Current Issue

큐리오시티의 퇴적지질학 연구 과정은 야외 관찰, 암상 및 퇴적 구조 판별, 시료 채취와 분석, 자료 해석의 과정의 단계로 진행되며, 전체 과정에서 로버 탑재체를 이용한 자료 확보가 핵심적이다. 로버 기반의 퇴적층 조사에서는 우선 Mastcam으로 촬영된 이미지를 바탕으로 퇴적층의 외관, 자세, 층리와 퇴적 구조, 입도 분포를 판별한다. 이 때 지구에서의 야외조사와는 달리 해상도(최대 150 µm/pixel)가 제한적이며, 촬영 당시의 일광 조건과 대기의 산란에 의하여 정밀한 구조나 조직을 판별하는 데에 오랜 시간이 걸린다. 이를 보완하기 위하여 한계는 있으나 ChemCam의 원격 이미지를 추가 활용할 수 있다(Le Mouélic et al., 2015). 지구에서는 다양한 각도에서 관찰이 가능하며, 필요한 경우 실험실에서의 확대경이나 편광현미경 분석이 가능하지만, 행성 환경에서는 탑재 장비를 다양하게 활용하여 최대한의 자료를 확보해야한다.

암석 표면 비파괴 분석에 더하여, 로버에 탑재된 드릴을 사용하여 분말 형태의 시료를 채취한 후 CheMin을 이용하여 광물 조성을 분석한다. 이렇게 제작한 분말 시료는 SAM을 이용한 유기화합물 분석에도 이용된다. 지구에서의 XRD분석 및 유기지화학 분석과 유사한 방식이지만 분석 가능한 시료의 양(50 mg)과 분말 시료 입도(<150 µm)에 제약이 있으며, 시료 가열 및 이동 과정에서의 손실이 발생할 수 있다(Blake et al., 2012). 따라서 분석 결과의 정밀도는 지구의 실험실에 비하여 낮은 수준이다.

표면의 관찰 결과를 종합하여 암상을 분류하고 퇴적과정을 해석하는 단계에서는 촬영 자료와 함께 화학 및 광물 조성 분석 자료를 활용하여 지구의 퇴적지질학 실험실에서 수행하는 세분화된 암상 분류, 특히 세립질 암상의 분류가 가능하다. 물론 현장에서 수행하는 로버의 분석 과정을 고려하면 시료의 단면을 절단하여 관찰하거나 보다 미세한 조직을 분석할 수 없다는 제약이 있다. 또한 세밀한 층서 단위 간의 변화 양상을 층리 단위로 파악하여 퇴적 과정과 환경을 추적하는 것은 아직 기술적으로 어렵다.

행성 현지 환경 탐사라는 조건에서 발생하는 다소간의 불가피한 제약들이 있으나 앞서 설명한 과정을 통하여 수집된 탐사 경로의 암상, 퇴적 구조, 조직, 화학 및 광물 조성의 자료를 종합하여 층서 단위를 수립하고 퇴적 환경을 해석하는 것이 가능하다. 이 때 지구의 퇴적과정에 대한 이해와 유사 환경에 대한 선행 연구가 기반을 제공하는데, 다음의 Williams et al. (2013)의 연구는 큐리오시티 탐사 초기의 결과를 바탕으로 퇴적 환경을 해석한 사례이다. 착륙 직후 탐사 경로의 노두에서 관찰된 퇴적암을 대상으로 한 해당 연구에서는, MastCam과 ChemCam으로 정밀 촬영을 통하여 표면을 관찰한 결과 암상은 역암이며, 2-40 mm 범위의 역(clast)과 조립질 모래 기질로 구성되어 있음을 확인하였다(그림 3). 역의 높은 원마도, 입자간의 접촉 관계와 인편구조(imbrication), 역질층과 사질층의 교호하는 산출 상태를 기반으로, 주기적으로 유량이 변동하는 하천에 의한 퇴적 작용의 결과로 해석하였다. 또한 이와 같은 퇴적물을 운반한 하천의 수력학적 특성은 수심 약 3-90 cm, 평균 유속은 20-75 cm/s에 해당하는 상류(subcritical flow, Froude number<1) 조건을 초과하며, 운반거리는 수 km정도로 추정된다. 이는 과거 게일 크레이터 내에 하도가 안정적으로 존재하였다는 증거이다. 해당 연구에서는 실제 칠레 아타카마 사막의 선상지 하부(distal fan)에 분포하는 역암과의 유사성을 제시하며, 게일 크레이터의 역암이 선상지-하도 시스템의 반복적인 퇴적 작용에 의하여 형성된 것으로 해석하였다. 이는 현재 화성의 건조한 환경과 대비되는, 화성 초기의 온난습윤한 환경에 대한 직접적인 증거이자 탐사 성과이다.

