대륙 이동설(베게너와 판게아)

19세기 초부터 일부 지리학자와 지질학자들은 대서양 양쪽의 해안선이 퍼즐처럼 맞물리는 듯한 모습에 주목했다. 1858년, 미국의 지리학자 안토니오 스나이더펠레니는 북아메리카와 유럽의 해안선 일치를 지도에 표시하며, 이들이 과거 하나의 대륙이었을 가능성을 처음으로 제안했다[2].

19세기 후반에는 화석 증거가 축적되기 시작했다. 남아메리카와 아프리카에서 발견된 유사한 중생대 파충류 화석, 특히 용각류 공룡과 키노그나투스와 같은 파충류의 분포는 당시 알려진 육교 이론으로는 설명하기 어려웠다. 오스트리아의 지질학자 에두아르트 주스는 1885년 저서 '지구의 표면'에서, 남반구의 대륙들이 과거 하나의 거대한 육지 덩어리를 이루었을 것이라고 추론하며 '곤드와나'라는 이름을 붙였다.

이 시기의 주요 가설들은 대륙의 수평 이동보다는 육지 다리(육교)의 침강이나 대륙 자체의 침강을 통한 설명에 의존했다. 표는 베게너 이전의 주요 관측과 가설을 정리한 것이다.

이러한 초기 관측과 가설들은 체계적인 이론으로 발전하지는 못했으나, 대륙이 고정되어 있다는 당시의 통념에 의문을 제기하는 기초 자료를 제공했다. 특히 에두아르트 주스의 곤드와나 개념은 이후 알프레드 베게너가 판게아를 상정하는 데 중요한 토대가 되었다.

1912년 독일의 기상학자이자 지구물리학자인 알프레드 베게너는 당시 지배적이었던 대륙 고정설에 도전하는 혁명적인 가설을 발표했다. 그는 자신의 저서 『대륙과 해양의 기원』(1915년 초판)에서 모든 대륙이 과거 하나의 초대륙을 이루었으며, 이후 분리되어 이동해 현재의 위치에 이르렀다고 주장했다. 베게너는 이 초대륙에 판게아라는 이름을 붙였으며, 그 주변을 둘러싼 거대한 바다를 판탈라사라고 명명했다.

베게너의 가설은 다양한 학문 분야의 증거를 종합하여 제시되었다. 그는 남아메리카와 아프리카의 해안선이 퍼즐처럼 맞물리는 형태적 일치를 최초의 근거로 들었다. 더 나아가, 대서양을 사이에 두고 멀리 떨어진 대륙들에서 발견되는 화석, 암석층, 그리고 고기후의 흔적들이 유사하다는 점을 강력한 증거로 제시했다. 예를 들어, 남미와 아프리카에서 공통적으로 발견되는 용각류 화석이나, 남극에서 발견된 열대 식물 글로소프테리스의 화석은 과거 대륙이 연결되어 있었음을 시사했다.

그러나 베게너의 이론은 결정적인 약점을 안고 있었다. 바로 대륙을 이동시키는 원동력에 대한 설득력 있는 설명이 부족했다는 점이다. 그는 대륙이 지구의 자전에 의한 조석력이나 극이동에 의한 원심력과 같은 힘에 의해 해양 지각 위를 '표류'한다고 제안했지만, 이러한 메커니즘은 대부분의 지질학자들에게 물리적으로 불충분한 것으로 받아들여졌다. 이 원동력 문제는 그의 이론이 당시 학계로부터 격렬한 비판을 받는 주요 원인이 되었다.

알프레드 베게너가 대륙 이동설을 주장하는 데 있어 가장 직접적이고 시각적인 증거로 제시한 것은 남아메리카 대륙의 동해안과 아프리카 대륙의 서해안의 모양이 서로 맞물리는 듯한 놀라운 일치성이었다. 그는 1915년 출판된 저서 『대륙과 대양의 기원』에서 이 사실을 강조하며, 두 대륙이 과거 하나의 거대한 대륙이었을 가능성을 처음으로 체계적으로 논증했다.

베게너는 당시 이용 가능한 지도를 바탕으로, 특히 브라질의 돌출부와 아프리카의 기니만이 거의 완벽하게 들어맞는다는 점을 지적했다. 그는 해안선 자체보다는 대륙붕의 경계, 즉 해수면 약 200미터 깊이의 등심선을 기준으로 대륙을 맞추는 것이 더 정확한 비교 방법이라고 주장했다. 이는 해안선이 침식과 퇴적작용에 의해 변화할 수 있지만, 대륙붕의 경계는 대륙 지각의 진정한 경계에 더 가깝기 때문이었다.

