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지진 예측

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목차

1. 개요

지진 예측은 지진 발생 시기, 장소, 규모를 예측하는 것을 의미하며, 장기적인 발생 확률을 포함하기도 한다. 전통적으로는 단기, 장기, 직전 예측으로 구분되었으나, 2009년 IASPEI와 일본지진학회는 결정론적 예측을 '지진 예지', 결정론적 예측과 확률론적 예보를 통칭하여 '지진 예측'으로 정의했다. 지진 예측의 평가는 통계적 가설 검정을 통해 이루어지며, 진양성, 위양성, 위음성, 진음성으로 분류된다. 지진 예측에는 여러 방법이 시도되었지만, 현재까지 성공적인 예측 사례는 드물며, 지진 발생 메커니즘의 복잡성, 탄성반발 이론의 불확실성 등으로 인해 어려움이 있다.

2. 지진 예측의 정의 및 분류

2. 1. 전통적 정의

전통적으로 지진 예측은 지진이 언제, 어디서, 어느 정도의 규모로 발생할지를 지진 발생 전에 미리 제시하는 것이었다. 즉, 발생 시기, 발생 장소, 규모의 세 가지 요소를 예측하는 것이었다.[283][284][285]

하지만 지진 예측 연구가 진행되고 다양화됨에 따라 장기적인 발생 확률도 “지진 예측”이라고 부르는 경향이 확산되었다. 장기적인 발생 확률은 경보와 같은 긴급성을 가지지 않고 정보 활용 방식이 결정적으로 다르기 때문에 “지진 예측”으로 묶어서 논의하면 이야기가 맞지 않는다는 문제가 발생했다. 따라서 예측 기간에 따라 구분하는 경우가 있었다.[283][284][285]

예측 정보를 입수하면 응급적인 피해 회피 대응을 취하는 것, 예를 들어 “며칠 후에 지진이 발생한다”, “X월 X일에 지진이 발생한다”와 같이 좁은 범위(대략 지진 발생 수개월 이내)에서 시기를 특정하는 것을 “'''단기 예측'''”이라 한다. 일본 정부(日本国政府)의 지진조사연구추진본부(地震調査研究推進本部)가 제시하는 “30년 이내에 N%의 확률로 지진이 발생한다”와 같이 장기적인 것으로 건축물의 내진화 등 영구적인 대응에 도움이 되는 것을 “'''장기 예측'''” 또는 “장기 예측”으로 구분하는 것이 비교적 자주 사용되었다. 또한 단기 예측 중 지진 발생 2~3일 전에 예측하는 것을 “'''직전 예측'''”으로 더 구분하기도 했다.[283][284][285][292] 그 외에도 다른 기준에서 “장기 예측”, “중기 예측”, “단기 예측” 3구분 또는 “장기 예측”, “중기 예측”, “직전 예측” 3구분으로 하는 예도 있었다.[286][287][288]

또한 지진 예측 중 장기 예측에 한정하여 “지진 예측”과 구분하여 부르는 경우도 있었고, “지진 예측”과 “지진 예측”을 동의어로 사용하는 경우도 드물지 않았다.[289]

이와 같이 연구자나 전문가 사이에서도 용어가 통일되지 않아 혼란이 발생했다.[284][286][289]

2. 2. 새로운 정의 (IASPEI 및 일본지진학회)

2009년 이탈리아 라퀼라 지진에서 지진 예지 정보와 관련된 소동이 발생한 것을 계기로, 같은 해 국제지진학 및 지구내부물리학협회(IASPEI)는 "시민 보호를 위한 국제 지진 예측에 관한 검토 위원회(CCEP)"를 개최하였다. 이 위원회는 기존의 '지진 예지'를 '결정론적 예측'과 '확률론적 예보'로 구분했다.[290][291][292] 결정론적 예측은 경보 발령으로 이어질 수 있을 정도로 정확도가 높은 예측을 의미하며, 확률론적 예보는 확률로 표현되어 일상적으로 공표 가능한 예측을 의미한다.

IASPEI와 일본지진학회의 정의 차이
경보로 이어질 정도로 정확도가 높은 것확률로 표현되어 일상적으로 공표 가능한 것
IASPEI
(2009년)		"결정론적 예측"(deterministic prediction)"확률론적 예보"(probabilistic forecast)
일본지진학회
새로운 정의		style="border-right:hidden"|지진 예측
지진 예지style="border-top:hidden"|
일본에서의
종래의 정의		지진 예지
(직전 예지/단기 예지/중기 예지/장기 예지 등으로 구분)



일본지진학회는 IASPEI의 권고를 받아들여, 2012년 용어 재검토를 통해 결정론적 예측을 "지진 예지"로, 결정론적 예측과 확률론적 예보의 총칭을 "지진 예측"으로 정의했다.[283][284][285][292][293] 이에 따라 기존의 '단기 예측', '장기 예측' 등은 '지진 예측'의 하위 분류로 재정의되었다. CCEP는 결정론적 예측(지진 예지)은 현재로서는 매우 어렵지만, 확률론적 예보는 지진의 위험을 보여주는 수단으로서 사회적으로 유용하다고 제시했다. 일본지진학회의 재검토는 이러한 배경을 바탕으로, 지진 예지에 대한 오해를 줄이고 실용화된 장기 예측과 구분하기 위한 목적이었다.[283][284][285][292][293]

결정론적 “지진 예지”는 불충분한 정보를 바탕으로, 많은 불확실성 요소가 있는 가운데, 시간적 제약을 받으면서 수행해야 하며, 과학적 판단 이외의 정치적·행정적 판단 등이 요구된다[319]. 린드(A.G.Lindh, 1991)는 이것을, 결정론적 “지진 예지”[298]는 “일반적인 과학적 판단보다 의사나 장군이 내리는 판단과 닮았다”고 말하고 있다[297]. 한편, 지진 발생 후 전달하는 지진 조기경보 시스템(긴급 지진 속보)는 지진 예측·예지에 포함되지 않는다.[289]

2. 3. 주의점: 정보의 적절성

지진 예측을 고려할 때, 예측의 3요소(발생 시간, 발생 장소, 규모)가 모두 명확해야 한다. 이 중 하나라도 모호하면 활용하기 어렵다.[294] 예를 들어 "일본 어딘가에서", "향후 1년 이내"와 같이 범위가 넓거나 기간이 길면 현실적인 대책을 세우기 어렵다. "내일 도쿄에서 지진이 발생한다", "도쿄에 대지진이 발생한다"와 같이 3요소 중 하나라도 빠져도 예측 범위가 무한정 넓어진다.[294] 또한, 규모가 명확하더라도 피해를 야기하지 않는 작은 규모라면 의미가 없다.[283][284][285][295]

웹페이지나 잡지 등에 넘쳐나는 "지진 예측" 정보는 다음 사항들을 객관적으로 검토해야 한다.[296]

  • "예측"의 근거가 되는 데이터의 관측 기간이 충분한가?
  • 지진과 이상 현상의 관련성을 설명하는 가설이 있고, 그 가설이 일반적인 과학 법칙을 따르는가?
  • 가설과 "예측"이 제삼자에 의해 검증 가능한가?
  • 문의처가 명시되어 있는가?


