제 2 장

지구의내부구조와판구조론

태태평평양양 판판과과 북북아아메메리리카카 판판의의 경경계계인인 캘캘리리포포니니아아 남남부부의의 샌샌앤앤드드레레이이어어스스 단단층층.. 이곳은 인디오 힐스 지역으로, 단층은 선상으로 배열된 야자수를 따라위치하고 있다. (Edward A. Keller)

41

만약 지진, 화산, 산맥 그리고 해양 분지를 형성하는 지구 내부의 활발한

지구조 운동 과정이 없다면, 지구의 표면은 상대적으로 변화가 없는 단조

로운 지형이 될 것이다.1 이 장의 학습 목표는 다음과 같다.

■ 지구의 내부 구조와 변화 과정을 이해한다.

■ 판구조론의 이론적 배경과 증거를 안다.

■ 판구조 운동의 메커니즘을 이해한다.

■ 판구조 운동과 환경지질학의 관련성을 이해한다.

학습목표

Tanya Atwater의도움으로

제1 부 환경지질학의기초42

북아메리카 판과 태평양 판의 경계로 유명한 샌앤드레이어

스 단층은 미국 서부 해안을 따라 캘리포니아 주를 가로질

러 달리고 있다(그림 2.1). 단층은 양편 판이 상대적으로 다

르게 이동하여 만들어진 암석 내 단열로서, 샌앤드레이어스

단층은 수백km 연장된 거대한 단열대를 형성하고 있다. 샌

앤드레이어스 단층의 남부와 북부에 위치하는 대도시 로스

앤젤레스와 샌프란시스코는 단층 양편에 각각 놓여 있다.

1906년 샌프란시스코에서 발생한 대규모 지진은 당시 도시

를 거의 완전히 파괴시켰으며, 샌앤드레이어스 단층의 존재

를 알려주는 계기가 되었다. 로스앤젤레스 지역에서 발생하

는 크고 작은 수많은 지진들은 샌앤드레이어스 단층계에 속

하는 단층들의 운동과 접한 관련이 있다. 또한 이들 두 도

시 주변의 해안에 발달하는 아름다운 산악지형도 샌앤드레

이어스 단층운동의 결과이다. 그러나 이 아름다운 산악풍경

이 만들어지기까지는 사회적으로 엄청난 비용이 요구되는

데, 1906년 이후 판의 활동에 의해 이 단층계와 주변 단층들

에서 발생한 지진으로 수백 명의 인명 피해와 수십억 달러

의 재산손실이 발생하 다. 캘리포니아에서는 지진에 의한

사례연구 판경계에있는두도시

SAN

AN

DREA

S

FAU

LT

그림 2.1 샌앤드레이어스 단층 캘리포니아의 지형과 샌앤드레이어스단층의위치를보여주는지도. 붉은색의화살표는단층양편지괴의상대적이동방향을알려준다.

새크라멘토

계곡

샌호퀸

계곡

코스트산맥

새크라멘토

프레즈노

베이커즈필드

샌샌앤앤드드레레이이어어스스단단층층

샌샌앤앤드드레레이이어어스스단단층층

샌샌앤앤드드레레이이어어스스

단단층층

샌샌앤앤드드레레이이어어스스단단층층

클래메스 산맥

오리건캘리포니아

섀스 산

네바다

캘리포니아

네바다

캘리포니아

캘리포니아

애리조나

분지와 산맥 지역

라스베이거스

미국

멕멕시시코코샌샌디디에에이이고고

태태 평평 양양

로로스스앤앤젤젤레레스스범범례례

고고도도((fftt))

샌샌프프란란시시스스코코

2.1 지구의내부구조

태양으로부터 세 번째 행성인 지구는 다른 불모지의 행성들과는 달리 복잡하고 역동적인 행

성으로 여러 가지 점에서 초콜릿으로 감싸져 있는 체리와 닮았다. 즉 지구의 껍데기는 딱

딱하고 중심은 고체이나 둘 사이에는 유체로 된 두꺼운 층이 역동적 내부 변화과정에 의해

움직이고 있다. 이러한 내부 변화과정은 놀랍게도 지구의 표면까지 심각한 향을 미쳐 대

륙과 해양분지와 같은 거대 지형이 만들어지는 원인이 된다. 대륙과 해양의 분포와 형태는

일정 부분 전 지구적인 해류와 온도분포에 향을 미쳐 기후, 날씨, 동식물의 분포 등을 좌

우하게 된다. 또한 지구의 내부 변화과정은 산맥, 활화산, 그리고 티베트 고원과 로키 산맥

과 같은 고지의 분포 등 광역적 지형의 원인이 되며, 산맥과 고지와 같은 높은 지형들은 전

지구적인 하부 대기권의 순환과 기후에 심각한 향을 미쳐 궁극적으로 지구 생명체의 삶

에 향을 주게 된다. 따라서 지구 내부 변화과정은 단순한 학문적인 주요 관심사를 넘어

지구 모든 생명체가 공유해야 할 다양한 환경들을 만드는 핵심임을 명심해야 한다.

