지구과학1을 공부하다 보면 위와 같은 ‘지진파 단층 촬영법(지진파 토모그래피)’에 대해 학습한다. 

많은 수험생이 위와 같은 자료를 해석할 때 단순히 ‘지진파 속도가 느리면 온도가 높고, 빠르면 온도가 낮다’라는 식의 단순 암기로 학습한다. 그러나 이런 식의 학습을 하면, 원리를 응용한 자료해석 문제가 출제됐을 때, 올바르게 문제를 풀어내기 어렵다. 지진파 단층 촬영법 해석에 대해 알아보자. 

먼저 지진파 단층 촬영법 해석의 핵심은 ‘비슷한 깊이에서 비교했을 때, 지진파 속도 분포는 온도 분포와 대체로 반비례한다’는 것이다. 즉, 비슷한 깊이에서 비교했을 때 주변보다 온도가 높은 곳은 지진파의 속도가 느리고, 낮은 곳은 빠르다는 것이다. 이는 맨틀 내에서 일부 예외적인 상황을 제외하고는 지진파의 속도가 밀도와 대체로 비례함에 기인한다. 지진파는 액체에 가까운 물체보다 고체에 가까운 물체에서 더 빠르게 진행한다. 이는 기차가 오는 소리를 들을 때 공기 중을 통해 소리를 듣는 것보다, 철길에 직접 귀를 대고 들을 때 기차가 오는 소리를 더 먼저 들을 수 있는 현상과 관련 있다. 맨틀 내에서는 밀도가 클수록 그 특성이 더욱 고체에 가까워져 지진파의 속도가 빠르게 나타나는 것이다. 

맨틀 내에서 밀도에 영향을 주는 요인은 압력과 온도에 있다. 밀도의 온도와는 음의 상관 관계이고, 압력과는 양의 상관 관계이다. 온도가 높을수록 입자들 사이의 간격이 넓어져 밀도가 작아지고, 압력이 높을수록 입자들이 더욱 오밀조밀하게 모여 밀도가 커지기 때문이다. 따라서 맨틀 내에서 밀도는 온도와 압력의 영향을 동시에 받는데 지구 내부는 깊은 곳으로 들어갈수록 압력이 커지므로, 비슷한 깊이에서 비교하면 압력 조건이 비슷하게 맞춰져 상수로 취급되고, 온도차를 통해 밀도차를 비교할 수 있게 되는 것이다. 

여기서 핵심 개념이 등장한다. 지구 내부에서 상승하는 물질은 비슷한 깊이의 주변보다 온도가 높고, 하강하는 물질은 비슷한 깊이의 주변보다 온도가 낮다는 것이다. 이는 상승하는 물질은 상대적으로 온도가 높은 환경에서, 하강하는 물질은 상대적으로 온도가 낮은 환경에서 기인한 물질이기 때문이다. 

결과적으로 상승하는 물질은 비슷한 깊이의 주변보다 온도가 높아 밀도가 작고, 이로 인해 지진파의 속도가 느리게 나타나며, 반대로 하강하는 물질은 비슷한 깊이의 주변보다 온도가 낮아 지진파의 속도가 빠르게 나타난다. 결과적으로 ‘비슷한 깊이에서 비교했을 때 지진파 속도 분포는 온도 분포와 대체로 반비례한다’라는 명제가 성립한다. 

이에 따라 지진파 단층 촬영 영상을 통해 지구 내부에서 물질의 상승과 하강을 판단할 수 있다. 위 그림의 ‘P파의 속도 편차’는 ‘비슷한 깊이의 주변보다’ 지진파의 속도가 빠른지 느린지를 의미한다. 따라서 그림의 A-B 구간의 지하에는 비슷한 깊이의 주변보다 지진파의 속도가 느린, 즉 온도가 높은 물질이 존재한다. 이는 해당 장소에 ‘상승하는 물질’이 있음을 의미한다. 이에 따라 해당 장소에 뜨거운 플룸과 차가운 플룸 중 하나가 존재한다면, 뜨거운 플룸이 존재함을 알 수 있는 것이다.

지진파 단층 촬영법에서 유의할 점은, 지구 내부에서 상승하거나 하강하는 물질이 ‘플룸’만 있는 것은 아니라는 점이다. 예컨대 연약권의 대류가 상승하거나 하강할 수도 있고, 마그마가 상승하는 경우도 있다. 이들도 모두 상승하는 물질이기에 지진파 단층 촬영 영상에서 주변보다 온도가 높다. 따라서 만약 주변보다 온도가 높은 물질이 자료에서 제시되었을 때, 이는 무조건 플룸으로 판단하는 것은 매우 위험하다, ‘맨틀과 외핵의 경계에서부터 상승하는 맨틀 물질의 흐름’이라는 뜨거운 플룸의 정의를 떠올려, 해당 물질이 지구 내부 매우 깊숙한 곳에서부터 연속 상승하는 흐름을 보이는지 판단해야 한다. 실제로 이를 활용하여 함정을 판 문제도 기출된 적이 있으므로, 반드시 유의해야 한다. 

많은 학생이 지구과학1 문제를 해결함에 있어 ‘개념이 문제와 연결되지 않는다’라거나, ‘자료 해석이 어렵다’ 등의 어려움을 호소한다. 그러나 대부분은 그러한 어려움의 원인은 개념을 원리적으로 정교하게 이해하지 않았기 때문이다. 최근 갈수록 난도가 상승하고 있는 지구과학1에서 고득점을 받기 위해서는 모든 개념을 꼼꼼하게, 원리적으로, 정교하게 이해하는 것이 매우 중요하다.