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차례 |
제 1장 |
제 2장 |
제 3장 |
제 4장 |
제 5장 |
제 6장 |
제 7장 | | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 자원과 환경: 지구의 선물, 그 빛과 그림자 - 제 3장 지구 내부 에너지 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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3-1. 판구조론 3-2. 화산과 지진 3-3. 쓰나미 3-4. 지열 에너지 3-보충 학습 3-참고문헌 3-2. 화산과 지진 지구상에서는 매일 화산이 분출하고 지진이 발생한다. 지구 내부 에너지는 지판을 움직이며 화산활동과 지진을 유발한다. 따라서, 대부분의 화산 활동과 지진은 판의 경계를 따라 발생한다. 이 단원에서는 판구조 운동과 화산 활동 및 지진과의 관계를 파악하고, 판 경계를 따라 화산과 지진 발생 지점이 분포하는 이유를 따져보자. 또한 다양한 화산의 종류에 대해서도 살펴보자. 화산은 지하의 마그마가 분출하여 만든 산모양의 지형을 일컫는 말이다. 지진은 지하에 축적된 응력이 암석의 군열과 함께 방출되면서 발생하는 지반의 진동을 카리키는 말이다. 이 두 자연현상은 언뜻 서로 큰 상관성이 없어 보이지만, 실은 모두 지구의 내부에너지가 방출되면서 일어나는 현상이며, 아직도 인간에게 몹시 큰 두려움을 주는 자연재해란 점에서 여기에서 함께 다룬다. 3-2-1. 화산과 지진의 분포 판의 경계에서 화산 활동과 지진이 왜 집중되는지를 이해하기 위해 앞서 보았던 그림 3-1-6의 판의 경계 및 운동을 다시 살펴보자. 지판의 분산 경계에서는 마그마가 계속 분출하면서 새로운 지각을 만든다. 하지만 이 곳의 마그마는 점성이 낮아 커다란 화산을 만드는 일은 많지 않다. 마그마가 밀고 올라오면서 판이 판이 서로 벌어지기 때문에 얕은 곳에서 끊임 없이 지진이 일어난다. 판의 변환 경계에서는 마그마의 활동은 거의 없는 편이지만, 판이 서로 비껴 지나가면서 지진이 꾸준히 일어난다. 지판의 수렴 경계에서는 한 지판이 다른 밑으로 섭입하면서 깊숙이 들어간다. 점점 아래로 빨려 들어가면서 아직 차가울 때 그동안 쌓인 응력으로 인해 깨지면서 지진을 일으킨다. 이 지판이 지열로 뜨거워지면 일부 부분 용융이 되는데 이로부터 만들어진 마그마가 위로 올라오면서 화산활동을 한다. 섭입대를 따라 일어난 이 지진과 화산 활동은 규모가 크고 난폭한 것이 많다. 지금까지 살펴본 바와 같이 판의 경계를 따라서 화산 활동과 지진이 집중되어 일어날 수 밖에 없음을 알 수 있다. 그림 3-2-1은 지구 상의 화산과 지진 발생 지점(진앙)의 분포를 나타낸 것인데, 이 것과 판의 경계가 매우 잘 일치하는 것을 볼 수가 있다. 특히 눈여겨 볼 것은 수렴경계 부근에서 규모가 큰 화산과 진앙의 밀도가 높다는 점인데, 이는 앞서 지적한 것처럼 섭입되어 연약권으로 끌려들어 가는 지판이 깨지면서 상당한 양의 응력을 방출하면서 지진을 일으키는 한편 또 다른 일부는 용융 분출하여 화산을 만들기 때문이다.
