심해저 평원, 해구, 해령, 해산 (r1)

심해저 평원은 주로 해양 지각 위에 쌓인 두꺼운 퇴적층에 의해 형성된다. 이 퇴적물의 주요 공급원은 대륙에서 유입되는 육성 퇴적물과 생물 기원 퇴적물이다. 대륙 주변부의 대륙붕과 대륙사면에서 흘러내린 혼탁류가 평탄한 지형을 만들고, 수심 4,000~6,000미터에 이르는 심해까지 퇴적물을 운반한다. 또한, 해양 표층에서 사망한 플랑크톤 등의 유기체 잔해가 가라앉아 형성되는 생물 기원 진흙도 중요한 구성 성분이다.

심해저 평원의 가장 두드러진 특징은 그 극단적인 평탄함이다. 경사는 보통 1:1,000 미만으로, 지구 표면에서 가장 평평한 지역 중 하나이다. 이는 퇴적물이 지형의 기복을 균일하게 메우고 평평하게 덮기 때문이다. 또한, 심해저 평원은 광대한 면적을 차지하며, 특히 태평양, 대서양, 인도양의 심해 분지에서 널리 발달한다.

이러한 평탄한 지형은 해저 지진에 의해 발생하는 해저 지진해일이 장거리를 이동하는 데 영향을 미친다. 또한, 두꺼운 퇴적층은 지구의 기후 역사와 고해양 환경을 기록한 중요한 자료 저장고 역할을 한다.

심해저 평원의 퇴적물은 주로 점토와 규조류와 같은 미세한 생물 기원 물질로 구성된다. 이 퇴적물들은 수심 4,000미터 이상의 심해 환경에서 매우 느리게, 그러나 꾸준히 쌓인다. 퇴적 속도는 일반적으로 1,000년에 수 밀리미터에서 수 센티미터에 불과하여, 지질학적 시간尺度로도 매우 느린 과정이다.

퇴적물의 분포는 해양 순환과 생산성에 크게 영향을 받는다. 용승이 활발한 해역에서는 플랑크톤이 풍부하여 생물 기원 퇴적물이 두껍게 쌓이는 반면, 생산성이 낮은 해역에서는 적색 점토가 우세하다. 또한, 대륙붕이나 해산에서 유래된 혼탁류 퇴적물이 평원의 일부 지역을 덮는 경우도 있다. 주요 퇴적물 유형은 다음과 같다.

이러한 퇴적물은 지구 환경 변화의 기록 보관소 역할을 한다. 퇴적층 내에 보존된 미화석과 화학적 신호를 분석하면 과거의 기후 변화, 해수면 변동, 해양 생산성 변동 등을 복원할 수 있다. 특히, 해저 시추 코어를 통해 얻은 퇴적물 샘플은 수백만 년에 걸친 고환경 정보를 제공하는 중요한 자료가 된다.

해구는 판 구조론에서 수렴형 경계의 가장 특징적인 지표 지형이다. 이곳에서는 해양 지각을 구성하는 해양판이 다른 판 아래로 가라앉는 섭입대가 형성된다. 해구는 주로 대륙판과 해양판이 만나는 지역이나 두 해양판이 만나는 지역에서 발견되며, 지구상에서 가장 깊은 지점을 포함한다.

해구의 형성은 직접적으로 판의 운동과 연결된다. 밀도가 높고 무거운 해양판이 상대적으로 가볍고 두꺼운 대륙판이나 다른 해양판 아래로 섭입하면서, 해양판이 휘어지고 굴곡이 생기며 긴 V자형의 함몰 지형이 만들어진다. 이 과정은 지진 활동을 수반하며, 해구와 인접한 섭입대는 심발 지진과 화산 활동의 원인이 된다.

다음 표는 판 경계 유형과 해구 형성의 관계를 보여준다.

해구의 깊이와 경사는 섭입하는 판의 나이, 속도, 각도 등 여러 요인에 의해 결정된다. 일반적으로 나이가 많고 차가워져 밀도가 높은 해양판이 더 급격하게 섭입하며, 더 깊고 가파른 해구를 형성하는 경향이 있다. 따라서 해구는 지구 내부의 물질 순환과 에너지 이동을 가시적으로 보여주는 창구 역할을 한다.

