지구 내부 구조

안녕하세요.

제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.

지구 내부 구조를 간단하게 표현한 그림입니다.

여러 층으로 구분되어 있네요.

그런데 이렇게 커다란 지구의 내부 구조를 어떻게 알아낼 수 있는 걸까요?

직접 땅을 파보는 방법은 불가능할텐데 말이죠.

과학자들은 지구 내부로 전달되는 지진파를 분석해서 지구 내부의 구조를 알아낼 수 있었답니다. 지진파 P파, S파의 속도와 특징을 이용해서 간접적으로 지구 내부 구조를 예측한 것이죠.

먼저 지진파에 대해서 복습을 하고 이번 자료 공부를 시작하면 더욱 좋겠네요. 

● 지진파 - P파 vs S파

*** 지진파 분석

■ 지진파의 전파

지구 내부에서 지진이 최초로 발생한 지점을 '진원[seismic center, 震源]'이라고 합니다. 한자 뜻은 '지진의 원인'으로 풀이 될 수 있겠네요.

이렇게 발생한 지진파는 지구 내부를 통과하며 물질 상태에 따라 휘고, 꺾이며 전파가 됩니다.

그림으로 확인해볼게요.

파란색 점을 찍은 곳이 바로 '진원'입니다. 진원으로부터 이어진 수많은 선들은 지진파를 의미하고요. 이렇게 지진파가 지구 내부를 통과하면서 반사, 굴절이 됩니다.

지진파가 이렇게 꺾이고 휜다는 것은 지구 내부를 이루는 물질의 종류, 상태가 같지 않다는 뜻이겠지요.

그 결과로 지진파가 관측이 되지 않는 지역도 있는데, 그 지역을 '암영대[shadow zone, 暗影帶]'라고 합니다. 참고로 알아두셔요 ^^

■ 지진파의 속도 변화 분석

지구 내부를 통과하는 지진파의 속도 변화를 분석해보겠습니다.

분석 전에 우리가 미리 알고 있어야 할 몇가지를 짚어볼게요.

- P파는 S파보다 빠르다

- P파는 고체, 액체, 기체를 모두 통과하지만, S파는 고체만 통과할 수 있다

- 지진파의 속도가 '급격히' 변하는 곳을 경계로 구분할 수 있다

- 지구 내부를 이루는 물질의 종류, 상태가 다르기 때문에 지진파 속도가 변한다

자, 그럼 지구 내부를 통과하는 지진파의 속도 그래프를 봅시다.

일단 P파와 S파의 속도 차이가 있네요. 역시 P파가 빠릅니다.

그런데 깊이에 따라서 지진파의 속도가 많이 변하는 구간이 있네요.

이 구간들을 노란색으로 표시해보겠습니다.

지진파의 속도가 크게 변하는 구간을 찾아 노란색 선을 그어보았습니다.

A, B, C, D 이렇게 4구간으로 나뉘네요.

지구 내부를 크게 4개의 층으로 나눌 수 있다는 분석이 가능합니다.

A층은 우리가 발딛고 있는 지각입니다. 고체 상태죠.

A층에서 지진파의 속도가 증가하고 있습니다.

지진파는 고체를 통과할 때 속도가 증가한다라는 사실을 알 수 있어요.

또 특이한 부분!

B구간에서 C구간으로 넘어갈 때 지진파의 속도가 엄청 감소가 됩니다.

특히 C층에서 S파의 속도를 보세요. (연두색으로 표시를 해두었습니다.)

속도가 0! Zero! 입니다!

C층에서는 S파가 전파되고 있지 않습니다.

이 결과로 우리는 C층의 물질이 '고체가 아니다', '액체일 것이다'라고 결론내릴 수 있겠네요.

그 다음 분석.

속도가 떨어졌던 지진파가 D구간에서 다시 속도를 내기 시작합니다.

D층의 물질은 고체일 확률이 높겠네요.

자, 그럼 지진파의 속도 변화 분석으로 내린 결론을 정리해봅시다.

- 지구 내부는 크게 4개 층으로 구분할 수 있다

- 지진파는 고체를 통과할 때 속도가 증가한다

- S파가 통과하지 못하는 액체 상태인 층이 존재한다

- 지구의 가장 깊은 층은 고체로 되어 있다

*** 지구 내부 구조

지진파의 속도 변화를 분석하여 알아낸 지구 내부 구조에 대해서 더욱 자세하게 알아봅시다.

