판구조론
판 구조론(板構造論, plate tectonics)은 대륙 이동을 설명하는 지질학 이론이다. 판구조론은 '대륙 이동설'을 설명하는 것으로부터 발전해 왔으며 현재 이 분야의 대부분의 과학자들이 판 구조론을 받아들이고 있다. 판 구조론에 따르면 지구 내부의 가장 바깥 부분은 암석권(lithosphere)과 연약권(asthenosphere)의 두 층으로 이루어져 있다. 암석권은 지각과 식어서 굳어진 최상부의 맨틀로 구성되며, 그 아래의 연약권은 점성과 유동성이 있는 맨틀로 구성된다. 수백만 년 이상의 시간 동안 맨틀은 극도로 점성이 높은 액체와 비슷한 행동을 보이지만, 지진파의 전파와 같이 짧은 시간 동안 가해지는 힘에 대하여서는 탄성체와 같은 행동을 보인다.
암석권은 연약권 위에 떠 있다. 암석권은 판이라고 불리는 몇 개의 조각으로 나뉘어 있다. 10개의 주요 판으로는 아프리카판, 남극판, 오스트레일리아판, 유라시아판, 북아메리카판, 남아메리카판, 태평양판, 코코스판, 나즈카판, 인도판이 있다. 이들과 더불어 다수의 작은 판들은 서로 움직이면서 수렴 경계, 발산 경계, 보존 경계의 세 종류의 경계를 형성한다. 지진, 화산, 조산 운동, 해구 등은 대부분 판의 경계를 따라서 일어난다.
판구조론은 서로 다른 두 학설로부터 시작되었는데, 20세기 초반에 인식되기 시작한 대륙 표이설과 1960년대 들어서 알려지기 시작한 해저 확장설이다. 판구조론은 1960년대 후반부터 발달하였는데, 그 후 지구과학의 혁명을 일으키며 거의 모든 과학자들에게 받아들여졌다. 이것은 화학의 주기율표, 생물학의 유전 코드의 발견, 그리고 물리학의 양자역학에 비견되는 혁명적인 이론으로 받아들여진다.
⑴ 베게너가 제시한 대륙 이동의 증거
① 대서양을 사이에 두고 지질 구조의 연속성이 관찰되는 것
② 여러 대륙에서 산출되는 같은 종의 식물 화석
③ 열대지방에서 고생대 말 빙하의 흔적
④ 남아메리카와 아프리카의 해안선의 일치
⑤ (참고) 후에 고지구 자기 연구 과정에서 자극의 이동 경로의 불일치가 밝혀져 정설로 받아들여짐
⑥ (참고) 고생대에 한반도를 이루는 지괴들은 남반도 저위도와 적도 사이에 있었음
⑵ 판 운동의 원동력
① 요인 1. 맨틀 대류(mantle convection)
② 요인 2. 판 당김(slab pull)
○ 판이 섭입되면서 밀도 증가
○ 결과 : 추의 역할로서 판을 끌어 올림
③ 요인 3. 판 흡입(slab sunction)
○ 판의 섭입 중 끊어지면서 빠른 속도로 낙하
○ 결과 : 맨틀 대류가 거세짐, 판의 섭입
④ 요인 4. 해령밀기(ridge push)
○ 해령에서 중력 경사로 판을 밀어내는 것
⑶ 주요 판과 경계부
① 대륙판(continental plate)
② 해양판(oceanic plate)
⑷ 발산형 경계 (E) : 해양판 - 해양판
① 특징 1. 천발지진 : 섭입되는 판이 없기 때문
② 특징 2. 현무암질 마그마. 화상활동 활발
○ 현무암질 마그마는 보다 깊은 곳에서 생성된 마그마. 철을 많이 포함
○ 발산형 경계의 경우 대부분 현무암질 마그마
③ 특징 3. 발산 경계에서 해양지각 생성
○ 열곡에서 멀어질수록 판의 두께 증가
○ 열곡에서 멀어질수록 열류량 감소 : 맨틀 대류의 상승부이기 때문
○ 열곡에서 멀어질수록 수심 증가
○ 열곡에서 멀어질수록 해양지각의 나이 증가
