지각은 움직인다.

판구조론 - 아름다운 지구를 보는 새로운 눈
김경렬 지음 / 생각의힘 / 2015년 4월

 중고교 시절 판구조론을 배운 적이 있다. 베게너가 만든 것으로 우리 가 발을 딛고 있는 이 땅이 매우 조금 씩이지만 움직인단 이론이다. 지금은 무척 당연하게 생각되는 판 구조론은 사실 이론으로 확립되는데 오랜 기간이 걸렸다. 사람들은 지구 내부에 대해서 알지 못했으며 이 거대한 구조물인 지각이 움직인다는 것을 쉽게 받아들지지 못했기 때문이다. 과학의 발전으로 광범위한 증거가 쌓이고 나서야 판구조론은 정설이 된다.

 베게너는 독일의 기상학자로 판구조론을 주장했다. 그가 보기에 남아메리카와 아프리카 연안은 생김새가 마치 퍼즐의 조각처럼 상당히 유사했고 실제로 특이한 지질학적 구조나 동식물들의 화석이 공통적으로 등장했다. 또한 일부 대륙의 지층에서만 나타나는 극단적인 기후 변화의 증거도 동시에 나타나고 있었다. 베게너의 주장은 일축되었는데 그가 1차대전의 전범 국인 독일 출신인데다 감히 기상학자인 주제에 지질학에 대해 이야기하는 것이 도무지 전문성이 없어 보였기 때문이다. 그리고 무엇보다도 당시엔 지구 내부에 대한 이해가 부족했다.

 당시 사람들은 지구의 내부는 서로 관통된 공동들이 산재해 있는 고체 정도로 여겼다. 이 관통된 공동은 두 가지 종류로 한 종류는 비어 있거나 부분적으로 물이 차 있고, 광활한 지하의 강이나 바다를 엮은 거대한 연결망이다. 다른 하나는 바로 여기에 물 대신 뜨거운 물과 용암이 자리한다. 세계의 기후는 바로 이 공동에 뭐가 흐르냐에 따라 갈리는데 화산이 많고 뜨거운 지역은 용암이 서늘하고 축축한 지역은 물이 아래에 있다고 생각했다. 당대의 소설 해저 2만리 같은 소설은 바로 이런 당대의 생각이 반영된 것이다.

 하지만 이후 몇 가지 발견이 일어난다. 우선 지구의 질량이다. 지구의 질량을 1799년 캐번디시가 마침내 측정하였는데 이로 인해 지구 내부의 물질 추정이 가능해졌다. 부피는 익히 알고 있었으니 질량만 구하면 밀도는 자연히 나오는 것이었다. 지구의 무게는 6조kg의 1조배에 달했는데 지구의 부피를 감안하면 지구의 밀도는 5.24g/cm3여야 했다. 지표의 암석대는 겨우 2.5-3에 불과했기에 그러면 지구 내부는 밀도가 거의 8-10에 달해야 했다. 이러려면 지구 내부의 물질은 마땅히 액체나 금속이었어야 했으나 당대의 학자들은 액체의 고체는 압축될 수 없다고 믿었기에 놀랍게도 지구 내부는 기체가 초고압으로 압축되었다고 생각했다.

 다음의 발견은 지진파다. 지진파는 p파, s파, 표면파가 있다. 언급한 순으로 도착하는데 이외에도 이들은 지나는 물체에 따라 속도가 바뀌거나 아예 지나가질 못한다. 이로 인해 지구 내부에 대한 추정이 가능해졌고, 핵의 크기도 알게 되었다. 핵의 반지름은 2900km정도이며 외핵은 액체, 내핵은 고체임을 밝히게 되었다.

 또 다른 발견은 대서양 해령의 확장이다. 해저소나의 개발 등으로 이 시기엔 해저의 지도 작성이 가능해졌다. 해저의 지형은 통념과 다르게 지상과 다를 바 없었다. 대서양 중앙해령은 가운데를 중심으로 암석의 자기층이 좌우가 대칭이었다. 지구 자기장은 주기적으로 극이 바뀌며 이로 인해 암석이 매번 반대 방향으로 자화된다. 그런데 가운데를 중심으로 좌우에 동일하게 나타나는 암석대가 심지어 자화 방향까지 같았던 것이다. 이는 대서양해령을 중심으로 해저가 좌우로 확장됨을 말해주는 결정적 증거였다. 학자들은 지각의 아래 부분도 매우 단단할 것으로 추정하였는데 이런 발견들을 토대로 지각 바로 아래층이 연약권이라는 생각에 도달하게 된다.

