지구의 내부 구조#

지구 내부는 구성 물질의 성분과 물리적 상태에 따라 지각, 맨틀, 외핵, 내핵으로 구분된다.

지진파의 전파 속도와 경로를 분석하면 지구 내부의 층상 구조와 각 층의 물리적 상태를 알아낼 수 있다.

지구 내부의 층상 구조#

구분 깊이 주요 특징
지각 지표면약 535km 고체 상태의 암석으로 이루어진 지구의 가장 바깥층
맨틀 지각 아래~약 2900km 주로 고체 상태의 규산염 암석으로 구성
외핵 약 2900~5100km 액체 상태이며, 철과 니켈이 주성분
내핵 약 5100~6400km 높은 압력에 의해 고체 상태이며, 철과 니켈이 주성분

지구의 반지름은 약 6400km이다.

불연속면#

불연속면은 지진파의 속도가 급격하게 변하는 경계면이다.

지구 내부에서는 구성 물질의 성분이나 물리적 상태가 변하기 때문에 지진파의 속도가 달라진다.

모호로비치치 불연속면(모호면)#

지각과 맨틀의 경계면이다.

  • 지각 아래에 위치한다.
  • 일반적으로 지각에서 맨틀로 들어갈 때 지진파의 속도가 증가한다.
  • 지각과 맨틀의 구성 물질 및 물리적 성질 차이로 인해 나타난다.

구텐베르크 불연속면#

맨틀과 외핵의 경계면이다.

  • 깊이 약 2900km에 위치한다.
  • P파의 속도가 급격히 감소한다.
  • S파는 액체 상태인 외핵을 통과하지 못한다.

레만 불연속면#

외핵과 내핵의 경계면이다.

  • 깊이 약 5100km에 위치한다.
  • 외핵은 액체, 내핵은 고체 상태이다.
  • 내핵에 진입할 때 P파의 속도가 증가한다.

암영대#

암영대는 지진이 발생했을 때 특정 지진파가 직접 도달하지 않아 관측되지 않는 지역이다.

지진파는 지구 내부의 서로 다른 물질을 통과하면서 속도와 진행 방향이 변한다.

특히 액체 상태인 외핵의 존재로 인해 P파와 S파의 전파 경로가 달라지며 암영대가 형성된다.

암영대

P파의 암영대#

P파는 고체와 액체를 모두 통과할 수 있다.

그러나 맨틀에서 액체 상태의 외핵으로 진입할 때 속도가 급격하게 감소하고 진행 방향이 크게 굴절된다.

이 때문에 진앙으로부터 일정한 각도 범위에서는 직접 전달되는 P파가 관측되지 않는다.

  • P파의 암영대: 진앙으로부터 약 103°~142°
  • 주요 원인: 맨틀과 외핵의 경계에서 발생하는 P파의 굴절
  • 외핵과 내핵의 경계에서는 P파의 속도가 다시 증가한다.

S파의 암영대#

S파는 고체만 통과할 수 있으며 액체는 통과하지 못한다.

따라서 맨틀을 통과하던 S파는 액체 상태인 외핵으로 진입할 수 없다.

  • S파의 암영대: 진앙으로부터 약 103°~180°
  • 주요 원인: S파가 액체 상태인 외핵을 통과하지 못하기 때문

P파와 S파의 암영대 비교#

구분 P파 S파
파동의 종류 종파 횡파
액체 통과 가능 불가능
암영대 범위 약 103°~142° 약 103°~180°
암영대 형성 원인 외핵 경계에서의 굴절 액체 외핵을 통과하지 못함

암영대의 관측 결과를 통해 지구 내부에 액체 상태의 외핵이 존재한다는 사실을 알 수 있다.

지구 내부의 물리량#

지구 내부로 깊이 들어갈수록 밀도, 온도, 압력 등이 변화한다.

이러한 물리량의 변화를 분석하면 지구 내부의 층상 구조와 물질의 특성을 이해할 수 있다.

밀도#

지구내부의물리량_밀도

지구 내부의 밀도는 대체로 깊이가 깊어질수록 증가한다.