1983년 유네스코(UNESCO)와 국제지진·화산물리학회(IASPEI)는 11개국 전문가가 참여하는 토론회를 개최하고 "지진 예측 헌장"이라고도 할 수 있는 예측 지침을 제시했다.[319] 이는 #사회적 혼란 단원에서 언급된 그리스, 멕시코, 페루의 사례가 큰 계기가 되었다.[408]

  • 지진 발생을 장소, 시기, 규모에 관한 확률적 기댓값으로 표현하도록 노력한다.
  • 예측을 수행하는 자는 지진학계의 적절한 지지를 얻어야 한다.
  • 예측 정보를 직접 매스미디어에 전달하는 것은 불필요한 혼란을 야기할 수 있으므로, 해당 정부 기관에 먼저 제공해야 한다.
  • 외국 지역 예측을 수행하는 경우, 연구 시작 전에 사회적·정치적 영향에 대해 신중하게 고려해야 한다. 해당 국가 과학자의 협력을 요청하는 것이 이상적이지만, 최소한 과학자나 행정 담당자가 연구 진전을 파악할 수 있도록 배려해야 한다.


그러나 IASPEI 위원회로 개최된 "시민 보호를 위한 국제 지진 예측에 관한 검토 위원회(CCEP)"의 권고에서는, 상기 구체적인 절차가 아직 확립되지 않았다는 것이 명시되어 있다.[290] 지금까지의 연구에서는 대지진이 고확률로 발생할 것이라고 예측되는 환경 하에서 판단을 내리는 것이 가정되었지만, 현황은 그러한 결정론적 예측을 할 수 있는 수준에 이르지 못하고 있으며, 확률론적 예측만 통용되는 저확률 환경, 예를 들어 라퀼라 지진 직전과 같은 환경 하에서도 효과적인 방법을 확립해야 한다고 되었다.[290]

정부 기관이 권한을 가지고 정보에 신뢰성을 부여해야 한다는 주장이 있는 반면, 그러한 권한의 집중이 학자에 의한 독자적인 예측 방법 개발을 방해한다는 주장도 있다. 지진 예측 정보는 공적 기관이나 위원회 등에서 발신되는 것이라고 해도, 내용이 부정확하면 유포됨으로써 사회적 피해가 확대될 가능성이 있다. 라퀼라 지진에서는 이것이 실제로 문제가 되었다.

3. 지진 예측의 평가 방법

예측은 무작위 확률을 넘어 성공적인 것으로 나타날 수 있을 때 중요한 것으로 간주된다.[9] 따라서 통계적 가설 검정 방법을 사용하여 예측된 것과 같은 지진이 어쨌든 발생할 확률(귀무 가설)을 결정한다. 그런 다음 예측이 귀무 가설보다 실제 지진과 더 잘 상관관계가 있는지 테스트하여 예측을 평가한다.[10]

그러나 많은 경우 지진 발생의 통계적 특성이 단순히 동질적인 것은 아니다. 공간 및 시간 모두에서 군집이 발생한다.[11] 남부 캘리포니아에서는 M≥3.0 지진의 약 6%가 "5일 이내 및 10km 이내에서 더 큰 규모의 지진이 발생"한다.[12] 중부 이탈리아에서는 M≥3.0 지진의 9.5%가 48시간 이내 및 30km 이내에서 더 큰 규모의 지진이 발생한다.[13] 이러한 통계는 예측 목적에는 만족스럽지 않다(성공적인 예측마다 10~20회의 오경보 발생). 하지만 예를 들어 푸아송 과정에서 실현되는 것처럼 지진이 시간적으로 무작위로 발생한다고 가정하는 모든 분석 결과를 왜곡한다. 단순히 군집에만 기반한 "단순한" 방법이 지진의 약 5%를 성공적으로 예측할 수 있다는 것이 입증되었다. "우연보다 훨씬 낫다".[14]

단기 예측의 목적은 긴급 조치를 통해 사망자 수와 피해를 줄이는 것이므로, 실제로 발생하는 대규모 지진에 대한 경고를 하지 않거나 위험을 적절하게 평가하지 않으면 법적 책임 또는 심지어 정치적 숙청으로 이어질 수 있다. 예를 들어, 1976년 여름의 재앙적인 탕산 지진에 대한 과학적 예측을 무시했다는 이유로 중국과학원 회원들이 숙청되었다는 보고가 있다.[15] 2009년 라퀼라 지진 이후 이탈리아의 과학자와 기술자 7명이 과실치사 혐의로 유죄 판결을 받았다. 그러나 약 300명이 사망한 지진을 ''예측하지 못한 것'' 때문이라기보다는 인구에게 심각한 지진이 ''발생하지 않을 것이며'' 따라서 예방 조치를 취할 필요가 없다는 ''과도한 보장''을 제공했기 때문이다. 한 희생자는 이를 "마취"라고 불렀다.[16]

그러나 발생하지 않는 지진에 대한 경고에도 비용이 발생한다. 긴급 조치 자체의 비용뿐만 아니라 시민 및 경제적 혼란도 포함된다.[17] 취소된 경보를 포함한 오경보는 또한 향후 경고의 신뢰성과 효과를 약화시킨다.[18] 1999년 중국이 "대규모 지진 예측으로 인한 공황과 도시의 대규모 대피를 방지하기 위해 '허위' 지진 경고를 근절하기 위한 강력한 규정"을 도입했다고 보고되었다.[19] 이는 "지난 3년 동안 정확하지 않은 30건 이상의 비공식 지진 경고 ..." 때문이었다. 누락된 지진과 오경보 사이의 허용 가능한 절충안은 이러한 결과에 대한 사회적 평가에 따라 달라진다. 어떤 예측 방법을 평가할 때 발생률 모두를 고려해야 한다.[20]

