버지스 셰일
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1. 개요
버지스 셰일은 약 5억 5백만 년 전 캄브리아기에 형성된 퇴적암 지층으로, 캐나다 브리티시컬럼비아주에 위치하며, 다양한 해양 생물의 화석을 포함하고 있다. 1909년 찰스 둘리틀 월콧에 의해 처음 발견되었으며, 1980년 유네스코 세계 유산으로 지정되었다. 이 지층은 캄브리아기 생태계를 연구하는 데 중요한 자료를 제공하며, 특히 연조직까지 보존된 화석들을 통해 당시 생물들의 다양성과 진화 과정을 엿볼 수 있게 한다. 버지스 셰일은 2022년 국제지질과학연합(IUGS)에 의해 '지질 유산지'로 선정되었다.
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| 버지스 셰일 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 지층 |
| 시기 | 미아오링기 |
| 연대 | ~ |
| 명명 유래 | 버지스 고개(Burgess Pass) |
| 명명자 | 찰스 두리틀 월코트(Charles Doolittle Walcott), 1911년 |
| 지역 | 요호국립공원과 쿠트니국립공원 |
| 국가 | 캐나다 |
| 상위 단위 | 스티븐 층(Stephen Formation) |
| 두께 | 161 m |
| 지질학적 특징 | |
| 주 암질 | 셰일 |
| 지도 | |
 | |
| 추가 정보 | |
| 관련 정보 | 버지스 셰일 유형 동물군(Burgess Shale type fauna) 버지스 셰일 화석(Fossils of the Burgess Shale) 버지스 셰일의 고생물상(Paleobiota of the Burgess Shale) |
2. 역사
버제스 셰일은 1909년 8월 30일, 현장 조사 시즌이 거의 끝나갈 무렵 고생물학자 찰스 월콧이 발견했다.[5] 그는 1910년에 아들, 딸, 아내와 함께 돌아와 화석이 많이 발견된 능선 측면에 채석장을 만들었다. 월콧은 이곳 화석들의 연조직 보존 상태가 뛰어나고, 당시 과학계에 알려지지 않았던 새로운 생물들이 많다는 점을 인식하고 1924년까지 거의 매년 채석장을 찾았다. 74세가 될 때까지 그는 65,000점이 넘는 표본을 수집했다. 이 방대한 양의 화석을 분류하고 설명하는 것은 매우 어려운 작업이었으며, 월콧은 1927년 세상을 떠날 때까지 이 연구를 계속했다. 당시의 과학적 관점에 따라 월콧은 모든 화석을 현존하는 생물 분류 체계 안에 넣으려고 시도했고, 그 결과 버제스 셰일 화석들은 한동안 단순한 호기심 거리 정도로만 여겨졌다. 1962년, 이탈리아의 고생물학자 알베르토 시모네타가 처음으로 월콧이 수집한 화석들을 직접 재조사했다. 이를 통해 과학자들은 월콧의 연구가 버제스 셰일이 가진 정보의 극히 일부만을 다루었을 뿐이며, 이곳의 생물들이 현존하는 생물 그룹에 쉽게 들어맞지 않는다는 사실을 깨닫기 시작했다.
월콧 채석장에서의 발굴은 삼엽충 전문가인 해리 블랙모어 휘팅턴의 제안으로 캐나다 지질 조사소에 의해 재개되었고, 월콧 채석장에서 약 20m 위쪽에 '레이먼드 채석장'이라는 새로운 채석장이 만들어졌다. 휘팅턴은 케임브리지 대학교의 연구생이었던 데릭 브리그스와 사이먼 콘웨이 모리스의 도움을 받아 버제스 셰일 화석군에 대한 철저한 재평가 작업에 착수했다. 이 연구를 통해 버제스 셰일에서 발견된 동물상이 월콧이 생각했던 것보다 훨씬 다양하고 특이하다는 사실이 밝혀졌다. 발견된 동물 중 다수는 기이한 해부학적 특징을 가지고 있었으며, 기존에 알려진 다른 동물들과는 거의 유사점을 찾기 어려웠다. 예를 들어 다섯 개의 눈과 진공청소기 호스 같은 주둥이를 가진 ''오파비니아'', 그리고 처음에는 위아래가 뒤집힌 채로 재구성되어 가시 위를 걷는 모습으로 알려졌던 ''할루키게니아'' 등이 대표적이다.
