열람 Impact Crater
목차
개괄
달의 표면에 숭숭 잘도 뚫려있는 무수한 구덩이들, 바로 크레이터입니다. 분화구(噴火口)는 화산에서나 적합한 말입니다. 크레이터는 혜성이나 작은 소행성들이 충돌하고 남긴 상처입니다. 그런데 자세히 들여다보면 크레이터들의 크기와 모양이 온통 제각각입니다. 어떤 것은 꼭 사발처럼 동그랗고 깨끗하게 파여있는가 하면, 어떤 것은 무지막지하게 거대하고 가장 깊숙한 한가운데에 작은 봉우리가 솟아있기도 합니다.
소행성은 일정한 질량을 가지고 굉장히 빠른 속도로 움직이고 있습니다. 이 움직임에 갑작스런 제동을 거는 것이 바로 충돌입니다. 소행성이 갖고 있던 엄청난 운동에너지(소행성의 질량이 클수록, 그리고 속도가 빠를 수록 훨씬 더 커집니다)가 충돌과 더불어 순식간에 다른 형태의 에너지들, 예컨대 엄청난 압력, 빛과 열 등으로 바뀌어 버립니다. 이 과정에서 남겨진 흔적이 크레이터입니다.
역사
배링어(Daniel Barringer, 1860~1929)는 미국 애리조나 주에 있는 사발 모양의 지형이 소행성의 충돌로 인해 만들어진 크레이터 임을 처음으로 주장하였습니다 - 기념하여 “배링어 운석공”이라 이름 붙여졌습니다. 1920년대 미국의 지질학자 부쳐(Walter H. Bucher)는 북아메리카 대륙에 산재한 몇몇 사발 모양 지형들의 생성 원인을 조사하면서 엄청난 폭발의 힘으로 만들어졌고 그 힘은 아마도 화산이었을 것이라 결론지었지만, 1936년 분(John D. Boon)과 앨브리톤(Claude C. Albritton Jr.)은 그 힘의 정체는 화산이 아니라 소행성/혜성의 충돌로 인한 것이라 주장하였습니다. 이후 충돌 크레이터의 개념에는 별다른 진척이 없다가 1960년대 유진 슈메이커(Eugene M. Shoemaker)를 필두로 하는 몇몇 지질학자들이 충돌 크레이터와 화산에 의한 분화구를 구분해 내는 특징들을 명료하게 하였습니다. 이와 같은 충돌에 의한 암석의 변성 이론에 따라 이후 지구상의 충돌 크레이터들이 활발히 발굴되기 시작하였습니다.
작은 크레이터
소행성이 지표면과 빠른 속도로 충돌하면 그 물체와 지표 사이에 엄청난 크기의 압력에 이은 충격파가 발생합니다. 충격파는 땅을 파고 들려고 합니다. 초속 10km의 속도로 충돌이 일어나면 순간 일어나는 충격파의 압력은 지구 대기압의 수백만배에 달합니다. 이 정도의 압력이라면 다이아몬드와 같은 아주 단단한 광물도 1/3의 크기로 납작하게 만들 수 있습니다. 충격파는 소행성과 지표면이 맞닿은 바로 그 지점에서 시작합니다. 만약 충격파만 있다면 그리고 이를 저지하는 아무런 힘이 없다면 충돌 물체는 지구를 뚫고 반대편으로 빠져나오게 될 것이나 지표면은 곧 이에 반격을 가합니다. 지표면이 충격파에 역으로 가하는 힘을 감압파라고 부릅니다. 충돌 당시에는 충격파가 우세하여 지표면이 깊이 파였지만 곧이어 생겨난 감압파가 충격파와 비슷한 힘으로 맞서게 됩니다. 이렇게 되면 더이상 땅이 파이지 않고 대신 양 옆방향으로 파먹어 들어가게 됩니다. 이 과정도 그리 오래 가지 않아 곧 주위 바위들의 단단함에 굴복하여 멈추게 됩니다. 충격파가 사그라들면서 모든 과정이 끝납니다. 대부분의 작은 대접모양의 크레이터들은 이렇게 만들어졌습니다. 크레이터의 밑바닥은 충돌시 마치 액체처럼 녹아내린 충돌 물체의 잔해들로 얇게 코팅됩니다.
