지진파

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1. 개요

지진파는 지진으로 인해 발생하며, 지구 내부를 통과하는 실체파와 지구 표면을 따라 전파되는 표면파로 나뉜다. 실체파는 P파와 S파로 구분되며, P파는 종파, S파는 횡파이다. 표면파는 레일리파와 러브파 등으로 나뉘며 실체파보다 느리게 이동하지만 더 큰 피해를 입힐 수 있다. 지진파는 지구 내부 구조를 연구하는 데 중요한 정보를 제공하며, P파와 S파의 도달 시간 차이를 이용하여 진원 거리를 계산할 수 있다. 또한, 지진파의 전파 속도와 관련된 주시곡선, 속도 계산식 등이 존재하며, 저기압이나 공기 진동에 의해서도 지진파가 발생할 수 있다.

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지진파
개요
영어	seismic wave
일본어	지진파
종류
특징
설명	지진, 화산 폭발, 폭발 등의 에너지가 지구 내부를 통과하며 이동하는 파동
참고 문헌
참고 자료	학술용어집 지진학편 (문부성, 1974)

2. 지진파의 유형

지진파는 크게 지구 내부를 통과하는 실체파와 지구 표면을 따라 전파되는 표면파로 나뉜다.^[33]^[34] 실체파는 지구 내부를 통과하며 이동하고, 표면파는 지표면을 따라 이동하는데, 3차원으로 이동하는 실체파보다 거리에 따른 감쇠가 느리다. 표면파의 입자 운동은 실체파보다 커서 더 큰 피해를 주는 경향이 있다.^[3]^[4]

이 외에도 다른 파동 전파 방식이 존재하는데, 지구상의 파동에는 비교적 중요성이 낮지만, 항성지진학의 경우에는 중요하다.

2. 1. 실체파

실체파는 지구 내부를 통해 전파되는 지진파로, 매질의 밀도와 영률에 따라 경로가 결정된다. 매질의 밀도와 영률은 온도, 암반 성분, 물질의 상에 따라 달라지는데, 이는 전자기파의 굴절과 유사하다. 실체파에는 P파와 S파 두 종류가 있으며, 1830년 프랑스 수학자 시메옹 드니 푸아송이 처음으로 구분했다.^[36]

실체파는 표면에 도달하면 반사되어 지구 내부로 되돌아오는데, 이때 표면으로 올라오는 파와 반사파가 서로 겹쳐 표면파가 생성된다.

지진파 중 실체파는 지구 맨틀과 핵으로 이동한다. S파는 액체인 외핵을 통과할 수 없어 진원에서 먼 곳에 도달하지 못하는 '그림자'가 생긴다. P파는 핵을 통과하지만 굴절되어 일부 구역에 닿지 않는 암영대가 만들어진다.

2. 1. 1. P파

P파는 종파이며 압력파인 성질을 가지고 있다. P파는 지구를 통과하는 그 어떤 지진파보다도 빠르게 이동하여 지진 관측소에 제일 먼저 도달하는 파동이기 때문에 영어로 첫번째라는 뜻을 가진 "Primary"가 붙여져 P파가 되었다.^[37] P파는 유체를 포함한 모든 유형의 물질을 통과할 수 있으며, S파보다 평균 1.7배 더 빠르게 이동한다. 공기 중에서는 음파의 형태를 띄기 때문에 음속의 속도로 이동한다. 평균 속도는 공기 중에서 330 m/s, 물 속에서 1,450 m/s이며 화강암 내부에서는 약 5,000 m/s이다.^[38] 지구에서는 지각을 평균 5-8 km/s의 속도로, 하부 맨틀에서는 약 13.5 km/s, 내핵에서는 11 km/s의 속도로 이동한다.^[39]

P파는 진행 방향과 평행하게 진동하는 탄성파이다. 고체·액체·기체를 모두 통과한다. 암반 내 속도는 초속 5~7킬로미터이며, 지진 발생 시 가장 먼저 도달하는 지진파로 초기미동을 일으킨다. 해상의 선박에서는 이로 인해 해진이 관측된다.

2. 1. 2. S파

S파는 횡파이며 전단파의 성질을 가지고 있다. 지진 발생 후 S파는 가장 빠르게 이동하는 P파에 이어 지진 관측소에 도착해 전파 방향에 수직인 방향으로 지반을 변위시킨다.^[40] 전파 방향에 따라 파의 표면 운동 특성이 달라질 수 있는데, 예를 들어 수평 방향으로 편광된 S파의 경우 지면이 한쪽으로 이동하다가 번갈아 가며 다른 쪽으로 이동하는 양상을 보인다. 또한 유체(액체와 기체)에서는 전단응력이 존재하지 않기 때문에 S파는 고체를 통해서만 이동할 수 있다.^[41]^[42]

