이름 반 날짜

EARTH EXPLAINED · 수업 가이드

월드시리즈 지진

로마 프리에타, 1989년: 최악의 피해는 왜 단층에서 60마일 떨어진 곳에서 일어났을까

영상 9:00수준 6–12학년 · 대학 지질학 입문교육 기준 MS-ESS2-2, MS-ESS3-2, HS-ESS2-1, HS-ESS3-1, HS-PS4-1, HS-ETS1-3
언어 한국어

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재생 방법YouTube를 차단하는 학교 네트워크용

산타크루즈 근처 산지에서 일어난 지진이 왜 약 60마일 떨어진 샌프란시스코와 오클랜드에서 가장 많은 목숨을 앗아 간 피해를 냈을까요?

1989년 10월 17일 오후 5:04, 월드시리즈 3차전이 시작되기 몇 분 전에 규모 6.9의 지진이 산타크루즈산맥 아래에 묻혀 있던 샌안드레아스 단층계의 한 구간을 끊어 놓았습니다. 이 수업에서는 이 지진을 통해 서로 미끄러지는 판의 경계가 어떻게 변형을 쌓았다가 갑자기 풀어놓는지(1906년 지진에서 나온 탄성 반발 이론), 1988년의 예측이 어떻게 실제로 끊어진 구간을 콕 집어 지목했는지, 그리고 왜 최악의 피해가 단층에서 멀리 떨어진 곳, 즉 무른 진흙과 인공 매립지가 흔들림을 키우고 느슨한 땅을 거의 액체처럼 만든 곳에서 일어났는지를 설명합니다. 마지막으로 고속도로 내진 보강에서 휴대전화 지진 경보에 이르기까지 이 지역이 그 뒤에 무엇을 바꾸었는지, 그리고 2014년부터 2043년 사이에 샌프란시스코 베이 에어리어에서 규모 6.7 이상의 지진이 적어도 한 번 일어날 확률이 72%라는 USGS의 추정을 다룹니다.

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16개 언어 자막 추가 제공

학습 목표 이 수업을 마치면 학생들은 다음을 할 수 있습니다:

  1. 샌안드레아스 단층계를 태평양판이 북아메리카판 옆을 스치며 북서쪽으로 미끄러지는 경계로 설명하고, 베이 에어리어의 주요 단층들의 이름을 말할 수 있습니다.
  2. 1906년 지진 뒤에 측정된 땅의 어긋남을 증거로 사용하여 탄성 반발 이론을 설명할 수 있습니다.
  3. 지진 예측(forecast: 일정 기간 안의 확률)과 지진 예보(prediction: 날짜, 장소, 규모의 특정)를 구별하고, 1988년과 2014년의 베이 에어리어 예측을 올바르게 해석할 수 있습니다.
  4. 무른 흙과 인공 매립지가 지진파를 어떻게 증폭하는지, 액상화가 건물에 어떻게 피해를 주는지 설명하고, 이 개념들을 사용해 피해가 마리나 지구와 만 가장자리에 집중된 이유를 설명할 수 있습니다.
  5. 사이프러스 스트리트 고가도로와 베이 브리지의 붕괴를 설명하고, 그 뒤에 이어진 공학적 대응, 즉 오래된 구조물의 내진 보강과 베이 브리지 동쪽 구간의 교체를 평가할 수 있습니다.
  6. 지진 조기 경보가 어떻게 작동하는지, 왜 어떤 곳에서는 수십 초 전에 경보를 받을 수 있는지, 그리고 왜 단층에 가장 가까운 곳은 경보를 전혀 받지 못할 수도 있는지 설명할 수 있습니다.
  7. 헤이워드 단층이 지금 지닌 위험을 평가하고, 30년 안에 대지진이 일어날 확률이 72%인 지역에서 “Drop, Cover and Hold On”(엎드리고, 몸을 가리고, 꽉 잡기)을 연습하는 것이 왜 합리적인지 설명할 수 있습니다.

시청 전

핵심 어휘 ★ 상급 학생을 위한 심화 용어

단층
지각에 생긴 틈으로, 그 양쪽의 암석이 서로 엇갈려 움직이는 곳입니다. 단층의 움직임은 느리고 꾸준할 수도 있고, 지진처럼 갑작스러울 수도 있습니다.
지각판(판)
지구 바깥 껍질을 이루는 크고 단단한 조각 가운데 하나입니다. 캘리포니아에서는 태평양판이 북아메리카판 옆을 지나 해마다 약 2인치(5cm)씩 북서쪽으로 움직입니다.
샌안드레아스 단층계
캘리포니아에서 태평양판과 북아메리카판 사이의 움직임 대부분을 담당하는 단층들의 무리입니다. 샌프란시스코만 주변에서는 샌안드레아스 단층, 헤이워드 단층, 칼라베라스 단층 등이 여기에 속합니다.
변환 경계★
두 판이 서로 옆으로 미끄러져 지나가는 판의 경계로, 판이 새로 생기지도 사라지지도 않습니다. 샌안드레아스 단층계는 육지에서 가장 잘 알려진 예입니다.
탄성 반발
H. F. 리드가 1910년에 내놓은 지진의 설명입니다. 판이 움직이면 고정된 단층 양쪽의 암석이 천천히 휘면서 변형을 쌓다가, 단층이 미끄러지면 암석이 툭 하고 되튀어 돌아갑니다. 지금도 지진 주기의 기본 모델입니다.
규모
지진의 크기를 나타내는 척도입니다. 모멘트 규모가 한 단계 올라갈 때마다 약 32배 더 많은 에너지가 방출됩니다.
진원과 진앙★
진원(초점)은 땅속에서 파열이 시작된 지점이고, 진앙은 그 바로 위 지표면의 지점입니다. 로마 프리에타 지진의 진원은 약 11마일(17km) 깊이였습니다.
지진 예측
주어진 지역에서 주어진 기간 안에 주어진 크기의 지진이 일어날 확률을 나타낸 것으로, 예를 들어 '30년 안에 30%'와 같습니다. 날짜를 맞히는 예보가 아닙니다.
인공 매립지
사람이 모래, 흙, 잔해를 물속이나 낮은 땅에 쏟아붓거나 펌프로 퍼 넣어 만든 땅입니다. 마리나 지구를 포함해 샌프란시스코만 해안선의 많은 부분이 매립지 위에 지어졌습니다.
액상화
느슨하고 물로 가득 찬 모래가 흔들림 속에서 힘을 잃어 액체처럼 행동하는 현상입니다. 그 위의 건물은 가라앉거나 기울고, 모래와 물이 솟구쳐 모래 분출(샌드 보일)이 생깁니다.
부지 증폭
지진파가 단단한 암석에서 무른 흙으로 들어갈 때 흔들림이 강해지는 현상입니다. 파동이 느려지면서 진폭이 커집니다. 1989년에 만 주변의 무른 땅은 근처 암반보다 두 배에서 네 배 더 세게 흔들렸습니다.
단층 크리프
지진 없이 단층이 느리고 꾸준하게 미끄러지는 현상입니다. 헤이워드 단층의 일부 구간은 해마다 몇 밀리미터씩 크리프하며, 단층을 가로지르는 연석과 담장을 휘게 합니다.
지진 조기 경보
지진 근처의 센서가 먼저 도착하는 빠른 지진파를 감지해, 가장 강한 흔들림보다 몇 초 먼저 도착할 수 있는 경보를 보내는 시스템입니다. 캘리포니아의 시스템은 USGS의 ShakeAlert 네트워크를 바탕으로 만들어졌습니다.
P파와 S파★
지구 내부를 지나가는 두 종류의 지진파입니다. P파(일차파)는 더 빠르고 대개 더 약합니다. S파(이차파)는 나중에 도착하며 피해의 상당 부분을 일으킵니다.
비보강 조적조★
철근 보강이 없는 오래된 벽돌이나 돌 건물입니다. 산타크루즈의 퍼시픽 가든 몰에 있던 건물들처럼, 강한 흔들림에 가장 무너지기 쉬운 건물에 속합니다.
내진 보강
기존 구조물을 지진에 견딜 수 있도록 튼튼하게 하는 일입니다. 예를 들어 콘크리트 기둥을 강철 재킷으로 감싸고 다리 상판들을 서로 묶어 줍니다.

