암영대

1. 개요

암영대는 지진파의 특성을 이용하여 지구 내부 구조를 연구하는 데 사용되는 개념이다. 지구 내부의 액체 외핵은 지진파 중 S파를 통과시키지 못하며, P파의 속도를 변화시켜 특정 영역에서 지진파가 감지되지 않는 '그림자 영역'을 형성한다. 이러한 현상은 지구 내부의 물질 상태와 조성을 파악하는 데 중요한 단서를 제공하며, 특히 화산 활동 예측 및 마그마 저장고 연구에 활용된다.

2. 지구 내부 구조와 외핵의 발견

지구는 지각, 맨틀, 내핵, 외핵과 같이 다양한 구조로 이루어져 있으며, 이 중 외핵은 액체 상태이다. 1906년 지질학자 리처드 올덤은 지진파 관측을 통해, 지진의 진앙에서 120° 떨어진 곳에서 S파가 기록되지 않는 현상을 발견하고 액체 상태의 외핵을 처음으로 밝혀냈다.

2.1. 구텐베르크 불연속면

지구는 지각, 맨틀, 내핵, 외핵과 같이 다양한 구조로 이루어져 있다. 지각, 맨틀, 내핵은 일반적으로 고체 상태이지만, 외핵은 액체 상태이다. 1913년 베노 구텐베르크는 핵-맨틀 경계에서 P파의 급격한 속도 변화와 S파의 소멸을 발견하고, 이를 고체 맨틀과 액체 외핵 때문이라고 보았다. 이 경계면을 구텐베르크 불연속면이라고 명명했다.

3. 지진파의 특성과 그림자 영역

지구는 지각, 맨틀, 내핵, 외핵으로 구성되어 있다. 지각, 맨틀, 내핵은 고체 상태이지만, 외핵은 액체 상태이다. 1906년 지질학자 리처드 올덤은 지진의 진앙에서 120° 떨어진 곳에서 S파가 기록되지 않는 현상을 통해 액체 외핵을 발견했다. 1913년 베노 구텐베르크는 핵-맨틀 경계에서 P파 속도가 급격히 변하고 S파가 소멸하는 구텐베르크 불연속면을 발견했다.

지진 발생 시 P파와 S파 두 종류의 지진파가 발생한다. P파는 파동 진행 방향과 같은 방향으로, S파는 수직 방향으로 이동한다. P파는 스넬의 법칙에 따라 외핵에서 굴절되어 진앙에서 104°에서 140° 사이에서 감지되지 않는 P파 그림자 영역이 생긴다. S파는 액체인 외핵을 통과하지 못해 진앙에서 104° 이상에서 감지되지 않는 S파 그림자 영역이 생긴다.

3.1. P파 그림자 영역

지진이 발생하면 지진파가 진앙에서 구형으로 방사되는데, 이 중 P파는 지구의 액체 외핵에 의해 굴절된다. 진앙에서 104°에서 140° 사이(약 11570km에서 15570km 사이)에서는 P파가 감지되지 않는데, 이는 스넬의 법칙에 따라 P파가 밀도 차이로 인해 굴절되어 속도가 크게 감소하기 때문이다. 이 영역을 P파 그림자 영역이라고 한다.

하지만 외핵을 통과하여 굴절된 후 외핵을 벗어날 때 다른 P파(PKP파)로 굴절되는 P파는 그림자 영역 내에서 감지될 수 있다. 또한 외핵에 진입할 때 P파로 굴절된 후 외핵을 벗어날 때 S파로 굴절되는 S파(SKS파)도 그림자 영역에서 감지될 수 있다.

P파와 S파의 속도는 파동이 통과하는 물질의 압축성($k$), 밀도($p$), 강성($u$)에 의해 결정된다. P파의 속도는 $\backslash sqrt\{(k+\backslash tfrac\{4\}\{3\}u)/p\}$이며, S파의 속도는 $\backslash sqrt\{u/p\}$이다. S파는 강성에 전적으로 의존하는데, 액체는 강성이 0이므로 S파는 액체를 통과할 수 없다. 반면 P파는 압축파이며 강성에 부분적으로만 의존하기 때문에 액체를 통과할 때도 어느 정도 속도를 유지한다(크게 감소할 수는 있음).

