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지구화학
지구화학(地球化學, geochemistry)은 화학적인 방법으로 지구를 연구하는 학문으로 화학지질학적 연구방법을 개척한 미국의 F. W. 클라크가 선구자이다.
연구의 최소단위는 화학원소 또는 핵종(核種)이다. 화학지질학적 연구방법을 개척한 미국의 F. W. 클라크가 선구자인데, 그는 처음으로 해수면 아래 약 16km 지점까지의 물질성분에 대하여 중요한 자료(클라크數)를 발표하였다. V. I. 베르나츠키는 《지구화학》(1924)이라는 저서에서 ‘지구화학이란 지구의 각 부분에 존재하는 화학원소를 밝히고, 그 역사 및 시간적·공간적 분포상태를 연구목적으로 한다’고 기술하고 있으며, 지구화학과 우주화학과의 관련성을 강조하고, 지구화학은 별에 관한 화학적 연구의 일부에 지나지 않는다고 하였다.
노르웨이의 V. M. 골슈미트는 미량원소의 지구화학 분야에서 X선분석·분광분석법을 활용하여 종래에 부족했던 이 방면의 자료를 많이 밝혔다. 또한 석질운석(石質隕石)이나 철질운석(鐵質隕石)을 분석하여 미량원소의 지구 심부 내 분포에 대하여 독특한 유추를 시도하였다. 그에 의하면, 저마늄은 지각보다 지구 중심의 니켈철로 된 핵에 다량 존재한다고 한다.
골슈미트는 지구화학을 첫째, 지구를 구성하는 화학원소의 분배율을 발견하고, 둘째, 지표 부근의 화학원소의 지구화학적 윤회, 특히 풍화·침식·퇴적 등의 지질작용에 의한 원소의 이동을 정량적으로 추구하는 것이라고 정의하였다. 그는 각 원소의 지구화학적 분배율에 관한 연구에 주력한 결과, 풍부한 결정화학적 지식을 활용하여 여러 가지 흥미 있는 성과를 얻었다. 지구화학의 연구에서 여러 분야의 지식이 없이 지구 전반에 걸친 화학적인 자료를 수집하는 것은 매우 어려운 일이다. 특히 맨틀이나 중심핵의 화학조성에 대해서는 지금까지 일치된 의견이 없고, 지구물리학·원자핵물리학·운석학 등의 연구결과를 이용하여 화학조성을 추정하고 있는 상태이다. 또한 원시지구의 조성을 아는 데는 지구성인론(地球成因論)을 필요로 하지만, 아직 확립되어 있지 않다.
개념 및 정의
지구화학이란 화학적 원리와 도구를 이용해 지구 내 다양한 시스템의 생성 및 변화 과정을 규명하는 지질학(地質學, geology)의 한 분야이다. 지구화학을 통해 지질연령을 측정하고, 마그마 방의 깊이 및 온도를 유추하고, 맨틀 플룸(mantle plume)을 인지하고, 변성암의 생성 온도 및 압력을 규명하고, 지각이 언제 그리고 어떻게 생성됐는지를 연구한다.
또한 지구화학은 대기의 형성 및 진화, 맨틀의 대류, 빙하기의 생성, 생명의 기원 등에 대해 중요한 실마리를 제공한다. 광산, 석유 등의 지하자원의 탐사에 지구화학적 탐사기법이 사용되고 있으며, 금성, 화성, 목성 등의 행성 연구에 지구화학적 장비가 이용되고 있다. 최근에 지구화학은 산성비, 오존의 구멍, 온실효과, 지구 온난화, 지하수 및 토양 오염 등의 환경문제로 그 영역을 넓혀가고 있다. 따라서 지구화학을 통해 지질학의 발전이 이루어졌다는 것은 결코 과장된 표현이 아니다.
