조산대에서 지각 기저의 진화 특성에 관한 최근의 연구 결과
| 대부분의 조산대(mountain belt)는 지판(tectonic plate)의 충돌 경계를 따라 형성되며 이러한 산악지형의 융기와 침강에 대한 일반적인 설명은 다음과 같다. 즉 조산대는 지판의 충돌에 의해 야기되는 힘에 의해 지각이 두꺼워져 융기하며 또한 하부 맨틀에서 유래한 마그마의 지속적인 관입에 의해 지각 하부 역시 두꺼워진다. 현재 중앙 안데스나 티벳과 같은 활발한 조산운동이 일어나고 있는 지역의 경우, 지표에서 관찰되는 산악 지형의 전체적인 질량은 그 하부에 놓여 있는 낮은 밀도 암석의 부력적 상승에 의해 중력적으로 균형을 이루고 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 지각 두께의 증가와 융기 과정이 멈추면 삭박에 의해 예전에 산악 지형이였던 곳이 평원으로 변하게 된다. 산악 지형이 삭박에 의해 평원으로 변하게 됨에 따라 이전에 두꺼워진 지각과 중력적으로 균형을 맞추고 있던 지각 기저(crustal root)는 계속적인 상승에 의해 삭박된 지표 암석과 중력적인 균형을 맞추게 된다. 그러나 조산대에 있어서 이러한 고전적인 지각의 균형운동이 현재 깊게 삭박된 고기 충돌대의 경우 일반적으로 적용되는 것이 아닌 사실이 보고 되었다1. 현재 평탄한 지형을 이루고 있는 많은 고기 조산대의 경우 여전히 두꺼운 지각 기저가 수 억년, 혹은 수 십 억년 동안 지속적으로 존재하고 있음이 밝혀졌다. |
| 세계 각지의 모든 충돌 조산대를 조사함으로써, Fisher는 지각 기저의 두께에 대한 고도(elevation) 비가 젋은 조산대에서는 약 0.1 - 0.2 (일반적으로 기저 두께는 지표의 고도(relief) 보다 약 5-10 배 큼) 인데 비해서 많은 수 억년 된 조산대에서는 거의 0 (여전히 두꺼운 기저 두께를 가지나 지표의 고도는 매우 적음)에 가까운, 즉 조산대의 생성 시기에 따라 지각 기저의 두께에 대한 고도 비가 체계적으로 감소하는 것을 발견하였다. 이러한 관찰은 조산대에서 삭박에 의해 지표의 산악 지대가 제거되면 그 하부에 놓이는 지각 기저도 제거되어야 한다는 일반적인 생각과 차이를 보인다. 즉 현재 평탄한 지형을 보이는 고기 조산대의 경우 상대적으로 두꺼운 지각 기저를 가지지 않아야 한다는 일반적인 생각과 배치된다. |
| 조산대에서 지각 지저의 진화 과정에 대한 이러한 일반적인 생각은 19 세기 중반 인도의 Trigonometrical Survey 동안 히말라야에서 관찰된 소위 \'trianglulation anomalies\'에서 발견되었으며, 산맥들은 단순히 지표에만 부가된 지각 덩어리가 아니라 지하 심부에서 상당한 질량 결손(mass deficit)에 의해 상쇄된다는 사실을 의미한다. 이러한 중력적 균형 작용은 조륙 상쇄(isostatic compensation)로 불리 운다. 조륙운동(isostasy)은 아르키메데스의 원리가 지구에 적용된 것으로, 낮은 밀도의 지각체(crustal block)가 상대적으로 높은 밀도의 유동성 맨틀 위에 떠있는 것이다. 이것은 마치 빙산이 물에 떠있는 것과 같으며, 수면 아래에 있는 훨씬 많은 양의 빙산에 의해 물과 중력적으로 균형을 맞추는 것이다. 조륙적 균형(isostatic balance)을 이루고 있는 산악 지대는 일반적으로 지각 기저의 부력에 의해 고도를 유지하고 있다. 엄밀히 말하면 빙산의 예와 같은 조산대의 조륙적 균형은 지각과 맨틀이 충분이 약해서 변형이 가능할 경우, 지각이 상대적으로 밀도가 높은 맨틀 유체에 떠있을 경우에만 가능하다. 이러한 가정은 현재 활동적인 조산대의 경우 가능한 기작으로 보이나, 오래된 조산대의 경우 점진적인 냉각에 의해 지각과 맨틀의 강도(rigidity)가 증가되기 때문에 유용하지 않을지도 모른다. |