마리아나 해구는 지구에서 가장 깊은 해구이며, 그 최심부는 챌린저 해연이라고 불린다. 이 지점의 수심은 해수면 아래 약 11,034미터에 달한다. 태평양판이 필리핀해판 아래로 빠르게 섭입하는 지역에 위치한다.

페루-칠레 해구는 길이가 약 5,900킬로미터에 달하여 세계에서 가장 긴 해구 중 하나이다. 남아메리카 대륙의 서안을 따라 발달해 있으며, 여기서 나스카판이 남아메리카판 아래로 섭입한다. 이 섭입대는 안데스 산맥의 주요 생성 원인이 된다.

대서양에는 태평양에 비해 해구가 상대적으로 적다. 가장 대표적인 것은 푸에르토리코 해구로, 북아메리카판과 카리브판의 복잡한 경계에 위치한다. 이 해구는 대서양에서 가장 깊은 지점을 포함하며, 역사적으로 강력한 지진이 발생한 지역이기도 하다.

일본 근해에는 쿠릴-캄차카 해구(일본 해구)와 이즈-오가사와라 해구 등 여러 주요 해구가 존재한다. 이 지역은 태평양판이 여러 소규모 판(오호츠크판, 필리핀해판 등) 아래로 섭입하는 복잡한 지각 구조를 보여준다. 이 해구들은 일본 열도에 빈번한 지진과 화산 활동을 일으키는 원인이 된다.

해령의 정중앙을 따라 놓인 긴 골짜기 형태의 지형을 중앙 해곡이라고 부른다. 이 지형은 해령이 해저 확장의 중심축 역할을 하는 곳으로, 지각이 갈라지면서 생성된다. 중앙 해곡의 폭은 수 킬로미터에서 수십 킬로미터에 이르며, 깊이는 주변 해령 정상부보다 수백 미터 더 깊은 경우가 많다. 이곳은 지구 내부의 맨틀에서 상승하는 고온의 암석이 새로운 해양 지각을 형성하는 주요 장소이다.

중앙 해곡을 따라 활발한 화산 활동이 일어난다. 상승한 맨틀 물질은 압력이 낮아지면서 부분 용융되어 마그마를 생성한다. 이 마그마는 지각의 균열을 따라 분출하여 용암이 된다. 해저에서 분출하는 용암은 빠르게 냉각되어 특유의 형태를 띠는데, 이를 베개 용암이라고 한다. 이 화산 활동은 새로운 해양 지각을 끊임없이 추가하며, 해령의 양쪽으로 지각이 이동하는 해저 확장 과정을 직접적으로 뒷받침한다.

활동의 강도는 해령에 따라 다르다. 동태평양 해령과 같이 확장 속도가 빠른 해령은 비교적 넓고 완만한 중앙 해곡을 가지며, 마그마 공급이 풍부하여 화산 활동이 지속적이다. 반면, 대서양 중앙 해령과 같이 확장 속도가 느린 해령은 좁고 깊은 중앙 해곡을 형성하는 경향이 있으며, 화산 활동이 간헐적으로 일어난다. 이러한 화산 활동은 열수 분출구와 같은 독특한 지질 구조를 만들어내기도 한다.

해저 확장설을 뒷받침하는 가장 직접적인 증거는 해령의 축을 따라 분포하는 대자화대의 발견이다. 1960년대 초, 해저의 지자기 이상을 측정한 결과, 해령을 중심으로 좌우 대칭을 이루는 띠 모양의 자화 패턴이 확인되었다. 이는 지구의 자기장이 주기적으로 반전하는 동안, 해령에서 분출된 현무암이 당시의 지자기 방향으로 고정적으로 자화되어, 해저가 양쪽으로 확장되면서 형성된 기록으로 해석된다.

해령 주변의 지진 활동과 열류량 분포도 중요한 증거를 제공한다. 해령 축부는 천발 지진이 집중적으로 발생하는 지역이며, 해저 화산 활동이 활발하다. 또한 해령의 정상부로 갈수록 열류량이 현저히 높게 측정되는데, 이는 맨틀에서 상승하는 고온의 맨틀 대류가 해저 지각을 생성하고 양쪽으로 밀어내는 과정에서 발생하는 열적 특징과 일치한다.

