지진파로 보는 지구 내부 구조

핵심 정리

지진파는 지구 내부를 통과하며 매질의 성질과 층의 경계를 드러낸다. 파동의 속도는 매질의 탄성 계수와 밀도에 따라 달라지고, P파는 S파보다 빠르다. P파는 고체와 액체를 모두 통과하지만 S파는 P파보다 느리며, 지각의 종류에 따라 속도가 다르다. 지진파 속도는 지구 내부로 갈수록 대체로 증가하지만, 외핵은 액체 상태이므로 P파 속도가 급감하고 S파는 통과하지 못한다. 맨틀 아래쪽의 외핵 물질은 용융 상태의 액체이다.

주시 곡선은 진원에서 관측소까지의 거리와 지진파 도달 시간의 관계를 나타낸다. P파와 S파가 같은 거리를 이동할 때 P파가 먼저 도착하며, 두 도달 시각의 차이를 PS시라고 한다. PS시는 진원 거리에 비례한다. 따라서 여러 관측소의 PS시와 파동 속도를 이용하면 진원 거리와 진앙 위치를 추정할 수 있다. 진앙은 진원 바로 위의 지표 지점이다.

지구 내부 층의 속도가 다르면 지진파는 경계에서 굴절하고, 직접파와 굴절파의 주행 시간에 따라 먼저 도착하는 파가 달라진다. 가까운 거리에서는 직접파가 굴절파보다 먼저 도달한다. 굴절파는 깊은 층을 통과해 빠르게 이동할 수 있어 먼 거리에서 유리하다. 속도 불연속과 주시 곡선의 변화는 지구 내부의 층상 구조를 해석하는 단서다.

자세히

지진이 일어나면 발생한 에너지가 지진파로 전달되고, 관측소에서는 각 파의 도달 시각을 기록한다. 지진파는 지구 내부를 통과하는 동안 매질의 탄성 및 밀도에 따라 속도가 달라지며, 층의 경계에서는 경로가 굴절될 수 있다. 서로 다른 깊이와 매질을 통과하는 파의 도달 시간 차를 관측하면 내부 구조를 추론할 수 있다. 깊이에 따른 지진파 속도는 대체로 증가한다. 다만 모든 깊이에서 계속 같은 방식으로 증가한다고 단정해서는 안 된다. 특히 맨틀에서 외핵으로 들어갈 때 P파 속도는 급격히 감소하며, 최대 속도는 외핵 상부 경계보다 얕은 곳에서 나타난다. 속도 불연속면에서 나타나는 밀도 변화의 크기를 얕은 면과 깊은 면 사이에서 항상 같은 방향으로 비교할 수도 없다.

P파와 S파의 성질을 먼저 구분해야 한다. P파는 압축과 팽창이 전달되는 파로 고체와 액체를 통과한다. S파는 매질의 변형이 전달되는 파로 액체를 통과하지 못한다. 일반적으로 P파 속도가 S파 속도보다 빠르므로 같은 경로에서 P파가 먼저 도착하고, S파가 뒤따른다. P파의 속도는 지층의 밀도와 탄성률이 클수록 빠르다. 다만 속도를 비교할 때 밀도만 따로 보고 빠르기를 판단하지 말고 탄성률을 함께 고려해야 한다. 한편 지진파 속도는 매질의 탄성 계수와 밀도, 파의 종류에 따라 달라지며 P파는 S파보다 빠르다.

거리와 도달 시각을 해석할 때에는 진원 거리와 진앙 거리를 구분한다. 진앙 거리는 지표면을 따라 잰 거리이고 진원 거리는 진원에서 관측소까지의 직선 거리다. 진앙 거리는 진원 거리에 비해 항상 짧거나 같다. 진원 거리가 작을수록 P파가 최초로 도달하는 시간은 짧다. 진원 거리는 지진파의 도달 시간 차와 속도를 이용해 구할 수 있다. 따라서 관측소별 도달 시각을 읽을 때 시간차를 곧바로 진앙 거리로 취급하지 말고, 문제에서 주어진 속도와 거리의 정의를 확인해야 한다.

PS시는 S파 도달 시각에서 P파 도달 시각을 뺀 값이다. 같은 관측소에서 두 파의 출발 시각은 같으므로, PS시는 두 파가 해당 거리를 이동하는 시간의 차를 나타낸다. P파와 S파의 속도가 일정하다고 놓으면 거리와 시간의 관계는 각각의 이동 시간으로 표현되고, PS시는 두 이동 시간의 차로 계산된다. 이 때문에 진원 거리가 커질수록 두 파가 이동하는 시간 차도 커진다. 진원 거리는 P파와 S파의 도달 시간차에 비례하는 값이다. 진원 거리는 PS시와 P·S파 속도차로 계산되며 관측소의 도달 시각 차로 결정된다. 이 계산에서는 문제에서 제공한 거리의 종류를 확인해야 한다. 진원 거리가 같은 조건이라면 PS시는 P파와 S파 속도로 결정된다. 또한 PS시는 S파와 P파의 도달 시각 차다.

주시 곡선의 가로축을 거리, 세로축을 도달 시간으로 두면 곡선의 기울기는 거리 변화에 따른 시간 변화, 즉 이동 속도와 연결된다. P파 도착 시간에 대한 P-S 시 그래프의 기울기는 P파 속도와 S파 속도의 차이로 결정된다. 문제에서 그래프의 축을 바꾸어 제시할 수 있으므로, 기울기를 읽기 전에 가로축과 세로축을 확인한다. P파와 S파의 속도 관계를 이용하면 PS시가 거리에 따라 어떻게 변하는지 해석할 수 있다. S파의 속도는 P파 속도보다 작다.