자원과 환경: 지구의 선물, 그 빛과 그림자 - 지구 내부 에너지

[Jeanne Maria]

자원과 환경: 지구의 선물, 그 빛과 그림자 - 제 3장 지구 내부 에너지

 
  3-1. 판구조론
  3-2. 화산과 지진
  3-3. 쓰나미
  3-4. 지열 에너지
  3-보충 학습
  3-참고문헌

3-1. 판구조론(Plate Tectonics)

3-1-1. 판구조론이란?

  "판구조론"은 "plate tectonics"를 그대로 번역하여 만든 용어이다. 이때 "tectonics"는 "구조물에 속한(pertaining to building)"이라는 뜻을 가진 라틴어 "tectonicus"로부터 유래한 말이다.

이를 그대로 적용하여 plate tectonics를 해석하면 "구조체를 이루는 판들에 관한 이론"이라는 뜻이 될 것이다. 이는 판구조론의 직역적 정의이고, 이를 지질학적 견지에서 다시 정의하면 "지각은 여러 개의 운동 판으로 구성되어 있으며, 여러 지질 작용을 이들 판의 운동을 이용해 해석하는 것"이라고 할 수 있다.

판구조론은 지질학에 있어서 하나의 통일이론이다.

대부분의 지질현상을 이 이론으로 통합적으로 훌륭히 설명할 수 있기 때문이다. 여기에는 물론 지구 내부 에너지로 인한 다양한 지질현상들도 포함된다. 이런 이유로 지구에너지에 의한 지질 작용 및 재해에 대해 구체적으로 이야기하기 전에 우선 판구조론에 대해 소개하고자 하는 것이다.


3-1-2. 판구조론의 역사

  판구조론에 대해 자세히 살펴보기 전에 먼저 판구조론이 역사적으로 어떻게 자리잡게 되었는지 간단히 살펴보자. 판구조론이 등장하기까지에는 "대륙이동설"과 "해저확장설" 그리고 "맨틀대류설"의 역할이 컸다.

그림 3-1-1. Alfred Wegener(1980-1930). 

https://commons.wikimedia.org/wiki/Alfred_Wegener# /media/File:Alfred_Wegener_ca.1924-30.jpg

  대륙이동설(theory of continental drift)는 다른 말로 대륙표이설이라고도 하는데, 대륙이 지구상의 한 자리에 고정되어 있는 것이 아니라, 서로 상대적으로 이동한다는 학설이다.

대륙이 이동한다는 가설은 이미 16세기 말엽의 아브라함 오텔리우스(Abraham Ortellius)로부터 17세기초의 프란시스 베이컨(Francis Bacon) 그리고 19세기의 안토니오 스나이더-펠레그리니(Antonio Snider-Pellegrini)등과 같은 여러 사람들에 의해 주장되었다. 그러나, 최초로 지질, 해양, 기상, 및 생물학적 증거들을 바탕으로 구체적이고 과학적으로 대륙이동설을 주장한 사람은 알프레드 베게너(Alfred Wegener)였다. 알프레드 베게너는 자연과학자의 표상과 같은 사람이었다.

  알프레드 베게너는 1980년 고아원장의 아들로서 베를린에서 태어났다. 베게너는 1905년에 천문학으로 박사학위를 받았으며, 그 후 그는 대부분의 시간을 기상학을 연구하는데 사용하였다. 그는 학위를 받은 그 다음 해에 극지방 대기 순환을 연구하기 위해 그린란드로 떠나는 덴마크 탐사대에 합류하였는데 그 후 그의 일생 동안 이와 같은 그린란드 탐사를 세 번 더 하였다.

베게너는 세계 1차 대전이 발발하자 입대하였다. 그는 입대 얼마 후 부상당하였는데, 부상 후의 긴 요양 기간 동안 오랜 동안 관심을 가졌던 문제, 즉 대륙은 어떻게 만들어졌을까 하는 문제에 골몰하였다.

