지진은 왜 발생할까? 판구조론으로 이해하는 지진의 원리

지진은 왜 발생할까?

지진은 땅속에서 무언가가 폭발하면서 지표가 흔들리는 현상이 아닙니다.

대부분의 자연 지진은 단층(fault)이라는 지질 구조를 따라 암석이 갑자기 움직이면서 발생합니다.

지구 표면을 이루는 판들은 계속 움직이고 있지만 단층면에는 마찰이 존재합니다. 움직이려는 힘과 단층을 붙잡는 마찰이 맞서면서 주변 암석에는 응력과 탄성변형이 축적됩니다.

어느 순간 단층에 작용하는 힘이 저항을 넘어서면 단층이 갑자기 미끄러지고, 축적돼 있던 탄성변형 에너지의 일부가 지진파로 퍼져나갑니다.

판구조론과 지진은 어떻게 연결될까?

지구의 가장 바깥쪽 단단한 부분인 암석권은 하나의 연속된 껍질이 아니라 여러 개의 거대한 판으로 나뉘어 있습니다.

태평양판, 북아메리카판, 유라시아판, 아프리카판, 남아메리카판 등이 대표적입니다.

이 판들은 일반적으로 1년에 수 cm 정도의 매우 느린 속도로 움직이지만 지질학적 시간 규모에서는 대륙과 해양의 형태를 바꿀 정도로 큰 변화를 만듭니다.

판이 서로 충돌하거나 멀어지고, 옆으로 비껴가는 경계에서는 지각에 큰 응력이 집중될 수 있습니다.

그래서 세계의 많은 지진이 판 경계에 집중됩니다.

섭입대에서는 지진뿐 아니라 화산활동도 활발할 수 있습니다. 다만 지진과 화산이 항상 동시에 발생하는 것은 아닙니다.

대규모 화산분출이 기후에 일시적으로 영향을 줄 수 있는 과정은 화산 폭발은 지구를 실제로 식힐 수 있을까?에서 별도로 살펴볼 수 있습니다.

판은 왜 움직일까?

판의 움직임은 단 하나의 힘으로 설명하기 어렵습니다.

지구 내부의 열과 밀도차, 맨틀의 흐름, 해령에서 만들어진 해양 암석권의 중력적인 이동, 차갑고 밀도가 높은 판이 섭입하면서 주변 판을 끌어당기는 작용 등이 복합적으로 관여합니다.

특히 현대 판구조론에서는 섭입하는 판의 중력이 판 운동을 이끄는 중요한 힘 가운데 하나로 평가됩니다.

판은 계속 움직이는데 왜 지진은 갑자기 발생할까?

판의 이동은 지속적이지만 단층의 움직임은 항상 부드럽지 않습니다.

단층면은 거칠고 불규칙한 암석으로 이루어져 있어 서로 맞물린 부분이 마찰 때문에 오랫동안 움직이지 않을 수 있습니다.

그동안 주변 암석은 조금씩 휘거나 변형되면서 탄성변형을 축적합니다.

어느 순간 단층에 작용하는 전단응력이 마찰 저항을 넘어가면 단층이 갑자기 미끄러질 수 있습니다.

이 과정을 설명하는 고전적인 개념이 탄성반발설(elastic rebound theory)입니다.

1906년 샌프란시스코 지진 이후 Harry Fielding Reid는 단층 주변 지표 변위를 분석해, 오랫동안 변형된 지각이 단층 파열과 함께 급격하게 움직이는 과정을 설명했습니다.

정단층·역단층·주향이동단층은 무엇이 다를까?

단층은 암석이 갈라지고 그 경계를 따라 양쪽 암반이 상대적으로 움직인 지질 구조입니다.

단층에 어떤 힘이 작용하느냐에 따라 대표적으로 정단층, 역단층·충상단층, 주향이동단층으로 구분할 수 있습니다.

정단층

지각이 양쪽으로 당겨지는 인장환경에서 주로 발달합니다.

