0. 목차
- '2011년 동일본 대지진'은 '판 경계 지진'
- 애스페리티 모델
- M9 지진을 예측할 수 없었던 이유
- 그런데 사실 M9 지진의 가능성을 암시하는 단서가 있었다.
- '2011년 동일본 대지진'이 놀라운 이유
- 쓰나미
- '본진이 일어나기 전에 일어난 일들
- M9 지진이 일어난 이유
1. '2011년 동일본 대지진'은 '판 경계 지진'
일본 주변에는 지구 표면을 덮는 몇 개의 '판(plate)'이 힘을 겨루고 있다. 예컨대 '태평양판(Pacific Plate)'은 동쪽으로부터 연간 8cm 정도의 속도로 다가와, 일본의 북쪽 절반을 싣고 있는 '북아메리카판(North American Plate)' 밑으로 가라앉고 있다. 이와 같은 판끼리의 접촉면을 '판 경계'라고 한다.
'태평양판'이 가라앉으면서 육지 쪽의 판도 끌어당겨져 들어가듯이 변형된다. 변형이 진행될수록, 육지 쪽의 판이 원래의 형태로 돌아가는 힘 또한 강해진다. 즉, 지진을 발생시킬 에너지가 축작되는 것이다. 변형이 계속되다 보면 판끼리의 접착이 견뎌낼 수 없게 되는 순간이 오는데, 이때 육지 쪽의 판이 갑자기 튕겨 오르면서 격렬한 요동과 '쓰나미(지진 해일)'이 발생한다. 2011년 3월 11일에 발생한 '동일본 대지진'도 '판 경계 지진'이었다.
2. 애스페리티 모델
판 경계에서 모든 접촉면이 강하게 붙어 있는 것은 아니라고 생각된다. 접촉면 가운데 특히 접착이 강한 지역을 '애스페리티(Asperity)'라고 하는데, 애스페리티 영역은 접착면이 버틸 수 한계를 넘어 끊어질 때, 순식간에 엇갈려 움직이면서 격렬한 요동이 발생하게 된다. 일반적으로는 애스페리티 면적이 넓을수록 발생하는 지진의 규모가 커진다고 한다. 더욱이, 여러 개의 애스페리티가 연동하여 엇갈려 움직인다고 생각하면, 규모가 큰 지진의 발생도 설명할 수 있다. 판끼리의 접착이 약한 영역에서의 접촉면은 평소에도 미끄러지고 있던지, 격렬한 요동을 일으키지 않을 정도의 느린 미끄러짐이 이따금 일어날 것으로 생각된다.
이런 '애스페리티 모델(Asperity Model)'은 '판 경계 지진'이 같은 장소에서 반복적으로 발생한다는 점과, 때로는 연동하여 거대한 지진이 되는 점을 잘 설명할 수 있다. 하지만 '동일본 대지진'은 단순한 '애스페리티 모델'만으로는 설명이 되지 않는다.
3. M9 지진을 예측할 수 없었던 이유
'규모(기호 M)'는 지진 규모의 절대적인 에너지 크기를 나타내는 지표이다. M의 값이 1 올라갈 때마다 지진 에너지의 크기는 '101.5배 (약 32배)'가 된다.
일본 혼슈 동북부의 '도호쿠 지방(일본 혼슈 동북부에 있는 아오모리현, 이와테현, 미야기현, 아키타현, 야마가타현, 후쿠시마현의 6현을 말함)'의 태평양 연안 쪽에는 최대 M7~M8급의 '판 경계 지진'이 발생한 것으로 예상되었다. 하지만 실제로는 예상을 훨씬 뛰어넘는 M9의 지진이 일어났다. 왜 M9 지진을 예상하지 못했을까?
3-1. 접착이 약한 판 경계에서는 중규모 이하의 지진만 일어날 것으로 생각되었다.
20세기에 M9 이상의 지진은 전 세계에서 5번 발생했다. 21세기에 발생한 M9 이상의 지진은 '2011년 동일본 대지진'이 처음이었다. '2011년 동일본 대지진' 이전의 5차례는 모두 바단 쪽의 판이 젊은 영역에서 발생했다. 반면, 도호쿠 지방의 태평양 난바다에 있는 '태평양판'은 생겨난지 1억 년이 지났다. 연대가 오래된 영역에서는 판끼리의 접착이 약하다고 알려져 있었다. 그래서 일본에서 M9급의 지진은 발생하지 않으리라 생각했다.
