+ 오래된 지구를 보는 새로운 눈 ‘판구조론’ Ⅴ

오래된 지구를 보는 새로운 눈‘판구조론’Ⅴ

[뉴스등록시간 : 2009년 01월 06일(화) 13시 38분 ]

40여 년 전 1960년대 후반 마치 개종을 하듯 받아들이기 시작한 판구조론은 지구과학자들이 ‘오래된 지구를 새로이 볼 수 있는’ 눈이었다.

판구조론은 ‘약 100㎞ 두께를 가진 지구의 표층이 10여 개의 조각(판)으로 나눠져 있으며, 이들 조각은 끊임없이 서로 상대적인 운동을 한다’는 겉보기로는 지극히 평이해 보이는 이론이다.

그런데 왜 지구과학자들은 ‘유레카’를 외쳤으며 과학사를 다루는 학자들이 이를 ‘과학적 혁명’이라고 부르는 것일까?

우선 이런 엄청난 두께를 가진 판들의 운동이 그리 자연스러울 수 없음은 분명해 보인다. 1년에 수 ㎝정도씩 서로 미끄러지게 하는 지구 내부의 힘을 마찰력으로 어느 정도는 저지하면서 견뎌낼 수는 있지만 이런 스트레스가 100여 년 이상 쌓이면 이제는 판들이 미끄러지지 않고서는 도저히 견딜 수 없는 지경에 이른다.

어느 날 갑자기 힘겹게 버티던 판들이 그 동안 쌓였던 스트레스를 한꺼번에 풀어버리며 수 m씩을 미끄러질 때 바로 그 날은 지상의 우리들에게는 엄청난 지진을 경험하는 재앙의 날이 되는 것이다. 지진이 판들의 경계에서 일어난다는 것은 판구조론의 자연스러운 결론이다.

▷ 판의 경계를 잘 보여주는 세계의 지진대

지구는 어떻게 오늘의 모습을 갖게 되었을까? 티베트에는 왜 히말라야산맥이 있을까? 유럽과 미국사이에 왜 대서양이 자리를 잡고 있으며, 태평양을 둘러싸는 지역에서는 왜 ‘불의 고리’라고 불릴 만큼 지진이 자주 일어나며, 화산이 많이 분포하고 있을까?

지구를 공부하는 과정에서 제기되는 이런 중요한 질문들에 대해서 명쾌한 답을 제시할 수 없었던 지구과학자들에게 판구조론은 하나의 계시로 다가온 것이다.

당시 과학자들이 가졌을 흥분을 조금이나마 느껴볼 수 있는 한 방법은 우리도 판구조론의 눈으로 이런 질문들의 답을 찾아가보는 것이다. 이 작업은 판들이 서로 맞부딪히는 경계를 이해하는 데서 시작된다.

지구의 특징을 만들어내는 판의 경계들

지구과학자들은 판이 서로 맞부딪히는 특성에 따라 판의 경계가 발산형경계, 수렴형경계, 변환단층형경계 등의 여러 가지 형태로 구분됨을 알게 되었다. 바로 이들 경계에 지구모습의 비밀이 들어있었다.

판들이 서로 멀어지는 경계지역을 발산형경계라 부른다. 대표적인 예가 바로 대서양 한가운데를 남북으로 가로지르는 해저산맥이며, 바로 이곳에서 벌어지는 틈으로 지구 내부에서 용암이 올라와 식으면서 새로운 해양지각이 만들어지는 것이다.

이 지역이 산맥처럼 보이는 이유는 암석이 아직 채 식지 않아 밀도가 작아 단위 면적당 더 많은 부피를 차지하기 때문이다. 새롭게 만들어지는 암석에 밀려 이들 경계에서 점점 멀어지면서 식어져 단단해지면 부피가 줄어들고 따라서 수심도 더욱 깊어진다.

물론 판이 계속 서로 멀어질 때 이들 판 위에 떠 있는 대륙들도 덩달아 멀어지면서 생기는 틈으로 바닷물이 유입되면서 바다가 만들어진다.

