해양지질학-마리아나 해구, 히말라야의 신비

에베레스트를 거꾸로 바다에 빠뜨려도 더 깊다는 마리아나 해구 같은 바다 지형을 연구하는 해양지질학에 대해 알아보고자 한다.

해양지질학 (또는 지질해양학)으로 불리는 이 학문은 바닷속 바닥면을 대상으로 하는 학문으로 지질 뿐만 아니라 해안 가장자리에 관한 조사도 포함한다. 육지를 대상으로 하는 지질학과 마찬가지로 해저퇴적학·해저층서학·해저지형학·해저구조지질학 등으로 나뉘며, 물리 해양학과 큰 연관을 가지고 있다. 이 가운데 최근 해양저 확대설, 판 구조론 발전에 따라 해저구조지질학은 해양지구물리학으로서 그 내용 자체에 충실하고 있다.
현대에는 지금까지 발견되지 않은 해저 지형과 판의 경계에 대한 상세한 연구를 통하여 군사적, 경제적인 목적을 동시에 이루는데 많은 기여를 하고 있다.해구는 바다의 바닥에 위치하고, 반구형의 길쭉한 모양을 하고 있으며, 해저의 침강현상으로 인해 지형적으로 좁게 나타난다.
위에서 언급한 마리아나 해구는 우리가 현재 알고 있는 해구들 중에서는 가장 깊은 해구이며, 지구 지각에서 가장 깊은 곳이다. 태평양판이 필리핀판과 만나 섭입되는 섭입대에 위치하고 있으며, 그 깊이는 에베레스트 산이 들어가고도 한참 남을 정도로 깊다.
연해와 심해에서 탄산칼슘의 침강, 석출, 용해 속도에 관한 연구도 진행하는데, 이것은 다양한 해양 환경이 지구의 온도 변화에 중요한 의미를 가진다. 태평양 주변의 불의 고리라고도 부르는 환태평양 지진대에는 화산활동과 지진활동이 동반되며, 그로 인해 지진, 쓰나미, 화산폭발 등과 같은 재해들이 발생하게 된다. 즉 이런 자연재해에 대비하는 경보 시스템은 재해가 근해의 지질이나 호상열도의 환경에 대한 상세한 이해를 더 많이 요구하고, 필요로 한다.
열수분출공 근처에서 서식하는 극한성 미생물의 발견은 아직까지 발견되지 않은 환경, 생명의 기원이나, 지구의 생명체에 대해 이해를 하는데 있어 큰 영향을 미칠 것으로 보고있다. 또, 중앙 해양단층지대의 화산활동과 열수분출공의 발견과 지속적인 연구들은 홍해에서 시작되어 동태평양 해팽과 대서양 중앙 해령까지 해양지질학적 연구에서 중요한 영역으로 인식되어 오고 있다.
그렇다면, 이 해양지질학에서 파생된 판 구조론은 무엇일까? 쉽게 설명하면 대륙 이동을 설명하는 지질학 이론이다. 판구조론은 '대륙 이동설'을 설명하는 것으로부터 발전해 왔으며 현재 이 분야의 대부분의 과학자들이 판 구조론을 받아들이고 있다. 이 이론에 따르면 지구 내부의 가장 바깥 부분은 연약권과 암석권의 두 층으로 이루어져 있다. 연약권은 점성과 유동성이 있는 맨틀로 구성된다. 수백만 년 이상의 시간 동안 맨틀은 극도로 점성이 높은 액체와 비슷한 행동을 보이지만, 지진파의 전파와 같이 짧은 시간 동안 가해지는 힘에 대하여서는 탄성체와 같은 행동을 보인다. 그 위의 암석권은 지각과 식어서 굳어진 최상부의 맨틀로 구성된다.
즉, 암석권은 연약권 위에 떠 있는 상태로 볼 수 있는데, 판이라고 불리는 몇 개의 조각으로 나뉘고 지진, 화산, 조산 운동, 해구 등은 대부분 판의 경계를 따라서 일어난다고 볼 수 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. 
판구조론은 서로 다른 두 학설로부터 시작되었는데, 20세기 초반에 인식되기 시작한 대륙 표이설과 1960년대 들어서 태동이 활발하게 시작한 해저확장설이다. 판구조론은 1960년대 후반부터 발달하였는데, 그 후 지구과학 부문에서 이른바 혁명을 일으키며 거의 대다수의 과학자들에게 받아들여지게 된다. 이것은 화학의 주기율표, 생물학의 유전 코드의 발견, 그리고 물리학의 양자역학에 비견되는 혁명적인 이론으로 받아들여지고 있다.
이 이론에 대해 더욱 자세하게 알아보면, 지구 내부를 암석권과 연약권으로 구분할 수 있는 까닭은 역학적 성질의 차이 때문이다. 판 구조론의 핵심 원리는 암석권이 서로 구분되는 몇 개의 판으로 구분되어 있고, 이것이 유체와 비슷하게 행동하는 연약권 위를 떠다닌다는 것이다. 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. 상대적으로 유체와 비슷하게 행동하는 연약권 때문에 판들이 서로 다른 방향으로 움직일 수 있는 것이다.
세계에서 가장 활발한 화산들은 판의 경계에 존재하고 있으며 특히 태평양 주변의 환태평양 조산대에서 일어나는 현상이 활발하며 널리 알려져있다. 하나의 판은 판의 경계에서 다른 판과 만나는데, 이 경계에서는 지진 같은 지질학적 사건이나 산맥, 화산, 해구와 같은 지형적 특징이 생기는 경우가 대다수이다.
판에는 일반적으로 대륙지각과 해양지각 아래 맨틀의 최상부 부분이 포함되며 이 모두를 묶어서 암석권이라고 한다.

