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[IT뉴스]맨틀에서 찾은 지구 탄소의 기원…“태양계 외곽 운석에서 왔을 것”

온카뱅크관리자

2026-11-10 11:27:25

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 <img alt="하와이 킬라우에아 화산의 용암. 게티이미지뱅크 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202611/10/dongascience/20261110111959478heug.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="ylDKzmyOns" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202611/10/dongascience/20261110111959478heug.jpg" width="658">
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 하와이 킬라우에아 화산의 용암. 게티이미지뱅크 제공
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 지구 핵에 저장된 탄소가 태양계 외곽에서 날아온 운석에서 유래했을 가능성이 제시됐다. 지하 약 2900km의 핵과 맨틀 경계에서 기원한 것으로 추정되는 하와이 용암을 분석해 얻은 결론이다. 
 미국 컬럼비아대와 예일대, 프랑스 오를레앙대 등 국제공동연구팀은 하와이 화산의 용암에서 채취한 샘플을 분석해 핵의 탄소 동위원소 조성을 추정하고 이를 토대로 지구 탄소의 기원을 추적한 연구결과를 10일(현지시간) 국제학술지 '미국국립과학원회보(PNAS)'에 게재했다. 
 지구에 존재하는 탄소의 약 80%는 핵에 저장돼 있을 것으로 추정된다. 핵에 저장된 탄소의 기원을 밝히면 지구에 탄소가 유입된 경로를 명확히 규명할 수 있다. 문제는 지하 약 2900km에 위치한 핵에서 탄소를 직접 채취하기 어렵다는 점이다.
 맨틀 플룸은 지구 내부 맨틀의 뜨거운 물질이 지표를 향해 천천히 상승하는 현상이다. 지하 약 2900km에 위치한 '핵-맨틀 경계(CMB)'에서 유래한 플룸이 지표 가까이 도달하면 마그마가 형성된다. 하와이는 이 마그마가 분출돼 형성된 화산지대다. 마그마가 화산활동을 통해 지표로 분출한 것을 용암이라고 부른다. 
 연구팀은 하와이 킬라우에아 화산의 용암과 오아후섬의 용암을 채취했다. 킬라우에아 화산이 본격적으로 성장하는 '형성기'에 속한다. 하와이에서는 화산 형성기에 플룸 중심부에서 마그마가 공급되며 화산이 빠르게 형성되는 특성이 관찰된다. 
 오아후섬의 용암은 화산활동이 한동안 멈췄다가 다시 일어나는 '재개기'에 분출됐다. 하와이의 재개기 화산에서는 맨틀 플룸 주변부의 물질이 녹아 마그마를 형성하는 것으로 알려져 있다. 연구팀은 플룸 중심부에는 CMB에서 기원한 맨틀 물질이 상승하는 반면 주변부에는 상승 과정에서 유입된 일반적인 맨틀 물질이 섞여 있다고 설명했다.
 연구팀은 용암 속 '용융 포유물'의 탄소 동위원소 조성을 측정했다. 용융 포유물은 마그마가 식으면서 결정을 이룬 감람석 내부에 마그마의 일부가 갇힌 상태다. 같은 원소라도 그 안에 있는 중성자의 수가 다르면 질량이 다르게 나타난다. 탄소(C)-13은 중성자가 7개고 탄소-12는 중성자가 6개다.  
 연구팀은 킬라우에아 화산에서 채취한 용암의 용융 포유물에서 약 -0.1%의 탄소(C) 동위원소 지표(δ¹³C)를 확인했다. δ¹³C는 탄소-13과 탄소-12의 비율을 표준물질과 비교한 값으로, 수치가 높을수록 탄소-13의 상대적인 비율이 높다는 의미다. 오아후섬에서 채취한 용암은 δ¹³C가 -0.7%였다. 
 태양계 외곽에서 유래한 운석인 '탄소질 콘드라이트'는 탄소가 풍부하며 일부 유형은 일반적인 맨틀 물질보다 탄소-13의 상대적 비율이 높은 것으로 알려져 있다. 지구 형성 과정에서 탄소질 콘드라이트가 유입돼 지구에 탄소를 공급했을 것이라는 가설이 제기돼 왔다.
 연구팀은 핵-맨틀 경계(CMB)에서 기원한 것으로 추정되는 맨틀 플룸 중심부의 용암에서 탄소-13의 상대적 비율이 일반적인 맨틀보다 높게 나타난 점에 주목했다. 이는 지구 핵에 저장된 탄소가 탄소질 콘드라이트에서 유래했을 가능성을 뒷받침하는 결과라고 해석했다.
 연구팀은 "지구가 운석 충돌을 통해 성장하던 마지막 단계에 탄소질 콘드라이트가 충돌해 지구에 탄소를 공급했을 것으로 추정된다"며 "이번 연구결과는 지구를 구성하는 원소들이 어디에서 유래했는지를 둘러싼 오랜 논쟁을 해결할 실마리가 될 것"이라고 말했다.
 &lt;참고자료&gt; doi: 10.1073/pnas.2610912123   
 [김소연 기자 lecia@donga.com]
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