2019 심화교육 – 고체지구과학(지질1) 강의노트 1

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2019-09-27 경남과학고등학교 오유신 작성

#지구의 구조 – 대륙지각과 해양지각의 구조 및 특성

지각, 맨틀, 핵으로 구분

지각은 0~40km, 지구 전체 질량의 0.4% 차지

맨틀은 40~2890km, 지구 전체 질량의 67.1% 차지

핵은 액체 상태의 외핵과 고체 상태의 내핵으로 나누어짐.

어떻게 지구의 구조를 알게 되었는가?

- 위차드(Wiechert)가 운석을 연구한 결과, 어떤 운석들은 니켈과 철 등의 무거운 금속으로 구성되어 있음을 발견, 1896년에 과거 언젠가 지구의 니켈과 철들이 중력에 의해 지구 중심으로 모였고, 그에 의하여, 핵 부분에 니켈과 철이 모이고, 그 주변이 맨틀이라 불리는 실리카계 광물이 풍부한 광물층이 존재하게 되었다.

- 그리고 위차드는 그의 가설을 검증하려 노력함.

지진파의 종류는 주요한 것으로는 P파(Compressional Waves)와 S파(Shear waves)가 있다. P파와 S파를 이용하여 가설 검증 위해 노력하였으나, 결과는 별로 좋지 않았음.

지각의 형성(위차드의 가설)

초기에는 균질한 밀도로서 지구 물질이 분포하고 있었으나, 중력에 의해 철 등과 같은 무거운 물질들은 내부로 모이고, 가벼운 실리카계 물질들은 철 주위를 배회하게 되었음. 이러한 과정에 따라서 가장 가벼운 물질들이 최외각인 지각에, 중간 정도의 물질들이 맨틀, 무거운 물질들이 핵으로 모임.

1906년에 로버트 올드함이 지진파를 이용하여, S파가 지구 핵을 통과하지 못한다는 사실을 발견하여, 지구의 핵은 액체로 구성되어 있다고 주장했음.

1914년에는 베노 구텐베르크가 그러한 액체 상태의 핵과 맨틀의 경계가 약 2900km 선에 있음을 밝힘.

지구의 내핵

1936년에 덴마크 지질학자인 레만이 내핵의 존재를 밝혔고, 그 경계선이 5150km 정도에 있다고 했고, 내핵은 외핵보다도 밀도가 높고, 고체 금속 상태임을 밝힘.

뜨거운 섭씨 5000도 정도에 달하는 온도지만 압력이 충분히 높음

지각

1909년 모호로비치치가 얕은 깊이에서 지각과 맨틀의 경계가 되는 지진파의 불연속면인 모호면을 발견함. 대륙 지각에서는 약 40km, 해양 지각에서는 약 7km 정도에 달했음.

지각은 Al, K 등 저밀도 실리카계 원소로 구성, 맨틀의 실리카계는 보다 높은 밀도를 가진 Mg, Fe 등의 원소가 풍부함.

대륙 지각의 두께가 더 크가 밀도가 더 작아서 섭입형 경계에서 해양 지각이 섭입.

정리

전체 지구의 반경은 약 6370km 정도면, 지각(Crust)는 대륙 지각과 해양 지각으로 나누어지고, 그 아래에 맨틀(Mantle) 존재, 그 아래에는 액체로 구성된 외핵(Outer Core), 그리고 그 밑에 철 성분으로 구성된 고체 성분은 내핵(Inner Core)로 구성된다. 모호로비치치 불연속면은 지각과 맨틀의 경계선, 구텐베르크 불연속면은 외핵과 맨틀의 경계선, 레만 불연속면은 내핵과 외핵의 경계선에 해당함.

지구 각 층의 화학조성

지각은 O-Si-Al-Fe-Mg-Ca-기타 순으로 비율 높음(대부분은 실리카와 알루미늄으로 구성)

맨틀의 경우 O-Si-Mg-Fe-Ca-Al 순으로 비율 높음(지각과 비슷하나 밀도 높은 Mg의 비율이 높음)

외핵, 내핵의 경우 대부분 철, 외핵은 실리카계가 조금 있으나, 내핵은 그냥 다 철과 니켈의 금속

이러한 화학 조성은 지구 내부 깊이에 따른 밀도 변화와, 이에 따라 수반되는 지진파의 속도 변화를 유발함. 밀도는 지각-맨틀, 맨틀-외핵, 외핵-내핵의 경계선에서 급증

조금 더 구체적인 설명

지각 : 지구의 표피, 가장 얇고 견고한 층, 밀도는 2.7~3.3g/cm^3, 대륙지각과 해양지각으로 구성

대륙 지각은 최대 두께 70km, 지구의 총 질량 중 0.37% 차지, 주로 석영과 장석 등으로 구성된 결정질, 화강암질 암석

해양 지각은 최대 두께 10km, 지구 총 질량 중 0.10% 차지, 주로 현무암질의 암석

- 지각, 맨틀, 핵은 지구 내부 구조를 화학 성분 차에 의해 차이,

- 지구 내부 구조는 또 다르게 단단한 암석권, 상부 맨틀의 유동성 있는 연약권, 그 하부의 심부 맨틀의 중간권으로도 구분 가능. 이는 화학 성분의 차이가 아니라, 각 영역의 물질들의 물리적 성질에 의해 구분함.

