지각평형

요약 지각 및 상부맨틀에서의 정수압균형을 말하며 아이소스타시라고도 한다. 지표면에는 산·바다·골짜기 및 대지 등이 존재하므로 지표는 매우 불규칙한 지형의 요철을 형성하고 있다.

대륙과 해양의 모호면의 깊이

아이소스타시라고도 한다. 지표면에는 산·바다·골짜기 및 대지 등이 존재하므로 지표는 매우 불규칙한 지형의 요철(凹凸)을 형성하고 있다. 지표에서 지형의 요철은 이들의 표면 하중의 크고 작음을 가져오지만 지하에서는 표면 하중의 차이가 소멸되고 정수역학적(靜水力學的)인 균형상태가 유지된다는 것이다. 등압이란 의미의 ‘isostasy’는 1889년 C.E.듀턴에 의하여 사용되었다.

지각평형설의 개념은 19세기 중반 인도의 측지조사 중에서 칼리안퍼와 히말라야산맥 근처의 칼리아나에서 측정된 연직선(鉛直線)의 기울어진 각도분석에서 연유한다. 넓은 평야로 둘러싸인 칼리안퍼에서는 연직선이 지구 중심으로 향하여 있으나, 이곳으로부터 375mile 떨어져 있고 히말라야산맥 옆에 있는 칼리아나에서는 연직선이 산맥의 질량 때문에 산맥 쪽으로 끌려서 약간 기울어진다. 보통 측량과 계산을 통하여 산맥의 부피를 구할 수 있는데, 산맥과 평야를 구성하는 암석의 밀도가 같다고 가정하여 연직선의 기울어지는 각도를 정밀히 계산할 수 있다. 그런데 여기서는 실제 측정된 연직선의 기울기가 계산에 의한 기울기보다 훨씬 작았다. 이러한 사실을 크게 세 가지의 가설로 설명한다.

조지 에어리의 가설

우선 조지 에어리의 가설(1885)은 마치 물 위에 지름이 다른 통나무들이 떠 있을 경우, 지름이 큰 통나무일수록 수면 위로 높이 나오는 것처럼 지각은 일정한 밀도를 가지고 있으며, 산지에서 지각의 두께는 두껍고 해양에서 지각의 두께는 얇다. 이 경우 지각의 정수역학적 상태는 밀도가 큰 하부층, 즉 맨틀에 의해 유지된다는 것이다. 이 가설을 히말라야산맥에 적용하면 하층보다 밀도가 낮은 산맥의 뿌리가 밀도가 큰 하층 속으로 들어가 있기 때문에 원래 밀도가 큰 하층의 물질이 이보다 밀도가 작은 지각에 의해서 치환되므로 질량은 상대적으로 부족해지게 된다. 따라서 연직선의 기울기는 실제 계산값보다 작아진다. 에어리의 가설에서는 해발 0m의 평지에 대한 지각의 두께가 중요한 양이 된다.

존 프래트의 가설

존 프래트의 가설(1858)은 에어리의 가설과는 달리 지각의 밀도는 산지에서는 작고 평지에서는 크므로 일정하지 않지만, 깊이는 어느 곳에서나 같고 그 깊이에서는 모든 질량이 동일하게 유지된다는 것이다. 산지에서 해수면 위의 과다질량은 해수면 아래에서의 질량결손에 의해 보상된다.

에어리와 프래트의 가설 한계

에어리의 가설이나 프래트의 가설은 지각평형을 설명하는 데에는 각각 장단점을 가지고 있다. 즉 에어리의 가설에서는 탄성파탐사에 의해 알려진 바와 같이 산맥 뿌리의 존재를 설명할 수는 있으나 지각밀도가 일정하다는 가정에는 모순이 있다. 그것은 지구의 밀도가 지표 이하로 들어갈수록 커지며 지표에서도 해양저(海洋底) 지각밀도가 육지의 지각밀도보다 크기 때문이다. 또 프래트의 가설에서도 지역에 따라서 밀도가 다른 점은 설명하였으나 심부에서의 밀도의 변화를 설명하지 못하여 산맥 뿌리의 존재를 설명하지는 못했다.

하이스캐넨의 가설

에어리와 프래트의 가설이 지각평형을 완전하게 설명할 수는 없었기 때문에 W.하이스캐넨은 다음과 같은 가설(1933)을 제시하였다. 즉 지각 속으로 들어갈수록 0.004g/cm³/km로 밀도가 증가할 뿐만 아니라, 지역에 따라서도 밀도가 다르게 분포하여 해양저 지각에서 밀도가 가장 크고 육지로 갈수록 밀도가 낮아지는 분포를 갖는다. 또한 해수면 위로 나온 지각이 많을수록 지각의 두께는 두꺼워져서 하부층, 즉 맨틀 속으로 들어가게 된다. 그리하여 밀도가 큰 하부층의 물질이 밀도가 작은 지각에 의해서 치환되므로 질량은 상대적으로 부족해진다. 이 결과 지하에서는 지각의 무게가 동일한 면이 존재하게 된다. 이러한 사실은 중력이상(gravity anomaly)에 의한 증거에서도 찾아볼 수 있다. 중력의 부게이상(Bouguer anomaly)은 일반적으로 산지에서 음(陰)이 되며, 관측점의 높이가 높아질수록 음의 절대값이 커진다. 또한 이 비율은 대략 10m에 대해서 1mGal(1 mGal=10^-3cm/s²)이다.

한편 두께 10m의 암석층이 2차원적으로 펼쳐져 있는 경우, 이 암석층이 바깥점에 미치는 인력은 1mGal이다. 이 사실은 산지 아래에서는 그 산지와 같은 크기의 질량이 부족된다는 사실을 보여준다. 즉, 산지처럼 지표에 질량의 과잉이 있는 곳에서는 그 아래에 그만한 질량부족이 있으며, 전체로서는 이들 과부족이 서로 상쇄되어 있다고 생각된다.

지각평형의 예

지각평형의 한 예로서 스칸디나비아 반도를 들 수 있다. 일찍이 이곳을 덮고 있던 빙하가 녹음에 따라 지표가 현재 상승하고 있으며 중력이상은 음의 값을 나타내고 있는데 이것은 정수역학적 균형 상태를 맞추어 가는 단계임을 보여준다. B.구텐베르크(1954)는 이 지역의 융기하는 비율이 100년 당 1m라고 추적하였으며, 9000년 전 빙하가 녹은 후 지금까지 250m가 상승하였으며, 아직 200m가 더 상승하여야 한다고 하였다. 이 지각균형을 되찾기 위해서는 융기하는 지역의 지각 밑으로 주위에서 하부층의 물질이 공급되어야 할 것이다.