지질시대

상대연령

그림 43. 수억년의 오랜 세월에 걸쳐 형성된 그랜드캐년. 지층 하부에서 상부로 갈수록 지층의 나이가 젊어지는데, 허튼의 동일과정설을 잘 보여주고 있다.

인간의 일생 동안을 생각하면 단단한 지구는 변하지 않는 것처럼 보이지만, 실제로 산·계곡·평야들은 아주 서서히 모습이 달라져 왔다. 물론 지진으로 인한 진동과 그로 인한 파괴는 순식간에 땅을 가르기도 하고 산을 무너지게도 하지만, 산맥이나 분지가 형성되거나 암석이 만들어지는 대부분의 지질 작용은 수십만 년 내지 수천만 년에 걸쳐 아주 느리고 오랫동안 지속되었기 때문에 문명학적 시간으로는 측정이 불가능하다. 암석 속에 기록된 지구 변화는 대부분 이와 같이 서서히 장시간에 걸친 변화에 의해 이루어진 사건들이며 이 오랜 지질 시대의 시간 측정이 지구의 역사를 규명하는 기초가 된다 (그림 43).

과거 지질 시대에 일어났던 사건들은 암석 속에 기록되어 있다. 따라서 암석 속의 기록의 선후 관계를 비교한다면 지질학적 역사 기록의 순서를 밝힐 수가 있을 것이다.

19 세기까지 많은 과학자들은 지구는 불과 수천 년 전에 창조되었다는 사실을 믿고 있었다. 산이나 계곡과 같은 지구 표면의 모습이 돌발적이고 맹렬한 힘에 의해 일시적으로 형성되었으며 그랜드캐년과 같은 큰 계곡도 일련의 큰 지진에 의해 갑자기 생긴 거대한 틈으로 해석하였다. 지구가 이와 같이 일시적으로 큰 규모의 급격한 힘에 의하여 변화되었다는 설을 격변설(catastrophism)이라고 한다.

그림 44. 19세기 풍자화에 묘사된 허튼. 당시 논쟁거리였던 동일과정설의 증거를 찾기 위해 바위를 쳐다보고 있다. 바위에 허튼을 향해 찡그리고 있는 얼굴들은 그의 이론에 반대하는 여러 사람들을 나타내고 있다.

그러나, 18세기말부터 과학자들은 지구의 표면이나 내부를 변화시키는 힘이 일시적이고 급변적인 것이 아니라, 서서히 그러나 끊임없이 일어나는 힘에 의하여 영향을 크게 받고 있음을 깨닫게 되었다. 이와 같은 생각을 체계적으로 밝힌 최초의 사람은 '지질학의 아버지'로 불리는 제임스 허튼(James Hutton, 1726~1797)이다(그림 44).

젊은 날의 허튼은 그의 조국 스코틀랜드에서 암석의 형성과 지층에 관해 연구하고 있었는데 그 지역에서 가장 잘 나타나는 노두는 해드리언의 벽(Hadrian's Wall)으로 로마인들에 의해 쌓아진 거대한 석벽이었다. 허튼은 성벽을 쌓은 돌이 1,700여 년 전에 건설해 놓은 이래 아주 가볍게 풍화되었다는 것을 알게 되었다. 그는 이러한 풍화에 대하여 자연 속에서 풍화 침식 받은 돌과 이들이 다시 퇴적암으로 퇴적되는 속도를 비교하여, 지구의 나이는 실로 엄청나다는 결론을 내렸다. 이러한 내용을 그의 유명한 저서 '지구의 이론' (Theory of Earth, 1788)에서 밝혔는데 과거에 작용했던 모든 지질학적 과정들이 현재에도 작용하고 있다는 사실을 지적하며, 지구의 역사는 "시작도 없고 끝도 없는 것" 같다고 기록하였다. 이를 동일 과정설(Principle of Uniformitarianism)이라고 한다. 이 원리를 가장 간결하게 잘 요약한 '현재는 과거의 열쇠다(The present is the key to the past.)'는 그 개념을 잘 함축하고 있는 유명한 구절이며, 지질학적 사건의 순서를 정하는 중요한 법칙이 되었다.

지사학의 5대 원리

그림 45. 허튼의 저서 "지구의 이론"에 묘사된 그림. 마차가 다니는 길 밑의 땅속을 보이는 수평층과 부정합면 및 습곡된 변성암은 오랜 지질시대 동안 형성된 것을 설명하고 있다.