큰 크레이터
좀더 큰 소행성이 충돌하면 앞서 언급한 내용과 같은 과정으로 크레이터가 생긴 직후, 깊숙이 파인 크레이터 주위의 벽이 안쪽으로 허물어져 내리게 됩니다. 지구의 경우 부드러운 퇴적암에 생긴 직경 3km 이상의 크레이터나, 이보다 단단한 땅의 경우 4km 이상급에서 대부분 이와같은 흔적을 보입니다. 어떤 커다란 크레이터들은 벽이 허물어져 내리면서 방사상의 고리 모양으로 구겨진 듯한 모습을 보이기도 합니다. 이렇게 벽이 허물어져 구덩이 한가운데 싸이면서 중앙에 작은 언덕 하나(central peak)를 만들어 놓습니다. 거대한 크레이터에서 흔히 볼 수 있는 중앙봉은 충돌 직후 지표면의 반사작용에 의해서도 생깁니다. 대부분 이 두가지 원인이 복합되어 생겨났을 것입니다. 고 슈메이커(Eugene Merle Shoemaker) 박사는 주위 산맥이 내측으로 허물어져 있고 한가운데 언덕을 형성한 분지구조를 보면 이것이 화산운동에 의한 칼데라가 아니라 충돌에 의해 생긴 지형 임을 손쉽게 알 수 있다고 하였습니다.
충돌의 결과
커다란 소행성이나 혜성이 단단한 지면과 충돌하면 크레이터가 생길 뿐 아니라 엄청난 파국을 일으킵니다. 직경 10km인 천체가 지구와 충돌했을때 방출되는 에너지는 지구에서 일어날 수 있는 가장 큰 규모의 지진의 5배를 넘습니다. 결국 거대한 지진과 화산 활동, 상상을 초월한 해일(바다에 떨어졌을 경우)이 이어지며 산성비, 대기 중을 가득 매운 먼지입자로 인한 태양광의 차단, 지상 식물의 광합성 차단, 먹이사슬의 붕괴가 뒤따르게 될 것입니다. 다행히도 태양계가 성숙되어가면서 이러한 충돌 회수가 많이 줄어들었으나 완전히 없어지지는 않았습니다. 거대 충돌 분화구에 대한 연구는 지구상 생명체의 진화의 역사를 규명하는데 결정적인 기여를 하게 되었습니다. 과학자들은 종의 멸망과 거대 운석 충돌과의 밀접한 상관성을 발견했습니다. 일례로 우주왕복선에 의해 발견된 유카탄 반도의 거대한 크레이터의 생성시기는 6천 5백만년전으로, 이무렵 지층에서 그 흔적이 일제히 사라진 공룡의 멸족과 직접적인 연관성이 있을 것으로 생각되고 있습니다.
충돌 크레이터의 형성 과정
충돌 분화구는 그 모양에 따라 단순 크레이터(simple crater), 복합 크레이터(complex crater) 이렇게 크게 두가지로 나뉩니다. 단순 크레이터는 비교적 크기가 작고 깊이와 직경의 비율이 1:5내지 1:7사이이며 바닥이 매끈한 접시 모양을 하고 있습니다. 복합 크레이터는 이보다 좀더 크며 중력으로 인해 크레이터의 벽이 무너져내림으로서 상대적으로 얕은 모양을 하고 있고(깊이와 직경의 비율이 1:10에서 1:20) 크레이터의 중앙부에 볼록 튀어나온 돌출부가 있거나(central peak) 이들이 고리 모양을 하기도(peak ring) 합니다.
이런 복잡한 모습이 생성되는데는 해당 행성의 중력과 크레이터의 크기에 관한 요인이 함께 관여합니다. 즉 중력이 크면 크레이터의 직경이 작아도 복합 구조가 형성될 수 있습니다. 지구의 경우 직경이 2-4km가 되면 복합 구조가 형성되는데 반해, 중력이 지구의 6분의 1에 불과한 달에서는 15-20km 이상의 크레이터에서 이런 모양이 나타나게 됩니다. 복합 크레이터의 특징적 구조물인 중앙 돌출부나 고리 구조는 충돌시 거대한 압력에 대한 분화구 바닥의 반동 현상으로 형성된 것입니다.
충돌 크레이터의 식별
접시 모양의 지형이 과연 화산 폭발에 의한 분화구인가 아니면 운석 충돌에 의한 충돌 분화구인가를 구별하기란 쉽지 않은 일이었습니다. 이런 가운데 1960년대 충돌 분화구임을 증명할 만한 증거로서, 충돌로인한 암석의 변성(Shock Metamorphism)이 대두되었습니다. 이러한 암석의 변성 작용은 운석 충돌과 같은 엄청난 고압의 환경 하에서만 생성되는 것으로, 여기에는 산산히 부서진 원뿔 모양의 결정체들(shatter cone), 수정과 장석과 같은 결정체들이 평평해지는 것(planar feature)과 같은 현미경적 미세구조의 변화가 포함됩니다.
