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서 언
고지자기학(paleomagnetism)이란 암석 내에
기록되어 있는 과거의 지구자기장을 연구하는 학문으로, 맨틀과 핵간의 상호작용에서부터 지각의
이동 및 변형에 이르는 지질 작용에 대한 유용한 정보를 제공한다. 지구 내부에서 일어나고 있는 동적인 변화로 인하여 지구 표면을 덮고 있는 대륙과 해양지각은 지질시대를 통하여 끊임없이 그 상대적인 위치가
이동되어 왔다. 고지자기학은 해양지각과 대륙의
이동ㆍ충돌ㆍ봉합 과정과 이로 인한 대륙의 성장과 산맥 형성의 역사를 규명하고 있다. 특히 고지자기학은 베게너의 대륙이동설을 부활시켰으며 대양저확장설, 판구조론 등과 같은 지구과학의 혁명적 이론을 확립하는 데 중요한 역할을 해왔다. 또한 고지자기학은 지구자기장의 기원, 지층의 층서대비, 지층의 연대, 고고학적 자료의 대비와 시기 결정 등과 같은 다방면의 연구에 응용되고 있다. 우리 나라에 고지자기학적 연구가 시작된 시기는 1980년대로서 서구의 1900년대에 비해 상당히 늦었지만 한반도가 고생대 말에 적도 부근에 위치했었고, 이후에 점차 북상하여 현재의 위치에 도달하였다는 증거를 제시하는 등 활발한 연구가 진행중이다. 고지자기학은 물리학을 이론의 기반으로 하여 지구과학에 응용하는 학문으로서 두 학문간의 올바른 이해와 원활한 교류가 필요하다고 판단되어 고지자기학의 원리, 방법, 응용분야, 그리고 우리 나라에서 지금까지 수행된 연구들에 대하여 간략히 소개하고자한다.
지구자기장
고지자기 연구에 중심이 되는 중요한 개념 중의 하나는 적어도 수천년 이상의 오랜 기간 동안의 평균 지구자기장은 마치 지구 중심에 지구 회전축과 평행하게 놓여 있는 쌍극자에 의한 자기장과 유사하다는 것으로, 이 쌍극자를 지구중심축 쌍극자(geocentric axial dipole)라 한다. 그러나 실제의 현재 지구자기장(present geomagnetic field)은 지구중심축 쌍극자에 의한 자기장에 비해 복잡하다. 관측된 자료의 분석에 의하면 자기모멘트가 약 8×1022 Am2이고 그 축이 지구의 지리적인 축(geographical axis)과 약 11.5˚ 기울어져 있는 자기쌍극자(magnetic dipole)가 지구 중심에 위치하여 있을 경우, 이 자기쌍극자에 의한 자기장이 실제 관측된 지구자기장과 가장 적절하게 일치한다. 이 자기쌍극자를 최적 중심쌍극자(best-fitting geocentric dipole) 혹은 간략히 최적쌍극자(best-fitting dipole)라 한다. 최적 중심쌍극자의 축이 지구 표면과 만나는 점을 지자기극(geomagnetic pole)이라 하고, 지구 중심에서 최적 중심쌍극자 축에 수직인 면이 지구 표면과 만나는 선을 지자기적도(geomagnetic equator)라 한다. 지자기적도는 지리적 적도와 일치하지 않으며, 지자기적도를 기준으로 북반구에서는 양의 복각을 남반구에서는 음의 복각을 갖는다. 현재의 지자기북극(geomagnetic north pole)은 79.3˚N, 71.5˚W에, 지자기남극(geomagnetic south pole)은 79.3˚S, 108.5˚E에 위치한다. 그러나 실제로 복각값이 ±90°로 관측된 지점은 지자기극과 일치하지 않으며, 이점을 자극(magnetic pole) 혹은 경사극(dip pole)이라 한다. 북자극과 남자극은 각각 약 79.0˚N, 105.1˚W와 64.7˚S, 138.6˚E에 위치하여, 지구 중심에 대하여 서로 반대에 위치하고 있지 않다. 만약 지구자기장이 최적 중심쌍극자에만 기인한 것이라면 지자기극과 자극의 위치가 일치할 것이다. 그러나 두 자극의 위치가 일치하지 않는 사실은 실제 지구자기장이 최적쌍극자에 의한 자기장 이외의 다른 영향이 있음을 지시한다.
쌍극자를 지구 중심이 아닌 지점에 위치시키면, 이에 의한 자기장이 지구 중심에 위치한 최적쌍극자보다 약간 더 지구자기장과 잘 일치한다. 이러한 쌍극자를 최적 편심쌍극자(best-fitting eccentric dipole) 혹은 간략히 편심쌍극자(eccentric dipole)라 하며, 지구 중심에서 북서 태평양 방향으로 약 500 km 떨어진 지점에 위치한 최적 편심쌍극자에 의한 자기장이 현재 지구자기장과 가장 잘 일치한다.
