판게아의 형성 및 대멸종

판 구조론은 지구의 암석권이 여러 개의 판으로 나뉘어 있고, 이 판들이 맨틀 대류에 의해 이동한다는 이론이다. 이 이동은 해령에서 새로운 지각이 생성되고, 해구에서 지각이 소멸되며, 변환 단층을 따라 미끄러지는 과정을 통해 이루어진다. 판의 이동은 대륙의 분리와 충돌을 일으키며, 이는 수억 년 주기로 초대륙이 형성되고 분열되는 초대륙 순환을 설명하는 핵심 메커니즘이다.

초대륙 순환은 약 5억에서 6억 년을 주기로 반복되는 것으로 추정된다. 이 과정은 다음과 같은 단계를 거친다.

이 순환은 단순한 반복이 아니라, 각 주기마다 대륙의 배열과 조산대의 위치가 달라지기 때문에 지구의 지형과 기후, 생물 진화에 지속적으로 새로운 영향을 미쳤다. 판게아는 알려진 초대륙 순환 역사 중 가장 최근에 형성된 초대륙이다.

바리스침 조산운동은 고생대 후기인 페름기에 최고조에 달하여 판게아 초대륙의 형성을 완성한 광범위한 지질 사건이다. 이 조산운동은 고생대 동안 진행된 일련의 대륙 충돌의 최종 단계를 나타낸다. 주요 구성 요소로는 라우라시아와 곤드와나라는 두 개의 거대한 대륙 덩어리가 최종적으로 충돌하여 거대한 산맥 체계를 형성한 것이 포함된다.

이 충돌의 중심지는 오늘날의 북아메리카 동부, 북서아프리카, 그리고 유럽 남부 일대였다. 이 지역에서 대륙 지각이 서로 충돌하고 겹쳐지면서 엄청난 규모의 습곡과 단층이 발생했다. 그 결과 형성된 산맥은 현대의 히말라야 산맥보다 훨씬 거대했을 것으로 추정되며, 그 잔해는 현재 애팔래치아 산맥과 북아프리카의 아틀라스 산맥 등에서 찾아볼 수 있다.

바리스침 조산운동의 완료는 약 2억 9천만 년 전에서 2억 7천만 년 전 사이로, 지구 역사상 가장 최근에 형성된 초대륙인 판게아가 하나의 단일한 육지 덩어리로 통합되었음을 의미한다. 이 초대륙은 거대한 내륙 지역을 만들었고, 이는 이후 심각한 대륙성 기후와 페름기-트라이아스기 대멸종을 초래하는 환경 변화의 중요한 배경이 되었다. 이 조산운동은 또한 광범위한 화강암 관입과 변성 작용을 동반하여 해당 지역의 지질 구조를 영구적으로 바꾸어 놓았다.

판게아는 하나의 거대한 초대륙으로, 오늘날의 대륙들이 모여 형성되었다. 이로 인해 대륙의 대부분이 해안선에서 멀리 떨어진 광활한 내륙 지역이 생겨났다. 이러한 지리적 구조는 극단적인 대륙성 기후를 초래했다.

내륙 지역은 계절에 따른 온도 차이가 매우 컸다. 여름에는 극심한 고온과 건조함이, 겨울에는 혹독한 추위가 지속되었다. 강수량은 해안가에 비해 현저히 적었으며, 광범위한 사막 지대가 형성되었다. 이러한 환경은 습윤한 해안 지역에 비해 생물이 서식하기 훨씬 더 어려운 조건을 만들었다.

기후의 극단성은 생태계에 큰 영향을 미쳤다. 내륙의 식생은 주로 건조와 추위에 강한 속씨식물의 조상격인 식물들과 겉씨식물들로 제한되었다. 동물군 또한 이러한 극한의 환경에 적응한 종들만이 내륙 깊숙이 퍼져나갈 수 있었다. 이는 전 지구적 생물 다양성의 분포와 진화 경로에 결정적인 역할을 했다.

판게아를 둘러싼 거대한 단일 해양은 판탈라사로 불린다. 이는 '모든 바다'를 의미하는 그리스어에서 유래한 이름이다. 판게아가 하나의 초대륙으로 뭉쳐 있던 시기에, 지구 표면의 나머지 대부분은 이 광활한 바다로 덮여 있었다. 판탈라사는 오늘날의 태평양의 직계 조상에 해당하며, 그 규모는 현대의 어떤 해양보다 훨씬 컸다.

