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지형적 특성

산지지형은 주변지역보다 높은 표고와 큰 기복을 가지고 있는 것이 특색이다.

그러나 그 산맥을 형성한 변동작용이 다르면 그 형태도 달라진다. 도호(島弧 island arcs)에서 잘 나타나는 연쇄화산은 높은 개개의 화산이 줄지어 있지만 그 사이사이는 저지 혹은 완만한 지형으로 이루어져 있다. 핫스팟(hot spots)과 결합된 연쇄화산맥은 단지 그 산맥의 한쪽 끝에 있는 화산만이 활화산이다. 그래서 이 활화산 쪽의 고도는 높지만 여기서부터 거리가 멀어질수록 분출시기가 오래되었고 침식을 받아 화산체가 낮아진다.

수백~수천m의 퇴적지층이 습곡을 받아서 형성된 습곡산지는 길고 평행된 몇 열의 능선과 곡으로 이루어진다. 여기에서는 과습곡(overturned fold), 횡와습곡(橫臥褶曲 recumbent fold), 그리고 충상단층을 동반하는 경우가 자주 발생하여 오래된 지층이 나중에 된 지층을 덮는 경우도 나타난다.

단층운동에 의해서도 단층지괴산지를 형성한다.

단층지괴산지는 조산대의 일부로 포함되어 있는 경우도 있고, 고립된 산맥을 형성하기도 한다. 지각이 압축되는 곳에서는 미국 서부의 로키 산지나 중앙아시아의 톈산 산맥처럼 인접한 곡에 대하여 상대적으로 충상되어 역단층산지를 형성한다. 지각이 확장되는 곳에서는 인접한 지괴가 함몰함으로써 발생하는 정단층운동이 일어나는데 이런 곳에서는 산맥과 분지가 반복해서 나타난다.

캘리포니아 주에 있는 시에라네바다 산맥처럼 한쪽 사면은 급경사의 단층면으로 이루어져 있고, 그 반대사면은 완경사인 경동지괴(傾動地塊)산지도 있다.

인접한 지괴 혹은 고원 사이에 좁고 긴 지대가 함몰하여 지구대를 형성하는데 이 지구대를 따라서 지구대 쪽을 향한 사면은 급경사이고 그 반대사면은 완경사인 지구대 연변산맥이 형성된다. 지각이 확장되는 곳에 나타나는 또 하나의 단층지괴산지는 양측이 함몰하고 좁고 긴 가운데 지괴만 남아 있는 지루산지이다.

한때 고원이거나 광대하게 융기했던 지역이 오랜 침식을 받았을 때 침식에 강한 경암부가 남아 잔류산지(殘留山地 residual mountains)를 형성한다.

잔류산지는 고립되어 있고, 연속되는 산맥을 형성하기 어렵다. 그러나 오래된 습곡산지가 한번 평탄화되었다가 다시 융기해서 침식을 받을 때 그 내부의 지질구조가 다시 반영되어 산맥을 형성하는 경우는 연속된 산맥을 형성한다. 미국의 애팔래치아 산맥과 소련의 우랄 산맥이 그 예이다. 그러나 이 잔류산지는 고도가 낮고 완만한 것이 특색이다.

조산대를 형성·파괴하는 변동작용

산지나 고원을 유지하는 데 필요한 암석의 2가지 성질은 강도와 밀도이다.

만일 암석이 강도를 갖고 있지 못하면 산체는 주저앉아버릴 것이다. 조산대 아래 있는 물질의 강도는 그 위에 형성된 지형의 규모를 반영한다.

① 높아진 지형을 유지시키는 메커니즘：강도의 측면에서 암석권은 그 두께가 수 km에서 200km에 이르기까지 다양하지만 그 아래쪽에 있는 암류권(岩流圈)보다 훨씬 더 강하다. 암석권의 강도는 그것의 온도로부터 연유되는데, 두꺼운 암석권은 그 부분이 상대적으로 온도가 낮기 때문에 형성된다.

냉각되고 두꺼워져서 강도가 높은 암석권은 엷은 암석권보다 높은 산맥을 지탱할 수 있다. 지각은 그 아래 있는 맨틀(mantle)보다 가볍다. 대양저의 지각은 그 평균 두께가 6~7km이고, 대륙지각의 평균 두께는 35km이다. 그러나 높은 산맥이나 고원부근의 지각은 60~70km나 되기 때문에 이들은 두꺼운 지각의 뿌리에 의하여 지탱되어 있다. 비중이 가벼운 지각은 마치 대양상의 빙산처럼 맨틀위에 떠 있다.

