아틀란티스 대륙과 판구조론, 베게너(5)

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판구조론의 배경은 알려졌지만 이런 내용을 증명할 살아있는 증거가 필요했다. 놀랍게도 학자들은 판구조론에 대한 결정적인 증거를 곧바로 찾아냈다. 바로 지진연구다.

미국과 소련이 핵무기 개발을 거의 완성한 1963년, 대기권, 수중 및 우주공간에서의 핵실험을 금지하는 제한된 실험 금지 조약(LTBT: Limited Test Ban Treaty)에 116개 국가가 서명했다. 이에 미국과 소련은 서로 상대방이 핵실험을 하는지 감지하기 위해 지진관측망을 전지구적으로 설치했다.

곧바로 증거들이 쌓이기 시작했다. 1964년 3월 리히터규모 8.6의 강력한 대지진이 알래스카 앵커리지 부분에서 일어났다. 지진의 여파를 조사하던 중 충분한 규모의 단층면이 육지에서 발견되지 않자 미국 지질연구소의 조지 플래커는 그것이 분명히 바다 밑에 있을 거라고 생각했다. 그 후 수년 동안의 연구에서 플래커는 지구상의 특정 지역에서는 해양 지각이 미끄러지면서 지구 내부로 가라앉고 있으며 다른 지점에서는 대륙 밑으로 미끄러져 들어가서 지각을 위로 밀어 올리는데 이런 경우에 지진이 발생한다는 것을 발견했다.

이제 지진학자들은 세계 어느 곳에서 지진이 일어나고 있는지를 알 수 있게 되었고 이를 정확한 지도로 작성했다. 이 지도가 보여주는 것은 지진이 아무 곳에서나 일어나는 것이 아니라 하나의 선을 따라 일어난다는 것이다. 더욱 놀라운 것은 바로 이 선들이 바다 밑 해저산맥이나 깊은 해구에 해당하는 지역임을 알게 된 것이다. 1960년대 초 헤스(Harry Hess)가 주장한 예측이 맞아떨어진 순간이었다.

지구내부의 구조. 지각과 상부맨틀의 일부를 포함하는 약 100km 두께의 암석권 아래에 힘을 받으면 움직일 수 있는 연약권이 존재한다. 지진이 만들어내는 지진파가 지구 내부에서 이동하는 모습을 관찰하던 지구물리학자들은, 지각과 최상부 맨틀을 포함하는 약 100km 두께의 암석권은 매우 단단한 구조를 가지고 있으나 그 밑에는 연약권이라 불리는 힘을 받으면 ‘움직일 수 있는’ 층이 있음을 알게 됐다. 지구내부가 ‘단단한 고체’로 되어있다고 믿었던 학자들에게는 재앙이지만 지구내부에 ‘움직일 수 있는’ 연약권이 있다는 새로운 결론은 베게너를 괴롭혔던 대륙 이동의 문제를 단숨에 해결해주었다.

두 판이 한곳으로 모일 때 나타나는 모습은 양 판이 대륙을 머리에 이고 있느냐 아니냐에 따라 결정된다. 둘 다 대륙을 머리에 이고 있느냐 아니냐에 따라 결정되는데 둘 다 대륙을 머리에 이고 있지 않을 경우에 해구가 생긴다. 세계에서 가장 깊은 곳인 필리핀 근방의 마리아나 해구가 생긴 이유다. 이렇게 가라앉는 지각이 지구 내부로 깊이 들어가면서 지진을 일으키며, 또한 충분히 가라앉으면 압력으로 더워져 용암이 되고 다시 지표로 솟아오르며 화산을 만든다. 해저산맥이나 깊은 심해저에서 왜 그렇게 지진이 많이 일어나는 지를 분명히 보여준다.