지층이나 암석의 선후 관계를 판단하여 지질 시대를 결정하는 연구 분야를 지사학이라 하며, 상대 연령을 판단하는데 적용되는 앞서 지적한 동일과정의 원리를 포함하여 5가지의 원리들을 지사학의 5대 원리라 부르는데, 다음과 같이 정리할 수 있다.

① 동일 과정의 원리 (그림 45)
② 누중의 원리
③ 동물군 또는 식물군 천이의 원리
④ 부정합의 원리
⑤ 관입의 원리

지질학적 사건의 순서를 정하는데 전 세계적으로 사용하는 기본 원리로서 누중의 원리(Principle of Superposition)라는 것이 있는데, 이는 덴마크의 스테노(Nicolaus Steno, 1631~1687)가 처음 주장하였다. 누중의 법칙은 퇴적암의 생성 순서를 밝혀 주는 법칙으로 지층이 퇴적된 순서를 유지하고 있을 때 '가장 오래된 지층은 아래에 놓여 있고, 점차로 젊은 지층들이 그 위에 쌓인다'는 대단히 간단한 법칙이다. 따라서 넓은 범위에 지층이 수평적으로 놓여 있으면 이 원리를 적용하여 지층의 상·하, 즉 선·후를 판단할 수가 있다. 또 지층이 기울어져 있거나 뒤집혀 역전(overturn)될 경우에도 이 원리의 적용이 가능한데, 이 때는 다소 주의가 필요하다. 이 경우 상하 판단에 도움이 되는 여러 퇴적 구조들을 이용하기도 한다 (그림 46). 예를 들어, 점이 층리 (A), 사층리 (B), 연흔(물결 자국) (C), 건열 (D), 및 유기 구조 등으로 판단이 가능하다.

그림 46. 지층의 선후 관계를 지시해 주는 여러 퇴적 구조들. (A) 점이 층리, (B) 사층리와 비대칭 연흔(물이나 바람이 분 방향도 알 수 있다), (C) 대칭 연흔 (지층 내부에 사층리도 보임), (D) 건열

누중의 원리에 따라 지층이 아래에서 위로 계속하여 변하게 되면, 지층 속에 들어 있는 화석의 종류나 내용도 변하게 됨을 알게 된다. 즉, 시간을 대표하는 상·하의 지층 사이에서 화석 생물의 내용이 달라진다는 사실을 생물군 천이의 원리(Principle of Faunal or Floral Succession)라 하며 영국의 측량 기사였던 스미드(William Smith, 1769~1839)에 의해 주장되었다. 이 원리는 특정 화석 생물군은 한 시대밖에 존재할 수 없음을 가르쳐 주며(이를 표준 화석이라 함), 그 화석 내용을 잘 연구해 두면 지층의 선·후를 판단할 수 있을 뿐만 아니라, 멀리 떨어진 지층들 사이의 순서를 밝히는 지층의 대비에 이용할 수 있다

그림 47. 부정합의 법칙. E층과 F층 사이에는 오랜 시간의 단절이 있었다.

또한, 지층이 퇴적된 후, 오랫동안 퇴적이 중단되면 침식 작용을 받아 지층의 일부 또는 전부가 깎여 버리고, 다시 침식면 위에 새로운 퇴적층이 쌓이면 이 침식면 상위 및 하위의 지층은 부정합 관계에 있다고 말할 수 있다. 이러한 부정합면은 비록 하나의 평면이지만, 상당한 시간 간격이 있었음을 의미하며, 부정합을 경계로 상하에 놓인 두 지층의 선후 관계를 결정하는 좋은 기준이 된다 (그림 47). 이를 부정합의 원리(Principle of Unconformity)라 한다.

그림 48. 관입의 법칙. 관입의 순서는 A→B→C 순이다.

화성암의 관입도 인접 지층과 화성암체의 선후 관계를 밝혀 주는 좋은 증거로 이용된다. 유동성 마그마가 주변 암체나 지층의 틈을 따라 관입하거나 큰 규모로 상승하여 굳어지면 주변 암석과 뚜렷한 경계를 이룬다. 이들 화성암 관입체는 예외 없이 주변 지층이나 암체에 비하여 항상 시간적으로 후기에 형성된 것으로 간주된다 (그림 48). 따라서 관입의 법칙(Principle of Intrusion)은 이들 관입 화성암체와 그 인접 지층과의 접촉 관계를 조사하여 상호간의 상대적 선후 관계를 밝혀 준다.

