지진은 왜 일어나는가 (그리고 우리는 왜 그것을 예측할 수 없는가)

1906년 4월 18일 새벽 5시 12분, 샌프란시스코의 대부분은 아직 잠들어 있었다. 새크라멘토 거리 아래, 그리고 샌안드레아스 단층을 따라 대략 477킬로미터에 걸쳐, 수십 년 동안 서로 맞물려 잠겨 있던 지각의 거대한 두 판이 마침내 풀려났다. 태평양판이 단 몇 초 만에 북미판을 지나 북서쪽으로 휙 미끄러졌고, 땅이 솟구쳤으며, 규모 7.9의 지진이 도시를 휩쓸고 지나갔다. 몇 분 만에 첫 화재가 잔해 사이를 타고 만 쪽으로 번져 올랐고, 그 후 사흘에 걸쳐 그 불길은 흔들림 자체보다 훨씬 더 큰 피해를 입혔다. 연기가 걷혔을 무렵, 도시의 상당 부분은 사라지고 없었다.

그날 아침에 일어난 일은 성난 행성이 무작위로 휘두른 폭력이 아니었다. 그것은 한 사람의 일생에 걸쳐 암석 속에 조용히 쌓여 온 에너지가, 물리학이 허용하는 유일한 방식으로 갑자기 방출된 것이었다. 그 원리를 이해하면 왜 지도 위 특정 선들을 따라 지진이 필연적인지, 그리고 한 세기가 넘는 세심한 연구에도 불구하고 우리가 왜 여전히 지진이 언제 일어날지 알려줄 수 없는지를 모두 설명할 수 있다. 이것은 지진이 실제로 무엇인지, 우리가 그것을 어떻게 측정하는지, 그리고 우리가 바라는 예측이 왜 여전히 손에 닿지 않는지에 관한 이야기다.

느린 압착과 갑작스러운 튕김

극적인 요소를 걷어 내고 보면, 지진은 놀라울 만큼 단순한 역학적 사건이다. 그것은 단층 양쪽의 암석에 저장된 탄성 변형 에너지가 빠르게 방출되는 현상이다. 단층이란 두 암석 덩어리가 서로 상대적으로 움직일 수 있는 지각의 균열을 말하며, 그 정의에서 핵심이 되는 단어는 "탄성"이다. 암석은 그 위에 서 있으면 완전히 단단하게 느껴지지만, 지속적인 압력을 받으면 강철 스프링과 조금 비슷하게 행동한다. 즉 휘어진다.

반드시 떨쳐 내야 할 결정적인 오해는 판들이 서로를 매끄럽게 스쳐 지나간다는 이미지다. 실제로는 그렇지 않다. 단층의 양쪽은 마찰로 인해 맞물려 잠기는데, 때로는 수백 년 동안 그렇게 잠긴 채 있지만, 판의 운동을 일으키는 힘은 결코 밀어붙이기를 멈추지 않는다. 그래서 단층면이 고정된 채로 있는 동안 양쪽의 암석은 휘어진 자처럼 에너지를 저장하며 천천히 변형된다. 결국 쌓인 응력은 단층을 닫고 있는 마찰의 강도를 넘어선다. 암석은 변형되지 않은 형태로 튕겨 돌아가고, 두 덩어리는 몇 초 만에 서로를 지나 홱 미끄러지며, 저장되어 있던 그 모든 탄성 에너지가 우리가 느끼는 흔들림으로 방출되어 퍼져 나간다.

단층이 천천히 응력을 쌓다가 갑자기 파열한다는 이 생각은 탄성 반발 이론이라 불리며, 1906년 지진 직후에 지구물리학자 헨리 필딩 레이드가 정립했다. 그는 샌안드레아스를 가로지르는 측량선들이 지진이 일어나기 전 여러 해 동안 눈에 띄게 휘어져 있었고, 지진 중에는 마치 당겨졌던 활이 놓이듯 격렬하게 곧게 펴졌다는 사실을 알아챘다. 한 세기가 넘은 지금도 탄성 반발은 지질학자들이 단층 거동을 이해하는 토대로 남아 있으며, 거기에는 불편한 따름정리가 따라온다. 즉 잠겨 있는 단층은 정의상 바로 지금 다음 지진을 위한 에너지를 부지런히 저장하고 있다는 것이다.

