지구물리학

Geophysics

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1 개요

물리학 이론을 기반으로 하여 지구 물질의 성질, 상태, 구조를 파악하고 나아가 지구 내부의 역학적 움직임을 파악하려는 학문을 말한다.

2 범위

물리학은 자연과학의 근간을 이루는 학문 중 하나이기 때문에 지질학에서 곧잘 활용되는 학문이며, 지구물리학이라는 단어가 포괄할 수 있는 범위 역시 넓다. 전통적으로 지질학과 지구물리학은 연구 방법이 다르다고 하여 분리하여 생각하기도 하나 요새는 그런 영역 구분이 크게 중요하지 않기 때문에 신경쓸 이유는 없다. (그러나 지구물리학의 연구 방법이나 대상이 지질학의 그것과 많이 다르다. 실제로 오늘날 지구물리학계는 지질학계와 다르게 움직이며 분리되려는 움직임이 있다. 대학교에서도 두 분야가 다른 건물, 학과 등으로 구분되어 있는 경우를 볼 수 있다.)

3 물리탐사

geophysical exploration

물리적 특성(physical properties, 物性)을 측정하여 지표 및 지하를 탐사하는 지구물리학의 한 분야. 특히 지표 근처의 변위를 추적하고 측정하는 걸 측지학(geodesy)이라고 한다. 탐사 장소는 지표나 시추공을 이용하고, 탐사 대상은 암석이나 광물을 이용하며, 탐사 결과를 통해 지하 구조, 지하에 부존하는 유용한 광물, 석유나 천연가스 등의 지하자원, 지열, 지하수 등을 찾아낸다.

지구 내부를 탐사하는 방법은 꽤나 다양하다. 시추, 화산 분출물 조사, 지진파 탐사, 지각 열류량 연구, 운석 연구, 고온-고압 실험, 지각 상부 퇴적층의 구조를 음파나 전기전도도 등으로 조사, 내핵의 비등방성 탐사 등이 있다.

산업적으로 중요한 응용 분야이다. 자원을 채취할 때 한번 채굴을 시작하면 돈이 천문학적으로 깨지기 때문에 물리탐사를 통해 성공률을 높이는 것은 매우 중요하다. 따라서 오늘날 자원 관련 기업에서 지구물리학자들은 환영받고 높은 연봉으로 일할 수 있다.

3.1 지진파 탐사를 통한 지구 내부의 층상 구조 발견

지진파는 매질의 밀도와 상태 등에 따라 속력이 달라지고, 성질이 다른 매질의 경계면에서 반사/굴절되므로 이를 이용해 지구 내부를 탐사한다.

지구 내부의 층상구조는 다음과 같다.

• 지각
• 맨틀
• 핵
  • 외핵
  • 내핵

사실 과거에는 지구 내부가 어떻게 생겼는지 전혀 알 수 없었다. 그러다가 지진파 중 P파와 S파의 성질에 대해 알게 되면서 지구 내부의 특정 부분이 액체로 되어 있는지 고체로 되었는지를 조사할 수 있게 되었다.

구분	파의 종류	지각에서의 속도	전파 매질
P파	종파	5km/s~8km/s	고체 액체 기체 모두 가능
S파	횡파	3km/s~4km/s	고체만 가능하고 액체, 기체 불가

지구 전체에 전달되는 지진파의 전파 경로를 분석해보면, 진원에서 103도 지점까지는 P,S파가 모두 도달하고, 103도에서 142도까지는 극히 일부 지역을 제외하면 아무 파도 도달하지 않으며, 110도에 한해 약한 P파가 도달하고, 142도부터 180도까지는 P파만 도달한다. 이를 통해 30~2900km는 고체 상태의 맨틀, 2900~5100km는 액체 상태의 외핵, 5100~6400km는 고체 상태의 내핵이 있음을 알게 되었다. 특정 지역에 S파가 도달하지 않는 것은 액체 상태이기 때문인 것이다. 지각과 맨틀의 경계를 모호로비치치 불연속면 (모호면), 맨틀과 외핵의 경계를 구텐베르크 불연속면, 외핵과 내핵의 경계를 레만 불연속면이라 하는데, 불연속면인 이유는 그 경계에서 지진파의 속도가 급속히 바뀌기 때문이다.

