지진파로 지구 속을 들여다보는 방법 — 행성 내부를 읽는 과학

지구 내부를 직접 파고 들어갈 수 없다면?

지구의 반지름은 약 6,371km입니다. 인류가 지금까지 뚫은 가장 깊은 구멍은 러시아 콜라 반도에서 진행된 시추 프로젝트로 약 12.2km — 지구 반지름의 0.2%에 불과합니다. 그렇다면 우리는 어떻게 수천 킬로미터 아래 지구 내부의 구조를 알 수 있을까요? 그 열쇠가 바로 지진파(seismic wave)입니다. 지진파 지구내부구조를 탐구하는 지구물리학은 마치 의사가 엑스레이나 초음파로 몸속을 보듯, 지진이 만들어내는 파동으로 행성의 심층을 들여다봅니다.

P파와 S파 — 지구를 통과하는 두 종류의 파동

지진이 발생하면 두 가지 주요 지진파가 발생합니다. P파(Primary wave, 종파)는 파동의 진행 방향과 매질의 진동 방향이 같은 압축파로, 고체·액체·기체 모두를 통과할 수 있습니다. 속도는 지각에서 약 6km/s, 맨틀에서 약 8~13km/s에 달합니다. S파(Secondary wave, 횡파)는 진행 방향과 수직으로 매질이 진동하는 전단파로, 고체만 통과하고 액체나 기체에서는 사라집니다. 이 S파의 성질이 지구 내부 구조 연구의 핵심 열쇠가 됐습니다.

1906년 지진학자 리처드 올덤은 지진 기록을 분석하다가 지구 반대편 특정 구역에서 S파가 도달하지 않는다는 사실을 발견했습니다. 이른바 '그림자 구역(shadow zone)'의 존재는 지구 내부에 액체 상태의 층이 있다는 직접적 증거였습니다. 이것이 바로 외핵(outer core)의 발견입니다. S파가 통과하지 못하는 액체 외핵을 중심으로, 지구 내부 구조가 지각→맨틀→외핵→내핵의 층상 구조임이 확인됐습니다.

지진 단층촬영 — 지구를 CT 찍다

현대 지구과학은 단순히 지진파의 도달 시간만 분석하는 것을 넘어, 지진 단층촬영(seismic tomography)이라는 기술로 지구 내부를 3차원으로 영상화합니다. 전 세계 수천 개의 지진 관측소에서 기록한 수백만 건의 지진파 데이터를 컴퓨터로 분석해, 파동이 예상보다 빠른 곳과 느린 곳을 역산(inverse problem)하는 방식입니다. 지진파가 빠른 영역은 차갑고 단단한 암석이, 느린 영역은 뜨겁거나 부분 용융된 물질이 있다는 것을 의미합니다.

이 기술 덕분에 과학자들은 지구 맨틀에서 거대한 플룸(plume) 구조를 발견했습니다. 아프리카와 태평양 아래에는 지표에서 핵까지 이어지는 거대한 저속도 구조, 이른바 'LLSVP(Large Low Shear Velocity Provinces)'가 존재합니다. 이 구조가 지표의 화산 활동과 어떻게 연결되는지는 아직도 활발하게 연구 중입니다.

내핵의 비밀 — 단단한 철의 구슬

지구 중심부의 내핵(inner core)은 반지름 약 1,220km의 고체 철-니켈 합금으로 이루어진 것으로 추정됩니다. 외핵이 액체임에도 내핵이 고체인 이유는 엄청난 압력(약 360GPa) 때문입니다. 최근 연구에 따르면 내핵은 균일하지 않고 이방성(anisotropy)을 가집니다 — P파가 지구 자전축 방향으로는 적도 방향보다 3~4% 빠릅니다. 이는 내핵의 철 결정이 특정 방향으로 정렬되어 있다는 것을 시사합니다.

2023년에는 내핵 안에 또 다른 구조가 있다는 연구 결과가 발표됐습니다. '최내핵(innermost inner core)'으로 불리는 이 층은 바깥 내핵과 다른 결정 방향을 가질 수 있으며, 지구의 초기 역사에 대한 단서를 품고 있을 수 있습니다. 지진파 지구내부구조 연구는 아직 미완의 이야기이며, 지구가 스스로 들려주는 파동에 귀 기울이면 놀라운 이야기들이 계속 나옵니다.

파동으로 읽는 행성의 언어

지진파는 재앙의 전령이기도 하지만, 동시에 지구가 자신의 내부를 우리에게 보여주는 언어이기도 합니다. 화성의 지진계를 탑재한 NASA의 InSight 탐사선이 화성 지진을 관측해 화성 내부 구조를 밝혀낸 것처럼, 이제 지구과학의 방법론은 다른 행성의 심층으로까지 확장되고 있습니다. 지구를 이해하는 것이 곧 태양계와 행성 형성의 보편적 원리를 이해하는 길입니다.