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[연구뭐하지?] 박정우 교수_서울대학교 '해양암석지구화학 연구실' | 강원도부터 남극, 심지어 심해까지?! 지구 진화 과정 궁금하신가요?!

지구의 깊은 내부는 인류가 직접 도달할 수 없는 미지의 영역입니다. 서울대학교 해양암석지구화학 연구실은 이러한 지구 내부의 비밀을 풀기 위해 화성암과 그 속에 숨겨진 지구화학적 특성을 연구합니다. 화성암은 지하 깊은 곳에서 형성된 마그마가 지표로 올라와 고결되며 만들어진 암석으로, 마그마가 생성되어 고결되기까지의 지질학적 과정과 물리화학적 조건에 대한 방대한 정보를 담고 있습니다. 이는 간접적인 탄성파 탐사를 넘어 지구 내부 물질을 직접적으로 들여다볼 수 있는 소중한 통로가 됩니다. 다양한 연령대의 화성암을 분석하는 과정은 지구의 역사를 재구성하는 일과 같습니다. 연구실에서는 과거와 현재의 지구 내부 물질이 어떻게 변화해 왔는지를 비교하여 지구의 전반적인 진화 과정을 추적합니다. 이러한 연구는 단순히 과거를 이해하는 데 그치지 않고, 앞으로 지구가 어떤 방향으로 변화해 나갈지를 예측하는 중요한 기초 자료가 됩니다. 마그마의 성분 변화를 정밀하게 추적함으로써 지구라는 거대한 시스템이 작동하는 원리를 파악하고, 행성 진화의 거대한 흐름 속에서 현재의 위치를 확인하는 것이 이들의 핵심 목표입니다. 학문적 성취만큼이나 중요한 것은 연구를 지속할 수 있는 건강한 환경입니다. 이곳은 교수와 학생 사이의 수평적인 소통과 상호 존중을 바탕으로 한 연구 문화를 지향합니다. 학술적인 논의에 있어서는 지위와 상관없이 격의 없는 토의를 통해 의견을 나누며, 동료의 연구 과제를 자신의 일처럼 고민하고 돕는 분위기가 정착되어 있습니다. 이러한 유대감은 연구원들이 학업에 전념할 수 있는 든든한 버팀목이 되며, 긴밀한 협력을 통해 복잡한 지구과학적 난제들을 하나씩 풀어나가는 원동력이 되고 있습니다. 연구실의 활동 범위는 한반도를 넘어 전 지구적인 영역으로 확장됩니다. 남극의 화산 활동을 연구하며 마그마의 생성과 분출 역사를 재구성하는가 하면, 강원도 태백산 인근의 고대 광산 지역에서 유용한 광상이 형성되는 메커니즘을 분석하기도 합니다. 특히 특정 마그마가 어떻게 경제적 가치가 높은 광상을 형성하는지에 대한 연구는 자원 탐사 측면에서도 큰 의미를 가집니다. 친동성 원소의 분배 양상이나 마그마의 분화 과정을 정밀하게 분석함으로써, 자연이 빚어낸 암석 제조법의 비밀을 과학적인 언어로 풀어내고 있습니다. 현장 중심의 연구를 위해 연구진은 남극 기지부터 인도양 중앙해령의 심해저에 이르기까지 전 세계 곳곳에서 시료를 채취합니다. 직접 가기 어려운 심해저의 경우 심해 탐사선을 이용해 간접적으로 시료를 확보하며, 이렇게 얻은 귀중한 암석들은 첨단 분석 시설을 통해 정밀하게 검토됩니다. 국내외를 가리지 않는 광범위한 현장 조사와 세심한 지도는 연구원들이 세계적인 과학자로 성장할 수 있는 밑거름이 됩니다. 지구의 깊은 곳에서 온 메시지를 읽어내는 이들의 노력은 인류가 지구를 이해하는 지평을 넓히는 데 크게 기여하고 있습니다.