경사진 단층면의 위쪽 암반이 상대적으로 아래로 이동하며 대륙 열곡이나 해령처럼 지각이 늘어나는 지역에서 볼 수 있습니다.

역단층과 충상단층

압축력을 받을 때 한쪽 암반이 다른 암반 위로 올라가는 형태입니다.

특히 섭입대에서는 매우 넓은 판 경계가 파열할 수 있어 규모 8~9 이상의 거대지진도 발생할 수 있습니다.

주향이동단층

두 암반이 주로 수평 방향으로 서로 엇갈려 이동하는 단층입니다.

미국 캘리포니아의 산안드레아스 단층이 대표적입니다.

진원과 진앙은 어떻게 다를까?

지진 뉴스에서 자주 등장하는 진원(hypocenter 또는 focus)은 지하에서 단층 파열이 시작된 지점을 의미합니다.

진앙(epicenter)은 그 진원의 바로 위에 해당하는 지표의 위치입니다.

예를 들어 “진원 깊이 15km”라는 표현은 단층 파열이 시작된 지점이 지하 약 15km 깊이에 있다는 의미입니다.

그러나 큰 지진은 한 점에서만 발생하는 것은 아닙니다.

파열은 진원에서 시작한 뒤 수십 km에서 수백 km 길이의 단층면을 따라 전파될 수 있습니다.

따라서 실제 피해를 진앙과의 거리 하나만으로 설명할 수는 없습니다.

진원 깊이, 파열 방향, 단층과의 거리, 지반상태와 건축물 특성이 함께 영향을 줍니다.

지진파는 어떻게 멀리까지 전달될까?

단층이 갑자기 움직일 때 방출된 에너지의 일부는 지진파(seismic wave) 형태로 지구 내부와 지표를 따라 퍼집니다.

대표적인 실체파에는 P파와 S파가 있으며 지표 부근에는 표면파도 전파됩니다.

P파

P파는 Primary wave의 약자로 지진 발생 후 일반적으로 관측소에 가장 먼저 도착합니다.

파의 진행방향과 나란하게 물질을 압축하고 팽창시키는 방식으로 전달되며 S파보다 빠릅니다.

S파

S파는 Secondary wave로 P파 다음에 도착하며 진행방향과 수직으로 물질을 움직입니다.

S파는 고체에서는 전달되지만 액체 내부를 통과하지 못합니다.

표면파

표면파는 지표 부근을 따라 전파됩니다.

큰 지진에서는 강하고 오래 지속되는 지반 운동에 기여할 수 있지만 건물 피해를 특정 종류의 지진파 하나로 설명할 수는 없습니다.

흔들림의 크기와 주파수, 지속시간, 지반과 건축물의 고유주기 등이 함께 작용합니다.

규모와 진도는 왜 서로 다른 숫자일까?

규모(magnitude)는 지진 자체의 크기를 나타내는 값이고, 진도(intensity)는 특정 장소에서 실제로 나타난 흔들림의 정도를 나타냅니다.

하나의 지진에 대해 대표적인 규모가 산정되지만 진도는 지역마다 다릅니다.

같은 지진이라도 단층에서 가까운 곳과 먼 곳의 흔들림이 다르고, 같은 거리에서도 단단한 암반과 부드러운 퇴적층의 흔들림은 달라질 수 있습니다.

현대 지진학에서는 큰 지진의 크기를 나타낼 때 모멘트 규모(Mw)가 널리 사용됩니다.

모든 규모를 흔히 ‘리히터 규모’라고 부르기도 하지만 실제 관측에서는 지진 특성과 자료에 따라 여러 규모 척도가 사용됩니다.

왜 일본과 환태평양에서는 큰 지진이 많이 발생할까?

전 세계의 지진은 지구 표면에 무작위로 고르게 분포하지 않습니다.

태평양 주변에는 여러 판 경계와 섭입대가 이어져 있으며 이를 흔히 환태평양 지진대 또는 불의 고리(Ring of Fire)라고 부릅니다.

