조산운동

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Orogeny/Mountain-building

1 개요

판과 판 경계가 압축을 받아 수반되는 암석권의 변형(deformation) 과정, 혹은 그 결과를 총칭하는 지질학적인 용어다. 섭입대나 충돌대에서 만들어지는 산맥이나 호상열도 등이 대표적이다. 쉽게 말하면 산맥을 형성하는 운동을 말한다.

2 원인

지구의 암석권은 약 10장 내외의 거대한 판으로 나눠져 있다. 이들은 각각 서로 다른 방향으로 움직이는데 이 때문에 어떤 경계에서는 다른 판에 부딪치거나(충돌대) 다른 판 밑으로 들어가는 운동(섭입대)을 하게 된다. 이곳에서 판 경계 사이에서 강한 압축력이 작용하게 되는데, 이 때 암석권은 이 힘에 의해 뒤틀리고 변형, 변성을 받게 된다.

이 과정에서 암석권은 두꺼워지게 되고, 암석권 내부의 압력과 온도가 올라가게 된다. 이 때문에 원래 있던 암석은 새로운 광물 조합과 조직(texture)으로 재구축 되면서 이 압력과 온도에 걸맞는 상태로 변해간다. 두꺼워진 암석권은 지각 평형(isostasy)을 이루려 하기 때문에 곧 높은 지형을 만들게 된다. 지표의 강이나 빙하가 이 지형을 제깍제깍 침식시키기 때문에 상부가 조금 더 가벼워지면서 더 들어올려지게 되고, 마침내 수 천 미터 높이의 고봉들이 열주하게 된다. 히말라야 산맥이나 알프스 산맥의 높은 첨봉들은 그렇게 만들어져 왔다.

3 구조 및 구성

조산 운동의 결과로 만들어지는 띠 모양의 변성 및 산맥 형성 영역을 '조산대(orogen)'라고 한다. 조산대는 두 대륙 내지는 두 판이 격돌하는 곳으로, 사실은 매우 넓고 복잡한 구조를 갖게 된다. 이 구조들의 용어나 개념은 보통 가장 먼저 연구된 조산대인 알프스 산맥에서 구축되었다. 이 많은 용어 중에서 오래 전부터 조산대의 가장 중요한 특징으로 기술되어 온 것은 네프(nappe)이다. 이 용어는 프랑스 지질학자 마르셀 베르트랑(Marcel A. Bertrand)이 처음 식탁보(nappe)가 밀려 주름이 겹치는 것으로 비유한 이후 널리 받아들여졌다. 네프는 연속해서 발달하는 스러스트 단층을 통해 땅이 계속 겹쳐져 있는 구조를 말한다. 실제로 알프스 산맥은 책을 펼쳐놓은 것처럼 중심에 겹겹이 누적된 단층들이 열주해 있다.

역단층으로 땅을 쌓아올리기 때문에 무척이나 두꺼운 지각을 가지게 된다. 한반도의 지각 두께가 약 30 km인 반면에, 히말라야 조산대가 누적시킨 지각의 두께는 대략 70 km 전후에 해당한다. 지각 평형에 의해 이 두꺼운 지각은 그에 걸맞는 엄청난 고도의 산맥을 만들어낸다. 최대 약 9천 미터 가까이] 솟아오르는 산맥이 장관을 이루게 된다. 한편, 두껍게 쌓아올린 지각은 곧 불안정함을 의미한다. 높이 쌓아올리면 다시 무너져 내리려고 하는 경향성도 강해진다. 이 때문에 조산대는 쌓아올리려는 역단층과 동시에 양쪽으로 정단층이 함께 발달한다.

조산대가 구축되면 높은 지형이 형성되므로 강도 높은 침식이 발생한다. 이 때문에 조산대의 양쪽으로 엄청난 양의 퇴적물이 쓸려내려가게 된다. 이 침식 작용은 조산대가 마침내 사라져버릴 때까지 멈추지 않는다. 강하게 밀어붙여 산을 키우는 현생 조산대는 높고 험준한 산을 갖지만, 이 조산대의 원동력이 약해지거나 없어지게 되면 산은 삭박되어 노년기의 산이 될 것이고, 더 오래되면 마침내 사라져버리고 말 것이다. 그랜드 캐니언에서 볼 수 있는 강의 강력한 침식 능력과 안데스 산맥이나 히말라야 산맥 등에서 쏟아붓는 엄청난 양의 퇴적물]을 생각해보면, 조산대에 가해지는 침식의 힘은 만만치 않다.

