판 구조론: 지구를 설명하는 이론

세계 지도를 충분히 오래 들여다보면 묘한 우연 하나가 머릿속을 떠나지 않기 시작한다. 브라질의 불룩 튀어나온 부분이 마치 찢어진 사진의 두 조각처럼 서아프리카의 움푹 들어간 부분에 딱 맞아 들어가도록 만들어진 것처럼 보인다. 사람들은 대서양의 정확한 지도가 존재하기 시작한 1600년대 초부터 이를 알아차렸다. 그 후 세 세기 동안 이는 호기심거리로, 한가하게 지도를 들여다볼 만큼 여유로운 사람이라면 누구에게나 지리가 던지는 시각적 농담으로 남아 있었다. 그러다 알프레트 베게너라는 독일의 기상학자가 그 농담을 진지하게 받아들였고, 그렇게 함으로써 과학사의 위대한 혁명 가운데 하나를 촉발했다.

오늘날 우리는 해안선이 들어맞는 이유를 안다. 남아메리카와 아프리카가 한때 하나로 붙어 있었고, 단일한 거대 대륙의 일부였으며, 그 이후 수천 킬로미터나 떨어져 표류했기 때문이다. 지구의 단단한 바깥 껍질은 하나의 통짜 껍데기가 아니라 거대하게 움직이는 여러 판으로 이루어져 있으며, 이들은 손톱이 자라는 속도와 대략 비슷한 속도로 서로 스쳐 지나가고, 서로의 아래로 파고들고, 서로에게서 멀어진다. 그 느리고 끈질긴 운동이야말로 지구 표면에서 벌어지는 거의 모든 극적인 일들의 원동력이다. 산맥, 해구, 지진, 화산이 모두 그러하다. 이 모든 것을 하나로 엮는 이론을 판 구조론이라 부르며, 이는 틀림없이 지구과학에서 가장 중요한 단 하나의 발상이다.

어느 기상학자의 이단적 발상

알프레트 베게너는 지질학자가 아니었으며, 지질학자들이 그토록 오랫동안 그를 무시한 이유의 일부가 바로 여기에 있다. 1912년 그는 자신이 대륙 이동설이라 부른 것을 제안했다. 대륙들이 한때 하나의 초대륙을 이루고 있었고, 그것을 그는 판게아(그리스어로 "모든 땅"이라는 뜻)라 이름 붙였으며, 이 초대륙이 서서히 갈라져 현재의 위치로 떠돌아왔다는 발상이었다.

그의 증거는 정말로 인상적이었다. 퍼즐 조각의 맞물림: 해안선, 특히 대륙붕의 가장자리가 섬뜩할 만큼 정밀하게 들어맞았다. 화석: 지금은 대양 전체로 갈라진 대륙들에서 동일한 화석 종이 발견되었다. 양치류를 닮은 식물 Glossopteris 와 작은 민물 파충류 Mesosaurus 가 남아메리카와 아프리카 양쪽에서 모두 나타났는데, 둘 중 어느 쪽도 대서양을 헤엄치거나 떠서 건널 수는 없었다. 암석: 산맥과 독특한 암석층이 한 대륙에서 시작되어 다른 대륙으로 이어지는 것처럼 보였으니, 마치 한 문장이 반으로 잘려 도서관의 맞은편 서가에 따로따로 꽂혀 있는 듯했다.

문제는 베게너가 대륙이 어떻게 움직이는지를 설명할 수 없었다는 점이다. 그는 대륙이 배가 물살을 가르듯 해저를 헤치고 나아간다고 주장했는데, 이는 물리학자들이 불가능하다며 마땅히 무너뜨린 발상이었다. 믿을 만한 메커니즘이 없으니 그의 이론은 묵살되었고, 그것도 종종 가혹하게 묵살되었다. 베게너는 1930년 그린란드 빙상을 가로지르는 탐험 도중 사망했으니, 그의 정당성이 입증되기 수십 년 전이었다.

해저에 있던 사라진 메커니즘

해답은 대륙이 아니라 바다 밑바닥에서 왔다. 제2차 세계대전 이후, 새로운 음파 탐지와 자기 탐사가 처음으로 해저를 상세히 측량했고, 그 결과 드러난 것은 놀라웠다. 대서양 한가운데를 따라 내려가는 거대한 해저 산맥, 즉 대서양 중앙 해령이 있었으니, 이는 수만 킬로미터에 이르며 지구를 한 바퀴 도는 해령 체계의 일부였다.

1960년대 초, 해리 헤스를 비롯한 지질학자들이 해저 확장설을 제안했다. 핵심 발상: 이 해령을 따라 녹은 암석이 솟아올라 식으면서 완전히 새로운 해양 지각을 형성하고, 이것이 해령에서 멀어지는 한 쌍의 컨베이어 벨트처럼 양방향으로 바깥쪽으로 퍼져 나간다는 것이다. 대륙은 해저를 헤치고 나아가는 것이 아니라, 그 위에 올라타 함께 움직이고 있었다.

