지구는 살아 움직이는 천체이다. 그 생명력은 인간의 힘이 미치지 못하는 지구내부의 방대한 에너지이다. 이 에너지가 끊임없이 지각을 움직여 대양을 만들고 대륙을 이동시키고 산맥을 만든다.
그래도 지구는 움직인다
이탈리아의 철학자 천문학자 물리학자 '갈릴레오'는 '코페르니쿠스'의 지동설을 지지했다하여 종교재판을 받고 나오면서 '그래도 지구는 움직인다'고 중얼거렸다는것은 너무나 유명한 이야기.
그 뒤 1620년경 영국의 철학자 '프랜시스 베이컨'은 아프리카 대륙 서쪽과 남아메리카 대륙 동쪽의 해안선을 맞붙이면 이가 꼭 맞는다고 지적했다.
그로부터 1백50년 뒤 미국의 '벤자민 프랭클린'은 지구중심에 핵이있고 그 위를 뜨거운 액체상태로 감싸고 있으며 또 그 위에 암석으로 된 지각이 떠있다고 생각했다.
이렇게 오래전 부터 지구의 움직임과 지각의 변동, 지각내부의 구조를 해명하려고 과학자들은 노력해왔다.
1950년대, 필자가 국민학생이었을 무렵에는 과학책이나 지리책은 대륙이동에 대해 거의 다루지 않거나 믿을 수 없는 이상한 학설로 인용되고 있을정도였다.
그러나 지금은 거의 모든 과학자가 지구상의 대륙이 움직인다고 생각하고있다.
지구의 과거와 현재를 비롯, 근본적인 관찰방법이 바뀐것이다. 이렇게 바뀌기까지는 오랜 세월이 걸렸다. 논쟁의 발달은 19세기부터 조금씩 축적되어 왔다. 고생물학자가 이첩기의 파충류'메소자우루스'를 남대서양의 양쪽연안에서 발견했다. 지질학자들은 메소자우루스가 대서양을 헤엄처 건넌다는 것은 불가능하므로 과거의 어느시기에 두 대륙이 이어져 있었던 것이 아닌가 생각하게 되었다.
열대에서 발견된 빙하의 흔적
또 열대지역에서 과거의 빙하의 흔적인 모래와 자갈이 발견되었고 비가 많이오는 지역에서 선사시대의 사막의 모래가 발견되었으며 극지에서는 석탄기 이전에 존재했던 삼림이 확인되었다.
이런 설명하기 어려운 여러 현상을 독일의 지구물리학자인 '베게너'(Alfred Lothar Wegener)가 '대륙이 움직인다'는 이론으로 설명해냈다. '베게너'는 남아메리카 동쪽과 아프리카 서쪽 해안선을 지도로 맞붙여놓고 그때까지 학자들이 발견한 화석과 기상조건을 검토한끝에 대륙표동설(漂動說)을 처음으로 공개한것이다.
대서양의 양쪽에 시대와 종류가 다른 여러가지 암석분포를 지도 위에 표시하고 계곡, 산맥, 기타의 지질구조도 기입하고 양쪽 대륙의 해안선을 맞붙여보니 동떨어져 있던 여러 요소가 꼭 맞았던 것이다.
이 설에 의하면 지구상의 현재의 여러대륙은 처음 '판게아'라는 하나의 큰 대륙이었다가 여러 부분으로 분산되어 현재와 같은 대륙의 위치가 되었다는것. 이 분산된 대륙에 남은 판게아 대륙때의 식물이나 동물이 위도가 다르고 완전히 별도의 기후조건 아래 고립되어 독자의 진화계열을 따라 현재의 동식물상이 되었다고 한다.
베게너의 이 이론은 그뒤 여러가지 방법으로 증명되었다. 지구과학과 관련기술이 진보되어 19세기에는 대서양 횡단 해저케이블 설치를 위한 조사선이 대서양해저 중앙에 산맥상(山脈状)지대가 있고 바다가 몹시 얕은 부분이 있음을 발견했다.
제1차대전 후에는 해저음향측심이 개발되어 그 데이타로 어렴풋이나마 심해의 지형을 알수있게 되었다.
