지구의 내부 구조

[김영해(성북석관)]

지구의 내부 구조

지구의 내부 구조를 알기 위해서는 어떤 방법을 사용해야할까? 인체의 내부는 비교적 쉽게 알 수 있다. 확실히 알기 위해서는 인체를 해부하여야 하는데 이것에는 해부기술 뿐만 아니라 종교, 사상, 관습 등의 사회 분위기가 만족되어야 한다. 예를 들면 조선 시대에는 해부 기술도 보잘것없었겠지만 기술이 있었다고 하더라도 사람의 몸은 조상에서 물려받았다는 주자학의 이념으로 상투도 자르지 않았는데 (구한말의 단발령 반대에 나선 유생들이 좋은 예이다) 인체 해부가 허용되었을 리가 없었을 것이다.

그러나 지구의 내부는 우리 인간이 들어가서 조사할 수 방법이 없다. 지표에 거주하고 있는 우리들은 화산, 온천, 지자기 등의 지구 내부에서 생기는 자연 현상에서 내부 구조에 대해 약간을 짐작할 뿐이다. 즉 지구의 내부로 갈수록 온도가 올라가며 지구 내부에 자기장을 만들 수 있는 물질이 존재한다는 것 등을 짐작할 수 있다.

그러면 지구의 내부 구조는 어떻게 조사하였는가? 지구는 지각. 맨틀. 그리고 핵의 세부분으로 이루어진다. 지구의 내부 구조의 연구에는 지진파가 흔히 이용되는데, 지진파에는 종파인 P파와 횡파인 S파가 있으며, P파는 고체, 액체, 기체를 모두 통과하지만 S파는 고체만 통과하므로 핵, 맨틀, 지각의 상태와 깊이를 알 수 있다. 지진이 일어났을 때의 지진의 전파에서 P파는 지구의 중심을 통과할 수 있지만 세 번 뚜렷하게 굴절된다는 것이 알려졌고 S파는 P파가 처음으로 굴절될 때 반사되어 더 이상 들어가지 못한다는 것이 발견되었다. P파의 속도는 5 - 8 km/s, S파의 속도는 4 km/s이다.

핵은 지구의 중심에서 3,500km(지표에서는 2,900km)보다 안쪽 부분이며 주로 철과 니켈의 합금으로 구성되어 있다. 지진파 관측에 의하면 외핵과 내핵으로 구분되고, 외핵은 용융상태인 액체, 내핵은 고체 상태이다. 유체인 외핵은 약 4,000℃의 고온이고, 지구의 회전력에 의해 유체운동을 하며, 전기전도율이 높고 지구자기장의 발생원이 된다. 때때로 흐르는 모양이 변하므로 관성 때문에 지구 자전에 영향을 미친다.

맨틀은 지구의 고체부분 중 지각을 제외한 부분이며 지표에서 깊이 30km의  모호 불연속면에서 지하 2,900km의 구텐베르크 불연속면까지이다. 대부분이 철과 마그네슘 등의 규산염을 주성분으로 하는 암석일 것으로 알려져 있다. 맨틀은 층 구조로 이루어져 있으며 상부맨틀, 중간층 그리고 하부맨틀로 나누어진다. 상부맨틀은 지각 바로 아래부터 수십 또는 100km의 부분이며 약 20개미만의 부분으로 나뉘어 지구를 둘러싸고 있다. 그 각각은 판(plate)이라고 하며, 그것들이 서로 상대운동을 함으로써 여러 가지 지질현상이나 지진이 일어난다고 한다 (판구조론). 맨틀내부의 온도는 아직 확실하게 밝혀져 있지는 않으나, 철이나 규산염의 녹는점으로 보아 최상부는 약 1,000℃, 최하부는 약 5,000℃인 것으로 추정된다.

지각은 지구의 내부구조를 층으로 구분했을 때 가장 바깥쪽의 표면을 구성하는 부분으로 지표부터 모호로비치치불연속면 (모호면)까지의 부분이다. 지각은 대륙지각과 해양지각으로 나눈다. 대륙지각은 20~60km의 두께에 2.7g/cm3의 평균 밀도를 가지고, 해양지각은 약 5km의 두께에 3.0g/cm3의 평균 밀도를 가진다. 대륙지각은 Si (규소), K (포타슘) 및 Na (소듐)이 많고 밀도가 작은 화강암질 암석으로 이루어지고, 해양지각은 Fe (철), Mg (마그네슘) 및 Ca (칼슘)이 많고 밀도가 큰 현무암질 암석으로 이루어진다. 두 지각의 밀도 차이로 인해 밀도가 큰 해양지각이 상대적으로 밀도가 작은 대륙지각 아래로 내려가 해구가 형성된다. 지각은 암석권 (lithosphere), 수계와 대기의 세 부분으로 이루어져 있다. 암석권에 존재하는 원소들의 존재 백분비를 클라크수라고 하며 9가지의 많이 존재하는 원소들이 표에 수록되었다.

표 지각에 존재하는 주요한 원소들의 백분율

원소 기호	이름	백분율
O Si Al Fe Ca Na K Mg H Ti	산소 규소 알루미늄 철 칼슘 소듐 포타슘 마그네슘 수소 타이타늄	49.5% 25.7% 7.4% 4.7% 3.4% 2.6% 2.4% 1.9% 0.9% 0.6%

출처: 김 영해, 이철호, 홍성엽,

“생활과 과학”, 자유아카데미, 2010