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지각 변동

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목차

1. 개요

지각 변동은 지각의 변형을 의미하며, 19세기까지는 지구 냉각에 의한 수축이 원인으로 여겨졌다. 에두아르트 쥐스는 해수면 변화와 대륙 간의 상관관계를 주장했으며, 판 구조론이 등장하면서 판 운동이 지각 변동의 주요 원인으로 밝혀졌다. 지각 변동은 판 운동, 단층 운동, 화산 활동 등에 의해 발생하며, 응력과 변형의 관계를 통해 지진으로 나타나기도 한다. 지각 변동은 육상, 해저, 항공 및 위성 관측 등 다양한 방법으로 관측되며, 지진 예측과 밀접한 관련이 있다. 일본 국토지리원은 지각 변동 정보를 공개하고 있으며, 사회 현상의 큰 변화를 비유적으로 지각 변동이라고 표현하기도 한다.

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지각 변동
개요
정의지각을 구성하는 암석에 발생하는 모든 변형 작용
어원그리스어 "διαστροφή (diastrophḗ)"에서 유래
지각 변동의 종류
조구 운동광범위한 지역에 걸쳐 서서히 일어나는 지각의 융기 및 침강 운동
습곡 작용횡압력에 의해 지층이 휘어지는 현상
단층 작용지층에 가해지는 힘에 의해 암석이 파괴되어 어긋나는 현상
조산 운동습곡 작용과 단층 작용이 복합적으로 작용하여 산맥을 형성하는 운동
지각 변동의 원인
맨틀 대류맨틀 내부의 열에너지 불균형으로 인해 발생하는 물질의 순환 운동
판 구조 운동지구 표면을 덮고 있는 여러 개의 판이 서로 상호 작용하면서 발생하는 운동
화산 활동마그마가 지표면으로 분출하면서 발생하는 현상
지진 활동지각 내부의 갑작스러운 에너지 방출로 인해 발생하는 지진파에 의한 진동
지각 변동의 영향
지형 변화산맥, 계곡, 평야 등 다양한 지형 형성
기후 변화산맥의 형성은 강수량 분포에 영향을 미쳐 기후 변화 유발 가능
생태계 변화지형 변화와 기후 변화는 생물 서식 환경에 영향
자연 재해지진, 화산 폭발, 쓰나미 등 자연 재해 발생
추가 정보
관련 용어조산운동, 판 구조론, 지진, 화산

2. 지각 변동의 개념 및 역사적 발전

지각을 이루는 암석의 성질이나 지각의 구조를 살펴봄으로써 지각의 생성이나 역사를 알아볼 수 있다. 이 암석들은 40∼50억 년에 이르는 지구의 오랜 역사를 통하여 생긴 지각 변동의 산물이다.[3]

2. 1. 판 구조론과 지각 변동

지각은 대륙 지역에서 두께가 30∼40km 정도지만, 해양 지역에서는 5∼6km로 얇다. 습곡 산맥 아래에서는 50∼60km에 이르는 곳도 있다. 대륙 지역의 지각은 밀도가 다른 상하 두 층으로 나뉜다. 상층은 밀도가 약간 작고 화강암 비슷한 물질로, 하층은 현무암 비슷한 물질로 이루어져 있다. 해양 지역의 지각은 현무암질 하층만으로 구성된다. 지각 표면은 복잡한 기복을 보이며, 화성암이 가장 많고 퇴적암과 변성암이 그 뒤를 잇는다. 이 암석들은 40∼50억 년에 이르는 지구 역사 동안 발생한 지각 변동의 결과물이다. 따라서 지각을 이루는 암석의 성질이나 지각 구조를 통해 지각의 생성과 역사를 파악할 수 있다.

