지층의 위아래와 갈라진 흔적으로 사건의 순서를 알 수 있을까?

상어의 이빨은 어떻게 단단한 바위 안에 들어갔을까?

니콜라우스 스테노(Nicolaus Steno, 1638~1686)는 해부학을 연구하던 학자였습니다. 1666년 상어 머리를 해부하면서, 상어 이빨과 바위에서 나온 ‘혀 모양 돌’의 닮은 형태를 살폈습니다. 그는 그 돌을 과거 생물의 이빨이 퇴적물에 묻힌 것으로 설명했습니다. 이런 연결을 처음 제안한 사람은 아니었습니다. 파비오 콜론나도 1616년에 같은 종류의 물체를 상어 이빨로 설명했습니다.[1]

스테노는 질문을 넓혔습니다. 단단한 물체 하나가 다른 단단한 물체 안에 있으려면 어떤 형성 과정이 필요할까? 1669년에 펴낸 서설은 이 문제를 다룹니다. 라틴어 제목은 ‘고체 안에 자연적으로 들어 있는 고체에 관한 논문의 서설’이라는 뜻입니다. 화석뿐 아니라 결정·광맥·지층도 조사 대상이었습니다. 여기서는 그중 지층의 공간적 관계로 앞선 사건과 뒤의 사건을 구별하는 방법을 살펴봅니다.[1]

이빨의 모양이 비슷하다는 관찰과, 이빨이 먼저 있었고 주변 퇴적물이 나중에 굳었다는 설명은 서로 다른 단계입니다. 첫 단계는 물체를 비교하는 일이고, 둘째 단계는 현재 상태가 생긴 과정을 제안하는 일입니다. 설명을 검토하려면 모양뿐 아니라 물체와 주변 물질이 맞닿은 경계도 보아야 합니다.

이 차이는 지층에서도 중요합니다. ‘B가 A 위에 있다’는 현재의 위치 설명입니다. ‘A가 먼저 쌓였다’는 과거에 관한 판단입니다. 둘 사이를 연결하려면 이 층들이 어떻게 만들어졌고, 그 뒤에 뒤집히거나 끼어든 물체는 없는지 확인해야 합니다. 관찰에서 시간 순서로 넘어가는 데 필요한 조건을 적어 두는 것이 이번 탐구의 첫 단계입니다.

아래에 있다는 이유만으로 언제나 더 오래됐다고 할 수 있을까?

지층 누중의 원리는 뒤집히지 않은 퇴적층에서 아래층이 위층보다 먼저 만들어졌다는 관계를 설명합니다. 처음에는 대체로 수평으로 쌓였다는 원리도 이후의 기울어짐을 해석하는 출발점이 됩니다. 다만 모든 암석의 현재 높이를 곧바로 나이로 바꾸어서는 안 됩니다. 뒤집힘·변형·나중에 들어온 물질의 흔적을 함께 살펴야 합니다.[2][1]

세 층의 모형에서는 조건을 분명히 정하겠습니다. A·B·C는 차례로 쌓인 퇴적층이고, 층 전체가 뒤집힌 적은 없으며, 각 글자는 그 층의 퇴적이 끝나는 사건을 가리킵니다. A가 바닥을 이루고 그 위에 B가 쌓입니다. C는 B가 만들어진 뒤에야 B 위에 쌓일 수 있습니다. 이 조건에서 A는 B보다 먼저, B는 C보다 먼저입니다.

도해를 아래에서 위로 읽으면 A·B·C입니다. 사건 순서를 적을 때는 ‘A → B → C’라고 쓰겠습니다. 이 글의 화살표는 먼저 일어난 사건에서 나중 사건으로 향합니다. 왼쪽에서 오른쪽으로 물질이 이동한다거나, 앞 사건 하나가 뒤 사건을 직접 일으켰다는 뜻은 아닙니다. 도해의 위치와 시간 화살표의 의미를 따로 정해야 혼동을 줄일 수 있습니다.

A와 B 사이가 평평하다고 해서 퇴적이 쉬지 않고 계속되었다고 확정할 수도 없습니다. 아무것도 쌓이지 않던 시간이 있었을 수 있습니다. 현재 보이는 단면이 사건의 전부를 같은 비율로 기록한다는 보장은 없습니다. 이 모형에서 확정하는 것은 세 퇴적 사건의 순서이며, 각 사건 사이의 대기 시간은 주어지지 않았습니다.[3]

단층이 자른 층은 단층보다 먼저 있어야 할까?