3.2. S파 그림자 영역

지진이 발생하면 지진파가 지진의 진앙에서 구형으로 방사된다. S파는 액체 외핵을 통과할 수 없으며, 진앙에서 104° 이상(약 11570km)에서 감지되지 않는다. 이를 S파 그림자 영역이라고 한다.

S파의 속도는 파동이 통과하는 물질의 강성에 전적으로 의존한다. 액체는 강성이 0이므로 액체를 통과할 때 S파의 속도는 0이 된다. 일반적으로 S파는 전단파이며, 전단 응력은 액체에서 발생할 수 없는 변형의 한 유형이다.

하지만 외핵을 통과하여 굴절되어 외핵을 벗어날 때 다른 P파(PKP파)로 굴절되는 P파는 그림자 영역 내에서 감지될 수 있다. 또한 외핵에 진입할 때 P파로 굴절된 후 외핵을 벗어날 때 S파로 굴절되는 S파도 그림자 영역에서 감지될 수 있다(SKS파).

3.3. 지진파 속도 공식

지진이 발생하면 지진파가 진앙에서 구형으로 퍼져 나간다. 이때 발생하는 P파와 S파의 속도는 파동이 통과하는 물질의 특성에 따라 달라지며, 다음과 같은 공식으로 나타낼 수 있다.

* P파 속도: $\backslash sqrt\{(k+\backslash tfrac\{4\}\{3\}u)/p\}$
* S파 속도: $\backslash sqrt\{u/p\}$

여기서 $k$는 압축성, $p$는 밀도, $u$는 강성을 의미한다.

S파는 파동이 통과하는 물질의 강성에만 영향을 받는다. 액체는 강성이 0이므로 S파는 액체를 통과할 수 없다. 반면 P파는 압축파이며 강성에 부분적으로만 의존하므로 액체를 통과할 때 속도가 크게 감소하지만, 완전히 사라지지는 않는다.

4. 기타 관측 및 시사점

핵심-맨틀 경계 외에도 마그마 덩어리와 같은 작은 구조물도 그림자 영역을 만들 수 있다. S파 그림자 영역의 존재는 전 세계 화산의 분화 가능성에 영향을 미칠 수 있는데, 화산의 용융률을 파악하면 분화 예측 모델링에 도움이 되며, 현재 및 미래의 위험을 평가할 수 있다. 이탈리아의 에트나 산에서 2021년에 수행된 연구에서는 마그마 챔버 위 수신기 위치에 따라 S파가 없거나 고도로 감쇠된 S파가 관측되었다. 2014년에는 2014년 12월 28일 분화를 유발하는 메커니즘을 모델링하기 위한 연구가 수행되었는데, 이 연구에서는 30%에서 70% 사이의 용융률에서 분화가 발생할 수 있음을 보여주었다.

4.1. 마그마와 S파 그림자 영역

1981년 크라플라 칼데라에 대한 지진 조사를 Páll Einarsson이 수행했다. Einarsson은 칼데라 위에 조밀한 지진계를 설치하고 발생한 지진을 기록했는데, 그 결과 S파가 없거나 작은 S파 진폭을 보였다. Einarsson은 이러한 결과가 마그마 저장고 때문이라고 보았다. 마그마 저장고는 S파에 직접적인 영향을 줄 수 있을 만큼 충분한 용융률을 가지고 있기 때문이다. S파가 기록되지 않는 지역에서는 S파가 고체 입자와 닿지 않을 정도로 충분한 액체를 만나게 된다. 감쇠된 (작은 진폭) S파가 있는 지역에서는 여전히 용융률이 있지만, S파가 마그마 저장고의 일부를 통과할 수 있을 정도로 충분한 고체 입자가 닿아 있다.

2014년과 2018년 사이에 대만의 지구물리학자 Cheng-Horng Lin은 대만 다툰 화산군 아래의 마그마 저장고를 조사했다. Lin 연구팀은 다툰 화산군 근처 또는 위에 있는 심부 지진과 지진계를 사용하여 P파와 S파의 변화를 식별했다. 그 결과 여러 위치에서 P파 지연과 S파 부재가 나타났다. Lin은 이러한 발견이 최소 40%의 용융률을 가진 마그마 저장고가 S파 그림자 영역을 드리우기 때문이라고 보았다. 그러나 최근 국립 중정 대학의 연구에서는 조밀한 지진계 배열을 사용하여 마그마 저장고와 관련된 S파 감쇠만을 확인했다. 이 연구는 Lin이 관찰한 S파 그림자 영역의 원인을 조사했으며, 이를 섭입하는 필리핀해 판 위의 마그마 다이아피어 때문으로 보았다. 마그마 저장고는 아니었지만, S파 그림자 영역을 유발할 만큼 충분한 용융/액체를 가진 구조였다.