2. 2. 과거의 지각 변동 이론

19세기 말까지, 습곡과 단층의 원인은 지구 냉각으로 인한 지구 수축으로 발생하는 측면 압축이라는 것이 일반적으로 받아들여졌다.[3] 19세기 후반, 에두아르트 쥐스는 토머스 차우더 챔벌린의 지각 변동 설명의 기초를 제공하는 그의 정수론을 제안했다.[4]

쥐스는 ''Das Antlitz der Erde''[5]의 2권에서, 지질학적 시간 동안 해수면의 상승과 하강이 지구 전역에서 지도화될 수 있다고, 즉, 해수 침강과 해퇴의 기간이 대륙 간에 상관관계를 가질 수 있다고 믿었다. 쥐스는 퇴적물이 해양 분지를 채우면서 해수면이 점차 상승하고, 주기적으로 해양 바닥의 급격한 침강 현상이 발생하여 해양의 수용 능력이 증가하고 해퇴를 유발한다고 가정했다. 챔벌린은 열 수축 대신 중력 수축이 지각 변동의 원인이라고 제안했다.[6] 미국에서는 1960년대 후반에야 열 대류가 수축하는 지구 이론을 대체했다.[6]

3. 지각 변동의 메커니즘

지구의 지각은 대륙 지역에서는 두께가 30∼40km 정도지만, 해양 지역에서는 5∼6km 정도로 얇다. 습곡 산맥 아래에서는 50∼60km에 이르는 곳도 있다. 대륙 지각은 밀도가 다른 상층과 하층으로 나뉜다. 상층은 밀도가 약간 작고 화강암과 비슷한 물질로, 하층은 현무암과 비슷한 물질로 이루어져 있다. 해양 지각은 현무암질 하층만으로 구성된다. 지각 표면은 복잡한 기복을 이루며, 화성암, 퇴적암, 변성암 등 다양한 암석으로 구성되어 있다. 이 암석들은 40∼50억 년에 걸친 지각 변동의 결과물이며, 암석의 성질과 지각 구조를 통해 지각의 생성과 역사를 파악할 수 있다.

3. 1. 응력과 변형

지구상에서 일어나는 거의 모든 지각 변동은 판 운동과 관련이 있다고 해도 과언이 아니다. 국지적인 지각 변동은 판 사이의 상대적인 운동, 단층 운동, 화산 활동에 의해 발생한다.

지각에서는 장소에 따라 응력의 강약 및 방향 의존성(최대 주응력과 최소 주응력)이 생기면 변형이 발생한다. 이것이 지진이나 지각 변동으로 나타난다.

4. 지각 변동 관측 방법

지각 변동은 육상, 해저, 항공 및 위성 관측 등 다양한 방법으로 관측할 수 있다.
육상 관측


  • 기준 측량점: 각지에 설치된 기준 측량점을 정기적으로 측정하여 지각의 수평 및 수직 이동을 조사한다. 일본에서는 국토지리원이 전자 기준점을 설치하여 활용하고 있다.
  • GPS 측량: 연속적인 데이터 수집이 가능하고 유지 및 관측 비용이 적다는 장점이 있다.
  • 초장기선 전파 간섭법(VLBI): 각지에 설치된 전파 망원경으로 퀘이사의 전파를 측정하여 전파 망원경 간 거리를 정밀하게 측정한다.

해저 관측

  • 음파 교신: 해저 장비와 해상 기지 간 음파 교신으로 거리를 측정하여 해저 지형 변화를 파악한다.
  • 수압계: 해저 지진계에 부속되거나 단독으로 설치되어 해저 깊이를 조사한다.

항공 및 위성 관측

  • 항공기: 입체시 방식으로 촬영된 지형도를 통해 지각 변동을 파악한다.
  • 지구 관측 위성: 레이저 고도계, 레이다 고도계, 합성개구 레이다 등 첨단 장비를 사용하여 정밀 측정을 수행한다.