Fig. 3. 
Fluvial conglomerate observed in Gale crater (left) compared with similar conglomerate on Earth (right). Image credit: NASA/JPL-Caltech/MSSS and PSI.

앞서 설명한 탐사와 연구 과정을 통하여 지난 12년 동안 게일 크레이터 내 퇴적 환경에 대한 해석과 층서 정립이 이루어졌다(그림 4). 주상도에서는 로버가 탐사한 800 m이상의 퇴적층의 암상 분포와 주된 암석층서 단위를 확인할 수 있는데, 지구에서 기재하는 주상도와 달리 층의 두께는 노출된 표면에서 측정된 거리를 기준으로 한다. 또한 층서단위의 명칭의 영문 표기에서 group(층군)과 formation(층) 등의 첫 글자를 대문자화하지 않는데, 이는 해당 명칭들은 아직 탐사팀과 연구자들이 내부적으로 사용하는 비공식적 층서 단위로 여겨지기 때문이다. 2025년 현재 큐리오시티는 샤프 산 퇴적층 상부의 풍성퇴적층 구간으로 이동하고 있으며, 탐사 결과와 함께 층서 역시 지속적으로 개정되고 있다.

Fig. 4. 
Stratigraphic column of the sedimentary record in Gale crater. Modified from Vasavada (2022).

게일 크레이터 내 분포하는 퇴적층은 부정합면, 지층의 횡적 연장성, 기원지 특성 등을 기준으로 최하부로부터 브래드버리층군(Bradbury group), 샤프산층군(Mt. Sharp group), 그리고 시카포인트층군(Siccar Point group)으로 나뉜다(그림 4). 게일 크레이터의 기저부에 주로 분포하는 브래드버리층군은 선상지, 삼각주, 하성, 호성환경의 역암과 사암으로 구성된 가장 조립한 퇴적층이다(Williams et al., 2013; Grotzinger et al., 2015; Stack et al., 2019). 상부의 샤프산층군은 브래드버리층군과 정합적으로 접촉하는 것으로 여겨지는, 샤프 산을 구성하는 주된 퇴적체이다. 하부에 비하여 엽층리가 발달한 이질암이 우세한데, 이는 장기간 유지된 호성환경에서 퇴적된 결과로 여겨진다(Hurowitz et al., 2017; Fedo et al., 2018). 호수의 유량이 장기간에 걸쳐 증가와 감소를 반복하였으며, 이와 함께 하성 및 삼각주 퇴적체, 때로는 풍성 퇴적체가 협재된다(Fedo et al., 2017, 2018; Gwizd et al., 2018; Achilles et al., 2020). 시카포인트층군은 하위의 샤프산층군과는 이질적인 층리와 경사를 나타내며, 둘 사이의 접촉관계는 부정합면으로 정의된다(Fedo et al., 2022). 주로 사암과 역암 등의 조립한 퇴적물이 우세하며 풍성퇴적 환경과 선상지 하도 퇴적층이 함께 산출한다(Banham et al., 2018; Davis et al., 2025). 또한 암설류 기원의 퇴적체가 확인되어, 당시 호수는 대부분 말라 있었으나 물에 의한 국지적 퇴적 작용은 잔존하였음을 시사한다(Bedford et al., 2020). 현재까지 이루어진 퇴적 환경 해석을 기반으로 게일 크레이터의 과거 습윤한 기후 당시 발달한 퇴적 환경에 대한 모델이 수립되었다(Rampe et al., 2020). 크레이터 내부의 거대한 호수와 호수로 흘러들어가는 하천과 삼각주, 크레이터 사면 인근에 형성된 선상지가 발달하였으며, 지구의 과충진호수(overfilled lake)와 유사한 이 호수 수위의 상대적인 변화에 따라 퇴적체의 전진-후퇴가 반복되었을 것으로 해석한다. 이후 점진적인 기후 건조화와 산성화가 진행되어 시카포인트층군 퇴적 당시에는 건조한 기후가 우세하게 되었던 것으로 보인다.