 1960년대 들어 판 구조론은 확립된다. 우선 지구의 약 100km 두께의 표층은 해저산맥, 해구 등을 경계로 하는 10여개 조각으로 나뉘어 지며 이들은 상대적으로 운동을 한다. 그리고 판의 경계는 지질적으로 불안정하기에 여기서 지진이 발생한다가 된다. 판의 생성과 소멸은 주로 해양 지각에서 일어난다. 증거로는 우선 해양지각의 퇴적물 양이 너무 적다는 것이다. 해양지각이 매우 오랜 기간 존속되었으면 퇴적물의 양이 상당해야하지만 의외로 축적량이 적다. 또한 해양지각은 암석이 어리다. 가장 오래된 해양지각의 암석이 1억년 수준인데 육상에선 40억년 짜리도 있다. 해양지각이 생성과 소멸이 반복되는 지점이라는 증거다.

 판의 경계는 3가지로 발산형과 수렴형, 변환단층형이 있다. 발산형은 지각이 생성되는 곳으로 대서양 해령과 동아프리카 지구대가 있다. 수렴형은 판이 서로 부딪혀 소멸하는 곳이다. 그러다 보니 또 세 종류가 있다. 우선 해양판끼리 부딪히는 경우로 양자가 밀도가 비슷하여 한 쪽이 앞서가는 해양판 밑으로 섭입한다. 해구가 생성되고 해구 앞에는 화산섬이 생성된다. 마리아나 제도나 일본, 사이판이다. 해양판과 대륙판이 부딪히는 경우 해양판이 무거워 섭입하고 대륙은 그 위로 솟아로른다. 그래서 앞바다엔 해구가 생기고 대륙쪽은 높아지는데 안데스 산맥과 그 앞의 칠레 해구가 여기 해당한다. 대륙판끼리 부딪히는 경우는 둘다 가벼와 가라앉지 않고 주름이 생기며 밀착한다. 인도와 아시아가 충돌한 히말라야 산맥, 티베트 고원, 과거 남중국과 북중국의 통일로 생긴 중국대륙이 여기 해당한다. 

 변환 단층형은 발산형 경계와 그 반대편의 수렴형 경계가 하나의 판을 만들려면 이들을 연결시켜 주는 경계가 필요한데 바로 여기 해당한다. 이 부분은 바로 인접한 두 판이 서로 수평적으로 미끄러지는 곳인데 미 서부 연안의 샌안드레아스 단층이 여기 해당한다. 이 변환 단층은 대개 버티다 100년 정도 주기로 미끄러지며 그 간의 스트레스를 발산해 지진을 일으킨다. 

 사실 지구의 껍데기인 판을 움직이는 거대한 힘은 지구 내부에 있다. 지구 내부엔 상당한 열이 축적되어 있는데 우선 방사성 물질의 붕괴에서 오는 열과 지구 생성 초기 수많은 운석에 충돌하면 발생한 열이 내부에 갇혀있다. 이 초창기의 열은 암석대에 섞여 있던 니켈이나 철등을 거대한 열로 녹였고 유동성이 확보되자 이들 금속은 중력에 의해 핵으로 스며들었다. 관측결과 지구 내부에는 거대한 2-3개의 상승류가 존재하며 이들은 판을 움직이는 중요한 힘으로 작용한다. 이는 기본적으로 지구 내부와 외부의 열 차이에 의한 대류다. 그 매커니즘은 다음과 같다.

 우선 고온의 외핵이 핵-맨틀 경계부의 맨틀 물질 일부를 가열하여 상승류를 형성한다. 이들이 지표에 도달하면 하와이 제도 같은 화산 섬이 형성된다. 핸-맨틀 경계부의 넓은 면이 가열되면 중심부 물질이 상승하기 시작하며 거대한 원통형의 통로가 생성된다. 많은 물질이 상승하면 거대한 상승류가 생겨나고 이들은 상부 맨틀 및 하부 맨틀의 경계면(670km)까지 도달한다. 그리고 이 때 경계면의 위아래의 압력 차이로 스피넬 구조에서 감람석 구조로 바뀐다. 이들은 대개 경계면을 따라 수평으로 퍼지면서 가지를 치며 상승하여 약 100km두께의 판의 하부에 도달한다. 이들이 판을 뚫고 지표면까지 나오게 되면 아프리카 열곡대 같은 열점이 되며, 판에 균열을 내어 올라와 해양저 산맥과 같은 확장 축을 이룬다. 해양저의 확장축으로 상부 맨틀의 물질이 계속 올라오며 해양지각을 덮어 나가며 옆으로 확장한다. 오랜 기간 해양지각은 서서히 식어가며 밀도가 높아져 가라앉으며 섭입하게 된다. 이들은 무려 상하부 맨틀의 경계로 까지 내려가 다시 옆으로 퍼진다. 위에서는 계속해서 물질이 내려오는데 그러면서 덩어리가 매우 커진다. 이 압력으로 덩어리의 감람석은 다시 스피넬 구조로 바뀌게 되며 더욱 무거워지면 하부 맨틀의 바닥까지 떨어지게 된다. 이 거대한 무게의 하강류가 그 강대한 압력으로 액체인 외부 맨틀을 강타하게 되고 액체의 특성상 그 받은 압력은 다른 곳을 자극하여 솟구치게 된다. 즉, 다시 거대한 상승류가 시작되는 것이다.