Current Issue

운석충돌구와 관련된 형태로 발달한 분지 내부에서는 충돌구 림(rim)의 급사면에서 안쪽 평원(interior plain)으로 이어지는 경사 지형을 따라 선상지 또는 선상지-삼각주, 그리고 삼각주가 잘 발달하는 것으로 알려져 있다(Morgan et al., 2022). 이와 같은 삼각주 퇴적체의 존재는 과거 호수 환경에 해당하는 수괴(water body)의 존재를 직접적으로 지시한다. 여러 화성 분지에서 관찰되는 방사상 퇴적체(radiating depositional bodies)는 지형적 형태와 상부 표면 특성을 통해 선상지와 삼각주로 구분할 수 있다(그림 3; Tebolt and Goudge, 2022). 일반적으로 삼각주는 평탄한 상면(flat-topped surface)을 가지는 반면, 선상지는 볼록한 상면(convex-up surface)이 특징적이다. 따라서 형태적 대비는 퇴적물 공급 방식과 수괴의 존재 여부를 구분하는 핵심적인 지형 지표로 활용된다(그림 4).

Fig. 3. 
A fan-shaped features showing how flow of water transported sediment from the upstream catchment. The water and sediment spread outward and are deposited through a single point, the apex, where the flow meets the lowland. The ridge-like features (white arrows) that appear on the distal fan surface represent inverted channels, which are remnants of fluvial deposits that have resisted eolian erosion after the formation of the alluvial fan (from CTX mosaic map of Murray Lab, centered at 22.3817°S, 77.0142°E).

Fig. 4. 
Example of fan-shaped deposits in a small impact crater basin. (a) A CTX image of Hargraves Crater in the west of Isidis Basin (CTX mosaic map of Murray Lab, centered at 20.7654°N, 75.8603°E). (b) Detailed view of boxed area in Fig. 4a showing fan-shaped deposit with its catchment area and general sedimentary transportation direction. Note that the south eastern margin of the deposit is eroded and exposed its stratigraphy. (c) A CTX image of a small impact crater basin with an inlet valley (CTX mosaic map of Murray Lab, centered at 8.5255°N, 48.0046°W). The basin is nearly filled up with a fan-shaped deposit. Blue dotted lines denote catchment areas and red dotted lines demarcate the boundaries of fan-shaped deposits. (d) A CTX image of a small impact crater basin with alluvial fans (CTX mosaic map of Murray Lab, centered at 47.9145°S, 104.6278°W). (e) Detailed view of boxed area in Fig. 4d showing laterally arrayed relatively recent alluvial fans.

이러한 지형은 에베르스왈데 선상지 삼각주에 잘 보존되어 있으며, 여러 삼각주 엽의 중첩과, 형성 이후의 침식에 의해 드러난 단면에 의해 그 층서적 발달도 파악할 수 있는 대표적 사례이다(그림 5; Pondrelli et al., 2008). 이 선상지-삼각주는 총 다섯 개의 엽으로 구성되어 있으며, 그중 네 개는 삼각주 기원의 퇴적체로 해석된다(그림 6). 각 엽의 상대적 층서 관계는 단순한 절단 관계(cross-cutting relationships)를 통해 복원할 수 있으며, 이를 바탕으로 삼각주 평원(delta plain)과 삼각주 전면(delta front) 사이의 전이 구간으로부터 당시의 대략적인 수위 변동을 추정할 수 있다(Pondrelli et al., 2008).

Fig. 5. 
A fan-delta within Eberswalde Crater. (a) Topography showing the impact crater and the surrounding highlands. Valleys that supplied water and sediment downstream are clearly observed in the upstream area of the delta (CTX mosaic map from Murray Lab, centered at 23.9103°S, 33.6839°W). (b) Enlarged view of the rectangular area in the overall topographic map, showing well-developed radial delta lobes formed through multiple depositional episodes.

