해저 확장설(Hess와 Wilson의 연구)

해저 확장설(sea floor spreading)

Hess의 연구

지구과학의 새로운 시대는 프린스턴 대학의 H.H. Hess (1962)로부터 시작된다. 그는 휘석(감람석)의 광물학적 연구, 조산대의 사문암(serpentine)의 연구, 또한 호상열도(are islands)의 바깥에 잇는 해구(trenches)의 중력이상을 나타내는 것이 특징이라고 한 네덜란드의 지구물리학자 F.A. Vening과 Meinez의 전전(戰前)의 발견에 대해 관심을 가졌다. 그는 환태평양호도 해구 계열에서는 깊은 경사가 육지방 강한 지진대를 수반하여, 지향사와 산맥형성의 신비를 해결하려 하였다. 또한 해구가 심해저보다 4 km 정도 낮게 내려가 있는 것은 지각내부에서 끌어내리는 힘이 작용했다고 설명하였다. 태평양의 많은 평정해산(guyots)은 해수면에서 파도의 작용으로 평탄하게 되었고 그 후 오랜 시간동안에 해수면 아래 수천 미터 밑으로 침강했다고 Hess는 생각하였으며 이 평정해산(guyots)은 선 캄브리아와 같은 옛날의 것이라 하였다.

그러나 기요 정상에서 백악기 화석이 채집되고 해양에서 널리 채집되었지만 이보다 오래된(older) 암석을 찾지 못했다. 이는 해양저가 고기(古期)의 것이라고 가정했을 때보다 퇴적암석층은 훨씬 얇은 것이 증명되었다. 과연 이들은 중생대보다 젊은기(期)가 아닐까? 대륙표이설은 물론 대서양과 인도양에 대해서는 가능하지만 태평양은 대단히 오래되었으며 원시로부터 존재했다고 가정하였다.

 

최종적으로 해저확장설은 지진 (earthquake), 높은 열류량(thermal diffusion), 국부적 화산활동과 장력에 의하여 형성된 것으로 생각되며 이는 축부(axial part)에 발달한 해령 (ridges)을 가진 중앙해양저 산맥(central oceanic ridges)을 발견하였다. 이 해저 산맥 상부에는 맨틀 중에 상부로 솟아 오른 대류(convection)에 의해 올라오는 뜨거운 부분이 콘베이어와 같이 움직여 차가운 침강판으로 되어 해구

 

이와 같은 여러 이상적인 사실들을 종합해 보면 해양저는 항상 새로워지고 있다는 것을 알 수 있다.

 

Hess의 가설의 특징을 요약하면,

1. 해양지각의 제3층(Older 지역)은 사문암화(serpentization)된 감람암(olivine)이며 수화된 맨틀(mantle)의 현상일 것이다.
2. Holmes의 결점을 지적하고 부분적으로나마 해양저 확장설을 예측한 점을 인정하였다.
3. 해저 확장설이란 용어는 Hess(1962) 보다 Dietz(1961)가 먼저 발표하였다.

 

이는 Hess의 연구와 비슷한 견해였다. 따라서 이 두 사람의 공헌을 인정해야 한다.

 

 

Wilson의 연구

Wilson(1965)은 움직이는 帶(zone)는 지구표면을 여러 개의 크고 견고한 板(plate)으로 나누는 연속된 망 조직으로 연결되어 있다고 주장하였다. 전이가 갑자기 중단되거나 방향이 바뀌는 단층을 변환단층(transform fault)이라 하였다. 대서양에서 그의 간단한 모델을 살펴보자.

 

여기서 그림C에서 AB와 AB부분은 갈라진 부분보다 오래되고 DD'부분은 보다 젊으며 현재 활동 중인 유일한 부분이다. 그 예로 San Andreas 단층을 캘리포니아 만에 있는 동태평양 해령의 축과 Vancouver도(島)의 서남부에 있는 Juan de Fuca 해령을 연결하는 변환 단층이 있다. F. J. Vine(1968)과 그의 스승인 D. H. Mattews는 1963년 인도양 칼스버그 해경과 그 주변부에서 자기 이상을 자세히 조사 발표하여 자기 이상대의 모양의 해석이 둘째 접근의 문제였다.

고지자기학자, 지질학자들은 지각의 50%가 반대로 자화되어 교호되는 대상을 이루는 모델을 생각하기에 이르렀다. 이유는 현무암 마그마(balsaltic magma)는 해령축에서 상승하여 Curie 온도 이하로 냉각하여 괴상암맥(massive rocks)으로 변하고 지자장의 방향으로 자화한 후에 그 축으로부터 멀리 떨어져 옆으로 정상(normal), 반전(reversed)된 축을 나타낸다. 그 생성된 시대는 축으로부터 멀어짐에 따라 오래된 것이다.

 

자기 반전에서 본 해양저의 모습은 "Vine-Mattews 가설”이 옳다고 생각할 수 있다. 용암에 대한 K-Ar 연대 측정법이 개선되어 심해저 코어(core) 퇴적물의 자기의 반전이 더욱 확실해졌다. 또한 해저확장 속도도 검토하게 되었다. Vine에 의해서 검토한 자료는 아이슬란드 서남쪽, 해령에서는 약 1cm/yr 에서 남태평양에서는 4.5cm/yr에 이른다 (Holmes는 5cm/yr로 측정).

 

이 계산에 의하면 Hess의 암시와 같이 중생대 이전의 해양저(ocean basin)는 없다고 말할 수 있다. 1966년에 이르러 횡적 이동설에 대하여 진지하게 토론하였고 Lamont 지질관측소도 태도를 바꾸어서 지구과학 해양연구소로 발전하였다. 소장인 M. Ewing을 포함하여 많은 사람들이 의견을 바꾼 것은 자장반전과 같은 돌변적인 이론이었다.

 

 

그 후 수년간은 J.R. Heirtzler(1968), W.G. Pitman(1972, 1979), Le Pichon 같은 Lamont 지질관측소의 연구자들이 세계 전 해양에 대하여 더욱 조사 발전시켜서, 결국 해양의 양변을 서로 대비(correlation)할 수 있었다. 또한 지질해양학자들이 새로운 기술을 개척함으로서 이루어졌다. 미국과학재단에서 자금을 받아 J.O.I.D.E.S.(Joint Oceano-graphic Institutes Deep Earth Sampling Program) 계획 하에 시추선 Glomar Challenger호에 의하여 심해저 탐사를 하였으며, 그 연구결과는 해저 확장설을 뒷받침하여 주었다.

 

그 결과를 요약하면

 

첫째, 확장속도는 이전에 해령 상부에 있는 퇴적층의 두께가 불연속성을 가진점을 관찰하여 추리한 것보다 더 일정한 것 같다. 이 학설은 지진학에서 얻어졌다. 지자기 근원(magnetic source)의 위치에서 45 대륙 밑으로 기울어져 있고 700km 심도에 이르는 주요 단층이 태평양 주변의 해구 - 호상열도계(trench-island system) 밑에 있다고 암시된 것이다. B.L. Isacks(1968), J. Oliver 등의 많은 학자들의 연구에 따르면 Hess(1962)가 주장한 단층면에서의 운동은 해양지각이 해구와 열도 밑으로 움직여 들어가는 것이라 알려지게 되었다.

둘째, 탄성파 자료에 의하면 단층대 하부에 있는 상부 맨틀의 일부는 지각 또는 해양 중앙부 쪽으로 있는 맨틀 최상부와 비슷한 성질을 나타낸다. 종합적으로, 대륙이동설과 해저확장설은 결국 지구과학의 주요전진인 지구구조설인 판구조론을 성립하게 하였다.