모든 화산과 진앙이 판 경계를 따라 존재하는 것은 아니다. 암권 밑 맨틀 상부에는 드물게 다른 곳보다 온도가 높은 열점(hot spot)이 존재하는데, 이 곳으로부터 맨틀의 부분 용융으로 마그마가 형성되고 이 마그마가 분출하여 화산을 형성하기도 한다. 이 열점에서 만들어진 화산은 판 운동과는 아무런 관련이 없으며, 판이 이동해도 열점의 위치는 변하지 않는다. 열점으로부터의 화산 폭발은 시간 간격을 두고 반복적으로 일어나는데, 열점 위의 판은 계속 움직이므로, 이곳으로부터 분출한 화산이 일렬로 배열하게 된다(그림 3-2-2). 그러므로 이 화산들의 배열 방향, 연령 그리고 거리를 측정하면 판의 이동 속도와 방향을 알 수 있다. 판의 경계에서 멀리 떨어져 지판 내부에 진앙이 존재하는 경우도 있다. 하지만 이들이 판 운동과 무관하게 발생하는 경우는 많지 않다. 예를 들면 판의 섭입이 저 각도로 일어나는 경우, 우리가 알고 있는 판의 경계에서 멀리 떨어진 곳에서 이 섭입 판의 단층에 의해 지진이 일어날 수도 있다. 일반적으로 판은 주변 판들과의 상호 작용으로 항상 응력을 받으며 운동한다. 이들 응력이 판 내부 약한 곳을 따라 단층을 일으키며 지진을 유발할 수도 있다. 우리나라의 지진은 아마도 대부분 여기에 해당될 것이다. 이와 같이 판 내부에서 발생하는 지진을 판내지진(intraplate earthquake)라 한다. 3-2-2. 화산의 유형 화산은 여러 가지 기준에 따라 분류되어 다양한 이름으로 불린다. 예를 들면, 화산체를 구성하는 암석의 종류에 따라
등으로 나뉘며, 화산체의 형태와 구조에 따라
등으로 구분되고, 활동 유무에 따라
으로 구분한다. 우리는 화산학(volcanology)을 전공할 만큼의 깊은 지식을 필요로 하지 않으므로, 이 강의에서는 위와 같은 다양한 종류의 화산들이 있다는 것 정도만 소개한다. 다만 화산에 의한 재해는 전적으로 활동 유무에 따라 결정되므로, 활화산, 사화산, 휴화산이 무엇인지에 대해서는 조금 더 설명해보도록 하겠다. 용어가 의미하는 바를 그대로 표현하면, 활화산은 현재 활동하는 (또는 살아있는) 화산이라는 뜻이며, 이에 반해 사화산은 더 이상 활동하지 않은 (혹은 죽은) 화산이라는 뜻이고, 휴화산은 원래 활동했었지만 현재는 쉬고 있는 화산이라는 뜻이다. 언뜻 보면, 이렇게 화산을 구분하는데 별 어려움이 없을 듯 하지만, 때로는 구분이 애매할 수도 있다. 예를 들어 며칠 간격으로 용암을 분출하는 화산의 경우, 이 화산이 용암을 분출하는 동안에는 누구나 이를 활화산이라 할 것이다. 그렇다면 중간에 분출 없이 조용한 때는 이 화산은 휴화산일까, 아니면 그냥 활화산이라고 불러야 할까? 이 분출 간격이 며칠 정도가 아니라 몇 천 년이라면 우리는 이 화산을 아직도 활화산이라고 불러야 할까, 아니면 휴화산일까? 분출 간격이 너무 너무 길어서 우리가 인지하는 시간 범위 내에서 분출할 가망이 없다면 이는 휴화산이라 부르기보단 사화산이라고 부르는 것이 마땅하지 않을까? 학자들은 화산이 지금으로부터 약 11,000년 전인 신생대 제4기 홀로세이후 활동한 기록이 있으면 활화산이라 부른다. 어떤 이들은 신생대 제4기에, 즉 지금으로부터 약 280만 년 전에 활동하였으면 활화산이라 부르기도 하지만, 우리는 홀로세 이후 활동한 기록이 있는 화산에 대해서만 활화산이라 부르도록 하겠다. 홀로세 이후 화산 활동 기록이 없으면, 사화산 또는 휴화산으로 분류하는데, 이 둘 사이의 구분은 매우 어렵다. 학자들은 더 이상 활동할 가능성이 없는 화산을 사화산이라 하는데, 이런 화산 중에서 전혀 뜻하지 않게 다시 활동하는 화산들이 생길 수 있다. 이렇게 다시 활동할 화산을 휴화산 (또는 재활동 화산)이라고 불러야 하지만, 사실 다시 활동할지 여부를 인지하기는 매우 어렵다. 서기 79년 분출해서 폼페이시를 멸망시킨것으로 유명한 베수비오 화산은 폭발전에는 정원과 포도밭으로 덮여 있었으며, 최근 분출한 피나투보 화산은 많은 사람들이 거기 그 화산이 있었는지도 몰랐다. 현재 지구상에는 많은 활화산들이 있는데, 이 중 화와이나 펠레 화산과 같이 누구나 한번쯤 이름이라도 들어봤음직한 유명한 것들도 있다. 