지적여정 #8. 대륙 지각은 어떻게 형성되는가?

‘지적여정’ 시리즈는 필자가 고등학교 수업 시간에 떠올린 의문점 등에 대하여 자체적인 자료 조사나 연구를 통하여 그 답을 찾고, 기록해두기 위해 기획되었습니다… 만. 이제는 대학교에서까지 연장되었답니다.

질문

대륙 지각은 어떻게 형성되는 것인가? 지질학계에서 대륙 지각의 형성과 관련한 유력한 학설 등이 있는가?

서울대학교 김영희 교수님, <지구환경과학> 수업 중 질문

대답

해당 질문에 대하여 교수님께서 수업 익일에 eTL에 몇 가지 자료들을 올려 주셔서(죄다 영어로 되어 있기는 했지만) 해당 자료들을 참고하여 정리해보면 질문에 대한 답은 다음과 같은 것 같다. 교수님께서는 3개의 자료를 올려 주셨지만, 하나는 너무 길어서 포기하고 2개의 영어로 된 자료를 읽고 다음과 같이 정리해둔다.

현재 대륙 지각과 관련된 각종 관측 사실

일단 현재의 관측에 의하면, 가장 오래된 대륙 (원시) 지각은 약 40억년 전에 형성된 것으로 추정된다. 다만 지금과 같은 화강암 위주의 대륙 지각은 약 30억년 전에야 형성된 것으로 보인다. [2]

지구를 제외하고는 태양계 내에 대륙 지각을 가지고 있는 행성은 없는 것으로 관측되었는데, 대륙 지각의 형성에는 물과 지각의 침강이 필요한 것으로 추정되기 때문에, 물과 지각의 침강이라는 두 조건을 모두 갖추고 있는 행성은 태양계 내에 지구 하나 뿐이기 때문에 이러한 결과가 유발되는 것으로 생각된다. [2]

대륙 지각의 형성과 관련된 현재의 이론

핵심만 정리하자면 다음과 같다: 대륙 지각은 대륙-해양판 수렴형 경계에서 해양판이 대륙판 아래로 섭입하는 섭입대에서 생성된다. 이 경계에서, 해양판과 각종 퇴적물 등이 융해된 것이 상승하면 대륙 하부 지각으로 공급되는데 (재적층 과정), 이들이 대륙 하부 지각과 성분이 동화되면 마침내 대륙 지각이 형성된다.

지질학자들은 대륙 지각은 판의 경계 등에서 발견되는 호상 열도나 대륙 화산호 내에서 생성되는 것으로 생각했다. 호상 열도나 대륙 화산호 등지에서 발견되는 용암의 조성 성분이 지질화학적으로 대륙 지각의 알려진 조성과 비슷한 것이 그 주된 원인이었다. 하지만 조사를 거치면서 이 용암의 조성은 대륙 지각 상부의 조성과 비슷하기는 하지만, 호상 열도 및 대륙 화산호 하부의 조성의 경우는 대륙 지각 하부의 조성과 다르다는 점이 밝혀지며 점차 이 가설에 대한 의문이 제기되었다. (대륙 지각 상/하부의 조성이 다르다는 사실이 이 문장에 내포되어 있다) [1]

하지만 2016년 Nature Geoscience에 발표된 논문에서 제안된 가설이 이 의문에 대한 충실한 설명을 제공했다. 이 연구에서는 호상 열도 및 대륙 화산호에서 분출된 용암, 그리고 판 경계의 비교적 얕은 깊이에서 생성된 변성암, 그 외 기타 해양저 대륙 기원성 퇴적물들이 대륙판 – 해양판의 경계 등지에서 섭입대로 진입 및 용융되는데, 이들 중 실리카 등이 풍부하여 저밀도인 마그마가 마치 밥솥의 김이 주방 찬장에 부딪혀 퍼지는 형상으로 대륙 하부 지각으로 공급되는 것이다. [1]

이러한 과정은 보통 재적층(Relamination)이라고 부르며, 재적층 과정에 의해서는 대륙 지각 하부의 형성이 설명된다. 하지만 이 대륙 지각 상부에 대한 형성 설명이 아직 남아 있다. 이 부분에 관한 논의는 다소 복잡한데, 우선 지질학자들의 몇몇 관측 결과에 대한 논의가 필요하다. [1]

지질학자들은 이러한 가설들을 시험하기 위해서, 이런 재적층 과정이 일어날 수 있는 섭입대가 일련의 지질학적 변동 과정으로 지표면으로 드러난 노두를 방문하여 샘플을 채취하였다. 파키스탄과 미 알래스카 반도의 몇몇 군데가 그러했는데, 분석 결과 재미있는 결과는 대륙 화산호 및 호상 열도 지각 하부의 샘플은 동일 깊이의 대륙 지각에 비하여, 상대적으로 변성 작용에 잘 견디는 탄탈륨(Ta)나 칼륨(K)의 함량비가 더 작으며 밀도가 더 높다는 것이다. 주변보다 밀도가 더 높기 때문에, 대륙 지각을 뚫지 못하고 계속 하부 지역에만 이 마그마가 머물러야 한다는 결론에 도달하고, 이는 상부 대륙 지각의 형성은 설명할 수 없는 결론을 가져오게 된다. 상부 대륙 지각의 형성과 관련해서는 연구가 아직 진행 중이다. [1]

번외: 지구 지각의 형성 과정에 관련된 3가지 모델

질문은 대륙 지각의 형성 과정에 대한 것이었지만, 지구 지각의 형성과 관련된 내용이 참고 문헌 검토 중에 있었기에, 기록해두면 좋을 것 같아 번외로 달아 둔다.