판탈라사의 해양 순환은 현대와는 근본적으로 달랐다. 하나의 거대한 육지 덩어리가 적도를 가로지르는 형태로 존재했기 때문에, 해류의 자유로운 흐름이 크게 제한되었다. 특히 판게아의 동서 방향으로 길게 뻗은 해안선은 적도 해류의 형성을 방해했을 가능성이 높다. 이로 인해 열대 지역의 열이 고위도 지역으로 효율적으로 전달되지 못했고, 이는 전 지구적 기후 패턴에 중대한 영향을 미쳤다.

이 거대한 해양의 생태계 또한 독특한 양상을 보였을 것이다. 광활한 외해와 판게아 주변의 비교적 좁은 대륙붕이 존재했으며, 대륙 사이에 장벽이 없어 해양 생물의 분포는 넓었을 것으로 추정된다. 그러나 후기에 접어들며 페름기-트라이아스기 대멸종 당시 심각한 해양 산소 고갈 사건이 판탈라사 전역에서 발생했고, 이는 해양 생물군에 치명적인 타격을 주는 주요 요인 중 하나로 작용했다.

판게아가 분열하기 시작하면서 판탈라사는 점차 축소되기 시작했고, 새로이 형성되는 테티스 해와 같은 새로운 해양이 그 자리를 일부 차지하게 되었다. 최종적으로 판탈라사의 잔해는 오늘날의 태평양으로 이어졌다.

페름기-트라이아스기 대멸종은 지구 역사상 가장 규모가 큰 대멸종 사건으로 기록된다. 해양 생물의 약 96%, 육상 척추동물의 약 70%가 사라졌으며, 곤충의 경우에도 유일하게 대규모 멸종이 일어난 시기로 여겨진다[3]. 이 멸종은 생태계의 기본 구조를 근본적으로 뒤흔들었고, 생물 다양성의 회복에는 수백만 년 이상의 시간이 필요했다.

멸종의 영향은 전 지구적이었으며, 모든 생물군에 걸쳐 극심했다. 해양에서는 산호초를 형성하던 고산호류와 방추충이 완전히 절멸했고, 삼엽충과 대부분의 해양 무척추동물이 사라졌다. 육상에서는 당시 지배적이었던 단궁류 파충류인 디노케팔리아가 대부분 멸종했으며, 양서류와 파충류 군집에도 큰 타격이 있었다. 이 멸종은 생태계의 공백을 만들었고, 이 공백은 이후 악어형류와 공룡을 포함한 지배적 파충류 그룹의 출현과 번성의 발판이 되었다.

멸종의 규모를 보여주는 주요 지표는 다음과 같다.

이 사건은 지질 시대의 경계를 확실히 구분지으며, 고생대의 끝과 중생대의 시작을 알리는 결정적 계기가 되었다. 생물계의 대규모 재편은 이후 중생대 생태계의 기초를 형성하는 결과를 낳았다.

페름기-트라이아스기 대멸종의 원인을 설명하기 위해 여러 가설이 제시되었다. 가장 유력한 가설은 시베리아 트랩으로 알려진 대규모 화산 활동이다. 이는 현대 시베리아 지역에서 수십만 년에 걸쳐 발생한 거대한 현무암 용암 분출로, 엄청난 양의 이산화탄소와 이산화황, 메탄 수화물을 대기 중으로 방출했다[4]. 이로 인해 급격한 온실 효과와 기후 변화가 촉발되었으며, 산성비와 해양 산소 고갈 현상을 일으켜 해양 및 육상 생태계에 치명적인 타격을 주었다.

해양 환경의 붕괴와 관련된 가설도 중요하게 다루어진다. 화산 활동으로 인한 이산화탄소 증가는 해수의 산성화를 유발했고, 지구 온난화는 해수 순환을 정체시켜 빈산소 수괴를 확대했다. 이로 인해 광범위한 해양 무산소 사건이 발생하여 호흡에 산소가 필요한 대부분의 해양 생물이 사라졌다. 특히 얕은 대륙붕 해역에서의 멸종률이 매우 높았던 것은 이러한 환경 변화와 연관이 깊다.

