맨틀 내층구조의 여러 가지 물성(저속대)-중력이상과 지각평형

고지중해 2020. 9. 17. 14:51

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-맨틀 내층구조의 여러 가지 물성

지금까지 밝혀진 바에 의하면 맨틀 내부에는 현저한 성분 경계는 존재하지 않는다. 그러나 그림 16.24에서 보여주는 바와 같이 지각의 하부에서부터 핵-맨틀의 경계부에 이르기까지 지진파의 속도는 규칙적으로 증가하지 않는다. 맨틀 내부의 물성 변화로 인해서 급격한 속도변화가 나타난다.

-저속대

맨틀의 상부에서 P파의 전달속도는 약 8km/초 이고 핵-맨틀의 경계에서는 14km/초 로 증가한다. 그러나 이러한 맨틀 내부에서의 속도증가는 완만하고 일정하게 일어나지 않고 있다. 지각의 하부에서 약 100km깊이까지는 P파의 속도는 약 8.3km/초 까지 서서히 증가한다. 그러나 여기서부터 속도가 서서히 감소하기 시작하여 약 8km/초 까지 떨어지고 이 상태가 약 350km 깊이까지 계속해서 나타난다. 이처럼 속도가 낮아지는 100-350km 사이의 구역은 항상 일정하게 나타나는 것은 아니며 대륙보다는 해양지역 하부에 보다 잘 발달되어 있다. 이 저속대는 그림 16.24의 P파와 S파의 속도 곡선상에서 조그마한 굴곡형태로 나타나있다. 이 지대에서 밀도가 감소하거나 성분이 변화하는 것을 반영하는 증거는 없다. 그렇다면 이러한 현상을 설명하기 위해서는 이 지대가 그 상하부의 물질과 성분은 동일하나 주변부에 비해서 강성률이 낮고, 비탄성적이고, 또한 보다 연성인 상태라고 생각할 수밖에 없을 것이다. 이러한 상황을 입증할 증거가 표면파의 속도분산의 연구에서 나타났다. 100km 이상의 심부를 통과하는 파장이 긴 표면파는 맨틀 내부의 보다 연약한 지역의 영향을 받는다.

저속대가 발달하는 이유는 100-350km 사이의 깊이에서 지온경사가 맨틀물질의 용융점에 도달한다는 사실로부터 설명이 가능하다. 이 설명이 맞다면 용융점에 도달한 암석의 강도가 현저하게 떨어지거나 또는 소량의 용융이 일어나 광물입자의 표면에 얇은 막을 형성하여 윤활유 역할을 하게 될 것이다. 여기서 용융이 일어난다고 해도 매우 소규모로 일어나야 함을 알 수 있다. 왜냐하면 일반적으로 S파는 액체를 통과하지 못하는 성질이 있는데 이 저속도대는 S파를 통과시키고 있기 때문이다. 액체는 마치 두꺼운 기름막처럼 맨틀내부의 입자에 윤활유 역할을 함과 동시에 탄성을 저하시킴으로써 탄성파의 속도를 감소시키는 역할을 할뿐이다.

판구조론의 종합적인 이론적 개념은 암석권으로 구성된 판이 맨틀에 존재하는 소성물질의 위를 미끄러져 이동한다는 것이다. 이처럼 저속대는 연약권의 존재를 입증하는 것으로서 판구조론에 있어서 매우 중요한 위치를 차지한다. 저속대의 상부에는 암석권의 하부가 위치한다. 따라서 저속대는 연약권에 해당한다.

※중력이상과 지각평형

정밀한 측정결과에 의하면 지구는 완전한 구형이 아니고 극지역에서는 약간 편평하고 적도지역에서는 약간 불룩한 모습을 한 타원체의 형태를 가지고 있다.

적도에서의 반경은 극에서의 반경에 비해 21km가 길다. 두 물체 사이에 작용하는 인력의 세기는 두 물체의 무게중심 사이의 거리의 제곱에 반비례하므로 지표면에서의 중력은 적도보다 극에서 보다 높게 나타난다. 즉 북극에서 체중이 90.5kg인 사람이 적도지방으로 이동함에 따라 체중은 서서히 감소하며 적도에서는 90kg이 된다. 그러나 체중에 대해서 매우 민감한 사람이 북극에서 적도로 여행하면서 매우 정밀하게 체중을 측정하면 그의 체중이 상당히 불규칙하게 변함을 발견하게 될 것이다. 이로부터 그 사람은 중력이 불규칙하게 변한다는 결론을 내릴 수 있을 것이다. 한 걸음 더 나아가 그가 매우 정밀한 중력계를 가지고 여러 지점에서 중력을 측정한다면 실질적으로 중력이 불규칙하게 변함을 알 수 있을 것이다.

