차시명: 7주차 제1강

주제: 제 3장 지구 내부 에너지, 4부 – 지진의 크기, 빈도 및 재해

동기 유발:  우리는 가끔 무시 무시한 지진이 일어나서 수많은 사람들을 사망에 이르게하고, 가치를 매길 수 없을 정도의 재산 피해를 냈다는 말을 듣습니다. 도대체 이런 지진은 얼마나 자주 일어나는 것일까요? 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 아십니까?  지진 중 어떤 진동이 피해를 입히는 걸까요? 지진의 규모는 어떻게 계산하고, 해당 규모의 지진은 얼마나 빈번하게 일어날까요?  지진으로 발생할 수 있는 재해에는 어떤 것들이 있을까요?  이런 질문들에 대한 해답을 여기서 살펴봅니다.

학습 목표: 지진의 규모와 빈도와의 관계, 그리고 이들 지진에 의해 어떠한 재해가 생길 수 있는지 이해하자

강의 타이틀: 3-2 화산과 지진 (지진의 크기, 빈도 및 재해)

안녕하십니까? 이번 시간은 지진의 크기와 빈도 그리고 지진 재해에 대해 얘기해 보겠습니다.

지진은  지하에 축적된 응력이 암석의 군열과 함께 방출되면서 발생하는 지반의 진동으로서, 지구 내부에너지에 의해 발생한다고 하였습니다.  이 지진에 대해 자세히 논의하기 전에 몇 가지 용어 정의부터 하고 진행하는 것이 좋겠습니다.

[slide #1]

지진을 얘기할 때 진원과 진앙이라는 말을 많이 들어보셨을 겁니다.  진원이란 영어로는 hypocenter라고 하는데요, 지하의 지진이 일어난 지점을 가리킵니다.  진앙이란 영어로는 epicenter라고 하는데 진원 바로 위의 지표상의 지진 발생 위치를 뜻합니다.

지진은 대개 암석이 깨져 미끄러지는 단층에 수반되어 나타나는데, 여기 왼쪽 그림에서 보듯이 단층면 상의 지하 한 지점에서 지진이 일어나면 그 지점이 진원이 됩니다. 그리고 이 진원의 바로 위 지표 상의 위치가 진앙이됩니다.

오른쪽 그림은 진원에서 지진이 발생하면 모든 방향으로 물질파 형태로 지진이 전달되는 것을 보여줍니다. 이때 지진에 의에 전달되는 물질파를 지진파, seismic wave라고 합니다.

[slide #2]

지진은 지진파(seimic wave)의 형태로 지구 내부를 통해 매우 멀리까지 전달되므로, 진앙(epicenter)에서 매우 멀리 떨어진 지진계에도 기록됩니다. 지진파는 지구 내부로 전달되는 실체파, body wave와 지구 표면으로 전달되는 표면파, surface wave로 나눌 수 있습니다. 진행 방향에 대한 진동 방식에 지진파를 더 세분할 수 있는데요, 실체파는 P파와 S파로, 표면파는 R파와 L파로 다시 나눕니다.

[slide #3]

P파는 primary wave에서 따온 이름인데요, 속도가 빨라 지진계에 제일 먼저 기록되기 때문에 붙은 이름입니다. P파는 진행 방향과 평행하게 종으로 진동하는 지진파이며, 고체와 액체 모두 통과합니다.

S파는 secondary wave에서 따온 이름인데, 속도가 P파보다 느려 지진계에 나중에 도착합니다. 이 때문에 S파라는 이름이 붙었습니다. S파는 진행 방향을 가로지르며 횡으로 진동하며, 고체만 통과합니다.  이와 같은 P파와 S파의 통과 매질 차이를 이용해 지구 외핵이 액체 상태임을 알아낸 것입니다.

R파는 Rayleigh wave에서 따온 이름인데, 마치 수면의 물결과 같은 지진파입니다. 그림의 표면파가 R파입니다. 속도는 S파의 90% 정도됩니다.

L파는 Love wave에서 온 이름으로, 진행방향을 가로 질러 횡으로 진동하는 표면파입니다. R파보다 아주 조금 더 빠릅니다.

[slide #4]

P파는 S파보다 빠르므로, 지진계에 먼저 도달하여 기록됩니다.  그리고 진앙에서 멀리 떨어질수록 뒤에 도달하는 S파와의 간격이 벌어집니다.  즉 P파와

(진앙 알아내기와 지진규모 측정하기 애니메이션?)

