2019년 KESO 2차 사이버 교육 지권I 과제 문제

제출: 경남과학고등학교 1학년 오유신 | 2019-09-28 작성

1. 지각평형은 물 위에 떠있는 물체의 무게는 이 물체에 의해 밀려난 물의 무게와 동일하다. 다음 그림은 밀도(density, D)가 3.3kg/cm3인 맨틀 위에 놓여 있는 대륙지각의 밀도(2.8kg/cm3)와 두께(33km), 그리고 주변 해양지각과 해수의 두께와 밀도를 나타낸 것이다.

기준면

맨틀, 대륙지각, 해양지각, 해수의 밀도와 두께 값을 이용하여 해수면 위로 올라온 대륙의 고도를 구하시오.

위 그림에서 드러난 지각구조가, 지각 평형을 이루고 있다면, 대륙 지각의 최하부선을 기준으로한 면에 대하여, 정역학적 평형을 이루어야 하고, 따라서 그 기준면에서의 상부 지각 기둥에 의한 압력이 동일하다고 할 수 있다.

기준면을 그림과 같이 대륙 지각의 최하부로 설정하고, 이 면에서 대륙 지각과 맨틀의 일부가 포함된 해양 지각 부분의 상부 지각 기둥에 의한 압력이 동일해야 한다.

정역학적 평형 공식에서 [eqn: P = rhogh]이다. 따라서, Continental crust에 의한 기준면에서의 압력
[eqn: P _{Continental} = rho _{Continental} gh _{Continental}]의 관계가 성립하고, 같은 원리로서 Oceanic crust와 그 위의 Water, 그 아래의 Mantle에 의한 기준면에서의 압력

[eqn: P _{Oceanic} = rho _{Oceanic`crust} `gh _{Oceanic`crust} + rho _{Water} gh _{Water} + rho _{Mantle} gh _{Mantle}]이 된다. 이 때,

[eqn: P _{Continental} =P _{Oceanic}]에서,

[eqn: rho _{Continental} gh _{Continental}][eqn: = rho _{Oceanic`crust} `gh _{Oceanic`crust} + rho _{Water} gh _{Water} + rho _{Mantle} gh _{Mantle}]이고, 따라서

[eqn: rho _{Continental} h _{Continental}][eqn: = rho _{Oceanic`crust} `h _{Oceanic`crust} + rho _{Water} h _{Water} + rho _{Mantle} h _{Mantle}]의 식이 성립한다.

주어진 정보에서 [eqn: rho _{Continental} =2.8g/cm ^{3}], [eqn: rho _{Water} =1.0`g/cm ^{3}], [eqn: rho _{Oceanic`crust} =2.9`g/cm ^{3}],
[eqn: rho _{Mantle} =3.3`g/cm ^{3}], [eqn: h _{Continental} =33km], [eqn: h _{Water} =4.5km], [eqn: h _{Oceanic`crust} =7.0km],

대륙 지각이 해수면 위로 총 [eqn: xkm]만큼 올라와 있다고 하자. 그러면,
[eqn: x`+`4.5`+`7.0`+`h _{Mantle} =33]의 두께에 관한 등식(기하학적 관계)에 의하여,

[eqn: h _{Mantle} =(21.5-x)`km]가 된다.

이제 구한 정보를 모두

[eqn: rho _{Continental} h _{Continental}][eqn: = rho _{Oceanic`crust} `h _{Oceanic`crust} + rho _{Water} h _{Water} + rho _{Mantle} h _{Mantle}]의 식에 대입하여 [eqn: x]에 대하여 정리하여 계산하면,

[eqn: 21.5-x= {2.8` TIMES 33-1.0` TIMES `4.5-2.9` TIMES `7.0} over {3.3}]에서, [eqn: x APPROX 1.015`km]이다.

즉, 해수면 위로 대륙은 대략 1.015km 정도 올라와 있다.

2. 그림 지구의 내부 구조를 나타낸 그림이다.

(1) 두께가 다른 해양지각(Ocean crust)과 대륙지각(Continental crust)의 구성물질의 차이점을 구체적으로 설명하시오.

해양 지각(Ocean crust)의 경우는 최대 두께가 10km에 달하고, 지구 총 질량 중 0.10% 정도를 차지하며, 대부분 현무암질의 암석으로 구성되어 있으며, 실리카와 마그네슘의 함유량이 많아(Sima) 대륙 지각에 비하여 상대적으로 높은 밀도를 가진다.

한편, 대륙 지각(Continental crust)의 경우는 최대 두께 70km 정도로, 지구의 총 질량 중 0.37% 정도를 차지하며, 주로 석영과 장석 등으로 구성된 결정질, 화강암질 암석으로 구성되며, 실리카와 알루미늄이 풍부하다(Sial). 밀도는 해양 지각에 비하여 상대적으로 조금 낮다.