② 높은 고도를 만드는 변동작용：산지와 고원은 침식되어 파괴되는 것보다 더 빠른 변동작용이 지형을 높여놓기 때문에 존재한다. 높은 고도는 3가지 주요 변동작용 즉 화산작용, 습곡·중점 단층으로 표현되는 수평적 지각단축작용, 넓은 지역에 걸친 가열에 의한 열적팽창작용으로 만들어진다.

화산작용은 다음과 같다. 대부분의 화산은 수십 km 깊이의 맨틀 속에서 용해된 물질이 그 위에 있는 지각을 뚫고 분출한 물질로 구성되어 있다. 분출한 물질의 물리적 성질은 그 화산의 형태와 높이를 좌우한다. 하와이에서와 같은 점성이 낮은 용암은 쉽게 흘러내려서 완만한 사면을 만든다. 그러나 점성이 높은 용암은 폭발성 분출의 쇄설물과 함께 경사가 급한 원추화산을 만든다. 일본의 후지 산, 아프리카의 킬리만자로 산이 그 예이다. 지각 단축작용은 다음과 같다. 대부분의 조산대 안에서 한 지괴가 다른 지괴 위로 충상되거나 암층이 습곡되어서 지각이 단축되면 높은 고도의 지형을 형성한다.

산맥이나 조산대의 지형은 부분적으로 이와 같은 단층변위의 양, 단층면의 각, 단층과 습곡작용에 의한 지각의 단축정도, 변위되고 침식에 노출된 암석의 형태 등에 의해 달라진다. 즉 조산대 간의 지형적 차이는 이와 같은 요소들의 조합의 차이로 설명할 수 있다. 가열과 열적 팽창작용은 다음과 같다.

암석은 대부분의 물질과 같이 가열되었을 때에 팽창한다. 어떤 산맥이나 고원은 그 아래쪽에 있는 지각과 맨틀의 윗부분이 이상적(異常的)으로 더워져서 단순히 높아진 것이다. 대양저의 중앙해령, 해팽과 같은 해저지형의 변화는 지구외각(약 100km 두께)의 수평적 온도변화에 원인이 있다. 더운 지역은 높은 해저를 형성하고, 찬 지역은 낮은 해저를 형성한다. 프랑스 중남부의 중앙고원, 북아프리카의 에티오피아 고원은 그 아래쪽에 있는 물질이 가열되어서 단순히 높아진 것이다.

③ 높아진 지형을 파괴하는 변동작용：침식 외에도 구조적으로 지표의 고도를 낮게하는 2가지 작용이 있다.

수평적 지각의 확장은 지각이 엷어지는 것과 결합하여 지각의 뿌리를 감소시키고 소멸시킨다. 이와 같은 현상이 일어날 때 조산대는 폭이 넓어지고 평균고도는 감소하며 냉각은 열적 수축과 결합해 조산대의 평균고도를 감소시킨다.

조산대의 주요형태

조산대는 여러 가지 측면에서 서로 다르나, 지구과학적으로는 몇 개의 범주로 묶을 수 있는 유사성을 갖고 있다.

이들 범주의 각각은 그 조산대를 만든 주 작용에 의하여 특징지어진다. ① 화산작용과 결합된 조산대：화산작용은 다음과 같은 3가지 구조장에서 이루어진다. 즉 화산작용은 지각판이 분리되고 있는 중앙해령의 축을 따라서 발생하는 경우가 일반적이나 이 경우 해면 위에까지 솟은 화산은 드물다. 대양지각판이 다른 지각판 밑으로 섭입(攝入 subduction)하는 섭입대에서는 화산으로 연쇄된 열도, 도로 혹은 이들과 결합된 조산대가 형성되어 있는 것이 일반적이다.

핫스팟과 관련된 연쇄화산맥은 지각판의 경계와 멀리 떨어진 곳에서도 존재한다.

2개의 암석권판이 분리되는 곳에서는 그 판의 틈 사이로 새로운 물질이 관입하고 이 물질은 분리되는 각각의 지각판에 부착된다. 이렇게 분출된 화산암이 지표 화산암의 대부분을 차지한다. 중앙해령의 축을 따라서 길고 좁은 열구가 형성되어 있는데 이곳이 바로 화산암이 관입하는 곳이다.

