재난이야기
지난 2011년 3월 동일본 대지진 이후 국내에서도 지진에 대한 관심이 높아졌다. 그동안 남의 이야기로만 듣던 상황이 바로 우리 앞에 나타날 수 있다는 사실을 자각했기 때문이다. 지진이 왜 일어나는가 그 원인을 살펴봤다. 
<재난포커스 - 이교진 기자(marketing@di-focus.com)>

지진의 원인은 무엇인가
기상청에 따르면 한반도도 지진의 안전지대가 아니며 매년 60회 정도 작은 지진이 발생한다고 말했다. 이에 따라 지진은 어떻게 일어나는지 그 원인이 궁금해진다.   지진을 일으키는 에너지는 무엇이고 그 에너지는 어떻게 축적되며, 또 어떻게 풀리는가에 관한 자연과학적 고찰은 20세기 초 근대적 지진관측망이 정비되면서 시작됐다. 지진 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.

이와 함께 지진 발생 메커니즘에 대한 이론적 연구로는 단층설·마그마관입설·탄성반발설 등 다양한 학설들이 나오게 됐다. 단층설은 단층을 경계로 양쪽 암반이 급격하게 어긋남으로써 지진이 일어난다는 것이고, 마그마관입설은 고압상태의 마그마가 저항이 가장 약한 부분으로 돌입함으로써 지진이 일어난다는 것이다. 1906년 샌프란시스코지진 때 생긴 삼각점의 수평이동을 설명하기 위해 고안된 탄성반발설은 단층설의 일종으로, 지하에 저장된 에너지가 탄성에너지로 전환되어 단층이 발생한다는 설이다. 그 과정은 지표면에 있는 단층이 먼 곳으로부터의 전단적(剪斷的)인 힘(탄성변형력)에 의해 서서히 변형되고, 그 변형이 어느 한계를 넘으면 단층면의 양쪽 지각이 변형을 해소시키는 방향으로 급격히 반전되어 단층의 양쪽 암반이 어긋나게 된다.

지진 단층면 암반이 어긋나며 생긴다
제2차세계대전 후 지진발생에 관한 이론적 연구의 발달과 정밀도가 높은 지진관측으로 단층설이 지진의 일반적인 발생메커니즘으로서 받아들여지게 되었고, 천발지진(淺發地震)의 경우 탄성반발설이 대체적으로 인정되었다. 고압에서 암석은 파괴강도가 높아지고 고온·고압이 한계 값을 넘으면 유동하는 성질이 나타나 급격한 메짐성 파괴는 일어나기 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서 고온·고압상태외의 지하에서 지진이 발생하는 것은 암석 속의 함수광물(含水鑛物)이 탈수작용으로 물을 내보내 이 물이 지하 암석의 좁은 틈에 스며들어가 윤활유 작용을 함으로써 암석이 쉽게 미끄러지기 때문이다.

지각이나 맨틀 속의 암석도 어떤 형태로 물을 포함하고 있으며, 지하 심부에서의 지진 발생에 물이 중요한 역할을 하고 있을 가능성이 있다. 지진은 단층면을 경계로 양쪽의 암반이 급격하게 어긋남으로써 생긴다. 이때 지구의 내부 곧 지각이나 맨틀 상부에서 급격한 파괴가 일어나기 위해서는 파괴되기 전에 이 부분에 작용하고 있는 변형력이 서서히 증가하여 암석의 내부에 한계를 넘어선 큰 변형력이 축적되어야 한다.

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.

지진의 역사적 근거
지진이 일어나는 것은 우리가 살고 있는 지구의 내부가 마치 살아 움직이는 생물처럼 계속해서 변화하는 동적인 존재이기 때문이다. 조선 후기 실학자 이익은 ‘성호사설’에서 땅에는 석회동굴처럼 속에 빈 공간이 많이 있는데 이를 덮고 있던 흙이 무너져 내리면서 지진이 발생한다고 설명했다. 오늘날의 설명과는 차이가 있지만 지진의 원인이 하늘의 재앙이 아닌 땅속에 있다고 생각한 점에서는 제법 옳은 의견이었다.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, 암석권 밑의 상부맨틀에 비해 차고 무겁기 때문에 침강지역에서 파고들어 가려는 힘, 밑에서 상승하여 좌우로 넓어지려는 힘, 지구내부의 열대류가 판의 밑 부분을 끌고 가는 힘 등이라고 생각할 수 있으나, 이것들 이 어느 정도의 비로 작용하는 가는 정확히 알 수 없다. 암석권 (lithosphere)은 지표에서 100km정도 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.