▷ 확산형경계에서 대륙이 갈라지는 틈에 해저산맥이 만들어지고 바다가 열리는 과정을 보여주는 모식도

아메리카 대륙과 아프리카 유럽 대륙 사이가 지난 2억여년 이전부터 매년 수 ㎝씩 그 폭을 넓히면서 대서양이 만들어진 것이다.

오늘날의 지구의 모습을 잘 살펴보면 홍해와 아프리카 대륙 동쪽에 남북으로 뻗어 있는 아프리카 열곡대도 먼 미래에 큰 바다가 만들어질 예상 지역임이 쉽게 이해된다!

수렴형 경계는 두 판이 서로 마주치는 곳이며, 서로 마주치는 지각의 종류에 따라 해양지각과 해양지각의 충돌, 해양지각과 대륙의 충돌, 그리고 대륙과 대륙의 충돌 등의 세 가지 형태를 생각할 수 있다.

육상지각(대륙)의 암석들에 비해 해양지각을 이루는 암석들의 밀도가 크기 때문에 각각의 경우 상이한 결과가 나타날 것이 예상되며, 이런 모습들이 실제로 지구상에서 모두 관측되고 있다.

판구조론이 쉽게 예측할 수 있었던 것은 무거운 해양지각이 가벼운 대륙 밑으로 가라앉으면서(섭입) 만나 접히는 해양에서는 해구가 만들어지고, 대륙에서는 섭입하던 지판이 녹아 다시 대륙 위로 솟아오르면서 화산활동을 일으켜 결국 높은 산맥들이 만들어진다는 것이었다.

왜 남아메리카 대륙 서안 바다에는 칠레 해구가 있으며 대륙에는 남북으로 늘어서 안데스 산맥과 많은 화산들이 있는지가 너무나 명쾌하다.

1980년대 대규모 폭발을 한 후 요즈음 다시 활동을 개시하는 듯한 세인트 헬렌 화산을 포함해 미국 북서부지방에 줄을 지어 나란히 나타나는 화산들도 같은 예이다.

▷ 지진이 일어나는 진앙지를 보여주는 지도. 지진이 일정한 선을 따라 발생하고 있는 것이 분명하며 이들 선이 바다의 산맥, 해구 등이 위치하는 지역과 일치하는 것을 알 수 있다.

대륙과 대륙이 만나면 이들 모두가 가벼워 가라앉을 수 없이 결국은 지표상에 주름이 잡히며 밀착될 수밖에 없다. 과학자들은 여기에서 히말라야 산맥 및 티베트 고원과 같은 대륙의 산맥이 만들어지는 원인을 알게 되었다.

히말라야 산맥은 지난 수천만 년 동안 유라시아 대륙과 북상하는 인도 대륙이 충돌하면서 만들어낸 훌륭한 작품이다.

과학자들은 오늘날 중국을 이루고 있는 지형 역시 옛날 초대륙 판게아가 만들어지고 있던 무렵, 남과 북에 있던 두 개의 다른 땅덩이가 부딪히면서 하나로 만들어진 것으로 여기고 있다.

물론 이와 같은 중국 대륙의 충돌은 인접한 우리나라에도 큰 영향을 미쳤을 것이 분명하며, 우리나라의 지질학자들이 열심히 연구하고 있는 분야의 하나이다.

이동 속도가 서로 다른 두 해양지각이 같은 방향으로 움직일 때, 뒤따라 잡는 해양지각이 앞서가는 해양지각의 밑으로 섭입하면서 충돌 부분은 접혀 수심이 깊은 해구가 되고 한편으로 해구의 앞쪽에는 섭입되는 지각의 영향으로 화산섬이 만들어 질 수 있다.

마리아나 해구나 일본 해구, 그리고 그 앞에 만들어져 있는 일본, 사이판과 같은 마리아나 제도들이 바로 그 예이다. 왜 일본과 같은 이런 섬들에 화산이나 지진이 많은지가 쉽게 이해된다.

▷ 인도대륙과 유라시아대륙이 서로 만나면서 만들어낸 히말라야산맥

발산형의 경계와 그 반대편에 있는 수렴형경계가 하나의 판을 만들려면 이들을 연결시켜주는 경계가 필요하다.