해령이나 해팽이 핫스팟과 결합될 때 화산작용이 특별히 풍부하다. 그러나 중앙해령이나 해팽으로 정의되어지는 기복의 대부분은 전부가 화산작용에 의해서 형성된 것이 아니고 열적팽창이 오히려 더 작용하고 있다. 선상의 혹은 원호상의 화산대는 일반적으로 섭입대와 결합되어 있으며 화산들은 일반적으로 해구에서 150~200km 육지 쪽을 연하여 형성되어 있다. 이와 같은 배열은 태평양해분의 경계지역에서 잘 볼 수 있다. 화산은 강한 지진활동대 위에 놓여 있는데 이들 지진은 해구 부근에서는 얕은 진원지에서 발생하고, 화산대 쪽으로 가면서 깊어지는 경사진 지진대를 형성한다.

화산들은 알류샨 열도나 소안틸 제도처럼 도호를 형성하거나 안데스 산맥을 따라서와 같이 대륙연변부에 분출해 있다. 이와 같은 화산들은 산정에 화구가 있는 급경사의 화산추가 대부분이며, 1980년 미국 서부의 세인트헬렌 산의 분출 같이 거대한 분출을 반복하고 많은 쇄설물을 방출한다.

강력한 분출 뒤에는 화산 붕괴 및 함몰이 일어나 칼데라를 남긴다. 이들 화산에서 분출된 용암은 암석권을 뚫고 암류권에 이른 섭입된 지각의 쐐기가 용해되어 마그마가 된 것이다. 섭입하는 암석의 틈 사이로 따라들어간 수분 혹은 화학적으로 느슨하게 결합된 수화물질 속의 수분이 암석의 융해점을 낮추게하고 쐐기 속의 물질을 녹게하여 표면으로 올라오게 한다. 어떤 화산현상은 지각판의 경계에서부터 먼거리에서 발생하는데 미국의 옐로스톤 국립공원이나 태평양의 하와이 제도가 그 예이다.

또한 중앙해령 체계에서 어떤 곳에 특별히 화산작용이 강렬한데 예를 들면 아이슬랜드 섬이나 동태평양의 갈라파고스 섬이 그것이다. 이와 같은 구조장에서의 용암의 분출은 지표에서 수백km 깊이의 암류권 속에 있는 핫스팟(hot spot)과 관련이 있다. 이와 같은 융해된 마그마의 공급원은 열적 차이에서라기보다 화학적 차이에 연유한다.

활화산은 일반적으로 핫스팟으로부터 100~200km 이내의 지역 안에 위치한다.

사화산의 연쇄는 암석권판이 핫스팟 위를 지나간 곳에서 나타난다. 활화산은 이 연쇄화산맥의 한쪽 끝에 놓여 있고 여기서부터 거리가 멀어질수록 화산의 형성시기가 오래되었으며, 오래된 화산은 최근에 된 것보다 훨씬 더 침식되었고, 침강되어지는 섬에는 산호초가 형성된다. 이와 같은 종류의 연쇄화산은 대륙지역에서는 일반적이 아니다. 그 이유는 부분적으로 대부분의 대륙지괴는 아주 천천히 핫스팟 위를 이동하기 때문이다.

그러나 화산활동은 그 판이 핫스팟 위를 천천히 이동할 때 특별히 많아질 수 있다. 더욱이 장기간의 화산활동은 암석권을 따뜻하게 하는 결과를 초래한다. 이 온난화는 국지적으로 암석권판의 열적 팽창의 원인이 되고, 결과적으로 미국의 옐로스톤 지역이나 프랑스의 중앙고원처럼 지구표면이 곡융(曲隆)하거나 돔상구조를 이루게 한다.

어떤 핫스팟은 주로 현무암질 구성성분의 용암과 화산재를 대량으로 분출하여 수십~수백㎢의 지역을 뒤덮는다. 이러한 현무암 용암류는 수백만 년 전에 옐로스톤 서쪽의 스네이크(Snake) 강 평원을 매몰했고, 2,000만 년 전에는 콜롬비아 하곡을, 6,000만 년 전에는 인도 데칸고원의 용암대지를 형성했다. 용암류는 현저하게 평탄한 지형면을 만들고 뒤에 하계망에 의하여 깊게 감입, 개석된다. 섭입대나 중앙해령을 따른 해저확장에 의해서 설명될 수 없는 대부분의 연쇄화산은 핫스팟에 연유하고 있다.

② 지각단축과 관련된 조산대：세계 대부분의 조산대는 지각이 수평적 단축과 이에 따라 지각이 두꺼워지면서 형성되었다.