Fig. 6. 
(a) Detailed satellite imagery of the fan-delta showing individual channel-fill depositional lobes and their relative stratigraphic order from A (older) to E (younger) Redrawn after Pondrelli et al. (2008). (b) Sequence stratigraphic interpretation (Pondrelli et al., 2008) based on the spatial relationships among bottomset, foreset, and topset units of the delta deposits and their corresponding depositional lobes (fig. 15 in Pondrelli et al., 2008). (c) Grain-size recognition and its vertical variation derived from surface characteristics of the deltaic deposits, indicating an overall upward-fining trend (HiRISE image PSP_001336_1560_RED). See fig. 7 of Pondrelli et al. (2008) for more interpretation.

각 엽 간의 전환은 외적 요인에 의해 조절된 것으로 보이며, 세 차례의 수위 변동(water-level fluctuations)이 식별된다. 이는 각각 퇴적계다발(systems tracts)과 연관될 가능성이 있으며, 세 개의 저차 주기(lower-order cycles) 위에는 보다 고차의 후퇴 경향(higher-order regressive trend)이 중첩되어 있다. 이 세 저차 주기는 일시적이거나 국지적인 환경요소에 의해 부분적으로 조절되었을 가능성이 있으나, 주기적인 퇴적 양상은 기후적 요인의 존재를 강하게 시사한다(그림 7; Pondrelli et al., 2008).

Fig. 7. 
Sequence stratigraphic model of the Eberswalde crater fan–delta system (modified from fig. 21 of Pondrelli et al., 2008). Short-term fluctuations indicating episodic variations in water-level are superimposed on a long-term trend of water-level fall.

화성 북부 저지대에는 과거 대양이 존재했을 가능성이 제시되어 왔으며, 그 경계를 따라 삼각주, 계곡계, 그리고 해안선의 흔적이 다수 발견된다(Carr, 2007). 이러한 지형적 증거는 저지대가 한때 광범위한 수괴로 덮여 있었음을 시사하며, 화성 초기의 수문환경과 기후 진화를 해석하는 데 중요한 단서를 제공한다. 이러한 배경에서 Barker and Bhattacharya(2018)는 화성 북부 대양분지 전체에 적용 가능한 광역 층서 모델(stratigraphic model)을 제시하였는데(그림 8), 이들은 저지대 퇴적체의 분포와 형태를 순차층서학(sequence stratigraphy)의 관점에서 해석하여, 이를 해수면 하강기(sea-level fall)에 해당하는 퇴적체의 특수한 경우로 이해하였다. 즉, 장기간에 걸친 물의 소멸과 이에 따른 해안선의 지속적인 후퇴, 그리고 기온 하강으로 인한 얼음의 우세 혹은 영구동토(permafrost)의 발달이 복합적으로 작용한 결과로 보았다. 이 관점은 화성을 물을 함유한 천체(water-bearing body)로서 이해하려는 접근과 맞닿아 있다. 화성이 어떻게 진화하여 오늘날의 건조한 환경에 이르게 되었는지는, 그 초기 역사와 행성 진화 과정을 해석하는 데 있어 핵심적인 과학적 질문이다.

Fig. 8. 
Low-order sequence stratigraphic model of the northern ocean showing Amazonian time with pre-Amazonian stratigraphy (modified from fig. 8 of Barker and Bhattacharya (2018) with permission from the publisher). It is characterized by a unidirectional decline in surface water and the influence of persistent ice on the stratigraphic architecture. HST and FSST formed in the early Noachian while the lower ice layer formed in the latter part of the Noachian. Continental dust, ejecta, and volcanic material accumulated on top of the lower ice. Middle and late Hesperian outflow events might form the upper ice layer which eventually buried by continued deposition of the mantling dust and volcanics (Barker and Bhattacharya, 2018).

지구에서 확립된 순차층서학의 원리는 해석을 위한 개념적 틀을 제공하며, 화성 북부 저지대의 층서발달사 이해에 효과적으로 적용될 수 있다. Barker and Bhattacharya (2018)는 초기 화성에 원시 해양이 존재했을 가능성과, 계곡망 형성 및 이후의 대규모 유출 수로(outflow channels) 발달 시기에 남쪽의 고지대로부터 침식된 퇴적물이 저지대에 축적되었다는 가설에 근거한 모델을 제시한다. 기후의 점진적 냉각에 의해 유도된 과거의 전 행성적 환경 변화는 저위도 지역에서 표층 및 근표층수(surface and near-surface water)의 점진적 소실을 초래하고, 그 결과 물이 고위도 지역에 냉각 포획(cold-trapping)되는 과정을 거쳤을 것으로 추정하였다(그림 8).

