행성 분화
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1. 개요
행성 분화는 행성이 형성된 후 내부 물질이 밀도, 화학적 친화도, 가열, 충돌 등의 요인에 의해 층상 구조로 재배열되는 과정을 의미한다. 밀도가 높은 물질은 중력에 의해 핵으로 가라앉고, 가벼운 물질은 표면으로 떠오르는 물리적 분화가 일어난다. 화학적 분화는 화학적 친화도에 따라 원소들이 분별되어 층을 이루는 현상이다. 행성 내부의 열, 초기 가열, 마찰열, 결정화, 열영동, 달의 KREEP 형성, 충돌 등 다양한 요인들이 행성 분화를 촉진한다. 핵 형성은 금속의 침투, 암맥 형성, 다이어피르즘, 충돌 등을 통해 이루어지며, 태양계 초기에 방사성 동위원소 분석을 통해 진행되었음이 밝혀졌다.
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| 행성 분화 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 행성 분화는 행성이 중력에 의해 다양한 밀도를 가진 층으로 분리되는 과정이다. |
| 과정 | 행성이 녹으면 무거운 물질은 중심으로 가라앉고 가벼운 물질은 표면으로 떠오른다. 지구, 화성, 금성, 수성과 같은 암석 행성과 일부 혜성, 소행성에서 발생한다. |
| 원인 | |
| 행성 생성 초기 열원 | 미행성 충돌에 의한 운동 에너지의 열에너지 전환 짧은 수명의 방사성 동위 원소 (26Al, 60Fe)의 붕괴열 |
| 행성 성장 후 열원 | 긴 수명의 방사성 동위 원소 (238U, 235U, 232Th, 40K)의 붕괴열 밀도에 따른 물질 이동에 의한 중력 에너지의 열에너지 전환 (맨틀 강하, 핵 형성) |
| 과정 상세 | |
| 초기 단계 | 행성 전체 또는 부분적인 용융 발생 밀도 차이에 따라 물질 분리 시작 무거운 물질 (철, 니켈)은 핵으로 가라앉음 가벼운 물질 (규산염 광물)은 맨틀과 지각 형성 휘발성 물질은 대기 형성 |
| 진행 단계 | 핵, 맨틀, 지각으로 뚜렷하게 구분된 층상 구조 형성 각 층은 고유한 화학적 조성과 물리적 특성 가짐 맨틀 내에서도 밀도와 화학 성분에 따라 다양한 층으로 분화 가능 |
| 최종 단계 | 행성 내부 냉각과 함께 분화 과정 점차 둔화 핵은 고체 또는 액체 상태로 존재 맨틀은 대류 운동을 통해 열을 전달 지각은 고체 상태로 안정화 |
| 영향 | |
| 행성 구조 | 핵, 맨틀, 지각과 같은 뚜렷한 층상 구조 형성 |
| 행성 조성 | 각 층은 고유한 화학적 조성과 광물 조합을 가짐 |
| 자기장 | 액체 상태의 핵을 가진 행성은 대류 운동에 의해 자기장 생성 가능 |
| 화산 활동 및 지각 변동 | 맨틀 대류와 지각 운동은 화산 활동, 지진, 습곡 산맥 형성 등 다양한 지질 현상 유발 |
| 대기 | 행성 표면의 온도와 화학 반응에 영향 |
| 추가 정보 | |
| 참고 자료 | Planetary Differentiation - an overview | ScienceDirect Topics ScienceDirect Topics 링크 Planetary differentiation - Wikipedia Wikipedia 링크 |
2. 물리적 분화
밀도가 높은 물질은 중력에 의해 아래로 가라앉고, 밀도가 낮은 물질은 위로 떠오르는 중력 분리 과정을 통해 행성 내부가 여러 층으로 나뉜다.
지구는 철이 풍부한 고밀도 핵, 마그네슘-규소가 풍부한 저밀도 맨틀, 규산화된 알루미늄, 나트륨, 칼슘, 칼륨으로 이루어진 얇은 지각으로 분화되어 있으며, 물로 구성된 수권과 질소로 이루어진 대기권도 있다.
