지진의 발생 메커니즘

* 지진의 발생 메커니즘 및 발생지
대부분의 지진은 단층(斷層)과 함께 발생한다. 단층의 중앙을 가로지르는 직선을 중심으로 지각의 왼쪽 부분과 오른쪽 부분에 변형력이 서로 반대방향으로 작용하면, 평행선들의 비틀림으로 표시되는 변형이 생겨 탄성에너지가 모인다. 변형이 점차 심화하면 변형력이 주위보다 강하게 작용하는 지각의 한 지점에서 암석이 쪼개져 어긋나며 단층이 생긴다.

이 점을 진원(震源)이라고 하고, 진원으로부터 수직방향으로의 지표상의 지점을 진앙(震央)이라 한다. 진원에서의 어긋남은 인접지역의 변형력을 증대시켜 더욱 넓은 지역의 암석이 쪼개지면서 단층이 전달된다. 이러한 과정이 끝나면 왼쪽 부분과 오른쪽 부분에 상대적 변위(變位)가 있게 된다. 이 때 지각의 양면이 쪼개져서 반대방향으로 튕겨짐에 따라 주위에 모였던 탄성에너지가 파동에너지로 바뀌어 지진파가 사방으로 전파해간다. 이 이론을 탄성반발설(彈性反撥說)이라 하는데, 진원이 지하 70km 이내인 천발지진(淺發地震)의 발생을 잘 설명해준다.

1906년 샌프란시스코의 지진발생 후 H.레이드가 제창한 이론이다. 장기적으로 볼 때 지구상에서 지진이 발생하지 않는 지역은 없다. 그러나 지진은 모든 지역에서 고르게 발생하기보다 대부분 지구를 둘러싼 띠 모양의 제한된 지역에서 발생하는데, 이 지역을 지진대라고 한다.

전세계에서 지진활동이 가장 활발한 태평양 연안의 환태평양지진대(環太平洋地震帶)는 아메리카대륙의 서해안에서 알류샨열도 ·캄차카반도 ·쿠릴열도 ·일본 ·필리핀 ·동인도제도를 거쳐 뉴질랜드로 이어져 있다.

다음으로는 알프스-히말라야지진대로, 대서양의 아조레스제도에서 지중해 ·중동 ·인도 북부 ·수마트라섬 ·인도네시아를 거쳐 환태평양지진대와 연결된다. 또 매우 좁은 지진대가 대서양 ·태평양 ·인도양을 잇는 해저산맥을 지나고 있다. 이러한 지진대에 비해 캐나다 ·브라질 ·오스트레일리아 ·인도 ·아라비아반도 ·남아프리카 ·시베리아 등 대륙 내부나 해양저에서는 지진활동이 매우 드물다.

한편, 지진대에서 진원의 깊이를 보면 대부분의 지진이 깊이 70km 이내의 천발지진이다.
특히 해저산맥에서 발생하는 지진은 모두 천발지진이며, 이보다 깊은 곳에서 발생하는 심발지진(深發地震)은 대부분 환태평양지진대의 해구(海溝)에서 발생한다.

이들 해구에서의 심발지진의 진앙은 천발지진의 진앙에 비하여 내륙 쪽에 위치한다. 일본 부근에서 일어난 지진은 진원의 수직분포를 보여준다.

진원이 해구로부터 내륙 쪽으로 점차 그 깊이가 깊어지며, 폭이 좁고 비스듬히 기운 지역에서 발생함을 볼 수 있다. 이 비스듬한 지진대를 베니오프대(Benioff zone)라고 하며, 심발지진이 발생하는 모든 해구에서 발견된다. 지진이 왜 특정한 지진대에서 많이 발생하며, 해저산맥에서는 천발지진이, 해구의 베니오프대에서는 심발지진이 발생하는가에 대해서는 1960년대에 이르러 판구조론(板構造論)이 도입되기 전까지 지진학에서 미해결의 문제였다.

* 판구조론
판구조론(plate tectonics)에 의하면, 지구의 표면은 평균두께 약 100km의 암석권(lithosphere) 또는 판으로 이루어져 있고, 강체(剛體)의 성질을 가진 이 판들은 그 밑의 연약권(asthenosphere) 위에서 움직인다. 판은 해저산맥에서 생성되며 해구에서 소멸한다.

