지구과학 고3 지구 탄생과 생동하는 지구 심화

지각 평형설(아이소스타시)

지각이 맨틀 위에 부력으로 떠 있는 지각 평형(에어리·프랫 모형)을 이해하고 빙하 융해 후 지반 융기 현상을 설명한다.

지각이 그보다 밀도가 큰 맨틀 위에 부력으로 떠서 균형을 이루고 있다는 이론으로, 높은 산맥 아래에는 그만큼 깊은 지각의 뿌리가 있습니다.

빙산은 물 위로 드러난 부분이 클수록 물속에 잠긴 부분도 큽니다. 산맥도 마찬가지입니다 — 높이 솟은 만큼 아래로도 깊이 잠겨 있습니다.

쉽게 말하면

맨틀은 아주 긴 시간 규모에서는 흐를 수 있는 고체입니다. 그래서 지각은 맨틀 위에 얹혀 있다기보다 '떠 있다'고 보는 편이 정확합니다. 물체가 유체에 뜰 때 잠긴 부분이 밀어낸 유체의 무게만큼 부력을 받는다는 원리가 그대로 적용됩니다.

이 관점에서 보면 산맥이 다르게 보입니다. 산이 높다는 것은 그 지역의 지각이 두껍다는 뜻이고, 두꺼우면 아래로도 깊이 잠겨야 균형이 맞습니다. 실제로 높은 산맥 아래에서는 모호면이 훨씬 깊은 곳에 있습니다. 산맥의 '뿌리'가 관측으로 확인되는 셈입니다.

지각 평형을 설명하는 모형은 두 가지가 있습니다. 에어리 모형은 지각의 밀도는 같고 두께가 달라서 높이 차이가 생긴다고 봅니다 — 높은 곳일수록 뿌리가 깊습니다. 프랫 모형은 잠긴 깊이는 같고 밀도가 달라서 높이 차이가 생긴다고 봅니다 — 밀도가 작은 곳일수록 높이 솟습니다. 실제 지구는 두 모형이 섞인 모습에 가깝습니다.

지각 평형은 정적인 상태가 아니라 계속 회복되는 균형입니다. 무거운 것이 얹히면 지각이 가라앉고, 그 무게가 사라지면 다시 올라옵니다. 빙하기에 두꺼운 빙하가 눌러 놓았던 땅이 빙하가 녹은 뒤 지금도 조금씩 융기하고 있다는 사실이 이 회복 과정을 눈으로 보여 주는 증거입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

높은 산맥 아래의 깊은 뿌리

지진파로 구한 모호면의 깊이는 높은 산맥 아래에서 유난히 깊습니다. 산이 위로 솟은 만큼 지각이 아래로도 뻗어 있다는 뜻이고, 이는 지각이 부력으로 떠 있다는 그림과 정확히 맞습니다.
예시 2

빙하가 녹은 뒤에도 계속 올라오는 땅

두꺼운 빙하에 눌려 가라앉았던 지역은 빙하가 사라진 뒤에도 곧바로 제자리로 돌아오지 못합니다. 맨틀이 아주 천천히 흐르며 자리를 채워야 하기 때문입니다. 그래서 빙하가 사라진 지 오랜 시간이 지난 지금도 조금씩 융기가 계속됩니다.
예시 3

침식되는데도 산이 사라지지 않는 이유

산이 깎여 가벼워지면 부력이 이겨 지각이 위로 올라옵니다. 깎인 만큼 다시 솟아오르는 셈입니다. 그래서 산맥은 깎여도 쉽게 평지가 되지 않고, 아래의 뿌리가 다 소모될 때까지 오래 버팁니다.

에어리 모형과 프랫 모형

구분	에어리 모형	프랫 모형
지각의 밀도	어디서나 같다	장소마다 다르다
지각의 두께	장소마다 다르다	잠긴 깊이가 같다
높이 차이의 원인	두꺼운 곳이 높이 솟고 뿌리도 깊다	밀도가 작은 곳이 높이 솟는다
산맥 아래의 모습	깊은 뿌리가 있다	밀도가 특히 작다

자주 하는 오해

산이 높으면 그만큼 위로만 솟아 있다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움산맥은 지각이 위로 밀려 올라간 것이므로 지하의 구조는 평지와 다르지 않다

실제로는높이 솟은 만큼 아래로도 깊이 뿌리를 내리고 있습니다. 산맥 아래에서 모호면이 훨씬 깊어지는 것이 그 증거입니다.

지각은 맨틀 위에 떠 있으므로 위로 나온 부분과 아래로 잠긴 부분이 함께 균형을 이룹니다. 빙산에서 물 위로 드러난 부분만 보고 전체 크기를 짐작할 수 없는 것과 같습니다. 이 뿌리를 빼놓으면 침식되어도 산이 버티는 이유를 설명할 수 없습니다.

무게가 사라지면 곧바로 원래대로 튀어 오른다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움빙하가 녹으면 눌려 있던 땅이 즉시 원래 높이로 돌아온다

실제로는맨틀이 아주 느리게 흐르기 때문에 회복도 매우 느립니다. 빙하가 사라진 지 오랜 시간이 지난 지역이 지금도 계속 융기하고 있습니다.

지각 평형의 회복 속도를 정하는 것은 맨틀이 얼마나 빨리 흐를 수 있느냐입니다. 맨틀은 액체가 아니라 아주 천천히 변형되는 고체이므로, 눌린 자리를 채우는 데 오랜 시간이 걸립니다. '지금도 융기 중'이라는 관측 자체가 맨틀이 느리게 흐른다는 증거입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

맨틀고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 지구 탄생과 생동하는 지구

자주 묻는 질문

Q1고체인 맨틀 위에 어떻게 뜰 수 있나요?

짧은 시간에는 맨틀이 단단한 고체처럼 행동하지만, 수천 년 이상의 시간 규모에서는 아주 느리게 흐릅니다. 그 느린 흐름 덕분에 지각이 눌리면 가라앉고 가벼워지면 올라오는 부력의 균형이 성립합니다.

Q2해양 지각은 왜 낮은 곳에 있나요?

해양 지각은 대륙 지각보다 밀도가 크고 얇습니다. 무거운 것은 더 깊이 잠기므로 해저가 대륙보다 낮은 자리를 차지합니다. 지구 표면의 큰 높낮이가 여기서 나옵니다.

Q3댐에 물을 가두면 그 아래 지각도 가라앉나요?

원리상 무게가 더해지면 지각은 조금 가라앉습니다. 다만 산맥이나 빙하에 비하면 무게가 훨씬 작아 변화가 미미하고, 회복도 느립니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 지구과학 · 지구 탄생과 생동하는 지구 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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지각과 맨틀이라는 층 구조가 애초에 어떻게 생겼는지는 지구의 탄생과 진화에서 다룹니다.

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