지구 내부 구조는 크게 4개 층으로 구분합니다.

지각 / 맨틀 / 외핵 / 내핵

지구 내부를 이루는 각 층에 대해서 알아볼까요? ^^

■ 맨틀 [mantle]

맨틀은 지각과 핵 사이의 고체로 된 층입니다. 지표로부터 깊이 약 30km ~ 2,900km 까지 부분이죠.

맨틀은 지구 부피의 약 80%를 차지하고 있습니다. 지구의 거의 대부분이 맨틀로 이루어져있다고 볼 수 있겠네요.

맨틀의 가장 특이한 점은 '유동성(流動性)'이 있다는 것입니다. 딱딱한 고체 상태가 아니라 젤리(?) 같다고나 할까요. 그래서 맨틀이 움직이면서 위에 있는 지각도 같이 움직이기 때문에 지진과 같은 지각의 변화가 일어나기도 합니다.

더 자세한 내용은 다음 시간에 다뤄보도록 할게요.

■ 지각 [earth crust, 地殼]

지구의 가장 바깥쪽을 구성하는 부분입니다. 지구 전체 부피의 약 1% 정도만 차지하는 껍데기죠. 맨틀보다 밀도가 작기 때문에 맨틀 위에 둥둥 떠있는 상태로 존재한다고 상상하면 이해하기 쉽겠네요.

지각은 크게 대륙 지각(Continental crust)과 해양 지각(Oceanic crust)으로 나눌 수 있습니다.

대륙 지각은 말 그대로 육지 쪽에 있는 지각이고, 해양 지각은 바다 쪽 지각입니다.

대륙 지각은 마그마가 천천히 식어서 만들어졌기 때문에 주로 화강암질 암석으로 구성되어 있고, 해양 지각은 반대로 빠르게 식어서 만들어졌기 때문에 주로 현무암질 암석으로 구성되어 있습니다. 

무게는 같은 부피라면 해양 지각이 대륙 지각보다 무겁습니다. 밀도가 높은거죠.

마그마의 냉각속도와 화성암의 관계가 기억이 나지 않으신다면 다음 자료를 참고 하세요.

● 화성암

두께는 대륙 지각이 두껍습니다. 해양 지각은 얇은 편이고요.

또한 지각과 맨틀의 경계면을 '모호로비치치 불연속면(모호면)'이라고 하는데, 이 경계면의 깊이는 높이 솟아있는 지각일 수록 깊습니다.

두께가 다른 나무도막을 물에 띄워보는 간단한 실험으로 비교를 해볼게요.

이렇게 나무도막을 물에 띄우면 두꺼운 나무도막이 더 깊게 잠기게 되겠죠?

얇은 나무도막을 '해양 지각', 두꺼운 나무도막을 '대륙 지각', 물을 '맨틀'이라고 생각하면 높이 솟은 지각일 수록 모호면의 깊이도 깊다라는 걸 쉽게 이해하실 수 있을거에요.

지각에 대해서 간단히 정리해볼게요.

▶ 해양 지각

- 현무암질 암석

- 두께가 얇다 (약 5km)

- 밀도가 높다

▶ 대륙 지각

- 화강암질 암석

- 두께가 두껍다 (약 35km)

- 밀도가 낮다

■ 외핵, 내핵

핵은 지구의 가장 깊은 곳에 있는 층입니다.

철, 니켈 같은 무거운 금속 원소로 구성되어 있어요.

▶ 외핵 [outer core, 外核]

바깥에 있는 핵이라서 '외핵'이라고 부릅니다.

지진파 S파가 통과를 못하기 때문에 '액체 상태'일 것이라고 생각하고 있죠.

▶ 내핵 [inner core, 內核]

가장 깊은 곳에 있는 층입니다. 당연히 지구 내부 구조 중에 온도, 압력이 가장 높겠죠.

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지금까지 지진파의 속도 변화를 기준으로 나눈 지구 내부 구조에 대해서 자세히 공부해보았습니다. 각 층의 구조와 특징을 한 번 더 읽어보시고 학습해주세요.

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