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| 지구화학 개론 - 제 1장 지구화학이란? |
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많은 사람들은 지금까지 지구화학이란 학문이 있다는 말을 들어보지 못했을 것이다. 물리화학, 분석화학, 무기화학, 유기화학 이런 학문 분야에 대해서 는 알고 있을지 모르지만, 지질학을 전공한 사람이 아니면 지구화학이란 학문은 몹시 생소할 것이다. 지질학을 전공한 사람들도 막상 지구화학이 무어냐고 하면 대답이 시원찮은 경우가 많으니, 비전공자들의 경우는 새삼 말할 필요도 없을 것이다. 지구화학은 현대 지질학에 있어서 필수적인 학문 분야다. 특히, 최근의 분석 방법 및 기기의 발달과 활발한 학제간 연구에 힘입어 지구화학은 이제 대부분의 지질학 연구 분야와 더욱 밀접한 관계를 갖는 연구 분야가 되었다. 이 단원에서는 이러한 지구화학이 어떠한 학문인지, 지구화학은 어떻게 발달했고 앞으로는 어떻게 발달할 것인지, 그리고 지구화학에는 어떠한 세부 연구분야들이 있는지에 대해 아래와 같이 개략적으로 소개하려 한다. 1-1. 지구화학의 정의 1-2. 지구화학의 발달 1-3. 지구화학의 현재 - 연구 분야 1-4. 지구화학의 미래 1-5. 지구화학 분야의 전문 학술지 참고문헌 1-1. 지구화학의 정의 지구화학(geochemistry)은 지구 또는 지질학(geo 또는 geology)과 화학(chemistry)의 합성어이다. 여기서 우리는 지구화학이 그 용어 자체가 의미하듯 지질학과 화학의 중간쯤되는 학문이라는 것을 누구나 알 수 있다. 보다 전문적으로 지구화학을 정의하면 "지구화학은 지질학적인 현상과 문제를 화학적인 수단과 방법을 통해 이해하고 해결하려는 학문이다"라고 할 수 있을 것이다. 여기서 화학적인 수단과 방법이란 화학적인 이론과 논리뿐만 아니라 여러가지 실험 및 분석 방법을 모두 통칭하는 것이다. 따라서 지구화학을 잘 이해하기 위해서는 여러 가지 화학적인 지식이 필수적으로 요구됨으로, 지구화학을 공부하고자 하는 학생들은 화학의 여러 분야 지식을 구비하도록 꾸준히 노력하여야 한다. 1-2. 지구화학의 발달 지구화학은 애초 지구 구성 물질들에 대한 화학 조성에 대한 자료가 축적되면서 시작되었다고 볼 수 있다. 다음은 G. Faure가 쓴 "Principles and Apllication of Inorganic Geochemistry"(Faure, 1991)라는 책에 소개된 지구화학 발달사의 내용을 간략히 정리하여 옮긴 것이다. "지구화학(Geochemistry)"이라는 용어는 1838년 스위스 바젤대학교 화학 교수 '크리스티안 F 쇼엔바인(Chritian Friedlich Scho:nbein)'에 의해 처음 사용되었다. 이 말이 지금과 같은 의미의 용어로 다시 사용된 것은 이보다 70년 후인 1908년 미국지질조사소(US Geological Survey; USGS)의 프랭크 W 클라크 (Frank W. Clarke)가 "지구화학 자료집(The Data of Geochemistry)"라는 책의 초판본을 내면서 였다. 클라크는 1884년부터 1925년까지 USGS의 분석팀장이었다. 그는 이 기간에 암석과 광물들의 분석에 대단히 훌륭한 성과를 내고 이를 전통으로 확립하였는데, USGS는 이로 인해서 세계에서 가장 규모가 큰 연구 쎈터로 자리잡게 되었다. 클라크는 "지구화학 자료집"이라는 책에서 화학 원소들을 소개하고, 대기, 호수, 강, 그리고 바다의 화학 조성을 정리하는 것으로 시작해서, 샘과 증발암, 화산 개스, 마그마, 조암광물의 화학 조성, 화성암, 퇴적암, 변성암 및 광상의 화학 조성을 보고하였고, 나아가서는 화석 연료의 화학 조성을 조사하고 그 기원에 대해 토론하기까지 하였다. 