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주시곡선

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목차

1. 개요

주시곡선은 지진파의 도달 시각과 진앙 거리 사이의 관계를 나타내는 곡선이다. 지진파는 스넬의 법칙에 따라 굴절하며, 속도가 다른 지층 경계면에서 굴절각이 변한다. 1892년 안드리야 모호로비치치는 주시곡선 연구를 통해 지진파가 속도가 급격히 변하는 지층(맨틀)에서 굴절되어 더 빠르게 전파되는 현상을 발견했고, 이 불연속면을 모호로비치치 불연속면(MOHO)이라고 명명했다. 이를 통해 지층의 경계 깊이를 파악하는 데 활용된다.

2. 굴절의 원리

지진파가 서로 다른 속도를 가진 지층의 경계면을 통과할 때 진행 방향이 바뀌는 현상을 굴절이라고 한다. 이러한 굴절은 지층마다 지진파의 전파 속도가 다르기 때문에 발생하며, 스넬의 법칙을 통해 그 경로를 예측할 수 있다. 특정 조건에서는 지진파가 경계면을 따라 더 빠른 속도로 전파되는 임계 굴절파(선두파)가 형성되기도 한다.

지표면에서 가까운 거리에서는 진원에서 직접 도달하는 직접파가 먼저 도착하지만, 거리가 멀어지면 지하의 빠른 지층에서 굴절되어 온 지진파가 더 먼저 도착할 수 있다. 이러한 도달 시간의 차이를 분석하면 지하 구조, 특히 지층 경계면의 깊이를 알아낼 수 있다. 실제로 1892년, 안드리야 모호로비치치는 주시곡선 데이터를 분석하여 지구 내부에 지진파 속도가 급격하게 변하는 경계면(모호로비치치 불연속면)이 존재함을 밝혀냈는데, 이는 굴절 현상을 이용한 중요한 발견이었다.

2. 1. 스넬의 법칙

지진파의 속도가 낮은 지층(지진파의 속도 v1)이 위에 있고 속도가 높은 지층(지진파의 속도 v2)이 아래에 있는 지역에서, 하부 지층으로 굴절하는 지진파는 스넬의 법칙에 따라 입사파에 대해 경계면 쪽으로 더 큰 각도로 굴절한다. 이 굴절파는 입사각이 특정 값에 도달하면 경계면을 따라 더 빠른 속도(v2)로 전파되는데, 이를 임계 굴절파 또는 선두파라고 한다.

상부 지층에서는 진원과 가까운 지점에서는 지표면을 따라 이동하는 직접파가 먼저 도달하지만, 진원으로부터 거리가 멀어질수록 하부의 빠른 지층에서 굴절하여 전파된 지진파(선두파)가 직접파보다 먼저 도착하게 된다. 이러한 직접파와 선두파의 도달 시간 차이를 분석하면 상부 지층과 하부 지층의 경계면 깊이를 계산할 수 있다.

실제로, 지진파의 도달 시각과 진앙거리 사이의 관계를 나타내는 주시곡선을 연구하던 중, 1892년 유고슬라비아의 기상학자 안드리야 모호로비치치는 진앙거리 약 200km 지점을 경계로 지진파의 전파 속도가 급격히 빨라지는 현상을 발견했다. 이는 특정 깊이 아래에 속도가 훨씬 빠른 지층(후에 맨틀로 밝혀짐)이 존재하며, 이 지층에서 굴절된 지진파가 먼 거리에서는 직접파보다 먼저 도착하기 때문이었다. 이렇게 지진파 속도가 급격하게 변하는 경계면을 모호로비치치 불연속면이라고 부른다.

2. 2. 임계 굴절파 (선두파)

지진파 속도가 느린 위쪽 지층(속도 v1)과 빠른 아래쪽 지층(속도 v2)이 맞닿은 경계면에서, 아래쪽 빠른 지층으로 들어가는 지진파는 스넬의 법칙에 따라 입사파보다 경계면에 더 가까운 각도로 굴절한다. 입사각이 특정 값에 도달하면, 굴절파는 경계면을 따라 아래쪽 지층의 빠른 속도(v2)로 전파된다. 이처럼 특정 조건을 만족하여 경계면을 따라 빠르게 전파되는 굴절파를 임계 굴절파(critical refracted wave) 또는 선두파(head wave)라고 부른다.

지표면 근처에서는 진원에서 직접 도달하는 직접파가 먼저 도착하지만, 진원 거리가 멀어지면 하부의 빠른 지층을 거쳐 온 임계 굴절파가 직접파보다 먼저 도착하게 된다. 이 도달 시간 차이를 분석하면 위쪽 지층과 아래쪽 지층 사이 경계면의 깊이를 계산할 수 있다.

주시곡선(지진파 도달 시간과 진앙 거리의 관계)을 연구하던 1892년, 유고슬라비아의 기상학자 안드리야 모호로비치치는 진앙 거리가 약 200km 이상 떨어진 지점에서는 지하 깊은 곳(현재의 맨틀)에서 굴절되어 온, 속도가 더 빠른 지진파가 직접 도달하는 지진파보다 먼저 도착한다는 사실을 발견했다. 이처럼 지진파의 속도가 급격하게 변하는 경계면을 그의 이름을 따 모호로비치치 불연속면이라고 부른다.

3. 지진파 굴절과 지구 내부 구조 연구

지진파가 지구 내부의 서로 다른 물질 경계를 통과할 때 속도 차이로 인해 경로가 꺾이는 굴절 현상은 지구 내부 구조를 연구하는 기본적인 원리가 된다. 지진파의 속도가 낮은 지층 아래 속도가 높은 지층이 있을 경우, 스넬의 법칙에 따라 하부 지층으로 들어가는 지진파는 경계면 쪽으로 더 크게 굴절하며, 특정 입사각에서는 경계면을 따라 빠른 속도로 전파되는 임계 굴절파(선두파)가 되기도 한다.