4. 1. 육상 관측

각지에 설치된 기준 측량점을 정기적으로 측정하여 지각의 수평 및 수직 이동을 조사한다. 기준 측량점은 각 등급별로 분류되며, 일본 전체의 기준점은 일본 수위 원점이다.[1]

수준점이 너무 많고, 지각 변동을 파악하기 위해 정기적인 측량이 필요하지만, 예산 및 인력 문제로 인해 최근에는 GPS 측량 등으로 대체되고 있다. 그러나 GPS보다 정밀도가 높다는 장점이 있어, 도카이 지진의 예상 진원역에 가까운 시즈오카현오마에자키시나 주요 화산 주변에서는 정기적으로 실시되고 있다.[1]

측량의 삼각 측량은 측정 정확도에 한계가 있고, 많은 예산과 인원이 필요하다는 점에서 일본에서는 국토지리원에 의한 전자 기준점망 설치 후 삼각 측량의 필요성이 줄어들고 있다.[1]

수관 경사계를 사용하여 경사를, 석영관 신축계를 사용하여 변형을 측정한다. 원리가 간단하여 역사가 오래되었지만, 기기 고유의 오차나 측정 정밀도의 한계가 있고, 유지에 비용이 들며, 데이터가 널리 공개되지 않는 등의 문제점이 있어 지각 변동을 조사하는 수단으로는 일반적이지 않다.[1]

경사계 및 신축계에 의한 관측은 일본 전국에서도 별로 이루어지지 않는다. 마쓰시로 군발 지진을 포착한 기상청 마쓰시로 지진 관측소 등 제한된 장소에서만 실시되기 때문이다. 가장 큰 이유는 지각 변동을 포착하기 위해서는 어느 정도 길이를 가진 수평 3방향으로 굴착된 터널이 필요하기 때문이다. 또한, 폐광된 광산을 이용하는 등의 방법도 있지만, 광산 주변에는 활단층이 적기 때문에 관측하는 메리트가 적다.[1]

광파 측거기는 두 지점 사이의 거리를 측정하는 방법이다. 과거에는 이즈반도와 오마에자키 사이, 아이치현 미카와만 주변 등에서 실시되었으나, GPS 측량이 보급되면서 쇠퇴했다.[1]

국토지리원에서 전자 기준점을 설치한 이후, 지각 변동 관측의 대표적인 방법이 되었다. 연속적으로 데이터를 수집할 수 있으며, 기준점 설치 후 유지 및 관측에 드는 비용이 적다는 등의 장점이 있다. 또한 지진 직후의 여진 변동 조사에서는, 일시적으로 다수의 GPS 수신기를 설치하여 관측하는 "캠페인 관측"이 활발히 이루어지고 있다. 하지만 연직 성분 관측에서는 수준 측량에 비해 정밀도가 떨어지기 때문에, 현재도 두 가지 방법을 병용하는 경우가 있다. 측량#GNSS 측량(구 GPS 측량), GPS를 참조.[1]

초장기선 전파 간섭법(VLBI)은 각지에 설치된 전파 망원경으로 특정 퀘이사로부터의 전파를 측정하여 전파 망원경 간의 거리를 측정하는 방법이다. 일본에서는 JCNET이라고 불리는 VLBI 관측망을 통해 수행하고 있다. 정밀도는 수 mm까지 이르지만, 관측망이 조밀하지 않아 GPS 관측에 의한 측정 결과가 국토지리원에서 공표되고 있다.[1]

4. 2. 해저 관측

해저에 장비를 설치하고(해저 기지), 해상과의 음파 교신을 통해 해상 기지와 해저 기지 간의 거리를 측정하는 방법이다. 이를 통해 해저 지형의 변화를 파악할 수 있다. 우선 해상 기지(선박 또는 부이)의 위치를 GPS 등으로 결정하기 때문에, GPS의 정밀도를 넘어선 측정이 불가능하다. 또한 해양 중의 음속 구조에 따라 결과가 크게 좌우된다. 일본에서는 해상보안청, 나고야 대학, 도호쿠 대학에 의해 정밀도 향상 방법이 연구되고 있다. 해저 기지를 다수 설치하는 것은 넓은 해양에서는 어렵기 때문에, 구마노灘, 스루가 만, 산리쿠 해안 앞바다 등 일부 지역에 한정하여 실시되고 있다.

해양 관측선에 의한 음파 탐사도 이루어지고 있다. 이는 해양 관측선에서 음파를 해저로 발사하고, 해저로부터의 반사를 측정함으로써 해저까지의 거리를 측정하는 방법이다. 다만, 연속 관측에는 적합하지 않으며, 정밀도도 좋지 않다. 심해 잠수정 (신카이 6500)의 모선이나 지구 관측선 치큐 등에 탑재되어 있다.

