보이지 않는 지구 내부를 우리는 어떻게 알아냈을까

우리는 땅 위에서 하루를 보내고, 산과 바다를 바라보며 살아갑니다. 그런데 그 아래에는 우리가 직접 내려가 볼 수 없는 거대한 세계가 펼쳐져 있습니다. 지구의 반지름은 약 6,371km에 이르지만, 사람이 실제로 파 내려간 가장 깊은 구멍은 그에 비하면 지표를 살짝 긁은 정도에 불과합니다. 직접 볼 수도, 만질 수도 없는 지구 내부를 과학자들은 어떻게 알아냈을까요. 

이 글은 지각·맨틀·핵이라는 구조를 ‘설명’하는 글이 아닙니다. 대신 그 구조가 어떤 관측과 기록, 실험과 계산을 거쳐 점점 더 분명해졌는지에 초점을 둡니다. 학교나 교양 지구과학 시간에 ‘지구 단면 그림’을 본 적이 있다면, “저건 어떻게 알았을까?”라는 질문이 한 번쯤 떠올랐을지도 모릅니다. 그 그림은 상상으로 그린 내부 단면이 아니라, 지구가 스스로 남긴 흔적, 즉 지진파 기록과 실험실에서 재현한 극한 조건, 그리고 방대한 관측 자료를 연결해 얻은 결과에 가깝습니다. 낯선 용어가 나오더라도 걱정할 필요는 없습니다. 이 글의 핵심은 용어가 아니라, 지진파 기록과 실험 결과를 근거로 지구 내부를 추론하는 과정입니다.

 

지진파 기록과 관측 자료를 바탕으로, 보이지 않는 지구 내부를 추론하는 지구과학 연구 과정을 상징적으로 표현한 이미지

 

지진 기록이 보여준 지구 내부의 첫 단서

지구 내부 연구의 가장 큰 전환점은 지진파 관측이었습니다. 지진이 발생하면 땅이 흔들리고, 그 흔들림은 파동의 형태로 사방으로 퍼져 나갑니다. 이 파동은 지표를 따라 이동하기도 하고, 지구 내부를 가로질러 먼 곳까지 도달하기도 합니다. 우리는 그 파동을 직접 볼 수 없지만, 지진계는 미세한 흔들림을 시간 단위로 정확하게 기록합니다. 지진 뉴스에서 “규모 7.8, 진원 깊이 20km” 같은 정보를 본 적이 있다면, 그 숫자들은 전 세계 관측망에서 모인 기록과 계산을 통해 얻어진 값입니다. 

 

여기서 중요한 점은 “흔들림이 기록된다”는 사실 자체가 아니라, 그 기록이 물질의 성질을 통과하며 변형된 결과라는 점입니다. 지진파는 크게 두 가지 성격을 가집니다. 하나는 물질을 압축했다가 풀었다가 하며 진행하는 파동(P파), 다른 하나는 물질을 옆으로 흔들면서 진행하는 파동(S파)입니다. 이 차이만 알아두면 이후 관측을 읽는 데는 충분합니다. 이 두 파동은 “같은 지진”에서 출발해도, 지나가는 길이 달라지면 기록이 달라집니다. 왜냐하면 지구 내부는 한 덩어리의 균일한 물질이 아니라, 깊이와 지역에 따라 밀도·탄성·온도 조건이 다르기 때문입니다.

 

과학자들이 처음으로 한 일은 단순합니다. 전 세계 여러 지점의 지진계가 같은 지진을 어떻게 기록했는지 모아 비교했습니다. 그리고 “거리가 멀수록 늦게 온다” 같은 상식 수준의 결과를 넘어서, 이상한 규칙성을 발견합니다. 어떤 거리를 기준으로 도착 시간이 갑자기 달라지고, 어떤 종류의 파동은 특정 범위에서 유난히 약해지거나 거의 보이지 않습니다. 단 한 번의 지진으로는 우연일 수 있습니다. 하지만 여러 지진, 여러 관측소에서 같은 패턴이 반복되면 우연이 아니라 구조적 이유가 됩니다.