게일 크레이터에서 관찰된 다양한 퇴적 구조들은 과거 화성 표면에 액체 상태의 물이 존재하였을 뿐만 아니라, 하천, 호수, 선상지와 같은 복합적인 퇴적 환경이 존재하였음을 반영한다. 그 중 많은 퇴적 구조들이 화성 표면 환경 및 기후 변화, 더 나아가 행성환경 진화에 있어 중요한 시사점을 갖는다. 아마도 큐리오시티 로버가 탐사를 시작한 이래 화성의 표면에서 촬영한 이미지 중 대중적으로 가장 높은 관심을 끈 것은 NASA가 언론에 공개한 로버의 셀피(selfie)일 것이다(그림 5a). 그러나 과학적인 측면에서 본다면 탐사 초기 관찰한 사층리(cross bedding)는 화성에서의 물에 의한 퇴적 작용에 대한 최초의 현장 관측 증거로서 그 시사점이 크다고 할 수 있을 것이다(그림 5b). 화성에서 최초로 보고된 수 cm규모의 사층리는 브래드버리층군 하부에서 관찰되었으며, 이는 과거 크레이터 내 발달한 호수에 유입되는 하도-삼각주 환경에서 형성된 것으로 해석된다(Grotzinger et al., 2014). 이후의 탐사 동안 여러 차례 추가적인 사층리의 산출이 확인되었으며, 하부의 브래드버리층군 뿐만 아니라 샤프산층군에서도 수 mm에서 수 cm 규모로, 때로는 이질암과 협재하는 사암 내에서 관찰되었다. 이는 게일 크레이터의 하호성 퇴적 환경 모델을 지지하는 증거이다. 또한 퇴적층 상부로 갈수록 파랑 사층리(wave cross bedding)가 산출하여, 점차 호성환경이 우세해졌음을 시사한다(Mondro et al. 2025).

Fig. 5. 
Images taken on the Martian surface by the Curiosity rover: (a) rover “selfie,” (b) cross-bedded sandstone, and (c) desiccation cracks on mudrock. Image credit: NASA/JPL-Caltech/MSSS and NASA/JPL-Caltech/MSSS/IRAP.

한편 점토광물이 우세한 구간에서 황산염광물이 우세한 구간으로 변화하는 전이대에서 확인된 건열(dessication crack)은 화성이 점진적으로 건조화한 노아키스기-헤스페리아기 전환 시기의 환경에 대한 새로운 관점을 제시하였다(Rapin et al., 2023). 호성 퇴적암 표면에서 촬영된 다각형의 패턴은 이질암의 건열로 해석되었으며, 이는 습윤한 환경에서 노출 및 증발을 겪었음을 의미한다(그림 5c). 해당 구조는 일회성 증발 사건이 아닌, 주기적으로 반복되는 습윤-증발 과정을 반영하며, 이는 점토광물-황산염 전이대, 혹은 노아키스기 후기의 기후가 단순 건조화가 아닌 보다 복잡한 기후를 수반하였음을 시사한다. 해당 발견이 갖는 의의는 화성 기후 발달사에서 더 나아가 생명 존재 가능성에 대한 시사점을 제시한다. 반복되는 습윤-건조 환경에 의하여 용존 이온과 유기물의 농축과 침전이 활발해지고 화학반응 또한 용이해졌을 것이며, 그 결과 생명 발생에 필요한 화합물이 형성되었을 가능성 역시 높아졌을 것이다. 이는 퇴적 구조가 퇴적 작용 만이 아니라 기후 변화와 생명 발생의 가능성까지 확장할 수 있는 환경 조건에 대한 단서를 제공한다는 점에서 그 의의가 크다고 볼 수 있다.

