<증보문헌비고>, <삼국사기>, <조선왕조실록> 등 역사문헌에 기록된 내용을 통해 과거에 발생했던 지진을 살펴볼 수 있다. 

인명피해가 가장 컸던 것으로 기록된 지진은 서기 779년(신라 혜공왕 15년) 경주에서 발생한 지진으로 100여 명의 사망자가 발생했다고 <삼국사기>에 기록되어 있다. 

<조선왕조실록>을 보면 1643년 7월(조선 인조 21년)에는 울산부(울산)에서 땅이 갈라지고 물이 솟구쳐 나왔으며, 바다 가운데 큰 파도가 육지로 1, 2보 나왔다가 되돌아 들어가는 것 같았다는 기록이 있다. 뿐만 아니라 1681년 6월(조선 숙종 7년)에는 지진이 발생했을 때 파도가 진동하고 끓어올랐으며, 해변이 조금 작아져 마치 조수가 물러난 때와 같았다고 적혀있다. 해수면 변화에 대한 기록을 통해 이 두 지진에는 지진해일도 뒤따라 발생한 것으로 평가되고 있다.

<그림> 역사문헌 속 지진 기록 (출처: 기상청 「한반도 역사지진 기록」)

1900년대 이후에는 1936년의 쌍계사 지진(규모 5.1), 1978년의 홍성 지진(규모 5.0)과 2017년의 포항 지진(규모 5.4)으로 피해가 발생한 적이 있으며, 2016년에는 1978년 계기관측이래 최대규모인 규모 5.8의 지진이 경주에서 발생하여 건물 균열 등 피해가 발생했다.

<그림> 1936년 쌍계사 지진 (출처: 행정안전부)

<그림> 1978년 홍성 지진 (출처: 행정안전부)

일반적으로 지진의 크기는 규모와 진도로 나타낸다. 

1. 규모와 에너지

규모(Magnitude)는 지진발생 시 지진이 가지고 있는 절대적인 에너지의 크기를 말하고, 진도(Intensity)는 어떤 장소에서의 상대적인 흔들림의 크기를 말한다. 

<그림> 규모와 진도 (출처: 기상청)  

규모는 길이, 질량과 같은 물리적인 개념의 단위가 아니라 단순히 일종의 약속된 단위이다. 다양한 방법을 이용해 지진 규모를 측정할 수 있으며, 이상적으로는 어떤 방법을 사용해도 한 지진의 규모가 동일한 값으로 측정되도록 경험적으로 조정되어 있다. 규모는 지진계에 기록된 지진파의 최대 진폭과 진앙 거리를 이용하여 계산하는데, 지진파 전파의 복잡한 특성으로 인해 지진관측소마다 관측한 지진파의 진폭이 서로 다르다. 그렇기 때문에 진폭이 측정되는 관측소마다, 측정 방법마다 계산된 지진 규모가 서로 차이가 있을 수 있다. 

지진 규모를 에너지의 크기로 비교해보면 규모 1.0 이 증가할 때, 지진파의 진폭은 10배 증가하고, 방출되는 에너지는 약 32배(10^​1.5*1.0​=31.62) 증가한다. 예를 들면, 규모 6.7의 지진이 방출하는 에너지는 규모 4.7의 지진이 방출하는 에너지의 약 1,000배(10^​1.5*2.0​=1,000)이다. 또한, 규모 4.7의 지진이 1,000회 발생한 에너지와 동일하다. 이러한 지진 에너지를 TNT양으로 환산하면 아래와 같다.

<표> 지진에너지의 환산

2016년 9.12(경주)지진, 2010년 아이티 지진, 2011년 동일본 대지진에 해당하는 TNT 양을 부피로 비교하면 아래 그림과 같다.

<그림> 지진에너지의 비교 (출처: https://www.washingtonpost.com/wp-srv/special/metro/urban-jungle/pages/110906.html)

이와 같이 지진 규모의 차이에 따라 방출된 에너지는 기하급수적으로 증가한다.

2. 규모의 종류

2.1 국지규모(리히터 규모, M) 

지진 규모의 개념을 처음으로 도입한 사람은 미국의 지진학자인 리히터(C. F. Richter)이다. 미국 남부 캘리포니아 지역에서 발생한 국지지진의 크기를 정량화하였으며, 국지규모를 리히터규모라고도 한다. 리히터규모는 우드-앤더슨(Wood-Anderson) 지진계에 기록된 지진파의 진폭을 대수화하여 그 지진의 규모를 결정하는데, 규모 산정 시 거리상의 제한(600km)이 있어서 근거리에서 발생한 지진에 대해서만 사용 가능하다. 리히터규모식에는 지진파가 전파되는 매질의 특성을 나타내는 항이 포함되어 있으며, 이 값은 지진이 발생한 지역에 따라 그 값이 다르다. 따라서 리히터규모식을 사용할 경우에는 그 지역 고유의 매질 특성을 반영하는 값을 결정하여 사용한다.

2.2 실체파 규모(m)와 표면파 규모(M)

실체파 규모와 표면파 규모는 근거리 지진에만 적용하는 국지규모의 단점을 보완한다. 실체파 규모는 심발지진(진원깊이 300km이상) 또는 인공지진의 규모 계산에 활용하고, 표면파 규모는 천발 지진(진원깊이 70km이하)의 규모 계산에 활용한다. 그러나 지진 발생 거리나 깊이 등에 따라서 규모 차이가 발생할 수 있다.

2.3 모멘트 규모(M)

모멘트 규모는 규모 산정 시 단층면의 어긋난 면적과 단층이 어긋난 길이의 곱에 비례하는 물리적인 양을 사용한다. 비교적 큰 규모의 지진의 크기를 계산하기에 적합한 규모식이다. 

1900년 이후 발생한 지진 중 가장 큰 규모의 지진인 1960년 칠레지진의 리히터 규모는 8.3인 반면, 모멘트 규모는 9.5이다.

