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지각평형설(地殼平衡設)

지각은 맨틀보다 밀도가 작고 가벼우며, 맨틀 위에 떠 있는 것으로 생각된다.

그러므로 지각은 상당 부분이 수면 밑에 잠긴 채 물 위에 떠 있는 빙산(氷山)과 유사하다. 지각평형의 원리에 의하면 지각은 밀도가 큰 물질 위에 떠 있으면서 수직방향에 대해 평형을 이루려는 경향이 있는 것으로 알려져 있다. 이는 지표면으로부터 지구 중심부로 가해지는 전체 질량은 지표면의 어느 지점에서나 정량적으로 같다는 것이다. 예를 들어 산이 있는 지역은 산의 큰 질량으로 인해 지각 하부에 보다 큰 하중을 가할 것으로 생각되지만, 지각평형설에 의하면 산의 밑부분에 존재하는 물질(산뿌리)은 저지(低地) 또는 바다의 밑부분에 존재하는 물질에 비해 밀도가 작기 때문에 지표면의 모든 지점에서 아래쪽에 가해지는 하중은 비슷하다는 것이다.

산 아래에 있는 산뿌리는 산보다 약 6배가량 크며, 가벼운 물질로 구성되어 있는 것으로 알려져 있다.

이러한 수직방향에 대한 중력보상(重力補償)의 개념은 중력관찰에 의해 최초로 알려지기 시작했다. 이러한 지각평형의 개념이 우세하게 작용한다면 위도의 차이를 고려하지 않았을 때 바다와 육지의 중력은 별 차이가 없을 것으로 예상할 수 있는데, 실제로 대부분의 산악지역과 심해저(深海底)는 지각평형을 이룰 수 있도록 잘 보상되어 있다고 한다.

한편 정상적인 중력값을 벗어나는 중력이상(重力異常)은 일본열도를 포함하는 환태평양 조산대와 같이 조산운동이 활발히 진행중인 지역에서 보고된 바 있다. 또한 이들 지역에서는 화산활동과 지진도 많이 발생하는 것으로 알려져 있는데, 다른 지역에서 일어나는 많은 지진이 얕은 곳에서 일어나는 것과 달리 지하 700km 이상의 심부에서 일어나는 것으로 관찰되었다.

따라서 조산운동이 활발한 지역의 지하 심부에 존재하는 맨틀은 조산운동과 밀접한 관계를 갖는 것으로 생각되고 있다.

조산운동

조산운동이란 습곡산맥과 지괴산맥(地塊山脈)을 만드는 지각운동으로 한 가지 작용, 또는 몇 가지 작용들의 복합적 운동에 의해 일어난다.

조산운동을 일으키는 원인으로는 다음의 4가지 가설이 제시되었다. 수축설은 지표면의 구조를 쉽게 설명한 가장 오래된 가설로서, 지구는 시들어 주름이 잡힌 사과와 유사하며 산 계곡과 같은 지표면의 구조는 사과의 표면에 나타나는 주름에 해당한다는 이론이다. 그러나 지구가 방사성 동위원소의 붕괴시 발생하는 열로 가열된다는 사실이 밝혀진 후에는 지구가 지질시대를 통해 지표면에 주름이 형성될 정도로 대규모의 수축이 일어났다는 가정은 점차 받아들이기 어렵게 되었다.

대류설(對流說)은 맨틀 대류로 해구 및 중앙해령과 같은 지각의 대규모적인 구조가 형성된다는 이론이다. 맨틀이 점성(粘性)이 있는 유체라고 가정했을 경우, 이들이 하부로부터 열을 받게 되면 천천히 용승할 것이다. 또한 맨틀이 점성을 가진 유체가 아니고 소성(塑性)을 지닌 고체일지라도 열적 조건만 적합하면, 유체의 경우와는 다소 양상이 다르겠지만 대류가 일어나 해구나 중앙해령과 같은 대규모의 구조를 형성할 수 있을 것이다.

