지구 내부는 직접 볼 수 없습니다. 가장 깊은 시추공인 러시아 콜라 반도 시추공도 깊이 12킬로미터에 불과하며, 지구 반지름 6371킬로미터의 0.2퍼센트도 안 됩니다. 하지만 과학자들은 지구 중심까지의 구조를 상세히 알고 있습니다. 비결은 지진파입니다. 지진이 일어나면 파동이 지구 전체를 통과하며, 전 세계 지진계가 이를 기록합니다. 파동이 어떻게 전파되는지 분석하면 내부 구조를 알 수 있습니다. 마치 의사가 초음파로 몸속을 보듯, 과학자들은 지진파로 지구 내부를 봅니다. 지진파는 두 종류입니다. P파는 압축파로 고체, 액체, 기체 모두 통과하며 가장 빠릅니다. S파는 횡파로 고체만 통과하고 액체는 통과하지 못합니다. 1906년 리처드 올덤은 지구 반대편에서 P파는 도착하지만 S파는 도착하지 않는 것을 발견했습니다. 이는 지구 중심에 액체 외핵이 있다는 증거였습니다. S파가 액체를 통과하지 못해 그림자 지역이 생긴 것입니다. 1936년 잉게 레만은 외핵보다 더 깊은 곳에서 반사된 약한 P파를 발견했습니다. 이는 고체 내핵의 존재를 밝혔습니다. 여성 지진학자의 위대한 발견이었습니다. 지진파 연구로 지구는 양파처럼 층을 이룬다는 것이 밝혀졌습니다. 지각, 맨틀, 외핵, 내핵이 각각 다른 성질을 가지며, 경계에서 지진파 속도가 급변합니다. 이 글에서는 지진파의 종류와 성질, 지구 내부 구조의 발견, 각 층의 특성, 그리고 최신 연구를 상세히 알아보겠습니다.
지진파의 종류와 전파
지진파는 크게 실체파와 표면파로 나뉩니다. 실체파는 지구 내부를 통과하며, P파와 S파가 있습니다. 표면파는 지표면을 따라 전파되며, 레일리파와 러브파가 있습니다. P파 또는 종파는 Primary wave의 약자로 가장 먼저 도착합니다. 압축과 팽창이 교대로 일어나며 전파 방향과 진동 방향이 같습니다. 소리와 같은 원리이며, 고체에서는 초당 6~8킬로미터, 액체에서는 더 느립니다. 모든 물질을 통과하므로 지구 중심까지 도달합니다. 피해는 적지만 경보 역할을 합니다. S파 또는 횡파는 Secondary wave의 약자로 P파 다음에 도착합니다. 전파 방향에 수직으로 진동하며, 밧줄을 흔드는 것과 비슷합니다. 고체만 통과하고 액체와 기체는 통과하지 못합니다. 액체는 전단 응력을 지탱하지 못하기 때문입니다. 속도는 P파의 약 60퍼센트로, 고체에서 초당 3~5킬로미터입니다. 더 큰 피해를 주며, 건물을 좌우로 흔듭니다. 레일리파는 지표면을 따라 타원 운동을 하며 전파됩니다. 파도가 해안에 밀려오듯 땅이 위아래와 앞뒤로 움직입니다. 가장 느리지만 에너지가 크고 감쇠가 적어 먼 거리까지 전달됩니다. 대부분의 지진 피해를 일으킵니다. 러브파는 지표면을 수평으로 좌우 진동하며 전파됩니다. S파보다 느리지만 레일리파보다 빠르며, 역시 큰 피해를 줍니다. 지진계는 세 방향 진동을 기록합니다. 상하, 동서, 남북 성분을 측정하여 지진파의 도착 시간과 진폭을 정확히 파악합니다. P파와 S파의 도착 시간 차이로 진원까지 거리를 계산합니다. 세 곳 이상 관측소에서 거리를 알면 삼각측량으로 진원 위치를 특정합니다. 지진파 토모그래피는 CT 스캔과 같은 원리입니다. 수많은 지진파 경로를 분석하여 3차원 지구 내부 영상을 만듭니다. 맨틀의 온도, 밀도, 구성이 다른 곳에서 파동 속도가 달라지며, 이를 통해 맨틀 대류의 패턴과 섭입하는 판을 추적할 수 있습니다.
지구 내부 구조의 발견
1909년 안드리야 모호로비치치는 크로아티아 지진 기록을 분석하며 지각과 맨틀 경계를 발견했습니다. 깊이 약 30~50킬로미터에서 지진파 속도가 급증했으며, 이 불연속면을 그의 이름을 따서 모호면이라 합니다. 대륙 지각은 두껍고 해양 지각은 얇아, 모호면 깊이가 다릅니다. 대륙 아래는 30~70킬로미터, 해양 아래는 5~10킬로미터입니다. 1914년 베노 구텐베르크는 맨틀과 외핵 경계를 발견했습니다. 깊이 약 2900킬로미터에서 P파 속도가 급감하고 S파가 사라졌습니다. S파가 통과하지 못한다는 것은 외핵이 액체임을 의미했습니다. 이 경계를 구텐베르크 불연속면이라 합니다. 지진 진원에서 각도로 약 103도에서 143도 떨어진 곳에서는 직접 P파가 도달하지 않습니다. P파 그림자 지역이라 하며, 외핵이 P파를 굴절시켜 생깁니다. S파는 진원 반대편 전체가 그림자 지역입니다. 1936년 잉게 레만은 P파 그림자 지역에서 약한 P파를 발견했습니다. 외핵보다 더 깊은 곳에서 반사된 것이며, 고체 내핵이 있다는 증거였습니다. 내핵은 깊이 약 5150킬로미터부터 지구 중심까지이며, 반지름은 약 1220킬로미터로 달보다 약간 작습니다. 압력이 극도로 높아 철이 고체 상태를 유지합니다. 온도는 약 5000~7000도로 태양 표면보다 뜨겁지만, 압력이 360만 기압에 달해 녹지 않습니다. 레만은 여성이라는 이유로 차별받았지만, 탁월한 연구로 내핵을 발견했습니다. 경외심을 표하여 외핵과 내핵 경계를 레만 불연속면이라 합니다. 맨틀도 균일하지 않습니다. 깊이 약 410킬로미터와 660킬로미터에서 지진파 속도가 변하며, 광물의 상전이 때문입니다. 압력이 높아지면 감람석이 더 밀도 높은 구조로 변합니다. 410킬로미터 경계는 상부 맨틀과 전이대를, 660킬로미터 경계는 전이대와 하부 맨틀을 구분합니다. 660킬로미터 경계는 맨틀 대류에 중요합니다. 섭입하는 판이 이 깊이에서 저항을 받으며, 일부는 통과하고 일부는 정체됩니다.
