열곡대

열곡대는 지각이 확장되는 과정에서 형성되는 지형 구조로, 주로 대륙판이나 해양판이 서로 멀어지는 경계에서 나타난다. 이 지역에서는 판이 벌어지면서 지각이 얇아지고, 맨틀에서 상승한 마그마가 표면으로 분출하여 새로운 지각을 형성하는 과정이 반복된다. 열곡대는 지질 활동이 활발한 곳으로, 지진과 화산활동이 자주 발생하며, 시간이 지나면서 해양 분지나 새로운 지형을 형성할 수 있다.

지구대와 열곡대는 하나의 단층선만으로 이루어진 단순한 구조가 아니라, 여러 개의 단편이 연결된 복잡한 형태를 띤다. 단편이란 지구대 내에서 부분적으로 분리된 구조적 단위로, 각 단편은 서로 다른 방향으로 기울어질 수 있으며, 독특한 지질학적 특징을 가진다. 이 단편들이 모여 선형적인 지형을 형성하며, 각각은 특정한 주요 단층이 경계를 이루면서 조절된다.

단편은 주로 한쪽 방향으로 기울어진 단층에 의해 형성되며, 이런 구조를 반지구대 구조라고 한다. 단편의 크기와 길이는 지역의 지각 특성, 특히 지각의 두께와 탄성에 따라 크게 달라진다.

지각이 두껍고 온도가 낮은 지역에서는 단편의 길이가 길어지는 경향이 있다. 예를 들어, 바이칼 지구대에서는 단편의 길이가 80 km를 넘는 경우가 많다. 이는 차갑고 단단한 지각이 넓은 구간에서 변형을 견디면서 길게 이어지기 때문이다. 반면, 지각이 얇고 온도가 높은 지역에서는 단편의 길이가 짧아지며, 경우에 따라 30 km 이하로 줄어들기도 한다. 이런 차이는 지각의 온도와 구조적인 특성에 따라 결정되며, 지구대가 형성되는 과정에서 중요한 역할을 한다.

쉽게 말해, 단편은 지구대 안에서 분리된 조각들이며, 차갑고 두꺼운 지각에서는 길고 안정적인 단편이 형성되고, 뜨겁고 얇은 지각에서는 짧고 불안정한 단편이 만들어진다. 이러한 단편들이 연결되면서 지구대와 열곡대의 구조가 더욱 복잡해지고, 각 지역마다 다른 형태의 지형이 나타난다.

지구대 축을 따라 형성된 단편들은 주요 단층의 기울기 방향이 서로 다를 수 있다. 어떤 단편에서는 주요 단층이 한쪽 방향으로 기울어져 있지만, 다른 단편에서는 반대 방향으로 기울어질 수 있다. 이런 차이로 인해 단편들 간의 구조가 다르게 나타나며, 이는 지구대의 복잡성을 증가시키는 중요한 요인이다. 특히 단편들이 맞닿는 경계는 일반적으로 더 복잡한 구조를 가지며, 지구대 축과 높은 각도로 교차하는 특징을 보인다. 이러한 단편 경계는 개별 단편들 사이에서 단층의 변위를 조절하는 역할을 하며, 이를 조절구역이라 한다.

조절구역은 단순한 형태부터 매우 복잡한 형태까지 다양하게 나타날 수 있다. 예를 들어, 같은 방향으로 기울어진 두 개의 주요 단층이 만나는 지점에서는 비교적 단순한 구조가 형성될 수 있다. 반면, 서로 반대 방향으로 기울어진 단편들이 맞닿을 경우 조절구역은 훨씬 복잡한 형태를 띠며, 다양한 지각 변형이 발생할 가능성이 높아진다.

조절구역은 과거에 형성된 지각 구조와 지구대 축이 만나는 곳에서 자주 나타나며, 이로 인해 구조적 복잡성이 더욱 커질 수 있다. 예를 들어, 수에즈 만 지구대에서는 아라비아-누비아 순상지 내의 전단대와 지구대 축이 만나는 지점에 자아파라나 조절구역이 형성되어 있으며, 이는 이 지역의 지질학적 변화에 중요한 역할을 하고 있다.

지구대의 양측에는 주변 지역보다 상대적으로 높은 지형이 형성되는데, 이를 지구대 어깨 또는 지구대 측면이라고 한다. 일반적으로 지구대 어깨는 약 70 km의 폭을 가지며, 이는 지각의 융기와 관련이 있다. 과거에는 이러한 융기가 지구대 형성과 직접적인 관련이 있다고 생각되었으나, 최근 연구에 따르면 모든 높은 지형이 지구대 형성과 연관된 것은 아니다. 예를 들어, 브라질 고원, 스칸디나비아 산맥, 인도의 서부 가츠산맥과 같은 지역은 지구대 어깨가 아닌 별개의 지형적 형성과정을 거친 것으로 밝혀졌다. 이는 지각의 차등 융기, 침식 과정, 그리고 장기적인 판구조적 변동과 같은 다양한 요인들이 작용했기 때문이다.