지지구구는는 역역동동적적이이고고 층층상상구구조조를를 가가지지고고 있있다다 지구(그림 2.2a)의 반지름은 약 6,300km이며,

그림 2.2b와 같은 층상구조를 보여준다. 지구의 층상구조는 두 가지의 기본 관점에서 다루

어질 수 있다.

■ 조성과 도(예를 들어 비중)

■ 물리적 특성(예를 들어 고체 또는 액체, 강도)

이 책은 기본적으로 위의 두 관점에서 지구 내부를 구분할 것이며, 전통적으로 지질학에서

받아들이고 있는 지구 내부의 구성요소는 다음과 같다.1

■ 고체인 내내핵핵(inner core)은 대략 달의 크기와 유사한 1,300km 이상의 반지름을 가지

제2 장 지구의내부구조와판구조론 43

강한 지반진동을 견뎌내기 위해 건물과 다리 등 인공구조물

의 설계와 건설에 다른 지역에 비해 한층 더 많은 비용을 지

출한다. 또한 오래된 구조물의 경우에는 내진을 위해 보강

해야 하며, 대규모 지진 피해에 대비하여 많은 사람들이 보

험에 가입하고 있다.

태평양 판에 위치하는 로스앤젤레스는 북아메리카 판에

속하는 샌프란시스코 쪽으로 서서히 이동하고 있어 약

2,000만 년 이후에는 두 도시는 서로 접하게 될 것이며, 만

약 그때까지 인간이 생존한다면 사람들은 두 도시 중 어느

것이 교외인지에 관해서 서로 논쟁할 수도 있다. 일반적으

로 거대한 판은 1억 년 이상의 오랜 지질시대 동안 수명을

지속하기 때문에 2,000만 년 이후에도 태평양 판과 북아메

리카 판의 경계는 존재할 것이다. 그러나 현재 두 판의 경계

는 동쪽으로 이동하고 있기 때문에 미래의 판 경계가 샌앤

드레이어스 단층이 아닐 수 있으며, 현재 캘리포니아의 지형

도 미래에는 달라질 것이다. 실제로 1992년 샌앤드레이어스

단층 동편에서 대규모로 발생한 랜더스 지진과 같은 최근

캘리포니아의 지진활동은 이러한 판 경계의 이동이 시작되

었음을 암시한다.

며, 그곳 온도는 태양의 표면온도와 유사하다.2 내핵은 대부분 철(중량 단위로 약

90%)로 구성된 금속물질이며 황, 산소와 니켈 등이 소량 포함된다.

■ 액체인 외외핵핵(outer core)은 약 2,000km 이상의 두께를 가지며, 조성은 내핵과 유사하다.

외핵은 유동성이 매우 높아 점성이 벌꿀보다는 물과 유사하다. 내핵과 외핵의 평균

도는 약 10.7g/cm3이며, 지구 중심부에서 약 13g/cm3의 최대 도를 가진다. 물의

도 1g/cm3과 비교할 때, 지구 전체의 평균 도는 약 5.5g/cm3으로 상당히 높다.

■ 약 3,000km의 두께로 외핵을 둘러싸고 있는 맨맨틀틀(mantle)은 대부분 고체로 구성되며

평균 약 4.5g/cm3의 도를 가진다. 이곳 암석은 대부분 철과 마그네슘이 풍부한 규

제1 부 환경지질학의기초44

그림 2.2 지구와 지구의 내부 구조 (a) 우주에서바라본지구. (NationalGeophysical Data Center, National Oceanic and Atmospheric Administra-

tion) (b) 층상구조를가진지구내부구조를보여주는모식도. 암석권은지각과상부맨틀로구성되며연약권은맨틀내부에존재한다. 지구내부를구성하는지하여러층들의성질은 (1) 지진파를이용한지구물리학적자료, (2) 지구심부기원의암석, (3) 과거지구의성질과유사한운석등을분석한자료를기초로추정된다. (Levin, H. L. 1986. Contemporary physi-

cal geology, 2nd ed. Philadelphia: Saunders)

해수면해양 퇴적물

모호로비치치 불연속면해양 지각

평균 도(g/cm3)

대륙 지각

대륙 지각

암석권단단한맨틀

해양 지각맨틀

핵전체 지구

지각 연약권

맨틀

외핵

내핵

산염으로 구성되는데, 흥미롭게도 하부 외핵과 상부 맨틀의 도 차이는 지표 암석과

대기권의 도 차보다 크다. 또한 외핵과 맨틀 경계는 유동성이 더 높은 외핵이 고체

의 맨틀 아래에 놓이는 경우로, 이는 유동성이 높은 대기가 고체의 암석권 위에 놓이

는 지표와는 완전히 반대이다. 외핵은 액체 상태이기 때문에 유동적이고 상부의 맨틀

에 상당한 향을 미쳐 결과적으로 지표면 변화에도 향을 미치게 된다.

