그림 1. 지진은 단층면을 따라 순간적인 지층의 움직임에 의하여 발생하며, 이 때 지층에 쌓여 있었던 응력 에너지가 방출하며 큰 진동을 유발하게 된다. 지진이 발생한 위치를 진원이라 하며, 진원으로부터 수직 상부 지표면의 지점을 진앙이라 한다. (출처: 대한지질학회)

목차

지진은 지구 내부에서 오랜기간 축적된 에너지가 갑작스럽게 방출되어 지구 또는 지표를 흔드는 현상이다. 지진은 다양한 원인에 의해 발생할 수 있다. 지표면의 단층대가 끊어지면서 발생할 수 있으며, 지하 내부에서의 폭발, 지하 마그마의 이동, 탄광 폭발, 산사태, 조석력 그리고 지하수의 순환 과정에서 크고 작은 지진들이 발생한다. 지진은 단층에서 지층의 순간적인 움직임으로 발생하는 현상으로 단층면에서 지반의 미끌림 혹은 균열로 인해 큰 진동을 유발한다. 이 때, 지진이 발생한 단층면 상의 지점을 진원(hypocenter)이라 하며, 진원으로 부터 바로 상부 표면상의 지점을 진앙(epicenter)이라 한다. 지진의 크기에 따라서 단층면의 크기와 단층면상에서 지반이 움직인 거리는 달라질 수 있다. 화산 폭발이나 지하 마그마의 움직임에 의해 화산 지진이 발생할 수도 있으며, 자연 현상에 의한 지진은 넓은 범주로는 지구 어디에서든 외부 힘에 의하여 탄성 변형이 일어나고 응력이 축적될 수 있는 곳에서 발생할 수 있다.

자연 지진 외에 인간 활동에 의해서도 지진이 발생할 수 있으며, 이를 인공지진이라 한다. 인공지진은 인위적으로 발생시킨 지진을 뜻하며, 주로 석유자원탐사나 토목기초조사 등 응용지구물리학적 목적으로 인공적 파원을 이용하여 소규모 지진동을 발생시킨다. 또한 주로 인공적으로 기존의 응력분포에 변화가 일어나서 발생하는 지진을 유발지진이라 한다. 댐에 차 있는 거대한 저장수, 시추 및 관정으로의 유체 주입, 지하자원 채굴과 기름 채취를 위한 과정 등에서 크고 작은 유발 지진들이 발생할 수 있다.

지진이 일어나는 원리는 탄성 반발설(Elastic rebound theory)로 설명할 수 있다. 지하 깊은 곳의 지층이 주변으로부터 힘을 받고 있는 상태에서, 지층이 버틸 수 있는 일정한 한계 이상의 탄성 변형이 일어날 때, 기존 지층에 발달해 있는 단층면을 따라 혹은 새로운 단층이 형성되면서 지층에 쌓였던 응력 에너지가 방출된다. 이 때, 방출되는 에너지 중 탄성 에너지의 형태로 지진파가 발생하게 된다. 지진이 발산하는 에너지는 지진에 따라 크기에 차이가 있으며, 사람들이 느끼지 못하는 작은 미소지진에서부터 모든 사람이 느낄 수 있고 막대한 피해를 주는 대지진에 이르기까지 다양하다.