1947년에는 '모리스 유잉'과 '부르스 C.히젠'을 중심한 미국의 해양조사대가 '애틀랜티스'호로 대서양횡단조사를 실시했다. 그결과 대서양 해저에는 지층이 두껍게 퇴적되어있을 것이라는 먼 옛날부터의 예상과는 달리 엷은 퇴적물 밖에 없었다.
세계의 모든 바다를 잇는 거대한 해저 산맥
1950~60년대에는 또 다른 놀라운 사실이 발견 되었다. 각지의 해양연구소와 조사선이 모은 자료를 검토한 결과 대서양 바닥의 해저산맥은 길이가 7만4천Km에 이르며 대서양 뿐만 아니라 태평양, 인도양 등 모든 대양에 이어져 있음이 밝혀졌다.
그 총칭을 대양중앙해령이라 붙였다. 이 해령의 기원을 밝히는데 과학자들의 관심이 집중했다. 1960년 미국 프린스턴대학의 지질학자 '해리 H.헤스'가 대서양 해저의 퇴적물이 엷은 것은 해령이 생긴지 얼마되지 않았기 때문이며 지각밑의 대류로 돌고있는 마그마가 대양의 바닥이나 대륙을 움직인다고 발표했다.
즉 지구내부에서 용암이 솟아나와 중앙해령을 만들거나 사방으로 퍼지거나 하여 새로운 해저를 만들어간다. 대양바닥은 해저화산을 싣고 이동한다.
해저화산은 새로운 지각이 냉각됨에 따라 침식되어 해저 깊이 잠겨간다. 확대된 대양의 바닥은 끝내는 맨틀 속으로 빠져 들어가면서 해구(海溝)를 형성한다.
60년대 초에는 심해의 데이타 해석으로 녹아있는 상태의 암석이 대양중앙해령의 축(軸)을 따라 올라온다는것이 밝혀졌다. 또 대양중앙해령은 두개의 거대한 벨트컨베어가 도는 출발점에 해당되며 이 벨트가 새로 생긴 지각을 해령의 양쪽으로 운반하여 대양저가 확대되고있다는 것도 밝혀졌다.
판구조 지질학의 탄생
더욱 명확한 증거가 예상외의 다른곳에서 나타났다. 2차세계대전 이후 선진공업국은 몇십년 안에 세계 육상의 매장석유를 다 써버리게 된다는 것을 깨닫고 해저 유전개발의 필요성을 느끼게 되었다.
석유회사는 이때 과학자들의 해양저확대 이론을 해저유전개발에 응용하려고 '글로머챌린저'호를 만들었다. 이배는 대양의 깊은 해저를 보오링할 수 있는 최초의 배였다.
챌린저호는 '베게너가'가 '아프리카 대륙과 남아프리카 대륙의 해안선이 합치된다'고 주장한 역사적 지역을 횡단항해 하면서 조사를 했다.
해저 보오링으로 코어(Core. 둥근 기둥같이 뽑아낸 암석시료)를 채취하여 그 속의 화석을 조사한 결과 대양 중앙해령에서 멀리떨어질수록 화석의 연대가 오래 되었음이 밝혀졌다.
대양 중앙해령이 넓어지는것과 대양저확대의 두가지 큰 발견은 '플레이트 테크토닉스'(Plate tectonics·판구조 지질학)라는 혁신적인 학설을 낳았다.
플레이트 테크토닉스 이론은 '베게너'의 주장을 증명했을 뿐만 아니라 진화론이나 상대성이론이 생물학과 물리학을 일변시킨 것처럼 지질학을 기초에서부터 바꿔놓았다.
플레이트는 어떻게 움직이는가
'글로머 챌린저'호의 발견 이후에도 잇달아 새로운 사실이 발견되었다. 먼저 지구의 표면을 형성하고 있는 지각, 즉 플레이트의 윤곽이 밝혀졌다. 플레이트의 폭은 수천km나 되지만 두께는 50km~1백50km정도이며 지구전체의 크기에 비해 극히 엷어 지구가 달걀이라면 그 껍질 두께 정도이다. 고체 암석으로 이루어진 리도스페어(암석층)는 몇개의 플레이트와 여러개의 작은 플레이트로 나누어져 녹아있는 암석층인 '아스데노스 페어' 위에 떠 있다. 플레이트는 움직이는데 거의가 해령에서 해구를 향해 움직인다. 이 플레이트의 움직임은 플레이트마다 달라 플레이트와 플레이트의 경계 쪽에 여러가지 현상이 생긴다. 대서양처럼 플레이트가 서로 떨어져 나간 곳에서는 새로운 지각과 해령이 생긴다. 태평양 주변에서 일어나고 있는 것처럼 플레이트가 부딪치는 곳에서는 지각이 파괴된다. 한쪽의 플레이트가 다른쪽의 아래로 파고드는 곳에서는 해구(海溝)가 생긴다. 이 운동의 압력으로 위쪽 플레이트는 주름이 생기거나 구부러져 그 주변을 따라 안데스나 환태평양지역처럼 큰 습곡산맥이 생긴다.
