인공지진

1. 개요

인공지진은 인간 활동에 의해 발생하는 지진으로, 석유 및 가스 추출, 지열 발전, 핵실험, 댐 건설, 광산 채굴, 폐수 주입, 지하수 유출, 탄화수소 누출 등이 주요 원인이다. 이러한 활동들은 지구에 유체를 주입하거나 빼내거나, 지하에 충격을 가하여 지진을 유발할 수 있다. 인공지진은 자연 지진과 유사한 지진 재해를 발생시키며, 지진 위험 분석을 통해 위험성을 평가하고, 교통 신호 시스템과 같은 위험 완화 조치를 통해 피해를 줄이려는 노력이 이루어지고 있다.

2. 원인

인공지진은 다양한 인간 활동에 의해 발생할 수 있다. 2000년대 이후 석유 산업에서의 석유 및 천연가스 추출, 지열 발전 개발 등 지구에서 유체를 주입하거나 빼내는 기술이 발전하면서 유도지진이 발생하는 것으로 추정된다. 이 외에도 지하에서의 폭발이나 핵실험 등과 같이 땅 밑에 직접적인 충격을 주는 행위도 인공지진에 포함된다.

미국 지질조사국은 2015년 발표에서 1952년 엘리노 지진과 같이 오클라호마주에서 집중적으로 발생한 지진 현상이 석유 산업 기업의 폐수 심층 주입으로 인해 발생한 인공지진이라고 발표했다. 특히, 2010년 이후 미국 중부 및 동부 지역에서 급증한 지진 발생의 대부분은 땅 심층 지역의 폐수 주입과 깊은 상관관계가 있다고 강조했다.

이산화탄소 포집 및 저장을 위해 이산화탄소를 땅 밑으로 주입하는 과정에서도 인공지진이 발생할 수 있다. 미국 오클라호마주와 캐나다 서스캐처원주에서 시험적으로 이산화탄소를 주입했을 때 지진이 보고되었다. 안전 수칙 및 기술 발전을 통해 이산화탄소 주입으로 인한 지진 가능성을 줄일 수 있지만, 대규모 저장 시 지진 위험성은 여전히 존재한다. 인공지진으로 인해 지구 지각의 단층을 자극하여 저장 공간 자체가 파괴되는 사고가 발생할 가능성도 있다.

인공지진은 그 원인에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

* 인공 호수: 댐 건설로 만들어진 대규모 인공 호수의 물 무게는 지각에 응력 변화를 일으켜 지진을 유발할 수 있다.
* 광산 채굴: 광산 채굴 과정에서 발생하는 발파 작업, 갱도 붕괴 등은 주변 암반에 응력을 변화시켜 지진을 유발할 수 있다.
* 폐수 주입: 석유 시추나 천연가스 채취 과정에서 발생하는 폐수를 처리하기 위해 땅속에 주입하면 지층의 공극 수압이 증가하여 지진이 발생할 수 있다.
* 탄화수소 누출 및 저장: 대규모 화석 연료 누출 및 지하 가스 저장 작업은 지진을 유발할 수 있다.
* 지하수 유출: 대규모 지하수 유출로 지각 응력이 급격하게 변화하면서 지진이 유발될 수 있다.
* 지열 발전: 발전된 지열 발전 시스템은 수압파쇄법을 이용하여 유체에 압력을 가해 암반의 유체 투과성을 늘려 지진을 일으킬 수 있다.
* 수압파쇄법: 셰일 오일 등 저투과성 암석에 고압의 유체를 주입하여 암석에 균열을 일으키는 과정에서 지진이 발생할 수 있다.
* 핵실험: 핵폭발은 지진 활동을 유발할 수 있다.

2.1. 인공 호수

대규모 댐 건설로 만들어진 인공 호수는 막대한 물의 무게로 인해 지각에 응력 변화를 일으켜 지진을 유발할 수 있다. 댐의 높이가 100m가 넘을 경우 이러한 현상이 나타나는 것으로 알려져 있으며, 호수에 저장된 물의 무게가 암반에 직접적인 하중을 가하거나, 공극 수압을 증가시켜 유효응력을 감소시키는 방식으로 영향을 미친다.

