이리듐 층

이리듐 층의 발견은 대멸종의 원인을 찾기 위한 탐구가 아니라, 얇은 점토층의 퇴적 속도를 측정하려는 시도에서 비롯되었다. 1970년대 후반, 캘리포니아대학교 버클리의 지질학자 월터 앨버레즈는 이탈리아 구비오 인근 도로 절개면에 노출된 원양 석회암 층서를 연구하고 있었다. 백색의 백악기 석회암과 상위의 분홍색 제3기(팔레오세) 석회암 사이에는 고생물학적 경계 정확히 그 위치에 약 1cm 두께의 갈적색 점토층이 끼어 있었다. 이 점토층이 얼마나 오랜 시간에 걸쳐 퇴적되었는지 파악하기 위해, 월터는 노벨 물리학상 수상자인 아버지 루이스 W. 앨버레즈에게 자문을 구했다. 루이스는 점토 속 이리듐 농도를 측정할 것을 제안했다. 우주먼지가 비교적 일정한 속도로 지구에 유입되며 이리듐이 지각 암석에 비해 풍부하기 때문에, 이리듐 함량이 퇴적 속도의 시간 척도 역할을 할 수 있다는 논리였다.

로런스 버클리 연구소(LBL)의 핵화학자 프랭크 아사로와 헬런 V. 미셸이 중성자 방사화 분석(INAA)을 수행했다. 예상했던 미량의 우주먼지 축적량 대신, 경계 점토에서 약 9.1 ppb의 이리듐이 검출되었다—주변 석회암 배경 농도의 약 30배에 달하는 수치였다. 이는 미세운석 먼지의 느린 축적으로는 도저히 설명할 수 없는 양이었다. 덴마크 스테븐스 클린트의 추가 시료에서는 더 큰 이상 농도가 나타났다. 1980년까지 연구팀은 이탈리아와 덴마크 양쪽 지점에서 이리듐 스파이크가 존재함을 확인하고, Science 지(208권, 1095~1108쪽, 1980년 6월 6일)에 기념비적 논문 'Extraterrestrial Cause for the Cretaceous-Tertiary Extinction'을 발표했다.

이리듐은 대표적인 친철성(siderophile, '철을 좋아하는') 원소이다. 행성 분화 과정에서 지구의 이리듐 대부분은 금속 철과 함께 핵으로 가라앉아, 대륙 지각에는 약 0.05 ppb(Wedepohl, 1995)라는 극히 낮은 농도만 남았다. 반면 미분화된 원시 운석—특히 CI형 탄소질 콘드라이트—에는 약 450~550 ppb의 이리듐이 들어 있어 지각 값의 약 10,000배에 달한다.

K-Pg 경계에서 이리듐 농도는 지점마다 다르다. 원래 구비오 단면에서는 최대 약 9 ppb가 측정되었다. 덴마크 스테븐스 클린트의 '어류 점토(Fish Clay, Fiskeler)'에서는 산불용성 잔류물 기준 약 41~47 ppb의 피크 값이 보고되었다. 스페인 카라바카에서는 16~56 ppb의 값이 기록되었다. 미국 콜로라도·뉴멕시코주 레이턴 분지(Raton Basin)의 대륙성 경계 단면에서는 충돌층에 1.2~14.6 ppb의 이리듐이 포함되어, 인접 경계 점토암 값의 5~66배에 이른다. 50개 이상의 해성·비해성 단면을 기반으로 산출한 K-Pg 경계의 전 지구 평균 이리듐 유량(fluence)은 약 55 ± 3 ng/cm²이다.

이리듐만이 이상 원소는 아니다. 경계 점토에는 오스뮴, 루테늄, 로듐, 백금, 팔라듐 등 다른 백금족 원소(PGE)와 니켈, 코발트, 크롬도 풍부하게 들어 있으며, 원소 간 비율은 탄소질 콘드라이트 기원과 일치한다. 오스뮴 동위원소비를 포함한 다수의 독립적 지구화학 추적자를 통해, 경계층의 외계 물질은 탄소질 콘드라이트 조성인 것으로 확인되었다.

