층서학

층서학(層序學, stratigraphy) 또는 층위학(層位學)은 지층의 층서(層序)와 성층(成層)을 연구하는 지질학의 한 분야이다. 주로 퇴적암과 층을 이룬 화산암을 대상으로 하며, 지층의 순서·분포·형성 시기와 서로 떨어진 지역의 지층을 대비(對比)하는 방법을 다룬다. 지층 자체의 물리적·화학적 특징보다는 여러 지층 사이의 시간적·공간적 관계를 밝히는 데 중점을 둔다는 점에서 암석학과 구별된다.

층서학은 지질 시대의 상대적 순서를 세우고 지질도의 단면을 해석하는 데 핵심적인 역할을 한다. 지층의 순서와 화석, 방사성 연대, 고지자기(古地磁氣) 자료 등을 종합하면 특정 지역의 지질사를 복원하고 멀리 떨어진 지층을 서로 비교할 수 있다.

기본 원리

층서학의 기초는 1669년 니콜라스 스테노(Nicolas Steno)가 제시한 세 가지 원리로 마련되었다. 중첩의 법칙(principle of superposition)에 따르면 크게 교란되지 않은 퇴적층에서는 아래에 있는 층이 위에 있는 층보다 먼저 형성되었다. 퇴적층 수평의 원리(principle of original horizontality)는 퇴적물이 대체로 수평 또는 거의 수평으로 쌓인다는 원리이며, 측방 연속성의 원리(principle of lateral continuity)는 퇴적층이 처음에는 옆으로 이어지다가 침식이나 지질 구조에 의해 끊어질 수 있음을 설명한다. 이 외에도 다른 지층을 가르는 구조는 그것이 가르는 지층보다 뒤에 형성되었다는 절단 관계(principle of cross-cutting relationships)와, 암석 속에 들어 있는 자갈·암편·포획물은 이를 둘러싼 암석보다 먼저 형성되었다고 보는 포함 관계의 원리(principle of inclusions)가 있다.

생물층서학에서는 같은 화석군이 나타나는 지층을 대비하고, 화석군의 출현과 소멸이 일정한 순서로 일어난다는 생물군 천이의 원리(principle of faunal succession)를 상대 연령 결정에 활용한다. 이 원리는 19세기 초 윌리엄 스미스(William Smith)가 지층에 따른 화석의 차이를 이용해 지층을 대비하고 잉글랜드의 지질도를 만드는 과정에서 확립되었다.

하위 분야

층서학은 연구 대상과 방법에 따라 여러 하위 분야로 나뉜다.

• 암석층서학(岩層層序學, lithostratigraphy): 암석의 종류와 특징, 층의 경계를 기준으로 지층을 구분하고 분류한다. 가장 기본적인 정식 단위는 누층(formation)으로, 주변 암석과 구별되는 암상(巖相, lithofacies)으로 정의되며 지표나 지하에서 추적할 수 있다. 여러 누층은 층서군(group)으로 묶을 수 있고, 누층보다 규모가 작은 단위는 부층(member)으로 나눈다.

• 생물층서학(生物層序學, biostratigraphy): 지층에 포함된 화석의 종류와 변화 양상을 이용한다. 짧은 기간에 넓은 지역에 분포했고 식별이 쉬운 화석을 표준 화석(index fossil)이라고 하며, 지층의 상대 연령 비교에 특히 유용하다.

• 연대층서학(年代層序學, chronostratigraphy): 지층과 지질 시대 단위의 시간적 관계를 다룬다. 방사성 동위 원소 연대 측정으로 얻은 절대 연령은 상대적 층서 관계를 보완한다.

• 자기층서학(磁氣層序學, magnetostratigraphy): 지구 자기장의 역전 기록을 지층과 대비하는 방법이다. 퇴적암에서는 미세한 자성 광물이 퇴적될 당시의 지구 자기장 방향을 기록하고, 화산암에서는 마그마가 식어 결정화할 때의 자화가 남는다.

• 순서층서학(順序層序學, sequence stratigraphy): 상대 해수면(또는 기저면) 및 퇴적물 공급량의 변화에 대한 퇴적학적 반응을 분석하여, 지층을 부정합(不整合) 또는 그에 대응하는 정합면으로 경계 지어지는 유전적으로 관련된 패키지(package)로 조직한다.

• 화학층서학(化學層序學, chemostratigraphy): 암석 단위 안팎의 미량 원소와 동위 원소 조성 변화를 이용해 지층을 대비하는 방법이다.

활용과 중요성

층서학은 퇴적 분지의 발달 과정, 해륙 분포의 변천, 생물의 출현과 소멸 시기를 연구하는 데 쓰인다. 지층 대비는 지질도를 작성하고 지하 암석 분포를 추정하는 기본 자료이다. 석유·천연가스·석탄·지하수 등 지하 자원을 탐사할 때에도 지층의 연속성과 암석의 성질을 파악하는 일이 필수적이다.

층서 대비에는 불확실성이 따르므로, 암석의 특징만으로 대비한 결과와 화석·연대 측정·자기층서 자료를 함께 검토한다. 특히 퇴적이 중단되거나 침식이 일어난 부정합면에서는 지질 기록에 시간적 공백이 생길 수 있다.

국제적 체계

국제층서위원회(International Commission on Stratigraphy, ICS)는 지질 시대 단위와 경계의 표준화를 추진하며, 국제층서표(International Chronostratigraphic Chart)를 통해 전 세계가 공통으로 사용하는 지질 시간 척도를 제공한다. 각 지역의 층서 규약( stratigraphic code)은 단위의 정의와 명명, 기준 단면(reference section)의 기록 방법을 정한다.