샌안드레아스, 그리고 암석이 부서지는 세 가지 방식

샌프란시스코를 파괴한 단층은 세 가지 기본 단층 유형 중 하나의 교과서적 사례이며, 이 셋이 판 구조론의 구조와 깔끔하게 대응되므로 셋을 모두 만나 볼 가치가 있다. 샌안드레아스는 태평양판과 북미판 사이의 경계를 표시하는 거의 수직에 가까운 균열로, 남쪽의 솔턴호에서 북쪽의 멘도시노곶까지 약 1,200킬로미터에 걸쳐 뻗어 있으며, 데일리시티 같은 도시들에 충분히 가깝게 지나가서 두 거대 판 사이의 경계가 거의 사람들의 뒤뜰을 가로지를 정도다.

단층은 두 덩어리가 서로 상대적으로 어떻게 움직이는지에 따라 분류된다. 샌안드레아스는 주향 이동 단층으로, 두 덩어리가 수직 운동은 거의 없이 마치 두 손바닥을 맞대고 비비듯 수평으로 서로를 지나 미끄러진다는 뜻이다. 두 번째 유형은 정단층으로, 지각이 양쪽으로 당겨지며 늘어나는 곳에서 형성되어 한 덩어리(상반)가 다른 덩어리에 대해 아래로 내려앉도록 한다. 세 번째는 역단층, 또는 그 저각도 사촌 격인 충상 단층으로, 지각이 압축되는 곳에서 형성되어 상반을 다른 덩어리 위로 밀어 올린다.

이 세 가지 양식은 임의적인 것이 아니다. 이들은 판 경계가 할 수 있는 세 가지 일에 대응한다. 판이 서로를 지나 미끄러지는 곳에서는 주향 이동 단층 작용이 일어나고, 양쪽으로 당겨지는 곳에서는 정단층 작용이 일어나며, 충돌하여 한쪽이 다른 쪽 아래로 밀려 들어가는 곳에서는 역단층과 충상 단층 작용이 일어난다. 따라서 어떤 지진에서든 땅이 부서지는 방식은 그 행성의 그 구간을 빚어내는 더 큰 힘을 직접 읽어 낸 결과이며, 그렇기에 지질학자는 단 하나의 단층에 기록된 운동만으로도 흔히 그 지역의 판 구조론적 이야기를 들려줄 수 있다.

흔들림에 숫자를 매기기

인류 역사의 대부분 동안 지진은 오직 그 영향으로만 묘사될 수 있었고, 그 탓에 어떤 사건도 다른 사건과 의미 있게 비교하기가 불가능했다. 그것은 1935년에 바뀌었다. 그해 칼텍에서 베노 구텐베르크와 함께 일하던 찰스 리히터가, 표준 지진계에 기록된 진동의 크기에서 도출한 하나의 숫자로 남부 캘리포니아의 지진을 표현하기 위해 국지 규모 척도를 발표했다.

이 척도의 결정적 특징은 그것이 로그 척도라는 점이며, 이것이야말로 지진에 관해 가장 많이 오해되는 단 하나의 사실이다. 척도에서 정수 한 단계가 올라갈 때마다 지반 운동의 진폭은 대략 열 배 증가하고, 에너지는 그보다 훨씬 가파르게 증가하기 때문에 방출 에너지는 약 32배가 된다. 따라서 규모 7은 어떤 일상적인 의미에서도 규모 6보다 "두 배 큰" 것이 아니다. 그것은 지반을 약 열 배 더 세게 흔들고 약 32배의 에너지를 방출한다. 규모 6에서 규모 8로 두 단계를 올라가면, 에너지는 대략 천 배 도약하는 셈이 된다.

리히터 척도는 중간 규모의 지진에는 잘 들어맞았지만 상한선에 치명적인 결함이 있었다. 그것은 약 규모 7 위에서 포화되는데, 이는 가장 큰 지진들이 어느 하나가 다른 것보다 훨씬 더 파괴적일 때조차 모두 비슷한 숫자로 나온다는 뜻이다. 리히터가 측정한 파동이 거대한 파열의 실제 크기에 비례하여 더 커지기를 멈추기 때문이다. 1979년에 토머스 행크스와 가나모리 히로오가 이를 바로잡기 위해 모멘트 규모 척도를 도입했다. 이 척도는 단 하나의 파동 진폭을 읽는 대신, 파열 자체의 물리적 구성 요소들로부터 계산된다. 즉 미끄러진 단층의 면적, 얼마나 멀리 미끄러졌는지, 그리고 암석의 강성으로 계산된다. 이로써 가장 큰 사건들은 그것들이 진정으로 마땅히 받아야 할 크기를 얻게 되며, 큰 지진이 뉴스에 오를 때마다 인용되는 것이 바로 이 척도다. 비록 사람들은 여전히 그것을 막연히 "리히터 척도"라 부르지만 말이다.

