 신생대로 세분되고, 대는 다시 기라고 하는 더 작은 몇 개의 지질 시간 단위로 나누어진다. 누대는 지질 시대를 구분하는 가장 큰 단위이다. 선캄브리아 시대에는 발견되는 생물 화석이 매우 적어 당시의 환경을 알기가 어렵다. 특히 지구 탄생 후부터 약 40억 년 전까지의 지구 역사는 거의 알려져 있지 않다. 선캄브리아 시대는 전체 지질 시대의 약 88% 정도를 차지한다. 대는 생명체들의 전 지구적인 큰 변화에 의해 정해진 시간의 단위이다. 고생대, 중생대, 신생대는 각각 오래된 생명체, 중간 시기의 생명체, 새로운 생명체의 시대라는 의미가 있다. 대와 비교해서 생명체들의 변화가 비교적 작은 기간을 기로 구분한다. 고생대의 가장 하부에 있는 기가 캄브리아기이므로 현생 누대 이전의 시대를 선캄브리아 시대라고 한다. 인류가 지구 상에 나타난 시기는 가장 최근의 기에 해당하는 신생대 제 4기 이후이다. 공룡은 현재 지구 상에 존재하는 생물과는 매우 다른 특징을 갖고 있어 화석이 아니었다면 그 존재를 알 수 없었을 것이다. 이처럼 지질 시대 동안에는 시대의 변화에 따라 현재와는 전혀 다른 생물들이 생겨났다가 사라지기도 한다. 지구 환경은 시간에 따라 끊임없이 변해 왔고 생물들 역시 이에 적응하여 진화해 왔다. 특히 생물의 분포는 기후의 영향을 많이 받는다. 식물의 경우 기후 변화에 민감하여 많은 종류의 식물들은 특정한 환경에서만 서식한다. 또한, 동물도 식물의 서식과 밀접하게 연관되어 있고 환경 변화의 영향을 받는다. 따라서 식물과 동물의 화석을 조사하면 과거 이들이 살았던 시기의 환경과 기후에 관한 정보를 얻을 수 있다. 과거 지구 환경을 볼 수는 없지만, 과거의 기후를 연구하여 그당시의 특징을 알 수 있는 것이다. 지구의 과거를 알기 위해 이용하는 고기후의 연구 방법에는 어떤 것이 있을까? 과거 지질 시대의 기후를 알기 위해서는 화석이나 퇴적물 등을 조사하는 방법이 가장 널리 이용된다. 이것은 암석에 남아 있는 기록이 가장 오랫동안 보존되기 때문이다. 이 밖에도 동굴에서 볼 수 있는 석순이나 빙하 시추로 얻은 빙하 코어에 들어있는 산소 안정 동위 원소를 이용해서도 고기후의 정보를 얻을 수 있다. 이렇게 얻은 자료를 분석하여 과거 지구의 기후가 어떻게 변해 왔는지를 알수 있다. 기후는 생물의 생존 여부에 큰 영향을 미치는 요인이다. 따라서 고기후 자료를 통해 지질 시대에 따라 어떤 생물이 번성했는지를 알 수 있게 되었고, 각 시대의 특징을 이해할 수 있는 자료로 활용하고 있다. 고생대 캄브리아기 이전까지의 시대를 선캄브리아 시대라고도 부르며, 화석으로는 스트로마톨라이트와 에디아카라 동물군 등이 있다. 이 시대는 오랫동안 여러 차례의 지각 변동을 받았기 때문에 환경을 알아내기가 쉽지 않지만, 원생 누대에 생성된 두꺼운 석회암층과 철광층은 기후가 대체로 온난했음을 알려준다. 그리고 오랫동안 한랭한 기후가 지역적으로 수 차례 발달한 흔적이 빙하 퇴적물에 남아 있다. 고생대에는 딱딱한 껍질을 가진 생물들이 폭발적으로 증가하였다. 얕은 바다가 넓게 발달하여 바다 생물이 크게 번성하였고 해수면의변동이 잦았으며 생물종의 다양성도 많이 증가하였다. 