지진을 왜 발생할까요? 보통은 땅의 움직임에 의해서 발생하는 진동파가 지진이니까 실제로는 어디서나 언제나 일어날 수 있는 현상이죠. 우리나라도 포항지진이 큰 피해를 줘서 사람들이 이제는 지진에 대해서 관심을 가지기도 하고 우리가 지진에 있어서 그렇게 안전한 나라가 아니라는 것도 알게됐죠.
그런데, 솔직히 인간의 흔적이 없는 곳에서 발생하는 지진은 그냥 일반적인 자연현상일 뿐이죠. 사람의 문명이 있는 장소에서 발생하는 지진은 재앙이죠. 건축물이나 토목공사를 해 놓은 지형지물이 지진에 의해서 엄청난 피해를 보기도 하고 많은 사람의 인명피해도 발생하기도 하죠. 지진은 보통 화산이나 지구 중심의 맨틀(?)의 움직임에 의해서 발생하는 현상이지만, 주로 단층의 활동에 의해서 발생하는 것이 일반적입니다.
대학 다닐때 전공을 해서 단층이니 지진이니 이런 용어들에 대해서 익숙하기는 하거든요. 하지만, 단층이라는 건 정확한 의미를 책을 읽어서 아는 거지 그게 뭔지를 답사를 통해서 직접 보거나 확인하지 않았기 때문에 정확하게 머리속에 그려지는 것은 없어서 갑자기 궁금해졌어요. 한번 알아보죠.
뭐든지 우선 용어의 정의를 확인해야 합니다. “단층”이 뭘까요? 흔히 아는 한자의 의미를 생각해보면 땅의 단면이 보이는 층 정도로 추정할 수 있는데요. 한자로는 단층(斷層) 이라고 씁니다. 끊을 “단”자와 층 “층”을 조합해서 썼네요. 그렇다면 결국 그냥 추정한 의미와 비슷한 뜻이네요. 끊긴 땅의 층의 단면이 보여서 층이 보이는 장소 이 정도로 해석할 수 있을 듯 합니다. 영어로는 Fault 라고 합니다. Fault 의 일반적인 의미를 봤을 때 의미가 연결되는 것 같기는 합니다.
용어 해석을 하고나면 좀 어려워지는데요. 가능한 쉽게 이야기해볼게요.
단층이라는 것은 우리 주변에서는 잘 보기 어려워요. 우리나라에서는 활성단층 (현재도 Live하게 움직일 수 있다고 추정하는) 이 거의 없거든요. 양산 단층이니 추가령 구조곡 같은 일부 지역에서만 관찰되는 지형입니다. 그래서 보기 힘드니 감이 오지 않는 겁니다. 그냥 절벽이라고 생각하시면 되는데 지층이 비틀려서 그 층이 보이는 곳을 의미하니까 단순한 절벽과는 약간은 다른 지형입니다.
조금 더 자세히
우리가 사는 지구라는 행성은 땅이 있고 바다가 있죠. 그런데 이 땅은 대륙판과 해양판이 끊임없이 서로 당기고, 충돌하고, 긁히기 때문에 매우 활동적입니다. 우리가 학교 다닐 때 많이 배웠던 판구조론, 뭐 그런 이론으로 들어본 것들이죠. 실제로 많은 지역에서 발생하는 지진, 화산 등등.. 단시간에 보여지는 증거들도 많이 발생하고 있어서 어느 정도 감이 잡히실 것 같은데요.
그런데 지진의 주 원인이 단층이랍니다. 이 단층은 그 종류가 역단층, 충격-슬립 단층, 경사 단층, 정상 단층 등 다양한 종류가 있습니다. 본질적으로 단층이라는 지형은 커다란 땅의 지형판들의 충돌 융기 침몰 등 이런 것에 의해서 발견되기도 하구요, 아주 지협적인 지형에서 땅의 비틀림과 관련이 있기도 합니다.
우선, 큰 힘의 충돌로 이해되는 단층은 땅의 판들의 움직임은 지구가 항상 표면 아래에서 작용하는 강력한 힘이 있어서 이러한 힘의 균형을 맞추기 위해서 끊임없이 움직이고 있음을 보여주는 증거입니다. 단층은 다양한 규모로 나타나게 됩니다. 그 균열부분이 불과 몇 미터에 불과할 수도 있지만, 일부는 우주에서 멀리 떨여저서 봐야 알아 볼 수 있을 만큼 엄청나게 큽니다. 그리고 그 단층의 크기는 지진의 발생 규모를 제한할 수도 있습니다. 그러니까 너무 큰 덩어리의 땅이어서 그 움직임이 최대치가 제한돼서 지진의 규모도 그 크기가 제한된다는 거죠. 예를 들어 산안드레아스 단층은 그 크기(길이 약 800마일, 깊이 10~12마일)로 인해 규모 8.3 이상의 지진의 발생은 사실상 불가능하다고 합니다.
