지구의 지각

1. 개요

지구의 지각은 지구의 가장 바깥쪽 고체 층으로, 대륙 지각과 해양 지각으로 구분된다. 대륙 지각은 주로 화강암과 유사한 조성을 가지며, 해양 지각은 현무암으로 구성된다. 대륙 지각은 해양 지각보다 두껍고 밀도가 낮아, 대륙이 해양 분지보다 높게 위치하는 지각 평형을 이룬다. 지각은 산소, 규소, 알루미늄, 철, 칼슘 등 다양한 원소로 구성되며, 광물 조성은 이산화 규소가 가장 풍부하다. 지각은 46억 년 전 지구 형성 과정에서 생성되었으며, 해양 지각은 섭입과 해령 활동을 통해 끊임없이 생성되고 소멸되는 반면, 대륙 지각은 더 오래된 역사를 가지며, 초대륙의 형성과 분해를 반복하며 진화해 왔다.

2. 지각의 구성

지구의 지각은 크게 대륙 지각과 해양 지각 두 가지로 나뉜다.

* 대륙 지각: 두께는 25~70km 정도이며, 주로 화강암과 같이 밀도가 낮은 규장질암으로 구성되어 있다. 티베트 고원, 알티플라노 고원, 동부 발트 순상지와 같은 일부 지역은 대륙 지각이 50~80km로 더 두껍다.
* 해양 지각: 두께는 5~10km 정도이며, 주로 현무암, 휘록암, 반려암과 같이 밀도가 높은 고철질암으로 구성되어 있다.

지각의 평균 두께는 약 15~20km이다.

대륙 지각과 해양 지각은 모두 아래에 있는 맨틀보다 밀도가 낮아 맨틀 위에 떠 있는 형태이다. 대륙 지각은 해양 지각보다 두껍고 밀도가 낮아 지각 평형의 원리에 따라 더 높이 솟아 있다. 그 결과, 대륙은 깊은 해분으로 둘러싸인 높은 지형을 형성한다.

대륙 지각은 평균적으로 안산암과 조성이 비슷하지만, 상부 지각은 데이사이트와 유사하고 하부 지각은 현무암과 유사한 조성을 띠는 등 균일하지 않다. 대륙 지각의 추정 평균 밀도는 2.835 g/cm³이며, 최상부 지각의 평균 2.66 g/cm³에서 지각 기저부의 3.1 g/cm³로 깊이에 따라 증가한다. 반면 해양 지각은 주로 해령 현무암의 조성을 가지는 베개 용암과 판상 암맥으로 구성되어 있으며, 얇은 상부 퇴적층과 하부 반려암층이 있다.

2.1. 화학 조성

지구 지각의 화학 조성은 주로 산화물로 이루어져 있으며, 그 비율은 다음과 같다.

대륙 지각의 평균 조성은 안산암과 유사하지만, 상부 지각은 다사이트와 유사하고 하부 지각은 현무암과 유사한 조성을 나타내기도 한다. 대륙 지각에서 가장 풍부한 광물은 장석(41%), 석영(12%), 휘석(11%) 순이다.

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📌 열 고정 해제

지구 지각의 주요 원소	무게 백분율(%)	산화물	산화물 무게 백분율
O	46.1
Si	28.2	SiO2	60.6
Al	8.23	Al2O3	15.9
Fe	5.63	FeO	6.7
Ca	4.15	CaO	6.4
Na	2.36	Na2O	3.1
Mg	2.33	MgO	4.7
K	2.09	K2O	1.8
Ti	0.565	TiO2	0.7
H	0.14
P	0.105	P2O5	0.1

물 이외의 다른 모든 구성 요소는 극소량으로 존재하며 총 1% 미만이다.

대륙 지각은 비공존 원소가 현무암 해양 지각에 비해 풍부하며, 그 아래의 맨틀에 비해서도 훨씬 풍부하다. 가장 비공존적인 원소는 원시 맨틀 암석에 비해 대륙 지각에서 50~100배 정도 농축되어 있는 반면, 해양 지각은 비공존 원소가 약 10배 정도 농축되어 있다.