대류설은 판구조론의 기본이 되는 학설로 널리 인정되고 있다. 상변화설(相變化說)은 상변화를 설명한 이론으로 상변화란 온도나 압력의 변화에 의해 광물의 결정구조가 변하는 것을 의미한다. 많은 증거에 의하면 지표면에서는 존재할 수 없는 치밀한 광물들이 고압하에서는 안정한 것으로 알려져 있다.

또한 지각과 맨틀 사이의 모호로비치치 불연속면은 바로 이러한 상변화가 일어나는 면이라고 주장된 바 있다. 온도는 방사성 동위원소의 붕괴시 발생하는 열에 의해 상승하기도 하며, 이러한 온도의 상승은 불연속면의 하강을 일으키기도 한다. 만약 이때 열이 화산작용이나 기타 다른 작용을 통해 방출되면 이곳의 온도는 다시 떨어지고 불연속면은 상승하게 된다. 이때 일시적으로 평형이 깨진 지각은 다시 평형상태로 돌아가려고 지각의 대규모 수직운동을 일으키게 되어 지표면에 여러 가지 구조를 형성하게 된다는 것이다.

부가설(附加說) 이론을 보면, 지하로 들어감에 따라 일어나는 온도상승은 처음에는 신속히 일어나다가 나중에는 천천히 일어나므로, 맨틀 내에 있는 규산염광물은 다른 지역보다는 대부분 지하 100~200km 되는 지점에서 녹는점에 근접하게 된다.

이러한 상황에서 부분용융이 일어나게 되면 이곳의 물질은 액체상태가 되므로, 가벼운 성분은 무거운 성분 위에 놓이는 분화작용이 일어나게 된다. 그리하여 가벼운 성분의 물질은 상부층을 뚫고 들어가면서 점차 상부 쪽으로 이동하게 된다. 지각의 물질은 이와 같은 방법으로 성장하게 되는데 이러한 작용을 부가작용이라고 한다. 화산작용은 이러한 작용에 대한 좋은 예이다. 지각의 대륙지괴는 지질시대를 통해 부가작용에 의해 점진적으로 축적되어 형성된 산물이다. 한편 지구의 바다와 대기도 지구의 역사를 통해 암석물질로부터 나온 물질들이 느린 속도로 모여 형성되었으며, 이들도 부가작용의 2차산물이라는 설이 몇 가지 명백한 증거에 의해 제시되어 있다.

판의 운동

현재 지표면의 대규모 지형들은 판의 운동으로 형성된 것으로 설명되고 있다.

판은 1년에 수cm 정도의 속도로 수평이동한다. 지구과학자들은 아직 판의 이동을 일으키는 원인에 대해 명확한 규명을 하지 못했지만, 많은 학자들은 판 아래의 연약층에서 일어나는 느린 속도의 대류 때문으로 설명한 대류설을 믿고 있다. 대류는 뜨거운 물질이 차가운 상부로 이동하고 차가운 물질이 뜨거운 지점으로 하강할 때 일어난다. 맨틀 심부에서 뜨겁고 부분적으로 용융된 물질인 마그마는 팽창에 의해 점차 가벼워진다.

가벼워진 마그마는 상승하며, 표면 근처에 있던 차갑고 밀도가 큰 암석이 그곳을 채우기 위해 하강한다. 상승하는 뜨거운 암석물질과 하강하는 차가운 암석물질의 순환적인 흐름이 대류를 일으키게 된다. 이러한 대류는 1년에 2~8cm의 속도로 판들을 이동시키는 데 필요한 힘을 제공할 수 있는 것으로 추정되고 있다(지각변동).

판경계부

판들은 그들의 경계부를 따라 상호작용 한다.

판의 경계부는 주변 판에 대한 상대적인 운동양상에 따라 분기(分岐)경계부(그림4), 수렴(收斂)경계부(그림5·6), 변환(變換)경계부(또는 주향이동경계부)의 세 종류로 분류된다.

분기경계부에서는 2개의 판이 갈라지는 1개의 중심선 양측에서 서로 반대 방향으로 움직인다. 따라서 판들 위의 일정한 점들은 서로 멀어지게 되며, 마그마가 분기하는 중심선을 통해 분출되어 현무암으로 된 새로운 지각을 형성하게 된다.

