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지층

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목차

1. 개요

지층은 수평으로 쌓인 여러 층의 구조를 가지며, 퇴적 시기, 환경, 구성 물질에 따라 다양한 특징을 보인다. 지층은 층리, 수성층과 풍성층, 단층, 노두 등으로 구분되며, 퇴적 환경, 퇴적 속도, 퇴적 구조에 따라 특징적인 모습을 나타낸다. 지층은 지각 변동에 의해 기울어지거나 변형될 수 있으며, 주향과 경사로 방향을 나타낸다. 지층의 종류로는 층리, 유동층, 띠, 지표층 등이 있으며, 지층은 층, 부층, 층군, 초층군 등의 단위로 분류된다. 지층의 형성은 침식된 암석이나 토사가 쌓여 이루어지며, 수평한 면 위에 퇴적되어 단층과 층리면을 형성한다. 지층 연구는 야외 조사, 암석 표본 분석, 지질도 작성, 시추 조사, 물리 탐사 등을 통해 이루어진다. 지층의 형성 연대 추정에는 지층 누중의 법칙, 화석에 의한 지층 판별 법칙, 표준 화석 등이 활용된다. 지층과 관련된 논쟁으로는 방사성 동위원소 연대 측정 결과의 해석, 표준화석의 신뢰성, 지하자원 개발과 환경 보존의 갈등 등이 있다.

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  • 지질학 용어 - 단층
    단층은 지각 변동으로 암석이 끊어져 어긋난 구조로, 전단력에 의해 형성되며, 지진 발생의 주요 원인이 되고 다양한 자연재해와 사회적 문제를 유발하며, ESR, OSL 연대측정법 등으로 연구된다.
  • 지질학 용어 - 조산 운동
    조산 운동은 지각 변동으로 산맥이 형성되는 과정을 의미하며, 판 구조론에 기반하여 섭입, 대륙 충돌 등의 요인으로 발생하고, 윌슨 순환을 통해 해양 분지의 열림과 닫힘, 산맥 형성, 침식 과정을 거쳐 전 세계 지질 구조 형성에 영향을 미친다.
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지층
지층 정보
정의퇴적물, 암석 또는 흙으로 이루어진 층으로, 내부적으로 일관된 특징을 가짐.
특징지질학에서 지층은 암석 또는 퇴적물의 층을 말함.
지층은 각각 고유한 특성 (예: 암석 유형, 퇴적 구조, 화석 함량)을 가짐.
지층은 일반적으로 수평으로 퇴적되지만, 지질학적 과정에 의해 변형될 수 있음.
지질학적 중요성
지질 기록지층은 지구 역사를 이해하는 데 중요한 정보를 제공함.
연대 측정지층의 순서와 포함된 화석을 통해 암석과 지질 사건의 연대를 추정할 수 있음.
퇴적 환경 분석지층의 특성을 통해 과거의 퇴적 환경을 유추할 수 있음.
관련 용어
층서학지층의 시간적, 공간적 관계를 연구하는 지질학 분야.
누층지층의 모임 (층군, 층서군과 동의어).
층리퇴적물 내에 형성된 층 또는 층들.
층서 단위층서학에서 사용하는 지층 구분의 단위.
추가 정보
퇴적암퇴적암은 여러 겹의 지층으로 구성될 수 있음.
변성암변성암에서도 변성 작용으로 인해 지층 구조가 나타날 수 있음.
마그마마그마가 식으면서 형성되는 화성암의 경우, 층 구조가 없을 수 있음.

2. 지층의 특징

일반적으로 지층은 서로 평행하게 쌓여 거대한 두께를 형성하는 여러 층 중 하나이다.[1] 지층을 구분하는 층리면은 주기적인 침식, 퇴적 중단 또는 이 두 가지의 조합과 관련된 퇴적의 간헐적인 중단을 나타낸다.[3][4] 개별 지층은 수십만 제곱킬로미터에 달하는 지구 표면에 걸쳐 퍼져 있는 복합적인 지층 단위를 형성할 수 있으며, 비슷하게 넓은 지역을 덮을 수 있다. 지층은 일반적으로 절벽, 도로 절개면, 채석장, 강둑에 노출된 다양한 색깔이나 구조의 물질 띠로 보인다. 개별 띠의 두께는 수 밀리미터에서 수 미터 또는 그 이상까지 다양하며, 하나의 띠는 특정한 퇴적 방식(예: 하천의 미사, 해변의 모래, 석탄 늪, 사구, 용암층 등)을 나타낼 수 있다.