  • 지각에서 맨틀로 들어갈 때 밀도가 증가한다.
  • 맨틀 내부에서는 깊이가 깊어질수록 밀도가 점차 증가한다.
  • 맨틀에서 외핵으로 들어갈 때 밀도가 급격하게 증가한다.
  • 외핵에서 내핵으로 들어갈 때도 밀도가 급격하게 증가한다.

이처럼 밀도는 지구 내부의 경계면에서 불연속적으로 변화한다.

지구 내부로 들어갈수록 압력이 증가하고 구성 물질의 성분도 달라지기 때문에 밀도가 증가하는 경향이 나타난다.

온도#

지구내부의물리량_온도

지구 내부의 온도는 깊이가 깊어질수록 증가한다.

  • 지표면 부근보다 맨틀의 온도가 높다.
  • 맨틀보다 외핵의 온도가 높다.
  • 지구 중심부에 가까운 내핵의 온도가 가장 높다.

일반적으로 지구 내부의 온도는 깊이에 따라 계속 증가하지만, 온도 증가율은 깊이에 따라 달라진다.

중력#

지구내부의물리량_중력

지구 내부의 중력 가속도는 깊이에 따라 달라진다.

  • 지표면에서의 중력 가속도는 약 이다.
  • 지표면에서 맨틀 내부로 들어가면 중력 가속도는 대체로 증가한다.
  • 맨틀과 외핵의 경계 부근에서 중력 가속도가 최대가 된다.
  • 외핵과 내핵을 지나 지구 중심부로 갈수록 중력 가속도는 감소한다.
  • 지구 중심부에서 중력 가속도는 0이다.

지구 중심부에서는 사방에서 작용하는 중력이 서로 상쇄되기 때문에 중력 가속도가 0이 된다.

압력#

지구내부의물리량_압력

지구 내부의 압력은 깊이가 깊어질수록 증가한다.

  • 지표면 부근에서는 압력이 상대적으로 작다.
  • 지구 내부로 들어갈수록 위에 놓인 물질의 무게 때문에 압력이 증가한다.
  • 지구 중심부에서 압력이 가장 크다.

지구 내부의 압력은 깊이에 따라 연속적으로 증가하며, 압력 증가율은 물질의 밀도와 중력 가속도에 따라 달라진다.

깊이에 따른 압력의 증가율은 일반적으로 외핵에서 크고, 내핵과 맨틀에서는 상대적으로 작게 나타난다.

지각 평형설#

지각 평형설은 지각이 밀도가 큰 맨틀 위에서 중력과 부력의 균형을 이루고 있다는 이론이다.

지각은 맨틀보다 밀도가 작으므로 맨틀 위에 떠 있는 상태로 이해할 수 있다.

지각 평형설은 대표적으로 프래트의 지각 평형설과 에어리의 지각 평형설로 구분된다.

압력과 밀도#

밀도가 일정한 유체에서 깊이에 따른 압력 차이는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

  • : 압력
  • : 밀도
  • : 중력 가속도
  • : 높이 또는 깊이

유체 위에 떠 있는 물체가 평형을 이루면, 물체의 무게와 물체가 밀어낸 유체의 무게가 같아진다.

따라서 일정한 단면적을 가진 물체에 대해 다음 관계가 성립한다.

물체물체유체유체

중력 가속도 를 약분하면

물체물체유체유체

따라서

물체유체유체물체

이다.

프래트의 지각 평형설#

프래트의지각평형설

프래트의 지각 평형설은 지각의 밀도 차이에 의해 지표면의 높낮이가 달라진다고 설명한다.

지각의 아랫면이 같은 깊이에 위치한다고 가정하면, 지각의 밀도가 낮은 지역은 높게 솟아 있고 밀도가 높은 지역은 낮게 위치한다.

  • 저밀도 지각: 상대적으로 높은 지형 형성
  • 고밀도 지각: 상대적으로 낮은 지형 형성
  • 지각의 밀도가 지역마다 다르다고 가정한다.
  • 지각의 아랫면은 대체로 같은 깊이에 위치한다고 가정한다.