캐나다 공원 관리청과 유네스코가 버제스 셰일의 중요성을 인식하면서, 1970년대 중반부터는 화석 수집이 이전보다 어려워졌다. 화석 수집과 연구는 로열 온타리오 박물관을 중심으로 계속되었다. 이 박물관의 무척추 고생물학 큐레이터인 데스몬드 콜린스는 원래의 월콧 채석장보다 층서적으로 더 높거나 낮은 위치에서 여러 개의 추가적인 화석 노두를 발견했다. 이 새로운 지역들에서는 계속해서 새로운 종류의 고생물 화석이 발견되고 있으며, 그 발견 속도가 연구 속도를 앞지를 정도이다.
스티븐 제이 굴드가 1989년에 출판한 책 ''원더풀 라이프''는 버제스 셰일 화석을 대중에게 널리 알리는 계기가 되었다. 굴드는 이 책에서 버제스 셰일 화석들이 보여주는 엄청난 다양성은 당시 생명체들이 현재 살아있는 생물들보다 훨씬 더 다양한 신체 구조를 가졌음을 의미하며, 많은 독특한 생물 계통들이 진화 과정에서 실험적으로 나타났다가 멸종했다고 주장했다. 굴드의 이러한 해석은 주로 사이먼 콘웨이 모리스가 찰스 월콧의 초기 연구를 재해석한 내용에 기반했지만, 정작 콘웨이 모리스는 굴드의 결론에 강하게 반대하며 캄브리아기 동물군의 거의 대부분이 현존하는 문으로 분류될 수 있다고 주장했다.[6]
버제스 셰일 유적은 그 중요성을 인정받아 1980년에 유네스코 세계유산으로 지정되었고, 1984년에는 캐나다 로키산맥 공원군의 일부로 통합되어 세계유산으로 재지정되었다.
2012년에는 기존 지역 남쪽에 위치한 쿠테니 국립 공원에서 또 다른 버제스 셰일 노두가 발견되었다는 발표가 있었다. 2013년에 15일 동안 진행된 현장 조사에서 이 새로운 지역에서만 50종의 동물 화석이 발굴되었다.[8]
버제스 셰일은 연조직까지 매우 선명하게 보존된 고생대 동물 화석이 대량으로 출토된 것으로 유명하다. 이곳에서 발견된 아노말로카리스, 오파비니아, 할키게니아, 마렐라 등의 독특한 동물군은 "'''버제스 동물군'''" 또는 "'''버제스 셰일 동물군'''"으로 불리며, 현재도 발굴과 연구가 활발히 진행 중이다. 극히 오래된 시대의 동물 화석이 집중적으로 발견되는 장소로서 초기부터 주목받았지만, 발견된 기묘한 형태의 동물들이 기존의 분류 체계에 들어맞지 않아 이를 어떻게 해석할 것인지를 두고 광범위한 학술적 논쟁이 벌어지기도 했다.