○ 열곡에서 멀어질수록 해저 퇴적물 증가
④ 지형 : 해령 (예 : 대서양 중앙해령, 동태평양 해령)
⑸ 발산형 경계 (A) : 대륙판 - 대륙판
① 특징 1. 현무암질 마그마
○ 현무암질 마그마는 보다 깊은 곳에서 생성된 마그마. 철을 많이 포함
○ 발산형 경계의 경우 대부분 현무암질 마그마
② 특징 2. 열곡 형성
② 지형 : 열곡 (예 : 동아프리카 열곡대)
③ 발산형 경계는 주로 해양판에서 관찰
○ 맨틀대류에 의한 열류량이 주로 해양판에 집중
○ 대륙판은 좋은 절연체로서 열류량이 집중되지 않음
○ 대륙판은 방사성 원소에 의해 열류량이 전달
⑹ 수렴형 경계 : 해양판 - 해양판
① 특징 1. 천발지진 및 심발지진
○ 심발지진이 일어나면 천발지진도 함께 일어남
○ 더 밀도가 큰 해양판의 섭입이 있기 때문에 심발지진이 일어남
② 특징 2. 현무암질 마그마 또는 안산암질 마그마
○ 둘다 섭입하여 깊은 곳에서 마그마가 생성되는 경우 현무암질 마그마
○ 한 해양판이 위로 밀려 올라가는 경우 안산암질 마그마
③ 특징 3. 호상열도
○ 호상열도 : 해구에서 대륙쪽으로 약 100 ~ 400 km 떨어진 곳에 화산활동으로 만들어진 섬들이 호를 이룬 곳
○ 호상열도는 해양판과 해양판이 수렴하는 경계에서 나타나는 가장 대표적인 구조
○ 호상열도 또는 섭입대에서는 안산암질 마그마가 관찰됨. 호상열도 하부에서는 현무암질 마그마가 관찰됨
○ (참고) 호상열도는 화산열도, 일본열도라고도 함
④ 특징 4. 수렴경계에서 밀도가 증가
○ 더 밀도가 큰 해양지각이 보다 빨리 맨틀의 밀도에 도달하여 맨틀 아래로 가라앉음
○ 수산화기(OH기)를 많이 포함하는 함수광물이 용융점을 낮추고 휘발성을 높임
⑺ 수렴형 경계 : 해양판 - 대륙판
① 특징 1. 천발지진 및 심발지진
○ 심발지진이 일어나면 천발지진도 함께 일어남
② 특징 2. 안산암질 마그마
○ 안산암질 마그마는 보다 얕은 곳에서 분출한 마그마. 철을 덜 함유함
○ 위로 밀려 올라간 대륙판에 의해 생성
③ 특징 3. 거의 항상 해양판이 섭입함 : 해양판이 더 밀도가 크므로
④ 특징 4. 화산호 : 해양판과 대륙판이 수렴하는 경계에서 화산호(magmatic arc)가 발달
⑤ 지형 : 안데스 산맥, 나츠카판-남미판
○ 대륙대는 해구가 발달하지 않는 남아메리카의 동쪽에서 잘 발달함
⑻ 수렴형 경계 : 대륙판 - 대륙판 (B)
① 특징 1. 천발지진 : 대륙판이 섭입되지 않기 때문
② 특징 2. 마그마가 형성되지 않음
○ 이유 : 대륙판이 섭입되지 않기 때문
○ 즉, 마그마가 나올 수 있는 통로가 없음
○ 화강암질 마그마의 관입이 발생할 수 있음
③ 특징 3. 습곡산맥 형성
④ 지형 : 알프스 산맥, 히말라야 산맥
⑼ 보존형 경계 (D)
① 특징 1. 천발지진 : 섭입되는 판이 없기 때문
② 특징 2. 화산활동이 없음 : 마그마가 나올 여지가 없음
③ 특징 3. 전단응력이 관여하는 주향이동 단층
○ (참고) 변환단층 : 주로 해령에서 생성. 속도 차이로 인해서 생기는 단층
④ 지형 : 산안드레아스 단층, 변환단층
지구의 모든 움직임을 설명하는 판구조론
화산, 지진 등 지구의 모든 움직임을 설명하는 이론
독일의 기상학자 베게너는 대서양 양쪽 대륙의 암석 및 지질구조, 화석의 상호 유사성을 증거로 대서양 양쪽 대륙이 원래 붙어 있었다고 주장하였다.