2. 1. 중력 분리
밀도가 높은 물질은 밀도가 낮은 물질을 통과해 아래로 가라앉는 경향이 있으며, 상대적인 구조 강도에 영향을 받지만 물질이 용융 상태일 때는 강도가 감소한다. 밀도가 높은 대표적인 물질인 철은 행성 가운데로 모이며, 철과 쉽게 합금을 형성하는 친철원소도 여기에 섞여 같이 핵으로 가라앉는다. 하지만 밀도가 높은 원소 중 친석원소는 규소나 산소와 결합하여 반대 방향으로 올라간다.가벼운 물질은 밀도가 높은 물질 사이에서 떠오르는 경향이 있다. 사장석이 대표적이며, 떠오르는 과정에서 돔 모양 지형 다이어피르를 형성하기도 한다. 지구에 있는 암염돔은 암염이 떠오르며 생긴 다이어피르이다. 화강암 등 저밀도 규산염 암석의 다이어피르는 지구의 지각에 다수 분포한다. 섭입대에서 맨틀의 물질이 변화하여 생긴 사문암도 다이어피르 형태로 떠오르기도 한다. 이화산 또한 저온 다이어피르의 일종으로 볼 수 있다.[2]
2. 2. 다이어피르
가벼운 물질은 밀도가 높은 물질 사이에서 떠오르는 경향이 있다. 사장석이 대표적이며, 떠오르는 과정에서 돔 모양 지형인 다이어피르를 형성하기도 한다. 지구에 있는 암염돔은 암염이 떠오르며 생긴 다이어피르이다. 화강암 등 저밀도 규산염 암석의 다이어피르는 지구의 지각에 다수 분포한다. 섭입대에서 맨틀의 물질이 변화하여 생긴 사문암도 다이어피르 형태로 떠오르기도 한다. 이화산 또한 저온 다이어피르의 일종으로 볼 수 있다.3. 화학적 분화
물질 덩어리는 밀도에 따라 위 또는 아래로 향하지만, 화학적으로 결합된 원소는 화학적 친화도에 따라 분별되며, 함께 연관된 더 풍부한 물질에 의해 "함께 운반"된다. 예를 들어 우라늄은 순수한 원소로서 밀도가 매우 높지만, 밀도가 높은 금속 핵보다는 지구의 가볍고 규산염이 풍부한 지각에서 미량 원소로서 화학적으로 더 상용성이 있다.[1]
3. 1. 원소 분별
화학적으로 결합하는 원소는 결합하는 원소에 "실려" 분별된다. 예를 들어, 순수 우라늄은 밀도가 매우 높지만, 화학적으로 중심핵보다 규소질 지각에 더 많이 존재한다.[7]4. 가열
행성 형성 초기에 발생하는 열은 행성 분화를 촉진하는 주요 요인 중 하나이다. 지구에서는 용융 상태의 철이 대륙 지각보다 밀도가 커 지각을 뚫고 맨틀로 내려갔다.[12] 외태양계에서는 탄화수소, 메테인, 고체 상태의 물(얼음) 또는 이산화탄소 등 가벼운 물질이 이러한 과정을 거치기도 한다.[10]
4. 1. 초기 가열
태양이 태양계 성운에서 핵융합을 시작했을 때, 주변에 있던 수소, 헬륨, 기타 휘발성 물질은 증발하였다. 태양풍과 복사압으로 인해 밀도가 낮은 물질은 태양으로부터 멀리 떨어지게 되었다. 태양 주변의 암석에 있던 대기는 이 과정에서 날아갔지만,[8] 암석 자체는 남아 원시 행성을 형성했다.원시 행성은 초기에 방사성 원소를 많이 가지고 있었으며, 시간이 지남에 따라 방사성 붕괴를 통해 양이 감소하였다. 하프늄-텅스텐 연대 측정에서는 두 하프늄 동위 원소의 붕괴를 통해, 강착의 과정을 추정할 수 있다. 방사성 붕괴, 충돌, 중력 붕괴로 인해 발생한 열은 행성으로 변해가는 원시 행성을 부분적으로 용융시켰다. 녹은 부분에서는 무거운 원소가 아래로 가라앉았고, 가벼운 원소가 표면으로 올라왔다. 일부 운석(무구립운석)에서는 일부 소행성(4 베스타 등)에서 행성 분화가 일어났음을 보여주고 있다. 소행성의 행성 분화는 26Al이 주요 열원이었을 것으로 보고 있다.[12]
큰 천체의 중력을 통해서도 물질 일부를 녹이기 충분한 열이 발생하며, 이 외에도 원시 행성이 강착되거나 조석 가열을 통해서도 열이 발생한다. 화학 반응이 일어나고 밀도 차이를 통해 고밀도 물질이 밑으로 내려가고,[9] 가벼운 물질이 표면에 퍼지게 된다.