이제 화산 재해에 대한 이야기를 하기 전에 몇 개의 화산들의 모습을 보면서 앞에서 구분한 화산의 종류 중 몇몇 개에 대해 간단히 설명하고자 한다. 그림 3-2-3은 미국 뉴멕시코의 Capulin 화산이다. 이 화산은 거대한 분석구로서, 5만8천년 내지 6만2천년 전쯤 분츨하여 바닥으로부터 1000ft 이상 솟았다. 분석구란 다공질의 유리질 분출암인 분석과 화산재 등이 화도 주변에 쌓여 언덕 또는 산 모양을 이룬 것을 말한다. 그림 3-2-4는 세인트 헬렌(St. Helen) 화산의 화구 안에 발달한 용암돔(lava dome)의 모습이다. 용암돔이란 이 사진에서 보듯이 용암이 서서히 분출하며 둥글게 돔 모양의 구조를 만든 것이다. 이렇게 되려면 용암의 점성이 꽤 높아야 한다. 낮은 점성의 용암은 그냥 흘러버려 돔 모양을 만들 수 없기 때문이다. 세인트 헬렌 화산은 1980년 큰 폴발을 일으켰는데, 이 폭발에 대해서는 나중에 화산 재해를 설명할 때 자세히 설명할 것이다. 사진의 용암돔은 그 이후인 2006년 9월에 찍은 것이다.  그림 3-2-4. St. Helen 화산 화구 내 발달한 용암 돔. http://vulcan.wr.usgs.gov/Volcanoes/MSH/Images/MSH04/crater_dome_eruption_september_2006.html 그림 3-2-5는 사우디아라비아에 있는 와바 마르(maar)의 모습이다. 마르는 매우 넓은 화구를 가진 낮은 화산인데, 이는 화산이 폭발할 때 지하수와 같은 물과 접촉하여 넓게 폭발하기 때문에 생긴다. 그림 3-2-6은 하와이 화산 중의 하나인 마우나 케아(Mauna Kea) 화산이다. 마우나 로아(Mauna Loa) 관측소에서 바라본 모습인데, 매우 완만한 경사로 넓게 퍼진 모습을 볼 수 있다. 이 모습이 마치 방패를 엎어 놓은 것 같다고 하여, 순상화산(shield volcano)라고 부른다. 순상 화산의 순은 방패라는 뜻이다. 순상화산이 되려면 마그마의 점성이 낮아야 한다. 현무암질 마그마 같은 것들이 점성이 낮다. 보통 이 마그마는 폭발 없이 조용히 분출하는 편이다. 그림 3-2-7은 우리 나라의 대표적인 화산인 제주도의 한라산 모습이다. 제주도는 하와이와 매우 비슷한 섬이며, 한라산 역시 순상화산이다. [slide #12] 그림 3-2-8은 일본의 후지산 모습이다. 비행기를 타고 일본을 지나가다 보면 때때로 구름을 뚫고 올라온 후지산을 볼 수 있다. 이 화산은 하와이나 제주도의 화산보다 경사가 급하고 높다. 이 화산은 대표적인 성층화산(stratovolcano)이다. 성층화산을 이루는 마그마는 점성이 높아 가끔 격렬한 폭발을 일으킨다. 이 때문에 성층화산은 용암층과 화산쇄설물 층이 교호하며 쌓여 만들어진 급경사의 높은 화산이 된다. 3-2-3. 화산 재해 지축을 울리는 소리와 함께 검은 재와 뜨거운 용암을 뿜어내는 화산 폭발은 우리에게 항상 두려움의 대상이다. 그 유명한 폼페이의 멸망도 화산 폭발 때문이었다. 이 단원에서 화산에 의한 재해에는 어떠한 것이 있는지 자세히 알아보자. 화산에 의한 재해는 화산 활동에 의해 초래되는 모든 재해를 일컫는 것으로, 용암, 화산재, 화산탄, 화산 가스등의 분출물에 의한 직접적인 재해와 화산 분출 활동에 의해 야기된 또 다른 현상에 의해 발생하는 이차적인 재해로 나누어 볼 수 있다. 그림 3-2-9는 재해를 일으킬 수 있는 화산 활동과 분출물들을 보여주는 그림이다. 화산 분출물 중 용암이 가장 위협적으로 보일 수도 있다. 그림 3-2-10이 보여주는 것처럼 섭씨 1000가 넘는 붉은 용암이 흘러내리면서 닿는 모든 것을 태우고 녹이는 장면은 끔찍하게 보인다. 그러나 용암은 이동 속도가 보통 매우 느리기 때문에, 대피가 가능하고 범위도 극히 제한적이기 때문에 상대적으로 그 재해가 크지 않다. 이 사진은 2010년 7월 27일 하와이 킬라우에아 화산에서 분출한 용암이 지역 주민인 게리 슬레이크(Gary Sleik)의 집을 태우는 장면이다. 집 주인이 이 장면을 조금 떨어져서 보고있다.  그림 3-2-10. 