고온 고압 실험으로 심부지진 발생장 환경 재현을 통해 지진 발생 과정을 규명한다.

연구 개요


그림 1: 일본 열도 부근의 판 경계(섭입대) 개념도. 심발지진은 바다 쪽 판 내부에서 발생한다.

우리가 살고 있는 지구 표면을 덮고 있는 수십 개의 판(두께 약 60km)은 그 아래에 있는 고온의 맨틀과 함께 움직이고 있다. 판과 판이 충돌하고 그 판이 지하 깊숙이 가라앉는 과정에서 지진이 발생한다.

지진은 진원 위치의 깊이와 위치에 따라 분류됩니다(그림 1). 지표 부근(지하 10~50km)에서 발생하는 얕은 지진은 판의 경계나 육지 바로 아래에서 자주 발생하기 때문에 쓰나미를 동반한 지진이나 직하형 지진을 유발합니다. 반면, ‘심발지진’은 300km 이상 깊이로 가라앉는 판 내부에서 발생하는 지진으로, 발생 빈도는 높지 않습니다.

그러나 지진이 발생하면 규모 7에 이르는 경우가 많으며, ‘이상진역'(진원으로부터 멀리 떨어져 있음에도 불구하고 강한 흔들림을 관측하는 곳)을 동반하는 등 특이한 성질을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 깊이가 깊어질수록 지진이 발생하기 어려워지는 것이 일반적이지만, 400~600km 깊이에서는 심발지진의 발생 빈도가 예외적으로 높은 것으로 알려져 있다. 따라서 판과 맨틀 상부에서 가장 많이 분포하는 광물인 ‘칸란석’의 결정구조가 압력에 의해 변화하는 것이 계기가 되어 심부지진이 발생한다고 여겨져 왔습니다. 하지만 400~600km 깊이는 13~20만 기압의 고압 환경에 해당하기 때문에 그 가설을 증명하기 위한 실험은 기술적으로 매우 어려웠습니다.

연구의 특징

그 가설을 증명하기 위해서는 실험실에서 미니 심부지진인 ‘어쿠스틱 에미션(AE)’을 실험적으로 재현하는 연구방법이 가장 효과적입니다. 제 연구팀은 대형 방사광가속기 SPring-8에서 심부지진이 많이 발생하는 깊이 390~470km의 판 내부에 해당하는 온도-압력 조건(600~1100℃, 13~16만 기압)에서 강란석의 변형 실험을 수행하여 AE를 검출하는 데 성공했습니다. 이는 실험 중 시료 내에 단층이 형성된 것, 즉 실제 심부지진이 발생하는 온도 조건에서 인위적으로 지진 발생을 실험적으로 달성했다는 것을 증명한 것입니다.

실험 시료의 방사광 X-선 관찰 결과, 칸란석이 압력효과에 의해 결정구조를 변화시킬 때 특정 온도(850℃ 내외)에서 나노입자로 이루어진 취약층을 형성한다는 것을 확인했다. 변형 에너지가 그 취약층에 국부적으로 집중되면서 순간적으로 그 부분이 2400℃의 매우 높은 온도에 도달하여 강란석이 용융되고, 이에 따른 강란석의 강도 저하로 인해 단층이 형성되고 지진이 발생하는 것으로 밝혀졌다(그림 참조).

본 연구의 결과는 강란석 모의 물질을 이용한 선행연구의 예측과 일치하며, 심부지진 발생이 판의 특정 위치(준안정 강란석 쐐기(MOW)라고 불리는 영역의 표면 부근)에 국한되어 있음을 의미합니다. 를 통해 파악할 수 있기 때문에, 해당 영역을 집중적으로 모니터링함으로써 향후 심부지진의 발생 위치, 발생 빈도, 규모 등을 모델링하는 데에 단서를 얻을 수 있을 것으로 기대됩니다.


그림 2: 15.5만 기압, 850℃의 실험환경에서 강란석 시료 내에 형성된 단층. 왼쪽: 시료 전체 사진. 시료를 가로지르는 단층(빨간색 점선)을 볼 수 있다.
중앙: 칸란석과 와즐레라이트(압력에 의해 칸란석에서 결정구조가 변화된 광물) 나노입자로 채워진 취약층으로 미끄러진 단층.
오른쪽 : 취약층 확대도. 칸란석 나노입자 입자들 사이에 철(Fe: 녹색)이 풍부한 부분 용융물이 관찰됨.
그림 3: 일본 열도 아래로 가라앉는 판과 심부지진. 맨틀 깊숙이 가라앉는 태평양 판은 깊이 400~600km에 이르면 그 내부에 준안정적인 강란석 쐐기(MOW)가 형성된다.
본 연구 결과에 따르면, 심부지진의 발생은 MOW의 표면 부근에 국한될 것으로 예상된다.

연구의 매력

심발지진뿐만 아니라 더 얕은 곳에서 발생하는 초심도 지진이 ‘어떤 과정을 거쳐서 일어나는가? ‘무엇이 계기가 되어 일어나는가? ‘라는 수수께끼는 충분히 밝혀지지 않았습니다. 지진을 일으키는 파괴 과정은 초 단위의 짧은 시간 스케일로 진행되기 때문에 이를 실험실에서 “놓치지 않고” 관찰하는 것은 매우 어렵습니다. 게다가 그 파괴 과정은 고온 고압이 발생하는 압력 용기 내에서 진행되기 때문에 “놓치지 않고” 관찰하는 것은 쉽지 않습니다. 이러한 관측 기술은 불가능하다고 여겨졌지만, SPring-8의 초강력 방사광 X선과 전용 고속카메라를 결합한 기술 혁신으로 실현이 진행되고 있습니다. 지진 발생 과정의 세부적인 내용이 밝혀지면 지진 발생을 예측할 수 있는 단서를 찾을 수 있을지도 모릅니다.

이 연구를 지망하는 분들께 드리는 메시지

지진이 발생할 때마다 TV 프로그램이나 잡지 기사 등을 통해 “지진 발생 예측은 불가능하다”는 전문가들의 발언을 보거나 들을 수 있을 것입니다. 하지만 ‘지진 발생장 물질과학’ 전문가인 저로서는 ‘현재의 학문적 수준으로는 지진 발생을 예측할 수 있는지조차 알 수 없는 것이 현실’이라고 생각합니다. 해당 분야는 아직 발전 과정에 있고, 풀어야 할 문제가 산적해 있습니다. 언뜻 보면 풀 수 없을 것 같은 난제들도 관련 연구와 기술 개발이 꾸준히 쌓이면 풀 수 있습니다. 인내심이 필요하지만, 지진 발생장 물질과학은 보람 있는 연구 분야입니다.