지진의 원인

지진의 직접적인 원인은 암석권에 있는 판(plate)의 움직임이다. 이러한 움직임이 직접 지진을 일으키기도 하고 다른 형태의 지진 에너지원을 제공하기도 한다. 판을 움직이는 힘은 다양한 형태로 나타나는데, 침강지역에서 판이 암석권 밑의 상부맨틀에 비해 차고 무겁기 때문에 이를 뚫고 들어가려는 힘, 상부 맨틀 밑에서 판이 상승하여 분리되거나 좌우로 넓어지려는 힘, 지구내부의 열대류에 의해 상부맨틀이 판의 밑부분을 끌고 이동하는 힘 등이라고 생각할 수 있으나, 이것들이 어느 정도의 비율로 작용하는지는 정확히 알 수는 없다.   암석권(lithosphere)은 지표에서 100km 정도 두께의 딱딱한 층이며 그 밑에는 암석권에 비해 덜 딱딱하고 온도도 높아 쉽게 변형될 수 있는 층이 존재하는데(상부맨틀) 지진이 일어날 수 있는 깊이의 한계는 여기까지로 지표로부터 약 700km의 깊이이다(그림 1). 지진발생의 원인에 대한 학설은 여러 가지가 있으나 대표적 학설은 다음과 같다.

<그림 1. 지구의 내부 구조>

이 이론은 1906년 캘리포니아 대지진이 발생했을 때, H. F. Reid가 산안드레아스 단층을 조사하여 San Francisco 지진의 원인을 규명한 것이다. 이것은 지면에 기존의 단층이 존재한다고 가정하고 이 단층에 가해지고 있는 힘(탄성력)에 어느 부분이 견딜 수 없게 되는 순간 급격한 파괴를 일으켜 지진이 발생한다는 것으로 이 이론의 핵심은 다음과 같이 요약할 수 있다. 1) 지진은 장기간에 걸쳐 지각의 일부에 변형이 축적되어 암석의 강도(strength) 한계를 넘게 될 때 이 지각이    파쇄되며 발생한다. 2) 지진발생시, 파쇄전 암석의 양쪽은 변형이 없는 위치로 급속히 튕겨가고 이 운동은 파쇄부에서 멀어질수록 감소    한다. 3) 지진에 의한 진동은 처음엔 파쇄면의 작은 면적에서 시작되며 이 면적은 곧 빠른 속도로 팽창해 나간다.    (단 이 속도는 P파의 속도보다는 느리다). 파쇄와 이에 수반하는 진동이 맨 처음 시작되는 지각내의 한 점을 진원    (focus 또는 hypocenter)이라 부른다. 4) 지진발생시 방출된 에너지는 파쇄되기 직전 변형된 암석의 탄성에너지이다. 그러나 모든 지진들이 단층운동으로 일어난다고 설명하는 것에는 불충분한 면이 많다. 무엇보다 지진이 단층운동에 지나지 않는다고 하면 단층을 움직이는 힘은 어디로부터 유래하는가가 다음의 문제로 되는데 이것을 설명하는 학설이 판구조론이다.

남미의 동부 해안선과 아프리카의 서부 해안선이 잘 들어맞는 현상은 과거부터 하나의 수수께끼로 제시되어 왔다. 1912년 독일의 지질학자인 알프레드 베게너는 이에 대한 설명으로서 현재 지구의 지각은 약 2억년전에 팡게아라는 하나의 초대륙으로부터 갈라져 나왔다는 가설을 제시하였다. 이러한 대륙이동설이 원동력이 되어 1960년대 후반에 등장한 판구조이론은 현재까지 가장 성공적인 지구물리학 이론 가운데 하나로 인정받고 있다.