숨겨진 진원에서 삼각측량된 지도까지

모든 지진은 지각 내에서 파열이 처음 풀려나는 한 점에서 시작되며, 그 점을 진원, 또는 진원지라 부른다. 그 바로 위 지표면의 지점, 즉 사람들이 지진의 위치로 떠올리는 곳을 진앙이라 한다. 진원으로부터 에너지는 서로 다른 속도로 이동하는 몇 갈래의 지진파로 바깥쪽으로 퍼져 나가며, 그 속도 차이가 바로 우리가 애초에 지진을 찾아낼 수 있게 해 주는 비결이다.

가장 빠른 것은 P파, 즉 1차파로, 이는 압축파이며 마치 땅속을 지나는 소리처럼 진행 방향으로 암석을 밀고 당긴다. 그 뒤를 더 느린 S파, 즉 2차파가 따르는데, 이는 암석을 좌우로 전단시키며 액체를 통과하지 못한다. 마지막이자 보통 가장 파괴적인 것은 표면파로, 이는 지면 자체를 따라 이동하며 건물을 무너뜨리는 흔들림의 상당 부분을 일으킨다. 단 하나의 지진계 기록은 이 순서를 시간 축에 펼쳐 보여 준다. P파가 먼저, 그다음 S파, 그다음 길게 굽이치는 표면파다.

P파 도착과 S파 도착 사이의 간격이 핵심이다. 두 파동이 알려진 서로 다른 속도로 이동하기 때문에, 그 시간 간격의 크기는 지진학자에게 진원이 얼마나 멀리 있었는지를 알려 준다. 번개가 칠 때 섬광과 천둥 사이의 지연으로 그 거리를 가늠하는 것과 똑같은 방식이다. 단 하나의 관측소는 거리는 알려 주지만 방향은 알려 주지 못하므로, 적어도 세 개가 필요하다. 각 관측소는 자기 주위에 가능한 거리들의 원을 그리고, 세 원이 모두 만나는 단 한 곳이 진앙이다. 오늘날 자신의 기록을 거의 실시간으로 공유하는 전 지구적 관측망에 걸쳐 수행되는 이 삼각측량은, 행성 어디에서 일어난 지진이든 몇 분 안에 위치를 짚어 낸다.

해저가 솟구치고 바다가 응답할 때

지구가 만들어 내는 가장 큰 지진들, 그리고 단연 가장 치명적인 지진들은 바다 밑에 숨겨진 특별한 종류의 단층에서 일어난다. 한 판이 다른 판 아래로 잠겨 들어가는 섭입대에서는, 가라앉는 해양판과 그 위에 올라탄 판 사이의 접촉면이 완만하게 경사진 면을 이루는데, 이를 거대 충상 단층이라 부른다. 이 경계면은 엄청나게 넓은 면적에 걸쳐 잠길 수 있기 때문에, 파괴되기 전까지 어마어마한 양의 변형 에너지를 저장하며, 마침내 파괴될 때 규모 척도에서 가장 큰 숫자들을 만들어 낸다.

1960년 칠레 해안 앞바다에서 일어난 발디비아 지진은 규모 9.5에 이르렀는데, 이는 계기로 기록된 사상 최대 규모였으며, 2011년 일본 북동부 앞바다에서 일어난 도호쿠 지진은 규모 9.0 또는 9.1에 이르렀다. 거대 충상 단층 사건을 유난히 위험하게 만드는 것은 그 크기만이 아니라 그 기하학적 형태다. 단층이 파열할 때, 그것은 해저의 광대한 면적을 몇 미터씩 위로 밀어 올리고, 그 갑작스러운 변위가 그 위에 있는 물기둥 전체를 떠민다. 그 결과가 쓰나미, 즉 대양을 가로질러 진앙으로부터 수천 킬로미터 떨어진 해안선을 황폐하게 만들 수 있는 긴 파장의 일련의 파동이다. 2011년 일본에서 내륙으로 밀려든 물은 그 몇 분간의 파열 동안 해저가 솟구친 데 따른 직접적인 결과였다.