S파는 P파보다 속도가 느리며, 일반적으로 특정 매질에 대해 S파의 속도는 P파의 약 60%에 해당한다. 전단파는 액체 매질을 통과할 수 없으므로, 지구 외핵에 S파가 없다는 것은 외핵이 액체로 이루어져 있다는 것을 의미한다.^[43]

S파의 속도

V_s

는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

:

V_s = \sqrt{\frac{\mu}{\rho}}

단층 파괴에서는 S파의 진폭이 커지는 경향이 있지만, 지하 핵실험 등에 의한 등방 폭발에서는 이론적으로 S파는 발생하지 않는다.^[17]

2. 1. 3. T파

T파는 P파, S파에 이어 3번째로 오는 파동(Tertiary wave)이라는 뜻으로, 해수의 소파 채널이라고 불리는 저속층을 통과하는 파동이기 때문에 해저지진계나 해수면과 매우 가까운 지진 관측소에서 관측되는 경우가 많다. 전파 속도는 약 1.5km/s로 물 속에서의 음파 속도와 동일하다.^[44] 비교적 진원 깊이가 얕은 해저지진 뿐 아니라 깊이 300km 이상의 심발지진에서도 T파가 발생한다.

T파의 관측 사례는 다음과 같다.

2008년 7월 24일 발생한 이와테현 연안북부 지진(M6.8) 발생 약 50분 후 지속시간이 길고 특정한 위상을 갖지 않은 지진동이 도호쿠 지방에서 광범위하게 관측되었는데, 이 진동은 T파가 진원에서 동쪽으로 약 2000km~2500km 떨어진 하와이-엠페러 해저산열에서 반사되어 들어온 것으로 확인되었다.^[45]
2017년 포항 지진 당시에도 수중글라이더에 있는 하이드로폰을 통해 주파수 약 10 Hz의 T파를 관측했다.^[46]
2023년 10월 9일 도리시마 근해의 군발 지진에서 진원 부근을 파원으로 하는 T파(수중 음파)가 최소 14회 해저 지진계에 의해 관측되었고, 미야자키현과 가고시마현 연안에서는 이 T파에 의해 진도 1~2의 흔들림이 13회 관측되었다.^[20] 이때, 해저 수압 어레이 관측에서는 T파의 파원에 대응할 수 있는 쓰나미가 1시간 반에 걸쳐 10회 이상 발생했다.

2. 2. 표면파

표면파는 지구 표면을 따라 전파되는 지진파로, 기계적 표면파의 일종이다. 지표면에서 멀어질수록 세기가 급격하게 감소한다.^[47] P파나 S파와 같은 실체파보다 훨씬 느리게 이동하며, 큰 규모의 지진에서는 진폭이 수 cm에 달하기도 한다.^[47]

표면파에는 레일리파와 러브파가 있다. 레일리파는 지표면을 잔물결처럼 이동시키고, 러브파는 수평으로 편광된 전단파(SH파)이다.

2. 2. 1. 레일리파

레일리파는 그라운드 롤(ground roll)이라고도 부르며, 수면 위의 파도와 비슷하게 지표면을 잔물결처럼 이동하는 파동이다. 1885년 영국의 물리학자인 제3대 레일리 남작 존 윌리엄 스트럿(레일리 경)이 처음으로 그 존재를 밝혀냈다.^[48] 레일리파는 실체파보다 느리게 이동하며, 일반적인 균질한 탄성매질에서 실체파인 S파의 속도와 비교할 경우 대략 90%의 속도로, 깊이 100 m 미만의 지표면에서는 대략 50–300 m/s의 속도로 이동한다. 지각과 상부 맨틀과 같이 층이 존재하는 매질에서의 레일리파 전파 속도는 그 주파수와 파장에 따라 달라진다. 램파도 같이 참고할 수 있다. 레일리파는 전파될 때 지면이 수직으로 타원운동을 하며, 지면의 운동 방향은 전파 방향과 반대이다.

2. 2. 2. 러브파

러브파는 층상 매질에서만 존재하는 수평 편광된 전단파(SH파)이다.^[9] 이 파는 1911년 수학적 모델을 만들었던 영국의 수학자 어거스터스 에드워드 허프 러브(Augustus Edward Hough Love)의 이름을 따서 명명되었다.^[10] 러브파는 일반적으로 레일리파보다 약간 빠르게 이동하며, S파 속도의 약 90% 정도이다. 지면에 수평 전단력을 가하는 표면파로,^[23] 1911년에 영국의 수학자·물리학자 어거스터스 러브에 의해 이론적으로 증명되었다. 지표면에 평행하게, 진행 방향에 대해 수직으로 진동한다.