일부 연구자들은 메탄 수화물의 대량 방출을 주요 원인으로 지목하기도 한다. 대륙붕 퇴적물에 포집된 메탄 수화물이 해수 온도 상승으로 인해 불안정해지면서 대기 중으로 급격히 방출될 수 있다. 메탄은 이산화탄소보다 훨씬 강력한 온실 기체이므로, 이로 인한 급격한 기후 변화가 멸종을 가속화했을 가능성이 있다.

다른 가설들도 제안되었으나, 지배적인 설명과는 거리가 있다. 예를 들어, 소행성 충돌 가설은 백악기-제3기 대멸종과 같은 명확한 충돌 증거(예: 이리듐 층)가 페름기-트라이아스기 경계층에서 널리 확인되지 않아 지지받지 못하고 있다. 마찬가지로, 은하계의 코스믹 레이나 초신성 폭발과 같은 외부 요인 가설은 결정적인 지질학적 증거가 부족하다. 현재 과학적 합의는 대멸종이 단일 원인이 아닌, 판게아 형성과 연관된 대규모 화산 활동이 촉발한 일련의 복합적 환경 재앙(온난화, 산성화, 무산소화)에 기인한다는 데 모아지고 있다.

시베리아 트랩은 약 2억 5천 1백만 년 전, 페름기 말에서 트라이아스기 초에 걸쳐 현재의 시베리아 지역에서 발생한 거대한 화산 활동이다. 이는 지질 역사상 가장 큰 규모의 홍수 현무암 분출 사건 중 하나로 알려져 있다. 용암이 분출한 총 면적은 약 700만 제곱킬로미터에 달하며, 두께는 일부 지역에서 3,000미터 이상에 이른다. 이 엄청난 분출은 수십만 년에 걸쳐 간헐적으로 일어났을 것으로 추정된다.

이 화산 활동의 근본적인 원인은 판게아 형성과 깊은 연관이 있다. 초대륙의 형성 과정에서 대륙 지각 아래로 거대한 맨틀의 상승류가 집중되었고, 이는 시베리아 지역의 리소스페어를 약화시켜 대규모 마그마가 지표로 분출하는 경로를 제공했다. 시베리아 트랩의 분출은 단순히 용암을 흘려보내는 것을 넘어, 막대한 양의 휘발성 물질을 대기 중으로 방출했다.

분출로 인해 대기 중으로 방출된 주요 물질과 그 영향은 다음과 같았다.

이러한 화산성 가스들은 페름기-트라이아스기 대멸종의 주요 방아쇠 중 하나로 작용했다. 특히 장기간에 걸친 대량의 이산화탄소 방출은 심각한 기후 변화와 해양 산소 고갈을 일으키는 연쇄 반응의 시작점이 되었다. 따라서 시베리아 트랩은 판게아라는 지질학적 사건이 생물계에 미친 치명적인 영향을 보여주는 직접적인 증거이다.

판게아의 형성 과정에서 발생한 광범위한 화산 활동과 대륙의 집중은 지구 기후 시스템에 심대한 변화를 초래했다. 특히 시베리아 트랩의 대규모 용암 분출은 대기 중에 막대한 양의 이산화탄소와 이산화황을 방출하여 강력한 온실 효과를 유발했다[6]. 이로 인해 전 지구적으로 기온이 급격히 상승했으며, 극지방의 빙하가 완전히 사라져 해수면이 상승했다. 또한, 거대한 단일 대륙인 판게아의 형성은 해양 순환과 대기 순환 패턴을 변화시켜, 광대한 내륙 지역은 극심한 계절적 온도 차이와 건조화를 겪게 되었다.

해양 환경에서는 이러한 기후 변화가 치명적인 결과를 낳았다. 수온 상승은 해수의 산소 용해도를 크게 떨어뜨렸다. 더욱이, 대륙붕의 축소와 담수 유입의 변화로 인해 해수의 성층화가 심화되어, 표층과 심층 사이의 수직적 혼합이 약화되었다. 이로 인해 심해로의 산소 공급이 차단되기 시작했고, 유기물의 분해 과정에서 산소가 고갈되는 빈산소대가 확장되었다.

