지구의 내부: 지각에서 핵까지

1909년 10월 8일 아침, 안드리야 모호로비치치라는 크로아티아 지진학자가 자그레브 기상관측소로 들어섰다가 자신의 지진계 드럼이 어느 지진의 흔적으로 뒤덮여 있는 것을 발견했다. 큰 지진은 아니었다. 도시에서 남동쪽으로 약 40킬로미터 떨어진 포쿱스코 지역을 강타한 지진이었다. 그런데 종이에 그려진 구불구불한 선에는 무언가 이상한 점이 있었다. 진앙에서 어느 정도 떨어진 관측소들에서는 같은 종류의 지진파가 두 번 도착하는 것처럼 보였고, 한 펄스가 다른 펄스보다 눈에 띄게 빨랐다. 마치 하나의 신호가 둘로 갈라져 서로 다른 경로를 따라 달려온 것 같았다.

모호로비치치는 그해 남은 시간을 그 이유를 밝히는 데 바쳤다. 들어맞는 설명은 단 하나뿐이었다. 일부 파동이 더 깊고 더 조밀한 암석층 속으로 파고들어 속도를 높였고, 그 위 더 얕은 물질을 통과해 온 느린 파동보다 앞서서 지표에 닿았다는 것이다. 그는 삽 한 번 들지 않고도 지구 내부의 경계 하나를 탐지해 낸 것이다. 그 경계는 지금도 그의 이름을 지니고 있으며, 발음하기 지친 지질학자들은 이를 줄여 모호(Moho)라고 부른다. 이 경계는 지각과 맨틀을 가르며, 그 발견은 한 줌의 과학자들이 먼 지진의 떨림 외에는 아무것도 읽지 않고서 결코 볼 수 없는 행성의 구조를 재구성해 낸 사반세기의 시작이었다.

이 글은 바로 그 구조에 관한 것이며, 우리가 그것을 알고 있다는 놀라운 사실에 관한 것이다. 지구 중심은 당신의 발밑 6,000킬로미터 너머에 있으며, 수많은 별의 표면보다 뜨겁고 직관을 거스르는 압력에 짓눌려 있다. 우리는 그곳에 갈 수도 없고 뚫고 내려갈 수도 없다. 그렇다면 우리는 어떻게 지각과 맨틀, 액체 상태의 외핵, 그리고 고체 상태의 내핵을 이토록 자신 있게 이야기하게 되었을까?

행성의 떨림으로 행성을 읽다

지구 깊은 내부에 관해 우리가 아는 거의 모든 것은 뚫는 데서가 아니라 듣는 데서 나온다. 큰 지진이 일어나면 지진파가 사방으로 퍼져 나가는데, 여기에는 행성의 몸을 곧장 관통해 내려가는 경로도 포함된다. 이 파동들은 서로 매우 다르게 행동하는 두 가지 주요 종류로 나뉘며, 그 차이야말로 지구물리학이 가져 본 가장 강력한 단 하나의 도구다.

둘 중 빠른 쪽이 P파, 즉 1차 파동이다. P파는 음파가 공기를 지나가듯 통과하는 물질을 압축하고 늘인다. 결정적으로 P파는 고체와 액체, 기체를 가리지 않고 통과한다. 더 느린 S파, 즉 2차 파동은 물질을 옆으로 비틀어 전단하는데, 옆으로의 전단은 액체가 도저히 견뎌 낼 수 없는 운동이다. S파는 오직 고체만 통과하며, 어떤 액체층에서든 그대로 멈춰 버린다.

이 덕분에 지진학자들은 행성을 엑스선으로 들여다볼 방법을 얻는다. 지구 곳곳의 관측소에 지진계를 설치하고 각 종류의 파동이 정확히 언제, 어느 방향에서 도착하는지를 기록하면, 그 에너지가 지나온 경로를 재구성할 수 있다. 파동이 빨라지는 곳에서는 암석이 더 조밀해진 것이 분명하다. S파가 완전히 사라지는 곳에는 액체가 있어야 한다. 파동이 급격히 꺾이는 곳에서는 두 물질 사이의 경계를 건넌 것이다. 지구 내부 모형은 방사선 전문의가 필름 위의 그림자를 읽어 내듯, 이 도착 시각들로부터 수십 년에 걸쳐 끈기 있게 조립되었다.

