고생물학자이자 지질학자인 도널도 프로세로가 ‘진화의 산 증인, 화석 25’에 이어 쓴 책이다. 첫 번째 편인 '응회암; 불카누스의 분노 – 베수비오 화산의 분출‘에서 우리는 화산재(volcanic ash)와 부석(浮石; pumice)으로 이루어진 버섯구름(mushroom cloud)을 만드는 폭발형 분출을 (관찰자인) 대(大) 플리니우스의 이름을 따서 플리니형 분출이라 부른다는 사실을 알게 된다. 응회암이란 화산재가 굳어 만들어진 암석이다. 기원전 4000년경부터 구리가 채굴된 키프로스 이야기가 뒤를 잇는다. 구리의 원천은 키프로스 중부의 트로도스산맥의 오피올라이트(ophiolite)였다. 오피올라이트는 뱀을 의미하는 그리스어 오피스(ophis)에서 유래한 단어다.
대부분의 오피올라이트는 해저 용암에서 시작된다. 용암이 식으면 검은 색의 현무암이 되지만 변성이 일어나면 뱀가죽처럼 매끈하고 윤기 있는 사문암이라는 암석이 된다. 맨 위에는 해양 퇴적물이 있고 그 아래에는 물방울 또는 베개모양을 닮았다 하여 베개용암(pillow lava)이라 불리는 암석이 있다. 베개용암층 아래에는 굳은 용암으로 이루어진 거대한 수직 암벽인 판상 암맥(sheeted dike)이 있다. 이는 지각의 틈새로 상승하여 베개용암을 만들던 마그마가 그 틈새에서 그대로 굳어 수직의 얇은 판 모양의 판상 암맥을 만든 것이다. 베개용암과 판상 암맥의 아래에는 오래전에 식은 마그마 저장소인 층상 반려암(layered gabbro)이 있다. 층상 반려암의 화학적 조성과 구성 광물은 그 위에 놓인 현무암과 같다. 다만 용암으로 분출되지 않고서 마그마 저장소 안에서 천천히 식었기 때문에 현무암에 비해 결정이 훨씬 크다. 마지막으로 많은 오피올라이트 복합체의 바닥에는 감람암(peridotite)이라는 암석층이 있다. 이는 맨틀 상부에서 떨어져 나온 얇은 조각이다.
오피올라이트 복합체는 판구조론의 등장과 함께 설명되었다. 깊은 해저에서 형성된 암석이 육지에 올라온 것도 판구조론으로 설명할 수 있다. 오피올라이트는 석면, 니켈, 구리 등의 주요 공급원이다. 오피올라이트는 일반적으로 두 가지 지각 운동 환경에서 형성된다. 하나는 판이 갈라지고 마그마가 상승하여 새로운 암권을 형성하는 해양 산맥, 다른 하나는 해양 암권이 다른 판 아래로 밀려들어 화산 활동을 일으키는 섭입대다. 거의 모든 베개 용암은 현무암 성분이므로 일반적으로 베개 현무암이라 부른다.
저자는 1977년 우즈홀(Woods Hole) 해양연구소 과학자들이 거의 4800미터 깊이의 심해로 들어갈 수 있는 연구용 소형 잠수정인 앨빈호를 이용해 갈라파고스 제도 인근 중앙해령의 해저를 몇 시간씩 조사한 일을 소개한다. 그들이 발견한 것은 블랙스모커라 불리는 굴뚝이었다. 이는 지각 틈새로 스며든 차가운 바닷물이 마그마를 통과하면서 황화물을 풍부하게 함유한 뜨거운 물이 되어 상승할 때 만들어진다. 이 물에는 황철석뿐 아니라 황화구리, 황화아연, 황화납, 망가니즈, 은, 금 등의 광물이 들어 있다. 이 광물들은 원래 지각의 암석에 있던 것으로 지각 틈새로 스며든 초고온의 바닷물에 용해되었다가 차가운 바닷물과 만나면서 다시 결정화된 것이다. 열수분출공의 생태계는 세균을 기반으로 하는 화학합성 생태계다. 바닷물 속에 녹은 금속 종류에 따라 열수분출공이 내뿜는 뜨거운 물 가운데 검은 연기를 내뿜는 것은 블랙 스모커, 흰 연기를 내뿜는 것은 화이트 스모커라 한다. 흰색 바륨, 칼슘, 실리콘 퇴적물 등으로 구성된 굴뚝은 화이트 스모커다.
