충돌구

3. 충돌구 형성 과정

고속 충돌은 융해 및 증발과 같은 물리적 영향을 일으킨다. 지구 대기는 충돌체의 속도를 늦추지만, 큰 물체는 초기 속도를 거의 그대로 유지하며 충돌한다. 충돌 과정은 크게 세 단계로 나뉜다.

1. 접촉 및 압축 단계: 충돌체가 대상 표면에 닿아 압축되고, 충격파가 발생하여 물질을 고밀도 상태로 변환시키며 온도를 상승시킨다.

2. 굴착 단계: 운석구가 커지면서 물질이 분출되고, 융기된 가장자리가 형성된다. 최대 크기에 도달한 공동을 일시적 공동이라고 한다.

3. 수정 및 붕괴 단계: 일시적 공동은 불안정하여 붕괴하는데, 이 과정에서 단순 충돌구 또는 복합 충돌구가 형성된다.

4. 충돌구의 형태

충돌구의 형태는 그 직경에 따라 다양하게 나타나는데, 크게 단순 충돌구, 복합 충돌구, 중앙 융기 크레이터, 중앙 링 크레이터, 다중 링 크레이터 등으로 구분된다.^[38]

가장 작은 크레이터는 단면이 단순한 사발 모양을 하고 있으며, '''단순 크레이터'''라고 불린다. 단순 크레이터의 직경과 깊이는 비례 관계를 가지는데, 암석 천체의 경우 직경의 약 0.2배, 얼음 천체의 경우 0.1배의 깊이를 가진다.

충돌 규모가 커지면 크레이터의 형태는 '''복합 충돌구'''로 변화한다. 이 크레이터는 묻혀진 평평한 바닥을 가지며, 중심에 중앙 융기를 갖는 경우가 많아 '''중앙 융기 크레이터'''라고도 불린다. 크레이터 규모가 더 커지면 중앙 융기는 링 모양의 구조를 띠기 시작하는데, 이를 '''중앙 링 크레이터'''라고 한다. 최대 규모의 충돌에서는 동심원상의 여러 링 구조를 가진 '''다중 링 크레이터'''가 형성된다.

크레이터가 단순형에서 복잡형으로 변화하는 경계는 달의 경우 15 - 20km, 수성에서는 10km, 화성에서는 5km 정도이다. 중력이 강한 천체일수록, 그리고 지표 구성 물질이 얼음일 경우 복잡 크레이터가 형성되기 쉽다.

얼음 천체에서는 중앙 피크 대신 중앙 구덩이가 나타나기도 하며, 가장 큰 크기에서는 많은 동심원 링이 나타날 수 있다. 칼리스토의 발할라가 대표적인 예이다.

운석이 매우 얕은 각도로 충돌하면 타원형이나 눈물 방울 모양의 크레이터가 형성될 수 있다. 지구에서는 아르헨티나 코르도바 주의 리오 쿠아르토 크레이터가 알려져 있으며, 달의 풍요의 바다에 있는 크레이터 메시에와 화성의 크레이터 오르쿠스 파테라도 그 예이다.

크레이터는 아래와 같은 다양한 형태를 가질 수 있다.

• 천체의 운동 에너지.
• 천체의 입사각.
• 표면 중력.
• 대기의 유무, 있다면 그 밀도.
• 충돌 지점의 지질.
• 침식의 유무, 성질, 기간.

5. 다른 행성의 충돌구

수성은 달과 마찬가지로 표면이 충돌구로 덮여 있으며, 수성의 충돌구는 예술가와 문학가의 이름을 따서 명명되었다.^[37]

금성은 두꺼운 구름 때문에 레이더로 표면을 관측한다. 마젤란 탐사선의 관측 결과 수백 개의 충돌구가 발견되었으며, 지역적 편중성은 없는 것으로 나타났다. 금성의 두꺼운 대기와 높은 온도, 기압 때문에 작은 충돌구는 드물고, 여러 개가 모여 있는 경우가 많다.

