고 지자기와 해저확장설

고 지자기와 해저확장설

 

잔류자기, 지자기학

잔류자기, 지자기학(paleomagnetism)을 연구하는 데는 자연잔류자기(NRM , natural remnant magnetism)의 연구를 통해서 이루어진다. 잔류자기 (remnant Imagnetism)의 강도는 화성암이나 열변성작용을 받은 변성암류에서 높고 퇴적암에서 낮다. 이처럼 암석이 잔류자기를 갖는 현상을 자연잔류화(natural remnant Imagnetization)라고 한다. 이는 암석의 잔류자기 자체뿐만 아니라 지구의 역사에 따른 지자기장의 변화를 제공하여 준다. 잔류화는 다음과 같은 몇 종류가 있다.

 

등온잔류자화 (isothermal remnant magnetization)

일정 온도 하에서 짧은 시간동안에 존재하였다가 없어지는 외부자기장에 의하여 암석이 잔류자기를 얻게 되는 현상이다.

 

열잔류자화 (thermo-remnant magnetization) 

자성 물질이 높은 온도로부터 큐리온도를 거쳐서 서서히 식어갈 때 외부자기장에 의하여 강하고도 안정된 잔류 자기를 얻게 되는 현상으로 화강암에 나타나는 잔류자기가 이에 속한다.

퇴적 잔류자화 (detrialor depositional remnant magnetization)

이는 콜로이드 상태에서 세립 물질이 퇴적되면서 잔류자기를 얻게 되는 현상이다.

 

점성 잔류자화 (viscous remnant magnetization)

암석이 약한 외부자기장 일지라도 오랫동안 영향을 받아서 잔류자기를 띄게 하는 현상으로 이는 등온 잔류자화가 누적되어서 나타나는 현상이다.

 

화학잔류자화(chemical remnant magnetization)

퇴적암이나 변성암에서 잘 일어나는 현상으로 큐리온도 이하에서 암석 내에서 화학작용으로 자성 물질이 성장하거나 또는 재결정되어 잔류자기를 얻게 되는 현상이다.

이와 같은 잔류자기를 이용한 고지자기학은 전후(戰後)에 급속히 발전하였는데, 대륙이동설과 해저확장설 (continental drift & sea floor spreading)을 근간으로 판구조론의 설명을 위한 정량적 근거를 제시해 주었다.

 

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고지자기학

잔류자기에는 암석이 생성될 때 1차적으로 나타나는 1차 자연 잔류자기와 함께 생성이후 현재까지 사이에서 얻은 2차 자연 잔류자기가 있다. 1차 자연잔류의 자화방향은 자화 당시의 지자기의 방향과 같다. 또한 퇴적잔류자기와 화학잔류자기, 안정성이 높은 열잔류자기를 통해서 고지자기 연구에 이용한다.

 

이 같은 잔류자기를 지질시대 순으로 표시하면 현재의 지자기장의 방향과 일치하거나 반대방향을 나타내며 서로 교대됨을 발견할 수 있다. 현재의 자기장과 반대로 자화된 것을 자기의 역전(reversal)이라 한다. 이 같은 현상이 해양저에서 정상과 역전의 호층(互層)을 이루면서 반복하는 상태로 자화된 암석이 중앙해령 (central ridge)을 대칭축으로 하여 나타난다. 이 같은 현상을 해저확정설로 설명하였다.

또한 고지자기 극의 시간에 따른 위치변화(polar wandering)는 매우 느리다. 극의 위치는 암석시료 채취시기와 위치에 따라서 계산된다. 즉, 극이 이동하였던지 아니면 극은 고정되어있고 대륙이 상대적으로 이동하였는지 또는 두 가지 복합적일 수가 있다.