이미 만들어진 지층을 자르는 흔적은 그 지층 이후의 사건을 가리킵니다. 컬럼비아대학교 자료는 이를 절단 관계로 설명합니다. 이 글에서는 한 번의 단층 운동 F만 일어난 모형을 사용합니다. F는 단층면의 존재 자체가 아니라, 그림에 표시한 층을 어긋나게 한 특정 운동 사건을 뜻합니다.[2]

A와 B가 F를 따라 어긋났다면, 두 층은 F가 일어날 때 이미 존재해야 합니다. 따라서 A → F와 B → F를 기록할 수 있습니다. 앞에서 얻은 A → B와 합치면 A → B → F입니다. 단층선이 그림에서 위로 향한다고 해서 단층이 층보다 먼저라는 뜻은 아닙니다. 시간 순서는 선의 기울기가 아니라 무엇을 잘랐는지에서 나옵니다.

이제 C와 F를 비교합시다. 관측 ①에서는 단층 운동 뒤의 침식 흔적과 그 위에 쌓인 C를 함께 관찰합니다. 침식으로 깎인 면이 단층 흔적을 잘라 내고, 그 침식면 위에 C가 쌓였음을 확인했다고 가정합니다. 단층이 C 아래에서 그냥 끝난 모습만으로는 이 조건을 충족하지 않습니다. 이 경우 모형에서 F는 C의 퇴적 전에 일어났습니다. A → B → F → C라고 정리할 수 있습니다.[3]

관측 ②에서는 F가 C층과 그 밑면까지 잘라 어긋나게 합니다. 그러면 C도 F보다 먼저 존재했습니다. 순서는 A → B → C → F가 됩니다. 두 사례에서 A와 B의 순서는 같지만, C와 F의 순서는 반대입니다. 같은 규칙을 적용해도 입력되는 관찰이 달라지면 결론이 바뀝니다.

현장에서는 단층이 한 번만 움직였다고 쉽게 단정할 수 없습니다. 오래된 단층이 다시 움직이면 ‘단층이 생긴 때’와 ‘지금 보이는 변위를 만든 때’가 다를 수 있습니다. 이 활동은 한 번의 운동이라는 조건을 고정합니다. 실제 사례에 적용할 때는 그 조건을 검토해야 하며, 단층선이 짧게 그려졌다는 사실만으로 C가 단층을 덮었다고 판단해서는 안 됩니다. 관측 ①의 침식은 실제 사건이지만, 여기서는 A·B·C의 퇴적과 F의 운동이라는 네 사건의 상대적 순서만 배열합니다.

C층 밑면이 가려져 있으면 무엇까지 알 수 있을까?

가상 조사에서 C층의 밑면과 단층이 만날 부근을 흙이 가리고 있다고 합시다. 다른 노출면에서 A → B → C는 확인했습니다. F가 A와 B를 잘랐다는 사실도 확인했습니다. 그러나 F가 C까지 이어지는지, C가 F를 덮는지는 보이지 않습니다. 이때 ‘사진에 C의 어긋남이 없다’와 ‘C가 어긋나지 않았음을 확인했다’는 같은 말이 아닙니다.

학습자: “단층이 보이지 않으니 C가 나중이겠네요.” 조교: “흙 아래를 보았나요?” 학습자: “아직 못 봤어요.” 조교: “그러면 C가 단층을 덮었다고 쓰기보다, C와 F의 순서를 확인하지 못했다고 써야 합니다. 지금 확인한 다른 순서까지 버릴 필요는 없습니다.”

자료가 뒷받침하는 연결은 A → B, B → C, B → F입니다. C와 F 사이에는 연결을 추가하지 않습니다. A와 B가 먼저라는 사실은 유지되지만, 뒤에 올 C와 F의 순서는 아직 둘 다 가능합니다. ‘A → B → C → F’와 ‘A → B → F → C’가 모두 현재 자료와 양립합니다.

이처럼 일부 사건 쌍의 순서만 정해진 관계를 부분순서라고 합니다. 모든 사건을 한 줄로 정렬한 결과와 구별하기 위한 말입니다. 두 가지 순서가 가능하다는 것은 그 확률이 각각 절반이라는 뜻이 아닙니다. 가능한 배열의 개수와 실제 발생 가능성의 크기는 다른 정보입니다.

다음 조사 질문도 구체화할 수 있습니다. ‘자료가 더 필요하다’에서 끝내지 말고 ‘C의 밑면과 F가 만나는 곳에서, F의 흔적을 잘라 낸 침식면 위에 C가 쌓였는지, F가 C를 자르는지 확인해야 한다’고 적습니다. 어떤 관측이 두 설명을 구별하는지 정해 두면, 추가 정보가 결론에 실제로 필요한 것인지 판단할 수 있습니다.

관측을 바꾸면 가능한 순서는 몇 개가 남을까?

아래 활동에서 ‘C층 경계에서 확인한 사실’을 바꿔 보세요. 기본값은 ‘경계가 가려짐’입니다. A → B → C와 B → F는 세 조건 모두에서 유지합니다. 선택을 바꾸기 전에 C와 F 중 어느 사건이 먼저여야 하는지 예측하고, 결과에서 새로 추가된 관계를 확인하세요.

