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암영대

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목차

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.[1] 1906년 지질학자 리처드 올덤은 지진파 관측을 통해, 지진의 진앙에서 120° 떨어진 곳에서 S파가 기록되지 않는 현상을 발견하고 액체 상태의 외핵을 처음으로 밝혀냈다.[2][3]

2. 1. 구텐베르크 불연속면

지구는 지각, 맨틀, 내핵, 외핵과 같이 다양한 구조로 이루어져 있다. 지각, 맨틀, 내핵은 일반적으로 고체 상태이지만, 외핵은 액체 상태이다.[1] 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.[4]

3. 지진파의 특성과 그림자 영역

지구는 지각, 맨틀, 내핵, 외핵으로 구성되어 있다. 지각, 맨틀, 내핵은 고체 상태이지만, 외핵은 액체 상태이다.[1] 1906년 지질학자 리처드 올덤은 지진의 진앙에서 120° 떨어진 곳에서 S파가 기록되지 않는 현상을 통해 액체 외핵을 발견했다.[2][3] 1913년 베노 구텐베르크는 핵-맨틀 경계에서 P파 속도가 급격히 변하고 S파가 소멸하는 구텐베르크 불연속면을 발견했다.[4]

지진 발생 시 P파와 S파 두 종류의 지진파가 발생한다. P파는 파동 진행 방향과 같은 방향으로, S파는 수직 방향으로 이동한다.[6] 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.[7][10][11][12]

3. 1. P파 그림자 영역

지진이 발생하면 지진파가 진앙에서 구형으로 방사되는데, 이 중 P파는 지구의 액체 외핵에 의해 굴절된다.[7] 진앙에서 104°에서 140° 사이(약 11570km에서 15570km 사이)에서는 P파가 감지되지 않는데,[7][8] 이는 스넬의 법칙에 따라 P파가 밀도 차이로 인해 굴절되어 속도가 크게 감소하기 때문이다.[7][9] 이 영역을 P파 그림자 영역이라고 한다.[10]

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.[7][13]

P파와 S파의 속도는 파동이 통과하는 물질의 압축성(k), 밀도(p), 강성(u)에 의해 결정된다.[11][14] P파의 속도는 \sqrt{(k+\tfrac{4}{3}u)/p}이며, S파의 속도는 \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).[7][8][14][15]

3. 2. S파 그림자 영역

지진이 발생하면 지진파가 지진의 진앙에서 구형으로 방사된다.[5] S파는 액체 외핵을 통과할 수 없으며, 진앙에서 104° 이상(약 11570km)에서 감지되지 않는다.[7][11][12] 이를 S파 그림자 영역이라고 한다.[10]

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.[11][12][14]

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).[7][13]

3. 3. 지진파 속도 공식

지진이 발생하면 지진파가 진앙에서 구형으로 퍼져 나간다.[5] 이때 발생하는 P파와 S파의 속도는 파동이 통과하는 물질의 특성에 따라 달라지며, 다음과 같은 공식으로 나타낼 수 있다.[11][14]

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


여기서 k는 압축성, p는 밀도, u는 강성을 의미한다.[11][14]

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.[14]

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.[24] 2014년에는 2014년 12월 28일 분화를 유발하는 메커니즘을 모델링하기 위한 연구가 수행되었는데, 이 연구에서는 30%에서 70% 사이의 용융률에서 분화가 발생할 수 있음을 보여주었다.[25]

4. 1. 마그마와 S파 그림자 영역

1981년 크라플라 칼데라에 대한 지진 조사를 Páll Einarsson이 수행했다.[16] 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.[16] S파가 기록되지 않는 지역에서는 S파가 고체 입자와 닿지 않을 정도로 충분한 액체를 만나게 된다.[17] 감쇠된 (작은 진폭) S파가 있는 지역에서는 여전히 용융률이 있지만, S파가 마그마 저장고의 일부를 통과할 수 있을 정도로 충분한 고체 입자가 닿아 있다.[12][15][18]

2014년과 2018년 사이에 대만의 지구물리학자 Cheng-Horng Lin은 대만 다툰 화산군 아래의 마그마 저장고를 조사했다.[19][20] 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.[19][20] 그러나 최근 국립 중정 대학의 연구에서는 조밀한 지진계 배열을 사용하여 마그마 저장고와 관련된 S파 감쇠만을 확인했다.[21] 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.[21]

4. 2. 대만 다툰 화산군 연구

2014년과 2018년 사이에 대만의 지구물리학자 린청훙(Cheng-Horng Lin)은 대만 다툰 화산군 아래의 마그마 저장고를 조사했다.[19][20] 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.[19][20] 그러나 최근 국립 중정 대학의 연구에서는 조밀한 지진계 배열을 사용하여 마그마 저장고와 관련된 S파 감쇠만을 확인했다.[21] 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.[21]