3. 지진 규모와 발생 빈도의 관계

큰 규모의 지진에 비해 작은 규모의 지진이 더 자주 발생하는데, 전 세계 지진 발생 빈도 그래프에서 보이는 것처럼 지진 규모가 1 정도 차이마다 지진 발생 빈도는 약 10배 정도씩 차이가 있는 것을 알 수 있다. 이러한 그래프를 지진 규모와 발생 빈도와의 관계를 설명하도록 그리면 아래와 같다.

<그림> 지진규모(Earthquake magnitude)에 따른 지진 발생빈도(Earthquake frequency) (출처: 기상청)

이와 같은 지진 발생 빈도와 지진 규모가 가진 관계를 설명하는 것이 구텐버그-리히터의 법칙(Gutenberg-Richter's Law)인데, 아래와 같은 식으로 표현한다.

이 식에서 M은 지진의 규모를 나타내고, 규모 M보다 큰 지진이 발생한 횟수가 N이다. 그리고 어떤 지역의 특정한 기간 동안 발생한 지진 횟수를 설명하는 변수가 a이고, b는 지진 규모(M)와 지진 발생 빈도(N)의 상관관계를 설명하는 변수이다. 

전 세계적으로 b값의 평균은 1.0 정도이며, 지진 발생 빈도가 낮은 안정된 대륙 내부에서는 0.6~0.8 정도의 비교적 작은 값을 가지는 것으로 알려져 있다. 이와 같은 구텐버그-리히터의 법칙을 이용하면 앞으로 지진 발생 확률을 계산할 수 있는데, 만약 b값이 1.0일 경우 규모 5.0의 지진이 10번 발생할 때 규모 6.0의 지진은 한 번 정도 발생한다고 볼 수 있다. 안정된 대륙 내부에서는 b값이 좀 더 작기 때문에 규모 5.0의 지진이 4~6번 정도 발생할 때 규모 6.0의 지진이 한번정도 발생한다고 볼 수 있다. 이처럼 구텐버그-리히터 법칙의 b값은 지진 발생 가능성과 지진 재해 연구에서 중요한 의미를 가진다.

(내용 출처: 기상청 지진표준교재)

지진 감시 및 분석은 지구의 땅속 어디선가에서 발생한 에너지가 지표면에 설치한 지진계에 기록된 신호를 가지고 분석을 통해 발생위치와 크기를 찾는 과정이다. 예를 들어, 땅속 약 8km 깊이에서 발생한 규모 5.4의 포항지진은 약 20km의 단층이 깨진 것으로 분석되는데, 이때 분석한 결과를 확인하기 위해서는 8km의 깊이로 20km에 걸쳐 흙을 모두 치워봐야 그 분석결과가 정확한지 확인할 수 있다. 그러나 현실적으로 불가능하다. 태풍 예보의 경우 00일, 00시에 00지역에 태풍이 상륙한다는 예보를 하고, 그 시점에 관측을 통해 예보 정확도를 분석하고 차이가 발생한 원인을 찾아 분석방법을 개선할 수 있으나, 지진 분석은 단층을 관측할 수 없기 때문에 발생하는 불확실성이 있을 수밖에 없다. 

- 미국: 지진이 자주 발생하는 미국 서부 지역을 중심으로 ShakeAlert 라는 지진조기경보 시스템이 갖추어지고 있다. On-site 기반의 조기경보(OnSite)와 Network 기반의 조기경보(ElarmS, Virtual Seismologist)를 동시에 운영하고 있으며, 아직은 시험 운영 중에 있다.

<그림> 미국의 지진조기경보 (출처: 논문 Strauss and Allen, 2016)

- 멕시코: 멕시코의 지진조기경보시스템인 SASMEX (Mexican Seismic Alert System)는 1985년 9월 19일 지진으로 인해 멕시코시티가 크게 피해를 입은 이후 시작되었으며, 일반인들에게 경보를 전파하는 가장 오래된 지진조기경보시스템이 SASMEX 이다. 멕시코는 지형적으로 쿠퍼 박사의 지진조기경보 개념에 적합한 지리적 조건을 가지고 있다.

<그림> 멕시코의 지진조기경보 (출처: 논문 Espinosa-Aranda et al, 2009)

멕시코는 서남해안에 섭입대가 인접해 있어서 그 지역에서 큰 지진이 많이 발생한다. 그런데 수도인 멕시코시티는 이 지역으로부터 멀리 떨어져 있었지만 호수를 매립하여 만든 도시이기 때문에, 1985년 섭입대에서 발생한 지진의 지진파가 증폭되어 큰 피해를 입었다. 큰 지진이 많이 발생하는 섭입대 지역이 많은 인구가 거주하는 도시로부터 약 300-450km나 떨어져 있기 때문에, 해안선에 설치된 관측망을 이용한 지진조기경보시스템이 약 60~80초 정도의 여유 시간을 제공할 수 있다.

- 일본: 최초의 지진조기경보시스템인 UrEDAS(Urgent Earthquake Detection and Alarm System)를 개발하여 1988년부터 해저 터널에서 운영하였으며, 1990년 신칸센에 적용하였다. 그 이후 2007년 10월부터 일본 기상청에서는 긴급지진속보라는 지진경보 메시지를 일반인들에게까지 전송하고 있다. 현재도 경보 시간을 줄이고, 정확도를 높이기 위해 많은 투자와 연구를 진행하고 있다. 

- 대만: 대만도 큰 지진의 피해를 많이 입다보니, 일찍부터 지진조기경보에 많은 관심을 갖고 연구를 진행해 왔다. 1995년 초기의 지진조기경보시스템을 운영하였으며, 1999년 규모 7.3의 치치(集集: Chichi) 지진이 발생한 직후 102초 만에 경보를 발령하였다. 지속적인 연구 개발과 투자로 2007년부터는 독자적으로 개발한 지진조기경보시스템을 시험적으로 운영하였고, 2014년부터 eBEAR라는 지진조기경보시스템을 이용해 학교와 정부기관에 지진조기경보를 전파하고 있다.

