1929년 6월, 강한 지진이 뉴질랜드 남섬을 뒤흔들었습니다. 코펜하겐에서는 잉에 레만이라는 지진학자가 이 지진이 전 세계 관측소에 남긴 기록을 연구했습니다. 희미한 파동이 러시아의 관측소들에 도달해 있었는데, 그곳은 당시의 모든 이론에 따르면 지구의 핵이 파동을 막아 들어오지 못하게 했어야 할 구역이었습니다.
그녀는 그 수수께끼를 푸는 데 여러 해를 보냈습니다. 1936년, 그녀는 자신의 답을 발표했습니다. 액체 상태인 핵의 깊은 안쪽에 두 번째 핵, 즉 파동이 더 빠르게 이동하는 내핵이 있는 것이 틀림없다는 것이었습니다. 그 내핵이 파동을 휘게 해 금지된 구역으로 들여보냈던 것입니다. 그곳에 가 본 사람은 아무도 없습니다. 지진이 그녀에게 그것을 보여 주었고, 이 강의가 끝날 무렵이면 어떻게 그랬는지 알게 될 것입니다.
이번 강의에서는 지진 하나를 처음부터 끝까지 따라가 보겠습니다. 단층에 어떻게 힘이 쌓이고 단층이 어떻게 깨지는지, 그리고 과학자들이 그 파동을 어떻게 읽어 내는지 살펴보겠습니다. 이어서 한 지진이 어떻게 다음 지진으로 이어지는지, 그리고 그 파동이 행성 깊은 속에 대해 무엇을 드러내는지 알아보겠습니다.
지구의 바깥 껍질은 해마다 몇 센티미터씩 떠다니듯 움직이는 판들로 쪼개져 있습니다. 두 판이 만나는 곳에서 그 사이의 경계는 단층이며, 판들이 계속 움직이는 동안에도 대부분의 시간 동안 양쪽은 서로 맞물려 붙어 있습니다.
1:13맞물린 단층 근처의 암석은 점점 늘어나는 무게를 받는 도약판처럼 천천히 휘어집니다. 1910년, 해리 필딩 리드라는 지질학자가 1906년 샌프란시스코 대지진 전과 후에 실시한 토지 측량으로 이를 보여 주었습니다. 그는 이를 탄성 반발이라고 불렀습니다. 수십 년에 걸친 느린 휘어짐, 그리고 갑작스럽게 툭 되튀어 돌아가는 것입니다.
1:34이것이 지진 주기입니다. 단층은 수십 년 또는 수백 년 동안 힘을 쌓고, 몇 초 또는 몇 분 만에 깨진 다음, 다시 맞물려 고정되어 또다시 힘을 쌓기 시작합니다. 모든 큰 지진은 그 주기가 한 바퀴 도는 것입니다.
1:48과학자들은 힘이 쌓이는 과정을 지켜볼 수 있습니다. 땅에 고정된 GPS 수신기는 자신의 위치를 인치의 몇 분의 일, 즉 몇 밀리미터 이내의 정확도로 추적합니다. 고정된 단층에서 멀리 떨어진 관측소는 자기 판과 함께 움직이지만, 단층 가까이에 있는 관측소는 뒤처집니다. 땅이 휘어지고 있는 것입니다.
2:06단층이 얼마나 단단히 맞물려 있는지를 그 단층의 고착도(커플링)라고 합니다. 완전히 고착된 단층은 해마다 판 운동의 거의 전부를 저장합니다. 일본 북동부 앞바다에서 2011년 3월의 대지진은 그곳의 판들이 태평양판이 일본 아래로 파고드는 해구에 이르기까지 맞물려 고정되어 있었음을 보여 주었습니다. 그 경계가 풀려나자 해저가 움직였는데, 어떤 곳에서는 약 50미터, 150피트가 넘게 움직였습니다.
2:33모든 단층이 힘을 쌓는 동안 완전히 가만히 있는 것은 아닙니다. 워싱턴주와 브리티시컬럼비아주 아래에서는 판 경계의 깊은 부분이 약 14개월마다 두어 주에 걸쳐 한 인치 남짓, 즉 몇 센티미터 미끄러집니다. 아무도 그것을 느끼지 못합니다. GPS는 2000년 무렵 이러한 느린 미끄러짐 현상을 밝혀냈습니다. 과학자들은 이 현상을 면밀히 지켜보는데, 한 번 일어날 때마다 그 위쪽 단층의 고정된 부분에 힘을 더하기 때문입니다.
