† 지질학 † 의심되고 있는 지질학적 법칙들

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의심되고 있는 지질학적 법칙들
: 인공수로 실험에서 빠르게 형성되어진 층리와 엽층들
- Guy Berthault의 웹사이트 탐방 (동영상 위주)
(Paleohydraulic analysis : a new approach by Guy Berthault)

 Guy Berthault

(인공수로에서의 퇴적 실험을 사진 및 동영상으로 잘 정리해서 올려 놓은 Guy Berthault의 웹사이트 http://geology.ref.ac/berthault/를 탐방하여 본다. 인공수로에서 퇴적 입자들이 함유된 물을 유속을 달리하며 흘려보냈을 때, 퇴적물들은 층리와 엽층, 사층리 등을 이루며 퇴적되었다. 이것은 여러 지층들이 동시에 층리를 이루며 퇴적될 수 있음을 보여주는 것으로서, 지층누중의 법칙과 같은 동일과정설적 지질학적 법칙들이 매우 의심스러운 법칙임을 제기하고 있다.)
    
질문 : 그랜드 캐년에 있는 길이 800 km, 두께 500m의 톤토 그룹(Tonto Group) 지층들이 7천만년이 아니라, 수 주(weeks)만에 형성될 수 있었을까?

대답 : 그렇다. 거의 확실하다. 마찬가지로 다른 지질학적 지층들도 충분히 강한 침식 흐름이 주어졌다면 형성될 수 있었다.

(1) 서론

엽층(lamination)에 관한 4년 동안의 연구를 통해 최초의 확정적인 결과를 보고한 이후, 나는 과학아카데미 회장이며, 저명한 고생물학자인 Jean Piveteau 로부터 격려를 받았다. 이것은 층서학(stratigraphy)의 기본적인 법칙들에 대한 나의 연구에 전환점이 되었다. 그는 다음과 같이 썼다 :

“이것은 층서학의 몇몇 기본 법칙들에 대한 의문을 제기한 최초의 연구입니다. 우리들은 이 영역에서 너무도 오래된 개념 속에서 지내오고 있었습니다. 실험적인 방법을 통한 저자의 조사는 그의 주장에 강한 힘을 실어주고 있습니다”

(2) 현황 (Situation)

1. 기초적인 가정

니콜라우스 스테노(Nicolas Stenon)은 층서학(stratigraphy)의 창시자이다. 1667년 그의 책 ‘Canis Calchariae’ 에서, 그는 토양 아래의 층(layers of sub-soil)들은 고대 연속적인 퇴적물들의 ‘지층들(strata)’(그림 1) 이라는 가정을 소개했다. 더 정확하게 표현하면, 지층(stratum)은 포개져 놓여있는 인접한 지층들의 두 개의 표면 한계 사이에 있는 균질한(homogeneous) 또는 구분된(segregated) 암석학적 내용물(예를 들면 사암, 석회암, 셰일)들을 가진 하나의 층(a layer)이다.

그림 1. 아리조나주 북부의 그랜드 캐년은 층리(stratification)에 대한 한 예이다.

이 표면들은 때때로 침식이나 퇴적작용의 중단을 가리키는데, 층리면(bedding plane), 또는 지층의 서로 다른 암석학적 변화에 의해서 특징되어진다. 분결작용(segregation)은 일반적으로 커다란 퇴적입자들은 지층의 바닥쪽에, 그리고 미세한 입자들은 지층 윗쪽에서 발견되어지는 것을 보여준다. 

스테노의 주장은 퇴적학적 과정(sedimentological process)들에 대한 데이터들과는 무관하게, 층을 이루고 있는 암석들, 그리고 누중되어있는 지층들의 관측에만 오직 의존했다. 퇴적학적 과정은 침식(erosion), 운반(transport), 침전물의 퇴적(deposit of sediments)의 세 단계로 구성되어진다. 그리고 물의 흐름은 운반의 매개체가 되어진다. 스테노의 층서학은 퇴적학의 세 번째 단계에서, 사실상 물 흐름의 속도가 전혀 없는(a nil velocity of current) 것을 가정한 퇴적만을 고려하였다.
 

3 가지의 지질학적 법칙들.

이러한 부분적인 해석으로부터, 스테노는 1669년 Prodromus 에서 공식화한 층서학의 3 가지 기본 법칙을 이끌어 내었다.