(내용 출처: 기상청 지진표준교재) 

지진은 땅이 흔들리는 현상을 일컫는 용어이다. 단층, 산사태, 화산 분출과 같은 자연적인 원인을 비롯하여 폭파, 발파 등과 같은 인공적인 요인에 의해서도 땅은 흔들릴 수 있다. 심지어 번개나 태풍 또는 바람, 파도와 같은, 땅과 크게 관련이 없을 것과 같은 자연현상에 의해서도 땅이 흔들린다. 그런데 사람이 느낄 수 있으며, 피해를 일으키는 대부분의 지진은 단층과 같은 지체구조적인 원인에 의해 발생한다.

1. 탄성반발설(Elastic rebound theory)

16세기에 코페르니쿠스의 지동설이 발표되고, 17세기에는 뉴턴이 만유인력의 법칙을 발표하는 등 15세기에 들어서면서 시작된 과학 혁명의 영향으로 다양한 과학적 성과들이 이루어졌다. 이러한 과학적 성과는 자연현상의 관찰을 바탕으로 한 깊은 사색과 토의를 통해 이루어졌다. 하지만 19세기 초반까지도 지진 발생의 원인은 과학적으로 설명할 수 없었다. 그러던 가운데 19세기 후반에 들어서면서 지진과 단층의 관계를 이해하기 시작했으며, 20세기 초반이 되어서야 지진 발생 원리를 비로소 설명할 수 있게 되었다. 

지진학적 기초적인 개념 정립이 이처럼 늦어진 것은 지진과 관련된 현상의 과학적 복잡성 때문이라기보다는 관찰의 어려움에 기인했던 것으로 보인다. 지진의 주요한 원인인 단층 운동은 인간의 시야를 벗어난 수 Km 이상의 지하에서 대부분 발생하기 때문에 과학적 인과관계를 밝히는데 많은 시간이 필요했다.

<그림> 일본 미노-오와리 지역

(출처: https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%AF%B8%EB%85%B8-EC%98%A4%EC%99%80%EB%A6%AC_%EC%A7%80%EC%A7%84)

1891년 일본 미노-오와리 지역에서 규모 8.0의 지진이 발생하면서 평탄했던 지표에 수 m 정도의 단층 절벽(단층애)이 만들어졌고, 이를 통해 단층 운동에 의해 지진이 발생한다는 단층과 지진과의 직접적인 인과관계가 밝혀졌다. 하지만 단층이 어떻게 단층 주변을 비롯해 먼 지역까지 진동시킬 수 있는 지진을 유발하는지 설명할 수는 없었다.

<그림> 샌프란시스코 도심의 지진 피해 (출처: https://www.britannica.com/event/San-Francisco-earthquake-of-1906) 

 미국 서부 지역은 비교적 지진 활동이 활발한 지역인데, 1906년 미국 캘리포니아주 샌프란시스코에 규모 7.8 정도의 지진이 발생하여 3천여 명 이상이 죽고 샌프란시스코 도심의 약 80% 이상이 폐허가 되었다. 당시까지도 지진의 정확한 원리를 이해하지 못했기 때문에, 1906년 샌프란시스코 대지진을 계기로 지진 대책을 세우기 위한 정밀 조사를 수행하였다. 이에 UC버클리 대학의 로슨(Lawson) 교수를 중심으로 한 지질학자를 비롯한 천문학자들, 공학자까지 포함된 지진조사위원회가 결성되어 지진 피해를 조사, 기록하고 관련된 여러 가지 과학적 관측값들을 정리하여 1908년에 로슨 보고서(Lawson report)를 발표하였다. 

샌프란시스코는 당시에도 지금처럼 미국의 주요 도시 중 하나로, 매우 발달하여 많은 사람들이 거주하고 있었기 때문에 샌프란시스코 일대의 개발과 관리를 위해 정밀한 측량값을 가지고 있었다. 따라서 대지진 이후 피해 지역을 다시금 정밀하게 측량하고 과거의 측량 자료와 비교함으로써 마침내 지진 발생의 원리가 밝혀지게 되었다. 

<그림> 응력과 변형률 그래프 (출처: 기상청)  

로슨의 지진조사위원회에 속했던 존스 홉킨스 대학의 리드(Reid) 교수는 반복적인 측량을 통해, 지표에 드러난 단층 주변의 지표 변위가 가장 컸으며 단층으로부터 멀어질수록 움직인 거리가 감소한 것을 확인하고, 이와 같은 관측 자료를 바탕으로 지진 발생의 원리를 설명하는 “탄성반발설”을 제안하였다.

<그림> 탄성반발설 (출처: 기상청) 

탄성은 외부의 힘에 의해 변형된 물체가 이 힘이 제거되었을 때 다시 원래의 모습으로 되돌아가려는 성질을 말한다. 대표적인 탄성체로는 용수철, 고무줄 등이 있다. 단단한 나뭇가지가 힘의 작용과 제거로 인해 구부려졌다가 다시 펴지는 것도 탄성이다. 암석도 힘을 가하면 변형을 받고 그 힘을 제거하면 다시 원래 모습으로 돌아오는 탄성체이다. 만약 탄성체에 탄성 한계를 넘어서는 큰 힘을 가하게 되면 탄성체는 원래 모습으로 돌아오지 못하는 소성 변형되고, 더 큰 힘이 작용되면 취성 파괴되어 깨지거나 부서질 수도 있다.

지진의 발생 원리인 탄성반발설은 나뭇가지를 부러뜨리는 과정으로도 설명할 수 있다. 곧은 나뭇가지에 힘을 조금씩 주면 점점 휘어지는데, 계속 같은 방향의 힘을 가하게 되면 휘어지던 나뭇가지는 결국 부러진다. 힘을 받아 휘어졌던 나뭇가지들은 부러지고 나면 다시 원래의 곧은 모습으로 돌아온다. 가지를 휘어지게 했던 힘 중에서 일부는 나무를 부러뜨리는 데 사용된다. 휘어진 나뭇가지가 원래의 곧은 모습으로 돌아올 때, 남아있던 나머지 힘은 나뭇가지를 진동시키는 형태로 방출된다. 결국 단단한 나뭇가지를 휘어지게 했던 힘의 일부가 나뭇가지를 진동시키고, 이로 인해 나뭇가지를 잡고 있던 손에서 통증을 느끼는 것이다.