지구 화산의 대부분은 해저에 있다. 화산 폭발은 특정 지역에서만 발생하며 무작위로 발생하지 않는다. 이는 지구의 지각이 지각판이라고 불리는 여러 개의 판으로 나뉘어 있기 때문이다. 이 판들은 단단하지만 지구 내부의 더 뜨겁고 부드러운 층 위에 떠 있다. 판들이 움직이면서 서로 벌어지거나, 충돌하거나, 미끄러져 지나간다. 모든 활화산의 60%는 지각판 경계에서 발생한다. '주석석(朱錫石)'편에서 우리는 초고온의 지하수가 주위의 데본기 기반암에 스며들어 암석 속 희귀원소를 모두 긁어모으고 그렇게 형성된 물질이 후에 다시 침전되어 광물이 풍부한 암맥을 형성하게 되었다는 사실을 알게 된다.
'경사 부정합; 태초의 흔적과 지질학적 시간의 광대함'편에서 제임스 허턴(1726-1797)을 만난다. 그가 의학 공부를 한 것은 당시에는 화학이나 다른 자연과학을 공부할 수 있는 학문이 의학뿐이었기 때문이다. 허턴은 성경 속 노아의 홍수 같은 초자연적인 천재지변은 과학적 설명으로서 가치가 없다고 생각했다. 그런 현상은 과학 원리가 적용되지 않고 증거를 이용한 실험이나 조사의 대상이 될 수 없기 때문이다. 당시에는 침식이라는 파괴 과정의 중요성을 깨달은 학자는 많았지만 경관의 창조나 융기에 대해서는 그만큼 설득력 있는 설명이 나오지 않았다. 그 과정이 얼마나 오래 걸리는지에 대해 허턴이 가장 큰 통찰을 얻은 것은 오늘날 경사부정합이라 불리는 노두를 관찰하고서였다. 그에게 경사부정합은 지구의 나이가 어마어마하게 많다는 증거였다. 허턴은 퇴적암이 한때 모래와 진흙이었다고 주장했다. 육지에 있던 모래와 진흙이 강물을 따라 바다로 흘러간 다음 바다 밑바닥에 퇴적되어 단단한 암석으로 굳었다는 것이다. 다만 그는 암석이 굳는 과정이 열과 압력에 의해 일어난다고 주장했는데 현재 지질학에서는 물속에 녹아 있던 물질이 침전되면서 암석으로 교결되는 것으로 확인되었다.(66 페이지) 열과 압력은 암석이 녹는 데 필요한 것들이다.
중요하게 고려해야 할 것은 침식으로 인한 기록의 단절을 의미하는 부정합이다. 부정합이 있으면 그간의 시간을 나타내는 암석이 없다. 암석은 기록보다 공백이 더 많다. 상당히 많은 열을 공급하는 방사능은 지구 내부에서 측정할 수 있는 유일한 열원이다. 모든 암석이 물속에서 만들어졌다는 수성론은 화학이 발전하지 못했던 사정, 여행이 제한적이었던 사정에서 기인한 것이다. 변성암은 엄청난 열과 압력에 의해 변형되는 암석이다. 허턴은 화학에 대한 애정을 공유하던 조지프 블랙과 함께 열이 암석에 미치는 영향을 이해하기 위한 중요한 도구를 연구했다. 블랙은 숨은열의 존재와 가열된 물질에서 압력의 중요성을 알아냈다. 이를테면 높은 압력을 받는 물은 일반적인 조건에서라면 기화될 정도의 열을 가해도 액체 상태를 유지한다.
제임스 허턴의 제자 찰스 라이엘(1797- 1825)은 변호사가 되기 위해 법률을 공부했지만 곧 따분함을 느끼고 취미로 새로운 분야인 지질학 연구에 심취했다. 그는 동일과정설이 타당함을 압도적으로 증명했다. 동일과정설은 제임스 허턴에 의해 제창되었고 찰스 라이엘에 의해 널리 알려지게 되었다. 저자는 수성론자들이 백기를 들고 지질학이 현대과학이 되었다고 말한다. 하지만 지질학이 현대과학이 된 것은 대륙이동설과 판구조론 때문이 아닌가 싶다. 영국에서는 산업혁명이 싹튼 후 최초의 대규모 탄광이 개발되기 시작했다. 탄광에서는 어린아이들도 일을 했다. 몸집이 작아 유리한 면이 있었다. 광부는 폭발, 매몰, 화재 같은 갑작스러운 사고 외에 진폐증으로 일찍 죽었다. 장시간 노동이 일상이었다. 노동 시간 단축, 어린이 노동 금지 등이 노동조합의 힘겨운 노력에 의해 법제화되었다. 석탄 탐사는 산업혁명에서 경제적으로 대단히 중요했을뿐 아니라 지질학 연구의 토대가 되기도 했다.