한쪽 판만 대륙을 이고 있으면 그 대륙은 판끼리 부딪칠 때 접합부에 주름이 잡혀 남미의 안데스 산지 같은 산맥이 형성된다. 그리고 양쪽 판이 모두 대륙을 이고 있는 경우 두 대륙이 맞부딪쳐 그 경계선에서 높은 산맥이 생긴다. 히말리아 산맥은 인도 아대륙이 아시아 대륙과 부딪쳐 생긴 흔적이며 알프스는 이탈리아가 유럽 대륙과 충돌한 결과로 만들어진 것이다. 어떤 곳에서는 두 판이 둘 사이의 중립지대에서 서로 상대방을 문지르는 경우에는 길고도 파괴적인 지진대를 형성한다. 캘리포니아 및 미국 서해안 도시들을 세로로 끼고 달리는 산안드레이스 단층대는 북아메리카 판이 동쪽으로 밀리고 태평양 판이 서쪽으로 밀착하는 중간 경계선을 따라 지나간다. 샌프란시스코에서 대지진이 자주 일어나는 이유다.

판구조론에 마지막 확인도장을 찍어 준 것은 해저온천이다. 판구조론에 의하면 해저산맥에서 판이 벌어지는 틈으로 뜨거운 용암이 올라와 식어 굳어지면 새로운 해양지각이 만들어진다. 해저산맥이 불룩한 이유는 아직 암석이 채 식지 않아 많은 부피를 차지하기 때문이다. 암석들은 해저산맥에서 새롭게 만들어지는 암석에 밀려나면서 식어 단단해진다. 이렇게 차례로 부피가 줄어들기 때문에 해저산맥에서 멀어지면서 수심도 점점 깊어진다.

이와 같은 결과가 도출된 것은 1950년대 핵잠수함과 1970년대 잠수정이 등장하면서 과학자들은 해저산맥을 눈으로 직접 볼 수 있었기 때문이다. 제2차 세계대전이 끝난 후 핵잠수함 개발이 가속화되자 해상 위의 지도뿐만 아니라 해저 바닥의 지도도 급히 작성되어야 했다. 이 프로젝트는 작은 폭발물을 물에 떨어뜨려 그 진동으로 수심을 측정하는 것으로 당시로서는 최첨단 기술이었다. 이전까지는 해저 지형이 물결의 움직임으로 수억 년 동안 닳아있고 또 침전물들이 매끄럽게 쌓였을 것이므로 아주 평탄할 것이라고 추측했다. 그러나 이것은 완전히 잘못된 생각이었다.

 

아이러니컬하게도 이들 연구는 미국과 소련 등의 냉전 기간 중 체결된 조약 때문이다. 주요 강대국 사이에 합의된 핵실험 금지 조약에 따라 세계 곳곳에 지진 감시 시스템이 설치되었다. 지진 감시 시스템으로 폭발이나 지진으로 발생한 진동을 통해 핵폭발을 감지할 수 있는데 이것은 낮은 진동수의 에너지파가 어떻게 암석들을 통해 전파돼나가는지를 파악할 수 있다. 이것은 곧바로 맨틀과 핵의 내부를 파악하는데 활용될 수 있는데 학자들은 지진대를 따라 뻗어 있는 예기치 못한 구조를 발견했다. 약 100킬로미터의 단단한 물질(암석권)이 취약권, 곧 맨틀의 상부를 이루는 뜨거운 상태의 물렁한 부분까지 뻗어 있었다.

과학자들은 이를 통해 대류의 흐름이 지구의 맨틀 내부 깊은 곳에서 일어나는 동안 판들의 침강이 해령에서 일어나는 대양저 확장을 어떻게 상쇄하는지 정확하게 파악하게 되었다. 맨틀은 약 2,780킬로미터 깊이에서 암석권으로 솟아오르며 암석권과 만날 때 온도가 2,000〜6,690도나 하강한다. 대부분 학자들은 이 거대한 용광로에서 일어나는 열대류가 대양저를 확장시키고 해령에서 지각의 탄생과 죽음을 일으키는 힘으로 추정한다.

특히 해저산맥은 지구내부에서 올라온 뜨거운 용암이 식어 만들어진 베개모양 현무암이었다. 더불어 1970년대 후반에는 깊은 바다 속에 섭씨 350도에 이르는 뜨거운 물이 솟아오르는 해저온천이 발견되면서 판구조론은 더 이상 부인할 수 없는 확고한 이론으로 자리 잡았다.