그 이전의 다른 과학자들과 마찬가지로, 베게너는 남아메리카 동부 해안선과 아프리카의 서부 해안선이 나란히 놓으면 매우 잘 맞는것에 매우 흥미 있어 했다. 그는 혹시 이 두 대륙이 과거엔 붙어 있지 않았을까 하고 생각하였으며, 한 술 더 떠서 그는 현재 나뉘어져 있는 모든 대륙이 과거 한 때 모두 한 덩어리로 있지 않았나 생각하였다.

이 대륙을 그는 그리스어로 "온땅덩어리"란 뜻 의 "판게아(pangaea)"라고 불렀다. 베게너는 이 초대륙이 지금부터 약 2억년 전부터 갈라지기 시작하였다고 믿었다. 그림 3-1-2는 판게아가 갈라져 어떻게 현재와 같은 대륙의 분포를 만들었는지를 보여준다.

그림 3-1-2. 대륙 이동의 증거 - 대륙의 모양.

  1915년 베게너는 "대륙과 대양의 기원"이라는 책을 저술해 그의 가설을 주장하였다. 시간이 지남에 따라 대륙이 움직인다는 생각은 베게너가 처음 한 것은 아니다.

네덜란드의 지도 제작자인 아브라함 오텔리우스는 이미 1596년에 대륙은 지진과 홍수로 인해 여러 개로 찢어졌다는 주장을 하였다. 그러나 베게너의 주장은 보다 과학적인 증거를 바탕으로 하였다.

예를 들면, 그린란드 빙하 밑에 열대 식물의 화석이 존재한 다든지, 아프리카나 남아메리카의 열대 지방에 빙하 지형이 존재한다는 점이 바로 이런 증거들이다. 그림 3-1-3은 각 대륙의 같은 종류의 화석의 분포가 현재의 위치에서는 별 연관이 없어 보이지만 판게아를 이루었을 때를 가정하면 딱 맞아 떨어지는 것을 보여준다. 또한 그림 3-1-4는 각 대륙에서 관찰되는 상관성이 없어 보이는 빙성층의 분포도 판게아를 가정했을 때는 설명이 잘 되는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 지형, 화석, 그리고 암석 분포의 특징은 대륙 이동의 강력한 증거들이다.

그림 3-1-3. 대륙 이동의 증거 - 화석의 분포.

그림 3-1-4. 대륙 이동의 증거 - 빙성층의 분포.
http://www.indiana.edu/~g103/G103/week11/week11.htm

  불행하게도 베게너의 책 “대륙과 대양의 기원”은 매우 호된 비난을 받았습니다. 당시의 과학자들은 대륙이나 대양은 지구상에 일정한 위치를 영원히 점한다고 생각하였다. 베게너의 이론이 설명하지 못한 것 중 가장 중요한 것이 엄청난 양의 무게를 갖는 대륙을 그렇게 멀리 움직일 수 있는 힘의 근원이었다. 영국의 헤롤드 제프리스(Harold Jeffreys)는 고체 암석 같은 것은 대양 지각으로 끌면 산산히 부서질 것이라는 지적을 하였다.

  이러한 반대에도 불구하고, 베게너는 그의 생을 다하는 날까지 자신의 이론을 뒷받침할 새로운 증거들을 찾아다녔다. 일차대전이 끝나고 그는 함부르크에서 정부를 위한 대기과학 연구를 하였고, 1924년에는 그가 그렇게 열망하던 오스트리아(Austria)의 그라쯔(Graz) 대학의 기상학 교수로 부임하였다. 앞서의 베게너 사진은 바로 이 때 찍은 것이다.

  1930년 9월, 베게너는 제트기류 연구에 도움이 되는 기상관측소 건설을 위해 그린란드로 마지막 탐험을 떠났다. 지독한 날씨에도 불구하고, 배게너는 기상관측소에 있는 연구원들이 절실히 보급품을 필요로 하는 것을 잘 알았기 때문에 거기에 갈 것을 주장했다. 5주후, 베게너는 무사히 관측소에 도착하는데 성공하였다. 그러나 불행하게도 그는 베이스캠프로 돌아오는 길에 얼어 죽고 말았으며, 그의 시체는 그 다음해 여름에 발견되었다.