2. 2. 3. 스톤리파

스톤리파는 고체-유체 경계면 또는 특정 조건에서 고체-고체 경계면을 따라 전파되는 경계파(계면파)의 일종이다.^[51] 진폭은 두 접촉 매질의 경계면에서 최대값을 가지며 경계에서 멀어질수록 지수적으로 감소한다. 스톤리파는 유체로 채워진 착정벽을 따라 생성될 수 있는데, 이는 수직탄성파탐사(VSP)에서 중요한 일관된 잡음의 원인이 되고 음파탐사의 저주파 성분을 구성한다.^[51] 이 방정식은 케임브리지 대학교 지진학과 명예교수인 로버트 스톤리(Robert Stoneley, 1894–1976) 박사가 처음으로 제시하였다.^[52]^[53]

2. 3. 자유진동

지구자유진동은 서로 반대 방향으로 이동하는 두 표면파가 만나 서로 간섭하여 발생하는 일종의 정상파이다. 레일리파의 간섭은 구형진동 S를, 러브파의 간섭은 환상형진동 T를 만들어낸다.^[33]

구면 진동 ₀S₂의 운동 모식도. 점선은 절점(영점) 선을 나타내고, 화살표는 운동 방향을 나타낸다.

자유진동의 모드는 _nS_l^m와 같이 3개 계수로 구분할 수 있는데, 여기서 l은 각차수(혹은 구면 조화 정도), m은 방위각차수이다. m은 −''l''에서 +''l''까지 2''l''+1개의 값을 가질 수 있다. n은 원심각차수이다. 이는 구 반경에 n개의 마디가 존재하는 파동이라는 의미이다. 구대칭인 지구의 경우에는 주어진 n과 l의 주기가 m과 관련이 있지 않다.^[33]

구형 자유진동의 대표적인 예로는 지구 전체가 팽창과 수축을 반복하며 주기가 약 20분인 호흡모드 혹은 풍선모드 ₀S₀과, 두 방향을 번갈아가며 늘어났다 줄어들었다를 반복하는 주기 약 54분의 럭비모드 혹은 풋볼모드 ₀S₂가 있다. ₀S₁ 모드의 경우에는 지구 무게중심의 변화를 수반하는 외력이 필요하기 때문에 지진만으로는 발생하지 않는다.^[33]

기본 환상형 자유진동 모드 중 ₀T₁은 지구 자전속도의 변화를 말하지만 그 변화속도는 굉장히 느리기 때문에 일반적인 지진학에서는 큰 의미를 가지지 않는다. 트위스트모드 ₀T₂ 모드는 북반구와 남반구가 서로에 대해 비틀어지는 운동으로 주기는 약 44분이다.^[33]

지구자유진동을 처음으로 확실하게 관측한 지진은 1960년 칠레 발디비아 지진 (모멘트 규모 M_w 9.5)이다.^[33] 현재는 수천 가지 주기를 가진 특유의 자유진동을 발견했으며 이런 자유진동 데이터는 지구 내부의 큰 구조를 이해하는 데 사용된다.^[33]

2. 4. 코다파

지진계에서 관측한 지진파의 모습. 녹색선의 S파 도달 이후에 매우 강력한 진동을 관측한 이후에도 뒤에 길게 작은 진폭의 코다파가 관측된다.

진원과 진앙거리가 200km 미만인 가까운 거리에서 관측한 지진^[54]에서 S파 뒤에 관측되는 지진파는 표면파가 아니라 코다파(Coda Wave)에 해당한다. 코다파는 지구 내부의 국지적인 불균일성으로 지진파가 산란되어 발생하는 지진파이다.^[55]

지구 내부는 일반적으로 균질하지만 국지적으로는 밀도가 매우 높거나 낮은 지역이 불균일하게 분포할 수 있으며, 이러한 불균일성은 지표면에 가까워질수록 심해진다.^[54] 지진파가 전파되면서 이런 불균일 지역에 닿으면 상호작용하며 산란 현상이 발생하는데, 이 과정에서 발생하는 후속파를 코다파라고 부른다. 코다파의 길이는 지진파가 열에너지로 소산되는 정도와 관련이 있다. 예를 들어 달에서 발생하는 월진의 경우 강성이 낮고 열에너지로 소산되는 정도가 적기 때문에 코다파의 길이가 매우 길다.^[54]

지진학 연구 초창기에는 지진을 관측할 때 코다파를 배경소음으로 간주하는 경우가 많았다. 일본의 지진학자인 아키 게이티(安藝敬一)가 처음으로 코다파를 분류하고 이를 응용하기 시작했다.^[55] 지진파에서 이렇게 이질적인 코다파 연구를 통해 특정 지역의 지질을 연구하는 데 사용할 수 있다.^[56] 진원 거리가 200-300km인 지진일 경우 S파 뒤의 코다파를 종종 S코다파(S-Coda)로, P파 뒤의 코다파를 P코다파(P-Coda)라고 부른다.^[55]

