판의 경계


지구의 구조
그림 11. 지구의 내부구조	이미 잘 알려진 대로 지구 내부(그림 11)는 양파 속 같이 조성과 성질이 다른 여러 개의 층으로 구분되는데 각 층에 대한 자세한 특성은 지진파의 연구로 잘 알려져 있다. 지각(crust)은 지구의 표면을 구성하며 평균 두께 35 km로 매우 얇은 부분이다. 그 아래로 2,900 km까지 계속되는 맨틀(mantle)이 있다. 그리고 지하 2,900 km에서 지구 중심부까지를 핵(core)이라고 하며 액체로 생각되는 외핵은 두께가 2,280 km, 고체인 내핵은 그 반경이 1,190 km이다. 맨틀과 지각 사이에는 모호면 또는 모호로비칫치면(Mohorovicic discontinuity)이 놓여 있다. 맨틀의 상부는 밀도가 3.3 g/cm³ 정도인 감람암질 암석으로 이루어져 있으나, 아래로 내려감에 따라 구성 물질의 밀도는 더 커진다. 핵은 운석의 연구로부터 철과 니켈의 합금으로 구성된 것으로 추정되고 있다.
지각(Crust)
그림 12. 지구 상층부의 구조. 단단한 암권이 약하고 부분용융 상태인 연약권위에 놓여 있다.	지구의 표면은 암석으로 구성되어 있는데, 이들 암석으로 이루어진 지구의 껍질을 지각이라 한다. 지각은 지구 표면에서 수면으로 노출되어 대륙을 이루는 부분과 물 속에 잠겨 해저를 이루는 부분으로 크게 나뉘는데 이를 각각 대륙 지각(continental crust)과 해양 지각 (oceanic crust)이라 부른다. 전자는 두께가 32~48 km인 두꺼운 암층으로서 화강암질 암석 으로 구성되며 평균 밀도는 2.7 g/cm³이다. 한편 후자는 해양저 아래에 넓게 분포된 5~8 km 두께의 비교적 얇은 암층으로서 주로 현무암질 암석으로 이루어져 있으며, 평균 밀도는 대륙 지각보다 무거운 3.0 g/cm³이다. 지각과 맨틀 상부를 구성하는 강하고 단단한 부분을 합쳐 암석권(lithosphere)이라 부르며 그 아래로는 약하고 부분적으로 용융되어 있는 연약권(asthenosphere)이 있다. (그림 12)

판의 경계
그림 13. 지진의 분포. 지진은 판경계부를 따라 좁은 띠의 형태를 이룬다. 그림 14. 판의 3가지 경계부. 확장, 수렴, 및 유지경계	전 세계에서 지진이 자주 발생하는 지점을 표시하면, 주로 특정 지역에 편중되어 발생하는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 태평양 주변의 대륙의 연안이나 섬들(환태평양)에 걸쳐 집중 분 포하고 있으며 히말라야 산맥을 따라서도 지진이 발생하고 있다. 또한 바다에서는 태평양의 동쪽 해저와 중앙 대서양 해저의 남북 방향을 따라 지진이 발생하고 있다(그림 13). 한편, 화산의 분포 지역도 지진의 분포대와 거의 겹치고 있다. 이와 같이 지진이나 화산은 특정 지역에 집중하여 발생하거나 동일 지역에 반복해서 일어나고 있다. 이들 지진은 지각을 구성하는 판들이 각기 움직일 때 판 경계부에서의 상호 작용에 의한 충격이며 화산도 그 부산물인 것이다. 따라서 판구조론의 핵심은 판과 판들이 상호 작용하는 무대인 판 경계부의 종류를 구분하고 판구조 운동의 산물인 화산이나 지진 같은 지질 현상을 통하여 다양한 판 경계부의 모습을 이해하는 것이다. 지질학자들은 판의 경계를 확장 경계, 수렴 경계, 및 유지 경계의 3가지로 통상 구분하는데(그림 14), 수렴 경계를 다시 침강 경계와 충돌 경계로 구분하여 4가지의 경계로 나누기도 한다.