한 장에 그려 낸 네 개의 층

바깥에서 안으로 그려 보면 지구에는 네 개의 주요 층이 있다. 표면에는 얇고 잘 깨지는 지각이 있고, 그 아래에는 지질학적 시간 동안 극도로 뻑뻑한 퍼티처럼 흐르는 두껍고 대체로 고체인 맨틀이 있다. 그 밑에는 철과 니켈로 된 액체 상태의 외핵이 있으며, 가장 깊은 한가운데에는 역시 철과 니켈로 이루어진, 타는 듯이 뜨겁지만 압력에 의해 얼어붙은 고체 상태의 내핵이 있다. 이것이 모든 지리학과 지질학 교과서에 실리는 표준 단면도이며, 그 경계 하나하나는 지진파를 읽어 발견되었다.

그 비율은 우리를 겸손하게 만든다. 우리가 일찍이 손대 본 유일한 부분인 지각은 단연 가장 얇은 껍질이며, 행성의 부피 거의 전부가 그 아래의 맨틀과 핵에 자리한다. 지구를 이해한다는 것은 어떤 의미에서 우리 가운데 누구도 결코 닿지 못할 곳을 이해한다는 뜻이다.

두 종류의 지각: 해양과 대륙

지각은 균일한 하나의 껍질이 아니다. 지각은 뚜렷이 구별되는 두 종류로 깔끔하게 나뉘며, 그 둘 사이의 차이가 우리 행성 표면의 가장 기본적인 특징, 즉 바다가 어디에 자리하고 육지가 어디에서 솟아오르는지를 좌우한다.

해양 지각은 얇아서 보통 5에서 10킬로미터 정도이며, 조밀하고 어두우며 화학적으로 현무암질이다. 하와이 용암류에서 볼 수 있는 것과 같은 계열의 암석이다. 또한 지질학적으로 젊은데, 해저는 중앙 해령에서 끊임없이 만들어지고 다시 맨틀로 재순환되기 때문이다. 반대로 대륙 지각은 두꺼워서 흔히 30에서 40킬로미터에 이르고 산맥 아래에서는 훨씬 더 두꺼우며, 더 가볍고 대체로 화강암질의 조성을 띤다. 또한 오래되어 일부 조각은 수십억 년 전으로 거슬러 올라간다. 대륙 지각은 덜 조밀하기 때문에 맨틀 위에 더 높이 떠 있는데, 마치 두꺼운 뗏목이 더 얇고 무거운 해양판 위를 타고 있는 것과 같다. 그리고 바로 그 단순한 밀도 차이가 대륙이 해수면 위로 솟고 해양 분지가 그 아래에 놓이는 이유다.

맨틀, 그리고 판 아래의 무른 층

모호 아래에는 맨틀이 있는데, 두께가 대략 2,900킬로미터에 이르는 규산염 암석의 껍질이다. 맨틀은 지구 구조의 거인으로, 행성 전체 부피의 약 84퍼센트를 차지한다. 우리가 무심코 "지구"라고 부르는 것은 부피로 따지면 거의 전부가 맨틀이다.

여기서 우리는 지질학 전체에서 가장 끈질긴 오해와 마주해야 한다. 맨틀이 녹은 용암의 바다라는 믿음이다. 그렇지 않다. 맨틀은 압도적으로 고체 암석이다. 물론 엄청나게 뜨겁고, 수백만 년에 걸쳐서는 느린 대류로 흐르고 휘저어질 수 있으며, 빙하나 차가운 타르 덩어리가 충분히 오래 기다리면 변형되듯 소성적으로 변형된다. 그러나 인간의 시간 척도에서는 뻑뻑한 고체처럼 행동한다. 오직 특정하고 한정된 구역에서만, 대개 압력이 떨어지는 표면 근처에서만 맨틀 암석이 녹아 화산을 먹여 살리는 마그마를 만들어 낸다. 우리가 지표에서 보는 이글거리는 용암은 그 아래에 있는 것의 예외이지 일반적인 모습이 아니다.