이러한 해안선의 일치는 우연의 일치로 보기 어렵다는 것이 베게너의 주장이었다. 그는 두 대륙이 약 2억 년 전까지 연결되어 있었다가 서서히 갈라져 현재의 위치로 이동했다고 설명했다. 이 관찰은 이후 판게아라는 초대륙의 존재를 상정하는 근간이 되었다. 그러나 당시 많은 지질학자들은 이 증거를 단순히 우연한 일치로 치부하거나, 대규모의 지각 침하로 인해 대륙 사이의 땅이 가라앉았다는 설로 반박하기도 했다[3].

알프레드 베게너가 제시한 대륙 이동설의 핵심 증거 중 하나는 현재 멀리 떨어진 대륙들에서 발견되는 동일한 종류의 화석이었다. 그는 이러한 화석 분포는 대륙이 과거에 하나의 초대륙인 판게아를 이루고 있었다가 분리되었기 때문에 설명될 수 있다고 주장했다. 만약 대륙이 항상 현재의 위치에 고정되어 있었다면, 이러한 화석의 분포는 바다를 건너는 생물의 광범위한 이동을 가정해야 하는데, 이는 많은 경우 생물학적으로 불가능해 보였다.

가장 유명한 사례는 파충류 메소사우루스의 화석이다. 이 민물에서 사는 파충류의 화석은 남미의 브라질과 아프리카의 남아프리카 공화국 해안 지역에서만 발견된다. 메소사우루스가 대서양처럼 광대한 염수를 헤엄쳐 건널 수 있었다는 것은 생리적으로 매우 불가능해 보인다. 따라서 두 대륙이 과거에 연결되어 있었고, 그 사이에 민물 호수나 강이 존재했다고 보는 것이 훨씬 합리적인 설명이다.

또 다른 강력한 증거는 양치식물 글로소프테리스와 파충류 리스트로사우루스의 화석 분포이다. 글로소프테리스는 씨앗이 크고 날아다니기 어려운 고사리류 식물로, 인도, 남극대륙, 오스트레일리아, 남아메리카, 남아프리카 등 남반구의 여러 대륙에서 광범위하게 발견된다. 리스트로사우루스는 육지에 사는 파충류로, 남아프리카, 인도, 남극대륙, 중국 등에서 화석이 발견되었다. 이러한 생물들이 스스로 또는 바람에 의해 광대한 바다를 건너 모든 대륙에 퍼졌다는 것은 상상하기 어렵다.

베게너는 이러한 화석 증거들을 지도에 표시하여, 이들이 판게아가 존재했을 당시에는 서로 인접한 지역에 살았음을 보여주었다. 아래 표는 주요 화석 증거와 그 분포 대륙을 정리한 것이다.

이러한 화석 증거들은 베게너의 이론을 지지하는 강력한 생물지리학적 근거가 되었다. 당시 지질학자들은 이러한 분포를 설명하기 위해 '육교설'과 같은 대안을 제시했으나, 이러한 가상의 육지가 존재했다는 지질학적 증거는 발견되지 않았다.

고기후학적 증거는 고대 기후의 흔적이 현재의 대륙 분포로는 설명하기 어렵고, 대륙이 이동했다고 가정할 때 비로소 합리적으로 해석될 수 있다는 점에 기반을 둔다. 알프레드 베게너는 열대 우림의 흔적인 석탄층이 남극 대륙과 같은 극지역에서 발견되고, 한때 사막 기후였음을 나타내는 사암과 염류 퇴적물이 유럽과 북아메리카에서 발견되는 등 현대의 기후대와 맞지 않는 고기후 기록을 주목했다.

예를 들어, 남극 대륙에서 발견된 광대한 석탄층은 과거 이 지역이 따뜻하고 습한 기후였음을 시사한다. 반면, 인도와 아프리카 남부, 남아메리카의 일부 지역에서는 고생대 후기에 대륙 빙하 활동의 흔적인 빙성암과 홈이 파인 바위가 발견된다. 이러한 빙하 흔적은 현재는 서로 멀리 떨어진 열대 및 아열대 지역에 산재해 있다.