확장 경계(Divergent boundary)
그림 15. 대서양 해양저에 발달한 확장경계	상부 맨틀의 뜨거운 마그마는 끊임없이 외부로 빠져나가려 하는데 주로 지각의 갈라진 틈을 통하 여 분출하게 된다. 이러한 지각의 틈들은 주로 두께가 얇은 해양판(지각)에 주로 분포되어 있으며 일직선상으로 연장 발달되어 있다. 이곳에서는 분출된 마그마가 해수에 의해 냉각되어 암석으로 굳어지면서 새로운 해양 지각을 만들고 새로운 해양 지각은 계속되는 마그마의 분출에 의해 판의 일부가 되어 점점 멀어지게 된다. 바로 이곳이 판들이 멀어지는 확장 경계이며 새로운 해양 지각이 생성되는 곳이라 하여 생성(constructive) 경계라고도 한다.(그림 15)
그림 16. 새롭게 형성되는 확장경계 (동아프리카 열곡대)	또한, 이곳은 마그마의 분출에 의해서 열곡(rift valley)과 해저 산맥을 이루게 되는데, 해령(oceanic ridge)이라고 부른다. 한편, 확장 경계는 해양판에만 있는 것이 아니고, 두꺼운 대륙판 내부에도 존재한다. 가장 대표적인 예는 아프리카 대륙의 동쪽에 발달된 동아프리카 열곡대이다(그림 16). 이 열곡대는 해령의 확장축 부근에 존재하는 열곡의 형성과 동일한 과정으로 만들어진 것으로 추정되며, 이를 중심으로 아프리카 판의 동서 두 부분이 서로 멀어지고 있는 것이다. 여기서도 해령에서처럼 맨틀 기원의 마그마가 분출하여 생성된 암석이 나타난다. 한편, 홍해는 확장 경계에서 새로운 해양이 만들어지는 과정을 보여준다. 이 경우 새로운 해양 주변의 대륙에는 여전히 열곡대에서 관찰되는 단층들이 남아 있다.
수렴 경계(Convergent boundary)
그림 17. 침강경계 (위)해양판과 해양판이 만났을때, (아래) 해양판과 대륙판이 만났을 때	확장 경계에서 두 판이 서로 서로 멀어지게 되면 판의 한쪽에서 멀어지는 운동이 상대적으로 다 른 쪽에서는 서로 가까워지게 되어 충돌하는 운동이 된다. 이곳이 바로 판들이 만나는 수렴 경계이며, 충돌에 의해 판들이 없어지는 곳이라 하여 소멸(destructive) 경계라고도 한다. 수렴 경계는 판의 성질에 따라 크게 2가지의 형태를 보여준다. 첫째는 두 판이 충돌하여 하나의 판이 다른 판 아래로 침강(subduction)해 들어가는 경우인데, 예를 들어 해양판과 대륙판이 만나는 경우는 무거운 해양판이 보다 가벼운 대륙판 아래로 침강하 여 들어가게 된다. 해양판과 대륙판이 만나는 경계에서는 해구(海丘, trench)가 만들어지며 해구를 따라 대륙 쪽으로 활 모양의 화산 배열이 생겨나게 된다 (그림 17 아래). 이는 침강해 들어간 해양판이 온도와 압력의 상승으로 해양 지각 또는 맨틀의 일부가 녹아 마그마가 되어 다시 분출하기 때문이다. 한편 침강해 들어가는 해양판이 대륙판과의 마찰에 의해 끊임없이 지진이 발생한다. 때로는 해양판이 해양판 아래로 침강하는 경우도 생겨나는데 거기에도 해구가 만들어진다 (그림 17위). 예를 들면, 통가-케르마덱 해구, 알류시안 해구 등이 여기에 해당된다.
그림 18. 충돌경계. 대륙판과 대륙판이 만날 때	둘째는, 서로 만나는 두 개의 판이 대륙판인 경우 무게가 비슷하여 어느 한쪽이 침강하는 대신에 충돌(collision)하게 된다. 이러한 충돌 경계에서는 대륙 지각을 압축하고 위로 밀어 올리며 습곡 산맥같은 대규모의 조산대를 형성하게 된다(그림 18). 대표적인 곳이 히말라야 산맥과 배후의 티벳 고원인 데, 바로 인도판이 유라시아판과 충돌할 때 생성된 것이다.