3:00지진 주기는 땅속에 기록을 남깁니다. 지질학자들은 단층을 가로질러 트렌치를 파고, 흙의 층들을 책의 페이지처럼 읽습니다. 어떤 층이 찢기고 어긋나 있다면, 지진이 그 층을 끊어 놓은 것입니다. 그 층들의 연대를 측정하면 단층이 수천 년 동안 얼마나 자주 깨졌는지 알 수 있습니다.
지진은 단층 전체를 한꺼번에 깨뜨리지 않습니다. 지진은 한 지점, 즉 응력이 처음으로 마찰을 이기는 진원에서 시작됩니다. 그곳에서부터 깨짐, 즉 파열이 단층을 가로질러 바깥쪽으로 내달리는데, 보통 매초 2~3킬로미터의 속도입니다. 몇몇 파열은 자신이 내보내는 파동의 일부보다도 더 빨리 달립니다.
3:39지진이 클수록 깨짐은 더 오래 이어집니다. 중간 규모의 지진은 몇 초 만에 끝납니다. 2004년 수마트라 대지진에서는 파열이 약 팔 분 동안 북쪽으로 계속 찢어져 나가며, 1,300킬로미터가 넘는 단층을 따라 이어졌습니다.
3:56단층이 얼마나 넓게 깨지고 얼마나 멀리 미끄러지는지가 지진의 크기를 정합니다. 과학자들은 세 가지를 곱합니다. 깨진 단층의 면적, 단층 양쪽이 미끄러진 거리, 그리고 암석의 강성(얼마나 단단한지)입니다. 그 결과인 지진 모멘트가 현대 규모 척도의 바탕입니다. 척도에서 정수 한 단계씩 올라갈 때마다 방출되는 에너지는 약 32배 많아집니다.
4:18대부분의 지진은 지표에서 약 70킬로미터 이내에서 시작됩니다. 그러나 한 판이 다른 판 아래로 파고드는 곳에서는 지진이 가라앉는 판을 따라 약 700킬로미터 깊이까지 내려갑니다. 1994년, 지금까지 기록된 가장 큰 심발 지진 가운데 하나가 볼리비아 지하 약 630킬로미터에서 일어났습니다. 이 지진은 멀리 캐나다에서도 느껴졌습니다.
깨짐은 파동을 내보냅니다. P파는 용수철을 따라 미는 것처럼 암석을 압축했다 늘였다 하며, 가장 빠르게 이동합니다. S파는 암석을 좌우로 흔들며, 더 늦게 도착합니다. 이 파동들이 지표에 이르는 곳에서는 표면파가 땅을 따라 바깥쪽으로 굽이치며 퍼져 나갑니다. 표면파는 가장 느리며, 피해의 상당 부분을 일으킵니다.
5:03P파와 S파 사이의 시간 차이는 관측소에 지진이 얼마나 멀리 떨어져 있는지 알려 줍니다. 가까운 지진이라면, 그 시간 차이 일 초마다 약 8킬로미터에 해당합니다. 관측소 세 곳이면 그 지점을 정확히 찾아내기에 충분하며, 수백 개의 관측소로 이루어진 관측망은 이 일을 몇 초 만에 해냅니다.
5:19단층은 크게 세 가지 방식으로 깨집니다. 정단층에서는 지각이 늘어나며 한 덩어리가 아래로 내려앉습니다. 역단층에서는 지각이 압축되며 한 덩어리가 다른 덩어리 위로 올라탑니다. 주향이동단층에서는 양쪽이 옆으로 서로 스쳐 미끄러집니다.
5:34파동 자체가 단층이 어느 방향으로 깨졌는지를 드러냅니다. 어떤 관측소에서는 땅의 첫 움직임이 밀기이고, 다른 관측소에서는 당기기입니다. 그 밀기와 당기기를 지구 곳곳에 걸쳐 지도로 나타내면, 지진학자들이 '비치볼'이라는 별명으로 부르는 무늬가 그려집니다. 2023년 2월, 튀르키예에서 규모 7.8의 지진이 일어났습니다. 이 지진의 비치볼은 주향이동 방식의 깨짐을 보여 주었고, 여진들은 그 깨짐을 동아나톨리아 단층을 따라 그려 냈습니다.