4. 3. 화산 분화 예측

Páll Einarsson이 1981년 크라플라 칼데라에 대한 지진 조사를 수행했다.[16] 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.[16] S파가 기록되지 않는 지역은 S파가 고체 입자가 닿지 않을 정도로 충분한 액체를 만난 것이다.[17] 감쇠된 (작은 진폭) S파가 있는 지역은 용융률이 있지만, S파가 마그마 저장고 일부를 통과할 수 있을 정도로 충분한 고체 입자가 닿아 있다.[12][15][18]

2014년과 2018년 사이에 대만의 지구물리학자 Cheng-Horng Lin은 대만 다툰 화산군 아래의 마그마 저장고를 조사했다.[19][20] 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.[19][20] 그러나 최근 국립 중정 대학의 연구에서는 조밀한 지진계 배열을 사용하여 마그마 저장고와 관련된 S파 감쇠만을 확인했다.[21] 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.[21]

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.[22][23] 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.[24] 2014년에는 2014년 12월 28일 분화를 유발하는 메커니즘을 모델링하기 위한 연구가 수행되었다. 이 연구는 30%에서 70% 사이의 용융률에서 분화가 발생할 수 있음을 보여주었다.[25]

참조

[1] 서적 Encyclopedia of solid earth geophysics https://www.worldcat[...] Springer 2011
[2] 논문 Tribute to Deceased Fellows of the Royal Society https://www.science.[...] 1936-12-18
[3] 논문 Discovery of the Earth's core http://aapt.scitatio[...] 1980-09
[4] 서적 A dictionary of earth sciences. 2008
[5] 웹사이트 Earthquake Glossary https://earthquake.u[...] United States Geological Survey 2021-12-10
[6] 서적 The solid earth: an introduction to global geophysics Cambridge University Press 2005
[7] 웹사이트 CHAPTER 19 NOTES Earth's (Interior) https://uh.edu/~geos[...] 2021-12-10
[8] 웹사이트 Earthquake Glossary https://earthquake.u[...] United States Geological Survey 2021-12-10
[9] 웹사이트 Snell's Law -- The Law of Refraction https://personal.mat[...] 2021-12-10
[10] 웹사이트 Seismic Shadow Zone: Basic Introduction- Incorporated Research Institutions for Seismology https://www.iris.edu[...] IRIS Consortium 2021-12-10
[11] 웹사이트 Why can't S-waves travel through liquids? https://www.earthobs[...] 2021-12-10
[12] 논문 Measurement of viscosity and shear wave velocity of a liquid or slurry for on-line process control https://linkinghub.e[...] 2002-08
[13] 간행물 Seismic Phases https://doi.org/10.1[...] Springer Netherlands 2021-12-10
[14] 논문 Preliminary reference Earth model https://linkinghub.e[...] 1981-06
[15] 논문 Shadow zones, travel times, and energies of longitudinal seismic waves in the presence of an asthenosphere low-velocity layer https://onlinelibrar[...] 1957
[16] 논문 S-wave shadows in the Krafla Caldera in NE-Iceland, evidence for a magma chamber in the crust http://dx.doi.org/10[...] 1978-09
[17] 간행물 Partial Melting https://doi.org/10.1[...] Springer International Publishing 2021-12-10
[18] 논문 Factors Affecting Seismic Amplitudes* https://onlinelibrar[...] 1975
[19] 논문 Evidence for a magma reservoir beneath the Taipei metropolis of Taiwan from both S-wave shadows and P-wave delays 2016-12-23
[20] 논문 Seismic Detection of a Magma Reservoir beneath Turtle Island of Taiwan by S-Wave Shadows and Reflections 2018-11-06
[21] 논문 Dense seismic arrays deny a massive magma chamber beneath the Taipei metropolis, Taiwan http://dx.doi.org/10[...] 2021-01-13
[22] 논문 Rapid remobilization of magmatic crystals kept in cold storage http://dx.doi.org/10[...] 2014-02-16
[23] 논문 On the crystallinity, probability of occurrence, and rheology of lava and magma http://dx.doi.org/10[...] 1981-10
[24] 논문 Re-pressurized magma at Mt. Etna, Italy, may feed eruptions for years 2021-10-12
[25] 논문 Dome-like behaviour at Mt. Etna: The case of the 28 December 2014 South East Crater paroxysm 2017-07-13
[26] 웹사이트 Earthquake Glossary - shadow zone http://earthquake.us[...] USGS 2011-05-08
[27] 웹사이트 PX266 Geophysics - Extra Material - Seismic shadow zones http://www2.warwick.[...] 워릭대학교 2011-05-08
[28] 문서 OCR AS and A2 Geology Pearson Education
[29] 논문 Tribute to Deceased Fellows of the Royal Society American Association for the Advancement of Science


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