<그림> 지진 발생 전/후 비교 (출처: 기상청)  

보존 경계에 있는 변환 단층에서도 탄성반발설에 의한 지진 발생 과정을 확인할 수 있다. 보존 경계에서 두 판은 경계면을 기준으로 서로 다른 방향으로 엇갈려 움직인다. 그런데 경계면에서의 마찰력으로 인해 두 판은 서로 단단히 결합되어 있으며, 서서히 함께 휘어진다. 판의 이동에 따라 판을 휘어지게 했던 힘은 지속적으로 누적되어 이 힘이 마찰력보다 크게 되는 순간, 마찰력으로 인해 붙어 있던 판 경계 부분이 엇갈려 움직인다. 휘어졌던 판들은 부러진 나뭇가지와 마찬가지로 다시 원래 상태의 모습으로 회복되면서 진동이 발생하는데, 이것이 지진이다.

<그림> 지진으로 인한 울타리 이동 모습 (출처: 지구시스템의 이해) 

리드 교수가 탄성반발설을 제안했던 계기가 된 캘리포니아 지진은 보존 경계인 샌안드레아스 단층대에서 발생하였다. 지진 발생 전에 측량한 값은 오랜 기간 판의 이동이 누적된 결과이다. 단층면 근처의 두 판은 각자의 이동 방향으로 움직이지 못했다가 갑작스러운 단층 움직임으로 인해 그동안 누적된 이동 거리만큼 순식간에 움직였다. 따라서 단층면 근처에서는 단층 운동에 의한 변위가 크다. 이에 반해 단층면에서 멀리 떨어진 지점은 서로 반대 방향으로 계속 조금씩 움직였기 때문에, 지진 발생 시 변위는 단층 근처보다 상대적으로 작다.

2. 단층의 종류와 특성

단층 운동에 의해 암석이 미끄러져 움직인 평면적인 단면을 단층면이라 한다. 단층면이 기울어져 있을 때, 단층면의 아래쪽 암석을 하반(foot wall), 위쪽 암석을 상반(hanging wall)이라 부른다. 단층면을 기준으로 두 암석의 상대적인 움직임에 따라 단층을 크게 세 종류로 분류하는데, 정단층, 역단층, 주향이동 단층이 있다. 지하의 암석은 판구조 운동에 의해 압축 또는 팽창시키려는 수평적으로 작용하는 힘, 중력에 의해 아래쪽으로 당겨지는 힘과 같이 사방에서 3차원적인 힘을 받고 있다. 그런데 이 힘들은 지역에 따라 크기와 방향의 차이를 보이며, 이 힘들의 크기 차이에 따라 각각 다른 형태의 단층 운동이 발생한다.  

<그림> 단층의 종류와 특성 (출처: 기상청)  

정단층(Normal fault)은 단층면 위쪽에 있는 상반이 아래쪽으로 미끄러져 내려오는 움직임의 단층 운동을 말한다. 수평적으로 작용하는 압축적인 힘보다 지구의 중력과 암석의 무게로 인한 수직적인 힘이 더 크거나, 수평적으로 양쪽에서 잡아당기는 힘(팽창력)에 의해 단층 운동이 발생할 때 정단층의 형태의 단층면이 형성된다. 역단층(Reverse fault)은 단층면 위쪽의 상반이 위쪽으로 밀려 올라가는 움직임의 단층 운동이다. 중력에 의한 수직적인 힘이 가장 약하고, 수평적으로 강한 압축력이 작용했을 때 나타나는 단층 운동이다. 주향이동 단층(Strike-slip fault)은 단층면의 경사와는 상관없이 단층면과 평행한 방향으로 서로 어긋나 수평적으로 이동하는 단층이다. 이러한 단층 운동은 수평 방향 중 한 방향에서 가장 큰 힘이 작용하고, 다른 수평 방향에서 가장 작은 힘이 작용할 때 발생한다. 정단층과 역단층을 함께 묶어 경사 단층이라 지칭하여 주향이동 단층과 구분하기도 한다. 때로는 경사 단층과 주향이동 단층이 복합적으로 나타나기도 하는데, 이를 사교 단층 또는 사교 이동 단층(Oblique slip fault)이라고 부른다.

<그림> 단층면의 주향(Strike)과 경사(Dip) (출처: 기상청) 

단층면의 기울어진 면과 수평면이 만나는 선을 주향선이라 하는데, 관찰자가 지표면에서 주향선의 양쪽에 각각 두 발을 놓고 서 있을 수 있는 방향은 서로 정반대의 두 가지 방향이 있다. 이들 두 방향 중에서 오른쪽 발이 단층의 상반을 딛고 있을 때, 관측자가 바라보는 방향을 주향(Strike)이라하며, 지진학에서는 진북을 기준으로 시계 방향으로 측정한 각을 주향각으로 정의한다. 단층면이 수평면에 대해 기울어진 각도를 나타내는 경사(Dip)는 수평면에서부터 아래쪽으로 각도를 측정하여 0°~90°의 범위를 갖는다. 역단층의 경우 경사에 따라 세분하여 구분하기도 하는데, 경사가 45°보다 작은 경사의 역단층을 스러스트 단층(Thrust fault)라 부르며, 경사가 20°보다 작은 매우 완만한 경사의 역단층을 오버스러스트 단층(Overthrust fault)이라 한다.