平凡社 지학사전에서는 지층을 점토, 모래, 자갈 등의 쇄설물이나 화산력, 화산재 등의 화산쇄설물, 생물 유해 등이 물이나 바람의 힘에 의해 운반되어 퇴적되어 생성된 퇴적물 또는 퇴적암 중에서, 수직 방향에 비해 수평 방향의 넓이가 충분히 넓은(층상으로 분포하고 있는) 것들의 총칭으로 설명하고 있다.[7]

지층의 종단면에 나타나는 줄무늬 모양의 구조를 '''층리'''라고 한다.[8]

유타주 남동부의 콜로라도 고원 지역에 있는 페름기부터 쥐라기 지층은 지층학의 원리를 보여준다. 이 지층들은 캐피톨 리프 국립공원과 캐니언랜드 국립공원과 같이 넓게 분포된 보호 지역의 유명한 암석층의 대부분을 구성한다. 위에서 아래로: 둥근 황갈색의 나바호 사암 돔, 층상의 적색 카옌타층, 절벽을 형성하는 수직 절리의 적색 윙게이트 사암, 사면을 형성하는 자줏빛 친리층, 층상의 밝은 적색 모엔코피층, 그리고 흰색의 층상 커틀러층 사암. 유타주 글렌캐니언 국립 휴양지에서 촬영한 사진.

2. 1. 지층의 종류

지질학자들은 층리, 유동층, 띠, 지표층 등 여러 유형의 지층을 구분한다.[1][5]

  • 층리: 상하층과 암석학적으로 구별되는 단일 지층으로, 퇴적암 암석층서 단위 분류에서 가장 작은 공식 단위이다. 층서 상호 연관 및 지질도 작성에 유용할 만큼 독특한 층리만 공식 명칭이 부여된다.
  • 유동층: 조직, 구성 등의 기준으로 구별되는 화산암 지층이다. 층리와 마찬가지로 독특하고 광범위하며 층서 상호 연관에 유용할 때만 공식 암석층서 단위로 지정된다.
  • 띠: 색상이나 특징적인 암석학적 특징으로 구별되는 얇은 지층이다.
  • 지표층 (표지층): 지질 현장 조사에서 쉽게 식별하고 상호 연관시킬 수 있는 명확하게 정의된 지층이다. 암석학적 특징이나 화석 함량이 독특하다.[1][5]


지질학자들은 지층 명명에 대한 지침을 제정하여, 현재 지층명은 이 지침에 따라 명명 및 분류된다. 서로 다른 지층은 층(또는 층서단위)이라 불리며, 지층 분류의 기본 단위가 된다. 층의 고유명칭은 각 층이 널리 노출되어 연구에 유용했던 지역(모식지)의 지명에서 따와 '〜층'이라고 명명된다. 예를 들어, 캄브리아기의 생물 화석이 다수 보존된 버제스 셰일은 캐나다 록키 산맥의 버제스 패스(Burgess Pass) 근처에서 발견되어 이름 붙여졌다.

층은 암상에 따라 부층으로 나눌 수 있으며, 더 작은 단위인 단층, 유동 퇴적물 등으로 세분된다. 여러 개의 층을 모아 층군, 더 크게 모아 초층군이라 부르기도 한다. 이들을 최소 단위부터 순서대로 나열하면 다음과 같다.

단위설명
단층 (Bed)더 이상 구분할 수 없는 최소 단위.
용암 (Lava)용암류 등의 단층 (최소 단위).
유동 퇴적물 (Flow Deposit)화쇄류 등의 퇴적물에 의한 단층 (최소 단위).
부층 (Member)층을 다소 세분한 것.
층 (Formation)지층의 기본 단위. 층서단위라고도 함.
아층군 (Subgroup)층군을 몇 개의 부분으로 나눌 때 사용.
층군 (Group)여러 개의 층을 포함하는 묶음.
초층군 (Supergroup)여러 개의 층군을 포함하는 묶음.



암상이 아닌 지질 시대로 층서를 구분하는 경우에는 지질 시대에 따라 지명 또는 지질 시대 구분 명칭 뒤에 〜계, 〜통, 〜세를 붙여 구분한다 (예: 신생대, 신생대 제3기, 중신세).