이러한 변화는 분지 및 저지대 퇴적환경 내에서 독특하고 장기적인 강제해퇴(forced regression), 즉, 수괴의 점진적 축소와 함께 지속적으로 분지 내부방향으로 향하는 퇴적환경의 변화를 유발했을 것으로 해석된다. 지구의 지중해에서 마이오세에 일어난 메시나절 염분 위기(Messinian Salinity Crisis)는 증발 사건에 의해 대규모 수괴가 점진적으로 소멸하며 유발하는 퇴적학적 및 환경적 결과를 이해하기 위한 지구의 행성유사(terrestrial analogue) 사례로 비교된다. 이와 유사한 과정이 화성에서도 발생했다면, 이는 분지와 저지대 퇴적환경 내에 진단적인 퇴적 연속체(diagnostic sequences of deposits)와 광역 부정합(regional-scale unconformities)을 형성시켰을 가능성이 있다. 이런 지질학적 특성은 북부 저지대의 간헐적인 재표면화(intermittent resurfacing)와 함께, 헤스페리아기 말기까지 진행된 초기 해양의 점진적 상실을 지시하는 증거와 일치한다(Barker and Bhattacharya, 2018). 이는 거시적인 환경변화를 기반으로 한 모델로서 향후 보다 세부적인 증거들을 바탕으로 다시 검증될 필요가 있다.

일반적으로 화성의 대부분 퇴적분지는 지체구조운동과 직접적인 관련성이 없는 것으로 여겨지며, 주로 충돌, 침식, 그리고 유수 작용에 의해 형성되었다. 그러나 일부 지역에서는 분지 형성과 진화 과정에 구조운동의 증거가 관찰되는 예외적인 사례가 보고되기도 한다. Davis et al. (2021)은 화성의 대표적인 대규모 협곡 지형인 마리네리스 계곡 지역 내 두 곳에서 고해상도 궤도 영상 자료(high-resolution orbital data sets)를 활용하여 선상지 퇴적체의 특성을 정밀 분석하였다(그림 9). 협곡 바닥 부분과 중간 부분의 테라스위에 선상지가 발달하였으며, 이들은 협곡의 양쪽 사면에 대칭적으로 나타난다. 이들이 퇴적된 테라스는 협곡의 연장방향과 같은 방향으로 발달하며, 주변에 나타나는 정단층의 경향과도 일치한다. 수직적으로 어긋난 다른 시기 선상지 퇴적체의 보존 상태는, 단층대(fault zone) 내에서의 반복적인 활동 또는 초기 상반방향으로의 점진적인 단층전파를 지시한다. 즉, 선상지 퇴적체의 형성과 진화가, 단일 사건이 아닌 최소 두 차례 이상의 독립적인 구조운동과 관련된 퇴적사건에 의한 것이며 분지의 형성이 지체구조 변형과 밀접하게 연계되어 있었음을 보여준다. 이는 최초로 화성에서 구조운동과 퇴적주기성(depositional cyclicity)이 직접적으로 관련되어 있음을 입증한 중요한 사례로 꼽힌다(Davis et al., 2021). 화성에서 가장 큰 계곡인 마리네리스 계곡 전역에 걸친 광역적 지체구조 작용을 퇴적체가 기록하였음을 보고한 이 연구는, 특정 화성 퇴적분지의 경우 지체구조 운동을 고려한 분지해석이 필요할 수 있음을 제시한다. 따라서 향후 4,000 km 이상의 길이를 가진 마리네리스 계곡을 퇴적분지로 이해하고 이의 상세한 구조를 연구할 필요가 있다.

Fig. 9. 
(a) Topographic map of Valles Marineris (Viking colorized global mosaic 232 m v2). Southern Coprates Chasma is marked by a white box. (b) Detailed view of the southern Coprates Chasma. Two layers of alluvial-fan horizons, older upper fans and younger lower fans are color coded. Arrows mark normal faults run parallel to the orientation of the valley. They are separated by steep slope formed by inward fault propagation. For detailed lithology, drainage system, and formative processes, refer to Davis et al. (2021).

