대륙이동과 초대륙, 판구조론

알프레드 베게너가 1912년에 대륙이동설을 발표했다.
그는 1912년에 "대륙의 기원"을 발표하였는데,지질, 고생물, 고기후 등의 자료를 바탕으로 태고에는 대서양의 양쪽의 대륙이 각각의 방향으로 표류했다는 것이다. 1915년에는 《대륙과 해양의 기원》(Die Aufstehung der Kontinente und Ozeane)에서 '판게아'라는 초대륙이 존재하였고, 약 2억 년 전에 분열한 뒤 표류하여 현재의 위치와 모습을 가지게 되었다고 발표하였다.

그러나 그의 제안은 자세한 증거와 대륙의 움직임을 설명할 수 있는 충분한 원동력이 제시되지 않았기 때문에 널리 받아들여지지는 못했다. 지구가 고체인 지각과 액체상태의 핵을 가질 수는 있겠지만, 지각의 일부가 움직일 수 있는 방법은 없는 것처럼 보였다.

후에 영국의 지질학자 아더 홈즈는 판의 경계는 바다 밑에 있을 수 있다고 제안하여 베게너의 이론을 뒷받침했다.
그리고 1928년에는 대륙 이동의 원동력으로 맨틀 안에서의 대류를 제시하였다
그 뒤 이것은 다시 판구조론으로 발전되었다.

판이 움직인다는 첫 번째 증거는 해저의 지각에 남아있는 잔류지자기의 방향이 시대에 따라 변화한다는 발견에서 나왔다. 1956년에 타즈마니아에서 있었던 심포지엄에서 이 사실이 처음으로 발표되었다. 최초에는 지구가 팽창하고 있다는 방향으로 생각되었으나, 곧 해령에서 생긴 암석이 해구에서 지구속으로 소멸함을 알게 되어 지구가 팽창한다 부분은 수정되었다. 이로서 베게너의 이론이 과학계에서 전반적으로 받아들여지게 되었다. 뒤이은 해리 헤스와 론 매이슨에 의한 해저 확장과 지자기 역전 사이의 관계에 대한 연구는 해령에서 암석이 형성되는 기작을 정확하게 설명하였다.

해령 양쪽에 평행하고 대칭을 이루는 자화무늬가 발견되자 판구조론는 짧은 시간안에 널리 받아들여지게 된다. 동시기에 있었던 섭입대에 대한 지진파 영상화기술의 발전과 다른 지질학적인 증거들을 통해서 판구조론은 뒷바침 되었고, 곧 엄청난 설명력과 예측력을 지닌 이론이라는 것이 입증되었다.

심해저평원에 대한 연구는 판구조론 발전에 중요한 역할을 했다. 1960년대에 들어 해양지질학이 빠른 속도로 발전하기 시작했다. 때맞춰 판구조론은 1960년대 후반에 발전하면서 지구과학 분야의 모든 과학자들이 이 학설을 받아들였다. 판구조론은 지구과학계에 혁명을 가져왔고, 거의 대부분 분야의 지질학적 현상을 설명할 수 있었다. 뿐만 아니라 고지리학과 고생물학에도 영향을 주었다.

지구 내부를 암석권과 연약권으로 구분하는 것은 역학적 성질의 차이 때문이다, 암석권은 온도가 더 낮고 더 단단한 반면 연약권은 온도가 더 높고 역학적으로 약하다. 위와 같은 구분을 지구 내부를 핵, 맨틀, 지각으로 나누는 화학조성에 따른 분류와 혼동해서는 안 된다. 판 구조론의 핵심 원리는 암석권이 서로 구분되는 몇 개의 판으로 구분되어 있고, 이것이 유체와 비슷하게 행동하는 연약권 위를 떠다닌다는 것이다. 상대적으로 유체와 비슷하게 행동하는 연약권 때문에 판들이 서로 다른 방향으로 움직일 수 있는 것이다.