베게너는 이러한 모순된 증거들이 대륙이 고정되어 있다는 가정 아래에서는 설명이 불가능하다고 보았다. 대신, 모든 대륙이 하나로 모여 있었던 판게아 초대륙 시대에는 남극 지역이 적도 근처에 위치해 숲이 무성할 수 있었고, 인도와 남아프리카 등은 당시 남극점 근처에 모여 있어 대규모 빙하 작용이 일어날 수 있었다고 주장했다. 따라서 고기후 증거의 분포는 대륙 이동을 통해 가장 자연스럽게 설명될 수 있는 강력한 지지 자료가 되었다.

알프레드 베게너는 대륙 이동의 증거로 여러 지질학적 및 구조적 특징의 연속성을 제시했다. 그중 가장 유명한 것은 아프리카 서부와 남아메리카 동부에 걸쳐 분포하는 고대의 산맥 구조의 일치이다. 브라질 동부의 산악 지대와 서아프리카의 산악 지대는 암석의 종류, 연대, 그리고 지질 구조가 서로 연결될 때 완벽하게 이어지는 것으로 보였다[4]. 마치 한때 하나였던 종이 조각을 찢어 놓은 것처럼, 대륙의 해안선뿐만 아니라 내륙의 지질 구조도 맞물리는 것이었다.

또한, 특정 종류의 퇴적암이나 광상의 분포도 중요한 증거로 여겨졌다. 예를 들어, 남아메리카와 아프리카 양쪽 대륙에서 발견되는 특정 시기의 빙퇴적층, 또는 유사한 석탄층과 같은 지층 대비는 과거 두 대륙이 하나의 환경에서 형성되었음을 시사했다. 이러한 지질학적 유사성은 단순한 우연이나 독립적인 환경에서의 유사한 과정으로 설명하기보다는, 대륙이 물리적으로 연결된 상태에서 형성된 후 분리되었다는 가설을 지지했다.

베게너는 또한 구조선의 연속성을 지적했다. 주요 단층선이나 습곡대의 축선이 한 대륙의 해안에서 끝나는 것이 아니라, 대륙을 맞춰 보면 반대편 대륙의 구조선으로 자연스럽게 이어지는 경우가 관찰되었다. 아래 표는 주요 지질학적 증거 사례를 정리한 것이다.

이러한 지질학적 증거들은 해안선의 형태적 일치보다 더 강력한 논리를 제공했는데, 그것은 대륙의 가장자리뿐만 아니라 내부 깊숙한 지질 역사까지 공유하고 있음을 보여주었기 때문이다. 베게너는 이 모든 증거들을 종합하여, 오늘날의 대륙들은 과거 판게아라는 하나의 초대륙이 분열되고 이동한 결과라고 주장했다.

베게너는 대륙이 이동하는 원동력으로 지구 자전에 의한 조석력과 극이동에 의한 원심력을 제시했다. 그러나 당시 지질학자와 물리학자들은 이러한 힘들이 대륙을 움직이기에 턱없이 약하다고 지적했다. 조석력은 지구 자전을 느리게 하는 효과는 있을지언정, 단단한 지각을 수천 킬로미터나 이동시킬 만큼 강력하지 않았다.

보다 근본적인 문제는 대륙이 어떤 매질 위를, 어떻게 이동하는지에 대한 설명이 부족했다는 점이다. 베게너는 대륙 규산염 암석인 시아륄이, 해양저를 이루는 보다 무거운 현무암질 암석인 시마 위를 마치 배가 물 위를 떠다니듯이 미끄러진다고 주장했다. 그러나 당시의 지각 물성에 대한 이해로는, 단단한 대륙 지각이 그보다 더 단단한 해양 지각을 뚫고 이동한다는 개념을 받아들이기 어려웠다. 이동 과정에서 발생할 거대한 마찰력을 이겨낼 메커니즘이 제시되지 못했다.

이 원동력 문제는 대륙 이동설이 초기에 과학계의 냉담한 반응을 맞은 가장 큰 이유 중 하나였다. 베게너 자신도 이 문제를 인지하고 있었으며, 그의 저서에서 "대륙 이동의 원인 문제는 아직 완전히 해결되지 않았다"고 기술했다[5]. 이 난제는 이후 맨틀 대류설과 해저 확장설의 증거가 발견되면서, 판구조론이라는 새로운 틀 속에서 해결되었다.

베게너의 대륙 이동설은 1915년 그의 저서 『대륙과 해양의 기원』에서 공식 발표된 이후, 지질학계로부터 강력한 비판과 거부에 직면했다. 당시 지질학의 주류는 지구 수축설과 지구 팽창설과 같은 정설을 고수하고 있었으며, 대륙이 수천 킬로미터를 이동한다는 발상은 너무나 급진적으로 받아들여졌다.