2. 1. IUGS 지질 유산
2022년 10월, 국제지질과학연합(IUGS)은 전 세계 100개의 '지질 유산지' 목록을 발표했으며, 여기에 '버제스 셰일 캄브리아기 고생물 기록'을 포함시켰다. 이는 버제스 셰일 지역이 뛰어난 연조직 보존 상태를 보여주며, 캄브리아기 해양 생태계의 가장 완전한 화석 기록을 담고 있다는 점을 인정한 결과이다. IUGS는 'IUGS 지질 유산지'를 "참고 자료로 사용되며, 역사상 지질 과학 발전에 상당한 기여를 한, 국제적인 과학적 관련성이 있는 지질 요소 및/또는 과정을 가진 주요 장소"라고 정의한다.3. 지질학적 환경
버제스 셰일의 화석을 포함한 퇴적물은 스티븐 층(Stephen Formation)이라는, 약 5억 8백만 년 전 형성된 약간 석회질 성분을 포함한 어두운 이암 집합체에 속한다. 이 퇴적층은 당시 약 160m 높이의 절벽 기저부에 쌓였으며, 그 깊이는 폭풍 시 파도의 영향을 받지 않는 수준이었다.[10] 이 수직 절벽은 대성당 층(Cathedral Formation)이라 불리는 석회암 암초로 이루어져 있었는데, 이는 버제스 셰일이 퇴적되기 직전에 형성된 것으로 추정된다.
정확한 형성 메커니즘은 확실히 알려져 있지 않지만, 가장 널리 받아들여지는 가설은 대성당 층 암초의 가장자리가 암초의 나머지 부분에서 분리되어 암초 가장자리에서 수 킬로미터 떨어진 곳으로 붕괴되고 운반되었을 가능성을 제시한다. 이후 층의 기저부에서 단층이 재활성화되어 약 5억 9백만 년[11] 전부터 해체되었다. 이 과정에서 가파른 절벽이 남았으며, 대성당 층의 석회암은 압축하기 어렵기 때문에 절벽 바닥은 지각 압축으로부터 보호받았을 것이다. 이러한 보호로 인해 대성당 층에서 더 멀리 보존된 화석을 다루는 것이 불가능한 이유가 설명된다. 지각 압축으로 인해 암석에 금이 생기는 수직 절리가 생성되어 화석에 수직으로 쪼개진다. 월콧 채석장은 스티븐 층과 매우 가까웠기 때문에 이러한 놀라운 화석을 산출했는데, 실제로 채석장은 이제 캄브리아기 절벽의 가장자리까지 발굴되었다.
원래 버제스 셰일은 무산소 조건에서 퇴적된 것으로 생각되었지만, 증가하는 연구 결과에 따르면 퇴적물에 산소가 지속적으로 존재했다는 것을 보여준다.[12] 무산소 환경은 새로 죽은 유기체를 부패로부터 보호할 뿐만 아니라, 유기체의 부드러운 부분을 보존할 수 있는 화학적 조건을 만들었다고 생각했다. 또한, 굴을 파는 유기체의 풍부함을 감소시켰다. 굴과 궤적은 부드러운 몸체를 가진 유기체가 포함된 층에서 발견되지만, 드물고 일반적으로 수직적 범위가 제한적이다. 염수 샘은 또 다른 가설이다. 자세한 내용은 버제스 셰일 유형 보존을 참조하십시오.
4. 층서
버지스 셰일 층은 10개의 층원(member)으로 구성되어 있으며, 가장 유명한 층원은 주요 엽각류층을 포함하는 왈콧 채석장 셰일 층원이다.[10]
5. 화석화 작용과 속성 작용
버제스 셰일의 화석은 검은색 셰일 위에 검은색 탄소막 형태로 보존되어 있어 사진 촬영이 어렵다. 하지만 다양한 사진 기술을 통해 이미지 품질을 향상시킬 수 있다.[20] 다른 기술로는 후방 산란 전자 현미경, 원소 매핑, 그리고 ''카메라 루시다'' 드로잉 등이 있다. 이미지를 얻은 후에는 정확한 해부학적 재구성을 위해 부패와 매몰 과정의 영향을 고려해야 한다. 화석 특징들의 조합을 분석하여 연구자들은 분류학적 유연성을 확립할 수 있다.