 

<만만치 않은 지구>

지구 내부 구조는 지각․맨틀․외핵․내핵으로 나뉘어져 있다. 지각이란 지구의 껍데기 부분으로 사과나 배의 껍질에 해당하는데 두께는 15킬로미터에서 히말라야산맥 지역의 경우 약 70킬로미터에 달하기도 한다. 지각에서 맨틀까지 ‘모호로비치치 불연속면’이라고 하는데 모호로비치치 불연속면이란 유고슬라비아의 지질학자인 모호로비치치가 지하 약 30KM 부근에서 지진파의 속도가 갑자기 증가하는 경계면을 발견하고 붙인 이름으로 이 경계면을 모호면이라고도 부른다.

행성의 겉껍질에 해당하는 외부지각의 두께는 대륙에서는 320킬로미터이지만 해양에서는 24킬로미터밖에 안 된다. 지각의 아래에는 감람석, 관산화물, 약간의 석류석 등으로 구성된 상부맨틀이 있다. 이하 맨틀은 모호면(30킬로미터)에서부터 지하 2,900킬로미터로 지구 부피의 82%, 지구 질량의 68%을 차지하고 있다.

하부맨틀도 비슷한 암석들로 구성되었지만 압력이 높기 때문에 밀도가 훨씬 높다. 이런 높은 압력과 안쪽으로 갈수록 더욱 뜨거워지는 열기는 탄소가 다이아몬드로 바뀌는 데 충분한 여건이 된다. 우리가 채굴하는 다이아몬드는 이 하부맨틀에서 성성된 것이몀 화산 폭발과 함게 밖으로 튀어나와 용암 속에 섞여 있다가 식으면서 현무암 속에서 발견되는 것이다. 다이아몬드 중에 어떤 것은 지구 밑 960킬로미터 지점에서 나온 것도 있다고 한다. 과학자들이 하부맨틀의 구성 물질인 희티탄석(perovskite)이라고 하는 놀랍도록 단단한 광물 구조를 실험실에서 만들 수 있었던 것도 다이아몬드를 이용하였기 때문에 가능했다.

맨틀의 아래층은 외핵과 내핵으로 나뉘는데 외핵은 지하 약 2,900～5,100킬로미터까지 철과 니켈 등으로 구성된 액체로 추정하고 내핵은 지하 약 5,100～6,400킬로미터까지인데 역시 철과 니켈로 구성되어 있지만 고체 상태로 추정한다.

또한 지구 내부로 들어갈수록 온도․압력․밀도 등이 증가한다.

지하의 온도는 일반적으로는 100m내려감에 따라 3℃씩 높아지며 이를 3℃/100m로 표현하는데 ℃/100m또는 ℃/m를 지하증온율이라고 하지만 지표 부근 5000m정도까지의 지하에서는 적용이 되나 더 깊은 곳의 증온율은 정확하지 않다. 특히 이 기준을 지구의 중심부까지 적용하면 지구 중심의 온도는 20만℃이상이 되며 지하 200km인 연약권의 온도도 6000℃가 되는 계산이 나오는데 이는 태양 표면과 같은 온도로서 지구 표면 부근에서는 있을 수 없는 온도이다.

 

해수면 위에 보이는 육지는 지각의 깊이에 비하면 매우 작은 부분이다. 예를 들면 히말라야 산맥을 구성하는 암석들은 70킬로미터 깊이의 지각을 구성하나 우리가 볼 수 있는 것은 그 산맥의 극히 일부분이다. 세계에서 가장 높은 산인 에베레스트조차 해발 8킬로미터에도 미치지 못하므로 그들 대부분 땅 아래에 묻혀 있다. 대륙과 해저는 지각보다 밀도가 높은 물질로 이루어진 맨틀 위에 떠 있다. 해저는 현무암과 다른 조밀한 암석으로 이루어져 있지만 비교적 얇다. 한편 대륙은 덜 조밀한 화강암으로 이루어져 있고 해저보다 무겁다. 해저는 대륙보다 낮은 부력을 갖고 있다. 이것이 왜 지각이 근본적으로 육지보다 아래에 해저가 있는 2단 구조인지를 설명해 준다.