댐으로 인해 인공지진이 일어난 최초의 사례는 1932년 알제리의 오우에드포다 댐에서 발생한 지진이다. 1967년 인도 마하라슈트라주 코이나나가르에서 발생한 규모 M6.7의 코이나나가르 지진은 코이나 댐 근처나 바로 아래에서 전진과 여진이 모두 일어났으며, 180명이 사망하고 1,500명 이상이 부상을 입었다. 이 지진의 진동은 230km 떨어진 봄베이에서도 느껴졌고, 정전 피해도 발생했다.

이탈리아의 바이온트 댐은 건설 직후 물이 차면서 지진 활동이 발생했다. 1963년 댐 호수가 거의 채워졌을 때 발생한 산사태는 바이온트댐 참사라는 대규모 홍수를 일으켜 2,000명 이상의 주민이 사망했다. 이후 댐의 호수가 사라지자 지질 활동도 일어나지 않았다. 1975년 미국 캘리포니아주 오로빌에서는 오로빌댐 완공 후 오로빌 호수에 물이 채워지면서 규모 M6.1의 지진이 발생했는데, 이 역시 댐으로 인한 유발지진으로 추정된다.

2008년 쓰촨 지진은 약 68,000명의 사망자를 낸 지진으로, 쯔핑푸 댐의 건설 및 담수와 관련이 있을 수 있다는 주장이 사이언스지에 제기되기도 했다. 일부 전문가들은 중국의 싼샤 댐이 지진 빈도와 강도를 증가시킬 수 있다고 우려한다.

2.2. 광산 채굴

광산 채굴 과정에서 발생하는 발파 작업, 갱도 붕괴 등은 주변 암반에 응력을 변화시켜 지진을 유발할 수 있다. 이러한 지진은 광산 작업에 피해를 주고 광부들에게 위험을 초래하기도 한다.

광산 채굴로 인해 발생하는 지진에는 다음과 같은 유형이 있다.

* 채굴로 인해 발생하는 인공적인 전단슬립은 구조적 지진과 유사하다. 1980년 베우하투프 지진과 2014년 오크니 지진이 대표적인 예시이다.
* 광산 붕괴 사고로는 2007년 크랜델 캐니언 광산 붕괴 사고와 솔베이 광산 붕괴 사고가 대표적이다.
* 시추 및 발파와 같은 일상적인 광산 채굴 중 의도치 않은 폭발로 인해 지진이 발생할 수 있다. 사고 광산 폭발 사고가 이에 해당한다.
* 시추 지점 표면에서 파괴 현상이 발생할 수 있지만, 규모가 작아 광산 내 지진계에서만 감지되는 경우가 많다.
* 빙햄 캐니언 광산과 같이 광산 자체가 붕괴되는 산사태는 규모가 커 지진으로 감지될 수 있다.

2.3. 폐수 주입

석유 시추나 천연가스 채취 과정에서 발생하는 유출수를 처리하는 일반적인 방법은 폐수 주입정을 이용하는 것이다. 이 방법은 유도지진을 일으킬 수 있다. 유출된 고농도 소금물은 보통 염수 주입정(SWD)에 주입되는데, 이 과정에서 물이 땅 속으로 들어가면서 지층의 공극 수압이 증가하고, 이로 인해 단층이 움직여 지진이 발생할 수 있다.

땅속에 물을 주입하여 지진이 발생한 최초의 사례는 미국 콜로라도주 덴버의 로키산 무기고이다. 1961년, 이 곳에 폐수를 깊숙이 주입한 후 덴버 지역에서 일련의 지진이 발생했다. 1962년 4월부터 지진이 발생하기 시작하여 무기고 반경 8km 내에 집중되었으며, 규모 0.7에서 4.3에 이르는 지진이 수년간 지속되었다. 연구 결과, 지진 발생 빈도와 폐수 주입 사이에 상관관계가 있는 것으로 밝혀졌다.