1. 지층누증의 법칙 (Principle of superposition).
가장 윗 지층이 하나 형성되어질 시점에, 그 아래의 지층은 이미 단단한 상태로 굳어져 있었다. 놓여진(압력으로 작용하는) 어떠한 지층이 전적으로 유체 상태일 때, 그 윗 지층은 존재하지 않았다. 이러한 사실은 아래 지층이 이미 단단하게 형성되어졌기 때문에 가능하다. 

2. 연속성의 법칙 (Principle of continuity).
지층의 존재는 유체 내에 있는 퇴적물(sediments) 때문이다. 어떠한 지층이 형성되어질 시점에, 그것은 또 다른 고체 물질에 의해서 그 주변이 둘러 막혀져 있었거나, 아니면 전 지구를 둘렀거나 했을 것이다. 지층의 막히지 않은 측면(bare sides)이 관측되어지는 곳은, 같은 지층이 연속되어지든지, 또는 그 지층 물질을 멈추게 했을 다른 고체 물질이 발견되어질 것이다. 그것은 퇴적물의 흐름과 확산을 방해했다.

3. 퇴적면 수평성의 법칙 (Principle of original horizontality)
어떤 지층이 형성되어질 시점에, 아래쪽 표면은 아래에 토대를 이루는 지형과 측면 지형의 표면과 관계되어진다. 그러나 맨 위쪽 표면은 가능한 멀리 수평적으로 평행하다. 이 사실에 기인하여, 가장 낮은 지층만 제외하고, 모든 지층들은 수평적으로 평행한 두 면(사이에)을 포함하고 있다. 수평면에 기울어져 있는 또는 경사져 있는 모든 지층들은, 한때 수평적으로 평행하게 퇴적되었다가 이후에 일어난 것이다.  

상응하는 모델

그러므로 이 3 가지 지질학 법칙에 부합되는 퇴적학적 모델은 다음과 같다. 즉, 돌출된 육지를 제외하고, 정지한 유체(motionless fluid)가 지구를 덮으면서, 퇴적물질들은 물 속의 땅들을 뒤덮으며 지층들을 퇴적시켰다. 각 지층이 퇴적돤 후에, 퇴적작용은 지층이 단단한 암석으로 되어지는 시간 동안 멈춰지게 되었다. 두 평행한 지층면 사이에 포함되어진 지층의 존재는 퇴적되어지는 퇴적율이 물 속의 땅 주변에서 동일했음을 가리킨다.

지층들 (Strata) :
http://geology.ref.ac/berthault/video/video01.htm

고전적인 퇴적학적 모델 (Classical sedimentological model) :
http://geology.ref.ac/berthault/video/video04.htm

(3) 논의되어진 퇴적학 (Sedimentology)

논의되어진 지층누증의 법칙 : JOIDES 프로그램에 의한 해저 시추(sub-marine drillings).
Guy Pautot와 Xavier Le Pichon가 작성한 'JOIDES 프로그램의 과학적 결과(Scientific results of the JOIDES programme)' 라는 제목의 보고에 따르면 : “반경화된(semi-consolidated) 퇴적물들은 대략 300m 깊이에서 처음으로 나타났다....(그러나) 어떤 쳐트 층(beds of chert, siliceous beds) 암석들은 단지 퇴적층 아래 100m 깊이에서 발견되었다.” 그러므로 상대적으로 지층들은 연속적으로 굳어졌다는, 그래서 퇴적층 전체의 시간 길이를 매우 확장하게 했던 스테노의 정의는, 앞에서 언급된 퇴적학적 관측(sedimentological observations)에 의해서 지지되지 않는다.
http://geology.ref.ac/berthault/video/video06.htm

(4) Lamination (엽층)

Berthault의 실험 (1986) : 크기가 다른 입자들의 퇴적물(heterogranular sediments)의 흐름이 있을 때와 없을 때의 물 속에서의 퇴적에 관한 실험.
http://geology.ref.ac/berthault/video/video12.htm

