지진 안에서는 어떤 일 발생할까?

지진 안에서는 어떤 일 발생할까?

지진 안에서 벌어지는 물리현상 지금도 미스터리

상당한 강도의 지진이 발생했다고 하자. 지진학자들과 지구물리학자들은 지진이 어디서 시작했는지 또한 어떤 종류의 단층이 관련되어 있는지 그리고 심지어 여진이 얼마나 오랫동안 지속 될지에 대해 자세하게 설명한다. 그러나 지진활동 시 지구 내부에서 무엇이 일어나는 지에 대해서는 여전히 확신하지 못하고 있다.

지진 물리학은 실험실에서의 실험들과 발굴된 단층들의 현장 조사 그리고 더 나은 이론들 덕분에 지난 10년 동안 격변기를 겪어왔다. 하지만 단층들을 움직이게 하고 또 갑자기 끊어지게끔 하는 힘의 성질과 작용에 대해 여전히 밝혀내지 않았다.

김형근 객원기자 | hgkim54@naver.com http://www.sciencetimes.co.kr/article.do?todo=view&pageno=&searchatclass2=115&atidx=56410&backList=list&seriesidx=list&menuclassidx=115&%B1%E2%C3%CA%B0%FA%C7%D0=%B1%E2%C3%CA%B0%FA%C7%D0

ⓒ이미지투데이

캘리포니아 공과대학의 지구물리학자인 톰 히튼(Tom Heaton)은 “지진 안에서 단층이 미끄러져 이동할 때 생기는 마찰 현상의 문제가 지구 과학에서 가장 중요한 문제들 중 하나지만, 30년째 미스터리로 남아있다"고 말했다.

온순한 지진
대부분의 지진들은 지각 판들이 만나 서로 미끄러 지는 곳에서 발생한다. 지진은 판이동의 마찰력이 암석들의 힘을 초과할 때 생기는데, 이로 인해 단층선이 어긋나게 된다. 이어 이동탄성 변형에너지에 의한 지각의 격렬한 이동이 있게 된다.

지진의 이해할 수 없는 점 가운데 중 하나는 지진이 매우 '조용하다'는 점이다. 예를 들어, 일부 과학자들은 연구실에서 소규모 지진을 재현하는 방법을 알아냈다고 생각했다. 하지만 과학자들이 실험실에서 관측된 에너지들을 실제 단층들의 수준으로 끌어 올리자 그 모델 내의 단층은 광대하게 녹아버렸다. 

이 모델에 따르면 500명 이상의 목숨을 앗아간 이번 주의 페루지진과 8만 명 이상이 목숨을 잃은 2005년 파키스탄의 지진, 25만 명의 목숨을 앗아간 2004년의 수마트라의 지진을 능가하는 규모의 참사가 예측된다.

기기 설계 문제
지진을 재현하는 데 있어 또 다른 난제는 통해 지진이 일어날 때 땅 속 수 마일 밑에서 일어나는 모든 환경조건들을 연구용 기기를 통해 구현하기가 어렵다는 데 있다. 높은 응력과 고압, 그리고 높은 온도와 초당 약 1야드의 이동률(우리가 걷는 속도 정도가 됨) 등이 그것이다.

브라운 대학의 데이빗 곳스비(David Godsby)와 암석 역학을 연구하는 동료들은 응력을 암석 표본에 적용하여 지구 물리학자들로 하여금 땅 아래에서의 마찰 작용을 연구할 수 있게 하는 기기들을 설계해오고 있다.

"아직까지 전세계의 어떠한 장비도 이러한 기준들을 모두 만족 시키지 못하고 있다"고 곳스비는 말한다.

전형적인 마찰
땅 위에서 마찰은 운동에 반대해 일정하게 작용하는 완고한 힘이다. 손이 차가울 때 비비면 알 수 있는 것처럼 마찰은 열을 발생시키고 사물에 가하는 힘과 비례하여 늘어난다. 그래서 단층 이동 시 생기는 열은 땅 속 깊이와 비례하여 증가하게 되는 것이다. 암석이 마주치면 반드시 녹아야 하는 것이다.

그러나 지진이 일어나는 동안, 땅 밑에서 거대하고 단단하며 무게가 가압된 두 개의 암석판들은 서로를 그저 옆이나 위아래로 미끄러져 지나간다. 그리고 아무것도 녹는 것이 없다. 보통의 경우 그러하다.