지진발생 원인에 대한 학설
탄성 반발설(elastic rebound theory)
지진이 발생하기 전에는 일직선을 이루고 있던 도로가 단층에 화살표 방향으로 힘이 가해져 곡선으로 변형되고 어느 부분이 견딜 수 없게 되는 순간 급격한 파괴를 일으켜 지진이 발생한다는 설이다.1906년 샌프란시스코 지진(규모 XI, 사망 7백여 명)을 전후해서 지진학자 라이드는 미국 캘리포니아지역의 샌안드레아스 단층을 가로질러 만들어진 도로가 심하게 휘었다가 갑자기 끊어지는 것을 발견했다. 지진이 발생하기 전에는 일직선을 이루고 있던 도로가 도로 밑에 있는 단층활동의 영향으로 좌우양쪽으로 엇갈리는 힘이 가해져 도로가 곡선으로 변형되고 지진발생 후에는 이것이 아예 엇갈려 밀리면서 급격한 변이가 일어났던 것이다.

그는 이를 토대로 단층활동이 진행되는 지역의 암석에 가해지는 힘이 암석을 변형시키며 이 힘이 암석의 탄성한계를 넘어설 경우 갑작스런 쪼개짐과 함께 탄성에너지를 방출시켜 지진이 일어난다(탄성반발설)고 설명했다. 그러나 지진은 모두 단층운동이 원인으로 일어난다고 단언한 것에는 증거불충분한 것이었다. 지진은 단층운동에 지나지 않는다고 하면 단층을 움직이는 힘이 어디로부터 유래하는가가 다음의 문제로 된다. 그것을 설명하는 학설이 판구조운동론이다.

판구조운동론 (Plate Tectonics)
지구의 표면이 평균 두께 약 100km인 몇 개의 지판으로 이루어져 있으며, 이 지판들이 그 하부 연약권(asthenosphere)에서 일어나는 맨틀 대류에 의하여 상대적으로 이동할 때 경계부에서 화성 활동과 지진 활동 및 조산 운동 등의 지각 변동이 일어난다는 이론이다.지구의 표층이라고도 하는 수십km 혹은 그 이상의 두께를 가진 암석권 (lithosphere)은 태평양판, 북미판, 유라시아판 등 10여 개의 판으로 나누어져 있어 각각 매년 수cm 정도의 속도로 제각기 움직이고 있다.

이러한 상대운동으로 판경계 부근에서 주로 지진이 발생하며 경계부근의 판내부(intraplate earthquakes)에서도 발생하고 있다. 일본의 지진은 대부분이 태평양쪽에서 발생하고 있는데, 이것은 판경계(interplate earthquakes)지진으로 태평양판이 유라시아 판 밑으로 충돌 침강하고 있기 때문이다. 이 이론은 대규모 수평면 운동이 지진, 화산 및 조산현상의 원인임을 설명하는 것이다.알프스 히말라야 지진대나 환태평양 지진대와 같이 특정지역에 큰 지진이 집중 해서 발생하고 지하 7백km 깊이까지 깊은 지진이 발생하는 이유를 설명하는 이론은 판구조론의 발전과 함께 이루어졌다. 판구조론은 지각이 10여 개의 판으로 구성돼 있으며 맨틀의 대류 등 지구 내부의 운동으로 인해 이들 판이 움직이면서 서로 다른 운동을 하는 판이 만나는 경계 부근에서 화산과 지진활동이 활발하게 일어난다는 것이다. 최근 강진이 발생한 터키, 대만, 멕시코와 지진이 빈발하는 일본 등은 모두 판 경계지역에 위치해 있다.