'초거대 지진'은 지구 그 자체를 뒤흔들 정도의 지진으로, 지구 전체에서 100년 동안 몇 번밖에 발생하지 않은 특별한 지진이다. 모멘트 규모로는 약 Mw9.0 이상의 지진을 말한다. 2004년의 수마트라 섬 난바다 지진이나, 2011년 3월의 동일본 대지진, 1960년의 칠레 지진은 '초거대 지진'이었다. '수마트라 섬 난바다 지진'은 규모 9.2Mw를 기록했고, '동일본 대지진'은 규모 9.0Mw을 기록했으며, '칠레 지진'은 규모 9.5Mw를 기록했다. 어떻게 이런 말도 안 되는 규모의 지진이 일어날 수 있을까?
0. 목차
- 초거대 지진의 사례
- 초거대 지진이 발생하기 쉬운 곳
- 판의 경계에 있는 '지진의 발생원'
- 초거대 지진의 재해
1. 초거대 지진의 사례
| 초거대 지진 | 시기 | 규모 |
| 동일본 대지진 | 2011년 | 9.0Mw |
| 수마트라 섬 난바다 지진 | 2004년 | 9.2Mw |
| 알래스카 대지진 | 1964년 | 9.2~9.4Mw |
| 칠레 지진 | 1960년 | 9.5Mw |
1-1. 2011년 동일본 대지진
2011년 3월 11일 일본 도호쿠 지방에는, 미야키 현 센다이 시 동쪽 179km의 해역에서 매그니튜드 9.0의 강력한 지진이 발생해, 일본의 동해안 지역에 커다란 피해를 주었다. '2011년 동일본 대지진'은 '태평양판(Pacific Plate)'과 '북아메리카판(North American Plate)'의 경계지점에서 발생한 역단층형 지진이었다.
1-2. 2004년 수마트라섬 난바다 지진
또 2004년 말에는 인도네시아의 '수마트라 섬(인도네시아어: Pulau Sumatra)' 난바다에서 매그니튜드 9.2의 대형 지진이 발생했다. 수십 년 동안 경험해 보지 못한 이 '초거대 지진'은 초거대 '쓰나미(Tsunami)'를 일으켜, 동남아시아를 중심으로 20만 명 이상의 목숨을 앗아갔다. 이때의 지진은 실제로 엄청난 규모의 지진이었다. 이에 대한 관측 기록 가운데, 이 지진으로 발생한 지진파의 일종인 '표면파'는 무려 24시간 이상 동안 지구를 8바퀴 넘게 달렸다고 한다. 표면파는 일반적인 지진에서도 멀리까지 전해지긴 하지만, 지진의 규모가 크지 않으면 지구를 몇 바퀴나 도는 모습을 관측하기는 어렵다. 이렇게 큰 지진은 높은 정밀도의 관측망이 정비된 이후 처음 있는 일이었다.
또 지구는 평소에 '자유 진도'이라고 불리는 신축을 되풀이하고 있다. 그런데 '수마트라 섬 난바다 지진' 발생에 의해 이 지구의 신축이 격렬해져서, 그 상태가 적어도 2주일 이상 계속되었다고 한다. 그야말로 지구를 뒤흔드는 대사건이었던 셈이다.
1-3. 1964년 알레스카 대지진
'1964년 알레스카 대지진'은 미국 알래스카 주 '앵커리지(Anchorage)' 부근에서 일어난 대규모 지진이다. 규모 9.2에 달한 강한지진으로 유명하다. 1964년 3월 27일에 '현지 시간 오후 5시 37분(한국 시간 13시 37분)'에 일어났으며, 지진의 진앙은 북위 61°, 서경 145°5'의 '프린스윌리엄 만(Prince William Bay)' 입구의 남동부였다. 이 지진으로 인한 피해는 사망 118명, 재산피해 5억 달러로 추산되었다. 또 이 지진으로 인하여 생긴 '해일(Surge))'은 알래스카 부근뿐만 아니라, '캘리포니아 연안'에도 큰 피해를 입혔다.
1-4. 1960년 칠레 지진
지진은 지하의 단층이 엇갈려 움직여 발생한다. 그리고 엇갈려 움직이는 면적이 넓을수록, 엇갈리는 양이 크면 클수록 지진의 규모는 커지게 된다. '1995년 한신·이와지 대지진(고베 대지진)'을 일으켰던 진원지의 평균 미끄럼 양은 2m었으며, 규모는 7.3Mw이었다고 한다. 그러면 '초거대 지진'의 경우는 어땠을까?