 

유럽과 북미에서 캠브리아기에서 현재까지의 극의 위치변화경로를 도시한 것을 보면 이들 두 대륙에서 극의 위치변화가 서로 다르다. 만약 대륙의 이동 없이 극이 이동했다면 이들 경로는 같아야 하는데 서로 다르므로 대륙을 이동시켜보면 두 대륙이 약 2억년 전에는 같은 대륙(로라시아, Laurasia)이었음을 보인다. 또한 남반구에 있는 대륙(곤드와나, Gondwana)에 대한 연구 결과로 약 1억 5천만 년 전에는 한 곳에 모여 있었다(그림 5-10). 이들이 분리되기 이전의 대륙을 초대륙 판게아(Pangea)라 한다.

 

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탐사와 보정

 

앞서 언급한 지자기의 3요소 중 수평 수직자력 측정은 기본적으로 쌍극자를 이용한다. 자력측정은 자력계(Schmid형 자력계, Flux-gate형 자력계, 핵자력계)의 특성과 측정방법에 고려해서 선택된다. 비행기를 이용하는 항공측정, 배를 이용하는 해상측정, 그리고 육상에서의 측정이 있다. 일반적으로 항공과 해상측정에 사용되는 측정기기는 매우 유사하며, 항공기나 배가 계속 이동하면서 계속적으로 자기장을 측정, 기록한다. 육상측정은 일반적으로 중력측정도 동시에 시행하며 따라서 측선 간격이나 측점 위치 등이 중력측정과 유사하다.

주의해야할 사항은 해상측정도 항공측정에서와 마찬가지로 Flux-gate나 핵자력계를 사용하며 선박자체의 영향을 최소화하기 위하여 측정기를 cable에 연결하여 배후에 150~300m 정도에 위치시킨다. 해상 자력탐사는 주로 중력측정, 탄성파 탐사와 병행 실시 할 수 있는 장점이 있고 석유탐사나 지구물리학적 연구와 연관된 대규모 핵 탐사에 주목적이 잇다. 육상 탐사는 주변의 금속물질에 의한 영향을 피하여야 할 것이다.

자력기 측정 목적은 자성물질에 의한 지표근처에 존재하는 자기 이상(magnetic anomaly)을 측정하는 것이다. 실제로 결과는 지구 내적, 외적 원인에 의한 결과가 합쳐진 것이다. 측정치 중 목적에 맞지 않는 것을 제거시키는 것이 보정(correction)이다. 이는 지자기장의 위치에 따른 보정 (중력에서 위도보정과 유사)과 일변화와 계기오차에 따른 보정을 해야 한다. 일변화는 하루에 약 10-1000정도 변하므로 측정시간에 따른 변화차를 보정해야 한다. 이를 위해서는 반복측정이 필요하다.

결과적으로 주위물질과 자성의 차가 있는 물질에 의해서 나타나는, 매우 높거나 낮은 자기값이 나타난다. 자기 이상의 요인은 자기 이상의 근원이 되는 물질의 형태이다. 그 지역의 자기 위도에 따른 지자기장의 방향, 물질의 자화방향, 그리고 측선의 방향 등이 복합하여 나타나므로 중력이상보다 해석하기가 보다 어렵다.

 

중력탐사나 탄성파 탐사에 의한 퇴적분지 기반암 조사시에는 퇴적층의 영향이 크기 때문에 해석이 어렵지만 자력탐사에서는 대자율(susceptibility)이 매우 낮기 때문에 그 영향을 무시하고 자기 이상을 기반암에 의한 것으로 간주하여 기반암 심도 및 퇴적층 두께를 비교적 정확히 측정할 수 있다. 또한 주변암과 자성의 차가 뚜렷한 분출암이나 심성암체의 조사에는 자력탐사가 매우 효과적이다.

 

이상과 같이 자기 이상을 측정, 보정하여 전반적인 자원의 분포나 지각 구조를 파악할 수 있다. 해저에서는 퇴적암의 두께와 퇴적구조를 보다 정밀하게 탐사하기 위해서 지진파탐사(seismic prospecting)를 실시한다.