츄 사이언스 - 지구내부의 물질

지구 내부의 물질을 추정하는 방법

지구 내부의 구조, 구성물질 및 상태의 규명은 지구 내부를 통과하는 지진파의 연구, 중력, 지자기, 지구 조석, 지구 열량의 측정, 지구의 자유 전동 및 그 주기 측정, 지구 자전에 의한 관성모멘트 측정, 운석의 연구, 실내에서의 물질의 고온고압 실험 등이 이용되며, 이를 통해 지구내부에 가장 적합한 모델을 설정하여 추정하게 됩니다.

지구 내부의 물질

1. 맨틀

맨틀은 지진파의 속도 분포에 따라 상부 맨틀(약 400km), 맨틀 전이대(약 400~670km)와 하부 맨틀(약 670~2,900km)로 구분될 수 있습니다. 맨틀의 깊이에 따른 구성물질에 대한 화학적 지식은 맨틀 기원의 유체에 기인하는 화산암과 심성암의 화학성분이나 구조적으로 배태된 맨틀의 파편들, 화산 활동에 의해 올라온 단괴(nodules), 여러 가지 지진파 밀도 모델에 의한 지화학적 모델로부터 추정될 수 있습니다. 상부맨틀 상부의 P파 속도는 8.0~8.2km/sec 범위입니다. 이 깊이에서의 온도 및 압력의 조건과 이러한 속도에 대비되는 암석은 초염기성암인 감람암과 염기성암인 반려암의 고압상인 에클로자이트입니다. 두 형태의 암석이 지진파 속도를 만족시켜주기 때문에 맨틀의 구성성분에 대해 논란의 여지가 많습니다. 1975년 Ringwood는 맨틀 속에서 증가하는 지진파의 속도에 일치하는 광물군의 양을 조절하여 파이롤라이트(pyrolite)라는 감람암의 일종을 인위적으로 설정하였으며, 이 암석은 감람석이 주성분이고 사방휘석, 석류석, 투휘석 등이 소량 포함된 암석입니다. 이러한 암석에 의한 맨틀의 모델을 파이롤라이트 모델이라 하며, 심도에 따라 화학성분은 동일하나 증가하는 온도 및 압력의 조건에 안정하게 구성광물들이 격자구조를 변이하면서 보다 환경에 적합하게 밀도를 높여 나간다는 것입니다. 이 모델에 따르면 상부맨틀의 주성분인 감람석은 약 400km에서 베타스피넬로 상변이 하고 약 670km에서는 격자구조가 더 높은 밀도의 동질 이상인 감마 스피넬로 상변이 한다는 것입니다. 이 맨틀 전이대의 광물군의 조성은 에클로자이트와 유사하게 한 것으로서 이를 피클로자이트(piclogite) 모델이라 하여 미국의 바스와 앤더슨(Bass and Anderson, 1984)에 의해 제기되었습니다. 이 모델은 파이롤라이트 모델에 비해 맨틀 전이대에서 감람석과 사방휘석의 조성비가 크게 낮아지고 투휘석류와 석류석의 비는 상대적으로 높아지는 광물군을 형성하게 됩니다. 따라서 400km에서는 주로 베타스피넬, 투휘석류 및 Al 성분이 풍부한 석류석 등이 주구성 광물을 이루는 상변이를 하며, 약 550km 이상의 깊이에서는 주로 감마스피넬과 석류석으로의 상변이를 한다는 것입니다. 하부 맨틀은 지구 구조 중 가장 큰 부피를 차지하고 있으며, 약 670km에 있는 지진파의 불연속면에서 맨틀 - 외핵 경계까지의 부분으로서 지진파 속도 및 밀도 분포에서 거의 균일한 조성을 갖는 것으로 생각됩니다. 하부 맨틀의 조건에서는 두 모델에 상관없이 주 구성광물이 거의 동일하게 페로브스카이트(perovskite)의 구조로 상변이가 일어난다고 생각됩니다. 따라서 페브로스카이트는 마그네슘과 철을 포함하는 (Mg, Fe) SiO3 성분으로서 하부 맨틀에 가장 풍부한 광물 구조라 생각됩니다.

맨틀내에서의 S파속도 구조와 감람석에 대한 상변이와 전이대

2. 핵

핵은 지구 전체 부피의 약 16%이고 질량은 약 32%를 차지하고 있습니다. 핵의 구성 성분에 대한 확실한 증거는 1960년대 실시된 충격파 실험을 통해 보다 명확하게 얻어지게 되었습니다. 이 실험은 순간적인 폭발에 의해 발생하는 고압 충격파를 이용하여 물질을 연구하는 방법입니다. 핵은 순수한 철보다 밀도가 낮아 핵의 구성성분에는 철보다 가벼운 원소가 포함되어 있으리라 생각됩니다. 외핵은 철과 약 10% 정도의 원자량이 낮은 원소가 화합물을 이루고 있다고 봅니다. 그러나 이러한 원소가 철과 함께 외핵에 존재할 수 있는 조건으로는 핵의 온도 및 압력의 조건에서 철과 함께 화합물을 만들 수 있어야 하며, 화합물 생성 후 철의 용융점을 낮출 수 있어야 하고, 핵이 형성되는 과정 중에 충분한 양이 핵 내로 진입했어야 한다는 점입니다. 이러한 조건을 만족시키는 후보 원소는 산소와 황입니다. 황보다는 산소와 화합물을 이루고 있을 가능성이 크며, FeO 상태일 것이라고 추정됩니다. 외핵은 순수한 Fe나 Fe-Ni의 화합물은 될 수 없고, 이보다 훨씬 밀도가 낮은 FeO에 비교적 가까운 성분 분포를 하고 있으리라 추정됩니다. 내핵은 핵 전체에 비해서 체적이 5% 정도로 작기 때문에 밀도는 잘 알려져 있지 않습니다. 지진파 속도에 관한 정보만이 나와있을 뿐인데, 외핵 - 내핵 경계에서 P파 속도가 급격하게 증가하는 현상이 일어나기 때문에 내핵이 강성률을 갖는 고체인 것임을 알 수 있습니다. 내핵은 외핵을 이루는 액체가 고화된 것으로 추정되며, 주로 철로 이루어진 금속고체라고 생각됩니다.