단층 운동이 발생했을 때 상반이 단층면을 따라서 미끌려 움직인 방향의 각도를 미끌림각 또는 면선각(Rake, Slip angle)라고 부르며, 주향 방향을 기준으로 하여 단층면을 따라서 반시계방향으로 각도를 측정한다. 단층의 주향과 경사가 같더라도 상반과 하반의 상대적인 움직임 차이, 즉 면선각의 차이로 인해 정단층과 역단층이 구분된다. 미끌림각은 단층면 위에서 측정하는데, 주향선 방향으로부터 단층이 움직인 방향의 각도를 측정한다. 상반이 위쪽으로 움직이는 역단층의 경우에는 미끌림각이 양의 값을 가지고, 아래쪽으로 움직이는 정단층의 경우에는 음의 값을 가진다. 주향이동 단층의 미끌림각은 0° 또는 ±180°의 값을 가진다. 주향이동 단층의 움직임을 설명할 때는 관찰자가 지표면의 단층선 양쪽에 각각 두 발을 놓고 주향 방향을 바라보면서 서 있다고 가정한다. 관찰자의 왼쪽 암반이 관찰자 쪽으로 가까워지는 방향으로 움직일 때를 좌수향 주향이동 단층이라 부른다. 만약 관찰자의 오른쪽 암반이 관찰자에게로 가까워지는 방향으로 움직였다면 우수향 주향이동 단층이 된다.

(내용 출처: 기상청 지진표준교재)

1. 대륙이동설(Continental drift theory)

판구조론과 관련된 개념들은 여러 가지 과학적 증거들이 19세기 말부터 꾸준히 발견되다가 1915년 알프레드 베게너가 대륙이동설이라는 가설을 발표하면서 많은 주목을 받았다. 서로 다른 대륙의 해안선이 맞물리는 형태나, 여러 대륙에서 발견된 화석, 빙하의 흔적들과 같은 여러 가지 결과들을 기초로 과거에 판게아라는 거대한 대륙이 쪼개진 후 움직여서 현재와 같은 지구의 형태를 갖춘 것으로 주장하였다. 하지만, 그 당시의 지구에 대한 이해 수준으로는 어마어마한 크기의 대륙이 어떻게 움직일 것인가의 문제를 과학적으로 설명할 수 없었다. 

<그림> 판게아(Pangaea) 대륙 (출처: 「지구시스템의 이해」)

1950년대부터 본격적으로 시작된 해양조사 결과로, 대륙에서 볼 수 있는 거대한 산맥과 깊은 계곡이 해저에도 존재한다는 해저면의 지형적 특징과 다양한 지구물리학적 특성을 알게 되었다. 이를 통해 해양판의 생성과 움직임, 소멸 과정을 설명하는 해저 확장설이 1962년 해리 헤스에 의해 발표되면서, 판구조론으로 발전하게 되었다.

<그림> 대륙 이동의 증거 (출처: 「지구시스템의 이해」)

과거 오랜 지구의 역사 동안 지구 자기장의 방향은 끊임없이 변화해 왔다. 이를 지자기 역전이라 하며, 이러한 고기자기학적 특징이 해양지각에 잘 기록되어 있다. 자석에 오랫동안 못을 붙여놓으면 못도 자석의 성질을 가지게 되듯이, 암석도 자화될 수 있기 때문이다. 맨틀 물질이 상승하여 중앙해령에서 단단한 암석으로 식으면서 암석도 지구의 자기장 방향으로 자화된다. 이 때문에 주기적으로 지구 자기장의 방향이 바뀐 흔적이 해저면의 암석에 기록된 것이다. 또한, 중앙해령을 중심으로 새로운 해양판이 양쪽으로 퍼져나갔기 때문에, 암석에 기록된 지자기 역전의 흔적이 대칭적으로 존재한다는 사실도 밝혀졌다. 

2. 판구조론(Plate tectonics)

판구조론은 암석권으로 이루어진 판의 움직임을 전 지구적인 관점에서 설명하는 개념이다. 이를 통해 46억 년의 오랜 시간 동안 지구 표면이 어떻게 변화해 왔으며, 앞으로 어떻게 변화할 것인지를 예측할 수 있다. 판구조론의 가장 기본적인 개념은 유동적인 성질을 가진 연약권이 오랜 시간 동안 천천히 변형을 일으키며 움직이고, 암석권은 그 위에 떠 있는 것처럼 움직인다는 것이다.  

<그림> 지구 표면을 둘러싸고 있는 판 (출처: 「지구시스템의 이해」)

<그림> 판의 경계와 이동 방향 (출처: 「자연 재해와 재난」 시그마프레스)

지구 표면을 여러 개의 크고 작은 조각으로 둘러싸고 있는 판은 제각기 서로 다른 방향으로 서로 다른 속도로 움직인다. 평균적으로 1년에 1~5cm 정도씩 움직이며, 이 속도는 손톱이 자라는 속도와 비슷하다. 지구상에서 가장 빨리 판이 움직이는 곳은 16cm 정도이며, 머리카락이 자라는 속도와 비슷하다. 

<그림> 판의 이동방향과 이동속도 (출처: 책. 지구시스템의 이해)

우리나라와 일본은 유라시아판에 속하며, 일본 동쪽에 있는 태평양판은 1년에 7~9cm씩 유라시아판 쪽으로 움직인다. 이 속도로 천만년 정도 움직였다면 태평양판은 700km 나 움직인 셈이 된다. 지구의 나이가 46억 년 정도나 되며, 중생대 백악기에 한반도에 공룡이 번성하다가 6천6백만 년 전쯤 공룡이 멸종하고 신생대가 시작된 것을 감안하면, 1천만 년은 그리 긴 시간은 아니다. 

판의 이동은 지구가 내부의 뜨거운 열을 방출하는 과정에서 발생하는 현상이다. 냄비에 담긴 물을 끓이면 바닥에 가열된 물의 부피가 증가하여 상부의 물보다 가벼워지면서 대류 운동이 발생하는 것과 비슷한 원리이다. 지구 내부의 뜨거운 맨틀 물질은 상승하여 옆으로 밀려나면서 점차 차갑게 식고, 부피가 줄며 다시 무거워져서 내구 내부로 소멸되는 과정을 거친다. 맨틀 물질이 상승하여 새로운 판을 만드는 곳을 발산 경계라 하고, 대부분의 발산 경계는 바다 한가운데에 산맥처럼 솟아올라 있기 때문에 중앙해령이라 부른다. 이곳에서 새로운 해양판이 만들어져 매년 조금씩 양쪽으로 해저면이 확장된다. 해양판은 천천히 식으면서 밀도가 증가하여 다시 맨틀 속으로 들어가는데, 이러한 지역을 소멸경계, 또는 섭입대라 한다.