2011년, 미국 오클라호마주 프레이그 근처에서 모멘트 규모 M_w5.7의 지진이 발생했다. 이는 20년 동안 여러 주입정에 폐수를 지층 깊숙이 주입하여 지층이 받는 압력과 응력이 변화하면서 발생한 지진이다. 2016년 9월 3일, 오클라호마주 파우니에서 규모 M_w5.8의 지진이 발생했으며, 3시간 반 동안 규모 2.6-3.6 사이의 여진이 9차례 발생했다. 이 지진의 진동은 테네시주 멤피스와 애리조나주 길버트에서도 감지되었다. 메리 팰린 오클라호마 주지사는 지역 비상사태를 선포하고, 오클라호마 기업위원회를 통해 오클라호마주의 폐수 주입정을 전면 폐쇄하는 조치를 내렸다.

2015년, 미국 지질조사국은 연구 결과를 발표하며, 1952년 규모 M5.5의 엘리노 지진을 포함하여 오클라호마주에서 발생한 대부분의 지진이 석유 산업 기업들의 폐수 주입으로 인해 발생한 유도지진이라고 밝혔다. 그러나 2015년 4월 이전까지 지질조사국은 오클라호마주의 지진 활동이 자연적인 원인일 가능성이 높으며, 폐수 주입으로 인한 지진이 아니라는 입장을 유지했다.

2009년 이후 오클라호마주에서는 군발지진과 같이 지진이 매우 자주 발생하고 있다. 규모 M3급 지진 발생 빈도가 연간 1-2회에서 하루 1-2회로 급증했다. 2015년 4월 21일, 오클라호마 지질조사국(OGS)은 성명을 통해 "최근 오클라호마주 중부 및 북부에서 발생하는 지진의 대부분은 폐수 주입정의 물 주입으로 인해 발생한 지진일 가능성이 매우 높다"고 발표했다.

2.4. 탄화수소 누출 및 저장

대규모 화석 연료 누출 및 지하 가스 저장 작업은 지진을 유발할 수 있다. 2013년 9월에서 10월 사이 에스파냐 발렌시아만에서 일어난 연쇄적인 지진 활동은 지하 가스 저장 작업인 카스토르 프로젝트를 진행하면서 일어난 인공지진이다. 2013년 9월 시추 및 주입 작업이 시작된 후 에스파냐 지질국은 발렌시아에서 지진이 급증했다고 발표했다. 40일 동안 릭터 규모 M_L0.7에서 가장 강하게는 4.3까지 대략 천여 건의 지진이 일어났다. 이로 인해 대중들의 불신이 커지자 에스파냐 정부는 사업을 중단하였다. 2014년 말에는 카스토르 프로젝트 양허를 최종적으로 기각하였다. 2015년 1월 이후에는 카스토르 프로젝트의 승인과 관련하여 여러 불법 행위가 적발되어 20여 명의 사람들이 기소되었다.

2.5. 지하수 유출

대규모 지하수 유출로 지각 응력이 급격하게 변화하면서 지진이 유발될 수 있다. 2011년 로르카 지진이 대표적인 사례이다.

2.6. 지열 발전

발전된 지열 발전 시스템(EGS)은 자연적으로 대류하는 열수가 필요하지 않은 지열 발전 기술로, 지진을 일으키는 것으로 알려져 있다. EGS는 수압파쇄법을 이용하여 유체에 압력을 가해 암반의 유체 투과성을 늘리거나 아예 없었던 투과성을 만들기도 한다. 고온 건조 암석(HDR)의 EGS는 수압으로 암반에 자극을 주어 지열 발전을 시킨다. 암반 특성이나 유체에 가한 압력, 주입한 유체의 양에 따라 그 정도는 달라지지만 물이 속에 찬 암석은 석유 및 가스 산업에서 땅 밑에 물을 주입하는 것과 마찬가지로 전단 압력에 파손되거나 기존에 있던 단층의 공급 수압을 늘리는 등으로 전단 파괴 등이 일어나서 지진을 일으킬 수 있다.