3. 지층의 형성과 구조

지층은 일반적으로 서로 평행하게 쌓여 거대한 두께를 형성하는 여러 층 중 하나이다.[1] 지층을 구분하는 층리면은 주기적인 침식, 퇴적 중단 또는 이 두 가지의 조합과 관련된 퇴적의 간헐적인 중단을 나타낸다.[3][4] 지층은 수십만 제곱킬로미터에 달하는 넓은 지역에 걸쳐 분포할 수 있으며, 절벽, 도로 절개면, 채석장, 강둑 등에서 다양한 색상이나 구조의 띠로 관찰된다. 각 띠의 두께는 수 밀리미터에서 수 미터 이상까지 다양하며, 하천의 미사, 해변의 모래, 석탄 늪, 사구, 용암층 등 특정한 퇴적 방식을 나타낸다.















평범사 지학사전에서는 지층을 점토, 모래, 자갈 등의 쇄설물이나 화산력, 화산재 등의 화산쇄설물, 생물 유해 등이 물이나 바람의 힘에 의해 운반되어 퇴적되어 생성된 퇴적물 또는 퇴적암 중에서, 수직 방향에 비해 수평 방향의 넓이가 충분히 넓은(층상으로 분포하고 있는) 것들의 총칭으로 설명하고 있다.[7] 지층의 종단면에 나타나는 줄무늬 모양의 구조를 '''층리'''라고 한다.[8]

지층은 그 생성 원인에 따라 수성층과 풍성층으로 구분된다.[9] 지구에는 물속이나 움푹 들어간 곳과 같은 환경이 존재한다. 그러한 곳에 다른 장소에서 침식되어 온 암석이나 토사가 쌓이거나, 물에 의해 운반되기도 하고, 조개껍질 등도 쌓인다. 이러한 퇴적물이 오랜 시간에 걸쳐 쌓여 하나의 층을 이루고, 이 층들이 쌓여 크고 작은 지층을 형성한다.

지층은 일반적으로 물속의 거의 수평한 면 위에 일정한 두께로 쌓인다. 비교적 균질한 구성 물질로 이루어진 한 층의 지층을 '''단층'''이라고 하고, 단층과 단층 사이의 경계면을 '''층리면'''이라고 한다. 보통 지층은 지면 속에 숨어 있어 볼 수 없지만, 화산 활동이나 지진, 단층의 이동 등에 의한 융기로 지면의 단면이 보이는 곳에서는 지층을 관찰할 수 있다. 이것을 '''노두'''라고 한다. 그랜드 캐니언과 같은 큰 협곡에서는 수억 년에 걸친 기간의 지층을 관찰할 수 있는 경우도 있다.

각 지층으로부터 그 층이 퇴적된 환경을 추정할 수 있다. 수성 퇴적물에서는 하구에 가까운 위치에서 퇴적된 것일수록 입도가 거친 모래, 멀어짐에 따라 고운 실트, 점토가 된다. 지층을 구성하는 물질이 당시의 유기물 또는 생물인 경우도 있으며, 이탄지에서 식물이 퇴적된 석탄이나 심해에서 미생물이 퇴적된 처트 등이 있다. 현재 발견된 가장 오래된 지층은 그린란드에 있는 약 40억 년 전의 지층으로, 해저에서 만들어진 지층으로 생각된다.

지층은 퇴적 속도에 변화가 있지만, 대체로 연속적으로 퇴적되어 있으며, 이를 '''정합'''이라고 한다. 반면, 지층과 지층의 경계에 매우 긴 불연속이 있고, 침식에 의해 일부 지층이 결락되어 있는 것을 '''부정합'''이라고 한다. 퇴적이 멈추는 동안에 지층이 침식되거나, 기울어지거나, 습곡되는 변동이 있는 경우가 많다. 그러한 곳에 다시 수평으로 지층이 퇴적되기도 한다. 아래 지층과 위 지층이 평행인 것을 '''평행 부정합''', 위 지층과 아래 지층이 기울어져 있거나 아래 지층이 습곡되어 있는 것을 '''경사 부정합'''이라고 한다. 아래 지층이 화성암으로 이루어진 경우에는 '''부정합'''이라고 부르는 경우도 있다. 지층의 결락을 수반하지 않고, 불연속 시간이 매우 짧은 경우에는 '''시간 간극'''이라고 하고 부정합과 구별하기도 한다. 부정합은 육지, 해저 모두에서 만들어지지만, 어느 경우든 암석이나 토사가 퇴적되는 환경이었던 지역이 침식되는 환경으로 변화하고, 다시 퇴적되는 환경으로 돌아왔음을 나타낸다. 부정합면 바로 위에는 비교적 큰 입자의 역이 퇴적되어 있는 경우가 많고, '''기저역암'''이라고 불린다. 이것은 침식된 하부 지층의 암석에서 공급된 역인 경우가 있다.

