지진의 진앙과 진원(지진파: 실체파와 표면파)

-진원과 진앙

지진의 원인인 지진에너지가 방출되는 지점을 진원이라고 한다. 그러나 실제 대부분의 지진은 단층면상에서 일어나는 상대운동에 기인하기 때문에 한 점 이라기보다는 어떠한 지역을 가리키는 것이라고 봐야 하며 그 범위가 수 km 에 달하는 경우도 있다.

진원은 지표로부터 일정한 깊이에 위치한다. 따라서 지진발생장소를 진원의 수직상부에 놓이는 지표면의 위치인 진앙으로 인식하는 것이 보다 편리하다(그림16.4). 진앙과 심도는 진원의 위치를 표시하는 좋은 방법이다.

그림 16.4 지진의 위치. 진원은 단층면상에서 최초의 운동과 에너지 방출이 일어나는 지점이다.

-지진파

지진이 발생하면 저장된 탄성에너지가 진원으로부터 방출되어 지구의 다른 부분으로 퍼져나간다. 이 때 다른 진동체와 마찬가지로 파동(진동)이 진원으로부터 밖으로 퍼져나가는데 이를 지진파 또는 탄성파라고 하며 마치 총을 쏘았을 때 소리가 모든 방향으로 퍼져나가듯이 탄성파도 모든 방향으로 퍼져나간다. 지진파는 일종의 탄성변형이기 때문에 이 변형이 탄성한계를 초과하지 않으면 지진파의 매질인 암석은 파가 통과하고 난 후에는 원래의 모습으로 되돌아간다. 그러므로 지진파는 암석이 진동하는 동안에 기록이 되어야 한다. 따라서 전 세계적으로 많은 관측소에서 연속적인 지진기록을 수행하고 있다.

지진파에는 여러 가지 종류가 있으나 이들을 크게 두 종류로 분류할 수 있다. 하나는 실체파로서 여기에는 매질에 나타나는 변형의 형태에 따라서 두 가지 종류가 있으며 이들은 지구 내부 전 지역을 통과할 수 있는 능력을 가지고 있다. 이에 반하여 표면파는 지구내부의 특정한 면을 따라 지표와 나란한 방향으로만 전파가 이루어진다. 실체파는 파원으로부터 전 방향으로 퍼져나가는 점에서 광파나 음파와 유사하다. 반면에 표면파는 해파와 유사하며 대기권이나 바다와 접하고 있는 지표면과 같이 특정한 면의 주변을 따라서 파의 진행이 일어난다.

 

-실체파

암석의 탄성변형은 부피변화와 모양변화의 두 가지 유형이 있다. 실체파의 하나인 종파는 암석의 부피변화를 수반하며 파의 진행방향으로 압축과 팽창을 교대로 일으킨다(그림16.5). 음파도 압축파의 하나이다. 소리가 공기 속을 통과할 때도 역시 공기의 압축과 팽창이 교대로 일어나며 이 압축과 팽창은 결과적으로 매질의 부피와 밀도의 변화를 일으킨다. 고체, 기체 그리고 액체는 모두 원래의 부피 또는 밀도상태로 되돌아가려는 성질이 있으므로 밀도변화를 수반하는 종파는 고체, 액체 그리고 기체 속을 모두 통과할 수 있다. 매질 속에 압축파가 지나가면 압축력에 의해서 원자들 간의 간격이 좁혀지게 된다. 반면에 압축력에 대한 탄성반발로 팽창이 일어나게 되면 원자 간의 간격은 증가한다. 매질에 압축파가 통과할 때 매질은 파의 진행방향과 평행하게 앞뒤로 진동하는 운동을 한다. 종파는 지각의 상부에서 전달속도가 약 6km/초 로 지진파들 가운데 가장 속도가 빠르며 지진파 가운데 지진계에 가장 먼저 기록이 된다. 따라서 종파를 P파라고도 부른다.

실체파의 두 번째 종류로 횡파가 있다. 전 단파는 매질의 형태를 변화시킨다. 기체나 유체는 형태의 변화가 일어나도 원래의 모습으로 되돌아가는 능력이 없으므로 형태변화를 수반하는 횡파는 오직 고체내부만 통과하고 기체나 유체 속은 통과하지 못한다. 횡파는 일련의 횡적 진동들로 구성되며 매질의 입자운동은 파의 진행방향과 수직이다(그림16.5B).

 

 

그림 16.5 P파와 S파형의 실제파 A. P파가 매질을 통과할 때 매질 내부에서는 압축과 팽창이 교대로 일어난다. 매질 내부의 개개의 입자는 파의 진행방향과 평행하게 앞뒤로 진동한다. 파가 진행함에 따라 그림의 한 지점의 사각형은 정사각형-가로방향 직사각형-정사각형-세로방향 직사각형의 모양변화가 반복적으로 일어난다. B. S파는 전단변형을 일으킨다. 이 때 개개의 입자는 파의 진행방행과 수직으로 상하운동을 반복하며 매질 내부에서는 정사각형-평행사변형-정사각형으로의 모양변화가 반복적으로 일어난다.

상부 지각에서 전형적인 횡파의 전달속도는 약 3.5km/초 이다. 이처럼 횡파는 P파에 비해 속도가 느리고 P파보다 약간 후에 기록되므로 이를 S파라고도 한다.