평균적으로 실제 지구자기장의 약 90 %를 편심쌍극자 혹은 최적쌍극자에 의한 자기장으로 설명이 되며, 이러한 성분을 쌍극자기장(dipole field)이라 한다. 실제 관측된 지구자기장과 쌍극자기장과의 차이를 비쌍극자기장(nondipole field)이라 하는데, 관측된 비쌍극자기장의 수직성분에서 수천 km에 걸쳐 대규모의 이상대가 지표의 지리학적이나 지질학적인 특징과는 무관하게 분포하는 사실은 이들의 근원이 지표 근처에 있는 것이 아니라 지구 내부에 존재함을 제시한다. 실제로 쌍극자기장과 비쌍극자기장은 액체 상태의 외핵에서 기인된 것으로 생각하고 있다. 맨틀과 외핵의 경계부인 외핵의 상부에 8∼12개의 쌍극자들을 방사상 형태로 배열을 하면, 이들 쌍극자들이 형성한 자기장에 의하여 이상대를 포함한 비쌍극자기장의 분포를 수학적으로 잘 나타낼 수가 있다. 비쌍극자기장을 설명하기 위하여 방사상 형태로 외핵의 상부에 배열된 쌍극자들을 방사상쌍극자(radial dipole)라 한다. 방사상쌍극자 모델은 비쌍극자기장의 근원이 액체 상태의 외핵이 맨틀과의 경계부에서 발생하는 소용돌이 형태의 흐름에 기인한 것임을 제시한다.
지구자기장의 연속적인 관측 기록은 지구자기장이 점이적으로 시간에 따라 그 방향과 각도가 변화함을 보여준다. 지구자기장의 변화 중 주기가 짧은 변화를 일변화(diurnal variation)라 하며, 수년에서 십만 년 정도의 긴 주기를 가지는 지구자기장의 변화를 영년변화(secular variation)라 한다. 세계 여러 지역에서 관측한 지구자기장의 기록에 의하면, 지리적으로 비교적 근접한 지역에서 관측된 영년변화의 기록은 거의 동일한 변화 양상을 보여주나, 지리적으로 멀리 떨어진 지역간에는 그 변화 양상에 차이가 있다. 이러한 관측으로부터 외핵 내에 존재하는 비쌍극자기장의 근원을 설명하는 방사상쌍극자의 크기를 추정할 수 있다. 쌍극자기장의 주기는 주로 수백 년에서 수만 년 사이의 주기를 보여주며, 비쌍극자기장은 수천 년보다 짧은 주기를 가지며 변화한다. 그러므로 일반적으로 비쌍극자기장이 쌍극자기장보다 짧은 영년변화 주기를 갖는다.
지구 위의 어느 점에서 적어도 수천 년 이상의 지구자기장 변화를 평균하면, 비쌍극자기장에 의한 영년변화가 상쇄되어 평균 지구자기장은 쌍극자기장과 거의 일치하게 된다. 과거의 지구자기장 기록에서도 이와 유사한 현상이 관찰된다. 과거 2000년 동안의 북자극의 위치는 지리적 북극 주위에서 무질서하게 변화한 것으로 나타나며, 이들의 평균 위치를 계산하면 지리적 북극과 일치한다. 이러한 현상은 적어도 수천년 이상의 기간 동안 평균한 지구자기장은 지구중심축에 위치한 쌍극자에 의한 자기장과 일치한다는 지구중심축 쌍극자 가설(geocentric axial dipole hypothesis)을 뒷받침하며, 이것은 고지자기 연구에 매우 중요한 가설이다.
지구 표면에서 관찰되는 지구자기장은 (1) 지구 내부에 근원을 둔 내부자기장(internal field), (2) 지구 외부에 근원을 둔 외부자기장(external field) 및 (3) 지구 표면을 흐르는 전류에 기인한 와동자기장(vorticity field)의 세 성분으로 구성되어 있다. 지구자기장을 구성하고 있는 세 성분들 중, 와동자기장은 다른 두 성분에 비하여 그 크기가 무시할 수 있을 정도로 매우 작다. 그러므로 지구자기장은 내부자기장과 외부자기장으로 구성되어 있다고 할 수 있다. 또한 외부자기장의 크기는 전체 지구자기장의 약 1/1000 정도로 작으므로, 지구자기장은 주로 지구 내부에서 기인한 내부자기장이라 할 수 있다. 그러므로 내부자기장의 근원을 밝히는 것이 곧 지구자기장의 근원을 밝히는 것이 된다. 현재까지는 지구자기장의 근원을 완벽하게 설명할 수는 없으나, 액체 상태인 외핵의 유동에 기인한 전자기유도가 지구자기장의 근원을 설명해 주는 유일한 학설이다. 즉, 외핵에서의 지구자기장 근원을 자기유체역학 다이나모(magnetohydrodynamic dynamo) 이론(혹은, 간략히 다이나모 이론)에 의하여 설명한다. 쌍극자기장은 외핵의 주 유동에 의하여, 비쌍극자기장은 맨틀과 외핵의 경계부에서 발생하는 와동류(eddy currents)에 의하여 그 특성이 설명된다.