해양 산소 고갈의 직접적인 증거는 전 세계적으로 발견되는 검은 셰일이다. 이 퇴적암은 산소가 부족한 환경에서 유기물이 완전히 분해되지 못하고 쌓여 형성된다. 페름기-트라이아스기 경계층에서 광범위하게 나타나는 검은 셰일은 당시 해양의 대규모 빈산소 사건을 명확히 보여준다. 산소 부족 환경은 호흡에 의존하는 대부분의 해양 생물, 특히 이동성이 낮거나 심해에 서식하는 생물들에게 치명적이었다.

기후 변화와 해양 산소 고갈은 서로 악순환을 이루며 멸종을 가속화했다. 수온 상승과 산소 부족은 해양 생태계의 1차 생산자인 식물성 플랑크톤의 붕괴를 초래할 수 있으며, 이는 전체 해양 먹이사슬의 붕괴로 이어졌다. 결과적으로, 페름기 말 해양 생물종의 약 96%가 사라지는 데 이 두 요인이 결정적인 역할을 했다.

판게아의 분열은 약 2억 년 전인 쥐라기 초기에 시작되었다. 이 분열 과정은 단일한 사건이 아니라 일련의 열곡과 해저 확장 단계를 거쳐 진행되었다. 분열은 먼저 테티스 해 쪽에서 시작되어 점차 서쪽으로 확대되었으며, 이는 중앙 대서양 마그마 지역의 광범위한 화성 활동과 연결된다.

분열의 주요 단계는 다음과 같은 순서로 진행되었다. 약 1억 8천만 년 전에는 라우라시아와 곤드와나가 분리되기 시작하며 중앙 대서양의 초기 열곡이 형성되었다. 약 1억 5천만 년 전에는 남아메리카와 아프리카가 분리되기 시작했고, 약 1억 3천만 년 전에는 남대서양의 해저 확장이 본격화되었다. 마지막으로 약 6천만 년 전에는 북아메리카와 유라시아가 그린란드를 사이에 두고 완전히 분리되었다.

대서양의 형성은 해령인 중앙해령을 중심으로 한 해저 확장에 의해 주도되었다. 맨틀에서 상승하는 열기둥이 암석권을 약화시키고 갈라지게 하여, 마그마가 분출하여 새로운 해양 지각을 만들었다. 이 과정은 대륙을 서서히 밀어내어 대서양 분지가 점차 넓어지게 했다. 대서양의 확장은 오늘날까지도 계속되고 있으며, 연간 약 2.5cm의 속도로 넓어지고 있다[7].

판게아의 분열과 대서양의 형성은 지구의 해양 순환과 기후 체계에 지대한 변화를 가져왔다. 단일한 거대한 판탈라사 해양이 분리되기 시작하면서, 새로운 해류 경로가 생겨났다. 이는 대륙의 기후를 지역화하고, 결국 고생대와는 구별되는 중생대의 새로운 환경과 생태계를 조성하는 토대가 되었다.

페름기-트라이아스기 대멸종 이후 생물권은 극도로 황폐화된 상태였다. 해양 생물의 약 96%, 육상 척추동물의 약 70%가 사라지면서 생태계는 거의 백지 상태가 되었다. 이 회복 기간은 예상보다 훨씬 길었으며, 생물 다양성이 멸종 전 수준으로 돌아오는 데 약 1천만 년 이상이 소요되었다[8].

초기 트라이아스기의 생태계는 소수의 생존자들이 지배했다. 해양에서는 이궁류에 속하는 악어와 도마뱀의 조상에 해당하는 단순한 형태의 파충류들이 육상을 점유하기 시작했다. 이들은 이후 공룡, 익룡, 악어 등 다양한 파충류 그룹으로 빠르게 분화해 나가는 기초가 되었다.

회복 과정의 중요한 전환점은 생태 공백을 채우기 위한 새로운 진화적 실험이 활발히 일어났다는 점이다. 예를 들어, 초기 포유류의 조상인 단궁류는 이 시기에 작은 체구와 털, 아마도 온혈성을 획득하는 등 중요한 진화적 적응을 보였다. 해양에서는 암모나이트가 소수의 생존 종에서 빠르게 다양화되어 트라이아스기 중기에는 새로운 군집을 형성했다. 이러한 진화적 방산은 판게아가 아직 하나로 뭉쳐 있어 생물들이 전 대륙에 비교적 자유롭게 확산될 수 있었던 지리적 조건과도 무관하지 않았다.