유지 경계(Conservative boundary)
그림 19. 중앙해령 부근에 발달한 유지경계인 변환단층	유지 경계는 두 판이 반대로 미끄러지는 상대 운동이 일어나는 곳으로 서로 어긋나게 되는데, 평행 이동(translational) 경계라고도 한다. 이 경계를 윌슨(Wilson)은 변환 단층(transform fault)이라 하였는데(그림 19) 판의 경계에 대한 이해와 판의 상대 운동의 방향을 지시하는 역할을 한다는 점에서 변환 단층은 판구조론의 확립에 매우 중요하다. 변환 단층은 해양판 내에서는 길게 발달한 확장 경계 즉, 해령을 자르고 있으며, 대륙판 내에서는 캘리포니아의 산안드레아스 단층처럼 지표에 노출되어 격렬한 구조 활동으로 우리 인간들에게 많은 피해를 주기도 한다. 유지 경계인 변환 단층은 대개의 경우 해령과 해령으로 연결되지만, 때로는 해구와 해구, 해구와 해령으로 연결되기도 한다.

판구조 운동의 증거
	판의 경계부는 각각의 판들의 상대 운동의 차이로 인하여 앞서 밝혔듯이 여러 지질 현상들이 관찰된다. 이들 현상들은 오랜 시간을 걸쳐 서서히 형성된 것도 있으며, 짧은 시간에 일시적으로 발생하기도 하는데 바로 지구가 살아서 끊임없이 변하는 것을 알려주는 증거이며, 판구조 운동으로 인한 거대한 지구의 격렬한 반응인 것이다. 이러한 현상에는 지형의 변화, 지진의 발생, 및 화산 활동 등을 꼽을 수 있다.
지형의 변화
그림 20. 동태평양 해팽의 일부	주로 해저에 발달된 확장 경계에서는 맨틀로부터 상승한 마그마가 분출하여 확장축을 따라 해저의 표면을 융기시켜 해저 산맥이 생성된다. 이때 마그마 분출로 인하여 지하 내부에는 빈 공간이 생기게 되고 산맥 중앙 부분이 다시 무너져 내리면서 움푹 파인 골짜기인 열곡(rift valley)이 확장축 주변에 생성된다. 이들을 포함한 전체의 부분을 해령(oceanic ridge)이라 한다. 이들 해령은 주로 해양저의 중앙에 위치하여 일명 중앙 해양저 산맥 또는 중앙 해령(Mid-oceanic ridges)이라 부르는데, 확장이 느린 곳에서는 해령(ridges)이라 불리는 높은 산맥을 만드는데 반해, 빠른 확장은 해팽(rises)이라 불리는 낮은 산맥을 만든다. 대표적인 것으로 중앙 대서양 해령(Mid Atlantic Ridges, 또는 줄여서 MAR)은 대서양 중앙으로 남-북으로 길게 뻗쳐 있으며, 동태평양 해팽(East Pacific Rises, 또는 EPR)은 태평양판의 동쪽 가장 자리를 따라 뻗쳐 있다(그림 20). 이들 확장 경계인 해양저의 해팽과 해령의 총 연장 길이는 약 74,000 km에 이른다.
그림 21. 침강경계에서 발달하는 여러가지 지형	두 판이 충돌하는 수렴 경계에서는 접근하는 판의 성질에 따라 2가지의 다른 양상을 보여준다. 첫째는 해양판과 대륙판이 만나는 경우로서 무거운 해양판이 대륙판 밑으로 침강하면서 경계부에 해구(trench)가 형성되며, 해구를 따라 대륙 쪽으로 활 모양의 화산 배열이 생겨난다. 이를 도호(島弧, island arc)―호(弧, arc)라는 한자가 활을 뜻함― 또는 호상 열도라고 한다(그림 21). 해양판은 침강해 들어가는 한편, 해양 지각 위에 얇게 쌓인 해양 퇴적물을 대륙 쪽으로 밀어붙여 부가(附加, accretion)시킴으로써 대륙을 성장시키기도 한다. 예를 들어 현재 북미 대륙의 서해안 쪽의 1/4에 해당되는 지역은 한때 바다였으며, 태평양판이 북아메리카 판 밑으로 파고들 때, 태평양 판 위에 쌓인 퇴적물들을 북 아메리카 쪽으로 밀어붙여 생성된 것이다. 샌프란시스코 해안가 언덕에서 발견되는 퇴적층에서 태평양 심해저 기원의 화석이 발견되는 것이 좋은 실례이다. 이와 같은 예는 일본 열도에도 적용할 수 있는데, 21세기에 일본이 바다로 침몰할 것이라는 이야기도 있지만 사실은 그 반대로 일본은 점점 더 성장할 것이다. 경우에 따라서는 해양 지각이 모두 대륙판 밑으로 침강해 들어가는 것이 아니라 일부는 대륙 지각 위로 밀어붙여 압박을 가하여 대륙 연안 쪽에 큰 주름이 잡혀 습곡 산맥과 지향사(geosyncline)를 만들기도 하는데 코르딜레라(Cordillera) 조산대가 대표적인 예이다.