지진 관측소에 기록된 지진파의 도달 시각과 진앙 거리 사이의 관계를 나타낸 주시곡선을 분석하면, 지진파의 굴절 경로와 속도 변화를 파악하여 지하 구조를 추정할 수 있다. 예를 들어, 진원과의 거리에 따라 지표면을 따라 직접 이동하는 직접파와 하부 지층에서 굴절되어 더 빠르게 이동하는 굴절파 중 어느 것이 먼저 도착하는지를 비교하여 지층 경계면의 깊이 등을 알아낼 수 있다.

안드리야 모호로비치치는 이러한 주시곡선 분석을 통해 진앙 거리가 약 200km 이상 멀어지면 지진파 속도가 급격히 빨라지는 현상을 발견하였다. 이는 지각과 맨틀 사이의 뚜렷한 경계면, 즉 모호로비치치 불연속면의 존재를 시사하는 것이었다. 이 발견은 지진파 굴절 연구를 통해 지구 내부의 층상 구조를 밝혀낸 대표적인 성과로 평가받는다.

3. 1. 주시 곡선

주시 곡선은 지진파의 도달 시각과 진앙 거리 사이의 관계를 나타내는 곡선으로, 지구 내부의 구조를 연구하는 데 중요한 자료로 활용된다.

지진파는 속도가 다른 매질의 경계면을 통과할 때 스넬의 법칙에 따라 굴절한다. 예를 들어, 속도가 느린 지층(속도 v1) 아래에 속도가 빠른 지층(속도 v2)이 있는 경우, 아래 지층으로 들어가는 지진파는 경계면 쪽으로 더 크게 굴절된다. 입사각이 특정 값(임계각)에 이르면 굴절파는 경계면을 따라 빠른 속도(v2)로 전파되는데, 이를 임계 굴절파 또는 선두파라고 한다. 지표면 근처에서는 진원과 가까운 곳에는 지표를 따라 직접 이동하는 직접파가 먼저 도착하지만, 진앙 거리가 멀어지면 하부의 빠른 지층을 통해 굴절되어 온 선두파가 직접파보다 먼저 도착하게 된다. 이러한 도달 시간의 차이를 분석하면 두 지층 사이 경계면의 깊이를 계산할 수 있다.

1892년, 유고슬라비아의 기상학자 안드리야 모호로비치치는 지진 기록을 분석하여 주시 곡선을 연구하던 중 중요한 발견을 하였다. 그는 진앙 거리가 약 200km 이상 떨어진 곳에서는 지진파의 속도가 갑자기 빨라지는 현상을 확인했다. 이는 지표면 아래 특정 깊이에서 지진파 속도가 급격히 증가하는 불연속면이 존재함을 의미하며, 이 경계면 아래의 빠른 속도를 가진 영역은 현재 맨틀로 알려져 있다. 모호로비치치는 이 불연속면을 통해 굴절된 지진파가 먼 거리에서는 직접파보다 먼저 도착한다는 사실을 밝혀냈으며, 이 불연속면은 그의 이름을 따 모호로비치치 불연속면(모호면)이라고 불린다.

3. 2. 모호로비치치 불연속면 (MOHO)

지진파는 속도가 서로 다른 암석층을 통과할 때 스넬의 법칙에 따라 경로가 꺾이는 굴절 현상을 보인다. 예를 들어, 속도가 느린 위쪽 지층(속도 v1)에서 속도가 빠른 아래쪽 지층(속도 v2)으로 지진파가 들어갈 경우, 경계면에서 굴절되어 진행 방향이 바뀐다. 특정 각도 이상으로 입사된 지진파는 경계면을 따라 빠른 속도(v2)로 먼저 나아가는 임계 굴절파 혹은 선두파가 되기도 한다.

지진 발생 지점(진원)에서 가까운 곳에서는 지표면을 따라 직접 전달되는 직접파가 가장 먼저 도착한다. 하지만 진원으로부터 거리가 멀어질수록, 지하 깊은 곳의 빠른 속도를 가진 지층으로 굴절되었다가 다시 지표면으로 올라오는 지진파가 직접파보다 먼저 도착하게 된다. 이를 통해 상부 지층과 하부 지층의 경계 깊이를 알 수 있다. 지진파의 종류별 도착 시간과 진앙(진원의 바로 위 지표면 지점)까지의 거리를 기록한 그래프를 주시곡선이라고 하는데, 이 주시곡선의 기울기 변화를 분석하면 지하 구조와 각 지층에서의 지진파 속도를 알아낼 수 있다.

1892년, 당시 유고슬라비아의 기상학자였던 안드리야 모호로비치치는 주시곡선을 연구하던 중 중요한 발견을 했다. 진앙으로부터 약 200km 떨어진 지점을 경계로, 그보다 더 먼 거리에서는 지진파의 전파 속도가 갑자기 빨라진다는 사실을 확인한 것이다. 이는 지하 특정 깊이에 지진파 속도가 급격하게 변하는 불연속적인 경계면이 존재하며, 그 아래에는 훨씬 빠른 속도로 지진파를 전달하는 물질(현재의 맨틀)이 있다는 것을 의미했다. 이 경계면 아래에서 굴절된 지진파가 먼 거리까지 더 빨리 도달했던 것이다. 이 불연속면은 발견자의 이름을 기려 모호로비치치 불연속면(흔히 모호면이라고도 부름)으로 명명되었으며, 지각과 맨틀을 나누는 경계로 여겨진다. 이 발견은 지구 내부에 명확한 층상 구조가 존재함을 처음으로 밝혀낸 중요한 과학적 성과이다.

참조

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