2010년 7월 27일 Kilauea 화산의 분출된 용암이 집을 태우는 모습. http://www.dailymail.co.uk/news/article-1297706/Hawaii-homeowner-watches-molten-lava-destroy-house-volcano-erupts.html 직접적인 화산 재해 중 가장 파괴적인 모습을 보여주는 것은 화산쇄설물과 가스가 한데 섞여 빠른 속도로 흘러내리는 화쇄류(pyroclastic flow)이다. 고온의 화쇄류는 워낙 빠르고 파괴적이어서, 미리 대피하지 못하고 막상 당할 경우 사실상 대처가 불가능하다. 역사상으로 유명한 폼페이시의 멸망은 바로 베수비오 화산의 폭발로 만들어진 화쇄류 때문이었다. 그림 3-2-11은 1994년 일본 운젠 화산이 폭발할 때 화쇄류가 어떻게 만들어졌는지, 그리고 그 결과 화쇄류가 계속 아래에 어떻게 피해를 입혔는지를 보여준다. 1991년부터 1994년까지의 운젠 화산의 화산 폭발로 2000채 이상의 가옥이 파괴되었다. 이러한 화산 재해는 경각심을 갖고 미리 대비한다면 그 피해를 최소화할 수 있다. 미리 충분히 대비한 경우와 그렇지 못한 경우 재해의 크기가 어떻게 다를 수 있는지 펠레(Pelee) 화산과 세인트 헬렌(St. Helen) 화산의 경우를 통해 비교해 보자. 펠레 화산은 카리브해 군도 중 하나인 마르티니크(Martinique) 섬(그림 3-2-12)에 위치한 화산으로 현재에도 활동하고 있는 화산이다.  그림 3-2-12. 마르티니크 섬과 펠레 화산(빨간 세모)의 위치. http://www.worldatlas.com/webimage/countrys/namerica/caribb/martnque.htm 이 화산은 1902년 대규모의 폭발을 하였는데, 이 폭발로 인해 당시 이 섬에서 가장 큰 도시였던 생 피에르(St. Pierre) 시의 주민 약 29,000 명이 몰살당하였다. 펠레 화산은 폭발하기 이년 전부터 정상 부근의 화구에서 가스를 뿜어 내는 등 폭발의 징후를 보였다. 그러나 사람들은 그 전에도 이런 정도의 화산 활동이 있었지만 이내 잠잠해졌기 때문에 심각하게 걱정하지는 않았다. 1902년 4월 23일 펠레 화산이 황 개스를 분출하며 폭발을 시작했는데, 사람들은 곧 잦아들 것으로 기대했다. 펠레 화산은 그 후 작고 큰 폭발 및 화산 분출 활동을 계속하였고, 폭발 하루 전에는 천둥을 동반한 화산 가스 및 화산재의 분출을 시작하여, 이를 두려워 한 일부 주민들이 대피하기 시작하였다. 그러나, 당시 지역 신문들은 하루 전까지도 화산은 안전하다고 주장하였다. 이윽고 1902년 5월 8일 대규모 폭발이 일어나면서 뜨거운 화쇄류가 남쪽으로 6.4km 떨어진 생 피에르시를 덮쳤고, 경로에 있던 모든 것을 파괴하였다. 화쇄류가 화산에서 생 피에르시까지 도달하는데 걸린 시간은 불과 몇 분이 안 되었을 것으로 추정되며, 이 재앙의 손아귀에서 오직 두 명 만이 살아남을 수 있었다. 이 두 명 중 한 명은 지하 감옥에 갇힌 죄수였으며, 다른 한 사람은 매우 심한 화상을 입은 채 간신히 목숨을 건질 수 있었다. 그림 3-2-13의 왼쪽 지도는 펠레 화산의 폭발에 영향을 받은 지역을 나타낸다. 펠레 화산이 중앙의 가장 높은 곳에 있고, 그 곳으로부터 남쪽으로 6.4km 떨어진 곳에 항구 도시 생 피에르가 있다. 왼쪽 아래 사진은 당시의 펠레 화산의 폭발 모습을 보여주는 것이다. 오른 쪽의 두 장의 사진은 펠레 화산 분출 전과 후의 생 피에르시 모습을 비교한 것이다. 펠레 화산으로부터의 화쇄류에 의해 시가 완전히 파괴된 것을 알 수 있다.  그림 3-2-14. 세인트 헬렌 화산의 위치. 세인트 헬렌 화산은 미국 와싱턴 주에 위치한 활화산으로, 1980년 화산 폭발로 미국 역사상 최악의 폭발을 기록한 화산이다(그림 3-2-14). 세인트 헬렌 화산은 환태평양 화산대 속한 화산으로 약 4만년 전부터 이미 여러번의 폭발 기록을 갖고 있었다. 특히, 1980년에는 3월 20일 발생한 리히터 규모 4.2의 지진을 경험하면서 잠에서 깨어나기 시작하였고, 그 일주일 뒤 드디어 수증기를 분출하기 시작하였다. 지하 마그마의 상승으로 4월말 깨 이미 이 화산의 북사면은 크게 부풀어 올랐고, 결국 5월 18일 별다른 징후 없이 찾아온 리히터 규모 5.1의 두번째 지진에 의해 부풀어 오른 북사면이 붕괴되면서 내부에 집적되어 있던 마그마가 갑작스럽게 터져 나와 매우 파괴적인 화쇄류가 되었다. 