■ 지구의 최외각을 이루는 지지각각(crust)의 두께는 지역에 따라 다양하다. 맨틀과 지각의

경계는 모호로비치치 불연속면[약어로 모모호호면면(Moho)]이라 하며, 모호면은 약 2.8g/cm3

도의 가벼운 지각 암석과 도가 더 큰 하부의 맨틀 암석의 경계를 이룬다.

대대륙륙과과 해해양양분분지지는는 매매우우 다다른른 특특성성과과 진진화화과과정정을을 가가진진다다 맨틀의 최상부와 지표 근처 지하구

조를 설명하기 위해서는 한층 더 복잡한 용어가 필요하다. 예를 들면, 지구 최외각의 차갑

고 단단한 부분은 암암석석권권(lithosphere)으로도 불리며, 암석권은 그 아래의 뜨겁고 느리게 유

동하는 상대적으로 약한 암석으로 구성된 연연약약권권(asthenosphere)보다 강하고 단단하다. 암

석권은 평균 약 100km의 두께를 가지는데, 중앙해령의 중심부에서는 수km, 해양 분지에

서는 약 120km 그리고 대륙에서는 20∼400km로 지역에 따라 다양한 두께를 가진다. 지각

암석은 맨틀 암석에 비해 도가 낮고 해양 지각은 대륙 지각에 비해 도가 약간 높다. 해

양 지각의 두께는 약 6∼7km로 일정하며 대륙지각에 비해 얇다. 그러나 대륙 지각은 평균

약 35km이며 산악 지역에서는 70km 이상의 두께를 가진다. 따라서 지각의 평균 두께는

전체 지구 반지름의 1% 이하에 불과하기 때문에 지각은 얇은 탄제린 껍질에 비유될 수 있

다. 그러나 인간은 대륙 지각 표면에서 살고 있기 때문에 우리 인간에게는 지각이 특별히

중요한 관심대상이다.

도와 두께의 차와 더불어 대륙 지각과 해양 지각은 매우 다른 지질학적 진화과정을 겪

었다. 현재 존재하는 해양 아래 지각은 최고 약 2억 년의 암석연령을 보이는 반면, 대륙지

각은 수십억 년의 나이를 가지는 것도 있다. 지표에서 약 3,000km 아래의 핵과 맨틀의 경

계에서 발생하는 변화는 지표까지 심각한 향을 미칠 수 있다. 맨틀 내에는 핵과 맨틀의

경계와 같이 깊은 곳에서 상승하여 다시 하강하는 거대한 대류순환이 있는 것으로 알려져

있으며, 이러한 대대류류의 개념은 난로 위 냄비에서 가열되는 뜨거운 물의 순환으로 설명될 수

있다(그림 2.3). 냄비 바닥의 뜨거워진 물은 도가 작아지고 불안정하게 되어 상승하며,

상승한 물은 도가 커지고 차가워져 측방 이동하다 다시 바닥으로 하강하게 된다. 지구

제2 장 지구의내부구조와판구조론 45

그림 2.3 대류 대류의개념을보여주는모식도. 냄비의하부가데워지면 도가낮아진기저부의물은위로상승하게되며, 측방으로이동하는상층부의물은다시차가워져바닥으로 가라앉는다. 이러한 물질의이동과정을대류라하며, 상승과하강의개개순환고리를대류세포라한다.

물로 채워진 냄비대류 세포

가스 가열기

내부 층들도 이와 유사한 대류 세포를 가지고 있음이 알려져 있다.

맨틀에서 완전한 대류가 한 번 발생하는 데 대략 5억 년의 시간이 소요될 것이다.1 용융

된 외핵에서 공급되는 열과 더불어 맨틀 내에 산재하는 방사성 동위원소(예를 들어 우라

늄)의 붕괴로 인한 열은 맨틀 하부를 가열시켜 대류를 발생시킨다. 다음에서 지구 내부 구

조를 밝힌 주요 연구결과에 관해 살펴보기로 한다.

2.2 지구내부구조의연구

지지진진으으로로부부터터 알알아아낸낸 지지구구에에 관관한한 지지식식 지구 내부에 관한 지식은 일차적으로 지지진진학학(seis-

mology)으로부터 얻어진다. 지진학은 지진과 지구를 통해 전달되는 지진파를 연구하는 학

문이다.3 대규모의 지진이 발생하면, 지진에너지가 발생하면서 지진파가 지구 내부를 가로

지르거나 지표를 따라 이동하게 된다. 이러한 지진파의 특성은 지진 위험성을 다루는 제6

장에서 한층 더 자세히 설명하기로 한다.

일부 지진파는 고체와 액체 매질 모두에 전달되나 어떤 파는 고체에서만 전달된다. 지진

파의 전파 속도는 수km/sec의 단위를 가지며, 실제 지진파의 속도는 매질의 고유 성질에

좌우된다. 지진파는 맨틀과 핵의 경계와 같은 경계면을 만나면 반사되거나 전달 방향이 바

뀌면서 굴절된다. 또한 지진파에 따라서는 액상의 외핵으로는 전파하지 못한 것도 있다.