주요 반대 세력은 북미와 유럽의 지질학자들이었다. 그들은 베게너가 기상학자 출신이라는 점을 들어 그의 지질학적 전문성을 의심했다. 또한, 베게너가 제시한 대륙 이동의 원동력으로 조석력과 극이동을 제안했으나, 이는 지구 물리학적 계산상 불충분한 것으로 판명되어 가장 큰 약점으로 지적받았다. 많은 학자들은 대륙이 고체 상태의 해양 지각을 가로지르며 이동하는 것이 물리적으로 불가능하다고 여겼다.

1920년대와 1930년대에 걸쳐 열린 여러 학술 회의에서 이론은 격렬한 논쟁의 중심에 섰다. 1926년 미국 석유 지질학자 협회가 개최한 심포지엄에서는 대륙 이동설에 대한 공식 토론이 이루어졌으며, 대부분의 참석자들이 이론을 부정적인 시각으로 바라보았다. 그러나 소수의 지지자들, 특히 남반구의 지질학자들은 남아메리카와 아프리카의 지질 구조 및 화석 증거가 설득력 있다고 주장했다.

결국, 1930년 베게너가 그린란드 탐사 중 사망한 후, 대륙 이동설은 주류 지질학계에서 거의 잊혀진 이론이 되었다. 1940년대와 1950년대 초반은 이론에 대한 관심이 크게 줄어든 '침묵기'로 여겨진다. 그러나 남아프리카의 알렉산더 듀 토이트와 같은 지지자들은 증거를 계속 수집하며 이론을 변호했고, 이 시기의 연구는 이후 판구조론이 정립되는 데 중요한 토대를 제공했다. 대륙 이동설의 본격적인 재평가와 수용은 1950년대 후반 해저 확장설과 고지자기 증거가 등장하면서부터 시작되었다.

해저 확장설은 대륙 이동설이 직면한 가장 큰 난제인 이동 원동력 문제를 해결하고, 이를 현대 판구조론으로 발전시키는 결정적 계기를 마련한 이론이다. 이 개념은 1960년대 초 해양지질학과 해양지구물리학의 발전을 바탕으로 정립되었다.

핵심 아이디어는 해양 지각이 해령이라 불리는 해저 산맥에서 새로 생성되어 양쪽으로 확장되고, 오래된 지각은 해구에서 다시 맨틀로 침강하여 소멸한다는 것이다. 이 과정은 맨틀 대류설에 기반한 대류 현상으로 설명되었다. 주요 증거는 다음과 같다.

해저 확장설은 해령에서의 지각 생성과 해구에서의 소멸이라는 순환 메커니즘을 제시함으로써 대륙이 단순히 해양 지각 위를 '표류'한다는 베게너의 초기 모델을 근본적으로 수정했다. 대신, 지각 자체가 끊임없이 생성되고 이동하며 소멸하는, 보다 역동적인 지구 시스템을 제안했다. 이 발견은 대륙 이동설을 지지하는 강력한 물리적 메커니즘을 제공했을 뿐만 아니라, 모든 지각 운동을 하나의 통합된 이론으로 설명하는 판구조론으로 가는 길을 열었다.

1960년대 후반, 해저 확장설과 다양한 새로운 지구물리학적 관측 자료들이 통합되면서 현대 판구조론의 기본 틀이 완성되었다. 이 이론은 대륙 이동설이 제시한 현상을 설명하는 근본적인 메커니즘을 제공했다.

핵심 개념은 지구의 암석권이 여러 개의 딱딱한 판으로 나뉘어 있으며, 이 판들이 그 아래의 점성이 높은 연약권 위를 이동한다는 것이다. 판의 경계는 세 가지 주요 유형으로 구분된다.

이론의 정립은 1968년, 제이슨 모건, 댄 매켄지, 자비에 르 피숑 등에 의해 지구 표면의 운동을 기술한 수학적 모델이 제시되면서 절정에 달했다. 그들은 지구를 덮고 있는 약 10여 개의 주요 판과 여러 개의 소판으로 구분하고, 이들의 상대 운동을 정량적으로 설명했다. 판구조론은 지진의 분포, 화산 활동, 산맥 형성, 해구와 해령의 존재 등 지구의 주요 지질 및 지형 현상을 포괄적으로 설명하는 패러다임으로 자리 잡았다.