플레이트가 지구 내부로 파고들어가면 위에 실려 있는 부분을 녹이면서 밑으로 가라앉고 스스로도 차츰 녹아버린다. 녹은 마그마는 상승하여 지표 외부의 산맥에 있는 화산의 분화를 불러 일으킨다.
그러나 서로 부딛치는 플레이트가 양쪽 모두 대륙지각을 위에 싣고 움직일 경우는 판게아의 단편 인도가 유라시아 대륙에 접해 있는 곳처럼 양쪽 다 완전히 파고들지 못하고 그 대신 부딛치는 힘이 지각을 위쪽으로 돌출시켜 이음새 부위에 히말라야와 같은 큰 산맥이 생긴다.
플레이트가 옆으로 미끄러져 쳐지는 곳에서는 캘리포니아의 산 안드레아스 단층을 따라 이어져 있는 지역처럼 지진이 생기지만 새로운 지각을 만들거나 파괴하거나 하지는 않는다.
어떤 곳에서는 맨틀 속에 '핫 스파트'(hot spot)라는 열의 반점이 생겨 상승하는 마그마가 갈라진 끝에서 직접 그 위의 플레이트 부분을 녹인다. 그러면 플레이트가 이 핫 스파트 위를 지날때마다 차례로 화산을 만들어 하와이제도와 같은 화산섬의 줄이 생긴다.
지구 표면의 플레이트의 움직임이 가져오는 결과는 이렇게 명확해졌다. 그러나 무엇이 플레이트를 움직이는가.
그것은 맨틀 안의 대류에 의한 것이다. 뜨거워진 맨틀 물질이 상승하고 핫스파트를 만들어 단단한 리도스페어 아래를 수평으로 움직이다가 냉각되면 내려간다. 이 순환의 움직임이 플레이트를 움직인다.
새로운 해양저와 오래된 대륙
금세기 초부터 계속된 지각연대에 대한 연구결과는 의외의 방향으로 전개되었다. 대륙 위에서는 38억년이나 된 오랜 암석이 발견되는데 대양 바닥에서는 가장 오래 된것도 겨우 2억년 정도이다. 그렇다면 해저는 순환하고 있지 않으면 안된다는 말이된다. 이것은 대체 어떻게 된 것일까.
해저지형이 이 수수께끼를 풀어 밝혔다. 두개의 해양저 플레이트가 떨어져 나가는 곳에는 해령이 생기는데 이것은 밀어붙여 굽혀지는 것이 아니라 암석의 열팽창 결과다. 해령은 들고 일어나 생긴 이음새이며 같은 모양으로 열에 팽창된 상부맨틀 또는 '아스데노스페어' 위에 실려있다.
플레이트가 해령의 중심부에서 이동됨에 따라 새로운 지각의 언저리는 차츰 식어서 수축된다. 이 암석은 수축되어 밀도가 높아지면서 무거워져 가라앉는다. 위에 떠 있는 새로운 지각의 플레이트가 오래된 플레이트와 부딛칠 때 새로운 플레이트가 위에 실린채 그대로 있는 것은 이 때문이다. 새로운 플레이트 아래로 밀려 내려간 플레이트는 녹아서 다시 맨틀이 된다. 그 때문에 대서양 바닥은 새로운 상태로 있게 된다.
그러면 대륙을 만들고 있는 부분은 왜 해저 플레이트처럼 순환하여 새로와 지지 않는가. 몇십억년 동안에 여러곳에서 플레이트의 충돌이 있었는데 왜 대륙은 오랫동안 그대로 있는 것인가.