해령에서 채취된 해저 암석의 연대는 해령 축에서 멀어질수록 점차 증가하는 경향을 보인다. 가장 젊은 암석은 해령의 중앙 해곡에 위치하며, 양쪽으로 갈수록 점점 오래된 암석이 발견된다. 이 연대의 체계적인 분포는 해령이 새로운 해양 지각이 생성되는 곳이며, 이 지각이 시간이 지남에 따라 이동한다는 직접적인 지질학적 증거가 된다.

이러한 증거들은 표로 정리될 수 있다.

이러한 다양한 관측 결과들은 판 구조론의 핵심 메커니즘인 해저 확장을 강력히 지지하며, 해양 분지의 생성과 진화를 이해하는 데 기초를 제공한다.

해산은 주로 화산 활동에 의해 형성된 해저 산지이다. 대부분의 해산은 해양 지각 위에서 발생하는 점성 화산이나 순상 화산의 활동 결과물이다. 이들은 해령이나 섭입대와 같은 판 경계에서 멀리 떨어진 열점 상에서도 생성될 수 있다. 열점은 지구 맨틀 깊은 곳에서 상승하는 고온의 맨틀 플룸이 지각을 뚫고 나오는 지점으로, 이 위에 해양판이 이동하면 일련의 해산들이 사슬 모양으로 배열된다[4].

해산의 형태는 크게 뾰족한 원뿔형에서부터 넓고 평평한 정상을 가진 가이욧까지 다양하다. 원뿔형 해산은 비교적 젊은 화산 활동을 나타내는 반면, 가이욧은 생성된 후 장기간에 걸쳐 파랑과 해류에 의한 침식으로 정상부가 평탄해지고, 이후 해양판의 냉각과 침강으로 인해 서서히 가라앉아 형성된다. 해산의 정상부 깊이는 수백 미터에서 수천 미터에 이르며, 그 크기는 정상 직경이 수 킬로미터에서 수십 킬로미터에 달한다.

이러한 형태적 차이는 화산 활동의 종류, 용암의 성질, 그리고 형성 후 겪은 지질학적 과정의 차이를 반영한다.

해산은 주변의 심해저 평원과 비교하여 생물 다양성의 핵심적인 거점 역할을 한다. 그 정상부는 종종 광합성을 하는 식물플랑크톤이 번성할 수 있는 수심까지 솟아올라, 1차 생산자를 기반으로 한 풍부한 먹이 사슬을 형성한다. 이는 주변 심해보다 훨씬 높은 생물량을 유지하게 하는 원동력이 된다.

해산의 경사면과 정상부는 다양한 서식지를 제공한다. 경사면은 해류를 변화시키고, 상승류를 일으켜 영양염을 공급한다. 이러한 물리적 환경은 저서생물과 중층어류에게 중요한 은신처와 먹이 공급지를 마련한다. 특히 정상이 수면 가까이 있는 해산의 경우, 산호초가 발달하기도 한다.

해산 생태계는 중요한 어장을 형성하며, 회유성 어류와 해양 포유류의 중간 기착지 역할을 한다. 예를 들어, 참치나 상어 같은 대형 포식자들이 먹이를 찾아 해산 주변에 모이는 현상이 자주 관찰된다. 이는 해산이 광범위한 해양 생태계 네트워크에서 연결고리 기능을 수행함을 보여준다.

이러한 생태적 가치 때문에, 많은 해산은 과도한 어획으로부터 보호해야 할 중요한 해양 보호구역으로 지정되기도 한다.

해구는 해양판이 다른 판 아래로 가라앉는 섭입대에서 형성된다. 이 과정에서 해양 지각이 맨틀로 다시 들어가며, 지구 표면에서 가장 깊은 지형이 만들어진다. 대표적으로 태평양판이 필리핀해판 아래로 섭입하며 생긴 마리아나 해구가 있다.