이리듐 이상 농도는 전 세계 350곳 이상의 K-Pg 경계 단면에서 해성과 육성 환경 모두에 걸쳐 모든 주요 대륙과 해양 분지에서 확인되었다. 칙술루브 충돌 지점에서 5,000 km 이상 떨어진 원위(distal) 단면에서는 경계가 보통 약 3 mm 두께의 적갈색 점토층으로 나타나며, 뾰족한 이리듐 피크와 함께 충격 구형체(일부에는 니켈이 풍부한 스피넬 결정 포함) 및 충격 변성 광물 입자가 들어 있다. 멕시코만 인근의 근위(proximal) 단면에서는 K-Pg 경계가 쓰나미·중력류 등 고에너지 과정으로 퇴적된 수 센티미터~수십 미터 두께의 쇄설성 사건 퇴적층으로 구성되며, 이리듐 이상 농도는 더 넓은 구간에 분산되어 지역 기원 퇴적물에 의해 희석된다.

북미 서부 내륙에서는 K-Pg 경계 구간이 특징적인 이중층 구조를 보인다. 하부의 'K-T 경계 점토암(boundary claystone)'(1~2 cm)은 주로 카올리나이트로 이루어져 있고, 변질된 충돌 용융 낙하물(유리질 구형체 포함)로 해석된다. 상부의 'K-T 경계 충돌층(impact layer)'(약 5 mm)에는 이리듐 피크 농도와 풍부한 충격 석영 입자가 함께 들어 있다. 이 이중층 구조는 미국 지질조사국(USGS)의 글렌 아이젯이 레이턴 분지 20곳 이상의 지점에서 상세히 기록했다.

이리듐 이상 농도 발견 이후 10년간 추가적인 충돌 증거가 축적되었다. 1984년 보허(Bohor) 등이 충격 석영 입자를 발견했고, 아이티에서는 정확히 6,500만 년(현재 약 6,605만 년으로 재보정)으로 연대 측정된 텍타이트 유리가 발견되었다. 1991년에는 멕시코 유카탄반도에서 젊은 탄산염 퇴적물 아래 묻힌 약 180~200 km 폭의 칙술루브 충돌 구조가 확인되었다. 이 크레이터의 규모는 직경 약 10~12 km 소행성의 충돌과 일치하며, 이는 앨버레즈 등(1980)의 원래 논문에서 네 가지 독립적 방법으로 추정한 10 ± 4 km과 부합한다.

결정적 확인은 2016년 IODP-ICDP 364차 탐사에서 이루어졌다. 칙술루브 피크 링(peak ring)의 M0077 지점을 시추하여 연속 코어를 회수한 결과, 고데리스(Goderis) 등(2021)은 피크 링 상부 충돌 후 전환 퇴적물 내 회녹색 이회암(gray-green marlstone) 최상부에서 약 1 ppb의 뚜렷한 이리듐 이상 농도를 보고했다. 이는 칙술루브 크레이터 내부에서 이리듐 이상 농도가 명확히 검출된 최초의 사례로, 크레이터 형성과 전 지구적 K-Pg 경계층 간의 가장 가까운 시공간적 연결 고리가 되었다. 이리듐은 대기 중에서 수 년~수십 년에 걸쳐 지구를 순환한 미세 먼지에 의해 운반되어 침강했으며, 이는 하부의 전환 유닛(쓰나미·세이시 퇴적물)이 충돌 후 수 주~수 년 이내에 퇴적되었음을 제약한다.

약 12 km 폭의 소행성이 유카탄 대륙붕에 초고속(약 20 km/s)으로 충돌하자, 충돌체와 표적 암석의 일부가 기화되었다. 약 1억 메가톤(TNT 환산) 규모의 충돌 에너지는 화구를 생성하고, 기화·용융된 물질을 대기권 상부 및 아대기권 궤도까지 분출시켰다. 이리듐과 최미세 운석 입자는 나노미터 크기의 먼지와 증기 응축물로서 성층권 이상의 고도까지 운반되어 전 지구를 순환하며, 수 년~수십 년에 걸쳐 서서히 침강했다. 반면 더 큰 방출물 파편(충격 구형체, 텍타이트, 충격 석영)은 탄도 궤적을 따라 수 분~수 시간 내에 지역적으로 퇴적되었다.