박정우

카오스재단연구뭐하지

지구환경과학

[강연] 지구 내부로의 여행 (2) _ 심상헌 교수 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 2강 | 2강 ②

지구는 겉으로 보기에는 정지해 있는 것처럼 보이지만, 내부에서는 끊임없는 역동적인 변화가 일어나고 있습니다. 판의 움직임과 맨틀 대류는 지구 시스템을 유지하는 핵심 동력으로 작용합니다. 특히 해양 지각이 지구 내부로 다시 들어가는 섭입 과정은 지표면에서 생성된 물질들을 지구 깊은 곳까지 운반하며 거대한 순환의 고리를 형성합니다. 이러한 작용은 심해 생태계를 발달시키고 지구 자기장을 유지하여 생명체를 보호하는 등 우리가 살아가는 환경에 결정적인 영향을 미치며 지구의 생명력을 유지해 줍니다. 인류가 기술적으로 도달할 수 있는 시추 깊이는 지각의 두께조차 채 벗어나지 못하는 수준입니다. 직접적인 시료 채취가 불가능한 상황에서 과학자들은 지진파를 활용해 지구 내부를 탐사합니다. 지진이 발생하면 P파와 S파 같은 지진파가 지구 전체를 통과하며 마치 병원의 엑스선(X-ray)이나 MRI처럼 내부 구조를 영상화할 수 있게 해 줍니다. 전 세계에 설치된 지진계는 지구 반대편까지 도달했다가 메아리처럼 돌아오는 파동을 기록하며, 이를 통해 우리는 수천 km 아래의 맨틀과 핵의 모습을 정밀하게 파악할 수 있습니다. 지구 내부의 극한 환경을 이해하기 위해 과학자들은 실험실에서 인위적으로 높은 압력과 온도를 구현합니다. 가장 단단한 물질인 다이아몬드를 마주 보게 배치하고 그 사이에 미세한 시료를 넣어 압축하는 다이아몬드 앤빌 셀(Diamond Anvil Cell)이 대표적입니다. 이 장치를 통해 지구 중심부에 달하는 압력을 재현하고, 투명한 다이아몬드 너머로 레이저를 쏘아 수천 도의 고온을 만들어 냅니다. 머리카락 굵기보다 작은 시료의 변화를 관찰하기 위해 방사광 가속기와 같은 첨단 장비를 동원하며, 이는 지구 심부의 물질 성질을 밝혀내는 핵심적인 연구 방법이 됩니다. 약 3,000km 두께의 맨틀은 고체 상태임에도 불구하고 수백만 년이라는 긴 시간 척도에서 액체처럼 대류합니다. 뜨거운 물질은 위로 올라오고 차가운 물질은 아래로 내려가며 지구 내부의 열에너지를 순환시킵니다. 특히 지하 400~600km 부근의 맨틀 전이대에는 특수한 광물들이 존재하는데, 최근 연구에 따르면 이 광물들은 상당량의 물을 포함할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 만약 이 층 전체에 물이 포함되어 있다면 그 양은 지구 표면의 바닷물 전체와 맞먹을 정도로 거대하며, 이는 지구 내부의 진화 과정을 이해하는 새로운 열쇠가 됩니다. 지구의 가장 깊은 곳인 핵에서도 활발한 대류 현상이 일어납니다. 액체 상태의 철로 이루어진 외핵은 온도 차에 의해 끊임없이 움직이며, 이러한 금속 액체의 흐름은 거대한 발전기 역할을 하여 지구 자기장을 생성합니다. 외핵과 맨틀의 경계면에서는 대륙 크기에 달하는 거대한 구조물이 발견되기도 하며, 이는 지구가 형성되던 초기 마그마 대양 시절의 흔적일 가능성이 큽니다. 결국 지구 내부의 역동적인 움직임은 단순한 지질 현상을 넘어, 우주로부터 오는 유해한 방사선을 막아주는 자기 방어막을 형성함으로써 생명 탄생의 토대를 마련해 주었습니다.

심상헌

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생명과학
지구환경과학

[강연] 지구 내부로의 여행 (5) _ 패널토의 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 2강 | 2강 ⑤