3. 지구 맨틀과 핵에서의 P파와 S파

실체파는 지구 내부를 전파하는 지진파로, 매질의 밀도와 영률에 따라 경로가 결정된다. 밀도와 영률은 온도, 암반 성분, 물질의 상에 따라 달라지며, 이는 전자기파의 굴절과 유사하다. 실체파에는 P파(Primary wave)와 S파(Secondary wave) 두 가지 유형이 있으며, 1830년 프랑스 수학자 시메옹 드니 푸아송이 처음 구분했다.^[36]

P파는 종파이며 압력파의 성질을 가진다. 모든 유형의 물질을 통과할 수 있고, S파보다 평균 1.7배 빠르다. 지구 지각에서 평균 5-8 km/s, 하부 맨틀에서 약 13.5 km/s, 내핵에서 11 km/s 속도로 이동한다.^[39]

S파는 횡파이며 전단파의 성질을 가진다. S파는 고체만 통과할 수 있으며, 액체와 기체에서는 전단응력이 없어 전파되지 않는다.^[41]^[42] P파보다 느리며, 보통 특정 매질에서 P파 속도의 약 60%이다. S파가 지구 외핵에서 사라지는 것은 외핵이 액체 상태임을 의미한다.^[43]

3. 1. 암영대

지진이 발생할 경우 진원 인근의 지진계에서는 P파와 S파를 모두 기록할 수 있지만, 이보다 더 먼 거리에 있는 지진계는 더 이상 최초의 S파 고주파를 감지할 수 없다. 다시 말해 S파는 진원지로부터 104°(약 11570km) 떨어진 곳에서부터는 이를 감지할 수 없다.^[57]^[58] 이 현상은 전단파가 액체를 통과할 수 없기 때문에 발생하는 현상으로, 리차드 딕슨 올덤은 이 현상을 통해 지구가 액체 상태의 외핵을 가지고 있음을 증명했다. 또한 P파의 경우에도 지구 외핵과의 반사와 굴절로 인해 104°에서 140° 사이 지역(대략 11570km~15570km 거리)에서는 감지되지 않으며, 이 때문에 지진이 발생했음에도 지진을 감지할 수 없는 영역을 지구의 암영대라고 부른다.^[59]^[60] 이후 잉게 레만은 P파 암영대 사이인 110° 정도의 영역에서 내핵의 반사로 인해 P파가 일부 약하게 도달할 수 있음을 발견했다.

4. 표기법

진원에서 관측 지점 사이까지 지진파가 이동하는 경로는 파선도(ray diagram)로 그릴 수 있다. 오른쪽 그림은 대표적인 파선도의 예시이다. 반사를 고려하면 두 지점 사이를 이동하는 지진파의 경로는 무한히 많다. 각 지진파의 경로는 지구를 통과하는 궤적과 위상을 나타내는 일련의 문자로 이름을 붙일 수 있다. 일반적으로 대문자는 투과파를, 소문자는 반사파를 나타내지만, g, n과 같은 예외도 있다.^[61]^[62]

문자	설명
c	외핵에서 반사된 파
d	깊이 d의 불연속면에서 반사된 파
g	지각만 통과한 파
i	내핵에서 반사된 파
I	내핵의 P파
h	내핵의 불연속면에서 반사된 파
J	내핵의 S파
K	외핵의 P파
L	러브파, LT파라고도 부름(전부 대문자이며 Lt파는 다른 파임)
n	지각과 맨틀 사이 경계를 따라 이동하는 파
P	맨틀의 P파
p	진원에서 표면으로 올라오는 P파
R	레일리파
S	맨틀의 S파
s	진원에서 표면으로 올라오는 S파
w	해저 표면에서 반사된 파
	표면에서 파가 반사될 경우에는 문자를 쓰지 않음

예를 들어,

'''ScP'''파는 지구 중심을 향해 S파 형태로 이동하는 파동이다. 이 파동은 외핵에 도달해서 P파로 반사된다.
'''sPKIKP'''파는 지표면을 향해 이동하는 S파이다. 표면에서 P파로 반사된 후 이 P파가 외핵, 내핵, 외핵, 맨틀을 통과해 이동했다. (P파가 내핵에 입사해 S파로 상전환해 내핵을 통과한 후 다시 P파로 상전환해 외핵을 통과하는 현상이 발견되어 가능한 파동이다.)

일부 약어도 존재한다. PKJKP(내핵을 통과해 반대편에 도달한 P파)는 P1′로, PKP(외핵을 통과해 반대편에 도달한 P파)는 P2′라고 부른다.

5. P파와 S파의 전환

지진파는 종파인 P파와 횡파인 S파로 나뉜다. P파는 모든 유형의 물질을 통과할 수 있지만, S파는 전단응력이 존재하지 않는 유체(기체)를 통과하지 못하고 고체만 통과할 수 있다.^[41]^[42] 이러한 성질 때문에 P파와 S파는 매질의 불연속면을 통과할 때 상호 전환이 발생할 수 있다.^[63]

5. 1. 전환파 분석

지진이 발생하면 지진파가 땅 속 깊은 곳으로 방출된다. 지진파가 매질의 불연속면(고체-액체인 맨틀과 외핵의 계면)을 통과할 때 지진파로 유발된 질점의 진동 방식이 전환될 수 있다. 불연속성이 특히 뚜렷한 지역에서는 진동 방식의 변화가 매우 뚜렷해 종파의 일부가 횡파가 되고, 횡파의 일부가 종파가 될 수 있다.^[63] 이 결과 발생한 파동을 전환파(Converted-wave)라고 부른다.