암석권은 연약권 위에 떠 있다. 암석권은 판이라고 불리는 몇 개의 조각으로 나뉘어져 있다. 10개의 주요 판으로는 아프리카판, 남극판, 오스트레일리아판, 유라시아판, 북아메리카판, 남아메리카판, 태평양판, 코코스판, 나즈카판, 인도판이 있다. 이들과 더불어 다수의 작은 판들은 서로 움직이면서 수렴 경계, 발산 경계, 보존 경계의 세 종류의 경계를 형성한다. 지진, 화산, 조산 운동, 해구 등은 대부분 판의 경계를 따라서 일어난다.

판구조론은 서로 다른 두 학설로부터 시작되었는데, 20세기 초반에 인식되기 시작한 대륙 표이설과 1960년대 들어서 알려지기 시작한 해저 확장설이다. 판구조론은 1960년대 후반부터 발달하였는데, 그 후 지구과학의 혁명을 일으키며 거의 모든 과학자들에게 받아들여졌다. 이것은 화학의 주기율표, 생물학의 유전 코드의 발견, 그리고 물리학의 양자역학에 비견되는 혁명적인 이론으로 받아들여진다.

판은 대륙지각과 해양지각을 포함하며, 하나의 판에 둘 모두가 존재하기도 한다. 예를 들면 아프리카판은 대륙과 대서양, 인도양의 해저 부분을 포함하고 있다. 판에는 일반적으로 대륙지각과 해양지각 아래 맨틀의 최상부 부분이 포함되며 이 모두를 묶어서 암석권이라고 한다.

해양지각과 대륙지각를 구분하는 기준은 구성물질의 밀도차이이다. 해양지각은 대륙지각보다 무거운데 그 이유는 구성 원소의 차이 때문이다. 해양지각은 무거운 원소들(흔히 고철질 원소)이 대륙지각보다 더 많다. 대륙지각에는 가벼운 원소들(규장질 원소)들이 더 많다. 그 결과 해양지각은 대체로 해수면 아래에 위치하게 되고 그 대표적인 예가 태평양판, 필리핀판이다. 반면에 대륙지각은 해수면 위에 위치하게 된다. 자세한 원리는 지각평형설을 통해 설명한다.

판 경계의 종류

판 경계의 세 유형으로,
보존경계는 두 판이 스치면서 지나쳐 가는 곳에서 생긴다. 판의 경계에서는 변환 단층이 생긴다. 두 판의 상대적인 움직임은 우수향 또는 좌수향이다.
발산경계는 두 판이 벌어져서 멀어져 가는 곳에 생긴다. 중앙 해령과 단층의 활동 지역은 모두 발산 경계의 예이다. 대서양 중앙해령과 아프리카의 그레이트 리프트 밸리가 그것이다.
수렴경계는 두 판이 보이는 곳에서 생기며 이 때 생기는 공간문제를 해결하기 위해 무거운 쪽이 지구 내부로 들어가는 섭입을 보이거나 조산대를 형성한다. 심해의 해구는 전형적으로 판의 소멸 지역에 만들어진다. 소멸되는 판은 가열된 물을 방출하는 함수 미네랄을 함유하고 있다.이 물은 화산활동을 일으키며 맨틀을 녹게 한다. 서부 아메리카의 안데스 산맥과 일본 호상 열도가 있다.
판의 경계선끼리 만나는 곳을 트리플정션이라고 한다.

보존경계변환단층을 따라서 나타나는 좌수향 또는 우수향의 움직임은 지표에서도 쉽게 관찰할 수 있다. 판 사이의 마찰력 때문에 두 판은 간단히 스쳐 지나가지만은 않는다. 대신에 두 판 사이에 응력이 누적되게 되고, 누적된 힘이 마찰력보다 커지게 되면 변환단층에서는 그동안 축적해 온 잠재에너지를 지진의 형태로 방출하며 단층을 따라서 움직임이 일어나게 된다.

