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사진은 미국의 그랜드 캐니언. 바위산에 그어진 저 수많은 가로줄들이 모두 지층이다.
1. 개요
地 層 / Stratum지층이란 지질학, 특히 층서학에서 사용되는 용어로, 진흙· 모래· 자갈 따위의 퇴적물, 퇴적암 혹은 토양에서 그 성질이 일정한 층(layer)을 의미한다. 변성암이나 화성암에서도 비슷한 구조가 있을 수 있으나, 생성 과정과 원리에 차이가 있기 때문에 다른 용어를 사용한다.[1]
퇴적 분지의 규모에 따라, 혹은 그 층서의 양 끝단의 연장성에 따라 길게는 수백에서 수천 킬로미터씩 뻗어있기도 하고, 각 줄무늬의 두께는 얇은 경우 고작 몇 밀리미터지만 두꺼워질 경우 킬로미터 단위까지도 가능하다. 또한 각 줄무늬는 퇴적당시의 환경이나 기후등을 반영하고 있기 때문에 지질학자들의 좋은 연구대상이 된다.
2. 형성 원리 및 과정
지층은 거의 모든 퇴적암에서 크고 작은 규모로 나타나기 마련이다. 이는 보통 성질이 비슷한 퇴적물이 퇴적 분지 혹은 그 중의 한 부분에 누적되면서 하나의 층을 형성하기 때문이다. 즉, 외부에 드러난 암석이 바람이나 물에 의한 풍화작용으로 인해 저층부로 내려온 뒤, 그것이 쌓여서 만들어진다. 지층은 그 암석이 퇴적된 것이면 된다. 따라서 녹은 암석인 용암류도 얼마든지 지층을 이룰 수 있다. 일단 퇴적된 후 그 퇴적층이 매몰되면 공극이 줄어들고 압착되어 퇴적암을 이루게 되고, 비슷한 성질의 퇴적물이 쌓인 것들은 보통 색이나 입자의 크기, 조직 등이 달라 눈으로 구별 가능한 하나의 지층이 만들어지게 된다.퇴적 당시 지층은 중력장에 수평하게 쌓이거나, 분지의 경사에 평행, 혹은 평행에 가깝게 누적되는 것이 보통이며, 지층의 면은 보통 큰 굴곡이 없이 반듯하다. 물론 기존의 지형의 영향도 많이 받기 때문에 항상 평면을 이루는 것은 아니다. 또한, 퇴적되었다고 해서 그것이 반드시 지층으로 보존되지도 않는다. 오늘날 노두에 드러난 많은 지층은 퇴적물 전체가 그대로 보존되었다고 말할 수는 없다. 퇴적 분지라고 해서 무조건 퇴적만 이뤄지는 것이 아니라, 바람, 물 혹은 생물의 영향으로 언제든지 예쁘게 쌓여간 지층이 소실되거나 흐트러질 수 있다.
3. 지층의 구분
지층을 구분하는 것에는 다양한 기준이 있다. 앞에서 말한 성질이 비슷하다는 건 물리적 성질만을 의미하는 게 아니다. 하나의 지층을 다른 지층과 구별하는 것 혹은 나아가 그것을 기반으로 연구하는 것을 층서(stratigraphy) 혹은 층서학이라고 한다. 층서학에서는 지층을 다음과 같은 기준으로 구분하게 된다.3.1. 층서(stratigraphy)의 종류
- 암층서(Lithostratigraphy): 육안으로 노두를 관찰할 때 가장 쉽게 알아볼 수 있는 층서는 암층서이다. 지층과 지층 간의 성질을 암석의 물리적 성질로 구분하는 경우, 이를 암층서라고 한다.
- 생층서(Biostratigraphy): 각 지층에서 산출하는 생물이 어떻게 변화하는가에 따라 층을 나누는 것을 말한다. 아래층에서는 고둥이 나오지만 그 윗층에서는 고둥이 더 이상 나오지 않는다면, 서로 다른 층서라고 볼 수 있다. 암층서와 운좋게 같이 행동할 수도 있지만 꼭 그러리란 법은 없다.
- 시간층서(Chronostratigraphy): 같은 연대의 층끼리 분리하게 되면, 이를 시간층서라고 한다. 시간층서는, 생층서, 암층서와 같으리란 법이 없다. 다양한 연대 자료가 시간층서 구분에 사용되며, 특히 고지자기가 사용되는 경우에는 자기층서(magnetostratigraphy)라고 부르기도 한다.
언뜻 생각하기에는 각 층서가 모두 같을 것 같지만, 실제는 그렇지 않다. 수 킬로미터의 연장성을 갖는 사암층은 실제로는 서로 다른 시기에 걸쳐 쌓인 것일 수도 있다. 이 경우 암층서상으로는 하나의 층이지만, 시간층서상으로는 여러 층이 겹쳐 있는 것이다. 그리고 두 층서는 서로 교차하는 것도 가능하다. 즉, 암층서의 면은 시간층서의 면과 얼마든지, 심지어 두 번 이상 교선을 가지는 것이 가능하다.
