시생대의 지각과 천이

시생대의 지각은 크게 그린스톤 벨트와 화강암, 편마암 지역으로 나뉜다. 그린스톤 벨트는 변성도가 낮은 현무암이나 퇴적암으로 이루어져 있어, 시생대의 지구 표층 환경 탐구의 최적지로서 주목받고 있다. 선캄브리아대는 시생대와 원생대로 나뉘며, 그 경계는 25억 년 전이다. 시생대의 지각은 크게 석영섬록암질의 화강암이나 편마암이 널리 노출된 화강암 편마암 지역과, 그린스톤 벨트라는 변성도가 낮은 현무암이나 퇴적암이 띠 모양으로 배열돼 있고 그 주변에 화강암이나 편마암이 분포하는 지역으로 나뉜다. 한편 원생대가 되면 대륙지각이 발달해 안정된 대륙 주변에서 퇴적한 셰일(혈암)이나 탄산염암으로 이루어지는 지층이 형성된다. 이는 세계 각지에서 공통적으로 확인할 수 있는 모습이지만, 두 시대를 특징짓는 지층의 변화가 일어난 시기는 지역마다 다르다. 이것은 매우 골치 아픈 상황으로서 선캄브리아대의 지질시대를 구분하는 데 커다란 문제가 되었다. 현생누대와 같이 지층을 대비하는 화석 등의 정보가 부족하므로, 타협의 산물로서 '25억 년'이라는 연대측정값이 편의상의 시대 구분으로 이야기된 것이다. 시생대의 그린스톤 벨트에는 현무암보다 규산 함유량이 적은 코마티아이트라는 화산암이 함유돼 있다. 코마티아이트질 마그마는 현무암질 마그마보다 산화마그네슘의 비율이 높고, 지표에 노출되면 급랭하여 거대한 감람석의 바늘 모양 반정이 생긴다. 이 결정은 오스트레일리아 사막 지대에 번식하는 스피니펙스라는 풀과 비슷하다고 하여 스피니펙스 조직이라고도 한다. 코마티아이트질 마그마의 활동은 원시지구의 맨틀이 현재보다 온도가 높았다는 증거이다. 그린스톤 벨트에 들어 있는 퇴적암은 잡사암이라는 도태가 잘 안 되는 사암, 화산암을 따라 퇴적한 처트와 줄무늬철광상 등이다. 화산암에 수반 되는 줄무늬철광상은 알고마형이라 하며, 원생대 초기에 대륙붕에서 대규모로 형성된 슈피리어형 광상보다 규모가 작다. 또한 그린스톤 벨트에는 탄산염암의 퇴적도 별로 보이지 않는다. 이러한 특징은 그린스톤 벨트가 현재의 일본과 같은 호상열도와 마찬가지의 지질구조적 환경에서 형성되었음을 시사한다. 실제로 그린스톤 벨트에는 산성의 화산암류도 있으며, 화강암의 관입 등도 호상열도형 지각 발달 과정과 유사할 것으로 생각해왔다. 한편 변성도가 높은 지역에는 화강암이나 편마암이 널리 노출되어 있으며, 그들은 후기 시대의 화강암류와 달리 나트륨을 많이 함유하고 있는 것이 특징이다. 화강암류는 나트륨, 칼슘, 칼륨의 함유량에 따라 분류되며 이러한 분류에 따라 시생대의 화강암이나 편마암은 석영섬록암, 영운섬록암, 화강섬록암 등의 암석 이름으로 기술된다. 시생대의 화강암이나 편마암은 이들 암석의 영어명 머리글자를 따서 T TG화강암이라 하기도 한다. 변성도가 높은 지역에 분포하는 편마암류는 그린스톤 벨트를 구성하는 화산암이나 퇴적암이 지하 깊이 매몰돼 열과 압력이 가해져 생긴 것으로 보인다. 이러한 그린스톤 벨트나 편마암으로 이루어진 지각에, 지각 심부에서 발생한 화강암질 마그마가 관입하여 시생대의 지각이 안정됐다. 