1997년 그리스의 지진 예측 연구에 대한 비용편익 분석 연구[21]에서 스테이시스 스티로스는 (가상의) 우수한 예측 방법조차도 "도시 중심지의 조직적인 대피가 성공적으로 이루어질 가능성이 없으며", "공황 및 기타 바람직하지 않은 부작용도 예상할 수 있기 때문에" 사회적 유용성에 의문이 제기될 것이라고 제안했다. 그는 그리스에서 지진으로 인한 사망자 수가 연평균 10명 미만이며, 그러한 사망자 대부분이 식별 가능한 구조적 문제가 있는 대형 건물에서 발생했다는 사실을 발견했다. 따라서 Stiros는 안전하지 않은 건물을 식별하고 개선하는 데 노력을 집중하는 것이 훨씬 비용 효율적일 것이라고 말했다. 그리스 고속도로에서 사망자 수가 연평균 2300명 이상이므로 그는 그리스의 지진 예측 예산 전체를 도로 및 고속도로 안전에 사용했다면 더 많은 생명을 구할 수 있었을 것이라고 주장했다.[22]

예측 평가를 위한 분류[299][300][301]
colspan="2" rowspan="2"|관측 결과
예아니오
예측 결과예A. 진양성(TP)
적중, 성공		B. 위양성(FP)
제1종 오류
헛손질, 오경보
아니오C. 위음성(FN)
제2종 오류
실패		D. 진음성(TN)
정적, 정거절
평상시 상태



“경보가 적중했다”, “경보가 빗나갔다”, “경보 없이 지진이 발생했다”는 사례는 엄밀히는 이항 분류를 이용하여 오른쪽 표와 같이 분류할 수 있다.

지진 예측 방법이 어느 정도의 적중률과 정확도를 가지는지 평가하는 방법이 있다.[302]

여기서,


  • ''m'' : 예측된 대지진의 횟수. = 적중한 예측 정보를 제공한 횟수.
  • ''μ'' : 예측되지 않은 대지진의 횟수.
  • ''M'' : 대지진의 횟수. ''M''=''m''+''μ''.
  • ''n'' : 빗나간 예측 정보를 제공한 횟수.
  • ''F'' : 예측 정보를 제공한 횟수. ''F''=''m''+''n''.
  • ''τ'' : 경계 기간.
  • ''w'' : 예측 업무를 수행해 온 기간.
  • ''T'' : (경계 배율) ''T''=''w''/''μ''


이상의 매개변수를 설정했을 때, 다음과 같은 식이 적용될 수 있다.[302]

:예측 적중률 p = \frac{m}{F}

:예측률 q = \frac{m}{M}

적중률 ''p''의 저하는 예보의 헛손질이 늘어나는 것을 의미하며, 예측률 ''q''의 상승은 대지진의 누락이 줄어드는 것을 의미한다. 기준을 낮추면 앞서 설명한 대로 되고, 반대로 높이면 헛손질은 줄지만 누락이 늘어난다.[302]

또한,

:지진 발생률 p_0 = \frac{M}{T}

:이상 발생률 q_0 = \frac{F}{T}

이 되고, 앞의 두 식과 함께 q_0 \cdot q = q_0 \cdot p 의 관계가 성립한다.[302]

그리고,

:예측되지 않은 지진이 길이 \tau 의 기간 내에 발생할 확률 r = \frac{\mu}{T - F}

:길이 \tau 의 기간 내의 빗나간 예보율 s = \frac{n}{T - M}

:확률 이득 H = \frac{p}{p_0}

이 된다. 확률 이득 H 는 경계 기간 중의 지진 발생 확률이 장기 평균적인 지진 발생 확률 p_0 에 대해 몇 배가 되는지를 나타내는 것으로, 값이 클수록 그 방법이 지진에 대해 민감하다는(효율이 높다는) 것을 의미한다.[302]

3. 1. 예측 평가 분류 (이항 분류)

예측의 평가는 통계적 가설 검정 방법을 사용하여 예측된 지진과 실제 발생한 지진의 상관관계를 비교하여 이루어진다.[10] 예측 결과는 실제 지진 발생 여부와 비교하여 다음과 같이 분류할 수 있다.

  • 진양성(True Positive, TP): 실제로 지진이 발생했고, 예측도 성공한 경우.
  • 위양성(False Positive, FP): 실제로는 지진이 발생하지 않았지만, 예측이 발생할 것이라고 잘못 예측한 경우 (오경보).
  • 위음성(False Negative, FN): 실제로 지진이 발생했지만, 예측이 발생하지 않을 것이라고 잘못 예측한 경우.
  • 진음성(True Negative, TN): 실제로 지진이 발생하지 않았고, 예측도 발생하지 않을 것이라고 정확히 예측한 경우.


지진 예측의 사회적 유용성은 단순한 예측 성공 여부를 넘어, 오경보와 누락된 지진 사이의 균형, 그리고 그에 따른 사회적 비용과 편익을 고려하여 평가되어야 한다. 예를 들어, 1999년 중국은 "대규모 지진 예측으로 인한 공황과 도시의 대규모 대피를 방지하기 위해 '허위' 지진 경고를 근절하기 위한 강력한 규정"을 도입했다.[19] 이는 "지난 3년 동안 정확하지 않은 30건 이상의 비공식 지진 경고" 때문이었다. 1997년 그리스의 지진 예측 연구에 대한 비용편익 분석 연구[21]에서 스테이시스 스티로스는 지진으로 인한 사망자 수가 연평균 10명 미만이며, 대부분 식별 가능한 구조적 문제가 있는 대형 건물에서 발생했다는 사실을 발견했다. 따라서 안전하지 않은 건물을 식별하고 개선하는 데 노력을 집중하는 것이 훨씬 비용 효율적일 것이라고 주장했다.[22]

3. 2. 적중률 및 예측률

지진 예측의 중요성은 무작위 확률을 넘어서는 성공적인 예측을 할 수 있을 때 나타난다.[9] 통계적 가설 검정 방법을 사용하여 예측된 지진이 실제로 발생할 확률을 결정하고, 예측이 귀무 가설보다 실제 지진과 더 잘 상관관계가 있는지 평가한다.[10]

그러나 지진 발생은 통계적으로 균일하지 않고 공간 및 시간적으로 군집을 이루는 경향이 있다.[11] 남부 캘리포니아에서는 M≥3.0 지진의 약 6%가 5일 이내, 10km 이내에서 더 큰 규모의 지진으로 이어졌고,[12] 중부 이탈리아에서는 M≥3.0 지진의 9.5%가 48시간 이내, 30km 이내에서 더 큰 규모의 지진으로 이어졌다.[13] 이러한 통계는 예측에는 만족스럽지 않지만, 군집만을 기반으로 한 방법으로도 지진의 약 5%를 성공적으로 예측할 수 있다는 점에서 "우연보다 훨씬 낫다"고 평가된다.[14]