최근 보고된 파랑 연흔(wave ripple)의 경우 화성 환경의 건조화가 상당한 수준으로 진행된 시점에서 형성된 퇴적층에서 산출된다는 점에서 중요한 발견이다. Mondro et al. (2025)은 게일 크레이터 퇴적층 상부 황산염이 우세한 단위 내에서 좌우 대칭형의 파랑 연흔을 보고하였다. 해당 퇴적층은 성분에서 알 수 있듯이 노아키스기 후기-헤스페리아기 초기에 형성된 것으로, 이 시기 화성 표면의 물의 양은 상당히 감소하였으며, 잔존하는 물의 표면은 대부분 얼음에 의하여 덮여있었을 것로 여겨져왔다(Squyres and Kasting, 1994; McKay et al., 2005; Kite, 2019). 그러나 모델링 결과, 새롭게 보고된 파랑연흔은 최대 폭 500 m, 수심 2 m정도의 호수에서 바람에 의하여 형성된 파도의 퇴적 작용에 의한 것으로 해석되었다(Mondro et al., 2025). 퇴적층 규모로 볼 때 이와 같은 안정적인 얕은 호성환경에서의 퇴적 작용이 장기간 반복적으로 일어났을 것으로 보인다. 이는 이전의 기후 모델링 연구 결과와는 대치되는 것으로, 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 온화한 기후 조건을 노아키스기 후기까지 연장시키는, 화성 기후 진화 및 생명 발생 가능성 평가에 있어 새로운 통찰을 제공한다.

퇴적암의 물리적인 특성, 즉 구조와 조직에 더하여 화학적·광물학적 조성은 행성 표면 환경의 진화를 이해하는 데에 핵심적인 단서를 제공한다. 따라서 지구에서는 퇴적암과 미고화 퇴적물을 대상으로 기원암의 성분, 화학적 풍화 강도, 속성작용 동안의 변질 양상을 파악하고 기후 및 지구조환경을 해석하기 위하여 주원소, 미량원소, 동위원소 등 다양한 지시자를 활용한다. 이러한 다각도의 실험실 분석은 야외조사와 관찰을 보완하여 퇴적암이 형성된 지표환경의 진화에 대한 종합적인 정보를 제공한다. 그러나 화성 대상 연구에서는 원격 탐사 분광 자료와 및 로버 탑재체를 활용한, 주원소와 광물 조성 분석에 국한되어 있다. 그 결과 화성 퇴적암 조성을 이용한 고환경 해석에서는 지구에서 비교적 최근 개발된 지시자(예. Li 동위원소) 대신, 주원소 조성을 기반으로 하는 전통적인 지시자를 활용해야 한다.

과거 화성의 표면 환경에 물이 존재하였다면 규산염 광물로 구성된 화성 지각 물질과 물의 반응에 의한 화학적인 풍화가 일어났을 것이다. 지구의 원리를 화성에 적용한다면 상대적으로 온난습윤한 시기에는 강한 화학적 풍화가, 한랭건조화한 시기에는 풍화 강도의 감소가 예상되며, 이는 퇴적암의 화학적, 광물학적 조성에 반영될 것이다. 이와 같은 일종의 “동일과정설”의 원리를 기반으로, 1980년대 개발된 후 현재까지 지구의 퇴적 기록 연구에 활용되는 화학적 풍화 지수인 Chemical Index of Alteration (CIA; Nesbitt and Young, 1982)이 게일 크레이터 퇴적 기록에도 적용되고 있다(예, McLennan et al., 2013; Mangold et al., 2019; Dehouck et al., 2022). 이 지수는 화학적 풍화가 진행되는 동안 규산염 지각 암석을 구성하는 주된 광물인 장석이 점토광물로 변질되며 Ca, Na, K은 용탈되고 Al이 상대적으로 농축된다는 원리에 기반하여 화학적 풍화의 강도를 정량화한다. 화성의 제한적인 분석 여건과 기후 진화 역사를 고려할 때 CIA를 적용하여 화학적인 풍화·변질의 강도와 더 나아가 행성 지표 환경을 복원하고자 하는 접근법은 합리적이다. 다만 화성의 지각은 지구의 대륙지각과 같이 분화된 화강섬록암 조성이 아닌 현무암에 가까운 성분으로 광물 조성이 다르다. 화학적으로는 Ca, Fe, Mg이 풍부하고 K, Na 함량이 낮으며, 그 결과 풍화 경로와 점토광물의 생성 양상도 달라질 것이다. 따라서 지구 대륙지각을 기준으로 개발된 CIA, 혹은 여타 화학적 풍화 지수를 화성 환경에 적용하여 기후 역사를 복원하는 데에는 일정 부분 한계가 존재할 수밖에 없다. 예를 들어 게일 크레이터 탐사 초기의 분석자료를 기반으로 화학적 풍화 지시자를 적용한 결과 최하부 퇴적 기록의 경우 화학적인 풍화가 거의 일어나지 않은 것으로 나타났는데, 이는 단순히 현무암질 지각물질의 화학적 풍화만이 아니라 알칼리성 암석으로부터의 풍화와 퇴적물 공급, 그리고 빠른 퇴적과 매몰 과정의 복합적인 결과로 해석되었다(McLennan et al., 2013). 해당 결과는 화성 지각을 구성하는 암석 성분이 예상보다 더욱 다양하였음을 반영하며, 화성의 퇴적암 성분을 결정하는 요소로 기원암 성분의 다양성과 세부 퇴적 환경에 의하여 조절되는 기반암과 표토 물질 침식 및 퇴적률을 함께 고려해야 한다는 시사점을 제시하였다.