판들은 그 내부에서는 단층이나 습곡 등 지각변형이 잘 발생하지 않고, 주위 판들과의 경계지역에서 서로의 마찰에 의해 지진을 포함한 여러 가지 지질활동이 일어난다. 판은 온도가 낮은 견고한 암석권인데 비해 연약권은 고온이고 소성변형이 가능하다.

지구 내부의 방사성원소 붕괴로 발생하는 열로 연약권에서 맨틀물질의 열적대류(熱的對流)가 일어나고, 해저산맥을 이루는 암석권이 쪼개지며, 천발지진이 발생하고 양쪽으로 벌어진다. 이 틈으로 마그마가 상승하여 냉각되면 새로운 해양지각이 만들어진다.

해저확장설은 이처럼 해저산맥에서 새로운 해저가 지속적으로 생성되는 과정을 잘 설명해준다. 해저산맥에서 생성된 판은 1년에 수 cm씩 이동하여 마침내는 해구에 이르러 대륙판 밑으로 비스듬히 침강하여 맨틀 내부에서 녹아 다시 고온의 맨틀물질로 환원된다.

따라서 지진대는 모든 판의 경계가 되며, 판의 내부에서는 지진활동이 낮다. 큰 규모의 지진들은 대부분 판의 경계에서 발생한다. 그러나 드물게는 판의 내부에서도 지진이 발생하는데, 그 이유는 충분히 밝혀지지 않았으나 판의 운동과 관련이 있으리라 보인다.

* 지진의 원인
지진을 일으키는 에너지는 무엇이고 그 에너지는 어떻게 축적되며, 또 어떻게 풀리는가에 관한 자연과학적 고찰은 20세기 초 근대적 지진관측망이 정비되면서 시작되었다. 관측된 P파의 초기진동방향의 분포를 조사한 결과, 진앙 주위에 매우 규칙적으로 분포되어 있다는 사실이 밝혀졌다. 이것을 계기로 지진의 발생 메커니즘에 관한 이론적·계측학적 연구가 활발히 전개되었다.

지진 발생 메커니즘에 대한 이론적 연구로는 단층설·마그마관입설·탄성반발설 등이 있다. 단층설은 단층을 경계로 양쪽 암반이 급격하게 어긋남으로써 지진이 일어난다는 것이고, 마그마관입설은 고압상태의 마그마가 저항이 가장 약한 부분으로 돌입함으로써 지진이 일어난다는 것이다.

최근에는 판구조론에 의해 판과 판의 상대운동으로 인한 힘의 축적이 지진을 일으키는 에너지가 된다는 것이 밝혀졌다.

해구(海溝)를 따라 일어나는 천발지진과 같이 판과 판 경계에서 일어나는 지진의 경우 판이 서로 부딪치는 힘이 전단적인 힘이 되고, 판 내부에서 일어나는 지진은 그 2차적·3차적인 효과라고 생각되고 있다. 지하 100㎞로부터 수백㎞ 지점에서 일어나는 심발지진(深發地震)은 섭입(攝入)하는 판 내부에서 일어나며, 그러한 지진을 일으키는 힘은 판이 섭입하는 운동 그 자체에 기원이 있는 것으로 생각되고 있다.

* 지진 재해 대책
지진으로 인한 재해는 크게 지진 자체에 의한 1차재해와 지진이 끝난 후 발생하는 부수적인 2차재해로 나눌 수 있다.

이 중 지진 자체에 의한 1차재해는 지진발생시 지표가 갈라지거나 침하하여 생기는 지상 및 지하 구조물 붕괴, 도로와 교량 유실, 해안지역의 해일로 인한 각종 피해, 이에 따른 인명손실 등을 말한다.
그리고 2차재해는 1차재해로 생기는 화재, 수도 ·전기 ·가스 ·통신 ·유통시설의 파괴와 이에 따른 사회생활 혼란을 말한다. 도시의 경우 2차재해의 비중이 커진다.

오늘날의 지진재해 대책의 특징은 1차재해의 경감 및 2차재해의 억지(抑止)에 그 역점을 두고 있다. 지표 구조물의 지진동에 대한 강도는 구조물 자체의 진동에 대한 강도와 구조물이 서 있는 지반의 성질에 따른다.