“이것은 매우 기이하다. 위의 암석에서 예상하는 것보다 마찰로 인해 만들어진 열기가 훨씬 낮기 때문일 수 있다"고 곳스비 박사는 말했다.

지진으로 민한 마찰은 움직임이 거의 미미하거나 없을 때 더 크게 발생한다. 그리고 나서 암석들이 빠르게 움직일 때는 0으로 곤두박질 친다. 그런 후 암석들이 다시 속도를 낮추면 마찰은 다시 높게 올라가는 것이다.

지진이 일어날 동안 발생하는 '이러한 마찰의 기이한 현상'은 위에서처럼 단층이 녹는 일이 거의 없는 것을 설명하는 이유가 될 수 있을 것이라고 곳스비는 말했다.

히튼은  "아마도 암석들이 녹는 단계에 이르기 전에 몇 가지 다른 과정이 작동할 지도 모른다"고 말했다. 한 가지 설명이 가능한 것은 '순간 가열'이다. 단층들은 아주 강한 힘에 의해 고정되어 있다. 단층들이 이동을 시작하는 순간 일정한 수준으로 빠르게 미끄러지게 되면 빙판 위의 스케이터처럼 아주 미세한 접촉점에서 극도로 미끄럽게 될 것이다.

마찰이 0인 상태로 고온인 부드러운 섬광 혹은 감지될 만한 용해 물질을 어느 것도 만들지 않는 플라즈마라는 아주 과열된 가열된 가스가 그 원인일 수 있다고 히튼은 말했다. 속도가 떨어지면 단층들은 다시 달라붙게 된다는 것.

다른 가설로는 단층이 이동할 동안 암석에 존재하는 기압이 일정한 물이 단층에 가해지는 응력을 감소시켜 결국 마찰도 감소하게 만든다는 것이 있다. 곳스비는 단층이 낮은 마찰에서 이동할 수 있게끔 하는 부드러운 증기 쿠션에 올라탈 수가 있어 암석의 열이 녹는점까지 도달하지 못하게 될 수 있다고 말했다.

깔개 위의 파동
히튼은 지진을 이해하는 열쇠는 사실 그것들이 어디서 시작하는 것인지가 아니라 어떻게 단면이 확장되어 가는가에 있다고 말했다. 지하 마찰의 기이한 작용과 많은 관련이 있다는 것.

히튼은 단층의 가장 빠른 이동 속도는 마치 깔개 위의 잔물결처럼 지구를 관통하는 이동 파동의 가장 높은 꼭대기 부분에서 일어난다고 17년 전 논문에서 이 단층 작용에 대하여 설명한 바 있다.

히튼은 단층을 옮기고 싶은 깔개로 생각해보라고 한다. 당신은 그 깔개를 모서리에서부터 그냥 당길 수 있을 것이다. 하지만 그것은 깔개를 움직이기에 어려운 방법이다. 깔개를 움직이기에 쉬운 방법은 '깔개에 작게 융기되어 솟은 부분을 만들고 그 융기된 것을 옮기게 되면 당신이 이것을 마쳤을 때 결국 그 깔개를 움직이게 되는 것'이라고 히튼은 설명했다.

마찰이 그러한 이동 파동들과 음양 배치를 이루고 있다는 것이 밝혀졌다고 히튼은 말했다. "파동이동은 마찰에 달려있습니다. 하지만 마찰은 이동속도에 따라 결정된다는 것이 밝혀졌습니다"라고 그는 말했다. "그것은 정적 피드백 시스템이라는 수학의 문제입니다. 악명 높을 정도로 불안정하죠."

만약 파동이 얼마나 큰지 알 수 있다면, 지진규모를 예측할 수 있을 것이다. 하지만 지하에서의 마찰의 기이한 작용 때문에 그 예상이 모두 망가진다고 히튼은 말한다. 그럼에도 불구하고, 지진물리학 분야에서의 혁명은 새로운 식견들을 만들어내고 있다고 곳스비는 말한다.

"저는 우리가 다가오는 10년 내로 어떻게 지진들이 일어나는 지에 대해 더 많이 알 수 있을 것이라는 점서 희망적이라고 확신하고 있습니다."

"이 지식은 우리가 어떻게 지진의 해로운 영향을 완화할 수 있는지 이해하게끔 하고 생명의 손실을 방지하는 것을 도와주며 아마도 언젠가 우리가 지진의 조짐들을 감지해낼 수 있도록 할 지도 모릅니다." 곳스비는 말한다.