왜 정직한 대답은 "언제일지 모른다"인가

지금 우리가 이해하는 모든 것을 감안하면, 명백한 질문은 우리가 왜 그저 다음 지진을 예측할 수 없는가 하는 것이다. 우리는 위험한 단층들이 어디에 있는지 알고, 그것들이 천천히 응력을 쌓다가 갑자기 파열한다는 것도 안다. 우리는 심지어 과거의 지진들과 변형 에너지의 느린 축적으로부터, 어떤 단층이 다가오는 수십 년 안에 파열할 장기적 확률까지도 추정할 수 있다. 여러 해에 걸친 확률로 표현되는 그런 종류의 예보는 진정으로 유용하며, 건축 법규와 보험의 토대를 이룬다.

우리가 할 수 없는 것은 그날, 그 시각, 그 규모를 예측하는 것이다. 그 이유는 앞서 설명한 물리학 속에 짜여 들어가 있다. 단층은 응력이 그것을 닫고 있는 마찰을 가까스로 넘어설 때까지 잠긴 채 있는데, 그 문턱값은 우리가 측정할 수 없는 세부 사항들에 달려 있다. 즉 지하 수 킬로미터에 있는 단층면의 정확한 거칠기, 응력의 정밀한 분포, 미세한 균열 속 유체의 압력에 달려 있다. 결정적 순간의 측정 불가능한 아주 작은 차이가, 작은 한 조각이 무해하게 미끄러질지 아니면 그 파열이 거대한 지진으로 연쇄될지를 결정한다. 전진, 지반 기울기, 우물물의 변화, 동물 행동 등 신뢰할 만한 전조 신호를 찾아온 수십 년의 노력은 일관되게 작동하는 무언가를 전혀 내놓지 못했는데, 그것은 바로 그 똑같은 작은 신호들이 어떤 지진도 뒤따르지 않은 채 끊임없이 나타나기 때문이다. 지적으로 정직한 입장, 과학계 전반에서 견지되는 입장은, 단기 지진 예측이 현재로서는 가능하지 않으며 아마 영영 불가능할 수도 있다는 것이다. 최선의 보호는 미래를 예언하는 것이 아니라, 반드시 올 것을 우리가 아는 그 파열에 대비하여 건물을 짓는 것이다.

핵심 요약

지진은 잠겨 있는 단층 양쪽의 암석이 끊임없는 판 운동 아래 천천히 변형되며 쌓이는 탄성 변형 에너지가, 마찰이 무너지고 두 덩어리가 서로를 지나 홱 튕길 때 빠르게 방출되는 현상이며, 이 생각은 1906년 샌프란시스코 지진 이후 탄성 반발 이론으로 처음 정립되었다. 단층에는 주향 이동, 정, 역의 세 가지 유형이 있는데, 이는 판 경계가 하는 세 가지 일(서로를 지나 미끄러지기, 양쪽으로 당겨지기, 충돌하기)에 직접 대응하며, 샌안드레아스가 그 고전적인 주향 이동 단층의 예다. 규모는 로그 척도이므로 한 단계 올라갈 때마다 지반 운동은 약 열 배, 에너지는 대략 32배가 되며, 그래서 1935년의 리히터 척도는 큰 사건에 대해서는 결국 단층 면적, 미끄러짐, 암석 강성으로 구성된 1979년의 모멘트 규모 척도로 대체되었다. 지진은 진앙 아래의 진원에서 시작하여 P파, S파, 표면파를 내보내는데, 이들의 서로 다른 속도 덕분에 세 관측소가 위치를 삼각측량할 수 있으며, 섭입대 거대 충상 단층에서 가장 파국적인 형태에 이른다. 그곳에서 1960년 발디비아와 2011년 도호쿠 같은 파열은 해저를 들어 올려 대양을 가로지르는 쓰나미를 일으킨다. 우리는 장기 확률은 예보할 수 있지만, 파열의 정확한 순간은 접근할 수 없는 지하 조건과 한없이 민감한 촉발 문턱값에 달려 있으며, 그렇기에 신뢰할 만한 단기 예측은 여전히 우리 손이 닿지 않는 곳에 있다.