<그림> 판의 이동으로 생기는 경계 (출처: 「지구시스템의 이해」) 

이처럼 판을 움직이게 하는 힘의 원동력은 무엇일까? 과거에는 맨틀 대류 운동에 의해 판이 움직인다고 생각했지만, 최근 연구에서는 3가지 원인이 복합적으로 작용하는 것으로 설명한다. 

첫 번째는 섭입대에서 섭입하고 있는 차갑게 식은 해양판을 슬랩(slab)이라 부르며, 슬랩은 단단한 해양판의 일부이다. 섭입하는 슬랩은 주변의 맨틀보다 밀도가 높아 계속 지구 중심 방향으로 가라앉으려 하기 때문에, 중앙해령까지 연결된 해양판을 잡아당긴다. 이처럼 슬랩이 판을 잡아당기는 힘이 판을 움직이게 하는 가장 큰 원동력이다. 중앙해령에서 상승하는 맨틀이 해양판을 밀어내는 힘도 판을 움직이게 하는 두 번째 요소이다. 중앙해령은 상승하는 맨틀의 부력에 의해 주변보다 해저면의 고도가 높기 때문에, 중력에 의해 해양판은 더 낮은 곳으로 밀려나게 되기 때문이다. 세 번째는 섭입하는 슬랩이 주변 맨틀과의 마찰력으로 섭입대 주변의 대륙판을 끌어당기는 힘이다. 이와 같은 세 개의 힘을 판을 움직이게 하는 주요한 원동력으로 파악하고 있다.

3. 판의 경계 지역의 특징

<그림> 판 경계의 종류와 특징 (출처: 「지구시스템의 이해」)  

지구 표면을 둘러싸고 있는 크고 작은 여러 판들은 3 가지 방식으로 서로 인접해 있다.

첫 번째는 새로운 판이 생성되는 발산 경계이다. 대부분의 발산 경계는 대양의 한 가운데에 중앙해령의 형태로 존재하지만, 대륙의 한가운데에 발산 경계가 존재할 수도 있다. 발산 경계에서는 뜨거운 맨틀 물질이 상승하여 새로운 판이 만들어지며, 발산 경계를 기준으로 두 판은 서로 멀어지는 방향으로 이동하며 접해 있다. 대표적인 지역으로 해양판과 해양판이 서로 발산하는 대서양 중앙해령과 대륙판과 대륙판이 발산하여 생성된 동아프리카 열곡대가 있다. 

<그림> 수렴 경계 (출처: 「지구시스템의 이해」)

수렴 경계는 판이 소멸되는 곳으로, 두 판이 서로 가까워지는 방향으로 이동하며 충돌하는 지역이다. 해양판-해양판의 충돌, 해양판-대륙판의 충돌, 대륙판-대륙판의 충돌이 있을 수 있다. 해양판과 대륙판이 충돌하게 되면, 밀도가 큰 해양판이 대륙판 아래로 내려가면서 섭입대를 형성하여 해양판은 맨틀 속으로 사라지게 된다. 해양판과 해양판이 충돌할 경우에도 조금 더 무거운 판이 섭입하게 된다. 이와 같은 현상이 발생하는 지역을 따라 활발한 화산활동이 관찰된다. 

이와 같은 수렴경계의 판구조적인 운동 때문에 일본과 동남아시아 지역에 화산이 많이 분포하는 것이다. 그런데 대륙판과 대륙판이 충돌하는 지역에는 섭입대가 형성되지 않는다. 대륙판은 해양판보다 밀도가 작고, 맨틀보다는 훨씬 더 밀도가 작다. 따라서 가벼운 대륙판은 부력이 작용하여 맨틀 속으로 섭입할 수가 없다. 대륙판끼리 충돌하는 히말라야 지역에서는 유라시아판과 인도판이라는 두 대륙판이 서로 충돌, 중첩되어 매우 높은 고도를 가지는 히말라야 산맥이 형성된 것이다.

<그림> 보존 경계 (출처: 「지구시스템의 이해」)  

또 다른 판의 경계는 보존 경계(변환단층 경계)이다. 인접한 두 판이 서로 다른 방향으로 엇갈리며 이동하기 때문에 판이 새로 생성되거나 소멸되지 않고 보존된다. 보존경계가 관찰되는 대표적인 지역으로는 중앙해령과 미국 서부 캘리포니아 지역이다. 발산 경계인 중앙해령은 연속적인 선구조 형태로 존재하지 않고, 계단식으로 분절되어 있어서 각 분절의 사이에 보존 경계가 발달한다. 미국 서부 지역은 태평양판과 북미판이 보존경계로 인접해 있다. 이 경계를 샌안드레아스 단층이라 부른다.

이 경계를 중심으로 왼쪽의 태평양판이 1년에 약 3~4cm 정도씩 북서쪽 방향으로 움직이기 때문에, 미국 캘리포니아 지역에서 많은 지진이 발생한다. 

지구 표면의 거대한 암석 덩어리인 판들은 끊임없이 생성되어 움직이며 서로 충돌하고 소멸하고 있다. 이로 인해 지진, 화산 활동이 판 경계 지역에 집중되어 발생하는 것이다.