단기 예측의 목표는 인명 피해와 재산 피해를 줄이는 것이지만, 실제 발생하는 대규모 지진에 대한 경고를 하지 않거나 위험을 과소평가하면 법적, 정치적 책임을 질 수 있다. 2009년 라퀼라 지진 이후 이탈리아 과학자와 기술자 7명이 과실치사 혐의로 유죄 판결을 받은 사례가 있다.[16] 그러나 발생하지 않는 지진에 대한 경고도 비용이 발생하며, 오경보는 향후 경고의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있다.[17][18] 1999년 중국은 허위 지진 경고를 근절하기 위한 규정을 도입했는데, 이는 지난 3년간 30건 이상의 부정확한 비공식 지진 경고 때문이었다.[19]

1997년 그리스의 지진 예측 연구에 대한 비용편익 분석 연구에서는[21] 우수한 예측 방법조차도 사회적 유용성에 의문이 제기될 수 있다고 지적했다. 그리스에서 지진으로 인한 연평균 사망자 수가 10명 미만이고, 대부분 식별 가능한 구조적 문제가 있는 대형 건물에서 발생했기 때문에 안전하지 않은 건물을 식별하고 개선하는 것이 더 비용 효율적이라고 주장했다.[22]

3. 3. 딜레마

지진 예측의 임계값을 낮추면 피해는 줄일 수 있지만, 오보의 위험이 높아진다.[20] 이는 사회적, 경제적 영향을 고려하여 적절한 임계값 설정이 필요함을 의미한다.

지진 경보 발령 여부를 결정하는 것은 사회적, 경제적 비용과 편익을 모두 고려해야 하는 복잡한 문제다. 1997년 그리스의 지진 예측 연구에 대한 비용편익 분석 연구[21]에서는, 우수한 예측 방법조차도 "도시 중심지의 조직적인 대피가 성공적으로 이루어질 가능성이 없으며", "공황 및 기타 바람직하지 않은 부작용도 예상할 수 있기 때문에" 사회적 유용성에 의문이 제기된다고 지적되었다.

지진 예측이 가능해졌을 경우의 장점과 발생할 문제점에 대한 논의는 지진 예측에 대한 낙관적인 전망이 있었던 1970년대 이후부터 이루어졌다. 1975년 미국 과학 아카데미가 발행한 보고서 『Earthquake Prediction and Public Policy영어』[304]에서는 예측 정보 발표로 인한 경제 활동 저하, 지가 하락, 주택 손해 보험 기능 저하, 소개 및 인구 감소 등 다양한 영향이 발생할 가능성이 지적되었다.[303]

예를 들어, 시즈오카현의 동해 지진 제3차 피해 예상에서는 예측이 가능했을 경우 직접적·간접적 피해를 합쳐 예측하지 못했을 경우의 10%에 해당하는 약 2조 8,000억 엔이 감소되고 사망자는 약 75% 감소할 것으로 예상된다. 반면, 동해 지진의 경계 선언이 발표되었을 경우의 경제적 손실은 1994년 일본종합연구소의 보고에 따르면 하루 약 7,100억 엔으로 추산된다.[303]

지진 예측의 불확실성은 또 다른 중요한 문제다. 대지진 발생 확률이 높을 경우 경보 발령이 큰 이점을 가지지만, 확률이 낮을 경우에는 단점이 커져 경보를 발령하지 않는 판단에 이를 수 있다. 임계값을 낮추면 지진으로 인한 손실은 줄일 수 있지만, 오보로 인한 손실은 증가한다.

지진 예측 정보로 인해 사회적 혼란이 발생한 사례는 많다. 1978년 그리스 테살로니키, 1978년 멕시코 오악사카 주, 1980-1981년 페루, 1989-1990년 미국 등에서 지진 예측 정보(혹은 유사 정보)로 인해 패닉, 대피, 경제적 타격 등 사회적 혼란이 발생했다.[396][397][398][399]

라퀼라 지진(2009년)의 경우, 사전에 군발 지진이 있었음에도 불구하고 학식 경험자들이 잘못된 정보를 발표하여 큰 피해가 발생했다는 이유로, 현지 지진 전문가 위원회 멤버 6명과 방재 당국 직원 1명 등 총 7명이 과실치사 혐의로 기소되기도 했다.[402][403][404][405]

이러한 혼란의 배경에는 지진 예측에 대한 높은 관심과 기대, 매스미디어의 선정적인 보도, 일반 시민과 행정 방재 담당자의 지진 예측에 대한 이해 부족 등이 복합적으로 작용한다.[406][407]

4. 지진 예측 방법

지진 예측은 아직 미성숙한 과학이며—물리적 기본 원리로부터 지진을 성공적으로 예측한 사례는 아직 없다. 따라서 예측 방법에 대한 연구는 경험적 분석에 초점을 맞추고 있으며, 크게 두 가지 접근 방식이 있다. 하나는 지진의 독특한 '''전조 현상'''을 확인하는 것이고, 다른 하나는 대규모 지진에 앞서 나타날 수 있는 지진 활동의 일종의 지구물리학적 '''추세''' 또는 패턴을 확인하는 것이다.[23] 전조 현상 방법은 단기 지진 예측 또는 예보에 대한 잠재적 유용성 때문에 주로 연구되고 있는 반면, '추세' 방법은 일반적으로 장기 예측(10년에서 100년 규모), 중기 예측(1년에서 10년 규모) 또는 예보에 유용하다고 여겨진다.[24]

== 지진전조현상 ==

지진전조현상(地震前兆現象, earthquake precursor영어)이란 다가오는 지진을 효과적으로 경고할 수 있는 전초적인 자연의 현상을 뜻한다.[423] 지진 이후 일반적으로 현상이 알아차려지긴 하지만, 이런 현상들은 몇 천 개에 달한다.[424] 심지어 일부는 고대 시대 때부터 시작되었다.[425] 약 400개의 가능한 전조현상이 학술문헌에 있고, 20개의 다른 유형으로 나뉜다.[426] 이는 고층대기물리학(Aeronomy)부터 동물학 전반에 걸쳐 있다. 그러나 그 중 아무것도 지진 예측의 목적에 맞게 신뢰성이 있다고 밝혀지지 않았다.[427]