각 층의 특성과 최신 연구
지각에서 맨틀까지
지각은 가장 바깥층으로 두께가 얇습니다. 대륙 지각은 평균 35킬로미터, 산악 지역은 70킬로미터까지 두꺼우며, 주로 화강암 계열 암석입니다. 밀도는 입방센티미터당 2.7그램으로 낮습니다. 해양 지각은 평균 7킬로미터로 얇으며, 현무암 계열 암석입니다. 밀도는 3.0그램으로 대륙 지각보다 높습니다. 중앙 해령에서 생성되어 섭입대에서 소멸하며, 평균 나이는 약 1억 년입니다. 대륙 지각은 최대 40억 년 된 것도 있습니다. 맨틀은 지구 부피의 84퍼센트, 질량의 67퍼센트를 차지합니다. 모호면부터 구텐베르크 불연속면까지 약 2900킬로미터 두께입니다. 주로 감람석, 휘석 등 규산염 광물로 이루어져 있으며, 마그네슘과 철이 풍부합니다. 밀도는 깊이에 따라 3.3에서 5.6그램까지 증가합니다. 맨틀은 고체이지만 장기간에 걸쳐 천천히 흐릅니다. 마치 유리처럼 고체지만 매우 느리게 변형됩니다. 맨틀 대류는 판 구조론의 원동력입니다. 뜨거운 맨틀이 상승하여 판을 밀고, 차가운 판이 섭입하여 맨틀을 끌어내립니다. 대류 속도는 연간 수 센티미터로 매우 느리지만, 수억 년에 걸쳐 지구 표면을 재구성합니다. 지진파 토모그래피로 대류 패턴을 시각화할 수 있습니다. 차가운 섭입 판은 주변보다 파동이 빠르게 전파되어 파란색으로, 뜨거운 맨틀 기둥은 느리게 전파되어 붉은색으로 나타납니다. 태평양 아래로 섭입하는 판들이 맨틀 깊숙이 가라앉는 모습이 보입니다. 아프리카와 태평양 아래에는 거대한 저속도 지역이 있으며, 뜨거운 초플룸으로 추정됩니다. 지름이 수천 킬로미터이고 맨틀 밑바닥에서 상승하며, 하와이와 아이슬란드 같은 열점의 원천일 수 있습니다.
핵과 최신 발견
외핵은 깊이 2900킬로미터부터 5150킬로미터까지이며, 두께 약 2250킬로미터입니다. 액체 철-니켈 합금으로 이루어져 있으며, 약 5~10퍼센트의 가벼운 원소도 포함합니다. 황, 산소, 규소 등이 후보이지만 정확히 알 수 없습니다. 온도는 약 4000~6000도이며, 밀도는 10~12그램입니다. 외핵의 대류가 지구 자기장을 만드는 지오다이나모입니다. 내핵은 깊이 5150킬로미터부터 중심 6371킬로미터까지이며, 반지름 약 1220킬로미터입니다. 고체 철-니켈 합금이며, 온도는 약 5000~7000도로 태양 표면보다 뜨겁습니다. 밀도는 약 13그램으로 지구에서 가장 높습니다. 압력은 약 360만 기압으로, 지표의 360만 배입니다. 이 극한 압력이 철을 고체로 유지합니다. 내핵은 자전합니다. 1990년대 연구로 내핵이 맨틀보다 약간 빠르게 자전한다는 것이 밝혀졌습니다. 연간 약 0.3~1도 더 빠르며, 약 400년에 한 바퀴 더 돕니다. 외핵의 자기장이 내핵을 끌어당기기 때문으로 추정됩니다. 내핵은 성장 중입니다. 외핵의 철이 식어 내핵 표면에 결정화되며, 연간 약 1밀리미터씩 자랍니다. 수십억 년 후 외핵이 완전히 굳으면 자기장이 사라질 것입니다. 하지만 그 전에 태양이 지구를 삼킬 것입니다. 2023년 최신 연구는 내핵 안에 또 다른 층이 있을 가능성을 제시했습니다. 가장 안쪽 내핵이라 하며, 반지름 약 650킬로미터입니다. 철 결정의 방향이 다르며, 지진파 이방성이 변합니다. 아직 확실하지 않지만 지구 형성 초기 역사를 담고 있을 수 있습니다. 지진파로 지구 내부를 보는 연구는 계속됩니다. 더 많은 지진계, 더 정밀한 분석, 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션으로 지구 내부가 점점 선명해집니다. 직접 볼 수 없는 곳을 파동으로 보는 과학의 승리입니다.