이런 조산대와 관련된 지형은 지각변위의 율·양·형태에 의존하고, 침식으로 노출된 암석의 종류에 의존한다. 지각단축과 관련된 조산대는 3가지 경우가 있다. 대륙과 대륙이 충돌하는 구조장에서 형성된 알프스-히말라야 조산대, 해저지각이 대륙지각 밑으로 섭입하는 구조장에서 형성된 안데스형 조산대·충돌대·섭입대로부터 멀리 떨어진 대륙 내부에서 지괴운동으로 이루어진 조산대가 그것이다.

알프스-히말라야 조산대는 한 대륙이 다른 대륙 밑으로 이동하기 때문에 만들어져왔다.(→ 대륙이동) 일반적으로 두껍고 비중이 가벼워서 떠 있는 대륙지각은 암류권 속으로 깊이 들어가지 않는다.

반면 밑으로 들어가는 대륙의 선단부는 긁혀 벗겨지고, 긁히고 남은 대륙판은 긁혀 벗겨진 면 아래로 휘어지며, 긁혀 벗겨진 물질은 그 위에 높게 쌓인다. 이와 같은 두 대륙판이 수렴되어 결국에는 그 이동이 정지된다. 긁혀 벗겨지는 과정에서 강한 퇴적암층은 그 밑에 놓여 있는 연암층(암염·석고·셰일)으로부터 떨어져서 다른 층 위로 충상되면서 일정한 간격으로 배사부와 향사부가 반복되는 습곡을 이룬다. 펜실베이니아 주의 베리·릿지 지구는 고생대말 북아메리카와 아프리카가 충돌하는 동안에 형성된 한 고기 습곡산지의 예이다.

이때 두 지각판의 수렴속도는 연간 10~100㎜ 정도로 빠르고 중요 충상단층상에서의 총변위량도 또한 수십km~100km를 넘을 정도로 크다.

대륙지각의 한 얇은 판이 그 대륙의 나머지 부분으로부터 찢어져서 그 위로 충상되는 단층을 램프오버스러스트(ramp-overthrust)라 한다.

이 단층이 처음 형성될 때는 단층면의 경사가 10~30°이다. 이 단층면 상에서 벗겨지는 지각의 엷은 판이 미끄러질 때 그 앞쪽은 단층면을 벗어나 지표면을 덮으며 미끄러진다. 이때 지금까지 안정되어 있던 대륙이 그 위에 충상되어 덮인 물질의 무게 때문에 아래로 휘어진다. 결과적으로 처음에는 평탄하던 지표면이 매우 완만한 각도로 경사지게 된다.

램프오버드러스트는 두 부분으로 구성된다. 그 램프의 첫째 부분은 상대적으로 급경사의 단층면을 이루고, 그 면 위로의 충상작용은 지각판과 지각 속 깊은 곳에 있던 결정질암의 융기를 야기시켜 결과적으로 높은 기복과 고도의 산맥을 형성한다. 한때는 대륙의 표면이었던 그 다른 쪽 부분은 아래로 휘어지고 완만한 각도로 기울어진다. 충상되는 얇은 지각판의 계속적인 미끄러짐은 그 앞쪽 대륙의 표면을 계속 덮어가고, 그 전면에 있는 퇴적암층을 주름지게 하여 소 습곡과 소 충상지형을 만들게한다.

램프오버스러스트 작용이 계속되고, 산맥이 올라타서 안정대륙이 아래로 휘어질 때 전분(前盆 foreland basin)이 형성된다. 전분은 그 뒤의 충상산지로부터 공급되는 퇴적물에 의하여 곧 메워지기 때문에 그 분지의 구조는 일반적으로 지하구조로만 존재한다.

몰라세(molasse)라고 불리는 퇴적물은 퇴적 후 얼마 뒤에 또다른 단층작용에 의하여 습곡되거나 충상된다. 이와 같은 습곡 및 충상대는 알프스의 북쪽 가장자리와 대부분의 히말라야 산록에서 찾아볼 수 있는데 1~2열 좁은 평행습곡과 단층을 형성할 뿐이며 일반적으로 낮고 옆으로 길게 늘어진 구릉지를 이룬다. 그러나 퇴적물질은 충분히 굳어지지 않아서 빠르고 쉽게 침식된다. 따라서 충돌대에서는 일반적으로 융기된 좁은 결정질암지대, 평행습곡, 충상단층지대가 식별된다.

어떤 대륙의 연변부에서는 대양지각판이 대륙 밑으로 섭입하는데, 북아메리카 서부의 캐스케이드 산맥이나 일본에서는 화산이 탁월한 지형경관을 보인다.

