땅에 대한 연구, 판구조론의 역사 총정리 - 베게너의 대륙이동설부터 지진파 토모그래피로 확인된 플룸구조론까지

19세기 과학계에서 가장 논란이 되었던 주제 중 하나는 지구의 지형 변화에 대한 이해였습니다. 이러한 변화의 원인을 설명하려는 두 가지 주요 이론이 있었습니다.
 
첫 번째 이론은 "수축설"로, 이것은 지구가 초기에 생성되고 시간이 지남에 따라 냉각되면서 지표가 수축하고 주름진 구조를 형성한다는 것을 주장했습니다. 이 이론은 오스트리아 지질학자 에두아르트 쥐스에 의해 정리되었으며, 그는 지각의 수축이 산맥의 형성과 해저의 형성에 연결된다고 주장했습니다. 그러나 이러한 이론은 지구 내부의 방사능 방출을 고려하지 않아 지구 내부 온도 변화를 설명할 수 없는 결점이 있었습니다.
 

반응형

 
두 번째 이론은 "대륙이동설"로, 독일의 기상학자 알프레트 베게너가 1912년에 제시한 것입니다. 이 이론은 아프리카와 남아메리카 대륙의 해안선이 서로 부합하는 것을 관찰하여, 이들 대륙이 원래 하나였을 가능성에 의문을 제기했습니다. 이에 대한 증거로 아프리카와 브라질에서 유사한 화석이 발견되었다는 사실을 언급하며, 베게너는 이들 대륙이 하나의 거대한 대륙인 "판게아"에서 분리되어 현재의 대륙 형태로 이동했다고 주장했습니다. 이 이론은 대륙이 지각에서 중심으로 들어갈수록 밀도가 증가하고, 가벼운 대륙 암석이 무거운 해저 암석 위를 떠다닌다는 개념을 포함했습니다.
 

베게너(좌)와 대륙이동설 (출처 위키백과, 교육부 공식 블로그)

 
따라서, 19세기 과학계에서는 지구 지형 변화의 이론적 설명을 둘러싼 논란이 있었으며, 대륙 이동설은 후에 플레이트 텍토닉스 이론으로 확립되는 중요한 아이디어를 제공했습니다.
 
그러나 베게너는 대륙 이동설을 제시했지만 결정적인 증거를 제시하지 못하였고, 대륙이 극에서 멀어져 발생했다는 모호한 가정만을 제기했습니다. 당시에는 지구 내부가 단단한 물질로 이루어져 있다고 여겨졌으며, 고체 맨틀이 지각을 떠받치고 있는 상황에서 대륙의 이동은 불가능한 것으로 여겨졌습니다. 따라서, 베게너의 대륙 이동설은 과학계에서 외면을 받았습니다.
 
그러나 베게너의 이론이 모두에게 외면당한 것은 아니었습니다. 영국의 지구물리학자 아서 홈스는 베게너의 주장을 연구하고 이를 뒷받침하는 이론인 "맨틀 대류설"을 제시했습니다. 홈스는 원래 방사능을 연구하던 과학자로서, 방사능이 지구 내부에서 열을 발생시킬 수 있다는 사실을 근거로 지하 깊은 곳의 암석이 약간의 유동성을 가질 수 있다고 주장했습니다. 이론적으로, 베게너의 주장과 유사하게 대륙이 더 밀도가 높은 물질 위를 떠다니지만, 해저 암석 위를 떠다니는 것이 아니라 밀도가 높은 지구 내부 물질인 맨틀 자체가 대류에 의해 아주 천천히 움직여 대륙을 움직인다고 생각했습니다. 홈스는 이 대류의 원동력을 방사성 원소의 붕괴 열과 지구 중심부에서 올라오는 고온 열로 설명하였습니다. 그는 1930년대에 "<글래스고 지질학회 보고서>"에 맨틀 대류로 인해 대륙이 매년 약 5cm씩 움직인다는 논문을 게재하였으며, 이는 현재의 측정치와 매우 유사하다고 알려져 있습니다.
 

728x90

 
물론, 화석자기 연구는 대륙 이동설을 뒷받침하는 데 중요한 역할을 하였습니다. 당시에는 지구의 자기장이 지난 10만 년 동안 동일한 방향을 가지고 있을 것으로 알려져 있었으나, 특정 지역에서 과거의 자기장이 오늘날과 정반대의 방향으로 뒤바뀐 사례가 발견되었습니다. 이로부터 화석자기의 방향이 주기적으로 변화한다는 가정하에 대륙들이 다시 재조합된 것으로 판단되었고, 이러한 재조합이 베게너의 주장과 크게 부합한다는 것을 밝혀냈습니다.
 
이러한 연구를 정리하고 1960년에 미국의 지질학자 해리 헤스가 "해저확장설"을 발표하였습니다. 이 모형에 따르면 맨틀에서 대류에 의해 상승하는 지역에서 지표가 양쪽으로 퍼져가면서 기존의 대륙을 미는 과정이 일어나며, 이러한 지역을 "해령"이라고 부릅니다. 또한, 멀리 밀려난 지표가 다시 맨틀로 들어가며 사라지는 지역을 "해구"라고 명명했습니다. 이 모형을 통해 해구 주변 지역 (예: 일본)에서의 지진 및 화산 활동을 설명하였으며, 해저확장 모형은 홍해의 확장과 미국 캘리포니아의 산안드레아스 단층과 같은 지질 현상을 설명하는 데 도움을 주었습니다.
 

해령과 해구 (출처 금성출판사)

 
이후, 미국과 소련이 핵무기 개발을 위해 설치한 지진 관측 망에 의해 그려진 지진 분포도가 헤스의 예측과 일치하면서, 이론이 확립되는 데 결정적인 역할을 하였습니다.
 