고지자기 연구는 판게아의 존재와 그 형성 과정을 입증하는 핵심적인 증거를 제공한다. 암석 내에 기록된 고대 지구 자기장의 방향을 분석함으로써, 대륙이 과거에 서로 다른 위치와 자세를 가지고 있었다는 사실을 확인할 수 있다. 예를 들어, 현재는 남북으로 길게 뻗은 아프리카와 남아메리카 대륙의 고지자기 기록을 비교하면, 약 3억 년 전에는 두 대륙의 자기 기록이 완벽하게 일치하여 하나의 대륙을 이루고 있었음을 보여준다[10]. 이 데이터는 컴퓨터 모델을 통해 대륙의 고대 이동 경로를 재구성하는 데 활용된다.

화석 기록은 생물지리학적 측면에서 판게아의 존재를 강력히 지지한다. 페름기에 해당하는 시기의 육상 및 담수 생물 화석이 전 세계적으로 유사한 종들이 분포한다는 점이 그 예이다. 용각류와 같은 파충류 화석이 현재는 대서양으로 갈라져 있는 브라질 동북부와 서아프리카에서 동일하게 발견된다. 또한, 글로소프테리스와 같은 고사리류 식물의 화석이 남반구의 모든 대륙에서 발견되는 것은 당시 이들이 하나의 연결된 대륙 위에서 자유롭게 확산될 수 있었음을 의미한다.

이 두 가지 증거는 서로를 보완하며 판게아의 형성과 분열 시기를 규정하는 데 사용된다. 고지자기 데이터는 대륙의 정확한 고위도와 경도를 추정하게 해주며, 화석 기록은 생물군이 이동할 수 있었던 시기(대륙이 연결되었을 때)와 격리되기 시작한 시기(대륙이 분리되기 시작했을 때)를 알려준다. 예를 들어, 트라이아스기 중후반 이후부터는 대륙별로 독특한 화석군이 나타나기 시작하는데, 이는 판게아가 분열되어 생물의 이동 경로가 차단되었음을 시사한다.

이러한 연구를 통해 과학자들은 판게아가 약 3억 3천만 년 전부터 형성되기 시작하여 약 2억 9천만 년 전에 완성되었고, 약 1억 7천만 년 전부터 본격적으로 분열되기 시작했다는 타임라인을 확립할 수 있었다.

페름기-트라이아스기 대멸종의 원인과 규모를 규명하는 데 있어, 암석과 화석에 기록된 화학적 신호를 해석하는 지화학적 분석은 핵심적인 증거를 제공한다. 이 분석은 멸종 시기에 전 지구적 환경이 겪은 극심한 변화를 정량적으로 보여준다.

멸종 지층에서 발견되는 탄소 동위원소 비율의 급격한 변동은 특히 중요하다. 해양 퇴적물의 탄소-13(¹³C) 대 탄소-12(¹²C) 비율이 갑자기 음(-)의 방향으로 크게 변하는 현상은 전 지구적 탄소 순환의 대규모 붕괴를 의미한다[11]. 이는 시베리아 트랩의 대규모 화산 활동이 대량의 이산화탄소와 메탄을 방출하여 대기 및 해양의 화학 조성을 변화시켰다는 가설을 지지한다. 또한, 멸종 경계층에서 황 동위원소와 스트론튬 동위원소 비율의 변화는 해양의 산소 결핍 사건과 대륙 풍화 작용의 급증을 각각 시사한다.

이러한 지화학적 프록시 데이터는 멸종 사건이 단일 원인이 아닌, 판게아 형성과 연관된 대규모 화산성 가스 방출이 촉발한 일련의 연쇄 반응—급격한 온난화, 해양 산소 고갈, 해양 산성화—의 결과였음을 보여준다. 멸종이 정확히 일어난 시점과 지속 기간을 높은 정밀도로 규정하는 데에도 우라늄-납 연대 측정법 같은 방사성 동위원소 연대 측정 기술이 화산암 샘플과 결합되어 활용된다.