20세기 사상 최대의 지진이라고 알려진 '1960년 칠레 지진'의 평균 미끄럼 양은 25m나 되었으며, 규모는 9.5Mw였다고 한다. 이 지진에 의해 방출된 에너지는 히로시마에 투하된 원자 폭탄으로 환산하면, 13만 개분이나 된다. 또 20세기에 발생한 전체 지진 에너지의 4분의 1이나 된다고 한다. 이 지진에 의해 생긴 진동과 '쓰나미(Tsunami)'에 의해 사망자는 칠레에서 1700명이 넘었다고 한다. 이 쓰나미는 태평양을 건너 일본까지 밀어닥쳤는데, 일본에서도 140명의 사망자가 발생했다.
2. 초거대 지진이 발생하기 쉬운 곳
현재까지 알려진 바에 따르면, 과거의 초거대 지진은 모두 '판의 침강대'에서 발생했다. 그러면 지구상에 있는 모든 판의 침강대에서는 '초거대 지진'이 발생할까? 아니면 '판의 침강대' 가운데서도 어떤 경향이 있어 '초거대 지진'이 발생하기 쉬운 곳과 발생하기 어려운 곳이 따로 있는 걸까?
2-1. 해양판의 나이가 적을수록, 초거대 지진이 발생하기 쉽다.
판의 '나이'에 주목하면, 어떤 경향이 눈에 띈다고 한다. '해양판(Oceanic Plate)'의 탄생 현장인 '해령(Mid-Ocean Ridge)'에서 거리가 가까운 곳일수록 '초거대 지진'이 발생하기 쉬운 것으로 생각된다. 즉, 해양판의 나이가 적은 곳일수록 '초거대 지진'이 발생하기 쉬운 것으로 보인다. 예컨대, 1960년 칠레 지진이 발생한 곳은 해양판의 나이가 1000~3000만 년 정도였다. 또 수마트라 섬 난바다 지진이 발생한 장소의 해양판의 나이는 5000~8000만 년 정도였다. 한편, 과거에 대규모의 판 경계 지진이 발생한 기록이 없는 일본의 '이즈·오가사와라 해구'나 '마리아나 해구'에서는 해양판의 나이가 2억 년 정도였다.
그런데 이런 경향은 왜 생길까? 젊은 판은 비교적 온도가 높고 가볍기 때문에 '대륙판(Continental Plate)' 아래로 침강하기 어려운 점, 그리고 그 침강 각도가 얕다는 점이 관계한다는 점이 관계되어 있다고 생각된다. 이런 곳에서는 판과 판의 마찰이 커지거나, 판끼리 접촉하는 면적이 넓어지기 쉬운 것으로 보인다. 즉, 이런 곳에서 판 경계가 더욱 많은 힘을 집적 시키는 상황이 잘 일어나는 것으로 보인다.
한편, 판은 '맨틀(Mantle)'의 상층부가 식어 하나의 덩어리가 되면서 두꺼워지기 때문에, 오래된 판은 비교적 두껍다. 그 결과, 끝부분은 내려가는 것처럼, 깊은 각도로 가라앉는다. 그래서 오래된 판은 새로운 판에 비해, 초거대 지진이 발생할 정도의 에너지를 저장하기 어려운 것으로 생각된다. 이런 경향은 초거대 지진뿐만 아니라, M8 정도의 거대 지진에서도 마찬가지이다. 단, 어디까지나 경향이기 때문에, 판의 나이가 오래된 장소에서 초거대 지진이나 거대 지진이 발생하지 않는다고 단정할 수는 없다.
2-2. 판의 이동 속도가 빠를 수록, 초거대 지진이 발생하기 쉽다.
더욱이 판의 이동 속도가 빠를수록, 지진의 에너지를 저장하는 속도가 빠른 경향이 있다. 그래서 이런 곳에서는 '초거대 지진'의 발생 빈도가 높을 가능성이 있다. 예컨대, 1960년 칠레 지진이 발생한 곳에서는, 판의 침강 속도가 연간 10cm 정도로 비교적 빨랐다. 그리고 이곳에서는 1575년에도 '1960년 칠레 지진'에 필적할 만한 규모의 초거대 지진이 발생했다.
2-3. 부가체가 발달한 곳에 지진이 발생할 확률이 높다.
