나는 수억 년의 광대한 연대(eras)를 다루는 지사학(historical geology)에 어떤 음모가 있음을 항상 느껴왔다. 나는 실험으로 그것이 어느 정도 검사되어질 수 있고, 검사되었는지를 알고 싶었다. 몇 년 전에 지층의 누중(累重)으로부터 상대적인 연대를 얻기 위해 사용되는 층서학의 원리들에 특별히 주의를 기울이면서, 나는 그 주제에 관한 나의 연구를 다시 시작했다.
먼저 몇 가지 용어들의 정의를 알아보자. 지층(stratum)은 암석층(formation)의 원경사(original dip)에 평행하게 침전된 균질하거나 점진적인 암석의 단일 층이다. 그것은 침식, 비퇴적, 또는 급격히 변경된 표면들에 의해 인접하는 지층이나 교차하는 지층과 구분된다. 지층(stratum) 이라는 용어는 1 mm 미만의 미세 층 또는 얇은 판에서 1 m 이상까지 다양한 두께의 '층(bed)'과 '엽리(lamination)'를 포함한다. 지층은 종종 바닥부터 정상까지 크기가 감소하는, 구성 입자들의 분급(sorting) 증거를 보여 준다.
상(facies)은 분간할 수 있는 일련의 누중(累重) 지층들이다. (역자 주: 일반적으로 퇴적상(sedimentary facies)이라고 하며, 퇴적 시기가 같으면서 퇴적물의 특징을 다르게 나타내는 서로 다른 퇴적환경 자체의 퇴적층을 구분할 때 사용하는 용어이다.)
누중 지층들과, 더 큰 규모의 누중 상들은 연속 층들이거나 동일 시간 간격으로 침전된 퇴적물들로 간주된다. 즉, 아래층이 먼저, 그 윗층이 두 번째로, 그리고 그 다음 식으로 형성되었다는 것이다. 층서학의 원리들은 지층과 상들이 연속적이라는 신념으로부터 기인했다.
1667년에, 투스카니(Tuscany)의 자연주의자인 니콜라스 스테노(Nicholas Steno)는 '하층토(subsoil)의 층은 고대의 연속 퇴적물들의 지층이다' 라고 그의 책 'Canis Carchariae'에 썼다. 이 주장에서 그는 그의 1669년 책 Prodromus 에서 정의되는 층서학의 원리들을 추론했다. 이것은 다음과 같은 원리들을 포함한다.
A. 누중(累重)의 원리 (The principle of superposition) :
'... 어떤 층이 형성될 때 그것 위에 놓여 있는 모든 물질은 유체였고 따라서, 하부층이 형성될 때에 상부층은 존재하지 않았다.'
B. 퇴적면 수평성의 원리 (The principle of initial horizontality) :
'지평선에 수직하거나 지평선과 경사를 이루는 지층들은 본래 지평선에 평행했었다.'
C. 지층 연속성의 원리 (The principle of strata continuity) :
'어떤 다른 고체가 방해하지 않는 한, 어떤 지층을 형성하는 물질은 지구 표면 위로 연속적이었다.'
이러한 정의들의 시사점
19 세기초, De Luc과 후에 Brongniart는 만일 누중의 원리가 시간 순서를 표시한다면, 누중된 지층의 화석 내용의 차이가 종의 변화를 시간적으로 보여주는 것이라고 생각했다. 그 뒤에, 누중된 지층의 표준화석의 존재는 연속적인 시간의 증거로서 사용되었다. 나중에 층서학과 생물층서학에서 이러한 원리들은 19 세기 지질학자들이 지질주상도(geological column)를 확립하는데 기초를 제공했다.
기존 자료들의 검사
19 세기 말에, Johannes Walther (1)는 연안에서 바다 쪽으로 발달한 한 삼각주에서 동시에 퇴적된 침전물의 형성을 연구했다. 그는 지층 상들이 연안에서 바다 쪽으로 발달한 것과 동일하게 표면에서 하부로 연속적인 것을 관찰했다. 이것은 동시에 누중되고 병렬하게 될 때, 순차적인 상들은 언제나 누중과 연속성의 원리들을 따르는 것이 아니라는 명백한 증거였다.
1970 년대와 1980년대, 태평양 바닥에서의 천공작업을 실시했던 Glomar Challenger는 누중되고 병렬적인 상들에 관한 Walther의 발견이 심해 침전물에도 적용된다는 것을 보여주었다. 사실 Walther의 관찰들은 퇴적 메커니즘의 자연적인 결과로 보여질 수 있다.