챕터 목록 시간을 선택하면 그 지점부터 재생됩니다

0:00오후 5:04

1989년 10월 17일: 샌프란시스코 자이언츠와 오클랜드 애슬레틱스가 맞붙는 월드시리즈 3차전을 보러 60,000명이 넘는 팬이 캔들스틱 파크에 모여 있던 중, 오후 5:04에 경기장이 흔들리기 시작하고 생중계 화면이 끊겨 잡음만 남습니다.

0:39바로 옆의 단층

캘리포니아는 태평양판이 북아메리카판 옆을 스치며 해마다 약 2인치(5cm)씩 북서쪽으로 미끄러지는 경계 위에 있으며, 이 움직임은 주로 샌안드레아스 단층계를 따라 일어납니다. 이 단층계는 만 주변에서 샌안드레아스 단층, 헤이워드 단층, 칼라베라스 단층으로 갈라집니다. 단층들은 대부분의 구간에서 수십 년, 수백 년 동안 고정되어 있다가, 쌓인 변형을 한꺼번에 풀어놓습니다.

1:201906년

1906년 4월 18일의 규모 7.9 지진은 샌안드레아스 단층을 약 296마일(477km)에 걸쳐 끊어 놓았습니다. 뒤이어 화재가 일어났고, 약 28,000채의 건물이 파괴되었으며 3,000명이 넘는 사람이 목숨을 잃었습니다. 최대 약 21피트(6.4m)에 이른 어긋남을 보고 H. F. 리드는 탄성 반발 이론을 세웠고, 훗날 마리나 지구가 된 매립된 해안은 1989년의 피해를 예고하는 무대가 되었습니다.

2:38예측

1988년, Working Group on California Earthquake Probabilities(캘리포니아 지진 확률 실무단)는 샌안드레아스 단층의 산타크루즈산맥 남부 구간에서 30년 안에 규모 6.5에서 7의 지진이 일어날 확률을 30%로 보았습니다. 지진은 바로 이듬해에 찾아왔습니다.

3:08십오 초

규모 6.9의 파열은 로마 프리에타봉 근처, 산타크루즈산맥 아래 약 11마일(17km) 깊이에서 시작되었습니다. 가장 강한 흔들림은 약 15초 동안 이어졌고, 파열은 지표면까지 이르지 않았습니다. 산타크루즈에서는 오래된 벽돌 건물들이 무너졌고, 마리나 지구의 매립지는 액상화되었으며, 베이 브리지 위층 상판의 일부가 떨어졌고, 오클랜드의 이층 구조 사이프러스 스트리트 고가도로가 무너지면서 사망자 대부분이 나왔습니다.

5:19여파

피해 규모: 사망 63명, 부상 3,757명, 피해를 입은 주택 18,000채 이상, 집을 잃은 사람 약 12,000명, 피해액 약 6,000,000,000달러. 경기장은 버텨 냈고, 월드시리즈는 열흘 뒤에 재개되었습니다.

5:45무엇이 바뀌었나

샌프란시스코는 1991년에 피해를 입은 엠바카데로 고속도로를 철거하고 해안을 다시 열었습니다. 베이 브리지의 동쪽 구간은 대지진에 견디도록 설계된 새 다리로 교체되었습니다(2013년 개통). 캘리포니아 곳곳의 오래된 다리와 고속도로가 내진 보강되었습니다. 그리고 30주년이던 2019년, 주 정부는 조기 경보를 휴대전화로 보내기 시작했습니다.

6:44다음 지진

헤이워드 단층은 이스트베이 도시들 바로 아래를 지나고, 해마다 몇 밀리미터씩 크리프하며, 마지막으로 끊어진 것은 1868년의 규모 6.8 지진 때였습니다. USGS는 2014년부터 2043년 사이에 베이 에어리어에서 규모 6.7 이상의 지진이 적어도 한 번 일어날 확률을 72%로 보며, 그래서 해마다 10월이면 수백만 명이 “Drop, Cover and Hold On”(엎드리고, 몸을 가리고, 꽉 잡기)을 연습합니다. 에피소드는 기억할 세 가지로 마무리됩니다.

흔한 오개념 교사용

오개념지진의 진앙에 가까울수록 피해는 언제나 더 크다.

증거가 보여 주는 것거리도 중요하지만 땅도 중요합니다. 1989년에 가장 많은 사망자를 낸 피해는 단층에서 약 60마일 떨어진 오클랜드와 샌프란시스코에서 일어났습니다. 그곳은 무른 만 진흙과 인공 매립지 위였고, 이 땅이 흔들림을 키웠으며 곳곳에서 액상화되었습니다. 진앙 근처라도 단단한 땅 위에 공학적으로 설계된 건물들은 대체로 잘 버텼습니다.

오개념과학자들은 로마 프리에타 지진을 예보했다.

증거가 보여 주는 것과학자들은 지진을 예측했을 뿐이며, 이것은 다른 일입니다. 1988년의 실무단(Working Group)은 산타크루즈산맥 남부 구간에서 30년 안에 규모 6.5에서 7의 지진이 일어날 확률을 30%로 보았습니다. 이것은 확률이지 날짜가 아닙니다. 아직은 아무도 지진이 일어날 날을 예보할 수 없습니다. 게다가 1989년의 파열 자체도 특이해서, 산지 아래로 가파르게 기울어진 단층면에서 옆으로 미끄러진 만큼이나 위로 밀려 올라가는(역단층) 미끄러짐이 있었습니다.

오개념헤이워드 단층처럼 크리프하는 단층은 변형을 부드럽게 풀어 주기 때문에 안전하다.

증거가 보여 주는 것헤이워드 단층의 크리프는 대부분 위쪽 몇 마일에 한정되어 있습니다. 약 3마일(5km)보다 깊은 곳에서 단층은 고정된 채 변형을 쌓고 있으며, 1868년에는 규모 6.8의 지진을 일으켰습니다. USGS는 헤이워드–로저스크리크 단층계에서 2014년부터 2043년 사이에 규모 6.7 이상의 지진이 일어날 확률을 33%로 봅니다.

오개념지진 조기 경보는 지진이 시작되기 전에 지진을 예보한다.

증거가 보여 주는 것조기 경보는 이미 시작된 지진을 감지합니다. 진원 근처의 센서가 더 빠른 P파를 잡아내면, 전자 경보가 더 느리고 피해를 주는 지진파를 앞질러 갑니다. 진원에서 먼 곳은 여러 초 전에 경보를 받을 수 있지만, 진원에 가장 가까운 곳은 경보를 전혀 받지 못할 수도 있습니다.

오개념규모 7.9의 지진은 규모 6.9의 지진보다 조금 더 클 뿐이다.

증거가 보여 주는 것규모가 한 단계 올라갈 때마다 에너지는 약 32배가 되므로, 1906년 지진은 로마 프리에타 지진의 대략 32배에 이르는 에너지를 방출했고, 끊어진 단층의 길이도 약 열 배였습니다.

토론 질문

  1. 진앙은 산타크루즈산맥에 있었지만, 가장 파괴적인 피해의 상당수는 약 60마일 떨어진 곳에서 일어났습니다. 에피소드 내용을 바탕으로 그 이유를 설명해 보세요. 이것은 도시가 어떤 건물부터 먼저 보강할지 정하는 방법에 대해 무엇을 알려 줄까요?
  2. 1988년의 예측은 산타크루즈산맥 구간에서 30년 안에 대지진이 일어날 확률을 30%로 보았는데, 지진은 바로 다음 해에 일어났습니다. 이 예측은 성공이었을까요? 만약 2018년까지 지진이 일어나지 않았다면 그것은 무엇을 뜻했을까요?
  3. 마리나 지구에서 무너져 내린 땅의 상당 부분은 사람들이 작은 만을 메워 만든 것이었습니다. 집이 지어진 땅에 대해 알고, 그것을 집을 사는 사람에게 알려 줄 책임은 누구에게 있어야 할까요? 여러분이 사는 지역에도 매립지 위에 지어진 곳이 있나요?
  4. 1989년 이후 샌프란시스코는 엠바카데로 고속도로를 수리하는 대신 철거하기로 했고, 베이 브리지의 동쪽 구간은 수십억 달러를 들여 교체되었습니다. 이 두 결정을 비교해 보세요. 각 결정에서 어떤 기준(비용, 안전, 교통, 도시의 모습과 생활)이 가장 중요했다고 생각하나요?
  5. 많은 사람이 월드시리즈를 보려고 일찍 귀가했기 때문에 사이프러스 스트리트 고가도로의 교통량은 평소보다 적었습니다. 이것은 지진이 일어나는 시각이 피해 규모를 어떻게 좌우하는지에 대해 무엇을 알려 줄까요? 평일 오전 8시나 일요일 새벽 3시였다면 피해는 어떻게 달라졌을까요?
  6. 조기 경보는 강한 흔들림이 오기 전까지 시간을 전혀 주지 못할 수도 있고, 아마 20초쯤 줄 수도 있습니다. 여러분 자신, 여러분의 학교, 열차 기관사, 그리고 병원이 오 초가 있을 때와 이십 초가 있을 때 각각 할 수 있는 유용한 일을 목록으로 만들어 보세요.