지구 내부에서 가장 중요한 불연속면은 고체인 맨틀과 액체인 외핵의 경계인 구텐베르크 불연속면, 외핵과 고체인 내핵의 경계인 레만 불연속면이다. 지진파 중에 S파는 횡파이기 때문에 액체인 외핵에서는 S파가 존재할 수 없으며, 지진파가 그 아래쪽으로 전파되려면 S파가 무언가에서 무로 변환된 다음 무에서 다시 유로 변환되어야 한다. 이 경우 모든 에너지 전달은 P파가 S파의 모든 에너지를 전달받는 C파로 변환되어야 한다.^[63]

C파 전이를 설명하면 다음과 같다. P파가 이동하다가 다른 매질과의 계면을 만나면 수직으로 입사된 게 아닌 이상 어느 정도는 계면 질점이 수직 방향과 수평 방향 양쪽으로 움직인다. S_H파(수평 S파)의 질점 운동은 계면 통과 이후에도 변하지 않지만, S_V파(수직 S파)의 질점 운동은 다시 계면을 만난다면 질점운동이 다시 수직으로 변하므로 P파와 동일하다고 볼 수 있다. 따라서 지진파가 지하로 갈 때 P파가 S파가 되거나, S파가 P파가 될 수 있다.^[64]

이러한 지진파의 상호변환은 지구물리학적으로 큰 의미를 가진다. 지구의 외핵은 액체이기 때문에 지각에서 들어오는 S파는 이 외핵 장벽을 통과할 수 없지만 과학자들은 지구 내핵에서 S파가 활동한다는 징후를 감지했다. 일반적으로는 이런 S파는 외핵과 내핵 경계에서 P파가 전환되어 형성된 S파라는 이론이다. 하지만 P파에서 SV파로, 다시 P파로 전환되는 과정에서 에너지 감쇠가 매우 커서 이 이론의 타당성을 측정하고 증명하는 방법에 대해서 지진학자 사이에서 논쟁이 계속되고 있다.^[65]

6. 주시곡선

주시곡선(走時曲線)이란 지진이 발생한 뒤 지진파의 전파 거리와 그 시간과의 함수 관계를 나타내는 곡선이다.^[66] 이를 이용하면 지구의 내부 구조를 아는 단서를 얻을 수 있다.

예를 들어, 지진파의 속도가 낮은 지층(지진파의 속도 v₁)이 위에 있고 속도가 높은 지층(지진파의 속도 v₂)이 아래에 있는 지역에서 하부 지층으로 굴절하는 지진파는 스넬의 법칙에 따라 입사파에 대해 경계면 쪽으로 더 큰 각도로 굴절한다. 여기서 이 굴절파가 입사각이 커져 특정한 값을 가지게 되면 경계면을 따라 큰 속도로 전파된다. 이런 굴절파를 임계 굴절파 혹은 선두파라고 한다. 위의 지층에서는 진원과 가까운 점에서는 지면을 따라 이동하는 직접파가 더 빠르게 가지만, 점점 거리가 멀어질수록 하부 지층에서 굴절하는 지진파가 더 빠르게 도착하게 된다. 이를 통해 상부 지층과 하부 지층의 경계 깊이를 알 수 있다.

7. 속도 계산식

고체 물질에서 P파와 S파의 속도 ''V_P''와 ''V_S''는 다음과 같이 주어진다.^[17]

$V_P = \sqrt{\frac{k + \frac{4}{3}u}{p}}$
$V_S = \sqrt{\frac{u}{p}}$

이 식에서 p는 밀도이고, 탄성 계수 k와 u는 각각 체적 탄성률(혹은 비압축률)과 전단 계수(강성률)이다. 탄성 계수는 물질이 응력을 받을 때 일어나는 변형률의 정도를 나타낸다. 체적 탄성률은 어떤 물체에 모든 방향에서 작용하는 균등한 압축력이 P에서 P'로

\Delta p

만큼 증가해 체적 V가 V'로

\Delta V

만큼 감소할 때 압축력의 변화

\Delta p

대 체적 변화율

\frac{\Delta V}{V}

의 비이다.

k = \frac{\Delta p}{\frac{\Delta V}{V}}

길이가 L인 정육면체의 윗면이 면에 평행한 전단력 F를 받는 경우, 전단 응력은 전단력 F를 이 힘이 가해진 면적 A로 나눈 값이다.(

\frac{F}{A}

) 전단 응력에 의해 정육면체에 전단 변형

\Delta L

이 발생한다. 전단 계수는 전단 응력 대 전단 변형률의 비이다.(

\frac{\Delta L}{L}

)

u = \frac{\frac{F}{A}}{\frac{\Delta L}{L}}

P파의 속도는 항상 S파보다 크다. 또 탄성 계수가 클수록 지진파의 속도는 증가한다. 유체의 경우 전단력에 대한 저항력이 전혀 없으므로(

\Delta V = \infty

) 강성률이 없어지고(

u = 0

)

V_S = 0

이 된다. 즉, S파는 유체를 통과할 수 없다.

