너무 재밌어서 잠 못 드는 지구의 과학

너무 재밌어서 잠 못 드는 지구의 과학

신규진 지음

생각의길 / 2018년 4월 / 244쪽 / 15,000원





지진보다 빠른 긴급재난문자



지진보다 먼저 온 문자: 2017년 11월 15일 14시 30분, 긴급재난문자가 도착했음을 알리는 경보음이 집집마다 요란하게 울렸다. 재난문자가 먼저 도착한 것은 기상청의 조기경보시스템이 제대로 작동되었기 때문이다. 당시(2017.11.15) 기상청은 지진 발생 3초 후 지진 감지, 19초 후 경보 발령, 4초 후 문자 송출을 한 것으로 알려져 있다. 문자 송출 후 통신사를 거쳐 개인 휴대폰에 문자가 도착하려면 2~3초 정도 소요되므로 지진 발생 후 약 30초 후에 국민들은 지진이 발생했음을 인지한 셈이다.

지진파는 P파, S파, L파로 구분하는데, 땅이 크게 흔들리기 시작하는 것은 S파가 도착한 후부터다. S파의 속력은 평균 3.5km/s으로 포항에서 발생한 지진파가 270km 떨어진 서울까지 가는 데 걸리는 시간은 약 77초다. 그러므로 서울처럼 진원에서 먼 지역의 경우는 재난문자가 먼저 도착한 연후에 지진파의 진동이 전달된 것이다.

포항 지진(2017.11.15)의 규모는 최초 5.5로 재난문자가 전달되었으나 L파 진동이 끝난 후에는 5.4로 보정되었다. 초기 경보 때에는 P파의 진폭을 토대로 예측 경보를 울리는 것이기 때문에 그 정도의 편차는 매우 정확한 것이라고 할 수 있다.

지진파 기본 지식: [지진] 땅이 흔들리는 현상인 지진은 지각이나 맨틀에 누적된 스트레스에 의해 단층이 발생할 때 가장 많이 발생한다. 화산 폭발시의 화산 지진, 지하 공동의 함몰에 의한 지진, 핵 실험 등으로 인한 인공 지진도 발생한다.

[지진파] 지진이 발생했을 때 전파되는 지진파에는 P파, S파, L파가 있다. P파(Primary waves, 1차 파)는 1차로 전달되므로 속도가 가장 빠르다. 전파 속도는 6~8km/s이다. 압축 팽창을 반복하며 진동하는 종파로 진폭이 작다. S파(Secondary waves, 2차 파)는 P파가 도착한 후에 뒤이어 도달하는 2차 파로 지각 근처에서의 속도는 3~4km/s이다. 파의 진행 방향과 매질의 진동 방향이 수직인 횡파로 P파에 비해 진폭이 크다. L파(Last waves)는 마지막에 도착한다는 뜻에서 붙여진 L파의 전파 속도는 31km/s 정도이며, 지표면 수 킬로미터 이내에서만 전달되므로 표면파라고 한다. L파는 파동의 패턴에 따라서 러브파(Love waves), 레일리파(Rayleigh waves), 스톤리파(Stoneley waves) 등이 있으며 진폭이 커서 지진 피해를 크게 줄 수 있다.

지진 규모와 진도는 다른 개념: 규모 5.4 지진의 에너지는 1톤 트럭 2,000대 분량의 TNT폭탄을 일시에 터트리는 위력과 맞먹는다. 그렇지만 규모 5.4의 지진은 지구상 어디에선가 거의 매일 일어나는 보통의 지진에 불과하다.

세계의 지진 통계에 의하면 규모 7.0 이상이 지진은 한 달에 한 번 꼴로 일어났고, 규모 8.0 이상의 지진도 약 3년마다 한 번씩 일어났다. 지진 규모 7.0과 8.0은 수치상 1밖에 차이가 나지 않지만 그 위력은 30배 이상의 차이가 난다. 이를 폭탄의 폭발력으로 환산하면 규모 7.0은 TNT폭탄 5만 톤, 규모 8.0은 TNT 폭탄 1,500만 톤(히로시마 원자 폭탄 75개 분량의 위력)의 폭발력과 같다.