지구상에는 수천 개의 지진계가 설치되어 있으며, 지진이 발생했을 때 반사와 굴절되어 지

표에 도달하는 지진파를 기록하고 있다. 이러한 지진파 연구는 지구 내부의 층상구조를 밝

히고 층의 고유 특성을 알아내는 데 있어 매우 효과적인 방법이다.

요약하면, 지구 내부 구조를 이루는 경계면들은 지진계에 기록되는 지진파에 관한 연구

를 통하여 결정되고 있다. 지진학이 발전하면서 더욱 자세한 지구 내부 구조에 관한 지식

을 얻게 되었으며, 지구 내부는 상당히 다양하고 복잡한 구조를 가지고 있음이 밝혀지고

있다. 예를 들어, 우리가 알아낸 지식은 다음과 같다.

■ 연약권에서 암석 용융체인 마그마가 만들어지는 장소

■ 맨틀 내부로 가라앉고 있는 차가운 암석권 판의 존재

■ 암석권의 연령과 변천사를 반 하는 극심한 암석권 두께의 변화

2.3 판구조

지구조(tectonics)라는 용어는 해양 분지, 대륙, 산맥 등과 같은 지형을 형성하는 암석권 판

에서 발생하는 대규모 지질학적 변형과정을 지시하는 용어이다. 지구조 과정은 지구 내부

힘에 의해 발생하며, 전체 거시 지구계를 구성하는 주요 소시스템의 하나이다.

암석권판의이동

판판구구조조란란?? 암석권은 암석권 판으로 불리는 여러 개의 커다란 조각으로 나누어지며, 판들은

제1 부 환경지질학의기초46

서로 상대적인 운동을 한다(그림 2.4a).4 이들 판의 생성, 이동 그리고 소멸과 관련된 일련의

과정을 설명하는 종합적인 이론을 판판구구조조론론(plate tectonics)이라 한다.

지지진진과과 화화산산의의 분분포포와와 판판의의 경경계계 각 암석권 판은 대륙과 일부 해양으로 구성되거나 해양만

으로 구획되기도 한다. 지구적 크기 관점에서 볼 때, 판의 크기는 다양하다. 예를 들어, 북

아메리카 북서부 해안에 위치하는 후앙드 후카 판은 상대적으로 작은 크기의 판으로서 캘

리포니아의 북부 지역에 많은 지진을 발생시키고 있다. 판들의 경계는 지질학적으로 활동

성 지역으로 대부분의 지진과 화산 활동이 이곳에서 발생한다. 실제로 판 경계는 지진 활

동이 집중되는 지역으로 정의될 수 있다(그림 2.4b). 지질시대 동안, 판은 판 경계부에서

만들어지거나 파괴되는 과정을 겪는다. 즉 지구 중심에서 지표로 상승한 물질이 다시 지구

중심으로 되돌아가는 순환과정이 이들 판 경계부에서 발생한다(그림 2.5). 이러한 연속적

인 지구조 순환과정을 총칭하여 지구조 윤회(tectonic cycle)라 한다.

판판구구조조 운운동동에에 의의한한 해해저저 확확장장 암석권 판은 연약권 위에 떠서 이동하면서 대륙을 운반한

다.5 이러한 대륙이 이동한다는 생각은 1915년 독일 과학자인 알프레트 베게너에 의해 대대

륙륙이이동동설설(continental drift)로 처음 제안되었다. 그가 제시한 대륙이동의 증거는 대서양 양

편 대륙들의 해안선 모양의 일치 그리고 남아메리카와 아프리카에서 발견되는 화석군의

유사성 등이 있다. 그러나 당시 대륙이 움직이는 근본적인 메커니즘을 설명할 수 없었기

때문에 베게너의 가설은 중요하게 받아들여지지 않았으며, 1960년대 후반에 들어 해해저저확확장장

설설(seafloor spreading)이 발표되면서 판의 운동 메커니즘이 설명되기 시작하 다. 중중앙앙해해령령

(mid-oceanic ridge) 또는 확확장장중중심심(spreading center)으로 불리는 해저 지역에서는 새로운

지각이 만들어져 해양 암석권을 계속적으로 어내며(그림 2.5의 왼편), 이동하는 해양 암

석권은 섭섭입입대대(subduction zone : 판이 다른 판 아래로 가라앉는 지역)와 같은 다른 판 가장

자리에서 파괴되거나 맨틀로 사라지게 된다(그림 2.5의 오른편). 따라서 대륙은 해양 지각

위에 떠 움직이는 것이 아니라, 판의 이동으로 인해 운반되는 것이다. 또한 확장중심에서

새로운 판의 생성속도와 섭입대에서 판의 소멸속도는 균형을 이루고 있어, 지구의 크기는

커지거나 줄어들지 않고 일정하게 유지되고 있다.