지구화학은 지질학의 한 분야이지만 너무 광범위한 주제를 다루고 있기 때문에 지구화학자일지라도 지구화학의 모든 분야를 연구하지 못하고, 하나 또는 두 개의 세부분야에 집중한다. 지구화학의 세부분야에는 암석 지구화학(岩石 地球化學, geochemistry of rocks), 동위원소 지구화학(同位元素 地球化學, isotope geochemistry), 우주화학(宇宙化學, cosmochemistry), 생지화학(生地化學, biogeochemistry), 유기 지구화학(有機 地球化學, organic geochemistry), 수질 지구화학(水質 地球化學, aqueous geochemistry), 토양화학(土壤化學, soil chemistry), 지구화학탐사(地球化學探査, exploration geochemistry) 등이 있다.
지구화학은 지질학 내 다른 분야와 방법론적인 차이에도 불구하고, 지구와 지구의 변화를 이해하려는 동일한 목표를 가지고 있다. 반면 지구화학은 원리나 방법론에서 화학(化學, chemistry)과 유사하지만 연구대상 및 목표에 있어 근본적인 차이를 가지고 있다.
역사와 발전단계
'지구화학'이라는 용어는 1838년에 스위스 화학자인 크리스티안 프리드리히 쇤바인(Christian Friedrich Schönbein, 1799~1868)에 의해 처음 사용되었다. 이후 이 분야에 대한 인식이 점차 넓혀졌지만, 지질학자와 화학자들 사이에 '지구화학'이라는 용어는 사용되지 않았고, 더욱이 지구화학이 지질학에 속하는지, 화학에 속하는지에 대해 논쟁이 있었다. 이런 이유로 지질학자와 화학자 간의 지구화학에 대한 공동의 노력이 부족했고, 지구화학의 발전은 제한적일 수밖에 없었다.
근대적인 의미의 지구화학은 1884년 미국지질연구소, 1904년 워싱턴 D.C.에 위치한 카네기연구소 그리고 1910~1925년 사이의 노르웨이와 구소련을 비롯한 유럽국가에서의 지질연구소의 설립과 궤를 같이 한다. 이들 연구소에서 처음으로 암석 및 광물의 조성에 대한 체계적인 조사와 광물 안정도에 대한 열역학적 실험이 진행되었다. 예를 들어 프랑크 위글즈워스 클라크(Frank Wigglesworth Clarke, 1847~1931)는 1909년에 출판된 The Data of Geochemistry라는 책에서 미국 지질연구소 등에서 수행된 연구결과를 바탕으로 지각의 평균조성에 대한 자료를 제시했다.
한편, 유럽의 암석학자인 백후이스 루제붐(Bakhuys Roozeboom, 1854~1907)과 펜티 에이스쿨라(Pentti Eskola, 1883~1964)는 상법칙(相法則, Gibbs phase rule)을 이용해 변성암 연구의 지구화학적 토대를 마련했다. 이와 비슷한 시기에 워싱턴 D.C의 카네기연구소의 아서 루이스 데이(Arthur Louis Day, 1869~1960)를 비롯한 공동연구자들은 화성암의 성인에 대한 실험을 진행했다.
20세기에 지구화학은 몇 가지 주목할 만한 기술적 발전이 있었다. 1912년에는 막스 폰 라우에(Max von Laue, 1879~1960)가 X선을 이용해 결정질 물질에서 원자가 규칙적인 배열을 하고 있음을 발견했고, 이후 윌리엄 로렌스 브래그(William Lawrence Bragg, 1890~1971)는 X선 회절(―線回折, X-ray diffraction)을 이용해 소금의 결정구조를 밝혔다.
1920년대에는 오슬로 대학에서 빅토르 골트슈미트(Victor Goldschmidt, 1888~1947)와 그의 연구진은 광범위한 광물들의 결정구조를 밝히고, 이를 바탕으로 자연계에 존재하는 물질의 원소 분포에 대한 이론을 만들었다. 이런 공로로 그는 '근대 지구화학의 아버지'라 불리며, 그의 업적은 1922년에 Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente라는 책으로 출판되었다.