오늘날에는 나무가 죽어서 물에 가라앉으면 흰개미와 다른 여러 분해자들이 빠르게 분해하지만 석탄기는 나무를 소화할 수 있는 곤충이 진화하기 전이었다. 그 때문에 엄청난 양의 식물이 썩어 없어지지 않은 채 석탄 늪에 고인 산성 진흙 아래로 가라앉아서 영원히 지각 속에 파묻혔다. 지각에 너무 많은 석탄이 축적되다 보니 광합성을 통해 대기 중에서 끌어들인 수 톤의 이산화탄소 속 탄소가 그대로 갇히게 되었다. 방사성 붕괴는 붕괴되는 모(母) 원자가 처음 결정 속에 갇힌 시간부터 측정되기에 기본적으로 마그마가 냉각되어 만들어지는 화성암에서 측정된다. 이런 화성암에 속하는 암석으로는 용암류, 화산재 퇴적층, 마그마의 관입으로 형성된 암맥 같은 것이 있다.
지질연대학자(방사성 연대 측정 전문가)는 되도록 가장 신선한 결정을 얻으려 한다. 모 원자나 딸 원자가 빠져나가거나 외부로부터 오염되면 붕괴 속도가 왜곡되기 때문이다. 1억±500만년이란 의미는 9500만년~1억 500만년 사이에 있을 확률이 95퍼센트라는 의미다. 방사능을 갖는 우라늄 238은 자연적으로 붕괴되어 납 207이 되고, 우라늄 235는 자연적으로 붕괴되어 납 206이 되고, 포타슘 40은 자연적으로 붕괴되어 아르곤 40이 된다. 붕괴 속도는 아주 느리다.
아서 홈스(1890-1965)를 기억할 필요가 있다. 지질연대학의 아버지 또는 지질연대표의 아버지로 불리는 인물이다. 홈스는 베개너의 대륙이동설을 전적으로 수용했다. 홈스는 바다 밑바닥이 멀어져야 한다고 가정했다. 이는 해저 확장의 증거가 발견된 1950년대 후반보다 수십 년 앞서는 발상이었다. 아서 홈스는 찬란한 업적을 남겼다. 1942년 영국 왕립학회 회원으로 선출되었고, 1940년 런던지질학회의 머치슨 메달을 받았고, 1946년 울러스턴 메달을 받았고, 1946년 미국 지질학회의 최고 영예인 펜로즈 메달을 받았고, 사망 1년전인 1964년 지질학의 노벨상이라는 베틀슨상(Vetlesen Prize)을 받았다.
2020년 수상자인 지구 물리학자 애니 카제나브(Anny Cazenave; 1944 - ), 2023년 수상자인 물리학자 데이비드 콜스테트(David Kohlstedt; 1943 - ) 등 지질학회의 노벨상이라는 베틀슨상(Vetlesen Prize) 수상자가 물리와 관련된 인물이다. 2008년 월터 알바레즈(Walter Alvarez; 1940 - ; ’이 모든 것을 만든 기막힌 우연들’의 저자)는 내가 책을 읽어 아는 유일한 인물이다. 1964년 아서 홈즈(Arthur Holmes; 1890 – 1965), 1978년 지구물리학자 투조 윌슨(John Tuzo Wilson; 1908 – 1993)도 아는 인물이다. 흥미롭게도 1966년 수상자인 얀 핸드릭 오르트(Jan Hendrik Oort; 1900 – 1992)는 천문학자이고, 1973년 수상자인 윌리엄 파울러(William Alfred Fowler; 1911 – 1995)는 천체물리학자이다. 파울러는 1983년 수브라흐마니안 찬드라세카르(Subrahmanyan Chandrasekhar; 1910 – 1995)와 노벨 물리학상을 수상하기도 했다.
9장에서는 콘드라이트 운석을 만난다. 이 운석은 태양계 형성 초기에 만들어져서 지구보다 더 오래된 특별한 운석이다. 이 운석을 이루는 물질은 태양계 성운이라고도 불리는 초기의 태양 먼지 구름이다. 별개의 핵과 맨틀을 가질 수 있을 정도로 충분히 커지지 못한 작은 행성의 잔해다. 초기 태양계의 진화를 엿볼 수 있는 귀중한 단서다. 멕시코 치와와의 아옌데 마을에 떨어진 운석은 탄소 함량이 상대적으로 높은 탄소질 콘드라이트로 전체의 5퍼센트 미만에 해당하는 귀한 운석이다. 탄소 함량이 높은 것은 태양으로부터 거리가 멀어서 탄소나 물 성분이 제거될 정도로 충분한 열을 받지 않았기 때문으로 추정된다. 지구 자기장이 생기기 전 다른 천체들이 엄청난 방사선을 맞고 있을 때 지구에서 아주 먼 곳에서 형성되었다.(아옌데 콘드라이트 운석에서 방사선에 손상된 작은 검은색 반점들이 발견된 것이다.)