판구조론에 따르면 지구의 표층이라고도 하는 수십km 혹은 그 이상의 두께를 가진 암석권은 유라시아판, 태평양판, 북미판 등 10여개의 판으로 나뉘어져 있다. 이들은 각각 서로 부딪치거나 밀고 때로는 서로 포개지면서 각각 매년 수cm 정도의 속도로 점성이 있는 맨틀위를 제각기 이동하고 있다. 이러한 지각판들의 운동은 그들의 가장자리 사이의 마찰에 의하여 경계부위에서 저항을 받는데 이는 두 개의 벽돌을 맞대고 문지를 때 미끄러지지 않으려는 것과 같다. 그러나 지구적인 힘이 판의 마찰저항을 초과할수 있는 단계에 도달하면 갑작스런 미끄러짐이 일어나며 이것이 바로 지진이다. 따라서 지진이 발생하기 쉬운 지역은 보통 판경계(interplate) 부근이지만 판내부(intraplate)에서도 종종 지진이 발생하고 있다. 판과 판의 경계에서는 마그마가 분출하기도 쉽기 때문에 지진발생 빈번지역과 화산이 주로 발생하는 지역은 서로 유사하게 마련이다. 따라서 이 이론은 대규모 수평면운동이 지진, 화산 및 조산현상의 원인임을 설명하였다.

일본의 지진은 대부분 태평양쪽에서 발생하고 있는데, 이것은 판경계지진으로 태평양판과 필리핀판이 유라시아판 밑으로 충돌·침강하고 있기 때문이다. (그림 2).

 

지진은 크게 인공지진(artificial earthquake)과 자연지진(natural earthquake)으로 나뉜다. 인공지진이란 땅속에서 화약을 폭발시키거나 지하핵실험 등으로 지진과 유사한 현상이 일어 나는 현상을 말한다. 이와 관계있는 용어로 유발지진(induced earthquake)이 있는데 이는 인공지진은 아니지만 인간의 행위가 원인이 되는 지진으로서, 깊은 우물에 대량의 물을 주입하거나 높은 댐을 만들어 저수할 경우 그 부분에서 지진이 일어나는 경우를 일컫는다. 자연지진은 사람의 행위가 원인이 되지 않는 지진을 말한다. 이는 또한 발생원인이나 형태를 기준으로 다음 3가지 지진으로 분류한다.