  베게너가 죽기 일년 전, 영국의 지질학자 아더 홈즈(Arthur Holmes)는 맨틀의 대류가 대륙 이동이 원인이 아닐까 생각하였다. 2차 대전 후, 지자기 연구 및 해저 확장설의 등장으로 베게너의 업적은 차츰 인정받기 시작하였다. 그러나, 베게너의 학설이 완전히 인정된 것은 한참 후인 판구조론이 완전히 정립된 1960년대 중반이나 되어서 였다.

해저확장설은 해저 지각이 해령(midoceanic ridge)을 중심으로 양쪽으로 점점 늘어난다는 것인데, 이때 새로운 지각은 해령의 화산분출을 통해 만들어지고, 그 늘어난 만큼의 지각이 반대편의 섭입대(subduction zone)를 통해 사라진다는 학설이다. 이 학설은 해저 지형을 자세히 관찰할 수 있게되면서 태동하게 되었고, 1961년 메이슨과 래프(Mason and Raff, 1961)에 의해 해저 지각의 지자기의 역전 현상(geomagnetic field reversal)이 발견되면서 정설로 자리잡게 되었다.

  지자기 역전이란 지구 자극이 뒤집어 지는 현상, 즉 지자기 북극이 남극이 되고, 남극이 북극이 되는 것이다. 암석에 기록돼 있는 지구의 자기 기록을 살펴보면 이와 같은 지자기 역전이 과거 반복해서 일어났음을 알 수 있다.

그림 3-1-5가 나타내는 것처럼 그메이슨과 레프의 자료는 대양저 산맥의 중앙인 해령을 중심으로 그 양측이 띠 모양으로 서로 대칭적인 지자기 역전현상을 보임을 알려주었다.

이는 다시 말해서 해령을 중심으로 같은 거리에 있는 양쪽의 지각이 같은 시기에 만들어진 것이며, 가까이 있는 것일수록 먼저 만들어져 시간이 지나면서 먼쪽으로 이동했다는 것을 의미한다. 이 것은 해저확장설을 결정적으로 뒷받침하는 증거가 된다.

그림 3-1-5. 해저 확장의 증거 - 지자기 역전.
http://www.indiana.edu/~geol116/week7/week7.htm

  지질학분야에서 해저확장설이 널리 받아들여지면서, 이를 통해 대륙이 이동할 수 있음도 깨닫게 되었다. 즉 대양지각이 움직일 때 그 보다 밀도가 낮아 그 위에 떠 있는 것처럼 존재하는 대륙도 같이 움직이는 것이다.

지질학자들은 이와 같은 해저 확장, 대륙의 이동, 그리고 새로운 지각의 생성과 소멸 등의 이론을 점점 구체적으로 완성하였고, 그 결과 현재 대부분의 지질학에서 통일 이론으로 받아들이는 판구조론을 완성하게 되었다.

3-1-3. 판의 경계와 운동

  앞서 해저 확장설을 설명할 때 해령과 같은 곳을 중심으로 새로운 지각이 생겨나고, 이 지각은 계속 움직여 섭입대에서 소멸한다고 설명하였다. 지구상에는 이렇게 새로운 지각이 만들어지는 곳과 소멸되는 곳이 여러군데 존재한. 이렇게 만들어진 지각은 일정 방향으로 특정 속도로 움직이는데, 이 움직이는 방향과 속도가 다르기 때문에 서로 잘려 여러 조각으로 나뉘게 된다. 이처럼 만들어지고 소멸되는 경계와 서로 갈려 잘라지는 경계를 따라 만들어진 조각을 지판(plate)라고 한다.