암석의 자화
암석에 기록된 잔류자화를 자연잔류자화(natural remanent magnetization, NRM)라 하며, 일반적으로 암석 생성 당시에 획득된 1차 자연잔류자화(primary NRM)와 암석 생성 이후에 획득된 2차 자연잔류자화(secondary NRM)의 벡터 합이다. 대표적인 1차 자연잔류자화는 (1) 고온으로부터 냉각되는 과정에서 획득하는 열잔류자화(thermoremanent magnetization, TRM), (2) 퇴적물이 퇴적되는 과정에서 획득하는 퇴적잔류자화(detrital or depositional remanent magnetization, DRM) 및 (3) 큐리온도 이하에서 자성광물이 생성되거나 변질되는 과정을 통하여 획득하는 화학잔류자화(chemical remanent magnetiza- tion, CRM)가 있다. 2차 자연잔류자화는 암석 생성 이후에 자성광물의 화학변화, 번개, 지구자기장에의 오랜 노출 등에 의하여 획득되며, 자연잔류자화에 기록된 2차 자화 성분을 인지하고 분리하는 것이 모든 고지자기 연구의 중요한 과정 중의 하나이다. 1차 자화는 엄밀히 암석 생성 당시에 획득된 자화를 의미하므로, 많은 연구자들은 자연잔류자화로부터 2차 자화를 제거한 자화성분을 성인에 관계없이 특성잔류자화(characteristic remanent magnetization, ChRM)라고 부른다.
1. 화성암의 자화
화성암의 1차 자화는 자성광물이 고온으로부터 큐리온도(Curie temperature)와 봉쇄온도(blocking temperature)를 거쳐 냉각되면서 획득한 열잔류자화이다. 열잔류자화는 큐리온도에서 모두 획득되는 것이 아니라 큐리온도로부터 상온까지 냉각되는 동안 연속적으로 획득된다. 일정한 온도 범위에서 획득한 잔류자화를 부분 열잔류자화라 하며, 열잔류자화는 부분 열잔류자화의 합이다. 만약 암석이 생성된 이후에 큐리온도 이하의 특정온도까지 가열된 후 냉각되면, 특정온도에서 상온까지 냉각되는 동안 암석 생성 당시에 획득된 부분 열잔류자화를 잃어버리고 새로운 부분 열잔류자화를 획득한다. 이러한 경우, 새로운 부분 열잔류자화와 암석 생성 당시의 큐리온도에서 이후에 가열된 특정온도까지 획득된 원래의 잔류자화가 공존한다.
화산암은 냉각속도가 빠르므로 암석에 기록된 잔류자화가 암석 생성 당시의 지구자기장을 기록한다. 그러나 빠른 냉각속도는 광물들이 평형 상태에 도달하는 것을 방해하고, 냉각 과정에서 초생변질작용(deuteric alteration)을 일으켜 새로운 자성광물을 생성시키기도 한다. 이러한 과정에서 생성된 새로운 자성광물은 화학잔류자화를 획득하지만, 이 화학잔류자화는 화산암이 생성되는 과정에서 획득된 성분이므로 1차 자화로 취급한다.
2. 퇴적물 및 퇴적암의 자화
대부분의 쇄설성 퇴적물에 함유된 자성광물은 퇴적작용이 일어나기 이전에 이미 열잔류자화나 화학잔류자화를 획득하고 있다. 그러므로 이러한 입자들에 기록된 자화의 자기적 안정성은 퇴적 과정과는 무관하고 각 입자의 성분과 크기에 관련이 있다. 자성광물 입자들은 퇴적시 작은 자석과 같은 역할을 하여 지구자기장의 방향으로 배열되면서 퇴적된다. 퇴적 과정에서 자성광물 입자들에 작용하는 힘은 지구자기장 뿐만 아니라, 중력 및 기타 역학적인 힘도 작용한다. 일반적으로 자성광물이 퇴적될 때 지구자기장 방향으로의 배열은 수 초 이내의 매우 짧은 시간 내에 일어나고, 신장된 입자들의 경우는 장축 방향으로 자화되어 있으므로, 퇴적 및 고화 과정에서 장축이 퇴적면과 평행하게 배열되어 지구자기장에 비하여 낮은 복각값을 기록한다. 실험에 의하면 이러한 복각 오차가 최대 20°까지 관찰되었으나, 자연 퇴적물에서는 복각 오차가 없거나 보통 약 5∼10℃ 이하이다. 이러한 차이는 퇴적 후 자성광물들이 공극 내에서 지구자기장 방향으로 재배열되어 후기 퇴적잔류자화(post-depositional remanent magnetization, PDRM)를 획득하는 것을 의미한다. 복각 오차는 주로 공극의 크기와 형태 그리고 자성광물 입자의 크기와 형태에 지배된다.
