판구조론 탄생과 역사
판구조론 탄생과 역사
지질학은 상당히 긴 역사를 가지고 있습니다. 여러분 어떤 곳에서는 지진이 일어나서 큰 피해를 봤고 어떤 곳은 또 화산이 일어나서 또 다른 그런 피해를 봤고 도대체 왜 지구는 그런 현상들이 일어난 것일까요. 이 수수께끼를 풀어준 것은 판구조론이 등장하면서 설명이 되게 되었습니다. 이것은 지난 20세기에 지질학의 혁명을 가져온 것인데요. 이것을 이해하는데 우리가 어떻게 이러한 판구조론이 탄생하게 되었냐는 것을 거꾸로 이야기를 재구성해보겠습니다.
판구조론의 탄생 배경
만약 저에게 판구조론에 이제 가장 기여를 많이 한 사람을 들라 그러면 사람에 따라 다를 수 있습니다. 저는 이 여섯 사람을 들고 싶습니다. 처음에 브룬스라는 분이 있고요. 이분은 이제 지자기 하시는 분이고 그리고 웨게너 기후학자입니다. 그리고 헤스라는 헤리 헤스라는 분이 있고요. 그리고 파이엔 메슈라고 하는 사제지간 아주 다정다감한 그런 사제지간 학자가 있고, 그리고 투조 윌슨 캐나디안 학자죠. 선이 있고 구텐베르크라고 하는 지진학자를 들 수 있습니다. 이분들이 지난 20세기에 활약을 했던 분인데요. 이 부분의 앞쪽에 있는 분들은 이런 설을 주장했지만 받아들여지지 않아서 많은 그런 그 고난을 받고 그리고 돌아가신 분들입니다. 그래서 그런 미안한 마음을. 지질학자들은 많이 가지고 있습니다. 우선 브론스라고 하는 분은 자기 주변에 그런 암석을 자유 자화를 측정을 했어요. 그럼 북쪽으로 이제 잔류자 화가 이를테면 화산암 같은 경우에 이 암석이 굳으면서 당시의 지구 자기장 방향으로 배열을 하거든요. 식으면서, 그래서 그대로 있는데, 따라서 북쪽을 가리켜야 되거든요. 그런데 어떤 암석은 보면 북쪽을 가리키는데 어떤 암석은 반대를 가리켜요. 남쪽을 가리켜요. 이게 어떻게 된 일일까 바로 밑에 있는 것은 반대를 가리키고. 또 어떤 것은 똑같은 방향을 가리키고. 그래서 이분은 지자기가 역전하는 것이 아닌가 이렇게 얘기를 했습니다. 주변 사람들이 와 맞았습니다. 손뼉 쳤을까요? 아니에요, 뭐 지구 자기장이 역전한다고. 말도 안 되는 소리 하지 마. 왜 그게 역전하는데? 이렇게 해서 핍박을 밝히지 못하고 그냥 돌아가셨습니다. 그다음에 우리가 기억해야 될 사람은 베게너라는 분인데요. 굉장히 상상력이 풍부한 분인데 남미하고 아프리카가 해안선이 굉장히 비슷하잖아요. 해안선만 비슷한 게 아니라 이렇게 보면 거기에 지질도 비슷합니다. 화석도 비슷하고 그래서 이것이 한때 옛날에는 이 두 개가 붙어 있었던 것이 아닌가. 붙어 있다가 이것이 대륙이 이동해서 현재 위치로 온 것이 아닌가라는 것을 제기했습니다. 이분도 역시 커다란 환영을 못 받았죠. 말도 안 되는 소리 하지 말라고. 그래서 이분은 결국 다른 그런 탐험을 하다 북극에서 돌아가셨습니다. 그리고 헤스라고 하는 분이 있는데요. 이분은 2차 대전 때 지구 물리학자지만 2차 대전 때 해군으로 미 해군으로 참전했던 분입니다. 그래서 이분은 태평양 대서양을 지날 때 탐사를 하면서 갔는데 그 지형이 해조에는 아주 특이한 지형이 있다는 것을 발견해서 그것이 과연 무엇인가. 만약에 우리가 지구의 바닷물을 모두 빼버린다면 어떤 구조가 보이냐면 야구 실밥처럼 끝없이 이어진 그런 해령이 이제 보일 겁니다. 그것이 대서양을 남북 방향으로 가지고 있고 또 태평양도 마찬가지입니다. 