지층 속에는 과거에 지층을 절단하여 관입한 마그마가 고결되어 남아 있는 경우가 있으며, '''암맥'''이라고 불린다. 암맥은 과거 마그마가 통과했던 화도이며, 일반적으로 상당히 급경사이다. 과거 지상에 마그마를 가져왔던 화도가 층상으로 남아 있는 경우가 있으며, '''암상'''이라고 불린다. 암상은 일반적으로 암맥만큼 경사가 가파르지 않다. 화강암질 암석이 만든 대규모 암체로 노출 면적이 100km2 이상인 것을 '''저반'''( '''배소리스''' )이라고 부른다.

3. 1. 퇴적 구조

지층에는 퇴적 당시의 환경을 보여주는 다양한 퇴적 구조가 나타난다.

  • 사층리: 물이나 바람의 속도와 방향 변화에 따라 층리면과 비스듬하게 교차하는 세밀한 줄무늬가 나타난다. 이를 통해 당시 물이나 바람의 방향을 추정할 수 있다.[9]
  • 점이층리: 아래에는 크고 거친 입자가, 위로 갈수록 작고 고운 입자가 쌓여 층을 이룬다. 이는 시간이 지나면서 입자를 운반하는 물의 흐름이 약해졌거나, 혼탁한 물에서 입자들이 가라앉아 쌓였을 때 만들어진다.
  • 연흔: 물결 모양의 흔적이 남아있는 구조이다. 주로 얕은 물 환경에서 만들어지며, 퇴적물이 쌓일 당시 위쪽 방향이 뾰족한 형태로 남아있어 지층의 상하 관계를 판단하는 데 도움을 준다.[9]
  • 슬럼프 구조: 해저와 같이 경사진 곳에서 퇴적물이 굳기 전에 미끄러져 내려오면서 불규칙하게 쌓여 만들어진 구조이다.

가나가와현 미우라시의 「카이토초의 슬럼프 구조」

  • 화염 구조: 아래층의 진흙과 같은 무른 퇴적물이 위에 쌓인 모래와 같은 퇴적물의 무게 때문에 위로 솟아오르면서 마치 불꽃과 같은 모양을 띄는 구조이다.[9]
  • 저흔: 퇴적물 표면에 생긴 여러가지 홈(생물 흔적, 도구 자국 등)이 다른 퇴적물로 채워져 만들어진 구조이다. 특히, 혼탁류에 의해 퇴적된 지층(터비다이트)에서 잘 나타나며, 과거 물의 흐름 방향을 알려주는 중요한 단서가 된다.[9]
  • 화석층: 화석이 집중적으로 발견되는 층으로, 조개껍데기 등이 물에 쓸려와 쌓이는 경우가 많다.
  • 사관(샌드 파이프): 해저 모래 속에 살던 생물이 파놓은 굴의 흔적이다. 굴의 가장 윗부분은 당시 해저면이었고, 굴이 파인 방향이 아래쪽이었음을 알려준다.

3. 2. 지층의 변형

지층은 지각 변동이나 지진 등으로 인해 큰 힘을 받으면 휘어지거나 끊어지는 경우가 있다.

지층이 물결 모양으로 휘어져 있는 구조를 '''습곡'''이라고 한다. 습곡은 위로 볼록한 배사와 아래로 볼록한 향사로 구분된다. 지층이 끊어져 어긋난 구조는 '''단층'''이라고 한다. 지층이 심하게 습곡된 경우에도 저각의 단층을 수반하여 어긋나 크고 작게 끊어지는 경우가 있다.[9] 석유는 지층이 배사 구조를 이루고 록캡이 되는 부분에 고여 있는 경우가 많다.