S파와의 간격을 알면 진앙까지의 거리를 계산할 수 있습니다.  지진계가 설치된 지점을 중심으로 진앙까지의 계산된 거리를 반지름으로 하는 원을 그리면, 이 원주 상에 진앙이 반드시 존재합니다.  여기 이 그림과 같이 적어도 세군데 다른 곳의 지진계 설치 지점에서 계산된 진원까지의 거리를 반지름으로 하는 원을 그리면 이 원들이 한 점에서 교차하는데, 이 교차점이 바로 진앙이 됩니다.  지진이 일어나면 이와 같은 방법으로 진앙을 찾아냅니다.

지진계에 기록된 지진파의 크기로부터 지진의 규모를 추정할 수 있습니다. 아까처럼 P파와 S파의 간격으로부터 진앙까지의 거리를 계산하고, 지진계에 기록된 가장 강한 진동의 크기를 측정합니다. 여기 이 그림에서와 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 됩니다.

[slide #5]

지진의 절대 규모(magnitude)는 리히터 등급(Richter scale)(표 3-2-2) 또는 모멘트 규모 등급(MMS; Moment Magnitude Scale, 리히터 등급의 변형)으로 나타내며, 현장에서 느끼는 지진의 규모는 메르칼리 강도 등급(Mercalli intensity scale)으로 나타냅니다. 이중 메르칼리 등급은 현장에서의 실제 피해 정도 및 사람이 각자 느끼는 주관적인 피해에 따라 달라질 수 있으므로 리히터 등급만큼 과학적인 것으로 간주되지 못합니다.

리히터 등급은 지진 측정 위치와 상관 없이 지진의 절대 규모를 측정하기 위해 1934년 Charles F. Richter에 의해 고안된 것으로 여기 이식에서 보시는 것처럼 상용 로그를 이용해 계산합니다.

이 식에서 A는 (Wood-Anderson) 지진계에 기록된 지진파의 최대 크기이며, Ao(δ)는 지진관측소와 진앙과의 거리에 의해 결정되는 보정값입니다. 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 시작하였습니다. 지진 모멘트(Mo)란 지진을 일으킨 단층의 표면적, 이동 거리 및 암석의 전단응력 계수(shear modulus)등을 곱해 얻는 값으로 에너지와 같은 단위를 갖습니다. 이 등급을 MMS(Mw)는 여기 이 식을 이용해 계산됩니다.

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 계산됩니다. 요즈음의 지진 규모는 모두 이것으로 측정됩니다.

[slide #6]

지진 등급이 로그 값으로 계산되는 것을 이미 보여드렸습니다.  따라서 등급 1 차이는 대략 10배 진동차이를 나타내며, 지진 에너지 차이는 10배 이상이 됩니다.  여기 이표는 리히터 규모와 지진 효과, 그리고 발생 빈도를 정리한 것입니다.

(설명에 해당되는 줄 진하게)

(세번째 줄) 지진 규모가 3이하이면 사람은 느낄 수 없습니다.  이러한 지진은 전세계적으로 하루에 수천번 발생합니다.

(5, 6번째 줄) 지진 규모가 4-5 정도면 건물의 파괴가 일어나는 수준입니다. 이런 정도의 지진은 년간 수천번 이상 발생합니다.

(7번째 줄) 지진 규모가 6이 넘어가면 무시 무시한 파괴력을 보입니다. 이 정도의 지진은 일년에 수백번 발생합니다.

(8번째 줄) 규모 7이상의 지진이 인구 밀집 지역에 일어나면 그야말로 대재앙이 됩니다. 이런 규모의 지진은 일년에 수십차례 밖에 일어나지 않습니다.

이미 이 표에서 살펴 보았듯이 전세계 발생하는 지진은 우리가 생각하는 것보다 훨씬 많습니다. 하지만, 이들 지진의 상당 수는 우리가 전혀 인식하지 못할 정도로 약하거나, 우리가 생활하는 곳에서 너무 멀리 떨어진 곳에서 발생합니다. 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 보고하였습니다.

이들 기록된 지진 중에서 진도 6.0 이상인 지진은 매년 수백 건에 지나지 않습니다. 이로부터 대강이나마, 지진의 세기와 빈도와의 관계를 엿볼 수 있습니다. 즉, 지진의 빈도는 진도가 증가함에 따라 기하급수적으로 감소한다는 것입니다.

[slide #7]

이와 같은 지진규모와 빈도의 관계는 소위 구텐버그-리히터 법칙(Gutenberg-Richter law, Gutenberg and Richter 1954)으로 이 식과 같이 나타낼 수 있습니다.  이 식에서 N은 규모 M 이상의 지진이 발생하는 횟수이며, a와 b는 지역 및 환경에 따른 상수입니다. 아래 그림은 하바드 CMT(centroid-moment tensor) 카탈로그 자료를 바탕으로 지진규모(logMo~M)와 빈도(logN)가 구텐버그-리히터 법칙을 따름을 보여주고 있습니다.