1960년대 중반까지 많은 대륙 이동 관련 증거가 나왔지만, 아직까지 하나의 통합된 이론으로 합쳐지지 않았습니다. 다수의 지구물리학자가 이 문제를 연구했고, 1967년 댄 메킨지와 로버트 파커가 가장 먼저 "판구조론"이라는 용어를 도입하여 이전까지의 다양한 이론들을 통합하여 정리했습니다. 이들은 <네이처>지에 논문을 게재하며 이 이론을 제안했습니다.
 

판구조론 (출처 금성출판사)

 
지구물리학자들은 지진파가 지구 내부에서 어떻게 이동하는지 관찰하면서, 지각과 지구 최상부 맨틀을 포함한 약 100km 두께의 암석권은 매우 단단한 반면, 그 아래에는 "연약권"이라고 불리는 유동성 있는 층이 존재함을 알아냈습니다.
 
이러한 사실들을 종합하여, 지구의 표면은 약 100km 두께의 10여 개의 조각으로 나누어져 있으며, 이들이 서로 움직이면서 그 경계에서 다양한 지형 변화가 일어난다고 이론화했습니다. 해구는 해저 표면에 있던 지각이 지구 내부로 가라앉는 지점을 가리키며, 이렇게 가라앉은 지각이 지구 내부로 깊이 들어가면서 지진을 발생시키고, 가라앉은 지각은 압력에 의해 녹아들고, 해령에서 대류에 의해 지표로 다시 솟아오르며 새로운 지각을 형성한다는 개념을 제시했습니다. 또한, 밀도가 유사한 판들이 충돌하여 산맥을 형성하거나, 판들이 서로 엇갈리며 단층을 형성하는 등 다양한 지형 현상을 설명하였습니다. 이 판의 움직임을 일으키는 힘으로는 확장대에서 새로 형성된 해저가 바깥쪽으로 이동하는 힘, 침강하는 판의 밀도 차에 의한 아래로 끌리는 힘, 연약권의 대류와 판 하부와의 마찰로 인한 힘 등을 언급하였습니다.
 
그러나, 지구 상의 대규모 운동은 표층 판의 움직임만으로는 충분히 설명되지 않았습니다. 특히 판게아와 같은 거대한 대륙 이동을 설명하기 위해서는 판구조론에서 제시한 힘의 원동력만으로는 부족하다고 여겨졌습니다. 이로 인해 현대에는 지구 내부의 움직임을 설명하기 위한 "플룸구조론"이 등장하였습니다.
 

플룸구조론과 지진파 토모그래피 ( 출처 메가스터디, 사이언스타임즈)

 
플룸은 지구 내부에서의 강력한 상승류 또는 하강류를 가리키며, 판구조론에서 제안된 대류가 주로 상부 맨틀로 한정되었다면, 플룸구조론에서는 대류가 맨틀과 외핵 경계까지 포함된다는 개념을 도입했습니다. 이러한 플룸의 상승과 하강은 판의 이동을 가능하게 하며, 이로써 대륙 이동 및 지구 지각 변화를 더욱 정확하게 설명할 수 있게 되었습니다. 플룸구조론은 지구 내부의 열과 물질의 흐름을 고려하여 지구 지각 변화의 원인을 더 규명하는 데 도움을 주었습니다.
 
플룸구조론에서는 판의 이동을 설명하기 위해 두 가지 주요한 플룸 유형을 제시합니다. 하강류인 '차가운 플룸'은 해양 판의 섭입 지점에서 시작합니다. 그러나 단순한 대류로 인한 하강은 지표의 판이 외핵 경계로 하강하는 현상을 완전히 설명하지 못했습니다. 이 문제를 해결하기 위해 '체류 슬랩' 개념이 도입되었습니다. 섭입 판은 상부 맨틀과 하부 맨틀 경계에서 체류하게 되어, 이로 인해 지각에서 내부 700km 경계에 쌓인 판이 체류 슬랩을 형성합니다. 체류 슬랩은 차가운 지각으로 쌓인 것이므로 슬랩이 커질수록 밀도가 작아져 판의 섭입을 억제하고, 이에 따라 해령에서의 판 생성 속도도 감소합니다. 체류 슬랩이 일정한 한계를 넘어서면 붕괴하여 낙하하여 차가운 플룸을 형성합니다. 외핵 경계로 낙하한 차가운 플룸은 외핵 경계에 있던 뜨거운 물질과의 온도 불균질을 발생시키고, 이로 인해 뜨거운 물질은 위로 상승하게 됩니다. 이것이 '뜨거운 플룸'으로 알려져 있습니다.
 
플룸구조론은 초대륙 판게아의 분리를 설명하기 위해 사용되며, 초대륙이 담요처럼 상승 플룸으로 덮이고, 이로 인해 축적된 열이 한계에 도달하여 분리되었다고 설명합니다. 전 지구적인 플룸구조론 모델에서 남태평양과 아프리카 지역은 뜨거운 플룸 (상승류)이 위치하고, 아시아 지역은 차가운 플룸 (하강류)이 위치함으로써 대부분의 판들이 유라시아로 모이는 현상을 설명합니다. 과학의 발전으로 지진파 연구가 활발해지고, 온도에 따라 지진파의 속도가 변하는 특성을 이용하여 지진파 전달 양상을 입체적으로 표현한 '지진파 토모그래피'를 통해 하부 맨틀로 떨어지는 차가운 맨틀의 흐름을 확인할 수 있게 되면서 플룸구조론 가설은 더욱 강화되었습니다.