지진의 원인과 발생 구조

원인 연구의 역사

신화 시대

 

지진이 자주 발생하는 일본에서는 고대에서부터 "땅 속 깊은 곳에 큰메기가 살고 있고, 이 큰메기가 날뛰어서 대지진이 일어난다"라는 야마토 민족의 설화가 있었다. 에도 시대에는 안세이 대지진 이후 '나마즈에'라고 부르는 니시키에가 유행하는 등 일본인은 지진과 메기를 하나로 엮었다. 또한 이바라키현 가시마시에 있는 가시마 신궁에서는 큰메기를 요석으로 꽉 움켜쥐어 지진을 막아주는 수호신을 섬기고 있기도 한다.

홋카이도의 아이누에게는 "땅 속 지하에 거대한 아메마스(홍송어)가 살고 있으며 아메마스가 날뛰면 지진이 일어난다"라는 야마토 민족과 비슷한 설화가 있다. 아이누는 지진이 일어나면 지진을 진정시키기 위한 저주로 이로리의 재에 작은 칼이나 꼬챙이 등을 찔러 아메마스를 짓누르는 시늉을 하였다. 무카와정에서 비라토리정에 이르는 지방에서는 지진이 발생했을 때 "잇케아토에, 에이타카슈, 아에오마"(얌전히 있지 않으면 허리를 찔러버린다) 등의 주문을 외우며 춤을 춘다는 의식을 치렀다는 기록이 남아 있다.

한반도 내에서는 지진 관련 설화가 거의 발견되지 않으나, 일부 지방에서는 땅 속에서 대지를 어깨에 매고 있는 지하대장군이 힘들어서 어깨를 갈아 맬 때 지진이 일어난다는 설화가 있다.

노르드 신화에서는 로키 신이 격렬하게 움직여서 지진이 발생한다고 설명했다. 장난과 전투의 신인 로키가 아름다움과 빛의 신 발드르를 살해했을 때 로키는 독사를 머리 위에 올려놓고 독을 흘린 채 동굴에 묶여 갇히는 형벌을 받았다. 로키의 아내인 시귄이 독을 받아내기 위해 쟁반을 들고 로키의 곁을 지켰지만 그릇을 비워야 할 때 마다 독이 로키의 얼굴 위로 뚝뚝 흘렀고 로키는 머리를 홱 잡아댕겨 결박한 곳에 부딪힐 때마다 대지 전체가 흔들렸다는 설화가 있다.

그리스 신화에서는 바다와 지진의 신인 포세이돈이 지진을 일으켰다. 기분이 나쁠 때마다 포세이돈이 삼지창으로 땅을 치면 지진과 다른 자연재해가 발생했다고 전해진다. 또한 포세이돈은 보복으로 인간들에게 벌을 주고 두려움을 주기 위해 지진을 이용했다는 설화가 전해진다.

 

일본의  큰메기 (오오나마즈)를 묘사한  나마즈에

지진학적 연구

고대 그리스에서는 자연철학자인 아낙시메네스가 지진은 흙의 부재로, 즉 대지의 구덩이 안으로 흙이 함몰되어 지진이 일어난다고 생각했다. 아낙사고라스는 지진이 지하에 물이 심하게 흘러내려서 발생하는 것이라고 생각했다. 이후 아리스토텔레스는 4원소설을 주창하면서 지진은 땅에서 증기와 같은 프네우마가 밖으로 분출하면서 발생한다고 주장했다. 이를 종합해 소 세네카는 땅 속에서 공기가 분출하여 공동이 생기고 이 공동이 무너지면서 지진이 일어난다는 가설을 세웠다. 또한 이런 일이 발생하기 전에는 먼저 땅 밑 공동에서 바람이 불어들어가야 하기 때문에 지진이 발생하기 전에는 날씨가 숨이 막힐듯이 답답해진다는 이른바 지진 날씨를 통해 지진을 예지할 수 있다고 생각했다. 한편 아라비아반도에서는 이븐 시나가 지진은 땅의 융기로 발생하는 것이라고 추정했다.