1930년대와 2차 세계대전에 이르는 기간 동안 철강 산업의 발전은 암석학자에게 고압실험을 가능하게 했다. 퍼시 윌리암스 브리지만(Percy Williams Bridgman, 1882~1961)과 공동연구자들은 하부지각과 상부맨틀과 흡사한 고온·고압조건에서 광물조합(鑛物組合, mineral assemblages)을 합성할 수 있었다. 이런 실험 지구화학의 발전으로 그동안 접근이 불가능했던 지구 내부를 연구할 수 있게 되었다.
지구연대학(地球年代學, geochronology)은 19세기 말에 이르러 방사성 동위원소(放射性同位元素, radioactive isotopes)의 발견으로 시작되었지만, 1930년대 후반에 고분해능 질량분석기(質量分析器, mass spectrometers)의 도입으로 본격화되었다. 한편 1936년에서 1939년 사이 미네소타 대학의 알프레드 오토 카를 니엘(Alfred Otto Carl Nier, 1911~1994)에 의해 25 원소에 대한 동위원소 조성이 밝혀짐에 따라 동위원소 지구화학(isotope geochemistry)의 토대가 마련되었다.
이후 1940년대 후반에는 해롤드 클레이턴 유레이(Harold Clayton Urey, 1893~1981)에 의해 안정 동위원소(安定同位元素, stable isotopes)가 자원지질학(資源地質學, resource geology)이나 환경지질학(環境地質學, environmental geology)의 주요 연구기법으로 정착되었다. 최근의 기술적 발전은 방사능 붕괴에 의해 생성된 동위원소를 이용해 지구 내 화학반응의 경로를 추적하는 연구가 가능하게 되었다.
20세기 후반에는 분석기기의 발전으로 지구화학은 비약적인 성과를 이루었다. 일례로 고감도 및 고분해능 검출기는 미량원소(trace elements)에 대한 연구를 가능하게 했다. 미량원소에 대한 연구는 지각과 및 맨틀의 진화와 많은 암석학적 과정에 대한 이해를 증진시켰다. 또한 전자현미경(電子顯微鏡, electron microscope)의 도입으로 마이크론 크기의 미세 시료뿐만 아니라 커다란 시료에 대한 원소의 화학적 분포를 관찰할 수 있게 되었다.
20세기 초반에는 석유탐사가 지질학의 주요 관심대상이 되며 유기 지구화학에 대한 중요성이 인식되기 시작했다. 1930년대에는 러시아의 지구화학자인 블라디미르 버나드스키(Vladimir Vernadsky, 1863~1945)가 처음으로 토양유기물질, 석유, 탄화수소 가스 간의 관계를 주장했으며, 알프레드 트레이브스(Alfred E. Treibs, 1899~1983)는 석유가 생물학적 기원임을 입증했다. 20세기 후반에 이르러서는 유기 지구화학자의 관심이 환경오염으로 옮겨져 지하수 및 토양 내 오염물질의 측정과 제어를 연구하기 시작했다.
지구화학의 영역은 우주화학으로까지 확대되었는데, 이는 동일과정설(同一過程說, uniformitarianism)을 토대로 다른 천체에 대한 연구는 행성물질을 지배하는 일반적인 원리의 또 다른 적용으로 이해할 수 있다. 일례로 달에 대한 연구는 지구생성 초기의 지각과 맨틀의 분화과정의 이해를 증진시켰다.
기본원리 및 연구영역
기본원리
- (1) 계(系, systems)와 변수(變數, variables)
지구화학에서 흔히 사용되는 용어인 '계(systems)'란 우주의 한 부분으로 연구 및 관심의 대상을 말하고, 그 크기는 점토입자에서 태양계까지 다양하다. 계는 그것을 둘러쌓고 있는 외부(surrounding)와 물질 및 에너지의 교환 여부에 따라 세 가지로 구분된다. 우선 고립계(孤立系, isolated systems)는 외부와 물질 및 에너지가 교환되지 않는다. 우주 전체를 제외하고 진정한 의미에서 고립계는 존재하지 않지만, 주어진 계의 상태를 보다 쉽게 서술하기 위해 종종 고립계라 가정한다.