상부 맨틀 안에는 중요한 공학적 구분이 자리한다. 맨틀에서 가장 위쪽의 차갑고 단단한 부분은 그 위 지각과 한 덩어리처럼 역학적으로 움직이며 뻑뻑한 껍질을 이룬다. 그 아래에는 연약권이 있는데, 녹는점에 충분히 가까워서 무르고 천천히 변형될 수 있는, 더 따뜻하고 약한 맨틀 암석의 층이다. 이것은 그 위의 단단한 껍질이 미끄러질 수 있는 윤활된 표면이며, 무른 층 위에 놓인 단단한 뚜껑이라는 이 구분이 알고 보면 판구조론의 열쇠가 된다.

구텐베르크의 경계, 그리고 액체 철의 핵

1914년, 독일계 미국인 지진학자 베노 구텐베르크는 모든 내부 경계 가운데 가장 극적인 경계를 깊이 약 2,900킬로미터 지점에서 짚어 냈다. 맨틀이 끝나고 핵이 시작되는 곳이었다. 증거는 인상적이었다. 어떤 큰 지진에서든 일정 각도를 넘어서면 S파가 아예 나타나지 않았고, P파는 급격히 꺾여 늦게 도착했다. 결정타는 S파의 사라짐이었는데, S파는 액체를 통과할 수 없기 때문이다. 맨틀은 무언가 녹은 것 위에 얹혀 있었다.

그 무언가가 외핵이다. 액체 상태의 철과 니켈로 이루어진, 두께 대략 2,200킬로미터의 껍질로, 온도는 섭씨 4,000도에서 5,500도쯤이다. 그것은 잔잔한 금속의 바다가 아니라 들썩이는 바다로, 아래에서 빠져나오는 열에 의해 거대한 대류 소용돌이로 휘저어진다. 전기를 잘 통하는 그 액체 금속의 소용돌이는 스스로 유지되는 발전기처럼 작동하여 지구의 자기장을 만들어 낸다. 태양풍의 상당 부분을 비껴 보내고 나침반 바늘이 북쪽을 가리키게 하는 보이지 않는 방패다. 배를 인도하고 대기를 보호하는 그 자기장은 결국 해저 수천 킬로미터 아래에서 녹은 철이 출렁이며 빚어내는 산물이다.

잉게 레만, 그리고 그 안의 단단한 심장

구텐베르크 이후 20년 동안 핵은 전부 액체라고 여겨졌다. 그러다 1936년, 덴마크 지진학자 잉게 레만이 간결하면서도 이제는 유명해진 제목 P'("피 프라임"이라고 읽는다)의 논문을 발표했다. 그 안에서 그녀는 한 가지 수수께끼와 씨름했다. 어떤 지진의 반대편 지구상에는 그림자대라고 불리는 지역이 있는데, 액체 상태의 외핵이 P파를 너무 강하게 꺾어 버려서 P파가 아예 도착하지 않아야 하는 곳이다. 그런데도 그곳에 희미한 P파가 어쨌든 나타나고 있었다. 이론대로라면 지표가 침묵해야 할 곳에서 말이다.

레만의 설명은 우아했다. 만약 액체 상태의 외핵 깊숙한 곳에 더 작고 더 조밀하며 고체인 내핵이 자리해 있다면, 일부 P파는 그것에 부딪혀 표면에서 반사되고 굴절되어, 어떤 직접파도 닿을 수 없는 그림자대로 방향이 틀어질 것이다. 그 희미한 신호들은 행성 중심에 숨겨진 단단한 금속 공에서 돌아온 메아리였다. 그녀의 해석은 1940년 지진학자 키스 불런에 의해 확인되었고, 네 개 층 모형이 완성되었다. 내핵이 고체인 까닭은 차갑기 때문이 아니다. 오히려 그것은 주위의 액체층보다 더 뜨거울 수도 있다. 내핵이 고체인 까닭은 지구 중심의 압력이 너무나 막대해서 그 열에도 불구하고 철을 얼어붙게 만들기 때문이다.