2.2. 광물 조성

지구 지각에서 가장 풍부한 광물은 무게의 약 41%를 차지하는 장석이며, 석영(12%), 휘석(11%)이 그 뒤를 잇는다.

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📌 열 고정 해제

지구 지각에 풍부한 원소	대략적인 중량 비율(%)	산화물	대략적인 산화물 무게 %
O	46.1
Si	28.2	SiO2	60.6
Al	8.23	Al2O3	15.9
Fe	5.63	Fe as FeO	6.7
Ca	4.15	CaO	6.4
Na	2.36	Na2O	3.1
Mg	2.33	MgO	4.7
K	2.09	K2O	1.8
Ti	0.565	TiO2	0.7
H	0.14
P	0.105	P2O5	0.1

물 이외의 다른 모든 구성 원소는 극소량으로 존재하며, 총합은 1% 미만이다.

대륙 지각은 현무암질 해양 지각에 비해 비상용성 원소가 풍부하며, 그 아래의 맨틀보다도 훨씬 풍부하다. 가장 비상용성인 원소는 원시 맨틀 암석에 비해 대륙 지각에서 50~100배 정도 농축되어 있는 반면, 해양 지각에서는 약 10배 정도 농축되어 있다.

2.3. 원소 조성

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물을 제외한 다른 모든 구성 원소는 극미량으로 존재하며, 총합은 1% 미만이다.

대륙 지각은 현무암질 해양 지각에 비해 비상용성 원소가 풍부하며, 그 아래의 맨틀보다도 훨씬 풍부하다. 가장 비상용성 원소는 원시 맨틀 암석에 비해 대륙 지각에서 50~100배, 해양 지각에서는 약 10배 정도 농축되어 있다.

3. 지각의 종류

지구의 지각은 대륙 지각과 해양 지각의 두 가지로 뚜렷하게 구분된다. 대륙 지각은 두께가 25km~70km이며, 화강암과 같이 밀도가 낮은 규장질암으로 구성되어 있다. 해양 지각은 두께가 5km~10km이며, 현무암과 같이 밀도가 높은 고철질암으로 구성되어 있다. 지각의 평균 두께는 약 15km~20km이다.

지구 지각의 평균 연령은 약 20억 년으로 추정된다. 25억 년 전에 형성된 대부분의 지각 암석은 안정육괴에 위치해 있다.

3.1. 해양 지각

지구의 지각에는 두 종류가 있는데, 해양 지각은 두께가 5~10km이며, 현무암, 휘록암, 반려암과 같은 밀도가 높은 고철질암으로 주로 구성되어 있다.

이차 지각인 해양 지각은 해양 확장 중심에서 형성되는데, 이곳에서 하부 맨틀의 부분 용융이 현무암질 마그마를 생성하고 새로운 해양 지각이 만들어진다. 이 "능선 밀림"은 판 구조론의 원동력 중 하나이며, 끊임없이 새로운 해양 지각을 생성한다. 오래된 지각은 파괴되어야 하므로, 확장 중심 반대편에는 해양판이 맨틀로 다시 가라앉는 섭입대인 해구가 있다. 이러한 과정으로 인해 오늘날 지구에서 가장 오래된 해양 지각은 약 2억 년 밖에 되지 않는다.

대륙 지각과는 대조적으로, 해양 지각은 주로 해령 현무암을 조성으로 하는 베개 용암과 층상 암맥으로 구성되어 있으며, 이에 퇴적물의 얇은 상층과 반려암의 하층이 부수적으로 붙어 있다.

3.2. 대륙 지각

지구의 지각에는 두 종류가 있다. 그중 대륙 지각은 두께 25km~70km로, 화강암 등 밀도가 낮은 규장질암으로 주로 구성되어 있다. 티베트 고원, 알티플라노 고원 및 동부 발트 순상지와 같은 일부 지역에서는 대륙 지각이 50km~80km로 더 두껍다.