| Fisher는 이번 연구에서 어떻게 지각 기저가 오랜 지질시대 동안 생존할 수 있는가에 대한 두 가지 가정을 고려함으로서 조륙 운동적 균형의 역할을 검토하였다. 첫 번째 가정은 암권(lithosphere, 지각과 상부 맨틀)이 시간이 지남에 따라 점차 단단해짐으로서 낮은 밀도의 지각 기저가 부력에 의해 재상승하는 것을 어렵게 한다는 것이다. 두 번째 가정은 지각 기저와 맨틀의 밀도차가 시간이 지남에 따라 감소한다는 것이다. 상대적으로 젊은 조산대를 제외하고 이러한 두 가지 가정은 오래된 조산대에 있어서 지각과 맨틀의 서로 다른 밀도차에 의한 매우 다른 중력이상을 보일 것은 자명하다. Fisher는 고기 조산대에서 관찰되는 중력이상에 가장 적합한 지각의 밀도를 모델링하여 첫 번째 가정은 적합하지 않음을 밝혔다. 즉 고기 조산대 하부에 놓이는 지각 기저는 현재 활동적인 조산대의 기저를 형성하는 부력을 가지는 저밀도 물질로 구성될 수 없음을 밝혔다. 대신에 Fisher는 비록 거의 모든 경우에 있어서 지각 기저는 지표의 현상에 대해서 여전히 조륙적 상쇄(isostatic compensation)를 제공하고 있지만, 지각 기저와 맨틀 사이의 밀도차가 시간이 지남에 따라 뚜렷하게 감소하는 것을 보였다. |
| 이러한 분석은 시간이 지남에 따라 온도의 감소와 광물학적 반응에 의해 하부 지각이 점차 높은 밀도를 가지는 방향으로 진화한다는 것을 의미한다. 이러한 지각의 진화 과정은 오래 걸리지 않아, 지각 기저에서 발생하는 부력의 감소는 모든 조산대에서 2000 만년 혹은 그보다 이른 시간 내에 일어나는 것으로 보인다. Fisher의 연구 결과는 하부 지각과 맨틀의 밀도차가 시간이 지남에 따라 감소하는 것을 의미하며 따라서 비록 지표가 평탄한 고도를 이루더라고 지각 기저가 조륙적 평형(isostatic equilibrium)을 이룰 수 있음을 지시한다. 한편 이 같은 제안은 오랜 지질시대를 통해 지각 기저의 부력적 상승이 계속될 수 있도록 암권이 여전히 연약하게 남아있어야 함을 의미한다. |
| Fisher의 연구 결과는 특히 일반적으로 통용되는 조산대의 중력적 붕괴(gravitational collapse)라는 개념에 더 광역적인 의미를 가진다. 중력적 붕괴 혹은 후조산 붕괴(post-orogenic collapse)는 조산운동 동안 두꺼워진 지각이 후조산 신장(post-orogenic extension)2,3 운동에 의해 빠르게 얇아진다는 것을 의미한다. 이러한 과정은 조산대의 진화와 관련한 순환 과정에 있어서 지각 기저의 실직적인 소멸을 일으키는 정상적인 단계로 알려져 있다. 이러한 이론에 의하면 활동적인 조산 운동은 하부 맨틀의 열적 상승에 의한 암권의 열적 삭박과 이에 수반되는 얇아짐에 의해 조산대의 빠른 붕괴를 수반하는 것으로 알려져 있다. 이러한 관점에서 Fisher의 연구 결과는 지금까지 알려진 바와 달리 조산운동 이후의 지각 진화가 그렇게 단순한 것이 아님을 의미한다. 비록 조산운동 후에 빠른 중력적 붕괴가 발생한 조산대의 사례가 있기는 하지만, 많은 고기 조산대의 하부에 상당히 두꺼운 규모의 지각 기저가 수 억년 동안 보존되고 현재까지 계속해서 융기되었다는 사실은 대규모의 후조산 신장 운동과 이에 수반되는 지각 기저의 소멸 과정이 항상 조산대의 지각 진화 과정에 필요?충분한 조건은 아니라는 사실을 의미한다. |
1. Fisher, K.M., Nature 417, 933-936 (2002).
2. Dewey, J.F., Tectonics 7, 1123-1139 (1988).
3. Vanderhaeghe, O. & Teyssier, C., Tectonophysics 335, 211-228 (2001) |