실제로 도호쿠 난바다의 판 경계의 접착이 약하다는 것을 나타내는 데이터가 여럿 있다. 도호쿠 난바다에서는 비교적 빈번하게 지진이 발생해 왔는데, 이것은 판 경계 전체가 탄탄하게 붙어있지 않고 밀착이 강한 영역이 드문드문 존재함을 나타낸다. 즉, '애스페리티'가 작음을 의미한는 것을 나타낸다. 즉, 도호쿠 난바다의 판 경계 전체는 슬슬 미끄러지고 있으며, 그 과정에서 애스페리티가 파괴되면서 중규모 이하의 지진이 일어날 것으로 생각되었다.
3-2. 실제로 중규모 이하의 지진만 발생했었다.
과거에 발생한 지진을 자세히 분석해 보면, 거의 같은 장소에서, 같은 규모로, 거의 같은 간격으로 발생하는 지진의 그룹이 있다는 사실이 밝혀졌다. 아래의 표는 도호쿠 지방 가마이시 시 난바다의 판 경계에서 발생하는 짧게 반복되는 지진의 데이터다. M4.9 전후의 지진이 대략 5.5년의 주기로 반복되고 있음을 알 수 있다. 이러한 데이터를 바탕으로, 도호쿠 난바다에는 밀착이 약한 영역 안에 조그만 애스페리티가 드문드문 자리하고 있다고 여겨졌다. 그래서 이 지역에서는 'M9는커녕 M8의 지진도 제대로 일어날 수 없을 것이다'라는 생각이 지진학자 사이에 널리 자리 잡고 있었다.
| 시기 | 규모 |
| 1957년 09월 | M4.9 |
| 1962년 07월 | M4.9 |
| 1968년 10월 | M4.9 |
| 1973년 12월 | M4.8 |
| 1979년 07월 | M4.8 |
| 1985년 03월 | M4.9 |
| 1990년 07월 | M5.0 |
| 1995년 03월 | M5.0 |
| 2001년 11월 | M4.8 |
| 2008년 01월 | M4.7 |
4. 그런데 사실 M9 지진의 가능성을 암시하는 단서가 있었다.
한편, 도호쿠 난바다에서 과거에 거대한 지진이 발생했을 가능성도 지적되었다. 2000년대 이후의 조사에서, 일본 동북부의 평야 등지에서 쓰나미에 의해 내륙 깊숙한 곳가지 운반된 것으로 보이는 토사의 퇴적층이 발견된 것이다. '일본 3대 실록'이라는 역사서에 기록되어 있는 '조간 지진(869년)'의 결과물이라고 여겨지는 이 쓰나미 퇴적물의 도달 범위는 '2011년 동일본 대지진'에 필적할 만한 것으로, 적어도 M8.4 이상으로 추정되었다. 하지만 이러한 조사 결과가 일반인들에게 알려지기 전에 '동일본 대지진'이 일어나고 말았다.
또 다른 단서도 있었다. 도호쿠 지방에서는 'M7급 '미야기 현 지진'이 30~40년 간격으로 발생하고 있었다. 태평양판은 연간 8cm 정도 아래로 가라앉기 때문에 40년 동안 가라앉은 양은 3.2m나 된다. 이 축적된 에너지가 '미야기 현 난바다 지진'이 일어날 때마다 해방된다고 하면, 미야키 현 난바다 지진에 의해 육지 쪽의 판이 되돌아오는 양(엇갈려 움직이는 양)은 3.2m가 될 것이다. 그러나 실제로는 1~2m 정도밖에 되돌아오지 않았다고 한다. 이 '부족분(미끄러짐의 결손)'은 어떻게 된 것일까?
이에 대한 첫 번째 해석은, 미끄러짐의 결손은 M7급인 '미야기 현 난바다 지진' 등이 일어났어도 완전히 해소되지 않은 부분이 있고, 그것이 차츰 축적되어 결국 M9급의 지진을 일으킬 정도의 에너지가 축적되었다는 것이다. 두 번째 해석은, 미끄러짐과 결손은 관측하기 어려운 '슬로 슬립(slow slip)' 등에 의해 해소되어 실제로는 에너지의 축적이 이루어지지 않았다는 것이다. 많은 지진학자들은 두 번째 해석을 지지하고 있었다고 한다.
'GPS(위성 위치 확인 시스템)'에 의한 지각 변동 측정 데이터에도 단서가 숨겨져 있었다. 1990년대부터 2000년대 초에 걸쳐 도호쿠 지방의 중앙부에서부터 남부에 걸쳐서, 연간 2cm 정도 동서 방향으로 수축되고 있었다고 한다. 이것은 미야기 현 난바다에서부터 후쿠시마 현 난바다에 걸친 광범위한 영역의 판 경계가 단단하게 접착해 있음을 의미한다. 즉, 지진 에너지를 축적할 수 있는 영역임을 의미한다.