HDR RGS 지열발전은 프랑스의 솔트수포레(Soultz-sous-Forêts), 미국의 더 가이저나 데저트 피크, 독일 란다우, 오스트레일리아(호주) 파팔라나, 쿠퍼 평원 등지에서 개발 및 테스트를 하고 있다. 캘리포니아의 가이저 지열 발전소 지역의 유도지진 관련 사건과 물 주입과의 관계는 강한 상관관계가 있는 것으로 밝혀졌다. 스위스 바젤의 지열 발전소는 2009년부터 시작된 여러 군발지진 발생으로 인해 폐쇄되기도 하였다. 2017년 11월 대한민국 포항시에서 일어난 모멘트 규모 M_w5.5의 포항 지진의 경우에도 진원지와 EGS 발전소가 바로 근처에 있었으며 지진 수 개월 전부터 지속적으로 물 주입이 있었던 것으로 밝혀졌다. 여러 문헌에서는 EGS 발전소가 포항 지진을 유발했을 것이라고 지적하고 있으며 대한민국 정부 조사단에서도 EGS 발전소가 지진을 촉발시킨 '촉발지진'으로 결론내렸다.

MIT 연구진들은 수력학적 자극으로 유도된 지진을 부지 예측과 여러 기술을 통해 완화시킬 수 있다고 발표하였다. 적절한 관리를 통해 유도지진의 횟수 및 그 규모를 줄일 수 있으며 지진 위협도를 낮출 수 있다고 말한다.

2.7. 수압파쇄법

수압파쇄법은 셰일 오일 등 저투과성 암석에 고압의 유체를 주입시켜 암석에 균열을 일으켜 탄화수소를 시추하는 공법이다. 이 과정에서 일어나는 지진은 일반적으로 지표면에서 규모 -3에서 1 정도로 매우 작고 시간도 매우 짧지만, 일부 경우에는 이보다 큰 규모의 지진이 일어나기도 한다. 예를 들어 캐나다 앨버타주와 브리티시컬럼비아주의 셰일 오일 채취정에서는 수압파쇄법을 이용하던 중 규모 M4 이상의 중형 지진이 여러 차례 일어났다는 보고가 있다.

2.8. 핵실험

핵폭발은 지진 활동을 유발할 수 있지만, 미국 지질조사국(USGS)에 따르면, 그로 인한 지진 활동은 최초의 핵폭발보다 에너지가 적으며, 일반적으로 큰 여진을 발생시키지 않는다. 핵폭발은 대신 암석에 저장된 탄성 변형 에너지를 방출하여 최초 폭발 충격파를 강화할 수 있다.

지하 핵실험에 의한 인공지진은 과거에도 관측되었지만, 미군에 의한 과거 최대 규모의 지하 핵실험에서도 지상에서의 지진 흔들림은 관측되지 않았고, 조선민주주의인민공화국(북한)의 핵실험에서도 규모 4 정도였으며, 지상에서의 지진 흔들림은 모두 미미했다.

1971년 미국 암치트카 섬 지하 핵실험 (카니킨 프로젝트)에서 W71 핵탄두가 사용되었을 때, 핵 출력은 5Mt로 지하 핵실험으로는 최대 규모였다. 실체파 규모 6.97의 인공 지진도 기록했다。그러나 지상에서는 지진이 관측되지 않았다。

북한은 2017년까지 6차례의 핵실험을 실시했고, 모두 규모 4.0 이상의 흔들림이 확인되었다。특히 2017년 9월 3일 핵실험은 9월 23일(2회), 10월 13일, 12월 2일에 관측된 지진을 유발했다고 결론지어졌다。

3. 인공지진 탐사 및 관측

인공지진은 지하 구조를 파악하기 위한 탐사에도 활용된다. 폭약, 에어건, 바이브로사이즈 등 다양한 인공 진원을 사용하여 지진파를 발생시키고, 이를 분석하여 지하 구조를 추정한다. 이러한 방법은 지진파 토모그래피 등에도 활용된다.

인공 지진을 발생시키는 주요 진원은 다음과 같다.

* 폭약: 주로 다이너마이트가 사용된다. 기존의 일반적인 진원이지만, 위험물 취급이 어렵고 진원 주변에 악영향이 크기 때문에 폭약 이외의 "비폭약 진원"으로 전환되고 있다.
* 에어건: 수중에서 압축 공기를 방출한다. (폭약과 함께) 수중에서 자주 사용된다.

