지구 내부 조사란 지진 관측을 통해서 지구 내부의 층을 파악하고 지표에서의 관찰하는 활동을 말한다. 지금부터 지구 지진파에 귀를 기울여 지구의 내부 구조와 특성에 관해 놀랄만한 지식을 알아보도록 한다.
지구 내부 조사
만약 우리가 지구 표면에 있는 암석 형태만 보고서 지구의 구조와 역학, 역사를 알아내야 한다면 이 행성에 대한 지식은 굉장히 제한될 것이다. 하지만 다행히 지구 깊숙한 곳에서 무슨일이 일어나는지 알려주는 다른 물리적 현상들이 있다. 그 중에서 지진의 진동이나 중력, 열 흐름, 전기, 방사능, 자기 같은 몇가지는 우리의 일상생활에도 분명하게 영향을 미치지만, 전자기나 유체 역학 같은 다른 것들은 눈에 띄는 영향을 미치지 않는다. 이런 현상들이 지구에 어떤 영향을 미치는지 연구하는 것이 지구 물리학이고, 이 학문은 우리 세상과 다른 행성체에 대한 지식에 혁명을 일으켰다. 지구의 깊은 구조를 조사 할때는 지진 파장이 퍼지는 형태를 연구하는 지진학이 우리의 가장 강력한 도구가 된다.
지구 뒤흔들기
사람들은 지하 깊은곳의 근원지에서부터 지구를 가로지르며 이동하는 지진파의 능력을 수백년 동안 잘 알고 있었지만, 19세기 말에 관련 기술이 발전하고 나서야 이런 현상을 과학적으로 제대로 이해하기 시작했다.
기본적으로 지진은 표면파와 실체파라는 두 종류의 주요 지진파를 발생시킨다. 그 이름이 암시하듯 표면파는 물 위의 파도와 비슷하게 비교적 오랜 시간 동안 낮은 파장과 큰 진폭으로 지구 표면을 따라 이동하기 때문에 가장 파괴적인 파동이다. 그에 반해 실체파는 암석의 상대적인 밀도와 강도로 결정되는 길을 따라 지구 내부를 이동한다.
실체파는 P파(Primary wave)와 S파(Secondary wave)로 나뉜다. P파는 압축이 가능하고 액체든 고체든 모든 물질을 바르게 통과할 수 있다. 반면 S파는 횡파로 고체만 통과할 수 있다. S파는 P파보다 훨씬 느리기 때문에 지진 관측소에 더 늦게 도착한다.
지진파가 알려 주는 것
지구의 물질이 지표와 내부 깊은 곳이라는 완전히 다른 조건에서 어떻게 행동하는지 이해하면 우리 지구가 작동하는 방식을 인지할 수 있다. 지구 표면의 암석권 암석은 차갑고 깨지기 쉬워 압력을 받으면 끔찍하게 쪼개지는 경향이 있다. 반면 암류권의 더 뜨거운 암석들은 물리적으로 더 약하며 지질학적 시간을 지나면서 변형되거나 포행할 수 있다. 암석은 뜨거울수록, 특히 녹는점에 다가갈 수록 더 쉽게 포행된다. 깊어질수록 온도가 올라가기 때문에 암석의 행동은 그 조성에 따라 취성 파괴에서 연성 흐름으로 변한다. 하지만 약 100km 깊이 부근에서는 대부분의 암석들이 힘을 잃고 대단히 약해져서 전부 포행할 것이다.
1960년대까지 지진 연구를 통해서 지구의 주요 지진대는 지각 판 사이의 경계를 따라 자리하고 있고, 심발 지진은 대부분 650km 이상 깊이에서 해양판과 대륙판 사이의 경계를 따라 발생한다는 사실이 밝혀졌다. 그러나 전통적인 지진파 분석 기술로는 맨틀에 대한 상세한 정보를 알아낼 수 없다는 사실도 명백했다.
그러다가 1970년대에 폴란드계 미국인 지구물리학자인 하버드대학의 애덤 지본스키와 그 동료들이 1964년 알래스카 대지진에서 얻은 진동 기록을 디지털화하고 컴퓨터로 분석해서 이전까지는 확인하지 못했던 자유 지동을 발견했다. 그들은 지진파의 이동 시간을 단순한 적층 지구 모형으로 예측했던 이동시간과 비교함으로써, 각기 다른 지역을 지나는 지진파의 속도 변화를 보여주는 지구 내부의 컴퓨터 이미지로 만들어 낼 수 있었다. 지진 단층 촬영이라고 하는 이 기술은 자궁 속의 아기를 찍는 초음파 사진과 유사한 슬라이스 이미지를 만들어 낸다. 여러 장의 슬라이스를 합쳐 3차원 모형을 만들면 하부 맨틀에까지 이르는 밀도 차이를 드러낼 수 있다. 오늘날 지진 단층 촬영은 지질학자들에게 지구의 심층 구조에 대한 전례 없는 정보를 제공하며, 예상치 못했던 특성들을 보여준다.