6:02크기를 정확히 알아내는 데에는 더 오래 걸립니다. 2011년, 흔들림이 시작되고 약 삼 분 뒤에 나온 일본의 첫 쓰나미 경보는 규모 7.9를 바탕으로 했습니다. 빠른 방법은 아주 큰 지진에서는 한계에 이르러 더 커지지 않으며, 추정치는 단계적으로 9까지 올라갔습니다. 빠른 수치는 경보에 쓰이고, 최종 수치는 전체 기록에서 나옵니다.
6:27그 최종 수치가 단층의 면적과 미끄러진 양으로 계산하는 모멘트 규모입니다. 예전의 척도와 달리, 모멘트 규모는 가장 큰 지진에서도 커지기를 멈추지 않습니다. 그래서 대지진은 처음 한 시간 동안 여러 개의 규모 값을 보일 수 있습니다. 빠른 추정치가 차례로 모멘트 규모에 자리를 내주기 때문입니다.
6:45레이더 위성은 지진 하나 전체를 한 번에 지도로 그릴 수 있습니다. 지진 전과 후에 찍은 영상을 비교해 땅이 움직인 곳에 색의 띠를 그리는데, 띠 하나는 위성 쪽으로 약 3센티미터, 약 한 인치 움직였음을 나타냅니다. 그 무늬는 아무도 갈 수 없는 곳에서도 깨진 단층을 따라 그려 줍니다.
7:07지진은 서로 이야기한다
지진은 나름의 규칙을 따릅니다. 규모가 한 단계 내려갈 때마다 지진의 수는 약 열 배가 됩니다. 전 세계적으로 보통 한 해에 규모 5 이상의 지진은 1,000번이 넘게 일어나지만, 규모 8 이상은 약 한 번뿐입니다.
7:22큰 지진 뒤에는 여진이 오고, 여진은 규칙적인 방식으로 잦아듭니다. 이것은 지진학자 오모리 후사키치가 1890년대에 일본에서 발견한 패턴입니다. 본진 열흘 뒤에는 여진이 첫날의 약 십분의 일만큼 자주 일어납니다. 백 일 뒤에는 약 백분의 일입니다.
7:40가장 큰 여진은 평균적으로 본진보다 규모가 약 1.2 작습니다. 그래서 규모 7의 지진 뒤에 규모 6에 가까운 강한 여진이 와도 놀랄 일이 아니며, 피해를 입은 건물은 점검을 받을 때까지 비워 두어야 합니다.
7:59지진은 응력을 풀어놓기만 하는 것이 아닙니다. 응력을 옮기기도 합니다. 깨진 단층이 끝나는 곳에서는 바로 그 너머 암석에 걸리는 응력이 커지고, 다음 구간은 깨짐에 더 가까이 밀려납니다.
8:11튀르키예의 북아나톨리아 단층이 이를 분명하게 보여 줍니다. 1939년부터 60년에 걸쳐 일련의 큰 지진들이 이 단층을 따라 동쪽에서 서쪽으로 행진하듯 이어졌습니다. 가장 큰 열 개의 지진을 조사한 한 연구에 따르면, 그중 아홉 개는 앞선 지진들 때문에 파괴에 더 가까이 밀려나 있었습니다. 1999년 8월, 그 행진은 이스탄불에서 가까운 이즈미트에 이르렀고, 이스탄불 아래에서 강한 지진이 일어날 확률을 높였습니다.
8:38사람도 단층의 고정을 풀 수 있습니다. 오클라호마에서는 석유·가스 사업장이 엄청난 양의 짠 폐수를 땅속 깊이 주입해 오래된 단층 내부의 압력을 높였고, 결국 단층이 미끄러졌습니다. 규모 3 이상의 지진이 한 해 약 두 번에서 2015년에는 900번이 넘는 수준으로 급증했습니다. 오클라호마에서 가장 컸던 지진은 2016년 포니 근처에서 일어난 규모 5.8의 지진으로, 여러 주에 걸쳐 느껴졌습니다.
