츄 사이언스 - 지각의 구조 연구방법

지각

지각은 모호면 위의 얇은 부분으로, 이 불연속면은 대륙과 해양 밑에 거의 전세계적으로 존재하고 있습니다. 이러한 지각은 지구 부피 전체의 약 1% 정도밖에 되지 않으며, 지구 질량의 약 0.5%를 차지합니다. 지각의 구조와 구성물질 및 그 상태를 알아보기 위해서는 시추 등에 의한 직접적인 방법과 탄성파의 속도 분포, 중력이상의 분포, 지자기 및 그의 변동, 지각 열류량의 분포 등을 이용하는 간접적이 방법이 있습니다. 이러한 방법들을 살펴보도록 하겠습니다.

지각구조의 연구방법

1. 직접적인 방법

지각의 구조나 구성물질을 알아보기 위한 직접적인 방법은 주로 지각내부로 뚫고 들어가 암석 시료를 채취하여 분석하는 시추 혹은 굴착에 의한 방법이 이용됩니다. 이 방법은 지구 내부를 규명하는 가장 정확한 방법입니다. 하지만 비용이 많이 드는점과 좁은 범위로 한정된 지역만을 알 수 있다는 단점이 있습니다. 대륙지각에서 시추에 의해 가장 깊이 들어간 경우는 구소련의 콜라(Kola) 반도의 시추홀이며, 지금까지 약 13km 깊이에 이르고 있습니다. 해양지각에 대한 시추는 지구 심부시료채취를 위한 해양협력기구(JOIDES : Joint Oceanographic Institutions for Deep Earth Sampling)에 의해 추진되어, 1968년 심해저시추계획(DSDP : Deep Sea Drilling Project)으로 시작되었으며, 1985년에는 해양시추계획(ODP : Ocean Drilling Project)으로 새로운 단계에 들어가 상부해양지각의 수 km에 대한 지질학적, 지구물리학적인 구조에 대한 지식에 있어서 많은 발전을 가져왔습니다. 그러나 깊이 있는 하부지각이나 상부맨틀에 대한 시추는 많은 어려움이 따르기 때문에 기술의 많은 발전이 필요한 상태입니다.

2. 탄성파 이용방법

대륙지각의 구조에 대한 대부분은 1950년대 이후 발파지진학(explosion seismology)에 의해 얻어졌습니다. 자연지진보다 인공발파를 이용하는 이점은 발파시간과 발파점의 위치가 정확하게 알려지므로 지진이 일어나지 않은 지역에 대해서도 큰 어려움 없이 실시될 수 있단는 장점이 있습니다. 지각의 층과 두께를 조사하는 발파지진학에서 가장 많이 이용되는 방법은 굴절탄성파 탐사방법입니다. 이 방법은 발파점과 조사깊이의 수배에 이르는 측선(profile)을 따라 P파의 도착시간을 측정하여 주시곡선을 작성합니다. 실제로 대륙지각의 구조를 결정하기 위한 탄성파의 측선거리는 약 200~300km가 필요합니다. 아래의 그림은 발파점으로부터 직접 전파되는 파, 콘라드불연속면에서 임계굴절 해가는 파와 모호면에서 임계굴절해 가는 파의 거리에 따른 주시곡선을 나타냅니다. 이 주시곡선들의 기울기에서 상부 및 하부지각과 맨틀 상부에서의 탄성파 속도를 구할 수 있으며, 상부 및 하부지각의 두께는 각 층에서의 지진파 속도와 절단시간을 통해 구할 수 있습니다. 또한 탄성파가 반사되는 성질을 이용한 탄성파 반사법도 탐사기술의 발전으로 지각의 미세구조의 규명에 이르기까지 많이 활용되고 있습니다. 이러한 탄성파 굴절 및 반사법은 대륙지각 뿐만 아니라 해양지각의 구조 규명에도 많은 기여를 하고 있습니다.

직접오는파, 콘라드면 굴절파, 모호면 굴절파의 거리 - 도달시간 관계

3. 중력측정에 의한 방법

중력측정에 의해 구해지는 부게이상은 지하에 밀도가 균질한 암석이 분포할 경우 0에 가까운 값을 가지나 주위보다 밀도가 낮은 암석이 분포할 경우 -의 값, 밀도가 높은 암석이 분포할 경우 +의 값을 나타냅니다. 지각을 구성하는 암석은 다양하고, 종류에 따라 암석의 밀도도 다릅니다. 따라서 부게이상의 값을 통해 지하 암석의 밀도분포를 알 수 있습니다. 이를 통해 지하구조에 대한 중요한 정보들도 제공받을 수 있습니다. 특히 광범위한 지역에 대한 중력측정을 통해 부게이상을 구할 경우 모호면 상부의 대륙지각과 해양지각의 구조를 규명할 수 있습니다. 일반적으로 대륙지각이나 해령 및 해구 부근에서는 주위에 비해 - 값을 나타냅니다. 따라서 지진파 연구를 통해 구한 자료와 지질학적인 지식을 함께 적용하여 지각 내부의 암석의 밀도분포에 대한 모델을 세우고 이로부터 구한 이론적인 중력이상값과 실측치와 비교하여 그 차이를 최소화하는 과정을 통해 지각의 구조를 규명할 수 있습니다. 대륙이나 해양에서의 지각균형은 주로 지각의 두께변화에 의해 이루어지고 있기 때문에 습곡산맥지대는 두꺼운 지각을 형성하고 있습니다. 반면 해령과 대륙의 융기지역(동아프리카, 미국서부)은 상부맨틀 상부에 저밀도 암석이 존재함으로써 지각균형 상태를 유지하고 있습니다. 중력측정을 통해서 부게이상, 지각균형이상을 구하고 탄성파 자료를 함께 이용하면 광범위한 지역에 걸친 지각구조 뿐만 아니라 지각평형상태까지 알 수 있습니다.

대서양 중앙해령에성 부게이상과 지하 밀도 모델