원래 버제스 셰일은 무산소 환경 조건에서 퇴적되었다고 여겨졌으나, 점차 증가하는 연구 결과는 퇴적물에 산소가 지속적으로 존재했음을 시사한다.[12] 과거에는 무산소 환경이 유기체의 부패를 막고 연조직 보존에 유리한 화학적 조건을 만들었을 것으로 생각되었다. 또한, 이러한 환경은 굴 파는 생물의 활동을 제한했을 것으로 추정되었다. 실제로 연조직 화석이 발견되는 지층에서도 생물들의 굴이나 이동 흔적이 발견되지만, 그 빈도가 낮고 수직적 범위도 제한적이다. 염수 샘(brine seep영어) 역시 화석 보존의 한 요인으로 제시되는 가설 중 하나이다. (자세한 내용은 버제스 셰일형 보존 문서 참고)
캄브리아기에는 버제스 셰일과 같이 보존 상태가 매우 뛰어난 화석 산지인 '라거슈테테'(Lagerstätte|라거슈테테de)가 많이 존재한다. 이러한 화석 집합체는 다른 어떤 지질 시대보다 캄브리아기에 훨씬 흔하게 발견된다. 이는 주로 당시 해저 퇴적물을 파고드는 생물의 활동이 상대적으로 제한적이었기 때문으로 설명된다. 캄브리아기 동안 생물교란(bioturbation) 활동이 점차 활발해지는 캄브리아기 기질 혁명이 진행되면서, 유기체의 연조직까지 보존될 수 있는 환경은 점차 드물어졌다. (선캄브리아 시대 동물의 화석 기록은 상대적으로 희소하고 해석이 모호한 편이다. 에디아카라 생물군 참조.)
6. 생물군
버제스 셰일의 생물군은 중기 캄브리아기 퇴적층의 전형적인 특징을 나타내는 것으로 보인다. 경조직을 가진 생물은 전체 군집의 약 14%에 불과하지만, 이는 다른 캄브리아기 지역에서 발견되는 비율과 비슷하다. 따라서 경조직이 없는 생물들이 특별히 예외적인 것은 아니라고 볼 수 있다. 버제스 셰일에서 발견되는 많은 생물들은 다른 시대와 장소의 라거슈테테에서도 나타난다.
생물군은 다양한 유기체로 구성되어 있다. 자유롭게 헤엄치는 유영성(nektonic) 생물은 비교적 드물며, 대부분의 생물은 해저 바닥에 사는 저서성(benthic) 생물이었다. 이들은 바닥을 기어 다니거나(방랑성, vagrant) 한곳에 영구적으로 부착되어 살았다(고착성, sessile). 버제스 셰일 생물 중 약 2/3는 해저의 진흙 속 유기물을 섭취하며 살았고(퇴적물 섭식자, deposit feeder), 거의 1/3은 물속의 미세 입자를 걸러 먹었다(여과 섭식자, filter feeder). 포식자(predator)나 청소동물(scavenger)은 전체 개체수의 10% 미만이었지만, 이들은 몸집이 더 컸기 때문에 전체 생물량(biomass)으로 보면 여과 섭식, 퇴적물 섭식, 포식 및 청소 동물 그룹 간에 비슷하게 분배되었다.
많은 버제스 셰일 생물들은 현생 동물 문(phylum)의 초기 진화 단계를 보여주는 줄기군(stem group) 구성원으로 여겨지지만, 특정 문의 특징을 완전히 갖춘 관군(crown group)의 대표 생물도 존재한다.[19]
특히 버제스 셰일에서는 이전까지 발견된 적 없는 동물 화석들이 연조직까지 선명하게 보존된 상태로 대량 출토되어 유명해졌다. 이곳에서 발견된 아노말로카리스, 오파비니아, 할루키게니아, 마렐라 등 독특한 동물들은 "'''버제스 동물군'''" 또는 "'''버제스 셰일 동물군'''"으로 불리며, 현재도 발굴 및 연구가 계속되고 있다. 이 동물 화석들은 매우 오래된 시대의 것임에도 보존 상태가 뛰어나 주목받았다. 발견 초기에는 일부 기묘한 형태의 작은 동물 화석들을 기존의 분류 체계, 특히 절지동물 범주 안에 포함시키려 했으나 잘 들어맞지 않아, 이들을 어떻게 이해하고 분류할 것인가에 대한 광범위한 논쟁을 불러일으켰다. 이러한 독특한 생물군과 그 의미는 1989년 고생물학자 스티븐 제이 굴드가 쓴 『원더풀 라이프』(원제: Wonderful Life)를 통해 대중에게 널리 알려지게 되었다.