또 해저에 쌓인 진흙 등의 퇴적물이 암석이 되어 생긴 '부가체(Accretionary Prism)'가 발달한 곳에 초거대 지진이 발생한 확률이 높다고 알려져 있다. '부가체(Accretionary Prism)'는 해양판 위의 퇴적물이 해양판의 움직임의 의해 대륙판에 꽉 눌려 암석화된 것을 말한다.
3. 판의 경계에 있는 '지진의 발생원'
지진의 발생 현장인 '판 경계(Plate boundary)'는 한 마디로 '판 경계'라고 해도, 그 모습은 단순하지 않다. '판끼리 붙는 정도'는 판 경계의 깊이나 지역에 특성에 따라서 크게 다르다. 붙는 정도를 결정하는 기본적인 요소는 '온도'와 '압력'이라고 생각된다. 일반적으로 깊은 곳일수록 판 경계의 온도는 상승하는데, 300℃가 넘는 정도가 되면 경계의 물질이 부드러워지고, 양쪽이 고착되기 어려워진다. 한편 얕은 곳에서는 반대로 온도나 압력이 낮아서, 경계의 물질이 단단하게 암석화되지 않기 때문에 역시 고착되기 어려워진다. 또 판 경계에 물이 있으면, 고착이 약해진다고 생각된다.
3-1. 애스페리티(Asperity)
하지만 깊이 10~40km 근방에서는 고착되기 쉬운 경우가 비교적 많다. 이처럼 판의 경계면 중에서, 부분적으로 고착이 강한 곳을 '고착 구역' 또는 '애스페리티(Asperity)'라고 한다. 이러한 곳에서는 해양판이 가라앉는 데 따라 대륙판도 함께 끌려들어 가게 된다. 그러다가 '애스페리티'에서 고착상태가 풀리고, 판의 경계면이 빠른 속도가 미끄러지는 경우가 있다. 대륙판이 원래의 모습으로 복귀하려고 튀어 오르는 것이다. 이렇게 해서 판 경계에서 지진이 발생한다. 결국 판 경계의 '애스페리티'가 지진의 발생 원인인 셈이다. 그래서 이처럼 대규모 '애스페리티'가 형성되기 쉬운 깊이 10~40km의 범위를 '지진 발생대'라고 부르기도 한다. 하지만 이것은 비교적 규모가 큰 판 경계 지진에 대한 이야기고, 비교적 규모가 작거나 그 밖의 유형의 지진은 '지진 발생대' 이외에서도 빈번하게 발생한다.
'애스페리티 이론(Asperity Theory)'은 1980년대 미국 캘리포니아 공과대학의 명예 교수인 '가나모리 히로' 박사 등에 의해 제창되었다. 지진파를 해석한 결과, 지진의 진원지에는 특히 강한 지진파를 내는 영역이 존재한다는 사실을 알게 된 것이다. 강한 지진파를 내는 영역은 결국 그만큼 고착되어 있고, 많은 에너지를 저장하고 있다고 생각된다. 이처럼 '애스페리티'의 위치는 기본적으로 지진이 발생하고 나서야 비로소 확인된다.
그러면 애스페리티의 위치를 지진 발생 전에 미리 알 수 있는 방법은 없을까? 근년에는 '애스페리티'의 위치를 지진 발생 전에 추적할 수 있는 경우도 있다는 사실을 알게 되었다. GPS의 데이터를 분석하면, 해양판의 침강 방향으로 대륙판이 서서히 움직이고 있는 지역과 그렇지 않은 지역이 있다는 사실을 알 수 있다. 대륙판이 해양판과 함께 움직이는 지역에는 '애스페리티'가 있고, 판끼리 강하게 고착되어 있는 것으로 생각된다.
3-2. 애스페리티가 지진을 발생시키는 과정
'애스페리티(asperity)'가 지진을 발생시키는 과정에 대해 분석해 보자. '애스페리티'는 판끼리 단단히 고착되어 있다. 그래서 이 부분에서는 해양판이 가라앉음에 따라, 대륙판도 함께 끌려 들어가게 된다. 한편, '애스페리티'의 주위는 고착되어 있지 않기 때문에, 미끄러지고 대륙판을 끌려 들어가지 않는다.