섭섭입입대대에에서서 지지진진 암석권 판이 상부 맨틀로 섭입되는 개념은 그림 2.5에 도시하 다. 수분

을 가진 차가운 해양 지각이 뜨거운 연약권을 만나면 마그마가 만들어진다. 마그마는 지

표로 상승하게 되어 환태평양 섭입대 위에 형성되어 있는 화산고리와 같은 화산대를 만든

다. 슬랩으로도 불리는 맨틀로 섭입되는 판의 형태는 그곳에서 발생하는 지진들의 진원지

연구로 알아낼 수 있다. 해양판이 섭입되면, 섭입판과 그 상부 판의 경계 그리고 섭입판의

내부에서 지진이 발생한다. 가라앉는 판은 주변 연약권에 비해 상대적으로 차갑고 단단하

기 때문에 암석이 깨져 탄성에너지가 방출되므로 지진이 발생한다.6

진원지 연구를 통해 판의 섭입경사는 저각에서 거의 수직까지 다양한 것으로 알려져 있

으며, 이 경사진 지진대를 와와다다티티--베베니니오오프프대대(Wadati-Benioff zone, 그림 2.6)라 한다. 이러

한 와다티-베니오프대의 존재는 섭입대 아래에 차갑고 단단하여 깨지는 물성(탄성체와 비

슷함)을 가진 암석권이 존재하고 있다는 강력한 증거가 된다.6

제2 장 지구의내부구조와판구조론 47

제1 부 환경지질학의기초48

그림2.4 지구의주요판들 (a) 주요판, 판의경계그리고판의이동방향을보여주는지도. (Christopherson,R. W. 1994. Geosystems, 2nd ed. Englewood Cliffs, NJ: Macmillan) (b) 화산과진앙 : 화산과지진의발생지를보여주는지도로, 이들의위치는판의경계와거의일치하는특징을보인다. (Hamblin, W. K. 1992.

Earth’s dynamic systems, 6th ed. New York: Macmillan)

북아메리카 판

코코스 판

태평양 판

나스카 판남아메리카 판

카리브 판

아프리카 판

유라시아 판

필리핀 판

태평양 판

캐롤라인 판

피지 판

인도-오스트레일리아 판

남극 판변환단층

불확실한 판의경계

판의 이동 방향(상대이동속도,mm/년)

화산

진앙

수렴 경계

발산 경계(변환단층에 의해해령이 변위됨)

후앙드후카 판

샌앤드레이어스단층

태태 평평 양양

적적 도도

대대 서서 양양

인인 도도 양양

태태 평평 양양

대대 서서 양양

적적 도도

인인 도도 양양

태태 평평 양양

태태 평평 양양

통통합합이이론론인인 판판구구조조론론 생물학에서 다윈의 종의 기원과 같이 판구조론은 지질학에서 매우

다양한 현상들을 설명할 수 있는 통합적 개념이다. 현재 생물학자들은 진화론적으로 생물

계의 변화를 설명하고 있다. 지질학에서는 판의 운동을 일으시키는 정확한 힘을 아직도 찾

고 있으며, 오늘날 많은 지질학자들은 그 근본적인 힘은 맨틀에서 발생하는 대류현상이 아

닐까 생각하고 있다. 지구 깊은 곳의 암석은 가열되어 도가 작아져 상승하게 되며, 마그

마와 같은 뜨거운 물질들은 확장중심에서 유출되어 새로운 판을 형성하게 된다. 새로운 판

암석들은 측방으로 이동하며 차가와져 도가 커지고, 결국 섭입대에서 다시 맨틀로 가라

앉는다. 이러한 순환은 대류로 설명할 수 있으며, 그림 2.7에 판구조 운동을 설명하는 대류

순환과정을 도시하 다.

판경계의종류

판의 경계는 크게 세 가지 유형으로 구분될 수 있다(그림 2.4와 2.5, 표 2.1)─발산 경계, 수

렴 경계, 변환단층 경계. 이들 경계는 지도나 모식도상에는 선으로 표시되나 실제로는 수

km에서 수백km의 폭을 가지며, 해양 지각에 비해 대륙 지각에서 경계부의 폭이 더 넓다.

제2 장 지구의내부구조와판구조론 49

그림2.5 판구조 판구조론을설명하는모식도. 새로운해양암석권이해령(발산경계)에서만들어지며, 수렴경계(섭입대)에서 해양 암석권은 다시지구내부로가라앉는다. (Lutgens,F. and Tarbuck, E. 1992. Essentials

of geology. New York: Macmillan)발산 경계 수렴 경계

변환 단층

변환 단층

변환 단층

암석권

해령

연약권

섭입대뜨거운 암석의상승

차가운 암석의침강

발발산산 경경계계 새로운 암석권이 생성되는 곳으로 인접한 두 판이 서로 반대로 멀어지는 운동

을 한다. 전형적인 발산 경계의 예는 중앙해령으로 이곳에서 해저 확장이 일어난다(그림

2.5). 중앙해령은 맨틀로부터 뜨거운 물질이 상승하여 중앙열곡과 함께 넓은 융기부가 형

성될 때 만들어진다. 이곳에는 지각이 당겨져 균열이 발생하기 때문에 열곡 또는 열개(rift)

가 만들어지며, 열곡을 따라 분출된 화산물질들은 냉각되어 새로운 판의 암석이 생성된다.