그림 22. 인도판과 유라시아판이 충돌하여 히말리야산맥과 티벳고원을 형성함.	둘째는 대륙판과 대륙판이 만나는 경우로서 그 경계부가 충돌하게 되면서 서로 주름이 잡혀 위로 솟아오르게 된다. 이때는 거대한 산맥과 고원 등의 조산대가 형성된다. 세계의 지붕이라는 히말라 야 산맥과 배후의 티벳 고원은 인도판이 유라시아판을 밀어붙일 때, 두 대륙판의 충돌에 의하여 생성된 것이며 (그림 22), 지금도 계속 산의 고도가 높아지고 있다.
	유지 경계에서는 서로 반대편으로 엇갈리게 이동하는 변환 단층(transform fault) 작용이 일어나는데, 대부분이 확장 경계인 중앙 해령을 수직으로 가로지르는 단층대로 해저에 형성된다. 그러나 일부의 연장선은 대륙 쪽으로 노출되기도 하는데, 캘리포니아 해안선을 따라 길게 발달한 산안드레아스 단층(San Andreas Fault)은 대표적인 변환 단층으로 지금도 단층을 경계로 해안 쪽과 내륙 쪽이 서로 엇갈리게 움직이고 있으며, 그 결과 격렬한 지진이 자주 발생하는 원인이 되기도 한다. <- 그림 23. 유지경계인 산안드레아스 단층
지진 활동
그림 24. 지진에 의해 무너진 건물	판의 경계부에서 판들의 상대적인 이동에 의해 야기되는 가장 직접적인 현상이 지진이다. 따라서 판의 경계부와 지진의 발생 지역과는 밀접한 관계가 있다. 1995년 1월 8일 일본 고베에서 발생한 진도 7.8의 큰 지진은 5천여 명이 사망하는 인명 피해와 함께 수만 채의 집이 파괴되는 막대한 재산 피해를 일으켜 전세계를 경악시킨 것을 우리는 생생 히 기억하고 있다 (그림 24). 1923년 9월 1일, 동경과 요코하마를 괴멸시킨 관동 대지진이 발생한 이후, 지난 50년간 10회의 대지진이 일어나 1만7천명이 넘는 인명과 10만 채의 건물을 잃었으며, 매년 천 회 이상의 크고 작은 지진이 발생하고 있다. 이는 바로 태평양판이 유라시아판을 파고들면서 두 판의 충돌과 마찰에 의해 발생하는 것으로 판의 경계부에 놓인 일본은 지진이 발생하는 무대인 것이다. 이와 같이 일본뿐만 아니라 지진이 자주 발생하는 지역은 주로 지중해와 태평양 주변의 육지와 섬, 인도 히말라야 산맥, 중국의 산악 지대 및 북미 대륙 서해안 등 특정 지역에 집중 분포하고 있으며 이들은 바로 판 경계부에서의 판구조 운동의 결과인 것이다. 대륙판과 충돌하여 해양판이 침강해 들어가는 수렴 경계의 경우, 해양판이 침강해 들어가면서 일 으키는 마찰은 지속적이며, 다양한 강도의 지진을 발생시킨다. 예를 들어 태평양 동쪽으로는 태평양판이 북아메리카판 밑으로 침강해 들어가면서 아메리카 대륙의 서부 해안선을 따라 내륙 쪽으로 지진을 일으키고, 나즈카판이 남아메리카판 밑으로 들어가면서 안데스 산맥을 따라 지진을 발생시키는 한편, 서쪽으로는 태평양판과 필리핀판이 유라시아판 밑으로 침강해 들어가면 서 일본, 필리핀을 지나 인도네시아, 뉴질랜드를 이르는 환태평양 지진대를 형성한다.