아옌데 운석에서 방사성 원소인 알루미늄 26이 붕괴되어 만들어지는 희귀 동위원소인 마그네슘 26이 많이 발견되었다. 이로써 오랜 의문이 풀렸다. 초기 지구에 풍부했던 알루미늄 26이 붕괴하면서 지구를 몇 번이나 녹일 수 있는 열이 발생했음을 알게 한 것이다. 1969년 오스트레일리아 빅토리아의 머치슨 근처에 떨어진 운석에서는 여러 종의 아미노산이 발견되었다. 아미노산은 지구의 따뜻한 작은 연못에서만 만들어지는 것으로 알았기에 충격을 주었다. 철 - 니켈 운석은 아주 희귀하고 특별한 운석이다. 알려진 운석의 약 6%만이 이런 조성을 이루며 석질 운석인 콘드라이트가 훨씬 더 풍부하다. 철 - 니켈 운석을 하나 집어서 들어보면 깜짝 놀랄 정도의 묵직함을 느낄 수 있다.
이렇게 철 - 니켈 운석은 콘드라이트 같은 석질 운석보다 훨씬 더 치밀하기 때문에 철 - 니켈 운석의 질량은 알려진 모든 운석 질량의 90%를 차지한다. 이 운석은 문외한의 눈에도 독특하게 보이고 지표면에서 일어나는 풍화를 더 잘 견디며 대기를 통과하는 동안의 마찰로 인한 용융이나 증발도 더 잘 견디기 때문에 운석 수집품 중에서 유난히 눈에 띈다. 특정 소행성의 스펙트럼을 분석하면 철 - 니켈 운석과 조성이 같다는 것이 드러난다. 이런 지구화학적 증거를 통해서 우리는 철 - 니켈 운석이 원래는 원시 행성의 핵을 이루던 조각이라는 사실을 알 수 있다. 또 이 운석에는 마그네슘의 동위원소인 마그네슘 26이 모여 있다. 이 동위 원소는 원시 행성을 용융시키는 방사성 열원이었다.
밀도가 더 높은 물질은 핵에 가라앉고 행성의 분화가 일어나는 동안 맨틀에서 분리되었다. 이 정보는 지구의 핵에 대한 물리학적 증거와 일치한다. 우리는 지진학을 통해서 핵의 크기를 알아냈다. 지진학 자료의 중력 측정을 추가하면 핵의 밀도가 물보다 10에서 12배 더 크다는 것을 알 수 있다. 이 정도의 밀도는 엄청난 압력을 받는 아주 치밀한 금속에서만 나타날 수 있다. 지구가 자기장을 가진다는 건 핵이 철이나 니켈 같은 금속으로 이루어진 훌륭한 전도체임을 암시한다. 이런 운석들 덕분에 우리는 본래 태양계의 물질들 중에서 이 모든 특성(높은 밀도, 전기 전도성)을 공통적으로 지닌 물질이 철과 니켈뿐이라는 사실을 알아냈다. 지구 역시 철 – 니켈 핵을 가지고 있다는 것이 유일한 합리적 설명이다.
상업적으로는 다이아몬드가 더 귀중하지만 과학적으로 훨씬 더 많은 정보가 담긴 것은 지르콘이다. 지르콘은 실험실에서뿐 아니라 자연에서도 오래간다. 아주 심하게 풍화되어 전체의 약 99퍼센트가 석영인 모래에도 나머지 1퍼센트 중에는 여전히 소량의 지르콘이 있을 것이다. 태양계에서 가장 오래된 물질인 운석과 월석은 연대가 최소 45억 5000만 년인데 지구에서 가장 오래된 암석은 43억 2100만 년 이상 되지 않는다는 점에 주목하자. 왜 이런 차이가 날까? 해답은 판구조 운동, 물과 바람에 의해 일어나는 지구 표면의 극심한 풍화에서 찾을 수 있다. 지구 표면은 녹아서 맨틀 속으로 들어갔다가 다시 태어나는 판의 운동에 의해 끊임없이 재활용되고 재구성된다. 이와 달리 달 표면은 판구조운동이 없이 죽은 듯 있기 때문에 일부 원석의 연대는 처음 형성된 시기와 같은 45억 년이다.