해령은 발산형 경계에서 새로운 해양 지각이 생성되는 곳이다. 맨틀 대류에 의해 지각이 갈라지며 용암이 분출하여 새로운 해저를 만들고, 이 과정에서 중앙 해곡을 중심으로 한 산맥 형태의 지형이 발달한다. 대서양 중앙 해령이 대표적 사례이다.

변환 단층 경계에서는 판이 서로 수평으로 미끄러지며, 해령의 단층을 연결하는 선형 구조를 형성한다. 이 지역에서는 해산이 생성되거나 변형될 수 있다.

이러한 지형들은 단독으로 존재하기보다 서로 연결되어 거대한 지질 시스템을 이룬다. 예를 들어, 하나의 해령에서 생성된 해양 지각은 수천 km를 이동한 끝에 특정 해구에서 소멸하게 된다.

해양 순환은 심해저 지형에 의해 크게 영향을 받으며, 동시에 이러한 지형의 퇴적물 분포를 변화시킨다. 해령은 해류의 장벽 역할을 하거나 경로를 변경시키며, 특히 대서양 중앙 해령은 심층 순환에 중요한 영향을 미친다. 해구는 차가운 고밀도의 해수가 침강하는 지역으로, 심해 순환의 주요 동력원 중 하나인 열염순환을 촉진한다. 해산과 같은 해저 산맥은 해류를 위로 올리게 하여 영양염이 풍부한 심층수가 표층으로 솟아오르는 용승 현상을 일으키는 중요한 지점이 된다.

심해저 평원은 비교적 평탄한 지형으로, 대규모 심해 퇴적물 운반 경로인 해저 심층류의 흐름을 원활하게 한다. 이 심층류는 대륙 사면에서 시작되어 심해 평원을 가로지르며 미세한 퇴적물을 먼 곳까지 운반하고 퇴적시킨다. 해령 주변의 화산 활동은 해수의 화학적 조성을 변화시키고, 열수 분출구를 통해 새로운 광물과 열을 공급하여 국소적인 해수 순환 패턴을 생성한다.

이러한 지형과 순환의 상호작용은 전 지구적 기후 시스템에 영향을 미친다. 예를 들어, 해구에서의 침강은 장기적인 탄소 순환에 관여하며, 해령의 확장 속도는 해양 분지의 형태와 해류 경로를 변화시켜 기후에 간접적 영향을 줄 수 있다. 따라서 해저 지형에 대한 연구는 해양 물리학과 기후학의 핵심 과제이다.

심해저 지형을 탐사하는 가장 기본적이고 널리 사용되는 방법은 음향 측심이다. 이 기술은 선박에서 음파를 해저로 발사하고 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 수심을 계산한다. 다중 빔 음향 측심 시스템은 한 번에 넓은 범위의 해저 지형을 고해상도로 매핑할 수 있어, 심해저 평원, 해령, 해구의 정확한 형태를 파악하는 데 필수적이다. 측심 데이터는 해도 제작과 해저 지질 구조 연구의 기초 자료가 된다.

원격 탐사 기술은 선박에 직접 설치된 장비를 넘어 인공위성과 항공기를 활용한다. 인공위성 고도계는 해수면의 미세한 높이 차이를 측정하는데, 해저의 거대한 지형(예: 해산)은 중력의 차이를 일으켜 위의 해수면을 약간 올라가거나 내려가게 만든다[6]. 이 데이터를 분석하면 해저의 대규모 지형을 간접적으로 추정할 수 있다. 또한, 항공기를 이용한 중력계 및 자력계 측정은 해저 암석의 밀도와 자화 특성에 대한 정보를 제공하여, 해저 확장의 증거인 맞줄무늬 자기 이상을 발견하는 데 기여했다.

이러한 음향 및 원격 탐사 기술들은 광대한 심해를 효율적으로 스캔하여 주요 관심 지역을 선별하는 역할을 한다. 이후 보다 정밀한 조사를 위해 잠수정이나 시추와 같은 직접 탐사 방법이 수행되는 경우가 많다.

심해 지형을 직접 탐사하고 표본을 채취하기 위해 잠수정과 시추 기술이 필수적으로 활용된다. 이들 기술은 해저 지형의 정밀 관측과 지질학적, 생물학적 샘플 획득을 가능하게 한다.