P파의 속도 ''V_p''는 다음 식으로 나타낼 수 있다(단,

\lambda

,

\mu

는 탄성체의 라메 상수,

\rho

는 밀도).

:

V_p = \sqrt{\frac{(\lambda + 2 \mu)}{\rho}}

S파의 속도 ''V_s''는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

:

V_s = \sqrt{\frac{\mu}{\rho}}

8. 지진파 도달 시간과 진원거리

존 밀린은 1880년대 여러 지진파들의 전파 시간을 진원과 지진 관측소 사이 거리에 대해 표시하여 진원거리를 각 지진파의 도달 시간차에 따라 결정할 수 있다고 생각했다. 또한 3개 이상 관측소에서 P파와 S파의 도달 시간을 알면 진원거리를 구하고 이를 통해 지진의 진원을 정확하게 결정할 수 있다는 사실을 발견했다.^[1] 다만, 단순 도달 시각과 진원거리 사이 관계는 1892년 유고슬라비아의 기상학자인 모호로비치치가 진앙거리 200 km를 기준으로 속도가 더 빨라지는 지층(현재는 맨틀로 밝혀짐)에서 굴절되어 더 빠른 속도로 전파된 지진파가 진원에서 직선으로 향하는 지진파보다 먼저 도착하기 때문에, 진원과 지진 관측소가 200 km 이상으로 너무 멀어진다면 진원거리를 정확하게 재기 어렵다.^[2]

지각이 균질하다고 가정하고 P, S파의 속도를 각기 $V_P$ 와 $V_S$ 라 하고, 시간 $T_0$ 에 지표에서 발생해 진원거리 L인 지점에 P, S파가 시각 $T_P$ 와 $T_S$ 에 도달했다고 할 때, 지진파 도달과 진원거리 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다.^[3]

$T_P = \frac{T_0 + L}{V_P}$
$T_S = \frac{T_0 + L}{V_S}$

이 식을 정리하면

$L = (\frac{(T_P - T_S)V_S*V_P}{(V_P - V_S)})$

T_P - T_S

는 S파와 P파의 도달 시간의 차이(PS시)이다. 진원거리는 지진파 도달 시간의 차에 비례한다.

지진의 진원/진앙은 적어도 세 곳 이상의 서로 다른 지점에서 얻은 지진 자료를 이용하여 계산한다. 진원/진앙은 일본, 호주, 미국에 표시된 세 개의 관측소를 중심으로 하는 세 개의 원의 교점에서 찾을 수 있다. 각 원의 반지름은 해당 관측소에서 P파와 S파의 도착 시간 차이로 계산된다.

근거리 지진의 경우, P파와 S파의 도착 시간 차이를 이용하여 지진 발생 지점까지의 거리를 결정할 수 있다. 전 세계적인 거리에서 발생한 지진의 경우, P파 도착 시간을 기록하는 세 개 이상의 지리적으로 다양한 관측소(공통 시계 사용)를 사용하면 지진 발생 시간과 위치를 지구상에서 고유하게 계산할 수 있다.

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200km 미만 거리에 있는 지진파 발생 지점까지의 거리를 빠르게 결정하는 방법은 P파와 S파의 도착 시간 차이를 초 단위로 측정하고 초당 8km를 곱하는 것이다. 현대적인 지진계 네트워크는 더 복잡한 지진 위치 측정 기술을 사용한다.

원거리 지진의 경우, 가장 먼저 도착하는 P파는 지구 내부 맨틀 깊숙이 이동했고, 지구 외핵으로 굴절되었을 가능성도 있으며, 그 후 지진계가 위치한 지표면으로 다시 이동한다. 이 파는 지진에서 직선으로 이동했을 때보다 더 빠르게 이동한다. 이는 지구 내부의 속도가 현저하게 증가하기 때문이며, 호이겐스 원리라고 한다. 지구의 밀도는 깊이에 따라 증가하여 파의 속도를 늦추지만, 암석의 탄성률은 훨씬 더 크게 증가하므로, 더 깊은 곳은 더 빠르다. 따라서 더 긴 경로가 더 짧은 시간이 걸릴 수 있다.