해양판의 침강 속도가 연간 10cm인 경우, 대륙판이 끌려 들어가는 속도는 '애스페리티' 부분에서는 연간 10cm이다. 하지만 '애스페리티'가 없는 부분에서는 대륙판이 끌려 들어가지 않게 되므로, 애스페리티 부분과 애스페리티가 아닌 부분이 시간이 지날수록 점점 뒤틀리게 된다. 그러다 뒤틀린 상태가 한계를 맞게 된다. 그러면 애스페리티 부분의 고착은 일시에 풀어지고, 빠르게 어긋나 움직여 대륙판이 원위치로 복귀하게 된다. 결국 애스페리티 부분은 10년 동안 합계 1m 정도 끌려들어 간 다음, 1회의 지진만에 1m를 되돌아오게 되는 것이다. 그러면 고착되지 않은 주위의 부분과 다시 맞춰지게 된다. 경우에 따라서는 최대 40m 미끄러지는 경우도 있다. 이 정도의 양은 뒤틀림이 수백 년 이상 축적된 것이다.
그럼 '애스페리티'가 정말 '지진의 발생원'이 된다는 근거는 있는 것일까? 이를 강하게 시사하는 흥미로운 데이터가 있다. 일본 도호쿠 지방의 태평양 쪽 가마이시 시 난바다의 판 경계에서는 소규모이면서도 주기적으로 반복 발생하는 지진이 밝혀져 있다. 발생 장소나 발생 간격 지진의 규모, 관측되는 지진파의 형태까지도 아주 흡사한 지진이다. 이것은 어떤 '애스페리티'가 매번 같은 경과를 거쳐 에너지를 축적하고, 마찬가지로 어긋나 움직여 지진이 발생하는 것으로 설명할 수 있다. '애스페리티 모델'은 판 경계 지진이 같은 곳에서 되풀이되는 이유에 대해서도 설명해 준다.
3-3. 복수의 '애스패리티'이 동시에 어긋나면 초거대 지진이 된다.
그러면 어떤 부분이 '애스페리티'가 되는 걸까? '애스페리티(Asperity)'에 대한 자세한 정보는 알려져 있지 않다. 다만, 하나로 후보의 생각되는 곳이 해산처럼 해양판에서 위로 튀어나온 지형이다. 근년에 일본 고치 현 무로토 곶 난바다 지하에서에서는, 대륙판 아래로 가라앉고 있는 해산이 발견되었다. 해산은 해양판에서 3000m 이상이나 솟아 올라와 있다. 이와 같은 지형이 대륙판 아래에 가라앉을 때 걸려서 '애스페리티'가 될 가능성이 있다고 한다.
지진의 규모는 더욱 넓은 지역이 일시에 어긋나 움직일 때 커진다. 결국 '에스패리티'가 크면 클수록 지진의 규모가 커진다. 그러면 '초거대 지진'은 매우 큰 단일 '애스페리티'가 파괴되어서 발생하는 것일까? 초거대 지진을 자세히 살펴보면, 복수의 '애스패리티'가 동시에 어긋났을 때, 초거대 지진이 된다는 사실을 알 수 있다. 이런 사실에서 대규모의 판 경계 지진이 발생한 곳에서는, 이들이 연동해 초거대 지진이 될 가능성이 있다.
예컨대 '2004년 수마트라 섬 난바다 지진'의 경우, 이 지역에서 발생한 과거 지진의 기록이 어느 정도 남아 있다. 이 기록에 따르면, '2004년 수마트라 섬 난바다 지진'의 진원지 안에서는 과거에 세 군데에서 M7.5~7.9의 지진이 따로따로 발생한 적이 있다. 수마트라 섬 난바다 지진의 진원지에서 1847년, 1881년, 1941년에 M7 정도의 지진이 개별적으로 발생했다. 이것은 수마트라 섬 난바다 지진의 진원지 전체가 균일한 것이 아니라는 점을 나타낸다. 따라서 개별적으로 발생한 적이 있는 복수의 '지진의 발생원'이 조합된 것이, '2004년 수마트라 섬 난바다 지진'이라고 보는 것이 타당하다.
'1960년 칠레 지진'에서도 비슷한 점을 볼 수 있다. 칠레 지진의 진원지에서도 과거에는 개별적으로 지진이 발생했다. 1737년과 1837년에 진원지의 일부에서 지진이 발생했다. 더욱이 이 지역에는 1575년에, 1960년과 같은 지역이 어긋나 움직인 초거대 지진이 발생한 것으로 보인다. 1960년의 초거대 지진 또한 이들 과거에 비교적 대규모 지진을 발생시킨 '애스페리티'가 동시에 어긋나, 관측 사상 최대의 지진이 된 것으로 생각된다.
