지구의 밀도
지구의 내부가 층상으로 이루어졌다는 것은 많은 지진데이터를 이용할 수 있기 전인 19세기말에 독일의 물리학자인 에밀 비헤르트(Emil Wiechert)에 의해 처음으로 제안되었습니다. 그는 우리의 행성이 왜 이렇게 무거운지, 더 정확하게 말하면 왜 이토록 밀도가 높은지 그 이유를 알고 싶어 했습니다. 물질의 밀도는 계산하기 쉬우며, 일정한 규모의 질량을 측정하여 그것의 부피로 나누어주면 됩니다. 묘비를 만드는 데 사용되는 화강암 같은 일반적인 암석은 약 2.7g/cm³의 밀도를 가집니다. 에라토스테네스는 기원전 250년에 지구의 부피를 어떻게 측정할 수 있는지 보여주었으며, 1680년경 영국의 위대한 과학자 아이작 뉴턴(Isaac Newton)은 지표로 물체를 끌어당기는 중력을 이용하여 지구의 질량을 계산하는 방법을 설명하였습니다. 뉴턴의 중력법칙을 보정하기 위한 구체적인 실험이 또 다른 영국인 헨리 캐번디시(Henry Cavendish)에 의해 수행되었습니다. 1798년 그는 지구의 평균밀도를 묘비의 화강암 밀도의 2배인 약 5.5g/ m³ 정도로 계산하였습니다.
비헤르트는 일반적인 암석으로만 구성되어 있는 행성은 그렇게 높은 밀도를 가질 수 없다는 것을 알았습니다. 화강암 같은 가장 일반적인 암석들은 높은 함량의 실리카(규소 + 산소, SiO₂)를 포함하고 있으며, 3g/cm³ 이하의 비교적 낮은 밀도를 가집니다. 화산작용에 의해 지표로 나온 일부 철이 풍부한 암석들은 3.5g/cm³ 정도의 밀도를 가지고는 있지만, 일반적인 암석들 중 캐번디시의 추정값에 도달하는 암석은 아무것도 없었습니다. 그는 지구내부로 들어갈수록 암석에 미치는 압력은 그 위에 있는 물질들의 무게에 비례하여 증가한다는 사실도 알고 있었습니다. 압력은 암석을 압착하여 부피를 감소시키며, 따라서 암석의 밀도를 증가시키게 됩니다. 그러나 비헤르트는 압력의 효과가 너무 작아 캐번디시가 계산한 밀도를 설명할 수 없다는 것을 발견하였습니다.
맨틀과 핵
지표면 아래에 무엇이 있는지에 대한 생각을 하면서 비헤르트는 태양계, 특히 태양계의 일부분이면서 지구에 떨어진 운석으로 관심을 돌리게 되었습니다. 그는 일부 운석들은 2개의 무거운 금속인 철과 니켈의 합금(혼합물)으로 구성되어 있어 8g/cm³에 이르는 높은 밀도를 갖고 있다는 것도 알고 있었습니다. 또한 그는 이러한 원소들이 태양계에 비교적 풍부하게 존재한다는 사실도 알고 있었습니다. 그래서 1896년에 그는 위대한 가설을 발표하였습니다. -지구의 과거 언젠가에 지구의 철과 니켈은 중력에 의해 대부분 지구중심부로 가라앉았습니다. 이러한 이동이 고밀도의 핵(core)을 형성하였으며, 핵은 규산염이 풍부한 암석층, 즉 비헤르트가 맨틀(mantle, 독일어로 외투'를 의미)이라 부른 층으로 둘러싸였습니다.
이러한 가설로부터 그는 캐번디시의 지구 평균밀도값에 부합하는 2층 지구모델을 제안할 수 있었습니다. 그는 철-니켈 운석의 존재도 설명할 수 있었습니다. -이들 운석은 지구와 유사한 행성(또는 행성들)이 다른 행성들과 충돌하여 부서질 때 그 행성의 핵에서 떨어져 나온 덩어리들입니다.
비헤르트는 전 세계에 설치된 지진계에 기록된 지진파를 이용하여 그의 가설을 검증하는 일에 착수하였습니다. 첫 번째 결과에서 핵이라고 생각한 희미한 지구내부 물질을 보여주었으나, 지진파의 일부를 확인하는 데에는 어려움이 있었습니다. 이러한 지진파는 기본적인 두 유형으로 전달됩니다. -압축파(compressional waves)는 통과하는 물질을 압축 및 팽창하면서 이동하는 파로서 고체, 액체, 기체를 통과할 수 있습니다. 전단파(shear waves)는 물질을 상하로 움직이며 이동하는 파입니다. 전단파는 오직 전단력에 대해 저항하는 고체만을 통과할 수 있으며, 공기와 물처럼 이러한 유형의 운동에 저항성이 없는 유체(액체 또는 기체)는 통과할 수 없습니다.