지르콘 결정 내 산소동위원소 분석으로 초기 지구에 액체 상태의 물이 존재했다는 사실이 밝혀졌다. 산소 동위원소 비율을 토대로 한 컴퓨터 시뮬레이션 결과 지르콘이 형성될 때 뜨거운 용융상태의 암석이 담수와 바닷물이 섞인 물과 상호작용했을 가능성이 큰 것으로 분석됐다. 40억년 전 만들어진 지르콘 결정에 비정상적으로 가벼운 산소 동위원소가 존재하는데 이런 가벼운 산소 동위원소는 지하 수㎞ 아래에서 뜨거운 담수가 암수를 변화시킨 결과라는 것이다. 산소동위원소간의 비율 변화가 물 순환을 증거하는 것으로 보아야 한다.
저자는 초기 지구에 충돌한 혜성들이 녹아서 대양이 형성되었다는 생각은 버리자고 말하며 지구는 처음부터 물을 품은 채 탄생했고 냉각되어 응축될 때에는 이미 존재했을 것이라 덧붙인다. 최초의 바다가 만들어지기까지 필요한 것은 표면 온도가 섭씨 100도 아래로 떨어지는 것뿐이었다. 13장 ‘스트로마톨라이트; 시아노 박테리아와 가장 오래된 생명체’에서 저자는 지구는 생명 역사의 80퍼센트 이상에 걸쳐 더껑이(scum)의 행성이었다고 말한다. 더껑이는 액체 표면에 낀 더러운 찌꺼기나 막을 의미한다.
대형 광상의 대부분은 호상철광층(縞狀鐵鑛層; banded iron formation; BIF)이라고 알려진 퇴적층에서 나온다. 이런 암석에는 붉은 띠 모양의 철이 들어 있다. 물에 녹아 있는 철과 이산화규소로 이루어진 퇴적층은 어떻게 모래나 진흙과 섞이지 않고 바다 밑바닥에 쌓이게 되었을까? 오늘날에는 철이 바닷물에 용해될 수 없다. 철은 빠르게 산화되어 다양한 형태의 산화철(녹)을 형성하고 다른 광물에 달라붙거나 바닥에 가라앉는다. 엄청난 양의 철이 바닷속으로 운반되어 농축되기 위해서는 산소 함량이 매우 적어 철에 녹이 생기지 않아야 한다. 아주 오래전 철광층이 퇴적된 바닷속에는 산소가 전혀 없었을 것이다. 대부분의 지질학자는 대기 중에도 산소 농도가 매우 낮았을 것이라 생각한다.
BIF를 연구하는 지질학자들이 최근 알아낸 바에 따르면 가장 거대한 철 퇴적층 중 일부는 엄청난 규모의 현무암 분출로 거대 화성암 지대(Large Igneous Province; LIP)가 형성되었을 때에 나타났다. 26억년전~24억년전에 가장 규모가 큰 BIF들이 형성되었다. BIF는 대부분 사라졌지만 GIF(granular iron formation)라는 알갱이 형태의 철 퇴적층은 여전히 형성되고 있었다. 이들은 산소대폭발로 7억 5000만년~5억 8000만년전의 눈덩이 지구 기간에 나타난 몇몇 특이한 경우를 제외하고는 완전히 사라졌다. 물론 산소 농도는 오늘날의 농도인 21퍼센트 수준에는 이르지 못했다. 다만 대양에 녹아 있는 철이 녹슬기에는 충분했다.
산소 농도가 낮았다는 사실은 어떻게 알 수 있을까? BIF는 대양의 산소 농도가 낮아서 철이 녹으로 석출되지 않고 바닷물에 녹은 상태로 존재할 때에만 형성될 수 있다. 산소 농도가 아주 낮은 곳에서 형성되는 황화철(황철석; 가짜 금이라고 불리는)이 발견된 것이 증명한다. 황철석이 분해되면 철은 빠져나오고 황은 황산염으로 산화되어 석고 같은 광물을 만든다. 어느 정도 규모가 큰 석고 퇴적층은 연대가 18역년 이상인 경우가 드물고 그 시기 이후에 황철석 자갈이나 모래 알갱이가 없다.