결론적으로, 지구대의 형성은 단순한 단층 작용에 의한 것이 아니라, 복잡한 구조적 요인과 지각의 열적 특성이 결합된 결과이다. 지구대 내 개별 단편들은 서로 다른 길이와 기울기를 가지며, 단편 간의 경계를 이루는 조절구역은 구조적으로 다양한 형태를 보인다. 또한, 지구대 어깨는 일반적으로 주변 지역보다 높지만, 모든 높은 지형이 지구대 형성과 직접적으로 연관된 것은 아니다. 이러한 요소들은 지구대의 발달 과정과 그 지역의 지질학적 역사를 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다.

열곡이 형성되는 초기 단계에서 지각의 상부가 여러 개의 독립된 정단층[1]을 따라 늘어나며, 이로 인해 분리된 분지가 형성된다. 이러한 과정은 지표에서 관찰할 수 있는 초기 열곡 분지의 발달로 이어진다. 지상에 형성된 열곡의 경우, 초기에는 배수 체계가 내부적으로 한정되며, 외부로 흐르는 배수 체계는 발달하지 않는다.

열곡이 발전하면서 개별적인 단층 구간이 성장하고 점차 연결되어 주요 경계 단층이 형성된다. 이후의 연장은 이러한 경계 단층을 중심으로 집중되며, 이로 인해 열곡 축을 따라 보다 넓은 지역에서 단층에 의한 침강이 발생한다. 이 과정에서 열곡 주변부의 지형이 융기하게 되며, 이는 분지 내의 배수 체계와 퇴적 작용에 큰 영향을 미친다.

열곡 발달이 절정에 달하면 지각이 점차 얇아지고, 이와 함께 지표면이 침강하며, 모호 불연속면[2]이 상승한다. 동시에 맨틀 암석권이 얇아지면서 아스테노스피어[3]의 상부가 상승하게 되고, 이로 인해 열곡대에 높은 열류량이 형성된다. 이러한 열 공급은 지각을 가열하고, 고온의 변성 작용을 촉진한다. 이 과정에서 고온 또는 초고온의 변성암이 형성되며, 일부 지역에서는 변성 핵 복합체가 발달하기도 한다. 이와 같은 과정은 확장성 환경에서의 조산 운동을 유발하며, 이를 열곡 조산 작용이라 한다.

열곡 작용이 끝나면 뜨거운 맨틀이 점차 식으면서 지각이 가라앉는 과정이 발생하는데, 이를 후열곡 침강이라고 한다. 이 침강의 정도는 열곡 과정에서 지각이 얼마나 얇아졌느냐에 따라 달라진다. 이를 계산하는 방법 중 하나가 베타 계수라는 개념으로, 열곡이 일어나기 전과 후의 지각 두께를 비교하는 값이다. 지각이 많이 얇아졌다면 침강도 크게 일어나고, 조금만 얇아졌다면 침강도 적게 일어난다.

또한, 침강이 진행되는 동안 그 공간을 메우는 퇴적물도 중요한 역할을 한다. 퇴적물은 밀도가 물보다 크기 때문에 많이 쌓일수록 지각이 추가로 가라앉는 것이 줄어든다. 즉, 퇴적물이 많아질수록 침강 속도는 점점 느려지며, 최종적으로 평형을 이루게 된다.

이러한 후열곡 침강을 설명하기 위해 몇 가지 모델이 개발되었다. 초기에는 맥켄지 모델(McKenzie Model)이 사용되었다. 이 모델은 열곡 작용이 한순간에 발생한다고 가정하며, 맨틀이 빠르게 상승한 후 냉각되면서 침강이 진행된다고 설명한다. 맥켄지 모델은 계산이 쉽고 기본적인 침강량을 예측하는 데 유용하지만, 실제 자연에서는 열곡이 갑자기 생기는 것이 아니라 서서히 진행되기 때문에 이 모델만으로는 한계가 있다.

이후에는 보다 정밀한 분석이 가능한 굽힘 캔틸레버 모델(Flexural Cantilever Model)이 도입되었다. 이 모델은 열곡이 점진적으로 발생한다고 가정하며, 열곡 단층의 기하학적 구조와 지각이 휘어지는 탄성적 반응을 고려한다. 쉽게 말해, 지각이 단순히 가라앉는 것이 아니라 한쪽이 기울어지면서 휘어지고, 그 과정에서 변형이 어떻게 일어나는지를 분석하는 것이다. 이 모델은 맥켄지 모델보다 복잡하지만, 실제 지각 변형을 더 정확하게 설명할 수 있다.