정확한 진원을 계산하기 위해서는 전파 시간을 매우 정확하게 계산해야 한다. P파는 초당 수 킬로미터로 이동하므로, 전파 시간 계산에서 0.5초만 차이가 나더라도 거리 측면에서 수 킬로미터의 오차가 발생할 수 있다. 실제로는 많은 관측소의 P파 도착 시간을 사용하고 오차가 상쇄되므로, 계산된 진앙은 전 세계적으로 약 10~50km 정도의 정확도를 가질 가능성이 높다. 캘리포니아에 있는 것과 같은 근접한 센서의 밀집된 배열은 약 1km의 정확도를 제공할 수 있으며, 상호상관을 통해 지진파 파형을 직접 측정하면 훨씬 더 높은 정확도를 얻을 수 있다.

9. 저기압에 의한 지진파 발생

P파와 S파는 지진뿐만 아니라 매우 발달된 저기압(폭탄 저기압)에 의해서도 발생한다.^[32]

10. 공기 진동

지진동에 의한 쓰나미나 지면의 진동으로 지구 대기가 장주기로 진동하여 음파로 전파되는 파동으로, '''대기압파'''(Infrasound) 또는 '''지진음파'''라고 불린다.^[25]^[26] 지진 발생 시에는 '''레일리파'''나 지면이 스피커가 되는 현상에 의해 발생한다.^[27] 이 현상은 지진뿐만 아니라 화산의 폭발적 분화,^[28] 핵폭발,^[29] 거대 운석의 폭발에 의해서도 발생하며, 1883년 크라카토아 폭발이 최초 관측 사례로 여겨진다.^[30] 지진음파가 상공의 대기 및 전리층까지 흔드는 점에 착안하여 쓰나미 조기 경보 시스템에 응용할 수 있다고 주장하는 연구자도 있다.^[26]^[31]