초대륙 주기는 지구 역사상 대륙들이 모여 하나의 거대한 초대륙을 형성했다가 다시 분열하고, 이후 새로운 초대륙으로 재결합하는 과정이 일정한 간격을 두고 반복된다는 가설적 개념이다. 이 주기는 약 3억 년에서 6억 년 정도의 장주기로 일어나는 것으로 추정된다. 이 개념은 대륙 이동설과 판구조론을 바탕으로 하여, 지구의 지질 활동이 장기적인 패턴을 가진다는 생각에서 발전했다.

가장 최근에 존재한 것으로 알려진 초대륙은 약 3억 3천만 년 전에서 1억 8천만 년 전까지 존재한 판게아이다. 그러나 판게아 이전에도 여러 초대륙이 존재했을 것으로 여겨진다. 주요한 초대륙으로는 약 11억 년 전의 로디니아, 약 18억 년 전의 컬럼비아(누나), 그리고 약 27억 년 전의 케노랜드 등이 제안되었다. 이들의 존재와 주기는 대륙 지각의 암석 기록, 고지자기 자료, 지질대의 대비 등을 통해 추론된다.

초대륙이 형성되고 분열되는 주기의 원동력은 일반적으로 맨틀 깊은 곳에서의 열적 과정과 연결 지어 설명된다. 초대륙이 지구 표면을 덮으면 맨틀 내부의 열이 외부로 효율적으로 발산되지 못하고 축적된다. 이 축적된 열은 결국 맨틀 대류의 패턴을 변화시켜 초대륙 아래에서 상승류를 발생시키고, 이로 인해 초대륙이 갈라지기 시작한다는 것이다. 분열된 대륙들은 이후 맨틀 대류의 흐름에 따라 이동하다가 다시 다른 곳에서 충돌하여 새로운 초대륙을 형성하는 순환을 반복한다.

이 주기는 생물의 진화와 대멸종, 그리고 기후 변화와도 깊은 연관이 있는 것으로 연구된다. 초대륙이 형성될 때는 내륙의 거대한 건조 지역이 발달하고 해양 순환이 제한될 수 있으며, 대륙이 분열될 때는 해안선이 길어지고 새로운 생태계가 만들어지는 등 지구 환경에 지대한 영향을 미쳤다.

맨틀 대류설은 지구의 맨틀 내부에서 물질이 열적 불균형으로 인해 순환 흐름을 일으킨다는 가설이다. 이 개념은 대륙 이동설이 제기한 대륙 이동의 원동력을 설명하기 위해 발전되었다. 초기에는 알프레드 베게너 자신도 명확한 원동력을 제시하지 못했고, 단순히 조석력이나 원심력을 원인으로 추정했으나 이는 지질학계의 강한 반론을 받았다. 이에 대한 대안적 메커니즘으로, 맨틀 내부의 열적 대류가 대륙을 움직이는 동력원일 수 있다는 생각이 대두되었다.

맨틀 대류설의 구체적 모델은 1920년대 말부터 1930년대에 걸쳐 아서 홈스 같은 지질학자들에 의해 체계화되었다. 이 가설에 따르면, 지구 내부의 방사성 원소 붕괴로 인한 열이 맨틀 하부를 가열하면, 가열된 암석이 팽창하여 밀도가 낮아지고 상승한다. 상승한 물질은 암석권 하부에서 수평 방향으로 퍼진 후, 열을 잃고 냉각되어 밀도가 높아지면 다시 맨틀 깊은 곳으로 가라앉는다. 이렇게 형성된 대류 세포의 상부 수평 흐름이 위에 있는 대륙 지각을 끌고 가거나 밀어내어 이동시킬 수 있다고 설명되었다.

맨틀 대류설은 판구조론이 정립되는 데 중요한 개념적 토대를 제공했다. 그러나 현대 판구조론에서 대륙과 해양판을 움직이는 주요 동력은 맨틀 전체의 단일 대류 세포보다는, 해령에서의 해저 확장에 따른 판의 중력적 침강(슬래브 풀)과 맨틀 내 부분적 대류, 그리고 맨틀 깊은 곳의 맨틀 플룸과 같은 복합적 과정으로 이해되고 있다. 따라서 맨틀 대류설은 역사적으로 중요한 과도기적 이론이자, 현대 지구 내부 동력학 모델의 중요한 구성 요소로 평가된다.