오늘날 해저에서 분출하는 모든 용암은 현무암질 용암이다.(201 페이지) 석영은 화학적으로 활성이 없고 장석과 같은 쪼개짐도 없다. 기반암이 침식되면서 떨어져 나오는 석영 알갱이는 강물이나 시냇물에 휩쓸려 내려가면서 다른 단단한 알갱이에 부딪히거나 시달려도 끄덕없고 물에 용해되지도 않는다. 운반되어온 모래들은 재활용된다. 퇴적 분지에 파묻히고 사암으로 굳어진 뒤에 다시 융기되었다가 산이 침식되면서 다시 한 번 퇴적층을 형성한다. 이 과정이 반복될 때마다 사암 속에는 석영이 점점 더 풍부해지고 불안정한 모래 알갱이는 거의 다 사라진다.(202 페이지) 강물에 운반되어 마침내 저지대의 범람평야에 닿거나 바다로 들어가는 모래에는 대부분 석영이 풍부하며 다른 광물의 양은 아주 적다.
점이층리가 만들어졌다는 것은 모래와 진흙이 섞인 흙탕물이 가라앉았다는 의미다. 가장 큰 입자는 빨리 가라앉고 입자가 고운 진흙은 아주 천천히 가라앉아 굵은 입자와 가는 입자가 분리되는 것이다.(203 페이지) 저자는 지질학 연구 경력의 대부분을 사막과 황무지 등에서 보냈다고 한다. 지층이 그대로 드러난 곳이 화석을 찾기에 아주 적합한 곳이다.(211 페이지) 저자는 오스트레일리아에서 지질학을 하는 것은 축복이자 도전이라 말한다. 좋은 점은 대륙 대부분이 사막이나 덤불숲이어서 암석이 그대로 드러난 노두가 많다는 점이다. 나쁜 점은 대단히 큰 대륙지각의 안정 지괴여서 퇴적층이 매우 얇고 불연속적이라는 점이다.
16장 ‘다이어믹타이트; 열대의 빙하와 눈덩이 지구‘에서는 알베도 피드백 고리라는 말이 나온다. 눈덩이 상태의 지구가 녹기 시작한 것은 화산으로 설명이 제시되었다. 지구는 꽁꽁 얼어붙은 우주의 다른 행성들과 달리 활발한 구조 활동을 하는 지각판으로 이루어져서 수많은 화산이 활동하는 곳이다. 화산이 폭발하면 다량의 기체가 방출된다. 이산화탄소, 수증기, 메테인, 이산화황 같은 온실 기체가 특히 많이 나온다. 조 커슈빙크가 만든 눈덩이 지구라는 표현은 인상적이고 기억하기도 쉽다. 저자는 커슈빙크가 일주일만에 떠올린 생각은 대부분의 사람이 평생에 걸쳐 하는 생각들보다 더 대단하다고 말한다.
조 커슈빙크는 '지구의 삶과 죽음'을 쓴 피터 워드와 함께 '새로운 생명의 역사'를 쓴 인물이다. 커슈빙크는 만일 지구가 완전히 얼어 있었다면 호상 철광층이 생겼을 수도 있다고 지적했다. 얼어붙어서 움직임을 멈춘 대양은 산소가 줄어들고 탄산염이 포화 상태까지 녹으면서 산성도가 아주 높아질 것이다. 대양은 강이 완전히 얼어붙었기에 흘러들어오는 퇴적물이 없기 때문에 황산염 유입이 차단되어 저산소, 저황산염 상태인 산성 바다에 철이 풍부하게 녹을 것이다. 이런 조건에서는 37억년~17억년 전 사이에 그랬던 것처럼 철이 해저에 쌓일 수 있었을 것이다.
사라진 바다가 그 자리에 다시 생긴다는 발상은 그런 생각을 처음 떠올린 투조 윌슨의 이름을 따서 윌슨 주기라 부른다. 외래 암층(exotic terrane)은 다른 곳에서 유래한 것이 확실한 지각 물질로 이루어진 지괴(地塊)를 말한다. 거대한 지각 덩어리들이 지난 2억 5천만년 동안 인도네시아에서 브리티시컬럼비아까지 태평양을 건너왔다는 이야기를 지질학자들과 고생물학자들은 처음에는 받아들이지 않았다. 그러나 이제는 증거가 확실하다. 화석 증거뿐 아니라 판구조 운동의 증거까지도 알래스카, 브리티시컬럼비아, 북아메리카의 태평양 연안 대부분이 주요 단층선을 따라 지괴들이 들러붙어 형성되었음을 뒷받침해준다.(243 페이지) 마침내 이 지괴들이 정말로 적도 이남에서 왔고 오늘날의 인도네시아도 확실히 비슷한 위치에 있었다는 것이 고지자기 자료를 통해 확인되었다.