여기서 지구과학의 ‘연구 방식’이 드러납니다. 과학자들은 지진파 기록을 보고 곧장 “여기에 경계가 있다”고 단정하지 않습니다. 먼저 가능한 설명을 여러 개 세웁니다.

• 관측 장비가 문제였을 가능성은 없는지,
• 지표 근처(대륙·해양)의 차이가 영향 준 것은 아닌지,
• 지진의 발생 방식(깊이, 방향)이 기록을 왜곡한 것은 아닌지,

이런 조건을 하나씩 걸러낸 뒤에도 패턴이 남으면, 그때 비로소 내부 구조를 의심합니다. 즉, 지진파는 ‘그림’을 그려주는 도구가 아니라, 가설을 좁혀 가는 필터처럼 쓰입니다. 

지진파 그림자 영역: 사라지는 파동이 남긴 증거

지진파 연구에서 특히 결정적인 단서는, 모든 파동이 같은 조건에서 이동하지 않는다는 사실입니다. 어떤 파동은 고체를 통과하지만 액체 성질의 물질에서는 전달이 어렵습니다. 이 차이는 “지구 내부에 액체 성질의 층이 있는가”를 판단하는 데 매우 강력한 단서가 됩니다.

 

20세기 초 대형 지진 기록을 분석하던 과학자들은, 지구 반대편에 가까운 특정 범위에서 특정 파동이 반복적으로 거의 관측되지 않는 구간을 확인했습니다. 이 구간은 관측이 “없다”는 의미로 중요해졌습니다. 무엇이 보일 때만 단서가 되는 것이 아니라, **무엇이 ‘안 보이는지’**도 단서가 된다는 점이 핵심입니다. 이렇게 “예상되는데도 나타나지 않는 영역”을 그림자 영역이라 부릅니다.

 

그림자 영역을 해석하는 과정은 생각보다 치밀합니다. “파동이 사라졌다”는 말은 사실 “지진계에 그 파동의 신호가 약해져서 구분이 어려워졌다”는 뜻일 수 있습니다. 그렇다면 먼저 해야 할 일은,

• 신호가 정말로 없는지(잡음 때문은 아닌지),
• 신호가 있다면 어떤 형태로 왜곡되어 있는지(다른 파동과 섞이지는 않았는지),
• 지진의 크기와 관측소의 감도 차이를 반영하면 패턴이 사라지는지,
  를 하나씩 확인하는 것입니다.

이 검증을 통과하고도 그림자 영역이 남는다면, 그때부터 내부 구조 가설이 힘을 얻습니다. 가장 일관된 해석은 이렇습니다. 지구 내부 깊은 곳에 파동의 전파 방식을 크게 바꾸는 층이 있고, 그 층이 액체 성질을 띠기 때문에 특정 파동은 통과하지 못한다는 것입니다. 이 층이 오늘날 외핵으로 불리는 영역과 연결됩니다(정의 설명은 여기서 멈추겠습니다).

 

그런데 연구는 여기서 끝나지 않습니다. 일부 파동은 그 액체 성질의 층을 지나며 크게 약해지지만, 완전히 사라지지 않고 다른 형태로 다시 관측됩니다. 이 “다시 나타나는 방식”을 설명하려면, 내부가 단순히 액체 한 겹으로 끝나는 것이 아니라, 그 안쪽에 또 다른 성질의 중심부가 있어야 더 자연스럽습니다. 이렇게 해서 내핵이라는 개념이 더해집니다. 중요한 것은 결론보다 과정입니다. 통과하지 못한 파동, 약해졌다가 다른 모습으로 나타난 파동을 “관측”으로 받아들이고, 그 관측이 모순 없이 설명되는 구조를 찾아가는 식입니다. 정리하면 이렇습니다.

• 그림자 영역은 “내부에 무엇이 있다”를 말하기 전에,
• “지진파의 전파 규칙이 어떤 지점에서 바뀐다”를 말해줍니다.

그 다음 단계가 재료(액체 성질)와 경계(깊이)를 추정하는 과정입니다.

