산소 오염의 물증, 줄무늬철광상

줄무늬철광상은 27억 년 전 무렵 지구에서 광합성반응이 활발해지고, 대기와 해양에 그 반응 생성물인 산소가 늘어난 것을 설명해 주는 중요한 물증이다. 줄무늬철광상은 철분이 풍부한 광물로 이루어진 층과 규산(이산화규소)으로 된 층이 규칙적으로 순환하는 지층이다. 철이 풍부한 광물에는 자철석이나 적철석 같은 산화철 광물 외에 탄산염 광물, 황화물, 규산염 광물 등이 포함되기도 한다. 현재 알려진 줄무늬철광상 가운데 가장 오래된 것은 그린란드 서부의 이수아지역의 것이 있으며, 그 형성 연대는 약 38억 년 전이다. 줄무늬 철광상은 27억 년 전 무렵부터 대규모로 형성되었지만, 19억 년 전 이후에는 거의 형성되지 않았다. 그림 5-11에 줄무늬철광상의 형성 연대 분포가 나타나 있다. 

 

 

 

 

 

 

클라우드는 줄무늬철광상을 구성하는 산화철 광물은 바닷물 속에 녹아든 2가의 철 이온과 시아노박테리아의 광합성 반응으로 생긴 산소가 결합하여 침전한 것이라고 했다. 줄무늬철광상이 19억 년 전 이후에는 형성되지 않은 것은 이 시기 이후에 바닷물이 산화해서, 물에 녹기 쉬운 2가 철 이온이 바닷물 속에서 더 이상 안정적으로 존재할 수 없게 되었기 때문이라고 생각했다. 흥미롭게도 바다에서 줄무늬철광상이 형성되지 않게 되기 조금 전인 22억 년 전 이후에 땅 위에서 퇴적한 사암층은 불그스름한 색을 띠고 있으며, 모래알갱이의 표면은 산화철 광물로 덮여 있다. 이는 22억 년 전 무렵부터 대기가 산화하기 시작했음을 시사한다. 이러한 줄무늬철광상의 형성 연대와 적색 사암의 연대 분포를 토대로 대기와 해양의 산화, 환원 상태의 변천을 나타내는 모델이 나왔다. 

 

 

 

 

 

 

제1단계는 시아노박테리아의 활동이 없기 때문에 대기도 해양도 환원적이었다. 제2단계가 되자 시아노박테리아의 광합성에 의해 표층 해수와 대기가 산화성을 띠었으며, 제3단계가 되면 대기도 해양도 모두 산화성을 띠었다. 제1단계는 해양에서 줄무늬철광상이 형성되지만 땅 위에서는 적색 사암이 형성되지 않는 시대, 제2단계는 해양의 줄무늬철광상과 땅 위의 적색사암이 함께 형성되는 시대, 제3단계는 땅 위에서 적색사암이 형성되지만 해양에서는 줄무늬철광상이 형성되지 않는 시대이다. 이러한 구분과 지질 기록을 비교하면, 제2단계는 22억 년 전에서 19억 년 전 무렵에 대응함을 알 수 있다. 그림 5-13은 이런 모델을 퇴적암의 화학 조성 등을 바탕으로 열역학적 계산 등을 통해 대기 중 산소 농도의 변천을 복원한 것이다. 이 그림을 보면 19억 년 전 무렵에는 대기 중 산소 농도가 현재 값의 10퍼센트 정도에 불과했음을 알 수 있다. 최근에 황 동위원소비를 이용해 얻은 데이터는 대기 중 산소 농도가 23억 년 전 무렵에 증가했다는 모델과 들어맞는다. 시아노박테리아가 번식하여 24억 년 전 무렵부터 산소가 급격히 늘어나기 시작했으며, 그 결과 바닷물 속에서 대규모의 줄무늬철광상이 형성되었다. 그러나 줄무늬철광상의 형성 연대를 보면 큰 문제가 남아 있다. 시아노박테리아가 광합성을 하기 전에도 줄무늬철광상이 형성된 것이다. 만약 줄무늬철광상이 모두 광합성으로 만들어진 '산소'와 바닷물 속에 녹아 있던 '철'이 결합해 형성된 것이라면 38억 년 전부터 산소가 풍부하게 있었던 셈이다. 실제로 그렇게 주장하는 지질학자도 없지 않다. 그러나 여기서 다시 한 번 줄무늬철광상이 형성되는 원인을 생각해 볼 필요가 있다. 선캄브리아대의 지질학적 연구로 줄무늬철광상은 크게 두 가지 형으로 나눈다. 하나는 슈피리어형이며, 다른 하나는 알고마형이다. 슈피리어형은 북아메리카 슈피리어 호 북부에 널리 분포하는 건플린트 줄무늬철광상, 남아프리카의 쿠루만 줄무늬철광상, 웨스턴오스트레일리아의 해머즐리 줄무늬철광상 등과 같이 대륙붕 비탈면에 널리 형성된 두꺼운 줄무늬철광상을 포함한다. 이들은 대륙붕에 형성된 것이 특징이다. 

 

 

그리고 가까이에 철을 공급하는 화산활동이 없고 철분은 멀리 떨어진 공급원에서 바닷물에 녹아들어 대륙 연안부에서 번식한 스트로마톨라이트에서 나온 산소와 결합해 침전했다. 그리고 알고마형은 시생대의 그린스톤 벨트에 특징적으로 낀 줄무늬철광상이다. 그린스톤 벨트의 줄무늬철광상은 화산암이나 쇄설암에 낀 것이며 규모는 슈피리어형보다 작다. 줄무늬철광상의 형성 과정에 대해서는 앞서 서술한 것처럼 바닷물 속에 녹아있던 2가의 철 이온과 광합성의 부산물인 산소가 결합해 형성되었다는 슈피리어형 광상의 형성을 설명하는 모델이 있다. 이 모델은 시아노박테리아가 출현하여 활발하게 광합성반응을 했던 시대에 형성된 줄무늬철광상을 설명하는 데는 아무런 문제가 없다. 그러나 그 이전에 형성된 알고마형 줄무늬철광상은 어떻게 형성된 것일까? 이런 줄무늬철광상은 철 광물이 탄산염암으로 침전하고 퇴적한 후에 속성작용으로 산화철 광물로 변화했다고 생각하면 어떨까? 실제로 이런 설은 1960년대에 제기되었다. 이 가설에 대응하는 흥미로운 줄무늬철광상이 캐나다의 옐로나이프 그린스톤 벨트에 있다. 이 철광상에는 수 밀리미터에서 수 센티미터 두께에 이르는 지층이 규칙적으로 겹쳐 있어, 줄무늬 모양과 지층 사이의 화학 조성의 관계가 주목을 끌었다. 그림 5-15는 일본 나고야 대학의 가쓰타 나가요시 박사가 분석한 데이터이다. 이 줄무늬철광상에는 철과 이산화규소 외에도 칼슘과 망간이 규칙적으로 함유되어 있다. 칼슘이나 망간은 탄산염 광물로서 형성되는 경우가 많으므로, 철도 당초에는 탄산염 광물로서 침전했을 가능성이 있지 않을까?