  그림 3-1-6은 지판의 구조와 경계를 모식적으로 보여주는 것이다. 지판은 연약권 위 단단한 암권 조각으로 이루어져 있는데, 이 지판과 지판의 경계는 그 성격에 따라 분산, 수렴, 변환 경계로 구분한다. 분산 경계는, 확장경계 또는 생성 경계라고도 불리는데, 해령이나 열곡 등을 따라 마그마가 분출하여 계속 새로운 지각을 만드는 경계이다. 이 곳을 중심으로 양쪽 지판이 서로 반대 방향으로 운동하여 이런 이름이 붙었다.

수렴경계는 소멸 경계라고도 불리는데 판과 판이 서로 마주보고 움직이며 만나는 곳이다. 대개 이 경계에서는 한 지판이 다른 지판 밑으로 끌려들어가면서, 지하 깊은 곳에 이르러 용융하여 소멸한다. 이때 이와 같이 끌려 들어가는 곳을 섭입대(subduction zone)이라 부른다. 변환 경계는 유지 경계라고도 불리며 판과 판이 서로 엇갈려 지나가는 경계이다.

그림 3-1-6. 판의 경계 및 운동.
http://picsdigger.com/keyword/transform%20plate%20boundary/

  지각은 흔히 대륙지각과 대양지각으로 나뉜다. 대륙지각은 주로 화강암으로 이루어져있고 대양지각은 현무암으로 되어 있어, 대륙지각의 밀도가 대양지각의 밀도보다 낮다.

대양지각은 지판을 구성하며, 지판의 생성부터 소멸에 이르기까지 그 생을 함께하지만, 대륙지각은 가볍기 때문에 이러한 지판위에 떠있는 것처럼 존재한다.

이러한 이유때문에 대륙지각은 판의 운동에 따라 움직이다가 기존의 대륙에 합쳐져서 더 큰 대륙을 만들거나, 다른 대륙가 충돌하여 대단위의 산맥을 만들게 된다. 대양지각의 연령은 보통 2억년을 넘지 않는데 반해, 대륙 지각 중에는 35억년 이상 된 것들도 존재하는 이유가 바로 이것 때문이다.



3-1-4. 판의 분포와 구동력

  현재 지구를 덮고 있는 지판은 수십 개가 넘으며, 이들은 그 크기와 모양, 운동 방향과 속도가 모두 제 각각이다. 이 지판 중 가장 큰 것들을 골라보면 대략 8개 정도가 되는데, 그 지판들의 이름은 다음과 같다:

• 아프리카판(African plates)
• 남극판(Antarctic plates)
• 인도판(Indian plates)
• 호주판(Australian plates)
• 유라시아판(Eurasian plates)
• 북아메리카판 (North American plate)
• 남아메리카판(South American plate)
• 태평양판(Pacific plate)

  그림 3-1-7은 판의 분포와 그들의 이동 속도 및 방향을 보여준다. 그림에서 보듯, 위에서 나열한 주요 판 이외에도 수 많은 작은 판들이 있다.

그림 3-1-7. 판의 분포(왼쪽) 및 그들의 이동 속도와 방향(오른쪽).

  그림 3-1-8은 지판 운동이 어떤 구동력에 의해서 일어나는지를 간단히 보여주는 그림이다. 지판을 움직이게 하는 힘의 원천은 이미 설명한 바와 같이 맨틀의 대류이다. 맨틀의 대류는 지구 내부 열을 외부로 전달하여, 지구를 식히는 과정의 일부이다. 이러한 맨틀의 대류가 정확히 어떠한 방식으로 진행되는 지에 대해서는 학자마다 다르게 주장하지만, 맨틀의 대류가 판을 움직이는 원동력임은 분명하다. 우리는 여기서 이 맨틀의 대류가 어떻게 판을 움직이는지 간략하게 살펴보기로 하자.

그림 3-1-8. 지판 운동의 구동 메카니즘.