5. '2011년 동일본 대지진'이 놀라운 이유
'2011년 동일본 대지진'의 '진원역(지진에 의해 진원 부근의 암석이 파괴되었다고 예상되는 영역)'은 매우 거대하다. '이와테 현' 난바다에서 '이바라키 현' 난바다에 이르기까지 남북으로는 500km에 이르며 동서로는 최대 약 200km에 이른다. '2011년 동일본 대지진' 당시 일어난 일은 두 가지 측면에서 매우 충격적이었다. 첫 번째로 놀라웠던 점은 50m가 넘는 미끄러짐이 발생했다는 사실이었고, 두 번째로 놀라웠던 점은 미끄러짐이 컸던 영역이 해구 가까이 있었다는 점이었다.
- 순식간에 50m 이상 어긋나 움직였다: '2011년 동일본 대지진' 때, '진원역'에서 어긋나 움직인 정도의 최댓값은 50m가 넘는다고 한다. 한 번의 지진으로 판이 50m나 움직였다는 사실을 매우 놀랍다. 지진계로 관측된 지진파나 해저에 설치된 GPS의 측정 결과 등을 바탕으로, 많은 연구자가 계산한 진원의 모델이 거의 일치하고 있어, 적어도 50m 이상 움직였다는 사실은 거의 분명해 보인다. 50m 이상 움직였다는 것은, 연간 8cm씩 미끄러짐의 결손이 축적되었다고 보고 단순 계산해 봐도, 600년 동안 미끄러지지 않았다는 의미이다.
- 미끄러짐이 컸던 영역이 해구 가까이 있었다: 또 움직임이 컸던 장소가 태평양 판이 가라앉는 선인 '일본 해구'에 가까운 곳이었다는 점도 충격적이었다. 일반적으로 해구에 가까운 영역은 판끼리의 접착이 약하다고 여겨졌기 때문이다. 판 경계 가운데 해구 근처의 영역에는 바다의 판이 운반해 온 해저 퇴적물이 판 경계 사이로 끼어들어온다는 점 등 때문에 접착이 약하다고 생각되었다. 그리고 '가장 많이 움직인 영역' 즉, 이 사례에서 '해구 근처의 영역'이 가장 접착이 강한 '애스페리티' 장소였는지에 대해서도 아직 의문이 남아있다. 어쨋든 '2011년 동일본 대지진'은 믿기 어려울 정도로 미끄러짐의 결손이 상식 밖의 장소에 축적되어서 발생했다.
6. 쓰나미
6-1. 쓰나미란 무엇인가?
'쓰나미'는 해저의 '융기(uplift: 자연적인 원인에 의해 어떤 지역의 땅덩어리가 주변에 대하여 상대적으로 상승하는 일)'와 '침강(sink: 외부의 자연적인 힘으로 인해 땅덩어리가 주변보다 낮아지는 현상)'에 의해 발생한다. '판 경계 지진'으로 육지 쪽의 판이 튀어 올라가면, 해저도 튕겨 오른다. 즉, 융기한다. 그리고 그 위에 있는 바닷물이 솟아올라 생긴 파도가 주변으로 전해지는 것이 바로 '쓰나미(tsunami: 지진에 의한 해일)'이다.
6-2. 2단계의 쓰나미
'2011년 동일본 대지진'의 경우, 특히 '쓰나미'에 의한 피해가 컸다. 당시 2단계의 쓰나미가 덮쳤는데, 먼저 '장시간 밀려오는 쓰나미'가 밀려왔고, 이어 '극단적으로 높은 쓰나미'가 밀려왔다. 쓰나미는 난바다에서 발생한 상태의 형태를 거의 유지한 채 퍼져 나간다. 하지만 해안에 이르러 수심이 낮아지면, 속도가 줄어 뒤에서 오는 파도에 밀리게 된다. 그래서 해안에 가까워짐에 따라 쓰나미가 높아지고, 형태도 흐트러진다. 하지만 '2011년 동일본 대지진'의 경우, 난바다 해저에 설치된 2개의 해저 압력계를 통해, 발생했을 때부터 형태가 거의 흐트러지지 않은 상태의 쓰나미를 관측할 수 있었다.
두 군데의 관측 데이터 모두 우선은 완만하게 그리고 장시간에 걸쳐 수위가 상승했다. 이것은 '동일본 대지진'의 '진원역'의 폭 200km에 이르는 넓은 범위에 걸쳐 해저가 융기했음을 의미한다. 때문에 앞쪽의 쓰나미가 해안에 도착한 후에도 장시간 동안 수위가 높아진 상태가 유지되었다. 그 결과, 센다이 평야 등에서는 내륙 깊숙이 쓰나미가 밀려들었고, 해안에서는 4km 이상까지도 쓰나미가 밀려들었다. 이어 지속 시간은 짧지만 매우 커다란 수위 상승이 나타났다. 이것은 '진원역' 중에서 해구를 따라 형성된 영역의 해저가 좁은 범위이지만 매우 높게 융기된 것이 원인이다.