이러한 업적은 현재 지구화학에서 다루는 일과 대단히 유사한 것으로, 클라크야 말로 진정한 의미에서 현대 지구화학의 시조라 할 만하다. 클라크가 미국에서 지구화학의 기초를 다지는 동안 소련에서도 지구화학은 비약적인 발전을 한다. 이 발전의 기초를 마련한 사람이 블라디미르 이바노비치 베르나드스키(Vladimir Ivanovich Vernadsky; 1864-1945)와 그의 제자 알렉산더 퍼스만(Alexander Fersman; 1883-1945)이다. 베르나드스키는 매우 뛰어난 업적을 남겼음에도 불구하고 서방 세계에는 잘 알려지지 않았다.베르나드스키는 야외로 학생들을 데리고 다니면서 광물을 보여주고, 이 광물들이 화학반응의 결과물이라 생각하도록 가르친 사람이다. 이러한 점은 그 전의 광물학에 비하면 상당히 파격적인 접근 방식이었다. 그는 또한 지질학과 지구화학에서 생물이 중요한 역할을 한다고 강조하였다. 실제로 그는 생물이야 말로 가장 강력한 지질학적 힘의 근원이며 지각도 생물권으로부터 유래하였다고까지 생각하였다 (물론, 이 것은 틀린 점이 많은 생각이다). 베르나드스키는 여러 종류의 언어에 능통했는데, 그 중 프랑스어로 써서 파리에서 출간된 쓴 두 권의 책은 매우 중요한 업적으로 인식되고 있다 (Vernadsky, 1924, 1929). 베르나드스키는 동시대의 다른 사람들보다 훨씬 앞 서 나갔으며, 이러한 그의 생각은 후에 Lovelock(1979)이 주장한 "Gaia hypothesis"의 모태가 되기도 하였다. 그가 주장한 지질학에 있어서 생물권의 중요성은 요즈음에 다시 조명되고 있으며, 러시아에서는 그를 20세기를 빛낸 가장 위대한 과학자 중의 한 명으로 평가한다. 퍼스만은 모스크바 대학에서 베르나드스키(V.I. Vernadsky)의 지도로 광물학을 공부했다. 퍼스만은 1907년에 학위를 마치고 5년후 27세의 나이로 광물학 교수가 되었다. 이후부터 그는 특히 응용 분야를 강조하면서 지구화학 분야에서 연구와 강의에 모두 뛰어난 업적을 남겼다. 퍼스만은 소련 전체를 널리 여행하고 특별히 사람의 발길이 뜸한 곳들을 조사하였다. 이 덕분에 퍼스만은 콜라 반도(Kola peninsular)에서 인회석 및 니켈광을 발견하였고, 이와 비슷한 일이 몇 차례 반복되면서 황무지 같던 땅들이 하나씩 광업과 공업의 중심지가 되어갔다. 퍼스만은 또한 중앙 아시아를 탐사하기도 했는데, 이 때 Kara Kum에서 수십년간 채굴할 수 있는 황 광체를 찾아냈다. 퍼스만은 1934년과 1939년 사이에 "지구화학(Geochemistry)"이라는 네 권짜리 책을 펴 냈다. 그는 이 책에서 자연에 분포하는 화학 원소들의 해석에 물리화학적 원리를 응용하였다. 무엇보다도 퍼스만의 공로는 고무적인 강의와 흥미있는 책의 출판을 통해 지질학 및 지구화학에 대한 대중들의 관심을 이끌어 냈다는 점이다. 톨스토이(Alexander K. Tolstoy)는 퍼스만을 "돌의 시인"이라고 부를 정도였다. 퍼스만이 이러한 찬사를 들을 수 있었던 것은 그가 일반일들을 대상으로 "만인을 위한 광물학", "암석에 대한 회고", "나의 여행기", "보석 이야기", 그리고 "모든 사람을 위한 지구화학" 같은 책을 펴냈기 때문이다. 퍼스만은 "우리는 게으르게 이 광대한 나라로부터 단순히 무얼 바라고 있을 수 만은 없다. 우리는 능동적으로 이 나라를 다시 세우고 그로부터 새 생활을 창조하여야 한다"고 말해 지구화학이 나라를 위해 봉사하여야 한다는 굳은 신념을 내 비쳤다. 