3. 변성암의 자화
암석이 변성작용에 의하여 온도와 압력이 증가하면 기존의 환경에서 안정된 자성광물이나 암석 내에 존재하는 불안정한 자성광물의 변화가 일어난다. 암석이 지하에 매장되면 온도와 압력이 증가하고, 온도와 압력이 증가하면 어떤 광물들은 불안정한 상태가 되어 변화된 온도-압력 조건에서 안정한 새로운 광물이 생성된다. 즉, 변성작용이 일어나는 동안 광물 성분의 변화가 일어나고, 이러한 광물들은 철을 함유하고 있는 경우가 많다. 예를 들면, 주로 열에 의한 변성작용이 일어나는 접촉변성대 내에서는 자철석이 생성되는 경우가 흔히 있다. 특히, 열변성작용시 온도가 암석 내에 함유된 자성광물의 큐리온도 이상으로 증가하면, 원래 기록된 자화를 잃어버리고, 암석 냉각시의 새로운 열잔류자화를 획득한다. 그러나 이러한 암석의 냉각속도는 매우 느린 경우가 많아서 열점성잔류자화(thermoviscous remanent magnetization, TVRM)를 동시에 획득할 수도 있다.
4. 고고학적 물질의 자화
대부분의 고고학적 물질은 자성물질을 함유하고 있으므로, 고고학적 물질은 가열된 후 냉각될 때 냉각 당시의 지구자기장 방향과 이에 비례하는 강도로 열잔류자화를 획득한다. 고고학적 물질의 자화에 대한 연구는 도자기, 벽돌, 타일 등과 같은 열에 의하여 구워진 점토 물질이나 이들을 구운 장소인 가마 등을 대상으로 수행되었다.
지질학적 환경과 같이 고고학적 환경에서도 퇴적물이 퇴적되며, 이러한 퇴적물은 퇴적 당시의 지구자기장 방향으로 퇴적잔류자화를 기록하고 있다. 예를 들면, 도랑이나 함몰지역, 혹은 인공적으로 만들어진 작은 연못에 퇴적된 퇴적물, 동굴 퇴적물, 고토양 등이 고고지자기학 연구에 성공적으로 이용되고 있다.
고지자기 연구방법
1. 암석채취와 시료제작
고지자기 연구를 수행하기 위해서는 연구 지역에 분포하는 지층을 대상으로 여러 지점(site)에서 방향이 표시된 암석을 채취하여야 한다. 암석 채취는 좁은 범위에 국한하지 않고 가능한 넓은 지역에서 여러 지점을 택하는 것이 바람직하다. 그래야만 특정지점의 측정 결과에 의존하지 않고, 습곡시험(fold test)과 같은 안정성 시험을 적용할 수 있다. 만일 좁은 지역에서만 암석을 채취할 경우, 그 지역이 구조적으로 복잡한 지각변동이나 자성광물에 변화를 일으킨 지화학적 과정에 의해서 영향을 받았을 때 측정 자료들을 비교할 수 없게 된다. 시료채취 계획이 완성되면 야외에서 야외용 착암기를 이용하여 직경 2.5 cm의 코아시료(core sample)들을 채취한다. 각 노두에서는 가능하면 층리면에 대해
수직ㆍ수평의 약 2∼5 m의 등간격으로 채취장소를 선정하고, 코아 채취시 브란튼 컴퍼스를 이용한 정향법을 이용하여 현장에서 각 코아의 방향을 측정한다. 시료 채취시에는 경사보정을 할 수 있도록 반드시 연구 대상 지층의 주향과 경사를 측정하여야 한다. 채취한 코아시료는 비자성 커팅휠(cutting wheel)이 부착된 암석절단기를 이용하여 2.2 cm 길이로 절단한다.
