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지구의 형성

현재 태양과 태양계 내에 있는 행성들은 성간(星間) 가스와 먼지로 구성된 원시성운의 급작스런 중력붕괴에 의해 형성된 것으로 널리 받아들여지고 있다.

중력붕괴의 결과로 형성된 원판모양의 태양성운은 발달중인 태양을 중심으로 모였다. 성운의 중앙면 주변에 있는 잔유물들은 서로 충돌하여 셀 수 없을 정도의 많은 미행성들(작은 소행성, 혜성 및 이와 유사한 천체들)을 형성했다. 지구와 3개의 지구형 행성들(수성·금성·화성)은 약 46억 년 전에 이들 소행성들의 부가(附加), 즉 미행성들 상호간의 충돌 및 인력에 의한 축적과 연결에 의해 형성된 것으로 믿어지며, 아마도 외부의 큰 행성들(목성·토성·천왕성·해왕성)의 핵들도 역시 같은 시기에 동일한 과정으로 형성된 것으로 추정된다.

지구를 포함한 지구형 행성들은 규산염암·철·니켈 및 기타 무거운 원소들로 구성되어 있는데, 이들은 비교적 고온에서 고체로 응축할 수 있는 물질들이다. 금속성의 물질들은 지구가 성장함에 따라 아래로 가라앉았으며 지구의 핵은 부가가 일어나는 동안 형성되기 시작한 것으로 여겨지는데, 아마도 가장 가능성이 큰 시기는 초기의 지구가 오늘날의 1/5에 해당하는 부피를 가지게 되었을 때로 추정되고 있다. 부가가 진행되는 동안 지구는 지구로 떨어지는 미행성체들의 충격에 의해 가열되었다.

이러한 충격에 의한 가열 이외에도, 핵을 형성하는 데 이용된 금속 성분이 가라앉으면서 방출한 중력 에너지도 행성 전체를 1,000K 이상으로 가열할 수 있을 정도의 열을 공급했다. 따라서 핵이 형성되기 시작하면서 지구내부는 대류가 일어날 수 있을 정도로 가열되었다. 지구가 오늘날의 크기로 성장하기 전에 지구의 판구조 운동이 시작되었는지는 알려져 있지 않지만, 맨틀 대류는 이미 시작된 것으로 추정된다.

대기권과 수권의 형성·진화

뜨거운 지구 내부에서는 화학적인 진화가 시작되었다.

초기에는 행성 내에 포획되어 있던 휘발성 원소들의 일부가 빠져나와 초기 대기권을 형성했다. 막대한 양의 수증기는 대기 중에 들어 있다가 냉각되어 수권을 형성했다. 초기 행성을 이루었던 광물 내에 포함되어 있던 물은 방사성 동위원소들(예를 들면 우라늄·토륨)의 붕괴에 의한 열과, 맨틀 아래의 외핵의 발달 및 지구의 내부구조(핵·맨틀·지각)가 형성되는 과정에서 운동 에너지와 위치 에너지로부터 전환된 열에 의해서도 유리되었다.

이렇게 유리된 물은 화산활동으로 지구 내부에서 지표로 운반되었다. 지표면에 도달한 물의 많은 양이 수증기형태로 대기권에 들어갔다가 후에 응축되어 초기 해양을 형성했다. 수권은 지구의 역사 초기에 거의 현재와 같은 부피를 갖게 되었지만, 그 조성은 지질시대를 통해 변하여 산도(酸度)는 낮아지고 염분은 증가한 것으로 여겨진다.

증거에 의하면 지구형 행성들이 가졌던 원시기체의 대부분은 형성 초기에 탈출한 것으로 보인다. 수소나 헬륨과 같은 가벼운 분자들은 기온이 낮고 중력이 큰 행성들에만 존재한다. 다양한 화산활동에 의해 지구 내부로부터 방출된 이산화탄소·일산화탄소·질소·수증기로 이루어진 대기권은 지질시대의 오랜 기간 동안 상당히 진화해온 것으로 생각된다. 커다란 혜성의 충돌도 이러한 휘발성 기체의 함량을 증가시켰다. 약간의 산소는 태양광선의 광분해(光分解) 작용으로 생성되었으나 그 양은 적었을 것이다.

