판구조론(지구의 내부 에너지)

판구조론(지구의 내부 에너지)

판구조론(지구의 내부 에너지)

우리는 거의 매일 지진과 화산 활동에 관한 소식을 듣습니다. 최근 중국 사천의 지진은 매우 심각한 피해를 가져왔고, 아이슬란드의 화산 폭발은 유럽 전체의 항공 운항을 중단시키기도 하였습니다. 이러한 일들은 지구가 활발히 활동하고 있다는 증거로 흔히 이러한 현상 때문에 지구를 '살아있다'라고 표현하기도 합니다. 이와 같은 활발한 지구의 활동의 에너지원은 무엇일까요? 바로 지구 내부 에너지입니다. 지구 내부에는 어마어마한 양의 열에너지가 저장되어 있으며, 이 열에너지에 의해 판 운동, 화산 폭발 및 지진 등의 지구 운동이 일어납니다. 지금부터 이와 같은 지구 내부 에너지에 의한 지구 운동과 이로부터 야기되는 자연재해를 살펴보겠습니다. 또한 요즈음 대체 에너지의 하나로 각광받는 지구 내부 에너지인 지열에너지에 대해서도 같이 알아보겠습니다. 판구조론이 어떻게 지질학의 통일 이론으로 자리 잡게 되었는지 그 역사적 배경을 살펴보기로 하겠습니다.

판구조론

판구조론은 plate tectonics를 번역하여 만든 용어입니다. 이때 tectonics는 '구조물에 속한'이라는 뜻을 가진 라틴어 tectonicus로부터 유래한 말입니다. 이를 그대로 적용하여 plate tectonics를 해석하면 '구조체를 이루는 판들에 관한 이론'이라는 뜻이 될 것입니다. 이는 판구조론의 직역적 정의이고, 이를 지질학적 견지에서 다시 정의하면 지각은 여러 개의 운동 판으로 구성되어 있으며, 여러 지질 작용을 이들 판의 운동을 이용해 해석하는 것이라고 할 수 있습니다. 판구조론은 지질학에 있어서 하나의 통일 이론입니다. 대부분의 지질현상을 이 이론으로 통합적으로 훌륭히 설명할 수 있기 때문입니다. 여기에는 물론 지구 내부 에너지로 인한 다양한 지질현상들도 포함됩니다. 이런 이유로 지구에너지에 의한 지질 작용 및 재해에 대해 구체적으로 이야기하기 전에 우선 판구조론에 대해 소개하고자 하는 것입니다. 판구조론에 대해 자세히 살펴보기 전에 먼저 판구조론이 역사적으로 어떻게 자리 잡게 되었는지 간단히 살펴보겠습니다. 판구조론이 등장하기까지에는 대륙 이동설과 해저 확장설 그리고 맨틀 대류설의 역할이 컸습니다. 대륙 이동설은 다른 말로 대륙 표 이설이라고도 하는데, 대륙이 지구 상의 한 자리에 고정되어 있는 것이 아니라 서로 상대적으로 이동한다는 학설입니다. 대륙이 이동한다는 가설은 이미 16세기 말엽의 아브라함 오텔리우스로부터 17세기 초의 프란시스 베이컨, 그리고 19세기의 안토니오 스나이더-펠레그리니 등과 같은 여러 사람들에 의해 주장되었습니다. 그러나 최초로 지질, 해양, 기상 및 생물학적 증거들을 바탕으로 구체적이고 과학적으로 대륙 이동설을 주장한 사람은 알프레드 베게너였습니다. 알프레드 베게너는 자연과학자의 표상과 같은 사람이었습니다. 알프레드 베게너는 1880년 고아원장의 아들로 베를린에서 태어났습니다. 베게너는 1905년에 천문학으로 박사학위를 받았으며, 그 후 그는 대부분의 시간을 기상학을 연구하는 데 사용하였습니다. 그는 학위를 받은 그다음 해에 극지방 대기 순환을 연구하기 위해 그린란드로 떠나는 덴마크 탐사대에 합류하였는데, 그 후 그의 일생 동안 이와 같은 그린란드 탐사를 세 번 더 하였습니다. 베게너는 제1차 세계대전이 발발하자 입대하였습니다. 그는 입대 얼마 후 부상당하였는데, 부상 후의 긴 요양 기간 동안 오랫동안 관심을 가졌던 문제, 즉 '대륙은 어떻게 만들어졌을까?' 하는 문제에 골몰하였습니다. 그 이전의 다른 과학자들과 마찬가지로 베게너는 남아메리카 동부 해안선과 아프리카의 서부 해안선을 나란히 놓으면 어쩌면 그렇게 잘 맞는지 매우 흥미 있어했습니다. 그는 '혹시 이 두 대륙이 과거엔 붙어 있지 않았을까?' 하고 생각하였으며, 한 술 더 떠서 그는 현재 나뉘어 있는 모든 대륙이 과거 한때 모두 한 덩어리로 있지 않았나 생각하였습니다. 이 대륙을 그는 그리스어로 '온 땅덩어리'라는 뜻의 판게아(pangaea)라고 불렀습니다. 베게너는 이 초대륙이 지금으로부터 약 2억 년 전부터 갈라지기 시작하였다고 믿었습니다. 이 그림은 판게아가 갈라져 어떻게 현재와 같은 대륙의 분포를 만들었는지를 보여줍니다. 1915년 베게너는 「대륙과 대양의 기원」이라는 책을 저술해 그의 가설을 주장하였습니다. 시간이 지남에 따라 대륙이 움직인다는 생각은 베게너가 처음 한 것은 아닙니다. 네덜란드의 지도 제작자인 아브라함 오텔 리우 스는 이미 1596년에 대륙은 지진과 홍수로 인해 여러 개로 찢어졌다는 주장을 하였습니다. 그러나 베게너의 주장은 보다 과학적인 증거를 바탕으로 하였습니다. 예를 들면, 그린란드 빙하 밑에 열대 식물의 화석이 존재한다든지 아프리카나 남아메리카의 열대 지방에 빙하 지형이 존재한다는 점이 바로 이런 증거들입니다. 각 대륙의 같은 종류의 화석의 분포가 현재의 위치에서는 별 연관이 없어 보이지만 판게아를 이루었을 때를 가정하면 딱 맞아떨어지는 것을 보여줍니다. 각 대륙에서 관찰되는 상관성이 없어 보이는 빙 성층의 분포도 판게아를 가정했을 때는 설명이 잘 되는 것을 볼 수 있습니다. 빙 성층이란 빙하에 의해 만들어진 퇴적층입니다. 이와 같은 지형, 화석 그리고 암석 분포의 특징은 대륙 이동의 강력한 증거들입니다.

