지구내부의 온도

지하증온율에 따른 지구의 온도

지구과학자들은 지구내부로 갈수록 온도가 얼마나 증가하는지를 나타내는 지하증온율(geothermal gradient, 지열구배)에 대하여 알고 싶어 합니다. 지하증온율은 온도와 압력조건에 의하여, 물질의 상태가 고체인지 아니면 액체인지, 유동에 대한 저항력을 나타내는 점성도가 얼마인지, 그리고 물질을 구성하고 있는 원자들이 결정 내에서 얼마나 밀착되어 있는지에 따라 결정됩니다. 지구내부의 지하증온율을 나타낸 그래프를 지열곡선(geotherm)이라 합니다. 지열곡선(노란색 선)과 맨틀과 핵을 이루고 있는 물질의 용융곡선 (붉은색 선)을 비교한 것입니다. 용융곡선은 깊이에 따라 증가하는 압력하에서 물질이 용융되기 시작하는 온도를 표시한 곡선입니다.

 지표에서 지구과학자들은 광산에서는 약 4km 정도, 시추공에서는 약 10km 정도의 깊이까지 온도를 직접 측정할 수 있습니다. 이러한 측정결과로부터, 대부분의 대륙지각에서는 지하증 온율이 1km 깊이당 20~30°C인 것을 알 수 있었습니다. 지각의 하부에 대한 온도는 화산으로부터 분출된 용암이나 암석으로부터 추정할 수 있습니다. 연구결과에 의하면 암석권 하부의 온도는 약 1,300~1,400°C 정도임을 지시합니다. 이 온도에서는 지열곡선이 맨틀을 구성하고 있는 암석의 용융점보다 높습니다. 지열곡선은 대부분의 해양지각 하부에서는 100km 깊이에서 용융곡선과 교차하고, 대부분의 대륙지각 하부에서는 이보다는 깊은 150~200km 깊이에서 교차합니다. 이 깊이에서부터 지열곡선이 용융곡선 아래로 내려가는 깊이인 200~250km 사이에서는 맨틀을 구성하고 있는 물질이 부분적으로 용융되어 있습니다. 이러한 관측결과는 이 부분에 s파의 저속도층이 존재하고, 현무암질 마그마가 연약권의 상부에서 부분용융에 의하여 만들어진다는 사실과도 일치합니다.

 지표면 부근에서 지하증온율이 가파르게 증가하는 것은, 암석권에서 열이 전도에 의하여 이동하는 것을 지시합니다. 암석권 하부에서는 온도가 급격히 증가하지 않습니다. 만약에 암석권 하부에서 온도가 급격히 증가한다면, 맨틀하부의 온도가 수만 도 정도로 매우 높아서 맨틀하부가 완전히 용융될 것이며, 이는 지진파 관측결과와 일치하지 않습니다. 실제로는 암석권 하부에서는 깊이에 따른 온도의 증가율이 약 0.5°C/km로 낮아지며, 이 증가율은 대류하고 있는 맨틀의 지하증온율과 일치합니다. 맨틀상부에 있는 온도가 낮은 물질이 깊은 곳에 있는 온도가 높은 물질과 대류에 의하여 혼합되면서 온도차이를 감소시키기 때문에, 온도증가율이 낮아집니다.

 깊이 410~660km 사이의 전이대에서는 물질의 상 변화가 일어나고 있으며, 지진파의 속도도 급격히 증가합니다. 이러한 상 변화가 일어나는 깊이(그러므로 압력)는 지진파 연구를 통하여 정확히 알 수 있으므로, 상 변화가 일어나는 온도는 실험실에서 고압실험을 통하여 산출할 수 있습니다. 실험실에서 산출한 온도는 지열곡선의 온도와 잘 일치합니다.

 대부분의 지구과학자들은 맨틀 전체에 대류가 일어나기 때문에 맨틀물질이 수직적으로 혼합되어 지하증온율이 낮다고 생각합니다. 그러나 맨틀의 최하부에서는 핵과 맨틀의 경계로 인하여 물질의 수직적인 이동이 일어나지 않으므로, 온도가 보다 더 급격히 증가할 것으로 예상됩니다. 핵과 맨틀의 경계 부근에서는 물질이 마치 지각 부근에서와 같이 수직적인 이동보다는 수평적으로 이동할 것입니다. 또한 이 경계에서는 열이 전도에 의하여 핵에서 맨틀로 전달됩니다. 그러므로 지하증온율이 암석권에서와 같이 높아져야만 합니다.

 지진학자들은 외핵이 액체 상태인 것을 밝혀냈으며, 이것은 외핵을 구성하고 있는 물질인 철 혼합물을 용융시킬 정도로 온도가 높다는 것을 의미합니다. 실험결과에 의하면 외핵의 온도는 3,000°C 이상이며, 이 온도는 대류모델로 예측한 맨틀하부의 높은 지하증온율과 일치합니다. 한편, 내핵은 고체 상태입니다. 주로 철과 니켈로 구성된 내핵은 외핵과 구성성분이 거의 동일하기 때문에, 내핵과 외의 경계는 지열곡선이 핵을 구성하고 있는 물질의 용융곡선과 교차되는 깊이와 일치할 것입니다. 이 가설에 의하면 지구중심의 온도가 5,000°C보다 약간 낮음을 지시합니다.

 그러나 이러한 가설은 여러 관점에서 논쟁이 될 수 있습니다. 예를 들 면, 일부 지구과학자들은 지구중심의 온도가 6,000~8,000°C까 지 증가한다고 생각하고 있습니다. 이러한 논쟁을 해결하기 위해서는 앞으로 더 많은 실험과 보다 더 정확한 계산이 필요합니다.