미국 지질학자, Edwin McKee 2는 1965년에 48시간의 폭우로 인해 콜로라도의 Bijou Creek의 제방이 범람했을 때에 침전된 퇴적물에 관한 그의 관찰들을 보고했다. 3.6m 두께에 달하는 층을 이룬 침전물들은 입자들의 분류(particle sorting)와 성층면(bedding places)들을 나타냈다.
성층면들은 퇴적 작용이 더 진행되기 전에 마지막에 형성된 층 표면이 굳어짐과 더불어, 퇴적 작용이 중단된 결과로 일반적으로 해석되어져 왔다. 단순한 관찰로, Bijou Creek 지층이 순차적으로 형성되었는지, 동시에 생겼는지를 아는 것은 불가능했다. 어쨌든, 48시간은 어떤 지층의 표면이 다음의 퇴적물이 침전되기 전에 굳는데 부족한 시간이었다. 분할되는 것들(partings)은 약간 다른 메커니즘에 의한 것이어야만 했다.
나의 실험들
지질학적, 퇴적학적 문헌들을 찾아보면서, 나는 지층의 형성에 관한 실험적 자료들이 거의 없다는 것을 알고 놀랐다. 모든 지층들은 층서학의 원리에 의거하여 형성되었을 것이라고 가정하고 있는 것은 명백했다. 그러므로 나의 목적은 이렇게 가정된 지층 형성 메커니즘을 실험으로 시험하는 것이었다.
지층들이 형성되는 조건들의 시험
나는 퇴적 입자들이 건조하거나 젖은 조건하에서 어떻게 침전되는 지를 조사하기 시작했다. 플라스크 안으로 다른 크기의 모래 입자들은 쏟아 넣었을 때, 미세 층 또는 얇은 판들이 만들어졌다. 미세 층들이 바닥의 큰 입자들이 위로 갈수록 더 작아지면서 크기에 따라 분류된 모래 입자들로부터 형성되었다. 그 과정은 여러 개의 얇은 판들을 만들면서 반복됐다.
이것이 중요한 것은 퇴적 작용의 속도에 관계없이, 미세층이나 얇은 판들은 입자들의 분류(particle sorting)로 만들어진 것이지, 한 층이 먼저 형성되고 그것 위에 다음 층이 형성된 것이 아니라는 것이었다. 나의 연구 성과를 프랑스 학술원3, 4이 출판하였고, 훨씬 더 큰 규모로 내 실험들을 계속해 보도록 용기를 주었다.
콜로라도 주립 대학의 실험들
큰 규모의 실험은 최신 기술을 가진 연구소의 장비들을 필요로 했다. 미국의 콜로라도 주립 대학의 퇴적학 연구에 대한 보고서를 읽고서, 나는 그들에게 연락했다. 이로 인해 Fort Collins 에 있는 최신의 수력학 연구소에서 일련의 실험들을 수행할 수 있게 되었다. 퇴적학자인 Pierre Julien이 실험을 담당했다. 그들은 탱크의 측면과 상부에서 촬영과 관찰이 가능하도록 벽이 유리로 된 큰 수로를 설치했다.
수로에서 순환되는 물 속으로 다양한 크기의 모래입자들을 쏟아 넣었다. 유속의 변화에 의해 입자들은 크기에 따라 분류(sorting) 되었다. 유속이 1 m/s일 때, 누중(累重)된 얇은 지층판들이 흐름 방향으로 형성되었다. 속도를 0.5 m/s로 감소시키면, 더 큰 입자들이 흐름의 방향으로 항상 옮겨지면서 이전의 얇은 판에 쌓였다. 1 m/s로 다시 속도를 증가하면, 이전의 판과 유사한 얇은 판이 주로 마찰로 인해 더 큰 입자 층의 위쪽에 형성되었다. 침전물의 축적은 아래쪽 얇은 판의 하류 부분, 더 큰 입자들의 경사층 부분, 윗쪽 얇은 판의 상류 부분으로 구성된 퇴적물을 만들어냈다. 각 개개의 퇴적물들은 하류 쪽으로 연속적인 형태를 이루었고, 그러므로 이전 것보다 더 젊은 퇴적물이었다. 강들과 바다들에서 발견되는 것처럼, 유동 속도의 변화는, 퇴적물들이 동시에 흐름 방향에 종적으로, 그리고 횡적으로 형성되게 하는 원인을 제공할 수 있었다.
