발밑에 깔린 돌 하나가 사실 수천만 년 전 화산에서 터져 나온 용암의 흔적일 수도 있다는 걸 생각해 본 적 있으신가요? 저는 등산을 하다가 우연히 그 사실을 떠올렸을 때 발걸음을 멈추지 않을 수 없었습니다. 우리가 그냥 지나치는 돌멩이 하나가 지구가 수억 년에 걸쳐 만들어낸 작품이라니, 그 순간 지질학이 갑자기 가까운 이야기로 다가왔습니다.
화성암에서 퇴적암까지, 지구 표면에서 벌어지는 일
등산을 자주 다니다 보면 산마다 돌의 색깔과 생김새가 전혀 다르다는 걸 느끼게 됩니다. 어떤 산은 회색빛 거친 바위가 가득하고, 어떤 해변에는 검고 매끈한 돌이 깔려 있습니다. 제가 처음 이 차이가 궁금해진 건 제주도 여행 때였습니다. 해변에 깔린 검은 돌이 육지에서 보던 것과 너무 달라서 가이드에게 물어봤더니 "화산에서 나온 거예요"라는 짧은 답이 돌아왔습니다. 그게 화성암(igneous rock)이었습니다. 화성암이란 마그마가 냉각되면서 굳어진 암석을 말하는데, 마그마가 지표 밖으로 분출되어 빠르게 식으면 결정이 거의 자라지 못한 채 굳습니다. 제주도의 검은 현무암이 바로 이 경로로 탄생한 것입니다. 반면 마그마가 지각 깊은 곳에서 아주 천천히 식으면 광물 결정이 충분히 자랄 시간이 생깁니다. 이렇게 만들어진 심성암(plutonic rock)의 대표 주자가 화강암입니다. 쉽게 말해 같은 마그마라도 어디서 얼마나 빨리 식느냐에 따라 전혀 다른 얼굴의 암석이 탄생하는 셈입니다. 직접 두 암석을 나란히 놓고 보니 화강암의 알갱이 구조와 현무암의 매끈한 표면이 이렇게 극명하게 차이가 날 수 있다는 게 신기했습니다. 지표에 드러난 화성암은 시간이 지나면서 풍화작용(weathering)을 겪습니다. 풍화작용이란 비, 바람, 온도 변화 같은 외부 환경이 암석을 잘게 부수고 화학적으로 변화시키는 과정입니다. 비가 내리면 약산성의 빗물이 장석 같은 광물을 카올리나이트 점토로 바꾸는 화학적 풍화가 진행되고, 겨울과 여름을 반복하면서 틈 사이로 스며든 물이 얼었다 녹았다 하며 암석을 물리적으로 쪼개기도 합니다. 이렇게 부서진 입자들이 하천을 따라 운반되고, 강 하구나 해저에 차곡차곡 쌓입니다. 쌓인 퇴적물은 오랜 시간 위에서 누르는 무게에 짓눌리고(다짐, compaction), 광물이 녹았다가 재결정화되면서 입자 사이를 메우는 교결(cementation) 작용이 진행됩니다. 이 두 과정을 합쳐 속성작용(diagenesis)이라 부르는데, 속성작용이란 느슨한 퇴적물이 단단한 암석으로 굳어지는 일련의 변화를 의미합니다. 그 결과물이 바로 퇴적암(sedimentary rock)입니다. 지구 표면의 약 75%가 퇴적암으로 덮여 있다는 사실을 알았을 때, 저는 우리가 딛고 서 있는 땅이 얼마나 긴 역사를 품고 있는지 새삼 실감했습니다(출처: 한국지질자원연구원).
암석 순환의 첫 번째 경로를 정리하면 다음과 같습니다.
