지사학 법칙-지질학자들은 어떻게 지층의 연대를 알아낼까?

 지질학(Geology)이란 쉽게 이야기하면 땅, 그리고 땅속을 연구하는 학문입니다. 산, 땅을 이루고 있는 돌, 그 돌을 이루고 있는 광물, 땅속을 흐르고 있는 지하수, 화산, 지진, 지구를 이루고 있는 지각과 지각을 이루고 있는 판, 과거 살았던 생물의 흔적인 화석 등등이 지질학에서 다루는 분야이지요.

 지질학에는 많은 분야가 있는데, 그중 땅과 화석을 보고 과거의 환경을 연구하는 분야를 '지사학'이라고 합니다. 땅의 역사를 다루는 학문이라는 것이지요. 지사학을 연구하는 학자들은 땅을 볼 때 땅의 구조를 보고 일정 법칙에 따라서 땅이 쌓인 순서를 알아냅니다. 어떤 법칙을 따를까요? 기본적으로, 지사학에는 5개의 법칙이 존재합니다.

 

1. 동일 과정의 법칙

2. 지층누중의 법칙

3. 관입의 법칙

4. 부정합의 법칙

5. 동물군 천이의 법칙

 

1. 지금 일어나는 일은 과거에도 동일하게 일어났다. 동일 과정의 법칙

 지금 우리가 사는 지구에는 지금도 여러 현상이 일어나고 있습니다. 땅을 이루고 있는 지각과 지각이 충돌해서 지진이 일어나기도 하고, 화산이 활동하기도 하지요. 홍수가 일어나 새로운 퇴적물이 갑자기 쓸려오기도 하지요. 이렇게 지구에서 일어나는 여러 현상들, 그리고 그로 인해서 일어난 결과가 과거 지구에서도 동일하게 일어났다는 것이 바로 동일 과정의 봅칙입니다. 

 예를 들어서, 경기도 화성시에 분포해있는 시화층을 봅시다. 시화층의 암석은 진흙이 굳어서 만들어진 암석인 이암과 암석 사이 사이에 자갈로 만들어진 역암이 분포해있는데, 그 구조가 좀 특이한 지형이 있습니다. 이암의 틈새로 역암이 띠를 이루는 모양을 하고 있지요. 어떻게 이런 모습이 생겼을까요?

이암 사이 사이에 보이는 역암으로 이루어진 띠가 보이는 경기도 화성시 공룡알 화석지의 시화층. 출처-직접 촬영

 아주 넓게 물이 흐르고 있는 평야를 상상해봅시다. 그리고 이 평야를 이루는 돌들은 주로 알갱이의 크기가 큰 자갈이 주를 이루고 있다고 해보죠. 그런데 이 평야에 홍수가 주기적으로 일어나서 물이 주기를 가지고 범람한다고 가정해봅시다. 그러면 어떻게 될까요? 그렇게 되면 평소에는 조금씩 흘러들어서 자갈과 자갈의 사이사이로 그냥 흘러가버리는 입자의 크기가 아주 작은 진흙이나 모래가 빠른 속도로 흘러온 홍수로 인해서 급격히 몰려와 쌓이게 됩니다(홍수가 일어나고 난 직후의 상황을 연상해보면 됩니다.). 이런 환경에서 쌓인 퇴적구조는 어떤 모습일까요? 홍수가 있을때 많은 양의 진흙이 갑작스럽게 쌓였으니 그 두께가  두꺼울 겁니다. 그리고 홍수가 없을 때는 자갈이 넓게 쌓이고 있겠지요.  이를 통해서 우리는 시화층이 평소에는 자갈이 넓게 분포해 있다가 주기적으로 홍수가 크게 일어나는 범람원이라는 것을 유추해낼 수 있습니다. 즉, '현대에 물리적인 작용이 일어나는 방식이 과거에도 동일하게 일어났다'. 이것이 동일 과정의 법칙입니다.

 

2. 지층은 순서대로 쌓인다. 지층누중의 법칙

 시간이 흐를수록 오래된 것 위에 새로운 것이 쌓이게 됩니다. 땅이 먼저 존재했기에 땅 위에 건물이 건축될 수 있고, 그 건물의 옥상에 정원이 또 있을 수 있는 것 처럼요. 지층도 마찬가지입니다. 오래된 지층은 하부, 즉 밑에 먼저 쌓이고, 그 위로 새로운 지층이 하나씩 하나씩 쌓이게 되지요. 이렇게 지층은 하부로 갈수록, 다시 말해서 밑에 쌓인 지층일수록 오래되었으며 순서대로 쌓였다는 법칙이 바로 지층누중의 법칙입니다.  다음 그림을 봅시다.