9:07이 모든 것이 지진 예보에 쓰이는데, 예보는 확률을 제시할 뿐 결코 날짜를 제시하지 않습니다. 캘리포니아의 작은 마을 파크필드는 샌안드레아스 단층 위에 자리하고 있습니다. 1857년과 1966년 사이에 그곳에서는 중간 규모의 지진이 여섯 번, 대략 22년마다 한 번씩 일어났습니다.
9:241985년, 과학자들은 다음 지진이 1993년 이전에 일어날 것이라고 예보하고, 그 지진을 포착하기 위해 그 지역을 관측 기기로 가득 채웠습니다. 지진은 예보 기간이 끝나고 11년이 지난 2004년에 찾아왔습니다. 단층은 예보할 수 있을 만큼은 규칙적이지만, 시간표를 지킬 만큼 규칙적이지는 않습니다.
9:43그래서 현대의 예보는 지진 주기, 트렌치 속의 기록, 그리고 힘이 쌓이는 과정을 GPS로 측정한 값을 종합해, 앞으로 수십 년 동안 각 단층에 대한 확률로 나타냅니다. 오클라호마의 지진 급증 이후, 미국 지질조사국은 사람이 일으키는 지진에 대해서도 일 년 단위 예보를 내기 시작했습니다.
땅을 흔드는 바로 그 파동은 행성 전체를 통과해 나아갑니다. 더 깊은 곳의 암석은 엄청난 압력을 받고 있으며, 파동은 대체로 아래로 내려갈수록 빨라집니다. 그래서 파동의 경로는 뜨거운 도로 위에 아른거리는 신기루처럼 지표 쪽으로 완만하게 휘어 되돌아옵니다.
10:191909년, 안드리야 모호로비치치라는 크로아티아의 과학자는 가까운 지진에서 온 파동이 두 무리로 나뉘어 도착한다는 것을 알아차렸습니다. 일부 파동은 더 깊은 암석을 지나는 더 빠른 경로를 거쳐 왔던 것입니다. 그는 지각의 바닥을 찾아낸 것이었고, 그 경계는 지금도 그의 이름을 따 모호면이라고 불립니다.
10:38훨씬 더 깊은 곳에서, 파동은 핵을 드러냅니다. 지진에서 지구 둘레의 사분의 일 이상 떨어진 곳에서는 S파가 사라지고, 다시는 나타나지 않습니다. P파도 희미해져 사라졌다가, 반대편에서 다시 나타납니다. S파는 액체를 통과하지 못합니다. 외핵은 녹아 있는 것입니다.
10:55그리고 여기서 다시 잉에 레만의 이야기로 돌아갑니다. 러시아에서 잡힌 희미한 파동은 액체 핵을 가로질러 왔고, 그 안에 있는 더 빠른 무언가에 의해 휘어졌던 것입니다. 그것은 반지름이 약 1,200킬로미터인 내핵이었습니다. 이후의 연구로 내핵은 고체 상태의 철과 니켈이며, 대략 태양 표면만큼 뜨겁다는 것이 밝혀졌습니다. 현대의 관측망은 이런 기록 수백만 개를 바탕으로 지구 깊은 속을 삼차원으로 지도화합니다.
11:19약 12킬로미터보다 더 깊이 시추한 사람은 아무도 없습니다. 그 아래의 모든 것에 대해 우리가 아는 것의 대부분은 전 세계 관측소에서 지진파의 도착 시간을 잰 결과에서 나옵니다.
자, 기억할 것 세 가지입니다. 첫째, 단층은 수십 년 동안 힘을 쌓고, 몇 분 만에 깨진 뒤, 다시 맞물려 고정됩니다. 이것이 지진 주기입니다. 둘째, 파동은 단층이 어디에서 깨졌는지, 어떻게 움직였는지, 깨짐이 얼마나 컸는지를 드러내며, 각 지진은 다음 지진에 응력을 넘겨줍니다. 그리고 셋째, 바로 그 파동들이 고체 상태의 핵에 이르기까지 행성의 내부를 지도로 그려 냈습니다.
11:54모든 지진은 행성 내부에서 온 메시지입니다. 잉에 레만은 1929년에 온 메시지 하나를 읽어 내고, 아무도 결코 가 볼 수 없을 세계를 찾아냈습니다. Earth Explained를 시청해 주셔서 감사합니다. 다음 강의를 보시려면 구독해 주시고, EarthWatch 24-7에서 하루 종일 쉬지 않고 행성을 실시간으로 지켜보세요.