이러한 과정에 의해 실제로 지구 모든 대양 내 발산 경계인 중앙해령에서는 해저 해맥들이

선상으로 배열되어 있음이 밝혀져 있다.

제1 부 환경지질학의기초50

그림 2.6 섭입대 와다티-베니오프대를보여주는섭입대의모식도. 천발, 중발, 심발 지진들의 진원 분포형태는 섭입대와 이곳에 가라앉는암석권판의모습을알려준다.

그림 2.7 판의 운동 판의운동과맨틀대류를보여주는모식도. 약 100km의두께를가지는지구의최외각암석권은하부의뜨겁고서서히유동하는연약권에비해상대적으로단단하고강하다. 먼저확장중심인해령에서판은분리되어이곳틈을따라뜨거운물질이상승하게된다. 이후판은확장중심으로부터서서히멀어지면서차가워지고단단해져결국은해구(섭입대)에서가라앉는대류순환과정을겪는다. 해령에서의확장은해양분지를만들고섭입대에서의판의수렴은흔히산맥을형성하기도한다. 지구내부의층상구조는그림2.2b에도시되어있다. (Grand, S. P. 1994. Mantle shear structure beneath the Americasand surrounding oceans. Journal of Geophysical Research 99:11591–621. Hamblin,W. K. 1992. Earth’s

dynamic systems, 6th ed. New York: Macmillan)

해구

암석권

연약권

화산 활동

마그마

와다티-베니오프대

깊이

(km)

해수면

상부맨틀

천발(� 75km)중발(75~325km)심발(� 325km)

진원 깊이

해령

해구암석권

연약권

대대양양저저

맨맨틀틀

핵핵

아아프프리리카카

남남아아메메리리

카카

수수렴렴 경경계계 두 판이 충돌하는 곳으로, 해양과 대륙이 충돌할 경우에는 도가 큰 해양판이

대륙판 아래의 맨틀로 가라앉아 섭입대가 형성된다(그림 2.5). 대륙과 해양판이 충돌하면

압축응력이 발생할 수 있으며, 이로 인해 식탁보를 면 접히는 것과 유사하게 지구 표면

이 수축된다. 따라서 습곡과 단층이 생성되고 단열대를 따라 암석이 이동하여 암석권이 두

꺼워진다(그림 2.8a). 이러한 변형과정으로 미국 북서부의 캐스케이드 산맥과 남아메리카

의 안데스 산맥과 같은 주요 산맥과 화산대가 만들어진다(자세히 살펴보기‘경이로운 산

맥’참조). 해양과 해양판이 충돌할 경우에는, 그중 하나의 판이 가라앉아 섭입대를 만들며

제2 장 지구의내부구조와판구조론 51

표 2.1 판 경계의 종류 : 지구조 운동, 결과 그리고 예

종류 지각의 종류 지구조 운동 결과 예

대부분 해양 지각 아프리카 판과 북아메리카

발산판의 경계(그림 2.4a)

대서양 중앙해령

해양 지각-대륙 지각 나스카 판과 남아메리카 판의 경계(그림 2.4a)안데스 산맥페루-칠레 해구

해양 지각-해양 지각 피지 판(그림 2.4a)수렴

피지 섬

대륙 지각-대륙 지각 인도-오스트레일리아 판과유라시아 판의 경계(그림 2.4a)히말라야 산맥

해양 지각-해양 지각 북아메리카 판과 태평양 판변환단층 또는 의 경계(그림 2.10)

대륙 지각-대륙 지각 샌앤드레이어스 단층.

두 판이 서로 멀어지며 그사이에 뜨거운 마그마가상승

해양 암석권이 대륙 암석권 아래로 가라앉음

보다 오래되어 단단한 해양암석권이 젊고 가벼운 해양암석권 아래로 가라앉음

두 판 모두 도가 작아 연약권 아래로 가라앉지 않고 충돌하여 압축됨

두 판이 서로 어긋나 스치고 지나감

해령이 생성되고 새로운판의 암석이 만들어짐

해구와 함께 산맥과 섭입대가 만들어짐. 지진과화산 활동이 빈번함

해구와 함께 섭입대가 만들어짐. 지진과 화산 활동이 빈번함

거대한 산맥이 형성되고지진이 빈번함

지진이 빈번하게 발생하고 특이한 지형이 만들어짐

그림 2.8 판의 수렴 경계 수렴경계에서나타나는지질학적특징을도시한모식도. (a) 대륙판과해양판의충돌, (b) 해양판과해양판의충돌, (c) 대륙판과대륙판의충돌.