그 결과 고생대 전기에는 삼엽충, 필석류 등의 다양한 해양 무척추동물이 번성하였다. 또한, 약 4억 5천만 년 전쯤 대기권에 산소가 많아지면서 오존층이 형성되어 식물과 동물이 육상에 진출할 수 있는 환경이 갖추어졌다. 고생대 중기에 접어들어 갑주어, 폐어 등과 같은 초기 어류가 등장하여 번성했으며, 고생대 후기에는 곤충류와 양서류가 크게 번성하였다. 특히 석탄기에는 기온이 높고 습해서 늪지대를 중심으로 삼림이 발달했는데, 식물들의 광합성으로 대기 중의 산소 농도가 크게 증가하여 대형 곤충들이 번성할 수 있었던 것으로 추정된다. 대륙의 분포를 살펴보면 고생대 초기에 로디니아에서 분리된 대륙 중 일부는 곤드와나 대륙을 형성하여 남쪽으로 이동하고, 나머지 대륙들은 적도 근처에 분포했다. 고생대 후기에 곤드와나 대륙이 분리되어 북쪽으로 이동하여 판게아를 형성하였고, 이때 애팔래치아산맥, 우랄산맥과 같은 큰 규모의 산맥이 형성되었다. 그 결과 얕은 바다가 줄어들어 바다 생물들이 서식처를 잃었으며, 화산 활동 등의 원인으로 대규모 기후 변화도 일어나 삼엽충, 방추충 등 고생대를 대표하는 동물 대다수가 멸종하였다. 또한, 식물계는 양치식물이 급격하게 쇠퇴하고 겉씨 식물이 나타나기 시작하였다. 중생대 트라이아스기를 지나 쥐라기에 이르러서 판게아가 서서히 분리되기 시작하였다. 따라서 해저 확장으로 막대한 양의 마그마가 분출되었고, 대륙에서는 화산 활동이 활발해지면서 대기 중 이산화 탄소의 농도가 증가하였다. 그 결과 중생대는 매우 따뜻하고 다소 건조한 기후가 되었을 것으로 해석된다. 육상에서는 생물들이 건조한 기후에 적응하면서 변화했는데, 동물 중에서는 파충류가 건조한 중생대 환경에 빨리 적응하였다. 특히 공룡, 익룡, 장경룡 등의 거대한 파충류는 중생대를 대표하는 특징적인 동물이다. 또한, 바다에는 암모나이트와 같은 두족류가 번성하여 중생대의 대표적인 표준 화석이 되었다. 식물 중에는 소나무, 은행류 등의 겉씨식물이 주를 이루었다. 중생대가 끝날 무렵에는 공룡을 포함한 파충류와 암모나이트를 비롯한 많은 수의 생물종이 멸종하게 되었는데, 운석 충돌을 가장 유력한 멸종 원인으로 보고 있다. 신생대는 공룡이 멸종한 약 6천5백만 년 전에서부터현재까지의 기간을 말한다. 신생대의 생물계는 현재와 매우 유사하다. 속씨식물이 번성하여 새로운 식량 자원을 얻게 된 동물들은 다양하게 진화하였다. 특히 매머드나 말과 같은 포유류가 많이 살면서 포유류의 시대를 열었고 조류도 크게 번성하였다. 그 외에 대형 유공충인 화폐석이 크게 번성하였다. 화폐석은 신생대의 대표적인 표준 화석으로 이용된다. 신생대 후기에는 인류의 조상이 처음으로 출현하였다. 신생대에도 대륙의 분리와 이동은 계속되었는데, 아프리카 대륙과 인도 대륙이 북쪽으로 이동하여 유라시아 대륙과 충돌하면서 알프스산맥과 히말라야산맥 등을 형성하였다. 또한, 대서양과 인도양이 확장되고 태평양이 좁아지면서 해양과 육지의 형태가 현재와 점점 유사해졌다. 신생대 초기의 지구는 기온이 매우 높았으나 차츰 현재와 비슷한 수준으로 기온이 내려갔고, 제4기에는 큰 빙하기가 네 번이나 찾아왔다.