2. 자력계와 시료의 자연잔류자화
암석의 자연잔류자화(NRM)를 측정하는 기기에는 세 가지 종류가 있다. 고지자기 연구의 초기에는 주로 무정위자력계(astatic magnetometer)가 이용되었으나 건물의 진동이나 지구자기장의 일변화 혹은 실험실 내의 자기장의 변화에 민감하게 반응하여 잡음이 크다는 점이 단점이다. 특히, 자화가 약한 시료에서는 신호/잡음의 비가 작아져서 측정이 불가능하게되어 오늘날에는 거의 사용되지 않는다. 1960년대에 들어와서 개발된 회반자력계(spinner magnetometer)는 시료를 회전시키면서 시료에 의하여 발생되는 자기장의 변화를 감지하는 센서로 구성된다. 통상 시료 1개를 측정하는데 걸리는 시간은 1∼2분 정도이나, 자화의 세기가 감소할수록 측정시간은 증가하며 측정 자료의 신뢰도는 감소한다. 1970년대 초부터 저온자력계(cryogenic magnetometer), 일명 스퀴드(SQUID)자력계가 개발되어 약하게 자화된 시료를 스피너 자력계보다 빠르고 정확하게 측정할 수 있게 되었다. 저온자력계에는 SQUID (Superconducting Quantum Interference Device)라고 하는 자기장 감지센서가 액체 헬륨(온도 4K)이 담긴 용기 내에 놓여져 있어 초전도적으로 암석 시료의 잔류자화를 측정할 수 있다. 저온자력계는 통상 M≤10－7 Gcm3의 시료를 매우 짧은 시간에 측정한다. 그 결과, 초기의 고지자기 연구에서는 주로 자화의 세기가 큰 현무암류와 적색 암석을 연구하였으나, 오늘날에는 거의 모든 암석을 대상으로 연구를 수행하고 있다.
3. 측정 자료의 야외보정과 지층의 경사보정
자력계는 시료에 그려진 시료 좌표계를 기준으로 자화성분을 측정하므로 지리적 북쪽과 수평면을 기준으로 하는 지리적 좌표계로 측정 자료를 보정해야 한다. 또한 지각변동으로 지층이 기울어져 있을 경우에는 이를 다시 보정해 주어야 한다. 왜냐하면, 경사된 지층에 기록된 잔류자화 방향은 지층과 함께 회전되어 있으므로, 지층이 경사되기 이전의 상태로 복원해야만 그 지층이 처음 형성되던 시기의 자화방향을 구할 수 있기 때문이다.
4. 소자법과 자료해석
암석은 생성된 후 오랜 지질시대 동안 여러 가지 지질작용에 의해 2차 잔류자화를 획득하기 때문에 1차 잔류자화성분을 추출하기 위해서는 2차 잔류자화성분을 효과적으로 제거해야 한다. 일반적으로 실험실에서 사용되는 소자법은 교류소자(alternating field demagnetization), 열소자(thermal demagnetization), 그리고 화학소자(chemical demagnetization) 등이 있다.
교류소자법의 원리는 시료를 시간에 따라 감소하는 정현곡선 모양의 교류자기장을 시료에 가하여 항자기력이 약한 자성입자들의 자기능률 혹은 자화방향을 무질서하게 흐뜨려 놓는 것이다. 이 방법은 티탄자철석을 주 자성광물로 갖고 있는 암석에서 2차 자화성분을 제거하고, 1차 자화성분만을 선택적으로 분리하는 데 효과적이다. 암석에서 주로 다자기구역(multi-domain, MD) 입자들이 2차 자화성분의 방향을 보유하고, 1차 자화성분의 방향은 단자기구역(single domain, SD) 혹은 위단자기구역(pseudo-single domain. PSD) 입자들에 의해 보유되어 있다. MD 입자들의 항자기력(coercive force)은 보편적으로 ≤200Oe인 데 반하여, SD나 PSD 입자들은 이보다 높은 항자기력을 갖고 있으므로, 교류소자는 1차 잔류자화 방향에는 영향을 미치지 않으면서 낮은 항자기력의 입자들이 갖고 있는 2차 잔류자기를 제거할 수 있게 된다.
열소자법은 자기장이 0(zero)인 전기로 내에서 시료를 가열하여 어느 온도(소자온도)까지 올린 후, 일정 시간 동안 그 온도를 유지시킨 후, 실온까지 냉각하는 것이다. 이렇게 하여 소자온도보다 낮은 봉쇄온도를 갖고 있는 자성광물 입자들의 자화성분은 지워진다. 항자기력이 큰 적철석을 주된 자성광물로 갖고 있는 암석의 경우 2차 잔류자화를 제거하려면 열소자법이 효과적이다.
