파의 운동 - 파의 분류 및 지진파와 지각구조

파의 운동

 

파의 분류

앞서 탄성의 특성에서는 정적인 상태에 있는 물체에 대해서 논의하였고 여기서는 물체가 교란(disturbance)을 받아 응력 분포에 불균형이 생기는 경우에 대해서 살펴보자. 우선 파동은 종파(longitudinal)와 횡파(transverse wave)의 운동으로 구별할 수 있다. 파(wave)의 진행방향, 파면의 형태 등에 따라서 다음과 같이 분류한다.

 

평면파 : X방향으로 변하는 함수로서 x축에 수직인 평면상의 모든 점에서는 같은 모양의 교란을 나타낸다. 이런 파를 평면파 (plane wave)라 한다.

 

구면파 : 파면이 동심원으로 나타나는 파를 말한다. 이들이 근원점으로 퍼져나감에 따라서 파면의 단위시간당 만큼 증가한다. 근원점에서 매우 멀리 떨어진 곳에서는 구형의 파면은 거의 평면파와 같다.

 

조화파 : 가장 간단한 파형을 나타내는 함수는 cosine 또는 sine 함수이다. 이를 조화파(harmonic wave)라 한다.

 

파의 반사, 굴절, 회절(reflection, refraction, diffraction) 탄성파 특성 중에 매질에 따라서 두 매질의 경계면에 입사하면 에너지 일부는 하부매질로 투과하고 일부는 경계면에서 반사한다. 굴절(refraction)은 매질 A에서 매질 B로 투과할 때 매질의 물리적 특성에 따라서 좌우된다. 굴절은 snell의 법칙에 따라서 다음과 같이 표시한다.

 

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지진파와 지각구조

지진과 지진파

지진 (earthquake)과 같은 지구 내부의 어떤 파괴가 일어나면 탄성파로서 지구 내부를 따라서 전파해 나간다. 이를 지진파 또는 탄성파(earthquake of seismic waves)라 한다. 지진파 중에 P파와 S파(primary and secondary waves)는 지구내부로 전파하며 이들은 주위 매질의 특성에 따라서 굴절 또는 반사하거나 간섭에 의하여 음영을 나타내고, 이들 실체파(body waves)인 P파, S파의 경로 및 속도, 진폭 등을 분석하면 지구 내부 구조를 분석할 수 있다. 또한 표면파(surface wave)인 R파(Rayleigh wave)와 L파(Love wave)는 지표면 가까이에서 밀집되어 전파되므로 상부맨틀구조나 지각의 연구에 유용하게 사용된다.

지진이 발생한 지점인 진원(focus or hypocenter)에서 멀리 떨어져 있는 관측점에서 지진파를 기록하면 시간에 따라서 P파, S파, 표면파 순으로 잘 분리되어 기록된다. 이때 실체파의 주기는 수 초 이하이고 파장도 수십 km 이하이다. 한편 표면파는 천발 지진에서는 곧 진폭을 나타내며 일반적으로 주기도 수십 ~ 수천 km에 이른다.

 

 

지구 내부를 연구하는데 지진파를 이용할 경우 가장 기본이 이되는 자료는 지진파가 관측점에 도달하는데 걸리는 시간을 도표로 작성한 주시곡선 (travel time curve)이다. 지진파의 각 위상에 대한 주시곡선 (travel-time 또는 time-distance curve)의 작성은 지진학에서 가장 중요한 과제중의 하나이다. 정확한 주시곡선을 사용하면 지진의 발생 시각과 진원의 위치 등을 정밀하게 구할수 있고, 역으로 진원의 위치나 시각을 정확하게 알면 주시곡선을 작성하는데 커다란 도움이 된다. 따라서 이 두 관계의 반복적인 근사(appoxation)에 의하여 정밀도가 높은 표준 주시곡선을 얻을 수 있다. 현재까지 제시된 시표 (travel-time table)는 여러가지가 있으나, 그 한 주시곡선(Bolt, 1982) Gutenberg and Richter (1936) 와 Jeffrey and Bullen(1940)의 것이 가장 널리 사용되고 있다. 표준 주시곡선도 상에 표시되어 있는 모든 파가 지진 기록에 언제나 뚜렷하게 나타나는 것은 아니며, 진앙 거리, 진원의 깊이, 진원과 관측점의 조건에 따라 주시표에 기재되어 있지 않은 종류의 파도 명료하게 나타나는 경우가 있다. 그러나 이러한 주시곡선도는 지진기록으로부터 여러 위상의 지진파를 구분하고, 이들의 도달 시간을 결정하는데 커다란 도움을 준다.

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실제파와 불연속면

지구내부의 불연속면(discontinuity)에 대한 뚜렷한 증거는 1909년 Mohorovičić 의하여 제시되었다. 발칸 (Balkan) 지진에서 관측한 P파의 주시곡선을 작성하면서 진앙(epicenter)으로부터 약 200km지점에서 주시곡선의 기울기가 급격히 변하기 때문이라 하였다. 이를 Moho 불연속면(Moho discontinuity)이라 불리우고 이면은 지각과 맨틀 사이 경계면이며 전 세계적으로 나타난다.

중심핵의 위치는 진앙지 Oldam으로부터 120 넘는 여러 관측점에서 P파의 속도가 예상보다 낮다는 사실을 발견하고 지구내부에는 저속도의 중심 핵이 존재한다는 제시와 함께 중심 핵의 위치가 확실해졌다. 요약하면, 진앙으로부터 각 거리 105° 사이에는 대체로 일정하고, 105°가 지나면 P파의 진폭이 감소돼서 143°가 지나서 다시 강하게 나타난다. 이 파는 100 이하에서 예견되는 시간보다 약 2분 정도 늦게나타남을 발견했다 (Gutenberg, 1913). 105~143 사이에는 P파 에너지가 거의 도달하지 않는 음영대(shadow zone)가 존재하며 불연속면이 2900 km의 깊이에 위치함을 입증하였다.

S : S파

K : P파 중에 외핵을 통과한 부분
T : 내핵을 통과한 부분

C : 외핵과 내핵의 외부에서 입사하여 반사하는 파
P : P파

 

계속 지진계의 개발과 지진의 분석에 따라서 회절현상 만으로 설명하기 곤란한 P파의 관측이 가능하게 되고, Lehman(1936)은 이 현상을 중심핵은 외핵(outer cores)과 그것보다 속도가 큰 내핵(inner core)으로 구분하여 구성되었으며 이들 P파는 내핵의 표면에서 반사되었거나 내핵에서 굴절되어 돌아온 것이라 했다. 이 내 외핵 사이의 불연속면은 약 5100 km에 위치하고 내핵은 S파를 통과시키는 고체로 추정하였다.