해저 지진계에 부속되어 있거나, 단독으로 설치되는 수압계에 의한 방법도 있다. 수압계에는 그 위의 해수의 압력이 가해지므로, 이것을 측정함으로써 해저의 깊이를 조사할 수 있다. 단, 데이터 수집에는 육상과 케이블로 연결하거나, 모든 관측 후에 회수할 필요가 있다. 현재에는 주로 후자가 채택되고 있기 때문에, 실시간화는 실현되지 않고 있다. 일본에서는 도카이 지진 경계 구역의 해저 등에 설치되어 있다.

2007년도부터, 도카이 지진 경계 구역의 수압계는 실시간 관측으로 전환될 예정이다. 중앙방재회의의 결정에 따라, 향후 30년 이내에 발생할 가능성이 높다고 여겨지는 도카이 지진·난카이 지진을 위한 대책의 일환이다.

4. 3. 항공 및 위성 관측

항공기에서 입체시 방식으로 촬영된 지형도를 통해 지각 변동을 파악할 수 있다. 최근에는 지구 관측 위성도 활용되고 있다. 레이저 고도계나 레이다 고도계 등 첨단 장비를 사용하여 정밀한 측정이 가능해지고 있다. 합성개구 레이다도 참조.

5. 지진과의 관련성

지각 변동은 지진의 전 단계 현상으로 지진 예지와 함께 다루어지는 경우가 많다. 지각 변동과 지진의 관련성에 관해서는 판 구조론에서 설명하는 판 경계 지진이 거론된다.

지진 후에는 여진 변동이라고 불리는 지각 변동이 수일에서 수개월 동안 일어나는 경우가 많으며, 그 후에는 판 운동에 따른 정적인 변동만 남게 된다.

5. 1. 지진 예측 연구

모기 기요오가 1944년 동해 지진 직전의 수준 측량 데이터를 검증하여 지진 전에 이상한 지각 변동이 발생한다고 지적한 이후, 일본에서는 지진 예지를 목적으로 한 지각 변동 관측이 활발하게 이루어지게 되었다.

판 경계 지진과 관련하여, 각 판 경계에서는 지각의 융기나 침강에 따른 지각 왜곡이 축적되기 쉬운 환경이 조성된다. 이 지각 왜곡이 임계점을 넘는 경우, 또는 어떤 원인으로 지각 왜곡이 해소될 때 지진이 발생한다는 것이 밝혀져 있다.

활단층이라고 불리는 곳은 판의 신축에 의해 생긴 지표면 가까이의 왜곡이 표면에 나타난 곳이라는 가설도 있으며, 이 역시 지진의 원인이 될 수 있는 경우가 많다. 따라서 지각 왜곡을 관측함으로써 지진 예지나 조기 경보를 발령하는 연구가 현재도 진행되고 있다.

다만, 지진 체적 모델이라고 불리는 것이 있으며, 그 임계량이 어느 정도인지, 혹은 어떤 지질 구조의 경우 어느 정도의 왜곡으로 지진이 발생하는지 등에 대해서는 현재도 연구가 진행되고 있다. 또한, 재해 지도나 지진 지정 지역이라고 불리는 것은, 과거 수 세기 동안 간헐적으로 지진이 발생했던 곳을 향후 30년 정도에 발생할 확률로 표현한 것이며, 언제 발생해도 이상하지 않다고 여겨진다. 특히 공백역이라고 불리는 곳은 유래 이후 지진의 기록이 남아 있지 않지만, 지각에 단층이 남아 있기 때문에 위험한 곳으로, 많은 지진학자들이 위험시하고 있는 곳이기도 하다.

지진 후에는 여진 변동이라고 불리는 지각 변동이 수일에서 수개월 동안 일어나는 경우가 많으며, 그 후에는 판 운동에 따른 정적인 변동만 남게 된다.

