지구와의 충돌 사건들과 충돌구덩이 형성

외계 물체가 지구와 충돌하면 무슨 일이 일어나는가? 충격으로 구덩이가 생긱는 과정에서 물체로부터 지표면으로 운동에너지가 전달되어 지표면은 변형된다. 그 결과는 충돌구덩이(crater)로 거의 원형인 사발모양의 함몰이다. 함몰지의 너비, 깊이 그리고 충돌과 연관된 다른 영향들은 외계물질의 속도와 크기에 따라 결정된다.

 

접근물제의 속도와 크기

 

운석의 총 유입량은 약 107~109kg/년이다. 이것은 하루 수백톤의 운석이 지구로 유입되고 있음을 뜻한다. 이러한 운석물질의 대부분의 먼지 만한 크기의 입자들, 즉 미세운석(micrometerorites)으로 되어있다. 지구중력 때문에, 지구에서의 운석 유입량은 달에서 보다 약 50%정도 더 많다. 그러나 일반적으로 직경 1m 이하의 작은 물체들은 딸에 닿기도 전에 지구 대기권에서 공기와의 마찰에 의해 부서져 타버린다. 한편, 침식이라는 지구표면의 능동적인 변형으로 인해, 달 표면에서는 흔히 볼 수 있는 구덩이들은 지구표면에서는 찾아보기가 힘들다. 대기권을 지나 구덩이를 만들 수 이쓸 정도로 커다란 물체들은 1년에 약 한 번 정도로 지구에 떨어진다. 수 km 또는 그 이상의 구덩이를 형성하는 대 충돌은 매우 드물다. 예를 들어 직경이 100m에서 수 km에 이르는 운석은 백만년에 한 번 이하로 지구에 떨어질 가능성이 있다. 대기권으로 들어오는 작은 운석들의 속도는 4-40km/초로 측정된다. 만약 거대한 운석이 그 같은 속도로 지구에 떨어진다면, 에너지 방출량은 엄청날 것이다. 15km/초의 속도로 운동하는 직경 30m인 운석의 충돌은 TNT 4백만톤의 폭발과 맞먹는 양의 에너지를 방출할 것으로 추정된다. 그 결과는 충돌구덩이의 직경이 1200m, 깊이가 200m인 미국 애리조나주의 배링거 운석구덩이를 예로 들 수 있다(그림1-6)

그림 10.15 대형 충돌구덩이 분포도. 지구상에는 200개 이상의 충돌구덩이가 확인되었다.

구덩이가 된 표면

 

지구표면은 크게 세 가지 과정, 즉 구조적인 과정, 마그마과정, 풍화·침식의 표면과정에 의해 형성되며, 각 과정들은 정도의 차이는 있지만 태양계내의 행성과 위성들의 표면을 형성하는데 중요한 역할을 한다. 그러나 태양계 역사를 보면, 4번째 과정은 충돌구덩이로서 지구표면을 포함한 행성표면의 변형을 매우 중요한 역할을 하였다.

 

지구의 충돌구덩이

200개 이상의 충돌구덩이가 지구에서 확인되었다(그림10.15). 이런 작은 숫자는 많은 충돌이 있었음을 암시한다. 예를 들면, 달은 태양계 역사 초기의 격렬한 운석충돌 기간 동안에 심하게 구덩이화 되었다. 지구도 같은 기간에 격렬한 충돌을 받았지만, 풍화와 암석의 순환에 의해 그러한 증거가 거의 없어 졌다. 식별할 수 있는 대부분의 지구의 충돌구덩이들은 매우 크고, 최근에 일어난 것이거나, 매우 안정한 지질환경에 있었기 때문이다.