지진이 일어나는 징조가 보이기 시작하면 일단 동물들이 평소와는 다른 이상한 행동들을 보이기 시작하며 그 외에 땅이 울린다든지 지진광이 일어난다든지 하는 전조증상이 나타나기 시작한다. 또한 급격한 지각변동이 일어나는 것으로도 알 수 있으며 산사태가 일어나는 등의 땅의 경사가 변화를 일으키거나 GPS측량이나 전파/레이저의 측량, 그리고 위성사진으로도 관측이 된다. 또한 지진의 활동으로 알 수가 있는데 대한민국과 일본을 포함한 대부분의 국가에는 전 국토는 물론 바다에도 지진계가 설치되어 있다. 그 지진계에서 확인되는 비정상적인 지각의 운동이 계속 발생되어 감지가 되거나 꾸준했던 지진파의 속도나 강도가 갑자기 변화한다면 지진의 전조 현상으로 의심한다. 또한 지구에는 전기장과 자기장이 꾸준히 자연으로 방사되는 전자기파가 있는데 지자기의 갑작스러운 변화와 전자기파의 이상 방사를 통해 지진의 전조현상을 의심할 수가 있으며 자력계나 전파계 등을 통해 관측한다. 거기에 지하수(우물/온천)의 수위, 수온, 탁도, 냄새, 그리고 라돈 함유 등의 급격한 변화를 통해 알 수도 있고 단층에 있던 가스가 갑자기 새어나오면서 악취가 발생할 경우에는 지진의 전조현상을 의심할 수가 있으며 온도계, 유량계, 수위계 그리고 화학관측을 통해 지진의 전조현상을 알 수가 있다.

도브로볼스키 등(Dobrovolsky et al, 1979)은 지진의 전조 현상이 관찰되는 유효 반경(the radius of the effective precursory manifestation zone)을 구하는 식을 다음과 같이 제안하였다. 아래 식에서, D는 유효반경 (km), M은 지진의 규모이다.[428]

:100.43M

=== 한국의 지진 전조 현상 연구 ===

지진 전조 현상으로 토양과 지하수 내 라돈 농도의 이상 변화 현상에 대한 연구가 꾸준히 시도되고 있다. 토양과 지하수 내 라돈의 농도 변화는 지각의 지구조론적 변형의 초기 증거가 된다. 지진 발생 전에 지역적 응력의 증가는 지각 내 암석의 미세한 균열을 형성하게 됨으로, 암석의 표면적이 증가로 인한 라돈의 발산력 증가로 토양 및 지하수 내 라돈 농도의 일시적 증가가 수반될 수 있으며, 지진의 전조 현상으로 지진 발생 전 수일~수개월 사이에 나타난다.[429]

; 라돈방사능농도의 측정을 통한 지진발생 예측에 관한 연구 (2003)

김윤신(2003) 등은 장기간 관측된 대기 및 지하수 중 라돈의 변화량과 지진 발생과의 관련성을 연구하기 위해 1999년 12월부터 2001년 6월까지 관측된 대기 및 지하수 중 라돈 농도를 평균값으로 보정한 절대편차를 산출하여 서울의 한양대학교와 동해시에 위치한 서울대학교 해양연구센터, 경주시의 서라벌대학교 지하수에서 규모 3.0 이상의 지진 발생일 전·후 각 10일간의 라돈 농도의 변화량을 조사하였다. 대기 중의 라돈 농도는 지진에 의한 라돈 변화량 외에 다른 요인(주로 기상)에 의한 라돈 농도의 변화를 배제한 것이다. 조사 결과, 서울시 대기 중 라돈 농도 분포는 지진 발생 2~6일 전부터 높은 라돈 농도 및 큰 변화폭을 나타냈으며 지진 발생시에는 낮은 농도와 작은 변화폭을 나타내었으며, 동해시 해안 지역 대기 중 라돈 농도는 지진 발생 2~4일 전까지 높은 라돈 농도 및 큰 농도 변화폭을 나타내며 지진 발생시나 발생 하루 전에 매우 낮은 라돈 농도 및 작은 변화 폭을 나타내는 것으로 조사되었다. 또한, 경주시 지하수 중 라돈 농도 분포는 지진 발생 2일 전부터 라돈 농도가 급증한 후 높은 농도가 일정 기간 지속되는 것으로 조사되었다.[431]

; 지진 전조인자로서 지하수내 라돈 및 화학성분의 상관성 연구 (2018)

정찬호 등(2018)은 지진 전조 현상 연구를 위해 대전, 청원 지역의 지하수 관측정에서 심도별(-60 m, -100 m)로 화학 성분과 라돈, 수위의 변화를 주기적으로 측정하였다. 특히, 2017년 포항 지진(규모5.4) 및 2018년 포항 지진(규모 4.6) 전후 지하수의 화학 성분, 지하수위, 라돈 농도 등의 변화를 분석하여 지진 전조 인자(因子)로서의 가능성을 해석하였다.

측정 결과, 관측정 특정심도 지하수의 수소이온농도와 전기 전도도 값이 포항 지진 발생에 따라 큰 폭으로 증가하는 등 비교적 뚜렷한 상관성을 보였다. 대전 관측정 지하수내 라돈 함량은 지진 발생 전 최저 162 Bq/L에서 지진발생 직후 573 Bq/L로 크게 증가하는 경향을 보여 지진과의 뚜렷한 상관성을 보여주었다. 결론적으로, 포항 지진 진앙지와는 많이 떨어져 있지만 대전 지역의 관측정에서 라돈 가스는 지진과 가장 뚜렷한 상관성을 보여 지진 전조 요소로서의 신뢰성할 수 있는 후보로서 가능성을 확인하였다.[432]

; '16년 경주 지진에 의한 토양 내 라돈농도의 이상변화 분석 (2018)

김진섭 등(2018)은 2016년 경주 지진의 진앙지로부터 58 km 떨어진 측정 지점에서 2014년 1월 1일부터 2017년 5월 31일까지 토양 내 라돈 농도와 환경 요인들을 연속 측정하고, 규모 5.8의 경주 지진의 발생에 따른 토양 내 라돈의 이상 변화 현상에 대하여 분석하였다. 연구진들은 2016년 경주 지진 전·후 토양 내 라돈 농도의 이상 변화를 알아보기 위해 2016년 6월 3일부터 12월 31일까지의 기간 즉, 9월 12일 발생한 경주 지진의 전·후 3개월의 기간을 설정하였다. 라돈 농도의 이상 변화를 나타낸 구간과 기온, 토양의 온도, 대기압과의 상관 관계를 분석 결과 7월과 8월 라돈 농도의 이상 변화 현상이 관측되었으며, 이들 라돈 농도의 이상 변화는 경주 지진에 의해 발생되는 토양 내 라돈의 이상 변화임을 지시한다.[433]

== 지진의 추세 및 패턴 ==

지진 예측에 대한 다른 접근 방식은 지진으로 이어지는 추세 또는 패턴을 찾는 것이다. 이러한 추세는 복잡하고 많은 변수를 포함할 수 있으므로, 이를 이해하기 위해 고급 통계 기법이 종종 필요하다. 따라서 이러한 방법은 때때로 통계적 방법이라고 불린다. 이러한 접근 방식은 또한 더 확률적이고 더 긴 기간을 가지는 경향이 있어 지진 예보와 융합된다.