[slide #8]

이 그림은 지진 규모, 빈도, 그리고 지진 방출에너지를 표현한 것입니다. 이 그림 위에 과거 있었던 유명한 지진들의 규모가 어느 정도 였는지, 그리고 또 다른 쪽엔 토네이도 원자폭탄 등 다양한 사건의 에너지를 표시해서 비교하도록 하였습니다.   (해당 부분 팝업) 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 정도였습니다.

[slide #9]

지진에 의한 재해는 일차적인 것과 이차적인 것이 있습니다.  일차적인 재해는 지반 진동에 의한 직접적인 피해로, 지표면 파열과 건물 붕괴 등으로 발생하는 인명 및 재산 피해를 의미합니다.  이차적인 재해는 지진으로 류발된 다른 현상에 의한 재해, 즉 쓰나미, 화재, 범람 및 사태 등에 의한 인명 및 재산 피해입니다.

지진에 의한 재해 크기는 진앙과의 거리, 지진 규모, 지반의 굳기, 구조물의 내진성, 그리고 인구 밀집 정도 등에 따라 결정됩니다. 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 커집니다.

[slide #10]

이 그림은 지반의 굳기에 따라 진동 정도가 어떻게 다를 수 있는 가를 보여줍니다.  미고결물에서의 진동이 암석에서의 진동보다 훨씬 큰 걸 알 수 있습니다.  일반적으로 단단한 지반일수록 진동이 적으며, 그래서 지진 피해가 더 적을 수 있습니다.

[slide #11]

(설명에 해당 부분 확대)

이 그림은 1989년 42명의 사망자를 낸 로마 프리에타(Loma Prieta) 지진이 지반에 따라 실제로 진폭이 얼마나 다르게 기록되었는지를 보여줍니다. 이 지진에 의해 캘리포니아 오클랜드의 사이프레스(Cypress) 고속고가도로가 일부 무너졌습니다,  그림의 붉은 선이 이 고가도로인데, 이 중 점선 부분이 무너진 부분입니다. 이 부분은 부드러운 진흙위에 지어졌으며, 나머지 무너지지 않은 부분은 좀 더 단단한 바닥에 지어졌습니다. 오른쪽 지진계 기록을 보면 무너진 부분의 진동이 훨씬 컸음을 알 수 있습니다.

[slide #12]

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 키웠습니다.

[slide #13]

1995년 6천여명의 사망자를 낸 고베 지진(규모 7.3)에 의해 파괴된 고베시의 모습입니다. 이 지진 당시 300여건의 화재가 발생해 피해를 더 키웠습니다.

[slide #14]

2001년 944명의 사망자를 낸 엘살바도르 지진에 의해 대규모 사태가 일어난 모습입니다.  사망자 중 585명은 사태 때문에 죽었습니다.

[slide #15]

이 표는 역사상 가장 많은 사망자를 낸 최악의 지진들에 대해 정리한 것입니다. 1위부터 3위까지가 중국 지진입니다.  1위인 1556년의 상시 지진은 무려 83만명이 사망했습니다. 재일한국인 학살로 유명한 관동대지진은 14만 2천여명의 사망자를 내어 14위를 차지했습니다.

지진은 현재까지 정확한 예측이 불가능한 자연재해입니다. 따라서, 지진에 의한 재해 규모를 최소화하기 위해서는 예방적 대책이 절실히 필요합니다. 이러한 대책에는

• 지진 감시 및 경보 시스템 확충

• 충분한 대피 및 대처 훈련/교육

• 내진 설계 등을 통한 지진 피해 최소화

• 구제 기금 및 보험 등을 통한 재정 확충

• 재난 발생시 효과적으로 대응할 수 있는 구호 시스템 확충

등이 있습니다.

지금까지 지진파의 종류, 지진의 규모와 빈도, 그리고 지진 재해에 대해서 공부하였습니다.  다음 시간에는 쯔나미에 대해서 얘기해 보도록 하겠습니다.

안녕히 계십시오.

[끝]

심화토론:

2016년 9월 2일 경주에서 규모 5.8의 지진이 일어나 상당한 피해를 주었으며, 이 때의 진동을 전국민이 느낄 수 있을 정도여서 우리 국민도 지진에 대한 경각심을 갖게 되었습니다. 경주 지진은 한반도에서 발생한 지진 가운데 가장 강력한 것입니다.  여러분들은 이 지진의 발생 원인과 이 지진으로 인한 피해를 조사해봅시다.