(내용 출처: 기상청 지진표준교재)

1975년 2월 4일 현지시간 19시 36분 중국 하이청(海城, Haicheng)에서 규모 7.3의 지진이 발생하였는데, 이 지진의 발생을 미리 예측하여 매우 많은 인명을 살릴 수 있었다고 한다. 이 지진은 지금까지 인류 역사상 유일하게 지진 예측에 성공한 사례인데, 매우 특별한 경우로 보아야 할 것이다. 하이청 시는 요동 반도의 남쪽에 위치하고 있는데, 그동안 잘 알려지지 않았던 좌수향 주향이동 단층의 갑작스러운 움직임에 의해 지진이 발생했다.

<그림> 1975년 중국 하이청 지진(규모 7.3) (출처: 기상청) 

이 지역에서는 규모 5.0 정도의 지진을 비롯한 작은 규모의 지진활동이 갑자기 증가하고 있었으며, 지진 발생 2개월 전인 1974년 12월부터 요동 반도 지역에서 동물들의 이상행동이 200여 건 이상 보고되고 있었다.

<그림> 지하수, 동물 등의 이상현상 관찰 횟수 (출처: 논문 Wang et al., 2006)

이러한 가운데, 1974년 12월 22일 규모 5.2의 지진이 발생하고 나서 앞으로 가까운 미래에 이 지역 근처에서 큰 지진이 발생할 것을 예측하고 큰 지진이 발생하지 않자, 다시 1975년 1월 중순 경에는 베이징에서 요동 반도를 넘어서는 훨씬 더 넓은 지역에서 1년~2년 내에 규모 7.0 정도의 지진이 발생할 것임을 예측하여 발표하였다. 

<그림> 1975년 2월 초 지진 발생 추이 (출처: 논문 Wang et al., 2006)

그러던 가운데, 1975년 2월 3일 저녁부터 다시 하이청 부근에서 갑작스럽게 지진활동이 매우 활발해져서 2월 4일 오전까지 규모 5.1의 지진을 포함하여 200여 회의 지진활동이 관찰되었다. 이로 인해 이 지역의 지방 정부에서 대피명령을 내렸다. 하지만 중국 정부의 공식적인 것은 아니었기 때문에 지역에 따라 대피하는데 상당한 시간적인 차이가 있었다. 

어떤 지진들은 여러 작은 규모의 지진활동을 동반하기도 하는데, 이 지진들 중 어느 정도의 제한된 공간과 시간적인 범위에서 가장 큰 규모의 지진을 본진(mainshock)이라 하고, 이보다 앞서 발생한 지진을 전진(foreshock), 이후에 발생한 지진을 여진(aftershock)으로 구분한다. 하이청 지진은 굉장히 많은 전진 활동을 동반한 지진으로 보이며, 전진 활동이 지진 피해를 줄이는데 가장 큰 기여를 한 것으로 평가된다. 하지만 지방 정부에서 내린 지진 대피 명령이 정확한 지진예측에 기반한 것은 아니었다. 

<그림> 1976년 중국 탕산 지진(규모 7.5) (출처: 기상청)

하이청 지진이 발생한 이후 1년 반 정도 지난 1976년 7월 28일 새벽 3시 42분, 베이징과 하이청 지역 사이에 있는 중국의 공업도시인 탕산(唐山, Tangshan)에서 규모 7.5의 지진이 발생하여 약 25만 명 정도가 사망하는 어마어마한 지진 피해를 입혔다. 탕산 지진에서도 하이청 지진에서처럼 일부 지진 전조 현상과 전진 활동이 있었지만, 하이청 지진처럼 극적인 대피명령이 없었고 새벽에 발생했기 때문에 큰 피해가 발생하였다. 이 사건을 계기로 다시 한번 정확한 지진 예측의 어려움을 확인할 수 있었다.

<그림> 22년 주기로 지진이 발생하는 샌안드레아스의 파크필드 지역 (출처: 기상청)

미국에서도 지진 예측과 관련된 사례가 있었다. 미국 서부의 샌안드레아스(San Andreas) 단층대의 파크필드(Parkfield)라는 곳에서 1857년부터 1966년까지 평균적으로 약 22년 (12~32년)을 주기로 규모 6.0 정도의 지진이 반복적으로 발생해 왔다. 이러한 반복적인 특성을 이용해 미국 지질조사소(USGS)에서는 1985년에서 1993년 사이에 90~95%의 확률로 이곳에서 규모 6.0 정도의 지진이 다시 발생할 것으로 예측하였다. 

성공적인 지진 예측을 기대하고 과학적으로 지진 발생 기작의 실마리를 풀기 위해 이 지역에 많은 수의 다양한 지진학적, 지구물리학적 측정 장치를 설치했다. 하지만, 미국 지질조사소에서 예측했던 시점에서 10여 년이 지난 2004년에서야 지진이 발생하였다. 지진 발생을 예측할 만한 전진이나 전조 현상이 발견되지 않았지만 예상했던 크기의 지진이 동일한 장소에서 발생했다는 점에서 시간적인 발생 시점 예측의 어려움에도 불구하고, 지진 발생의 반복성, 재현성 등을 확인할 수 있었다.

(내용 출처: 기상청 지진표준교재)

1. 「지진·지진해일·화산의 관측 및 경보에 관한 법률」

지진·지진해일·화산의 관측 및 경보에 관한 법률은 약칭 지진관측법이라 하며, 2014년 1월 21일 제정되어, 2015년 1월 22일 시행되었습니다. 크게 7장 30조로 구성되어 있으며 주요 내용은 아래와 같다. 