1755년 리스본 지진 이후 18세기부터는 존 미첼이 지진 연구를 수행하면서 화산의 영향으로 땅 속의 수증기가 이동해 지진이 발생하고, 이 때 땅이 이동하여 지진파가 발생한다고 주장했다. 19세기 말에는 일본의 고용 외국인이었던 존 밀린이나 제임스 알프레드 유잉이 지진을 직접 겪으면서 1880년 최초의 지진학회인 일본지진학회가 세워지고 지진계 및 지진학 연구가 진행되기 시작하였다.

미국의 지진학자 해리 필딩 라이드는 1906년 미국 샌프란시스코에서 발생한 지진과 눈에 띄게 나타난 단층과의 관계를 연구하여 암석이 응력을 받다가 그 한계점을 초과할 경우 암반이 파열되어 지진이 발생한다는 탄성반발설을 주장했다.

20세기 들어 1917∼1918년경 일본의 시다 도시(志田順, 1876∼1936년)는 지진이 일어났을 때에 지면이 최초 진원에 대해 끌리는 식으로 움직였는지 밀리는 식으로 움직였는지를 지진계 기상(記象)에서 판독하여, 이를 관측점마다 지도상에 기입해 보고 규칙적인 분포를 이룬다는 것을 발견하였다. 이러한 P파 초동(初動)의 분포에는 두 가지 형이 있는데, 하나는 사상한형(四象限型), 또 하나는 진앙 부근의 원내에 한정된 형(밀린 원추형)으로, 사상한형은 단층의 생성에 의해 설명되고 후자는 진앙 부근의 지각의 침강으로 설명된다. 이와 같은 얼개를 발진기구라 한다. 그 후, 사상한형으로 초동이 분포하는 지진은 수없이 발견되어, 한때는 단층지진설(單層地震說)이 유행하였다. 이에 대하여 1934년 이시모토 미시오(石本已四雄)는 마그마 관입설(magma 貫入說)을 주창하였다. 1929년 와다치 기요(和達淸夫)는 맨틀 내에 일어나는 심발지진을 발견하였는데, 심발지진의 P파 초동분포가 있는 것은 진앙 근처가 밀리고 있다. 이시모토는 이것은 원추 내에서 미는 힘이 작용하고 있어서 그 원추가 비스듬히 지표와 교차되므로 쌍곡선이나 타원형의 초동분포의 경계가 생긴다고 생각했다. 이 메커니즘은 마그마의 관입을 연상시킨다. 위와 같이 지진의 원인으로서는 단층지진설과 마그마 관입설이 있으나, 양쪽 다 하나의 가설만으로는 완전히 설명할 수 없다.

 

단층

판 경계간 지진을 일으키는 단층은 크게 3가지 종류, 정단층(normal fault), 역단층(reverse fault), 주향이동단층(strike-slip fault)로 나눌 수 있다. 정단층과 역단층은 경사이동단층(dip-slip fault)의 한 종류로 단층이 경사지게 갈라져 형성되어 있으며 따라 암반이 움직이는 범위벡터에 수직 방향이 존재한다. 정단층은 주로 발산 경계와 같이 지각이 확장되는 지역에서 볼 수 있다. 역단층은 주로 수렴 경계와 같이 지각이 축소되는 지역에서 볼 수 있다. 주향이동단층은 단층의 양 암반이 수평선상으로 미끄러지는 비탈 구조이다. 대표적인 주향이동단층으로 변환 경계가 있다. 많은 지진은 경사이동과 주향이동 두 요소를 모두 가지고 있는 단층의 움직임으로 발생하며, 이 단층 이동을 사교단층(oblique slip)이라고 부른다.

역단층, 그중에서도 수렴하는 판 경계에 있는 단층은 규모 8 이상의 매우 강력한 지진인 메가스러스트 지진(해구형지진)과 관련이 있다. 해구형지진은 전 세계에서 발생하는 총 지진 모멘트의 약 90%를 차지한다. 대륙변환단층과 같은 주향이동단층도 규모 8 정도의 거대한 지진을 일으킬 수 있다. 정단층에서 일어나는 지진은 대부분 규모 7 이하이다. 지진의 규모는 1이 늘어날 때 마다 방출하는 에너지가 약 32배 늘어난다. 예를 들어 규모 6.0의 지진은 규모 5.0의 지진보다 약 32배 더 많은 에너지를 방출하며, 규모 7.0의 지진은 규모 5.0의 지진보다 약 1,000배 더 많은 에너지를 방출한다. 규모 8.6의 지진이 발생할 경우 제2차 세계 대전에서 히로시마에서 투하된 원자폭탄 약 10,000개 분량의 에너지가 방출된다.