이 화쇄류는 다시 주변의 얼음과 눈을 녹여 라하(laha, 화산재가 물과 섞여 만들어진 이류)를 만들고 이 것이 하류로 빠르게 이동하면서 그 피해를 더욱 키웠다. 그림 3-2-15의 왼쪽 위 사진은 세인트 헬렌(St. Helen) 화산의 서-북서 방향으로 35 마일 떨어진 워싱턴 주 톨레도(Toledo)에서 찍은 화산 폭발 버섯 구름이다. 이 사진은 20장의 각기 다른 사진을 합성한 것으로, 이를 통해 화산 분출 구름이 얼마나 거대한 지 알 수 있다. 당시의 세인트 헬렌 화산의 폭발로 57명이 사망하였으며, 약 7천 마리의 큰덩치 야생 동물들, 천2백만 마리의 물고기가 죽었다. 또한 이 화산 폭발로 약 200 채의 가옥이 파괴되었고, 300km 정도의 고속도로와 25km 정도의 철도가 유실되었다. 세인트 헬렌 화산의 폭발력은 앞서 설명한 펠레 화산보다 훨씬 컸지만, 인명 손실은 훨씬 적었다. 그 이유는 이 화산이 대도시와 비교적 멀리 떨어져 있어 화쇄류가 인구 밀집 지역을 덮치지 않은 이유도 있지만, 미국지질조사소(USGS)에서 이 화산을 계속 관찰하면서 주변 사람들에게 경고하고 대피시켰기 때문이기도 하다. 주변의 관측소에서 일하던 화산학자 데이비드 존스톤 (David A. Johnston)(그림 3-2-15 왼쪽 아래)는 "뱅쿠버, 뱅쿠버, 드디어 터졌다! (Vancouver! Vancouver! This is it!)"라는 마지막 교신을 남기고 실종되었으며, 그의 시신은 그 후 찾을 수 없었다. 그림 3-2-15의 오른쪽 사진은 세인트 헬렌 화산의 1980년 폭발 하루 전과 폭발 2년 후를 비교한 사진이다. 이 두 사진을 보면, 폭발 후 산 정상부가 완전히 날아가 폭발이 얼마나 대단했는지 짐작케 한다. 그림의 데이비드 존스톤의 사진은, 화산 폭발로 사망하기 몇 시간 전에 찍은 것이라고 한다.  그림 3-2-15. 왼쪽 위부터 시계 방향으로, 세인트 헬렌 화산 폭발 버섯 구름, 폭발 하루 전 모습, 폭발 2년 후의 모습, 지질학자 David Johnston.. http://en.wikipedia.org/wiki/Mount_St._Helens 간접적인 화산 재해는 화산 개스에 의한 산성비, 화산재에 의한 햇빛 차단 및 그로 인한 기후 변화, 고온의 용암 및 화산 분출물에 의한 화재와 눈/얼음의 용융에 따른 이탁류, 그리고 해저 화산 폭발로 야기되는 쓰나미 등에 의해 초래된다. 이러한 간접적인 화산 재해는 직접적인 화산 재해 못지 않게 매우 심각한 손실을 야기하며, 때로는 오히려 직접적인 재해보다 그 규모와 범위가 훨씬 큰 경우도 있다. 이러한 대규모의 피해를 야기하는 간접적인 화산 재해 중 가장 대표적인 것이 쓰나미인데, 다음에 지진에 의한 쓰나미와 함께 따로 자세히 알아보기로 하자. 표 3-2-1은 지금까지 기록된 화산 재해 중 사망자 수가 가장 큰 것들을 정리한 것으로, 이 재해 규모는 직접적인 것 뿐만 아니라, 간접적인 재해에 의한 것도 모두 포함된 것이다. 지금까지 사망자 수 집계를 기준으로 세계 최악의 화산 폭발은 1815년의 탐보라 화산 폭발이다. 인도네시아에 있는 이 화산은 무려 구만 이천명의 사망자를 낸 폭발을 기록하였다. 세계 최악의 화산 폭발 2위는 인도네시아의 1883년 크라카토아 화산 폭발로 3만 6천명의 사망자를 내었다. 이 폭발은 호주에서 폭발음을 들을 수 있을 정도였으며, 영국에서는 진동을 느끼고, 화산재가 미국까지 날아가 해를 가렸다고 한다. 이미 살펴본 마르티니크의 펠레 화산의 1902년도 폭발은 3위를 차지했다. 총 3만 3천명의 사망자를 냈는데, 이는 20세기 최악의 화산 폭발이다. 우리에게 너무도 유명한 폼페이 시를 멸망시킨 79년의 베수비우스 화산 폭발은 사망자 수에 잇어서는 순위권 밖이다. 2천명 이상이 사망하였을 거로 추정된다. 표 3-2-1. 역사상 최악의 화산 재해들 (자료 출처: http://www.epicdisasters.com/index.php/site/comments/the_worlds_worst_volcanic_eruptions/).
