산을 오르다 보면 지층이 물결치듯 휘어져 있거나, 마치 칼로 자른 듯 끊어진 모습을 볼 수 있습니다. 이것이 바로 습곡과 단층입니다. 단단해 보이는 암석이 어떻게 휘어질 수 있을까요. 또 어떤 힘이 거대한 암석층을 쪼개어 수백 미터씩 어긋나게 만들 수 있을까요. 습곡과 단층은 지구의 조산 운동과 지각 변동을 보여주는 가장 직접적인 증거입니다. 히말라야 산맥의 높은 봉우리들은 습곡으로 이루어져 있고, 샌프란시스코를 가로지르는 산안드레아스 단층은 언제 다시 대지진을 일으킬지 모르는 위험한 지질 구조입니다. 한반도에도 수많은 습곡과 단층이 발달해 있으며, 이들은 과거 지각 변동의 역사를 기록하고 있습니다. 이 글에서는 습곡과 단층이 어떻게 만들어지는지, 각각의 종류와 특징은 무엇인지, 그리고 이러한 지질 구조가 우리 생활에 어떤 영향을 미치는지 상세히 알아보겠습니다.
암석이 변형되는 메커니즘
암석이 변형되려면 힘, 즉 응력이 작용해야 합니다. 응력에는 세 가지 유형이 있습니다. 압축 응력은 암석을 짓누르는 힘으로, 판이 충돌하는 곳에서 작용합니다. 인장 응력은 암석을 잡아당기는 힘으로, 판이 멀어지는 곳에서 발생합니다. 전단 응력은 암석을 엇갈리게 밀어내는 힘으로, 판이 수평으로 엇갈려 지나가는 곳에서 나타납니다. 같은 응력이 작용해도 암석의 반응은 조건에 따라 다릅니다. 암석의 변형 방식에는 탄성 변형, 소성 변형, 파괴가 있습니다. 탄성 변형은 고무줄처럼 힘을 제거하면 원래 상태로 돌아오는 변형입니다. 응력이 작을 때 일어나며, 지진의 원인이 되는 탄성 에너지가 축적되는 단계입니다. 소성 변형은 힘을 제거해도 원래 상태로 돌아오지 않는 영구적인 변형입니다. 점토를 주무르는 것처럼 암석이 부러지지 않고 휘어지거나 늘어납니다. 습곡이 만들어지는 것이 바로 소성 변형입니다. 파괴는 암석이 응력을 견디지 못하고 깨지는 것입니다. 단층이 이렇게 만들어집니다. 암석이 소성 변형을 하느냐 파괴되느냐는 여러 요인에 달려 있습니다. 가장 중요한 것은 온도입니다. 온도가 높을수록 암석은 부드러워져 소성 변형이 쉬워집니다. 지하 깊은 곳은 온도가 높아 습곡이 잘 만들어지고, 얕은 곳은 온도가 낮아 단층이 잘 생깁니다. 압력도 중요합니다. 압력이 높을수록 암석은 잘 부러지지 않습니다. 변형 속도도 영향을 미칩니다. 천천히 힘을 가하면 소성 변형이 일어나지만, 급격히 힘을 가하면 파괴됩니다. 암석의 종류도 중요합니다. 셰일이나 석회암은 비교적 부드러워 습곡이 잘 만들어지지만, 화강암이나 사암은 단단하여 단층이 잘 생깁니다. 지층의 배열도 영향을 줍니다. 얇은 층이 교대로 쌓인 지층은 두꺼운 단일 암석층보다 휘어지기 쉽습니다.
습곡의 형성과 종류
습곡의 기본 구조
습곡은 암석층이 수평 방향의 압축력을 받아 물결처럼 휘어진 구조입니다. 습곡의 기본 단위는 배사와 향사입니다. 배사는 위로 볼록한 부분으로, 마치 산등성이처럼 생겼습니다. 배사의 중심부에는 가장 오래된 지층이 있고, 바깥쪽으로 갈수록 젊은 지층이 나타납니다. 향사는 아래로 오목한 부분으로, 골짜기 모양입니다. 향사의 중심부에는 가장 젊은 지층이 있고, 바깥쪽으로 갈수록 오래된 지층이 나타납니다. 배사와 향사가 교대로 나타나면서 물결무늬를 만듭니다. 습곡의 각 부분에는 이름이 있습니다. 습곡축은 습곡의 정상부를 연결한 선입니다. 축면은 습곡을 대칭적으로 양분하는 가상의 면입니다. 날개는 축면 양쪽의 경사진 지층 부분입니다. 습곡의 형태는 축면의 기울기에 따라 분류됩니다. 정습곡은 축면이 수직인 대칭적인 습곡입니다. 양쪽 날개가 반대 방향으로 같은 각도로 기울어져 있습니다. 가장 단순하고 이상적인 형태입니다. 경사 습곡은 축면이 한쪽으로 기울어진 비대칭 습곡입니다. 한쪽 날개는 완만하게, 다른 쪽 날개는 급하게 기울어져 있습니다. 더 강한 압축력이 작용한 결과입니다. 횡와 습곡은 축면이 거의 수평에 가까울 정도로 심하게 기울어진 습곡입니다. 양쪽 날개가 거의 같은 방향으로 기울어져 있으며, 매우 강한 압축력을 받았음을 보여줍니다. 알프스나 히말라야 산맥에서 볼 수 있습니다. 습곡이 너무 심하게 휘어지면 부분적으로 끊어지기도 합니다. 이를 습곡 단층이라고 하며, 습곡과 단층의 중간 형태입니다.