퀴즈 답을 고르면 자동으로 채점됩니다

1.샌프란시스코 베이 에어리어 아래의 판 경계를 가장 잘 설명한 것은 무엇입니까?

2.H. F. 리드는 1906년 지진 뒤에 측정된 땅의 어긋남으로부터 어떤 결론을 내렸습니까?

3.1989년에 큰 피해를 입은 마리나 지구 일부의 땅 밑에는 무엇이 있습니까?

4.1988년에 Working Group on California Earthquake Probabilities는 샌안드레아스 단층의 산타크루즈산맥 남부 구간에 대해 무엇이라고 했습니까?

5.1989년 지진 때 마리나 지구의 건물들은 왜 가라앉고 기울었습니까?

6.진앙에서 약 60마일 떨어진 샌프란시스코와 오클랜드의 일부 지역이 암반 위의 더 가까운 곳보다 더 세게 흔들린 이유는 무엇입니까?

7.로마 프리에타 지진에 대한 USGS의 요약과 일치하는 수치는 어느 것입니까?

8.지진 조기 경보 시스템은 어떻게 강한 흔들림이 도착하기 전에 사람들에게 알릴 수 있습니까?

9.많은 과학자가 헤이워드 단층을 베이 에어리어에서 가장 위험한 단층으로 여기는 이유는 무엇입니까?

10.2014년부터 2043년까지에 대한 USGS의 예측은 실제로 무엇이라고 말합니까?

서술형 답안

1. 탄성 반발의 개념을 사용해, 해마다 약 2인치(5cm)밖에 움직이지 않는 판이 어떻게 갑작스러운 지진을 일으킬 수 있는지 설명하세요. 답에 1906년의 증거를 사용하세요.

좋은 답안에 포함되는 내용

판은 꾸준히 움직이지만 판 사이의 단층은 마찰로 고정되어 있어서, 양쪽의 암석은 미끄러지는 대신 휘어지며 수십 년, 수백 년 동안 변형을 쌓습니다. 응력이 단층의 강도를 넘어서면 단층이 갑자기 미끄러지고 휘어 있던 암석이 되튀어 돌아갑니다. 1906년에는 샌안드레아스 단층을 가로지르던 도로와 울타리가 최대 약 21피트(6.4m)까지 어긋났는데, 이는 한 세기를 훨씬 넘는 동안의 판 운동이 일 분도 안 되는 사이에 풀려났다는 뜻입니다. 리드는 이 측정값을 이용해 1910년에 이 이론을 세웠습니다.

2. 마리나 지구는 진앙에서 약 60마일 떨어져 있지만, 이곳의 건물 일곱 채가 무너지고 최소 세 명이 숨졌습니다. 땅의 역사와 땅이 흔들림에 반응하는 원리를 사용해 그 이유를 설명하세요.

좋은 답안에 포함되는 내용

마리나 지구의 피해 지역은 메워진 작은 만 위에 지어졌습니다. 1915년 Panama-Pacific International Exposition(파나마-태평양 만국박람회)을 위해 펌프로 퍼 넣은 느슨한 모래와, 1906년의 잔해가 일부 섞여 있을 수 있는 그보다 오래된 매립토입니다. 무르고 물로 가득 찬 퇴적물에서는 지진파가 느려지면서 커지기 때문에, 흔들림이 근처 포트 메이슨의 암반 위보다 훨씬 크게 증폭되었습니다. 그런 다음 흔들림 때문에 느슨한 모래가 액상화되었습니다. 모래는 힘을 잃었고, 건물들은 가라앉거나 기울었으며, 모래 분출이 일어났고, 측방 유동이 가스관과 수도관을 끊어 놓았습니다. 큰 화재가 났는데 상수도 본관이 망가져 있었기 때문에 소방선이 만에서 물을 퍼 올려야 했습니다. 일층이 약하고 트인 차고로 된 건물들이 특히 취약했습니다.

3. 한 친구가 이렇게 말합니다. '과학자들은 로마 프리에타 지진을 예보했고, 이제는 다음 대지진이 2043년까지 올 거라고 해.' 이 말의 앞부분과 뒷부분이 각각 무엇이 틀렸는지 설명하세요.

좋은 답안에 포함되는 내용

둘 다 예보가 아닙니다. 1988년에 과학자들은 산타크루즈산맥 남부 구간에서 30년 안에 규모 6.5에서 7의 지진이 일어날 확률을 30%로 보았습니다. 지진이 바로 다음 해에 일어난 것은 날짜를 예측했기 때문이 아닙니다. 2014년부터 2043년까지에 대한 USGS의 예측은 그 30년 동안 베이 에어리어 어딘가에서 규모 6.7 이상의 지진이 적어도 한 번 일어날 확률이 72%라는 것입니다. 즉 대지진은 일어나지 않을 가능성보다 일어날 가능성이 더 크지만 확실하지는 않으며, 이 지역의 어느 단층에서든 일어날 수 있고, 어느 날이든 일어날 수 있습니다. 그래서 지금 대비하는 것이 중요합니다.

심화 학습 대학 및 고등학교 심화

로마 프리에타 지진은 얼마나 컸을까?

모멘트 규모는 지진 모멘트 M₀ = μ·A·D로부터 정의됩니다. 즉 암석의 강성(μ)에 미끄러진 단층의 면적(A)과 평균 미끄러짐 양(D)을 곱한 값입니다. Hanks와 Kanamori(1979)는 M₀를 뉴턴미터 단위로 하여 Mw = (2/3)(log₁₀M₀ − 9.1)로 정했으므로, M₀ = 101.5 Mw + 9.1입니다. 방출되는 에너지는 규모가 한 단계 올라갈 때마다 약 101.5 ≈ 32배 커집니다. USGS Circular 1045에 따르면 1989년의 파열은 땅속에 묻힌 약 190제곱마일(약 490 km²)의 단층면에서 미끄러짐을 일으켰고, 측지 측량은 약 6피트의 우수향 수평 미끄러짐과 4피트의 역단층 미끄러짐을 보여 줍니다.

문제(a) 1906년 지진(M7.9)은 로마 프리에타 지진(M6.9)보다 몇 배 더 많은 에너지를 방출했습니까? 로마 프리에타 지진은 1868년 헤이워드 단층 지진(M6.8)과 비교하면 어떻습니까? (b) Mw 6.9 지진의 지진 모멘트를 계산하세요. (c) μ = 3.0 × 1010 Pa로 놓고 평균 미끄러짐 양을 추정한 뒤, 측지 추정값과 비교하세요.

풀이

(a) 101.5 × 1.0 ≈ 32배입니다. 로마 프리에타 지진은 1868년 지진의 101.5 × 0.1 ≈ 1.4배의 에너지를 방출했으므로 두 지진은 크기가 비슷하지만, 헤이워드 단층은 이스트베이 도시들 바로 아래를 지납니다. (b) M₀ = 101.5 × 6.9 + 9.1 = 1019.45 ≈ 2.8 × 1019 N·m. (c) A ≈ 4.9 × 108 m²이므로 D = M₀ ÷ (μA) ≈ 2.8 × 1019 ÷ (3.0 × 1010 × 4.9 × 108) ≈ 1.9 m, 약 6피트입니다. 측지 미끄러짐 벡터는 √(6² + 4²) ≈ 7.2피트(2.2m)입니다. 약 15% 이내로 일치하며, μ와 파열 면적의 불확실성을 생각하면 좋은 일치입니다.