지층 누중의 법칙을 표현한 그림.

  그림에서 보이는 지층구조를 보고 지층이 어떤 순서로 쌓였을지 알 수 있을까요? 지층 누중의 법칙을 생각해보면 답은 매우 쉽습니다. D-C-B-A순서로 쌓였겠지요! 왜냐하면 D가 가장 아래에 있고, 다음으로 C-B-A순서로 쌓여있기 때문입니다. 이렇게 지층 누중의 법칙을 통해서 지층의 연대가 어느 시대인지 대략적으로 알아낼 수 있기도 합니다. .

 

3. 마그마가 뚫고 올라온다. 관입의 법칙

 지표면에서 지층이 쌓일 때 지하에서 용암이 분출하여 차오를 경우 지층을 '뚫고' 상승하는 경우가 있습니다. 이럴 경우에는 지층에  용암이 지층을 뚫은 경로를 따라 그대로 굳어져 화성암이 된 모습이 관측되지요. 이렇게 용암이 지층을 뚫은 것을 관입, 그리고 그 관입에 대한 법칙을 관입의 법칙이라고 합니다. 

 지층이 쌓이고 용암이 지층을 뚫고 상승한 뒤에 다시 지층이 쌓인 구조를 상상해봅시다. 아마 그 구조는 대략 다음 그림과 비슷할 겁니다.

관입의 법칙을 나타낸 그림.

 언뜻 보기엔 지층이 단순히 D-C-B-A 순서로 쌓인 것처럼 보입니다. 그런데 이번엔 D-C에 화강암(마그마가 굳어져서 만들어진 암석)인 E가 있습니다. 그런데 E는 C까지는 뚫었지만, B와 A는 뚫지 않았습니다. 왜 그럴까요? 관입의 법칙에 따르면 E가 되는 용암이 분출할 당시에는 B가 쌓여있지 않았기 때문입니다. 자 그러면 위 그림에서 지층의 순서는 어떻게 될까요? 먼저 D가 쌓이고 그다음에 C, 그리고 그다음에 E, 그리고 B, A 순서대로 쌓였다는 결론이 나옵니다.

 

4. 사이에 시간차가 있다. 부정합의 법칙

지층은 단순히 시간만 지나면 쌓이는 것 같지만 사실 꼭 그렇지는 않습니다. 지층이 쌓이는 환경이 항상 그대로이지 않기 때문이지요. 강이나 연못이었던 지역이 맨땅이 될 수도 있고, 아니면 바다속이 될 수도 있지요. 따라서 지층이 쌓이지 않는 환경일 경우에는 지층이 쌓이지 않고 그대로 유지되다가 지층이 다시 쌓일 환경이 된다면 다시 쌓이게 됩니다. 또는 오랜 시간동안 표면에 노출되어서 기존 지층이 아예 사라질 수도 있겠죠. 그리고 한참 후에 다시 지층이 쌓일 수 있구요. 이럴 경우엔 먼저 쌓인 지층과 그 위에 쌓인 지층 사이에 긴 시간차가 생기게 됩니다. 이렇게 지층 간에 시간차가 있으며 경계에서 차이점을 보이는 구조를 부정합이라고 하며, 부정합이 보이는 법칙을 부정합의 법칙이라고 합니다. 부정합에는 크게 3가지 종류가 있습니다. 난정합, 경사 부정합, 평행 부정합이 있지요.

 난정합이란 퇴적층이 퇴적층이 아닌 다른 암석층 위에 쌓인 부정합입니다. 본래 용암이 흐르거나, 마그마가 굳어진 곳이 지형이 바뀌어 퇴적층이 형성되는 지형(강의 하구나 범람원 등등)이으로 바뀔경우에 보이는 부정합이지요.

그랜드 캐니언에서 보이는 난정합의 예시. 퇴적암이 아닌 변성암이 쌓인곳 위에 퇴적암이 쌓여있다.

 경사부정합이란 하부 지층에서 경사가 보이고 그 위에 새로운 지층이 쌓인 구조를 의미합니다. 지구 내부의 작용으로 땅이 움직이면서 지층 역시 구조가 변형이 되거나 하지요. 지층이 양옆으로 강한 힘을 받아서 강하게 휘어질 경우 습곡이라는 구조가 만들어지게 됩니다. 그리고 시간이 흘러서 습곡 위에 또 다른 지층이 쌓인다면 그것이 경사부정합이지요.

