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2015년 3월 17일 화요일

지진파가 밝힌 지구의 내부의 3차원 구조



 의사들이 초음파를 사용해서 환자의 몸속을 들여보듯이 지질학자 역시 지진파를 이용해서 지구의 내부 구조를 들여다볼 수 있습니다. 지진파의 이동속도는 물질의 종류와 상태에 따라서 달라지기 때문이죠. 이를 이용한 연구의 역사는 오래되었으며, 이를 통해 과학자들은 지구를 직접 쪼개보지 않고도 내부에 있는 맨틀과 핵의 구조를 이해할 수 있게 되었습니다. 하지만 지구 내부의 크기가 워낙 크다보니 지금까지 데이터를 모아서 하나의 지도로 만드는 일은 쉽게 엄두를 낼 수 없는 일이었습니다. 

 프린스턴 대학의 지질과학자인 제론 트럼프(Princeton geosciences professor Jeroen Tromp)와 그의 동료들은 지각에서 1800마일(약 2900km)깊이에 있는 맨틀의 전체 지도를 3D로 작성하는 야심찬 계획을 진행했습니다. 

 전세계에서 수없이 발생하는 지진의 데이터를 모아 이를 분석해서 하나의 3D 지도로 만드는 일은 엄청난 데이터 연산을 요구하는 일이었기에 연구팀은 슈퍼컴퓨터 타이탄(Titan, http://jjy0501.blogspot.kr/2012/10/blog-post_4511.html 참조. 지포스 타이탄을 이용한 슈퍼컴퓨터)을 이용해 이 작업을 진행했다고 합니다.

 현재 미 에너지부 산하 오크리지 국립 연구소(Oak Ridge National Laboratory)에 있는 타이탄은 초당 20경번의 연산이 가능한 슈퍼컴퓨터입니다. 연구팀은 이 슈퍼컴퓨터를 이용해서 지진 규모(magnitude) 5.5 이상인 지진 3000 여개의 데이터를 모아 분석했습니다. 각각의 지진이 발생시킨 지진파의 기록을 세계 각지의 지진 관측소 기록과 대조해서 그 속도와 분포를 계산해 하나의 3D 지도를 만든 것입니다.


(컴퓨터 시뮬레이션으로 만든 지진파 3차원 지도. Computer simulations use the speed of seismic waves from earthquakes to reveal the existence of subterranean structures. In this view of the mantle below the Pacific Ocean, slower waves are shown in red and orange while faster waves are shown in green and blue. The faster waves are associated with subduction zones where one tectonic plate sinks underneath another plate. Credit: Ebru Bozdağ, University of Nice Sophia Antipolis, and David Pugmire, Oak Ridge National Laboratory )   


(깊이 389km에서의 상대적인 지진파의 속도. This map shows relative variations in seismic shear wave speed at a depth of 389 kilometers (241 miles). Blue colors denote faster than average wave speeds, and red colors denote slower than average wave speeds. Credit: Ebru Bozdağ, University of Nice Sophia Antipolis, and David Pugmire, Oak Ridge National Laboratory

 트롬프 교수는 자신이 프린스턴을 졸업했던 1992년에 이런 일이 가능하다고 했다면 절대 믿지 않았을 것이라며, 현재 슈퍼 컴퓨터의 강력한 연산 능력에 감탄했습니다. 지난 8년간에 걸쳐 연구팀은 여러 데이터를 수집하고 이를 슈퍼 컴퓨터로 분석했습니다. 지금까지 지진파를 이용해서 한 지역의 3차원 구조를 분석한 적은 있었지만, 이렇게 상세한 지구 전체 지도를 구한 적은 처음이라고 합니다. 연구팀은 의료용 CT 스캔과 유사한 방법으로 데이터를 분석해서 맨틀 전체의 3D 이미지를 얻는 쾌거를 이뤘습니다. 


(맨틀 전체의 CT 스캔 이미지인 CAT. Using a technique that is similar to a medical CT ("CAT") scan, researchers at Princeton are using seismic waves from earthquakes to create images of the Earth's subterranean structures — such as tectonic plates, magma reservoirs and mineral deposits — which will help better understand how earthquakes and volcanoes occur. The team is using the Titan supercomputer at the U.S. Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory in Tennessee to map the entire mantle, creating a three-dimensional map of the Earth to a depth of 1,800 miles below the surface. Credit: Ebru Bozdağ, University of Nice Sophia Antipolis, and David Pugmire, Oak Ridge National Laboratory )  

 앞으로 이 연구 데이터는 다른 지질학 관측 데이터와 합쳐져 지각과 맨틀의 구조를 상세하게 분석하고 이해하는데 사용될 것입니다. 지진파의 속도의 차이가 나타나는 지역이 어떤 의미를 지니는지, 그리고 그 생성 메카니즘은 무엇인지가 서서히 그 모습을 드러낼 것으로 기대됩니다. 이는 순수 과학적인 연구는 물론 더 정확한 지진 예측, 자원 탐사 등 여러 가지 유용한 목적에 기여할 수 있을 것입니다. 


(지진파의 속도가 평균보다 빠른 지역을 3차원적으로 나타낸 것. This three-dimensional image displays contours of locations where seismic wave speeds are faster than average. Credit: Ebru Bozdağ, University of Nice Sophia Antipolis, and David Pugmire, Oak Ridge National Laboratory)    


 참고 

 "Mapping tectonic deformation in the crust and upper mantle beneath Europe and the North Atlantic Ocean." Science 23 August 2013: Vol. 341 no. 6148 pp. 871-875. DOI: 10.1126/science.1241335






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