베이 에어리어 단층들의 변형 수지

샌프란시스코 베이 에어리어 전체에서 두 판은 서로에 대해 해마다 약 1.6인치(4cm)씩 움직입니다(USGS Fact Sheet 2016-3020). USGS는 약 20피트의 어긋남을 동반하는 1906년형 지진이 대략 200년마다 되풀이된다고 추정합니다. 헤이워드 단층에서는 연대가 측정된 하천 퇴적물로부터 장기 미끄러짐 속도가 해마다 약 8mm(0.3인치)로 구해졌습니다(Lienkaemper와 Borchardt, 1996). 이 단층은 지표에서 해마다 약 4에서 5mm씩 크리프하지만, 크리프는 대부분 위쪽 3마일(5km)에 한정되며 그 아래에서 단층은 고정되어 있습니다. 역사적 측량 자료에 따르면 1868년 지진에서는 약 6피트(2m)의 수평 미끄러짐이 있었습니다(USGS Fact Sheet 2008-3019).

문제(a) 200년마다 20피트가 미끄러진다면 샌안드레아스 단층 북부의 평균 미끄러짐 속도는 얼마입니까? 그것은 지역 전체 판 운동의 몇 분의 몇이며, 나머지는 어디로 갑니까? (b) 1868년부터 2026년까지 헤이워드 단층의 고정된 부분에는 얼마만큼의 미끄러짐 부족량이 쌓였습니까? 1868년의 미끄러짐과 비교하세요. (c) 지표의 크리프가 헤이워드 단층의 위험을 없애지 못하는 이유는 무엇입니까?

풀이

(a) 20피트 ÷ 200년 = 해마다 0.1피트, 즉 해마다 약 1.2인치(3cm)로, 지역 전체의 해마다 1.6인치의 대략 사분의 삼입니다. 나머지는 이 단층계의 헤이워드 단층, 로저스크리크 단층, 칼라베라스 단층 등 다른 단층들이 맡습니다. (b) 158년 × 해마다 8mm ≈ 1.3m, 약 4피트입니다. 이는 이미 1868년의 약 2m 가운데 큰 부분에 해당하며, 이 단층이 언제든 규모 6.8에서 7.0의 지진을 일으킬 수 있다는 USGS의 견해와 맞아떨어집니다. (c) 크리프는 지표 가까이에서만 변형을 풀어 주며, 그곳에서도 장기 속도보다 느리기 때문입니다. 단층의 더 깊고 고정된 부분은 파열될 때까지 변형을 계속 쌓습니다.

무른 땅은 왜 공진할까

훨씬 단단한 암석 위에 놓인 두께 H의 무른 퇴적층은 전단파를 가두어 공진합니다. 그 기본(사분의 일 파장) 주기는 T = 4H/Vs이며, 여기서 Vs는 그 층의 전단파 속도입니다. 마리나 지구에서는 시추공 조사 결과 기반암 위에 약 80m(260피트)의 퇴적물이 있었고, 그 대부분은 Vs가 약 300 m/s인 오래된 만 진흙이었습니다(Boatwright 외, USGS Professional Paper 1551-F 수록). 여진 기록을 보면 마리나 지구는 포트 메이슨의 암반 언덕에 비해 1헤르츠 근처에서 흔들림을 7에서 10배로 증폭했습니다. 흔히 쓰는 어림 규칙에 따르면 건물 자체의 고유 주기는 한 층당 약 0.1초입니다.

문제(a) 마리나 지구 퇴적층의 기본 주기와 진동수를 계산하고, 관측된 정점과 비교하세요. (b) 이런 부지에서는 어느 높이의 건물이 공진으로 가장 큰 위험에 처할까요? (c) 본진 동안 USGS의 관측 기록은 무른 부지에서의 증폭이 약 2에서 4배에 불과했음을 보여 주는데, 이는 작은 여진 때보다 훨씬 작은 값입니다. 그 이유를 제시해 보세요.

풀이

(a) T = 4 × 80 ÷ 300 ≈ 1.07 s이고 진동수는 약 0.94 Hz로, 1 Hz 근처에서 관측된 증폭 정점과 일치합니다. (b) 어림 규칙에 따르면 대략 8에서 12층 건물(고유 주기가 1초 가까이)이 땅과 공진합니다. 낮은 목조 주택은 주기가 더 짧으며, 마리나 지구에서 그 집들을 무너뜨린 것은 공진만이 아니라 액상화와 약한 일층이었습니다. (c) 무른 흙은 강한 흔들림 속에서 비선형적으로 행동합니다. 흙이 물러지고 에너지를 더 많이 흩어 버리기 때문에 증폭이 줄고 공진이 더 긴 주기 쪽으로 옮겨 갑니다. 따라서 약한 흔들림에서 얻은 증폭 계수는 피해를 주는 지진에서의 증폭을 과대평가합니다. 그래도 무른 땅에서의 흔들림은 여전히 암반보다 훨씬 강합니다.

72%라는 예측은 해마다 무엇을 뜻할까

어떤 지역의 대지진이 해마다 평균 λ회의 비율로 시간상 무작위로 일어난다면(푸아송 과정), t년 동안 적어도 한 번 일어날 확률은 P = 1 − exp(−λt)입니다. USGS의 예측(UCERF3, Fact Sheet 2016-3020)은 베이 에어리어의 2014년부터 2043년까지에 대해 규모 6.0 이상이 적어도 한 번 일어날 확률을 98%, 규모 6.7 이상을 72%, 규모 7.0 이상을 51%로 제시합니다. 단층 하나씩 보면 헤이워드 단층이나 로저스크리크 단층이 33%, 샌안드레아스 단층이 22%이며, 모두 규모 6.7 이상에 대한 값입니다. 실제 예측은 각 단층의 마지막 지진 이후 흐른 시간도 고려하므로, 푸아송 모델은 근사일 뿐입니다.

문제(a) 72%를 그에 해당하는 연간 발생률, 평균 간격, 한 해 동안의 확률로 바꾸세요. 72% ÷ 30 = 해마다 2.4%라는 계산이 틀린 이유는 무엇입니까? (b) 1988년의 예측(30년에 30%)에 대해서도 똑같이 해 보세요. 지진이 바로 다음 해에 올 확률은 얼마였습니까? (c) 헤이워드–로저스크리크 단층과 샌안드레아스 단층이 서로 독립이라면, 둘 중 어느 하나에서 규모 6.7의 지진이 적어도 한 번 일어날 확률은 얼마입니까? 72% 가운데 나머지는 무엇으로 설명됩니까?

풀이

(a) λ = −ln(1 − 0.72) ÷ 30 = −ln(0.28) ÷ 30 ≈ 1.273 ÷ 30 ≈ 해마다 0.042회이며, 평균 간격은 약 24년, 한 해 동안의 확률은 1 − exp(−0.042) ≈ 4.1%입니다. 30으로 나누는 것은 확률을 더할 수 있다고 가정하는 셈이지만, '적어도 한 번'의 확률은 복합적으로 쌓입니다. 해마다 2.4%의 확률이면 30년 동안 1 − 0.976^30 ≈ 52%밖에 되지 않고, 72%가 되지 않습니다. (b) λ = −ln(0.70) ÷ 30 ≈ 해마다 0.012회이므로 어느 한 해의 확률은 약 1.2%입니다. 예측은 구간을 올바르게 짚었지만, 1989년이라는 시점은 예측에 들어 있지 않았습니다. (c) 1 − (1 − 0.33)(1 − 0.22) = 1 − 0.67 × 0.78 ≈ 0.48, 즉 48%입니다. 나머지는 칼라베라스 단층과 다른 주요 단층들, 그리고 덜 알려진 단층과 알려지지 않은 단층(이것만으로 13%)에서 나옵니다.

경보는 얼마나 일찍 울릴 수 있을까?