보존경계를 따라 발달한 변환단층의 좋은 예가 산안드레아스 단층대인데, 산안드레아스 단층대는 북미대륙 서해안을 따라 발달한 복잡한 단층 시스템을 일컫는 말이다. 이 곳에서는 태평양판이 북아메리카 판에 대하여 북서쪽으로 일년에 5cm 정도의 속도로 서로 스쳐지나가고 있다. 현재 산안드레아스 단층 서쪽에 있는 캘리포니아의 일부는 먼 미래에 알래스카 부근까지 북상하게 될 것이다. 또 다른 변환단층의 예로는 뉴질랜드의 알파인 단층과 터키의 북아나톨리아 단층이 있다. 변환 단층은 해령의 축이 서로 어긋나 있을 때 그 사이를 잇는 부분에서도 발견된다. 캘리포니아 앞바다의 멘도치노 파쇄대는 이러한 변환단층의 연장선에 있다..

발산경계발산경계에서 두 판은 서로 멀어져간다. 그 벌어지는 틈새는 새로운 지각물질로 채워지는데, 이들은 아래에 있는 맨틀의 부분용융의 결과물이다. 발산경계가 새로 생겨나는 곳은 열점과 관련있다고 생각된다. 발산경계의 기원이 되는 열점의 아래에서는 엄청난 양의 뜨거운 연약권의 물질들이 대류를 통해 상승하고 있고, 또 암석권 바로 아래의 연약권 물질들은 그 위의 암석권을 찢어버릴 수 있을 만큼의 충분한 운동에너지를 가지고 있다고 여겨진다. 대서양 중앙 해령을 생성을 촉발시킨 열점은 현재 아이슬란드에 있다. 대서양 중앙해령는 한 세기에 수 cm 정도의 속도로 벌어지고 있다.

해양판의 발산경계와 대륙판의 발산경계는 서로 다른 양상을 보인다. 해양판의 발산경계는 대서양 중앙 해령이나 동태평양 해팽과 같이 해령을 중앙으로 발산하는 형태를 보인다. 대륙판의 발산경계로는 동아프리카 대지구대가 대표적이다. 발산경계는 해양지각 시스템에서 거대한 단층대를 수반하기도 한다. 해령의 축은 연속적인 곡선을 이룰 수 없다. 공간 문제가 발생하기 때문이다. 때문에 해령은 짧은 평행한 조각들이 거기에 수직인 변환단층을 통해서 연결되어있는 형태를 보이게 된다. 바다에서 나는 천발지진들은 해령의 축이나 이런 변환단층에서 일어나게 된다. 해양판이 발산함에 따라 예전에 변환단층이었던 곳이 해령 축 넘어로 이동하게 되면 더 이상 활동하지 않고 단지 예전의 불연속적인 흔적만 남게 되는데, 이를 파쇄대라고 한다. 몇몇 파쇄대에는 이름이 붙어있기도 하다. 해령에서 멀어지는 해양판은 열전도를 통하여 온도가 낮아지고, 밀도는 상대적으로 높아진다. 지각 평형설에 따르면 밀도가 높은 지각은 얇아도 되므로 그 표면은 상대적으로 낮은 곳에 위치하게 되고, 따라서 바다의 깊이는 깊어진다.

해저확장이 밝혀지게 된 핵심 지형이 해령이다. 비행기에 장착된 지자기 탐사 기록을 통해서 해령을 축으로 하여 양쪽의 지자기 역전 기록이 대칭임을 알게 되었다. 그 무늬가 매우 일관성있게 나타났고, 양쪽은 매우 높은 대칭 합치도를 보여주었다. 과학자들은 자기 역전에 대하여 공부하고 있었고, 둘 사이의 관계를 맺을 수 있게 되었다. 지자기 역전의 띠는 지구의 지자기 역전과 직접적인 관계를 맺고 있었던 것이다. 이 사실은 해저 암석의 연대를 측정함으로써 더욱 더 명백해졌다. 지자기 역전 띠의 간격은 해양 지각의 발산 속도와도 밀접한 관계가 있었던 것이다.