모호면: 지진파 속도 변화로 드러난 경계

지구 내부의 경계는 깊은 곳에만 있는 것이 아닙니다. 지각 아래에서도 지진파의 성질이 갑자기 달라지는 구간이 관측됩니다. 특정 깊이에서 파동 속도가 눈에 띄게 바뀌는 현상이 반복적으로 확인되었고, 이는 물질의 종류나 상태가 달라졌다는 해석과 잘 맞았습니다. 이 경계가 바로 **모호로비치치 불연속면(모호면)**입니다.

 

모호면을 이해할 때도 “정의”보다 “검출 방법”이 핵심입니다. 지진파는 단순히 ‘달려가는’ 것이 아니라, 서로 다른 물질을 만나면 일부는 굴절되고, 일부는 반사되며, 일부는 다른 경로로 더 빠르게 도착합니다. 그래서 지진계 기록에는 한 지진에 대해서도 **여러 개의 도착 신호(첫 도착, 뒤이어 오는 도착)**가 나타납니다. 과학자들은 이 신호들을 시간 순서로 정리하고, 같은 종류의 파동이 “어떤 경로로 왔는지”를 추정합니다. 그 과정에서 이런 질문을 던집니다.

• 왜 어떤 지역에서는 ‘더 빠른 신호’가 특정 거리부터 갑자기 등장하는가.
• 왜 어떤 기록에서는 예상보다 이른 도착이 반복되는가.

이런 이상한 조합을 가장 단순하게 설명하는 방법이 “얕은 곳 아래에 파동이 더 빨라지는 층이 있으며, 그 경계에서 굴절된 파동이 먼 곳에서는 오히려 더 빨리 도착한다”는 가설입니다. 이 가설이 관측과 맞아떨어지면, 그 경계 깊이를 역산할 수 있습니다. 즉, 모호면은 눈으로 본 선이 아니라, 도착 시간의 규칙을 거꾸로 풀어서 얻어낸 깊이입니다.

여기서 한 걸음 더 나아가면 연구가 더 흥미로워집니다. 관측 자료를 종합해 보면, 모호면 깊이가 지역마다 다르다는 점이 드러납니다. 대륙 아래에서는 상대적으로 깊고, 해양 아래에서는 얕습니다. 이 차이는 단순한 구조 설명을 넘어, 판 운동과 지진 분포, 화산 활동을 해석하는 데 중요한 배경이 됩니다. 즉, 모호면 연구는 “경계가 있다”에서 끝나는 것이 아니라, 그 경계가 왜 지역마다 다르고, 그 차이가 지표 현상과 어떻게 연결되는지까지 확장됩니다.

암석과 광물로 추정한 지구 내부 조건

지진파가 내부 구조의 큰 윤곽과 경계를 잡아 준다면, 암석과 광물 연구는 그 구조를 이루는 재료에 대한 단서를 제공합니다. 지구 내부는 매우 높은 압력과 온도 환경이기 때문에, 그 조건에서 안정적인 광물은 지표에서 흔히 보는 광물과 성질이 다릅니다. 그런데 화산 활동이나 지각 변형 과정에서, 이런 깊은 곳에서 형성된 물질이 지표로 올라오는 경우가 있습니다. 과학자들은 이 물질을 “그 자체가 답”이라고 보지 않습니다. 대신 이 광물이 어떤 조건에서 안정한지를 기준으로, 과거에 그 물질이 있었던 환경을 되짚습니다.
여기서 연구의 핵심은 “발견 → 해석”이 아니라 “발견 → 검증 가능한 질문 만들기”입니다. 예를 들어, 어떤 광물이 높은 압력에서만 안정하다면, 그 광물이 지표 암석 속에서 발견되었다는 사실 자체가 다음 질문으로 이어집니다.

• 이 광물은 실제로 그 조건에서 만들어졌는가.
• 그렇다면 어느 정도 깊이(압력 범위)에 해당하는가.
• 그 광물이 올라올 수 있는 과정(화산, 섭입, 변성)은 무엇인가.