지진 규모(seismic magnitude scale)의 개념은 찰스 프랜시스 릭터(1900-1985, 미국의 지진학자)에 의해 고안되었기 때문에 ‘릭터 규모’라고도 불린다. 릭터 공식은 log10E = 1.5M + 11.8 (E:지진에너지, M:지진 규모)이다. 인위적으로 그와 같은 공식을 만든 이유는 막대한 지진 에너지의 양을 한 자리 숫자로 표현하기 위함이다. 릭터 공식은 로그함수이므로 규모(M)가 1만큼 커지면 지진 에너지(E)는 31.6배 증가하고, 규모(M)가 2만큼 증가하면 지진 에너지(E)는 1,000배 증가한다. 지진 규모를 산출할 때는 지진계에 나타난 최대 진폭을 측정하여 이를 토대로 계산한다.

지진 규모는 지진 에너지 크기를 한 자리 수로 개념화시킨 것이므로 하나의 지진은 하나의 규모 값으로만 결정된다. 그런데 규모가 같은 지진일지라도 진도는 제각각 다르다. 왜냐하면 진도는 지표면과 건물의 흔들림의 정도에 따라서 붙여지는 등급이기 때문이다. 따라서 진도는 진원 거리가 멀어질수록 점차 감소하며, 지역별 지층의 밀도와 탄성반발력의 차이에 의해서도 달라질 수 있다.

2000년 이전까지 우리나라는 일본 기상청이 만든 진도 등급을 이용했으나, 이후부터는 국제적으로 널리 사용되는 MMI스케일(Modified Mercalli scale, 수정 메르칼리 등급)을 사용하고 있다. MMI 진도 등급은 12등급이며, 로마 숫자로 표기하는 것이 관례이다.

Ⅰ(1) 느낌 없음, 지진계만 느낌

Ⅱ(2) 예민한 사람만 느낌

Ⅲ(3) 많은 사람이 진동을 느낌, 매달린 물체 약간 움직임

Ⅳ(4) 실내에서 현저히 느낌, 잠든 사람 일부가 깨어남

Ⅴ(5) 불안정한 물체 넘어짐, 잠든 사람 대부분이 깨어남

Ⅵ(6) 놀라서 뛰어나감, 가구가 움직임, 회벽 균열

Ⅶ(7) 모든 사람이 뛰어나옴, 담장ㆍ부실 건물 피해

Ⅷ(8) 서 있기 곤란함, 건물 균열ㆍ붕괴 발생

Ⅸ(9) 튼튼한 건물도 일부 붕괴, 송수관 파열, 심각한 재난

Ⅹ(10) 산사태, 대부분의 건물 붕괴, 지표면 균열, 가스관 파괴, 토양수 분출

?(11) 남아 있는 건물 거의 없음, 다리 붕괴, 선로 붕괴, 땅 꺼짐, 모든 것이 파괴됨 ?(12) 지표면이 파동치듯 움직임, 물체가 하늘로 던져짐



규모 5.4의 포항 지진이 발생했을 때 한국 내륙에 지역별로 나타난 진도 등급 범위는 포항 V, 대구 IV, 부산 Ⅲ, 서울과 제주가 Ⅱ 정도였다.



성능 기반 설계와 지진대



5층 건물이 많은 이유는?: 한국의 도시에는 5층 건물이 매우 많다. 학교, 관공서, 상가 건물이나 임대용 건물들도 대부분 그렇다. 왜일까? 이는 건축물 내진 설계 기준과 관련이 있다. 내진 설계와 시공은 격자형 구조를 바탕으로 여러 가지 기술적 보강을 해야 하는지라 건축 비용이 상승한다. 1988년에 도입되어 2005년 7월까지 시행된 건축법에 따르면, 6층 이상 연면적 1만m2 이상의 건물을 지으려면 내진 설계를 해야 했다. 그러니 분양하거나 임대를 놓을 목적으로 건물을 짓는 건물주의 입장에서는 5층 위로 몇 층 더 올려보았자 별 이득이 없거나 오히려 손해였다. 영세한 건설회사의 입장에서도 내진 설계 기준에 맞추어 공사를 하자면 부담이 커진다. 기술 비용이 상승하고 까다로운 감리를 받아야 하기 때문이다. 건설회사 입장에서는 공사 기일을 단축하여 신규 공사를 많이 하는 것이 이득이었을 것이다.