5. 2. 활단층과 지진 위험성

지각 변동은 지진의 전 단계 현상으로, 지진 예지와 함께 다루어지는 경우가 많다. 특히 모기 기요오가 1944년 동해 지진 직전의 수준 측량 데이터를 검증하여 지진 전에 이상한 지각 변동이 발생한다고 지적한 이후, 일본에서는 지진 예지를 목적으로 한 지각 변동 관측이 활발하게 이루어지게 되었다.

지각 변동과 지진의 관련성에 관해서는 판 경계 지진이 거론된다(자세한 내용은 판 구조론 참조). 각 판 경계에서는 지각의 융기나 침강에 따른 지각 왜곡이 축적되기 쉬운 환경이 조성된다. 이 지각 왜곡이 임계점을 넘는 경우, 또는 어떤 원인으로 지각 왜곡이 해소될 때 지진이 발생한다는 것이 밝혀져 있다.

활단층이라고 불리는 곳은 판의 신축에 의해 생긴 지표면 가까이의 왜곡이 표면에 나타난 곳이라는 가설도 있으며, 이 역시 지진의 원인이 될 수 있는 경우가 많다. 따라서 지각 왜곡을 관측함으로써 지진 예지나 조기 경보를 발령하는 연구가 현재도 진행되고 있다.

다만, 지진 체적 모델이라고 불리는 것이 있으며, 그 임계량이 어느 정도인지, 혹은 어떤 지질 구조의 경우 어느 정도의 왜곡으로 지진이 발생하는지 등에 대해서는 현재도 연구가 진행되고 있다. 또한, 재해 지도나 지진 지정 지역이라고 불리는 것은, 과거 수 세기 동안 간헐적으로 지진이 발생했던 곳을 향후 30년 정도에 발생할 확률로 표현한 것이며, 언제 발생해도 이상하지 않다고 여겨진다. 특히 공백역이라고 불리는 곳은 유래 이후 지진의 기록이 남아 있지 않지만, 지각에 단층이 남아 있기 때문에 위험한 곳으로, 많은 지진학자들이 위험시하고 있는 곳이기도 하다.

지진 후에는 여진 변동이라고 불리는 지각 변동이 수일에서 수개월 동안 일어나는 경우가 많으며, 그 후에는 판 운동에 따른 정적인 변동만 남게 된다.

6. 지각 변동 정보의 공개

일본 국토지리원은 다이치 2호 데이터를 활용하여 화산 활동이나 지반 침하 등을 표시한 변동 분포도를 2023년 3월 28일부터 공개하기 시작했다.[8]

7. 비유적 표현으로서의 "지각 변동"

어떤 사안이나 구조, 정세 등의 큰 변화, 움직임을 비유적으로 "지각 변동"이라고 표현하는 경우가 있다.[9]

참조

[1] OED diastrophism
[2] 간행물 Deformation Style and Structural Relationships Associated with a Well-Exposed Slump Block within the Tongue River Formation of the Fort Union Group, Carter County, Southeastern Montana 1993-02
[3] 서적 The History of the Study of Landforms: Quaternary and recent processes and form (1890–1965) and the mid-century revolution. 2008
[4] 논문 Diastrophic Background to Twentieth-Century Geomorphological Thought http://bulletin.geos[...] 1963
[5] 서적 Das Antlitz der Erde F. Tempsky, Vienna 1885-1908
[6] 논문 James Dwight Dana's old tectonics; global contraction under divine direction http://www.ajsonline[...] 1997
[7] 웹사이트 地殻活動 https://www.jishin.g[...] 地震調査研究推進本部事務局
[8] 뉴스 地殻変動の全国地図 初公開／国土地理院：火山活動や地盤沈下 わかりやすく https://mainichi.jp/[...] 毎日新聞 2023-03-29
[9] 간행물 報道されない中東の真実 動乱のシリア・アラブ世界の地殻変動 https://publications[...] 朝日新聞出版
[10] 웹인용 diastrophism http://www.merriam-w[...] 2009-03-12
[11] 웹인용 A Word A Day for 17 August 2009: diastrophism http://wordsmith.org[...] 2009-08-17


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