  지진파의 자료로부터 맨틀은 수직 수평적으로 밀도가 다른 곳들이 있음을 알 수 있습니다. 이러한 밀도의 차이로 인해 연약권에서는 대류가 일어난다(Tanimoto and Lay, 2000).

이 대류 운동의 결과 연약권은 횡적으로(암권과의 경계와 나란히) 다양한 방향으로 움직이는데, 이 때 암권과 연약권 간의 마찰력으로 인해 암권 즉 지판도 따라 움직이게 된다. 때로 연약권의 대류에 의한 종적 운동이 흡입력을 발휘하면서, 이 힘으로 지판을 움직이게도 한다고 믿는 학자들도 있다.

  사람들은 상당히 오랜 기간 동안 연약권의 대류 운동과 그로 인해 발생하는 연약권과 암권 간의 마찰력 및 흡입력만이 판 운동의 원인이라고 생각하였다. 그러나, 최근의 연구 결과들은 단순히 이 힘 만으로는 우리가 관찰하는 지판의 운동을 설명할 수 없다고 주장하고 있다.


요즈음 지질학자들 사이에서 가장 설득력 있게 받아들여지는 지판 운동의 원인 중 하나는 섭입대에서 연약권으로 침강해 들어가는 지판에 의한 인력이다(Conrad et al., 2002). 해령을 중심으로 새로 형성된 해양지각을 포함하는 지판은 연약권에 비해 밀도가 크지 않지만, 이 지판이 판 운동에 따라 움직이면서 식어감에 따라 점점 두껍고 무겁게 변해간다.

결국 해양지각을 포함하는 지판은 섭입대에서 연약권으로 내려갈 즈음에는 연약권보다 밀도가 높아져 중력에 의해 저절로 가라앉게 되며, 이 때 이 가라앉는 힘으로 지판을 끌고 내려가 지판 전체를 움직이게 한다. 이 밖에 판이 분기하는 확장경계에 비해 수렴경계가 위치가 낮아, 이 지형적인 차이로 인한 중력작용이 판의 움직임에 기여하는 것으로 생각하기도 한다.

  판구조론이 받아들여지기 전에는 지구상에서 일어나는 다양한 지질 작용들을 국부적인 환경과 과정에 의해 설명하였다.

예를 들면, 두꺼운 퇴적층의 형성과 이 퇴적층의 변성은 지각이 맨틀로 가라앉으면서 분지를 형성하고, 여기에 퇴적물이 쌓여 점점 두꺼워지며, 이렇게 퇴적물은 지열의 작용으로 변성된다는 식이었다. 하지만, 판구조론이 등장하고부터는 대부분의 지질작용을 판의 운동과 연관지어 명쾌하게 설명할 수 있게 되었다. 퇴적분지는 판과 판 간의 응력으로 인해 단층 등을 수반하며 만들어지며, 퇴적된 두꺼운 퇴적층들은 이때의 압력과 지열로 변성된다는 식이다.

  지구상의 화산과 지진의 분포를 보면, 판의 경계와 일치하는 것을 알 수 있다. 이는 이들이 판 운동과 매우 밀접한 관련이 있음을 지시하는 것이다. 화산과 지진의 판 운동과의 연관성과 그 재해에 대해서는 다음 단원에서 좀 더 자세히 다룰 것이다. 대양저 산맥 분포는 해령의 분포와 유사하고, 해구는 섭입대를 따라 분포한다. 지구상에 존재하는 대부분의 커다란 산맥들은 판 위 대륙지각이 수렴경계로 이동하며 충돌한 결과 만들어진 것이다.

그림 3-1-9는 인도 판이 유라시아 판 밑으로 섭입하면서 그 위의 인도 대륙과 아시아 대륙이 충돌하고, 이로 인해 히말라야 산맥이 만들어졌음을 보여주는 그림이다.

그림 3-1-9. 인도-아시아 대륙의 충돌과 히말라야 산맥의 형성.

http://www.uwsp.edu/geo/faculty/lemke/geog101/lecture_outlines/18_plate_tectonics.html