그러나 남아메리카의 안데스 산지에서와 같은 곳에서는 화산의 분포가 적고 지형기복에 있어서도 화산이 미치는 영향이 무시될 정도이다. 안데스형 대륙연변부는 지각이 평균보다 아주 두껍고 화산이 없으면서 높은 산지를 형성하고 있다. 이와 같은 지형은 맨틀로부터 마그마가 지각 속에 관입한 것과 지각단축작용으로 설명될 수 있다. 대양지각은 활동적인 대륙연변부에서 연간 수십~100㎜ 정도씩 섭입한다.

그러나 그 위를 탄 지각의 단축은 연간 수㎜의 발생에 지나지 않는다. 대륙과 대륙의 충돌대에서 안데스형 지각단축은 2가지 방법으로 발생한다. 즉 하나는 결정질암 지형이 안정된 대륙지각 위로의 충상작용으로 일어나는데, 이 경우는 화산대의 육지 쪽에 놓여 있는 지대에서 일어난다. 이때 화산대 가까이 있는 암석들이 가열되어 약해짐으로서 이와 같은 충상작용은 촉진된다.

다른 하나는 안정된 대륙 위에 퇴적되어 있는 퇴적암지대에서 습곡과 충상대를 형성하는 것이다. 이 평행습곡과 충상단층대의 존재여부는 지층 내부에 분리가 일어날 수 있는 두꺼운 퇴적암의 존재 여부에 달려 있다. 안데스형 조산대의 변위나 융기의 규모는 충돌대의 변위나 융기보다 적다.

결정질암의 충상도 적고 충돌대에서처럼 깊은 곳에서부터 충상되지 않는다. 예를 들어 안데스 산지의 대부분은 몇 km 이상 깊게 묻히지 않았던 수성암으로 구성되어 있어 변성작용도 거의 받지 않았거나 아주 약하게 받았다. 또한 안데스의 높은 부분의 지형은 히말라야의 그것에 비하여 훨씬 완만하다.

어떤 지역에서는 두 대륙이 충돌했다기보다는 대륙지괴 안의 지각단축에 의해서 조산대가 형성되었다.

약 4,000~8,000만 년 전에 콜로라도 주, 유타 주, 와이오밍 주에 걸쳐 있는 로키 산지의 형성원인은 바로 지각단축이었으며, 중국 내륙의 톈산과 북서아프리카의 아틀라스 산지는 대륙 속에서 활동적으로 형성되고 있다. 일반적으로 이런 조산대들은 지괴단층에 의하여 특징지워지고, 수십km의 폭과 수백km 길이의 지괴가 경사 25~45°의 단층면을 따라 융기되어 있으며 일반적으로 결정질암이 노출되어 있다. 습곡이나 충상단층대는 아주 좁은 대로서 아주 간혹 나타난다.

이와 같은 산맥의 가장자리에 있는 퇴적암지대는 일반적으로 경동지괴를 이루고 침식에 강한 층호그백(hog-back)이라는 좁고 날카로운 능선을 형성하여 그 앞의 산맥과 평행되게 배열되어 있다. 톈산 산맥에서는 2~3열로 된 거의 평행하고 날카롭게 융기된 산맥이 약 10~30km 폭의 평행된 분지에 의해서 서로 분리되어 있다. 이와 같은 분지 중의 하나인 투루판 분지는 해수면보다 더 낮게 떨어져 있다.

세계의 주요 조산대

환태평양 조산대와 알프스-히말라야 조산대를 들 수 있다(→ 환태평양 조산대). 대부분의 산맥은 조산대의 부분들이며 조산대는 2개의 암석권 판이 수렴했거나 지금도 계속 수렴하고 있는 곳에 형성되어 있다.

사실 대부분의 조산대는 암석권판의 경계를 나타내고 이들 경계들은 서로 연결되어 있다. 환태평양 조산대는 태평양 분지를 연속된 연쇄화산과 산맥이 둘러싸고 있는 지형을 말한다. 알프스-히말라야조산대는 북아프리카의 모로코에서부터 유럽을 거쳐 터키와 이란을 가로질러 히말라야로 연결되고 동남아시아에까지 이르는 거의 연결된 연쇄산맥을 말하며 이것은 아프리카·아라비아·인도판이 유라시아판과 충돌하는 곳에서 형성되고 있다. 지구상에서 대부분의 산맥은 이 두 체계의 조산대에 포함되며, 이에 포함되지 않는 대부분의 산지는 잔류산지로서 수억 년 전에 있었던 고대륙의 충돌에 연유한 것들이다.