습곡. 지층이 강한 힘을 받아 휘어졌다. 출처-https://en.wikipedia.org/wiki/Fold_(geology)#/media/File:Folding_of_alternate_layers_of_limestone_layers_with_chert_layers.jpg

포르투칼의 텔헤이로 해변의 경사부정합. 출처-https://geologyscience.com/methods-of-geology/unconformities/

 평행부정합은 쉽게 말해서 어느 층이 쌓이고 오랜 시간 후에 다른 층이 쌓인것을 정합이라고 합니다. 아래 그림에서 A와 B 사이 간격이 대략 10만 년 정도 있었다고 가정해봅시다. 그러면 B와 A 사이의 간극이 10만년이 있겠지요? 이런식으로 일반적인 지층처럼 쌓였으나 시간차가 큰 부정합을 평행부정합이라고 합니다. 평행부정합은 일반적인 지층과는 달리 층과 층의 경계에서 하부 지층에 풍화된 흔적이 보이기도 하지요. 

지층을 나타낸 그림. A와 B 사이에 10만 년 정도의 차이가 있다면, A,B 사이의 경계는 평행부정합이다. 

평행부정합의 모습. 오랜 시간차로 하부 지층과 상부 지층 사이에서 풍화작용의 흔적이 보인다. 출처-https://geologyscience.com/methods-of-geology/unconformities/

 하지만 평행부정합의 경계는 얼마나 시간차가 있는지 알기 어렵습니다. 풍화작용의 흔적으로 오랜 시간차가 있다는것만 알수 있지요. 이 경우에 두 층의 시간차를 알아내기 위해서 화석을 이용한 방법이 있습니다. 화석을 통해서 어떻게 시간차를 알아낼 수 있을까요?

 

5. 시대에 따라 화석이 다르다. 동물군 천이의 법칙

 지질시대에 퇴적된 퇴적층에서는 화석이 발견되기도 합니다. 그러나 화석은 아무 지층에서 아무 화석이 무작위로 발견되지 않고 지질학적 시간에 따라서 각각 다른 화석이 발굴됩니다. 예를 들어서 고생대의 대표적인 고생물인 삼엽충은 시생대, 원생대, 중생대, 신생대 지층에서는 화석이 발견되지 않으며 오직 고생대에 형성된 지층에서만 발굴됩니다. 중생대의 대표적인 고생물인 공룡 역시 '중생대에 만들어진 지층에서만' 발견이 되지요. 이렇게 시간에 따라 발굴되는 화석이 다르며 변화한다는 법칙을 동물군 천이의 법칙이라고 합니다. 따라서 동물군 천이의 법칙을 따르면 발굴되는 화석에 따라서 상부 지층과 하부 지층의 시간차를 대략적으로 알아낼 수 있겠지요.

지층에서 발견되는 화석은 무작위가 아닌 형성된 시기에 따라 변화되는 양상을 보인다. 이를 동물군 천이의 법칙이라고 한다. 출처-http://earthsci.org/processes/struct/section/section.html

 동물군 천이의 법칙에 따라서 생물의 진화양상이 보이기도 하는데, 가장 대표적인 예시가 틱타알릭 이라는 고생물 입니다. 틱타알릭은 3억7천5백만 년 전에 살았던 고생물인데, 틱타알릭이 발견되기 이전에는 완벽한 사지를 지닌 생물의 화석이 3억년 이후의 지층에서, 그리고 사지가 발달하지 않은 어류의 화석들이 대략 3억 7천만 년 이전의 지층에서 발견이 되어왔습니다. 따라서 학자들은 3억년에서 4억년 사이의 퇴적층에서 완전한 사지와 지느러미 사이의 형태를 지닌 생물이 발견되리라고 예상하였고, 그 예상이 들어맞아서 캐나다 북부의 엘스미어 섬에 분포한 3억 7천 5백만 년 전 지층에서 틱타알릭을 발견하였지요!

틱타알릭 로제. 출처-https://en.wikipedia.org/wiki/Tiktaalik#/media/File:Tiktaalik_NT_small.jpg

우리가 발을 딛고 사는 땅, 그리고 화석이 발견되는 지층은 언뜻 보면 그냥 흙이나 모래, 돌 같지만, 지질학자들은 땅, 그리고 땅을 이루고 있는 구조를 연구하면서 지금까지 알아본 5개의 법칙을 알아내었지요. 그리고 알아낸 법칙을 통하여 또 다른 비밀을 알아내기 위해 오늘도 지질학자들은 연구를 진행하고 있습니다.