* 워터건: 수중에 물을 방출한다. 에어건과 달리, 소음원이 되는 기포가 발생하지 않는다.
* 스파커: 수중에서 방전시킨다. 주파수가 높기 때문에 미세 구조 탐사에 적합하다.
* 썸퍼: 질량(추)을 지면에 낙하시킨다.
* 바이브로사이즈: 질량을 기계에 진동시켜 스위프파를 발생시킨다. 순간적인 펄스파가 아니기 때문에 진원 주변에 미치는 영향이 적다.

지진파를 사용하여 지하를 탐사하는 방법에는 반사파를 포착하는 반사법과 굴절파를 포착하는 굴절법이 있다. 일반적인 인공 지진 외에 핵실험이나 자연 지진에 의한 지진파도 지구 심부(핵이나 맨틀 등) 탐사에 사용할 수 있다.

인공지진은 단층 운동이나 화산 활동으로 발생하는 자연 지진에 비해 지진파 형상이 단순하여, 지진파 토모그래피 등에 활용하기 쉽다. 또한, 국제적으로 인정받지 못하는 핵 보유국이 비밀리에 실시하는 핵실험을 탐지하는 데에도 사용된다.

4. 위험 분석 및 관리

인공지진은 자연지진과 마찬가지로 재산 및 인명 피해를 유발할 수 있으므로, 위험 분석 및 관리가 필요하다.

지질학적 탄소 포집에서 이산화탄소는 지진을 유발할 가능성이 있다. 따라서 연구자들은 주입으로 인해 유발되는 지진의 위험을 모니터링하고 모델링하는 방법을 개발했다. 모니터링은 지오폰과 같은 기기를 사용하여 지면의 움직임을 측정하는 방식으로 수행된다. 일반적으로 주입 현장 주변에 기기 네트워크를 사용하지만, 현재 많은 이산화탄소 주입 현장에서는 모니터링 장치를 사용하지 않는다. 모델링은 유발 지진의 가능성을 평가하는 중요한 기술이며, 물리적 모델과 수치 모델 두 가지가 주로 사용된다. 물리적 모델은 프로젝트 초기 단계의 측정값을 사용하여 더 많은 이산화탄소가 주입되면 프로젝트가 어떻게 작동할지 예측한다. 반면, 수치 모델은 수치적 방법을 사용하여 저장소 내에서 일어나는 현상을 시뮬레이션한다. 모델링과 모니터링은 모두 주입 유발 지진과 관련된 위험을 정량화하고 더 잘 이해하며 완화하는 데 유용한 도구이다.

탄소 저장과 관련된 유발 지진 위험을 평가하려면 암석 파열의 메커니즘을 이해해야 한다. Mohr-Coulomb 파괴 기준은 단층면에서의 전단 파괴를 설명한다. 일반적으로 파괴는 전단 응력 증가, 수직 응력 감소, 공극 압력 증가와 같은 여러 메커니즘으로 인해 기존 단층에서 발생한다. 초임계 이산화탄소(CO₂)의 주입은 저장소의 응력을 변화시켜 주변 단층에서 잠재적인 파괴를 유발한다. 또한 유체 주입은 저장소의 공극 압력을 증가시켜 기존 암석 약면에서의 미끄러짐을 유발한다. 후자는 유체 주입으로 인한 유발 지진의 가장 일반적인 원인이다.

Mohr-Coulomb 파괴 기준은 다음과 같다.

:$\backslash tau\_c\; =\; \backslash tau\_0\; +\backslash mu(\backslash sigma\_n\; -P)$

여기서 $\backslash tau\_c$는 단층 파괴를 유발하는 임계 전단 응력, $\backslash tau\_0$는 단층을 따라 작용하는 점착 강도, $\backslash sigma\_n$은 수직 응력, $\backslash mu$는 단층면에서의 마찰 계수, $P$는 단층 내의 공극 압력이다. $\backslash tau\_c$에 도달하면 전단 파괴가 발생하고 지진이 감지될 수 있다. 이 과정은 Mohr 원으로 도식화 할 수 있다.