분기경계부는 대서양 중앙해령과 같은 해령이다. 해령에서 생성되는 화성암의 양은 경우에 따라 상당한 차이를 보여준다. 화성활동은 앞서 설명한 분기경계부에서보다 열점(熱點) 주변에서 훨씬 강하게 일어나는데, 열점이란 화성활동이 평균 이상으로 일어나는 지역을 말한다. 일부 열점들은 맨틀플룸(맨틀로부터 발산된 용융상태의 뜨거운 암석으로 형성된 기둥)의 윗부분에 놓여 있는 것으로 생각되는데 아이슬란드는 이러한 열점의 예이다.

해령의 정상부를 따라서도 많은 양의 마그마가 분출한다. 대륙지각 위나 대륙지각 내에 포함된 화성암도 분기경계부를 따라 형성되는 화성암에 포함된다. 분기경계부는 심한 단층작용과 함께 장력(張力)에 의한 주요 천발지진(淺發地震：지표면 아래 60km 미만의 깊이에서 발생하는 지진)이 일어나는 지역이다. 해령의 정상부를 따라 생성되는 지각은 수많은 단층으로 절단되어 있다. 수렴경계부의 판들은 서로 충돌하게 된다.

충돌의 결과로 습곡산맥이나 지괴산맥을 만든다. 히말라야 산맥과 주변의 티베트 고원은 인도판이 유라시아판 아래로 들어가서 들어올린 결과로 생긴 것이다. 대륙판과 해양판이 충돌할 때는 해양판의 전단부가 대륙판 아래로 섭입하여 맨틀로 들어간다(그림5). 이러한 해양지각의 물질들은 재용융되며 시간이 지남에 따라 재순환한다. 이때 대륙판은 압축작용을 받아 주름지고 두껍게 되는데 이런 운동이 조산운동이다. 해구(海溝)로 알려진 해저의 깊고 긴 지형은 섭입대를 따라 나타난다.

태평양에 접해 있는 페루-칠레 해구와 알류샨 해구는 이런 종류의 함몰대이다. 심발지진(深發地震：지하 300km 이상에서 일어나는 지진)은 섭입대에서 멀리 떨어진 곳에서 일어난다. 수렴경계부를 따라 흔히 발견되는 또다른 지질구조로는 역단층(逆斷層)이 있다. 역단층은 암석이 압축작용을 받는 곳, 즉 두 대륙이 충돌하는 곳과 섭입대를 따라 많이 생겨난다.

큰 각도의 역단층은 북아메리카 중부 및 남부 로키 산맥에 많다.

변환경계부에서는 단층을 사이에 두고 2개의 판이 반대방향으로 움직인다. 이 단층은 주향이동단층(主向移動斷層)의 일종이지만 중앙해령 정상부들 사이에서만 상대적 이동이 인지될 뿐 더 먼 곳에서는 단층에 의한 이동량이 없다.

이때 단층에 따라 이동하는 해령 정상부 사이의 구간을 변환단층이라고 한다. 미국 캘리포니아 주의 샌앤드레이어스 단층은 가장 유명한 변환단층의 하나이다. 변환경계부에는 일반적으로 지진이 많다. 이러한 열극양측의 판들이 서로 반대로 미끄러질 때 천발지진이 일어나는데 간혹 파괴적인 힘을 가진다.

지각평형설(地殼平衡設)

지각은 맨틀보다 밀도가 작고 가벼우며, 맨틀 위에 떠 있는 것으로 생각된다.

그러므로 지각은 상당 부분이 수면 밑에 잠긴 채 물 위에 떠 있는 빙산(氷山)과 유사하다. 지각평형의 원리에 의하면 지각은 밀도가 큰 물질 위에 떠 있으면서 수직방향에 대해 평형을 이루려는 경향이 있는 것으로 알려져 있다. 이는 지표면으로부터 지구 중심부로 가해지는 전체 질량은 지표면의 어느 지점에서나 정량적으로 같다는 것이다. 예를 들어 산이 있는 지역은 산의 큰 질량으로 인해 지각 하부에 보다 큰 하중을 가할 것으로 생각되지만, 지각평형설에 의하면 산의 밑부분에 존재하는 물질(산뿌리)은 저지(低地) 또는 바다의 밑부분에 존재하는 물질에 비해 밀도가 작기 때문에 지표면의 모든 지점에서 아래쪽에 가해지는 하중은 비슷하다는 것이다.