이런 질문을 풀기 위해서는 광물의 내부 구조를 분석하고(결정 구조, 조성 등), 주변 암석과의 관계를 조사하고(어떤 암석 안에 어떻게 들어 있는지), 여러 지역의 사례와 비교합니다. 단 한 곳의 샘플로 결론을 내리면 위험합니다. 그래서 과학자들은 반복되는 패턴을 찾습니다. 여러 화산에서 비슷한 신호가 나오고, 여러 지역의 변성암에서 같은 종류의 깊은 광물이 발견되며, 그때의 조건이 실험 결과와도 맞아떨어질 때 해석이 힘을 얻습니다.

 

이 점에서 암석 연구는 지진파 연구와 역할이 다릅니다. 지진파는 “지구 전체”를 비추는 방법이고, 암석·광물은 “손에 쥘 수 있는 증거”입니다. 둘은 독립적으로 출발하지만, 서로를 보완합니다. 지진파가 경계의 깊이를 말해줄 때, 광물은 그 경계 주변에서 어떤 재료 변화가 가능한지 힌트를 줍니다. 반대로 광물이 “이런 조건이 가능하다”고 말해줄 때, 지진파는 그 조건이 실제 지구에서 어느 지역·어느 깊이에 해당하는지 연결해 줍니다.

고압·고온 실험으로 확인한 물질의 변화

지구 내부를 직접 볼 수 없기 때문에, 과학자들은 실험실에서 비슷한 조건을 만들어 왔습니다. 고압 장비로 광물을 강하게 누르고, 높은 온도로 가열하며 물질의 변화를 관찰합니다. 이 실험의 목적은 단순히 “압력이 높으면 바뀐다”를 보여주는 것이 아닙니다. 지진파 관측과 연결해 말하면, 실험은 이런 질문에 답하기 위해 존재합니다.

• 왜 어떤 깊이에서 지진파 속도가 갑자기 달라지는가.
• 왜 어떤 구간에서 파동이 약해지는가.
• 왜 경계가 ‘선’처럼 보이기도 하고, 어떤 곳에서는 ‘두꺼운 영역’처럼 보이기도 하는가

관측에서는 “이 깊이에서 파동 속도가 달라진다”는 사실이 먼저 드러납니다. 하지만 관측만으로는 이유를 단정하기 어렵습니다. 실험은 “이 압력·온도 조건에서 물질의 구조나 밀도가 바뀐다”는 방식으로 이유를 보탭니다. 예를 들어 특정 조건에서 광물의 결정 구조가 바뀌고 밀도가 달라진다면, 그 변화는 지진파 속도에도 영향을 줍니다. 즉, 실험은 ‘관측된 변화’를 ‘물질 변화’로 번역해 주는 역할을 합니다.

 

또 하나 중요한 점이 있습니다. 실험 결과는 때때로 관측과 바로 맞지 않습니다. 이때 과학은 멈추지 않고 더 정교해집니다.

• 실험 조건이 실제 지구 내부와 얼마나 비슷한지,
• 샘플이 실제 지구 재료를 얼마나 잘 대표하는지,
• 실험 시간 규모(짧은 시간)와 지구의 시간 규모(긴 시간)의 차이가 영향을 주는지,

이런 부분을 다시 따져서 모델을 수정합니다. 즉, 지구 내부 연구는 “한 번의 정답 찾기”가 아니라, 관측–실험–모델을 반복해 오차를 줄이는 과정입니다.

지진파 토모그래피: 기록을 계산해 내부를 그리다

오늘날 지구 내부 연구가 더 정밀해진 이유는, 전 세계 지진계 네트워크가 쌓아 올린 방대한 자료와 계산 덕분입니다. 여기서 핵심 도구가 **지진 단층촬영(지진파 토모그래피)**입니다. 말이 어렵게 들리지만, 아이디어는 비교적 분명합니다. 의료 영상 장비가 여러 방향에서 통과한 신호를 모아 몸속의 단면을 재구성하듯, 지진 단층촬영은 지구 내부를 통과한 지진파의 기록을 모아 내부의 속도 분포를 “지도처럼” 재구성합니다.