지금까지 화산 폭발로 인한 재해의 종류와 그러한 재해들이 어떻게 일어났는지 예를 들어 살펴보았다. 이런 화산 재해를 최소화하기 위해서는 활동 화산에 대한 감시를 철저히 하고 혹시 모를 화산 활동에 대비해 경보 시스템 완비, 대피 시설 및 구호 물품 준비, 보험 체계 정비 등 충분한 준비를 하여야 한다. 3-2-4. 지진의 규모와 빈도 우리는 가끔 무시 무시한 지진이 일어나서 수많은 사람들을 사망에 이르게하고, 가치를 매길 수 없을 정도의 재산 피해를 냈다는 말을 듣는다. 도대체 이런 지진은 얼마나 자주 일어나는 것일까? 여러분들은 실제로는 매일 수없이 많은 작은 지진이 일어나고, 규모가 큰 지진은 우리가 듣는 것보다 훨씬 많이 일어나며, 발생된 지진 중 우리에게 막심한 피해를 입히는 지진은 오히려 그 비중이 작은 걸 아는가? 지진 중 어떤 진동이 피해를 입히는 걸까? 지진의 규모는 어떻게 계산하고, 해당 규모의 지진은 얼마나 빈번하게 일어날까? 지진으로 발생할 수 있는 재해에는 어떤 것들이 있을까? 이런 질문들에 대한 답을 여기서 살펴자. 지진은 지하에 축적된 응력이 암석의 군열과 함께 방출되면서 발생하는 지반의 진동으로서, 지구 내부에너지에 의해 발생한다고 하였다. 이 지진에 대해 자세히 논의하기 전에 몇 가지 용어를 정의하자. 지진을 얘기할 때 진원(hypocenter)과 진앙(epicenter)이라는 말을 많이 들어보았을 것이다. 진원이란 지하의 지진이 일어난 지점을 가리킨다. 진앙은 진원 바로 위의 지표상의 지진 발생 위치를 뜻한다(그림 3-2-16). 지진은 대개 암석이 깨져 미끄러지는 단층에 수반되어 나타나는데, 그림 3-2-16에서 보듯이 단층면 상의 지하 한 지점에서 지진이 일어나면 그 지점이 진원이 된다. 그리고 이 진원의 바로 위 지표 상의 위치가 진앙이된다. 진원에서 지진이 발생하면 모든 방향으로 물질파 형태로 지진이 전달되는데, 이때 지진에 의에 전달되는 물질파를 지진파(seismic wave)라고 한다. 지진은 지진파의 형태로 지구 내부를 통해 매우 멀리까지 전달되므로, 진앙에서 매우 멀리 떨어진 지진계에도 기록된다. 지진파는 지구 내부로 전달되는 실체파(body wave)와 지구 표면으로 전달되는 표면파(surface wave)로 나눌 수 있다. 진행 방향에 대한 진동 방식에 따라 지진파를 더 세분할 수 있는데, 실체파는 P파와 S파로, 표면파는 R파와 L파로 다시 나눈다(그림 3-2-17). P파는 primary wave에서 온 이름인데, 속도가 빨라 지진계에 제일 먼저 기록되기 때문에 붙은 이름이다. P파는 진행 방향과 평행하게 종으로 진동하는 지진파이며, 고체와 액체 모두 통과한다. S파는 secondary wave에서 온 이름인데, 속도가 P파보다 느려 지진계에 나중에 도착한다. S파는 진행 방향을 가로지르며 횡으로 진동하며, 고체만 통과한다. 이와 같은 P파와 S파의 통과 매질 차이를 이용해 지구 외핵이 액체 상태임을 알아낸 것이다. R파는 Rayleigh wave에서 온 이름인데, 마치 수면의 물결과 같은 지진파이다. R파의 속도는 S파의 90% 정도된다. L파는 Love wave에서 온 이름으로, 진행방향을 가로 질러 횡으로 진동하는 표면파이다. L파는 R파보다 아주 조금 더 빠르다. P파는 S파보다 빠르므로, 지진계에 먼저 도달하여 기록된다. 그리고 진앙에서 멀리 떨어질수록 뒤에 도달하는 S파와의 간격이 벌어진다. 즉 P파와 S파와의 간격을 알면 진앙까지의 거리를 계산할 수 있다. 지진계가 설치된 지점을 중심으로 진앙까지의 계산된 거리를 반지름으로 하는 원을 그리면, 이 원주 상에 진앙이 반드시 존재한다. 그림 3-2-18(왼쪽)과 같이 적어도 세군데 다른 곳의 지진계 설치 지점에서 계산된 진원까지의 거리를 반지름으로 하는 원을 그리면 이 원들이 한 점에서 교차하는데, 이 교차점이 바로 진앙이 된다. 지진이 일어나면 이와 같은 방법으로 진앙을 찾아낸다. 지진계에 기록된 지진파의 크기로부터 지진의 규모를 추정할 수 있다. 이미 설명한 방법처럼 P파와 S파의 간격으로부터 진앙까지의 거리를 계산하고, 지진계에 기록된 가장 강한 진동의 크기를 측정한다. 그림 3-2-18(오른쪽)에서와 같이 왼쪽 축에에 이미 측정된 거리를 오른쪽 축에 진동의 크기를 표시하고 이 둘을 연결하면 가운데 축을 교차해서 지나가는데, 이 가운데 축의 눈금을 읽으면 지진 규모가 된다. 