암영대

지진 암영대(暗影帶, Shadow zone)는 지구 표면에서 지진계가 P파 및 S파를 직접 감지할 수 없는 지역이다. 이는 지구 표면 내부에 액체 층이나 구조물이 있기 때문이다. 가장 잘 알려진 음영대는 핵-맨틀 경계에서 P파가 굴절되고 S파가 액체 외핵에서 멈춰서 만들어지는 음영대이다. 그러나 모든 액체 경계 또는 물체가 음영대를 생성할 수 있다. 예를 들어, 충분히 높은 용융 비율을 가진 마그마 저장소는 지진 음영대를 생성할 수 있다.

USGS에서 그린 지구의 암영대 위치 지도

배경

지구는 지각, 맨틀, 내핵, 외핵과 같은 다양한 구조로 이루어져 있다. 지각, 맨틀, 내핵은 일반적으로 고체이지만 외핵은 완전히 액체이다.^[1] 액체 외핵은 1906년 지질학자 리처드 올덤이 처음으로 밝혀냈다.^[2] 올덤은 다양한 지진의 지진계 기록을 관찰하고 일부 지진 관측소에서 직접적인 S파를 기록하지 않는다는 것을 발견했는데, 특히 지진의 진원에서 120° 떨어진 곳에서 그러했다.^[3]

1913년, 베노 구텐베르크는 핵-맨틀 경계에서 P파의 지진 속도가 급격하게 변하고 S파가 사라지는 것을 발견했다. 구텐베르크는 이를 고체 맨틀과 액체 외핵 때문이라고 보았고, 이를 구텐베르크 불연속면이라고 불렀다.^[4]

지진파의 속성

지구 내부의 액체 층 및 구조물을 식별하는 데 주요 관측 제약은 지진학에서 온다. 지진이 발생하면 지진파는 지진의 진원에서 구형으로 방사된다.^[5] 두 가지 유형의 실체파가 지구를 통과한다. 각각 일차 지진파(P파)와 이차 지진파(S파)이다. P파는 파동이 전파되는 방향과 같은 방향으로 움직이며, S파는 파동 전파에 수직(횡방향)으로 움직인다.^[6]

P파는 지구의 액체 외핵의 영향으로 굴절되어 진원에서 104°에서 140° 사이(대략 11,570에서 15,570 km)에서는 감지되지 않는다.^[7][8] 이는 스넬의 법칙에 따른 것으로, 지진파가 경계를 만나면 굴절하거나 반사한다. 이 경우 P파는 밀도 차이로 인해 굴절되어 속도가 크게 감소한다.^[7][9] 이를 P파 암영대라고 한다.^[10]

S파는 액체 외핵을 통과할 수 없으며, 진앙에서 104° 이상(대략 11,570 km) 떨어진 곳에서는 감지되지 않는다.^[7][11][12] 이를 S파 암영대라고 한다.^[10] 그러나 외핵을 통과하여 굴절된 P파(PKP파)는 암영대 내에서 감지될 수 있다. 또한, 외핵에 진입할 때 P파로 굴절되었다가 외핵을 벗어날 때 S파로 굴절되는 S파(SKS파)도 암영대에서 감지될 수 있다.^[7][13]

이러한 현상은 P파와 S파의 속도가 각각의 경우에서 서로 다른 물질적 특성과 다른 수학적 관계에 의해 결정되기 때문이다. 세 가지 특성은 압축률 (${\displaystyle k}$), 밀도 (${\displaystyle p}$), 뻣뻣함 (${\displaystyle u}$)이다.^[11][14]

P파 속도는 다음과 같다.

${\displaystyle {\sqrt {(k+{\tfrac {4}{3}}u)/p}}}$

S파 속도는 다음과 같다.