- 마그마 냉각 → 화성암(심성암 또는 화산암) 생성
- 지표 노출 후 풍화·침식 → 퇴적물 운반 및 퇴적
- 속성작용(다짐 + 교결) → 퇴적암 완성
변성암으로 이어지는 순환, 그리고 다시 처음으로
퇴적암의 이야기는 거기서 끝나지 않습니다. 판구조론(plate tectonics)에 따르면 지구의 지각은 거대한 판 여러 개로 나뉘어 끊임없이 움직이고 있습니다. 판구조론이란 지구 표면이 여러 개의 딱딱한 판으로 이루어져 있고, 이 판들이 맨틀 대류에 의해 이동하면서 충돌하거나 분리된다는 이론입니다. 두 판이 충돌하는 섭입대(subduction zone)에서는 한 판이 다른 판 아래로 끌려 들어가면서 암석이 깊은 곳으로 매몰됩니다. 이때 암석은 녹지는 않지만 높은 열과 압력 아래서 광물의 재결정화와 조직 재편이 일어납니다. 이 과정이 바로 변성 작용이고, 결과물이 변성암(metamorphic rock)입니다. 직접 겪어보니라기보다는 지질 박물관에서 전시된 편마암 단면을 처음 봤을 때, 그 줄무늬 구조가 압력의 방향을 따라 광물이 나란히 배열된 것이라는 설명을 듣고 나서야 그 아름다운 무늬에 담긴 의미가 와닿았습니다. 이 줄무늬 구조를 엽리(foliation)라 하는데, 엽리란 압력이 가해지는 방향에 수직으로 광물이 정렬되면서 만들어지는 층상 구조입니다. 변성 작용은 원래 암석의 종류에 따라 전혀 다른 결과를 낳습니다. 셰일은 점판암이나 편암, 편마암으로 변하고, 석회암은 대리암이 됩니다. 제가 이 과정에서 가장 신기하게 느낀 건 석회암이 대리암으로 변한다는 사실입니다. 조개껍데기나 산호가 쌓여 만들어진 석회암이 열과 압력을 받으면 조각가들이 쓰는 그 고급스러운 대리석이 된다는 것, 생각할수록 지구의 물질 재활용 능력이 경이롭습니다. 변성이 극단적으로 진행되어 암석 일부가 녹기 시작하면 다시 마그마가 만들어집니다. 순환이 처음으로 되돌아오는 지점입니다. 이 암석 순환을 가능하게 하는 에너지원은 두 가지인데, 하나는 방사성 원소의 붕괴에서 나오는 지구 내부 열에너지이고, 다른 하나는 대기와 해양을 순환시켜 강수와 침식을 일으키는 태양에너지와 중력입니다. 지구과학계에서는 암석 순환을 이 두 에너지원이 협력하여 구동하는 이중 시스템으로 설명합니다(출처: 국가과학기술정보센터). 한 가지 덧붙이고 싶은 건 이 순환의 속도입니다. 용암은 수일 만에 화성암이 되지만, 퇴적암이 완성되기까지는 수백만 년, 변성암은 그보다 더 긴 시간이 걸립니다. 인간의 수명으로는 이 순환의 한 주기를 도저히 따라갈 수 없습니다. 그래서인지 제가 여행지에서 돌을 줍거나 산에서 바위를 만질 때마다, 이 물체가 저보다 수천만 배 이상 오래된 존재라는 감각이 묘하게 밀려옵니다. 발밑의 돌 하나가 화성암에서 퇴적암으로, 변성암으로, 다시 마그마로 흘러가는 거대한 순환의 어느 한 지점에 잠시 멈춰 있는 것이라 생각하면, 지질학은 단순히 돌을 공부하는 학문이 아니라 시간과 에너지의 흐름을 읽는 학문처럼 느껴집니다. 다음에 등산이나 해변 여행을 가시게 된다면 발밑의 돌을 한 번 주워서 들여다보시길 권합니다. 그 돌의 색깔, 결, 무게 하나하나에 지구가 수억 년 동안 써 내려간 이야기가 담겨 있습니다.