지진: 왜 지구는 흔들릴까?

지진은 지구의 판들이 움직이면서 에너지가 방출되어 일어납니다. 종종 강력한 진동과 함께 건물의 붕괴로 인간과 환경에 큰 영향을 미칩니다. 지진의 이해와 대비는 재난 예방에 필수적입니다.

지진계

지진의 정의와 원인: 판 구조론과 화산활동

지진은 지구의 지각 내부에서 발생한 에너지 방출에 따른 진동 또는 지면의 흔들림입니다. 이 에너지는 지구 내부의 응력이 축적되어 극한에 도달했을 때 방출되며, 주로 지구 판의 경계에서 판의 움직임과 관련이 있습니다. 지구의 판 이론에 따르면 지구의 외부 껍질(리소스피어, 암석권)이 여러 개의 크고 단단한 조각으로 나뉘어 있다고 합니다. 이 조각들을 판이라 하며, 이들은 지구의 반유체 상태인 아테노스피어(상부 맨틀) 위에서 서서히 움직입니다. 이 판들의 움직임으로 인해 지진, 화산 활동, 산맥 형성과 같은 지질학적 현상이 발생합니다.

1. 판의 움직임: 지구의 암석권은 여러 개의 판으로 나뉘어 있다. 이 판들의 충돌, 이격, 비켜 가면서 생기는 마찰로 에너지가 축적되다가 응력(외력이 작용하면 내부에는 생기는 저항하는 힘)이 극한에 이르러 갑자기 방출될 때 지진이 발생합니다.
2. 변환 단층: 지각판의 가장자리가 단층대에서 서로 미끄러지면서 마찰로 속도가 느려지고 오랜 시간 동안 압력이 축적되다가 마침내 운동력이 마찰을 극복하면 지각의 일부가 갑자기 부서지거나 변위 되어 지진파의 형태로 억눌렸던 압력이 방출됩니다. 이런 자연 발생적 지진을 지각 지진이라 합니다.
3. 화산 활동: 화산 활동과 관련된 지진은 마그마가 지표로 이동하거나 화산이 폭발할 때 지각 내부에서 에너지가 방출되어 지진을 일으킬 수 있습니다.

판의 종류

판들은 상호작용의 형태에 따라 판 경계는 세 가지가 있습니다.

1. 충돌 경계(판의 수렴 경계): 히말라야 산맥은 인도판과 유라시아판이 서로 마주보며 충돌하면서 한 판이 다른 판 아래로 들어가는 현상(섭입)으로 이 과정에서 산맥 형성, 지진, 화산 활동이 발생합니다.
2. 이격 경계(판의 발산 경계): 대서양 중앙 해령은 새로운 해양 바닥이 지속적으로 형성되고 있으며, 두 판이 서로 멀어지면서 사이에 새로운 지각이 생성되는 경계입니다.
3. 변환 경계: 캘리포니아의 샌 안드레아스 단층은 두 판이 서로 옆으로 비켜 가면서 직접 충돌이나 이격 없이 마찰을 일으키는 경계로 주로 지진이 발생합니다.

판은 지구 내부의 열과 물질이 표면으로 이동하는 활동으로 판 구조론 이론은 지질학적, 지형적 현상을 이해하고, 지진 예측에 활용됩니다.

 

지진 측정 방법

지진의 크기와 강도의 정량 측정은 주로 리히터 규모와 메르칼리 진도 척도를 사용합니다. 이 외에도 모멘트 규모 척도가 현대적이고 널리 사용되는 방법입니다.

리히터 규모(Richter Scale): 1935년 찰스 F. 리히터가 지진계로 측정된 지진파의 최대 진폭 기준으로 지진 크기를 로그 스케일로 측정합니다. 지진이 방출하는 에너지의 양을 추정하며, 규모가 1 증가할 때 에너지 방출량은 약 31.6배 증가합니다. 주로 초기 보고와 일반인에게 전달할 때 사용합니다.

메르칼리 진도 척도(Mercalli Intensity Scale): 1902년에 지오바니 메르칼리가 진진 효과를 관측하여 I부터 XII까지의 로마 숫자로 표현합니다. 지진으로 구조물 피해, 지면 변형, 사람의 체감 정도 등을 고려하여 진도를 결정하는데 지역적 영향을 잘 반영합니다.