화성의 충돌구는 남반구에 집중되어 있다. 북반구는 평균 고도가 낮아 풍화작용을 받은 것으로 보인다.

목성의 위성인 칼리스토와 가니메데에는 많은 충돌구가 있다. 소행성 베스타는 자체 직경에 필적하는 크레이터인 레아실비아를 가지고 있다.

얼음 위성 표면에서도 충돌구를 볼 수 있다. 가니메데에는 13개의 충돌구가 사슬 형태로 연결된 것이 있는데, 이는 슈메이커-레비 9 혜성처럼 목성의 중력에 의해 분해된 혜성이 충돌하여 생긴 것으로 추정된다. 칼리스토에는 다중 고리 구조의 발할라 분지가 있다. 미마스와 테티스는 직경의 3분의 1에 달하는 큰 충돌구를 가지고 있다. 타이탄은 두꺼운 대기와 구름으로 덮여 있어 가시광선 관측은 어렵지만, 카시니의 레이더 관측으로 몇몇 충돌구가 발견되었다.

목성, 토성, 천왕성, 해왕성은 고체 표면이 없어 충돌구가 없다.

이오는 화산 활동이 활발하여 표면 지형의 수명이 짧아 충돌구가 없다. 지구, 유로파, 트리톤, 타이탄은 충돌구가 매우 적으며, 이는 대기나 화산 활동으로 인한 침식 작용 때문으로 추정된다.

6. 지구의 충돌구

지구는 달과 달리 대기와 물에 의한 침식 작용과 판 구조론에 의한 지각 변동이 활발하여 충돌구의 흔적이 잘 남아있지 않다. 그럼에도 불구하고, 현재까지 지구상에서 100개 이상의 충돌구가 확인되었다.^[41]

• 배링저 크레이터(Barringer Crater): 미국 애리조나 주에 있으며, 세계 최초로 확인된 충돌구이다.
• 프레데포트 돔(Vredefort impact structure): 남아프리카 공화국에 위치하며, 현재 알려진 최대 운석 충돌 흔적이다. 20억 2300만 년 전, 직경 10~12km의 소행성이 충돌하여 림 직경 160km (파괴 범위 직경 300km)의 크레이터를 형성한 것으로 추정된다.^[41]
• 서드베리 분지(Sudbury Basin): 캐나다에 있으며, 18억 5000만 년 전 직경 10km의 운석이 충돌하여 림 직경 130km (파괴 범위 직경 ~260km)의 크레이터를 형성했다.^[41]
• 칙술루브 충돌구(Chicxulub Crater): 멕시코 유카탄 반도 지하 약 1000m에 매몰되어 있으며, 약 6500만 년 전 직경 10km의 운석이 충돌하여 림 직경 160km (파괴 범위 직경 ~240km)의 크레이터를 형성했다.^[41] 공룡 등 생물 대멸종의 원인으로 추정된다.

• 야라부바 크레이터(Yarrabubba crater): 오스트레일리아 서부에 있으며, 22억 2900만 년 전 형성된 직경 70km의 크레이터로, 현재 알려진 가장 오래된 운석 충돌 흔적이다.
• 미이케야마 크레이터: 일본 나가노현 이다시 가미무라에 있으며, 직경 900m로 일본에서 처음 확인된 충돌구이다.

6. 1. 한반도 및 주변 지역의 충돌구

• 수이옌 충돌구: 중국 랴오닝성 수이옌 만주 자치현에 위치한 충돌구로, 직경은 1800m이다.
• 합천 적중-초계 분지: 경상남도 합천군에 위치한 분지로, 운석 충돌 가능성이 높은 지역으로 꼽힌다. 추가적인 연구가 필요한 상황이다.

