지구 내부 층상 구조(지각, 맨틀, 외핵, 내핵)

대륙지각은 주로 화강암과 같은 규장질 암석으로 구성되며, 평균 두께는 약 35~40km이나 산악 지대 아래에서는 70km 이상에 달하기도 한다. 평균 밀도는 약 2.7 g/cm³으로 비교적 낮다. 반면, 해양지각은 주로 현무암과 같은 고철질 암석으로 이루어져 있으며, 평균 두께는 약 7~10km에 불과하다. 밀도는 약 3.0 g/cm³으로 대륙지각보다 높다.

두 지각의 연령에도 현저한 차이가 존재한다. 대륙지각은 최대 수십억 년 된 매우 오래된 암석으로 구성되어 있어 비교적 영구적이다. 이에 비해 해양지각은 해령에서 생성되어 해구를 통해 맨틀로 다시 섭입되기 때문에 그 연령이 일반적으로 2억 년을 넘지 않는다. 가장 오래된 해양지각도 약 2억 년 정도에 불과하다.

이러한 물리적, 화학적 차이는 지각이 형성되고 소멸되는 과정, 즉 판 구조론과 직접적으로 연관된다. 해양지각은 해령에서 맨틀 물질이 상승하여 굳어지며 생성되고, 해구에서 다시 맨틀 속으로 가라앉는다. 반면, 대륙지각은 밀도가 낮아 섭입되기 어려워 지표에 오래 남아 대륙을 형성하게 된다.

지각은 주로 규산염 광물로 구성되며, 그 화학적 조성은 대륙지각과 해양지각 사이에 뚜렷한 차이를 보인다. 전체 지각에서 가장 풍부한 원소는 산소와 규소이며, 이들이 결합한 규산염 광물이 지각의 기본 골격을 이룬다. 주요 구성 광물로는 장석, 석영, 휘석, 각섬석, 운모 등이 있다.

대륙지각은 주로 화강암과 편마암과 같은 규장질 암석으로 이루어져 있어 평균 밀도가 약 2.7 g/cm³로 비교적 낮다. 반면, 해양지각은 현무암과 감람암과 같은 고철질 암석이 주를 이루어 평균 밀도가 약 3.0 g/cm³에 이른다. 이 조성 차이는 지각의 두께와 함께 지각 평형설의 주요 근거가 된다.

지각의 평균 화학 조성을 보여주는 대표적인 모델은 다음과 같다.

이러한 물질 구성은 부분 용융과 분화 작용을 통해 맨틀 물질로부터 진화해 왔다. 지각, 특히 대륙지각은 마그네슘과 철에 비해 규소, 알루미늄, 칼륨, 나트륨이 풍부하다는 점에서 맨틀 물질과 구별된다.

맨틀은 지구 내부에서 지각과 외핵 사이에 위치하는 두꺼운 층이다. 이는 주로 감람석과 휘석 같은 규산염 광물로 구성되며, 깊이에 따라 물리적 특성이 변화한다. 맨틀은 주로 상부맨틀과 하부맨틀로 구분되며, 그 경계는 약 660km 깊이에 존재하는 660km 불연속면이다.

상부맨틀은 지각 바로 아래부터 약 660km 깊이까지 이른다. 이 영역은 다시 리도스페어(암석권)와 아스테노스페어(연약권)로 나뉜다. 리도스페어는 지각과 상부맨틀의 최상부 딱딱한 부분을 포함하며, 판을 구성한다. 그 아래 아스테노스페어는 온도와 압력 조건으로 인해 부분적으로 용융되어 있어 유동성이 상대적으로 높다. 이는 맨틀 대류의 주요 동력원이 되며, 판 구조론의 기본 메커니즘을 제공한다[2].

660km 불연속면 아래에는 하부맨틀이 위치하며, 이는 약 2900km 깊이의 핵-맨틀 경계까지 확장된다. 이 깊이에서는 압력이 극도로 높아져 광물 구조가 고밀도의 새로운 상으로 변화한다. 예를 들어, 감람석은 페로페라스카이트와 같은 더 조밀한 형태로 재배열된다. 하부맨틀은 상부맨틀보다 훨씬 단단하고 강성 높은 상태이지만, 장기적인 지질 시간 규모에서는 매우 느린 대류 흐름을 보인다.