참조

_[1] 저널 The Earth's mantle http://rallen.berkel[...] Macmillan Magazines
_[2] 문서 Shearer (2009) Introduction
_[3] 문서 Shearer (2009) Chapter 8 http://mahi.ucsd.edu[...]
_[4] 서적 An Introduction to Seismology, Earthquakes, and Earth Structure John Wiley & Sons 2009-04-01
_[5] 저널 Mémoire sur la propagation du mouvement dans les milieux élastiques https://www.biodiver[...] 1831
_[6] 웹사이트 Seismic Waves http://www.burkemuse[...] Burke Museum of Natural History and Culture 2019-03-24
_[7] 서적 Geophysics Field Measurements https://books.google[...] Academic Press 1987
_[8] 저널 On waves propagated along the plane surface of an elastic solid https://babel.hathit[...] 1885
_[9] 서적 Exploration Seismology Cambridge University Press
_[10] 서적 Some problems of geodynamics; … https://archive.org/[...] Cambridge University Press 1911
_[11] 웹사이트 Schlumberger Oilfield Glossary. Stoneley wave. http://www.glossary.[...] 2012-03-07
_[12] 저널 Elastic waves at the surface of separation of two solids 1924-10-01
_[13] 웹사이트 Robert Stoneley, 1929 – 2008. Obituary of his son with reference to discovery of Stoneley waves. http://www.geolsoc.o[...]
_[14] 저널 The IASPEI Standard Seismic Phase List https://pubs.geoscie[...] 2003-11-01
_[15] 서적 An introduction to the theory of seismology Cambridge University Press 1985
_[16] 서적 학술용어집 지진학편 일본학술진흥회
_[17] PDF 지진파에서 본 자연지진과 폭발의 식별에 관하여 http://www.cpdnp.jp/[...] 일본기상협회 2010-09-09
_[18] PDF 일본지진학회 홍보지 「나이후루」 Vol.75 http://www.zisin.jp/[...] 일본지진학회
_[19] PDF 고밀도 지진관측망에서 밝혀진 T파 에너지의 국재화와 그 원인 https://wwweic.eri.u[...]
_[20] 웹사이트 조류 근해의 지진 활동 평가 https://www.static.j[...] 지진조사위원회 2023-11-10
_[21] 저널 Enigmatic tsunami waves amplified by repetitive source events in the southwest of Torishima Island, Japan 2023-10-31
_[22] 서적 지진학 교립출판
_[23] 웹사이트 러브파 https://www.eri.u-to[...] 도쿄대학 지진연구소 수리계 연구부문
_[24] 웹사이트 레일리파 https://www.eri.u-to[...] 도쿄대학 지진연구소 수리계 연구부문
_[25] 문서 데이터 동화 및 응용 https://doi.org/10.1[...] 제59회 이론응용역학강연회 강연논문집 세션ID: 3D07
_[26] PDF 지진음파 데이터 동화 시스템 개발 http://www.ism.ac.jp[...] 통계수리연구소 통계수리 (2013) 제61권 제2호 257 – 270
_[27] PDF 2003년 도카치 앞바다 지진의 지반에 따른 대기압력 변동 발생 http://www2.jpgu.org[...] 일본 지구행성과학연합 학술대회 2004년, S043-008
_[28] 저널 세인트헬렌스 산의 1980년 5월 18일 대분화에 의한 기압파 https://doi.org/10.1[...] 1982
_[29] 저널 핵실험에 수반하여 발생한 지진파 및 미기압파의 장주기 지진계에 의한 관측 https://doi.org/10.4[...]
_[30] 저널 대지진, 해일, 화산 대분화 등에서 발생한 기압파 https://doi.org/10.4[...]
_[31] 문서 지진에 의해 여기된 전리층 변동의 모델링 https://doi.org/10.1[...] 제61회 이론응용역학강연회 강연논문집 세션ID: OS04-03
_[32] PDF 대서양의 폭탄 저기압에 의해 여기된 맥동 실체파 https://www.eri.u-to[...] 도쿄대학 지진연구소
_[33] 문서 Shearer (2009) Chapter 8 http://mahi.ucsd.edu[...]
_[34] 서적 An Introduction to Seismology, Earthquakes, and Earth Structure John Wiley & Sons 2009-04-01
_[35] 저널 The Earth's mantle http://rallen.berkel[...] Macmillan Magazines
_[36] 저널 Mémoire sur la propagation du mouvement dans les milieux élastiques https://www.biodiver[...] 1831
_[37] 서적 Field Geophysics https://books.google[...] John Wiley and Sons 2010-02-25
_[38] 웹인용 Acoustic Logging http://www.epa.gov/e[...] U.S. Environmental Protection Agency 2015-02-03
_[39] 저널 Preliminary reference Earth model
_[40] 웹사이트 S wave https://earthquake.u[...]
_[41] 저널 Measurement of viscosity and shear wave velocity of a liquid or slurry for on-line process control 2002-08
_[42] 웹인용 Do viscous fluids support shear waves propagation? https://www.research[...] 2019-12-06
_[43] 웹인용 Seismic Waves http://www.burkemuse[...] Burke Museum of Natural History and Culture 2019-03-24
_[44] 간행물 日本地震学会広報誌「なゐふる」Vol.75 http://www.zisin.jp/[...] 日本地震学会 2016-03-04
_[45] 간행물 小菅正裕、橋本一勲：高密度地震観測網で明らかになったT波エネルギーの局在化とその原因 http://wwweic.eri.u-[...]
_[46] 저널 https://www.mdpi.com[...] 2023-06-14
_[47] 서적 Geophysics Field Measurements https://books.google[...] Academic Press 1987
_[48] 저널 On waves propagated along the plane surface of an elastic solid https://babel.hathit[...] 1885
_[49] 서적 Exploration Seismology https://archive.org/[...] Cambridge University Press
_[50] 서적 Some problems of geodynamics; … https://archive.org/[...] Cambridge University Press 1911
_[51] 웹사이트 Schlumberger Oilfield Glossary. Stoneley wave. http://www.glossary.[...] 2012-03-07
_[52] 저널 Elastic waves at the surface of separation of two solids 1924-10-01
_[53] 웹사이트 Robert Stoneley, 1929 – 2008.. Obituary of his son with reference to discovery of Stoneley waves. http://www.geolsoc.o[...]
_[54] 서적 基礎地球科學上全華出版社
_[55] 저널 地震學百科知識（十二）── 地震波散射 https://websites.pmc[...] 2019-01-13
_[56] 저널 Coda waves: A review https://www.research[...] 2019-01-10
_[57] 웹인용 Why can't S-waves travel through liquids? https://www.earthobs[...] 2021-12-10
_[58] 저널 Measurement of viscosity and shear wave velocity of a liquid or slurry for on-line process control https://linkinghub.e[...] 2002-08
_[59] 웹인용 CHAPTER 19 NOTES Earth's (Interior) https://uh.edu/~geos[...] 2021-12-10
_[60] 웹인용 Earthquake Glossary https://earthquake.u[...] 2021-12-10
_[61] 서적 An introduction to the theory of seismology https://archive.org/[...] Cambridge University Press 1985
_[61] 서적 International handbook of earthquake and engineering seismology. Academic Press 2002
_[62] 웹인용 IASPEI standard phase list http://www.isc.ac.uk[...] International Seismological 2019-04-07
_[63] 콘퍼런스 Imaging Through Gas Using 4-Component, 3D Seismic Data: A Case Study From The Lomond Field 2000-05-01
_[64] 저널 Theoretical Amplitudes of the Seismic Phase PKJKP
_[64] 웹인용 穿越的地震波，怎麼會轉性了？ http://webarchive.nc[...] 泛科學 2013-10-25
_[65] 웹인용 穿越的地震波，怎麼會轉性了？ http://webarchive.nc[...] PanSci 泛科學 2013-10-25
_[66] 웹인용 https://www.sciencea[...] 2021-05-27

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