윌슨에 의하면 대서양 동물상과 태평양 동물상을 분할하는 찰스 둘리틀 월컷(Charles Doolittle Walcott; 1850 – 1927)의 경계선은 지금은 사라진 예전의 대서양에 의해 분리되었던 두 대륙 사이의 봉합선이었다. 오래전에 사라진 이 대양은 때로 원시 대서양이라 불렸으며 지금은 이아페투스해(海)라 불린다.(234 페이지) 대륙이 이동한다는 베게너의 생각은 맞았지만 오류도 있었다. 그는 대륙들이 지구 전체를 돌아다녔다고 주장했다. 지질학자들은 베개너의 생각이 맞다면 대륙이 해양지각 위를 지나갈 때 카펫처럼 우그러진 곳이 아주 넓게 생겨야 한다고 생각했다. 오늘날 우리는 해양지각이 다른 대륙 아래의 섭입대로 미끄러져 들어간다는 사실을 알고 있다.
베개너는 대륙이 어떻게 움직이는지 또는 무슨 힘으로 움직이는지 제대로 설명하지 못했다. 베개너가 계산한 대륙 이동 속도는 1년에 250센티미터였다. 대륙 이동 속도는 1년에 대략 2.5센티미터다. 유럽 지질학자로서 드물게 아서 홈스가 대륙이동설을 지지했다. 아프리카에서 연구를 진행한 덕이었다. 남반구에서 대륙이동설을 입증하는 사실들이 수집되었는데 당시는 브라질이나 남아프리카로 가는 원양 정기선이 매우 느리고 비쌌기에 그 지역까지 직접 가서 암석을 보고 온 지질학자는 아주 소수였다. 제2차 세계대전 전까지 심해에 관해 알려진 바는 거의 없었다. 심해는 잠수함전이 중요해짐에 따라 알려지게 되었다. 심해 퇴적물 코어가 중요하게 작용했다.
백악은 일반적으로 점토와 비슷하지만 점토보다 풍화와 붕괴를 잘 견딘다. 백악에는 틈새가 많아 다량의 지하수를 저장할 수 있다. 그래서 건조한 철에는 물을 서서히 방출하는 천연 저수지 역할을 한다. 한때는 진짜 백악이 분필로 쓰였지만 오늘날 분필은 석고 가루를 막대 형태로 압축한 것이다. 진짜 백악은 방해석으로 이루어져 있다. 저자는 과학에서 우연한 발견이 많음을 지적한다. 단순히 뭔가를 알아보고자 탐구하고 순수한 연구를 수행하는 것이 왜 중요한지 설명해주는 사례가 많다는 것이다.
월터 앨버레즈의 사례도 세렌디피티에 해당한다. 그는 이탈리아 아펜니노 산맥에서 암석 구조와 지층이 기울어지고 접힌 방식에 관심을 가지고 있었다. 공룡 멸종은 유카탄 반도에 대한 소행성 직격이 원인으로 지목되었다가 현재는 데칸 화산 폭발이 원인인 것으로 바뀐 상태다. 분명한 것은 충돌, 폭발, 해수위 하강이 같은 시기에 일어났다는 점이다. 세 사건이 모두 멸종의 원인으로 지목된다. 저자는 자연은 복잡하며 단순한 모형을 거부한다고 말한다. 월터 앨버레즈는 여러 원인의 복합적 작용을 지지한다.
시간의 흐름에 따른 지구 자기장의 뚜렷한 움직임뿐 아니라 오래된 암석의 자성에는 다른 놀라운 특성이 있다. 자기장의 방향이 이따금씩 뒤집히는 것이다. 마리 샤프(1920-2006)의 이름을 기억할 필요가 있다. 대양저 전체의 지도를 완성한 과학자다. 해구(海溝) 가운데 몇몇이 챌린저호라는 범선에 감지되기도 했다. 1950년대까지 해구(海溝)는 미스테리 자체였다. 가장 충격적인 결과 중 하나는 해구 아래의 중력이 극히 낮다는 점이다. 해구 아래의 아주 깊숙한 곳에는 무거운 맨틀 대신 밀도가 작은 지각 물질이 있어야 한다는 의미였다. 고압, 저온 상태에서 만들어지는 청색 편암(blueschist)을 기억할 필요도 있다.
