층서학(부정합 포함)이란

지질학자가 연구해야 하는 역사적인 정보는 주로 지구의 표면에 드러난 노두나 시추에 의해 뚫어진 층을 이룬 암석의 형태로 나타난다. 콜로라도강이 지각의 단면을 2km 가까이나 깎아내 드러내고 있는 그랜드 캐년(그림8.1A)의 상반을 조사해 보면 수평에 가까운 수많은 층들을 볼 수 있다. 이 층들은 얕은 바다의 바닥 위에 쌓인 다른 퇴적물의 위에 쌓인 것으로 과거 어느 때 바닷물이 빠져나가면서 육지위에 남겨진 것이다. 이런 암석들은 당시 지표면이나 지표면 부근의 황경에 대한 중요한 실마리를 지니고 있다. 그 층들의 생성순서나 상대 연령은 지구 역사를 적지 않은 부분을 복원하는데 기초가 된다.

층에 대한 연구 분야를 층서학이라 한다. 층서의 원리와 암석층들의 상대 연령에 대한 지식은 많은 일반 지질학의 기본 원리를 깨달을 수 있게 해 준다. 직접적이고 간단하지만 매우 설득력이 있는 두 가지의 법칙이 층서학의 기본이 되는, 지층 수평의 원리와 지층 누중의 원리가 곧 그것이다.

 

-지층의 수평 원리

대부분의 퇴적암은 비교적 얕은 수심의 호수나 바다의 바닥에 쌓인다. 이런 환경에서 각각의 새로운 층은 먼저 쌓인 층위에 수평으로 쌓인다. 이런 관찰은 지층 수평의 원리에 부합되는 것으로, 이 원리는 물속에 가라앉은 퇴적물들은 수평, 또는 수평에 가깝게, 그리고 지표에 평행하거나 평행에 가깝게 쌓인다는 것이다. 이러한 일반적인 관점에서 볼 때 지금 경사져 있거나, 심지어 뒤틀어지고 습곡 된 암석층들은 이 층들이 수평 위치에서 퇴적된 이후 교란되었다고 볼 수 있다.

 

-지층 누중의 원리와 지층의 상대연령

추운 겨울이 끝나갈 무렵에는 다져지고 더럽고 오래된 눈의 층들이 최근의 폭설 기간에 내린 신선하고 푸석푸석하고 깨끗한 눈에 의해 덮여 있는 것을 자주 볼 수 있을 것이다. 여기에 한 층이 다른 층 윙에 순차적으로 퇴적된 층의 개념이 있다. 여기에 언급된 간단한 원리는 퇴적물과 퇴적암의 층에 똑같이 적용된다. 지층 누중의 원리로 알려진 이 원리는 어떠한 일련의 퇴적층에서도 층은 아래에서 위의 순서로 쌓인다는 것이다. 그러므로 어떤 두 층의 상대적인 나이는 어떤 층이 다른 층의 위에, 또는 아래에 놓여 있는 가에 따라 결정된다. 그림 8.1A와 8.1B는 지층 누중의 우너리의 예를 보여주는데, 그랜드 캐년의 정상에 있는 수평층들은 그 아래에 있는 수평층보다 젊다.

지층 누중의 원리는 매우 신중히 적용 되어야 한다. 층이 경사지고 뒤틀려 있는 예를 보여 주는 그림 8.2를 보자. 이러한 층의 경사나 뒤틀림 현상들은 대륙들이 충돌할 때 일어나는데, 그 정도가 심하면 가끔 오래된 층이 젊은 층의 위를 엎어서 역전될 수 있다. 역전된 층에서 관찰할 때 역전을 잘 인식하지 못하고 상대적 퇴적 시점만으로 판단을 내릴 경우 잘못된 결론이 나오는 것은 틀림없다. 연흔, 점이 층이, 사층리와 같은 제6장에서 토의된 증거들은 층들이 원래 방향대로 놓여 있는가 또는 역전되어 있는가를 판단하는데 이용될 수 있다.

그림 8.1 지층 누중의 원리 : 콜로라도 강의 그랜드 캐년. A. 300만년 이상 쌓여 거의 2000m의 층후를 가진 편평하게 놓인 층이 구조적으로 변형되고 경사진 오래 된 층 위에 놓여있다. B. 그랜드 캐년의 경사지고 변형된 기반암 위에 놓인 수평 퇴적층. 가장 오래된 태피츠 사암에서 가장 젊은 케이밥-토로윕 석회암까지 층들은 ‘누중의 법칙’ 과 ‘지층 수평의 원리’을 잘 나타내 보여준다.

그림 8.2 층의 방향성 어떤 퇴적구조가 구조적 변형의 결과로 층이 수평인지, 수직인지, 뒤집혔는지를 지시할 수 있음을 설명하는 그림.