모멘트 규모 척도(Moment Magnitude Scale, Mw): 1979년에 토머스 카나마리와 히로오 카나마리가 개발하여 현재 가장 널리 사용되는 지진 측정 방법입니다. 지진 동안 지각이 이동한 면적, 이동 거리(단층의 이동량), 지각을 이동시키는 데 필요한 힘을 반영합니다. 지진의 실제 에너지를 정확히 반영하며, 큰 지진에 효과적입니다. 로그 스케일인 리히터 규모와 달리 선형적으로 증가하여 큰 지진의 크기를 과소평가하는 문제를 해결합니다. 모멘트 규모는 지진이 발생하는 단층에서의 물리적 변화를 기반으로 계산되며, 지진 동안의 단층 면적, 단층의 이동 거리(슬립), 암석의 강성을 포함한 세 가지 주요 요소를 고려합니다. 계산식은 다음과 같습니다.

M_w = 2/3 x log₁₀(M₀) - 6.0

M₀ =  μAD

여기서,

• M₀는 지진 모멘트. 단위는 뉴턴 미터. 지진이 방출하는 총에너지를 의미함
• μ(뮤): 암석의 강성, 단위는 파스칼(Pa)
• A: 단층 면적, 단위는 제곱미터(m²)
• D: 평균 슬립(단의 이동 거리), 단위는 미터(m)입니다.

지진 측정 기기: 지진계(Seismometer): 지진 크기와 진도를 측정하기 위한 데이터는 지진계를 사용하는데 지진계는 지면 움직임을 감지하여 전기 신호로 변환합니다. 이 데이터는 지진의 세부적 특성을 분석, 위치, 깊이, 발생 원인을 파악하는 데 사용됩니다.

 

역대급 지진과 최근 지진 사례

지진의 에너지를 더 정확하게 반영하는 모멘트 규모 척도 기준으로 역사상 기록된 강력한 지진 다섯 개입니다. 모두 2000년 이전의 지진입니다.

 

구분	설명
칠레 발디비아 지진	- 규모: 9.5 - 날짜: 1960년 5월 22일 - 위치: 칠레, 발디비아 - 역사상 가장 강력한 지진. 대규모 쓰나미와 함께 남미 전역뿐만 아니라 하와이, 일본, 필리핀, 동부 뉴질랜드에까지 영향을 미침. 쓰나미로 인해 1,000명 이상 사망
알래스카 프린스 윌리엄 사운드 대지진	- 규모: 9.2 - 날짜: 1964년 3월 27일 - 위치: 미국 알래스카, 프린스 윌리엄 사운드 - 북아메리카에서 발생한 가장 강력한 지진. 알래스카 전역에 심각한 피해를 입힘. 쓰나미를 일으켜 캘리포니아와 오리건까지 영향을 미침. 약 131명 사망
인도양 지진  및 쓰나미	- 규모: 9.1-9.3 -  날짜: 2004년 12월 26일 -  위치: 인도네시아, 수마트라 섬 부근 -  강력한 쓰나미로 인도네시아, 태국, 인도, 스리랑카 등 인근 국가들에 큰 피해를 입힘. 약 230,000명 이상 사망
카마차카 지진	-  규모: 9.0 -  날짜: 1952년 11월 4일 -  위치: 러시아, 카마차카 반도 -  쓰나미를 일으켜 일본과 하와이에 영향 미침. 카마차카와 쿠릴 제도에서 심각한 피해 발생
동일본 대지진 (토호쿠 지진)	-  규모: 9.0-9.1 -  날짜: 2011년 3월 11일 -  위치: 일본, 토호쿠 지역 동쪽 해안 - 엄청난 규모의 쓰나미 발생. 후쿠시마 원자력 발전소 사고를 포함한 대규모 피해. 약 15,899명 사망하고 2,500명 이상 실종

 다음 그림은 비교적 최근에 일어난 역대급 피해 지역과 인명 피해 정도입니다.

최근 지진 참사 일지(연합뉴스)

다음 편에서는 지진파의 종류, 지진의 영향, 최신 지진 연구 등에 관하여 알아보겠습니다.