지진파 Seismic Wave – 지진파의 이해

지진파 Seismic Wave – 지진파의 이해

지진(earthquake): 지구의 표면이 흔들리는 현상, 단층면에서 순간적으로 발생하는 변동

- 지각 내에 저장되어 있던 변형력(stress, 응력)이 탄성진동에너지로 바뀌어 방출되는 현상

- 지각 내의 stress란, 지각 외부로부터 힘(외력)이 작용하였을 때 내부에서 발생하는 저항(력)을 의미하고, 외력이 물질 고유의 한도를 초과하여 작용하면, 그 물질의 구조는 파괴된다.

그림 1. 지진관련용어: 진원, 진앙, 단층 [출처:  http://kitvalley.com/ ]

- 지진관련용어

· 진원(focus): 지진이 최초로 발생한 지점

· 진원역: focus를 중심으로 한 가장자리(edge)

· 진앙(epicenter): focus에 수직한 지표(면)상의 지점

· 깊이: 진원과 진앙에 대해 수직한 거리

· 본진(main shock): 특정 지역에 연속한 지진이 발생 시, 지진의 규모 중 가장 큰 지진

· 여진(after-shock): main shock 이후 발생하는 여분의 지진

· 지진대: 지진이 자주 발생한 지점들을 연결한 띠 모양 e.g. 환태평양 조산대(circum-Pacific belt; 태평양 주변의 지진과 화산이 자주 발생하는 지역대)[그림 2]

그림 2. 환태평양 조산대 [출처: Wikipedia, ‘환태평양 조산대’]

지진이나 화산을 본격적으로 연구한 시기는 대략 19세기로, 당시는 유럽의 지질학자들에 의해 주도 되었다. 독일의 훔볼트(H. Alexander F. von Humboldt, 1769~1859)나 영국의 쥐스(Eduard Suess, 1831~1914)가 이 분야의 대표주자이며, 물리학자 가운데 푸아송(S. D. Poisson, 1781~1840, 프랑스의 수학자), 스톡스(Sir George Gabriel Stokes, 1819~1903, 아일랜드 출신의 영국인 수학자), 레일리(J. Rayleigh, 1842~1919, 잉글랜드의 수학자)등이 일찍이 탄성파에 대한 연구를 통해 지진학에 기여하였다.

Kikuchi Dairoku, 菊池大麓, 1855~1917 [출처: Wikipedia, ‘Kikuchi Dairoku’]

- 1880년대 세계 최초의 지진학회가 창립되는데, 영국의 지질학자 존 밀른(John Milen, 1850~1913)을 비롯해 일본의 수학자 기쿠치(Kikuchi Dairoku, 菊池大麓, 1855~1917)까지 범세계적인 연구학회로 발전하였다.

- 오늘날 지진학의 과제는 다음과 같다.

· 지진예측법 설계 및 지진 대책 수립

· 지진 대책을 위한 기초연구로 지구 내부의 물리적 현상을 과학적으로 해명

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- 기쿠치는 지진이 공장이나 교통망 등의 피해뿐만 아니라, 상거래 등의 무형의 피해도 발생시킬 수 있음을 강조하며, 이러한 점을 바탕으로 내진 건축과 더불어 지진 예측을 위한 새로운 연구조직으로 진재예방조사회(지진재난예방조사회)를 결성(1892)했다.

- 일본의 과학자들은 조사회 조직을 바탕으로 지진 연구에 관한 청사진을 제시했는데, 특히 일본의 지진학자 오모리 후사키치(Fusakichi Omori, 大森房吉, 1868-1923)는 ‘지진 발생의 주기’의 여러 단서들을 수집하였다. e.g. 오모리는 역사 사료를 바탕으로, 일본의 대지진은 매우 맑은 날에 발생확률이 높음을 발견했다.

- 1962년, 일본이 지진예지계획을 세계최초로 완성하여 전 세계에 규격이 되었다.

Fusakichi Omori, 大森房吉, 1868-1923

지진의 원인

암석은 힘을 받을 때, 그 반응으로 두 가지의 유동학적 움직임을 갖는다.

① 연성변형(ductile deformation): 암석파괴 시, 탄성한계를 벗어난 변형작용으로 높은 온도와 압력이 전제된다.

② 취성변형(brittle deformation): 탄성한계 내에서 암석이 그들의 응집력을 잃는 현상으로, 힘을 가했을 때 암석이 부서지거나 금이 가는 특징을 띤다.

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암석이 취성변형을 선호할 때, 암석은 부서지게 되는데 이때 단층이 형성된다.

- 단층: 암층이나 암괴가 특정 면을 따라 움직여, 불연속적인 층이 형성된 것

그림 3. 단층 [출처: rgbstock.com]

지진파의 유형

① 지구 내부 지진파: P파(Primary Wave), S파(Secondary Wave)

 

- P wave

· 종파(세로파)로 진행 방향과 나란하다.

· 진원으로부터 약 7km/s의 속력으로 진행한다.

· 통과물질: 고체, 액체, 기체

· 지표면에 도달하면 땅이 위-아래의 수직 방향으로 움직인다.

 

- S wave

· 횡파(가로파)로 진행 방향에 수직한다.

· P wave보다 느림(약 4km/s)

· 통과물질: 고체

· 지표면에 도달하면 땅이 위-아래-오른쪽-왼쪽으로 복잡한 움직임을 보임 ⇒ 높은 파괴력

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② 지구 지표면 지진파: L파

- L wave: L wave에는 러브 파와 레일리히 파가 있다.

- 지진파의 도달 순서: P wave → S wave → L wave

志田順, 1876~1936

일본의 지진물리학자 시다(志田順, 1876~1936)는 1917년에서 1918년까지 지진계 기상을 판독하여, P파의 초기 진동결과를 두 가지 형태로 분석했다. 이후 증거들을 수집한 뒤, 단층지진설을 주장하였다.

- 단층지진설: 지진의 주요 원인으로 꼽히는 현상으로, 단층이 미끄러지면서 그 에너지가 방출되어 땅이 흔들린다고 보는 이론

石本已四雄, 1893~1940

1934년, 일본의 지진학자인 이시모토(石本已四雄, 1893~1940)는 이후 심발지진(지각의 300~700km 깊이에서 발생하는 지각 충돌)에서 진앙지형이 밀리는 자료를 보고 마그마 관입설을 주장한다.

- 1929년, 와다치(Kiyoo Wadati, 和達淸夫, 1902~1995)가 맨틀 내의 심발지진을 발견했다.

- 마그마관입설: 고압상태의 마그마가 암석의 가장 약한 부분으로 돌입하면서 지진이 발생한다는 이론

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지하의 마그마 등이 이동하여 발생하는 지진을 화산성 지진(volcano tectonic earthquake)라 한다.

- 화산 주변의 지하에는 마그마가 이동하는 통로가 있는데, (1)우선 마그마가 지표면으로 상승하면 압력이 작용하여 온도가 높아진다. (2)특히 지상에 가까울수록 땅속의 수분이 마그마 속으로 유입되는데, (3)뜨거워진 마그마로 인해 수분이 증발하면서 부피와 압력이 급격히 상승한다. (4)마그마 통로의 암반은 이러한 마그마의 높은 압력을 버티지 못해 갈라지며, 이때 지진이 발생한다.