두 층 사이의 물리적 및 화학적 차이는 지진파 속도의 급격한 변화로 확인된다. 이 불연속면은 맨틀 내 물질 순환에 일종의 장벽 역할을 할 수 있으나, 최근 연구에 따르면 일부 물질이 이 경계를 가로질러 이동할 가능성도 제기된다.

맨틀은 주로 규산염 광물로 구성되며, 그 물리적 특성은 깊이에 따라 압력과 온도의 증가에 의해 크게 변화한다. 맨틀 상부의 온도는 약 500°C에서 시작하여 모호로비치치 불연속면 근처에서 약 900°C에 이른다. 맨틀 하부의 기저부에서는 온도가 약 3,700°C에 달한다. 압력 또한 상부에서 약 24 기가파스칼(GPa)에서 하부 기저부에서는 약 135 GPa까지 증가한다. 이러한 극한의 조건은 맨틀 물질의 점성과 상태에 직접적인 영향을 미친다.

맨틀은 고체 상태이지만, 지질학적 시간 규모에서 매우 높은 압력 하에서 점성 흐름을 보이는 소성 거동을 한다. 이는 맨틀 대류와 같은 대규모 운동을 가능하게 하는 핵심 특성이다. 맨틀의 점성은 깊이와 온도, 조성에 따라 크게 달라지며, 일반적으로 상부맨틀보다 하부맨틀의 점성이 더 높은 것으로 알려져 있다. 맨틀의 밀도는 상부에서 약 3.4 g/cm³에서 하부 기저부에서는 약 5.5 g/cm³까지 증가한다.

맨틀 내에서 지진파의 속도 변화는 그 물리적 상태를 파악하는 중요한 단서를 제공한다. 특히, 상부맨틀 내 약 410km와 660km 깊이에서 관측되는 지진파 속도의 급격한 증가는 고상 변화로 알려진 광물상의 변화를 나타낸다. 이는 압력 증가에 따라 감람석이 와즈레이아이트와 링우다이트로, 이후 페로펄라스카이트와 같은 고압 상으로 전이되기 때문이다. 이러한 변화는 맨틀을 상부와 하부로 구분하는 명확한 경계를 형성한다.

외핵은 약 2,900km에서 5,150km 깊이에 위치하며, 주로 액체 상태의 철과 니켈로 구성되어 있다. 이 층의 액체 상태는 지진파 중 S파가 통과하지 못하는 현상으로 확인된다. S파는 전단파로서 액체를 통과할 수 없기 때문이다. 외핵의 액체는 매우 점성이 낮아 대류 운동을 활발히 일으킨다.

외핵의 온도는 약 4,000°C에서 5,700°C에 이르며, 압력은 약 135만 기압에서 330만 기압 사이로 추정된다. 이러한 극한 조건에서도 철-니켈 합금이 고체가 아닌 액체 상태를 유지하는 것은, 압력이 높지만 녹는점을 상쇄할 만큼 온도가 더 높기 때문이다. 외핵 내부의 대류는 복잡한 흐름을 형성하며, 이는 지구 자기장 생성의 근본 원동력이 된다.

액체 외핵의 구성과 운동은 지구의 물리적 특성에 중요한 영향을 미친다. 외핵의 대류 운동과 함께 지구의 자전이 결합되어 다이너모 이론에 따른 자기장이 생성된다[4]. 또한, 외핵은 내핵과 맨틀 사이의 열을 전달하는 매개체 역할을 하여, 지구 내부의 열적 진화에 기여한다.

외핵은 주로 용융된 철과 니켈로 구성된 액체층이다. 이 액체 금속의 대류 운동이 지구 자기장을 생성하는 다이너모 이론의 핵심 원인으로 작용한다.