7. 충돌구 연구의 역사

1903년, 광산 기술자였던 다니엘 M. 배링거(Daniel M. Barringer)는 자신이 소유한 메테오 크레이터(Meteor Crater)가 우주에서 온 물체와 충돌하여 생겨났다고 확신했지만, 당시 대부분의 지질학자들은 이것이 화산 증기 폭발로 만들어진 것이라고 생각했다.^[14]

1920년대에, 미국 지질학자 월터 H. 부처(Walter H. Bucher)는 현재 미국에서 충돌구로 인식되는 여러 곳을 연구했다. 그는 거대한 폭발로 인해 만들어졌다고 결론 내렸지만, 화산 활동이 원인이라고 생각했다. 그러나 1936년에 지질학자 존 D. 분(John D. Boon (geologist))과 클로드 C. 알브리튼 주니어(Claude C. Albritton Jr.)는 부처의 연구를 다시 검토하고 그가 연구한 크레이터가 충돌로 형성되었을 것이라고 결론 내렸다.^[13]

1893년 그로브 칼 길버트(Grove Karl Gilbert)는 달의 크레이터가 거대한 소행성 충돌로 형성되었다고 제안했고, 랄프 볼드윈(Ralph Baldwin)은 1949년에 달의 크레이터가 대부분 충돌 때문에 생겨났다고 썼다.

1960년경, 진 슈메이커(Gene Shoemaker)는 이 아이디어를 다시 연구했다. 데이비드 H. 레비(David H. Levy)에 따르면, 슈메이커는 "달의 크레이터를 지질 시대(geologic time scale)에 걸쳐 서서히 형성된 것이 아니라, 수 초 만에 폭발적으로 형성된 논리적인 충돌 지점으로 보았다." 해리 해먼드 헤스(Harry Hammond Hess)의 지도 아래 프린스턴 대학교(Princeton University)에서 철학 박사(PhD) 학위를 받은 슈메이커는 메테오 크레이터가 충돌할 때 어떠한 일이 발생하는지를 연구했다. 슈메이커는 메테오 크레이터가 1951년 작전 버스터-쟁글(Operation Buster-Jangle)과 1955년 작전 포트(Operation Teapot Ess)를 포함하여 네바다 시험장(Nevada Test Site)에서 핵무기(Nuclear weapon) 실험으로 만들어진 두 개의 폭발 크레이터(explosion crater)와 동일한 형태와 구조를 가지고 있음을 알아챘다. 1960년에 에드워드 C. T. 차오(Edward C. T. Chao)와 슈메이커는 메테오 크레이터에서 석영(silicon dioxide)의 일종인 코사이트(coesite)를 확인하여, 크레이터가 극도로 높은 온도와 압력을 발생시키는 충돌로 형성되었음을 증명했다. 그들은 뇌르틀링겐 리스(Nördlinger Ries)에서 수바이트(suevite) 내에서 코사이트를 발견하여 충돌 기원을 추가로 증명했다.^[14]

충격 변성 특징에 대한 지식을 바탕으로, 캐나다 브리티시 컬럼비아주 빅토리아(Victoria, British Columbia)에 있는 도미니언 천체물리학 관측소(Dominion Astrophysical Observatory)의 칼라일 S. 빌스(Carlyle S. Beals)와 독일 튀빙겐 대학교(University of Tübingen)의 볼프 폰 엥겔하르트(Wolf von Engelhardt)는 충돌구를 체계적으로 찾기 시작했다. 1970년까지, 그들은 50개 이상을 확인했다. 그들의 연구는 논란이 있었지만, 당시 진행 중이던 미국의 아폴로 계획(Apollo program) 달 착륙은 달에서 충돌구가 만들어지는 속도를 확인하여 그들의 주장을 뒷받침하는 증거를 제공했다.^[15] 달에서는 침식 과정이 거의 없기 때문에 크레이터가 오랫동안 유지된다. 지구는 달과 거의 같은 크레이터 생성 속도를 가질 것으로 예상되기 때문에, 지구는 눈에 보이는 크레이터를 세는 것보다 훨씬 더 많은 충돌을 겪었다는 것이 분명해졌다.