결정적 증거는 자기적인 것이었다. 갓 분출한 용암이 식을 때, 그 안의 자성 광물은 그 순간 지구 자기장의 방향을 그대로 고정시킨다. 지구의 자기장은 지질학적 시간을 거치며 이따금 극성이 뒤집히기 때문에, 해저에는 각 해령의 양쪽에 대칭으로 새겨진 자기 줄무늬 패턴이 기록되었으니, 마치 지구 자신이 찍어낸 바코드와도 같았다. 한쪽의 줄무늬는 반대쪽의 줄무늬와 정확히 거울상을 이루었는데, 이는 새로운 지각이 중심에서 만들어져 바깥으로 옮겨지고 있다면 마땅히 예상되는 모습 그대로였다. 1960년대 후반에 이르자 그 증거는 압도적이었고, 대륙 이동설은 더 넓고 더 견고한 판 구조론으로 다시 태어났다.

판은 실제로 어떻게 움직이는가

그렇게 떠오른 그림은 다음과 같이 작동한다. 암석권이라 불리는 지구의 가장 바깥층은 단단하고 부서지기 쉬우며, 대략 열두 개의 주요 판과 더 작은 여러 판으로 쪼개져 있다. 이 판들은 연약권 위에 떠 있는데, 연약권은 그 아래에 있는 더 뜨겁고 부분적으로 무른 맨틀층으로, 긴 시간 척도에 걸쳐 천천히 흐를 수 있으니 어느 정도는 매우 뻑뻑한 퍼티와도 같다.

지구 깊은 곳에서 나오는 열, 곧 행성이 형성될 때 남은 열과 방사성 원소의 붕괴로 생겨나는 열이 맨틀 속에서 느린 휘젓는 운동을 일으킨다. 추동력: 과학자들은 대체로 여러 효과의 조합을 지목한다. 해령에서는 새로운 지각이 판을 밀어 벌린다. 대부분의 연구자들이 보기에 훨씬 더 강력한 것은 "슬랩 끌림"으로, 차갑고 밀도가 높은 판의 가장자리가 맨틀 속으로 가라앉으면서 판의 나머지 부분을 뒤로 끌어당기는 현상이다. 힘들의 정확한 균형은 여전히 연구되고 논쟁되고 있지만, 결과는 분명하다. 판은 움직이며, 보통 1년에 몇 센티미터씩 움직인다.

결정적으로, 지각에는 두 종류가 있다. 해양 지각은 얇고 밀도가 높으며 대부분 현무암으로 이루어져 끊임없이 재순환되는데, 약 2억 년보다 오래된 해저는 어디에도 없다. 대륙 지각은 더 두껍고 더 가벼우며 훨씬 더 오래되었으니, 일부 암석은 40억 년이 넘는 연대를 지닌다. 대륙 지각은 너무 부력이 커서 쉽게 가라앉지 못하기 때문에, 대륙은 그대로 존속하는 반면 해저는 끝없이 파괴되고 다시 만들어진다.

판이 만나는 곳: 세 종류의 경계

거의 모든 사건은 가장자리에서 일어나며, 그곳에서 판들은 세 가지 기본 방식으로 상호작용한다.

발산 경계는 판들이 서로 벌어지는 곳이다. 대서양 중앙 해령이 전형적인 예로, 새로운 지각이 솟아오르면서 해저를 가른다. 육지에서는 동아프리카 지구대가 그 대륙을 서서히 찢어 열고 있으며, 수백만 년에 걸쳐 새로운 대양을 만들어낼 수도 있다.

수렴 경계는 판들이 충돌하는 곳으로, 지구상에서 가장 격렬한 장소들이다. 해양판이 대륙판과 만나면, 밀도가 더 높은 해양판이 그 아래로 파고드는데 이를 섭입이라 부르며, 맨틀 속으로 다시 가라앉으면서 깊은 해구와 화산 사슬을 모두 만들어낸다. 안데스산맥은 나스카판이 남아메리카 아래로 미끄러져 들어가면서 이런 식으로 형성되었다. 두 대륙판이 충돌하면 어느 쪽도 가라앉으려 하지 않으므로, 지각이 구겨지며 위로 두꺼워진다. 히말라야가 솟아오른 방식이 바로 그것이며, 인도판이 아시아를 들이받으면서 지금도 계속 솟아오르고 있다. 에베레스트산은 지금도 해마다 조금씩 더 높이 밀려 올라가고 있다.

변환 경계는 판들이 옆으로 서로 스쳐 지나가는 곳으로, 지각이 생성되지도 파괴되지도 않는다. 캘리포니아의 샌안드레아스 단층이 유명한 사례로, 태평양판이 북아메리카판을 지나쳐 미끄러지면서 변형력을 쌓아두었다가 지진으로 방출한다.