[그림] V.M. Goldschmidt퍼스만이 소련에서 왕성하게 활동하던 거의 같은 시기에 독일에서는 빅토르 골드쉬미트 (Victor M. Goldschmidt; 1888-1947)라는 걸출한 지구화학자가 활동하였다. 골드쉬미트는 1911년 오슬로에서 열역학적인 상률을 이용한 접촉 변성작용에 대한 연구로 박사학위를 받았다. 그 다음해에 라우에(Max von Laue)가 x-선 회절을 이용하여 광물의 구조와 이를 이루는 이온들의 반경을 알아앨 수 있음을 발견하였다. 골드쉬미트는 1922년부터 1926년까지 오슬로 대학에서 다른 연구자들과 함께 x-선 회절분석을 이용해 여러 광물들의 결정 구조를 밝혀내었다 (Goldschmidt, 1930). 1930년에 그는 괴팅겐 대학으로 옮겨, 그 곳에서 분광학을 이용해 원소들의 분포에 대해 연구하였다. 골드쉬미트는 이 때의 연구 결과로부터 최밀격자의 모양, 희귀 원소에 의한 치환의 조건등에 대한 일반적인 규칙을 발견하였고, 이를 바탕으로 지각을 구성하는 광물 내 원소의 분포를 이해하였다. 골드쉬미트는 1935년에 오슬로로 돌아왔으나, 독일이 1940년에 노르웨이를 침공한 이후에는 연구를 계속할 수 없었다. 그는 1942년 스웨덴으로 이주하였고, 그 후에는 영국으로 건너가 Macaulay Institute for Soil Research에서 일하기도 하였다. 그는 1946년 오슬로로 다시 돌아왔으나 노르웨이 수용소에서 겪은 병이 악화돼 1947년 59세의 나이로 생을 마감하였다. 골드쉬미트는 "Geochemistry"라는 미완의 책을 남겼고, 이는 후에 알렉스 뮈르(Alex Muir)에 의해 완성된 후 1954년에 출판되었다. 1988년 학술지 Applied Geochemistry는 골드쉬미트의 탄생 100주년을 기념하는 특별호를 발행하기도 하였으며, 현재에 가장 큰 지구화학 국제 학술대회가 그의 이름을 따서 진행되고 있다. 골드쉬미트의 가장 큰 지구화학적 업적은 이온의 크기와 전하를 근거로 동형 치환을 논리적으로 설명하였다는 것이다. 그는 여기서부터 그의 지구화학적 업적을 쌓아가기 시작한 것이다. 골드쉬미트의 뒤를 이어 원소의 분포에 대한 연구가 여러 뛰어난 지구화학자들에 의해 계승되었으며, 이들 중 특기할 만한 사람들로는 남아공의 아렌스(H. Ahrens), 영국의 놐콜즈(S.R. Nockolds), 호주의 테일러(S.R. Taylor), 핀란드의 란카마(K. Rankama), 독일의 베데폴(K.H. Wedepohl), 구소련의 비노그라도프(A.P. Vinogrdov), 카나다의 쇼(D.M. Shaw), 그리고 미국의 튜리키안(K.K. Turekian)등이 있다. 1-3. 지구화학의 현재 - 연구 분야에 계속 |
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