-중력이상

중력계는 관성지진계와 유사한 구조를 가지고 있다. 여기에는 무거운 추가 민감한 스프링에 매달려 있다(그림16.26). 지반이 안정된 상태이고 지진 등에 의한 진동이 없으면 추에 의해서 늘어난 스프링으로부터 정밀한 중력 값을 측정할 수 있다. 최근의 중력계들은 놀라울 정도로 높은 정밀도를 보여준다. 현재 사용되어지고 있는 가장 정밀한 중력계는 1억분의 1의 중력변화를 측정할 수 있다.

지구상의 여러 위치에서 측정한 중력을 비교하기 위해서는 위도와 지형변화에 대한 중력보정이 이루어져야 한다. 중력보정은 기본적으로 지구의 중심부로부터 동일한 거리에 있는 점에서 측정한 중력값으로 환산하기 위한 것이다. 여기서 만약 지구중심과 중력계사이에 존재하는 암석의 질량이 어느 곳에서나 동일하다면, 보정된 중력 값은 지표면상의 어느 곳에서나 같은 값으로 나타날 것이다. 그러나 실제 보정된 중력 값은 상당히 다른 값을 보여주는 데 이러한 중력의 변화를 중력이상이라고 한다. 이러한 중력이상이 나타나는 이유는 지구내부의 암석의 밀도가 불균질 하게 분포하기 때문이다. 그림 16.27은 간단한 중력이상의 예를 나타낸 것이다. 이러한 중력이상으로부터 우리는 매우 중요한 정보를 얻어낼 수 있다.

그림 16.21에 지진파로부터 구한 미국에서의 지각의 두께가 중력 측정값과 함께 표시되어 있다. 3개의 주요 산맥(애팔래치아, 록키, 시에라 네바다) 하부에서는 비 산악 지역에 비해서 지각이 보다 두껍게 발달되어 있다. 이 단면도에서 산맥 하부에 위치한 지각은 수면 위와 아래에 각각 봉우리와 뿌리를 가진 빙하와 유사한 모습을 갖고 있음을 볼 수 있다. 그림 16.21C에 표시된 미국을 횡단하는 측선 상에서 측정된 중력이상곡선이 이러한 지각의 모습과 매우 유사하게 나타남을 알 수 있다. 지각이 두꺼운 곳에서는 음의 중력이상이 나타나는 데 이것은 미국의 산맥지역 하부의 지각과 그림 16.27의 분지에서 모두 밀도가 낮은 퇴적암이 깊이 발달되어 있기 때문이다.

그림 16.26 중력 측정
중력계는 매우 민감한 스프링에 연결된 무거운 금속추로 구성되어 있다. 각 장소마다 중력이 다르며 이 추가 스프링에 작용하는 함도 변한다. 중력계 내부에는 이 금속추와 스프링이 다른 극히 민감한 측정 장치와 함께 진공상태로 내장되어 있다.

그림16.27 중력이상의 예
밀도가 높은 화성암으로 된 기반암 위에 밀도가 낮은 퇴적암으로 채워진 분지가 형성되어 있다.
전반적으로 분지에서 중력 측정치는 매우 낮은 값으 보여주고 있다. 여기서 중력이상의 크기로부터 분지의 두께를 계산할 수 있다.

여기서 분지나 산맥지역에 밀도가 낮은 암석의 뿌리가 깊이 발달하게 되는 이유를 알아보면 지구 내부의 재미있는 물리적 특성을 이해할 수 있다. 산맥은 보다 약하고 쉽게 변형이 일어나는 밀도가 높은 암석이 하부에 놓여 있어서 빙하와 같이 부력에 의해서 높이 솟아있고 하부에는 뿌리가 발달되어 있다. 산맥은 이러한 관점에서 물 위에 떠있는 상태에 있다고 말할 수 있다. 그러나 실제 맨틀 위에 떠 있는 것은 지각이 아니고 두꺼워진 지각으로 덮여 있는 암석권이다. 특이한 것은 지표에서 관찰되는 지형의 변화는 견고한 암석권에 의해 형성된 것이 아니고 오히려 연약하고 부력이 작용하는 연약권이 기인한다는 것이다.

