암석에 힘을 가하면 어떻게 되는가

절리, 단층, 습곡은 암석에 작용한 힘을 기억하고 있다

지구는 여러 장소에서 큰 힘을 받고 있다.

큰 힘을 받으면
암석은 어떻게 될까?

아래 사진은 미국 애리조나에서 찍은 퇴적층이다. 퇴적 층리와 층리에 비스듬한 사층리를 살펴볼 수 있다. 층리와 사층리와는 다른 방향으로 또 다른 방향으로 금이 가 있다. 바로 층리에 수직 방향으로 사진에서는 아래 위로 나 있는 금이다. 이와 같은 금은 어떻게 생겼을까?

층리, 사층리 외에 수직 방향의 금이 가 있다

암석에 큰 힘이 주어지면 암석에 변화가 생긴다. 금만 가기도 하고, 금을 따라서 이동이 생기기도 하고 휘어지기도 한다.

다음 사진의 지층에는 어떤 힘이 주어졌을까 상상하여 보자. 암석은 위로 봉긋 솟구친 모양으로 휘어져 있다. 사진의 양쪽 끝에서 바깥쪽으로 당겨졌다고 생각하는가? 그렇지 않으면 양쪽 끝에서 안쪽으로 눌러졌다고 생각하는가?

습곡. 핀란드

양쪽 끝에서부터 안쪽으로 미는 힘이 작용한 것을 생각했다면 옳게 생각한 것이다. 이와 같이 암석에 나타난 변형 구조를 통하여 암석에 작용한 힘을 유추해 볼 수 있다.

암석에 힘이 주어져서 생긴 금을
절리(joint)라고 한다

주상절리도 암석에 수축력이라는 힘이 주어져서 생긴 것이다.

주상절리. 울산

아래 사진에서 절리는 크게 세 방향으로 나타난다. 그중 두 방향의 절리는 선명하게 나타난다. 앞서 이야기했던 냉동실에 넣은 유리병을 다시 한번 떠올리자.

세 방향의 절리 중 두 방향의 절리가 선명하게 나타난다. 미국 메인주

물을 채워 냉동실에 넣어 두었던 유리병

신기하게도 절리의 방향과 각도가 같지 않은가! 얼음의 팽창이 유리병의 모든 면을 같은 압력으로 미는 경우에 유리병에 생긴 금의 모양과 같이 위 암석에서도 같은 형태의 절리가 나타났다. 암석에도 전체적으로 어디선가 일정한 압력이 작용한 것이다.

유리병에서 한꺼번에 두 방향의 절리가 만들어진 것과 같이 암석에도 한꺼번에 두 방향의 절리가 만들어진 것이다. 이런 절리를 공액절리(conjugate joint)라고 한다.

공액절리를 잘 살펴보면 암석에 작용한 힘의 방향을 알아낼 수 있다. 아래 그림에서 가장 큰 힘의 방향을 σ1, 그에 수직 되는 가장 작은 힘의 방향을 σ3, 두 힘에 수직 하면서 중간 힘의 방향을 σ2 라고 할 때 공액절리는 σ1, σ3에 각각 사선으로 생긴다.

암석이 받는 힘과 절리의 생성

σ2, σ3 방향에 나란하게 마치 톱날같이 된 구조를 스타이롤라이트(stylolite)라고 한다. 스타이롤라이트는 석회암과 같이 무른 암석에서 잘 나타난다. 스타이롤라이트는 압력에 의해서 암석의 일부가 용해되고 용해된 부분이 다른 곳으로 빠져나가 버려서 생긴다고 알려져 있다.

스타이롤라이트. 미국 워싱턴D.C.

절리를 따라서 암석은 끊어지기도 한다.

끊어진 것을
단층(fault)이라고 한다

단층은 끊어진 양쪽의 암석들의 이동 상태에 따라 정단층, 역단층, 주향이동단층으로 나눈다. 아래 그림에서 붉은색 화살표는 힘이 작용한 방향을 나타낸다.

단층의 종류

정단층(normal fault)은 바깥쪽에서 서로 벌어지는 힘이 작용했을 경우 절리면을 따라 한쪽이 떨어진 형태의 단층이다. 역단층(reverse fault)은 바깥쪽에서 안쪽으로 미는 힘이 작용했을 때 절리면을 따라 한쪽이 밀려 올라간 형태의 단층이다.

정단층. 부산 다대포

정단층. 부산 송도

정단층. 스페인

정단층. 모로코

정단층. 경남 진동

노두가 아닌 사진어어서 단층의 종류를 알기 어렵다. 부산 태종대

퇴적층이 나타나는 곳에서 정단층은 역단층보다 더 쉽게 볼 수 있다. 그 이유는 왜 그럴까 생각하여 보자.

수직적인 이동이 없이 수평 방향으로 이동이 일어난 단층을 주향이동단층(strike-slip fault)이라고 한다. 주향이동단층은 정단층, 역단층보다 훨씬 큰 규모로 나타난다.

다음 사진은 길바닥에 나타난 주향이동단층의 모습이다.

길바닥의 포장용 돌에 나타난 주향이동단층. 부산 부산대학교

여기서 땅의 움직임은 어떠할까? 오른쪽의 땅이 위쪽으로 올라간 건지 아래쪽으로 내려온 건지 단층은 인식할 수 있으나 그 방향까지는 사진으로 알기 어렵다. 방향을 알아내기 위해서는 더욱 자세히 살펴보아야 한다.

주향이동단층. 미군 네바다

미국의 네바다 사막을 가로지르는 주향이동단층의 모습이다. 이와 같은 큰 규모에서는 이동 방향이 확실히 보인다.

아래쪽의 암석층에 내가 서 있다고 했을 때 단층선 반대쪽인 위쪽의 암석층은 오른쪽으로 움직였다. 내가 위쪽의 암석층에 서서 아래쪽의 암석층을 본다고 했을 때 역시 나의 반대편의 암석층은 오른쪽으로 움직였다. 이와 같은 방향의 움직임을 갖는 주향이동단층을 우수향 주향이동단층이라고 한다. 이와는 반대로 움직임이 나타나는 주향이동단층은 좌수향 주향이동단층이라고 한다.

암석층이 끊어져서 틈이 생기면 그 틈에 다른 암석이나 광물이 채워질 수 있다. 이때 암석으로 채워진 것을 암맥(dike), 광물로 채워진 것을 광맥(vein)이라고 한다.

절리를 따라 관입한 암맥. 미국 메인주

단층을 따라 관입한 광맥. 경기 광화도

힘이 주어졌을 때 암석층이 끊어지는 것과는 달리 휘어지는 경우도 있다.

지층이 휘어져 있는 것을
습곡(fold)이라고 한다

습곡은 단순한 형태에서부터 매우 복잡한 것까지 다양하게 나타난다. 단순한 형태의 습곡은 힘의 작용을 쉽게 추론해볼 수 있으나 복잡한 형태의 습곡에서 작용한 힘을 알아내기란 쉽지 않은 일이다.

습곡. 우크라이나

습곡. 그리스

습곡. 핀란드

아래의 습곡 사진에서 작용한 힘의 방향을 생각해 보자. 단순히 양 옆에서 압축된 힘만 작용한 것은 아닌 것 같다. 놓인 볼펜 선을 중심으로 위쪽은 오른쪽에서 왼쪽으로, 아래쪽은 왼쪽에서 오른쪽으로 가는 비틀림 힘이 주어졌을 경우에 이 같은 습곡이 나타날 수 있다.

습곡. 스페인 카타로니아

다음 사진은 경남 양산의 암석 노두에서 찍은 사진이다. 두 방향의 선은 방해석 광맥이 잘 나타나고 한 방향은 약하게 나타난다. 규모는 작지만 이동 방향으로 분류하면 주향이동단층이다.

세 방향의 주향이동단층이 만난 곳. 경남 양산

세 방향의 주향이동단층에 주어진 힘의 방향과 단층의 생성 순서를 알아낼 수 있을까? 스스로 생각하여 그 답을 찾는 활동은 꽤나 흥미로울 것이다.