암석을 묽은 염산에 담가두면 시간이 지남에 따라 FeTi의 산화물이 용해된다. 암석시료를 묽은 산에 짧은 기간에서 점진적으로 긴 시간동안 담가두어 자성입자를 피복하고 있는 적철석을 녹여내는 소자법을 화학소자라 한다. 화학소자는 적색 퇴적암에 들어 있는 적철석 색소나 적철석의 미소한 결정을 제거하는 데 효과적이다. 그러나 시간이 오래 걸리고 소자과정에서 새로운 재자화 성분이 포함될 수 있다는 단점 때문에 현재는 거의 사용되지 않는다.
열소자의 경우 시료를 어느 온도에서, 교류소자의 경우는 어느 세기의 교류자기장에서 소자했을 때(이를 부분소자라 한다) 낮은 안정도의 자화성분인 2차 잔류자화성분이 먼저 소자된다. 그러나 문제가 되는 것은 그 온도나 그 교류자기장에서 실시된 부분소자로 2차 성분이 완전히 제거되었는지, 아니면 일부분의 2차 성분이 아직 남아 있는지 한번의 부분 소자로서는 알 수 없다. 따라서 낮은 온도나 자기장에서 시료를 소자한 후 남아 있는 잔류자화를 측정하고, 이와 같은 방법으로 계속 한 단계씩 높여가면서 소자실험을 반복하는 단계적 소자가 필요하다. 단계적 소자실험을 통해 얻어진 자료 처리는 벡터 다이어그램(Zijderveld, 1967) 상에 나타나는 방향 변화로부터 주성분분석법(principal component analysis, Kirschvink, 1980)을 이용하여 각 방향성분을 추출한다.
5. 자료의 통계처리와 고지자기 안정도에 대한 야외조사
고지자기 연구에서 여러 수준에서 방향의 평균을 구한다. 즉, 만일 한 개의 시료에서 여러 개의 시편을 측정했을 때는 시료 수준의 평균(시료 평균, sample-mean)을 구한다. 그 다음에는 한 지점으로부터 채취된 각 시료의 시료 평균들을 평균하여 지점 평균(site-mean)을 구하고, 각 지점 평균을 모아서 층 전체의 평균(formation-mean)을 구한다. 각 수준에서 자화방향의 평균을 구하는 방법은 보통 Fisher (1953)가 개발한 통계법을 이용한다.
실험실에서의 단계적 소자실험에 의해서 자연잔류자화의 성분이 분리되며, 분리된 높은 온도 혹은 항자기력의 성분이 연구 지역의 도처에서 관측될 때, 그 성분은 특징적 성분이 될 수 있다. 그러나 단계적 소자실험만으로는 그 특징적 잔류자화가 1차 자화인지를 증명할 수 없다. 왜냐하면 연구 지역의 암석들이 심하게 재자화되어 1차 성분이 거의 다 소멸되었을 경우, 재자화된 2차 성분만이 모든 시료들로부터 관측될 수 있기 때문이다. 그러므로 자화의 획득 시기가 암층이 형성되던 때인지, 아니면 이보다 나중 시대인지를 판단하기 위해서는 고지자기 안정도에 대한 야외시험(field test)이 필요하다. 야외시험에는 습곡시험(fold test), 역전시험(reversals test), 역암시험(conglomerate test), 관입 접촉시험(baked contact test) 및 일관성(consistency) 조사 등이 있으며, 연구지역의
지질학적 조건에 따라 적합한 시험을 선택하여 적용하여야 한다.
고지자기의 응용
고지자기학은 1950년대에 베게너의 대륙 이동설을 증명하였고, 그후 판구조론의 태동과 발전에 주역을 담당해 왔다. 오늘날 고지자기학은 대소 지괴의 이동과
충돌의 역사를 규명하는 중요한 학문으로 발전하였으며, 나아가
지질학적ㆍ지구물리학적ㆍ
고고학적 제반 문제에 응용되고 있다. 지구의 지진활동, 중력, 전기적 특성 등은 지층에 기록되지 않는 일시적인 현상인 것에 반하여, 과거 지구의 자기장, 즉 고지자기는 그 용어가 의미하는 것과 같이 지층이나 고고학적 물질에 기록되어 있다. 그런데 지구의 자기장은 벡터이며 다른 지구물리학적 현상에 비해 비교적 빨리 변하므로, 이러한 특성들을 이용하면 고고학적 물질이나 지층의 연대를 결정할 수 있으며, 지구조적인 여러 문제들을 해결할 수 있다.