지진 조기 경보는 전자 경보와 지진파의 경주입니다. 상부 지각의 대표적인 속도로 P파는 6.0 km/s, S파는 3.5 km/s를 사용합니다. 로마 프리에타 지진의 파열은 약 17km(11마일) 깊이에서 시작되었고, 진앙은 산타크루즈에서 약 9마일(14.5km), 샌프란시스코에서 60마일(97km) 떨어져 있었습니다. 시스템이 파열 시작 8초 뒤에 경보를 낸다고 가정합니다. 이는 P파가 근처의 여러 관측소에 도달하고 처리가 이루어지는 데 필요한 시간이며, 휴대전화로 전달하는 데는 시간이 더 걸릴 수 있습니다.

문제(a) 진원에서 샌프란시스코 마리나 지구까지의 직선거리와 그곳에 P파와 S파가 도착하는 시간을 계산하세요. S파가 오기 전까지 마리나 지구는 얼마만큼의 경보 시간을 얻었을까요? (b) 산타크루즈에 대해서도 같은 계산을 하세요. (c) S파가 경보보다 먼저 도착하는 지표의 '사각지대' 반경을 추정하세요. 실제 경보 시간이 더 짧을 수 있는 이유는 무엇입니까?

풀이

(a) R = √(97² + 18²) ≈ 98.7 km. P파는 98.7 ÷ 6.0 ≈ 16.4 s 뒤에, S파는 98.7 ÷ 3.5 ≈ 28.2 s 뒤에 도착하므로, 8 s에 경보를 내면 약 20초의 여유가 생깁니다. (b) R = √(14.5² + 18²) ≈ 23.1 km. S파는 약 6.6 s 뒤, 즉 경보보다 먼저 도착하므로 산타크루즈는 경보를 전혀 받지 못했을 것입니다. (c) 8 s 동안 S파는 28 km를 갑니다. 지표에서 이는 진앙으로부터 √(28² − 18²) ≈ 21 km(약 13마일)까지에 해당합니다. 실제 경보 시간이 더 짧을 수 있는 것은 파열이 단층을 따라 양쪽으로 각각 약 20 km씩 퍼져서 많은 마을에 더 가까운 단층 부분에서도 강한 지진파가 왔기 때문이고, 또 경보가 휴대전화에 닿는 데도 시간이 걸리기 때문입니다. 이번처럼 진원이 깊으면 지표에 S파가 도착하는 시간이 늦춰지므로 오히려 도움이 됩니다.

교육 기준 연계

Next Generation Science Standards (NGSS, 미국)

MS-ESS2-2

지구과학적 과정이 다양한 시간적·공간적 규모에서 지구 표면을 어떻게 변화시켜 왔는지에 대해 증거에 기초한 설명을 구성한다.

이번 에피소드: 변형으로 쌓였다가 몇 초 만에 풀려나는 느린 판 운동, 1906년의 어긋남, 수십 년에 걸쳐 연석을 휘게 한 헤이워드 단층의 크리프.

MS-ESS3-2

자연재해에 관한 자료를 분석하고 해석하여 미래의 재난을 예측하고, 그 영향을 줄이는 기술 개발에 활용한다.

이번 에피소드: 1988년과 2014년의 지진 예측, 고속도로 내진 보강, 베이 브리지의 새 구간, 지진 조기 경보.

HS-ESS2-1

지구 내부와 표면의 과정이 서로 다른 공간적·시간적 규모에서 어떻게 작용하여 대륙과 해저의 지형을 만드는지 보여 주는 모델을 개발한다.

이번 에피소드: 변환 판 경계와 탄성 반발 주기의 모델, 산타크루즈산맥 일부를 들어 올린 1989년의 사선 미끄러짐.

HS-ESS3-1

천연자원의 이용 가능성, 자연재해의 발생, 기후 변화가 인간 활동에 어떤 영향을 미쳐 왔는지에 대해 증거에 기초한 설명을 구성한다.

이번 에피소드: 매립지와 만 진흙 위에 짓는 일, 1906년과 1989년의 피해, 다시 열린 엠바카데로 해안, 오늘날 베이 에어리어의 대비.

HS-PS4-1

수학적 표현을 사용하여 여러 매질을 지나가는 파동의 진동수, 파장, 속력 사이의 관계에 관한 주장을 뒷받침한다.

이번 에피소드: 무른 땅에서 느려지고 커지는 지진파, 마리나 지구 퇴적물의 공진, 조기 경보에서의 P파와 S파 속력.

HS-ETS1-3

비용, 안전, 신뢰성, 미적 요소뿐 아니라 사회적·문화적·환경적 영향까지 포함한 여러 제약 조건을 고려한 우선순위 기준과 절충점에 근거하여, 복잡한 실제 문제에 대한 해결책을 평가한다.

이번 에피소드: 보강할 것인가, 교체할 것인가, 철거할 것인가: 사이프러스 스트리트 고가도로, 베이 브리지 동쪽 구간, 엠바카데로 고속도로.

Advanced Placement (AP, 미국)

대학 강좌

일반 지질학

변환 판 경계, 샌안드레아스 단층계, 탄성 반발과 지진 주기, 단층 크리프, 사선 미끄러짐

자연재해

지진 예측과 확률, 부지 효과와 액상화, 1906년과 1989년의 교훈, 지진 조기 경보, 대비

공학 지진학과 지반 공학

지진 모멘트와 규모, 무른 흙의 부지 증폭과 공진, 수력 매립토의 액상화, 다리와 고가도로의 내진 보강

대본 자막과 같은 한국어 내레이션

0:00오후 5:04

1989년 10월 17일, 샌프란시스코. 60,000명이 넘는 팬들이 샌프란시스코 자이언츠와 오클랜드 애슬레틱스가 맞붙는 월드시리즈 세 번째 경기를 보기 위해 캔들스틱 파크를 가득 메웠습니다.

0:13다섯 시 사 분, 텔레비전 중계가 막 시작되었습니다. 그때 경기장이 흔들리기 시작하고, 수백만 시청자에게 송출되던 생중계 화면이 일그러지더니 끊기고 맙니다.

0:25이것은 로마 프리에타 지진의 이야기입니다. 이 지진을 일으킨 단층, 지진에 앞서 있었던 경고들, 그리고 한 지역 전체가 그 교훈을 바탕으로 어떻게 다시 세워졌는지 살펴보겠습니다.

0:39바로 옆의 단층

캘리포니아는 두 지각판의 경계 위에 놓여 있습니다. 태평양판은 북아메리카판을 스치며 북서쪽으로 해마다 약 2인치씩 맞비비며 움직이고 있습니다.

0:49그 움직임의 상당 부분은 캘리포니아를 가로질러 700마일 넘게 이어지는 샌안드레아스 단층을 따라 일어납니다. 샌프란시스코만 주변에서 이 단층은 샌안드레아스 단층, 헤이워드 단층, 칼라베라스 단층 등 여러 갈래의 단층으로 나뉩니다.

1:05이 단층들은 대부분의 구간에서 매끄럽게 미끄러지지 않습니다. 단층은 서로 맞물려 고정되고, 주변의 암석은 수십 년, 심지어 수백 년 동안 휘어지다가, 쌓인 변형이 한꺼번에 풀려납니다.

1:201906년

샌프란시스코는 1906년 4월 18일, 규모 7.9의 지진이 샌안드레아스 단층을 거의 300마일에 걸쳐 찢어 놓았을 때 이를 뼈저리게 배웠습니다.

1:32끊어진 가스관과 상수도 본관 때문에 흔들림은 며칠 동안 타오른 거대한 화재로 번졌습니다. 약 28,000채의 건물이 파괴되었고, 3,000명이 넘는 사람이 목숨을 잃었습니다.

1:44도시 북쪽에서는 단층을 가로지르던 도로와 울타리가 끊어져 옆으로 어긋났습니다. 올레마 마을 근처에서는 단층 한쪽의 땅이 다른 쪽에 비해 약 21피트나 움직였습니다.

1:56해리 필딩 리드라는 과학자는 그 측정값을 연구해 지진이 왜 일어나는지를 밝혀냈습니다. 고정된 단층 양쪽의 암석은 천천히 휘어지며 에너지를 저장하다가, 단층이 갑자기 미끄러지면 원래 모양으로 되튀어 돌아갑니다. 그는 이를 탄성 반발이라고 불렀고, 지질학자들은 지금도 이것으로 지진을 설명합니다.