지구의 가장 깊숙한 곳에 위치한 내핵은 여전히 베일에 싸인 신비로운 존재입니다. 액체 상태인 외핵을 통과해야만 도달할 수 있는 특성 때문에 지진파가 정보를 많이 잃어버려 연구가 매우 어렵기 때문입니다. 내핵이 고체라는 사실이 밝혀진 것도 불과 수십 년 전의 일이며, 지구의 나이가 46억 년인 것에 비해 내핵의 나이는 약 10억 년 정도에 불과할 것이라는 가설도 존재합니다. 지구가 충분히 식어야만 핵이 굳어 내핵이 형성될 수 있기 때문인데, 이러한 미지의 영역은 과학자들에게 끊임없는 탐구의 대상이 되고 있습니다. 지구 대기 중 산소 농도의 변화는 생명체의 진화와 밀접한 관련이 있습니다. 산소는 일정하게 증가한 것이 아니라 계단식으로 급증하는 양상을 보였는데, 과학자들은 이를 화석이나 광물 속에 포획된 고대 대기 성분을 통해 분석합니다. 마치 영화 속 호박에 갇힌 모기처럼, 수십억 년 전의 공기가 광물 안에 보존되어 당시의 환경을 증언해 주는 것입니다. 이러한 증거들은 단일한 가설에 의존하지 않고 여러 학문적 데이터를 결합하여 지구 역사의 퍼즐을 맞추는 중요한 열쇠가 됩니다. 지진 예측은 현대 과학이 해결해야 할 가장 어려운 과제 중 하나로 꼽힙니다. 시뮬레이션을 통해 단층의 움직임을 분석하더라도, 실제 지구 내부에는 우리가 아직 발견하지 못한 수많은 단층이 존재하며 각 단층의 성질 또한 제각각이기 때문입니다. 하나의 단층이 미끄러지며 발생하는 힘이 인접한 다른 단층에 연쇄적인 영향을 미치기 때문에 그 복잡성은 상상을 초월합니다. 따라서 현재의 기술력으로는 지진의 정확한 시점과 위치를 예측하기 어렵지만, 지속적인 연구를 통해 그 메커니즘을 이해하려는 노력이 계속되고 있습니다. 지진파 중 P파는 액체와 고체를 모두 통과하지만, S파는 고체만을 통과하는 성질을 가지고 있습니다. 흥미로운 점은 액체인 외핵을 지나 고체인 내핵에 도달했을 때 S파가 다시 관측된다는 사실입니다. 이는 외핵에서 직접 전달된 것이 아니라, P파가 외핵과 내핵의 경계면을 통과하면서 파동의 성질이 변하여 일부분이 S파로 전환되기 때문입니다. 이러한 파동의 변화상을 정밀하게 분석함으로써 우리는 직접 가볼 수 없는 지구 깊은 곳의 물리적 상태와 구성 성분을 보다 명확하게 파악할 수 있게 됩니다. 판 구조론의 시작은 지구 내부의 물질 순환뿐만 아니라 대기 성분의 변화에도 큰 영향을 미쳤습니다. 해양 지각이 지구 내부로 섭입되면서 지표의 탄소와 같은 원소들을 함께 끌고 내려가는데, 이는 대기 중 산소 농도를 조절하는 중요한 기제로 작용합니다. 특히 지하 깊은 곳으로 내려간 탄소는 엄청난 압력과 온도를 견디며 흑연에서 다이아몬드로 상전이를 일으키기도 합니다. 우리가 보석으로 여기는 다이아몬드 속에는 수억 년 전 생명체의 흔적과 지구 내부의 역사가 고스란히 기록되어 있는 셈입니다.

김은정, 소병달, 심상헌

카오스재단카오스강연

생명과학
지구환경과학

[강연] 바다의 비밀 - 심해탐사 (4) 패널토의 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 8강 | 8강 ④