그러나 남조류처럼 광합성으로 산소를 방출하는 미생물이 출현하면서 대기권에 산소가 추가되기 시작했는데, 이런 원시생물이 출현한 것은 약 30억 년 전의 일이다. 산소는 처음에 산화되기 쉬운 기체나 금속을 산화시키는 데 사용되었으나 산화가 많이 진행된 후에는 대기 중에 산소가 축적되기 시작했다. 그리하여 충분한 양의 산소가 축적되어 오늘날과 비슷한 산화환경이 형성되었으며, 산화환경의 발달로 천해(淺海)에서 산소를 호흡하는 동물이 생겨났다.

대륙지각의 형성과 진화

가장 오래된 암석의 연령은 약 39억 년에 불과하기 때문에 대륙지각이 언제 어떻게 성장하기 시작했는지는 아직 불분명하다.

연령을 측정한 암석은 기존의 암석이 변성된 것이므로 그 원암은 변성작용이 일어나기 전인 지구역사 초기에도 존재했던 것이다. 직접적인 증거는 없지만 암석들의 지구화학적 동위원소 정량분석과 기타 자료에 의하면, 초기의 10억 년 동안에 형성된 대륙지각은 맨틀과 뒤섞이게 되었다. 그리고 그후의 대륙지각은 10억 년당 1/3 정도의 비율로 재순환하는 것으로 추론되었다. 결과적으로 35억 년보다 오래된 지각은 우연히 그 일부만이 남아 있게 되었다.

지구에서 가장 오래되고 지질학적으로 가장 안정된 지각은 오스트레일리아, 아프리카 남부, 북아메리카 북부에 있으며 이들은 수억 년에서 수십억 년 동안 거의 조산작용을 받지 않은 곳이다. 조산운동·단층작용 및 여러 가지 지구조적 작용들이 거의 일어나지 않은 이러한 지역은 평탄한 지형이 형성된 후 좀처럼 변화를 받지 않은 곳으로서 소행성들과 혜성의 충돌로 생긴 구덩이가 잘 보존되어 있다. 반면 해양지각은 젊어서 2억 년 이상의 연령을 가진 해양지각은 알려져 있지 않다.

원래의 대륙핵들이 언제 형성되었으며 판구조적 작용이 언제부터 일어났는지도 불분명하다.

그러나 지구의 자연지리는 지사(地史)를 통해 수차에 걸쳐 변해 온 것으로 밝혀졌다. 몇 가지 증거에 의하면 약 25억 년 전에는 여러 개의 작은 대륙핵과 호상열도(弧狀列島)가 합쳐서 1개의 거대대륙이 형성되었다(초대륙). 이 거대대륙은 5억 3,000만 년 전에 시작된 판운동으로 최소한 3개의 주요대륙으로 갈라지게 되었다. 이때 형성된 주요대륙은 로렌시아 대륙(주로 오늘날의 북아메리카와 그린란드로 구성됨), 곤드와나 대륙(주로 오늘날의 아프리카, 남극, 오스트레일리아, 남아메리카, 남부 유럽, 중동의 상당 부분, 인도로 구성됨) 및 발티카 대륙(주로 오늘날의 스칸디나비아를 포함한 북유럽으로 구성됨)이다.

대륙들의 표이(漂移)가 계속됨에 따라 2억 4,500만 년 전에는 이들 대륙이 붙어 새로운 초대륙(超大陸)인 판게아를 형성했다. 약 6,500만 년이 경과한 후 판게아는 다시 여러 개의 대륙으로 갈라지기 시작했다. 오늘날 대륙의 지리적인 분포는 판게아가 갈라지기 시작한 지 약 1억 1,400만 년이 경과한 후의 모습이다.