과학자들은 백운석 문제를 해결했을까? : 대홍수-지층 [한국창조과학회 자료실]

미디어위원회

2025-11-13

과학자들은 백운석 문제를 해결했을까?

(Have scientists solved the dolomite problem?)

By Michael J Oard

오래 지속되어왔던 백운석 문제에 대한 새로운 해결책이 제시되었다. 하지만 오래된 진화론적 연대로 해석하는 데에는 여전히 많은 난제들이 남아 있다. 홍수지질학은 다른 통찰력을 제공한다.

백운석(dolomite, CaMg(CO3)2, 돌로마이트)는 퇴적암의 주요 광물이며, 일부 층은 500,000km2의 면적에 걸쳐 1,000m 이상 두께를 가지고 있다.[1] 백운석의 기원은 200년 이상 풀리지 않은 동일과정설 지구과학의 주요 미스터리이다.[2, 3] 쑤(Xu) 등은 "백운석 문제만큼 그 답을 찾기 위해 오랜 시간이 걸린 지질학적 과제는 거의 없다"라고 주장한다.[4] 퇴적암에서 자주 발견되는 마그네사이트(magnesite, MgCO3)에도 비슷한 어려움이 있다.[4] 따라서 기존 과학자들이 이 문제를 해결하기 위해 열심히 노력하고 있는 것은 당연한 일이다. 아주 최근에 동일과정설 과학자들이 이 문제에 대한 해결책을 갖게 되었다고 주장했다.[5] 하지만 해결책을 이해하기 전에 먼저 백운석 문제를 이해해야 한다.

백운석 문제

백운석 문제는 '고대' 퇴적암에는 백운석이 놀라울 정도로 풍부하게 존재하는 반면에, 현대 환경에서는 백운석 형성에 유리한 조건임에도 불구하고, 희소하다는 점이다.[6] 백운석은 마그네슘 50%, 칼슘 50%의 화학양론적 비율을 가져야 하지만, 이 비율에서 약간 벗어나도 '백운석'이라고 불릴 수 있다. 더 큰 문제는 백운석의 결정 구조가 질서정연하다는 것이다. 질서 있는 백운석은 탄산염 이온층으로 분리된 칼슘 이온과 마그네슘 이온층이 교대로 배열된, 놀랍고 특별한 배열이다(그림 1).[7] 이는 낮은 에너지 상태라서 안정성이 더 높다. 그러나 결정화 과정에서 이온은 첫 번째 빈자리를 무작위로 찾는 경향이 있다. 따라서 백운석을 무작위 배열로 만들려는 대부분의 시도는 이러한 경향이 있다. 올바른 방법은 더 강한 조건을 더 오랜 시간 동안 적용하여, 무작위로 침전된 이온을 제거하고, 더 낮은 에너지의 교대 상태로 침전될 수 있는 충분한 에너지와 시간을 확보하는 것이다. 화학자들은 이를 ‘동역학적 대 열역학적 반응 제어(kinetic vs thermodynamic reaction control)’라고 부르는데, 무작위적 배열은 동역학적 생성물이고, 반면에 교대로 배열된 층은 열역학적 생성물이다.[8] 오늘날 백운석은 특히 동역학적 장벽을 극복하는 미생물에 의해, 고염도(hypersaline) 수역에서 형성된다.[9, 10]

그림 1. 질서 있는 백운석 결정(dolomite crystal). <From Morrow, ref. 7, p. 6; redrawn by Melanie Richard>

현재 대양은 마그네슘과 칼슘이 과포화되어 있지만, 백운석은 상온에서 침전되지 않는다. 한 가지 문제는 각 마그네슘 이온이 먼저 제거되어야 하는 여섯 개의 물 분자에 둘러싸여 있다는 것이다. 이를 수화장벽(hydration barrier)이라고 하며, 중요한 동역학적 저해 요인으로 여겨지고 있다.[11]

현재 바다는 마그네슘과 칼슘이 과포화 상태이지만, 상온에서는 백운석이 침전되지 않는다.

그러나 다른 동역학적 장벽도 있으며[4], 김(Kim et al.) 등은 성장 억제가 더 강력한 장벽이라고 생각하고 있다.[5] 특정 촉매, 특히 용해된 실리카(dissolved silica)가 실온에서 무질서한 '백운석'의 형성을 도울 수 있다는 것이 밝혀졌다.[8] 무질서한 백운석은 Ca-Mg 무질서 백운석(Ca-Mg disordered dolomite)이라고 불려진다. 최근 발견 중 하나는 에탄올을 사용하여 저온에서 마그네슘을 둘러싼 물을 부분적으로 대체하여 수화장벽을 극복할 수 있다는 것이다.[8] 에탄올 용액 메커니즘의 주요 문제점 중 하나는 "고농도 에탄올 용액은 자연환경에서는 존재하지 않는다"는 것이다.[12] 이러한 촉매가 대규모로 적용되었을 가능성은 매우 낮으며, '백운석'은 여전히 무질서하게 된다.