자연계에 흔히 관찰되는 계는 닫힌계(閉鎖系, closed systems) 혹은 열린계(開放 系, open systems)이다. 닫힌계에서는 외부와 물질 교환은 불가능하나 일 또는 열의 형태로 에너지는 교환된다. 반면, 열린계(open systems)에서는 물질과 에너지 모두 교환이 가능하다. 닫힌계와 열린계의 구분은 이론적으로는 명확하지만 실제 적용에 있어 다소 자의적인 측면이 있다. 투수도가 낮은 점토층으로 둘러싸인 투수층인 경우 비교적 빠르게 일어나는 화학반응을 서술할 때 닫힌계라 가정할 수 있지만, 장기간 독성물질의 이동이 관심이 있다면 열린계로 보는 것이 타당하다. 이처럼 닫힌계와 열린계의 구분은 관심 있는 화학반응 또는 물질이동의 속도 및 시간과 밀접한 연관이 있다.
한편 '변수'(variables)란 계의 물리·화학적 특성을 지시하는 물리량을 말한다. 주어진 계에서 종종 변수의 절댓값을 알 수 없으며, 이 경우 화학반응 및 물리적 변화에 의한 변수의 변화량에 주목한다. 변수는 크기변수(extensive variables)와 세기변수(intensive variables)로 구분된다. 크기변수는 계의 크기에 따라 달라지는 변수로 질량이나 부피가 이에 해당한다. 반면 세기변수는 계의 크기와 상관없이 일정한 물리량으로 대표적인 세기변수에 온도와 압력이 있다. 지구화학적 문제를 해결할 때 계의 크기에 따른 달라지는 크기변수보다 세기변수를 가지고 접근하는 것이 편리하다. 이를 위해 크기변수는 다른 크기변수와의 비를 통해 세기변수로 전환할 수 있는데, 세기변수인 밀도는 두 크기변수인 질량과 부피의 비율이다.
- (2) 열역학(熱力學, thermodynamics)과 반응속도론(反應速度論, kinetics)
일반적으로 지구화학적 계를 연구할 때 두 가지 상태(states)에 대해 관심을 가지고 있다. 하나는 평형상태(平衡狀態, equilibrium state)로 계의 특성 즉 열역학적 변수가 시간에 따라 변화하지 않은 안정한 상태를 말한다. 만약 어떤 계가 평형상태에 있다면, 그때 계의 여러 물리·화학적 특성을 열역학적 법칙을 이용해 결정할 수 있다. 또한 열역학적 원리를 통해 주어진 계가 안정적인 상태에 있는지, 혹은 불안정한 상태에 있다면 어떤 방향으로 지구화학적 과정(geochemical processes)이 진행되는지를 예측할 수 있다.
지구 내부처럼 고온 조건에 있는 대부분의 지구화학적 계들은 평형상태에 있기 때문에 열역학적 원리가 매우 유용하게 쓰인다. 하지만 지구 표면처럼 낮은 온도에서 있는 지구화학적 계는 좀처럼 평형상태에 있지 않기 때문에 열역학(熱力學, thermodynamics)으로 설명 불가능하다. 이처럼 열역학을 통해 평형상태를 어떤 경로로 통해 얼마나 빨리 도달했는지 알 수 없다. 이런 단점은 반응속도론을 통해 그 해답을 찾을 수 있다. 반응속도론을 이용해 한 평형상태에서 다른 평형상태로 이르는 반응경로(反應經路, reaction paths)를 연구하고, 주어진 반응경로를 따른 반응속도를 결정할 수 있다. 자연계에서 주어진 평형상태 간 여러 반응경로가 존재하기 때문에 반응속도론 연구를 통해 다양한 반응경로 중 지배적인 경로를 결정한다.
지구화학의 연구목적은 열역학적으로 가장 안정한 상태 즉 평형상태를 결정하는 것뿐만 아니라 반응속도론에 입각해 가장 일어날 가능성이 있는 상태를 결정하는 것이다. 따라서 주어진 지구화학적 계를 연구하는 데 있어 이 두 방법을 함께 고려해야 한다.