이 부분을 바로 인접한 두 판이 서로 수평적으로 미끄러지는 변환단층형경계라고 부른다. 미국 서부 연안에 있는 샌 안드레아스 단층은 이런 경계의 대표적인 예이다.

두께가 100여㎞나 되는 두 판의 서로 미끄러지는 운동이 마찰로 인해 순조롭지 못하고 100여년 마다 한 번씩은 쌓인 스트레스를 풀 수밖에 없으며, 이 단층선상에 위치하는 샌프란시스코에서 1906년 4월 18일 일어났던 매그니튜드 7.8의 대지진이 바로 이렇게 일어난 것이다.

지난 2005년 미국이 겪었던 엄청난 크기의 허리케인 카트리나가 준 경제적 손실(812억 달러 추정)과 거의 비견할 만한 엄청난 피해를 준 지진이었다.

100여 년이 지났는데 이제 또 하나의 큰 지진이 일어날 때가 다가온 것은 아닐까? 판구조론이 자연스럽게 이 지역에 사는 사람들에게 던져주는 이유 있는 걱정거리이다.

열점도 있다

그런데 지금도 용암을 뿜어내는 하와이섬은 판의 경계와는 전혀 상관이 없이 거의 태평양판의 한가운데 위치하고 있다. 어떻게 이런 곳에 화산이 있는 것일까? 더욱 흥미로운 것은 주변 화산섬들이 그룹을 지어 일직선상으로 줄을 지어 있는 것이다.

과학자들은 훨씬 더 깊은 지구내부에서 판을 뚫고 지각까지 용암이 솟아오를 수 있는 지역이 있음을 알게 되었으며, 이를 열점이라 명명하였다. 고정된 열점과 그 위를 움직이는 판이 만들어낸 작품이 바로 일렬로 나란히 서 있는 화산섬들이었다.

1960년대 한창 해저확장설이 논의될 때 캐나다의 윌슨이 이를 처음으로 이해하고 유레카를 외쳤다. 열점은 당시 과학자들 마음속에서 흔들리던 추를 해저확장설의 수용 쪽으로 기울게 하는 중요한 역할을 했다.

▷ 미국 캘리포니아주에 있는 샌안드레아스변환단층

그런데 도대체 열점은 지구 얼마나 깊은 곳에 연결된 것일까? 그리고 앞서 살폈던 지각의 섭입은 어느 정도 깊이까지 일어나는 것일까? 지구과학자들은 이런 질문에 대해서도 오늘날 꽤 자세한 답을 가지고 있다.

바로 지구물리학자들이 새로이 발전시킨 지진파단층촬영법의 연구덕분이다. 단층촬영법은 본래 의학에서 뇌 구조를 영상화하여 진단하기위해 고안된 것이었다.

그러나 지난 20여년에 걸쳐 컴퓨터의 능력이 폭발적으로 증대되면서 지진파를 이용하여 지구내부의 단면구조를 영상화 할 수 있는 지진파단층촬영법이 발전한 것이다.

이런 연구는 지구 내부에 대한 종래의 생각을 수정할 수밖에 없는 많은 새로운 결과를 내주고 있다.

지진파단층촬영법으로 지구내부 구조 영상화

비교적 최근에 이르기까지도 맨틀 속에 존재하는 방사성물질의 붕괴에서 오는 열 때문에 맨틀의 유동이 일어나며 또한 이런 대류 자체도 연속적인 것으로 생각하였다.

그런데 방사성물질이 맨틀보다는 지각에 더 많으며, 또한 맨틀 내에서도 불균일하게 존재하므로 맨틀의 대류는 상부 맨틀의 여러 깊이에서 만들어지는 작은 상승류들이 대부분이며 하부 맨틀은 거의 움직이지 않는다고 생각하였다.

