지진은 어떻게 일어나는가?

땅의 흔들림, 그것으로 알아낸 것은 무엇인가?

가끔 땅이 흔들린다는 느낌을 받은 적이 있는가? 우리나라에서는 흔하지 않은 현상이지만 가까이 일본만 가도 땅이 흔들리는 현상인 지진을 쉽게 겪을 수 있다.

지진은 어떻게 생기는가? 중학생에게 물어보았다.

"지구의 겉은 판으로 이루어졌고, 판과 판이 충돌을 할 수 있고 충돌을 할 때 지진이 생겨요.

이 말이 과연 맞는 말일까?

지진으로 갈라진 땅과 도로

앞서 지구의 겉이 판으로 이루어졌다는 것을 이야기했다. 판은 맨틀의 위에 떠서 이동을 할 수 있다. 그렇다면 판은 얼마나 빠른 속도를 이동을 하는가? 다음 그림에서 숫자는 이동속도, 화살표는 이동 방향을 나타낸다.

태평양판의 이동

태평양판은 일본 근처에서
일 년에 약 10cm 정도로
일본 쪽으로 움직인다

일 년에 10cm의 속도라면 1초에는 어떤 속도일까 계산을 해 보자. 0.000003mm의 속도가 나온다. 과연 이 정도의 속도로 부딪치는데 땅을 가르는 지진이 생길까? 의문이다.

결국 단순히 충돌한다고 지진이 생기는 것은 아닌 것 같다. 어떤 물질에 이 정도의 속도로 충격을 준다면 그 물질은 부서지지는 않는다. 심지어는 아주 큰 충격에도 지각을 이루는 암석은 잘 부서지지 않는다.

물체를 변형시킬 수 있는 힘을 변형력, 힘에 의하여 변화되는 변형의 정도를 변형, 힘에 대하여 견딜 수 있는 내부의 힘을 응력이라고 한다. 변형력보다 응력이 크다면 물체는 변형을 하지 않는다.

지진은 땅의 순간적인 변형에 의해 생긴다. 변형을 일으키려면 변형력이 작용하여야 하고, 이 변형력은 태평양판이 일본을 미는 1초에 0.000003mm의 속도라면 어림이 없다. 이 정도 속도로 미느 에너지는 당장 소멸되지 않는다면 어딘가에 쌓일 것이다. 태평양판은 일본의 아래로 섭입을 한다. 섭입이 시작되는 곳에서 에너지가 일부 없어지기도 한다. 섭입 하면서 태평양판은 일본의 아래 유라시아판과 넓은 면으로 마찰을 한다. 마찰에 의한 에너지는 마찰면에 계속하여 쌓인다.

간단한 실험을 하여 보았다. 병 속에 물을 가득 채우고 냉동실에 넣어 두었다가 끄집어낸 것이다. 물이 얼면서 힘을 병에 전달했을 것이다. 병의 응력은 얼음의 팽창에 의한 변형력을 견디지 못하고 깨어진 것이다.

냉동실에 넣어둔 병은 얼음의 팽창으로 깨어졌다

판의 경계부에 힘이 많이 모이면 어딘가가 깨어질 것이다. 유리병의 깨어진 곳이 전체가 아니고 일부이듯이 지구 안에서 이런 곳에서 지진이 발생한다.

단순히 충돌을 하기 때문에 지진이 발생한다면 지진은 항상 발생하여야 하는 현상이다. 하지만 변형력을 견딜 수 있는 응력의 한계 이상이 되었을 때에 어딘가가 깨어지거나 뒤틀리는 변형을 하면서 에너지를 내어 놓는 현상이 지진이다. 따라서 지진은 항상 생기는 것이 아니다.

지진이 발생하는 곳 근처에서 지진은 큰 피해를 주지만 지진은 우리에게 지구의 내부를 알 수 있는 정보를 제공한다. 지진과 함께 발생하는 지진파는 지구 표면과 내부를 따라 움직인다. 그 지진파의 움직임을 통하여 지구과학자들은 지구 내부의 구조를 밝혔다.

지구 안이 매우 균질하게 되어 있을 경우에 지구 바깥을 따라 움직인 지진파가 지구 안쪽을 통과하여 움직인 지진파보다 지진관측소에 항상 더 빨리 도착할 것이다. 그런데 지구 안쪽을 통과한 지진파가 지진관측소에 더 빨리 도착하는 경우가 있다. 아래의 그림과 같다. 이것을 통하여 모호로비치치는 지각 아래로 성질이 다른 맨틀이 있고, 그 사이의 불연속면이 있음을 밝혔다.

모호로비치치가 밝힌 모호면(모호로비치치 불연속면)

지진파를 통하여 지구 내부의 구조를 알 수 있다. 지구가 균질하다면 지진파는 직진을 하고, 균질하지 않다면 지진파는 굴절을 할 것이다. 이런 원리를 이용하여 지진의 경로를 추적을 하다 보면 지구 안의 층상 구조를 밝힐 수 있다.

지진파의 지구 내부로의 전파 경로