따라서 1차재해에 대한 대책으로는 지반조사와 유동성의 위험이 있는 곳의 지반 개량이 먼저 이루어져야 하며, 건물 설계나 시공에 있어서도 내진력(耐震力)을 갖도록 완전을 기해야 한다. 또한 옹벽의 붕괴와 해일에 따른 피해로부터 조기에 피난할 수 있는 대책을 마련하는 것이 필요하다.
2차재해에 있어서는 화재로 인한 피해가 가장 큰데, 특히 대도시의 경우 수많은 발화원(發火源)이 산재해 있으므로 대지진이 발생하게 되면 동시 다발적으로 화재가 발생하게 되어 대규모의 피해를 일으킨다.

석유탱크 화재, 화학공장으로부터의 유독가스 유출이나 폭발, 도로상의 자동차 혼란이나 그 연료의 인화, 지하상가나 번화가에서의 공황 등과 같은 지진으로 인한 참사를 방재하기 위해서는 도시계획 때 방재도시의 조성을 고려해야 한다.

따라서 지진다발 지역에 있는 나라들은 지진발생을 사전에 예보하여 인명과 재산상의 손실을 최소한으로 줄이려고 하지만, 지진발생을 예보하는 것은 아직까지 연구수준에 불과하기 때문에 대체로 그 지진대책을 1차재해를 줄이고 2차재해의 발생을 최대한 억제하는 것을 목표로 하고 있다.

이러한 지진대책으로 가장 기본적인 것이 인공구조물의 설계와 시공시에 그 지역의 지반을 감안하여 충분한 내진력을 갖도록 하는 것이다.

이는 인구가 밀집되어 있고 고층건물이 많은 현대의 대도시에서 중요하다. 이를 위해 각국 정부는 새로 건물을 지을 때에는 반드시 방진시설을 갖추도록 의무화하는 추세이다.

또한 도시계획을 수립할 때 지진발생시 화재와 가스폭발에 따른 참사와 교통두절 사태가 일어나지 않도록 각종 시설물을 효과적으로 배치하는 준비가 필요하다.

지진이 자주 발생하는 지역에서는 긴급히 피난한 시민들이 이용할 수 있도록 완전한 방진설비를 갖춘 대피시설을 여러 곳에 마련해 두고, 대피시설에는 항상 적당한 방열기구와 비상식량 등을 준비해 두어야 한다.

* 쓰나미 종류와 발생원인
폭풍 때문에 발생하는 것을 폭풍해일, 지진이나 화산폭발 때문에 발생하는 것을 지진해일 또는 쓰나미(tsunami:津波)라고 한다.

이러한 해일은 달과 태양의 인력에도 영향을 받는데, 특히 사리 때에 발생하는 해일은 그 피해가 크므로 주의를 기울여야 한다.

해일은 밀물과 썰물의 관측에 쓰이는 검조의(檢潮儀)로 관측한다. 기상청에서는 먼바다에서 해일이 발생하면 해일 전파도를 제작하여 해일의 진행상황을 파악하고, 해당지역에 해일경보를 발령한다. 해일경보가 발표되면, 그 지역 주민들은 즉시 높은 산 등으로 피난해야 한다.

지진이 발생하면 단층으로 급격한 어긋남이 생기고 대지진의 경우는 단층 규모가 크므로 그 영향이 해저까지 미쳐 해저 지형 변화 때처럼 해면에 요철(凹凸)이 생긴 결과 발생한 중력장파가 주위로 퍼져나가 해일이 일어난다.

해안에서 산사태가 일어난 경우는 토사 등의 유입으로 해면에 충격이 가해져 해일이 발생한다.
해일(큰 파도)의 진행속도는 수심의 제곱근에 비례로 나타낸다. 여기서는 해일의 전파속도, 중력가속도 수심이다. 보통 수심 4000m 해양에서는 약 200m/s로 아주 빠르고, 연안의 얕은 곳에서는 약 10m/s이다.

이처럼 수심이 깊은 외양에서는 해일의 진행이 빠르고 대륙붕에서는 느리므로, 해일 진행 방향이 차츰 굴절하여 해안에서는 큰 파도가 정면으로 돌진해 온다.