이 퇴적작용 실험은 정지된 물(still water)에서 서로 다른 입자 물질(heterogranular material)들을 지속적으로 공급하며 수행되어졌다. 연속적인 지층면(successive beds) 또는 엽층(laminae)으로 착각을 일으킬 정도의 퇴적이 얻어졌다. 이들 엽층들은 자연발생적인 주기적이고 지속적인 분급과정(grading process)의 결과이다. 이것은 서로 다른 입자 혼합물의 퇴적에 뒤따라 즉각적으로 발생했다. 엽층들의 두께(thickness of the laminae)는 퇴적작용의 속도(speed of sedimentation)와는 독립하여 나타났으나, 혼합물 입자들의 크기에 따라 많은 차이를 보이며 증가했다. 수평적인 흐름이 있던 곳에서, 흐름의 방향으로 발달되어지는 얇은 층리면들이 관측되어졌다 (C.R.A.S. t.303, Série II, N 17, 1986).

   
그림 3. 마른 퇴적입자들의 흐름으로부터 결과되어진 엽층들

그림 4. 물 속에서 가라앉으면서 결과되어진 엽층들

(5) Stratification (층리)

실험적으로 제작된 수로의 모습 :
http://geology.ref.ac/berthault/video/video13.htm

버탈트와 줄리앙(Berthault and Julien)의 인공 수로 실험 (1990) :
다양하게 변화시킨 물 흐름(current) 하에서, 층리를 이룬 여러 층의 지층면들이 동시에 흐름의 방향쪽으로 만들어졌다. 
http://geology.ref.ac/berthault/video/video14.htm

퇴적층의 상들(facies)
http://geology.ref.ac/berthault/video/video15.htm

같은 층연속체의 상들이 측면으로, 그리고 수직적으로 같이 확장되어져 나갔다.
http://geology.ref.ac/berthault/video/video16.htm

지층이 쌓여지는 방법
http://geology.ref.ac/berthault/video/video18.htm

인공 수로 실험 (Flume experiment, 1990)
이 사층리 면 위에서 미세입자(fine particles)들은 구르는 거친입자(coarse particles)들의 움직이는 층리면을 통과해 가라앉았으며, 위쪽으로도 거의 수평적으로 미세입자들의 얇은 표층을 형성하였다. 따라서 거칠은 입자들의 두꺼운 지층은 미세한 입자들의 얇은 두 지층 사이에서 연속적으로 상류에서 하류쪽으로 만들어지면서 진행되어 나갔다. 
http://geology.ref.ac/berthault/video/video19.htm

 
그림 5 . 전형적인 퇴적층의 종단면 (물 흐름은 오른쪽에서 왼쪽으로 진행됨)

그림 6. 재순환되는 인공수로에서 침전물을 포함한 흐름으로 얻어진 퇴적 층리.

그림 7. a) 점이층리(graded-beds)의 형성 개념도 b) 퇴적 지층의 시간적 순서. t1 < t2 < t3 순으로 쌓여져 갔다. 지층들 사이에 절대적인 시간 차가 있는 대신에, 각 지층은 앞선 퇴적층과 시간적 연속성을 가지고 있었다. 따라서 t3에 바닥에 퇴적된 입자들은 t1에서 위쪽에 퇴적된 입자들보다 나중(최근)에 퇴적되었지만 더 아래 지층에 퇴적되었다. 그러므로 바닥의 엽층은 그 위의 거칠은 입자층보다 더 나중에 퇴적되었고, 거칠은 입자층은 맨 위의 엽층보다 더 나중에 퇴적되었기 때문에, 스테노의 지층누중의 법칙(principle of superposition)은 우리의 인공수로 실험에서는 지지되지 않았다. 
 

그림 8 : 퇴적층의 전형적인 단면도

인공수로 실험 (1990) : 퇴적학적 과정의 형식
http://geology.ref.ac/berthault/video/video20.htm

인공수로 실험 (1990) : 연속적인 퇴적층보다 오히려, 이 실험은 서로 다른 모래 혼합물(heterogeneous sandy mixtures)의 지속적인 공급 하에, 층리(stratification)는 엽층을 만드는 분결(segregation), 점이층리(graded-beds)를 만드는 비균질성 흐름(non-uniform flow)으로부터 기인되어짐을 입증하였다.
 http://geology.ref.ac/berthault/video/video21.htm

인공수로 실험 (1990) : 접촉 부위의 탈수 (desiccation for joints)
http://geology.ref.ac/berthault/video/video22.htm

경사면으로 평행하게 퇴적되는 엽층 (Berthault's experiment (1986)) : 이 경우에서 퇴적면 수평성의 법칙(principle of horizontality)은 적용되어지지 않는다. 그러므로 지층의 기울어짐이 수평적으로 침전물들이 퇴적된 이후에 일어난 판구조 운동에 기인하였다고 결론지어서는 안된다. 
http://geology.ref.ac/berthault/video/video23.htm

그림 9.  15° 경사를 가지고 평행하게 생겨난 엽층.