외핵 내부에서는 열적 불균일성과 조성 불균일성에 의해 대류가 발생한다. 뜨거운 물질은 상승하고, 상대적으로 차가워진 물질은 하강하는 이 순환 과정에서 전도성 유체인 액체 금속이 움직인다. 이 움직임은 지구의 자전과 결합하여 전기 전류를 유도하고, 이 전류는 다시 강력한 자기장을 만들어낸다. 이 자기장은 지구자기권을 형성하여 태양에서 방출되는 고에너지 입자로부터 생명체를 보호하는 역할을 한다.

지구 자기장은 시간에 따라 그 세기와 방향이 변하며, 심지어 수십만 년 주기로 지자기 역전이 일어나기도 한다. 이는 외핵 내부의 복잡한 대류 패턴의 변화를 반영하는 것으로 여겨진다. 외핵의 대류 운동과 그에 따른 다이너모 과정은 지구물리학의 중요한 연구 주제이며, 지진파 단층촬영과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 그 메커니즘을 이해하려는 노력이 계속되고 있다.

내핵은 주로 철과 니켈로 구성된 고체 구체이다. 내핵의 반경은 약 1,220km에 달하며, 외핵에 둘러싸여 있다. 내핵이 고체 상태를 유지하는 주된 원인은 극심한 압력이다. 내핵과 외핵의 경계면인 레만-구텐베르크 불연속면에서의 압력은 약 330만 기압에 이르며, 이 압력은 철과 니켈의 용융점을 상승시켜 물질이 고체 상태로 존재할 수 있게 한다[6].

내핵의 고체 상태는 주로 P파와 S파라는 두 종류의 지진파 관측을 통해 간접적으로 확인되었다. P파는 고체와 액체 모두를 통과할 수 있지만, S파는 액체 매질을 통과하지 못한다. 지진 관측 결과, 외핵을 통과한 S파가 내핵 영역에서 다시 검출되는 현상이 관찰되어, 내핵이 고체 특성을 가진다는 강력한 증거를 제공했다. 또한, 내핵을 통과하는 P파의 속도가 특정 방향에 따라 다르게 측정되는 내핵 이방성 현상은 내핵의 결정 구조가 정렬되어 있음을 시사한다.

내핵의 물리적 상태는 완전한 고체라기보다는 점성이 매우 높은, 소성 변형이 가능한 상태로 묘사되기도 한다. 내핵은 외핵의 액체 철 합금이 냉각과 고압으로 인해 결정화되면서 형성된 것으로 여겨진다. 이 결정화 과정은 잠열을 방출하여 외핵의 대류 운동을 지속시키는 열원 역할을 하며, 이는 결국 지구 자기장을 유지하는 데 기여한다.

내핵은 시간이 지남에 따라 외핵의 액체 철-니켈 합금이 냉각되고 응고되면서 점차 성장한다. 이 과정은 지구 역사의 초기부터 지속되어 왔으며, 현재도 진행 중이다. 내핵의 성장 속도는 연간 약 1mm로 추정된다[7]. 이 응고 과정에서 가벼운 원소(예: 산소, 황, 규소)는 외핵 쪽으로 배출되고, 순수한 철과 니켈이 주로 내핵을 구성하는 고체 결정을 형성한다.

내핵의 성장은 지구의 열적 역사와 깊은 연관이 있다. 지구 내부의 열은 주로 초기 형성 시의 잔열과 방사성 동위원소의 붕괴열에서 비롯된다. 내핵이 응고되면 응고 잠열이 방출되어 외핵 내부의 대류 운동을 지속적으로 구동하는 중요한 열원이 된다. 이 대류 운동은 지구 자기장을 생성하는 지구 발전기 작용의 근원이 된다. 따라서 내핵의 성장은 지구 자기장을 유지하는 데 필수적인 과정이다.

내핵의 성장은 그 구조와 물성에 영향을 미친다. 최근 연구에 따르면, 내핵은 균질하지 않으며, 결정의 배향이 다른 여러 층으로 구성되어 있을 가능성이 제기된다. 특히, 내부 내핵과 외부 내핵 사이에 물리적 특성의 차이가 존재할 수 있다. 이러한 구조는 내핵이 균일하게 성장하지 않고, 지구 자전이나 열적 조건의 변화에 따라 비등방적으로 성장했음을 시사한다.