베게너의 판구조론을 위한 노력과 완성

불행하게도 베게너의 책 「대륙과 대양의 기원」은 매우 호된 비난을 받았습니다. 당시의 과학자들은 대륙이나 대양은 지구 상에 일정한 위치를 영원히 점한다고 생각하였습니다. 베게너의 이론이 설명하지 못한 것 중 가장 중요한 것이 엄청난 양의 무게를 갖는 대륙을 그렇게 멀리 움직일 수 있는 힘의 근원이었습니다. 영국의 헤롤드 제프리는 고체 암석 같은 것은 대양 지각으로 끌면 산산이 부서질 것이라는 지적을 하였습니다. 이러한 비판에도 불구하고 베게너는 그의 생을 다하는 날까지 자신의 이론을 뒷받침할 새로운 증거들을 찾아다녔습니다. 1차 대전이 끝나고 그는 함부르크에서 정부를 위한 대기과학 연구를 하였고, 1924년에는 그가 그렇게 열망하던 오스트리아의 그라쯔 대학의 기상학 교수로 부임하였습니다. 앞서 보여드렸던 베게너의 사진은 바로 이때 찍은 것입니다. 그 6년 뒤인 1930년 9월, 베게너는 제트기류 연구에 도움이 되는 기상관측소 건설을 위해 그린란드로 마지막 탐험을 떠났습니다. 지독한 날씨에도 불구하고 베게너는 기상관측소에 있는 연구원들이 얼마나 절실히 보급품을 필요로 하는지 잘 알았기 때문에 거기에 갈 것을 주장했습니다. 5주 후, 베게너는 무사히 관측소에 도착하는 데 성공하였습니다. 그러나 불행하게도 그는 베이스캠프로 돌아오는 길에 얼어 죽고 말았으며, 그의 시체는 그다음 해 여름에 발견되었습니다. 베게너가 죽기 1년 전, 영국의 지질학자 아더 홈즈는 맨틀의 대류가 대륙 이동의 원인이 아닐까 생각하였습니다. 제2차 세계대전 후, 지자기 연구 및 해저 확장설의 등장으로 베게너의 업적은 차츰 인정받기 시작하였습니다. 그러나 베게너의 학설이 완전히 인정된 것은 한참 후인 판구조론이 완전히 정립된 1960년대 중반이나 되어서였습니다. 해저 확장설은 해저 지각이 해령을 중심으로 양쪽으로 점점 늘어난다는 것인데, 이때 새로운 지각은 해령의 화산 분출을 통해 만들어지고 그 늘어난 만큼의 지각이 반대편의 섭입대를 통해 사라진다는 학설입니다. 이 학설은 해저 지형을 자세히 관찰할 수 있게 되면서 태동하게 되었고, 1961년 메이슨과 래프에 의해 해저 지각의 지자기의 역전 현상이 발견되면서 정설로 자리 잡게 되었습니다. 여러분은 지구 자극이 뒤집어질 수 있음을 알고 계신가요? 즉 지구 자기 북극이 남극이 되고, 남극이 북극이 되는 것이지요. 이것을 지자기 역전이라고 합니다. 암석에 기록돼 있는 지구의 자기 기록을 살펴보면 이와 같은 지자기 역전이 과거 반복해서 일어났음을 알 수 있습니다. 여기 이 그림이 나타내는 것처럼 메이슨과 레프의 자료는 대양저 산맥의 중앙인 해령을 중심으로 그 양측이 띠 모양으로 서로 대칭적인 지자기 역전현상을 보임을 알려주었습니다. 이는 다시 말해서 해령을 중심으로 같은 거리에 있는 양쪽의 지각이 같은 시기에 만들어진 것이며, 가까이 있는 것일수록 먼저 만들어져 시간이 지나면서 먼 쪽으로 이동했다는 것을 의미합니다. 이것은 해저 확장설을 결정적으로 뒷받침하는 증거가 됩니다. 지질학 분야에서 해저 확장설이 널리 받아들여지면서 이를 통해 대륙이 이동할 수 있음도 깨닫게 되었습니다. 즉, 대양 지각이 움직일 때 그보다 밀도가 낮아 그 위에 떠 있는 것처럼 존재하는 대륙도 같이 움직이는 것입니다. 지질학자들은 이와 같은 해저 확장, 대륙의 이동 그리고 새로운 지각의 생성과 소멸 등의 이론을 점점 구체적으로 완성하였고, 그 결과 현재 대부분의 지질학에서 통일 이론으로 받아들이는 판구조론을 완성하게 되었습니다. 지금까지 판구조론이 역사적으로 어떤 과정을 거쳐 완성되었는지에 대해 알아보았습니다.