(6) 고수력학적 분석 (Paleohydraulic analysis) : 새로운 시도

그림 11. 수심(water depth) 대 모래-파도 높이(sand-wave height), 그리고 수심 대 유속(water velocity)의 그래프는 물의 깊이와 속도가 다를 경우에 만들어질 것이 기대되어지는 미세한 모래들의 퇴적형태(물결무늬, 사층리, 평탄층 등)들을 보여주고 있다. 미세한 입자의 사암에서 관측되어지는 사층리(cross beds)의 두께는 모래-파도의 높이를 평가하는 데에 사용되어진다. 그리고 모래-파도의 높이는 왼쪽 그래프에서 모래-파도가 형성되어진 곳의 수심(water depth)을 평가하는 데에 적용될 수 있다. 그리고 왼쪽 그래프에서 수심이 평가되어진 후에, 그 깊이는 오른쪽 그래프로 옮겨져서, 거기에서는 그 수심에서의 물의 최소-최대 속도를 알 수 있게 된다.

해침 동안의 침적물의 퇴적

해침(transgression)이 최대 깊이에 도달했을 때, 상관 관계에 있는 흐름의 속도는 거의 제로가 되어진다. 가장 미세한 입자들은 최초에 해침의 흐름에 의해서 이송되어졌고, 알려진 낙하 속도로 퇴적되어져서 양털같이 침전하게 된다. 그러므로 입자들이 가라앉는데 걸리는 시간을 판단할 수 있을 뿐만아니라, 퇴적물들의 용량으로부터 퇴적되는 데에 걸리는 시간도 평가하는 것이 가능할 수 있다. 물론 이러한 데이터는 단지 최소한에 불과하다. 그러나 그럼에도 불구하고, 그것은 퇴적작용이 일어날 당시의 지식에 대해 접근할 수 있도록 한다.
http://geology.ref.ac/berthault/video/video25.htm

여기에 그랜드 캐년의 톤토 그룹(Tonto Group)에 대한 고수력학적 분석에 대한 적용 예가 있다.

그림 14. 네바다, 아리조나, 뉴멕시코에서 진행되어졌던 홍수 물(advancing floodwaters) 아래에서 퇴적되어졌던 퇴적물 형성 모델. 아리조나주를 지나 동쪽으로 나아가던 거대한 물은 홍수 동안 아래쪽에서 침식과 퇴적을 발생시켰고 지구 표면이 융기되어지면서 이들은 드러났다. 홍수 모델은 대부정합(Great Unconformity)의 침식과 태핏 사암층(Tapeats Sandstone), 브라이트 엔젤 셰일층(Bright Angel Shale), 무아브 석회암층(Muav Limestone)의 동시적인 퇴적을 설명할 수 있다. 홍수 물은 네바다(그림의 좌측 하단)를 지나 동쪽으로 나아갔다. 마침내 고도가 더 높은 아리조나와 뉴멕시코(그림의 우측 상단) 지역에 도착했다. 홍수가 동쪽으로 나아감에 따라, 그것은 수평적으로 분류된 퇴적물(segregated deposits, facies)들과 수직적으로 쌓여진 퇴적물(지층들, strata)을 만들었다.

Zone 1은 대륙에서 고도가 가장 높은 지역이다. 그곳에서 얕고 빠른 홍수물은 이전에 있던 암석들에 대한 강력한 연마(scouring)와 침식(erosion)을 일으켰다.

Zone 2는 인근한 얕은 바다 지역이다. 그곳에서는 거친 자갈과 뒤처진 거력들이 태핏 사암층의 바닥쪽에 축적되어졌다. Zone 2에서 미세한 사암, 실트(silt), 진흙(mud)은 바닥에서 흐르는 빠르고 강렬한 흐름(초당 1.5m 정도의 속도)에 의해서 키질되어져서(winnowed) 서쪽으로 Zone 3와 Zone 4 지역으로 이동되어졌다.