내핵의 성장은 영구적이지 않을 수 있다. 일부 모델은 먼 미래에 지구 내부가 충분히 냉각되면 외핵 전체가 응고되어 내핵의 성장이 멈추고, 궁극적으로 지구 자기장이 소실될 수 있음을 시사한다. 그러나 이는 수십억 년 이상의 시간 규모에서 일어날 수 있는 과정이다.

지구 내부의 층상 구조를 밝히는 데 가장 결정적인 증거는 지진파의 전파 특성을 분석하는 데서 얻어진다. 지진 발생 시 생성된 파동은 지구 내부를 통과하며 속도와 경로가 변화하는데, 이는 지구 내부 물질의 밀도와 탄성의 차이에 기인한다. 특히, 지진파의 굴절과 반사, 그리고 특정 영역에서의 통과 불가능 현상은 내부 구조를 추론하는 핵심 단서를 제공한다.

지진파에는 크게 P파와 S파가 있다. P파는 종파로 고체, 액체, 기체를 모두 통과할 수 있지만, S파는 횡파로 액체를 통과하지 못한다. 관측소에서 지진파를 분석할 때, 지구 반대편(약 104도 이상의 각도)에서는 S파가 관측되지 않는 'S파 음영대'가 존재한다. 이는 지구 중심부에 S파를 차단하는 액체층, 즉 외핵이 존재함을 직접적으로 증명한다. 또한 P파의 속도와 경로 분석을 통해 외핵 내부에 다시 속도가 증가하는 고체의 내핵이 있음을 발견할 수 있었다.

지진파 속도의 급격한 변화는 층간 경계면을 나타낸다. 주요 불연속면은 다음과 같다.

이러한 불연속면에서 지진파의 속도가 변하거나 반사되는 현상을 분석함으로써 과학자들은 직접 파낼 수 없는 깊은 지구 내부의 두께와 물리적 상태를 정밀하게 규명해왔다.

지구 내부의 층상 구조를 연구하는 데 중력과 지구 자기장 측정은 중요한 간접적 방법을 제공한다. 이 방법들은 지진파 분석으로 얻은 정보를 보완하며, 특히 지구 깊은 곳의 물질 분포와 운동 상태를 추론하는 데 유용하다.

중력 측정은 지구 표면의 중력 가속도 분포를 정밀하게 관찰하는 것을 기반으로 한다. 중력의 지역적 변동, 즉 중력 이상은 지각 아래 밀도가 다른 물질의 분포를 반영한다. 예를 들어, 두꺼운 대륙 지각이 있는 지역이나 무거운 암석이 집중된 지역은 중력이 강하게 측정되는 반면, 맨틀 상승류가 존재하는 지역은 상대적으로 중력이 약하게 나타난다. 이러한 데이터를 통해 과학자들은 맨틀 내부의 대류 패턴이나 외핵-맨틀 경계면의 요철과 같은 구조를 간접적으로 추정할 수 있다.

지구 자기장의 측정과 분석은 주로 액체 상태의 외핵 내부에서 일어나는 역학적 과정을 연구하는 열쇠가 된다. 지구 자기장은 외핵 내부의 전도성 철-니켈 합금이 대류 운동을 하며 생성하는 지구 발전기 모델로 설명된다. 지구 자기장의 세기, 방향, 그리고 시간에 따른 변화(지자기 역전 포함)를 관측하면, 외핵 내부의 유체 흐름 속도와 패턴에 대한 정보를 얻을 수 있다. 또한, 위성을 이용한 정밀 측정은 지구 자기장의 상세한 구조를 보여주며, 이는 맨틀 하부와 외핵 상부 경계에서의 상호작용을 이해하는 데 도움을 준다.

이러한 측정 방법들은 직접 채취할 수 없는 지구 깊은 내부를 들여다보는 창과 같다. 중력과 자기장 데이터는 지진파 자료와 함께 종합 분석되어, 현재의 지구 내부 구조와 역학을 보다 정확하게 모델링하는 데 기여한다.