산 아래에 있는 산뿌리는 산보다 약 6배가량 크며, 가벼운 물질로 구성되어 있는 것으로 알려져 있다.

이러한 수직방향에 대한 중력보상(重力補償)의 개념은 중력관찰에 의해 최초로 알려지기 시작했다. 이러한 지각평형의 개념이 우세하게 작용한다면 위도의 차이를 고려하지 않았을 때 바다와 육지의 중력은 별 차이가 없을 것으로 예상할 수 있는데, 실제로 대부분의 산악지역과 심해저(深海底)는 지각평형을 이룰 수 있도록 잘 보상되어 있다고 한다.

한편 정상적인 중력값을 벗어나는 중력이상(重力異常)은 일본열도를 포함하는 환태평양 조산대와 같이 조산운동이 활발히 진행중인 지역에서 보고된 바 있다. 또한 이들 지역에서는 화산활동과 지진도 많이 발생하는 것으로 알려져 있는데, 다른 지역에서 일어나는 많은 지진이 얕은 곳에서 일어나는 것과 달리 지하 700km 이상의 심부에서 일어나는 것으로 관찰되었다.

따라서 조산운동이 활발한 지역의 지하 심부에 존재하는 맨틀은 조산운동과 밀접한 관계를 갖는 것으로 생각되고 있다.

삭박작용(削剝作用)과 지형의 형성

지구의 주요지형은 지구조적인 메커니즘에 의해 형성되지만, 시간이 지남에 따라 기후의 영향을 받는 삭박계(削剝系)로의 변화를 겪는다.

삭박작용이란 암석의 풍화작용, 유수·바람·빙하·해파에 의한 암석의 침식작용이다. 이들 작용은 모두 기후의 영향을 받는데, 특히 열과 습기의 변화는 식생지·사막·빙하 지역과 같이 외형적인 지형 특성을 형성한다.

대부분 여러 요인의 조합으로 특정한 지형이 형성된다.

지형적인 작용으로 암상(岩相)의 다양성이 결정되는 습윤환경이나 빙하환경의 암석은 유럽 알프스 산맥의 예에서와 같이 깎여서 산악지역의 기복을 형성한다. 건조한 환경에서의 매적작용(埋積作用)과 평탄화작용의 효과는 흔히 티베트나 미국 서부의 콜로라도에서와 같이, 산맥으로 단절되거나 접해 있는 대지(臺地)와 연결되는 충적화된 산간분지를 형성한다. 산악을 형성할 정도의 대규모 융기가 일어나지 않은 대륙지역의 삭박작용은 암석을 미약하게 변형시키며 (퇴적암의 경우), 적당히 상승시킨다.

이러한 작용으로 넓은 분지, 언덕, 평야가 형성된다. 이러한 지형은 비와 유수의 작용으로 심하게 개석되는데, 건조 기후일 경우에는 페디먼트화되며 빙하성 기후일 경우에는 넓은 지역에 걸쳐 수중침식을 받고 매적된다. 또한 소규모의 삭박작용이 위에서 언급한 많은 주요구조 위에 첨가된다.

건조한 조건이 우세한 지역에서는 페디먼트·염전·사구(砂丘)·드라이워시(물이 빠진 강바닥)·선상지 등이 나타난다. 산마루-계곡 지형과 두꺼운 토양을 수반하는 통합하계망(統合河系網)은 습윤한 조건이 우세한 곳에서 발견된다. 이러한 지형의 조합은 건조조건과 습윤조건이 교호하는 곳 어디에서나 광범위하게 나타나는데, 각 유형은 고위도 지방에서 피오르드·드럼린·에스커와 같이 대륙빙하에 의해 형성되는 복잡한 계열의 침식 및 퇴적 지형과 연결된다.