지구 내부에 대해서 알아내는 가장 좋은 방법은 파거나 구멍을 뚫어 직접 조사하는 것이다. 불행히도 이 방법은 얕은 깊이에서만 가능하다. 역사상 가장 깊게 뚫은 시추공의 깊이는 12.3km이며, 이는 지구 반경의 약 1/500정도에 지나지 않는다. 이마저도 굉장히 놀랄 만한 업적이었는데, 온도와 압력이 깊이에 따라 빠르게 증가하기 때문이다. 다행히도 많은 지진들은 꽤 커서 이들의 지진파가 지구를 통과해 사방으로 전달되고 지구 반대편쪽에서도 기록된다. 이는 지진파가 사람의 신체 내부를 찍는 데 사용되는 X-레이처럼 행동함을 의미한다. 전 세계의 지진계에 잘 기록될 만큼 충분히 큰 지진들은 매년 약 100~200개 일어난다. 이 큰 지진들은 우리의 행성을 들여다볼 수 있는 수단을 제공하며, 우리가 지구 내부의 성질을 이해하는 데 필요한 대부분 자료의 공급원이 되어왔다. 지구 구조를 알기 위해 지진계에 기록된 파동을 해석하는 작업은 지진파가 보통 직선 경로로 이동하지 않는다는 사실 때문에 복잡해진다. 대신 지진파는 지구를 통과할 때 반사, 굴절 그리고 회절된다. 지진파는 층과 층 경계에서 반사되고 하나의 층에서 다른 층으로 통과할 때 굴절되며 어떤 장애물을 만났을 때 그 주변으로 회절된다. 이처럼 서로 다른 파동의 특성들을 사용해 지구 내부에 존재하는 경계부들이 밝혀졌다. 지진파의 가장 큰 특징 중의 하나는 지진파가 크게 휘어진 경로를 따라간다는 것이다. 이것은 일반적으로 깊이에 따라 지진파의 속도가 증가하기 때문이다. 게다가 지진파는 암석이 단단해서 압축되기 어려울수록 더 빠르게 이동한다. 이러한 단단함과 압축성을 이용해 암석의 성분과 온도가 해석된다. 예를 들면, 암석이 뜨거워지면 더 무르게 되고 지진파는 더 느려진다. 지진파는 또한 성분이 다른 암석을 통과할 때 속도가 달라진다. 결국, 지진파의 속도로부터 지구 내부에 있는 암석의 종류와 함께 얼마나 뜨거운지도 알 수 있다.
[지구의 층상구조 형성]
물질들이 집적되어 지구가 만들어지자 성운 파편들의 빠른 충돌과 방사성 동위원소의 붕괴로 지구의 온도가 점점 높아졌다. 이처럼 온도가 격렬하게 증가하는 동안에 지구는 뜨거워져서 철과 니켈이 녹기 시작하였다. 용융과정에서 무거운 금속의 유체 덩어리들이 만들어졌고, 이들은 지구의 중심 쪽으로 가라 앉았다. 이러한 과정은 지질학적 시간으로 볼 때 굉장히 빨리 일어났으며 밀도가 크고 철이 풍부한 지구의 핵을 만들었다. 가열이 되던 초기 중에 화학적 분화의 또 다른 과정이 진행되었으며, 이를 통해 용융에 의해 녹은 암석 물질들이 생기고 부력에 의해 지표로 이동하여 굳어지며 초기 지각을 형성하였다. 이러한 암석 물질들은 산소와 산소가 필요한 원소들, 특히 Si와 Al 그리고 상대적으로 적기는 하지만 Ca, Na, K, Fe, Mg 등을 많이 포함하였다. 게다가 Au, Pb, U과 같은 무거운 금속들은 낮은 용융점을 지니거나 상승하는 용융체에 쉽게 용해되는 특성 때문에 지구 내부로부터 빠져나와 발달 중에 있는 지각 내에 농집된다. 화학적 분리가 일어난 이 초기 기간중에 지구 내부는 세 가지 기본적인 구분이 완성되었다. 철이 풍부한 핵, 얇은 원시 지각, 그리고 핵과 지각 사이에 있는 지구의 가장 거대한 층인 맨틀이다.
[지구 내부 구조]
성분상으로 뚜렷한 이 세 가지 층들과 함께, 지구는 물리적 성질에 근거해서도 서로 다른 층들로 구분될 수 있다. 이 권역들을 정의하는 데 사용된 물리적 성질들은 층이 고체인지 액체인지, 그리고 얼마나 약하거나 단단한지를 포함한다. 이 두가지 유형의 층에 대한 지식은 화산활동, 지진 그리고 산맥의 형성과 같은 기본적인 지질 과정들을 이해하는 데 필수적이다.
지구의 지각
지각은 지구의 외곽 암석층으로 상대적으로 얇고 대륙 지각과 해양 지각의 두 가지로 되어 있다. 둘 다 지각이라는 단오를 쓰지만 유사성은 거기서 끝난다. 해양 지각은 약 7km의 두께로, 어두운 색의 화성암인 현무암으로 구성된다. 이와는 대조적으로 대륙 지각은 약 35km~40km의 두께를 가지며 로키와 히말라야 같은 산맥에서는 70km 이상의 두께를 가지기도 한다. 비교적 균질한 화학조성을 지니는 해양 지각과는 달리, 대륙 지각은 많은 종류의 암석들로 이루어져 있다. 상부 지각은 지역에 따라 변화가 크지만 화강섬록암이라 불리는 화강암질암의 평균 조성을 갖는다.
지구의 맨틀
맨틀은 약 2,900km 깊이까지 뻗어 있는 고체 암석층으로, 지구 전체 부피의 82% 이상을 차지한다. 지각과 맨틀 사이의 경계는 화학성분의 급격한 변화로 특징지어진다. 상부 맨틀에서 가장 흔한 암석은 대륙과 해양 지각에서 발견되는 광물보다 철과 마그네슘이 풍부한 감람암이다. 상부 맨틀 최상부는 딱딱한 암석권이고 그 아래에는 좀 더 약한 연약권이 있다. 상부 맨틀의 하부는 전이대라 불린다. 암석권은 지각 모두와 최상부 맨틀로 구성되며 비교적 차갑고 단단한 껍데기를 형성한다. 암석권은 평균 두께가 약 100km이고, 가장 오래된 대륙 지각의 아래에서는 250km 이상의 두께를 가진다. 이 딱딱한 층 아래로 약350km 깊이에까지 연약권으로 알려진 부드럽고 상대적으로 약한 층이 있다. 연약권의 최상부는 용융이 일어나는 온도와 압력 영역에 속한다. 매우 약한 이 지역 안에서 암석권은 하부에 위치한 연약권과 효과적으로 분리된다. 그 결과 암석권은 연약권과는 독립적으로 움직일 수 있다.
지구의 핵
핵의 성분은 철-니켈의 합금으로, 적은 양의 산소, 규소, 황을 갖는다고 생각되어 왔다. 핵에서의 극한 압력에서는 이 철이 풍부한 물질들은 평균 밀도가 높고 지구 중심부에 있는 물의 밀도에 비해 14배에 근접한 값을 보인다. 핵은 물리적 강도가 크게 다른 두 지역으로 나뉜다. 외핵은 액체층이고 금속질 철이 이동함에 따라 지구 자기장이 형성된다. 내핵은 높은 온도에도 불구하고 행성의 중심부에 존재하는 엄청난 압력으로 인해 내핵의 철은 고체이다.
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