4.2. 대만 다툰 화산군 연구

2014년과 2018년 사이에 대만의 지구물리학자 린청훙(Cheng-Horng Lin)은 대만 다툰 화산군 아래의 마그마 저장고를 조사했다. 린청훙 연구팀은 다툰 화산군 근처 또는 위에 있는 심부 지진과 지진계를 사용하여 P파와 S파의 변화를 식별했다. 그 결과 여러 위치에서 P파 지연과 S파 부재가 나타났다. 린청훙은 이러한 발견이 최소 40%의 용융률을 가진 마그마 저장고가 S파 그림자 영역을 드리우기 때문이라고 보았다. 그러나 최근 국립 중정 대학의 연구에서는 조밀한 지진계 배열을 사용하여 마그마 저장고와 관련된 S파 감쇠만을 확인했다. 이 연구는 린청훙이 관찰한 S파 그림자 영역의 원인을 조사했으며, 이를 섭입하는 필리핀해 판 위의 마그마 다이아피어 때문으로 보았다. 마그마 저장고는 아니었지만, S파 그림자 영역을 유발할 만큼 충분한 용융/액체를 가진 구조가 있었다.

4.3. 화산 분화 예측

Páll Einarsson이 1981년 크라플라 칼데라에 대한 지진 조사를 수행했다. 이 연구에서 칼데라 위에 조밀한 지진계를 설치하고 발생한 지진을 기록했다. 그 결과 S파가 없거나 진폭이 작은 현상이 나타났다. Einarsson은 마그마 저장고가 S파에 직접 영향을 줄 만큼 충분한 용융률을 가진 것으로 보았다. S파가 기록되지 않는 지역은 S파가 고체 입자가 닿지 않을 정도로 충분한 액체를 만난 것이다. 감쇠된 (작은 진폭) S파가 있는 지역은 용융률이 있지만, S파가 마그마 저장고 일부를 통과할 수 있을 정도로 충분한 고체 입자가 닿아 있다.

2014년과 2018년 사이에 대만의 지구물리학자 Cheng-Horng Lin은 대만 다툰 화산군 아래의 마그마 저장고를 조사했다. Lin 연구팀은 다툰 화산군 근처 또는 위에 있는 심부 지진과 지진계를 사용하여 P파와 S파의 변화를 식별했다. 그 결과 여러 위치에서 P파 지연과 S파 부재가 나타났다. Lin은 이러한 발견이 최소 40%의 용융률을 가진 마그마 저장고가 S파 그림자 영역을 드리우기 때문이라고 보았다. 그러나 최근 국립 중정 대학의 연구에서는 조밀한 지진계 배열을 사용하여 마그마 저장고와 관련된 S파 감쇠만을 확인했다. 이 연구는 Lin이 관찰한 S파 그림자 영역의 원인을 조사했으며, 이를 섭입하는 필리핀해 판 위의 마그마 다이아피어 때문으로 보았다. 마그마 저장고는 아니었지만, S파 그림자 영역을 유발할 만큼 충분한 용융/액체를 가진 구조였다.

S파 그림자 영역의 존재는 전 세계 화산의 분화 가능성에 영향을 줄 수 있다. 화산이 유변학적 잠금(화산이 분화할 때의 결정 분율) 이하로 떨어질 정도로 충분한 용융률을 가지면 분화할 수 있게 된다. 화산의 용융률을 결정하는 것은 예측 모델링에 도움이 될 수 있으며 현재 및 미래의 위험을 평가할 수 있다. 이탈리아의 활발하게 분화하는 화산인 에트나 산에서 2021년에 수행된 연구는 수신기가 마그마 챔버 위에 어디에 위치하는지에 따라 일부 지역에서는 S파 부재, 다른 지역에서는 고도로 감쇠된 S파를 보였다. 2014년에는 2014년 12월 28일 분화를 유발하는 메커니즘을 모델링하기 위한 연구가 수행되었다. 이 연구는 30%에서 70% 사이의 용융률에서 분화가 발생할 수 있음을 보여주었다.