습곡이 만드는 지형과 지질 구조
습곡은 지형 형성에 큰 영향을 미칩니다. 하지만 배사가 항상 산이 되고 향사가 항상 계곡이 되는 것은 아닙니다. 오히려 그 반대인 경우가 많습니다. 배사는 위로 솟아 있어 침식을 많이 받고, 특히 정상부는 암석이 휘어지면서 생긴 틈 때문에 풍화가 쉽게 일어납니다. 결과적으로 배사의 정상부가 깎여 나가 계곡이 되고, 상대적으로 보호받은 향사 부분이 산으로 남는 경우가 있습니다. 이를 지형 역전이라고 합니다. 습곡 지대는 독특한 경관을 만듭니다. 지층이 물결치듯 반복되는 습곡선, 급격히 솟은 산릉, 규칙적으로 배열된 능선과 계곡이 특징입니다. 애팔래치아 산맥의 리지 앤 밸리 지형이 대표적입니다. 단단한 암석층은 능선을 이루고, 약한 암석층은 계곡을 이루면서 평행한 산줄기가 만들어집니다. 습곡은 석유와 천연가스 탐사에 중요합니다. 배사 구조는 석유와 가스가 모이는 천연 저장소 역할을 합니다. 지하 깊은 곳에서 생성된 석유와 가스는 밀도가 낮아 위로 이동하는데, 배사 구조의 정상부에 갇혀 축적됩니다. 중동의 거대 유전들은 대부분 배사 구조에서 발견되었습니다. 지하수 탐사에도 습곡이 중요합니다. 향사 구조는 지하수가 모이는 곳이 될 수 있습니다. 지하수는 중력에 따라 낮은 곳으로 흐르므로, 향사의 축 부분에 지하수가 풍부한 경우가 많습니다.
단층의 유형과 특징
단층은 암석이 압력을 견디지 못하고 깨진 후 양쪽이 서로 어긋난 구조입니다. 단층면은 암석이 깨진 면이며, 단층의 양쪽을 상반과 하반이라고 부릅니다. 상반은 단층면의 위쪽 블록이고, 하반은 아래쪽 블록입니다. 단층은 상반과 하반의 상대적 이동 방향에 따라 분류됩니다. 정단층은 상반이 하반에 대해 아래로 미끄러진 단층입니다. 인장 응력을 받는 곳에서 만들어지며, 지각이 늘어나면서 발생합니다. 동아프리카 지구대처럼 대륙이 갈라지는 곳에서 흔히 볼 수 있습니다. 정단층이 발달하면 지구대나 분지가 형성됩니다. 역단층은 상반이 하반에 대해 위로 밀려 올라간 단층입니다. 압축 응력을 받는 곳에서 만들어지며, 지각이 짧아지고 두꺼워집니다. 판이 충돌하는 곳에서 흔하며, 산맥 형성과 관련이 있습니다. 히말라야 산맥에는 수많은 역단층이 발달해 있습니다. 주향 이동 단층은 수평 방향으로 어긋난 단층입니다. 전단 응력을 받는 곳에서 만들어지며, 판이 엇갈려 지나가는 변환 경계에서 발생합니다. 미국 캘리포니아의 산안드레아스 단층이 가장 유명한 주향 이동 단층입니다. 태평양판과 북아메리카판이 서로 엇갈려 이동하면서 만들어졌으며, 샌프란시스코 대지진의 원인이었습니다. 단층의 규모는 다양합니다. 미세 단층은 수 센티미터에서 수 미터의 변위를 가진 작은 단층입니다. 대규모 단층은 수 킬로미터에서 수백 킬로미터의 변위를 가지며, 지각의 큰 블록을 이동시킵니다. 단층은 일회성이 아니라 반복적으로 움직입니다. 지각에 응력이 계속 축적되면 기존 단층을 따라 다시 미끄러지면서 지진이 발생합니다. 활성 단층은 최근에도 움직임이 있었거나 앞으로 움직일 가능성이 있는 단층입니다. 지진 위험 평가에 매우 중요하며, 활성 단층 근처에는 중요 시설을 건설하지 않는 것이 원칙입니다. 단층 주변에는 파쇄대가 발달합니다. 암석이 깨지고 갈리면서 약해진 지대로, 풍화와 침식이 쉽게 일어납니다. 단층선을 따라 계곡이나 하천이 발달하는 경우가 많습니다. 단층 지형도 독특합니다. 단층애는 단층 운동으로 생긴 급경사 절벽입니다. 지루는 정단층 사이에 낮아진 좁고 긴 분지입니다. 지루대는 여러 개의 평행한 정단층으로 이루어진 계단 모양 지형입니다. 단층각은 역단층으로 융기된 삼각형 모양의 산입니다. 습곡과 단층은 지구의 역동적인 활동을 보여주는 지질 구조입니다. 이들을 연구하면 과거 지각 변동의 역사를 복원하고, 미래의 지진과 화산 활동을 예측하며, 지하자원을 찾을 수 있습니다. 산을 오르며 휘어진 지층이나 끊어진 암석을 만난다면, 그것은 수억 년 전 지구가 겪었던 격렬한 변화의 흔적입니다.