지진의 절대 규모(magnitude)는 리히터 등급(Richter scale) 또는 모멘트 규모 등급(MMS; Moment Magnitude Scale, 리히터 등급의 변형)으로 나타내며, 현장에서 느끼는 지진의 규모는 메르칼리 강도 등급(Mercalli intensity scale)으로 나타낼 수 있다. 이중 메르칼리 등급은 현장에서의 실제 피해 정도 및 사람이 각자 느끼는 주관적인 피해에 따라 달라질 수 있으므로 리히터 등급만큼 과학적인 것으로 간주되지 못한다. 리히터 등급은 지진 측정 위치와 상관 없이 지진의 절대 규모를 측정하기 위해 1934년 Charles F. Richter에 의해 고안된 것으로 아래 식 3-2-1에서 보는 것처럼 상용 로그를 이용해 계산한다. ML = log10A - log10Ao(δ) = log10[A/Ao(δ)] (식 3-2-1) 식 3-2-1에서 A는 (Wood-Anderson) 지진계에 기록된 지진파의 최대 크기이며, Ao(δ)는 지진관측소와 진앙과의 거리에 의해 결정되는 보정값이다. 원래의 리히터 등급은 멀리 떨어진 곳의 지진 등급 측정이 어려워서 후에 B. Gutenberg에 의해 수정되었으며(Kanamori, 1978), 이렇게 수정된 것으로도 매우 큰 규모의 지진 측정에 문제가 생기자 지진 모멘트를 이용해 등급을 측정하기 시작하였다. 지진 모멘트(Mo)란 지진을 일으킨 단층의 표면적, 이동 거리 및 암석의 전단응력 계수(shear modulus)등을 곱해 얻는 값으로 에너지와 같은 단위를 갖는다. 이 등급이 모멘트 규모 등급 MMS(MW)며 이는 아래 식 3-2-2를 이용해 계산한다. MW = (2/3)log10Mo - 6.0 (식 3-2-2) 이 모멘트 등급은 1979년 캘리포니아 공대 지진학자인 Hanks와 Kanamori에 의해 도입된 것으로(Hanks and Kanamori, 1979), 리히터 등급과 비슷한 값을 갖으나 8 이상의 등급 지진에 대해서는 리히터 등급보다 한 등급 정도 높게 계산된다. 요즈음의 지진 규모는 모두 이것으로 측정된다. 지진 등급이 로그 값으로 계산되는 것을 이미 식을 통해 보여주었다. 따라서 등급 1 차이는 대략 10배 진동차이를 나타내며, 지진 에너지 차이는 10배 이상이 된다. 표 3-2-2는 리히터 규모와 지진 효과, 그리고 발생 빈도를 정리한 것이다. 표 3-2-2. 지진의 리히터 규모 등급에 따른 피해 정도와 년간 발생 수 (자료 출처: https://vle.whs.bucks.sch.uk/mod/resource/view.php?id=13709)
지진 규모가 3이하이면 사람은 느낄 수 없다. 이러한 지진은 전세계적으로 하루에 수천번 발생한다. 지진 규모가 4-5 정도면 건물의 파괴가 일어나는 수준이다. 이런 정도의 지진은 년간 수천번 이상 발생한다. 지진 규모가 6이 넘어가면 무시 무시한 파괴력을 보인다. 이 정도의 지진은 일년에 수백번 발생한다. 규모 7이상의 지진이 인구 밀집 지역에 일어나면 그야말로 대재앙이 된다. 이런 규모의 지진은 일년에 수십차례 밖에 일어나지 않는다. 위 표에서 살펴 보았듯이 전세계 발생하는 지진은 우리가 생각하는 것보다 훨씬 많다. 하지만, 이들 지진의 상당 수는 우리가 전혀 인식하지 못할 정도로 약하거나, 우리가 생활하는 곳에서 너무 멀리 떨어진 곳에서 발생한다. 미국 지진정보쎈터(NEIC; National Earthuake Information Center)는 전세계적으로 한해에 수백만 건의 지진이 발생하는 것으로 추정하였으며, 이 중 약 20,000 건 정도만 지진계에 기록된다고 보고하였다. 이들 기록된 지진 중에서 진도 6.0 이상인 지진은 매년 수백 건에 지나지 않는다. 이로부터 대강이나마, 지진의 세기와 빈도와의 관계를 엿볼 수 있다. 즉, 지진의 빈도는 진도가 증가함에 따라 기하급수적으로 감소한다는 것이다. 이와 같은 지진규모와 빈도의 관계는 소위 구텐버그-리히터 법칙(Gutenberg-Richter law, Gutenberg and Richter 1954)으로 아래 식 3-2-3과 같이 나타낼 수 있다. 이 식에서 N은 규모 M 이상의 지진이 발생하는 횟수이며, a와 b는 지역 및 환경에 따른 상수이다. 그림 3-2-19는 하바드 CMT(centroid-moment tensor) 카탈로그 자료를 바탕으로 지진규모(logMo=M)와 빈도(logN)가 구텐버그-리히터 법칙을 따름을 보여주고 있다. log10N = a - bM (식 3-2-3)  그림 3-2-19. 지진 규모와 빈도의 관계. http://www.ldeo.columbia.edu/~gcmt/projects/CMT/EQgallery_old/EQgallery.html 그림 3-2-20은 지진 규모, 빈도, 그리고 지진 방출에너지를 표현한 것이다. 