실체파는 광파나 음파처럼 매질을 투과하거나 반사 또는 굴절현상을 보여준다. 반사는 빛이 거울이나 유리잔 속의 물의 표면에서 되돌아 나오는 것으로부터 우리가 잘 알고 있는 현상이다 지진의 실체파도 지구 내부의 많은 층으로부터 반사되어진다. 이에 반하여 굴절은 약간 생소한 현상이라고 할 수 있다 .이 현상은 매질의 파동 전달속도가 변할 때 일어나는 현상으로 이 결과 파의 진행방향이 위어지게 된다. 이러한 속도변화와 굴절현상은 점진적으로 일어나기도 하고 때로는 급격히 일어나기도 한다. 그림 16.6은 광선이 수면에 도달했을 때 급격한 방향변화가 일어나는 것을 나타낸 것이다. 빛의 속도는 공기보다 물속에서보다 느리기 때문에 빛의 방향이 급격히 바뀌어 마치 빨대가 위어 있는 것처럼 보인다. 이러한 현상을 굴절이라고 한다.

실체파의 전달속도는 그들이 통과하는 매질 밀도의 함수이다. 만약 지구 내부의 성분이 균질하고 밀도가 지구 내부로 들어갈수록 압력의 증가로 인해서 꾸준히 증가한다면 탄성파의 경로는 그림 16.7A에 나타낸 바와 같이 위어지게 될 것이다. 연구결과에 의하면 실제 지진파의 경로는 점진적인 굴절현상에 의해서 곡선 형태로 휘어짐이 밝혀졌으며, 또한 맨틀과 핵의 경계와 같은 급격한 밀도 변화가 일어나는 몇 개의 면에서는 급격한 반사와 굴절이 일어나는 것으로 밝혀졌다(그림16.7B).

그림 16.6 반사와 굴절 레이저 광선에 의한 반사와 굴절을 보여주는 그림. 레이저 광선이 공기와 물의 경계에서 반사와 굴절을 일으키고 있다.

 

그림 16.7실체파의 경로, 실체파의 굴절과 반사. A. 깊이에 따라 압력이 증가하고 이로 인하여 밀도가 증가하는 조성이 균질한 행성 내부를 통과하는 지진파의 경로. 밀도가 변하면 굴절현상에 의해서 파의 경로가 굽어지게 된다. B. 층 구조가 가진 지구 내부에서 나타나는 지진파의 여러 가지 경로. X와 Y의 위치에 설치된 지진계에는 P파의 반사파(적색)와 굴절파(청색)은 물론 직접파가 모두 기록된다. 지표면에서 반사된 P파와 PP파, 핵과 맨틀의 경계면에서 반사되어 나온 파를 PcP파, 그리고 액상의 외핵에서 굴절이 일어난 파를 PKP파라고 부른다.

-표면파

진동형태로 보면, 표면파는 실체파인 P파나 S파와 유사하게 나타난다. 하나는 S파와 마찬가지로 상하운동 또는 구르는 운동의 양상을 보여주며 다른 하나는 P파와 같이 전후 방향의 진동을 보여준다. 그러나 표면파는 P파나 S파보다 전달속도가 느리고 지구내부를 관통하는 대신 지표주변을 감싸고돌면서 진행한다. 따라서 표면파는 지진기록의 후반부에 나타나게 된다(그림16.8).

표면파와 실체파 사이의 중요한 차이점의 하나는 속도분산현상이다. 실체파는 파장에 관계없이 지구내부를 동일한 속도로 진행하지만 표면파는 그렇지 않다. 표면파는 파장이 길면 길수록 지구를 더 깊이 관통한다. 한편, 지구의 내부는 성분조성이 다른 여러 개의 층을 이루어진 층 구조를 가지고 있으며 심부로 갈수록 밀도가 점점 높아지므로 파장이 긴 표면파는 보다 깊고(밀도도 더 큰), 속도가 보다 더 빠른 지대를 통과하는 반면 파장이 짧은 표면파는 그렇지 못하다. 이처럼 표면파는 파장에 따라 전달속도가 다르게 나타나는데 이러한 특성을 속도분산이라고 한다. 표면파는 파장에 따라 수백 km 깊이까지 투과하기 때문에 지표로부터 수백 km 이내의 지구내부특성을 연구하는데 매우 중요한 수단으로 이용되어지고 있다. 속도분산의 중요성에 대해서는 이 장의 후반부에서 맨틀의 특성에 대해서 논의할 때 다시 언급하기로 한다.

그림 16.8 실체파의 주행시간: P, S파와 표면파의 주생시간 차이. A. 전형적인 지진기록의 모습. P파와 S파는 진원에서 동시에 출발한 것이다. 속도가 빠른 P파가 가장 먼저 도달하고 속도가 느린 S파가 약간 뒤에 도달한다. 이러한 도달시간의 차이는 지진파의 주행거리에 비례한다. 표면파는 P파나 S파보다도 속도가 느리다. B. 진앙을 결정하는데 사용되어지는 지구 내부에서 P파와 S파의 평균속도. 예를 들면, 어느 관측소에서 S파와 P파의 도달시간 차이가 13.7분 - 7.4분 = 6.3분으로 측정되었다면, 진앙이 관측소로부터 4000km 떨어져 있음을 알 수 있다.

 

----  잘 보셨으면  "좋아요" 부탁해요?  010-3816-1998. 감사함다. -----