2:17도시는 빠르게 재건되었고, 1915년에는 만국박람회를 열어 이를 축하했습니다. 박람회장을 마련하기 위해, 북쪽 해안의 작은 만을 바다에서 퍼 올린 모래와 약간의 잔해로 메웠습니다. 그 새로 생긴 땅은 훗날 마리나 지구라는 동네가 되었습니다.

2:38예측

1980년대에 이르러 과학자들은 샌안드레아스 단층의 어느 구간이 다음에 끊어질 가능성이 가장 높은지 추정하고 있었습니다. 그들이 지목한 구간 중 하나는 샌프란시스코 남쪽, 산타크루즈산맥 남부에 있었습니다.

2:511988년, 국가 지진 전문가 위원회는 그 구간에서 30년 안에 대지진이 일어날 확률을 30%로 보았습니다.

3:01지진은 바로 이듬해에 찾아왔습니다.

3:08십오 초

다섯 시 사 분, 로마 프리에타봉 근처 산타크루즈산맥 지하 약 11마일 깊이에서 단층이 끊어졌습니다. 이 지진의 규모는 6.9였습니다.

3:19가장 강한 흔들림은 약 15초밖에 이어지지 않았고, 파열은 지표면까지 이르지 않았습니다. 하지만 지진파는 지역 전체로 퍼져 나갔고, 어떤 곳에서는 땅 자체가 지진파를 더 키웠습니다.

3:33진앙 가까이에서는 산타크루즈의 퍼시픽 가든 몰에 있던 오래된 벽돌 건물들이 거리로 무너져 내렸고, 그곳에서 세 명이 숨졌습니다.

3:41약 60마일 떨어진 마리나 지구에서는 흔들림 때문에 주택 아래의 느슨하고 젖은 땅이 거의 액체처럼 변했습니다. 건물들이 가라앉았고, 일부는 무너졌습니다.

3:53결국 도시가 재건을 축하하려고 만든 땅이 박람회로부터 74년 뒤 건물들을 무너뜨리는 데 한몫한 셈입니다. 가스관이 끊어졌고, 큰 화재가 발생했으며, 마리나 지구에서 최소 세 명이 숨졌고, 건물 일곱 채가 무너졌습니다.

4:08위험에 처한 곳은 마리나 지구만이 아니었습니다. 만 전체에 걸쳐 건물과 도로가 무른 진흙과 매립지 위에 서 있었는데, 무른 땅에서는 지진파가 느려지면서 더 커집니다. 마치 그릇 속의 젤리가 흔들리는 것과 같습니다. 그런 곳들은 근처의 단단한 암반보다 두 배에서 네 배나 더 세게 흔들렸습니다.

4:27베이 브리지에서는 위층 상판의 50피트 구간이 떨어져 나가 아래층 상판 위로 추락했습니다. 한 명이 숨졌고, 다리는 약 한 달 동안 폐쇄되었습니다.

4:37최악의 참사는 오클랜드에서 일어났습니다. 사이프러스 스트리트 고가도로는 이층 구조의 고속도로였는데, 위층 도로가 저녁 퇴근길 차량들이 달리던 아래층 위로 무너져 내렸습니다. 그곳에서 마흔한 명이 숨졌습니다.

4:51그날 저녁에는 많은 사람이 월드시리즈를 보려고 일찍 귀가한 덕분에 교통량이 평소보다 적었고, 전문가들은 그 덕분에 사망자가 훨씬 더 많아지는 것을 막을 수 있었다고 봅니다.

5:02구조대원들은 며칠 동안 잔해를 수색했습니다. 지진 발생 나흘 가까이 지난 뒤, 무너진 상판 아래 자신의 차 안에서 아직 살아 있는 한 남성이 발견되었습니다. 그는 구조 과정에서는 살아남았지만 약 한 달 뒤 숨졌고, 그곳의 사망자는 42명으로 늘었습니다.

5:19여파

모두 합쳐 63명이 숨지고 3,700명 이상이 다쳤습니다. 18,000채가 넘는 주택이 피해를 입었고, 약 12,000명이 집을 잃었으며, 피해액은 약 6,000,000,000달러에 이르렀습니다.

5:33캔들스틱 파크에서는 경기장이 버텨 주었고, 팬들은 무사히 걸어 나왔습니다. 월드시리즈는 열흘 뒤에 재개되었고, 애슬레틱스는 한 경기도 내주지 않고 우승했습니다.

5:45무엇이 바뀌었나

지진은 샌프란시스코의 모습도 바꿔 놓았습니다. 해안을 따라 콘크리트 장벽처럼 서 있던 엠바카데로 고속도로는 피해를 입은 뒤 1991년에 철거되었고, 도시의 해안은 다시 만을 향해 열렸습니다.

5:58베이 브리지의 동쪽 절반은 완전히 새로 지어졌습니다. 대지진을 견디도록 지어진 새 다리는 2013년에 개통되었으며, 약 6,400,000,000달러가 들었습니다.

6:11캘리포니아 전역에서 기술자들은 현대 건축 기준이 생기기 전에 지어진 고속도로와 다리를 다시 손보며, 오래된 콘크리트 기둥을 강철로 감싸고 교량 상판들을 서로 단단히 연결했습니다.

6:23과학자들은 또한 ShakeAlert라는 지진 조기 경보 시스템을 구축했는데, 이 시스템은 먼저 도착하는 빠른 지진파를 감지해 강한 흔들림이 오기 전에 경보를 보냅니다. 로마 프리에타 지진 삼십 주년이던 2019년, 캘리포니아는 이 경보를 휴대전화로 보내기 시작했습니다.

6:44다음 지진

판들은 움직임을 멈추지 않았습니다. 많은 과학자들은 헤이워드 단층을 이 지역에서 가장 위험한 단층으로 꼽습니다. 이 단층은 만 동쪽 도시들 바로 아래를 지나며, 마지막으로 끊어진 것은 1868년입니다.

6:57헤이워드 단층이 움직이는 모습은 실제로 눈으로 볼 수 있습니다. 일부 구간은 해마다 약 오분의 일 인치씩 쉬지 않고 조금씩 미끄러집니다. 헤이워드 시내에서는 단층을 가로지르는 오래된 연석들이 수십 년에 걸쳐 조금씩 옆으로 휘어졌습니다.

7:12이 단층의 마지막 대지진은 1868년에 일어나, 헤이워드의 거의 모든 건물을 부수거나 크게 손상시켰고 약 30명의 목숨을 앗아 갔습니다. 1906년 전까지는 이 지진이 사람들이 샌프란시스코 대지진이라고 부르던 지진이었습니다.

7:27미국 지질조사국은 2014년부터 2043년 사이에 베이 에어리어에서 규모 6.7 이상의 지진이 적어도 한 번 일어날 확률을 72%로 봅니다.

7:40그래서 매년 10월, 로마 프리에타 지진 기념일 즈음이면 수백만 명이 그레이트 셰이크아웃 훈련에 참여합니다. 훈련은 간단한 세 단계로 이루어집니다. 바닥에 엎드려 손과 무릎을 짚고, 가까이에 튼튼한 탁자가 있다면 그 아래에서 머리와 목을 가리고, 흔들림이 멈출 때까지 꽉 붙잡는 것입니다.

7:59자, 기억할 것 세 가지입니다. 첫째, 로마 프리에타 지진은 샌안드레아스 단층계에서 일어난 규모 6.9의 지진이었으며, 가장 강한 흔들림은 약 15초밖에 이어지지 않았습니다. 둘째, 가장 심한 피해의 상당 부분은 마리나 지구와 사이프러스 고가도로처럼 단층에서 멀리 떨어진 곳에서 발생했습니다. 그곳에서는 무른 진흙과 매립지 때문에 흔들림이 두 배에서 네 배나 강해졌습니다. 그리고 셋째, 베이 에어리어의 이야기는 끝나지 않았습니다. 2014년부터 2043년 사이에 그곳에서 규모 6.7 이상의 지진이 또 일어날 확률은 72%입니다.