저자의 책을 읽다 보면 지구과학은 판구조론이 있기 전과 후로 나뉜다는 사실을 알게 된다. 많은 부분이 판구조론에 의한 현상임을 알게 된다. 흥미로운 이야기는 석유회사들이 퇴적암에만 관심을 둔다는 점이다. 석유는 퇴적암에서 형성되어 퇴적암에 함유되어 있기 때문이다. 시칠리아와 이탈리아 본토 사이에 위치한 메시나 해협(Messina Strait)은 가장 좁은 지점의 폭이 3.1km다. 이 해협은 시칠리아를 통과하여 아프리카와 유럽 사이를 오가는 거의 모든 철새의 중요 이동 경로다.
대부분의 초기 지질학자들은 층을 이루는 모든 암석이 흔히 노아의 홍수라고 하는 대홍수의 작용으로 만들어졌다고 생각했다. 이런 생각은 암석이 멀리 옮겨지는 작용을 설명할 수 있었지만 자갈층을 완전히 쓸어버리지 않고 어떻게 그런 큰 바위만 골라서 움직이게 했는지와 같은 의문들에는 답을 내놓지 못했다. 게다가 그 바위들은 표면이 거칠고 모가 나 있다. 지질학자들은 이런 퇴적물이 홍수에 떠밀려 형성되었다고 하여 표이층(drift)이라고 했다. 홍적층(diluvium)은 홍수 퇴적층이란 의미다. 흐르는 물은 갑자기 에너지를 잃더라도 바위, 자갈, 모래, 진흙이 마구잡이로 뒤섞인 퇴적물을 내려놓지 않는다. 알갱이 크기 순서대로 자갈층과 모래층이 먼저 쌓이고 마지막으로 실트와 진흙으로 된 얇은 층이 덮인다.
빙하 바닥에 끌려가는 암석은 엄청난 얼음 무게에 짓눌린다. 이 때문에 강판의 톱니처럼 자국이 난다. 밀란코비치가 천문 주기와 빙하시대의 원인에 관한 문제를 천문학자나 수학자가 계산할 수 있는 수준에서 다루기는 했지만 지질학에서는 아직 그것을 뒷받침할 명확한 증거가 나오지 않았다. 밀란코비치가 지적한 세 가지 주ㅇ요한 기후 변동 요인은 이심률, 자전축 기울기(변화), 세차운동 등이다.
육상 기록은 침식으로 쉽게 사라지기 때문이다. 이 문제는 1970년대 심해 퇴적층 코어가 분석되면서 해결되었다. 육상의 불완전한 퇴적 기록과 달리 깊은 해저에는 해수면에서부터 거의 일정하게 고운 진흙과 플랑크톤 껍데기의 비가 내려 아무런 방해를 받지 않고 쌓인다. 전 세계 대양에는 200만-300만년에 거친 기후가 거의 연속적으로 기록된 코어가 아주 많다. 과학자들은 특정 온도에 민감한 플랑크톤을 이용해 특정 코어 속 대양의 온도 변화를 추적할 수 있다는 것을 알아냈다.
지질학사를 보면 획기적인 생각들은 대부분 처음에 극심한 반대, 조롱, 비난 등에 노출되었다는 점이 눈에 들어온다. 자료가 축적되면서 생각을 바꾸는 경우도 간혹 있다. 마음으로는 인정하지만 자존심, 당시까지의 연구가 아까워서 등의 이유로 인해 침묵하거나 무시하는 경우도 많은 것으로 알고 있다. 막스 플랑크는 과학은 장례식이 한 번 있을 때마다 발전한다는 말을 했다. 반면 저자가 '화석은 말한다'에서도 언급한 바 있는 마셜 케이는 일생의 연구가 퇴물이 되었다는 것을 알게 되자 60대에 들어선 나이에도 판구조론의 관점에서 자신의 연구를 돌아보기 시작했다.
나올만한 지질학의 이론들은 다 나온 것일까? 훌륭한 지질학자들도 제한된 경험, 한계에 봉착한 상상력, 자료 부족 등으로 인해 잘못된 선택을 한 사례는 참 많다. 내막을 아는 우리는 행복하다. 하지만 상세히, 구체적으로 알고 설명해야 할 것들이 많다. ’지구 격동의 이력서 암석 25‘를 강력 추전한다. 지구 과학이야말로 종합과학이고 흥미로운 학문이라는 생각을 하며 읽은 책이다. 물론 이해하는 것은 기꺼이 치러야 할 과제이고 앞으로 계속 그래야 한다. 본문에 퍼즐 맞추기, 큰 그림 보기 등의 말이 나온다. 지구과학 공부는 이리저리 퍼즐을 맞추어 자연이라는 큰 그림을 이해하는 수단이다. 이 책 다음에 어떤 지구 과학 책을 읽을 수 있을지, 어떤 지구과학 글을 써야 할지 깊이 생각해 보아야겠다.