위와 같이 단층의 종류별로 일어날 수 있는 지진의 규모가 달라지는 이유는 지진으로 방출되는 에너지와 그 규모가 단층이 파열되고 그 응력이 방출되는 면적에 비례하기 때문이다. 따라서 단층의 길이가 길고 단층이 이동하는 그 폭이 넓을수록 지진의 규모도 더 커진다. 지구 지각의 가장 윗부분인 부서지기 쉬운 부분과, 뜨거운 멘틀을 향해 섭입하는 차가운 슬래브만이 지구상에서 탄성 에너지가 저장되고 방출될 수 있는 지역이다. 약 300 °C가 넘는 뜨거운 암석은 압력을 받으면 액체처럼 압축되는 반응을 보이므로 암반이 파열되어 지진이 일어날 수 없다.

 

단층이 파열될 수 있는 현재 발견된 최대 길이는 (단일한 단층 파열의 경우) 약 1,000 km에 달한다. 이런 경우의 예로 1957년 알래스카 지진, 1960년 칠레 지진, 2004년 수마트라 지진이 있으며 이들 모두 섭입대에서 일어난 지진이다. 주향이동단층에서 일어난 가장 큰 지진으로는 샌앤드레이어스 단층(1857년, 1906년), 북아나톨리아 단층(1939년), 데날리 단층(2002년) 등으로 섭입한 판들에 비교하여 약 절반에서 1/3 정도의 길이이며 정단층의 경우 이보다도 훨씬 더 짧다.

하지만 최대 지진 규모를 결정하는 가장 중요한 단층 매개변수는 최대 단층 이동 가능 길이가 아니라 단층의 폭(넓이)이다. 폭의 경우 최대 20배 넘게 변할 수 있다. 수렴 경계를 따라 섭입하는 단층면의 경사각은 매우 작으며 일반적으로 약 10도이다. 따라서 지구의 가장 부서지기 쉬운 지각면의 폭은 최대 약 50-100 km로 1964년 알래스카 지진이나 2011년 도호쿠 지진과 같이 매우 강력한 지진이 발생할 수 있다.

주향이동단층의 경우 주향면이 수직인 경우가 많으며 이 때문에 대부분의 단층 폭이 약 10 km 내외로 작다. 따라서 주향이동단층에서 규모 8 이상의 지진이 일어나는 것은 불가능하다. 많은 정단층에서 일어나는 최대 지진 규모는 이보다도 훨씬 작은데 정단층 중 대다수가 아이슬란드에서와 같이 중심지를 따라 넓게 퍼져 있으며 부서지기 쉬운 단층의 폭이 최대 약 6 km로 더 짧기 때문이다.

세 가지 단층 유형은 서로 다른 응력 수준을 가지고 있다. 스러스트 단층은 최고 수준의 응력 축적을, 주향이동단층은 중간 수준의 응력 축적을, 정단층의 경우 가장 작은 수준의 응력 축적에서 생겨난다. 이는 단층 현상이 일어날 때 암반을 "밀어내는" 힘의 방향인 가장 큰 주응력의 방향을 고려하면 쉽게 이해할 수 있다. 정단층의 경우 암반이 수직 방향으로 밀려나가기 때문에 밀리는 힘(가장 큰 주응력)은 암반 질량 그 자체와 같다. 스러스트 단층의 경우 암반의 질량이 최소가 되는 주응력 방향, 즉 암반을 위로 "들어올리는" 방향으로 밀려나므로 위로 암반을 들어올리는 힘이 주응력과 같다. 주향이동단층의 경우 위에서 설명한 두 단층 유형의 중간에 해당된다. 세 단층 환경에서 이러한 응력의 차이는 단층 현상이 일어날 때 단층의 차원에 상관없이 방출하는 에너지의 차이인 응력 방출량의 차이에 영향을 준다.

