습곡 산맥 & 판 구조론

[김성연(운영자)]

 

습곡산맥 : 심한 습곡과 단층작용을 받은 수천m 이상의 두꺼운 지층

습곡산맥의 분포 - 알프스 히말라야, 로키, 안데스
습곡산맥의 특징 : -대륙의 가장자리에 분포
-10km이상 두꺼운 해저 퇴적층으로 구성
-복잡한 구조, 산맥의 축방향으로 뻗음
-해양생물의 화석을 포함하는 것도 있다.

로키-안데스 산맥도 습곡 산맥이지만 히말라야산맥과 그 형성 원인이 달라서 구분하는 것입니다.
알프스- 히말라야 산맥은 인도판과 유라시아판의 충돌로 생긴것이고(대륙판 +대륙판)
로키산맥은 태평양판-북아메리카판의 경계에서 생긴 습곡산맥입니다.(대륙판+ 해양판)

두 판이 충돌하는 수렴 경계에서는 접근하는 판의 성질에 따라 2가지의 다른 양상을 보여준다. 첫째는 해양판과 대륙판이 만나는 경우로서 무거운 해양판이 대륙판 밑으로 침강하면서 경계부에 해구(trench)가 형성되며, 해구를 따라 대륙 쪽으로 활 모양의 화산 배열이 생겨난다. 이를 도호(島弧, island arc)―호(弧, arc)라는 한자가 활을 뜻함― 또는 호상 열도라고 한다(그림 21). 해양판은 침강해 들어가는 한편, 해양 지각 위에 얇게 쌓인 해양 퇴적물을 대륙 쪽으로 밀어붙여 부가(附加, accretion)시킴으로써 대륙을 성장시키기도 한다. 예를 들어 현재 북미 대륙의 서해안 쪽의 1/4에 해당되는 지역은 한때 바다였으며, 태평양판이 북아메리카 판 밑으로 파고들 때, 태평양 판 위에 쌓인 퇴적물들을 북 아메리카 쪽으로 밀어붙여 생성된 것이다. 샌프란시스코 해안가 언덕에서 발견되는 퇴적층에서 태평양 심해저 기원의 화석이 발견되는 것이 좋은 실례이다. 이와 같은 예는 일본 열도에도 적용할 수 있는데, 21세기에 일본이 바다로 침몰할 것이라는 이야기도 있지만 사실은 그 반대로 일본은 점점 더 성장할 것이다. 경우에 따라서는 해양 지각이 모두 대륙판 밑으로 침강해 들어가는 것이 아니라 일부는 대륙 지각 위로 밀어붙여 압박을 가하여 대륙 연안 쪽에 큰 주름이 잡혀 습곡 산맥과 지향사(geosyncline)를 만들기도 하는데 코르딜레라(Cordillera) 조산대가 대표적인 예이다.

둘째는 대륙판과 대륙판이 만나는 경우로서 그 경계부가 충돌하게 되면서 서로 주름이 잡혀 위로 솟아오르게 된다. 이때는 거대한 산맥과 고원 등의 조산대가 형성된다. 세계의 지붕이라는 히말라 야 산맥과 배후의 티벳 고원은 인도판이 유라시아판을 밀어붙일 때, 두 대륙판의 충돌에 의하여 생성된 것이며 (그림 22), 지금도 계속 산의 고도가 높아지고 있다.

판의 운동(Plate Motions)
판의 경계 4가지

발산형 경계(divergent boundaries) - 판이 서로 멀어지면서 새로운 지각이 생성되는 경계.
수렴형 경계(convergent boundaries) - 한 판이 다른 판 아래로 끌려 들어가 소멸되는 경계
변환단층 경계(transform boundaries) - 판이 서로 스쳐가므로 판이 생성도 소멸도 되지 않는 경계
판경계 지역(plate boundary boundaries) - 판들 사이의 상호작용이 아직 명확하게 밝혀지지 않은 경계



* 발산형경계

양쪽으로 움직이는 판의 중앙부에서는 맨틀로부터 상승하는 마그마에 의해 새로운 지각이 생성된다. 새로 형성된 해양지각(해령에서) 은 판을 따라 양쪽으로 천천히 움직여간다. 이러한 발산형 경계의 대표적인 곳이 대서양 중앙해령(Mid-Atlantic Ridge) 일 것이다. 이 해령은 북극해에서부터 아프리카의 남단까지 긴 산맥의 형태로 뻗어 있으며 해영의 확장 속도는 1년에 약 2.5cm정도이다. 그러나 이 비율은 백만년에 25km에 해당한다.

대서양 중앙해령의 위에 놓인 아이슬랜드(Iceland)의 화산지대는 해령이 갈라지는 현상을 연구하기 가장 좋은 곳 중의 하나이다. 아이슬랜드는 북아메리카 판과 유라시아 판의 경계에 해당하며 북아메리카 판은 유라시아판에 대해 상대적으로 서쪽으로 움직인다.