산 안드레아스 단층, San Andreas Fault
“나무위키” 에서 인용
샌 앤드리어스, 혹은 산 안드레아스 단층이라고 한다. 태평양판과 북아메리카판의 경계에 위치한 단층이며, 미국 캘리포니아 주에 있는 대표적인 Strike-Slip단층 (판이 융기하거나 가라앉지 않는 단층) 이다.
단층의 종류
지층이 움직이는 것은 판구조론의 주장에 근거하고 현대에는 정설로 통하고 있어요. 땅은 아무래도 부드럽잖아요? 그러나 지층은 암석이 주요 구성요소들입니다. 이 암석층은 구부러지지 않고 판구조론에 의한 지층의 힘의 운동 방향에 따라서 부러지게 돼 있습니다. 이런 부러지는 현상을 단층이라고 정의한 겁니다.
Fault 라고 하는 이유도 이렇게 부러지는 지형 현상이라는 의미가 있어요. 자연스러운 굴곡이 아닌 지층이 부러진 현상이니까 당연히 절벽 같은 것이 출현하겠죠. 그렇게 절단되거나 끊어진, 그런데 사면을 이루고 미끄러져 흐러내려간 그런 지형을 의미하는 겁니다.
이러한 단층은 위의 그림처럼 (1) Dip (2) Strike, (3) Hanging Wall Block, (4) Foot Wall Block 으로 구성됩니다. Dip (단층면)은 지반이 미끄러지는 면입니다. 어떤 힘에 의해서 (주로 위로 당기는 힘이나 위로 올려보내는 힘) 수직으로 이루어지거나 비스듬하게 경사진 평평한 표면입니다. 이러한 단층면들이 지구 표면에 만드는 선모양의 흔적이 Strike (단층 흔적) 입니다. 정단층이나 역단층이나 모두 단층면이 비스듬하게 발생하게되면 경사면의 위쪽을 Hanging Wall Block 이라고 하고 아래쪽을 Fool Wall Block 이라고, 합니다. 단층면이 수직이면 Hanging이나 Foot 등으로 부르지 않아요. 모든 단층의 평면은 Dip과 Strike로 설명할 수 있어요. Strike는 지구 표면의 단층의 모습을 보여주는 선입니다. Dip은 단층면의 경사가 얼마나 가파른지를 나타낼 수 있어요. 예를 들어, 단층면에 구슬을 떨어뜨리면 구슬은 정확히 물이 흘러 내려가는 방향으로 굴러가게 됩니다.
정 단층
그렇다면 정단층을 한번 확인해 볼까요? 일반적으로 지층 판이 갈라지면서 중앙의 지층 판이 하방으로 이동하게되면 두개의 정상적인 단층이 발생합니다.
정단층은 Hanging Wall Block이 Foot Wall Block에 비해 아래로 떨어질 때 형성됩니다. 판을 분리시키는 인장력과 중력은 정상적인 단층을 생성하는 힘입니다. 이러한 모습은 다양한 단층의 현상 중에 하나입니다. 가장 일반적인 유형이기 때문이 아니라 단층면의 중력을 따라서 아래쪽으로 내려가는 자연스러운 현상이기때문에 이를 정단층이라고 부릅니다. 이러한 현상은 결국은 두개의 판이 양쪽으로 멀어지는 힘에 의해서 발생하게 됩니다.
우리가 볼 수 있는 대형 지형으로는 캘리포니아의 시에라 네바다(Sierra Nevada)와 동아프리카 단층(East African Rift)은 정단층의 두 가지 예입니다. 즉, 이 지형의 양쪽 판(땅 덩어리)은 서로 멀어지려고 한다는 겁니다. 캘리포니아가 바닷속으로 가라앉는다 어쩌구 하는 이야기들은 이러한 이론에 근거하게 돼죠. 즉, 시에라 네바다 사막(고원) 부분이 가라앉고 있다는 겁니다. 북아메리카판과 캘리포니아 반도판이 서로 멀어지려고 하기 때문에 결국은 태평양판은 점점 가라앉게 된다는 거죠. 하지만 엄청난 시간이 걸리겠죠.
역 단층
역단층에서는 Hanging Wall Block 이 압축력으로 인해 Foot Wall Block의 위로 미끄러져 올라갑니다. Hanging Wall Block 이 위로 올라가면 역단층이 형성됩니다. 역단층을 생성하는 힘은 압축되어 측면을 함께 밀어냅니다. 이는 판구조론의 판들의 수렴하는 경계 선에서 일반적으로 발생하게 됩니다. 정단층과 역단층을 모두 합쳐서 딥슬립 단층이라고 합니다. 그 이유는 그 움직임이 딥 방향(각각 아래 또는 위로)을 따라 발생하기 때문입니다.