4.1. 위험 요인

인공지진의 위험은 잠재적인 지진원과의 거리, 지진 규모, 지반 운동 특성 등에 따라 달라진다. 지진 위험은 일반적으로 지진 위험, 노출, 그리고 특정 지역 또는 광범위한 지역의 취약성을 결합하여 추정된다.

지진 위험에는 지반 진동, 액상화, 지표 단층 변위, 산사태, 쓰나미, 그리고 매우 큰 지진(M_L > 6.0) 발생 시 융기/침강 등이 포함될 수 있다. 유발 지진의 경우 일반적으로 M_L 5.0 미만의 작은 규모로 짧은 기간 동안 발생하기 때문에, 주요 관심사는 지반 진동이다.

지반 진동은 건물 및 기타 구조물에 구조적 손상과 비구조적 손상을 모두 야기할 수 있다. 현대식 공학 구조물에 대한 구조적 손상은 규모 M_L 5.0 이상의 지진에서만 발생하는 것으로 일반적으로 받아들여진다. 지진학 및 지진 공학에서 지반 진동은 건물의 진동 주기에 대한 최대 지반 속도(PGV), 최대 지반 가속도(PGA) 또는 스펙트럼 가속도(SA)로 측정될 수 있다. 드물게 규모 M_L 3.0의 작은 지진에서도 비구조적 손상이 보고되기도 한다.

확률론적 지진 위험 분석(PSHA)은 지진 발생 확률과 지반 운동 전파의 확률을 고려하는 확률적 프레임워크이다. 이 프레임워크를 사용하면 (자연 및 유발된) 가능한 모든 지진을 고려하여 특정 수준의 지반 진동을 초과할 확률을 정량화할 수 있다. PSHA 방법론은 미국과 캐나다의 건축 법규에서 지진 하중을 결정하는 데 사용되며, 전 세계 다른 지역에서도 점점 더 많이 사용되고 있으며, 지진으로부터 댐과 원자력 발전소를 보호하는 데에도 사용된다.

탄소 포집 및 저장의 대규모 지하 저장과 관련된 유발 지진의 위험이 있지만, 현재 다른 주입 방식에 비해 훨씬 덜 심각한 위험이다. 지난 몇 년 동안 폐수 주입, 수압 파쇄, 그리고 석유 추출 후 2차 회수는 탄소 포집 및 저장보다 유발 지진 사건에 훨씬 더 크게 기여했다.

2013년 미국 국립 연구 위원회의 보고서는 셰일 가스 회수, 탄소 포집 및 저장, 지열 에너지 생산, 기존 석유 및 가스 개발을 포함한 에너지 기술이 지진을 유발할 가능성을 조사했다. 이 보고서는 미국 내 수십만 개의 에너지 개발 현장 중 극히 일부의 주입 및 추출 활동만이 대중이 감지할 수 있는 수준의 유발 지진을 일으켰다는 것을 발견했다.

4.2. 확률론적 지진 위험 분석 (PSHA)

확률론적 지진 위험 분석(PSHA, Probabilistic Seismic Hazard Analysis)은 지진 발생 확률과 지반 운동 전파 확률을 고려하는 확률적 프레임워크이다. 이 프레임워크를 사용하면 (자연 지진 및 유발 지진) 가능한 모든 지진을 고려하여 특정 수준의 지반 진동을 초과할 확률을 정량화할 수 있다. PSHA 방법론은 미국과 캐나다의 건축 법규에서 지진 하중을 결정하는 데 사용되며, 전 세계 다른 지역에서도 점점 더 많이 사용되고 있으며, 댐과 원자력 발전소를 지진으로부터 보호하는 데에도 사용된다.

PSHA를 수행하기 위해서는 부지 내 지질학적 배경에 대한 이해가 필수적이다. 암석의 지층, 지하 구조, 단층의 위치, 응력 상태 및 가능한 지진 발생에 기여하는 기타 매개변수와 해당 부지의 과거 지진 기록을 고려한다.

지진 발생 규모는 일반적으로 구텐베르크-리히터 관계(Gutenberg-Richter relation)를 따른다.