-층서 기록에서의 단절

라이엘과 다른 19세기의 지질학자들은 층서 기록들을 이용하면 절대연령을 결정할 수 있을 거라고 생각했었다. 만약 누군가 바다에서의 퇴적 속도를 측정한다면, 또한 모든 층의 두께가 얼마나 되는지 결정한다면, 층서 기록의 모든 퇴적물들이 쌓이는데 얼마나 시간이 걸렸는지 그 계산이 가능할 것이다. 그 방법이 정당화되기 위해서는 다음 두 가지의 가정이 보정되어야 할 것이다. 먼저 퇴적속도는 지질 시간을 통하여 일정해야 하고, 다음으로는 모든 층은 단절 없이, 층마다 차곡차곡 쌓이는 것을 의미하는 정합관계이어야 한다는 가정들이다. 다른 말로, 침식이나 무퇴적 때문에 층서 기록에 어떠한 시간적인 단절도 있어서는 안 된다는 것이다. 지질 시간이 수억년이라는 계산이 나왔지만 이 계산은 위에서 설명한 두 가정이 모두 맞지 않으므로 틀린다. 오늘날 관찰되는 것처럼 퇴적속도는 지구상의 장소에 따라 큰 차이가 있으며, 한 지역에서도 지질 시간을 통하여 퇴적속도가 크게 변화해 왔다는 사실을 암시하는 많은 증거들이 있기 때문에 첫 번째 가정은 틀린다. 더욱 중요한 두 번째 가정 역시 퇴적 작용은 침식기나 무퇴적기를 만들어내는 해수면의 와 구조 작용과 같은 큰 환경 변화에 의해 주기적으로 중단되었다는 점에서 틀린다. 퇴적이 중단된 기간이 얼마나 길었는지 알 수는 없지만 죄적 기록 속에는 수 없이 많은 이런 단절들이 발견된다. 침식작용은 어느 정도의 퇴적기록을 파괴하기 때문에 보존된 부분은 필연적으로 불완전하며, 때로는 짧고 때로는 아주 긴, 지질 시간의 간격이 퇴적의 기록이 없는 불연속면으로 나타난다.

부정합은 어떤 연속적인 지층의 층서에서 실제로 나타나는 중단 또는 공백이다. 부정합은 상당한 시간 동안 퇴적을 중단시키는 환경 조건의 변화, 또는 이미 만들어진 퇴적 기록의 일부분을 잃게 만드는 침식에 의한 변화 가운데 하나 또는 두 가지의 변화 모두를 기록하고 있다.

 

-부정합의 종류

세 가지의 중요한 부정합이 퇴적암에서 발견된다(그림8.3). 가장 명백한 것은 오래된 층과 젊은 층 사이에 경사를 가진 불연속면으로 나타나는 경사부정합이다. 이것은 그림 8.3에서 (2)로 표시되어 있다. 경사 부정합은 오래된 층이 변형을 받은 후 새로운 층이 퇴적되기 전에 침식을 받아 깎여 나간 것을 의미한다. 허튼이 관찰한 시카 포인트의 노두(그림1.3)도 명백한 경사부정합이다. 두 번째 종류의 부정합은 평행부정합이다. 이것은 두 개의 평행한 층 사이의 불규칙한 침식면이다. 그림8.3의 (3)으로 표시된 면이 평행부정합이다. 평행 부정합 또한 퇴적의 중지와 부가적인 침식이 있었음을 지시하나, 경사져 있지는 않다. 평행부정합은 상･하의 층들이 서로 평행하기 때문에 인식이 어려울 수 있다. 평행부정합의 존재는 흔히 인접한 상･하의 층들에서 시대가 매우 다른 화석들이 알려짐으로써 발견된다.

그림8.3에서 (1)로 표시된 세 번째 종류의 부정합은 층이 화성암이나 변성암체 위에 놓여있는 난정합이다.

세 종류의 부정합은 그림 8.4에서 볼 수 있는 것처럼 그랜드 캐년에서 볼 수 있다. 퇴적 단면의 바닥 부분은 난정합을 보이고 있으며, 이보다 조금 더 올라가면 명백한 경사부정합이 나타나고, 더 높이 올라가면 세 개의 평행부정합이 있다. 몇 개의 같은 부정합은 그림 8.1A, 8.1B에서도 볼 수 있다. 부정합들을 찾아낼 수 있는지 살펴보자

	그림 8.3 암석 기록의 간극 세 종류의 부정합을 만드는 지질학적 사건의 순서: (1) 난정합(nonconformity), (2)경사 부정합(angular unconformity), (3) 평행 부정합(disconformity).

그림 8.4 그랜드 캐년의 부정합들 그랜드 캐년에 노출된 암석의 지질 단면도. 최하부의 부정합(1)은 경사진 퇴적층을 오래된 결정질암과 구분하는 난정합이다. 경사부정합(2)은 상부의 수평으로 놓인 층들과 경사진 퇴적층을 가르며, 단면도 상부의 수평층 \들은 3, 4, 5의 세 평행부정합에 의하여 접해 있다. 부정합 2, 3, 4 및 5는 그림 8.1A에서도 보인다.

-부정합의 중요성

부정합의 연구는 구조활동, 침식작용, 그리고 퇴적작용이 사이의 밀접한 상호관계를 보여준다. 지구상의 모든 지표는 잠재적 부정합면이라고 할 수 있다. 현존하는 지표의 일부는 침식을 받아 깎여 없어질 것이나, 다른 일부의 지표 위에는 퇴적물이 쌓여 현재의 지형기록으로 보존될 것이다. 예를 들면, 판구조운동에 의해 융기된 스위스의 알프스는 바른 속도로 침식되어 깎여 나가고 있다. 동시에 침식된 물질은 하천을 따라 운반되어 지중해에 쌓인다. 지중해의 바닥은 한때 마른 육지였으나 구조운동의 힘이 알프스를 융기시켰듯이, 구조적인 힘에 의해 침강된 것이다. 여기에서 부정합면은 강에 의해 운반된 젊은 퇴적층과 위로 퇴적물들이 쌓이고 있는 바다 바닥의 오래된 암석을 나눈다. 이런 의미에서 한 장소의 퇴적은 다른 곳에서의 침식을 보상한다. 지각의 암석 가운데 노출된 부정합의 많은 면들은 과거 육지표면이 구조운동에 의해서 융기되고 노출되어 침식된 증거이다. 침식면은 나중의 구조운동이 지표를 침강시킬 때 보존되며, 다시 퇴적물이 쌓이는 곳이 되는 것이다. 부정합은 지구의 긴 역사를 통하여 지구내적, 그리고 지구외적 과정사이에 상초작용이 진행되어 왔음을 입증한다.

 

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