기본적으로 두 형태의 운석구덩이가 있다(그림10.16). 단순 운석구덩이는 일반적으로 사발모양의 함몰부를 가지며 직경이 5km 이하이다. 그리고 복합 운석구덩이는 중앙부가 유난히 융기하거나 원형구조를 가지고 직경이 3km 이상이다. 단순 운석구덩이의 예로는 미국 애리조나주의 배링거 운석구덩이, 캐나다 퀘벡의 뉴 퀘벡 운석구덩이, 그리고 나미비아의로부터 캄 등이다. 복합 운석구덩이의 예로는 미국 유타주의 업히벌 돔, 캐나다 온타리오의 서드베리, 그리고 호주의 고세스 블러프 등이다.

그림 10.16 운석구덩이의 기본적인 두 형태. A. 단순 운석구덩이는 비교적 작고 단순하며 사발모양을 하고 있다. B. 복합 운석구덩이는 크고 중심부가 융기한 원형 구조의 분자를 하고 있다.

충돌구덩이의 형성

비록 오래된 충돌구덩이들이 많이 발견되었지만, 형성되었을 당시처럼 크고 자연스런 모습으로 발견되지는 않고 있다. 충돌구덩이의 형성과정은 대부분은 연구실의 실험에 의한다(그림10.17). 고속의 운석이 떨어져서 행성의 지표면을 통과하면 먼지와 암석의 분출 산란물(ejecta)이 충돌지점으로부터 먼 곳까지 빠른속도로 모든 방향을 뒤덮는다. 이 때문에 구덩이 주위는 분출물로 덮히게 되고 가장자리에서 멀리 떨어질수록 얇아진다. 한편, 충돌은 하부의 암반에 압력을 가하여 바깥쪽으로 강력한 충격파를 보낸다. 대형 운석의 충격파에 의한 압력은 암석강도를 초과할 정도로 매우커서 하부의 암반을 거대한 덩어리로 쪼개진다. 대형 충돌사건에서는 기화현상이 일어날 수도 있다. 압축 충격파가 지나는 순간 빠른 감압이 발생하여, 경우에 따라서는 감압이 용융을 유발하여, 용융된 암석이 충돌에 의해 생겨난 파쇄대를 따라 올라와 구덩이 바닥으로 흘려나오기도 한다. 구덩이 가장자리에 인접한 암석층들은 역전되기도 한다. 대형 충돌구덩이 중앙부는 하나 또는 그이상의 융기된 원형모양의 변형 암석들로 둘러싸여 있다. 커다란 복합 층돌구덩이 바깥 원형부와 중앙의 융기부는(그림10.18) 초기 압력에 의해 형성된 것으로 추정된다.

구덩이 형성은 매우 빨리 진행된다. 예를 들어 베링거 운석구덩이의 형성은 단지 1분만에 형성된 것으로 추정된다. 초기 충돌 이후 충돌구덩이는 여러 작용으로 변형된다. 즉, 벽이 허물어지고, 복원력에 의해 가장자리와 바닥의 변화가 일어나며, 침식에 의해 구덩이는 퇴적물들로 채워지게 된다.

	그림 10.17 충돌구덩이의 형성과정. A. 충돌초기에 지표면 바로 아래의 물질들이 고속으로 분출되어 나간다. B. 기반암으로 충격파가 전달되어 고압이 발생하며 주변암과 퇴적층에 압력을 가하게 된다. 경우에 따라 압력이 암석당도를 초과하여 단열이 발생한다. C. 구덩이 가장자리를 따라 암석층이 압력의 감소에 의해 습곡 및 반전습곡을 형성한다. 분출된 파편들은 구덩이 주위를 원형으로 덮는다.

그림 10.18 운석 충돌구덩이. A. 애리조나주에 있는 운석구덩이는 단순 운석구덩이다. 1,200m 폭의 구덩이 주위의 솟아오른 지표면은 충돌시 튀어나온 암석들이 덮어서 생긴 것이다. B. 유다주 캔포랜드 국립공원의 업힐 돔은 한 개 이상의 원형과 중심부의 융기된 돔으로 구성된 복합 운석구덩이다.

 

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