대륙판화산

산맥

해구

해양판

호상열도 화산군도

해구

해양판해양판

섭입대

마그마

대륙판

산맥

봉합대

마그마 수축되고 두꺼워져 융기함 수축되고 두꺼워져 융기함

대륙판

활 모양으로 배열된 화산섬들, 즉 북태평양의 알류샨 열도와 같은 호상열도가 만들어진다

(그림 2.8b). 상대적으로 폭이 좁고 대부분 수천km 연장과 수km 깊이를 가지는 해해저저협협곡곡

(submarine trench)인 해구는 두 판의 충돌의 결과로서, 대체로 해양판과 대륙판 혹은 해양

판과 해양판의 충돌로 인한 섭입대의 해양 쪽에 형성된다. 해구는 지구상에서 가장 깊은

곳을 형성하기도 하며, 예를 들어 필리핀 해양판의 경계부에 위치하는 마리아나 해구의 중

앙부는 약 11km의 수심을 가진다. 또 다른 주요 해구로서 알래스카 남쪽의 알류샨 해구와

남아메리카 서쪽의 페루-칠레 해구가 있다. 두 판 모두의 충돌부에 상대적으로 가벼워 뜨

기 쉬운 대륙 지각이 놓여 있는 경우에는 판이 맨틀 속으로 가라앉기 어렵다. 이러한 대륙

과 대륙의 충돌대는 습곡과 단층 활동이 활발하여 암석권이 수축되고 매우 두꺼워지며, 이

를 봉합대(suture zone)라 한다(그림 2.8c). 봉합대는 알프스와 히말라야 산맥과 같은 지구

상에서 가장 높은 산맥을 형성하기도 한다(그림 2.9). 대부분의 오래된 산맥들은 이와 유사

한 과정을 거쳐 만들어졌으며, 예를 들어 애팔래치아 산맥은 과거 약 2억 5천 만 년에서 3

억 5천만 년 사이의 고대 대륙과 대륙이 충돌한 봉합대이다.

변변환환단단층층 경경계계 그림 2.5와 같이 인접한 두 판이 서로 어긋나게 수평으로 움직이며 만나는

경계이다. 그림 2.4a와 2.5에서 알 수 있듯이, 중앙해령은 하나의 연속적인 열곡이 아니라

변환단층에 의해 서로 어긋나며 연결되는 여러 개의 열곡들로 이루어진다. 대부분의 변환

단층 경계는 해양 지각에 나타나나 일부는 대륙 내에 위치한다. 널리 알려져 있는 대륙 내

변환단층 경계는 미국 캘리포니아의 샌앤드레이어스 단층으로 태평양 판과 북아메리카 판

이 서로 어긋나게 움직이며 만나는 곳이다(그림 2.4a와 2.10).

그림 2.10에 나타나는 것과 같은 3개의 판이 만나는 지점을 삼삼중중점점(triple junction)이라

한다. 삼중점의 예로서는 멘도시노 삼중점으로 불리는 북아메리카 서쪽 해안의 후앙드후

카 판, 북아메리카 판, 그리고 태평양 판이 만나는 곳이 있으며, 3개의 해령으로 이루어진

남아메리카 서편의 태평양 판, 코코스 판, 그리고 나스카 판이 만나는 곳이 있다.

제1 부 환경지질학의기초52

그림 2.9 이탈리아의 산맥 이탈리아 북부의 산 정상(돌로마이트 산맥)은아프리카와유럽사이의충돌에 의해 만들어진 알프스 산맥계에속한다. (Edward A. Keller)

제2 장 지구의내부구조와판구조론 53

여기에서는 매우 경이로운 자태로 오랫동안 인간을 매혹시

켜 온 산맥의 기원에 관하여 살펴보기로 한다. 산맥은 인간

에게 아직도 여전히 경이로운 존재이지만 그 기원에 관한

신비는 오늘날에야 서서히 벗겨지고 있다. 산맥은 지각을

두껍게 만드는 지구조 운동, 산악 지역의 독특한 기후, 그리

고 지표의 변화과정(특히 침식작용)의 상호작용에 의해 만

들어짐을 인간이 인식하게 됨으로써 산맥의 생성과정에 관

한 지식은 넓게 확대되고 있다. 산맥 생성과 관련하여 우리

가 알고 있는 주요한 지식을 요약하면 다음과 같다.7,8

■ 수렴 경계에서의 지구조 운동은 지각을 수축시켜 두껍

게 만들고 초기 산맥을 형성시킨다. 산맥의 평균 고도는

융기속도의 함수로서 설명이 가능하다. 융기속도는 연

1mm 미만에서 약 10mm까지 다양하며, 융기속도가 빠

를수록 산맥의 형성과정에서 평균 고도가 빠르게 높아

진다.