-지각평형

암석권 내부의 각 부위에서 일어나는 부유성 균형작용을 지각평형이라고 한다. 최근의 빙하기에 형성된 거대한 얼음층은 지각평형을 매우 잘 설명해주고 있다. 대륙에 형성된 거대한 얼음층은 그 두께가 3-4km에 달하며 암석권은 그 하중에 눌려서 침강하게 될 것이다. 그러나 이 얼음이 녹아 없어지면서 지표는 다시 서서히 상승하여 올라온다. 이러한 현상은 나무 조각을 끈끈한 기름속에 손으로 밀어 넣었을 대 일어나는 상황과 유사하다. 나무에서 손을 떼면 나무는 그 밀도에 의해서 결정되어지는 평형상태의 위치로 다시 올라올 것이다. 그 상승 속도는 기름의 점성도에 의해서 좌우된다. 이처럼 얼음층에 의해 암석권이 하강하는 것은 연약권에서 암석이 측방으로 유동해 나감을 의미하며 변형력이 제거되어 눌려있던 암석권이 원위치로 되돌아가는 것은 연약권에서 암석이 다시 유동해 돌아옴을 의미한다(그림16.28). 캐나다의 북동부지역과 스칸디아비아 반도에서는 마지막 빙하기의 두꺼운 얼음층이 7000년 전에 모든 대부분 녹아 없어졌음에도 불구하고 이 지역들이 지금도 계속 상승하고 있다는 사실은 연약권의 유동속도가 매우 느리고 따라서 연약권의 점성도가 매우 높다는 것을 잘 반영하여 준다.

대륙과 산맥은 밀도가 낮은 암석으로 되어 있으며 두껍고 가벼워서 높이 솟아있는 반면 해양지각은 밀도가 높은 암석으로 구성되어 있기 때문에 낮은 지형적 특성을 보인다. 지구가 그림 2.4에서 보는 바와 같이 두 가지의 뚜렷한 지형적 특성을 보이는 것은 바로 지각평형과 대륙지각이 해양지각보다 밀도가 낮기 때문인 것이다.

지각평형에 대한 설명에서 중요한 사랑중의 하나는 암석권이 마치 연약권위에 떠있는 것처럼 작용한다는 것이다,(지구는 고체이기 때문에 떠있다는 표현이 적절한 것은 아니지만 부력이 있는 암석권이 마치 떠다니는 것처럼 작용하고 있다.) 중력측정결과에 의하면 산맥이 너무 급격히 상승하여 이에 따른 질량불균형을 충분히 보충할 정도의 저밀도 성분의 뿌리가 발달되지 못하는 경우가 종종 나타난다. 반면에 해저에 발달한 해구와 같은 곳에서는 밀도가 낮은 지각이 너무 급격히 끌려 들어가 상부에 산맥이 형성되지 못한 상태에서 하부에 뿌리가 형성되는 경우도 있다. 이 밖에도 기타 많은 경우에 국지적인 중력이상이 발달한다. 그러나 이러한 중력이상이 그리 크게 나타나지 않는 점으로 미루어 볼 때 지구 내부에서는 항상 지각평형이 이루어지는 방향으로 변화가 일어나고 있음을 알 수 있다. 실제 판구조운동이 지구의 수평운동의 주원인인 것과 마찬가지로 지각평형은 지구의 주요한 수직운동의 원인이다. 다음 장에서는 이 두 가지 사실이 역동적인 지구의 지속적이고 활발한 변화에 어떻게 작용하는지에 대해서 설명될 것이다.

그림 16.28 얼음층에 의한 암석권의 침강
A. 얼음층이 덮이기 전에는 중력이상이 나타나지 않는다.

B. 얼음층이 형성되면 암석귄이 얼음층의 하부에 의해 침강이 일어난다. 연약권 내부의 일정 깊이에서는 암석권에 의해서 점유당한 부피만큼 외부로의 물질이동이 일어난다.

C. 얼음이 녹으면 암석권은 서서히 원래의 위치로 되돌아간다. 침강된 부분이 완전히 원상태로 되돌아 갈 때 까지는 이 지역에서는 항상 음의 중력이상을 보여준다. 여기서 연약권의 점성도는 유동속도 또는 원상 복원속도를 좌우한다.

그림 16.29 노르웨이 스발라르의 노르드아우스틀란데의 해변 모래사장이 후빙하기 융기 작용으로 인래서 해수면 위로 상승해 있는 모습. 이것은 얼음이 제거된 후 육지가 상승했음을 보여주는 좋은 증거가 된다.

그림16-30. 지진 증거 지질학자 브라이언 에트워트(Brian Atwater)가 워싱턴주 해안 윌라파 만(Wilapa Bay)의 늪지대에 형성된 만조수위의 위치에 서 있다. 이 지역은 과거 가문비나무의 숲이 우거져 있던 곳이었으나 300년 전 대규모 지진에 의한 급격한 섭입으로 해침이 일어나 나무들이 죽었으며 그 나무뿌리들 위로 늪지 수목들이 자라고 있음을 보여주고 있다.
그림 16.31 후안 데프카 판과 북아메리카판이 캐스캐디아 섭입대에 의해서 구분된다. 급격하고 돌발적인 해안 저지대의 하강현상의 증거가 워싱턴주를 따라 표시된 5개지점에서 발견된다.