이런 판의 이동에 따른 결과는 아이스랜드의 북동부에 위치한 Krafla 화산 주위에서 쉽게 관찰된다. 이 지역에서는 불과 몇 달 사이에 지각의 균열이 넓어지고 또 다른 균열이 발생하곤 한다. 화산 활동을 동반한 지각의 상승(rifting)작용은 한번 분출할 경우 대략 1-2m 정도이고 1975년에서 1984년 사이에는 총 7m의 지각이 융기하였다.

동부 아프리카에서는 아프리카 대륙과 사우디아라비아 대륙이 갈라져 홍해(Red Sea)를 형성하였다. 미끄러지는 아프리카 판과 아라비아판은 홍해와 걸프만이 만나는 곳이 위치한 삼정점(triple junction)이라 불리는 곳에서 만난다. 새로운 확장의 중심은 동아프리카 열곡대(rift zone)가 가로지르는 아프리카 대륙이 될 것이다. 갈라진 틈으로 분출되는 마그마는 지각에 압력을 주고 결국 이것은 추가적인 균열과 지각의 상승작용을 일으킬 것이다. 즉 Rift Zone를 형성할 것이다. 따라서 동아프리카는 장차 지구의 거대한 대양이 만들어지는 곳이 될 것이다.



* 수렴형 경계

지구의 크기는 과거 46억년 이래 큰 변화는 없었다. 지구의 크기가 변함 없는 것은 지각이 생성되는 만큼 소멸되고 있음을 의미한다. 이러한 지각의 소멸은 판이 서로 부딪치는 수렴형 경계에서 하나의 판이 다른 판 밑으로 끌려 들어가면서 소멸된다. 이렇게 판이 끄려들어간 지역을 섭입대(Subduction zone)이라 한다. 매우 느린 "충돌" 이라고 표현되는 수렴의 형태는 판과 연약권(lithosphere)에서 발생한다 이런 충돌은 해양판과 해양판, 대륙판과 대륙판, 해양판과 대륙판 사이에서 발생한다.

1.해양판과 대륙판의 충돌
태평양의 바닥에는 해양저를 가로지는 깊이 8-10km, 길이 수천 km에 해당하는 수만은 해구가 구불구불하게 펼쳐져 있다. 이들 해구는 섭입(subduction)에 의해 형성된 해양에서 가장 깊은 지형이다.

남아메리카 해안을 따라 발달한 페루-칠레 해구는 해양판인 Nazca판이 대륙판인 남아베리카판 밑으로 섭입해 들어감에 따라 형성된 것이다. 그럼에 따라 남아메리카판은 융기하게 되고 안데스 산맥이 형성되었다. 이런지역에서는 파괴적인 지진활동에 따라 빠른 융기 작용이 진행되며 나즈카 판은 대륙판 아래로 서서히 가라앉게 되며 가라앉은 해양지각은 또 다른 지진을 발생 시킨다. 이러한 지진들은 수m씩 지각의 융기를 촉진 시킨다.

1994년 6월 9일 볼리비아의 라페즈(Bolivia, Lapaz) 북동부에서 깊이 636km에서 규모 8.3에 해당하는 지진이 발생하였다. 이지진은 남아메리카에서 기록된 가장 진원지가 깊은 지진으로 나즈카판과 남아메리카 판 사이의 섭입대에서 발생하였다. 다행이도 도심에서 멀리 떨어져있고 진원이 깊어 큰 피해는 없었다. 해양판과 대륙판의 충돌은 안데스와 태평양 북서쪽의 Cascade 지역과 같이 활발한 화산활동을 발생 시킨다. 어런 화산활동은 섭입작용과 관련이 있음이 명백하지만 분출되는 마그마가 끌려들어간 해양지각의 조각이 부분용융된 것인지, 대륙지각하부의 연약권 물질인지 또는 두물질이 혼합된 것인지에 대해서는 논란이 많다.


2. 해양판과 해양판의 충돌
두 해양판이 충동할 때에도 하나의 판은 다른 판 밑으로 섭입되고 그지역에서는 해구가 형성된다. 마리아나 해구는 (마리아나 섬들과 평행한)느리게 움직이는 필립핀 판과 이보다는 다소 빠르게 움직이는 태평양판이 충돌하는 곳에서 형성됐다. 마리아나 해구에 있는 챌린지 해구는 깊이가 지표에서의 에버레스트 산의 높이 보다 깊은 11,000m에 해당한다.

해양판 끼리의 섭입작용은 역시 화산활동을 동반한다. 따라서 해저에서 분출하는 화산이 존재하는데, 이들이 수면이상으로 노출되면 호상열도(island arcs)를 형성한다. 따라서 호상열도는 대체로 인접한 해구와 평행한 분포를 갖는다. 해구는 마리아나(Marisnas)와 알류산(Aleutian)열도가 어떻게 해서 생성됐는지, 왜 이지역에 지진활동이 활발한지를 알려주는 열쇠이다.