태평양에도 그런 해령이 있는데 이전 시간에 설명드렸듯이 그 해령이라고 하는 것은 맨틀 물질이 올라와서 결국은 해양 지각을 만드는 공장인 거죠. 거기서부터 계속 맨틀 물질이 채워져서 밀어내는 겁니다. 그래서 그것을 헤스라는 분이 구체적으로 제기를 했고요. 근데 바 이난 메스라고 하는 분들은 이제 60년대 초에 그때 대서양 쪽을 탐사를 했는데 보면 이전에 해저에 다니다 보면 해저의 자기장이 어떤 것은 높고. 어떤 것은 낮고, 높고 낮은 게 대칭적인 주기를 갖고 있다는 것을 이미 이분들은 알고 있었고. 그것을 그 높고 낮은 게 아이슬란드를 지나고 있거든요. 그래서 아이슬란드 가까운 곳에서 다시 한번 확인을 했습니다. 정확히 확인을 했는데 역시 아이슬란드의 중앙부에서 자기장이 없고요. 그리고 바깥으로 가면 낮고. 그것이 대칭적으로 분포한다는 것을 구체적으로 제기를 했습니다. 그리고 그곳에 연대를 측정해 보니까 중앙부가 연대가 적고 바깥으로 갈수록 연대가 오래된다는 걸 알 수 있습니다. 그것은 뭐죠? 해저가 확장된다는 얘기죠. 해저가 확장되고 또 하나 밝힌 건 왜 그러면 중앙부가 높으냐. 중앙부는 지금과 같이 그 해저의 자성 광물들이 북쪽을 가리키고 있기 때문에 지구 자기장 하고 같은 방향이라 그것이 높고, 그리고 어떤 시기에는 반대 방향을 가진 것도 있었다. 따라서 이 차이를 빼야죠. 지구 자기장에서 뺀 값이 나오기 때문에 그것이 낮고 또 높고 낮고 이것은 뭐냐 하면 지구 자기장이 역전한다라는 것은 두 가지 설을 입증해 준 아주 중요한 사건입니다. 그렇다면 지각이라는 것이 해령에서부터 계속 벌어지게 되면 지구는 유한하다 그랬죠. 따라서 어느 곳에서는 반드시 들어가야 됩니다. 그 들어가는 곳이 해구인데 이 시스템에 대해서 판구조입니다. 지구가 맨틀 대류로 형성됐다가 그것이 소멸되는 이것을 판구조론의 개념을 확립한 사람이 투조 윌슨입니다. 그리고 구텐베르크라는 분은 이제 지진파 우리가 몸속의 내부를 알고 싶을 때 초음파 사용하잖아요. 마찬가지로 지구에는 이런 판구조론 활동에 의해서 경계부에서 지진이 많이 일어나죠. 그래서 그런 것들을 연구를 해서 이렇게 보면은 내부의 속도 구조를 알 수 있어요. 지진파의 속도 구조를 알 수 있는데 보면 불연속 면이 두 개가 있어요. 위에 있는 것이 약 30~40km 그 정도에 있는 불연속면을 모호 불연속면이라고 하죠. 그리고 2900km 에도 또 하나 불연속면이 있는데 그것을 구텐베르크 불연속면이라고 합니다. 그 불연속면 사이에 있는 것이 맨틀이고요. 그 심부에 있는 것이 핵입니다. 따라서 맨틀과 핵은 불연속으로 나눌 수 있고요. 맨 위에 모호는 지각하고 멘토라고 해요. 그것은 매질 자체의 성분이 다르기 때문입니다. 그리고 우리가 중요한 것 중의 하나는 핵의 외핵 부분을 2900km에서 51000km 사이에는 S파가 전파가 안 돼요. S 파라고 하는 것은 이제 실체파에서 횡파죠. 종파가 아닌 횡파인데. 횡파의 속도는 루트 로우분의 뮤인데. 이 분자에 해당하는 뮤라는 것이 전단력입니다. 전단력은 우리가 '칼로 물베기'라는 게 있죠. 그 얘기는 칼로 못 벤다는 얘기입니다. 전단력이 제로라는 거죠. 액체에서는요. 따라서 S파는 액체에서는 분자가 제로가 되기 때문에 전파가 안 되는 것이죠. 따라서 외핵에서 S파가 나오지 않는 것은 외핵이 액체라는 것을 의미합니다. 이것은 매우 중요하고 이 지구 내부의 외핵이 액체로 있어서 이것이 지구 자기장을 만들고 있다는 것을 알 수 있게 해주는 굉장히 중요한 결과입니다.