대륙 지각과 해양 지각은 모두 그 아래의 맨틀보다 밀도가 낮기 때문에, 두 지각 모두 맨틀 위에 "떠" 있다. 대륙 지각의 표층은 해양 지각의 표층보다 유의미하게 높아져 있는데, 이는 더 두껍고 저밀도인 대륙 지각이 부력도 더 크기 때문이다(아이소스타시의 성립 예). 그 결과, 대륙은 깊은 해저 분지에 둘러싸인 높은 대지를 형성한다.

대륙 지각은 안산암과 유사한 평균 조성을 띠고 있지만, 조성은 균질하지 않으며, 상부 지각은 평균적으로 데이사이트와 유사한 규장질 조성을, 하부 지각은 평균적으로 현무암과 유사한 고철질 조성을 띤다. 지구의 대륙 지각에서 가장 풍부한 광물은 장석으로 지각 무게의 약 41%를 차지하며, 이어서 석영이 12%, 휘석이 11%이다.

물을 제외하면 이 외의 조성물은 모두 극미량이며, 합계해도 1% 미만이다.

대륙 지각은 현무암의 해양 지각과 비교하면 비공존 원소가 풍부하고, 아래에 있는 맨틀과 비교하면 매우 풍부하다. 원시 맨틀 암석과 비교하면, 대부분의 비공존 원소가 대륙 지각에서 50~100배, 해양 지각에서 10배 정도 풍부하게 존재한다.

평균 밀도의 추정치는 2.835 g/cm³이며, 밀도는 최상부 지각의 평균 2.66 g/cm³에서 지각 기저부의 3.1 g/cm³로 깊이에 따라 증가한다.

3.3. 지각 평형 (아이소스타시)

대륙 지각과 해양 지각은 모두 그 아래의 맨틀보다 밀도가 낮기 때문에, 두 지각 모두 맨틀 위에 "떠" 있다. 더 두껍고 밀도가 낮은 대륙 지각은 부력이 더 크기 때문에 대륙 지각의 표면은 해양 지각의 표면보다 현저히 높다. 이는 지각 평형의 예시이다. 그 결과, 대륙은 깊은 해저 분지에 둘러싸인 높은 지형을 형성한다.

4. 지각의 형성과 진화

지구는 약 46억 년 전, 새로 형성된 태양을 공전하는 먼지와 가스 원반에서 미행성체 등이 충돌하고 결합하여 점차 행성으로 성장하는 강착을 통해 형성되었다. 이 과정은 엄청난 양의 열을 발생시켰고, 초기 지구는 완전히 녹아 마그마 바다를 이루었다. 행성 강착이 둔화되면서 지구는 냉각되기 시작했고, 최초 또는 원시 지각이라고 불리는 첫 번째 지각이 형성되었다. 이 지각은 대규모 충돌로 인해 반복적으로 파괴된 후 충돌로 남은 마그마 바다에서 다시 형성되었을 가능성이 높다. 지구의 원시 지각은 침식, 충돌 및 판 구조론에 의해 모두 파괴되어 오늘날까지 남아 있지 않다.

그 이후로 지구는 해양 지각과 대륙 지각을 형성해 왔다. 지구에서 가장 오래된 대륙 지각 암석은 약 37억에서 42억 8천만 년 사이의 연대를 가지고 있으며, 서호주의 나리어 편마암 지괴, 캐나다 순상지의 노스웨스트 준주에 있는 아카스타 편마암, 페노스칸디아 순상지와 같은 다른 안정륙괴 지역에서 발견되었다. 나리어 편마암 지괴에서는 43억 년이나 된 지르콘이 발견되기도 했다. 현재 지구 대륙 지각의 평균 연령은 약 20억 년으로 추정된다. 25억 년 전에 형성된 대부분의 지각 암석은 안정륙괴에 위치해 있다. 이렇게 오래된 대륙 지각과 그 아래의 연약권 맨틀은 지구의 다른 지역보다 밀도가 낮아서 섭입에 의해 쉽게 파괴되지 않는다.