4. 2. 마찰열 및 결정화
마그마는 맨틀 내 부분용융을 통해 형성된다. 용융 과정에서 광물 대부분에서 안정하지 않은 친액원소가 분리되어 나오는데, 마그마가 상승하며 굳기 시작할 때 먼저 굳는 원소가 마그마 내에서 적어짐에 따라 마그마 내 해당 원소가 사라지게 된다. 화성암 연구를 통해 마그마가 얼마나 용융되는지, 이 과정에서 어떠한 원소가 사라지는지를 측정할 수 있다.[12]4. 3. 열적 분화
물질이 불균일하게 가열되면 열영동 (소렛 효과)으로 인해 가벼운 물질은 뜨거운 곳으로, 무거운 물질은 차가운 곳으로 이동한다. 이 과정은 지하 마그마굄의 물질 분화에 영향을 줄 수 있다. 하와이 용암 호수 연구를 통해 반정이 결정의 화학적 용융을 통해 분화되는 과정이 밝혀졌다.[12]5. 달의 KREEP
달에서는 현무암질 암석에 칼륨(K), 희토류 원소(REE), 인(P) 등 "비양립성 원소"가 많이 함유된 독특한 물질이 발견되었으며, 이를 KREEP이라 부른다.[5] 우라늄과 토륨도 많이 함유하고 있다.
5. 1. KREEP 형성 과정
달에서는 현무암질 암석에 친액원소인 칼륨(K), 희토류 원소(REE), 인(P)이 많이 들어있는데, 이를 줄여서 KREEP이라고 부른다.[11][5] 우라늄과 토륨도 많이 들어있다. 이러한 원소들은 달의 마그마 바다가 식으면서 분리되어, 지각과 맨틀 사이에 화학적으로 나뉜 것이 가끔씩 분출을 통해 표면으로 나온 것으로 보인다.6. 충돌에 의한 분화
원시 행성이 더 많은 물질을 강착하면 충돌 에너지가 국부적인 가열을 유발한다. 충분히 큰 천체의 중력은 일부 물질을 녹일 수 있는 압력과 온도를 생성하기도 한다. 이는 화학 반응과 밀도 차이로 물질이 혼합되고 분리될 수 있게 하며,[3] 부드러운 물질이 표면으로 퍼지도록 한다.
6. 1. 거대충돌 가설
달은 초기 지구에 큰 천체가 충돌하면서 형성된 것으로 추정하고 있는데,[12] 당시 지구에서는 이미 행성 분화가 어느 정도 진행되어 표면에는 가벼운 물질이 분포하였다. 이 충돌로 인해 규소질 암석이 지구에서 떨어져 나가고 금속류가 남게 되었다. 달에는 철 핵이 없기 때문에 달의 밀도는 지구에 비해 매우 낮다.[12] 지구 지각의 밀도는 2700kg/m3이고, 성분이 다른 바로 밑 맨틀의 밀도는 3400kg/m3이며, 지구 전체 평균 밀도는 5515kg/m3이다.7. 핵 형성 기작
밀도가 높은 물질은 밀도가 낮은 물질을 통과해 아래로 가라앉는 경향이 있으며, 상대적인 구조 강도에 영향을 받지만 물질이 용융 상태일 때는 강도가 감소한다. 밀도가 높은 대표적인 물질인 철은 행성 가운데로 모이며, 철과 쉽게 합금을 형성하는 친철원소도 여기에 섞여 같이 핵으로 가라앉는다. 하지만 밀도가 높은 원소 중 친석원소는 규소나 산소와 결합하여 반대 방향으로 올라간다.