:$\backslash log\; N(\backslash geq\; M)=a-bM$

여기서 $M$은 지진 규모, $N$은 $M$보다 큰 규모의 지진 발생 횟수, $a$는 발생률 파라미터, $b$는 기울기이다. $a$와 $b$는 각 지진원에 따라 다르다. 자연 지진의 경우, 과거 지진 기록을 사용하여 이러한 매개변수를 결정한다. 이 관계를 사용하여 지진이 포아송 과정을 따른다는 가정하에 특정 규모를 초과하는 지진의 횟수와 확률을 예측할 수 있다. 그러나 이 분석의 목표는 미래 지진의 가능성을 결정하는 것이다. 유발 지진의 경우, 지진 발생률은 인간 활동의 변화에 따라 시간에 따라 변하므로, 비정상 과정으로 정량화된다.

어떤 지점에서의 지반 운동은 해당 지점에서 지진계로 관측되었을 지진파를 설명한다. 전체 지진 기록을 간단하게 표현하기 위해 최대 지반 속도(PGV), 최대 지반 가속도(PGA), 다양한 주기의 스펙트럼 가속도(SA), 지진 지속 시간, 아리아 강도(IA) 등의 매개변수가 지반 흔들림을 나타내는 데 사용된다. 주어진 규모의 지진에 대한 지진원으로부터 지점까지의 지반 운동 전파는 역사적 기록을 바탕으로 개발된 지반 운동 예측 방정식(GMPE)을 사용하여 추정한다. 유발 지진에 대한 역사적 기록이 부족하기 때문에, 연구자들은 자연 지진에 대한 GMPE를 수정하여 유발 지진에 적용할 수 있도록 했다.

PSHA 프레임워크는 지진 규모와 지반 운동 전파의 분포를 사용하여 지진 위험, 즉 미래에 특정 수준의 지반 진동(PGA, PGV, SA, IA 등)을 초과할 확률을 추정한다. 확률 분포의 복잡성에 따라 수치적 방법 또는 시뮬레이션(예: 몬테카를로 방법)을 사용하여 지진 위험을 추정할 수 있다. 유발 지진의 경우 지진 위험은 일정하지 않고, 근본적인 지진 발생률의 변화에 따라 시간이 지남에 따라 변동한다.

4.3. 지진 위험 계산

지진 위험은 지진원 특성, 발생 패턴, 지반 운동, 노출 및 취약성 등을 종합적으로 고려하여 계산한다. 지진 위험은 일반적으로 특정 지역에서 지반 진동이 일정 수준을 초과할 확률로 표현되며, 지반 진동, 액상화, 지표 단층 변위, 산사태, 쓰나미, 그리고 매우 큰 지진(M_L > 6.0) 발생 시 융기/침강 등이 포함될 수 있다. 유발 지진의 경우 일반적으로 M_L 5.0 미만의 작은 규모로 짧은 기간 동안 발생하기 때문에 주요 관심사는 지반 진동이다.

지반 진동은 건물 및 기타 구조물에 구조적 손상과 비구조적 손상을 모두 야기할 수 있다. 현대식 공학 구조물에 대한 구조적 손상은 규모 M_L 5.0 이상의 지진에서만 발생하는 것으로 일반적으로 받아들여진다. 지진학 및 지진 공학에서 지반 진동은 건물의 진동 주기에 대한 최대 지반 속도(PGV), 최대 지반 가속도(PGA) 또는 스펙트럼 가속도(SA)로 측정될 수 있다. 지진력을 견딜 수 있도록 설계된 건물이 있는 역사적 지진 발생 지역에서는 중간 정도의 구조적 손상이 발생할 수 있으며, PGA가 중력 가속도(g)의 18-34%보다 클 때 매우 강한 진동을 느낄 수 있다. 드물게 규모 M_L 3.0의 작은 지진에서도 비구조적 손상이 보고되기도 한다.

확률론적 지진 위험 분석(PSHA)은 지진 발생 확률과 지반 운동 전파의 확률을 고려하는 확률적 프레임워크이다. 이 프레임워크를 사용하면 (자연 및 유발된) 가능한 모든 지진을 고려하여 특정 수준의 지반 진동을 초과할 확률을 정량화할 수 있다. PSHA 방법론은 미국과 캐나다의 건축 법규에서 지진 하중을 결정하는 데 사용되며, 전 세계 다른 지역에서도 점점 더 많이 사용되고 있으며, 지진으로부터 댐과 원자력 발전소를 보호하는 데에도 사용된다.