지구 중심에 뜨거운 열이 있는 이유 아직 정확하지는 않다.

학자들은 지구 내부의 열의 근원은 지구가 생성될 때부터 축적되었다고 추정한다. 처음에는 태양계 공간에서 물질이 지구의 작은 중심체에 모여들 때 즉 낙하할 때에 충돌열로 모아지기 시작했고 물질이 하중으로 지구에 압력을 가하는데 이 역시 열이 된다. 그러나 학자들이 주목하는 것은 우라늄․토륨 등 방사성 동위원소다.

이러한 열원이 지구 내부를 용융 상태에 놓이게 하고 맨틀을 가열하고 열의 일부는 지구 밖으로 배출되는데 온도는 약 6,000도, 압력은 350만 기압으로 추정한다.

 

학자들이 지구 내부에 무엇이 있는지 궁금하지 않을 수 없다. 그러므로 지구 내부로 굴착하여 이들 재료를 분석하고자 했는데 현재까지 가장 깊이 판 기록은 러시아에서 유전 탐사를 위해 판 지하 13킬로미터이다. 미국에서도 ‘모홀 계획’으로 지하 약5～6킬로미터까지 파 들어갔다가 더 이상 팔 수 있는 굴착기가 없어서 중단했다.

현재의 기술로 맨틀 깊이 이상으로 파 들어갈 수 없는 것은 맨틀이 다이아몬드보다 더 단단한 감람암으로 되어 있기 때문이다. 강력 드릴은 다이아몬드로 만드는데 감람암이 이보다 더 단단하므로 더 이상 굴착이 불가능하다. 다이아몬드 드릴로 감람암을 계속 뚫는다면 다이아몬드가 마찰열로 모두 타버린다. 사실 다이아몬드는 순수 탄소로 되어 있기 때문에 열이 생기면 석탄처럼 잘 탄다.

맨틀부터 핵폭탄으로 뚫어보자는 아이디어도 있다. 문제는 맨틀의 온도가 거의 2천도가 되는데 이 경우 핵폭을 터뜨리기 전에 핵폭을 만드는 핵폭 구조물 자체가 녹아버린다. 물론 텅스텐 등 3천도 이상 지탱할 수 있는 재료가 있지만 현실적으로 이런 재료로 핵폭을 만들어 폭발시킨다고 해도 맨틀을 뚫을 수 없다고 생각한다.

맨틀이 얼마나 단단한지는 지진이 일어났을 때를 보면 알 수 있다. 강진의 경우 발생하는 에너지의 양은 수소폭탄 30개 이상의 위력을 갖고 있어 지각에서는 지진으로 난리가 났는데도 불구하고 맨틀이 끄떡없다는 것으로도 증명된다. 이와 같은 사실은 다음과 같은 결론을 유도한다.

 

‘지구의 표면은 끊임없이 변하고 있으며 영원한 지구란 존재하지 않는다.’

 

태양계에는 수성, 금성, 화성 그리고 지구의 달은 암석질 행성인데 지구만 독특한성질을 갖고 있다. 왜 지구만 이들과 다른가? 즉 왜 지구와 같이 이웃 행성들이 움직이는 플리에트 위의 대륙을 갖고 있지 않는가이다.

이 문제에 대한 정답은 행성의 크기가 다르기 때문이다. 다른 행성들은 크기가 작아서 방사능에 의해 열이 발생하자마자 곧 발산된다. 뜨거운 음식을 먹을 때를 생각하면 원리를 곧바로 이해할 수 있다. 큰 솥에 들어 있는 국은 몇 시간 동안 온기가 지속되지만 국그릇에 옮기면 몇 분간 온기가 보존된다. 화성, 수성, 달은 모두 후자의 경우다. 즉 이들 행성은 태어난 후 곧바로 운동을 중단하고 차갑게 굳은 것이다. 이런 행성에서는 내부에서 열이 발생하더라도 너무나 빨리 표면으로 올라와 발산되므로 이들에게는 판의 충돌도 없고 지진대나 산맥 같은 것도 없다.