공백역이나 지진 활동의 정지 또는 활발화와 지진 발생과의 관련성도 논의되고 있다.

=== 지진 공백역 ===

과거에 대지진을 일으켰다는 것이 알려져 있지만, 오랫동안 대지진이 발생하지 않은 지역을 제1종 공백역이라고 한다. 오모리(1907) 등에 의해 지적되기는 했지만, Fedotov(1965)와 모기(1968) 등에 의해 1960년대에 명확하게 인식되기 시작했다. 공백역의 개념에 따르면, 어떤 기간 내에는 대지진의 진원역은 서로 중복되지 않고 활동대를 채우듯이 발생한다.[339]

멕시코 오악사카주 연안에서는 오다케 등(1977)에 의해 지적되었던 공백역에서 1978년에 M7.8의 지진이 발생했다. 1973년 네무로반도 해역 지진(M7.4)은 우쓰(1972) 등에 의해 공백역으로 지적되었던 곳에서 발생했다. 그러나, 이전인 1894년의 M7.9보다 규모가 훨씬 작았기 때문에, 공백역이 완전히 해소되었는지 여부가 논의되었지만, 그 후 30년 동안은 대지진이 발생하지 않았다. 마찬가지로 멕시코 미초아칸주 연안에서는 Singh et al.(1981) 등에 의해 공백역이 지적되었고, 1981년에 M7.3의 지진이 발생했지만, 이것으로 공백역이 해소되었는지, 큰 지진이 계속될 것인지 논의된 후, 1985년에 M8.1의 멕시코 지진이 발생했다. 한편, 1994년 홋카이도 동부 해역 지진이 발생했을 당시의 에토로푸섬 해역은 1969년 이전 지진 이후 25년밖에 지나지 않았기 때문에 공백역이 아니라고 생각되었지만, 후에 발생 양식이 1969년(플레이트 경계형)과 다른 해양 플레이트 내부형임이 밝혀져 모순이 없다는 것이 알려졌다.[339]

McCann et al.(1979)과 Nishenko(1991) 등은 공백역 이론을 이용하여 환태평양 지역의 해구형 지진대의 대지진을 예측하려고 시도했지만, 예상대로 되지 않는 예가 두드러지고 있으며, 이시바시·사타케(1998), 오다케(1998), 우쓰(1998, 1999) 등과 같이 문제점을 지적하는 보고가 있다.[339]

대지진에 앞서 평소 발생하던 미소 지진 활동이 현저하게 감소하는 지역을 제2종 공백역이라고 한다. 1952년 도카치 앞바다 지진에서는 이노우에(1965)와 우쓰(1968) 등에 의해 공백역이 발생하고 있었던 것이 밝혀져 있다. 또한 1978년 멕시코 오악사카주 연안의 지진도 제2종 공백역이었던 것이 밝혀졌다. 한편, 1983년 일본해 중부 지진에서는 M4 이상으로 한정하면 1978년경부터 정지 현상이 보이지만, M2-3급을 포함하면 명확하지 않게 되는 것이 보고되고 있으며, 지진 활동이 활발한 지역에서는 임계값을 높게 설정하는 것이 좋을 경우가 있다고 여겨진다. 제2종 공백역이 생기는 물리적 원리는 충분히 해명되지 않았지만, 야마시나(2001)는 어떤 계기로 우연히 발생한 지진 활동의 불활발함이 변형률의 축적률을 증가시켜, 그것이 대지진을 촉진하고 있을 가능성을 언급하고 있다. 또한, 일단 정지된 것처럼 보여도, 큰 지진을 일으키지 않고 다시 원래 상태로 돌아가는 경우도 적지 않다.[339]

오다케(1980)와 마에다(1990)는 제2종 공백역의 발생부터 본진까지의 기간과 본진의 규모 사이에 상관관계가 있다는 것을 보고하고 있으며, 오다케(1980)는 더 나아가 공백역의 장경과도 상관관계가 있다고 하고 있다. 그러나, 기간과 공백역의 크기는 연구자에 따라 큰 차이가 있는 데다가, 본진의 진원역의 크기와 공백역의 크기는 반드시 일치하지 않고, 어느 한쪽이 더 큰 경우가 있다.[339]

위의 것 외에, 대륙 플레이트 내부에서 중소 규모의 지진 활동대 속에 생기는 정지역을 제3종 공백역으로 하는 보고도 있다(이시카와, 1990, 1995). 1995년 효고현 남부 지진, 같은 해 니가타현 중부의 지진(M5.5), 1997년의 야마구치현 북부 지진(M6.6) 등은 이러한 종류의 공백역에서 발생했다고 보고되고 있다.[339]

=== 지진 활동 패턴 ===

지진 활동도를 수식화하여 표현하는 시도도 이루어졌다. Habermann(1981, 1988)과 Wyss(1997)는 단위 시간당 지진의 평균적 발생률과 표준편차를 사용하여 활동도의 유의미한 차이를 나타내는 ζ값을 고안했다. Wiemer and Zuniga(1994), Wiemer and Wyss(1994), Katumata and Kasahara(1999)는 이것을 지도상에 표시하는 ζMAP을 발표하고 있다. 또한, 이러한 산출식은 오차 요인이 되는 여진을 고려하고 있지 않기 때문에, 데이터에서 여진을 미리 제거해둘 필요가 있다. 한편, 요시다 등(1997 등)은 이것을 단순화하고 비교 대상이 되는 기간을 임의의 적절한 길이로 하여 유연한 형태로 한 CHASE(change of seismicity)를 제안하고 있다. 지진 활동의 경과를 근사한 이론치와 실제값의 잔차를 정규 분포라고 생각하면, 큰 잔차의 빈도의 낮음을 추정할 수 있지만, 오가타(1988, 1992, 1998) 등은 ETAS 모델을 사용하여 도호쿠 지방 태평양 측 등에서 정지의 예를 보고하고 있다.[339]