첫째, 가려진 경계에서 가능한 두 배열을 읽습니다. 둘째, ‘침식면 위에 C가 쌓임’을 골라 남는 배열을 확인합니다. 셋째, ‘F가 C까지 자름’을 골라 다른 배열이 남는지 봅니다. 마지막으로 초기화 버튼을 눌러, 가려진 경계로 돌아왔을 때 두 배열이 다시 표시되는지 확인하세요.

이 활동은 발견한 사실을 선택하는 모형입니다. 원하는 답을 얻기 위해 관찰 결과를 골라 쓰는 조사법이 아닙니다. 실제 조사에서는 먼저 관측을 기록하고, 그 기록에 맞는 조건을 적용해야 합니다. 사진으로 경계를 확인할 수 없다면 ‘가려짐’을 선택하는 것이 정보의 한계를 정확히 반영합니다.

기록 질문: 세 선택에서 계속 유지되는 선후관계 두 개와 새로 추가되는 관계 하나를 적으세요. ‘판단 보류’가 모든 것을 모른다는 뜻이 아닌 이유를 A·B·C·F 중 두 사건의 관계로 설명해 보세요.

확장 활동: 종이에 A·B·C·F를 따로 적어 네 장의 카드를 만드세요. A는 B보다 앞, B는 C와 F보다 앞이라는 조건을 놓고 카드를 배열합니다. 네 장을 늘어놓는 모든 경우는 24개이지만, 이 세 조건을 지키는 것은 두 개입니다. C와 F의 관계를 하나 추가하면 한 개만 남습니다. 화면의 결과를 손으로도 확인할 수 있습니다.

순서를 알면 각 사건이 몇 년 전인지도 알 수 있을까?

지층의 선후관계는 상대적인 시간 정보입니다. 위층과 아래층이 형성된 시기 사이의 간격은 이 관계만으로 정해지지 않습니다. 버클리 박물관 해설도 누중의 원리에서 얻는 상대적 순서와 절대적인 시간 정보를 구별합니다.[1]

모형의 A → B → F → C라는 순서를 두 일정으로 옮겨 봅시다. 첫 일정에서는 A·B·F·C가 각각 가상 시각 0·1·2·3에 일어납니다. 둘째 일정에서는 0·10·100·1000에 일어납니다. 두 일정 모두 같은 선후관계를 지킵니다. 따라서 순서만으로 둘 중 어느 일정이 맞는지 선택할 수 없습니다. 이 숫자는 지구의 실제 연대가 아니라 논리적 차이를 확인하는 예시입니다.

층의 두께도 곧바로 기간이 되지 않습니다. 같은 두께가 같은 속도로 쌓였다는 조건을 따로 확보하지 않았다면, 두꺼운 층이 얇은 층보다 반드시 더 오랜 기간에 걸쳐 쌓였다고 계산할 수 없습니다. 쌓이는 속도, 쌓이지 않은 시간, 사라진 부분을 모르면 두께와 시간 사이의 환산 규칙이 없습니다.

여기서 ‘모른다’고 표시할 항목은 분명합니다. A가 B보다 먼저라는 관계는 알지만, A와 B 사이에 몇 년이 흘렀는지는 이 자료로 알 수 없습니다. 한 질문에 답했다고 해서 그와 관련된 모든 질문에 답한 것은 아닙니다. 결론을 쓸 때에는 ‘순서 확인’과 ‘기간 미확인’을 한 문단에 함께 적을 수 있습니다.

새 증거가 기존 순서와 맞지 않으면 무엇을 다시 살펴야 할까?

이 활동에는 퇴적층이 뒤집히지 않았고, F가 한 번 일어났다는 조건이 있습니다. 그런데 C가 F를 덮었다는 기록과 F가 C를 잘랐다는 기록이 동시에 들어오면 어떻게 될까요? 두 기록을 한 번의 운동 F에 적용하면 F → C와 C → F가 함께 생깁니다. 하나의 사건이 자기보다 먼저 일어나야 하는 모순입니다.

그렇다고 마음에 드는 기록 하나를 지우면 안 됩니다. 우선 두 조사자가 같은 지층 C를 가리키는지, 단층의 같은 부분을 본 것인지, 한쪽 기록이 노출되지 않은 부분을 추측해 채운 것은 아닌지 확인합니다. 자료의 이름과 관측 범위가 서로 맞는지부터 검토하는 것입니다.

두 기록이 모두 타당할 수도 있습니다. 예를 들어 한 단층에서 서로 다른 때에 두 번의 운동이 있었다면 사건을 F1과 F2로 구별해야 할 수 있습니다. F1 이후 C가 쌓이고, F2가 C를 자르는 순서가 한 후보입니다. 이는 새로 검토할 가설이지, 모순을 발견하는 즉시 확정할 답은 아닙니다. 서로 다른 운동을 뒷받침하는 증거가 추가로 필요합니다.