3.2 중력탐사

중력을 측정하여 지하에 무엇이 있는지를 얻어낼 수 있다.

지구는 내부밀도가 균일하지 않으며 지형의 요철 등 국지적인 곡면을 포함하는 회전타원체와 근사하다. 그러므로 지표면의 위치에 따라 중력값이 달라지게 된다. 그러나 중력은 일반적으로 거대한 질량체인 지구중심으로 향하는 만유인력에 의해서 지배되기 때문에 지표상에서의 중력은 국지적인 높고 낮음은 있을 수 있더라도 지구중심으로부터의 거리와 지구회전에 따른 원심력에 따라 전체적으로 일정한 경향을 나타내게 된다. 즉, 중력은 지구중심까지의 거리가 짧고 원심력의 영향을 덜 받는 극지방이 적도에 비해서 큰 중력치를 나타낸다.

만유인력은 지구 중심 방향으로 작용하며, 고위도로 갈 수록 크기가 커진다. 원심력은 자전축에 직각 방향이며, 극에서 0도이며 저위도로 갈수록 점점 커진다. 이 둘의 합력인 중력은 저위도에서 고위도로 갈수록 점점 커진다.

과거에는 단진자를 이용해 중력 가속도를 측정하였다. 그 식은 [math]\displaystyle T= 2 \pi \sqrt{{\ell \over g}}[/math]

그 외에 지하에 공동이 있거나 지하에 비중이 큰 물질이 있다면 차이가 드러나기도 한다. 이는 '표준 중력'과 '실측 중력'을 비교함으로서 나타난다. 표준중력이라 함은 그 위도에서 일반적으로 나타나는 중력의 세기이다. '지구 타원체'(geoid)를 가정해서 나타난다. 지하에 공동이 있다면 중력 이상이 (-) 세기로 관측될 것이고, 지하에 비중이 큰 물질이 있다면 중력 이상이 (+)세기로 관측될 것이다.

3.3 자력탐사

(자기장을 이용한 탐사)

지구자기를 표시할 때는 3대 요소를 쓴다. 편각, 복각, 수평 자기력이다.

먼저 실제 북쪽 방향인 '진북'과 전자기력을 측정한다. 그리고 전자기력을 지면 방향의 '수평 자기력' 성분과 연직 아래쪽 방향의 '연직 자기력' 성분으로 나눈다. 수평 자기력이 향하는 방향을 '자북'이라 한다. 진북과 자북 사이의 각도를 편각이라 한다. 서편각은 자북이 진북보다 서쪽에 있는 경우를 말하며 -5도 같은 식으로 표시한다. 반대로 동편각은 +10도 같은 식으로 표시한다. 수평 자기력과 전자기력 사이의 각도를 복각(magnetic dip)이라 한다. 자기 적도에서 0도, 자북극에서 +90도이다. 자남극에서는 -90도이다.

초보적인 기구는 중학생 수준에서도 만들 수 있다.

4 기타

단순한 물질의 분포를 넘어서서 물질의 성질(응력장에 대한 반응 등)을 이해하여 궁극적으로는 지구가 움직이는 원리와 과정을 간파하려는 목적을 갖는다. 복잡하기 짝이 없는 온갖 모델링과 물성에 대한 연구가 바로 지구물리학에서 이루어지고 있다. 특히 지구가 움직이는 양상을 연구할 때, 이를 지구동력학이라고 부르기도 한다.

이 때문에 위에서 언급한 것 말고도 무수히 많은 기법들이 있다. 예컨대 GPS와 인공위성도 지구물리학에서 다루는 기계가 된다. 둘 다 오늘날 지표 변위를 밀리미터 단위로 감지해낸다!

5 관련 용어

• 지진