퇴적분지의 진화를 해석하기 위해서는 단순히 분지와 분지 충진물의 지형적 형태뿐 아니라, 그 내부를 구성하는 층서와 그 변화를 함께 분석해야 한다. 그러나 화성의 경우, 지표 노출 단면이 매우 제한적이어서 지구와 같은 방식으로 퇴적층의 수직적 배열을 직접 관찰하기 어렵다. 설사 노출부가 존재하더라도, 위성영상에서 관찰 가능한 해상도 한계로 인해 수평 규모에 비해 상대적으로 작은 수직 두께를 가지는 지층의 세부 구분에는 본질적인 제약이 따른다. 이러한 한계를 극복하기 위한 새로운 접근법으로, Grotzinger and Milliken (2012)은 지구 퇴적분지의 탄성파 탐사자료를 바탕으로 한 탄성파상(seismic facies) 개념을 응용한 궤도상 (orbital facies) 개념을 제안하였다. 이는 궤도 탐사 자료(orbiter observations)를 기반으로 퇴적체의 구조적 틀(depositional framework), 층상 구조 및 조직적·형태적 특징(bed-scale textural/morphologic attributes), 그리고 광물학적 조성(mineralogy)을 종합적으로 고려하여 퇴적상의 유형을 구분하는 분류 체계이다. 궤도퇴적상 체계는 다음과 같은 여섯 가지 주요 유형으로 구성된다(Grotzinger and Milliken, 2012).

(1) 괴상 각력암(Massive Breccia, MBR) - 대규모 각력암상, 운석충돌 및 붕괴 기원의 거력질 퇴적체로 주변의 다른 퇴적상과 함께 발달한다(그림 10a). (2) 복합층리 이암(Complexly Stratified Clay, CSC) - 복잡한 층리를 가진 점토상, 습윤 환경에서의 반복적 퇴적을 반영한다(그림 10b). (3) 측방연속 황산염(Laterally Continuous Sulfate, LCS) - 횡으로 연속성이 뛰어난 황산염상, 산성 환경에서의 증발 및 화학적 퇴적의 산물로 해석된다(그림 10c). (4) 측방연속 이질암(Laterally Continuous Heterolithic, LCH) - 다양한 입도와 구성물질이 교호하며 측방으로 넓게 연속되는 퇴적상으로, 변화하는 퇴적환경을 지시한다(그림 10d). (5) 지류망(Distributary Network, DNW) - 삼각주 또는 하도망 형태의 분지류 퇴적상으로 배수계로부터 공급된 물과 퇴적물이 퍼져 쌓인 퇴적체이다(그림 10e). (6) 반복층(Rhythmite, RHY) - 주기적 층리(rhythmic bedding)가 뚜렷한 퇴적상, 계절성 또는 기후주기에 의해 형성된 것으로 해석된다(그림 10f).

Fig. 10. 
Examples of Martian orbital facies proposed by Grotzinger and Milliken (2012). (a) Massive Breccia (MBR) exposed in the central part of the Valles Marineris (HiRISE image ESP_025600_1735). (b) Complexly Stratified Clay (CSC) exposed in the northern rim of Muara Crater within Mawrth Vallis (HiRISE image ESP_050362_2045_RED). Arrows indicate different types of unconformable contacts. See more details in fig. 16 in Grotzinger and Milliken (2012). (c) Laterally Continuous Sulfate (LCS) observed in Melas Chasma (HiRISE image PSP_006678_1675). (d) Laterally Continuous Heterolithic (LCH) outcrops near Juventae Chasma (HiRISE image PSP_002946_1765), where bright and dark layers in satellite imagery correspond to strata containing opaline silica and sulfides (Grotzinger and Milliken, 2012). (e) Distributary Network (DNW) developed in a lacustrine delta at the southwestern Melas Chasma (HiRISE image PSP_007087_1700). Arrows indicate inferred sedimentary pathways. See Metz et al. (2009) for more detailed interpretation. (f) Rhythmite (RHY) within the strata filling the Becquerel Crater (HiRISE image ESP_044784_2015, same view with fig. 3B of Lewis et al., 2008 and fig. 9C of Grotzinger and Milliken, 2012), with arrows indicating cyclic bedding patterns regularly observed in the sequence.