지금까지의 설명은 최근의 역사를 중심으로 한 판게아에 대한 설명이었지만, 더 과거에도 대륙의 이합집산이 계속 있었다.

곤드와나-Gondwana는 현재의 남반구의 땅 전체를 포함하던 과거의 초대륙이다. 남극, 남아메리카, 아프리카, 마다가스카르, 오스트레일리아, 뉴기니, 뉴질랜드를 비롯, 아라비아 반도와 인도 대륙을 포함한다. 곤드와나라는 이름은 인도 중북부의 지명에서 왔다.

로디니아(Rodinia)는 판 구조론에서 약 10억에서 7억 년 전에 생겨 약 6억 년 전에 분열했다고 여겨지는 초대륙이다. 최근의 연구로써 과거의 대륙 이동의 모습이 자세하게 알려졌고 판게아 대륙 이전에도 초대형 육지가 존재했던 것을 알게 되었다

로라시아-Laurasia는 중생대 말에 생겨난 초대륙이다. 판게아 초대륙이 남반구의 곤드와나와 북반구의 로라시아로 갈라져서 만들어졌다. 로라시아라는 이름은 로렌시아(북아메리카)와 유라시아(인도대륙과 아라비아 반도 제외)의 이름을 합쳐 만들어졌다.

신생대에도 빙하 시대에 베링해협의 육교가 연결되면서 북아메리카와 유라시아 대륙이 다시 연결되기도 했다.

우르는 약 30억년 전 시생누대 초기에 형성된 것으로 추정되는 최초의 대륙이다. 그 크기는 현재의 오스트레일리아보다 작은 것으로 추정되며, 다른 대륙괴들이 생성되고 지각 운동이 활발해지면서 신시생대 시점인 약 28억년 전에는 새로운 초대륙인 케놀란드의 일부가 되었다. 이후에는 콜롬비아 초대륙, 로디니아 초대륙 등의 일부가 되며 계속해서 단일한 대륙 상태를 유지하고 있다가, 약 2억 8백만년 전 초대륙 판게아가 로라시아와 곤드와나로 갈라질 때 쪼개졌다. 현재 우르 대륙을 구성하고 있던 암석들은 아프리카, 인도, 오스트레일리아와 마다가스카르에 남아있다.

유라메리카-Euramerica 도는 로러시아-Laurussia는 고생대 데본기 때, 로렌시아 대륙과 발티카대륙괴, 아발로니아 대륙괴 사이의 충돌의 결과로 생성된 작은 편의 초대륙이다. 유라메리카는 페름기 때 주요한 판게아의 일부가 되었다. 판게아가 곤드와나와 로라시아로 갈라진 시기인 쥐라기 때, 유라메리카는 로라시아의 일부가 되었다. 백악기 때, 유라메리카는 북아메리카와 유라시아를 떼어냈다. 발티카 대륙괴가 유라시아의 일부가 된 반면, 로렌시아 대륙괴는 북아메리카의 일부가 되었다.

판노티아-Pannotia는 선캄브리아 시대 후기쯤에 생긴 초대륙이다. 고생대 실루리아기 쯤에 분열된 것으로 추측된다.

컬럼비아-Columbia는 스타테리아기에 형성된 초대륙이다.

로렌시아-Laurentia는 북아메리카 대륙, 그린란드, 시베리아 북동부 등을 포함한 지질 시대 대륙괴를 지칭하는 말로 중생대 쥐라기가지 초대륙 판게아의 일부인 로라시아의 일부 대륙을 지칭하였으나 중생대 백악기에 이르러 독립적인 대륙으로 분리되었다.