지층이 기울어져 있을 때, 층리면과 수평선이 만나는 선의 방향을 '''주향'''이라고 하고, 층리면과 수평면이 이루는 각도를 '''경사'''라고 한다. 주향과 경사는 단층이나 부정합면 등 지질학에서 다루는 여러 면의 방향을 나타내는 데 사용된다.

4. 지층의 형성 연대 추정

지층은 퇴적된 상태 그대로라면 아래쪽일수록 오래되고 위쪽일수록 새롭다. 이것을 지층 누중의 법칙이라고 한다. 이는 1669년에 니콜라우스 스테노가 처음으로 제창하고, 1791년에 윌리엄 스미스에 의해 확립된 법칙이다. 하지만 지층이 수직에 가까울 정도로 기울어져 있거나, 습곡 등에 의해 상하가 뒤집혀 있는 경우에는 어느 쪽이 원래의 상하인지 알 수 없게 되어 법칙을 사용할 수 없다.

또한, 동시기에 퇴적된 지층은 그 퇴적된 지질 시대에 특유한 화석을 포함하기 때문에, 상하 지층과 구분되고, 멀리 떨어진 지역에 위치하는 노두 사이에서 동일한 지층의 식별이나 대비가 가능해진다. 이것을 화석에 의한 지층 판별 법칙이라고 하며, 1816년 윌리엄 스미스에 의해 확립되었다. 이 법칙과 지층 누중의 법칙을 조합함으로써, 지층에 화석에 의한 지층 서열(생층서)에 기초한 상대적인 시간 척도가 주어진다.

어떤 지층이 언제 형성되었는지 알고 싶은 경우, 서식했던 지질 시대가 알려진 생물의 화석(표준화석)이나, 분출 시기가 알려진 화산재층 등이 이용된다. 이와 같이, 동시대에 형성되었음을 나타내는 지층을 '''표준 지층'''이라고 부른다. 또한, 지층은 퇴적될 때는 수평이라는 것, 지층 누중의 법칙 등으로부터 지층이 언제 퇴적되었는지, 침식되었는지, 기울어졌는지, 습곡되었는지, 단층이 생겼는지, 용암이 관입한 것은 언제인지 등을 추정할 수 있다.

5. 지층 연구 방법

지층을 연구하는 방법은 다음과 같다.


  • '''야외 조사''': 노두를 직접 관찰하고, 암석 표본을 채취하여 현미경 관찰이나 화학 분석을 통해 암석의 종류, 구성 물질, 퇴적 환경 등을 파악한다.
  • '''시추 조사''': 지하 깊은 곳의 지층을 직접 확인하기 위해 시추공을 뚫고 암석 코어를 채취하여 분석한다. 이를 통해 지표면에서는 알 수 없는 지하 깊은 곳의 지층 정보를 얻을 수 있다.
  • '''물리 탐사''': 탄성파 탐사, 전기 비저항 탐사 등 지구물리학적 방법을 이용하여 지하 지층의 구조와 특성을 파악한다. 이 방법은 땅을 파지 않고도 지하 정보를 얻을 수 있다는 장점이 있다.
  • '''지질도 작성''': 특정 지역의 지층 분포, 종류, 지질 구조 등을 지형도 위에 나타낸 지도를 작성한다. 지질도를 통해 지층의 분포와 배열 상태를 한눈에 파악할 수 있다.
  • '''지질 주상도 작성''': 특정 지역의 지층 두께, 종류, 특징 등을 세로 기둥 모양으로 나타낸 그림을 작성한다. 지질 주상도를 통해 지층의 수직적인 변화를 자세히 알 수 있다.

참조

[1] 서적 International stratigraphic guide: a guide to stratigraphic classification, terminology, and procedure. 2nd ed. The Geological Society of America, Inc.
[2] 서적 Glossary of Geology American Geological Institute
[3] 논문 True substrates: the exceptional resolution and unexceptional preservation of deep time snapshots on bedding surfaces. 2021-05-22
[4] 논문 Incomplete but intricately detailed: the inevitable preservation of true substrates in a time-deficient stratigraphic record.
[5] 웹사이트 International stratigraphic guide—an abridged version https://www.episodes[...]
[6] 웹사이트 地層(チソウ)とは？ 意味や使い方 https://kotobank.jp/[...] 2024-10-22
[7] 서적 地学事典 平凡社
[8] 백과사전 지층
[9] 웹사이트 陸成層


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