2005년 여름부터는 법령이 개정되어 3층 이상의 건물은 내진 설계를 하도록 확대되었고, 지속적인 법령 개정을 통해 현재는 2층 이상 연면적 200m2 이상인 대부분의 석조 건물은 내진 설계를 하도록 건축법 시행령에 명시되어 있다. 목조 건물인 경우는 3층 이상 연면적 500m2 이상일 때로 그 기준이 느슨한 편이다. 목조 건물은 하중이 적고 탄력성이 있어서 지진에 견디는 힘이 비교적 나은 것으로 알려져 있기는 하다. 그렇지만 2016년 4월 일본 구마모토를 덮친 강진에 의해 수많은 목조 건물이 대파된 사례를 보면 안전을 보장할 수 없기는 목조 건물도 마찬가지다.

한국의 경우는 근대에 규모 6 이상의 지진이 관측된 적이 없다. 문헌 연구를 통해 추측되는 바로는 삼국시대 때 신라 지방에서 규모 6.5 정도의 지진이 있었던 것으로 추정될 뿐이다. 그런데 지진은 지층에 일정량의 압력이 누적되었다가 일시에 터지는 사건이므로 스트레스가 쌓이는 시간을 계산하여 재현 주기 확률을 추정한다. 한국은 2016년 규모 5.8의 경주 지진, 2017년 규모 5.4의 포항 지진이 발생하면서 재현 주기에 가까워진 것은 아닌지 불안해하는 사람들도 있다. 이에 대한 대책을 마련하려면 무엇을 어떻게 준비해야 할까?

성능 기반 설계로 지진을 대비한다: ‘사람은 지진 때문이 아니라 건물 때문에 죽는다’라는 말이 있다. 1976년 중국 탕산 지진 때 공식 사망자만 25만 명 가까이 집계되었는데, 이는 모두가 잠든 새벽에 예고 없이 발생한 규모 7.8의 지진으로 인해 대부분의 가옥이 붕괴한 데서 비롯되었다. 지진 대비가 가장 잘된 나라로 손꼽히던 일본의 경우에도 1995년 규모 7.2의 고베 지진 때 6,000여 명이 사망했다. 고베 지진으로 인해 충격을 받은 일본은 1998년 지진에 대비한 철저한 대책 구축을 위해 법률을 개혁하고 ‘성능 기반 설계(또는 성능 중심 설계, Performance Based Design, PBD)’를 내진 설계에 적용하도록 정책을 폈다.

성능 기반 설계란 ‘설계된 구조물의 보유 성능이 목표 성능(안전성, 사용성, 내구성 등)을 만족하고 있다면 구조물의 형식이나 구조 재료, 건축 공법 등에 구애받지 않아도 되는 재량 설계라고 할 수 있다. 성능 기반 설계의 반대 개념은 사양 설계(prescriptive design)이다. 사양 설계는 설계 지침에 기술되어 있는 규정에 따르는 방법이다. 사양 설계는 규격화된 일정한 틀을 제공하면서 적용하기 쉽다는 장점이 있으나 보다 창의적이고 보다 나은 신기술을 적용 데에는 뒤처질 수밖에 없다.

사양 설계에 따라서 규정을 지켜 건물을 시공한 건물이 지진으로 인해 상당 부분이 훼손되고 파괴되었을 경우에 설계자는 별 책임이 없다. 그러나 성능 기반 설계를 적용한 건물은 설계자의 책임이 뒤따른다. ‘당신의 능력을 최대한 발휘하여 재량껏 설계하시오. 단, 그 건물이 목표로 하는 안전성에 대해서는 책임을 져야 하오.’ 이것이 성능 기반 설계를 적용한 일본의 건축법의 취지이다.