지질 시대의 명명

지층이나 암석의 선후 관계에 의해 구분된 거대한 시간 단위를 지질 시대라고 부른다. 19세기말까지 허튼과 그를 따르는 지질학자들은 상대적 지질 연대를 결정하였다. 이 연대는 그야말로 지층에 나타난 대로의 지질학적 사건의 순서를 나타낸 것이다. 지질 연대는 대(代, Era)라 불리는 큰 시간 구분으로 나뉘는데 이 대는 지질 시대에 지배적이었던 고생물, 즉 화석의 형태에 의해 나타낸 것으로 예를 들어 삼엽충으로 대표되는 고생대, 공룡이 번성하였던 중생대, 및 포유류가 출현하였던 신생대가 그것이다. 대는 다시 기(紀, Period)로 세분된다. 이것은 각 기에 쌓인 지층에 나타난 생물 형태의 변화와 지각 변동으로 구분되며 대부분의 기는 최초로 확인되었거나 연구된 장소의 이름을 따서 명명되었다. 예를 들어, 고생대의 데본기는 영국의 데본 지방에서 처음 연구되어 붙여진 것이며, 중생대 말기를 나타내는 백악기도 영국의 앵글로 지방, 파리, 및 벨기에에서 발견되는 백악(白堊, white chalk)의 지층에서 따온 것이다. 기는 필요에 따라 다시 세(世, Epoch), 세는 다시 절(節, Age)로 각각 세분된다.

상대 연령의 지질 시대의 구분과 명칭은 아래 지질 연대표에 나와 있으며, 각 지질 시대를 절대 연령으로도 나타내고 있다.

절대연령

지층이나 암석의 연구에 의한 상대적인 연령은 지질학적 사건이 일어난 순서를 나타내는 간단한 증거를 제시할 수밖에 없으며 지질학적 사건이 일어난 시간이 언제인지를 밝힐 수는 없다. 암석이나 지층의 절대 연령(absolute age)은 그 형성 시기를 현재를 기준으로 절대 시간 수로 계산하여 표시하는 것을 말한다. 지질학에 있어 방사성 동위 원소에 의한 연대 측정은 지질학적 절대 연령을 결정하는데 사용하는 가장 근본적인 방법이다. 예를 들어, 어떤 지역의 화강암에 들어 있는 루비듐-스트론튬(Rb-Sr) 동위 원소의 함량을 이용하여 연령을 측정한 결과, 2억 년의 연대가 나왔다면, 이는 그 화강암이 지금으로부터 2억 년 전에 마그마로부터 냉각되어 만들어진 것을 의미한다.

자연계에는 원자들이 같은 수의 양자를 갖고 있어 원자 번호는 같으나 중성자 수가 달라지므로 질량수가 다른 동위 원소(isotope)들이 있는데, 이들 동위 원소 중에는 불안정하여 방사선을 방출하면서 붕괴하여 안정된 원소로 변하게 된다. 예를 들어, 원자 번호가 6인 탄소(C)에는 질량수가 12, 13, 14인 3개의 탄소 동위 원소(¹²C, ¹³C, ¹⁴C)가 있다. 즉 각각의 동위 원소는 중성자를 6, 7, 또는 8개를 갖고 있는데, ¹²C와 ¹³C는 양자수와 중성자수가 변하지 않기 때문에 언제나 그대로 있지만(이를 안정 동위 원소라 함), ¹⁴C는 불안정하여 그대로 있지 못하고 방사능을 방출하면서 붕괴하게 되는데(이를 방사성 동위 원소라 함), 핵 중의 중성자 하나가 양자로 변하여 질소(¹⁴N)로 변한다.

그림 49. 시간이 지남에 따라 방사성 원소의 양이 반감되어 가는 모습

방사성 동위 원소 중 원래의 원소를 모원소(母元素, parent element)라고 하며, 방사능 방출에 의해 붕괴되면서 생긴 새로운 원소를 자원소(子元素, daughter element)하고 한다. 모든 방사성 동위 원소들은 그들 자신이 고정된 비율로 붕괴되며 대부분의 동위 원소들은 그 붕괴 과정이 매우 느리게 진행된다. 한 동위 원소의 붕괴 속도는 반감기(半減期, half life)라는 용어로 정의되는데 주어진 모원소의 양이 붕괴되어 절반으로 줄어드는데 걸리는 시간을 말한다. 첫 번째 반감기 동안 모원소 핵의 1/2이 붕괴되어 새로운 원소, 즉 자원소로 되고 두 번째 반감기 동안 나머지의 반이 붕괴되며(즉 모원소 핵의 1/4만 남음) 세 번째 반감기 동안 그 나머지의 반, 즉 전체의 1/8이 붕괴되어 새로운 자원소를 만들게 되며 이와 같은 방법으로 계속해서 붕괴된다 (그림 49).