Zone 3는 얇은 사층리(cross-bedded)의 사암들을 형성한 모래 파도로 구성되어져 있는데, 이 사층리는 태핏 사암층 중간 부분을 구성하고 있다. 여기서 물의 속도는 초당 1.0 m 정도 였다.

Zone 4는 평탄한 모래 지층면 이다. 태핏 사암층의 가장 윗부분을 퇴적시킨 깊고, 저속도의 물 흐름을 나타내는 물결무늬(ripples, 연흔)를 가지고 있다.

Zone 5는 아직 깊고 느리게 물들이 움직이는 지역이다. 규산염 점토(silicate clay)와 실트크기의 입자들은 분류된(graded) 실트층과 점토층들로서 퇴적되어졌다. 이들 퇴적물들은 Zone 2~4에서 키질되어진 잔류물들이며, 브라이트 엔젤 셰일층을 이루었다. 이곳에서 물의 속도는 대략 초당 0.5 m 이었다.

Zone 6는 서쪽으로 가장 먼 곳으로, 가장 깊고 가장 느리게 물이 이동한 곳이다. 그곳에서는 규산염 점토와 실트 크기의 입자들은 결여되어 있다. 서쪽으로 홍수 이전 퇴적물의 우세한 타입인 석회질-진흙(lime mud)이 축적되어졌다. Zone 6에서 리드미컬하게 엽층과 평탄한 지층들이 형성되어졌고, 물의 속도는 초당 0.5m 이하였다.

아리조나 주를 지나 홍수의 지속적인 전진은 깊은-물, 느린-속도의 퇴적 상들을 얕은-물, 빠른-속도의 퇴적 상(sediment facies)들 위에 쌓여지게하는 원인이 되었다. 그 결과는 수직적인 배열을 이루었는데, 대부정합(Great Unconformity), 태핏사암층(Tapeats Sandstone), 브라이트 엔젤 셰일층(Bright Angel Shale), 그리고 무아브 석회암층(Muav Limestone)을 이루었다. 각각은 수평적으로 수백마일로 측정되어질 수 있는 광대한 크기로 일어났다. (그림은 스티븐 오스틴(Steven A. Austin)의 책 ‘Grand Canyon: Monument to Catastrophe'에서 인용함).

태핏사암층, 브라이트 엔젤 셰일층, 무아브 석회암층으로 구성된 해침에 의한 연속적인 퇴적 지층들은 톤토 그룹(Tonto Group)으로 알려져 있다. 이것은 백운석(dolomite, 고회석)과 겹쳐져 놓여져있는데, 지질학적 시대로는 캄브리아기(Cambrian period)에 해당하며, 그 기간은 대략 7천만년 정도로 평가되어지고 있다.  

톤토 그룹에 대한 고수력학적 분석(paleohydraulic analysis)은 해침의 초기 침식 속도는 2 m/s보다 더 컸음을 보여주고 있다. 이것은 물들이 최소한 170 km/per day의 속력로 진행되어 나아갔음을 의미한다. 이러한 속도라면, 5일 이내에 네바다부터 뉴멕시코까지 800 km를 뒤덮었을 것으로 추정되어진다.

한편, 거친 자갈과 뒤처진 거력들은 Zone 2의 태핏사암층 바닥 부분에 축적되어졌다. 스티븐 오스틴의 설명처럼 바닥을 흐르는 강렬한 물의 흐름은 미세한 모래, 실트, 석회질 진흙 등을 속도가 감소되어지는 Zone 2~6으로 이동시켰다. 그래서 미립자는 대략 8일 만에 이동되어졌다.

해수면이 Zone 1에서 그 최대에 도달함에 따라, 그 속도는 제로가 될 때까지 감소되어졌을 것이다. 따라서 바닥 침식에서 생겨난 것이든지, 상류로부터 온 것이든지 모든 미세한 퇴적물들은 퇴적되었고, 압착되어진 후에 톤토 그룹(Tonto Group)과 겹쳐진 백운석을 포함하여 Zone 6에서는 평균 최대 두께 630m에 이르렀다. 