실제로 일어나는 대부분의 지진은 구조지진으로서 지구내부에서 대규모의 변형을 일으키는 힘의 원동력인 구조력(tectonic force)에 의하여 축적된 탄성에너지가 일시에 방출되는 현상에 기인하는 것이다. 화산지진은 화산지역에서 화산폭발이 원인이 되어 발생하는 지진이며, 함몰지진은 지각 내부 어디에서 연약한 지반이나 공동(空洞)이 내려앉으면서 발생하는 지진이다. 한편, 진앙거리 600km를 기준으로 그보다 가까운 것은 근거리 지진으로, 먼 것은 원거리 지진으로 구분한다. 또한, 진원의 깊이에 의해 70km미만은 천발지진(淺發地震, shallow earthquake), 70km∼300km사이는 중발지진(中發地震, intermediate earthquake), 300km이상은 심발지진(深發地震, deep earthquake)이라 부른다. 제한된 공간과 시간내에서 상대적으로 규모가 가장 큰 지진을 본진(本震 main shock)이라 하고 그 앞에 나타난 지진은 전진(前震, foreshock), 그 뒤에 발생한 지진은 여진(餘震, aftershock)이라 한다. 본진이라 할 만한 지진이 없을 경우에는 이들을 통틀어 무리지진(群發地震, swarm) 혹은 지진군(地震群)이라 한다. 또한 사람의 몸으로 느낄 수 없고 지진계에만 기록되는 지진을 무감지진(無感地震), 사람이 느꼈으면 유감지진(有感地震)이라 한다.    지진이 발생했을 때 ’언제, 어디서, 얼마나 큰 지진인가’를 규명해야 하는데 이들은 각각 진원시, 진원, 규모에 해당하는 것으로 이를 지진요소라 한다. 지진요소는 지진계(Seismograph)에 의한 지진파 기록의 분석결과로 구할 수 있다.       어떤 지점에서 지진동을 느꼈다면 이 지진동이 전파하기 시작한 시각이 있을 것이다. 즉, 지진파가 처음 발생한 시각이 바로 진원시이다. 이것은 어떤 지점에서 진동이 감지되거나 지진계에 기록된 시각보다 지진파가 전파해온 시간인 주행시간(travel time) 만큼 빠를 것이다. 지진파는 일정한 속도를 가지고 있기 때문에 거리에 비례하여 도착하게 된다. 즉 우리가 진동을 느끼거나 지진계에 기록되는 시각은 지진의 발생지점으로부터 거리에 따라 각각 차이를 두고 나타난다. 따라서 여러 곳에서 시간차를 두고 기록되었다 해도 결국 진원시를 계산해 보면 모두 같은 시각 값을 갖게 된다.       진원이란 암석의 파괴가 일어난 지점으로 깊이의 개념이 포함되어 있다. 실제로 암석의 파괴가 일어난 범위는 수 십km 또는 수 백km에 달하므로 지진파의 전부가 한 점에서 발생한 것이라고 할 수 없다. 지진은 일정한 넓이를 가진 영역에서 일어난 것이라고 생각할 수 있는 것으로 그 영역을 진원역이라고 한다. 진원은 진원역 중에서 최초로 지진파가 발생된 점, 즉 지진이 시작된 점으로 반드시 진원역의 중심에 해당하는 것은 아니다. 한편, 진앙은 진원의 바로 위 지표면의 지점이다. 진원지라고 하는 것은 진앙의 지명이다. 진원은 진앙의 위도, 경도와 진원깊이로 나타낸다. 이밖에 공간적 요소로서 진원거리와 진앙거리가 있는데 이들은 각각 임의의 관측소에서 진원과 진앙까지의 거리를 말한다.(그림 1)     <그림 1> 진앙(거리), 진원(거리)의 설명도(FA : 진원, AB : 진앙거리)       지진의 크기를 대표하는 수치로는 절대적 개념의 ’규모’와 상대적 개념의 ’진도’라는 용어가 사용되고 있다.       규모란 지진발생시 그 자체의 크기를 정량적으로 나타내는 양으로서 진동에너지에 해당한다. 이는 계측관측에 의하여 계산된 객관적 지수이며 지진계에 기록된 지진파의 진폭과 발생지점까지의 진앙거리를 이용하여 계산한다. 예를 들어 M 5.0 이라고 표현할 때 M은 Magnitude를 의미하고 수치는 보통 소수 1자리까지 나타낸다. 