이러한 확산 메커니즘은 다음 사실을 설명한다. (1) 원위 단면에서 얇고 뾰족한 이리듐 스파이크가 더 굵은 구형체층 위에 나타나는 것은 탄도 낙하물과 대기 침강 사이의 시간 차이를 반영한다. (2) 근위 단면에서 이리듐이 두꺼운 구간에 걸쳐 희석·분산되는 것은 지역 운반 퇴적물과의 혼합 때문이다. (3) 경계 구간 전체를 적분하면 이리듐 유량이 전 지구적으로 대략 균일한 것은 전구적 대기 확산에 의한 것이다.

앨버레즈 가설은 발표 직후부터 논쟁을 불러일으켰다. 특히 찰스 B. 오피서와 찰스 L. 드레이크(다트머스대학교)는 1985년에 이리듐이 화산 기원일 수 있다고 제안하며, 같은 시기에 발생한 인도 데칸 트랩(Deccan Traps) 대규모 홍수 현무암 분출을 지목했다. 화산 가스는 미량의 이리듐을 운반할 수 있으며, 일부 화산 분출물에서 측정 가능한(하지만 훨씬 작은) 이리듐 농축이 관찰된 바 있다. 프린스턴대학교의 게르타 켈러도 데칸 분출이 멸종의 주요 원인이라는 화산 중심 설명을 옹호했다.

그러나 다수의 증거 노선이 이리듐 이상 농도의 충돌 기원을 강하게 뒷받침한다. (1) 이리듐 농축 규모(배경 대비 최대 10,000배)는 화산 과정으로 설명할 수 있는 범위를 크게 초과한다. (2) 경계 점토 내 PGE의 원소간 비율이 탄소질 콘드라이트 조성과 일치하며, 화산 특성과는 다르다. (3) 경계 점토에는 초고속 충격 압력(>10 GPa)에서만 형성 가능한 다중 면상 변형 구조를 가진 충격 석영이 포함되어 있으며, 이는 화산 분출로는 생성되지 않는다. (4) 니켈이 풍부한 스피넬 결정을 포함한 충격 구형체가 존재한다. (5) 180~200 km 폭의 칙술루브 크레이터가 시추를 통해 이리듐 층과 직접 연결되었다. 2010년대 초까지 과학계 합의는 충돌 가설을 강하게 지지했으며, 슐테(Schulte) 등(2010, Science 327: 1214~1218)이 주도하고 41명의 연구자가 서명한 종합 리뷰에서 이를 재확인했다.

이리듐 층은 단순한 지구화학적 호기심 대상이 아니라 공식 층서학적 중요성을 갖는다. 다니안절(Danian Stage) 기저(즉 팔레오기계와 신생대의 시작점)의 GSSP(국제표준층서단면 및 기준점)는 튀니지 엘케프(El Kef)에 위치하며, K-Pg 경계는 이리듐 이상 농도를 포함하는 1~3 mm 두께의 적갈색 철질 박층으로 정의된다. 이리듐이 풍부한 이 수평선은 국제지질연대표에서 중생대의 끝을 공식적으로 표시하는 '골든 스파이크(golden spike)' 역할을 한다.

이리듐 층의 발견은 과학자들이 대멸종과 지구 역사에서 격변적 사건의 역할에 대해 사고하는 방식을 근본적으로 바꾸었다. 1980년 이전에 지질학의 지배적 패러다임은 점진주의(gradualism)—지질학적·생물학적 변화가 느리고 연속적으로 일어난다는 관점—였다. 앨버레즈의 발견은 지구 외부의 드물고 갑작스러운 격변적 사건이 생물권을 극적으로 재편할 수 있다는 개념을 도입했다. 이러한 패러다임 전환은 다른 대멸종 사건에 대한 사고에도 영향을 미쳤고, 충돌 지질학이라는 분야를 촉진시켰다. 이리듐 층은 지질 기록에서 외계 충돌의 가장 널리 알려진 지구화학적 증거로 남아 있으며, 특히 칙술루브 충돌 이후 수 일, 수 년, 수천 년에 걸친 상세한 환경 영향에 관한 활발한 연구가 계속되고 있다.