	이러한 지진은 발생 깊이에 따라 천발 지진, 중발 지진, 및 심발 지진으로 나뉘는데, 주로 침강 경계의 대륙 쪽으로 점점 멀어질수록 지진의 심도는 깊어진다. 이들 지진을 처음 발견한 사람의 이름을 따 베니오프(Benioff) 지진이라 하며, 환태평양 조산대를 따라 띠 모양으로 분포하고 있는데 일명 베니오프대라고도 한다. <- 그림 25. 베니오프대를 따라 발생하는 다양한 지진의 종류. 깊이에 따라 천발, 중발, 심발 지진으로 나뉜다.
그림 26. 캘리포니아에 있는 오렌지 숲. 산안드레아스 단층에 의해 나무의 배열이 어긋나고 있다.	한편, 확장 경계에서는 마그마가 지각을 뚫고 분출할 때, 충격으로 지진이 발생하여 이들 지진은 중앙 해령을 따라 발생하는 해저 지진이다. 마찬가지로 해령을 자르는 변환 단층에서도 지진이 발생한다. 이들 확장 경계와 유지 경계의 지진은 대개 지각 내 얕은 곳에서 발생하는 천발 지진 (깊이 100km 이하)으로 횟수와 규모 면에서 수렴 경계에서 발생하는 지진에 미치지 못하고, 특히 대부분이 해저 지진으로 인간에 미치는 피해라는 측면에서 큰 문제는 되지 않는다. 다만, 이미 말 한 산안드레아스 단층은 대륙 쪽으로 연장되어 있어, 지진에 의한 피해는 매우 크다 하겠다(그림 26). 이 그림은 남부 캘리포니아 오렌지 숲을 촬영한 사진으로 산안드레아스 단층의 움직임으로 인하여 원래 나무들의 배열이 단층선을 경계로 어긋나 있는 것을 보여준다. 1994년 1월 로스앤젤레스 대지진이나, 1906년의 샌프란시스코 대지진 및 1978년과 1990년에 발생한 일 지역의 지진은 많은 인명 피해와 재산 피해를 일으켰다.
화산 활동
그림 27. 화산의 모습. (위) 배게용암, (아래) 마그마 분출에 의해 용암이 흘러내리는 모습	판의 경계에서 판구조 운동과 관련한 화산 활동을 관찰하기란 그다지 어렵지 않다. 1991년 6월에 는 일본의 운젠다케 화산이 폭발하였으며, 그로부터 1달 후 수천 km 떨어진 필리핀의 피나투보 화산이 폭발하여 많은 인명 및 재산 피해가 있었다. 한달 간격으로 발생한 이들 화산 폭발은 판의 경계에서 일어난 화산 활동의 한 예에 불과하다. 확장 경계에서의 화산 활동은 해저에서와 육상에서가 다소 다른데, 중앙 해령에서는 현무암질 베개 용암(pillow lava)의 분출(그림 27 위)이 대표적이나 대륙판 내의 열곡대에서는 현무암질과 유문암질 양쪽의 용암 분출이 특징적이다 (그림 27 아래). 왼편 그림처럼 해저에서 분출되는 마그마는 해수에 의해 급히 냉각되기 때문에, 길게 늘어지면서 마치 배개 모양을 이루는 특징이 있다. 한편, 수렴 경계 중 해양판과 대륙판이 충돌하는 해구에서는 침강해 들어가는 해양판이 지구 내부 깊이 들어감에 따라 온도와 압력이 증가하여 부분 용융(partial melting)이 일어나 마그마가 생성되며, 다시 지각의 얇은 틈을 따라 분출하게 되는데 안산암질 화산 활동이 현저하게 나타난다. 이와 같이 확장 경계 및 수렴 경계의 화산 활동이 다르게 나타나는 것은 그 두 경계가 놓인 지체 구조의 차이로 말미암아 마그마를 생성하는 기구가 전혀 다르기 때문이다.
그림 28. 열점인 킬라우에아 화산의 분출모습	한편, 판 내부에 위치하는 열점 (hot spot)은 지구 내부 에너지를 분출하는 또 다른 통로이다. 하와이의 킬라우에아 화산(그림 28)은 열점 위에 놓여 끊임없이 마그마를 분출하고 있으며, 화산 분출의 장관을 구경하기 위해 일년 내낸 관광객이 끊이지 않는다. 이 열점에서 분출하는 마그마는 판경계에서 분출되는 마그마와 성분상 전혀 달라, 열점 기원과 관련한 새로운 이론인 플룸(plume) 구조론의 원인이 되고 있다.