대륙 암석권은 rigid, 100~150km 두께

해양 암석권도 rigid, 70~100km 두께

연약권에서는 고온에 의해 암석이 부분 용융된 상태로서 존재(말랑말랑한 Plastic Asthenosphere)

중간권에서는 semi-solid와 plastic의 형태로 존재

> Q1. semi-solid란 무엇인가?(강의 20분 39초)

지구 내부 구조 구분 – 정리

Compositional Layers(화학 성분으로서의 분류)

> 지각, 맨틀, 핵

Mechanical Layers(물리 성질로서의 분류)

> 암석권(지각+상부맨틀 일부), 연약권(상부맨틀 일부), 중간권(상, 하부 맨틀), 외핵, 내핵

> 판 구조론에서의 판은 암석권을 의미한다.

지구의 지각의 두께는 어떠한가?(How Thick is the Earth’s Crust?)

- 남극이나 그린란드에서 40km 정도로 높고, 충돌 수렴형 경계에서 발생한 산맥 부근에서 지각 두께가 높음.

해양 지각의 경우 10~20km 정도로 나타남(26분 경)

지구의 지각을 구성하고 있는 물질

지구의 지각은 화성암, 변성암, 퇴적암으로 구성

화성암은 마그마의 냉각에 의해 형성, 화강암이나 현무암, 안산암 등이 전형적

변성암은 깊은 열과 압력을 받은 것

퇴적암은 침식 운반 퇴적에 의함(사암, 이암, 셰일, 역암 등)

대륙 지각의 구체적인 특징(Continental Crust)

대륙 지각은 대부분 화강암류로 구성

실리카와 알루미늄이 풍부(SiAl)

대륙 지각은 해양지각보다 훨씬 더 두꺼워서 약 70km 정도, 밀도는 해양지각보다 조금 낮음. 약 2.7g/cm^3

지구의 모든 대륙은 화산암, 퇴적암, 화강암, 현무암 등의 혼합물로서 구성

대륙지각은 판구조 운동에 의하여 생성되고, 판의 충돌/수렴형 경계에서 짜부나면서 두꺼워짐, 이에 따라, 대륙 지각의 가장 두꺼운 부분은 높은 산맥 부근이 됨.

예시: 북아메리카 콜디레리아 지역, 에팔라치아 산맥, 캘레도니안 지대, 안데스 산맥, 우랄 산맥, 히말라야 산맥, 알프스 산맥과 타스만 벨트.

지구의 대륙 지각은 크게 3가지 단위로 구분 가능

> 대륙지괴(cratons), 여러개의 산맥들(mountain belts), 대륙 연변부(continental margins)

대륙지괴(cratons) : 대륙 지각을 구성하고 있는 아주 오래된 기반암. 주로 과거의 화강암, 편마암, 편암, 화산/심성암, 퇴적암으로 구성됨.

지표에 노출된 이러한 오래된 기반암의 분포 지역을 순상지(shield)라고 하며, 수천 km까지 넓게 나타난다. 순상지를 덮으면서 퇴적된 퇴적암지역을 대륙대지(continental platform) 이라고 함. 대륙 지괴는 기반암 + 윗 부분의 대지를 모두 포함하여 이르는 말이다.

> 즉, Cratons = Platform + basement rock.

ex) 호주 대륙, 북미, 남미, 아프리카 대륙은 각각 하나의 대륙괴이다. 유라시아는 여러 대륙괴로 구성되어 있고, 산맥들로 나누어짐.

대륙연변부(continental margin) : 대륙과 해양 분지 사이에 위치, 두 종류로 분류

> 능동적 대륙 연변부(active continental margin): 주로 태평양 주변에서 나타남, 좁은 지역에서 판의 이동에 의해 해구가 발달하고 지진/화산활동이 활발: 태평양 가장자리의 나츠카 판, 유라시아 판 경계 등에서 능동적 대륙 연변부가 발달.

> 수동적 대륙 연변부(passive continental margin): 비교적 넓게 나타나고, 지진과 화산활동은 없음. 수동적 대륙 연변부에는 3가지 종류의 지형을 형성: 대륙붕(continental shelf), 대륙사면(continental slope)
대륙대지(continental rise)가 그것: 대서양 주변에서 발달, 모두 대륙 기원의 육성 퇴적물임. 대부분 수동적 대륙 연변부는 해수면 밑에 존재함.

해양 지각의 구체적인 특징(Oceanic Crust)

해양 지각은 대부분 현무암질 암석으로 구성됨.

실리카와 마그네슘의 함유량이 많음(SiMa)

해양지각은 지속적으로 중앙 해령에서 형성되고, 중앙해령에서 발산형 경계(지속적인 마그마의 상승에 의함), 해양 지각의 나이와 밀도는 중앙 해령에서 멀어질수록 커진다.