풍부한 선캄브리아기 백운석은 1차적 백운석일 가능성?

백운석의 풍부함은 모든 탄산염암(carbonate rocks)의 30%~50%로 다양하게 추정되어 왔다.[5] 탄산염암이 모든 퇴적암의 20~25%를 차지하므로[13], 백운석은 전체 퇴적암의 약 10% 정도를 차지하게 된다. 백운석은 선캄브리아기(Precambrian) 퇴적암에서 가장 흔하게 발견되며, 탄산염의 약 80%를 차지하고 있다.[14] 현생대(Phanerozoic, 고생대 중생대 신생대)에는 백운석의 함량이 급격히 감소한다. 더욱이 선캄브리아기 백운석은 용액에서 직접 침전된 1차 백운석(primary dolomite)일 가능성이 높다.[12] 이는 선캄브리아기와 현생대의 환경이 크게 달랐음을 명확하게 시사한다.

또한 연구자들은 침전된 비생물학적 층리(non-biogenic laminae)가 때때로 스트로마톨라이트(stromatolites)처럼 보일 수 있다는 사실을 발견했다.

“침전된 스트로마톨라이트는 미생물 매트의 주형(templating) 영향이 있거나 없거나 형성될 수 있으며, 선캄브리아기 연속의 침전 구조는 수십 년 동안 생물학적 기원에 대한 논쟁을 불러일으켰다.”[15]

1차 백운석은 100°C 이상의 온도에서 형성된다.[16] 또한 이것은 대부분의 기존 과학자들이 백운석이 치환에 의해 형성되었다고 믿고 있는 이유이다. 왜냐하면 그들은 표면 온도는 오늘날(빙하가 없을 때)과 거의 같았을 것으로 믿고 있기 때문이다.[17] 치환에 대한 증거는 있지만, 그 중요성은 제한적이며, 치환 역시 높은 온도를 필요로 한다.[18]

주장되는 새로운 '해결책'

백운석 문제에 대한 최근의 '해결책'은 백운석이 수많은 과포화와 저포화의 순환(cycles of supersaturation and undersaturation)을 거쳐 형성될 수 있었다고 주장한다. 연구자들은 무질서한 백운석(non-ordered dolomite, 원시 백운석)이 처음 형성되면, 오랜 지질학적 시간이 지남에 따라 더욱 질서 있게 된다고 주장하고 있었다.[19] 그들은 이러한 결론을 내리는 주된 이유는, 오래된 백운석 지층이 질서를 갖고 있기 때문이다. 새로운 해법은 무질서한 백운석에서도 몇몇 안정된 질서 영역이 존재한다고 주장한다. 무질서한 영역은 불포화 상태에서 더 빨리 용해된다. 과포화 용액에서 재침전되면, 다시 무질서한 백운석이 생성되고, 이 무질서한 영역은 조금 더 국소적인 질서 영역을 갖게 된다. 따라서 수많은 용해/재침전 순환을 거친 후 질서가 점차 증가했다는 것이다.[6]

새로운 해결책의 문제점

… 이러한 저포화/포화의 과정은 자연환경에서는 비현실적이며, 특히 암석 기록에 거대한 백운석 지층이 있는 대규모 환경에서는 더욱 비현실적이다.

이 '해결책'에는 많은 문제점들이 있다. 첫째, 이 실험은 3㎛ 두께의 백운석 종자 결정(seed crystal)에서 시뮬레이션을 시작한 통제된 실험실 실험이었다.[6] 둘째, 펄스 전자빔(pulsed electron beam)을 사용하여 포화 상태를 변화시켰다. 빔이 켜지면 용해가 발생했고, 빔이 꺼지면 과포화가 다시 발생했다. 종자 결정에서 총 200nm의 성장을 얻기 위해 3,840회의 용해 사이클을 거쳐야 했는데, 이 과정에는 128분이 걸렸다. 셋째, 그리고 가장 중요한 점은 연구자들이 용해 및 성장 과정을 가속화하기 위해 온도를 80°C까지 높여야 했다는 것이다. 이는 돌로마이트 증착 과정에서 뜨거운 물이 필요하다는 것을 다시 한번 강조해주는 것이다. 넷째, 연구자들은 작은 유체 셀(fluid cell)에서 용액의 증발이 감지되지 않으면, 실험이 무효화될 것이기 때문에, 128분 이상 실험을 진행할 수 없었다. 다섯째, 이러한 저포화/포화 과정은 자연환경에서는 비현실적이며, 특히 암석 기록에 거대한 백운석 지층이 있는 대규모 환경에서는 더욱 비현실적이다.

이러한 원자적 메커니즘이 미시적 규모에서 거대한 지질학적 규모의 길이까지 어떻게 확장되는지에 대한 새로운 의문이 제기된다. 자연에서 과포화 변동은 매일 발생하는가? 계절적으로 발생하는가? 아니면 매년 주기적으로 발생하는가?[20]

노아 홍수 초기의 뜨거운 물은 백운석을 설명할 수 있다.