전 세계적으로 발생하는 자연지진의 대부분은 판의 경계에서 발생한다. 1941년 구텐베르크(Beno Gutenberg, 1889-1960)와 리히터(Charles Francis Richter, 1900-1985)는 전세계적으로 발생하는 지진들의 위치를 파악하였고, 그들은 지진들이 주로 발생하는 구역을 발견하였다. 이들은 주로 태평양판의 경계에서 발생하며, 중앙해령, 그리고 기타 균열대에서 활발히 발생한다. 해당 지역은 판의 경계에 해당하는 곳이다. 규모가 큰 지진들은 주로 판과 판의 충돌이 일어나는 수렴형 경계에서 발생한다. 판의 수렴 경계에서는 밀도가 작은 판이 상대적으로 밀도가 큰 판 아래로 들어가는 섭입대가 있으며, 이러한 섭입대에서는 지하 300~700 km 깊이에서도 지진이 발생할 수 있고 이들을 심발지진이라 한다. 섭입대가 아닌 다른 판의 경계에서는 주로 지표 부근 지각에서 지진이 발생하며 지표 부근의 지진을 천발지진이라 한다. 두꺼운 대륙판과 대륙판이 충돌하는 경계(유라시아판과 인도판의 충돌)에서는 약 70~300 km 깊이에서도 발생할 수 있으며 이를 중발지진이라 한다. 섭입대가 아닌 깊은 맨틀환경에서는 연한 물성으로 외부 압력에 의해 깨짐 현상이 일으날 수 없기 때문에, 깊은 지진이 발생하기 어렵다. 섭입대에서 지진이 발생하는 영역을 와다치-베니오프 영역(Wadati-Benioff zone)으로 부른다. 이 영역에서 발생하는 지진은 얕은 깊이에서 발생하는 지진들과 다르게 섭입하는 슬랩(slab)의 광물 상전이, 수화 광물의 탈수 작용 등으로 인해 발생한다. 광물 상전이에 의한 지진은 지하 약 410 km에서 감람석이 보다 밀도가 큰 스피넬로 상전이가 일어나며, 섭입한 슬랩 내부 광물의 이러한 상전이는 부피변화를 일으키며 지진을 발생하게 된다. 하지만 이러한 상전이에 의한 지진은 지진 메커니즘의 부피 변화 성분이 실제로 잘 관측되지 않기 때문에 논란의 여지가 있다. 탈수화 과정으로 발생하는 지진은 섭입한 슬랩 내부에 존재하는 물의 강한 압력으로 인해 지진이 발생한다. 이러한 지진은 기존에 슬랩 내에 발달해 있는 단층대에서 주로 발생하며, 탈수화 과정은 지하 150~300 km 상부의 지진들을 설명할 수 있지만, 이보다 깊은 곳에서는 상부에서 탈수화 과정을 거쳤기 때문에 이러한 메커니즘으로는 설명하기 어렵다. 이 외에도 슬랩 내부의 열적인 원인에 의해 심발 지진의 메커니즘을 설명하기도 하지만 아직 심발 지진을 설명하는 메커니즘에 대해서는 많은 논란이 있다.

지진은 판의 경계부에서 다소 떨어진 판의 내부에서도 발생할 수 있으며, 판들은 주변에 분포하는 또 다른 판들에 의해 지속적으로 압력을 받고 있기 때문에, 이러한 압력이 판의 내부까지 영향을 미친다면 대륙판 내에서도 응력이 단층에서 미끄러지는 힘을 견디는 조건보다 커질 경우 지진이 발생할 수 있다.

자연상태에서 발생하는 지진들은 지층에 쌓인 응력에너지를 지층이 더이상 버틸 수 없을 때 지층은 단층을 따라 균열이 일어나고 지진이 발생하게 된다. 단층면을 기준으로 두 지층이 서로 마찰력이 작용하면서 맞물려있어서 응력이 쌓일 수 있다. 지진이 발생하면서 지층에 쌓였던 응력 에너지는 여러 형태로 에너지를 발산하게 된다. 그 중에는 단층면에서의 열에너지, 암석의 균열, 그리고 탄성파의 형태로 전파되어 나가는 지진파 에너지가 있다. 지진파에 의한 에너지는 지진에 의해 해소되는 응력 에너지 중 약 10% 이하의 비중을 차지한다. 대부분의 에너지는 지진이 발생하면서 단층면이 발달하거나 열에너지로 발산된다. 지진은 지층에 쌓인 에너지가 외부로 방출된다는 점에서 지구 내부 에너지가 밖으로 방출되는 과정 중 하나로 볼 수 있다.

지진에 의해 발달하는 단층은 단층면의 방향에 따라 분류할 수 있는데, 정단층, 역단층, 주향이동단층이 있다. 각 단층의 종류는 지진이 발생하였을 때 움직이는 지층의 방향이 다르며, 실제 지진에서는 이 세 종류의 단층 운동이 복합적으로 나타나는 경우도 있다. 정단층과 역단층은 수직적인 지층의 변위가 있다. 정단층은 지층이 발산하는 곳, 혹은 지층에 인장력이 작용하는 환경에서 발달할 수 있으며, 반대로 역단층은 지층에 압축력, 횡압력이 작용할 때 형성된다. 주향이동 단층은 단층면을 경계로 두 지층이 서로 수평적으로 반대 방향으로 움직이면서 만들어진다. 각 단층의 종류는 지표면에서 작용하는 힘의 방향과 지체 구조에 따라 각기 다른 환경에서 발달할 수 있다. 역단층은 수렴형 판의 경계에서 발달하며 세계적으로 큰 규모로 발생하는 거대 지진에 의해 발달하는 단층이 주로 이 유형에 속한다. 주향이동단층과 정단층은 역단층에 비해 큰 규모의 지진을 만들 수 있을 만큼 응력 에너지가 쌓이기 어렵다. 또한, 역단층의 경우 지층이 단층면을 기준으로 위쪽에 있는 상반이 위로 상승하는 수직적인 운동이 있기 때문에, 지층의 무게를 들어 올릴 만큼 강한 힘에 해당하는 수평 힘이 존재해야 한다. 반면 정단층의 경우 단층면에 대해 지층이 아래로 하강하기 때문에, 지층의 무게에 해당하는 힘이 최대 힘이 되며, 역단층만큼 강한 수평적인 힘이 존재하지 않는다. 따라서 역단층의 경우 단층에 쌓인 응력 에너지가 더 클 수 있으며, 큰 규모의 지진이 발달할 수 있다.