다시 밀도문제가 제기된다. 대양저를 이룬 암석의 구성광물 쪽이 대륙지각 구성광물 보다 밀도가 높다. 대륙지각의 거의가 화강질암이며 그 90% 이상이 석영이나 장석 등 경광물이고 비중은 2.7이다. 이에 비해 대양저지각은 철이나 마그네슘 분이 많은 무거운 현무암으로 이루어지고 비중은 3.1이다. 따라서 플레이트가 움직여 무거운 대양저가 가벼운 대륙지각에 부딛치면 대양저는 밑으로 파고들고 대륙은 떠 있는채로 있게된다.
대양의 탄생
맨틀 속에서 녹아있던 암석이 마른 육상으로 올라올 때 대양의 탄생이 시작된다. 이 마그마는 위에 있는 암석층의 지각을 뜨겁게 하여 부풀은 빵껍질이 갈라지는 것처럼 지각이 벌어지게 된다. 벌어지는 분할선을 따라 대륙지각의 암석이 확대되는 깊은 균열속으로 빠져들어가 양쪽에 급한 단애가 생기고 지구대(地溝帯)의 계곡이 형성된다. (48p 그림A·위)
마그마는 틈이 벌어져서 생긴 약한 부분의 골짜기 밑바닥에서 솟아오른다. 이 확대가 계속되어 성장하는 지구 바닥이 해면에까지 이르면 해수가 범람하게 된다. 상승하는 마그막는 주로 현무암으로 되고 계곡 사이에 새로운 해양지각을 형성한다. 그리고 양쪽 대륙반(大陸盤)의 간격이 커지며 폭이 수천km에 이르러 대양이 된다.(그림A·아래)
이 분열로 하나의 플레이트가 두개가 된다. 그 경계가 지금은 대양중앙해령이 되어 있으며 그것은 맨틀로부터의 열에 의해 조성된 대양속의 해저산맥이다. 대양지각(그림A·가운데와 아래의 담갈색 부분)은 중앙의 화산성 지구대의 벌어진 틈에서 해령의 축선을 따라 확대된다. 이런 벌어진 틈에서 솟아오른 용암은 양쪽 플레이트의 가장자리를 향해 차츰 그 영역을 넓혀간다. 플레이트 사이의 확대의 빠르기가 가장 느린 것은 연간 0.1cm로 아프리카의 대지구대에서 볼 수 있다. 가장 빠른것은 연간 17cm로 남미쪽 동태평양 해팽에서 일어나고 있다.
대륙은 부딪친다
두개의 대륙이 천천히 부딛치면 수렴되는 플레이트는 대양을 메워버린다. 밀도가 높은 현무암질 암석으로 된 해양저는 어느쪽인가의 대륙 아래로 파고들어 깊은 해구를 눈금으로 침강대를 이룬다. (그림B·위)
플레이트가 계속 밀어붙이면 한쪽의 육괴가 밀려서 습곡산맥이 된다(그림B·가운데).
들어얹히는 대륙쪽 플레이트의 선단은 파고 들어가는 플레이트 위에서 때로는 심해의 퇴적물을 벗겨내면서 쐐기 모양의 퇴적물집적대를 형성한다(그림B·아래중앙의 다갈색쐐기). 파고드는 플레이트의 일부도 깎여 그 단편은 침강을 면한다. 다른 부분의 해양저는 침강되어 사라져 버리므로 두 대륙이 정면 충돌하게 된다. 이 충돌의 접점에서는 양쪽다 해양 플레이트가 남긴 모든 단편을 바다위에 낱낱이 들어내 때로는 높은 산 능선에까지 들어올릴때도 있다. 이렇게 해서 육상에 들어난 해양저 단편을 오피오라이트라 한다. 오늘날 지질학자들은 이 해양성퇴적물이나 오피오라이트를 알프스나 히말라야, 아팔라치아 등 바다에서 멀리 떨어진 습곡산지에서 발견하고 있다.
지상에서 발견되는 해양 유기물
부딛침의 힘으로 압축되어 오래된 대륙붕의 암층이 습곡되고 단층을 받아들여 겹치게 되기도 한다. 커다란 지괴는 부서지면서 밀려들어 새로운 퇴적층 위에 얹힌다.