잠수정은 유인 또는 무인으로 운용되며, 심해의 고압 환경에서 직접적인 탐사를 수행한다. 유인 잠수정은 연구자가 탑승하여 현장에서 직접 관찰하고 조작할 수 있는 장점이 있으나, 마리아나 해구의 챌린저 해연 같은 극한 수심까지 도달할 수 있는 장비는 매우 제한적이다. 대신, 원격 조종 잠수정이나 자율 수중 잠수정이 보다 널리 사용된다. 이들 장비는 강력한 조명과 카메라, 로봇 암을 장착하여 해저 지형을 촬영하고 암석 또는 생물 표본을 채집한다.

반면, 시추 기술은 해저 퇴적층 또는 기반암을 관통하여 코어 샘플을 획득하는 데 사용된다. 특수 설계된 시추선은 수천 미터의 물 위에서 해저를 뚫을 수 있다. 이를 통해 얻은 해저 코어는 수백만 년에 걸친 기후 변화 기록[7], 고지리학적 변화, 그리고 해구 지역에서의 판 섭입 역사 등을 복원하는 결정적 단서를 제공한다. 특히 해령 인근에서 채취된 해저 코어는 해저 확장 속도와 화산 활동의 시대적 변화를 규명하는 데 핵심적인 역할을 한다.

심해저 지형은 지구의 장기적인 지질학적 진화를 기록하는 중요한 자료이다. 특히 해령에서 생성된 해양 지각은 지구 자기장의 주기적인 역전 현상을 자기 광물에 기록하고 있으며, 이는 해저의 맨틀 대류와 판 구조론 운동의 역사를 복원하는 데 핵심적인 단서를 제공한다[9].

해저 지형의 연구는 고기후학 연구에도 기여한다. 심해저 평원에 쌓인 퇴적층은 수백만 년에 걸친 기후 변화, 해수면 변동, 그리고 생물 활동의 흔적을 보존하고 있다. 예를 들어, 퇴적물 코어에서 발견되는 유공충 등의 미화석 조성은 과거 해수 온도를 추정하는 지표로 활용된다. 또한, 해산과 같은 고립된 수중 산은 고지리학적 연구에 중요한데, 이들의 위치와 나이는 해양판의 이동 경로와 속도를 제약하는 데 사용된다.

이러한 연구를 통해 과학자들은 초대륙의 분열과 충돌 주기, 대양 분지의 개폐 역사, 그리고 지구 내부와 표층 시스템의 장기적인 상호작용을 종합적으로 이해할 수 있게 되었다. 따라서 심해저는 지구 시스템의 과거를 읽을 수 있는 거대한 기록 보관소 역할을 한다.

심해저 지형은 해저 광물 자원의 주요 매장지로 주목받는다. 심해저 평원은 망간단괴가 널리 분포하는 지역이며, 해령 주변에서는 열수 분출공을 통해 황화 광상이 형성된다. 해산의 경사면 또한 코발트와 희토류 원소를 포함한 해저 광물 자원이 풍부한 지역으로 알려져 있다. 이러한 자원은 첨단 기술 산업에 필수적이나, 채굴은 취약한 심해 생태계에 심각한 영향을 미칠 수 있다.

따라서 지속 가능한 자원 탐사를 위한 국제적 규제와 기술 개발이 진행 중이다. 국제해저기구(ISA)는 심해저 광물 자원 채굴에 관한 규정을 수립하고 환경 영향 평가를 요구한다. 탐사 기술 또한 원격 수중 차량(ROV)과 정밀 음향 장비를 활용해 생태계를 교란하지 않고 광상을 매핑하는 방향으로 발전하고 있다.

환경 보전 측면에서 해산과 열수 분출공은 독특한 생물 다양성의 보고이며, 이들의 서식지 보호는 중요한 과제이다. 일부 지역은 해양 보호 구역으로 지정되어 채굴이 제한된다. 자원 탐사와 환경 보전의 균형을 맞추기 위해서는 생물 다양성 보전을 전제로 한 채굴 코드 마련과 장기적인 환경 모니터링 체계 구축이 필수적이다.