지진과 화산이 몰려 있는 이유

바로 이 지점에서 판 구조론은 가장 선명하게 그 진가를 발휘하는데, 사람들이 이해하기 훨씬 전부터 알아차렸던 어떤 패턴을 설명해 주기 때문이다. 지진과 화산은 지구상에 아무렇게나 흩어져 있지 않다. 그것들은 가늘고 또렷한 선을 그리며, 그 선이 바로 판의 경계이다.

불의 고리는 가장 극적인 예이다. 태평양의 가장자리를 따라 미주 대륙의 서해안을 지나 알래스카까지 올라갔다가 일본, 필리핀, 인도네시아를 따라 내려오는 말굽 모양의 띠이다. 전 세계 활화산의 대략 4분의 3이 이 띠를 따라 자리 잡고 있으며, 지구상에서 가장 큰 지진의 대다수도 이곳에서 일어난다. 그 이유는 섭입이다. 태평양 주위 어디서나 해양판이 이웃한 판 아래로 파고들고 있다. 가라앉는 슬랩이 내려가면서 그 안에 갇혀 있던 물이 방출되어 주변 암석의 녹는점을 낮추고, 그렇게 생긴 녹은 암석이 솟아올라 화산을 키운다. 한편 판들이 서로 맞물려 갈리고, 들러붙었다가, 갑자기 미끄러지면서 지진이 발생한다.

이는 어떤 곳은 끊임없는 지질학적 위험과 더불어 살아가는 반면 다른 곳은 거의 진동조차 느끼지 못하는 이유를 설명해 준다. 일본과 칠레는 수렴 경계 바로 위에 자리 잡고 있어 잦고 때로는 재앙적인 지진을 견딘다. 지중해는 아프리카판이 유럽으로 밀고 들어오면서 짓눌리는데, 이것이 바로 이탈리아와 그리스에 지진뿐 아니라 베수비오와 에트나 같은 화산이 함께 있는 이유이다. 이와 대조적으로, 오스트레일리아의 상당 부분이나 캐나다 중부처럼 크고 안정된 판의 중앙부는 지질학적으로 조용하다. 하와이와 아이슬란드 같은 화산 열점, 그리고 어떤 경계로부터도 멀리 떨어진 곳에서 드물게 발생하는 지진 같은 예외들이 있는데, 이는 이 이론이 아직 다듬어지고 있음을 우리에게 일깨워 준다. 그러나 경계와 위험 요소 사이의 전반적인 상관관계는 지질학 전체에서 가장 굳건한 발견 가운데 하나이다.

결코 완성되지 않는 행성

판 구조론은 지구를 완성된 사물이 아니라 끊임없이 움직이는 살아 있는 기계로 다시 그려낸다. 우리 머릿속에 담긴 지도는 지극히 느린 영화의 단 한 프레임에 지나지 않는다. 약 2억 5천만 년 전, 모든 대륙은 판게아 하나로 합쳐져 있었고, 그 후 갈라지면서 조각들을 지금 우리가 발견하는 자리로 흩뜨려 놓았다. 대서양은 지금도 1년에 몇 센티미터씩 넓어지고 있고, 태평양은 줄어들고 있으며, 먼 미래에는 대륙들이 새로운 초대륙으로 모여든 뒤 그 순환이 다시 시작될 것이다.

그 깊은 시간의 관점은 우리가 풍경을 읽는 방식을 바꾼다. 산꼭대기의 조개 화석은 더는 역설이 아니라 하늘 높이 들어 올려진 해저의 기록이다. 해안선의 모양은 사라진 대양을 가리키는 단서가 된다. 그리고 대지진의 비극은, 여전히 못지않게 참혹하지만, 이해할 수 있는 것이 된다. 그것은 어느 사회가 서서히 움직이는 두 개의 거대한 지각 조각이 만나는 이음새 위에서 살아가는 대가로 치르는 값인 것이다.

핵심 요점

판 구조론은 지구과학을 하나로 묶는 이론으로, 한때 조롱받던 알프레트 베게너의 대륙 이동설이라는 발상에서 태어나 해저 확장설과 해저의 자기 줄무늬가 발견되면서 마침내 입증되었다. 지구의 단단한 바깥 껍질은 약 열두 개의 주요 판으로 쪼개져, 주로 내부의 열과 가라앉는 슬랩의 끌림에 추동되어 천천히 흐르는 맨틀 위를 1년에 몇 센티미터씩 표류한다. 이 판들이 만나는 곳에서 그것들은 서로 벌어지거나, 충돌하거나, 스쳐 지나가면서 해령과 산맥과 깊은 해구를 만들어낸다. 지진과 화산이 이 경계들, 특히 태평양의 불의 고리를 따라 집중되기 때문에, 이 이론은 산이 어떻게 형성되는지뿐 아니라 왜 어떤 곳이 다른 곳보다 훨씬 더 자주 재난을 겪는지까지 설명하며, 끝없이 그리고 알아차릴 수 없을 만큼 천천히 스스로를 다시 빚어내는 행성의 모습을 드러낸다.