단층 파열

 

지질학적으로 발생하는 지진은 단층 표면의 한 지점에서 처음으로 단층 파열이 일어나며 시작되는데 이를 핵형성(nucleation)이라고 부른다. 핵형성 지대의 크기는 불확실하며 가장 작은 지진의 파열 면적의 경우 약 100 m 보다도 작다는 증거도 있는 반면 지진의 저주파 스펙트럼에 따른 느린 성분 분석에 따르면 이보다도 더 크다는 연구도 있다. 핵형성에 일종의 준비 과정을 가질 가능성은 지진의 약 40%가 전진이라는 현상을 가진다는 것으로 뒷받침된다. 단층 파열이 시작되면 단층 표면을 따라 파열이 전파되기 시작한다. 이 과정에서 일어나는 물리역학은 제대로 이해되어 있지 않은데, 부분적으로는 실험실에서 높은 파열 속도를 재연하는 것이 어렵기 때문이다. 또한 강한 지면 흔들림의 영향으로 핵형성 인근에서 정보를 확인하는 것이 매우 어렵다.

단층 파열의 전파는 일반적으로 파괴역학적 접근법을 사용해 모델링하며, 이 때 파열은 혼합 상태의 전단파괴와 유사하다. 파열 속도는 균열 끄트머리 주위 부피에 있는 파괴 에너지의 함수로 나타내며, 파괴 에너지가 감소하면서 속도가 증가한다. 파열 전파 속도는 단층이 움직이는 변위 속도보다 훨씬 빠르다. 지진의 파열은 보통 S파의 70-90%의 속도로 전파되며 이 속도는 지진의 규모와는 무관하다. 다만 단층 파열 현상이 일부 경우에는 S파보다도 더 빠른 속도로 전파되기도 한다. 이러한 초전단 지진(슈퍼시어 지진)은 대규모 주향이동단층이 일어날 때 관측되었다. 

 

2001년 쿤룬 지진으로 일어난 지진 피해 범위가 비정상적으로 넓었던 것도 지진이 일어나면서 발생한 일종의 지질학적 소닉붐 현상 때문이다. 특정 지진의 경우에는 지진 파열 속도가 비정상적으로 느린 경우도 있는데 이를 슬로우 슬립(느린 지진)이라고 부른다. 느린 지진의 특히 위험한 형태는 해일지진인데, 지진의 단층 파열 속도가 매우 느려 상대적으로 매우 작은 지진 흔들림으로 큰 쓰나미를 만들어 내 해안 주민들이 경각심을 가지지 못하고 큰 쓰나미 피해를 입는 경우가 많다. 해일지진의 대표적인 예시가 1896년 일본에서 일어났던 메이지 산리쿠 해역 지진이다.

 

지진파

모든 지진은 여러 가지 종류의 지진파를 방출하며, 각 지진파는 서로 다른 속도로 암반을 통과한다. 대표적인 지진파의 종류는 다음과 같다.

지진계에 기록되는 지진파의 모습

• 종방향으로 이동하는 P파 혹은 종파 (충격파 혹은 압축파)
• 횡방향으로 이동하는 S파 혹은 횡파 (전단파)
• 표면파 (레일리파 및 러브파)

고체 암석에서 운동하는 지진파의 위상 속도(전달 속도)는 매질의 특성과 탄성 등에 따라 약 3 km/s에서 최대 13 km/s까지 이른다. 지구 내부에서는 충격파 또는 P파가 S파보다 더 빠르게 이동한다. 진앙에서 관측소까지 각 지진파의 전달 시간 차이를 가지고 지진의 진원과 지구 내부 구조를 알아낼 수 있다. 이를 통해 진원의 깊이도 알 수 있다.

지각 상부에서 P파는 토양과 비결정질 퇴적물에서 초당 약 2-3 km의 속도를 보이며, 단단한 암석에서는 초당 약 3-6 km의 속도로 증가한다. 하부 지각에서는 그 속도가 6-7 km/s로 증가하며 맨틀 깊숙히에는 최대 초속 13 km로 증가한다. S파의 속도는 가벼운 퇴적 지반에서 초당 2-3 km로, 지각에서는 초당 4-5 km이며 맨틀 깊숙한 지역에서는 초당 7 km의 속도를 보인다. 이 때문에 지진이 일어난 지점에서 먼 곳에서는 최초의 파동이 맨틀을 통해 지진 관측소에 도착한다. 하지만 진앙과 매우 가까운 곳에서는 P파가 도달한 직후 혹은 바로 직전에 레일리파가 닥치기도 한다.