대지진의 발생에 앞서, 그 진원역의 주위에서 지진 활동이 활발해지는 영역이 나타나는 경우가 있으며, 제2종 공백역을 둘러싸듯이 분포한다. 모기 키요오(1969)는 이것을 도넛 패턴이라고 명명했다. 예를 들어, 1978년 시마네현 동부 지진(M6.1)에서는 반년 전부터 미소 지진이 도넛 모양으로 분포하고, 그곳을 메우듯이 본진이 발생하고 있다(야마시타·이노우에, 1979). 또한, 1923년 관동 대지진에서는, 1894년 메이지 도쿄 지진, 1895년 이바라키현 남부 지진, 1909년 보소 반도 해역 지진, 1921년 류가사키 지진 등 약 30년 전부터 대규모 지진이 도넛 모양으로 발생하고 있다(모기, 1980)[339].

대지진의 발생에 앞서 일어나는 작은 지진을 전진이라고 하며, 자주 본진과의 관련성이 논의된다. 본진의 진원은 파괴의 시작점이며, 직접적인 전진은 이에 가까운 곳에서 일어나는 성질이 있다.[339]

1995년 효고현 남부 지진에서는, 전일에 아카시 해협에서 최대 M3.5의 지진을 포함한 지진 활동이 있었다.[340] 1978년 멕시코 오악사카주 지진에서는 1978년에 들어서서 공백역 내에서 M4급의 지진이 발생하기 시작했다. 전진은 도넛 패턴의 일부를 형성하거나, 공백역을 구획하는 지진이 되는 경우가 있다. 전진 중에는, 전단락의 1923년 관동 대지진의 예와 같이, 시간적·공간적으로 떨어진 것도 있다. 이러한 종류의 지진은 「광의의 전진」 또는 「세키야형 전진」(세키야, 1976)이라고 불린다. 또한, 군발 지진성의 것은 「전진 스웜」이라고 불린다.[339]

구텐베르크-리히터 법칙에서 규모별 빈도 분포를 나타내는 b값도, 지진 활동과의 관련성이 논의된다. 전진 활동에는 b값이 낮은 것이 있는 외에, 대지진 전에 그 진원역 부근에서 b값이 저하했다는 보고가 다수 있는 한편, b값이 상승했다는 보고도 있다. 1976년 탕산 지진에서는, 5년 전부터 b값이 상승하고, 그 후 약 2년간 0.5 정도까지 저하, 그 후 본진이 되었다(리 등, 1978). b값이 예지에 어느 정도 유효한지는 충분히 해명되어 있지 않다.[339]

조석과 지진 활동의 관계를 묻는 논의도 있다. 윤 등(1995, 1996)은 조석력에 의한 ΔCFF를 각 지진 발생 시에 산출하고, 상관을 나타내는 파라미터 Y값을 비교하여, 대지진 전에는 Y값이 자주 커진다고 보고했다. LURR(Load-Unload Response Ratio)라고도 한다. 원리로서는, 대지진이 가까워져 응력이 높아진 지각에서는 약간의 변화가 지진으로 이어지는 것이 생각된다. 그러나, Y값이 저하한 후 대지진이 발생하거나, Y값이 일단 상승하여 통상 레벨로 돌아온 후 얼마 후에 대지진이 발생하는 등 여러 가지 패턴이 있으며, 예지에 어느 정도 유효한지에 대한 논의는 진행되지 않고 있다.[339]

그 외에도, 대지진과의 관련성이 논의되고 있는 연구가 있다. Savage(1983)는, 섭입대에서의 섭입의 과부족을 「슬립 부족(백슬립)」이 있다고 가정하여 설명하고, 이것을 모델화했다. 이 이론에 의해, 슬립 부족의 크기나 플레이트 간 커플링의 값 등으로부터 플레이트 간의 대지진을 예측할 수 있는 가능성이 논의되고 있지만, 2011년 동일본대지진에 의해 이론에 의문이 제기되는 등, 이론의 정확성을 포함하여 결론은 나오지 않고 있다.[341] 또한, 고감도 지진 관측망의 관측에 의해 발견된 심부 저주파 미동이나 이것과 관련하여 일어나는 슬로우스립 등도, 슬립 부족을 보충하는 지각 변동으로서 연구되고 있다.[342][343]

고지진을 일으키거나, 미래에 대지진을 일으킬 가능성이 있는 단층 활동 이력을 지질 조사를 통해 밝히려는 시도도 이루어지고 있다. 지표면에 가까운 단층의 경우 단층을 가로질러 도랑을 파서 단면을 조사하는 트렌치 조사가 주류이다.[346] 트렌치 조사는 산안드레아스 단층에서 시작된 방법으로, 일본에서는 1995년 효고현 남부 지진 이후 행정부가 적극적으로 지원하기 시작했다. 해저 단층의 경우에는 음파탐사로 위치를 추정한 후 양쪽에서 시추하여 연대를 결정하는 방법이 주로 사용된다.[347] 항공 사진이나 위성 원격탐사를 통해 선형구조를 검출하는 방법도 보조적으로 사용된다.

해역의 대지진에 대해서는, 지진 발생 시마다 일어나는 융기와 침강을 반영한 해안단구 등을 조사하여 지진의 이력을 추정하는 방법[347]이나, 쓰나미 퇴적물을 이용하는 방법 등이 있다.

한편, 지각 내부의 구조를 알기 위해 물리탐사의 일종인 탄성파 탐사(지진 탐사)도 실시되고 있다. 폭약 등으로 인공 지진을 일으키는 방법도 있고, 자연 지진을 이용하는 방법도 있다. 주로 지각 내부의 지진파 속도 구조(3차원 지진파 토모그래피 등)나 지진동의 크기에 영향을 미치는 표층지반 증폭률 조사가 목적으로 자주 이루어지지만, 지각 내부의 밀도나 온도 조사도 이루어지고 있다.[346]

역사지진을 통해 반복적으로 발생하는 지진의 양상을 추정하고, 통계적으로 재발 시기를 구하는 방법은 근대 지진학 초기부터 사용되어 왔다. 1905년에 이마무라 아키쓰네(今村明恒)는 간토(関東)의 역사 지진을 바탕으로 대지진이 약 100년 간격으로 발생한다는 논문을 학술지에 기고했다.[319] 1964년 국회 지진대책위원회에서 가와구치 히로시(河角廣)가 발표한 "남간토 대지진 69년 주설(南関東大地震69年周説)"은 가마쿠라의 강진 기록 등을 바탕으로 남간토 지역의 지진은 69±13년의 주기이며, 그중 26년은 다른 기간보다 강진 발생 확률이 4배 높다고 주장했다.[348] 두 주장 모두 매스미디어에서 선정적으로 보도되어 사회 문제가 되었다.[319][348]