지구 지각의 형성과 관련해서는 다음의 3가지 이론이 존재한다. [2]

1. 비균질 / 다종 분화 모델 (Inhomogeneous Model)

비균질 / 다종 분화 모델에서는 지구 형성 초기의 마그마 바다 상태에서, 가벼운(저밀도) 원소들은 외각에 얇은 층을 형성하고, 무거운(고밀도) 원소들은 행성 중앙으로 침강하였고, 외각에 저밀도 원소들이 집적되어 형성된 얇은 층이 현재의 지각이 되었다고 설명한다. 즉, 원소의 밀도차로 인한 분화 과정으로 인해 표면에 형성된 저밀도 원소들의 층이 지각이 되었다는 것이 이 모델에서의 지구 원시 지각의 형성에 관한 주장이다. [2]

한 편, 이 모델에 의하면, 지구의 마그마 바다는 냉각에 꽤 긴 시간이 걸렸기 때문에, 고밀도 원소들은 거의 대부분이 맨틀 하부 혹은 더 심부로 집적되어 지각에서 관찰되는 비율이 압도적으로 적어야 하는데, 실제 지각 성분에 관한 데이터는 고밀도 원소들(우라늄, 토륨)이 지각에서 종종 발견되고 있음을 보여준다. 따라서 이 모델은 현재로써는 지구 지각 형성에 관한 가설로는 그렇게 지지되고 있지는 않다. [2]

2. 충돌 모델 (Impact Model)

충돌 모델에서는 지각의 형성이 소행성이나 다른 기타 천체들과 지구의 충돌이라고 설명한다. 이들이 지구에 충돌하여 녹은 이후, 다시 냉각된 것이 지각을 형성하였다는 것이다. 이를테면, 현무암이 주 성분인 해양 지각의 경우에는, 주로 현무암 유사 성분으로 이루어진 소행성이 지구에 충돌한 결과로 생성되었다고 설명한다. [2]

하지만 충돌 모델의 경우도 오늘날 크게 2가지 이유로 하여 적절성이 반박되고 있는데, 첫째는 지구 대신에 운석 등을 자주 맞아 지구를 보호해주는 역할을 한 것으로 알려져 있는 달에서, 보통은 소행성 등의 충돌로 인해 생성되었다고 추정되는 달의 바다 부분의 현무암 지대는 소행성에서 기원한 것이 아니라는 사실, 그리고 둘째는 소행성 등의 충돌로 공급되는 현무암 등 암석 성분의 양은 지구 지각의 형성에는 턱없이 부족하다는 점이다. 따라서 충돌 모델도 오늘날 인정되고 있는 모델은 아니다. [2]

3. 지구적 모델 (Terrestrial Model)

지구적 모델은 현재 지구 지각의 형성과 관련하여 가장 지지받고 있는 모델이다. 이 모델에서는 지구 내적 과정에 의하여 지구의 지각이 형성되었다고 설명하는데, 지구의 분화 과정 말기에 남은 잔열이 지구의 상부 맨틀을 융해시켰고, 이 상부 맨틀이 다시 표면에 영향을 미처 지구의 전 표면을 마그마 바다로 만들었는데, 이후 지구의 냉각에 따라 이 마그마 바다가 냉각되면서 지각이 형성되었다는 식이다. 즉, 이 모델의 경우는 비균질 / 다종 분화 모델과 달리, 상부 맨틀보다 얕은 지대만 녹아 있었기 때문에 비교적 고밀도 원소가 완전히 핵으로 침강하지 않는다. [2]

지구적 모델에서 지구 지각의 형성과 관련된 다른 설명 중 하나는, 잔열에 의하여 용융된 상부 맨틀이 지표상으로 올라와 냉각, 결정화되어 지각을 형성하였다는 것도 있다. [2]

참고 문헌

[1] Morford, Stacy. “How Does Earth’s Continental Crust Form? A New Bottom-Up Theory”. State of the Planet – Earth Institute of Columbia Univ. News from the Earth Institute, 3 2021, https://blogs.ei.columbia.edu/2016/02/22/how-does-continental-crust-form-scientists-have-a-new-bottom-up-theory/, Accessed 11 3 2021.

[2] Nawaz, Muhammad. “Introductory Chapter: Earth Crust – Origin, Structure, Composition and Evolution”. IntechOpen, 3 2021, https://www.intechopen.com/books/earth-crust/introductory-chapter-earth-crust-origin-structure-composition-and-evolution, Accessed 12 3 2021.

추가: 이상의 참고 문헌들을 내가 대략적으로 직역하여 정리 및 요약한 파일을 pdf로 첨부함.