층위학(層位學)의 보통 법칙에서는 지층 아래쪽으로 갈수록 오래된것인데 거꾸로 되어 있는 곳도 있다. 오래된 암층이 새로운 층위에 얹힌 충상대(衝上帯)이다. 그런 지층속에는 다수의 바다생물 흔적이 화석으로 남아있다. 북아메리카 동부연안을 따라 1천8백km의 충상대가 형성되어 있고 펜실베이니아에서 앨라배마에 이르는 넓은 지역의 지층에는 해양 유기물 퇴적층이 많이 분포되어 있다.
유럽에서도 대륙충돌의 증거를 볼 수 있다. 아프리카 대륙과 유라시아 대륙의 플레이트가 서서히 정면 충돌하면서 생긴 습곡이 길이 1천km, 폭 1백 60km의 알프스산맥이다. 지질과학자들은 알프스 산정의 암석을 채집하여 알프스의 복잡한 구조를 밝혀냈다. 5백만년전에 이 지대에는 산맥이 없었다. 오늘의 알프스는 약3백만년 전에 상승하기 시작했다. 그리고 현재도 연간 1~2mm씩 상승하고 있다. 알프스의 산들이 높아져가고 있을때도 침식이 그 산의 성장에 쐐기를 박기도 했다. 강이 산의 지표에 깊은 계곡을 깎아내고 높은 봉우리에는 빙하가 암석을 덮었다. 1820년 등산대가 보손빙하의 눈사태에 묻혀 1861년에 유해가 같은 빙하의 끝 3165m아래서 발견되었다. 이로써 빙하의 흐름은 하루 약22cm의 빠르기로 움직이고 있다는것이 밝혀졌다. 키프로스 섬에는 동이 많이 난다. 키프로스에 동이 있는 것은 옛날 이 섬의 대부분이 바다였기 때문이다. 해양저에는 중앙 해령에 형성된 광상의 유산인 동 같은 풍부한 금속광상이 발견된다. 키프로스에서는 고대의 대양저가 오피오라이트라는 암층이 되어 쌓여있다. 이것은 그리스어의 오피스(Ophis·뱀이란 뜻)에 유래한다. 오피오라이트 암석이 뱀의 피부처럼 얼룩이 있는 녹색이기 때문이다. 아프리카와 유라시아 중간에 대양저가 끼었을 때 플레이트가 파고드는 과정에서 대양저의 일부가 벗겨져 나갔다. 세계에서 현재 활동중인것이건 과거의 것이건 충돌지대에는 오피오라이트의 가늘고 긴 단편이 이렇게 남아있다. 오피오라이트는 지구의 움직임에 대한 비밀을 쥐고 있다. 대양저 내부구조의 샘플중에는 현재의 어느 대양저보다 오래 된 것도 있다. 이것은 플레이트가 밑으로 파고들 때 그보다 훨씬 전에 사라져버린 대양저 지각의 샘플이된다. 이 샘플은 당시의 해저형성을 순서대로 완전히 나타내고 있다. 최하부에는 지각 최하부의 검고 무거운 암석이 있고 그 위에 대양중앙해령의 마그마 고임(溜)이 굳은 것이 겹쳐져 있다. 그 다음에 플레이트의 움직임으로 생긴 마그마가 생긴 마그마가 해양저로 나오는 사이에 굳어진 것이 있다. 또 그 위에는 해저에서 형성된 침상용 용암이 덮이고 최후로 그 위에 쌓인 고대의 바다 퇴적물이 있다. 1981년초에는 아라비아반도의 오만에서 오피오라이트가 발견되었다. 여기서는 대양저의 오피오라이트가 지표에 노출되어 있다. 키프로스의 오피오라이트는 테디스해가 수렴한 대륙에 끼어 생긴것이나 오만의 오피오라이트는 아라비아와 유라시아 플레이트에 끼어 생긴 것이다. 이 두 대륙 중간의 해양저는 그 가장 약한 부분에 틈이 벌어져 생긴 것이다. 대양 중앙 해령에서 보면 두개의 플레이트가 합쳐지는 곳이다. 대양저는 아라비아 플레이트 위에 얹혀 마그마 덩어리를 포함한 해령의 일부를 날라 온 것이다. 이 해령과 마그마 덩어리의 두가지를 지금 이곳 육상에서 볼 수 있는 것이다.
이렇게 해서 지구의 활동구조가 점점 뚜렷하게 밝혀져갔다. 앞으로도 과학자들의 활동으로 더욱 많은 사실이 밝혀져갈 것이다.