8:36로마 프리에타 지진은 예상되던 대지진은 아니었지만, 하나의 경고였습니다. 만 아래의 판들은 지금도 해마다 약 1.6인치씩 움직이고 있으며, 단층들은 그 변형을 쌓아 가고 있습니다. Earth Explained를 시청해 주셔서 감사합니다. 구독하고 다음 이야기를 만나 보세요. EarthWatch 24-7에서 언제든지 지구를 실시간으로 보실 수 있습니다.

출처

  1. U.S. Geological Survey. M 6.9 – October 17, 1989 Loma Prieta Earthquake. Earthquake Hazards Program. www.usgs.gov/programs/earthquake-hazards/science/m-69-october-17-1989-loma-prieta-earthquake사용 내용: 발생 시각, 규모, 진앙, 사망자, 부상자, 피해, 산타크루즈, 베이 브리지, 액상화
  2. Plafker, G., & Galloway, J. (Eds.) (1989). Lessons Learned from the Loma Prieta, California, Earthquake of October 17, 1989. U.S. Geological Survey Circular 1045. pubs.usgs.gov/publication/cir1045사용 내용: 진원 깊이, 파열 크기와 미끄러짐, 땅속에 묻힌 파열, 증폭, 마리나 지구, 사이프러스 고가도로와 베이 브리지
  3. O'Rourke, T. D., et al. (1992). The Loma Prieta, California, Earthquake of October 17, 1989: Marina District. U.S. Geological Survey Professional Paper 1551-F. pubs.usgs.gov/publication/pp1551F사용 내용: 마리나 매립지의 역사, 액상화, 무너진 건물, 부지 공진과 증폭
  4. Borcherdt, R. D., & Glassmoyer, G. (1992). On the characteristics of local geology and their influence on ground motions generated by the Loma Prieta earthquake in the San Francisco Bay region, California. Bulletin of the Seismological Society of America, 82(2), 603–641. doi.org/10.1785/BSSA0820020603사용 내용: 매립지와 만 진흙 위에서의 흔들림 증폭
  5. Housner, G. W., & Thiel, C. C., Jr. (1990). Competing against time: Report of the Governor's Board of Inquiry on the 1989 Loma Prieta earthquake. Earthquake Spectra, 6(4), 681–711. doi.org/10.1193/1.1585592사용 내용: 무른 흙의 증폭, 사이프러스 스트리트 고가도로와 베이 브리지의 붕괴
  6. Working Group on California Earthquake Probabilities (1988). Probabilities of Large Earthquakes Occurring in California on the San Andreas Fault. U.S. Geological Survey Open-File Report 88-398. pubs.usgs.gov/publication/ofr88398사용 내용: 1988년의 예측
  7. U.S. Geological Survey. The Great 1906 San Francisco Earthquake. Earthquake Hazards Program. earthquake.usgs.gov/earthquakes/events/1906calif/18april사용 내용: 1906년의 파열 길이, 사상자와 파괴된 건물, 리드의 탄성 반발 이론, 재발 주기
  8. Brocher, T. M., et al. (2008). The Hayward Fault: Is It Due for a Repeat of the Powerful 1868 Earthquake? U.S. Geological Survey Fact Sheet 2008-3019. pubs.usgs.gov/fs/2008/3019사용 내용: 1868년 지진, 헤이워드 단층의 크리프, 재발 주기
  9. Lienkaemper, J. J., & Borchardt, G. (1996). Holocene slip rate of the Hayward fault at Union City, California. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 101(B3), 6099–6108. doi.org/10.1029/95JB01378사용 내용: 헤이워드 단층의 장기 미끄러짐 속도
  10. Aagaard, B. T., et al. (2016). Earthquake Outlook for the San Francisco Bay Region 2014–2043. U.S. Geological Survey Fact Sheet 2016-3020 (ver. 1.1). pubs.usgs.gov/publication/fs20163020사용 내용: 72% 예측, 단층별 확률, 지역의 판 운동, “Drop, Cover and Hold On”(엎드리고, 몸을 가리고, 꽉 잡기)
  11. Burkett, E., Given, D. D., & Jones, L. M. (2014). ShakeAlert: An Earthquake Early Warning System for the United States West Coast. U.S. Geological Survey Fact Sheet 2014-3083. pubs.usgs.gov/publication/fs20143083사용 내용: 지진 조기 경보의 작동 원리
  12. Berkeley News (2019, October 17). California rolls out first statewide earthquake early warning system. University of California, Berkeley. news.berkeley.edu/2019/10/17/california-rolls-out-first-statewide-earthquake-early-warning-system사용 내용: 로마 프리에타 지진 30주년에 시작된 휴대전화 경보(MyShake)
  13. Metropolitan Transportation Commission. San Francisco–Oakland Bay Bridge. www.baybridgeinfo.org사용 내용: 새 동쪽 구간: 개통과 비용
  14. Hanks, T. C., & Kanamori, H. (1979). A moment magnitude scale. Journal of Geophysical Research, 84(B5), 2348–2350. doi.org/10.1029/JB084iB05p02348사용 내용: 모멘트 규모와 지진 모멘트

에피소드 속 이미지: USGS, NOAA, NASA(퍼블릭 도메인), 지도는 NASA GIBS를 통한 NASA/USGS Landsat; 애니메이션은 EarthWatch 24-7 제작. 전체 출처: earthwatch247.com/credits.html.

이 수업 인용하기

EarthWatch 24-7. (2026). 월드시리즈 지진: 로마 프리에타, 1989년: 최악의 피해는 왜 단층에서 60마일 떨어진 곳에서 일어났을까 [동영상 수업]. Earth Explained: 지진 · 사례 연구. https://earthwatch247.com/learn/loma-1989/ko/

정답

  1. C. 이것은 변환 경계입니다. 두 판은 해마다 약 2인치(5cm)씩 서로 옆으로 지나가며, 그 움직임은 샌안드레아스 단층, 헤이워드 단층, 칼라베라스 단층과 관련 단층들이 나누어 맡습니다.
  2. A. 이것이 탄성 반발 이론(1910년)입니다. 핵심은 단층의 미끄러짐이 지진을 일으키는 것이지, 그 반대가 아니라는 점입니다.
  3. D. USGS의 연구는 이 작은 만이 메워진 과정을 추적했는데, 그 마지막 단계는 1915년 Panama-Pacific International Exposition(파나마-태평양 만국박람회)을 위해 깔아 놓은 수력 모래 매립이었습니다. 느슨하고 젖은 모래 매립지는 바로 액상화되는 종류의 땅입니다.
  4. B. 이 예측은 확률이었지 날짜를 맞힌 예보가 아니었습니다. 72%라는 수치는 USGS가 2014년부터 2043년까지 베이 에어리어 전체에 대해 내놓은 예측입니다.
  5. A. 이것이 액상화입니다. 진앙에서 약 60마일 떨어진 이 지구 곳곳에서 모래 분출과 측방 유동으로 인한 균열이 나타났습니다. 파열 자체는 지표면까지 이르지 않았습니다.
  6. C. 부지 증폭입니다. Governor's Board of Inquiry(주지사 조사위원회)는 만 주변의 무른 땅이 건축 기준이 예상한 것보다 더 크게 흔들림을 증폭했다는 사실을 밝혀냈습니다.
  7. B. 사망 63명, 부상 3,757명, 재산 피해액 약 6,000,000,000달러입니다. 첫 번째 선택지는 1906년의 지진과 화재를 설명한 것입니다.
  8. D. 경보는 거의 순식간에 전달되지만, 지진파는 초당 몇 마일밖에 이동하지 않습니다. 지진은 이미 시작된 상태여야 합니다.
  9. C. 1868년 지진(규모 6.8)은 이 지역에 사람이 드물게 살던 시절에도 약 30명의 목숨을 앗아 갔습니다. 오늘날에는 수백만 명이 이 단층을 따라 살고 있습니다.
  10. A. 72%는 30년 동안 지역 전체와 그 모든 단층을 합친 수치입니다. 단층 하나만 보면 수치가 더 낮아서, 헤이워드 단층이나 로저스크리크 단층은 33%, 샌안드레아스 단층은 22%입니다.