■ 산맥이 발달하고 고도가 높아지면 태풍의 이동 경로가

막히고 상대적으로 강수량이 적은 산악 경사면인 비그늘

(rain shadow)이 생기면서 국지적 그리고 광역적으로 기

후가 변한다. 그 결과 비그늘 쪽 사면은 강수량이 적어

반대 사면에 비해 침식속도가 느려진다. 한편 산맥의 고

도가 높아지면 전반적인 침식속도는 빨라지며, 결국은

융기속도와 침식속도가 균형을 이루게 된다. 두 속도가

균형을 이루게 되면 산맥은 최고 고도에 도달하게 되며,

더 이상 평균 고도는 높아지지 않는다. 한편 융기속도가

빨라지면 평균 고도는 다시 높아질 수 있으며, 융기가 중

단되거나 속도가 느려지면 평균 고도는 낮아진다.7 그러

나 경이롭게도 특정 산 정상부의 고도는 계속적으로 높

아질 수 있다.

■ 침식작용에도 불구하고 실제로는 산맥의 특정 정상부의

고도는 계속 높아질 수 있다. 이러한 사실은 침식과 관련

한 지각의 물리적 반응에 대한 깊은 지식이 있기 전까지

는 이해하기 어려웠다. 침식으로 인한 융기현상은 지지각각

균균형형설설(isostasy)을 통해 설명될 수 있다. 지각균형설은

얇고 무거운 지각에 비해 두껍고 가벼운 지각이 높은 지

형을 형성함을 설명하는 원리로서, 그림 2.A는 이 원리

를 이용해 어떻게 침식작용이 지각을 융기시키는지를 보

여준다. 수면 위로 솟아 있는 빙산에 고립된 어느 해군

장교가 수면 위로 솟아 있는 얼음을 모두 제거해 해수면

에 도달하고자 하 다고 가정해 보자. 만약 지각균형(부

력)에 의한 융기가 발생하지 않는다면 해수면에 도달하

려는 목표를 달성할 수 있겠지만, 불행하게도 그는 헛고

생만 한 셈이다. 아무리 얼음을 제거하여도 지각균형에

의한 계속된 융기로 빙산의 1/10은 항상 수면 위로 노출

되게 될 것이며, 결국 그는 해수면에 도달하지 못하고 항

상 거의 동일한 높이의 빙산 위에 있어야 할 것이다.7

■ 물론 산맥은 빙산과는 다르지만, 구성 암석이 하부의 맨

틀보다는 가볍기 때문에 맨틀 위로 뜨려 한다. 또한 산맥

에서 침식은 주로 계곡 사면과 골짜기에, 차별적으로 집

중되는 경향이 있다. 따라서 침식이 계속되면서 산맥의

전체 질량이 줄어들게 되어 지각균형에 의해 전반적인

산맥의 융기가 발생하게 된다. 그 결과, 전체 산맥의 평

균 고도는 낮아지나 최정상부의 고도는 실제로는 높아질

수 있다. 일반적으로 산맥 전체가 약 1km 침식되면, 약

5/6km 평균 고도가 상승한다.

요약하면, 산맥의 기원은 일차적으로 지각을 융기시키는

지구조 운동의 결과이지만 그 이후의 기후 변화와 침식작용

과도 접한 관련을 가진다. 침식은 지구조적인 융기와 동

시에 그리고 이후에 일어나며, 침식에 기인한 지각균형으로

발생하는 융기현상은 이후 수백만 년 동안 지속된다. 이러

한 이유로 산맥은 침식으로 인해 쉽게 사라지지 않는 자연

풍경이 된다. 예를 들어, 미국 남동부의 애팔래치아 산맥은

원래 수억 년 전에 일어난 유럽과 북아메리카 대륙의 충돌

에 의한 지구조 융기로 만들어졌다. 애팔래치아 산맥은 오

랫동안 많은 침식을 받았지만, 침식 이후의 지각균형으로

인한 계속된 융기로 여러 번의 지형변화를 겪어가며 현존하

고 있다.

자세히살펴보기 경이로운산맥

제1 부 환경지질학의기초54

그림 2.A 지각균형설 지각균형의원리를보여주는그림. (a) 한해군장교가해수면위로높이솟아있는빙산위에서위험하게표류하고있다. (b) 해군장교는해수면위로솟아있는10,000kg의얼음을제거하기로결심한다. (c) 만약지각균형에의한융기가없다면, 그는해수면에도달할수있을것이다. (d) 그러나얼음을제거하면지각균형에의해융기가일어나기때문에, 전체빙산의1/10은항상수면위에솟아있게된다. 문제:만약이해군장교가솟아있는빙하중단지1/10 면적만선택적으로10,000kg의얼음을제거한다면어떤일이발생할까? 답: 해수면위로솟아있는빙하의최대고도는실제로높아질것이다. 이와유사하게산맥도침식되면지각균형에의해고도가조절되고산맥정상부의최대고도는침식만으로도높아질수있다. (Keller,E. A. and Pinter, N. 1996. Active tectonics. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall)