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섭입지대
섭입지대(subduction zone)는 판(plate)이 침강하는 장소로서, 보통 해구(trench) 및 그 주변과 신생대 습곡산맥 지역이 이에 해당한다. 섭입대, 서브덕션대라고도 하며 심발지진의 진원지가 되고 있다.
목차
개요[편집]
섭입대는 판구조론에서 오래된 해양저가 대륙 지괴(地塊) 아래로 밀려들어가는 대륙 연변의 해구지역을 말한다.
해양판이 지각 아래로 가라앉는 섭입대(subduction zone)는 대륙 연변의 해구지역이다. 이곳에서 해구퇴적물은 지구의 상부 맨틀로 끌려 들어가게 되며 중앙 해령과는 대조된다. 새로운 해저는 중앙해령의 맨틀로부터 생성되어 옆으로 확장되어나간 후 결국 해양분지 연변부에서 섭입, 즉 소멸된다. 섭입대를 따라 지진과 마그마가 발생하고 지표에서는 화산도 분출한다. 또, 지진을 해구 부근에서는 천발 지진이 발생하고, 대륙 쪽으로 갈 수록 심발지진이 발생한다.
특히, 해구 부근에서 발생하는 지진의 진원을 조사해 보면, 해구 쪽에서 대륙 쪽으로 가면서 그 깊이가 깊어지는 것을 알 수 있다. 해구는 맨틀의 대류가 하강하는 곳으로, 가장 깊은 심발 지진의 진원이 700km 이상인 것으로 볼 때 이보다 더 깊이 들어가면 판이 융합되어 버리는 것으로 생각된다. 이 때 해양판의 경사는15도~75도(평균 45도)이며, 이 경사면을 섭입대라고 하는 것이다.
구조[편집]
섭입대는 호화산(arc volcano)과 호화산에 평행하게 놓여 있는 깊은 골짜기가 핵심 지표 구조가 된다. 골짜기는 해구(trench)라고 부른다. 일본 열도와 그 앞의 해구는 전형적인 섭입대 구조의 예가 된다. 섭입대의 화산은 다른 지역의 화산에 비해 특히 첨봉을 이루는 성층화산이 많으며, 화산이 늘어선 산맥을 만들어낸다.
호화산을 기준으로 해구(trench)와 호화산 사이는 전호(fore-arc)라고 하며, 호화산 뒤편을 배호(back-arc)라고 한다. 화산이 많이 만들어져서이든, 압축을 받아 산맥이 만들어져서이든 어쨌거나 호화산이 있는 곳은 고지대를 만들기 때문에 조산운동을 일으키는 셈이다. 따라서 조산운동의 결과 만들어지는 다량의 풍화산물은 전호 혹은 배호로 흘러들어가고 그곳에는 보통 퇴적이 일어나게 된다. 특히, 배호분지가 인장력을 받는 경우 땅이 찢어지면서 배호분지에서 대륙 열곡(rift) 내지는 해령이 만들어진다. 배호분지의 해령은 마리아나 해구 뒷편이 가장 대표적인 사례이며, 동해 북부의 일본분지(Japan Basin)도 배호분지에 해령이 발달한 사례이다. 또한 동해의 울릉분지는 열곡 구조의 일환으로 볼 수 있고, 독일과 프랑스에 걸쳐 발달한 배호분지에서도 열곡 구조가 보고되어 있다. 이 때문에 신생대에 독일 일대는 판경계가 아님에도 불구하고 화산 활동들이 많이 있어왔다.
한편, 섭입하는 해양지각은 그 위에 물이 잔뜩 포함된 퇴적물이 함께 존재한다. 이것이 지각 밑으로 파고들고 있기 때문에, 압력이 높아지면서 이 퇴적물은 물을 더 이상 머금지 못하고 방출하게 된다. 이 물은 곧 섭입하는 지각 그 위에 얹어진 암석, 즉 맨틀로 스며들게 된다. 맨틀암, 즉 감람암은 물을 먹고 교대작용을 일으켜 감람석과 휘석이 변질되어 사문석이 되고, 이 연약한 광물은 바스라져 다량의 물과 함께 지표까지 뿜어져나온다. 이를 이화산(mud volcano)이라고 한다. 이 이화산은 전호분지에 흩어져 발달해 있으며 간혹 지표에서도 보고된다.
섭입지대 특징[편집]
섭입대에서 해양 지각의 섭입이 시작되는 곳에 깊고 좁은 침하대가 형성되는데 이곳이 해구(oceanic trench)에 해당한다. 또 화산호(volcanic arc)라 불리는 화산활동이 아주 활발한 활 모양의 화산대가 해구와 평행하게 섭입대 상부에 나타난다. 섭입되는 판은 가열되어 대부분 수증기로 이루어진 초고온의 가스를 방출하여 상부의 맨틀을 부분 용융한다. 이렇게 용융된 암석 즉 마그마는 부력으로 지각 표면으로 떠 올라 활발한 화산 작용을 일으킨다.
해양판-대륙판 섭입대[편집]
해양판과 대륙판이 충돌하는 경우에는 더 무거운 해양판이 대륙판 아래로 섭입한다. 섭입 과정에서 맨틀의 부분 용융으로 형성된 현무암질의 마그마는 화강암질의 대륙지각과 섞여서 중간 성분에 해당하는 용암을 분출한다. 이렇게 형성된 중성 성분의 화산암을 안산암(andesite)이라고 하는데 남아메리카의 안데스(Andes)산맥에서 그 이름을 따온 것이다. 섭입대의 대륙판 위에서 안산암질 화산 활동의 결과 호상 화산(continental arc)이 형성된다. 섭입대가 해양지각이 형성되는 확장대에서 충분히 먼 경우에는 해구가 대륙 경계를 따라 잘 형성되는데, 페루-칠레 해구가 그 예에 해당한다. 반면 후안 데 푸카 판이 북아메리카 판 아래로 섭입하는 미국 서부 워싱턴주와 오리건주 해안의 경우와 같이 확장대가 섭입대에서 가까운 곳에 있을 경우 해양지각이 충분히 식어서 깊이 침하하지 못하기 때문에 해구가 뚜렷이 잘 형성되지 않는다.
해양판-해양판 섭입대[편집]
해양판이 서로 출동하면 더 무거운 해양판이 아래로 섭입을 한다. 일반적으로 해양지각이 더 오래될수록 더 많이 식고 수축하여 더 무겁다. 이런 유형의 섭입대에서는 서태평양의 마리아나 해구와 같이 아주 깊은 해구가 형성된다. 해양판-해양판 섭입대에서도 섭입하는 해양지각이 가열되면서 그 위의 맨틀을 부분적으로 용융시킨다. 이렇게 용융된 맨틀 물질은 상부의 해양지각 위로 분출하여 호상의 화산섬을 형성하는데 이를 호상 열도(island arc)라 한다. 호상 열도의 화산암은 마그마 용용 과정에서 화강암질 암석과 섞이지 않기 때문에 주로 현무암질 성분을 갖는다. 호상 열도의 예로는 서대서양의 윈드워드섬, 카리브해의 푸에르토리코섬, 북태평양의 알류샨 열도 등이 있다.
수렴경계(convergent plate boundaries)[편집]
두 판의 경계는 발산경계(divergent plate boundary), 수렴경계(convergent plate boundary), 변환단층(transform plate boundary)으로 나뉜다. 수렴경계는 경계 양 쪽의 두 판이 서로 경계를 향해 다가오는 장소이며, 한쪽 판이 다른 판의 밑으로 들어가는 섭입이 일어난다. 크게 대륙판-해양판(continent-oceanic plate), 해양판-해양판(oceanic-oceanic plate), 대륙판-대륙판(continent-continent plate) 수렴경계로 나뉜다. 대륙판-해양판 수렴경계의 경우, 해양판이 섭입하며 이동시키는 물(water) 또는 함수광물 내 물(water)의 영향으로 용융(melting)가 일어나고, 이로 인해 화산활동을 통해 산맥(Andean-type arc)이 형성된다(예, 안데스 산맥). 해양판-해양판 수렴경계의 경우, 상대적으로 더 무거운 해양판이 섭입하며, 해저화산 및 화산섬(island arc)을 형성한다(예, 알류산 열도, 통가 열도). 대륙판-대륙만 수렴의 경우에는 대륙충돌이라고 부르며, 거대산맥이 형성되기도 한다(예, 히말라야, 알프스). 일반적으로 안정된 섭입대의 경우, 해양지각이 대륙지각 또는 상대적으로 밀도가 낮은 다른 해양지각 밑으로 섭입한다.
섭입시 일어나는 섭입대 내 함수량 변화[편집]
섭입이 일어나는 동안 온도압력 조건의 변화와 함께 해양지각에 포함된 많은 양의 물이 빠져나가며, 광물의 상변이, 지진, 화산 등의 활동을 일으킨다(오른쪽 그림 ). 중앙해령 현무암에 포함되어 있는 함수광물인 로소나이트, 녹니석, 각섬석(주로 남섬석이나 베로이사이트)은 각각 11.2 wt%, 12 wt%, 2.1 wt%의 함수량을 가지고 있고, 각각 현무암의 7-15 wt%, 5-30 wt%, 20-60 wt%의 함수량을 형성시킨다. 이 외에도 녹렴석/조이사이트(epidote/zoisite), 경녹니석(chloritoid)은 각각 1.95 wt%, 7.5 wt%의 물을 가지고, 현무암의 5-20 wt%, 3-8 wt%의 함수량을 형성시킨다. 파라고나이트(paragonite), 활석(talc), 십자석(staurolite)도 각각 4.6 wt%, 3-8 wt%, 1.0 wt%의 함수량을 가진다2).
일반적으로 초기 섭입하는 해양지각 성분인 현무암은 약 5-6%의 함수량을 가진다. 압력이 증가함에 따라(하지만 여전히 각섬석의 안정영역 내에서) 로소나이트 + 녹니석 + 남섬석(glaucophane)이 안정한 낮은 온도의 영역에서 함수량은 약 3 wt%로 감소한다. 녹렴석 + 녹니석 + 남섬석/베로이사이트가 안정한 중간 온도의 영역에서 약 2.0-2.5 wt%로 함수량이 감소하며, 녹니석/조이사이트 + 베로이사이트가 안정된 영역에서는 1-1.5 wt%의 함수량을 가진다. 각섬석의 안정영역 상한에서는 1 wt%의 물이 여전히 로소나이트와 경녹니석에, 0.5-0.7 wt%의 물이 조이사이트 +/- 경녹니석에 존재한다. 보다 높은 압력조건에서 로소나이트가 유일한 함수광물이 되며 0.2-0.5 wt%의 함수량을 가진다.
약 10-20 km의 얕은 깊이에서 점토광물 등의 함수광물들이 탈수현상(dehydration)에 의해서, 초기 해양지각에 포함되어 있던 5-6% 정도의 물 함량이 빠져나간다. 이때 점토광물의 물리적 특성에 의해서 천부지진이 발생한다. 약 10~15 km 깊이에서 현무암은 청색편암으로 바뀌고, 약 70-120 km 깊이에서 청색편암은 에클로자이트로 바뀐다, 특히 청색편암이 에클로자이트로 바뀌는 과정에서 청색편암 속 남섬석(glaucophane)이 분해되는데, 이때 화산호가 형성되기 이전에 초기 해양지각에 포함되어 있던 15-35% 정도의 물 함량이 빠져나간다
섭입대에서 일어나는 자연 현상들[편집]
섭입대에서 일어나는 현상은 위에서 언급했듯이 화산과 지진이 대표적이다. 이를 포함한 각종 현상을 아래 정리한다.
화산 및 조산운동[편집]
섭입대의 상징과 같은 현상은 무엇보다 화산 활동이다. 섭입된 해양지각과 퇴적물은 다량의 물을 포함하고 있다. 퇴적물 내의 다량의 물은 압력이 올라가면서 방출되는데, 상당량의 물이 다 방출되지 못하고 지하 깊은 곳까지 끌려 들어가게 된다. 그러나 약 100 킬로미터 정도까지 내려가면, 광물 격자 구조로 저장된 물마저도 안정하지 않게 되면서, 해양지각은 거의 무수(無水) 암석(에클로자이트)으로 변해버리고 이 방출된 물은 이미 온도와 압력이 어느정도 높아져 있는 주변 암석의 용융점을 확 내린다. 이 때문에 해양지각이 완전히 탈수되는 지점 근처에서는 다량의 마그마가 만들어지는데, 이 마그마가 올라와 화산 활동을 일으킨다.
해양지각은 꾸준히 들어가고, 탈수되는 위치(압력 조건)는 대체로 고정되어 있기 때문에, 마그마가 비슷한 지역에 지속적으로 공급된다. 따라서 특정 일대(zone)에 지속적으로 화산 분출이 일어나 점점 지각이 두꺼워지고 궁극적으로는 일렬로 늘어서는 화산체가 발달하게 된다. 이렇게 두꺼워진 지각을 마그마가 지나면 마그마는 점점 규산염이 풍부해지고 점성이 높아지는 방향으로 변하게 된다. 따라서 잘 발달한 섭입대에서는 규산염이 풍부한 안산암질 내지는 석영안산암질, 유문암질 마그마가 곧잘 만들어지며 이것들이 굳거나 분출해 쌓이면서 규산염이 많은 지각이 형성된다. 따라서 오랜 시간에 걸쳐 안정적으로 발달한 섭입대는 두껍고 가벼운 지각 물질이 만들어지고 그 위에 폭발적인 화산 활동이 보고된다. 보다 구체적인 화산 활동은 성층화산을 함께 보라.
지진[편집]
섭입대에서는 섭입하는 해양판과 상부판의 마찰 등에 의한 취성 변형에 의한 지진 작용이 활발하게 일어나며 관동대지진, 발디비아 대지진, 남아시아 대지진, 도호쿠 대지진 등이 바로 섭입대에서 발생한 대표적인 지진들이다. 도호쿠 대지진 말고도 M 8.5 넘는 지진은 죄다 섭입대에서 발생하는거라 봐도 무방하다. 심부로 갈수록 온도와 압력의 증가에 의한 변성 작용이 활발하게 일어나며, 취성 변형보다는 연성 변형이 발생한다. 섭입대는 육지 밑으로 점점 파고들기 때문에 섭입대 지진은 육지 방향으로 갈수록 깊이가 깊은 지진이 일어난다.
배호분지의 확장[편집]
어떤 섭입대는 배호 분지에 인장력이 가해져 열곡이 발생하게 된다. 이 과정이 심해지거나, 배호분지가 해양지각으로 구성된 경우 해령으로 발전한다. 배호분지에서 분출하는 현무암의 지화학적 특성은 섭입대의 그것과는 상이하여 배호분지현무암(Back Arc Basin Basalt, BABB)이라고 구분하여 부르기도 한다.
동해 역시 배호분지의 확장이며, 동해 북부는 해령이 발달해 있고, 남부는 비대칭 열곡 구조로 북남 방향으로 열려 있으리라 생각되고 있다. 또한 마리아나 해구 뒤편에는 잘 발달한 배호분지 해령이 놓여 있다. 어떤 경우에는 진입하는 섭입대의 운동 방향이 매우 어슷하여 상부 지각에 전단력을 가해 큰 규모의 주향 이동 단층이 형성되기도 하며, 미얀마 등지가 대표적이다.
대륙 성장[편집]
섭입대에서는 다른 지구조적 환경과 달리 규산염이 풍부한 화성암을 만들고, 특히 오늘날 대륙지각의 성질을 갖는 화성암을 다량으로 만든다. 이 때문에 대륙이 성장하고 대륙물질이 만들어지는 곳이 섭입대라고 생각되며 오랫동안 섭입대가 발달하여 대륙 지각 물질을 구축하고, 나중에 충돌대로 변하여 안정한 대륙지괴로 발전한다고 생각하고 있다.
동영상[편집]
참고자료[편집]
- 〈섭입대〉, 《나무위키》
- 〈섭입대〉, 《두산백과》
- 〈섭입대〉, 《지질학백과》
- 〈섭입대〉, 《해양학백과》
- 〈서브덕션대〉, 《해양용어사전》
- 함예솔 기자, 〈섭입대 지진 발생과 마그마 형성의 새로운 원리〉, 《이웃집과학자》, 2021-03-04
같이 보기[편집]
