달의 마그마 바다

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1. 개요
2. 초기 상태
- 2.1. 초기 화학 조성과 깊이
3. 결정화 단계
- 3.1. 결정화 순서
4. 기간
- 4.1. 연대 측정 및 가열원
5. 반론
참조

1. 개요

달의 마그마 바다는 달이 형성된 초기 단계에 존재했던 것으로 추정되는 거대한 규모의 용융 상태의 물질을 의미한다. 초기 화학 조성, 깊이, 온도가 열역학적 진화 과정에 영향을 미치며, 일반적으로 47.1% SiO2, 33.1% MgO, 12.0% FeO, 4.0% Al2O3, 3.0% CaO의 조성을 가지며, 깊이는 1000km로 추정된다. 마그마 바다는 감람석과 휘석의 결정화로 시작하여 사장석이 주를 이루는 사장암이 형성되면서 달의 원시 지각을 만들었다. 달의 마그마 바다는 달 형성 후 수천만 년에서 수억 년 동안 존재했을 것으로 추정되며, 철질 사장암 표본과 KREEP의 연대를 통해 그 지속 기간을 추정한다. 달의 마그마 바다 이론에 대한 대안으로, 단계적 마그마화 이론과 연속 마그마 작용 모델이 제시되기도 한다.

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달의 지질 - KREEP
KREEP는 칼륨, 희토류 원소, 인이 풍부한 달 암석으로, 폭풍의 대양과 비의 바다 밑에 집중된 폭풍 KREEP 지형에서 주로 발견되며 달의 기원과 진화 연구에 중요한 자료이다.
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달의 마그마 바다
개요
유형	지구형 행성
구성 성분	감람석 휘석 사사장석
이론적 모델
정의	달의 초기 진화 단계에서 표면 전체를 덮고 있었을 것으로 추정되는 마그마 층
형성 시기	달의 탄생 직후
형성 메커니즘	거대 충돌 가설에 따라 지구와 충돌한 테이아의 잔해로 형성된 원시 달이 겪은 극심한 열적 진화 원시 달 표면에 운석 충돌로 인한 열에너지 축적
진화 과정	마그마 해양 냉각 및 결정화 밀도에 따른 광물 분리 및 층상 구조 형성 사장석 부상 및 현무암질 마그마 고결
잔재	달 고지대를 구성하는 회장암 KREEP (칼륨, 희토류 원소, 인이 풍부한 물질)
증거	회장암의 높은 사장석 함량 달 표면 암석의 희토류 원소 분포 패턴 텅스텐 동위원소 분석 결과
연구
연구 방법	달 표면 암석 샘플 분석 달 탐사 위성 데이터 분석 실험실에서의 광물 결정화 실험 컴퓨터 시뮬레이션
관련 연구	달의 기원 및 초기 진화 연구 지구형 행성의 마그마 해양 진화 연구 운석 충돌과 행성 표면 변화 연구
참고 자료
관련 용어	거대 충돌 가설 회장암 사장석 현무암 KREEP
추가 정보
관련 정보	달의 내부 구조 달의 지질학적 역사 지구의 초기 진화

2. 초기 상태

달의 마그마 바다의 초기 상태는 화학 조성, 깊이, 온도의 세 가지 요소에 의해 결정되며, 이 요소들이 열역학적 진화 과정을 결정한다.^[45] 달의 마그마 바다에 대해서는 불확실성이 있지만, 일반적으로 사용되는 수치는 47.1% SiO₂, 33.1% MgO, 12.0% FeO, 4.0% Al₂O₃, 3.0% CaO이며, 초기 깊이는 1000 km, 온도는 1900 K이다.^[45]

2. 1. 초기 화학 조성과 깊이

달의 마그마 바다의 초기 화학 조성은 달 표본의 성분, 현재 달 지각의 성분 및 두께를 바탕으로 추정한다. 컴퓨터 모델링에서는 화학 조성을 기본 분자인 SiO₂, MgO, FeO, Al₂O₃, CaO의 중량 백분율로 정의한다. 이러한 조성은 지구의 맨틀과 유사하지만, 내화물질의 구성비에 차이가 있다.^[49]^[44]

초기 깊이 추정치는 100 km부터 달의 반지름 전체까지 다양하다.^[50]^[45]^[51]^[52]