그러나 단층촬영법 분석 결과는 이와는 달리 맨틀 전체에 전 지구 규모로 2～3개의 거대한 상승류가 있어서 핵과 접해있는 하부 맨틀의 물질이 지표면까지 상승하며, 또한 지표면의 물질이 다시 하부 맨틀까지 하강하는 큰 대류 현상이 일어나고 있는 모습을 보여주었다. 이런 거대한 상승류와 하강류를 일으키는 원인은 무엇일까?

지구 내부에는 방사성물질의 붕괴에 의하여 지금까지 축적된 열이 있음은 물론이지만 이뿐만 아니라 초기 지구가 형성될 당시 저장된 열이 있다.

수많은 운석조각들이 모여 지구를 형성할 때 운석의 충돌에 의해 발생된 열이다. 그 후 방사성물질의 붕괴로 발생한 열이 이에 합쳐지면서 전지구의 내부에 고르게 분포되었던 철과 니켈 성분을 녹여 유동할 수 있게 만들고 이들이 중력에 의해 지구중심부로 이동하면서 핵을 형성하였다.

이 때 중력장내에서 철과 니켈의 위치에너지가 열에너지로 변하며, 이런 과정을 통하여 핵은 맨틀에 비하여 지구초기의 원시적 열을 더 많이 저장하게 되었다.

한편 지구표면에서는 열을 외부로 계속 빼앗기며, 따라서 핵의 바깥쪽에 위치하는 맨틀은 상대적으로 낮은 온도를 가지게 된다. 이렇게 새로이 이해된 온도 분포의 조건하에서 지구물리학자들은 맨틀규모의 거대한 대류가 일어나게 되는 시나리오를 만들 수 있었다.

▷ 1906년 발생한 샌프란시스코 지진이후의 처참한 모습

맨틀 대류의 시나리오

맨틀 대류의 시나리오를 함께 도시된 그림을 보면서 순서대로 살펴보기로 하자(번호들은 그림의 번호와 서로 일치).

① 고온의 외핵이 핵-맨틀 경계부의 맨틀물질 일부를 가열, 상승류를 형성하며 이들이 지표면까지 도달하면 하와이 섬과 같은 화산을 만든다(열점).

② 핵-맨틀 경계부 넓은 면적의 맨틀물질이 가열되어 중심부 물질이 상승을 시작하면서 원통형의 통로가 만들어지고 많은 물질들이 상승하면 거대한 상승류가 만들어지며 이들은 상부맨틀 및 하부맨틀의 경계면(670km)에 까지 도달한다.

③ 이 때 경계면 위아래의 압력 차이로 인해서 스피넬구조에서 감람석의 구조로 바뀌며 대개는 경계면을 따라서 수평으로 이동하여 퍼지면서 가지를 치며 상승하여 약 100㎞ 정도 두께의 판의 하부에 도달한다.

④ 이들이 판을 뚫고 지표면까지 나오게 되면 아프리카 열곡대와 같은 열점이 되며, 또는 판에 균열(틈)을 만들고 올라와 해양저산맥과 같은 확장축을 이룬다.

⑤ 해양저의 확장축에는 상부 맨틀의 물질이 계속 올라와 새로운 해양지각을 만들면서 옆으로 확장해나간다.

오랜 세월동안 수평방향으로 이동하는 동안 해양판은 식으면서 밀도가 커지며 마침내는 무거워져 섭입이 시작되어 상부 및 하부 맨틀의 경계면인 670㎞ 깊이까지 내려가 옆으로 퍼지며 위에서부터 계속 내려오는 해양판의 물질이 쌓여 큰 덩어리를 형성한다.

이 때 덩어리 속의 감람석이 압력으로 스피넬로 바뀌게 되는 것은 물론이며, 이 덩어리가 더욱 무거워지면 간헐적으로 670㎞ 깊이의 불연속면을 통과하여 하부맨틀의 바닥으로 떨어지게 된다.

▷ 멕시코만에 위치하고 있는 2005년 발생한 거대한 허리케인 카타리나의 모습. 800억불이상의 엄청난 피해를 준 태풍이었으며 샌프란시스코의 지진이 준 피해와 거의 비견할 만한 자연재해로 여겨진다.