서술형 답안

  1. 판은 꾸준히 움직이지만 판 사이의 단층은 마찰로 고정되어 있어서, 양쪽의 암석은 미끄러지는 대신 휘어지며 수십 년, 수백 년 동안 변형을 쌓습니다. 응력이 단층의 강도를 넘어서면 단층이 갑자기 미끄러지고 휘어 있던 암석이 되튀어 돌아갑니다. 1906년에는 샌안드레아스 단층을 가로지르던 도로와 울타리가 최대 약 21피트(6.4m)까지 어긋났는데, 이는 한 세기를 훨씬 넘는 동안의 판 운동이 일 분도 안 되는 사이에 풀려났다는 뜻입니다. 리드는 이 측정값을 이용해 1910년에 이 이론을 세웠습니다.
  2. 마리나 지구의 피해 지역은 메워진 작은 만 위에 지어졌습니다. 1915년 Panama-Pacific International Exposition(파나마-태평양 만국박람회)을 위해 펌프로 퍼 넣은 느슨한 모래와, 1906년의 잔해가 일부 섞여 있을 수 있는 그보다 오래된 매립토입니다. 무르고 물로 가득 찬 퇴적물에서는 지진파가 느려지면서 커지기 때문에, 흔들림이 근처 포트 메이슨의 암반 위보다 훨씬 크게 증폭되었습니다. 그런 다음 흔들림 때문에 느슨한 모래가 액상화되었습니다. 모래는 힘을 잃었고, 건물들은 가라앉거나 기울었으며, 모래 분출이 일어났고, 측방 유동이 가스관과 수도관을 끊어 놓았습니다. 큰 화재가 났는데 상수도 본관이 망가져 있었기 때문에 소방선이 만에서 물을 퍼 올려야 했습니다. 일층이 약하고 트인 차고로 된 건물들이 특히 취약했습니다.
  3. 둘 다 예보가 아닙니다. 1988년에 과학자들은 산타크루즈산맥 남부 구간에서 30년 안에 규모 6.5에서 7의 지진이 일어날 확률을 30%로 보았습니다. 지진이 바로 다음 해에 일어난 것은 날짜를 예측했기 때문이 아닙니다. 2014년부터 2043년까지에 대한 USGS의 예측은 그 30년 동안 베이 에어리어 어딘가에서 규모 6.7 이상의 지진이 적어도 한 번 일어날 확률이 72%라는 것입니다. 즉 대지진은 일어나지 않을 가능성보다 일어날 가능성이 더 크지만 확실하지는 않으며, 이 지역의 어느 단층에서든 일어날 수 있고, 어느 날이든 일어날 수 있습니다. 그래서 지금 대비하는 것이 중요합니다.

심화 학습

  1. 로마 프리에타 지진은 얼마나 컸을까?: (a) 101.5 × 1.0 ≈ 32배입니다. 로마 프리에타 지진은 1868년 지진의 101.5 × 0.1 ≈ 1.4배의 에너지를 방출했으므로 두 지진은 크기가 비슷하지만, 헤이워드 단층은 이스트베이 도시들 바로 아래를 지납니다. (b) M₀ = 101.5 × 6.9 + 9.1 = 1019.45 ≈ 2.8 × 1019 N·m. (c) A ≈ 4.9 × 108 m²이므로 D = M₀ ÷ (μA) ≈ 2.8 × 1019 ÷ (3.0 × 1010 × 4.9 × 108) ≈ 1.9 m, 약 6피트입니다. 측지 미끄러짐 벡터는 √(6² + 4²) ≈ 7.2피트(2.2m)입니다. 약 15% 이내로 일치하며, μ와 파열 면적의 불확실성을 생각하면 좋은 일치입니다.
  2. 베이 에어리어 단층들의 변형 수지: (a) 20피트 ÷ 200년 = 해마다 0.1피트, 즉 해마다 약 1.2인치(3cm)로, 지역 전체의 해마다 1.6인치의 대략 사분의 삼입니다. 나머지는 이 단층계의 헤이워드 단층, 로저스크리크 단층, 칼라베라스 단층 등 다른 단층들이 맡습니다. (b) 158년 × 해마다 8mm ≈ 1.3m, 약 4피트입니다. 이는 이미 1868년의 약 2m 가운데 큰 부분에 해당하며, 이 단층이 언제든 규모 6.8에서 7.0의 지진을 일으킬 수 있다는 USGS의 견해와 맞아떨어집니다. (c) 크리프는 지표 가까이에서만 변형을 풀어 주며, 그곳에서도 장기 속도보다 느리기 때문입니다. 단층의 더 깊고 고정된 부분은 파열될 때까지 변형을 계속 쌓습니다.
  3. 무른 땅은 왜 공진할까: (a) T = 4 × 80 ÷ 300 ≈ 1.07 s이고 진동수는 약 0.94 Hz로, 1 Hz 근처에서 관측된 증폭 정점과 일치합니다. (b) 어림 규칙에 따르면 대략 8에서 12층 건물(고유 주기가 1초 가까이)이 땅과 공진합니다. 낮은 목조 주택은 주기가 더 짧으며, 마리나 지구에서 그 집들을 무너뜨린 것은 공진만이 아니라 액상화와 약한 일층이었습니다. (c) 무른 흙은 강한 흔들림 속에서 비선형적으로 행동합니다. 흙이 물러지고 에너지를 더 많이 흩어 버리기 때문에 증폭이 줄고 공진이 더 긴 주기 쪽으로 옮겨 갑니다. 따라서 약한 흔들림에서 얻은 증폭 계수는 피해를 주는 지진에서의 증폭을 과대평가합니다. 그래도 무른 땅에서의 흔들림은 여전히 암반보다 훨씬 강합니다.
  4. 72%라는 예측은 해마다 무엇을 뜻할까: (a) λ = −ln(1 − 0.72) ÷ 30 = −ln(0.28) ÷ 30 ≈ 1.273 ÷ 30 ≈ 해마다 0.042회이며, 평균 간격은 약 24년, 한 해 동안의 확률은 1 − exp(−0.042) ≈ 4.1%입니다. 30으로 나누는 것은 확률을 더할 수 있다고 가정하는 셈이지만, '적어도 한 번'의 확률은 복합적으로 쌓입니다. 해마다 2.4%의 확률이면 30년 동안 1 − 0.976^30 ≈ 52%밖에 되지 않고, 72%가 되지 않습니다. (b) λ = −ln(0.70) ÷ 30 ≈ 해마다 0.012회이므로 어느 한 해의 확률은 약 1.2%입니다. 예측은 구간을 올바르게 짚었지만, 1989년이라는 시점은 예측에 들어 있지 않았습니다. (c) 1 − (1 − 0.33)(1 − 0.22) = 1 − 0.67 × 0.78 ≈ 0.48, 즉 48%입니다. 나머지는 칼라베라스 단층과 다른 주요 단층들, 그리고 덜 알려진 단층과 알려지지 않은 단층(이것만으로 13%)에서 나옵니다.
  5. 경보는 얼마나 일찍 울릴 수 있을까?: (a) R = √(97² + 18²) ≈ 98.7 km. P파는 98.7 ÷ 6.0 ≈ 16.4 s 뒤에, S파는 98.7 ÷ 3.5 ≈ 28.2 s 뒤에 도착하므로, 8 s에 경보를 내면 약 20초의 여유가 생깁니다. (b) R = √(14.5² + 18²) ≈ 23.1 km. S파는 약 6.6 s 뒤, 즉 경보보다 먼저 도착하므로 산타크루즈는 경보를 전혀 받지 못했을 것입니다. (c) 8 s 동안 S파는 28 km를 갑니다. 지표에서 이는 진앙으로부터 √(28² − 18²) ≈ 21 km(약 13마일)까지에 해당합니다. 실제 경보 시간이 더 짧을 수 있는 것은 파열이 단층을 따라 양쪽으로 각각 약 20 km씩 퍼져서 많은 마을에 더 가까운 단층 부분에서도 강한 지진파가 왔기 때문이고, 또 경보가 휴대전화에 닿는 데도 시간이 걸리기 때문입니다. 이번처럼 진원이 깊으면 지표에 S파가 도착하는 시간이 늦춰지므로 오히려 도움이 됩니다.