상기 퇴적상들은 화성의 여러 대표적 지역(reference sections)에서 관찰되며, 이들의 연속적 배열(succession)은 멀리 떨어진 지역 간의 층서 대비를 가능하게 한다. 이를 통해 화성 표면의 환경 변화를 시간적·공간적으로 보다 정밀하게 복원할 수 있게 되었다. 지질시대적으로 보면, 화성의 가장 오래된 지형은 MBR과 CSC 퇴적상이 우세하며, 상대적으로 젊은 지형에서는 LCS, DNW, RHY 퇴적상이 지배적이다. 그러나 일부 지역에서는 점토를 함유한 DNW와 LCH 퇴적상이 대규모 황산염 퇴적체(LCS)와 동시대(동시성, coeval)로 나타나기도 한다. 이는 화성의 기후 진화가 단순히 전 행성적 알칼리-산성 전이(global alkaline-acidic transition)로 설명될 수 없음을 보여준다. 오히려 지역적 수리지화학 환경(aqueous geochemistry)의 다양성과, 지표수(surface water)와 지하수(groundwater)가 각각 차지하는 상대적 역할이 복합적으로 작용했음을 시사한다(Grotzinger and Milliken, 2012).

화성 탐사를 수행하는 데 있어 가장 근본적인 과학적 목표의 제1순위는 생명체 흔적(biosignatures)의 확인이다. 이는 미항공우주국(NASA), 유럽우주국(ESA) 등 주요 우주기관의 장기 탐사 프로그램에서도 일관되게 설정된 최상위 연구 과제로, 퇴적 환경 내에서 물-암석-유기물 상호작용에 대한 정밀 분석을 통해 달성될 수 있다. 우리나라의 향후 화성 탐사 계획 또한 생명 탐색이 최우선 목표 중 하나로 설정될 가능성이 높으며, 이에 부합하는 탐사 장비의 탑재 및 착륙지 선정 전략이 수반되어야 한다. 생명체의 흔적이 남을 가능성이 높은 환경은 일반적으로 물이 장기간 안정적으로 존재했던 지역인 퇴적분지와 내부의 퇴적체다. 특히, 단순히 일시적인 수괴가 아니라 반복적인 수위 변동과 환경 변화가 기록된 지역은, 다양한 화학·물리적 조건에서 생명체가 형성되거나 유지되었을 가능성을 검증할 수 있는 최적의 후보지이다.

상기한 조건은 이미 로버가 활동하고 있는 예제로(Jezero), 게일(Gale) 분지 또는 앞서 언급된 에베르스왈데 운석충돌구와 같이 장기간의 수권 활동과 퇴적 주기성이 공존하는 지역에서 대표적으로 관찰된다. 북반구 대양의 과거 연안지역 또한 비슷한 환경이 발달했던 곳으로 생각되지만, 그 광대함과 중요성에 비해 아직까지 탐사의 횟수가 제한적이다. 따라서 우리나라의 화성 착륙 탐사 계획 또한 복합 퇴적층서가 발달하고, 다양한 환경 지시자가 공존하는 분지를 대상으로 설정하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 착륙지 선정 이전 단계의 정밀 궤도 관측(orbital reconnaissance)이 결정적이다. 궤도선의 해상도(resolution)와 분광 탐지능력(spectral sensitivity)은 표면 퇴적체의 구조적 배열, 광물 조성, 그리고 층서적 연속성을 식별하는 데 필수적이기 때문이다. 특히 이미 공개된 자료를 바탕으로 앞서 제시된 궤도상 체계(Grotzinger and Milliken, 2012)를 구체화하고 실제 연구에 적용하는 경험이 축적된다면, 우리나라가 향후 확보할 고해상도 궤도 영상 자료로도 화성 분지의 층서적 진화와 환경 변화를 정량적으로 규명할 수 있을 것이다.