7. 관련 지역
버제스 동물군과 거의 같은 생물층 화석은 중국 윈난성 청장현에서 발견되었으며, 이는 청장 생물군이라고 불린다. 또한 오스트레일리아에서는, 버제스 동물군이나 청장 생물군이 속하는 캄브리아기보다 더 시대가 오래된 선캄브리아 시대 후기 에디아카라기에 속하는 것으로 보이는 지층에서 에디아카라 생물군이 발견되었다.
8. 접근 방법
캐나다 앨버타 주 캘거리에서 자동차로 밴프와 레이크 루이스를 지나 트랜스캐나다 고속도로(1번 국도)를 타면 브리티시컬럼비아 주로 들어서게 된다. 필드(Field) 마을에 도착하면 북쪽으로 버지스 산(해발 2599m)과 필드 산(해발 2635m)을, 동쪽으로는 스티븐 산(해발 3199m)을 볼 수 있다. 유명한 화석 산지인 월콧 채석장(Walcott Quarry)은 에메랄드 호에서 버지스 고개를 넘어 필드 산 방향으로 가는 길에 있으며, 와프타 산과의 사이에 자리 잡고 있다.
스티븐 산에서도 필드 산과 동일한 지층에서 다량의 삼엽충 화석 등이 발견되었다. 이는 찰스 월코트가 버지스 셰일을 발견하기 이전인 1886년에 철도 건설 노동자들이 처음 찾아낸 것이다. 월콧 채석장과 스티븐 산의 화석 발견지는 모두 일반인의 출입이 금지되어 있지만, 필드 마을에 있는 방문자 센터를 통해 가이드 동반 투어를 예약하여 탐방할 수 있다.
참조
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2009-02-06
[2]
논문
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[3]
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Hooking some stem-group" worms": fossil lophotrochozoans in the Burgess Shale
[5]
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Royal Ontario Museum
2013-08-29
[6]
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[7]
서적
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[8]
뉴스
New fossil bed found by scientists hailed as 'motherlode'
https://www.cbc.ca/n[...]
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2022-11-13
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논문
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[11]
논문
Reinterpretation of 'Middle' Cambrian stratigraphy of the rifted western Laurentian margin: Burgess Shale Formation and contiguous units (Sauk II Megasequence); Rocky Mountains, Canada
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논문
Comparison of Geochemical and Distinctive Mineralogical Features Associated with the Kinzers and Burgess Shale Formations and their Associated Units
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논문
Organic Preservation of Non-Mineralizing Organisms and the Taphonomy of the Burgess Shale
[14]
논문
Ubiquitous Burgess Shale–style "clay templates" in low-grade metamorphic mudrocks
[15]
논문
Cambrian Burgess Shale Animals Replicated in Clay Minerals
[16]
논문
Taphonomy of the Greater Phyllopod Bed Community, Burgess Shale
[17]
논문
A new hypothesis for organic preservation of Burgess Shale taxa in the middle Cambrian Wheeler Formation, House Range, Utah
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논문
Fossil Diagenesis in the Burgess Shale
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Hallucigenia's head and the pharyngeal armature of early ecdysozoans
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Teasing Fossils out of Shales with Cameras and Computers
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2009-02-06
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