이 그림 위에 과거 있었던 유명한 지진들의 규모가 어느 정도 였는지, 그리고 또 다른 쪽엔 토네이도 원자폭탄 등 다양한 사건의 에너지를 표시해서 비교하였다. 예를 들면 1906년에 일어난 샌프란시스코 지진은 규모가 8에 가까웠는데, 이 정도의 지진은 3년에 한 번 일어나며, 그 에너지는 화약 5천 6백만 톤이 폭발하는 에너지와 같으며 이는 역사상 가장 강력했던 핵실험의 에너지와 맞먹을 정도였다.  그림 3-2-20. 지진 규모, 빈도, 및 에너지 비교. http://jazinator.blogspot.kr/2014/02/a-magnitude-220-earthquake-star-wars.html 3-2-4. 지진에 의한 재해 지진에 의한 재해는 일차적인 것과 이차적인 것이 있다. 일차적인 재해는 지반 진동에 의한 직접적인 피해로, 지표면 파열과 건물 붕괴 등으로 발생하는 인명 및 재산 피해를 의미한다. 이차적인 재해는 지진으로 유발된 다른 현상에 의한 재해, 즉 쓰나미, 화재, 범람 및 사태 등에 의한 인명 및 재산 피해이다. 지진에 의한 재해 크기는 진앙과의 거리, 지진 규모, 지반의 굳기, 구조물의 내진성, 그리고 인구 밀집 정도 등에 따라 결정된다. 진앙에 가까울수록 그리고 진도가 클수록 더 강한 진동을 경험하며, 지반이 무를수록 더욱 커다란 진동을 일으키게 된다. 같은 규모의 지진이라 하더라도, 인구가 밀집된 곳일수록, 그리고 건물과 같은 구조물이 지진에 취약할수록 그 피해가 커진다. 그림 3-2-21은 지반의 굳기에 따라 진동 정도가 어떻게 다를 수 있는 가를 보여준다. 미고결물에서의 진동이 암석에서의 진동보다 훨씬 큰 걸 알 수 있다. 일반적으로 단단한 지반일수록 진동이 적으며, 그래서 지진 피해가 더 적을 수 있다.  그림 3-2-21. 지진 진동과 지반 물질과의 관계. http://www.ga.gov.au/image_cache/GA8210.gif 그림 3-2-22는 1989년 42명의 사망자를 낸 로마 프리에타(Loma Prieta) 지진이 지반에 따라 실제로 진폭이 얼마나 다르게 기록되었는지를 보여준다. 이 지진에 의해 캘리포니아 오클랜드의 사이프레스(Cypress) 고속고가도로가 일부 무너졌다, 그림의 붉은 선이 이 고가도로인데, 이 중 점선 부분이 무너진 부분이다. 이 부분은 부드러운 진흙위에 지어졌으며, 나머지 무너지지 않은 부분은 좀 더 단단한 바닥에 지어졌다. 오른쪽 지진계 기록을 보면 무너진 부분의 진동이 훨씬 컸음을 알 수 있다.  그림 3-2-22. 1989년 로마 프리에타 지진에 의해 무너진 캘리포니아 오클랜드의 사이프레스(Cypress) 고속고가도로. http://pubs.usgs.gov/fs/1999/fs151-99/ 2008년 7만명 이상의 사망자를 낸 중국 쓰촨성 지진은 지진 규모도 컸지만 (진도 7.8), 진앙 가까이 인구 밀집 지역이 있었고, 이 곳의 대부분 건물들이 지진에 대한 대비 없이 지어져 그 피해를 크게 키웠다(그림 3-2-23). 그림 3-2-24는 1995년 6천여명의 사망자를 낸 고베 지진(규모 7.3)에 의해 파괴된 고베시의 모습이다. 이 지진 당시 300여건의 화재가 발생해 피해를 더 키웠다. 그림 3-2-25는 2001년 944명의 사망자를 낸 엘살바도르 지진에 의해 대규모 사태가 일어난 모습이다. 사망자 중 585명은 사태 때문에 죽었다.  그림 3-2-25. 2001년 엘살바도르 지진에 의한 사태. https://en.wikipedia.org/wiki/January_2001_El_Salvador_earthquake#/media/File:ElSalvadorslide.jpg 표 3-2-3은 역사상 가장 많은 사망자를 낸 최악의 지진들에 대해 정리한 것이다. 1위인 1556년의 상시 지진은 무려 83만명이 사망했다. 재일한국인 학살로 유명한 관동대지진은 14만 2천여명의 사망자를 내어 14위를 차지했다. 표 3-2-3. 사망자를 기준으로 한 역사상 최악의 지진들
지진은 현재까지 정확한 예측이 불가능한 자연재해이다. 따라서, 지진에 의한 재해 규모를 최소화하기 위해서는 예방적 대책이 절실히 필요하다. 이러한 대책에는
등이 있다. 3-3. 쓰나미에 계속 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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