지구의 70% 이상을 차지하는 바다는 우리에게 매우 친숙한 존재처럼 느껴지지만, 사실 그 깊은 속내는 여전히 베일에 싸여 있습니다. 특히 수심 2,000미터 이상의 심해는 인류가 우주보다도 더 모르는 미지의 영역으로 남아 있습니다. 삼면이 바다인 우리나라에서도 이러한 심해의 신비로움에 주목하며 연구를 이어가고 있습니다. 심해는 단순히 어둡고 차가운 공간이 아니라, 우리가 상상하지 못했던 독특한 생명체들이 자신들만의 질서를 유지하며 살아가는 경이로운 세계입니다. 심해 탐사의 최전선에는 유인 잠수정이 있습니다. 과학자들은 막대한 비용과 위험을 무릅쓰고 직접 수천 미터 아래로 내려가 심해의 풍경을 마주합니다. 칠흑 같은 어둠 속에서 잠수정의 조명을 켰을 때 드러나는 해저 평원의 모습은 마치 고려청자 빛깔과 같은 신비로운 푸른빛을 띠기도 합니다. 이러한 직접적인 경험은 단순한 데이터 수집을 넘어 과학자들에게 깊은 영감과 통찰력을 제공하며, 심해 연구의 질을 한 단계 높이는 중요한 역할을 수행하고 있습니다. 기술의 발전으로 무인 잠수정의 활용도 늘고 있습니다. 무인 잠수정은 인명 사고의 위험이 없고 인공지능 등 최신 기술을 접목하기에 유리하지만, 통신 속도와 전력 공급의 한계라는 과제를 안고 있습니다. 반면 유인 잠수정은 과학자가 현장에서 직접 입체적으로 분석하고 판단할 수 있다는 독보적인 장점이 있습니다. 마치 명화를 화면으로 보는 것과 미술관에서 직접 마주하는 것의 차이처럼, 현장감 있는 연구는 심해의 복잡한 생태계를 이해하는 데 필수적인 요소로 꼽힙니다. 심해 생태계의 핵심 중 하나는 열수 분출공입니다. 이곳은 태양광이 전혀 닿지 않아 광합성이 불가능함에도 불구하고, 화학 합성을 통해 에너지를 얻는 독특한 생태계가 형성되어 있습니다. 지구 내부에서 뿜어져 나오는 유황 성분을 산화시키는 박테리아를 기반으로 게, 새우, 조개 등 수많은 생물이 밀집해 살아갑니다. 이는 기존의 생물학적 상식을 뒤엎는 발견이었으며, 먹지 않고도 공생 박테리아로부터 에너지를 얻어 생존하는 이들의 방식은 생명의 강인함을 보여줍니다. 열수 분출공 주변의 생물들은 진화적으로 매우 원시적인 형태를 유지하고 있어 '살아 있는 화석'이라 불리기도 합니다. 눈이 퇴화한 게나 고온을 견디는 미생물들은 지구 탄생 초기의 가혹한 환경과 유사한 조건에서 적응해 온 결과물입니다. 과학자들은 이러한 생물들을 통해 지구 생명 탄생의 비밀을 추적하고 있으며, 나아가 화성이나 목성의 위성처럼 극한 환경을 가진 외계 행성에서의 생명체 존재 가능성을 탐구하는 중요한 단서를 얻고 있습니다. 심해는 자원의 보고이기도 합니다. 망간 단괴를 비롯해 금, 은, 구리 등 고부가가치 광물이 풍부하게 매장되어 있어 전 세계적인 관심이 뜨겁습니다. 하지만 무분별한 개발은 수천 년간 유지되어 온 심해 생태계를 파괴할 위험이 큽니다. 국제해저기구(ISA)를 통해 환경 피해를 최소화하려는 제도적 장치가 마련되고 있지만, 여전히 개발과 보존 사이의 논쟁은 치열합니다. 미래 세대에게 이 소중한 유산을 온전히 물려주기 위해서는 신중한 접근과 지속적인 연구가 필요합니다. 인간의 탐사가 심해 생물들에게 미치는 영향에 대해서도 깊은 고민이 필요합니다. 심해 생물들은 빛이 없는 환경에서 소리나 압력 변화에 매우 민감하게 반응하도록 진화했습니다. 잠수정의 소음이나 인공적인 빛은 이들의 평온한 삶에 큰 자극이 될 수 있습니다. 우리가 미지의 세계를 알아가는 과정이 자칫 그들의 터전을 휘젓는 행위가 되지 않도록, 환경 파괴를 최소화하는 기술 개발이 병행되어야 합니다. 심해는 우리가 정복할 대상이 아니라 함께 공존하며 배워야 할 거대한 교과서입니다.