또한 화성의 퇴적암에서 관찰되는 조성 변화가 단순한 화학적 풍화의 결과인지, 아니면 퇴적 이후의 속성작용 또는 열수변질 과정에 기인한 것인지, 모든 가능성을 고려해야한다. 화성 지질 역사 후기의 유체는 지구의 물과는 매우 다른 화학 조성-예를 들어 염화물이나 황산염을 풍부하게 포함한 고농도, 산성 환경-이었을 확률이 높으며, 이러한 환경에서는 물-암석 반응이 지구와는 전혀 다른 방향으로 진행되었을 것이다. 예를 들어 Seeger and Grotzinger (2024)는 샤프산층군 내 점토광물-황산염 전이대에 걸쳐 나타나는 화학조성의 변화와 점토광물 및 Mg-황산염 광물의 농도 변화는 점진적인 건조화에 따른 호성환경에서 증발환경으로의 변화와 함께 퇴적 이후 유체와의 반응이 복합적으로 작용한 결과로 해석하였다. 따라서 지구에서 확립된 화학적 풍화 지수를 적용할 때에는 기원지에서의 풍화작용의 강도와 환경 만이 아니라 퇴적 이후 다양한 성분을 갖는 유체와의 반응을 종합적으로 고려해야 한다. 다만 로버 분석이 지층 내 한정된 부분에서 이루어질 수밖에 없다는 제약으로 인하여 유체에 의한 변질이 분지 전체에 걸쳐서 일어난 사건인지, 혹은 국지적인 영향에 그쳤는지를 판별하기 어려울 수 있다.

현재까지 보고된 게일 퇴적암 조성의 특징과 행성 지표 환경의 진화, 분석 조건을 고려한다면, 지구에서 개발된 CIA 등의 화학적 풍화 및 변질 지시자를 화성, 혹은 여타 암석형 천체의 고환경 해석에 적용할 때에는 행성 표면에 존재하였을 유체 환경을 고려한 다중지시자 접근이 필수적일 것이다. 로버에 탑재 가능한 분석 장비의 한계로 인하여 지구에서 이용하는 미량원소, 미세분석, 동위원소 지시자의 적용이 불가능하기 때문에, 주원소 조성에 기반한 전통적인 지시자를 적용하고 보완하여 퇴적암의 복잡한 변질 역사를 풀어나가는 것이 최선이기 때문이다. 이를 위하여 CIA 외 지구에서 개발된 여타 화학적 풍화 지수, 이를테면 고철질암이나 퇴적암의 풍화 과정을 고려한 풍화 지수(예, W-index; Ohta and Arai, 2007)를 화성에 적용 가능할지를 검증해 볼 수 있을 것이다(예, Jeon and Joo, 2024). 또한 황산염과 염소가 풍부한 유체에 의한 산성의 환경에서의 속성·변질 작용이 활발하였던 후기 퇴적 환경에서는 결정질 및 비정질 물질의 조성과 분포, 유체 화학을 고려한 종합적인 해석이 필수적일 것이다(Rampe et al., 2020).