일본에서는 건축물의 내진 설계를 내진(耐震), 제진(制震), 면진(免震) 설계로 보다 상세하게 구분한다. 내진 설계는 건물 자체의 구조를 보다 강하게 보강하여 지진에 견디도록 하는 설계이다. 철강을 격자 모양으로 넣고 X 자형 보강재를 덧대고 콘크리트 두께를 더 보강하는 식이다. 따라서 건물의 중량이 증가하는 단점이 있어서 고층 빌딩에는 내진 설계를 적용하는 것에 한계가 있다.

제진 설계는 점탄성 물질을 이용한 감쇠 장치(댐퍼, damper)를 구조물 곳곳에 삽입하여 충격을 흡수하며 분산시키는 설계이다. 제진 설계에는 액체 물질을 이용한 충격 흡수나 동조 공명을 응용한 물리적 제어 장치 등 다양한 기술들이 활용될 수 있다.

면진 설계는 지면의 진동 자체가 건물에 전달되지 않도록 추구하는 설계라고 할 수 있다. 건물이 공중에 떠 있다면 땅의 진동을 피할 수 있을 것이다 그러나 현재의 기술로는 건물을 공중에 둥둥 띄워놓을 수 없으므로 구슬처럼 움직이는 받침대 위에 건축물을 올려놓는 형식의 설계가 적용되고 있다.

판의 경계와 일치하는 지진대: 한국은 오랫동안 지진의 안전지대였지만, 환태평양 지진대에 매우 근접해 있는 곳이기도 하다. 지진학 연구기관 홈페이지 IRIS(www.iris.edu)에 접속하여 지진 모니터(seismic monitor)를 클릭하면 세계 지도 위에 크고 작은 동심원들이 곳곳에서 깜빡이는 것을 볼 수 있다. 동심원은 지진이 일어난 장소와 지진 규모를 즉시 시각적으로 보여준다. 세계의 지진은 하루에 5,000회에서 1만 회 정도 일어나는 것으로 집계되고 있다.

지진이 발생한 진앙(震央: 지진이 일어난 진원에서 지표에 수직선을 그어 만나는 점으로 지표상에 위치한다. 지도는 입체가 아닌 평면이므로 지진이 일어난 지점은 진앙으로 표시된다.)의 위치들은 모두 판의 경계에 위치한다. ‘판(板, plate)’이란 지구 표면 약 100km 두께에 해당하는 암석권을 지칭하는 용어이다. 판은 공룡의 알껍데기 조각처럼 크고 작은 십여 개의 조각으로 갈라져서 지구 표면을 감싸고 있다. 껍데기 판의 안쪽을 채우고 있는 맨틀의 온도는 1,000~3,500℃에 육박하며, 지구의 핵은 그보다 더 뜨거워서 5,000℃ 이상이다. 따라서 지구의 내부는 온도차에 의한 열대류가 일어나며 이로 인해 지구 표면의 판도 움직이게 된다.

판이 움직이는 속도는 지역마다 달라서 1년 평균 수 센티미터를 움직이는 곳도 있고 십여 센티미터 이상 움직이는 곳도 있다. 판은 고체이므로 물처럼 부드럽게 흐를 수가 없다. 따라서 스트레스가 누적되다가 탄성 한계에 이르면 지각이 부러지면서 일시에 수 미터씩 이동하여 단층(fault)이 생긴다. 대부분의 지진은 그와 같은 단층에 의해서 발생한다.

판의 경계는 크게 세 가지 형태로 맞물려 있다. 판과 판이 마주 보고 충돌하거나 뒤에서 추돌하는 형태(수렴 경계), 판과 판이 벌어지며 물러나는 형태(발산 경계), 판과 판이 엇갈리면서 스쳐가는 형태(변환 경계). 세 가지 중 어떤 경우에 속하든 단층에 의한 균열과 마찰 스트레스로 인해 지진이 빈발할 수밖에 없는데 이러한 지역은 띠 모양으로 길게 나타나게 되므로 지진대(seismic belt)를 형성한 다. 환태평양 지진대, 알프스-히말라야 지진대, 해령 지진대는 세계 3대 지진대이고, 그중에서도 으뜸은 환태평양 지진대이다. 세 지진의 80% 정도는 환태평양 지진대에서 발생한다.