얼마나 뜨겁고, 얼마나 깊으며, 왜 그냥 뚫고 들어갈 수 없는가

지구의 내부는 깊어질수록 가파르게 뜨거워지지만 단순한 직선을 따르지는 않는다. 표면 근처에서는 온도가 지온 구배를 따라, 1킬로미터 내려갈 때마다 대략 섭씨 25도에서 30도씩 올라간다. 만약 그 비율이 끝까지 유지된다면 중심은 도저히 불가능할 만큼 뜨거울 것이다. 수만 도에 이를 테니 말이다. 하지만 그 비율은 유지되지 않는다. 구배는 깊이에 따라 극적으로 완만해져서, 지구의 바로 그 중심은 일정한 구배가 예측하는 터무니없는 수치가 아니라 태양 표면에 견줄 만한 섭씨 약 5,200도에 자리한다. 한편 압력은 내려가는 내내 쉼 없이 올라가 핵에서는 대기압의 수백만 배에 이르는데, 바로 이 압력이 타는 듯이 뜨거운 내핵을 고체로 머물게 하는 것이다.

이 모든 원격 추론을 생각하면, 그냥 뚫고 내려가서 들여다보면 되지 않느냐고 의아할 수도 있다. 솔직한 답은, 우리가 시도해 봤고 표면을 겨우 긁었을 뿐이라는 것이다. 행성에 뚫린 가장 깊은 구멍은 러시아 콜라반도의 콜라 초심층 시추공으로, 1989년까지 12,262미터, 즉 12킬로미터를 조금 넘는 깊이에 도달했다. 그것은 진정한 공학의 개가이지만, 그래도 중심까지 거리의 0.2퍼센트도 채 되지 않으며, 암석이 너무 뜨겁고 너무 무르게 변해 버려서 그 사업은 멈춰 서고 말았다. 결국 시추는 우리가 지구 내부를 알아내는 방법이 아니며, 앞으로도 결코 그렇지 않을 것이다. 그 방법은 지진학이다.

판으로 갈라질 껍질

마지막 한 조각이 이 구조를 하나로 묶고 이야기의 다음 장을 가리킨다. 우리는 지각과 맨틀의 단단한 꼭대기가 하나의 역학적 단위로 행동한다는 이야기를 했다. 그 결합된 껍질에는 이름이 있다. 바로 암석권이다. 지각에 맨틀 최상부를 더해 이루어진, 차갑고 잘 깨지며 단단한 지구의 바깥층으로, 그 아래의 무른 연약권 위에 올라타 있다.

암석권이 중요한 까닭은, 거대한 지각판으로 쪼개지는 것이 지각만이 아니라 암석권이기 때문이다. 그 판들의 느린 충돌과 갈라짐이 산을 빚고 바다를 열며 지진을 일으킨다. 1909년 모호로비치치의 작은 크로아티아 지진, 그리고 그 이후의 모든 지진은 결국 움직이는 이 들썩이는 껍질에서 온 신호다. 행성의 여러 층을 드러낸 바로 그 파동들은, 행성이 자기 표면이 살아 있다고 우리에게 말해 주는 신호이기도 하다.

핵심 요약

지구는 바깥에서 안으로 네 겹의 층으로 이루어져 있다. 조밀하고 젊은 해양 현무암과 두껍고 오래된 대륙 화강암으로 갈라진 얇고 잘 깨지는 지각, 행성 부피의 약 84퍼센트를 차지하며 녹은 용암이 아니면서도 지질학적 시간 동안 소성적으로 흐르는 거대한 고체 규산염 암석의 맨틀, 대류하는 금속이 자기장을 만들어 내는 액체 상태의 철-니켈 외핵, 그리고 섭씨 약 5,200도에 이르러서도 짓누르는 압력에 의해 얼어붙은 고체 상태의 철-니켈 내핵이다. 우리는 이 모든 것을 시추가 아니라 지진파에서 알아냈다. 시추는 중심까지 거리의 0.2퍼센트에도 결코 닿지 못했지만, P파는 고체와 액체를 모두 통과하는 반면 S파는 액체에서 멈춘다는 사실을 이용한 것이다. 네 개 층의 그림은 1909년 모호로비치치의 지각-맨틀 경계에서 시작해 1914년 구텐베르크의 액체 외핵을 거쳐 1936년 레만의 고체 내핵에 이르기까지, 거의 전적으로 지진을 읽어 조립되었다. 그리고 지각에 맨틀 최상부를 더한 단단한 바깥 껍질, 즉 암석권은 이야기의 다음 부분이 움직이는 지각판으로 쪼개 놓는 바로 그 조각이다.