방사성 동위 원소의 붕괴하는 속도가 온도, 압력 혹은 화학 조성과 같은 어떤 조건에서도 영향을 받지 않기 때문에 알려진 붕괴 속도, 즉 반감기는 동위 원소가 암석이나 광물 속에 들어간 때부터의 경과 시간을 측정하는데 사용될 수 있다.

따라서 어떤 암석이나 광물이 형성된 이후 경과된 시간을 알기 위해서는 다음과 같은 3가지의 정보가 필요가 필요하다. ① 연령 측정에 사용되는 방사성 동위 원소의 반감기와, ② 남아 있는 모원소의 양, 및 ③ 새로 생긴 자원소의 양의 비(比)를 안다면 암석의 생성 연대를 측정할 수 있다. 동위 원소의 비를 측정하는 장치를 '질량 분석기'(mass spectrometer)라 한다. 이와 같이 운석과 달 암석의 표본에서 추출한 방사성 동위 원소에 의한 연령 측정으로, 지질학자들은 지구의 연령을 약 46억년으로 확정할 수 있었다.

암석 연령 측정에 사용되는 동위 원소에는 여러 가지가 있다(표 1). 이들 여러 동위 원소들은 각기 붕괴 과정이 다르며 반감기 또한 상당히 차이 난다. 예를 들어 반감기가 5,700년인 ¹⁴C는 다섯 번의 반감기를 거쳐 모원소가 1/32로 줄어드는데 약 3만년밖에 걸리지 않는 반면, 490억 년의 반감기를 가진 ⁸⁷Rb의 경우, 지구의 가장 오래된 암석의 연령인 약 38억 년은 첫 반감기의 약 1/16 정도이다. 이와 같은 사실로 ⁸⁷Rb같이 반감기가 긴 동위 원소들은 오랜 암석의 연령을 측정하는데 사용되고 ¹⁴C와 같이 반감기가 짧은 것은 현재로부터 아주 가까운 지질 시대의 연령을 측정하는데 사용된다.

**표 2. 연대 측정 방법**
방 법	붕괴 과정	반감기
탄소법	¹⁴C → ¹⁴N＋β	5,700년
Rb-Sr법	⁸⁷Rb → ⁸⁷Sr＋β	470년
U-Pb법	²³⁸U → ²⁰⁶Pb＋β ²³⁵U → ²⁰⁷Pb＋β	45억년 7.1억년
Th-Pb법	²³²Th → ²⁰⁸Pb＋β	141억년
K-Ar법	⁴⁰K → Ar＋β	13억년

지질 연대표

대	기	세	년대 (백만)	고생물의 변화	환경과 지각변동
신 생 대	제4기	홀 로 세 플라이스토세	.01 2	인류 문화 출현 타르 핏트 동물	최근 빙기가 끝남
신 생 대	제3기	플라이오세 마 이 오 세 올 리 고 세 에 오 세 팔 레 오 세	12 26 37 53 65	올드바이 죠지 화석 초원 전개 거대한 포유류 모든 포유류 등장 작은 원시 포유류	서늘한 기후, 산맥형성 산안드레아스 단층 알프스 산맥의 형성 인도가 아시아와 충돌 로키산맥 형성
중 생 대	백 악 기 쥬 라 기 트 라 이 아 스 기		136 190 225	공룡과 많은 생명체 사멸 식물, 초기 포유류, 시조새 공룡시대 전개	온화한 기후 지중해 형성, 대륙이 갈라짐 건조 기후
고 생 대	페 름 기 석탄기(펜실베니아기) 미 시 시 피 기 데 본 기 실 루 리 아 기 오 도 비 스 기 캠 브 리 아 기		280 320 335 395 430 500 570	많은 생물들이 전멸 파충류, 석탄 숲 산호초, 양서류 출현 폐어, 육상 식물 절족 동물이 바다를 이탈 초기 물고기 해서 무척추 동물 번성	팡게아 형성 남반구 빙하 에팔레치아 산맥 형성 원시 대서양이 좁아짐 해양식물 산소 방출
원 생 대			2,500	해서 동물과 연체 생물 출현 해조류	유독한 대기 빙하의 흔적 다이아몬드 광상 형성
시 생 대			3,400 3,800 4,600	가장 오래된 생명체	가장 오래된 암석 유독 대기층 형성 지각 형성 태양계와 지구 형성