결론적으로, 후열곡 침강은 맨틀의 냉각과 지각의 얇아진 정도에 의해 결정되며, 퇴적물의 채워지는 양도 중요한 영향을 미친다. 이를 설명하기 위해 맥켄지 모델과 굽힘 캔틸레버 모델이 사용되며, 각각 단순한 예측과 정밀한 분석을 위해 활용된다. 이러한 연구는 지구의 지각 변화를 이해하는 데 중요한 역할을 하며, 지질학적 과정이 어떻게 진행되는지를 설명하는 데 큰 도움이 된다.

열곡의 발달이 지속되면 결국 대륙이 분리되고 해양 분지가 형성될 수 있다. 성공적인 열곡 과정은 해양 확장을 유도하며, 대서양 중앙 해령과 같은 해저 확장 중심과 대륙 연변부가 형성되는 결과를 초래한다.

열곡 과정은 맨틀 대류의 영향으로 발생하는 능동적 열곡과, 외부에서 가해지는 지각 인장력에 의해 형성되는 수동적 열곡으로 구분된다. 열곡 연변부의 구조는 변형 과정의 시공간적 관계에 따라 결정되며, 이는 지각의 상부에 형성되는 단층 구조, 목이 좁아지는 구간에서의 지각 연장, 심부 분지의 형성 및 해양 지각과의 경계 설정 등 다양한 형태로 나타난다.

변형 과정에서 마그마 활동이 열곡의 진화와 밀접한 관계를 맺는다. 열곡 연변부는 마그마가 풍부한 유형과 마그마가 부족한 유형으로 구분된다. 마그마가 풍부한 열곡 연변부는 화산 활동이 활발하며, 세계적으로도 이러한 화산성 연변부가 대부분을 차지한다. 반면, 마그마가 부족한 열곡 연변부에서는 대규모 단층 운동과 극단적인 지각 신장이 두드러지며, 이로 인해 상부 맨틀의 감람암과 반려암이 해저에 노출되어 변질되는 과정이 발생한다.

한반도에서 명확한 열곡대로 분류할 수 있는 지역은 동해가 유일하다. 동해는 과거 한반도와 일본 열도 사이에서 지각이 확장되면서 형성된 해양형 열곡대로, 현재는 열곡 작용이 종료된 상태로 동해는 확장 운동에서 전환되어 압축력을 받고 있다. 그러나 과거 열곡 과정의 흔적이 여전히 남아 있으며, 또한 열곡대의 작용으로 형성된 것으로 추정되는 울릉도는 여전히 분명한 활화산이며, 그 지하에는 세격적인 규모의 거대 마그마방이 있다는 연구 결과가 나오기도 해 지질학적으로 중요한 연구 대상이 되고 있다.

동해는 약 2,500만 년 전부터 1,500만 년 전까지 형성되었으며, 한반도와 일본 열도가 분리되면서 바다로 변했다. 이 과정에서 맨틀이 상승하고 지각이 늘어나면서 동해 중앙에 해저 확장 중심이 형성되었다. 그러나 1,500만 년 전 이후에는 열곡 작용이 멈추고 맨틀이 식으면서 후열곡 침강이 진행되었다. 이로 인해 동해는 현재와 같은 형태를 갖추게 되었으며, 광범위한 퇴적 분지가 형성되었다. 대표적인 예로 울릉 분지등이 있으며, 이들은 초기 열곡 작용으로 형성된 공간에 퇴적물이 채워지면서 만들어졌다.

동해에는 열곡 작용과 관련된 여러 단층 구조도 존재한다. 대표적으로 울릉 단층과 묘도 단층은 동해의 형성과 밀접한 관련이 있으며, 해저 지형을 크게 변화시켰다. 또한, 열곡 작용이 종료된 후에도 일부 지각 운동이 지속되면서 포항 단층과 양산 단층과 같은 구조들이 형성되었다. 이외에도 열곡 과정에서 발생한 화산 활동의 흔적으로 울릉도와 독도가 존재하며, 이는 동해 확장 당시 맨틀에서 솟아오른 마그마가 만들어낸 화산섬들이다.

한반도 내에서 동해 외에 명확한 열곡대는 존재하지 않는다. 그러나 일부 지역에서는 과거 열곡과 유사한 지각 변형이 있었을 가능성이 제기된다. 경상 분지는 현재 퇴적 분지로 알려져 있지만, 동해 확장이 시작될 무렵 단층 운동과 지각 변형이 활발하게 일어난 지역이다. 또한, 황해(서해) 해저에서도 신생대 초기에 약한 지각 확장이 있었을 가능성이 있지만, 동해처럼 해양형 열곡대로 발전하지는 않았다.

결론적으로, 한반도에서 유일하게 명확한 열곡대는 동해이며, 이곳은 과거 열곡 작용을 통해 형성된 후 확장이 멈추면서 현재와 같은 모습을 갖추게 되었다. 동해를 제외한 다른 지역에서도 일부 지각 확장이 있었을 가능성이 있지만, 동해처럼 완전한 열곡대로 발달하지는 않았다.