지구 맨틀 하부 대부분을 차지하고 있는 광물의 결정구조

지구내부에 무척 풍부한 것으로 알려져 있지만 위치가 지표 밑 수천㎞ 부분이라 확인할 수 없었던 희귀 광물질의 실체가 공개돼 화제를 모으고 있다.

미국 과학 전문매체 라이브 사이언스닷컴은 캘리포니아공과대학·라스베이거스 네바다 대학 공동 연구진이 호주 퀸즐랜드에 떨어진 운석파편에서 자연 상태의 광물질 실리케이트 페로브스카이트(silicate perovskite)를 추출해내는데 성공했다고 16일(현지시간) 보도했다.

회티타늄석이라고도 불리는 실리케이트 페로브스카이트는 초전도성을 가지는 특수 광물질로 지구 내부에 무척 풍부한 것으로 알려져 있다. 하지만 그 위치가 지구 지표 밑 670~2,900㎞ 하부 맨틀이기에 실제 모습을 확인하는 것은 불가능에 가까웠다.

연구진은 지난 1879년 호주 서부 퀸즐랜드에 떨어진 생성연대가 45억년에 육박하는 운석조각을 분석하는 과정에서 이 광물질을 발견할 수 있었다. 연구진은 고해상도 전자현미경과 전자를 빛의 속도로 가속시키는 싱크로트론 X선 산란장치(synchrotron x-ray scattering)를 이용, 운석파편에서 자연 상태의 실리케이트 페로브스카이트를 추출할 수 있었다. 지구 내부에는 풍부하지만 너무 깊이 묻혀있어 발견할 수 없는 광물질을 정작 우주를 통해 발견한 셈이다.

지난 5년간의 심도 깊은 추출작업을 거친 끝에 형태가 드러난 실리케이트 페로브스카이트는 지난 2일 국제광물학협회(IMA) 산하 신종광물 명명 분류 위원회(CNMNC)에 의해 새로운 광물질로 등록됐다. 실리케이트 페로브스카이트의 정식 학명은 ‘브리지머나이트(bridgmanite)’로 정해졌는데 미국 지구물리학회(American Geophysical Union) 블로그에 따르면, 이 명칭은 지난 1946년 노벨상을 받은 미국 실험 물리학자 퍼시 윌리엄스 브리지먼의 이름에서 유래한다.

지구상에서 가장 보편적인 광물

19:00 27 November 2014 by Colin Barras, NewScientist

운석 광물: 퍼시 브리지먼은 자랑스러울 것이다.

과학적으로 이보다 더 통크게 칭찬할 방법은 없을 것이다. 우리는 아마 본 적이 없겠지만, 20세기 초반 물리학자로서 활발하게 활동했던 미국의 퍼시 브리지먼(Percy Bridgman)은 지구 행성 3분의 1을 자신의 이름으로 장식했다.

지구의 하부 맨틀(lower mantle)은 대부분 마그네슘 철 규산염(magnesium iron silicate)으로 구성되어 있는데, 패로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 갖는 광물 형태다. 하부 맨틀이 약 2,000 킬로미터 두께라고 하면 이 광물은 지구 전체 볼륨의 38%를 차지하는 것으로, 따라서 지구 행성의 가장 보편적인 광물이 된다.

그러나 지표상에서는 놀랄 만큼 희귀한 광물이다. 사실상 너무도 희귀하기 때문에 지질학자들은 천연 샘플을 발견하려고 분투해 왔는데, 천연 샘플로 설명할 수 없는 광물은 공식적으로 이름을 붙일 수 없다는 엄격한 규칙이 있기 때문이다.

라스베가스의 네바다 대학의 올리어 챠우너(Oliver Tschauner) 연구팀은 마침내 이 조건을 만족하는 샘플을 발견했고, 따라서 이 광물에 이름을 지을 수 있게 된 것인데, 그 이름은 브리지머나이트(bridgmanite)다.

그러나 챠우너와 그의 동료들이 발견한 브리지머나이트는 지구 내부에서 온 것이 아니다. 1879년 지구에 떨어져 묻혀 있던 호주의 운석에서 발견된 것이다. 텐함(Tenham) 운석은 태양계를 여행하는 동안 섭씨 2,000도의 온도와 24 기가파스칼의 압력을 거쳤다. 지구 내부 깊숙한 곳의 극한의 조건으로 브리지머나이트가 형성될 수 있다.

온도와 압력이 급격히 떨어지면서 브리지머나이트는 "얼어붙었고" 그리고 붕괴하게 되었다. 운석의 특정 영역에 40~200 나노미터 길이의 정자(晶子, crystallites)로 박혀 있다고 챠우너는 말한다.

이 광물을 브리지머나이트라 이름 지을 수 있는 것도 중요하지만, 그러나 광물의 천연 샘플을 갖는 것은 또 다른 이유로 중요하다. 화학적으로 분석되어 브리지머나이트 결정 구조가 될 미량원소(微量元素)를 밝혀낼 수 있다. 그러면 맨틀 깊은 곳의 움직임을 알 수 있는 모델을 세밀하게 다듬을 수 있다.

맨틀 깊숙이

지구 깊은 곳의 상태를 이해하는데 지질학자들과 물리학자들이 부실한 환원주의 방식에 너무 오랫동안 의존해 왔다고 챠우너는 말한다. 맨틀 깊은 곳에 대해 아는 것이 너무 적기 때문에 이론적인 모델로 보통은 추측해 왔을 따름이다. 마그네슘, 실리콘, 그리고 산소 등이 반드시 존재할 것이라 알고 있다.

예를 들어 올 초 캐나다 에드몬톤(Edmonton)의 앨버타(Alberta) 대학 그라함 피어슨(Graham Pearson) 연구팀은 또 다른 맨틀 광물인 링우다이트(ringwoodite) 샘플을 발견했는데, 맨틀 내부 깊은 곳에서 나온 다이아몬드 안에 있었다. 링우다이트 내부에 갇힌 소량 원소들은 지구 내부에 거대한 바다(ocean)가 있다는 좋은 증거를 제시했다. 실제 샘플이 없었다면 우리는 이 대양에 대해 알지 못했을 것이다.

피어슨은 운석 안에서 브리지머나이트의 샘플을 최초로 발견한 것은 중요하다고 말한다. 그러나 운석이 아닌 지구상의 광물에서 브리지머나이트의 천연 샘플을 찾는 것과는 다르다고 말한다. 운석 안에서 천연 상태의 링우다이트(ringwoodite)가 최초로 발견되었을 때와 같이, 당시에는 그걸로 지구 내부 깊숙이 있는 바라를 예측할 수는 없었다.

다시 말하자면 운석이 아닌 지구의 맨틀에서 나온 브리지머나이트 연구가 계속될 것이며, 그때 지구 내부에 대해서 어떤 비밀을 밝혀줄 지도 모른다.

퍼시 브리지먼은 누군가? 노벨상 수상자인 브리지먼은 종종 고압 실험의 대부로 불린다. 브리지먼 덕분에 지하 깊은 곳의 물질을 합성하고 연구할 수 있는 능력을 얻게 된 것이라고 템피(Tempe)의 애리조나 주립 대학 토마스 샤프(Thomas Sharp)는 말한다. 브리지먼이 광물 물리학을 가능하게 만들었다고 한다.

Journal reference: Science, DOI: 10.1126/science.1259369

[출처] 지구상에서 가장 보편적인 광물|작성자 HANS
http://blog.naver.com/hansyoo/220195867153