${\displaystyle {\sqrt {u/p}}}$

S파 속도는 통과하는 물질의 강성에 전적으로 의존한다. 액체는 강성이 0이므로, 액체를 통과할 때 S파 속도는 0이 된다. 전반적으로 S파는 전단파이며, 층밀림 변형력은 액체에서 발생할 수 없는 변형의 한 유형이다.^[11][12][14] 반대로 P파는 압축파이며 강성에 부분적으로만 의존한다. P파는 액체를 통과할 때에도 여전히 어느 정도의 속도를 유지한다(크게 감소할 수 있음).^{[7][8][14][15]}

다른 관측 및 시사점

핵-맨틀 경계가 가장 큰 암영대를 이루지만, 마그마체와 같은 작은 구조물도 암영대를 만들 수 있다. 예를 들어, 1981년 팔 에이나르손은 아이슬란드 북동부의 크라플라산 칼데라에서 지진 조사를 수행했다.^[16] 이 연구에서 에이나르손은 칼데라 위에 조밀한 지진계를 나라히 배열해 설치하고 발생한 지진을 기록했다. 그 결과 지진기록은 S파의 부재 및 작은 S파 진폭을 보였다. 에이나르손은 이러한 결과를 마그마 저장소에 기인한다고 보았다. 이 경우 마그마 저장소는 S파에 직접적인 영향을 줄 만큼 충분한 용융률을 가지고 있다.^[16] S파가 기록되지 않는 지역에서는 S파가 충분한 액체를 만나서 고체 입자가 접촉하지 않는다.^[17] 매우 감쇠된(작은 진폭) S파가 있는 지역에서는 여전히 용융 비율이 있지만, S파가 마그마 저장소의 일부를 통과할 수 있을 만큼 충분한 고체 입자가 접촉하고 있다.^[12][15][18]

2014년에서 2018년 사이에 대만의 지구물리학자 린청훙은 대만의 다툰 화산군 아래에 있는 마그마 저장소를 조사했다.^[19][20] 린의 연구팀은 다툰 화산군 위 또는 근처의 깊은 지진과 지진계를 사용하여 P파 및 S파 파형의 변화를 식별했다. 그 결과 P파 지연과 여러 위치에서 S파의 부재를 보였다. 린은 이 발견이 최소 40% 용융된 마그마 저장소가 S파 암영대를 드리우기 때문이라고 보았다.^[19][20] 그러나 최근 국립중정대학교에서 수행된 연구는 조밀한 지진계 배열을 사용했으며 마그마 저장소와 관련된 S파 감쇠만을 발견했다.^[21] 이 연구는 린이 관찰한 S파 암영대의 원인을 조사했으며, 이를 필리핀해판 아래의 마그마 상승류 때문이라고 보았다. 비록 마그마 저장소는 아니었지만, S파 암영대를 유발할 만큼 충분한 용융물/액체를 가진 구조가 여전히 존재했다.^[21]

암영대, 특히 S파 암영대의 존재는 전 세계 화산의 분출 가능성에 영향을 미칠 수 있다. 화산이 유변학적 잠금(화산이 분출 가능한지 아닌지를 결정하는 결정체 비율) 아래로 내려갈 만큼 충분한 용융 비율을 가지면 화산이 분출 가능하게 된다.^[22][23] 화산의 용융 비율을 결정하는 것은 예측 모델링과 현재 및 미래의 위험 평가에 도움이 될 수 있다. 이탈리아의 활성 분출 화산인 에트나산에 대한 2021년 연구에서는 마그마 챔버 위에 수신기가 위치한 곳에 따라 일부 지역에서는 S파가 부재하고 다른 지역에서는 S파가 크게 감쇠되는 것을 보였다.^[24] 이전인 2014년에는 2014년 12월 28일 분출을 유도하는 메커니즘을 모델링하기 위한 연구가 수행되었다. 이 연구는 30%에서 70% 용융 상태에서 분출이 촉발될 수 있음을 보여주었다.^[25]

같이 보기

• 지진파
• 광선 추적 (물리학)
• P파
• S파
• 스넬의 법칙
• 지구의 구조
• 핵-맨틀 경계