1. 지구조적 응용
지각판 위의 대륙들은 어느 특정 지질시대 동안 상대적으로 빠른 속도로
이동하였으며, 해양대지나 해산(seamount)은 해양판과 함께 이동하여 대륙 주변부에 부착되었고, 이로써 대륙이 성장해 왔음이 고지자기 연구에 의해 밝혀졌다. 예를 들어, 현재의 유라시아 대륙은 과거 남반구에 있던 곤드와나 대륙으로부터 분리된 크고 작은 대륙 지각들이 시기를 달리하여 북반구로 이동하여 시베리아 육괴와
충돌ㆍ부착되어 현재의 유라시아 대륙으로 성장하여 왔음이 고지자기 연구로 증명되었다. 또한 북미 대륙의 서부는 과거 태평양 상에 산재해 있던 크고 작은 여러 개의 해양대지나 해산이 먼 거리를 이동하여 기존의 북미 대륙에 부착되어 만들어진 지역이라는 사실도 알려졌다. 고지자기는 이와 같은 대소 육괴의 위도상의 이동에 관한 정보 뿐만 아니라 회전운동에 대한 정량적인 자료를 제공한다. 예를 들면, 단층면을 중심으로 양쪽 지반이 상대적으로 이동하면, 특히 주향이동단층 운동의 경우, 지괴 혹은 지층은 수직축 주위로 회전하게 되고 같은 방향이었던 편각값이 변하게 된다. 따라서 양쪽 지괴의 두 편각값을 비교하면 회전한 정도를 알게된다.
2. 고고학적 응용
고지자기 측정 시료로 인공물(artifacts)을 사용하여 지구의 비쌍극자기장의 변화과정을 측정비교해서 그 인공물의 연대측정을 하는 고지자기학을 특별히 고고지자기학(archeo-magnetism)이라고 부른다. 고고지자기를 연구하면 어떤 지역 내에서 발견되는 유적 또는
유물이 제작 생성된 절대연도 또는 상대적 연령을 비교적 정확하게 알 수 있다. 그 이유는 비쌍극자기장의 영년변화는 비교적 그 진폭이 넓고 빨리 일어나기 때문이다. 고고지자기학을 연구하면 지구자기장 중에서 비쌍극자기장의 생성원인과 메커니즘에 대한 자료수집을 할 수 있기 때문에 전세계 지구내부 물리학자들이 고고학적
유물ㆍ유적 특히 안정한 열잔류자화를 획득할 수 있는 가마터가 많은 한국, 일본, 중국 등에 많은 기대를 하고 있다.
3. 지자기학적 응용
지구의 자기장은 지구의 물리적 특성 중의 하나이며, 그 기원은 외핵의 자기유체역학적 운동에 의한 것으로 설명되고 있다. 그러므로 지구자기장의 기원과 행동을 이해하는 것은 핵, 하부 맨틀, 나아가 지구의 기원을 이해하는 데 중요하다. 역으로, 핵과 하부 맨틀의 특성에 대한 지식의 대부분은 지자기 관측에 근거하고 있다. 지구자기장의 근원을 연구하는 데 가장 큰 제약점은 핵에서 일어나고 있는 과정들이 대부분 수천 년의 시간 규모를 갖고 있는 것이다. 이러한 시간상의 제약점은 고지자기 측정에 의해 과거 지구자기장을 관측하여 해결될 수 있다. 그러므로 지금까지 고지자기 연구에 의해서 밝혀진 지구자기장의 회유(excursion), 극성의 천이(transition), 및 극성의 역전(reversal) 등은 지구자기장의 특성 연구에 중요한 정보를 제공해 준다.
4. 지질연대에 응용
지구자기장은 수천 년을 주기로 영년변화를 하며, 수만 년에서 수천만 년의 주기로 극성을 바꾸어 왔다. 겉보기극의 이동곡선은 시간에 따른 지각판의 이동을 반영한다. 그러므로 지구자기장이 변하는 시간 간격은 수천 년으로부터 수억 년의 범위를 갖고 있다. 따라서 고지자기를 지질연대에 이용하면 신생대 지층에 대해서는 자세하게, 이보다 오래된 지층에 대해서는 신생대 지층에 비해서는 덜 정확하지만 연대 결정이 가능하게 된다. 고지자기를 이용하여 지층을 대비하고 연대를 결정하는 분야를 자기층서학이라 한다. 오늘날 자기층서학은 고지자기학의 중요한 분야로 발전하였으며, 이 방법에 의하여 고지자기학자들은 층서학자, 고생물학자와 협력하여 많은 지질연대 문제를 해결하였다.
한반도의 고지자기 연구
대륙이나 소규모 지괴들의 지구조적 이동의 역사를 연구하는 중요한 방법 중의 하나는 지질 시대에 따른 고지자극 혹은 겉보기 자극 이동곡선을 결정하는 것이다. 임의의 대륙(혹은 지괴)에서 어느 시대의 고지자극을 알면 이로부터 그 시대의 그 지역에 대한 고지자기 방향과 고위도를 계산할 수 있고, 고지자극을 비교함에 의해서 대륙간의 상대적 이동을 결정할 수 있다. 따라서 지질 시대별로 신뢰할 만한 고지자극을 구하는 일은 아주 중요하다.
