[신생대] PETM, 기후와 지질학적 사건
개요
신생대는 약 6600만년 전부터 지금까지의 지질시대를 일컫는다. 고생대나 중생대에 비해 길이는 짧으나 현재에 가깝기에 많은 기록이 남아 있는 시기이다.
일반적으로 팔레오기(Paleogene), 네오기(Neogene), 제4기(Quaternary)로 구분하며 세 단위1까지 얘기하기도 한다.
이 시기에 특징적인 지질학적 사건으로는, 인도 대륙이 북상해 유라시아 대륙과 충돌해 히말라야 산맥을 형성했다. 제4기에는 빙하기와 간빙기가 이어졌다. 포유류와 속씨식물이 번성하였고, 표준화석은 유공충의 일종인 화폐석이다.
(신생대에 매머드 출현했다는 것도 특징으로 일컫지만, 매머드의 경우 육상 생물이었으며 서식 범위가 넓지 않아 표준화석으로 적합하진 않다2. 화폐석의 경우 넓은 해양에 걸쳐 분포했기 때문에 비교적 적합한 표준화석이다.)
팔레오기
팔레오세-에오세 극열기 Paleocene-Eocene Thermal Maximum
이 시기의 경우, 고위도인 와이오밍 주에서 악어 화석이 발견된다. 이는 이 시기가 굉장히 더웠다는 것을 의미하는데, 팔레오기 초 팔레오세에서 에오세로 넘어갈 무렵 지구의 온도가 현재보다 8도 이상 높았던 시기를 PETM이라 일컫는다.
이때 유공충 화석의 산소동위원소와 탄소동위원소를 보면 갑자기 무거워지는 것을 볼 수 있다.
산소의 안정동위원소 16O와 18O 중 무거운 18O는 증발이 더 어렵다. 이 때문에 해수에서 증발해 구름을 만들고, 다시 떨어져 형성된 빙하는 해수보다 가벼운 동위원소 조성을 갖게 된다. 지구가 냉각되면 상대적으로 16O의 빙하가 많아지므로 해수 동위원소 조성이 무거워지고, 반대로 빙하가 녹아 유입되면 해수의 동위원소 조성이 가벼워진다. 애초에 증발되는 양의 차이도 영향을 미친다.
이 시기 형성된 탄산염 광물은 가벼운 탄소동위원소 조성을 보인다. 이는 메탄에 의한 것으로 추정한다. 메탄은 매우 가벼운 탄소 동위원소 조성을 갖는데, 이 시기에 해저의 메탄 하이드레이트가 녹아 대량의 메탄을 해수와 대기 중으로 방출한 것으로 생각된다. 이는 온실효과를 강화시켜 PETM 극열기에 기여하였을 것이다3.
네오기
파나마 지협의 형성, 빙하기
네오기에는 인도 대륙이 아시아와 충돌하였고, 북아메리카와 남아메리카 사이의 파나마 지협이 형성되었다. 파나마 지협의 형성은 기후에 큰 영향을 미쳤다. 이전에는 물이 두 대륙 사이로 이동 가능했으나, 파나마 지협이 형성되자 해류가 막혀 위로 올라가게 되었다. 즉, Gulf Stream이 강화되며 북극지방에 온난한 해수와 함께 수증기가 공급되었다. 이는 꼬리에 꼬리를 물어 빙하기를 초래했다.
'꼬리에 꼬리를 물어'를 자세히 얘기하자면 이렇다.
고위도에 공급된 수증기는 편서풍을 타고 유라시아 대륙에 강수로 공급되었으며, 극지방으로 흘러들어 해빙의 형성을 촉진하였다. 해빙이 형성되면 지구 표면의 반사율이 높아지고, 해양에서 대기로의 열 공급을 차단하였다. 유라시아 대륙에 강수로 공급된 물은 다시 강을 따라 해양으로 흘러들었는데, 주로 북극해로 흘러들어갔다. 즉 북극해로 들어가는 담수의 양이 늘어났고, 이로 인해 염도가 낮아져 잘 얼 수 있게 된 것이다. 이로 인해 해빙이 형성되었다.
또한 이렇게 형성된 염도가 낮은 해수는 밀도가 낮아 침강이 약화되었다. 즉 심층순환이 약해지며 열의 이동이 잘 이루어지지 않았다. 이로 인해 고위도와 저위도의 온도 차이가 커졌으며, 심층순환의 약화로 인해 심층에 이산화탄소가 잡혀있게 되었다. 이는 모두 지구를 냉각시키는 효과를 가져왔다.
제4기
빙기와 간빙기
약 300만 년 전부터 북반구에 발달하기 시작한 빙하는 제4기에 들어서며 본격적으로 확장해 빙하시대를 가져왔다. 이후 일정 주기로 빙기와 간빙기가 교대하고 있으며, 마지막 빙기는 약 1만 년 전에 끝났다.
빙기와 간빙기는 해수면 상승과 하강에 따라 구분하는데, 이는 산소동위원소 비율을 이용하여 추정한다. 해수에서 침전된 탄산염 광물의 산소동위원소 값이 무거워지면, 육상에 가벼운 산소동위원소의 물이 많이 잡혀있는 것이므로 추웠을 것이다. 반대로 빙하 코어에 포함된 공기방울의 산소동위원소 값이 무거워지면, 대기 중에 무거운 산소동위원소가 많이 있는 것이므로 더웠을 것이다. 이렇게 대륙에 잡혀있던 물의 양의 변화를 통해 기온을 추정하여 정한다.
이러한 빙기와 간빙기는 밀란코비치 주기와 관련되어 있다. 밀란코비치 주기란, 공전궤도의 이심률, 자전축의 경사각, 세차운동을 고려한, 태양복사에너지의 입사 패턴이다.