화학양론적 질서를 가진 백운석(stoichiometric ordered dolomite)은 선캄브리아기에 풍부하며, 심지어 일부 현생대 하부 암석에서도 발견된다. 선캄브리아기 퇴적암의 전부는 아니더라도, 상당수가 노아 홍수로 인한 것이라고 가정할 때[21], 백운석의 풍부함은 선캄브리아기 홍수물이 종종 뜨거웠음을 시사한다. 백운석은 1차적 퇴적물임에 틀림없다. 왜냐하면 창조과학자들은 다른 메커니즘으로 대량의 백운석을 퇴적시킬 시간을 거의 갖고 있지 않기 때문이다. 이는 노아 홍수 초기에 독특한 선캄브리아 환경이 존재했음을 시사한다. 그리고 우리는 뜨거운 물을 발생시켰던 메커니즘을 찾아야 한다. 큰 깊음의 샘들(fountains of the great deep)이 터지고, 용암류, 화산활동, 운석이나 혜성 충돌 등은 뜨거운 물을 발생시켰을 것이다. 더욱이 풍부한 탄산염은 먼저 어떤 근원으로부터 홍수 물에 포함됐어야만 한다. 어쩌면 그렇게 많은 탄산염의 기원은 큰 깊음의 샘들의 분출에서 비롯되었을지도 모른다.

References and Notes

1. Ning, M., Lang, X., Huang, K., Li, C., Huang, T., Yuan, H., Xing, C., Yang, R., and Shen, B., Towards understanding the origin of massive dolostone, Earth and Planetary Science Letters 545(16403):1–8, 2020.

2. Oard, M.J., The “dolomite problem” solved by the Flood, CRSQ 59(1):21–28, 2022.

3. Oard, M.J., A more likely origin of massive dolomite deposits, J. Creation 36(1):4–6, 2022.

4. Xu, J., Yan, C, Zhang, F., Konishi, H., Xu, H., and Teng, H.H., Testing the cation-hydration effects on the crystallization of Ca–Mg–CO3 systems, PNAS 110(44):17750, 2013.

5. Kim, J., Kimura, Y., Puchala, B., Yamazaki, T., Becker, U., and Sun, W., Dissolution enables dolomite crystal growth near ambient conditions, Science 382:915–920, 2023.

6. Garcia-Ruiz, J.M., A fluctuating solution to the dolomite: episodes of dissolution and crystal growth stoke the formation of a common carbonate mineral, Science 382:883–884, 2023.

7. Morrow, D.W., Diagenesis 1. Dolomite— part 1: the chemistry of dolomitization and dolomite precipitation, Geoscience Canada 9(1):5–13, 1982.

8. Jonathan Sarfati, personal communication.

9. Petrash, D.A., Biale, O.M., Bontognali, T.R.R., Vasconcelos, C., Roberts, J.A., McKenzie, J.A., and Konhauser, K.O., Microbially catalyzed dolomite formation: from near-surface to burial, Earth-Science Reviews 171:558–582, 2017.

10. Fang, Y., Hobbs, F., Yang, Y., and Xu, H., Dissolved silica-driven dolomite precipitation in the Great Salt Lake, Utah, and its implications for dolomite formation environments, Sedimentology 70:1328–1347, 2023.

11. Fang, Y., Zhang, F., Farfan, G.A., and Xu, H., Low-temperature synthesis of disordered dolomite and high-magnesium calcite in ethanol–water solutions: the solvation effect and implications, ACS Omega 7:281–292, 2022.

12. Fang et al., ref. 10, p. 290.

13. Boggs, Jr, S., Principles of Sedimentology and Stratigraphy, 5th edn, Prentice Hall, New York, p. 135, 2012.

14. Cantine, J.D., Knoll, A.H., and Bergmann, K.D., Carbonates before skeletons: a database approach, Earth-Science Reviews 201(103065):1–37, 2020.

15. Cantine et al., ref. 13, p. 27.

16. Burns, S.J., McKenzie, J.A., and Vasconcelos, C., Dolomite formation and biogeochemical cycles in the Phanerozoic, Sedimentology 47(Suppl. 1):49–61, 2000.

17. Kaczmarek, S.E. and Sibley, D.F., A comparison of nanometer-scale growth and dissolution features on natural and synthetic dolomite crystals: Implications for the origin of dolomite, J. Sedimentary Research 77(5):424–432, 2007.

18. Mueller, M. et al., Testing the preservation potential of early diagenetic dolomites as geochemical archives, Sedimentology 67(2):849–888, 2020.

19. Manche, C.J. and Kaczmarek, S.E., A global study of dolomite stoichiometry and cation ordering through the Phanerozoic, J. Sedimentary Research 91:520–546, 2021.

20. Kim et al., ref. 5, p. 918.

21. Oard, M.J., Reed, J.K., and Klevberg, P., Suggested strategies for fitting Precambrian rocks into biblical earth history, CRSQ 60(2):97–111, 2023.

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*참조 : 거대한 백운석 퇴적물의 기원은 대홍수일 가능성이 높다.