연구영역
- (1) 암석 지구화학
암석 지구화학(geochemistry of rocks)은 암석의 성인과 암석에 일어나는 다양한 지구화학적 과정을 규명하고, 암석의 화학적 조성을 연구하는 분야이다. 구체적으로 마그마의 형성 및 결정화(結晶化, crystallization), 변성작용(變成作用, metamorphism), 퇴적작용(堆積作用, sedimentation), 풍화작용(風化作用, weathering)을 포함한 일련의 지구화학적 과정을 열역학 및 반응속도론 등에 입각해 해석하고, 암석 종류에 따른 원소 분포의 상관성을 파악한다.
- (2) 동위원소 지구화학
동위원소 지구화학(isotope geochemistry)은 여러 원소의 동위원소 간의 상대적인 양의 변화를 연구하는 분야로 암석, 물, 공기 등의 기원 및 나이와 이들 간에 일어나는 혼합과정에 대한 정보를 제공한다. 안정 동위원소 지구화학(stable isotope geochemistry)은 질량수(質量數, mass number)에 따른 동위원소 비율변화(isotope fractionation)에 주안점을 두고 있고, 탄소, 수소, 산소, 질소, 황 등의 동위원소 비율을 통해 물질의 기원을 밝힌다. 한편 방사기원 동위원소 지구화학(radiogenic isotope geochemistry)은 자연 방사능 붕괴에 의해 생성된 동위원소를 연구하며, 이를 통해 지각 및 맨틀의 진화를 설명한다.
- (3) 우주화학
우주화학(cosmochemistry)은 우주를 구성하는 물질의 화학적 조성과 이와 관련된 지구화학적 과정을 연구하는 분야로, 주된 연구대상은 운석(隕石, meteorites)의 화학적 조성이다. 몇몇 운석은 원시태양계의 응축에 의해 최초로 형성된 소행성의 파편에서 유래되었기 때문에 우주화학의 영역은 대개 태양계로 국한되어 왔다.
- (4) 생지화학
생지화학(biogeochemistry)은 자연계의 조성을 지배하는 물리적, 화학적, 생물학적 과정과 반응을 연구하는 분야다. 특히 생지화학은 탄소, 질소, 황, 인 등의 원소의 순환과 이들 원소의 생물체와의 상호작용 및 동화작용에 관심을 가진다. 생지화학은 원소 순환과정에서 생물체의 역할에 중점을 두고 있으며 이런 이유로 생태학(生態學, ecology)과 밀접한 관련이 있다.
- (5) 유기 지구화학
유기 지구화학(organic geochemistry)은 생물체가 지구에 미치는 영향과 과정을 연구하는 분야다. 유기 지구화학은 알프레드 트레이브스(Alfred E. Treibs, 1899~1983)에 의해 시작되었는데, 그에 의해 석유가 생물기원임이 밝혀졌다. 이후 유기 지구화학은 석유와 관련된 고기 퇴적물 이외에 탄소순환, 기후변화, 해양학적 과정 등을 이해하기 위해 최근에 생성된 퇴적물을 연구한다.
- (6) 수질 지구화학
수질 지구화학(aqueous geochemistry)은 물이 생태계의 다른 물질에 미치는 영향과 거꾸로 이들이 수질(水質, water quality)에 미치는 영향을 연구하는 분야이다. 수질 지구화학은 생태계의 균형을 유지하는데 필요한 정보를 제공한다.
- (7) 토양화학
토양화학(soil chemistry)은 토양의 화학적 특성을 연구하는 분야로, 토양의 특성은 광물조성, 유기물 함량, 환경적 인자에 따라 달라진다. 최근 들어 오염물질의 이동과 관련하여 토양화학의 중요성이 널리 인지되고 있다. 오염물질은 토양과의 흡착 및 탈착, 침전 및 용해, 산화 및 환원 등의 다양한 반응을 일으킨다. 따라서 토양화학에 대한 이해는 오염물질의 이동성과 독성에 대한 예측 및 오염된 지역의 정화에 중요한 정보를 제공할 수 있다.
참고자료
같이 보기
