지구 내부 구조 — 지각·맨틀·외핵·내핵은 무엇으로 되어 있을까

삶은 달걀을 반으로 자르면 얇은 껍데기, 두꺼운 흰자, 가운데 노른자가 보입니다. 지구 내부 구조도 이렇게 겹겹이 나뉩니다. 겉에서부터 지각, 맨틀, 외핵, 내핵입니다. 이 경계를 어떻게 찾았는지는 지진파 P파와 S파에 적었습니다. 이 글은 그 네 겹이 각각 무엇으로 되어 있는지를 봅니다.

지구 내부 구조 — 네 겹의 깊이

• 지각 — 지표에서 모호면까지. 평균 두께는 대륙 지각이 35 km, 해양 지각이 5 km 입니다. 지구 반지름에 견주면 사과 껍질보다 얇아서, 그림에서는 두껍게 부풀려 그렸습니다.
• 맨틀 — 모호면에서 깊이 2900 km 까지. 지구 부피의 80 % 넘게 차지하는 가장 큰 층입니다.
• 외핵 — 2900 km 에서 5100 km 까지. 지구에서 유일하게 액체인 층입니다.
• 내핵 — 5100 km 에서 중심 6400 km 까지. 다시 고체입니다.

경계에는 이름이 붙어 있습니다. 지각과 맨틀 사이는 모호면, 맨틀과 외핵 사이는 구텐베르크면, 외핵과 내핵 사이는 레만면입니다. 모두 지진파의 속도가 갑자기 바뀌는 자리에서 찾았습니다.

무엇으로 되어 있나 — 깊을수록 무겁습니다

• 대륙 지각은 화강암질 암석, 해양 지각은 현무암질 암석입니다. 해양 지각이 더 무겁습니다. 밀도는 2.7~3.0 g/cm³ 입니다.
• 맨틀은 감람암입니다. 지각보다 철과 마그네슘이 많은 규산염 암석이라 더 무겁습니다. 밀도는 3.3~5.6 g/cm³ 로 깊을수록 커집니다.
• 핵은 암석이 아니라 철과 니켈입니다. 밀도가 외핵은 9.9~12.2, 내핵은 12.8~13.1 g/cm³ 입니다.

지구 전체의 평균 밀도는 5.5 g/cm³ 입니다. 그런데 발밑의 암석은 3 g/cm³ 에도 못 미칩니다. 겉이 가벼운데 평균이 이만큼 크려면 속에 훨씬 무거운 것이 있어야 합니다. 지진파가 없던 시절에도 과학자들이 무거운 핵을 짐작한 까닭입니다.

무거운 것이 가운데 모인 데는 이유가 있습니다. 갓 태어난 지구는 미행성이 부딪치는 열로 표면까지 녹은 마그마 바다였습니다. 녹아 있으니 무거운 철은 가라앉아 핵이 되고, 가벼운 규산염은 떠올라 맨틀과 지각이 되었습니다. 물에 기름이 뜨는 것과 같은 원리입니다.

가장 뜨거운 내핵이 고체인 이유

깊이 들어갈수록 온도는 올라갑니다. 그러면 가장 뜨거운 내핵이 녹아 있어야 할 것 같은데 고체입니다. 답은 압력입니다. 물질은 누를수록 녹기 어려워져 녹는점이 올라갑니다. 외핵에서는 온도가 녹는점보다 높아 철이 액체로 있습니다. 내핵으로 더 들어가면 압력이 워낙 커져 녹는점이 온도보다 높아지고, 철이 고체로 굳습니다.

외핵의 액체 철은 가만히 있지 않고 천천히 흐릅니다. 전기가 잘 통하는 금속이 흐르면 전류가 생기고, 그 전류가 지구 자기장을 만듭니다. 나침반이 북쪽을 가리키는 것은 외핵 덕분입니다.

지각·맨틀과 암석권·연약권은 다른 구분입니다

지구 내부는 두 가지 잣대로 나눌 수 있습니다. 지금까지는 성분으로 나눈 것입니다. 모호면 위가 지각, 아래가 맨틀이죠. 그런데 단단함으로 나누면 경계가 다른 자리에 옵니다.

지각과 맨틀의 맨 윗부분은 한 덩어리로 단단하게 굳어 있습니다. 이것을 암석권이라 하고, 이 암석권이 조각난 것이 판입니다. 그 아래 맨틀은 온도가 높아 일부가 녹아 있어 아주 천천히 흐를 수 있는데, 이 층이 연약권입니다. 단단한 판이 무른 연약권 위에서 움직인다는 것이 판 구조론의 출발점입니다. 산이 뿌리를 내리고 떠 있는 것도 연약권 위입니다(지각 평형).

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 층마다 상태 고르기. 지각·맨틀·내핵은 고체, 외핵만 액체입니다.
• 깊이에 따른 밀도·압력·온도 그래프. 셋 다 깊을수록 커지고, 밀도는 구텐베르크면에서 급히 커집니다. 암석에서 철로 바뀌기 때문입니다.
• 층의 구성 물질 짝짓기. 대륙 지각은 화강암질, 해양 지각은 현무암질, 맨틀은 감람암, 핵은 철과 니켈입니다.
• 대륙 지각과 해양 지각 견주기. 두께는 대륙이 두껍고, 밀도는 해양이 큽니다.
• 암석권과 연약권 가리기. 암석권은 지각과 상부 맨틀 윗부분이고, 연약권은 그 아래 부분 용융된 맨틀입니다.

자주 헷갈리는 것

• "맨틀은 뜨거운 마그마로 된 액체다" — 맨틀은 S파가 지나는 고체입니다. 연약권의 일부만 조금 녹아 있을 뿐입니다(마그마의 생성).
• "암석권은 지각의 다른 이름이다" — 암석권에는 지각 아래 맨틀의 윗부분도 들어갑니다. 판의 대부분은 오히려 맨틀입니다.
• "안으로 갈수록 뜨거우니 내핵도 액체다" — 압력이 녹는점을 끌어올려 내핵은 고체입니다.
• "지각의 두께는 어디나 같다" — 대륙 지각은 두껍고 해양 지각은 얇습니다. 큰 산맥 밑에서는 더 두껍습니다.

정리합니다. 지구 속은 가벼운 암석의 지각, 무거운 암석의 맨틀, 철과 니켈의 외핵과 내핵으로 겹겹이 나뉩니다. 녹아 있던 어린 지구에서 무거운 것이 가라앉아 생긴 층이고, 그중 외핵만 액체입니다. 성분이 아니라 단단함으로 나누면 판이 되는 암석권과 그 아래의 연약권이 됩니다.

그림 참고: [위키미디어 공용, Earth cutaway schematic (USGS)](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Earth-cutaway-schematic-english.svg) 의 도해 구도를 따라 다시 그렸습니다.