역단층이 발생하는 판구조의 수렴대에서는 히말라야 산맥과 로키 산맥을 포함하여 세계에서 가장 높은 산맥이 발생했습니다. 즉, 이러한 높은 산맥들은 역단층의 결과로 형성된 Hanging Wall Block이라는 거죠. 물론, 그 자체로는 산맥이지만 이러한 산맥의 경계선상에는 어마어마한 단층면이 있기도 하고 이러한 단층대가 매우 불안정한 지형, 즉 지진대를 형성하고 있습니다. 두개의 거대한 판이 만나서 서로 밀어부치는 힘이 있는 곳이라서 한쪽 판이 밀려 올라간다는 건데요. 현재도 히말라야 산맥을 점점 높아지고 있다고 하네요. 지구의 판의 힘은 엄청난 거니까 점점 같은 방향으로 힘을 받게되니까 히말라야 고봉들은 점점 높아질 겁니다.
그러니까 활성단층이라는 부분은 인류의 문명 지대에는 아주 재앙같은 존재인거죠. 언제 움직일지 모르니까 인류가 만들어놓은 구조물들은 지형의 움직임에 고스란이 당할 수 밖에 없습니다.
스트라이크-슬립 단층
스트라이크-슬립 단층은 판들이 서로 긁히는 현상입니다. 스트라이크-슬립 단층에는 위, 아래가 아닌 옆으로 움직이는 힘에 의해서 발생합니다. 즉, 미끄러짐은 위아래쪽 방향이 아니라 Strike의 선을 따라 발생하게 됩니다. 이러한 단층에서 단층면은 일반적으로 수직으로 발생하므로 Hanging Wall Block이나 Fool Wall Block이 없습니다. 이러한 단층을 생성하는 힘은 측면, 수평으로 작용하고 옆으로 서로 지나게 합니다.
스트라이크-슬립 단층은 오른쪽 측면 또는 왼쪽 측면으로 발생하게 되는데요. 이는 단층 흔적 근처에 서서 그것을 가로질러 보는 사람이 먼 쪽이 각각 오른쪽이나 왼쪽으로 움직이는 것을 볼 수 있다는 것을 의미하는데요. 그림은 왼쪽 측면으로 발생한 것을 그린 것입니다.
스트라이크 슬립 단층은 전 세계적으로 관찰되는데요, 가장 유명한 단층은 산 안드레아스 단층입니다. 캘리포니아 남서부 지역은 알래스카를 향해 북서쪽으로 이동하고 있다고 합니다. 사람들의 극적인 믿음과는 달리, 캘리포니아는 갑자기 “바다에 빠지지” 않을 겁니다. 왜냐하면 지금으로부터 1,500만년 후에 로스앤젤레스가 샌프란시스코 바로 옆에 위치할 때까지 매년 약 2인치씩 계속 옆으로 움직이고 있으니까요.
경사를 이루는 많은 단층에는 딥-슬립과 스트라이크-슬립의 구성요소가 모두 포함되어 있지만 전체적인 움직임은 일반적으로 둘 중 하나에 의해서 주로 나타나게 됩니다. 상당한 양의 두 가지 현상을 모두 보여주는 단층을 경사 단층이라고 합니다. 예를 들어 수직 오프셋이 300미터이고 왼쪽 측면 오프셋이 5미터인 단층은 일반적으로 경사 단층으로 간주되지 않습니다. 반면에 둘 다 300미터에 단층이 있으면 그건 경사 단층이라고 구분합니다.
단층의 유형을 아는 것이 중요합니다. 이는 특정 지역에 작용하는 지층의 힘을 반영합니다. 많은 단층이 딥슬립(dip-slip)과 스트라이크-슬립(strike-slip)을 혼합해서 보여주기 때문에 지질학자들은 보다 정교한 측정을 사용하여 단층의 세부 사항을 분석하게 됩니다. 왜냐하면 움직이는 땅을 우리는 너무 싫어하거든요. 그런 곳에 위험한 시설물을 지어놓으면 재앙이 발생할 수도 있는 거죠.
단층에서 발생하는 지진의 원인을 규명하는 것은 단층을 분석하는 게 가장 중요한 힌트 입니다. 우리는 정말 많은 문명의 구조물을 가지고 있습니다. 땅이 움직인다면 이 구조물들은 정말 맥없이 무너지고 말겁니다. 우리 선조들도 그런 사실을 잘 알고 있어서 경험적으로 움직이는 땅들을 피해서 문명을 이루고 있었던 겁니다.
4대 문명은 모두 평야에 기름진 땅에서 발생했죠. 아무래도 단층이 발생하는 지점에서는 역사적으로는 지진이 많이 발생했을 겁니다. 인류가 문명을 쌓아가기도 전에 자연의 재앙으로 모든 것을 잃게 되는 현상이 예나 지금이나 발생했을 것이고, 그러므로 인류의 문명이 지속적으로 뿌리내리지 못했을 겁니다.
자연과 같이 하는 인류의 문명은 정말 평화로운 겁니다.