가벼운 물질은 밀도가 높은 물질 사이에서 떠오르는 경향이 있다. 사장석이 대표적이며, 떠오르는 과정에서 돔 모양 지형 다이어피르를 형성하기도 한다. 지구에 있는 암염돔은 암염이 떠오르며 생긴 다이어피르이다. 화강암 등 저밀도 규산염 암석의 다이어피르는 지구의 지각에 다수 분포한다. 섭입대에서 맨틀의 물질이 변화하여 생긴 사문암도 다이어피르 형태로 떠오르기도 한다. 이화산 또한 저온 다이어피르의 일종으로 볼 수 있다.
핵 형성은 금속이 행성체 내부로 이동하며, 침투, 암맥 형성, 다이어피르즘, 충돌을 통한 직접 전달 등의 메커니즘이 사용된다.[6] 황, 니켈, 코발트 등 친철원소는 용융 상태의 철에 녹아, 철 합금의 분화를 촉진한다.[9]
강착 첫 단계에서 핵 형성의 기틀이 갖춰진다. 먼저 암석질 행성이 근처 행성의 궤도로 진입해, 충돌을 통해 크기가 커지거나 작아진다. 행성 크기가 크게 변하기 위해서는 비슷한 크기의 천체가 여러 번 충돌해야 한다.[12]
7. 1. 핵 형성 과정
밀도가 높은 물질은 밀도가 낮은 물질을 통과해 아래로 가라앉는 경향이 있다. 철과 같이 밀도가 높은 물질은 행성 가운데로 모이고, 철과 쉽게 합금을 형성하는 친철원소도 핵으로 가라앉는다. 지구에서는 용융 상태의 철이 대륙 지각보다 밀도가 커 지각을 뚫고 맨틀로 내려갔다.[12]핵이 형성될 때는 행성 내부의 금속 물질이 움직이는 여러 기작이 작용하는데,[12] 암맥, 침투, 다이어피르즘, 충돌을 통한 물질의 직접 전달 등이 있다.[12] 침투는 금속과 규소 간의 밀도 차이로 인해 금속이 아래로 내려가는 작용이며,[12] 암맥은 새 암석이 기존에 있는 암석 틈에 형성되는 것이다.[12] 어떤 천체가 다른 천체에 충돌하면 충돌을 통한 물질의 직접 전달이 일어나며, 충돌 과정에서 핵의 금속 성분 교환이 발생한다.[12]
소행성과 행성의 분화는 강착 단계가 끝난 이후에 일어났을 가능성이 크다. 지구형 행성과 철질운석에는 철-니켈 합금이 존재하며,[9] 지구의 핵은 철-니켈 합금이 주요 구성 성분이다. 방사성 동위 원소 분석 연구에서는 핵 형성 과정이 태양계 초기에 진행되었을 것을 시사했다.[9]
참조
[1]
논문
Evolution of uranium and thorium minerals
https://www.degruyte[...]
2009
[2]
논문
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http://dx.doi.org/10[...]
1993
[3]
간행물
Differentiation, Planetary
http://link.springer[...]
Springer Berlin Heidelberg
2021-11-08
[4]
논문
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https://www.scienced[...]
2008
[5]
논문
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https://onlinelibrar[...]
1979
[6]
간행물
Early Differentiation and Core Formation
http://dx.doi.org/10[...]
John Wiley & Sons, Inc
2015
[7]
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[9]
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https://onlinelibrar[...]
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