대륙판과 해양판 사이 수렴(섭입) 경계에서, 밀도가 큰 해양판은 항상 대륙판 아래로 섭입됨(이는 the-basis) - 밀도가 크니 맨틀로, 지구 내부로 들어가기 훨씬 쉬움

해양 지각의 나이는 해령 주변에서 젊고, 해령에서부터 멀어질수록 오래되며, 대륙 지각과 만나면 섭입되어 소멸하므로, 상당히 단순한 형태를 보임.

#지각 변동과 조산 운동 - 조산운동

조산운동(Orogeny) - 용어 설명

1. 산(mountain): 주변 지역에 비하여 높이 상승한 지역

2. 산맥(mountain range): 주변보다 높은 산들이 연속적으로 연결되어 있는 것

3. 조산대(Mountain belts): 산맥들이 여러개가 거의 공간적으로 병렬적으로 연결되어 있는 지대 – 안데스, 히말라야 산맥 등(말은 산맥이라고 하지만, 지질학적으로는 조산대라고 하는 것이 옳다)

4. 조산운동(Orogeny): 조산대를 형성하는 지각의 운동

지구 산맥들은 형성 시기가 다양함

히말라야 산맥은 4500만년전 인도판과 유라시아 판의 충돌로 형성 – 현재진행형.

애팔라치안 산맥은 4억 5천만년 전 시작되어, 조산 운동은 2억 5천만년 전에 종료됨

산맥의 진화과정(Evolution of Mountains)

일반적으로 지질학자들은 산맥이 다음의 3가지 진화과정을 거쳐서 진화한다고 생각

> 1. 퇴적물의 축적(accumulation of sediments)

> 2. 암석의 변형작용과 지각 융기가 일어나는 조산운동의 시기

> 3. 지각평형 반발(isostatic rebound)에 의해 지각의 융기가 발행하는 시기

여기서 2번과 3번의 단계는 판의 이동과 밀접한 관련. 충돌형 경계에서 짜부나고 암석의 변형 작용이 일어나는 것과, 지각의 융기(지각평형성 refer)

1, 퇴적물의 축적(accumulation of sediments)

> 산맥들은 보통 수많은 퇴적암층과 화성암들로 구성, 이 암석들은 수 km의 두께로 축적 가능.

> 축적된 육상 기원 퇴적물 중 대부분은 해양서 퇴적. 대륙 가장자리에서 암석의 풍화/침식 작용에 의해 형성된 것.

대륙 가장자리서 퇴적된 퇴적물들은 암석화 작용에 의하여 사암, 셰일, 석회암 등이 만들어지고, 이 과정에 의해 대륙붕, 대륙 사면등이 형성

화산암의 축적은 판의 섭입 경계를 따라 발달. 섭입 작용에 의해 마그마의 생성, 상승으로 심성암과 화산암이 만들어짐. 이들 화산암들은 공간적으로 선상 배열을 하고, 이 배열은 호상열도(island arc)라 한다.

2. 암석의 변형작용과 지각 융기가 일어나는 조산운동의 시기

> 축적된 퇴적물들은 판의 충돌로부터 야기된 압축력에 의하여 변형. 3가지 유형으로 판의 충돌을 구분: (짜부 단계임)

>> 1. 호상열도-대륙 충돌(arc-continent collision)

>>> 호상 열도와 대륙 지각 사이의 해양판이 섭입(호상열도 주변의 화산암과 퇴적물은 시간이 지남에 따라 대륙의 가장자리에 부착되어 두꺼워지게 됨). ex. 시에라 네바다(Sierra Nevada Mountains) 산맥

>> 2. 해양-대륙 충돌(ocean-continent collision)

>>> 대륙 연변부에 대륙 기원 퇴적물들이 축적됨.

>> 3. 대륙-대륙 충돌(continent-continent collision)

>>> 두 대륙 지각 사이의 해양 지각이 두 대륙 지각과 섭입형 경계를 이룰 때, 두 대륙 사이가 가까워지게 됨. 히말라야, 우랄, 애팔래치안 산맥이 그 예.

대륙-대륙 충돌에서 유라시아와 인도 판의 충돌로 히말라야가 형성되는 과정

충돌 과정에서 다양한 역단층 등, 여러 단층들을 생성함.

>> 3. 지각 평형 반발에 의해 지각의 융기가 발생하는 시기

>>> 판의 충돌이 끝나게 되면, 산맥 형성은 지각 평형 반발에 의해 지각의 융기가 발생하는 마지막 단계로 넘어감.

>>> 지각 평형 반발은 연약권에 떠있는 대륙 지각의 수직적인 움직임을 말하는 것. 지각 평형설에 의하여, 평형을 맞추기 위해 상부 지각의 질량 등이 변했을 때, 대륙이 침강/융기하는 것을 의미함(흔히 조륙운동)

>>> 이 과정은 인장응력(tensional forces)을 유발시켜, 대륙 지각을 여러개의 블록으로 만든다.

>>> Q2. 인장응력이란 무엇이며, 이것이 어떻게 대륙 지각을 여러개의 블록으로 만든다는 것인가?

end.