해양지각과 대륙지각을 구분하는 기준은 구성물질의 밀도차이이다. 또, 판은 대륙지각과 해양지각을 포함하는데 하나의 판에 둘 모두가 존재하기도 한다. 예를 들면 아프리카판은 대륙과 대서양, 인도양의 해저 부분을 포함하고 있다. 해양지각은 대륙지각보다 무거운데 그 이유는 구성 원소의 차이 때문이다. 해양지각은 무거운 원소들(즉 고철질 원소)이 대륙지각보다 더 많다. 대륙지각에는 가벼운 원소들(규장질 원소)들이 더 많다. 그 결과 대륙지각은 해수면 위에 위치하게 되고, 해양지각은 대체로 해수면 아래에 위치하게 되고 그 대표적인 예가 태평양판, 필리핀판이다.
판의 구조에 대해 조금 이해가 되면 필연적으로 드는 궁금함은 바로 판은 어떤 힘으로 움직이느냐는 것이다. 판이 움직일 수 있는 이유는 두가지이다. 첫 번째는 연약권의 역학적 연성 때문이다. 두번째로는 해양판이 상대적으로 무겁기 때문이다. 아직 논쟁이 남아있기는 하지만, 현재 학계에서는 섭입대에서 가라앉는 해양지각의 상대적으로 높은 밀도가 판을 움직이는 가장 중요한 원동력이다. 즉, 맨틀에서의 열방출은 판 구조운동의 근본적인 에너지 원천이다. 해령에서 처음 생기는 해양지각은 아래에 있는 연약권보다 가볍다. 하지만 시간이 지남에 따라 전도에 의해 전도열을 방출하고 두꺼워지기 때문에 점차 무거워진다. 두꺼워지고 무거워진 암석권은 해구에서 연약권아래의 맨틀 심부로 가라앉을 수 있게되고, 판 운동의 대부분의 동력이 된다. 연약권이 약하기 때문에 판이 연약권을 뚫고 삽입대 안으로 들어갈 수 있다. 삽입이 판 운동의 가장 강한 원동력이기는 하지만, 유일한 에너지원이라고는 말할 수 없는데, 북미판이나 유라시아판과 같이 해구가 없는 곳으로 움직이는 판들도 있기 때문이다.
현대에는 과학기술의 발전으로 지구를 살피는 방법이 진보하며 이러한 이런들을 탄탄히 뒷받침해주고 있는데, 흔히 사용되는 지진파단층기법은 같은 깊이의 맨틀일지라도 지진파 진행속도에 불균질성이 있음을 보여준다. 이러한 변이들은 크게, 물질, 광물, 열분포의 불균일 때문이다. 광물의 불균일성은 광물 구조가 곳에 따라 다름을 의미히고, 물질의 차이라는 것은 암석을 이루는 화학적 구성이 불균일함을 의미한다. 그리고 열분포에 따라서 물질의 팽창과 수축이 지역에 따라 다를 수 있다. 이러한 불균일함은 맨틀이 대류하고 있음을 보여준다. 어떻게 맨틀 대류가 암석권의 역학적 움직임에 직간접적으로 영향을 주는가 하는 것은 지구동력학의 연구주제이다. 어떻게든 맨틀의 에너지가 암석권에 전달되어 역학적 에너지로 전환되어야한다. 필수적으로 두 종류의 힘이 영향을 미치는 것으로 생각되고 있다. 마찰력과 중력이다.
마찰력에 대해 좀 더 상세히 서술하면, 저견인상부 맨틀의 대규모 대류는 연약권에 전달되고, 연약권과 암석권 사이의 마찰력에 의해 움직임이 일어난다. 말하다면, 판 흡입하강하는 맨틀대류가 판을 잡아당기는 힘이다.
즉, 밀도차이로 인해 섭입하는 해양판이 끌어당기는 힘이 판구조운동을 일으키는 가장 큰 힘이다. 초기에는 맨틀의 대류가 직접적으로 판을 움직이는 것으로 생각하는 모델도 있었으나, 현재는 연약권이 기저견인 같은 직접적인 마찰력을 일으킬 수 있을만큼 강하지 못하다고 생각되고 있다. 근래의 모델들은 해구에서의 흡입역시 중요한 역할을 하고 있음을 보여준다.
낙차판 운동은 위치가 높은 해령에서 시작되는데, 해령에서는 뜨거운 맨틀물질의 부분용융에 의해서 새로운 해양판이 형성되므로, 해양지각은 시간이 지날수록 식어가고 두꺼워지게 된다. 또한 해령에서 멀어지게 된다. 식은 해양판은 연약권보다 무겁고, 시간이 지날수록 두꺼워지게되므로, 지각평형설에 의해 압력을 보상하기 위해서 가라앉는다. 따라서 해령에서 해구로 갈수록 약간의 표고차이가 생기게 된다. 해령에서는 장력을 받게 된다. 해령에서는 장력이 우세하므로, 중력에 의해서 활강한다고 보는 것이 더 타당하다.
그러나, 일부 학계에서는 판구조운동의 원동력으로 달이 작용하는 조석력을 제안한 바 있다. 그러나 판을 움직이는 데 필요한 달의 조석력이라면, 지구의 자전을 오래전에 이미 멈추었을 것임을 계산으로 방증하기도 했다. 최근에 들어 또 다시 달의 조석력이 판구조운동의 서쪽방향 성분을 설명한다는 연구가 제시되었지만, 조석력과 판구조운동과의 관계는 논쟁중이다.