3. 결정화 단계

달의 마그마 바다(LMO)에서 광물이 결정화되는 순서는 초기 상태(화학적 조성, 깊이, 온도 등)에 따라 달라진다. 보언의 반응 계열에 따르면 감람석과 휘석이 먼저 결정화되어 밀도 차이로 인해 아래로 가라앉는다. LMO가 약 80% 정도 결정화되면 사장석 등 다른 광물들이 결정화된다. 사장암은 위로 떠올라 달의 원시 지각을 형성한다.^[6]

3. 1. 결정화 순서

광물의 결정화 순서는 마그마 바다의 초기 상태에 따라 달라진다. 보언의 반응 계열에 따르면, 감람석과 휘석이 가장 먼저 결정화된다. 이 광물들은 주변 마그마보다 밀도가 높아 아래로 가라앉기 때문에, 마그마 바다는 아래쪽부터 굳는 것처럼 보인다. 마그마 바다가 80% 정도 결정화되면, 사장석이 다른 광물들과 함께 결정화된다. 사장석이 주성분인 사장암은 위로 떠올라 달의 원시 지각을 형성한다.^[6]

4. 기간

달의 마그마 바다는 달 형성 이후 수천만 년에서 수억 년 동안 존재했을 것으로 추정된다. 철질 사장암 표본과 KREEP의 연대 측정을 통해 마그마 바다의 지속 기간을 추정할 수 있다. 과거에는 철질 감람암 간 나이 차이를 통해서도 지속 기간을 측정하려 했으나, 표본 나이의 오차가 크고 충돌로 인해 표본의 나이가 바뀐다는 문제점이 있었다.

4. 1. 연대 측정 및 가열원

달의 마그마 바다는 달이 형성된 후 수천만 년에서 수억 년 동안 존재했을 것으로 추정된다. 달의 형성 시기는 칼슘-알루미늄 포유물 형성 이후 5200만~1억 5200만 년 사이로 추정되지만, 마그마 바다의 정확한 형성 시기는 불분명하다. 반면 마그마 바다가 사라진 시기는 철질 사장암 표본 60025 (43억 6000만±300만 년)와 KREEP의 추정 연도 (43억 6800만±2900만 년)를 통해 비교적 정확히 추산할 수 있다.^[55]

만약 달이 태양계 형성 후 5200만 년 후에 형성되었다면, 표본과 KREEP 연도를 마그마 바다가 완전히 결정화된 시점으로 보아 마그마 바다의 지속 기간은 1억 5500만 년이 된다. 이 경우 컴퓨터 모형에서는 조석 가열 등 추가적인 가열원이 있어야 마그마 바다의 결정화가 지연된다는 결과가 나온다.^[53]^[54] 달이 태양계 형성 후 1억 5200만 년 즈음에 형성되었다면, 표본과 KREEP 연도를 통해 5500만 년 동안 존재했다는 결론을 얻으며, 이는 마그마 바다를 가열한 추가적인 열원이 없었다는 것을 의미한다.

과거에는 철질 감람암 간 나이 차이를 통해 마그마 바다의 지속 기간을 측정하려 하였으나, 표본 나이의 오차가 크고 충돌로 인해 표본의 나이가 바뀐다는 문제점이 있었다. 가장 오래된 철질 감람암 표본은 67016으로 45억 6000만±7000만 년이고,^[56] 가장 최근 표본은 62236으로 42억 9000만±600만 년으로,^[57] 둘 사이의 차이는 2억 7000만 년이다. 이 수치에 따르면 위와 마찬가지로 다른 가열원이 있어야 한다.^[53]

5. 반론

달의 마그마 바다 이론에 대한 대표적인 대안으로 단계적 마그마화 이론이 제시되기도 한다.^[58]^[59] 연속 마그마 작용 모델은 달의 마그마 바다 모델의 대안 모델 중 하나이다.^[29]^[30]

참조

_[1] 논문 Tungsten isotopes in ferroan anorthosites: Implications for the age of the Moon and lifetime of its magma ocean 2009-02
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_[4] 논문 Angular Momentum Transfer in a Protolunar Disk https://cds.cern.ch/[...] 2001-10-10
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