지진파를 이용하여 지구 내부 구조를 조사하는 방법

일전에 아래와 같이 지구 내부 구조에 대한 글을 작성한 바가 있는데, 지구 내부를 조사하는 방법 중 간접적인 방법 중 하나로 지진파 분석이 있었고, 이 지진파를 통한 지구 내부 구조를 조사하는 방법이 가장 효과적이라고 하였습니다.

 

2024.01.22 - [과학] - 지구 내부 구조 (지권의 구조)

지구 내부 구조 (지권의 구조)

 

따라서, 이해의 폭을 넓히기 위해 이 부분에 대해서 조금 더 자세하게 정리를 해보겠습니다. 참고로 중학교 1학년 과학 교과에 나오는 내용이기 때문에 중학교 1학년 학생이 지구 내부 구조에 대한 이해를 돕기 위한 수준에 맞게 작성되었습니다.

 

지진과 지진파

지진(earthquake)이라는 것은 지구 내부(정확하게는 암석권)에서 화산의 폭발이나 동굴의 붕괴, 그리고 단층이 발생하는 경우 등을 원인으로 그 충격으로 에너지가 방출되어 지표면이 진동하게 되는 현상을 일컫습니다. 그리고 이때 지진파(seismic wave)가 발생하게 되는데, 지진의 발생으로 인해 생성된 파동으로 이해를 하면 되겠습니다. 지진파는 파동이고, 물에 돌을 던지면 물결이 퍼져나가는 것과 같이 진원(epicentr)으로부터 전체 방향으로 전달이 되는데 파동이기 때문에 매질에 따라서 그 경계면에서 반사되거나 굴절될 수도 있고 전달 속도 역시 달라지게 됩니다.

 

지진파의 종류

지진파에는 P파와 S파가 있습니다.

 

• P파 (P-Wave, Primary Wave) : 진행 방향과 진동 방향이 동일하며, 이러한 파동을 종파라고 합니다. 고체, 액체, 기체를 모두 통과합니다. Primary라는 이름처럼 지진계에 S파에 앞서 도착하게 되는데 지각에서 대략 6km/s - 7km/s의 속도를 가집니다.
• S파 (S-Wave, Secondary Wave) : 진행하는 방향과 진동하는 방향이 수직을 이루는데, 이를 횡파라고 합니다. Secondary라는 이름처럼 지진계에 P파 다음에 도달하게 되며, 액체와 기체는 통과하지 못하고 고체 매질을 통해서만 전달이 되는데 P파보다 느린 대신에 진동폭이 크기 때문에 지진의 피해가 P파 대비 큽니다. 지표 부근에서 약 3km/s - 4km/s의 속도를 보입니다.

 

P파와 S파, P파는 종파이고, S파는 횡파이다.

 

지구 내부를 통과하는 지진파와 불연속면

지진이 발생하면 진원으로부터 지진파가 발생하게 되고, P파와 S파가 지구 내부로 전달이 되겠죠. 이때 P파와 S파가 모든 지역에서 관측되지 않고, 지진파가 관측되지 않는 지점이 있거나 P파만 도달하는 지점이 생깁니다. 이를 토대로 지구 내부에 서로 다른 물질로 이루어진 층이 이루어진 것을 알 수가 있는 것이죠.

 

지구 내부를 통과하는 지진파, 이미지 출처: wikipedia.org의 seismic wave 항목

 

위의 이미지를 보면 source of seismic waves라고 표기된 곳이 진원이고 S파와 P파가 각각 전달되는 형태를 볼 수 있는데, 지구 내부가 다른 상태와 물질로 이루어진 층을 이루고 있으므로 지진파가 도달하지 못하는 영역이 생깁니다. shadow zone이라고 표기된 곳인데, 우리말로 암영대라고 옮기기도 합니다. P파와 S파가 모두 도달하지 못하는 지점이 있고, P파만 도달하는 지점이 보이죠.

 

지구 내부에서 P파와 S파가 전파되는 속도가 크게 달라지는 지점이 세 군데가 생기는데 이는 지진파가 전달될 때 깊이에 따라서 물질의 종류, 즉 매질이 달라지기 때문입니다. 밀도 역시 차이가 나게 되죠.

 

지구 내부를 통과하는 지진파의 속도 변화, 출처: chegg.com

 

위의 이미지를 보면 지진파의 속도가 갑자기 변하게 되는 지점이 보이는데, 이를 이어보면 지구 내부에 불연속면이 있음을 알게 되고, 외핵이 액체로 되어 있을 것으로 추정할 수가 있게 됩니다.

 

처음에 지진이 발생하게 되면, P파와 S파의 속도가 함께 크게 증가하게 되는데, 지각과 맨틀의 경계면이 되고 이를 모호면, 또는 모호로비치치 불연속면이라고 부릅니다. 그리고 P파의 속도가 크게 감소하고 S파는 더 깊이 진행하지 못하게 되는 지점이 발생하는데 맨틀과 외핵을 구분하는 면이 되고, 구텐베르크면이라고 부릅니다. 외핵이 액체로 이루어져 있기 때문에 S파가 진행되지 못한 것이죠. 마지막으로 P파의 속도가 다시 증가하는 지점이 있는데 외핵과 내핵의 경계면이 되고 여기를 레만면이라고 합니다. 내핵(inner core)이 고체이기 때문에 P파의 속도가 다시 증가하는 것입니다.

 

불연속면 (Discontinuity)

참고로, 불연속면이라는 것은 동일하거나 비슷한 물질에서 물리량의 급변을 나타내는 면을 말하는 것으로 지구 내부에서 지각, 맨틀, 외핵, 내핵으로 구분하여 지진파의 속도 변화가 관찰되는 불연속면의 이름은 이를 발견한 과학자의 이름을 따서 붙여진 것입니다. 그 과학자들은 크로아티아의 지진학자 모호로비치치(Mohorovičić), 미국의 지진학자 구텐베르크(Gutenberg, 독일 태생), 그리고 덴마크의 지진학자 레만(Lehmann)입니다. 기권에서도 불연속면이 나타나는데 이를 기준으로 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 구분할 수가 있습니다. 수권 역시 수온의 변화를 통해 혼합층, 수온 약층, 심해층의 구분이 발생하는 불연속면이 있습니다.