지구의 층구조와 지진파

거대한 지구 속은 도대체 어떻게 되어 있는 것일까요?

지구의 다섯 층과 경계면, 지구의 땅속 깊숙한 곳은 어떻게 되어 있는 것일까요. 그 내부구조를 살펴보면 지구는 전체가 하나의 바위나 바다로 이루어진 것이 아니라 아래 그림과 같이 여러 층이 겹쳐져 있습니다. 구의 구조를 크게 나누면 지구 표면에서 각각 '지각' '맨틀' '핵'이라는 3개의 층으로 이루어져 있습니다. 이 중 맨틀과 핵에 대해서는 다시 상부 맨틀과 하부 맨틀, 내핵과 외핵으로 나누어져 있으며, 전체적으로 5개의 층으로 이루어져 있습니다. 우리가 땅을 파도 흙이나 암석밖에 나오지 않지만 사실 맨틀이나 핵에서는 그 성분이 다르고 또 지구는 중심에 가까워질수록 온도와 압력이 높아집니다.

 

지구형 행성과 목성형 행성의 특징 부분에서도 언급했지만 지구형 행성의 핵은 금속으로 이루어져 있고 목성형 행성에서는 암석이나 얼음에 의해 핵이 형성되어 있습니다. 실제로 지구의 중심핵인 내핵과 그 주위의 외핵 부분은 모두 금속으로 이루어져 있습니다. 다만 내핵과 외핵에서는 같은 금속이라도 고체와 액체라는 차이가 있고, 외핵 부분에서는 지구 내부의 고온과 압력에 의해 금속이 액체화되어 있으며, 내핵은 그보다 더 높은 압력이 가해지기 때문에 금속이 고체로 존재하는 것으로 생각됩니다. 또 이들 층과 층 사이에는 각각 고유의 불연속면이라고 불리는 이름이 붙어 있어 각 층의 경계를 이루고 있습니다. 이러한 불연속면의 명칭에는 각 층에 경계면이 존재한다는 것을 발견한 연구자의 이름이 붙여져 있습니다. 지구 내부 구조의 개요를 설명해 드렸는데, 사실 인류가 지금까지 파낼 수 있었던 땅속 깊이는 최대 10~12km 정도이며, 그 이상의 깊이를 파내려 해도 매우 높은 압력이 가해져서 아직까지 그것을 넘는 깊이의 구멍을 파지 못하고 있습니다.

그렇다면 1000km가 넘는 지구의 내부 구조나 그 성분의 차이를 어떻게 발견할 수 있었을까요?

지진파와 내부 구조의 연결
결론을 먼저 말하면 지구상에서 일어나는 '지진파'가 전달되는 방식의 차이를 관측함으로써 지구 내부에 여러 층 구조가 존재한다는 것을 알게 된 것입니다. 이 지진파의 내용에 대해서는 다시 설명하겠습니다만, 지진파에는 크게 나누면 'P파'와 'S파'라는 2종류가 있습니다.

P파(Primary Wave)란 지진이 발생했을 때 가장 먼저 지면을 전달하는 세로 흔들림 파도이고, S파(Secondary Wave)란 P파 뒤를 이어 도착하는 가로 흔들림 파도를 말합니다. 지진이 발생했을 때는 지구 각지에 설치되어 있는 지진 관측계에 이 P파와 S파가 기록되는데, 관측 지점에 도달하는 지진파를 통계적으로 비교해 보면 왠지 장소에 따라 그 도착 방법에 차이가 있었습니다. 예를 들어, 지진파의 속도가 어떤 깊이를 넘으면 변화하거나 그 전달 방향이 구부러져 굴절되거나 하는 등입니다. 이 지진파의 속도나 전해지는 방향이 변화하는 장소를 관찰해 보면 어느 일정한 깊이에 집중되어 있고, 그 부분을 경계로 지구 내부의 밀도나 성분이 변화하고 있는 것이 아닌가 생각되며, 이것이 앞서 열거한 3가지 불연속면의 존재와 층구조의 차이의 발견으로 이어진 것입니다. 또한 지구 내부에 고체 층과 액체 층이 있는 것도 이러한 지진파의 특징 차이에서 판명되었습니다. 세로 방향의 파도인 P파는 그 사이에 있는 물질이 고체든 액체든 상관없이 그 안을 전해지는 성질이 있습니다. 반면 가로 방향의 파도인 S파는 고체 속은 전달되지만 액체 속은 전달되지 않는 특징이 있습니다. 이 두 지진파의 성질로 볼 때 지진이 일어났을 때 S파가 관측되지 않는 이유로 지구 내부에 액체가 존재하고 있으며, 그것이 S파의 전달을 방해하고 있다고 생각할 수 있었던 것입니다.