3.대륙판과 대륙판의 충돌
히말라야 산맥은 판의 운동의 결과를 가장 잘보여주는 곳 중의 하나이다. 두 대륙판이 충돌하면서 두판 모두가 섭입하지 않고 상승한 경우인데 이는 대륙지각이 상대적으로 가볍워서 마치 얼음 덩어리가 충돌한 것과 같은 현상이다. 따라서 지각은 위쪽과 옆쪽으로 접히면서 습곡을 형성한다. 5천만년 전 충돌 이래로 인도는 유라시아판이 인도판을 타고 밀려올라가는 형태로 놓여있다. 두 판의 충돌 이후 수백만년이상 계속된 끊임없이 진행된 충돌로 인한 압력으로 히말라야 산맥과 티벳고원이 지금과 같은 높이로 만들어 졌다. 이러한 높이의 증가는 대부분 과거 천년동안에 이루어졌다. 히말라야 산맥은 해발 8854m로 세계에서 가장 높으며 티벳고원의 높이도 4600m에 이른다.



* 변환단층 경계

두 판이서로 수평적으로 스쳐가는 경계를 변환단층 경계(transform-fault boundary)라한고 간단히 변환경계(transform boundary)라고도한다. 변환단층이란 개념은 캐나다의 지질학자 J.Tuzo Wilson에 의해서 처음 사용됐고, 그는 발산경계의 거대한 단층대나 파쇄대, 그리고 간혹 수렴 경계인 해구에서 발생하는 단층에 이 용어를 사용했다.

대부분의 변환단층은 해저에서 발견된다. 이 단층들은 실제로 확장하고 있는 해저 열곡의 지그재그한 경계에서 천발지진과 함께 발달한다. 그러나 아주 적은 경우지만 육이에서도 발견이 되는데, 그 예가 캘리포니아에 있는 산안드리아스 단층대이다(San Andreas fault zone). 이 단층은 남쪽으로 확작 중인 동태평양판과 북쪽으로 확장 중인 남 고다(south Gorda)판과 겡계를 이루고 있다. 산안드리아스 단층대는 길이가 1300km에 이르고 그폭이 수십km정도이다. 이는 캘리포니아 길이의 2/3 에 해당한다. 이 단층을 따라 북아메리카 판과 태평양판이 과거 1000만년동안 1년에 5cm의 비율로 수평 이동해 왔다.

단층대의 서쪽면(태평양판)은 단층면의 동쪽(북아메리카판)과 북서쪽 방향으로 놓여있으며 서로 상대적으로 이동하고 있다. 해양의 파쇄대는 열곡을 중심으로 수평 확장하는 해양저 산맥에 위치한다. 이들은 수백에서 수천 km의 길이를 가지며 깊이는 대략 8km 정도에 이른다. 이런 해양의 파쇄대의 예는 태평양 북동부에 놓인 Clarion, Molokai 과 캘리포니아와 멕시코 연안의 Pioneer 가 있다. 이들 지역은 현재 활동하지 않지만 이전에 단층 활동한 증거인 지구자기의 일정한 패턴을 가지고 있다.

* 기타 판의 경계(Plate-boundary zones)
위에서 언급한 것과 같은 주요한 형태의 판의 경계만 존재하는 것은 아니다. 어떤 지역에서는 판의 경계부의 광범위한 영역에 걸쳐 판의 운동에 따른 작용이 발생하기 때문에 아직 까지 명확하게 설명이 않되기도 한다. 이러한 지역 중의 하나가 유라시아 판과 아프리카판 그리고 몇 개의 작은 판들이 혼재하는 지중해-알프스(Mediterranean-Alpine)지역이다. 따라서 이 지역에서는 상당히 복잡한 패턴의 운동이 발생하며 복잡한 지질구조와 지진의 양상을 보인다.


* 판의 이동속도
최근에는 판의 이동속도가 얼마나 되는 지 측정할 수 있다. 그러나 과거 지질학적인 시간에는 과연 어떻게 됬었는지는 현재 과학자들도 예측하기 힘들다. 해양은 그 퍼즐을 푸는 하나의 열쇠이다. 해양저에 나타나는 자기 띠는 과거 지구의 자기장의 방향을 반영한다. 과거 지질시대동안 자기장의 방향은 수없이 반전됐으며 이 간격으로 판의 이동속도를 구해낼 수가 있다. 판의 이동속도의 폭은 광범위하다. 북극의 열곡대에서는 가장 느린 2.5cm/yr 미만이고, 칠레에서 서쪽으로 3400km 떨어진 남 태평양판 동부의 Easter Island근처의 동태평양 열곡에서는 가장 빠른 15cm/yr 정도로 나타난다.

과거 판의 이동의 속도는 지질학적인 지도 분석으로 알아낼 수 있다. 이 방법은 화학분석, 화석등으로 연령을 알고 있는 암석을 이용하는 것으로 경계부 양쪽에 놓인 암석의 거리를 계산함으로써 알아낼 수 있다. 이 간단하지만 효과적인 방법은 발산 경계의 판의 이동속도를 알아내는데 사용되어 왔다. 예를 들면 대서양 중앙해령이나, 산안드리안 단층대 같은 경우이다.

현재 판의 이동속도는 지표에서나 우주공간에서 직접측정이 가능하다. 지표에서는 레이저 전자장비를 이용한 측정이 사용되고, 우주에서는 인공위성을 이용한 측정이 사용된다. 이들 중 특히 Global Positioning System(GPS)를 이용하는 것이 가장 흔히 이용된다.