시생대의 지각에서 화강암의 활동은 38억 년에서 37억 년 전, 32억 년에서 31억 년 전, 27억 년에서 26억 년 전 무렵에 집중되어 있으나, 대규모의 화강암 활동은 27억 년에서 26억 년 전에 볼 수 있다. 이는 이 시기에 대륙지각이 안정돼 원생대의 지각으로 바뀌었음을 시사한다. 시생대나 원생대 초기에 안정된 대륙은 안정지괴라 하며, 이러한 지역은 그 후의 새로운 지각변동이나 변성작용을 받지 않고 현재에 이르고 있다. 이것은 후기 시대에 형성된 지각이 지각변동을 거듭하며 습곡을 형성하거나 새로운 마그마가 관입하는 상황과 전혀 다르다. 왜 시생대에 안정된 대륙이 열적 혹은 지질구조적 활동이 적은 지역이 되었는지도 지각의 형성 과정과 관련된 의문점으로 남아 있다. 그 후 이수아 지역에서 상세한 지질조사가 이루어졌다. 줄무늬 모양의 철광상, 탄산염암, 역암층 등의 지층이 퇴적되어 있어 원시지구의 표층 환경이 어땠는지를 알아볼 수 있는 절호의 조사 지역이었다. 줄무늬 모양의 철광상이나 탄산염암이 퇴적되어 있어 원시지구의 표층 환경이 어땠는지를 알아볼 수 있는 절호의 조사 지역이었다. 줄무늬 모양의 철광상이나 탄산염암이 퇴적되어 있는 것은 당시 이미 바다가 존재했음을 말해 준다. 그리고 역암층이 퇴적되어 있는 것은 조약돌이 대륙에서 운반돼 왔음을 뜻하여, 당시에 이미 대륙과 해양이 구별되어 있었음을 시사한다. 나아가 베개용암이 발견돼 바닷물 속으로 현무암질 마그마가 흘러나온 결정적인 증거를 찾을 수 있었다. 당시 바다가 있었다면 그 이전에 이미 생명이 발생했을까? 가장 오래된 생명화석과 미생물의 세포 같은 것이 화석과 비슷한 형태로 발견되었다. 그러나 이들을 생명 세포의 화석이라 단정할 수 없었기 때문에 연구가 중단되었다. 한편 생명 활동의 흔적을 찾기 위해 탄소 동위원소비 측정이 이루어졌다. 자연계에는 질량수 12와 13인 탄소 동위원소가 존재한다. 그들의 존재비는 물질마다 다른 값을 띠며, 그러한 차이는 동위원소 분별이라는 원자의 질량수에 따른 화학 변화로 생긴다는 사실도 밝혀졌다. 생명 활동으로 만들어지는 유기물은 이러한 동위원소 분별에서 가까운 탄소 C를 선택적으로 사용하기 때문에, 무기물질 속의 탄소에 비해 가벼운 동위원소의 존재비가 늘어나게 된다. 만약 이수아 지역의 흑연이 유기물에서 기원한 것이라면, 가벼운 동위원소의 존재비를 띨 것이다. 이러한 생각을 바탕으로 하여, 1970년대에 이수아에서 채집한 탄산염암이나 흑연의 탄소 동위원소비를 측정했다. 측정 결과는 흑연이 무기물에서 기원했을 경우와 유기물에서 기원했을 경우의 중간 값이었으나, 변성 작용을 받는 과정에서 동위원소비가 변화했을 것으로 해석해 생물의 기원으로 보았다. 그러나 무기적인 과정에서도 이수아 지역의 흑연에서와 같은 값이 나오기 때문에 이러한 해석에 반대하는 견해가 나왔다. 1990년대에 들어서자, 그때까지 분석하기 어려웠던 미소 흑연도 레이저를 사용한 새로운 분석법으로 측정할 수 있게 되었다. 이러한 분석 결과 이수아 지역에서 채집한 흑연을 생명 활동의 흔적으로 인정할 수 있다는 견해가 제시되었다.