USGS는 세계에서 발생한 가장 큰 지진 가운데 약 81%가 이 환태평양 지진대에서 발생한다고 설명합니다.

일본, 알래스카와 알류샨 열도, 북미 서부, 남아메리카 서해안, 뉴질랜드와 남서태평양 지역 등이 여기에 포함됩니다.

섭입대에서는 하나의 판이 다른 판 아래로 내려가면서 매우 넓은 판 경계에 응력이 쌓일 수 있습니다.

이 넓은 단층면이 한꺼번에 파열하면 규모 8~9 이상의 거대한 지진이 발생할 수 있습니다.

1960년 칠레 지진 규모 9.5와 1964년 알래스카 지진 규모 9.2가 대표적인 사례입니다.

한반도에서도 지진이 발생하는 이유

한반도는 일본처럼 현재의 거대한 섭입대 바로 위에 위치하지 않습니다.

하지만 그렇다고 지진이 발생하지 않는 지역은 아닙니다.

판 내부에도 과거 지각운동으로 형성된 단층과 약한 지질구조가 존재하며, 주변 판의 운동에서 전달된 응력이 이런 기존 단층을 다시 움직이게 할 수 있습니다.

기상청 계기관측이 시작된 1978년 이후 국내 지진 규모 순위에서 2016년 9월 12일 경북 경주 지역의 규모 5.8 지진이 가장 큽니다.

한반도처럼 판 내부에 가까운 지역에서도 강한 지진이 발생할 수 있다는 사실을 보여주는 대표적인 자연지진 사례입니다.

2017년 포항 지진은 경주 지진과 같은 자연지진이었을까?

2017년 11월 15일 포항에서 발생한 규모 5.4 지진은 기상청 규모 순위에서는 2016년 경주 지진에 이어 두 번째로 큽니다.

그러나 발생 원인을 설명할 때 경주 지진과 같은 방식으로 단순히 자연적인 판 내부 지진 사례라고 분류해서는 안 됩니다.

2019년 정부조사연구단은 포항 지열발전 연구과정에서 지열정을 굴착하고 물을 주입·배출하면서 단층 주변에서 미소지진이 유발됐고, 이러한 과정이 결과적으로 2017년 포항 규모 5.4 지진을 촉발했다고 결론 내렸습니다.

이 사례는 지진 위험을 평가할 때 자연적인 단층과 판 운동뿐 아니라 지하수 주입, 지열개발 등 인간의 지하활동이 기존 단층의 응력 상태에 미칠 수 있는 영향도 경우에 따라 고려해야 한다는 점을 보여줍니다.

지진 피해는 규모 하나로 결정되지 않는다

일반적으로 규모가 큰 지진은 더 많은 에너지를 방출하지만 실제 피해규모가 지진 규모 하나에 비례하는 것은 아닙니다.

진원의 깊이, 도시와 단층의 거리, 파열이 진행되는 방향, 지진동의 지속시간, 지역 지반과 건축물의 내진성능 등이 함께 작용합니다.

특히 두꺼운 퇴적층이나 부드러운 지반에서는 특정 주기의 지진파가 증폭돼 흔들림이 커질 수 있습니다.

물을 많이 포함한 느슨한 모래질 지반에서는 강한 흔들림으로 토양의 강도가 급격히 낮아지는 액상화(liquefaction)가 발생할 수도 있습니다.

따라서 같은 규모의 지진이라도 어디에서, 얼마나 깊게, 어떤 단층에서 발생했는지에 따라 피해는 크게 달라질 수 있습니다.

모든 해저지진이 쓰나미를 만드는 것은 아니다

해저에서 지진이 발생했다고 반드시 쓰나미가 생기는 것은 아닙니다.

큰 규모의 해저지진 가운데 해저면이 넓은 범위에서 수직으로 충분히 변위돼 많은 바닷물을 밀어낼 때 큰 쓰나미가 발생할 가능성이 있습니다.

따라서 지진의 규모뿐 아니라 진원 깊이, 단층 형태와 해저 변위가 중요합니다.