일본 동부 지역 지진이 위험한 이유는?: 태평양 북부의 알류산 열도에서 시작하여 서쪽으로 캄차카 반도를 거쳐 일본, 필리핀, 말레이시아, 적도의 파푸아뉴기니로 이어지는 섬들은 긴 호를 그리며 분포한다. 그래서 그 섬들을 통칭하여 호상열도(island arc)라고 한다. 그런데 바다에서 가장 깊은 곳은 호상열도에서 아주 가까운 지역에 위치하고 있다. 바다의 가장 깊은 골짜기인 해구가 호상열도와 나란하게 분포하고 있는 것이다. 수심 11km에 달하는 마리아나 해구를 비롯하여, 필리핀 해구, 일본 해구 등은 모두 8,000m 이상의 수심을 자랑한다.

호상열도와 해구는 판과 판이 충돌하여 수렴하는 과정에서 형성된 지형이다. 태평양 판은 해양 지각의 현무암질 암석으로 덮여 있기 때문에 밀도가 크고(30g/cm3), 유라시아 판은 대륙 지각의 화강암질 암석이 껍데기를 이루고 있기 때문에 밀도가 작다(27g/cm3). 태평양 판은 서쪽으로 1년에 수 센티미터씩 이동하는 중이다. 따라서 태평양 판이 유라시아 판과 충돌한 해구 지역에서는 태평양 판이 유라 시아 밑으로 비스듬하게 기어들어가는 형태가 되는데, 판과 판의 접합면을 섭입대(subduction zone)라고 한다.

일본 근처에서 발생한 지진들의 진원 분포도를 살펴보면 일본 동부 지역은 진원 깊이 70km 미만의 천발 지진이 많고, 일본 서부 지역으로 올수록 심발 지진이 더 많은 것으로 나타난다. 이러한 분포를 통해 지진학자들은 섭입대의 각도가 45° 정도인 것으로 파악하고 있다. 지진 피해의 대부분은 심도가 얕은 천발 지진에 의해서 발생한다. 일본의 역대급 지진들은 모두 동부 지역에서 일어났다.

태평양의 호상열도는 모두 화산 활동에 의해 형성된 섬들이며 여전히 불을 토하며 포효하는 활화산도 많다. 이는 태평양 판이 유라시아 판 밑으로 섭입하는 과정에서 마그마도 만들어지기 때문에 일어나는 현상이다. 태평양의 퇴적물과 암석이 물과 함께 해구 속으로 천천히 가라앉으며 지하 수십 킬로미터에 이르면 온도와 압력의 상승으로 인해 마그마가 생성된다. 물은 암석의 용융점을 낮추는 역할을 한다.

최근 몇 년 사이 규모 5 이상의 중급 지진이 한국에서 몇 차례 발생한 것을 두고 엄청난 지진이 발생할 것이라고는 속단할 수 없다. 제주도나 울릉도의 화산 역시 사화산으로서 더 이상 활동하지 않기 때문에 재활동할 가능성도 없어 보인다. 그러나 백두산은 지하 마그마 저장소가 활동 중인 것으로 파악되고 있으며 지진도 지속적으로 일어나고 있기 때문에 예의주시하지 않으면 안 된다. 이러한 화산 활동이나 지진은 인위적 요인에 의해서 방아쇠가 당겨질 가능성도 있다. 거대한 댐을 건설하여 지층에 압력을 가하거나 핵무기 폭발 실험을 하는 것 등이 바로 그것이다. 하나뿐인 지구의 안전을 위해서도 북한뿐이 아니라 모든 나라의 핵실험은 중단되어야 하며, 핵무기처럼 몹쓸 물건은 전량 폐기되어야 마땅하다.