(2) 맨틀과 지각을 구성하는 화학조성의 차이점을 설명하시오.

지각의 화학 조성은 O-Si-Al-Fe-Mg-Ca-Others 순으로 비율이 높으며, 그 중 실리카와 알루미늄이 차지하는 비율이 높다. 맨틀의 화학 조성은 O-Si-Mg-Fe-Ca-Al의 순으로 비율이 높으며, 지각과 화학 조성이 어느 정도 실리카계의 비율이 있다는 점은 비슷하나, 맨틀의 경우 지각의 화학 조성과는 달리 밀도가 높은 Mg의 비율이 높다는 차이점이 있다.

(3) 그림에서 지각과 맨틀은 이들을 구성하는 물리적 성질의 차이로 다시 3개의 권역(sphere)으로 구분할 수 있다. 이 3가지 권역을 제시하고, 각 영역의 특징을 설명하시오,

지각과 맨틀은 이들을 구성하는 물리적인 성질의 차이로서, 암석권, 연약권, 중간권으로 나눌 수 있다. 암석권은 단단하고(rigid) 대륙에서는 100~150km 정도의 두께를, 해양에서는 70~100km 정도의 두께를 보인다. 연약권은 상부 맨틀을 포함하는, 유동성이 있는 맨틀의 부분으로서, 고온에 의하여 암석이 부분 용융된 상태로서 존재한다(Plastic Asthenosphere).
중간권은 심부 맨틀을 포함하며, 암석들이 Semi-solid와 Plastic의 형태로서 존재한다.

3. 그림은 남극 대륙 주변에서 판의 경계와 과거 약 60년 동안 이 지역에서 발생한 지진 규모 5.5 이상에 해당되는 지진의 진앙(●) 분포를 나타낸 것이다.

(1) 그림의 A-E 지역의 판의 경계를 제시하시오.

(2) 이들 경계에서 우세하게 작용하는 응력(힘)의 종류와 형성될 수 있는 단층의 종류를 제시하고 설명하시오.

(3) A 지역에서는 진앙지가 넓은 폭을 가지며 분포하며, 반대로 D 지역에서 진앙지는 얇게 선상 배열되어 산출된다. 이런 지진발생 지역이 차이가 발생한 이유를 설명하시오.

(1), (2)의 답은 하부 표에 제시하였습니다.

지역	A	B, C, D	E
판경계	섭입형 경계	발산형 경계	보존형 경계
응력	압축응력 우세	인장응력 우세	전단응력 우세
단층 설명	압축응력이 우세할 경우, 상반이 상승하고 하반이 하강하는 역단층(reverse fault)의 발달이 잘 일어날 수 있다.	인장응력이 우세할 경우, 상반이 하강하고 하반이 상승하는 정단층 (nomal fault)의 발달이 잘 일어날 수 있다.	전단응력이 우세할 경우, 단층에서 지괴의 수직 이동은 거의 없고, 수평 이동이 현저한 주향이동단층 (Strike-slip Faults)의 발달이 잘 일어날 수 있다.

(3) A 지역의 경우 해양판이 대륙판 밑으로 섭입하는 섭입형 경계로서, 베니오프대의 분포로 인하여, 비교적 넓은 면에서 역단층이 발달하며 판의 마찰로 인하여 대륙판 쪽에 넓은 진앙지의 분포를 보이나, D 지역의 경우 발산형 경계로서, 비교적 좁은 면에서 정단층이 발달하고, 국지적인 맨틀 상승과 확장이 일어나므로 얇게 선상배열하는 진앙지가 보이게 된다.

4. 그림은 어느 지역의 지층의 분포를 보여주는 위성영상이다.

(1) A는 어떤 종류의 단층인가?

A는 좌수향 주향이동단층(strike-slip fault)이다.

(2) B 지역에 발달하는 습곡의 종류는 무엇인가?

B 지역에 발달하는 습곡의 종류는 습곡의 오목한 면의 안쪽에 젊은 암석이 있고, 주변 암반의 경사를 볼 때, 향사 습곡이다.

(3) C 지역에 발달하는 단층의 종류는 무엇인가?

C 지역에 발달하는 단층은 역단층(Reverse fault) 또한 쓰러스트(Thrust) 단층으로 보인다.

(4) X-Y 선상에서 지층 단면도를 작성하고, 이를 이용하여 B지역의 습곡과 C지역의 단층의 시간적 선후관계를 설명하시오.

X-Y 선상에서의 지층 단면도는 위의 그림과 같다. 이에 따르면, 원래 B 지역의 습곡이 발달한 이후에, C 지역에서 역단층이 발생하여서 위의 지질구조가 발생하였다고 판단된다.