7. '본진이 일어나기 전에 일어난 일들
본진인 '2011년 3월 11일 지진'이 발생한 후에 알게 된 사실이지만, 사실 3월 11일 지진이 발생하기 전에 그전 단계라고 할 수 있는 현상이 몇 개 일어났다. 시간 순서에 따라 살펴본다.
우선 본진이 발생하기 전 대략 한 달 사이에 본진의 진원의 동쏙에서 '슬로 슬립(slow slip: 지각판의 경계면이 서서히 움직이는 현상)'이 발생했다. 이 '슬로 슬립'에 의해 해방된 에너지는 M7.0에 해당한다. 또 이 과정에서 '슬로 슬립'이 발생하는 과정에서 최대 M5급 지진이 다발적으로 발생했다. 이어 본진 발생 이틀 전인 3월 9일, '슬로 슬립'이 발생한 영역의 약간 서쪽에서 M7.3의 지진이 발생했다. 슬로 슬립에 의해 판이 조금 움직이고, 그것에 의해 유발된 지진으로 추측된다. 3월 9일 지진 후에는 '애프터 슬립(after slip)'이라는 현상도 확인되었다. '애프터 슬립'이란 지진에 의해 급격히 엇갈려 움직인 후에 보인는 느린 미끄러짐을 말하는 것으로 이것도 '슬로 슬립'의 일종이다. 이때의 애프터 슬립에 의해 해방된 에너지는 M6.8에 달했다. M7.3에 대한 애프터 슬립으로는 비교적 규모가 큰 것이었다고 말할 수 있겠다.
이러한 흐름으로 봤을 때, 3월 11일 본진에 이르기까지 본진의 애스페리티 부근에서 서서히 판의 접착이 끊어지고 있었던 것으로 보인다. 수백 년 이상 강하게 접착되어 지진의 에너지를 축적해 오던 애스페리티가 그 내부와 주변에서 지탱해 주던 힘을 잃어 가다가, 마지막에 더 이상 견딜 수 없게 된 순간에 움직였다는 것이다.
8. M9 지진이 일어난 이유
거대한 애스페리티가 '해구' 주변에 있었다고 해도 M9 지진이 일어난 것은 설명이 되지 않는다. 이와테 현 난바다부터 이바라키 현 난바다까지 남북 500km에 이르는 영역이 움직였다. 어떻게 판 경계의 접착면의 파괴가 이렇게 넓은 범위에서 일어났을까?
8-1. 기존의 애스페리티 모델은 수정이 필요한가?
'애스페리티 모델'에서는 '애스페리티 영역(접착이 강한 영역)'은 움직임이 시작되면 마찰력이 낮아지는 특징을 가지고 있다고 생각된다. 평소에는 강하게 접착해 있다가, 일단 접착이 끊어지기 시작하면 순식같에 엇갈려 움직이는 것이다.
반면, 애스페리티가 아닌 영역은 미끄러지기 시작하면, 마찰력이 높아지는 특징을 가지고 있다고 생각된다. 이런 영역에서는 조금 미끄러지면 마찰력이 상승에 미끄러짐이 늦추어지고, 또 조금씩 미끄러지다가 다시 미끄러짐이 늦춰지는 것을 되풀이하게 될 것이다. 결과적으로 급격하게 어긋나는 움직임이 발생하기는 어렵고, 천천히 매끄럽게 미끄러져, 지진이 발생하기 어려워진다.
8-2. 애스페리티가 아닌 영역도 지진의 발생원이 될 가능성
하지만 '2011년 동일본 대지진'의 '진원역'의 넓이를 보면, 애스페리티가 아닌 영역도 지진의 발생원이 되었을 가능성이 높다고 한다. 암석을 사용한 실내 실험 결과에 따르면, 미끄러기 시작한 후, 어느 정도 이상의 양을 미끄러짐으로써, 비로소 급격한 미끄러짐이 가능해질 정도로 마찰력이 낮아졌다고 한다. 그리고 그렇게 되기 위해 필요한 미끄러진 양은 암성의 성분과 온도 등의 상황에 따라 다른 것으로 나타났다.
이 실험 결과를 도호쿠 난바다의 판 경계에 적용해 보자. '애스페리티 모델'에서는 '애스페리티가 아닌 영역'은 미끄러지기 시작하면 마찰력이 상승하는 영역이라고 생각해 왔다. 그런데 그것이 아니라, 애스페리티가 아닌 영역은 미끄러지기 시작하면, 마찰력이 낮아지지만, 마찰력의 저하가 충분하지 않아 평소에는 지진이 발생할 정도에 이르지 않는 영역일 수도 있다.