유라시아 대륙이 여러 개의 크고 작은 지괴들이 부가(accretion)되어 성장했다(McElhinny et al., 1981)는 학설이 발표된 후 고지자기 연구를 통하여 고생대 및 중생대에 일어난 여러 지괴들의 상대적 이동에 대한 연구가 많이 수행되어왔다. 유라시아 동부에 위치한 한반도는 지체구조학적 관점에서 위치에 대한 이견이 많다. 예를 들면, 과거에는 지리적으로 가까운 북중국 지괴에 속한다는 견해가 지배적이었으나, 최근에는 경기육괴가 남중국에 속한다는 의견(Yin and Nie, 1993), 옥천대를 중심으로 북부는 남중국 지괴, 남부는 북중국지괴에 속한다는 견해(Cluzel and Cadet, 1992), 옥천대 남부의 영남육괴가 북중국 지괴에 속한다는 의견(Doh and Piper, 1994), 혹은 독립된 개별지괴일 가능성(Enkin et al., 1992) 등이 있다. 한반도의 고지자기 연구가 주로 지질학적으로 최근인 신생대에서 중생대 말에 해당하는 시기의 암석에 집중되었기 때문에, 유라시아 대륙의 지괴운동이 활발히 일어난 중생대 초 및 그 이전에 대한 고지자기 연구가 필요한 실정이다. 한반도의 중생대 초 및 그 이전에 대한 고지자기 연구는 몇몇 학자들에 의하여 수행되었으나 대다수의 연구들이 암석에 기록된 잔류자기의 세기가 매우 약하여 1차 잔류자화성분 추출에 실패하였거나 지질시대를 대표하기에는 시료수가 부족하였다(Kim and Jeong, 1986; Kim and Van der Voo, 1990; Kim et al., 1992; 민경덕 외, 1993; Lee et al., 1996). 또한, 북동 옥천대에 분포하는 고생대 지층에서 추출한 특성잔류자화 성분이 암석 형성 이후에 획득된 재자화 성분이며, 1차 잔류자화성분은 완전히 제거되었다고 보고된 바 있다(Otofuji et al., 1989; Doh et al., 1997). 지금까지 수행된 한반도의 지질시대 동안의 위치에 대한 고지자기 연구를 종합하면 선캠브리아 이언 말에서부터 고생대 초기까지는 적도 이남 저위도(30°S∼10°S)에 위치했고(김인수, 1989; 김광호와 정재일, 1994) 그 후 고생대 말까지는 적도 부근 저위도에 있었다(김광호, 1990; Doh and Piper, 1994; 이윤수와 민경덕, 1995). 김인수와 임아연(1993)은 한반도가 캠브리아-석탄기 때에 적도 부근에 위치했고 고생대 초기에는 북중국 지괴와 인접했고 고생대 말에는 남중국 지괴에 근접했다고 했으나, Doh and Piper(1994)는 영남육괴에 속하는 삼척지역의 고생대말-중생대초 지층에서 얻은 고지자극의 위치가 같은 시기의 북중국의 고지자기극에 근접함을 지적하였다. 중생대 초 북중국과 남중국 지괴의 충돌 이후 한반도는 계속 북상하여 중생대 말(백악기)에 와서 현재의 위도에 위치했다(Kim and Jeong, 1986). 한반도의 쥬라기 이후의 고지자기 연구자료에 대해서 대체적으로 의견이 일치되고 있으나, 쥬라기 이전의 지질시대에 대해서는 아직 많은 문제들이 논쟁으로 남아있으며 특히 한반도와 유라시아 대륙의 상대적 위치에 관한 문제는 우리나라 고지자기 연구자들이 계속적인 연구에 의해 해결해야 할 중요한 과제 중 하나이다.
지괴의 움직임에 관한 연구 이외에도 고고지자기학 연구로 유적지나 유물의 연대를 추정하고(김광호와 배영부, 1983; 박창고, 1996), 대자율 이방성(anisotropy of magnetic susceptibility)을 이용하여 지구조적 응력의 작용방향을 구하거나(김인수, 1990), 화산암류의 분출근원지를 제시(석동우와 도성재, 1994)하는 등 여러 학문분야에 고지자기 연구가 응용되었다.
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도성재 교수는 미국 University of Rhode Island 해양대학원 졸업 (해양지구물리학 박사)하고 영국 University of Liverpool 지구과학과 방문연구교수, 고려대학교에서 연구교류처장을 역임하였고 현재는 고려대학교 지구환경과학과 교수 겸 고려대학교 학생처장으로 재직 중이다. |