즉, 프래트의 지각 평형설은 지각의 밀도 차이로 지형의 높낮이를 설명한다.

에어리의 지각 평형설#

에어리의지각평형설

에어리의 지각 평형설은 지각의 두께 차이에 의해 지표면의 높낮이가 달라진다고 설명한다.

지각의 밀도는 일정하다고 가정하며, 지각이 두꺼운 지역일수록 맨틀 속으로 더 깊이 들어간다.

  • 지각의 밀도는 지역에 관계없이 일정하다고 가정한다.
  • 지각이 두꺼운 지역은 높은 지형을 형성한다.
  • 지각이 두꺼운 지역 아래에는 깊은 지각 뿌리가 형성된다.
  • 지각이 얇은 지역은 상대적으로 낮은 지형을 형성한다.

즉, 에어리의 지각 평형설은 지각의 두께 차이로 지형의 높낮이를 설명한다.

프래트와 에어리의 지각 평형설 비교#

구분 프래트의 지각 평형설 에어리의 지각 평형설
주요 원리 밀도 차이 두께 차이
지각의 밀도 지역마다 다름 일정
지각의 두께 지역마다 다를 수 있음 지역마다 다름
높은 지형 밀도가 낮은 지각 두께가 두꺼운 지각
주요 특징 지각의 아랫면이 같은 깊이 높은 산 아래에 깊은 지각 뿌리

예제: 퇴적물 유입에 따른 지각 평형#

지구의내부구조예제

밀도가 다른 물, 퇴적층, 지각, 맨틀이 평형을 이루고 있는 상태에서 퇴적물이 유입되었을 때 지각의 침강 정도를 구하는 문제이다.

조건#

각 물질의 밀도는 다음과 같다.

물질 밀도
물
퇴적층
지각
맨틀

퇴적물 유입 전후에 지각의 두께는 30km로 일정하며, 맨틀의 밀도도 일정하다고 가정한다.

① 두께 관계식#

퇴적물 유입 전후의 지표면과 등압력면 사이 전체 두께는 같다.

따라서

공통항을 정리하면

따라서

이다.

② 압력 관계식#

등압력면에서 퇴적물 유입 전후의 압력은 같다.

정수압 관계식은 다음과 같다.

양쪽의 중력 가속도 를 공통으로 약분하면, 각 층의 밀도와 두께를 곱한 값의 합이 같아야 한다.

따라서

공통항을 정리하면

따라서

이다.

③ 연립방정식#

앞에서 구한 두 식은 다음과 같다.

첫 번째 식에서

이를 두 번째 식에 대입하면

따라서

이다.

결과#

퇴적물이 유입되면 지각 위에 작용하는 하중이 증가한다.

이로 인해 지각이 맨틀 속으로 침강하며 새로운 평형 상태를 형성한다.

이 예제에서 퇴적층의 두께는 지각의 침강량의 2배이다.

퇴적층두께지각침강량

정리#

지구 내부는 지각, 맨틀, 외핵, 내핵으로 구분된다.

  • 모호로비치치 불연속면은 지각과 맨틀의 경계이다.
  • 구텐베르크 불연속면은 맨틀과 외핵의 경계이다.
  • 레만 불연속면은 외핵과 내핵의 경계이다.
  • P파의 암영대는 약 103°~142°이다.
  • S파의 암영대는 약 103°~180°이다.
  • 밀도와 온도, 압력은 일반적으로 지구 내부로 갈수록 증가한다.
  • 중력 가속도는 맨틀과 외핵의 경계 부근에서 최대이고, 지구 중심에서는 0이다.
  • 프래트의 지각 평형설은 지각의 밀도 차이를 이용하여 지형의 높낮이를 설명한다.
  • 에어리의 지각 평형설은 지각의 두께 차이를 이용하여 지형의 높낮이를 설명한다.
  • 퇴적물이 유입되면 하중이 증가하여 지각이 침강하고 새로운 평형을 형성한다.