① 총칙 : 목적, 정의, 다른 법률과의 관계, 지진·지진해일·화산의 관측 및 경보에 관한 기본계획 수립 

② 지진·지진해일·화산의 관측 : 지진·지진해일·화산의 관측방법, 관측소 및 관측망 구축·운영, 지구물리관측망 구축·운영, 지진·지진해일·화산 관측소 지원, 지진·지진해일·화산 관측시설의 보호, 관측소 설치장소, 관측 장비 검정(검정대행기관의 지정 및 지정취소)

③ 지진·지진해일·화산의 경보 : 자연지진·지진해일·화산의 관측 결과 통보, 인공지진의 탐지, 분석 및 통보, 지진조기경보체제 구축·운영, 지진·지진해일·화산에 관한 긴급방송의 요청, 지진·지진해일·화산의 관측 결과 통보의 제한 등 

④ 지진·지진해일·화산의 자료관리 : 지진·지진해일·화산 관련 자료의 수집·관리, 지진·지진해일·화산의 관측에 관한 증명, 지진·지진해일·화산에 관한 자료제공 요청 

⑤ 기술개발 및 국내외 협력 : 기술지원, 지진·지진해일·화산의 관측 및 경보에 관한 연구개발사업의 추진, 지진·지진해일·화산 업무 종사자 등의 교육·훈련, 지진·지진해일·화산 관련 기관과의 협력 강화 

⑥ 보칙 : 지진·지진해일·화산 업무협의, 토지 등에의 출입, 손실보상, 지진·지진해일·화산 업무의 위탁(청문, 벌칙 적용에서 공무원 의제)

⑦ 벌칙 : 벌칙, 양벌규정, 과태료

2. 「지진·화산재해대책법」

지진·화산재해대책법은 약칭 지진대책법이라 하며, 2018년 3월 13일 타법개정되고, 2019년 3월 14일 시행되었습니다. 크게 8장 29조로 구성되어 있으며 주요 내용은 아래와 같다.

① 총칙: 목적, 정의, 국가와 재난관리책임기관의 책무, 다른 법률과의 관계

② 지진·지진해일 및 화산활동 관측: 지진·지진해일 또는 화산활동의 관측시설 설치, 주요 시설물의 지진가속도 계측(성능검사, 검사기관 지정 등), 지진가속도계측과 관리, 지진·지진해일 및 화산활동 관측결과 등의 통보, 지진·지진해일 및 화산활동 관측기관협의회 구성

③ 예방과 대비: 지진방재종합계획의 수립·추진, 지진·화산방재정책위원회 및 전문위원회, 해안침수예상도의 제작·활용(지진해일 대비 주민대피계획 수립, 지진 옥외대피장소 지정 및 관리), 지진·화산방재 교육·훈련 및 홍보(화산재 피해경감 종합대책)

④ 내진대책: 국가지진위험지도의 제작·활용, 지질·지반조사 자료 축적·관리, 내진설계기준의 설정, 기존 시설물의 내진보강기본계획 수립, 기존 시설물의 내진보강 추진(민간소유 건축물의 내진보강 지원, 지진안전 시설물의 인증 및 인증의 취소, 지진안전 시설물의 인증기관의 지정 및 지정취소), 재난안전상황실과 지역재난안전대책본부의 내진대책

⑤ 대응: 지진·화산재해대응체계의 구축, 긴급지원체계의 구축, 지진·화산재해 원인조사·분석 및 재해원인조사단 구성·운영, 피해시설물 위험도 평가(피해시설물의 안전조치)

⑥ 지진·화산재해경감을 위한 연구와 기술개발: 지진·화산재해경감 연구 및 기술개발, 단층 조사·연구 및 활성단층 지도 작성 등

⑦ 보칙: 토지에의 출입, 손실보상, 국고보조(청문), 권한의 위임 및 업무의 위탁

⑧ 벌칙: 벌칙, 과태료

1. 일본 규슈 인근 지역의 대규모 지진(1925~2019년)

<그림> 1925~2017년 일본 규슈 인근 지역의 대규모 지진 (출처: 기상청) 

<표> 일본 규슈 인근 지역 지진발생에 따른 국내 유감지역(1925~2017년) (출처: 기상청)

<그림> 부산 기준 진도Ⅵ 이상 진동 영향이 가능한 지진 범위

(출처: 기상청)

2. 국외 지진 조기경보(시범운영)

지난 2016년 구마모토 지진(규모 7.3)과 같이 국외 지진이라도 국내에 영향이 큰 경우 조기경보가 필요하다는 지적이 있었다. 이에, 국내 지진관측망을 활용하여 지진조기경보시스템이 자동 분석 가능한 지역까지 조기경보 대상 영역을 확대하여 운영한다. 확대되는 지진 조기경보 대상 영역은 국내에 영향을 줄 수 있는 지진이 발생하는 구역으로 북쪽으로는 △휴전선 북쪽 평양 인근과 남동쪽으로는 △일본 규슈 북쪽 대마도 일대를 포함한다.

<표> 국외지진 조기경보 운영기준 (출처: 기상청)

<그림> 국외지진 조기경보 대상 영역 및 관측지점 (출처: 기상청) 

 더 나아가 2018년 상반기부터는 일본 기상청 등과 관측자료 공유 확대를 통해 일본 규슈 지방까지 조기경보 대상 영역을 확대하여 시범 운영하고 있다.  

책상 위에 A4용지를 놓고 이것을 지구상에 존재하는 하나의 판이라고 가정했을 때, 종이 양쪽 끝을 안쪽으로 밀게 되면 지구상의 판 경계에 힘을 주는 것과 같게 된다. 이때, 이 종이는 안쪽이 구부러지게 되는데, 이와 마찬가지로 판 경계에 힘을 주었을 때 판 내부로도 힘이 전달되고 이렇게 전달된 힘이 쌓여 지진이 발생하는 것이다.

한반도 주변국에서 대규모 지진이 발생할 경우, 직간접적으로 영향을 미칠 가능성은 언제나 있다. 2011년 3월 11일 동일본 대지진과 같이 큰 규모의 지진이 발생한 후 한반도에 영향을 주었다는 연구자의 결과도 있다. 또한 일본 난카이(남해) 지역의 대규모 지진 발생 가능성에 대해 사람들이 우려하고 있는데, 이 지역은 전 세계적으로 지진이 다발하는 지역 중 하나이고, 많은 연구자들이 대규모 지진 발생에 대한 연구를 많이 진행하고 있다. 

그러나, 직접적으로 한반도에 어떤 영향이 있을지에 대해서는 단정 지을 수 없으므로 지진재난에 대한 대응 체계를 잘 유지하며 감시하는 것이 좋을 것으로 판단된다.