지진파에너지 Es와 규모 M과의 관계는 다음과 같이 나타내는 것이 보통이다(Gutenberg와 Richter). log Es = 11.8 + 1.5M   여기서 M은 단위가 없으며, Es는 erg 단위를 갖는다. 이 식에 의하면 규모가 1만큼 증가하면 에너지는 30배로 커지게 된다. 지진규모의 개념을 처음으로 도입한 사람은 미국의 지진학자 C. F. Richter인데 그는 미국 남부 캘리포니아지역에서 발생한 국지지진(local earthquake)의 크기를 정량화하면서 규모의 개념을 도입하였다. 그 후로 그의 이름을 따라 국지규모를 Richter scale이라고도 한다. 그는 국지규모(ML)를 다음과 같이 정의하였다. ML=log A-logAo(Δ)   여기서 A 는 Wood-Anderson 지진계에 기록된 최대변위(mm), Δ는 진앙거리(km), Ao(Δ)는 진앙거리 Δ에서 나타나는 기준지진(standard earthquake)의 최대변위를 각각 나타낸다. 위의 식에서 logAo(Δ)항은 진앙거리에 따라 지진파의 진폭(amplitude)이 감쇠하는 것을 고려하는 항으로써, 지진파가 전파되는 매질의 특성을 나타내며 지진이 발생한 지역에 따라 그 값이 달라진다. Bullen and Bolt(1985)는 Wood-Anderson 지진계에 기록된 지진자료를 이용하여 지진의 규모를 다음 식으로부터 결정하였다. M=logAH+2.56logΔ-1.67   여기서 M은 지진의 규모, AH는 수평성분의 최대변위(μm), Δ는 진앙으로부터 관측점까지의 거리(km)를 나타낸다. 이 식에서 사용된 감쇠항, 2.56logΔ는 미국 남부 캘리포니아지역에서 지진파가 전파할 때 진앙거리에 따라 진폭이 감쇠되는 정도를 설명하는 값으로 생각할 수 있다. 따라서, 특정지역에 적절한 지진의 규모식을 개발하기 위해서 감쇠항을 정확하게 추정하는 것은 매우 중요하다. 최근에는 표면파규모(Ms)와 실체파규모(mb)가 더 보편적으로 사용되고 있다. 이들을 구분하는 이유는 에너지의 총 방출량이 유사한 경우라도 천발지진과 심발지진의 지진기록이 매우 상이한 모양을 나타내기 때문에 천발지진은 표면파를 이용하고 심발지진은 실체파를 이용하여 규모를 구하기 위함이다. Gutenberg와 Richter(1936)는 ML의 개념을 진앙거리가 먼 천발지진에 적용하여 20초 주기의 레일리파의 최대 진폭으로부터 규모를 결정하였다그 뒤에도 표면파 규모에 대한 여러 가지 관계식이 제시되었으며 이들은 모두 다음과 같은 일반형으로 표시된다. Ms=log(A/T)+af(Δ,h)+b??   여기서 A는 최대진폭, T는 주기, Δ는 진앙거리, h는 진원의 깊이이고, a와 b는 실험적으로 구해지는 상수이다. 천발지진에 대한 Bath의 관계식을 예로 들면 Ms=log(A/T)+1.66f(Δ,h)+3.3   으로 주어진다.심발지진의 경우 표면파를 발생시키는데는 비효과적이므로 Gutenberg(1945)는 실체파의 최대 진폭으로부터 규모를 결정하는 방법을 제안하였다. 실체파규모를 나타내는 실험식도 위와 동일한 형으로서, mb=log(A/T)+af(Δ,h)+b   이다. 여기에서 f는 앞에서와 같이 지진 에너지의 구형발산효과와 감쇠를 고려한 진앙거리 및 진원의 깊이에 대한 함수이다. 천발지진의 경우 Ms과 mb사이에는 다음과 같은 실험적 관계가 성립한다. mb=0.56Ms+2.9     진도는 어떤 장소에 나타난 지진동의 세기를 사람의 느낌이나 주변의 물체 또는 구조물의 흔들림 정도를 수치로 표현한 것으로 정해진 설문을 기준으로 계급화한 척도이다. 그렇지만 지금은 계측기에 의해서 직접 관측한 값을 진도 값으로 채용하는 경우도 많다. 진도는 지진의 규모와 진앙거리, 진원깊이에 따라 크게 좌우될 뿐만 아니라 그 지역의 지질구조와 구조물의 형태 및 인원현황에 따라 달리 평가될 수 있다. 