지구보다 약간 작은 금성은 과거에 그 나름의 판 구조를 가졌을 수도 있고 지금까지 활동하는 화산을 갖고 있을 수도 있다. 그러나 금성은 그러기에는 너무나 크기가 작은 것으로 밝혀졌고 내부에서는 어떤 발열 현상도 일어나지 않는다. 지구는 단지 금성보다 조금 더 크다는 것 그리고 내부에서 열이 생성되고 있다는 것 때문에 끊임없이 움직이고 끓어오르는 것이다. 물론 지구도 언젠가 냉각되여 변화를 멈추지만 그러기에는 수십억 년의 세월도 부족하다.

 

판구조론은 그동안 이해하지 못한 지구의 형태에 대해 많은 해답을 준다. 놀라운 것은 인도판이 아시아판 아래로 미끄러져 들어가고 있는데 이 지역의 아래에 일종의 용광로가 존재한다는 것이다. 이 사실은 그동안 산맥들로 둘러싸여 있는 티벳 고원이 왜 그렇게 편평한가 하는 의문을 해소시켜 준다. 학자들은 지하가 부드러운 물질로 이루어졌기 때문으로 추정한다. 땅콩 버터와 같이 점성이 큰 유체가 충분히 오랜 시간이 지나면 편평해지듯이 말이다.

판구조론은 지진이 왜 일어나는지를 명쾌하게 설명한다. 지진이 만들어내는 지진파가 지구 내부에서 이동하는 모습을 관찰하던 지구물리학자들은, 지각과 최상부 맨틀을 포함하는 약 100km 두께의 암석권은 매우 단단한 구조를 가지고 있으나 그 밑에는 연약권이라 불리는 힘을 받으면 ‘움직일 수 있는’ 층이 있음을 알게 됐다. 지구내부가 ‘단단한 고체’로 되어있다고 믿으며 베게너의 생각에 그렇게 강한 반대를 하던 이들이 지구내부에 ‘움직일 수 있는’ 연약권이 있다는 새로운 결론을 내리면서 베게너를 괴롭혔던 대륙 이동의 문제를 말끔하게 해결하는 결정적 계기가 되었다. 이런 사실들이 종합되면서 1960년대 후반에 이르러 다음과 같은 새롭게 정리된 이론이 등장한다.

 

‘지구의 약 100km 두께의 표층은 해저산맥, 해구 등을 경계로 하는 10여 개의 조각으로 나뉘어져 있으며, 이들은 서로 상대적인 운동을 한다. 판들의 경계는 지질학적으로 불안정하며, 이 지역에서 지진이 발생한다.’

 

판구조론을 기본으로 지구를 보는 새로운 눈이 이론으로 자리매김한 것이다. 판구조론에 의하면 깊은 해구는 해저표면에 있던 지각이 지구 속 깊은 곳으로 가라앉는 곳이다. 이렇게 가라앉는 지각이 지구 내부로 깊이 들어가면서 지진을 일으키며, 또한 충분히 가라앉으면 압력으로 더워져 용암이 되고 다시 지표로 솟아오르며 화산을 만든다. 해저산맥이나 깊은 심해저에서 왜 그렇게 지진이 많이 일어나는 지를 분명히 이해할 수 있게 되었다.

과학자들의 깐깐함을 말릴 수 있는 사람은 거의 없다. 대륙이동설이라고 많이 이야기하는데 이 말이 틀렸다고 한다. 실제로 이동하는 것은 대륙이 아니라 판이기 때문에 ‘대륙이동’이 아니라 ‘판이동’이라고 불러야 한다는 것이다. 과학자들의 깐깐함에 불평하지 말기 바란다. 바로 이런 엄밀함 때문에 과학이 발전하는 요인이기 때문이다.