4. 초거대 지진의 재해
초거대 지진이 일어나면 어떤 일들이 일어날까? 여기서부터는 '초거대 지진'이 불러올 재해에 대해서 알아보자.
4-1. 초거대 쓰나미
'초거대 지진'에서는 '쓰나미(Tsunami)'의 피해가 일어나기 쉽다. '쓰나미'는 해저 지형이 단기간에 융기 또는 침강함으로써, 그 위에 실려 있던 바닷물 전체가 끌어 올려지거나 내려져서 발생한다. 초거대 지진은 육지 쪽의 판이 튕겨올라서 발생한다고 이미 설명했다. 그런데 이 튀어 오르는 부분이 대부분 해저에 있다. 그래서 초거대 지진에서는 필연적으로 쓰나미가 발생하게 된다. 초거대 지진은 진원지의 면적도 넓고, 미끄럼의 양도 커서, 더 넓은 면적의 해저가 더욱 크게 솟아오른다. 이에 따라 당연히 쓰나미의 규모도 커진다.
2004년 수마트라 섬 난바다 지진에서는 진원지에서 가장 가까운 '반다아체(Banda Aceh)'에서 최대 30m 높이까지 쓰나미가 엄습했다. 이 쓰나미에 의한 피해자는 20만 명을 넘었다. 이 쓰나미는 10시간도 채 되기 전에 인도양을 횡단해, 아프리카 대륙에서도 100명이 넘는 사망자를 냈다.
'1960년 칠레 지진'에서도 '초거대 쓰나미'가 발생했다. 이 쓰나미는 칠레는 물론이고 태평양을 건너 24시간 후에는 일본에까지 밀어닥쳤다. 특히 산리쿠 해안에는 5~6m의 쓰나미가 덮쳐, 지구 반대쪽의 지진에 의해 약 140명이나 목숨을 잃었다. 이처럼 초거대 지진에 의해 발생하는 초거대 쓰나미는 진원지에서 가까운 연안뿐만 아니라, 바다를 건너 세계 각지에 피해를 가져올 우려가 있다. 현재는 태평양 연안의 각국이 쓰나미를 공유하는 시스템을 갖추고 있다.
4-2. 진원지에서 먼 초고층 빌딩도 위협한다.
초거대 지진의 영향은 광범위하게 미친다. 이는 ' 초거대 지진' 그 자체의 에너지가 클 뿐만 아니라, 진원지의 면적이 넓기 때문이다. 또 흔들림이 계속된다는 점도 특징이다. 사실 진원지의 어긋남은 진원지 전체에서 동시에 일어나는 것은 아니다. 그래서 진원지 안의 어떤 곳으로부터 초속 몇 km의 빠르기로 어긋남이 확대되는데, 어긋남이 퍼져나가는 동안 지진파가 계속 나오게 된다. '2004년 수마트라 섬 난바다 지진'의 경우, 어긋남이 진원지의 끝에 도달할 때까지 10분 정도 걸렸다는 분석 결과가 있다. 결국 지진파도 같은 시간 동안 계속 나온 셈이다.
초거대 지진은 판 경계에서 발생하고, 판 경계는 대부분 육지에서 약간 떨어져 있는 해저에 있기 때문에, 육지의 바로 밑에서 초거대 지진이 일어나는 경우는 적다. 그래서 지진파가 가까운 도시로 전해지면서 약간 약해진다. '2004년 수마트라 섬 난바다 지진'의 경우, 수마트라 섬의 '반다아체(Banda Aceh)'에서도 진도 5~6 정도였다고 추측된다. 결국, 초거대 지진이라고 해도 진도 7의 강렬한 흔들림을 느끼는 것은 아니다.
또 '초거대 지진'의 특징 중 하나는, 장주기의 지진파가 강하게 나온다는 점이다. 초고층 빌딩 등의 거대 건조물은 지진파가 오면 '공진'이라는 현상을 일으켜, 크게 흔들릴 가능성이 있다. 더구나 장주기 지진파는 잘 약해지지 않고, 초고층 빌딩이 늘어서 있는 평야 지대에서는 장주기의 지진파가 증폭되기 쉬운 성질도 있다. 물론 지금까지는 초거대 지진이 초거대 도시에 타격을 가한 적은 없다. 하지만 그런 일이 정말로 일어나면 어떻게 될까? 이에 어떤 대책을 세워야 할지 등에 대한 연구가 필요하다.