이후 양쪽 대륙이 지형상으로 잘 맞추어질 뿐만 아니라, 암석의 지질시대와 구조적 방향성 등의 지질학적 유사성, 화석과 고기후 자료, 빙하의 흔적 등 여러 증거를 통하여 현재는 베게너의 학설이 판구조론이라는 더욱 발전된 학설이 되어 널리 받아들여지고 있다.
판구조론이란?
판구조론은 지구의 겉껍데기는 몇 개의 움직일 수 있는 판으로 이루어져 있고, 판의 운동과 상호작용을 통하여 화산, 지진 등 지구 표면에서 나타나는 여러 가지 현상이 나타난다고 설명된다고 하는 이론이다.
지구 표면은 여러 개의 판으로 구성되어 있다
판의 움직임의 근원 힘은
어디에서 왔을까?
이를 알기 위해서는 지구 내부의 구조를 다시 한번 살펴볼 필요가 있다.
앞에서 이야기한 바와 마찬가지로 지구는 바깥으로부터 안으로 지각, 맨틀, 외핵, 내핵으로 되어 있다. 딱딱한 지각을 거쳐서 딱딱한 맨틀을 지나면 어느 정도로 움직일 수 있는 고체로 이루어진 맨틀이 나타난다. 지각과 딱딱한 맨틀을 아울러 암권(lithosphere)이라 부른다. 암권의 아래에 있는 움직일 수 있는 성질을 지닌 맨틀을 연약권(asthenosphere)이라고 한다.
지각과 맨틀의 구조
연약권의 맨틀은
뜨거운 상태의 유동성을 지닌
물체이므로 대류를 한다
암권은 연약권에 끌려서 움직인다. 대류로 연약권이 벌어지는 곳에서 암권도 벌어진다.
연약권은 대류를 하고 암권은 연약권에 끌려 움직인다
여러 개로 조각진 암권은 움직이다가 다른 판을 만나게 된다. 맨틀의 대류 때문에 나타나는
판에서의 현상은 다음과 같이 요약할 수 있다.
1) 판이 벌어지는 곳 : 중앙해령, 대륙열개대
2) 판이 서로 충돌하는 곳 : 활동성연변부
지구의 표면에서 나타나는 현상은 주로 지각에서 나타난다. 지각은 그 성질에 따라 대륙지각과 해양지각으로 나누어진다. 따라서 위의 판 현상을 자세히 유형으로 살펴보면 다음과 같다.
1) 대륙지각이 벌어지는 곳
2) 해양지각이 벌어지는 곳
3) 대륙지각과 해양지각이 만나는 곳
4) 해양지각과 해양지각이 만나는 곳
5) 대륙지각과 대륙지각이 만나는 곳
위 1~5 지역에서 나타나는 현상은 조금씩 차이가 나고 다른 이름으로 불린다.
해양지각이 벌어지는 곳을 중앙해령(mid-ocean-ridge)이라고 한다. 벌어지는 곳으로 현무암질 마그마가 주입되어 현무암, 휘록암, 반려암으로 구성된 현무암질 해양지각을 만든다. 중앙부는 해양의 바닥에 비해서 높게 솟아 바다 속의 산맥(해령)을 만든다. 산맥은 중간중간 끊어진 상태로 바닷속에서 길게 이어져 있다. 중간에 산맥을 끊은 단층을 변환단층이라고 한다.
