인도판과 유라시아판이 충돌하면서 히말라야 지각 두께는 무려 70킬로미터 이상으로 두꺼워졌습니다. 이 숫자를 처음 접했을 때, 저는 솔직히 머릿속에서 그 규모가 잘 그려지지 않았습니다. 우리가 등산화 끈을 묶고 올라가는 그 산이, 사실은 수천만 년에 걸친 지구 내부의 격렬한 충돌이 빚어낸 결과물이라는 사실이 새삼 경이롭게 다가왔습니다.
조산운동, 산맥을 밀어 올리는 힘
저는 대학교 때 친구와 함께 지리산 종주를 한 적이 있습니다. 몇 시간을 오르다 보면 다리가 풀리고 숨이 턱까지 차올라서 "여기서 그만 내려가자"는 말이 몇 번이나 입 밖으로 나올 뻔했습니다. 그런데 정상에 서서 눈앞에 펼쳐지는 능선을 바라보면, 그 순간만큼은 "신이 이걸 직접 만들었나" 싶을 정도로 압도적인 풍경이 펼쳐졌습니다. 그때는 그냥 막연히 아름답다고만 느꼈는데, 지질학을 조금씩 들여다보고 나니 그 풍경 뒤에 얼마나 거대한 물리적 사건이 있었는지 비로소 실감이 됩니다.
두 대륙판이 정면으로 부딪히는 현상을 조산운동(orogeny)이라고 합니다. 여기서 조산운동이란 판과 판의 충돌로 인해 지각이 압축되고 두꺼워지면서 산맥이 형성되는 일련의 지질학적 과정을 의미합니다. 히말라야가 대표적인 사례인데, 인도판이 유라시아판과 약 5천만 년 전부터 충돌하기 시작했고, 그 결과 지각 두께가 정상적인 35킬로미터의 두 배를 훌쩍 넘는 70킬로미터 이상으로 두꺼워졌습니다. 이 압축된 지각의 아랫부분은 상상하기 어려운 수준의 압력과 열을 동시에 받게 됩니다.
흥미로운 점은 이 충돌이 지금 이 순간에도 진행 중이라는 것입니다. 히말라야는 매년 수 밀리미터씩 계속해서 높아지고 있습니다(출처: 미국 지질조사국(USGS)). 우리가 살고 있는 지면이 지금도 조용히, 그러나 쉬지 않고 변화하고 있다는 사실이 개인적으로는 꽤 묘한 감각을 줍니다.
변성작용, 암석이 다시 태어나는 과정
산맥 형성 과정에서 지각 깊은 곳으로 끌려 들어간 암석은 어떻게 될까요? 이때 일어나는 현상이 바로 변성작용(metamorphism)입니다. 변성작용이란 암석이 녹지 않은 상태에서 극한의 압력과 열에 의해 광물 구성과 내부 조직이 근본적으로 바뀌는 과정을 말합니다. 쉽게 말해, 원래 있던 돌이 열과 압력이라는 거푸집 속에서 전혀 다른 돌로 탈바꿈하는 것입니다.
변성작용의 강도에 따라 만들어지는 암석도 달라집니다. 지질학자들이 발견한 변성 등급의 진행 순서를 정리하면 다음과 같습니다.
- 저변성: 점판암(slate), 천매암(phyllite) 형성 — 비교적 낮은 온도와 압력 조건
- 중변성: 편암(schist) 형성 — 압력이 높아지고 광물 배열이 뚜렷해지는 단계
- 고변성: 편마암(gneiss) 형성 — 가장 극한의 조건, 산맥 핵부에서 주로 발견
19세기 말 스코틀랜드의 지질학자 조지 배로우는 스코틀랜드 고지대를 조사하면서 녹니석에서 흑운모, 석류석, 남정석, 규선석으로 이어지는 변성 광물의 분포 띠를 처음 발견했습니다. 이 배로우형 변성대는 조산대 환경에서 온도와 압력이 함께 높아질 때 나타나는 전형적인 패턴으로, 오늘날 전 세계 조산대 연구의 기준점이 되고 있습니다(출처: 영국 지질조사소(BGS)).
제가 특히 흥미롭게 느낀 부분은 엽리(foliation)라는 구조입니다. 엽리란 압력 방향에 수직으로 광물이 납작하게 배열되면서 생기는 줄무늬 구조로, 암석이 과거에 받은 힘의 방향과 크기를 그대로 기록하고 있습니다. 말하자면 암석이 수천만 년 전 지구 내부의 사건을 몸에 새긴 채 지표까지 올라온 셈입니다. 이 줄무늬 하나가 수백만 년의 지질학적 역사를 담고 있다는 사실은, 저에게는 어떤 역사 유물보다 더 묵직하게 다가왔습니다.
변성암, 사라진 산맥의 기억을 읽는 법
지하 수십 킬로미터 깊이에서 만들어진 변성암이 어떻게 우리 눈앞에 드러나 있는 걸까요? 이 질문을 처음 접했을 때 저도 한참을 생각했습니다. 답은 등방성 융기(isostatic rebound)와 침식의 조합에 있습니다. 등방성 융기란 지각이 두꺼워졌을 때 아이스버그가 물에 뜨듯 지각 뿌리가 연약권 위에서 부력을 받아 위로 떠오르는 현상입니다. 동시에 지표에서는 바람과 빙하가 산꼭대기를 끊임없이 깎아냅니다. 이 두 힘이 오랜 세월 함께 작용하면서 한때 수십 킬로미터 아래에 묻혀 있던 암석이 지표로 모습을 드러냅니다.
알프스 산맥에서 발견되는 에크로자이트(eclogite)는 이 과정을 잘 보여주는 사례입니다. 에크로자이트란 현무암이 70~90킬로미터 깊이의 극고압 환경에서 변성되어 밀도가 크게 높아진 암석으로, 한때 그 깊이까지 끌려 내려갔던 암석이 다시 융기하여 지표에 노출된 것입니다. 이 돌 하나가 알프스 형성의 전 과정을 증언하고 있는 셈입니다.
한반도도 예외가 아닙니다. 경기 육괴와 영남 육괴에서는 시생대~원생대의 편마암이 발견되는데, 이는 수억 년 전 이 땅에서도 거대한 조산운동이 있었음을 보여주는 직접적인 증거입니다. 제가 지리산 정상에서 바라보던 그 능선도, 따지고 보면 오랜 지질학적 사건의 끝자락에 서 있는 셈이었습니다. 그걸 그때는 몰랐지만, 이제는 그 풍경이 조금 다르게 보입니다.
산에 오르고 나서 "어떻게 저런 풍경이 만들어졌을까" 하고 막연히 궁금해했던 그 질문에, 지질학은 수십억 년치의 답을 가지고 있었습니다. 조산운동과 변성작용, 그리고 긴 침식의 시간이 만들어낸 지형을 직접 발로 걷고 나서 그 원리를 들여다보니, 지식이 경험과 맞닿는 느낌이 확실히 달랐습니다. 다음번 산행에서는 발아래 암석 하나를 조금 더 유심히 살펴보시길 권해드립니다. 그 돌이 어쩌면 수억 년 전 지구 내부에서 올라온 변성암일지도 모릅니다.