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내부구조와 조성

지구내부에 대한 연구에는 주로 지진파가 이용된다.

지진파에는 빠른 속도로 진행하는 P파와 느린 속도로 진행하는 S파의 2종류가 있으며, P파는 종파(縱波)이고 S파는 횡파(橫波)이다. P파와 S파는 지구내부에 관한 많은 정보를 제공해준다. 지진파를 이용한 조사 결과, 지각 아래는 맨틀·외핵·내핵의 순서로 층상구조임이 밝혀졌다(그림3). 지진파는 이러한 층들의 경계에서 반사와 굴절을 일으키며 이들 경계면을 불연속면이라고 한다.

맨틀과 지각의 경계는 모호로비치치 불연속면이라고 하며 그 깊이는 평균 35km이다. 맨틀은 감람석을 주성분으로 하는 감람암으로 되어 있다. 맨틀은 고체이지만 느린 속도로 대류하고 있는 것으로 추측된다(암류권).

외핵과 맨틀의 경계부는 지하 약 2,900km에 있다(지구 중심으로부터는 약 3,470km). 핵의 가장 두드러진 특징은 P파는 통과시키지만 S파는 통과시키지 않는다는 사실이다.

횡파인 S파를 통과시키지 않는 것은 액체의 특징이므로, 외핵을 구성하는 물질은 액체일 것으로 보이며 주로 용융상태의 철성분으로 되어 있을 것으로 여겨진다. 외핵 아래에는 내핵이 지구 중심부를 이루는데 내핵의 반지름은 약 1,190km이며, 극고압상태에서 고체상태로 존재하고 주로 철로 구성되어 있는 것으로 여겨진다.

지구내부의 밀도와 압력

맨틀과 내핵의 물질은 고압하에서 고화되어 있으므로 지하 심부에서의 지진파 속도는 증가하지만, 지하 심부의 밀도분포는 지진파 속도의 자료만으로 결정되지는 않는다.

지구내부의 상태에 관한 또다른 정보는 정밀도가 매우 큰 천문학적 및 측지학적 관찰사항과 함께 지축 주변에 나타나는 지구의 관성(慣性) 모멘트에 관한 지식으로 얻을 수 있다. 일반적으로 질량이 m이고 반지름이 a인 균질한 구(球)의 중심에 있는 축의 주변에 형성되는 관성 모멘트는 0.4ma²이다.

그러나 여러 가지 관찰에 의하면 지구의 관성 모멘트는 0.334ma²인 것으로 밝혀졌는데, 이는 지구의 밀도가 균일하지 않으며 중심부로 가면서 증가함을 반영하는 것이다. 지구내부의 압력은 비교적 규칙적이며 깊이에 따라 증가한다. 맨틀에서의 압력 상승률은 약 470기압/km이다. 맨틀과 핵의 경계부에서의 압력은 약 137만 기압이며, 지구 중심부에서의 압력은 약 370만 기압이다. 중력의 세기도 지구내부의 깊이를 측정하는 데 사용되지만, 중력은 중심부에서는 소멸하는 단점을 갖고 있다.

중력은 맨틀에서는 12％ 정도의 변화만을 보일 정도로 매우 일정하지만, 핵과의 경계부에서 점진적으로 감소하기 시작해 중심부에서는 완전히 소멸된다.

지구내부의 온도와 열전달

지구내부의 온도분포를 측정하는 직접적인 방법은 없지만, 여러 가지 간접적인 정보를 이용해 측정할 수 있다.

한 예로 광산의 깊은 갱도의 온도가 높다는 것은 잘 알려진 사실이며 지구내부 온도에 대한 간접적인 정보를 제공해준다. 지표면으로 운반되는 열의 전도율은 온도상승률과 물질의 고유특성인 열전도도에 의해 좌우되므로, 이 2가지를 측정할 경우, 지구내부로부터 나오는 열류량(熱流量)을 측정할 수 있다. 해저에서 측정한 지열(地熱) 자료에 의하면 매우 깊은 바다의 열류량은 대륙의 열류량과 비슷하다.

지구 최외각층의 평균 온도경도는 25~30℃/km이며, 지표면 근처의 평균 열류량은 1초당 1.2×10^-6cal/㎠이다. 지구 심부(深部)에서의 평균 온도경도를 14℃/km라고 가정했을 경우, 300km 깊이에서의 온도는 약 4,200℃로, 깊이에 따른 고압(高壓)을 고려하더라도 어떠한 종류의 규산염광물의 녹는점보다도 높아지게 된다.

그러므로 이러한 관계를 고려해 보았을 때, 온도경도는 지구내부의 적당한 깊이부터는 급격히 감소하는 것으로 생각할 수 있다. 한편 지구 열류량의 대부분은 오랫동안 방사성 동위원소의 붕괴시에 발생하는 열에서 생성된다고 여겨져 왔으며, 따라서 오늘날에는 방사성 물질이 지구의 상부층에 많이 농집되어 있는 것으로 생각된다.

지구내부 심부층의 온도 및 열류에 대해서는 주로 추측에 의존하고 있지만, 어떠한 조건에 따른 가상적인 온도분포의 설정은 가능하다.

즉 맨틀의 온도는 맨틀을 구성한 규산염광물의 녹는점보다 낮은 것이 확실하며, 외핵의 온도는 철의 녹는점보다 높은 것이 확실하다. 또한 내핵이 철로 구성되어 있다면, 내핵의 경계부 온도는 철의 녹는점 부근까지 상승할 것이며 경계부 내부는 이보다 높을 것이다. 결국 지구내부의 온도를 알아내는 가장 좋은 방법은 압력의 증가에 따른 녹는점의 온도를 측정하는 것이다. 현재까지 알려진 지구내부의 온도는 비교적 낮은 경향을 띠는데 핵의 경계부 온도는 약 3,000℃ 정도이며, 지구 중심부의 온도는 약 4,000℃이다.

그러나 이러한 측정치는 아마도 수백℃의 오차가 있을 것으로 추정된다.