김동성, 김웅서, 이판묵

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지구환경과학

[강연] 지구 내부 비정질 마그마의 숨겨진 질서 _ 이성근 교수| 2016 서울대 자연과학대학 공개강연 '무질서에서 질서로' (3) | 2강

비정질 물질은 결정질과 달리 원자 배열에 반복되는 규칙이 없는 상태를 의미합니다. 우리가 흔히 보는 수정과 같은 결정질은 정교한 격자 구조를 가지지만, 비정질은 정보가 희석된 듯한 넓은 피크를 보여주어 그 구조를 파악하기가 매우 어렵습니다. 이러한 무질서함 때문에 비정질의 원자 구조를 규명하는 일은 현대 과학의 거대한 난제로 꼽혀왔습니다. 하지만 이 무질서해 보이는 상태 속에서도 원자들은 특정한 에너지 상태를 유지하며 존재하며, 그들만의 독특한 체계를 형성하고 있습니다. 원자 간의 상호작용은 에너지 준위로 나타나며, 이는 물질의 물리적 성질을 결정하는 가장 근본적인 요소가 됩니다. 입자들이 서로 가까워지거나 멀어짐에 따라 에너지가 변하고, 특정 조건에서 가장 안정적인 상태를 찾아가는 과정은 마치 복잡한 인간관계의 역동성과도 닮아 있습니다. 연구자들은 광자와 전자의 상호작용을 정밀하게 측정하여 이러한 미세한 에너지 변화를 분석합니다. 이를 통해 눈에 보이지 않는 원자 단위의 구조를 파악하고 물질이 가진 본질적인 특성을 이해하려는 노력을 지속하고 있습니다. 지구 형성 초기에는 표면 전체가 녹아 있는 거대한 마그마 바다가 존재했으며, 이는 현재의 지각과 맨틀, 핵으로 층상화되는 중요한 과정을 거쳤습니다. 지하 깊은 곳으로 내려갈수록 압력은 기하급수적으로 증가하며, 이러한 극한의 환경은 마그마의 성질을 근본적으로 변화시킵니다. 수백만 기압에 달하는 압력 아래에서 마그마를 구성하는 원자들은 지표면과는 전혀 다른 새로운 배열을 형성하게 됩니다. 이러한 미시적 변화는 결국 지구 전체의 밀도 분포와 행성의 진화라는 거시적인 결과로 이어지는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 모든 물질은 주어진 온도와 압력 조건에서 가장 안정적인 상태를 선택하며 자신의 형태를 바꿉니다. 우리가 일상에서 경험하는 물이 기압에 따라 끓는점이 변하는 것처럼, 지구 내부의 광물들도 깊이에 따라 원자 주변의 산소 개수가 변하는 배위수 변화를 겪게 됩니다. 예를 들어 규소 주변의 산소가 4개에서 6개로 늘어나는 현상은 고압 환경에서 살아남기 위한 물질의 본질적인 변신이라 할 수 있습니다. 이러한 상전이 과정은 지구 내부의 역동적인 변화를 이해하는 데 있어 매우 중요한 학술적 토대를 제공합니다. 비정질 마그마의 점성도는 압력이 높아짐에 따라 단순히 증가하거나 감소하지 않고 매우 복잡한 비선형적 양상을 보입니다. 이러한 이상 현상을 명확히 이해하기 위해서는 마그마의 원자 구조를 직접 관찰해야 하지만, 고압 환경에서 비정질 상태를 유지하며 데이터를 얻는 것은 기술적으로 매우 까다로운 작업입니다. 다이아몬드 앤빌 셀(DAC)과 같은 첨단 장비를 활용해 극한의 압력을 가하면서 빛의 산란이나 흡수를 측정하는 방식은 이 난제를 해결하는 중요한 도구가 됩니다. 이를 통해 우리는 베일에 싸인 지구 내부의 유체 거동을 파악할 수 있습니다. 다성분계로 이루어진 복잡한 마그마 연구에서 발견된 가장 놀라운 성과는 바로 '보편적 규칙'의 발견입니다. 압력이 증가함에 따라 마그마 내의 비가교 산소(NBO) 농도가 화학적 조성에 상관없이 일정한 곡선을 그리며 감소한다는 사실이 실험을 통해 증명되었습니다. 무질서하고 복잡해 보이던 비정질 마그마의 세계 속에도 압력이라는 외부 변수에 일정하게 반응하는 정교한 질서가 숨어 있었던 것입니다. 연구자들은 이 발견에 '찬란한 질서'라는 이름을 붙여 자연이 가진 조화로움과 과학적 발견의 기쁨을 동시에 표현하고자 했습니다. 원자 단위에서 발견한 이러한 작은 규칙들은 지구 맨틀의 규소 결핍 문제나 거대 마그마 저장소의 존재를 설명하는 강력한 과학적 근거가 됩니다. 미시적인 입자들의 정보가 하나둘 모여 행성 규모의 진화 과정을 이해하는 거대한 지도가 완성되는 셈입니다. 결국 지구라는 거대한 시스템의 근원을 이해하는 길은 가장 작은 원자들의 움직임과 그들이 맺고 있는 상호작용을 세밀하게 관찰하는 것에서 시작됩니다. 이러한 연구는 우리가 발을 딛고 있는 이 땅의 과거와 미래를 연결하는 소중한 학문적 자산이 될 것이며 과학적 탐구의 본질을 보여줍니다.

이성근

카오스재단서울대자연과학공개강연

지구환경과학