지구의 구조

지구 내부에 대해 우리가 알고 있는 대부분은 지구물리학적 방법, 특히 지진파의 형태 혹은 인위적 폭발의 진동으로 수집되었다. 지진파의 속도와 방향은 어떤 물질에서 다른 물질의 경계를 통과할 때마다 변화한다. 그러한 변화의 분석은 지구의 자기와 중력에 대한 관련 자료를 함께 분석함으로써 지구과학자들이 지구 내부 구조의 모델을 개발하는 데 가능하게 되었다. 일반적으로 지구 내부로의 깊이에 따라 온도와 압력이 증가하여 중심에서 최고의 온도와 최고의 압력을 보인다. 그 열의 근원은 주로 방사선 원소의 붕괴에 따른 에너지의 방출 때문이다. 지구 내부로부터 열의 이동은 판구조 운동과 화산 활동과 같은 많은 지구의 형성 작용을 주도한다. 지구물리학자들은 지구가 조성과 밀도가 서로 다른 3개의 동심원 층으로 둘러싸인 고밀도의 내핵을 갖고 있다고 추측한다. 지표에서부터 내부로 이동하면서 이들 4개의 층 지각, 맨틀, 외핵, 그리고 내핵으로 불린다. 지각은 지구의 최외곽 껍질로서 광범위한 암석 유형의 혼합물로 조성되어 있다. 대양 밑의 지각은 평균 두께가 단지 약 7km인 반면에 대륙 밑의 지각은 평균 두께가 그보다 5배 이상이며 7km가 넘는다. 대양 지각은 얇지만 대륙 지각보다 밀도가 더 큰 암석들로 이루어져 있다. 일반적으로 지각 내부에서 깊이에 따라 밀도의 점진적인 증가가 있다. 모두 합하여 지각은 지구 체적의 1% 이하이고 지구 질량의 0.4%를 이루고 있다. 지각의 맨 아랫부분에서 광물 조성의 중요한 변화가 있다. 이러한 변화의 비교적 좁은 지대를 발견자인 유고슬라비아 지진학자의 이름을 따서 모호 로비 치치 불연속면으로 부르거나 간단히 모호라고 한다. 모호의 밑은 맨틀인데 깊이가 거의 2,900km에 다다른다. 체적 면에서 맨틀은 4개의 층에서 단연 제일 크다. 맨틀은 지구 전체 체적의 84%를 이루며 전체 질량의 약 2/3를 차지한다. 맨틀 내부에는 3개의 하위층들이 있다. 최상부층은 비교적 얕지만 단단하고 딱딱하며 깊이의 범위는 65~100km에 이른다. 이는 대양저 밑보다 더 깊다. 최상부 맨틀과 그 위의 대양이나 대륙 지각을 모두 암석권이라 한다. 딱딱한 암석층의 하부이고 깊이가 350km만큼 깊은 곳에 이르면 이곳에서 암석들의 강도가 대부분 손실되어 가소성을 가질 만큼 충분히 뜨거운 맨틀 지대가 나타난다. 이것을 연약권이라 한다. 연약권 밑은 하부 맨틀로 이곳에서는 암석들은 매우 뜨겁지만 주로 높은 압력 때문에 딱딱하다. 맨틀 하부는 외핵으로 약 5,000km의 깊이에 이르며 유체로 생각된다. 지구의 가장 깊은 곳은 내핵으로 단단하고 1,450km의 반경을 가진 매우 밀도가 높은 물질이다. 내핵과 외핵은 철, 니켈 혹은 철 규산염으로 이루어진 것으로 생각된다. 둘 다 모두 지구 체적의 약 15%와 질량의 32%를 이루고 있다. 일반적인 오개념은 지구의 액상 외핵이 화산에서 분출되어 녹은 암석의 근원이라는 것인데 실은 지표에 가까운 맨틀이 마그마의 근원이 된다. 대신에 지구의 핵은 지표를 향한 맨틀을 통해서 뜨거운 암석의 느린 이동을 일으키는 에너지 원천이다. 이렇게 상승한 맨틀 속의 뜨거운 암석은 높은 압력에 놓여서 반드시 단단한 채로 있다. 상승한 이 맨틀 물질이 지표에서 아주 가까워질 때만 용융될 정도로 압력이 낮아진다. 지구의 자기장은 외핵에서 일어난다. 지구의 자전축 선상을 회전하는 유도 체적인 액체 상태의 철로 불리는 것을 통해서 지구의 자기장을 유도한다. 흥미롭게도 정확하게 지리적 진북인 북극과 일치하지 않는다. 자북의 위치는 느리지만 계속적으로 매년 수십 킬로미터씩 이동한다. 현재는 북위 86도, 서경 160도 위치하고 있다. 하지만 자북의 위치는 하루 동안에도 크게 변화한다. 아울러 수천 년에서 수백만 년의 불규칙한 간격에서는 그 이유가 완전히 이해되지는 않지만 북쪽의 자북이 남쪽이 되는 지구 자기장의 극성이 역전된다. 판구조 운동과 지구의 구조 지구 내부 연구의 어려움에도 불구하고 어떻게 지구가 작동하는지에 대한 우리의 이해는 1960년대에 들어와 극적으로 변화했다. 대륙 이동설의 개념은 1900년대 초에 처음 제기되었지만 대부분의 과학자들에 의해서 반세기 동안 멸시당한 후에 부활하였고 판구조 운동 이론으로 확장되었다. 지질학적, 고생물학적 그리고 자기적 증거는 지구의 암석권이 대형 또는 대륙 규모의 덩어리로 깨져 있음을 밝히고 있다. 이 덩어리가 주로 아래의 뜨겁고 부드러운 연약권 위를 천천히 이동하고 떠다니는 소위 판이라고 하는 것이다. 이 거대한 판들은 갈라지고 충돌하고 그리고 서로 빠르게 미끄러지는데 지구 내부의 대류 열 순환 때문에 일어난다. 단층, 습곡 그리고 화산활동과 같은 많은 내적 형성 과정들은 직접적으로 이들 판들의 경계를 따라서 일어나는 상호작용과 관계되어 있다. 지구의 구성요소 약 100가지의 자연계 화학 원소들이 지각, 맨틀, 그리고 핵에서 때로는 별개의 원소로 발견되지만 보통은 하나 혹은 그 이상의 원소들이 결합되어 화합물을 이루고 있다. 이들 수많은 화합물들과 원소들을 광물이라고 하는데 이 광물이 암석을 이루며 이어서 경관 자체를 이루고 있다. 광물의 특징 고체여야 한다. 자연계에서 자연적으로 존재해야 한다. 무기물 이어야 한다. 특정 한계 내에서만 변하는 일정한 화학적 조성을 갖고 있어야 한다. 단단한 결정을 이루면서 규칙적으로 배열된 원자를 함유하고 있어야 한다.