수로 실험들은 지층 형성의 메커니즘적 본질을 한층 더 보여주었다. (1) 입자들이 다양한 유속으로 운반될 때, 어떻게 그들의 크기에 따라 분리되는지, (2) 퇴적물들의 건조작용이 층 분리를 어떻게 야기하는지, (3) 마른 상황과 젖은 상황 하에서, 퇴적물의 층들은 어떻게 경사면과 평행하게 쌓일 수 있는지 (경사가 30°을 초과하는 곳에서도 일어남) 5
밝혀진 중대한 사실들
물의 흐름이 있는 곳에서 다음과 같은 사실들이 발견되었다.
1. 지층은 동시에 횡적으로도 종적으로도 형성될 수 있다.
2. 지층은 상(facies)들의 연속처럼 동일하게 형성될 수 있다
3. 지층이 항상 연대 판단의 기준인 것은 아니다.
이 실험에서 밝혀진 중대한 사실들은 다음 사항들을 분명히 보여주고 있다.
a. Steno의 신념처럼, 누중되어있는 지층들은 침전물들의 연속된 층들로부터 항상 기인하는 것은 아니다. 따라서 지층누중의 원리가 흐름 속에서 형성된 지층들에서는 항상 적용되지 않는다.
b. 30°를 초과하는 사면에서도 경사면과 평행하게 지층들이 형성되는 것은, 퇴적면 수평성의 원리를 무효화 할 수 있다. 그러므로 경사를 이루고 있는 지층들이 반드시 침강 또는 융기의 결과인 것은 아니다.
실험 결과와 지질학적 지층들과의 일치
이러한 실험들은 현재의 퇴적 지층들이 상(facies)들의 연속체로서, 똑같이 형성될 수 있다는 것을 증명했다. 이것은 순서 층서학(sequence stratigraphy)과 일치한다. 이 실험들은 퇴적 작용이 중단되어 생겼다고 생각했던 지층면(bedding planes)들이, 침전물들의 건조작용으로부터 기인할 수 있다는 것을 보여주었다. 더욱이 Rubin과 같은 최근의 해저 관찰들6, Southard가 종합한 수로 실험들7, 그리고 Hjulstrom8 이 시작하고 다른 몇 명의 과학자에 의해 개발된 강 연구들은, 수력학적 조건들과 퇴적지층 구조들 사이에, 특별히 퇴적작용의 임계 속력과 특별한 입자 크기 사이에 관계를 보여 주었다. 그러한 관계들은 우리 실험에서 측정된 것들과 일치한다. 이러한 관계들은 퇴적암들의 구조로부터 과거의 수력학적(paleohydraulic) 조건들(유속, 수심, 유출량과 침전물들의 퇴적 속도)을 결정하는데 사용될 수 있다.
References
1 Walther J., 1893-1894, Einleitung in die Geologie als historische Wissenschaft: Jena Verlag von Gustav Fisher, Sud. 1055p.
2 McKee, E.D., Crosby, E.J. & Berryhill, H.L. Jr. 1967, Flood deposits, Bijou Creek, Colorado, 1965, Journal of Sedimentary Petrology, 37, 829-851.
3 Berthault G. 1986, Sedimentology - experiments on lamination of sediments, C.R. Acad. Sc. Paris, 303 II, 17, 1569-1574.
4 Berthault G. 1988, Sedimentation of heterogranular mixture - experimental lamination in still and running water, C.R. Acad. Sc. Paris, 306, II, 717-724.
5 Julien P, Lany, Berthault G., 1993, Experiments on stratification of heterogeneous sand mixtures, Bulletin of the Geological Society, France, 164-5, 649-660.
6 Rubin D.M. and McCulloch D.S. 1980, Single and superposed bedforms: a synthesis of San Francisco Bay and flume observations, Journal of Sedimentary Petrology, 26:207-231.
7 Southard J. and Boguchwal J.A. 1990, Bed configuration in steady unidirectional waterflows, part 2, Synthesis of flume data, Journal of Sedimentary Petrology 60(5) : 658-679.
8 Hjulstrom F. 1935, The morphological activity of rivers as illustrated by river fyris, Bulletin of the Geological Institute Uppsala, 25, chapter 3.
For further study, see the video describing the Berthault and Julien investigation 'Experiments in Stratification,' 1999, available from ICR, 1-800-628-7640.
* For further study, see the video describing the Berthault and Julien investigation 'Experiments in Stratification,' 1999, available from ICR, 1-800-628-7640.
* Guy Berthault is an independant researcher from France
*한국창조과학회 자료실/노아의 홍수/홍수지질학에 있는 많은 자료들을 참조하세요
http://www.kacr.or.kr/library/listview.asp?category=C03
*한국창조과학회 자료실/노아의 홍수/격변적 지층형성에 있는 많은 자료들을 참조하세요
http://www.kacr.or.kr/library/listview.asp?category=C04
Guy Berthault