따라서 규모와 진도는 1대1 대응이 성립하지 않으며 하나의 지진에 대하여 여러 지역에서의 규모는 동일수치이나 진도 계급은 달라질 수 있다. 진도는 계급값을 쓰는 대신 가속도단위(cm/sec²)로 나타내기도 하고, 중력가속도 1g=980cm/sec²를 사용하기도 한다. 또, cm/sec²는 gal로 표시하며 1g=980gal이라고도 쓴다. 진도는 어떤 장소에 나타난 지진동의 세기를 사람의 느낌이나 주변의 물체 또는 구조물의 흔들림 정도를 수치로 표현한 것으로 정해진 설문을 기준으로 계급화한 척도이다. 따라서 진도계급은 세계적으로 통일되어 있지 않으며 나라마다 실정에 맞는 척도를 채택하고 있다. 기상청은 과거 일본 기상청계급(JMA Scale : 1949)을 사용하여 왔으나 2001년 1월 1일부터는 미국에서 시작되어 여러 나라가 사용하는 MM scale (Modified Mercalli scale : 1931, 1956)을 사용한다.(표 1)   규 모 인체, 구조물, 자연계 등에 대한 영향 평균최대가속도 (cm/sec ²) (1g=980cm/sec ²) 2.9미만 1. 특별히 좋은 상태에서 극소수의 사람만이 느낌 3.0~3.9 2. 건물의 위층에 있는 소수의 사람만 느낌. 3. 실내에서, 특히 건물의 위층에 있는 사람들이 뚜렷하게 느낌. 정지 하고 있는 차가 약간 흔들리며 트럭이 지나가는 듯한 진동, 지속시간이 산출됨. 4.0~4.9 4. 실내에서는 많은 사람이 느끼나 야외에서는 거의 느끼지 못함. 밤 에는 일부 사람이 잠을 깸. 그릇, 창문, 문 등이 흔들리며 벽이 갈라지는 듯한 소리를 냄. 대형트럭이 건물에 부딪치는 듯한 느낌을 줌. 정 지한 차가 뚜렷하게 흔들림. 5. 거의 모든 사람이 느낌. 많은 사람이 잠에서 깸. 그릇과 창문이 깨어지기도 하며, 고정 안 된 물체는 넘어지기도 함. 0.015g~0.02g 0.03g~0.04g 5.0~5.9 6.모든 사람이 느낌. 많은 사람이 놀라 대피함. 무거운 가구가 움직이기도 하며, 건물 벽에 균열이 생기기도 함. 7. 모든 사람이 놀라 뛰쳐나옴. 설계와 건축이 잘 된 건축물 에서는 피해를 무시할 수 있으나, 보통 건축물은 약간의 피해가 발생. 부실건축물은 상당한 피해 발생. 굴뚝이 무너지기도 하며, 운전자도 지진동을 느낄 수 있음. 0.06g~0.07g 0.10g~0.15g 6.0~6.9 8.특수 설계된 건축물에 약간의 피해 발생. 일반 건축물에도 부분적인 붕괴 등 상당한 피해 발생. 부실 건축물은 극심한 피해 발생. 상품, 굴뚝, 기둥, 기념비, 벽들이 무너짐. Ⅸ.특수 설계된 건축물에도 상당한 피해발생. 견고한 건축물에 부분적 붕괴발생. 지표면에 균열 발생. 지하 송수관 파손. 0.25g~0.30g 0.50g~0.55g 7.0이상 9. 대부분의 건축물이 기초와 함께 부서짐. 지표면에 심한 균 열이 생김. 철로가 휘고 산사태가 발생함. 10.남아있는 건축물이 거의 없으며, 지표면에 광범위한 균 열이 생김. 지표면이 침하하고 철로가 심하게 함. 11. 전면적인 파괴 상황. 지표면에 파동이 보임. 수평면이 뒤틀 리며 물 건이 하늘로 던져짐. 0.60g이상     o 국제적으로 ’규모’는 소수 1위의 아라비아 숫자로 표기하고 ’진도’는 정수단위의 로마 숫자로 표기하는 것이 관례이다. (ex. 규모 5.6, 진도 Ⅳ) o ’리히터지진계로 진도 5.6의 지진’은 틀린 표현이며 ’리히터스케일 혹은 리히터 규모 5.6의 지진’ 또는 단순히 ’규모 5.6의 지진’라 표현해야 한다.     (※ ’리히터지진계’라는 기계는 존재하지 않는다.) o ’진도 5.6’은 틀린 표현이며 ’규모 5.6’이라 표현하는 것이 옳은 표기법이다. o ’강도’라는 표현은 지진학에서 사용하지 않는 용어이다.   <출처: 카페 통일로 가는 마차>