강력한 침식이 일어나면 어딘가에 그 퇴적물이 쌓이게 된다. 퇴적물은 지표의 낮은 곳에 쌓이며 이를 분지(basin)라고 한다. 기본적으로 조산대는 양쪽에 분지가 발달하는데, (당연히) 각각을 전호분지(fore-arc basin)와 배호분지(back-arc basin)라고 한다. 밀려올라가면서 네프 구조를 만들고, 동시에 양쪽 판 위에 지각이 얹어지면서 조산대 양쪽에 이어지는 판을 짓누르게 된다. 이 때문에 조산대의 양쪽은 비교적 낮은 지형의 분지가 구축되므로, 전호분지와 배호분지는 일반적인 구조에 해당하며, 옛 조산대에서도 이런 분지들에 의해 두껍게 쌓인 퇴적물을 발견할 수 있다. 섭입대에 의한 조산대의 경우, 하부로 섭입하는 판이 인장력을 제공하거나, 상부판의 후퇴하려는 힘이 작용하여 조산대이긴 하지만 배호에 강한 인장력이 작용하기도 한다. 이런 경우에는 배호분지가 단순히 지각평형에 의해 발달하는 게 아니라 열곡 구조가 되기도 한다. 이런 섭입대의 경우 배호에 그 결과로 구축된 해령이 만들어진다! 마리아나 해구로 유명한 필리핀 판이 이런 배호분지 해령이 만들어진 대표적인 사례이다.

겉보기에는 하나지만 사실은 2개 혹은 그 이상의 충돌이 연속적으로 일어나 하나의 산맥처럼 보이기도 한다. 알프스도 마치 커다란 산맥처럼 보이지만 사실은 일련의 충돌 사건이 다단계로 일어났다. 조산대를 수직으로 잘라내면 여러 땅 조각들이 큰 역단층을 경계로 맞닿아 찌그러져 있다.

4 변성 작용

조산운동은 다양한 변성암, 특히 광역 변성에 의한 변성암을 만드는 주 기작이다. 전 세계에 다양한 고압, 고온 변성암이 분포하는데, 이는 옛날에 그곳이 조산운동이 있었던 곳임을 암시한다. 특히 편마암이나 고온, 고압의 편암 내지는 백립암 등이 분포하는 곳은 과거에 이곳이 산맥의 심장부였음을 말해주고 있다.

조산 운동에 의한 변성 작용은 여러 경로를 따라 발달한다. 가장 고압의 변성이 이뤄지는 곳은 섭입대인데, 섭입하는 판이 지하 깊숙히 파고들면서 암석을 극도로 높은 압력에 노출시키게 된다. 이 때는 온도 상승 대비 압력 상승이 강력한 고압 변성 경로가 만들어지며, 청색편암(blueschist)을 거쳐 에클로자이트(eclogite) 변성상(facies)의 암석이 구축된다. 에클로자이트는 초고압에 의해 구축된 무척 단단하고 무거운 암석으로 밀도가 상부 맨틀 암석의 그것보다 높다. 한편, 충돌대는 암석이 섭입하지는 않으므로 압력이 섭입대 하판의 것보다 낮다. 이에 따라 온도 상승 대비 압력 증가율이 좀 더 낮게 되며, 녹색편암(greenschist)에서 각섬암(amphibolite), 고온까지 이르면 종종 백립암(granulite) 변성상까지 움직이게 된다. 변성상에 대한 도표는 변성암 항목을 참고할 것.

찌그러지는 암석들은 종종 상부지각의 퇴적암과 퇴적암이 혼합되어 있는데 이런 퇴적암 기원(pelitic)의 변성암들은 용융점이 비교적 낮다. 이는 보통 상부지각은 물이 비교적 풍부하여 수화 광물이 많이 들어있기 때문이다. 조산대의 중심부, 특히 충돌대의 경우 800도~1000도에 이르는 고온까지 온도 상승을 겪는다. 이 때 암석이 부분적으로 녹아버리게 되며, 모암이 규장질(felsic)이기 때문에 녹은 물질(melt)은 화강암질 마그마를 구성하게 된다. 이렇게 지각용융(anatexis)이 일어나면서 만들어진 마그마는 점성이 상당히 높고 두껍기 짝이없는 충돌대를 뚫지 못하여 보통 분출을 일으키지는 못하고 화강암질 심성암체를 구성하게 된다. 반면 섭입대인 경우에는 애초에 화산 활동이 무척 활발한 곳으로, 맨틀에서 공급되는 다량의 현무암질 마그마가 판의 하부에 눌러앉아 판을 두껍게 만들며(underplating), 지각을 뚫고 올라오는 마그마에 의해 섭입대는 보통 상당한 고온 변성에 시달리게 된다. 먼 훗날 이 조산대가 삭박되어 중심부가 드러나게 되면, 섭입대든 충돌대든 그 속에서 만들어진 마그마에 의한 심성암체가 곧잘 발견된다. 한반도 역시 그런 식으로 발달한 화강암체가 무척 많다.

5 예시

현생 조산운동
히말라야 산맥
알프스 산맥
일본 열도
안데스 산맥
로키 산맥
뉴질랜드 (Southern Alps)

과거 조산운동
칼레도니아 조산운동
판-아프리카 조산운동
다비-술루 조산운동
우랄 산맥
바리스칸 조산운동
그랜빌 조산운동
애팔래치아 조산운동

시에라 네바다 산맥