운석구의 생성 원인에 대해서는 여러 가설이 있었다. 1787년에 윌리엄 허셜은 운석구가 화산 분화구라는 논문을 발표했다. 1829년에 프란츠 폰 파울라 그루이투이젠(Franz von Paula Gruithisen)은 운석구가 천체의 충돌로 생겨났다는 가설을 발표했다.

초기에는 화산설이 우세했다. 그 이유는 다음과 같다.

1960년 경부터 지구의 운석구에서 운석 충돌을 뒷받침하는 고압으로 변성된 암석이 발견되거나, 아폴로 계획에서 달 표면에서 채취된 시료 분석이 이루어지면서 충돌설을 지지하는 증거가 많이 나왔다. 현재는 달의 운석구 대부분이 충돌로 생겨난 것으로 생각된다.

화산설에 대한 반론은 다음과 같다.

충돌설을 지지하는 증거는 다음과 같다.

수성은 달처럼 표면 전체가 크레이터로 덮여 있다. 1975년 미국 수성 탐사선 마리너 10호가 처음으로 밝혔다. 수성의 영어 이름 Mercury는 로마 신화 예술의 신 이름이기 때문에 수성 크레이터에는 문학가나 예술가 이름이 붙었다. 칼로리스 분지는 수성 최대의 크레이터(1350km)이다.

8. 충돌구의 경제적 중요성

지구에서 충돌구는 철, 우라늄, 금, 구리, 니켈 등 유용한 광물을 생성해 왔다. 북미 지역에서만 충돌 구조에서 채굴된 광물의 가치는 연간 50억달러로 추정된다.^[25] 충돌구의 유용성은 충돌 물질의 특성, 충돌 시점 등 여러 요인에 따라 달라진다.

• 선성 경제 매장: 충돌 이전부터 존재하던 광물이 충돌로 인해 표면으로 올라온 경우이다.
• 동시성 매장: 충돌 과정에서 발생하는 막대한 에너지로 인해 용융이 일어나 형성된 광물이다.
• 후성 매장: 충돌로 인해 분지가 생성되면서 발생하는 광물이다.

9. 충돌구 명명 규칙

지구 이외의 크레이터 이름은 국제천문연맹(IAU)이 결정한다.^[1] 각 천체별로 특정한 주제를 따라 이름이 붙여지는데, 주로 신화, 전설, 역사적 인물 등에서 이름을 따온다.^[1]

지구의 충돌구에는 공식적인 명명 제도가 없다.^[1] 호수나 분지로 이미 이름이 붙어 있는 경우도 있고,^[1] 이름이 없는 경우에는 발견자나 가까운 집락의 이름 등을 붙인다.^[1]

10. 폭발 크레이터

크레이터는 운석 충돌 외에도, 운석에 필적할 정도의 에너지가 순식간에 한 곳에서 발산되는 현상(즉, 폭발)에 의해서도 생성된다.

냉전 시대에는 네바다 핵실험장 등에 핵폭발에 의한 크레이터가 다수 생겼다. 그 대부분은 그 후의 풍우에 의해 자연 소멸되었거나, 인위적으로 매립되었다. 그러나 강력한 폭발이 일어난 곳과, 비가 잘 내리지 않는 지역에서 행해진 실험장에서는, 아직도 수십 년 전의 핵폭발 크레이터가 흔적으로 남아있는 곳도 있다.

오른쪽 그림의 크레이터는 1962년 7월 6일, 네바다 핵실험장에서 행해진 세단 핵실험에 의한 것으로, 그 때 방출된 에너지는 435테라줄(TNT 환산으로 104킬로톤)이다. 직경 약 390m, 깊이 약 97.5m의 크레이터가 생겼다.

; 핵 이외의 크레이터 예

• 크레이터 전투 - 남북 전쟁 중, 적의 요새 바로 아래에 갱도를 파서 폭발시킴으로써 크레이터가 생겼다.
• Lochnagar-Krater|로흐나가르 크레이터^de - 제1차 세계 대전 중, 영국의 공병이 독일 진지 바로 아래에서 폭발시켜 생긴 크레이터.^{[17][16][18][19]}

참조

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