오스틴은 응집(flocculation)에 의해 석회질-진흙(lime-mud)이 빠르게 퇴적되었을 것이라고 예측하였다. 피에르 줄리앙(Pierre Julien)은 그의 책 ‘침식과 퇴적’(Erosion and Sedimentation, 1995, p.78)에서 “스토크의 법칙(Stokes law, 입자들의 침강에 관한 법칙)을 고려해볼 때, 응집된 입자들의 침강 속도는 대략 초당 0.15~0.6 mm/s 정도였고, 입자 크기(ds < 0.04mm)에 따른 변화는 그리 크지 않았다” 라고 말했다. 해침이 최대로 Zone 1까지 도달하였을 때, Zone 6에서의 해양저의 깊이는 500m 정도로 평가되어질 수 있다. 석회질-진흙의 응집된 입자들이 초당 0.15mm/s의 침강 속도로 퇴적되어졌을 때, (당시 거의 해수면에 있는 입자라 할지라도) 40일 이내에 퇴적되어질 수 있었을 것이다. 앞에서 제시된 가설에 의해서, 침식 사이클, 퇴적물의 이동, 톤토 그룹의 퇴적, 그리고 백운석의 중첩 등과 같은 이러한 전체적인 일들은 (퇴적물의 속성작용(diagenesis)을 제외하고) 수 주 (weeks)내에 일어난 일로 측정되어져야만 한다. 이 짧은 기간은 톤토 그룹이 형성된 캄브리아기가  7천만년의 기간이라고 말해지는 것과 비교되어져야만 한다.

(7) 결론

지질학적 시간 척도(geological time-scale)의 근간을 이루고 있는 연대측정 원리들은 여러 의문들을 가지고 있었다.

퇴적암의 기원을 결정하는 가장 유용한 방법은 첫째로 층서학(stratigraphy) 순서에 의해서 해침-후퇴 순서에 대한 주기(cycles)를 확인하는 것일 것이다. 인공수로 실험 결과는 이것과 연관되어져 있었다. 물의 흐름이 있을 때에는, 차곡차곡 퇴적되어져 있는 지층들도 그 지층 순서대로 퇴적되지 않았음을 보여주었다. 층리에서 배향(orientation)의 변화, 또는 같은 층연속체 상들(facies) 사이의 침식표면(erosion surfaces), 또는 겹쳐서 놓여진 층연속체 사이에 침식표면들은 퇴적작용의 중단(hiatus, 결층)이 있었음을 가리키는 것이 아닐 수도 있다는 것이다. 그것은 중단되지 않았던(연속적인) 물 흐름에서 속도(velocity)의 변화로부터 기인할 수 있었다. 상들 사이 또는 층연속체 사이의 층면절리(bedding joints)들은 물들의 후퇴에 뒤따른 건조(desiccation)로부터 기인할 수 있다. 끝으로 주기(cycles)와 일치하는 해수면의 변화는 빙하작용과 해빙에 의한 해수면의 변화보다 훨씬 더 클 수 있었다.

두 번째로 주기(cycles)의 순서들을 확립하면서, 그들의 고수력학적 상황(paleohydraulic conditions)이 결정되어져야만 한다. 예를 들어, 그랜드 캐년의 톤토 그룹이 한 예이다. 이들은 최소의 상황에서 일어난 퇴적일 것이다. 왜냐하면 산들의 융기로부터 극(poles)들의 중대한 지리학적 이동과 같은 것들로 원인되어진 어떤 주기들은 오늘날과 비교할 수 없는 크기와 변화를 가졌을 가능성이 있기 때문이다.

고수력학적 상황들에 대한 지식은 물 흐름에 의해서 퇴적물과 함께 이끌려져 온 생물종들에 대한 고생태학적 지역(깊이와 장소)을 결정하는 데에 더욱 도움을 주고있다. 그것은 또한 퇴적분지 내의 퇴적물 속에 있는 화석들의 분포를 설명하는 데에도 많은 도움을 줄 수 있다.  
지질학적 연대측정에 근간이 되고 있는 법칙들과 방법들에 의문을 제기함으로서, 그리고 고수력학적 분석에 대한 새로운 시도를 제안함으로서, 나는 이 실험의 의미를 바르게 평가해줄 수 있는 관심있는 관계분야 전문가들과 의견을 교환하고 싶다. 그리고 실험적 관측과 조화되어지는 지질학적 연대기를 제안하는 바이다.