쓰나미가 실제로 어떻게 만들어지고 바다를 건너 이동하는지는 쓰나미는 어떻게 발생할까?에서 자세히 살펴볼 수 있습니다.

전진·본진·여진은 어떻게 구분할까?

큰 지진 주변에서는 여러 지진이 연속적으로 발생할 수 있습니다.

일련의 지진 가운데 가장 큰 지진을 일반적으로 본진(mainshock)이라고 하고, 그 뒤 주변에서 발생하는 작은 지진을 여진(aftershock)이라고 부릅니다.

전진(foreshock)이라는 용어에는 중요한 특징이 있습니다.

어떤 작은 지진이 발생한 바로 그 시점에는 그것이 전진인지 독립적인 지진인지 알 수 없습니다.

이후 같은 지역에서 더 큰 본진이 발생했을 때 앞선 지진을 전진으로 분류할 수 있습니다.

따라서 “작은 지진이 왔으니 곧 큰 지진이 온다”는 식으로 해석해서는 안 됩니다.

지진은 미리 정확하게 예측할 수 있을까?

현재 과학으로 특정 지진의 날짜·위치·규모를 사전에 정확하게 예측하는 방법은 확립돼 있지 않습니다.

USGS는 지진 예측이 성립하려면 최소한 날짜와 시간, 위치, 규모가 구체적으로 제시되어야 하지만 현재 이런 형태의 신뢰할 수 있는 예측은 불가능하다고 설명합니다.

과학자들이 대신 할 수 있는 일은 과거 지진 기록, 단층조사, GPS 지각변형 관측과 지진계 자료 등을 이용해 특정 지역의 장기적인 지진 위험도와 발생확률을 평가하는 것입니다.

이것은 “다음 주 화요일에 규모 7 지진이 발생한다”는 식의 예측과 완전히 다른 개념입니다.

지진조기경보는 예측이 아니다

지진조기경보(Earthquake Early Warning)도 자주 오해되는 기술입니다.

조기경보는 지진이 발생하기 전에 미리 알아내는 시스템이 아닙니다.

이미 지진이 시작된 뒤 빠르게 도착하는 P파를 관측망이 감지하고, 진원의 위치와 규모·예상 흔들림을 신속히 계산해 더 강한 지진파가 다른 지역에 도달하기 전에 정보를 전달하는 방식입니다.

진원에서 매우 가까운 지역은 분석과 정보전달이 이뤄지기 전에 강한 흔들림이 시작될 수 있습니다.

반면 진원에서 어느 정도 떨어진 지역에서는 몇 초에서 경우에 따라 더 긴 시간을 확보해 열차 감속, 위험설비 정지 또는 사람이 몸을 보호하는 행동을 시작하는 데 활용할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

결론: 지진은 갑자기 느껴지지만 물리적 원리는 설명할 수 있다

지진은 사람에게는 갑작스러운 자연현상으로 느껴집니다.

하지만 지하에서는 오랜 시간에 걸쳐 판이 움직이고 단층 주변 암석에 응력이 축적돼 왔을 수 있습니다.

단층이 더 이상 그 힘을 버티지 못하면 갑작스러운 파열과 미끄러짐이 시작되고, 에너지 일부가 지진파로 퍼져 지표를 흔듭니다.

판구조론과 단층역학은 왜 세계의 특정 지역에서 지진이 자주 발생하고, 왜 섭입대에서 매우 큰 지진이 일어날 수 있는지를 설명합니다.

하지만 현재 과학은 다음 큰 지진의 정확한 날짜와 위치, 규모를 사전에 알려주지는 못합니다.

대신 과거 기록과 단층 조사, 지각변형 관측, 지진계와 조기경보 시스템을 이용해 지진 위험을 평가하고 피해를 줄이는 방향으로 발전하고 있습니다.

지진을 이해하는 핵심은 공포를 키우는 것이 아니라 현재 과학으로 무엇을 알고 무엇은 아직 예측할 수 없는지를 정확하게 구분하는 데 있습니다.

자료 및 출처