3.2. 층서의 규모(단위)
연구하고자하는 성질의 규모에 따라 층서는 얼마든지 세분될 수도 있고, 묶일 수도 있다. 크게 보면 하나의 층 같지만, 자세히 들여다보면 더 세분할 수 있는 층도 있는 것이다. 이 때문에 지층은 그 크기에 따라 다음과 같이 등급을 나누고 있다. 그리고 이를 층서 단위(startigraphic unit)라고 한다. 이 층서단위는 보통 암층서의 단위로 사용되며, 시간층서의 경우 그 이름이 달라지거나 사용되지 않는다.- Bed: 층서에서 구분되는 가장 얇은 층단위를 말한다.
- Member: 하나 이상의 bed가 모여 만들어지는 단위인데, 층(formation)의 일부를 이룬다. 즉, 층 내에서 구분되는 지층을 말한다.
- Formation: 층서학에서 보통 하나의 기본 단위로서 층서를 구분할 때, 그 근본이 되는 지층 규모이다. 여기서부터는 각 층마다 고유명사가 붙게 된다.
- Group: 층이 연속적으로 모여 하나의 성질을 공유할 때 이를 층군이라고 한다. 환경이 판이하게 달라지거나 암상이 변하면 층군의 경계를 이룬다.
- Supergroup: 층군이 같은 시기나 성질에 의해 묶일 때 이를 누층군이라고 한다.
4. 지구 역사를 보는 창
과거의 토양이 쌓인 것이기 때문에, 지층의 구성 성분을 분석하면 그 지층의 생성 시점에 대한 것을 알아낼 수 있다. 간단한 것 몇 가지만 꼽아 봐도 당시 그 지역의 토질, 높이[2], 지형, 기후를 알아낼 수 있으며, 화석이 발견될 경우 기후 데이터와 조합해서 당시 해당 지역의 생태계 구조까지 알아낼 수 있다. 이를 이용해 인접한 두 지층을 비교하여 시간에 따른 변화 양상을 그릴 수도 있는데, 이와 같은 방법을 사용해서 성공한 대표적인 예가 K-Pg 멸종이나 시베리안 트랩에 의한 고생대 말엽의 페름기 대멸종이다.5. 지층의 변형
지진이나 화산활동 같은 지각활동으로 인해 지층이 휘어지거나 끊어지는 경우가 종종 있다. 심지어는 지층이 없어지기도 한다(!!!!!)5.1. 습곡
사진 출처는 선유도관광진흥회의 주변 섬 소개 페이지.
사진과 같이 지층이 휘어진 경우.
좌우 양쪽에서 중심 방향으로 계속해서 미는 힘이 작용할 경우 지층이 그 힘을 이기지 못하고 휘어 버리는 현상. 휘어진 지층은 어느 방향으로든 튀어나오게 되는데 대개의 경우 위쪽이 된다. 이렇게 휘어진 지층을 옆에서 보면 사진과 같이 ^v^v 모양이 반복되는데, 이 때 위로 튀어나온 부분을 배사, 아래로 들어간 부분[3]을 향사로 각각 구분한다.
사진의 경우에는 습곡이 형성된 이후 돌출된 부분이 풍화되면서 그 위의 지표면이 평탄해졌지만 그렇지 않은 경우도 많다.
습곡이 대규모로 일어나고 그 풍화가 아직 덜 이루어졌거나 습곡 진행 속도를 풍화가 따라잡지 못 할 경우에는 산맥이 생기는데, 이를 습곡산맥이라 하며 그 대표적인 예시로는 히말라야산맥이 있다. 히말라야 산맥의 경우에는 인도-오스트레일리아 판과 유라시아 판이 맞부딛히는 대규모 습곡이어서 2017년 시점에서도 계속 높아지고 있다.
5.2. 단층
암층이 어떤 면을 따라 움직여 불연속성이 만들어진 경우, 혹은 그런 면을 지칭한다. 자세한 것은 해당 문서 참고.
5.3. 부정합
지층의 형성 과정에 따르면 지층은 시간의 흐름에 따라 연속적으로 쌓여야 한다. 그런데 연속된 두 지층의 시간적 연속성이 끊어져 지층사이의 큰 시간적 간격이 있는 부분이 있는데, 이 부분을 부정합이라 한다. 예를 들면 연속적으로 쌓이던 층이 융기하여 일부가 깎인 후에 다시 쌓이는 경우에 생긴다. 반대로 연속적인 경우를 정합이라 한다.대개의 부정합은 부정합면[4] 위층에 역암이 검출되는데, 이는 대부분의 부정합이 융기하여 침식된 후 다시 침강할 때 비교적 알갱이가 커 멀리까지 이동되지 못하는 자갈류가 집중적으로 퇴적되기 때문.
5.4. 기타 요소
6. 기타
다음 만화속세상에서 지층을 소재로 한 지구과학 학습만화가 연재되면서 동시기에 연재중이던 생물학 학습만화와 묘한 구도를 이루었던 적이 있다. 달이 내린 산기슭 참고.
[1]
변성암의 경우 사용하는 단어는 편리(片理).
[2]
말이 높이지 실제로는 해수면 아래의 깊이까지 포함.
[3]
상대적으로 아래로 들어가 보이는 것이지 실제로 들어간 것이 아님에 유의. 이 부분은 습곡을 형성하는 압력을 받고서도 제 위치에 자리했던 부분이다.
[4]
부정합이 일어난 두 지층이 만나는 면