지진 발생 규모는 일반적으로 구텐베르크-리히터 관계를 따른다.

:$\backslash log\; N(\backslash geq\; M)=a-bM$

여기서 $M$은 지진 규모, $N$은 $M$보다 큰 규모의 지진 발생 횟수, $a$는 발생률 파라미터, $b$는 기울기이다. $a$와 $b$는 각 지진원에 따라 다르다. 자연 지진의 경우, 과거 지진 기록을 사용하여 이러한 매개변수를 결정한다. 유발 지진의 경우, 지진 발생률은 인간 활동의 변화에 따라 시간에 따라 변하며, 따라서 시간 경과에 따라 지진 발생률이 변하는 비정상 과정으로 정량화된다.

어떤 지점에서의 지반 운동은 해당 지점에서 지진계로 관측되었을 지진파를 설명한다. 최대 지반 속도(PGV), 최대 지반 가속도(PGA), 다양한 주기의 스펙트럼 가속도(SA), 지진 지속 시간, 아리아 강도(IA)는 지반 흔들림을 나타내기 위해 사용되는 몇 가지 매개변수이다. 주어진 규모의 지진에 대한 지진원으로부터 지점까지의 지반 운동 전파는 역사적 기록을 바탕으로 개발된 지반 운동 예측 방정식(GMPE)을 사용하여 추정한다.

PSHA 프레임워크는 지진 규모와 지반 운동 전파의 분포를 사용하여 지진 위험, 즉 미래에 특정 수준의 지반 진동(PGA, PGV, SA, IA 등)을 초과할 확률을 추정한다. 유발 지진의 경우 지진 위험은 일정하지 않고, 근본적인 지진 발생률의 변화에 따라 시간이 지남에 따라 변동한다.

지진 위험을 평가하기 위해서는 해당 지역이나 부지의 위험도와 노출 및 취약성을 결합하여 분석한다. 노출(Exposure)은 특정 부지 또는 지역에 존재하는 개체(건물, 인구 등)의 집합으로 정의된다. 취약성(Vulnerability)은 이러한 개체에 대한 잠재적 영향, 예를 들어 건물의 구조적 또는 비구조적 손상, 그리고 인명의 안전과 생존에 대한 위험을 의미한다. 지진 위험은 미래에 특정 수준의 피해를 초과할 확률로 정의된다.

4.4. 위험 완화

인공지진의 위험을 완화하기 위한 방법 중 하나는 교통 신호 시스템(TLS, 교통 신호 프로토콜(TLP)이라고도 함)이다. TLS는 특정 지역에서 발생하는 지진의 지반 진동을 지속적이면서도 실시간으로 모니터링하고 관리하는 보정된 제어 시스템이다. TLS는 2005년 중앙 아메리카의 향상된 지열 발전소에서 처음으로 구현되었다.

일반적으로 TLS에는 두 가지 유형이 있다. 첫 번째 유형은 다양한 크기의 임계값을 설정하며, 주로 지진 지역 규모(M_L)나 지반 운동을 기준으로 한다. 유발 지진이 작은 임계값에 도달하면 운영자는 운영을 수정하고 규제 기관에 알린다. 더 큰 임계값에 도달하면 운영이 즉시 중단된다. 두 번째 유형은 하나의 임계값만 설정하여, 이 값에 도달하면 운영을 중단하는 "정지 신호 시스템"이다. TLS의 임계값은 지역 및 국가별로, 심지어 국가 내에서도 다르게 설정된다.

하지만 TLS는 지진 활동의 미래 변화를 예측할 수 없다는 한계가 있다. 인간의 활동을 변경하여 지진 활동을 줄이는 데 시간이 걸릴 수 있으며, 유체 주입을 중단한 후에도 가장 큰 유발 지진이 발생한 사례가 보고되기도 했다.

다음은 전 세계 여러 지역에서 사용되는 TLS의 예시를 표로 정리한 것이다.