1906년, 영국의 지진학자 로버트 올드햄(Robert Oldham)은 여러 형태의 지진파가 지나가는 경로를 구별해 냈고, 전단파가 핵을 통과하지 못한다는 사실을 밝혀냈습니다. 따라서 핵, 적어도 핵의 외곽부는 액체였습니다. 철은 규산염에 비해 낮은 온도에서 용융되는데, 이것이 바로 야금학자들이 용융된 철을 담을 때 세라믹(규산염 형태)으로 만들어진 용기를 사용하는 이유입니다. 지구내부의 깊은 곳은 철과 니켈 합금을 용융시킬 정도로 매우 뜨겁지만 규산염 암석을 용융시킬 수는 없습니다. 비헤르트의 학생이었던 베노 구텐베르크(Beno Gutenberg)는 1914년에 핵의 외곽 부분이 액체라는 올드햄의 관찰결과를 확인하였고, 핵과 맨틀의 경계(core-matle boundary)가 약 2,890km의 깊이에 존재한다는 것을 밝혀내었습니다.
지각
이보다 5년 전, 한 크로아티아의 과학자는 유럽대륙 아래 40km의 상대적으로 얕은 깊이에 또 다른 경계가 존재함을 발견하였습니다. 발견자의 이름을 따서 모호로비치치 불연속면 [Mohorovicic discontinuity, 짧게 '모호(moho)'라고도 함]이라 불리는 이 경계는 알루미늄과 칼륨이 풍부한 저밀도 규산염으로 구성된 지각(crust)과 마그네슘과 철의 함량이 높은 고밀도 규산염으로 구성된 맨틀을 구분하는 경계입니다.
핵-맨틀의 경계와 같이 모호면도 전 세계적으로 분포합니다. 하지만 실제로는 대륙하부에 비해 해양하부에서 그 깊이가 더 얕습니다. 지구규모에서 보면 해양지각의 평균두께는 대륙의 평균두께 40km와 비교했을 때 약 7km에 지나지 않습니다. 게다가 해양지각의 암석은 철을 더 많이 포함하므로 대륙의 암석에 비해 밀도가 높습니다. 대륙지각은 해양지각에 비해 더 두껍긴 하지만 밀도가 낮기 때문에, 대륙은 빙산이 해양에 떠있는 것처럼 밀도가 높은 맨틀 위에 부력으로 떠 있는 뗏목처럼 높이 부유하게 됩니다. 대륙의 부력으로부터 지표면의 두드러진 특징들이 설명될 수 있습니다. 지표면의 고도가 두 그룹, 즉, 해수면으로부터 0~1km 위에 위치하는 대부분의 육지표면과 해수면으로부터 4~5km 아래에 위치하는 대부분의 심해로 나뉘는 이유를 설명할 수 있습니다.
전단파는 맨틀과 지각을 따라 잘 통과하기 때문에, 이 두 부분 모두 단단한 암석으로 되어 있음을 알 수 있습니다. 암석은 짧은 기간(수 초에서 수년)에는 단단하고 강할 수 있지만 오랜 기간(수천 년에서 수백만 년)에는 약해질 수 있습니다. 매우 긴 시간 규모에서 보면 약 100km 깊이 아래의 맨틀은 약한 강도를 지니며, 대륙과 산맥의 무게를 지탱해야 할 경우 유동성을 지니게 됩니다.
내핵
맨틀은 고체이고 외핵은 액체이기 때문에 핵-맨틀의 경계에서는 마치 거울이 광파를 반사하는 것처럼 지진파를 반사합니다. 1936년 덴마크의 지진학자 잉게 레만(Inge Lehmann)은 5,150km 깊이에서는 액체 상태의 외핵과 고밀도의 고체상 물질의 경계가 존재함을 발견하였습니다. 그녀의 선구적인 연구 이후의 연구결과들은 이 단단한 내핵이 전단파와 압축파 모두를 전달시킬 수 있음을 보여주었습니다. 따라서 내핵(inner core)은 고체의 금속 구이며, 액체 외 (outer core) 내에 매달려 있는 ‘행성 내의 행성'입니다. 이러한 내핵의 직경은 달 크기의 약 2/3인 1,220km입니다.
지질학자들은 이 '얼어붙은' 내핵의 존재로 말미암아 혼란스러워졌습니다. 그들은 지구내부의 온도가 깊이가 증가함에 따라 증가한다는 사실을 알고 있었습니다. 가장 최근의 추정치에 따르면, 핵-맨틀의 경계에서는 약 3,500°C이며, 지구중심에서는 거의 5,000°C 까지 상승합니다. 외핵이 용융 상태임에도 불구하고 어떻게 내핵이 고체 상태로 있을 수 있는 것은 철-니켈 합금에 대한 실내실험을 통하여 알 수 있습니다. 얼어 있는 것'은 지구중심에서 낮은 온도보다는 높은 압력 때문입니다.