해일이 전파될 때는 1파장당 에너지가 거의 변하지 않으므로 파장이 짧아지는 얕은 곳에서는 파고가 커진다. 연안부에서는 파도의 속도가 크게 변해 파도의 굴절·회절·반사 등이 심하게 나타나며, 에너지의 집중·발산이 일어남과 동시에 마찰 등의 효과로 파형(波形)이 급격히 변화한다.

따라서 해일의 높이·탁월(卓越)주기가 장소에 따라 다르며 파도의 에너지가 집중하는 곳에서는 특히 큰 해일이 일어나게 된다. 또 해일의 주기와 만(灣)의 고유진동(seiche) 주기가 일치하면 공진(共振)이 일어나 만의 안쪽에서는 큰 파고가 나타난다.

* 해일 행동요령
7.0 이상의 지진 발생이 보고되면 지진해일 발생을 우려해야 한다. 연안 주민들은 항시 지진해일에 대한 관심을 둬야 하고, 현상을 잘 이해하는 것이 좋다. 또 이러한 정보를 이웃이나 친지에게 알려 위험에 대비한다.

또 지진해일 내습이 확인되면 모든 통신수단을 동원하여 주민 모두에게 알린다.
지진 발생 후 약 1시간에서 1시간 30분 뒤에 해일이 도달하므로 해안가에서는 작업을 정리하고 위험물 (부유 가능한 물건, 충돌 시 충격이 큰 물건, 유류 등)을 이동시키며 고지대로 피난해야 한다.

항 내 선박은 움직이지 않도록 고정하거나 가능한 항 외로 이동시키고 기상특보를 경청하며 지시에 따라야 한다.

해안가에 있을 때 강한 지진동을 느꼈을 경우는 국지적인 해일의 발생 가능성이 있고 약 2~3분 이내에 해일이 내습할 수 있으므로 해일 경보 등이 없더라도 신속히 고지대로 이동한다.

* 지진해일 내습 시 선박위에 있다면
대양에서는 해일을 전혀 느끼지 못하고, 해안 부근에서 크게 증폭되므로 자신이 만일 대양에 있고 지진해일 경보가 발령되었거나 이를 인지하였을 때에는 항구로 복귀하지 않도록 한다.

항만, 포구 등에 정박해 있거나, 해안가에서 조업 중인 선박은 지진해일 발생 여부를 인지한 후, 시간적 여유가 있다면 질서를 유지해가며 선박을 수심이 깊은 지역으로 이동시킨다.

지진해일이 내습하면 항만 등에서 그 파고는 거대해지고 유속이 급격하게 증가하므로 선박의 안전에 특별히 주의해야 한다.

선박에 대한 조치가 끝난 후에 자신이 육지에 있다면 동료들과 함께 신속히 고지대로 이동한다.
방파제 내측 등은 지진해일이 월류할 위험이 있으므로 선박의 정박은 피해야 한다.

* 지진해일에 관한 상식
일반적으로 해안 지진대에서 규모 7.0 이상의 지진이 보고되면, 약 1시간에서 1시간 30분 후 지진 해일이 도달하게 된다. 내습하는 지진해일의 파고는 최대 3～4m 정도이다. 이로 인해 해안가 저지대는 침수되기 쉽다.

일반적으로 지진해일의 초동은 물이 빠지는 것으로 시작되어 항 바닥이 드러나기도 한다.
지진해일은 여러 차례 열을 지어 도달하는데 제1파 보다 2, 3파의 크기가 더 클 수도 있고, 지진해일에 의한 해면의 진동은 길게 10시간 이상 지속되기도 한다.

지진해일의 내습 속도는 사람의 거동보다 빠르고, 그 힘이 우세하여 약 30cm의 정도의 해일 상황에서 성인이 걸을 수 없고, 약 1m 정도의 해일이라면 목조건물이 파괴될 수 있으며, 이로 인해 인명피해를 일으킬 우려가 높다.

해안가의 선박이나 다른 물건들이 지진해일에 의해 육지로 운반되어 가옥에 충돌하는 경우도 있다. 이러한 물체들이 유류 탱크 등에 충돌하여 화재를 일으킬 수도 있다.

지진해일은 예고 없이 내습한다. 지진해일은 바다로 통해 있는 하천을 따라 역상하기도 한다.