해양지각이 벌어지는 곳 중앙해령
대륙지각이 벌어지는 곳을 대륙열개대(continental rift zone) 또는 대륙열곡(continental rift valley)이라 한다. 중앙해령과 같이 길게 이어지는 협곡을 만들고 현무암질 화산활동이 있다.
대륙지각이 벌어지는 곳
다음은 아래의 그림을 통해 충돌하는 지역을 살펴보자.
판이 충돌하는 곳
위의 그림은 해양지각과 대륙지각의 충돌, 가운데는 해양지각과 해양지각의 충돌, 아래의 것은 대륙지각과 대륙지각의 충돌이다.
해양지각과 대륙지각이 만나면 해양지각의 밀도가 높기 때문에 대륙지각의 아래로 파고든다. 한 판이 다른 판의 아래로 파고들어가는 것을 섭입이라고 한다. 섭입 되는 시작점은 깊은 지형이 선상으로 만들어지는데 이를 해구라고 한다. 섭입 된 해양지각이나 암권맨틀이 일부 녹아서 마그마를 만들고 그 상부에 화산을 만든다. 화산은 대륙지각의 기초를 뚫고 해구의 방향에 나란하게 열을 지어 생긴다. 이런 판의 경계 지역을 활동성 대륙 연변부(active continental margin)라고 한다. 안데스 산맥 지역과 일본 지역이 대표적인 곳으로 안데스형 활동성연변부라고도 한다.
두 번째 그림과 같이 해양지각과 해양지각이 만나는 곳도 섭입이 나타날 수 있다. 밀도 차이가 그렇게 크지는 않지만 새 해양지각에 비해 오래된 해양지각의 밀도가 다소 크다. 이 밀도 차이 때문에 한 해양지각이 다른 해양지각의 아래로 섭입 될 수 있다. 섭입 된 해양지각이나 암권맨틀의 일부가 녹아서 마그마가 만들어지고 바다 바닥에서 분출하여 바닷속에 화산섬을 만든다. 바닷속의 화산 구조물이 점점 커지면 나중에 물 위로 드러나서 섬이 된다. 이 화산섬은 해구의 방향에 나란히 띄엄띄엄 열을 지어서 생긴다. 화산섬을 연결하면 둥글게 호를 그리기 때문에 이것을 도호(island arc) 또는 호상열도라고 한다. 마리아나 지역과 알류샨 지역이 대표적인 곳으로 마리아나형 활동성연변부라고도 한다.
판의 경계 유형
대륙지각과 대륙지각이 충돌하는 곳을 살펴보자. 섭입의 초기에는 밀도 차이가 섭입을 일으키는 주요한 작동 원리가 되지만 후에는 판 당김이 주요 작동 원리가 된다. 한번 섭입이 되면 그것이 계속 이어진다. 이 힘으로 나중에는 같은 밀도를 가진 대륙지각끼리도 서로 힘을 주면서 계속 부딪힌다.
초기 섭입을 이끌었던 고대 해양 지각 중 일부는 해구 지역에 부가 쐐기로 있다가 대륙 지각과 함께 힘을 받아 습곡 산맥이 된다. 세계에서 가장 높은 지대인 히말라야 산맥 지역, 알프스 산맥 지역이 대표적인 지역이다.
아래 그림은 대룩지각과 대륙지각이 충돌하는 지역을 순서에 따라 나타낸 것이다. 그 과정을 상상하여 보자.
히말라야 산맥의 생성 모식도.
아래 그림과 같이 과거 남극 가까이에 있었던 인도판이 유라시아판과 충돌을 하여 히말라야 산맥을 만들었다.
인도판의 이동과 충돌
지금까지 살펴보았던 것을 통하여 대서양 양쪽의 대륙이 벌어진 상황을 종합하여 나타내면 아래의 그림과 같다.
대서양의 생성, 남아메리카대륙과 아프리카 대륙의 분리