판구조 경계부
그러면 우리가 조금 더 자세히 판구조 경계부에서 어떻게 일어나고 있는지를 보시면 지구는 이렇게 한 10여 개의 판으로 구성되어 있습니다. 이 판이라고 하는 것은 이제 암 건 단위인데 암 건이라고 이야기하고 있습니다. 이것이 그 판 내에서는 같은 운동을 하고 있는 것이죠. 이것이 판에서 운동 방향이 서로 다르기 때문에 판과 판의 경계부에서 지진이 많이 일어나고 있는 것이죠. 그리고 그 지진이 일어나고 있을 뿐만 아니라 지금 오른쪽 그림은 삽 입대, 즉 땅이 들어가고 있는 곳을 자세히 나타내고 있는데요. 해양판하고 지금 그림에서는 대륙판을 나타내고 있는데 그 판 경계부에서 지진이 많이 일어나고 있죠. 마찰 때문에요. 지진이 많이 일어나고 있고 심부까지 상부 맨틀. 그 윗부분이 색칠해져 있는 부분이 이제 상부 멘틀이고, 그 밑이 하부 멘틀인데요. 그 경계부에서 들어가고 있습니다. 이러한 해양판은 많은 그러한 바다에 그 물을 같이 끌고 들어갑니다. 그래서 물을 끌고 들어가면서 이 밑으로 들어오게 되면 약 한 100km 전후에서 이제 그 물들이 계속 수증기로 나오게 되는 거죠. 그래서 100km 심도에서 암석에다가 물을 뿌려주게 되면 마치 소금에 물을 부으면 녹잖아요. 마찬가지로 암석이 녹습니다. 그래 가지고 그 부분에서 마그마가 만들어지고 그 마그마가 위로 가벼우니까 위로 분출하게 되는 것이 그것이 화산호입니다. 일본의 지진과 화산이 많은 이유가 여기에서 비롯됩니다. 그러면 그 상부 맨틀과 이 하부 맨틀 그 사이로 이제 계속 그 판이 해양판이 들어가게 되죠. 들어가게 되면 어떻게 되느냐. 그다음에는 그 하부 멘틀 밑으로 떨어집니다. 보면 지금 연두색으로 나타나는 것이 밑으로 이제 떨어지게 되는데 이 판에서 명심해야 될 것은 해양판이 이러한 수분을 포함하고 있다는 것입니다. 그래서 이것이 어디까지 내려가냐. 그다음 이질적인 그런 핵까지 내려갑니다. 외핵까지 내려가면 돼요. 외핵 뜨겁죠. 거의 맨틀 하고 이 외핵과의 경계부는 약 한 3000도 가까운 그런 온도를 나타내고 있습니다. 그래서 이러한 차가운 물질이 뜨거운 핵 하고 만나게 되면 어떻게 되죠. 여러분 그 냉동 감자를 기름에다 튀길 때 어떻게 하세요. 감자를 넣고 이렇게 하시는 분이 있어요. 경험적으로 알고 있어요. 이렇게 놓고 이렇게 피하죠. 튄다는 걸 알거든요. 따라서 차가운 게 뜨거운 거하고 만나게 되면 반응을 하게 됩니다. 그것을 보시면은 우리가 왼쪽에 이제 이 파란 해양판이 들어가게 되면 왼쪽처럼 이렇게 모이게 되는데요. 그 부분은 S웨이브가 그 웨이브 S웨이브가 굉장히 느려지는 부분이 있습니다. 그래서 그런 부분을 이렇게 빨갛게 나타냈는데요. 그 부분에서는 S파가 더욱더 느려집니다. 그래서 그런 부분이 일정하게 정해져 있는데 그 부분이 어떻게 되겠습니까. 외핵 하고 물을 포함하고 있죠. 외핵 하고 반응하게 되면 거기서 많은 그러한 작용이 일어나게 되어서 이것이 다시 활성화되어 멘틀을 올리는 그런 멘틀 플룸을 만드는 그러한 역할을 하게 되는 겁니다.