1 개요
지구는 지표로부터 지각, 맨틀, 외핵과 내핵으로 구성되어 있으며, 상부로는 대기권이 위치해 있고 그 멀리까지 지구 자기장이 분포하고 있다. 지각은 가장 얇으며, 단단한 규산염 암석들로 되어 있는데, 수 킬로미터에서 최대 수십 킬로미터에 이른다. 한편 맨틀은 지구의 가장 많은 부분을 차지하는 고철질 규산염 암석 덩어리로 약 2800 ~ 2900 km 두께를 가졌다. 핵은 철, 니켈 등의 합금으로 되어 있으며 약 3500 km의 두께를 갖는다. 특히 핵은 액상으로 된 외핵과 고체로 된 내핵이 있으며, 외핵이 약 1200 km의 두께를 갖는다.
2 지각
지표에서 맨틀 사이에 위치한 암석층으로서, 여러 가지 물리적, 화학적 과정에 따라 무척이나 다양한 암석이 섞여 있다. 지각은 초고철질의 맨틀 물질에서 부분적으로 용융된 물질, 즉 마그마가 상승하여 굳은 암층이며 따라서 밀도가 낮다. 특히 오랜 시간에 걸쳐 맨틀 성분으로부터 "분화(differentiated)"되었기 때문에, 규소, 알루미늄, 알칼리 원소 등의 함량이 더 높다. 특히 마그마에 잘 섞여들어가는 원소[1] 중에 우라늄과 포타슘이 있어, 방사성 동위원소의 함량도 지각에 상당히 많다.
따라서 지각은 맨틀이 부분적으로 녹아 만들어지는 마그마 성분인 현무암에서 시작하여, 더 많은 분화 과정을 거쳐 누적되어온 화강암 성분까지 분포하게 된다. 맨틀에서 빠져나와 조금씩조금씩 누적된 것이 지각이므로, 지각의 상당한 부분을 현무암 혹은 그와 같은 성분의 암석[2]이 차지하고 있다. 한편 화강암질의 암석은 현무암이 다시 녹거나, 더 오랜 시간에 걸쳐 식어가야 하는 등, 더 복잡한 제작 과정이 필요하다. 그래서 화강암질의 암석을 만들기 위해서는 막대한 양의 마그마 형성이 뒷바침되어야 하며, 실제로 누적되는 양도 더 적다. 그러나 변성되면 무게가 무거워져 침강[3]해버리는 현무암에 비해 화강암은 너무 가벼워서 맨틀 속으로 다시 들어가지 않아, 40억년의 긴 세월동안 지표에 점점 누적되어왔다. 그것이 바로 대륙이다. 즉 대륙은 대류하고 있는 거대한 맨틀 위의 거품인 셈이다.
이에 따라, 지각은 보통 대륙지각과 해양지각으로 나누어 언급하는 경우가 많다. 해양지각은 해령에서 갓 만들어져 해양 바닥을 이루는 현무암질 암석인데, 그 밀도가 약 2.9 ~ 3.0 g/cm^3 정도에 해당한다. 이에 반해, 더 가벼워 지표를 표류하는 대륙지각은 밀도가 약 2.7 g/cm^3 언저리에 분포한다. 다만 대륙지각의 경우에도 하부에 두꺼운 현무암질 암석을 기반으로 하는데, 이는 특히 섭입대에서 하부에 지속적으로 공급되는 현무암질 마그마가 굳으면서 누적된다. 이 두꺼운 하부지각은 간혹 그 무게를 스스로 이기지 못해 뜯겨져나가 침강하기도 한다.[4]
지각의 평균 두께는 30km이며 대륙지각은 35km의 두께를 가졌지만 히말라야 산맥과 같은 거대 산맥 밑의 지각 두께는 무려 70km나 된다. 해양지각의 평균 두께는 12km이며, 대양 해저 평원의 지각은 10km, 아주 얇은 곳은 8km이며, 일반 지점은 15km에 이른다.
지각은 질량상으로 산소가 46.5%에 이르며 규소 28.2%, 알루미늄 8%, 철 5% 포타슘, 소듐, 마그네슘 등등도 각각 2~3%가 있다.
3 맨틀
지각 바로 아래에 있는 암석층으로, 지구의 가장 많은 부피비를 차지하고 있다. 지각과의 경계부터 약 2890 km 아래까지 뻗어있으며, 그 아래로는 액상의 외핵이 놓여 있다. 지각과의 가장 큰 차이는 성분이다. 고철질에서 규장질 성분 범위를 갖는 지각과 달리 맨틀은 초고철질의 암석으로 구성되어 있다. 따라서 밀도도 더 높으며, 지진파 탐사시 지각과 명확한 경계를 찾아내는 것이 가능하다(모호로비치치 불연속면).
지각과 맨틀의 경계는 지각과의 상호 관계가 어떻게 되냐에 따라 다양한 온도 범위를 갖는다. 그러나 차가운 경우에도 최소 수백 도의 높은 온도를 유지하며, 하부로 갈수록 온도는 높아져간다. 이 때의 온도 상승률은 위치마다 차이를 보이나, 8~15K/km 정도이다. 그러나 이 온도 상승률은 어느 정도 깊이에 이르면 급격히 변한다. 온도가 약 1000도 정도 되는 깊이에 가면 온도 상승률이 1~2K/km로 낮아진다. 이렇게 변화하는 곳의 깊이는 보통 100 km정도인데 바로 이 경계를 기준으로 위쪽의 암층을 (지각까지 몽땅 합쳐서) 암석권(lithosphere)이라고 하며, 아래쪽 맨틀을 연약권(asthenosphere)이라고 한다. 보통 맨틀의 하부 두꺼운 곳을 연약권이라하지는 않으나, 하부맨틀과 연약권의 경계는 딱히 정해진 것은 없으며 보통 페롭스카이트(perovskite) 광물상이 나타나기 시작하는 670 km 정도의 경계를 기준으로 생각하면 크게 벗어나지 않는다.[5]
맨틀은 판구조론의 가장 핵심층이며, 다양한 화산 활동의 뿌리이자, 지구 발달사의 가장 핵심을 담당했던만큼 많은 관심을 받고 있는 층이다.