충격에 의해 변성된(shock-metamorphic) 흔적을 정리해 보면 다음과 같습니다.
1. Breccia lens: 크레이터 바닥에 깔려 있는 각력암(brecciated rock)의 층. 각력암은 다양한 광물의 각진 조각들이 일련의 매트릭스에 의해 한데 뭉쳐진 암석을 일컫습니다.
2. Shatter cones: V자 모양으로 파쇄, 함몰된 흔적. 주로 입자가 미세한 암석에서 잘 생깁니다.
3. 고온에 의해 형성된 암석: 판상이 되거나(laminated) 용결된(welded) 모래 블럭, 구과(球顆, spherulite), 텍타이트(tektite), 혹은 유리 알갱이가 튀어 들어간 암석이 포함됩니다.
4. 고압에 의해 광물이 변성된 흔적(현미경적 소견): 수정이나 장석 결정의 단구(fracture), 혹은 탄소 화합물이 고압의 환경에서 변성되어 만들어진 다이아몬드 결정, 코사이트(coesite) 등이 포함됩니다.
지구 상의 충돌 크레이터
태양계 안의 모든 천체들은 탄생 이후 오늘날에 이르기까지 거의 예외없이 수많은 우주 포탄의 공격에 시달려왔고 표면에 새겨진 충돌 분화구들이 이를 증거하고 있습니다. 그러나 그 천체의 성격에 따라 충돌의 흔적도 다릅니다. 예컨데 곰보투성이인 달에서와는 달리 지구의 충돌 분화구는 머지않아 풍화 작용으로 함몰되거나 화산 작용, 혹은 판운동 등으로 지워지고 맙니다.
지금까지 확인된 지구 상의 충돌 분화구는 모두 120여개이며 그 가운데 다수는 지질학적으로 안정된 지역인 북아메리카, 유럽, 호주 등지에 주로 분포하고 있습니다. 최근에는 인공위성이 지구상의 충돌 분화구의 흔적을 찾아내는데 많은 도움을 주고 있습니다. 그 가운데 배링어 운석공(Barringer Crater)이라고 불리우는 아리조나의 유명한 크레이터는 지구상에 존재하는 “충돌 분화구”로서는 제일 처음 확인된 것이었습니다. 1920년대 이 근처에서 일하던 노동자들이 분화구 안에서 운석 조각을 발견하였습니다.
반드시 구덩이 근처에서 운석의 조각이 발견되어야 충돌 분화구로서의 자격을 갖추게 되는 것은 아닙니다. 대부분의 운석들은 충돌시 그 폭발의 충격으로 인해 흔적도 없이 날아가버리는 경우가 많습니다. 강한 충돌이 생기면 순식간에 엄청난 고압과 고온의 환경이 형성되어 운석 전체를 증발시켜버리거나 혹은 충돌 지면에 있던 바위들과 함께 녹아서 완전히 뒤섞여버리기도 합니다. 종종 크레이터 주변의 암석에서 다량의 철성분이 검출되기도 하는데 이는 철을 다량 함유한 운석이 충돌하면서 주위 바위들과 녹아 섞인 것입니다.
지구 상에서 확인된 충돌 크레이터 중 직경 20km 이상급의 목록입니다.
| 이름 | 위치 | 직경 (km) | 생성 (백만년전) | 위치 |
|---|---|---|---|---|
| Vredefort | Free State, South Africa | 300 | 2020 | 27°0′S 27°30′E / 27°S 27.5°E |
| Sudbury | Ontario, Canada | 250 | 1850 | 46°36′N 81°11′W / 46.6°N 81.183°W |
| Chicxulub | Yucatán, Mexico | 170 | 65 | 21°20′N 89°30′W / 21.333°N 89.5°W |
| Manicouagan | Quebec, Canada | 100 | 214 | 51°23′N 68°42′W / 51.383°N 68.7°W |
| Popigai | Siberia, Russia | 100 | 35.7 | 71°39′N 111°11′E / 71.65°N 111.183°E |
| Acraman | South Australia, Australia | 90 | 590 | 32°1′S 135°27′E / 32.017°S 135.45°E |
| Chesapeake Bay | Virginia, United States | 90 | 35.5 | 37°17′N 76°1′W / 37.283°N 76.017°W |
| Puchezh-Katunki | Nizhny Novgorod Oblast, Russia | 80 | 167 | 56°58′N 43°43′E / 56.967°N 43.717°E |
| Morokweng | Kalahari Desert, South Africa | 70 | 145 | 26°28′S 23°32′E / 26.467°S 23.533°E |
| Kara | Nenetsia, Russia | 65 | 70 | 69°6′N 64°9′E / 69.1°N 64.15°E |
| Beaverhead | Idaho + Montana, United States | 60 | 600 | 44°15′N 114°0′W / 44.25°N 114°W |
| Tookoonooka | Queensland, Australia | 55 | 128 | 27°7′S 142°50′E / 27.117°S 142.833°E |
| Charlevoix | Quebec, Canada | 54 | 342 | 47°32′N 70°18′W / 47.533°N 70.3°W |
| Siljan | Dalarna, Sweden | 52 | 377 | 61°2′N 14°52′E / 61.033°N 14.867°E |