P파로 첫 흔들림이 시작되고 나서 S파가 도달하기 전까지를 초기 미동이라고 하는 작은 흔들림이 발생한다. 이후 S파가 도달한 후에는 주요동이라고 하는 비교적 큰 지진파가 닥친다. S파와 그 이후에 도달하는 표면파는 P파와 달리 대부분의 지진 피해를 준다. P파는 이동한 방향과 같은 방향으로 물질을 압축시켰다가 다시 신장시키는 반면 S파는 이동하면서 땅을 위아래로 흔들기 때문이다.

 

지진파/지진동의 주기

지진으로 지진파가 발생하고, 이 지진파로 땅이 흔들리는 지진동이 감지된다. 이 지진파의 주기는 피해를 입는 구조물과 일정한 관계가 있다. 구조물에는 각기 가지고 있는 고유진동에 공진하기 쉬우며, 주파수가 달라도 구부림, 비틀림, 신축/이완 등 여러 가지 변형 현상으로 구조가 변형되는 여러 변형에 대한 지진동의 특성이 존재하고 지진공학이나 건축공학에서는 이 특성 진동을 중요시한다. 내진설계를 할 때 다양한 고유 진동 주기와 감쇠 정수를 가지는 구조물의 응답 스펙트럼을 해석하여 지진동에 대한 구조물의 특성을 분석한다.

예를 들어, 목조 주택같은 경우에는 주기 1초 정도의 짧은 단주기 지진동이 구조물의 고유진동이므로 주기 1초의 지진동이 강하면 목조 주택이 지동에 공진하여 강하게 흔들리고 건물이 붕괴되거나 큰 피해를 입어 피해가 더 커지기 쉬워진다. 이런 1초 주기 단주기 지진동을 일본에서는 '킬러 펄스'라고 부르며 효고현 남부 지진에서는 '킬러 펄스'의 진동이 강해 대부분의 사망자가 붕괴된 주택에서 압사한 경우가 많았다. 반면 고층 건축물은 주기 5초 이상의 장주기 지진동이 고유진동으로 지진파가 퇴적분지를 지나는 과정에서 증폭되기 쉬운 장주기 지진동으로 평야에 지어진 마천루의 고층에서 큰 피해가 발생하기 쉽다.

지진동의 주기별로 영향을 받는 구조물의 차이

 

일반적으로 규모가 큰 지진일수록 주기가 진 지진동의 세기(진폭)도 더 커지며, 주기가 큰 진동은 덜 감쇠되기 때문에 먼 지역까지 장주기 지진동이 도달해 피해를 입히기 쉽다. 그 외에도 규모 M9를 넘는 초거대지진에서는 초장주기 지진동이나 지구자유진동이라고 부르는 주기 수백초 혹은 그 이상의 지진동으로 지구 전체가 흔들리는 현상을 관측할 수 있다. 초장주기 지진동 중에서는 지구 전체의 고유진동과 맞는 주기의 지진동도 있어 지구 전체가 매우 긴 주기로 흔들리기도 한다.

지진파와 지진동의 주기는 지진의 규모나 진원 깊이와 연관성이 깊다. 대지진이라고 부르는 규모 M7 정도까지는 단주기 지진동이 더 크지만, 그 이상의 규모가 커질수록 장주기 지진파의 진폭은 커지지만 5초 이내의 단주기 지진파의 진폭이 더 이상 커지지 않는 현상이 발생하며 해구형지진의 경우에는 장주기 지진동이 월등히 더 강해진다. 또한 주기가 길어질수록 감쇠 비율이 점점 작아지기 때문에 진앙에서 멀어질수록 단주기 지진동보다는 장주기 지진동을 느끼기가 훨씬 쉽다. 규모가 큰 지진에서는 단주기 지진동의 진폭이 규모와 비례하지 않으므로 장주기 지진동의 파형에서 모멘트 규모를 계산한다.