또한 같은 색의 띠라고 해서 멀리 떨어진 두 노출면의 층을 자동으로 같은 층으로 묶을 수는 없습니다. 도해의 A·B·C는 이미 같은 층이라는 판별이 끝난 모형의 이름입니다. 현장에서는 무엇을 같은 대상으로 볼지 판단하는 작업이 그보다 먼저 필요합니다. 단순한 그림은 한 관계를 분명히 설명하지만, 그 전에 해결된 조건까지 없애 주지는 않습니다.

관측이 뒷받침하는 결론을 골라 설명해 보세요

문제 1. 뒤집히지 않은 퇴적층이 아래에서 A·B·C 순서로 놓여 있습니다. 한 번의 단층 운동 F가 A와 B를 어긋나게 했고, 단층 흔적을 잘라 낸 침식면 위에 C가 쌓인 것이 확인되었습니다. 가장 먼저부터 사건을 배열하고, ‘B가 F보다 먼저’인 근거와 ‘F가 C보다 먼저’인 근거를 구별해 적으세요.

해설 1. 순서는 A → B → F → C입니다. B를 자르려면 B가 먼저 있어야 하므로 B → F입니다. 단층 흔적을 잘라 낸 침식면 위에 C가 쌓였다는 관측에서 F → C가 나옵니다. 네 사건의 배열에는 중간의 침식 사건을 따로 표시하지 않았지만, F와 C의 순서를 판단할 때는 그 흔적을 근거로 사용합니다. 두 관계를 모두 ‘아래에 있으니까’라고 설명하면 절단과 덮임이라는 서로 다른 근거를 놓치게 됩니다.

문제 2. A → B → C와 B → F는 확인했지만 C와 F가 만나는 부근은 흙으로 가려져 있습니다. ㉠ 가능한 전체 순서는 한 개다. ㉡ C와 F의 순서는 보류해야 한다. ㉢ A와 F의 순서도 전혀 알 수 없다. 셋 중 옳은 것을 고르고, 나머지가 왜 틀렸는지 설명하세요.

해설 2. 옳은 것은 ㉡입니다. A → B → C → F와 A → B → F → C가 모두 가능하므로 ㉠은 틀렸습니다. A → B와 B → F를 연결하면 A → F가 따라오므로 ㉢도 틀렸습니다. 일부가 가려졌어도 다른 관측으로 확정되는 관계는 유지됩니다.

문제 3. A → B → C → F가 확인되었습니다. 한 학생이 ‘화살표가 세 개이므로 네 사건 사이의 간격도 모두 같다’고 말합니다. 반례가 되는 가상 시각 네 개를 제시하세요. 이어 이 그림에서 C와 F가 동시에 일어났다고 말할 수 있는지도 설명하세요.

해설 3. A=0, B=2, C=7, F=20이면 사건 사이의 간격은 2·5·13으로 서로 다르지만 순서를 지킵니다. 그러므로 화살표 개수로 같은 시간 간격을 추론할 수 없습니다. 또한 이 모형에서는 C가 만들어진 뒤 F가 C를 자르는 관계이므로 C와 F를 동시 사건으로 놓지 않습니다. 가려진 경계의 갈라진 화살표 역시 동시 발생을 뜻하지 않습니다.

사진을 본 사람과 보지 못한 사람 모두 이해할 기록을 써 보세요

관측·조건·추론·미확인을 네 문장으로 나누어 적어 보세요. 예를 들면 ‘A와 B의 경계가 F를 따라 어긋나 있다’는 관측입니다. ‘이 모형에서는 단층 운동이 한 번이라고 가정한다’는 조건입니다. ‘따라서 B는 F보다 먼저다’는 추론입니다. ‘C와 F의 접촉 부근은 가려져 있어 두 사건의 순서를 보류한다’는 미확인 항목입니다.

그다음 기록에서 관측 한 가지를 바꾸어 보세요. C까지 잘린 것이 새로 확인되었다면 어떤 결론을 고쳐야 할까요? A → B는 그대로 두고 C → F를 추가하면 됩니다. 새 사실이 생겼을 때 모든 설명을 다시 쓰는 대신, 그 사실이 영향을 주는 관계를 찾아 수정할 수 있습니다.

마지막으로 자신이 덧붙인 추측이 없는지 확인하세요. 사진에 표시되지 않은 경계, 자료에 없는 실제 연대, 두께에 비례하는 기간을 임의로 추가하지 않았는지 살펴봅니다. 좋은 설명은 확정한 순서를 명확하게 쓰면서도, 아직 조사해야 할 부분을 독자가 알아볼 수 있게 남겨 둡니다.