<그림. P파 토모그래피의 오가사와라를 통과하는 동서단면도
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

오가사와라 먼바다 지진의 불가사의

2015년 5월 30일 20시 23분, 오가사와라제도 서쪽 먼바다, 깊이 약 680km를 진원으로 한 매그니튜드 8.1(기상청)의 지진이 발생하였다. 기상청 관측사상 최초로 47개 전체 도도부현에서 진도 1 이상을 기록하였다. 이 지진은 이즈 오가사와라 해구의 가라앉은 태평양 플레이트에서 발생하였지만, 일본 부근에는 태평양 플레이트, 필리핀해 플레이트가 가라앉아 있으며, 에너지의 감쇠가 적은 이러한 가라앉은 플레이트 내부에 진동이 전달되어 일본 전국에서 큰 흔들림이 나타났다. 그러나 이 지진은 다른 지진에서 볼 수 없는 불가사의한 지진이다.

지구의 표면은 플레이트라는 단단한 암석판으로 덮여 있다. 이러한 플레이트의 경계에서는 한쪽 플레이트가 다른 플레이트 밑으로 가라앉아 있으며, 이 가라앉은 부분의 플레이트를 슬래브라고 한다. 깊이 200km 이하에서 발생하는 심발(深?)지진은 이 슬래브 내부에서 발생한다. 슬래브는 지표에서 차가워졌기 때문에 주변 맨틀에 비해 차갑고, 단단하다.

지진파 토모그래피라는 방법으로 얻어진 오가사와라에서 가라앉은 슬래브의 지진학적 이미지이다. 파란색의 고속이상의 슬래브가 동에서 서로 가라앉고 있으며, 깊이 약 500km에서 거의 수평으로 길게 존재하고 있다. 과거 심발지진은 고속이상 슬래브의 거의 중심 가장 차가운 부분에 따라 발생하고 있다. 그러나 슬래브가 수평으로 구부러지는 것에 대응하여 지진의 분포도 구부러져 있다. 이번 오가사와라 지진은 빨간원으로 표시한 것처럼 과거 진원 라인에서 멀리 떨어져 있으며, 슬래브의 고속이상 진폭은 작지만, 슬래브의 하면, 굴곡점에 거의 위치하고 있다. 이러한 장소에서 발생한 지진은 과거에 관측된 적이 없는 것이다.

지구의 맨틀은 깊이 660km를 경계로 상부 맨틀과 하부 맨틀로 나누어진다. 일반적으로 하부 맨틀에서 지진은 발생하지 않는다고 생각되지만, 오가사와라 먼 바다에서의 지진은 깊이 약 680km라는 하부 맨틀에 해당되는 깊이에서의 지진이었다. 그러나 과거에 660km를 넘는 깊이에서 지진이 전혀 발생하지 않은 것은 아니다. 그림 2는 1980년데 이후 660km보다 깊은 지역에서 발생한 매그니튜드 5.5 이상의 전체 지진 25개를 나타낸 것이다. 바누아트부근의 2회와 이번 오가사와라 먼 바다 지진을 제외하고 모두 피지, 통가에서 발생하였다. 바누아트 부근의 지진이 662km보다 얕은 곳에서 발생한 반면에 피지, 통가 지진은 깊은 것은 699km에 이른다. 그래도 700km를 넘는 기이에서는 지진이 발생하지 않는다.

그것은 무슨 이유일까. 통가해구에서 가라앉은 슬래브의 토모그래피를 나타내었다. 통가의 슬래브도 수평으로 누워 있지만, 그것은 깊이 약 1,000km 위에 있으며, 깊이 660km의 상부-하부 맨틀 경계를 관통하고 있다. 상부-하부 맨틀 경계는 맨틀의 주요 광물인 감람석의 고압상, 스피넬 상에서 고압상인 페로브스카이트상과 산화물로 상전이하는 경계이다. 고압실험에 의해 스피넬 상에서 페로브스카이트 상의 상전이에 의해 점성이 작아진다. 즉, 부드럽게 되어 그것이 하부 맨틀에서 지진이 발생하지 않는 이유라고 생각된다. 이 상전이는 온도가 낮을수록 고압력을 필요로 하는 것이 고압실험 등으로 알려져 있으며, 차가운 슬래브 중의 상전이는 주위의 맨틀에 비해 깊이 660km를 넘는 깊이에서 발생하여 상전이면은 슬래브 내에서 하강한다.

통가의 슬래브 내에서는 이 상전이면이 700km부근까지 하강하며, 660km보다 깊은 지진은 이 상전이전인 스피넬 상에서 발생하며, 하부 맨틀의 페로브스카이트 상에서는 발생하지 않는다고 생각된다. 그러나 이번 오가사와라 먼바다 지진은 500km 부근에서 가로로 존재하는 이즈 오가사와라 슬래브에서 발생하였다. 그림 1을 보면, 옆으로 누워있는 슬래브의 하면은 깊이 660km를 겨우 넘고 있는 것처럼 보인다. 과거 연구에서 오가사와라 지진의 진앙 부근에서 상전이면이 660km보다 깊다는 것이 지적되었으며, 옆으로 누워있는 슬래브의 하면은 상전이면을 돌파하고 있을 가능성이 있지만, 이번 지진이 상전이면 위에서 발생했는지, 또는 아래에서 발생했는지가 큰 관심사이다.

그림 1에 오가사와라 지진의 진원 메커니즘을 나타내었다. 이 비치볼 형태의 진원 메커니즘으로부터 두 가지를 알 수 있다. 첫째는 진원에 작용하는 힘으로 비치볼의 검은 장소에 밖으로 잡아당기는 인장력, 하얀 장소에 안으로 축소되는 압축력이 작용한다는 것을 알았다. 둘째는 단층면으로 흑백 모양의 경계선이 단층면이라는 것을 알았다. 단 적, 청 두 가지 면 중, 어느 쪽이 실제로 미끄러진 단층인지 구별되지 않고, 특정하기 위해서는 상세한 해석이 필요하다.

그림 3에는 가라앉아 들어가는 슬래브에 작용하는 힘을 모식적으로 나타내었다. 차가운 슬래브는 무겁기 때문에 무게에 의해 하방으로 힘이 작용한다. 깊이 660km의 상전이면에서 스피넬 상이 보다 밀도가 큰 페로브스카이트 상으로 변하기 때문에 슬래브 내의 상전이면 바로 위의 스피넬 상에서는 주위의 페로브스카이트 상보다 가벼워져 부력이 작용한다. 따라서 슬래브 깊이에서는 가라앉은 방향으로의 압축력(down-dip compression)이 작용하여 그림 3처럼 슬래브가 가라앉는 방향으로 진원 메커니즘의 압축력을 나타내는 흰색 부분이 향하는 down-dip compression형의 지진이 발생한다.

이번 오가사와라 먼바다 지진은 그림 1과 같이 거의 동서방향으로 신장력 또는 거의 연직방향으로 압축력이 작용하는 메커니즘으로 down-dip compression형과 질이 다르다. 이 “동서방향으로 신장력”은 아웃터 라이즈(outer rise) 지진과 거의 비슷하다. 아웃터 라이즈 지진은 해구의 해측 플레이트가 하방으로 굽어져 상승한 지형에서 발생하는 지진이다.

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