지진의 크기는 지진에 의해 발달한 단층면의 크기와 단층면에서 지층의 움직임 정도와 관련이 있다. 큰 규모의 지진은 단층면의 면적이 상대적으로 넓고, 지층의 움직임이 크다. 또한 지진으로 인해 지층에 쌓인 응력 에너지의 해소 정도 (stress drop)가 크다.

지진의 크기는 과거 지반이 흔들리는 정도를 눈에 보이는 효과로 분류하였다. 이를 진도라 하며 사람들이 지진을 느낀 정도, 지진에 의한 건물 붕괴, 지진에 의한 피해 정도를 정량화한다. 하지만 지진의 진도는 진앙거리에 따라 다르게 측정될 수 있으며, 지반 효과, 진동에 대한 건물의 특성에 따라 지역적인 차이가 있기 때문에 서로 다른 지역에서 발생한 지진의 세기를 비교하는 데는 한계가 있다. 실제 지진에서는 의한 에너지를 측정하기 위해 1935년 리히터(Charles F. Richter, 1900-1985)는 지진계에 기록된 지진파의 최대 진폭값을 이용하여 지진의 크기를 물리적으로 비교할 수 있는 리히터 규모를 개발하였다. 이 규모에 따르면 지진 기록의 최대 진폭의 10배를 기준으로 규모 단계를 설정하였으며 이는 약 32배의 지진 에너지의 차이가 난다. 즉 규모 6의 지진은 규모 5의 지진에 비해 32배 에너지가 강하며, 규모 4에 비해서는 약 1024배 에너지가 크다. 지진의 규모를 측정하는 방법은 리히터 규모 외에도 실체파를 이용한 실체파 규모, 표면파를 이용한 표면파 규모가 있으며, 지진 단층면의 면적, 단층면의 이동 정도, 지층의 전단계수 등을 고려한 실제적인 지진 에너지 계산을 바탕으로 규모를 산정하는 모멘트 규모 등이 있다.

큰 지진에 의해 발생한 땅의 강한 진동은 지표면의 건물 붕괴와 막대한 인명 피해를 초래할 수 있다. 지진에 의한 이러한 피해 정도는 지진 발생 위치와의 거리, 지진의 크기에 따라 다르며 지진이 발생한 지체 구조, 지형, 지반 특성에 따라 발생하는 진동의 정도가 다르다.

지진에 의해 발생한 땅의 진동으로 산사태, 액상화 현상, 쓰나미 등이 발생할 수 있다. 이들은 모두 지진에 의한 진동 뿐만 아니라 2차적으로 인간에게 피해를 줄 수 있는 요인들이다. 액상화 현상은 땅의 진동으로 인해 물로 포화된 토양층, 혹은 무른 토양층이 단단함을 잃고 일시적으로 유체처럼 행동하는 경우를 말한다. 지층에 기반을 두고 있는 여러 건물들이 액상화 현상에 의해 이동하거나 흔들릴 수 있다. 쓰나미는 해일(tidal wave), 또는 지진해일(seismic sea wave)로도 불리며 일반적으로 바람에 의해 형성되는 바닷물의 파동 혹은 조력에 의해 발생하는 조수와는 다르게 큰 물의 부피 이동에 의하여 형성되는 파동으로 바다나 혹은 큰 규모의 호수에서 만들어질 수 있다. 쓰나미가 발생하기 위해서는 해저 지층에서 일어난 지진으로 인해 땅의 강한 수직적인 변위가 있어야 하며, 연안에 많은 피해를 미친다. 지진에 의해 발생하게 되는 화재, 홍수 또한 지진에 의한 2차적인 피해로 포함된다.

 지진에 대해서 알아봤습니다. 

1.van der Pluijm, B.A. and Marshak, S., 2004, Earth Structure: An Introduction to Structural Geology and Tectonics (Second Edition). Norton, New York. 198 p.

2.Tarbuck, E.J., Lutgens, F.K. and Tasa, D., 2012, Earth Science (13th Edition). Pearson, New Jersey, 189 p.

3.Lay T. and Wallace, T.C., 1995, Modern Global Seismology. Academic Press, San Diego, 219 p.