 

다만 지구는 의료 검사 대상보다 훨씬 복잡합니다. 의료 영상은 신호를 ‘쏘는’ 사람이 있고, 신호의 시작 조건을 통제할 수 있습니다. 하지만 지진파는 자연이 발생시키는 신호라서 시작 조건이 매번 다르고, 잡음도 많고, 경로도 다양합니다. 그래서 단층촬영은 단순히 “빨리 온 곳은 단단하다” 같은 한 줄 해석으로 끝나지 않습니다. 연구자는 다음과 같은 단계를 밟습니다.

1. 자료 선별: 어떤 지진의 어떤 기록을 사용할지 고릅니다. 품질이 낮은 신호나 잡음이 큰 구간은 제외합니다.
2. 도착 시간 정밀 측정: 신호가 ‘언제’ 도착했는지, 자동 측정과 사람의 검토를 섞어 오차를 줄입니다.
3. 기준 모델 설정: 지구 내부를 일단 “평균적인 지구”라고 가정한 기준 모델을 둡니다.
4. 오차 계산: 실제 기록과 기준 모델이 예측한 기록의 차이를 계산합니다.
5. 역문제(거꾸로 풀기): 그 차이가 어디에서 생겼는지, 내부의 속도를 조금씩 조정하면서 가장 잘 맞는 분포를 찾습니다.
6. 검증: 다른 자료를 넣어도 비슷한 결과가 나오는지, 특정 지역만 자료가 부족해 ‘가짜 패턴’이 생기지 않았는지 점검합니다.

이 과정을 거치면 한 가지가 분명해집니다. 지구 내부는 완전히 균일하지 않습니다. 같은 깊이라도 지역에 따라 성질이 조금씩 다르고, 열의 분포도 일정하지 않습니다. 이런 차이는 화산대, 판 경계, 오래된 대륙 아래 등에서 다르게 나타나며 지표에서 관측되는 현상과 자연스럽게 연결됩니다. 즉, 단층촬영은 “내부도 지표처럼 지역차가 있다”는 사실을 보여줍니다. 그리고 이 지도가 ‘고정된 그림’이 아니라는 것도 중요합니다. 관측이 쌓이고 계산이 정교해질수록, 지도는 계속 업데이트됩니다. 지구 내부 연구는 완성된 도감이라기보다 지속적으로 갱신되는 지도 제작에 가깝습니다.

결론: 지구 내부는 ‘과정’을 통해 밝혀졌다

지구 내부는 여전히 직접 들어가 볼 수 없는 영역입니다. 그럼에도 우리가 내부에 대해 말할 수 있는 이유는, 지진파 기록과 암석·광물 증거, 실험과 계산이 서로 연결되어 하나의 흐름을 이루었기 때문입니다. 어느 하나의 증거만으로는 부족했습니다. 하지만 서로 다른 방법에서 나온 결과가 같은 방향을 가리킬 때, 내부 구조에 대한 해석은 점점 더 분명해졌습니다.

 

이 글은 구조를 외우기보다, 과학이 보이지 않는 세계를 다루는 과정을 정리한 글입니다. 핵심은 “지구 내부가 이렇게 생겼다”가 아니라, 그 결론에 도달한 과학의 방식입니다. 보이지 않는 것을 다루기 위해 어떤 증거를 모았고(지진파 기록), 무엇이 사라지는지도 단서로 삼았고(그림자 영역), 얕은 경계도 도착 시간의 규칙으로 찾아냈고(모호면), 손에 잡히는 증거를 통해 재료의 가능성을 좁혔고(광물), 실험으로 관측에 이유를 붙였고(고압·고온 실험), 마침내 지도처럼 재구성했기 때문입니다(단층촬영).

 

이런 시선으로 지구를 바라보면 지진과 화산, 지형 변화 같은 현상도 단순한 사건이 아니라, 긴 시간에 걸친 내부 과정의 결과로 읽히기 시작합니다. 

 

이 글은 대학 교양 지구과학 교재와 지진파·지구 내부 구조에 관한 공개 교육 자료(USGS 등)를 참고해 연구 방법 중심으로 정리했습니다.