| Kara-Kul | Pamir Mountains, Tajikistan | 52 | 5 | 39°1′N 73°27′E / 39.017°N 73.45°E |
| Montagnais | Nova Scotia, Canada | 45 | 50 | 42°53′N 64°13′W / 42.883°N 64.217°W |
| Araguainha | Central Brazil | 40 | 244 | 16°47′S 52°59′W / 16.783°S 52.983°W |
| Saint Martin | Manitoba, Canada | 40 | 220 | 51°47′N 98°32′W / 51.783°N 98.533°W |
| Mjølnir | Barents Sea, Norway | 40 | 142 | 73°48′N 29°40′E / 73.8°N 29.667°E |
| Woodleigh | Western Australia, Australia | 40 | 364 | 26°3′S 114°40′E / 26.05°S 114.667°E |
| Carswell | Saskatchewan, Canada | 39 | 115 | 58°27′N 109°30′W / 58.45°N 109.5°W |
| Clearwater West | Quebec, Canada | 36 | 290 | 56°13′N 74°30′W / 56.217°N 74.5°W |
| Manson | Iowa, United States | 35 | 73.8 | 42°35′N 94°33′W / 42.583°N 94.55°W |
| Yarrabubba | Western Australia, Australia | 30 | 2000 | 27°10′S 118°50′E / 27.167°S 118.833°E |
| Keurusselkä | Western Finland, Finland | 30 | 1800 | 62°8′N 24°36′E / 62.133°N 24.6°E |
| Shoemaker | Western Australia, Australia | 30 | 1630 | 25°52′S 120°53′E / 25.867°S 120.883°E |
| Slate Islands | Ontario, Canada | 30 | 450 | 48°40′N 87°0′W / 48.667°N 87°W |
| Mistastin | Labrador, Canada | 28 | 36 | 55°53′N 63°18′W / 55.883°N 63.3°W |
| Clearwater East | Quebec, Canada | 26 | 290 | 56°04′N 74°06′W / 56.067°N 74.1°W |
| Kamensk | Southern Federal District, Russia | 25 | 646 | 48°21′N 40°30′E / 48.35°N 40.5°E |
| Steen River | Alberta, Canada | 25 | 91 | 59°30′N 117°38′W / 59.5°N 117.633°W |
| Strangways | Northern Territory, Australia | 25 | 646 | 15°12′S 133°35′E / 15.2°S 133.583°E |
| Boltysh | Kirovohrad Oblast, Ukraine | 24 | 65.17 | 48°54′N 32°15′E / 48.9°N 32.25°E |
| Nördlinger Ries | Bavaria, Germany | 24 | 14.8 | 48°53′N 10°34′E / 48.883°N 10.567°E |
| Presqu'ile | Quebec, Canada | 24 | 500 | 49°43′N 74°48′W / 49.717°N 74.8°W |
| Haughton | Nunavut, Canada | 23 | 39 | 75°23′N 89°40′W / 75.383°N 89.667°W |
| Lappajärvi | Finland | 23 | 73.3 ± 5.3 | 63°12′N 23°42′E / 63.2°N 23.7°E |
| Rochechouart | France | 23 | 214 ± 8 | 45°49′27″N 0°46′54″E / 45.82417°N 0.78167°E |
| Gosses Bluff | Northern Territory, Australia | 22 | 142.5 ± 0.8 | 23°49′15″S 132°18′28″E / 23.82083°S 132.30778°E |
| Amelia Creek | Northern Territory, Australia | 20 | 1660–600 | 20°55′S 134°50′E / 20.917°S 134.833°E |
| Logancha | Siberia, Russia | 20 | 40 ± 20 | 65°31′N 95°56′E / 65.517°N 95.933°E |
| Obolon' | Poltava Oblast, Ukraine | 20 | 169 ± 7 | 49°35′N 32°55′E / 49.583°N 32.917°E |
관련 저널
1. 크레이터의 해부
참고 자료
1. 중앙봉
2. 광조(ray system)
3. 월면의 크레이터
4. 혜성/소행성과의 충돌 가능성
5. 소행성
6. 혜성