핵-맨틀의 경계면까지 떨어진 하강류는 액체로 되어있는 외핵에 충격을 가하며 액체의 특성상 한 장소에 가해진 충격은 다른 곳에서 위로 솟아오르는 현상을 만들어낸다.

이렇게 솟아 오른 핵-맨틀 경계면 위의 맨틀물질들은 주위보다 온도가 높아지면서 더욱 위로 올라가는 상승류를 이룰 수 있다.

하강류가 간헐적인 것처럼 상승류도 마찬가지로 간헐적임은 물론이며 이런 과정을 거치면서 거대한 맨틀의 순환이 일어나는 것이다.

‘D층’의 성질 등 앞으로도 남은 연구과제들

이런 거대 대류과정을 통해 지구는 끊임없이 열을 잃지만 아직도 핵의 중심은 약 5천℃, 핵-맨틀의 경계는 3천～4천℃정도의 온도를 가져 맨틀과 핵 사이에는 현저한 온도구배가 있다.

지역에 따라 일정하지는 않지만 약 수백 ㎞ 정도의 두께를 가진 외핵과 맨틀의 경계부는 지구내부의 가장 중요한 경계의 하나로서 온도와 밀도의 큰 변화를 보이는 물리적 경계일 뿐만 아니라 철에서 규산염으로 바뀌는 화학적 경계이기도 하다.

차가워진 해양판이 이곳까지 도달하며 또한 따뜻해진 상승류가 이곳에서 솟아오른다. 지진학자들은 이 경계를 ‘D층’이라고 부르며, 이 층의 구조와 특성을 규명하는 것은 지진파단층촬영법, 고압지구물리학 등의 아주 흥미로운 과제의 하나가 되어 있다.

지진파 단층촬영법을 통하여 알게 된 지구 내부의 거대한 대류현상을 지구자장과 연관시켜보는 것도 재미있는 과제이다.

외핵은 전기 전도도가 큰 용융상태의 철과 니켈로 구성되어 있으므로 이들이 유동함으로 자장이 발생한다. 그런데 맨틀의 거대 하강류가 내려와 외핵에 충격을 주면 어떻게 될까? 외핵의 유동상태가 바뀌게 되며 이 때 지구자장의 세기와 방향도 바뀌지는 않을까? 아직 이런 과정들에 대한 자세한 메커니즘이 정확히 밝혀지지는 않았지만 아주 흥미로운 과제가 될 것임이 틀림없다.

▷ 지구내부에서 일어나고 있는 대류의 모습을 보여주는 모식도

▷ 지구내부의 거대 대류가 진행되는 과정을 보여주는 모식도. 그림의 번호는 내용을 다룬 글의 그림과 같다(그림 제공 : 서울대 박창업 교수)

판구조론의 확립

▷ 지진파단층촬영법으로 알아낸 우리나라 주변의 지구내부 모습. 여러 단면에서의 모습이 함께 도시되어 있다. 일본열도 밑으로 섭입한 지판이 670㎞ 정도의 깊이에 쌓이며 그 위에 백두산이 위치하고 있는 모습이 보인다(자료제공 : 일본 도후쿠대학 Dapeng Zhao 교수).

판구조론의 확립과 이어지는 많은 연구들은 지구 이해에 흥분과 혁명적인 변화를 꾸준히 일으켜왔다. 특히 1960년대 후반 확립된 판구조론의 확립으로 시작된 흥분은 이어 70년대에 발산형경계인 해저산맥에서 발견된 섭씨 350℃의 온천으로 이어지며, 다음 글에서는 이에 대하여 살펴본다.

김경렬 서울대학교 지구환경과학부 교수 krkim@snu.ac.kr

글쓴이는 서울대학교 화학과 졸업 후 동 대학원에서 석사학위를 받았으며, 미국 캘리포니아대학 샌디에고 캠퍼스에서 해양학으로 박사학위를 받았다. 현재 지구환경과학부 학부장 겸 BK21사업단장으로 있으며, 해양연구소장을 겸임하고 있다.

* 이글은 월간 과학과 기술 1월호에 실린 글입니다 .