맨틀 최하단의 온도는 4400°C 정도이며, 이곳은 외핵과의 경계를 이뤄 많은 물리, 화학적 움직임이 있을 것으로 생각되지만 이렇다할 근거 자료는 얻기 힘든 실정이다. 맨틀 플룸의 발원지로 지목되기도 하며, 오래된 판이 마침내 가라앉아 종말을 고하는 곳으로 생각하기도 한다.
맨틀, 특히 중상부 맨틀을 구성하는 가장 중요한 광물은 감람석과 석류석인데, 특히 감람석은 '명목상의' 무수광물(Nominally Anhydrous Minerals, NAMs)이라고 부르며, 극소량의 물을 결정 내에 포함한다. 이 때문에 맨틀에도 물이 있는데, 맨틀의 무지막지한 규모 때문에 맨틀 내의 물의 함량도 합쳐보면 상당한 양이 된다.
맨틀과 지각에 있는 방사성 동위 원소의 붕괴로 매 시간당 190억kW의 열이 생산된다.
구성성분은 지각과 비슷하여 산소 44.8%, 규소 21.8%, 알루미늄 7.6%가 함유되어 있지만 깊이 내려갈수록 가벼운 원소들의 양에 비해 무거운 원소들의 양이 증가한다.
4 중심핵
중심핵은 외핵과 내핵으로 구성된다. 중심핵에서는 지구가 자체의 질량으로 인한 압력으로 매 시간당 232억kW의 열이 생산된다.[6]
참고로 맨틀과 지각에 있는 방사성 동위 원소인 우라늄, 칼륨-40, 토륨의 붕괴로 인해 매 시간당 190억kW의 열이 생산되므로 지구 전체적으로 442억kW의 열이 매시간 생성된다.
이 열은 지구 자기장을 유지하는데 주요하며, 지구의 지질활동에 절대적인 영향을 준다.
4.1 외핵
외핵은 액체 상태이며 지하 2885~5155km까지 분포하며 온도는 4400~5500°C나 된다. 온도는 맨틀과 마찬가지로 안쪽으로 들어갈수록 높아진다. 밀도도 9.9~12.2g/cm^3나 되어 여기서부터는 무거운 중금속의 비중이 크게 높아지기 시작한다.
즉 알루미늄, 규소의 비중은 줄어들고 황 등의 비중이 늘어나며 여전히 산소는 많이 존재하지만 황과 산소의 화합물의 비중이 증가하며 철과 같은 중금속들과 특이한 화합물들이 존재하는 층이다.
또한 외핵에서는 우라늄, 토륨과 같은 방사성 동위체들의 양이 극도로 적어져 극소량만 존재하는 층이다. 따라서 외핵에서는 매 시간당 34억kW의 열이 생산되며 지구가 자체적으로 생산되는 열이 방사성 동위체에 생산되는 열의 양을 넘어서는 층이다. 이러한 이유는 지구 다른층에 비해서는 낮은 열이 생성되지만 밑으로 내려갈수록 지구 자체 질량으로 인한 압력열로 생산되는 열의 양이 더 커지기 때문이다.
4.2 내핵
내핵은 압력이 높아 밀도는 12.2~13.6g/cm^3나 되어 고체 상태로 존재하며 지하 5155~6378km인 지구 최중심부까지 분포하며 온도는 5500~6960°C까지 올라간다. 철 88.8%, 니켈 4.5%, 황 2%, 크로뮴 0.4%, 수소 260ppm, 탄소 500ppm, 셀레늄, 텔루륨, 소량의 산소 등이 존재한다.
지하 6350km 이하층에는 철의 양이 줄어들고, 백금, 금, 오스뮴, 이리듐, 팔라듐, 레늄 등의 귀금속이 다량 함유된 보석층이 있다. 이들은 무거워서 과거 맨틀 분화시절에 질량에 따라 각 층에 알맞은 양대로 분화되던 시절이 끝나는 44억 6천만년 전 이후부터는 지각에는 ppb 단위로만 남게 되었지만 내핵의 최고 중심부층에는 이들이 대부분 존재한다.
참고로 지구 전체 질량에서 금은 257ppb가 존재하지만 지각에서 금은 4ppb이며, 이리듐은 880ppb가 지구에 존재하지만 지각에는 0.3ppb, 루테늄은 1.18ppm이 지구에 존재하지만 지각에는 1ppb, 백금은 1.67ppm이 지구 전체에 존재하지만 지각에는 불과 5ppb가 존재한다.
이 많은 양의 귀금속이 지표면에는 소량 존재하지만 내핵 최 중심부에는 이렇게나 많은 양이 존재한다. 그래도 여기까지는 셀레늄, 텔루륨, 황 등도 섞여 있지만.....
지하 6376km이하 지점, 지구의 최고 중심부의 2km 남짓(지름으로는 4km) 남겨둔 중심층에는 백금, 팔라듐, 이리듐, 오스뮴, 레늄 등이 수십%~거의 100%가깝게 함유된 거의 귀금속 액체로 이루어진 층이 존재한다.
내핵은 지구 자체 질량으로 인해 시간당 218억kW의 열이 생성되고 있어서 가장 많은 열을 생산하고 있는 층이다.