4.1. 해양 지각의 생성과 소멸

이차 지각은 해양 확장 중심에서 형성되며, 여기에서 하부 맨틀의 부분 용융이 현무암질 마그마를 생성하고 새로운 해양 지각이 형성된다. 이 "능선 밀림"은 판 구조론의 원동력 중 하나이며, 끊임없이 새로운 해양 지각을 생성하고 있다. 결과적으로 오래된 지각은 파괴되어야 하므로, 확장 중심의 반대편에는 일반적으로 해양판이 맨틀로 다시 가라앉는 섭입대: 해구가 있다. 이 새로운 해양 지각을 생성하고 오래된 해양 지각을 파괴하는 끊임없는 과정은 오늘날 지구에서 가장 오래된 해양 지각이 약 2억 년 밖에 되지 않는다는 것을 의미한다.

4.2. 대륙 지각의 생성과 성장

지구는 약 46억 년 전, 새로 형성된 태양을 공전하는 먼지와 가스 원반에서 강착 과정을 통해 형성되었다. 이 과정에서 발생한 막대한 열로 초기 지구는 완전히 녹아 있었고, 행성 강착이 둔화되면서 냉각이 시작되어 원시 지각이 형성되었다. 이 원시 지각은 대규모 충돌과 판 구조론 등으로 인해 파괴되어 현재는 남아있지 않다.

이후 지구는 해양 지각(이차 지각)과 대륙 지각(삼차 지각)을 형성했다. 해양 지각은 해양 확장 중심에서 맨틀의 부분 용융으로 현무암질 마그마가 생성되며 형성된다. 이 과정은 판 구조론의 원동력 중 하나이며, 오래된 해양 지각은 섭입대에서 맨틀로 다시 가라앉는다. 이러한 순환으로 인해 현재 지구에서 가장 오래된 해양 지각은 약 2억 년 정도이다.

반면, 대륙 지각은 대부분 훨씬 오래되었다. 가장 오래된 대륙 지각 암석은 약 37억~42억 8천만 년 전의 연대를 가지며, 서호주의 나리어 편마암 지괴, 캐나다 순상지의 아카스타 편마암, 페노스칸디아 순상지 등 안정륙괴 지역에서 발견된다. 나리어 편마암 지괴에서는 43억 년이나 된 지르콘이 발견되기도 했다. 대륙 지각은 섭입된 해양 지각의 재활용을 통해 섭입대에서 형성되는 삼차 지각이다.

현재 지구 대륙 지각의 평균 연령은 약 20억 년으로 추정되며, 25억 년 전에 형성된 지각 암석은 대부분 안정륙괴에 위치한다. 이 오래된 대륙 지각과 아래의 연약권 맨틀은 밀도가 낮아 섭입에 의해 쉽게 파괴되지 않는다. 새로운 대륙 지각 형성은 로디니아, 판게아, 곤드와나와 같은 초대륙 형성과 관련된 격렬한 조산 운동 시기와 관련이 있다. 지각은 섬 호의 집합 등에 의해 부분적으로 형성된다.

4.3. 초대륙 순환

지구의 대륙 지각은 로디니아, 판게아, 곤드와나와 같은 초대륙의 형성과 해체가 반복되는 순환 과정을 거쳐왔다. 이러한 초대륙 형성은 격렬한 조산 운동 시기와 관련이 있으며, 새로운 대륙 지각 형성을 동반한다. 지각은 화강암과 변성 습곡대를 포함한 섬 호의 집합에 의해 부분적으로 형성되며, 하부 맨틀 고갈에 의해 부분적으로 보존되어 부력 암석권 맨틀을 형성한다.