또한, 이시바시(1998) 등에 의해 가나가와현 오다와라 부근에서는 1633년부터 1923년까지 거의 등간격으로 대지진이 발생했다는 것이 지적되었고, 통계적 분석을 통해 73.0±0.9년이 주기이며 다음 발생 시기는 1998년±3.1년이라는 "가나가와현 서부 지진(神奈川県西部地震)"이 예상되어, 일본 정부와 가나가와현, 시즈오카현이 피해 예상을 하게 되었다.[349] 그러나 이 설에는 의문점도 제기되었고, 1998년이 지났음에도 예상된 지진은 발생하지 않았다.[350]

지진의 주기성을 설명하는 학설은 두 가지가 있다. 다음 지진까지의 간격은 이전 지진의 규모에 의존한다는 시간 예측 모델(time-predictable model)과, 다음 지진의 규모는 이전 지진으로부터의 간격에 의존한다는 슬립 예측 모델(slip-predictable model)이다. Shimazaki and Nakata(1980)에 따르면 시간 예측 모델이 유력하다고 여겨진다.[351]

케일리스-보로크(V.I.Keilis-Borok) 등은 1970년대 중반부터 패턴 인식을 이용한 예측 방법을 제안했다. 이는 지진 발생의 물리적 모델을 고려하지 않고, 지형, 지질, 지진 발생 상황 등 다양한 정보를 정량화하여 독자적인 알고리즘을 구성하여 예측하는 것이다. 적중한 사례도 있지만, 실용적인 수준에는 도달하지 못했다고 여겨진다.[349] 러시아에서는 이와 유사한 "Reverse Tracing of Precursors (RTP)"나 "M8"이라는 방법이 개발되어 러시아 정부의 지진 예측에도 활용되고 있다.[352][411] 나가오 토시야스(長尾年恭) 등 도카이 대학(東海大学) 연구팀은 RTL을 응용한 RTM법을 제안하고 "지하 일기예보(地下天気図)"라고 명명하여 연구를 진행하고 있다.[353]

소르네트(Sornette, 1995, 1998)는 대지진 이전의 변형 축적에 따른 지진 등의 전조 현상의 변동이 복소수 차원을 가진 프랙탈적인 행동을 한다고 보고 이를 수리 모델화했다.[354] 이가라시(五十嵐) 등(2002, 2006)은 이 식을 준용하여 도카이(東海) 지역의 지진 활동과 수준 측량 등 다양한 전조 현상에 대해, 또 1995년 효고현 남부 지진(兵庫県南部地震) 이전에 관측된 대기 라돈 농도의 변동에 대해 각각 검토하여 수리 모델화했다.[355][356] 이 연구를 통해 수준 측량 데이터를 바탕으로 동해 지진(東海地震)이 2003-2004년에 발생한다는 정보를 발표했지만, 성공하지 못했다.[357] 유사한 것으로 전조 현상의 가장 먼 출현 범위를 기반으로 수식화한 리키타케(力武)(2001)의 "한계 거리법(限界距離法)"이 있다.[358]

=== 탄성 반발 ===

아무리 단단한 암석이라도 완벽하게 고체는 아니다. 거대한 힘(예를 들어 서로 지나가는 두 개의 거대한 지각판 사이)이 가해지면 지구 지각은 구부러지거나 변형된다. 탄성반발 이론(Reid, 1910)에 따르면, 결국 변형(변형력)이 충분히 커지면, 보통 기존의 단층에서 무언가가 파괴된다.[127] 파괴면을 따라 미끄러짐(지진)이 발생하면 양쪽 암석은 변형이 덜 된 상태로 되돌아간다. 이 과정에서 지진파를 포함한 다양한 형태의 에너지가 방출된다.[127] 탄성 변형에 축적된 지각판의 힘이 갑작스러운 반발로 방출되는 순환이 반복된다. 단일 지진의 변위는 1미터 미만에서 약 10미터(M 8 지진의 경우)까지 다양하지만,[128] 수백 마일의 큰 주향이동단층 변위가 관측된다는 것은 장기간에 걸친 지진 순환이 존재함을 보여준다.[129]

=== 특징 지진 ===

가장 많이 연구된 단층(예: 난카이 해곡 메가스러스트, 와사치 단층, 샌 안드레아스 단층)은 뚜렷한 단층 구간을 가지는 것으로 보인다.[130] ''특징 지진'' 모델은 지진이 일반적으로 이러한 단층 구간 내에서 발생한다고 가정한다.[130] 단층 구간의 길이와 기타 특성이 고정되어 있기 때문에, 단층 전체를 파열시키는 지진은 유사한 특성을 가져야 한다. 여기에는 최대 규모(파열 길이에 의해 제한됨)와 단층 구간을 파열하는 데 필요한 축적된 변형량이 포함된다. 지속적인 판 운동으로 인해 변형이 꾸준히 축적되므로, 주어진 단층 구간의 지진 활동은 비교적 규칙적인 간격으로 되풀이되는 유사한 특성의 지진이 지배할 것이다.[131] 따라서 주어진 단층 구간에 대해 이러한 특징 지진을 식별하고 그 재발률(또는 반대로 재현 주기)을 계산하면 다음 파열에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이는 지진 위험 예측에 일반적으로 사용되는 방법이다.

역사지진을 통해 반복적으로 발생하는 지진의 양상을 추정하고, 통계적으로 재발 시기를 구하는 방법은 근대 지진학 초기부터 사용되어 왔다. 1905년에 이마무라 아키쓰네(今村明恒)는 간토(関東)의 역사 지진을 바탕으로 대지진이 약 100년 간격으로 발생한다는 논문을 학술지에 기고했다.[319] 1964년 국회 지진대책위원회에서 가와구치 히로시(河角廣)가 발표한 "남간토 대지진 69년 주설(南関東大地震69年周説)"은 가마쿠라의 강진 기록 등을 바탕으로 남간토 지역의 지진은 69±13년의 주기이며, 그중 26년은 다른 기간보다 강진 발생 확률이 4배 높다고 주장했다.[348] 두 주장 모두 매스미디어에서 선정적으로 보도되어 사회 문제가 되었다.[319][348]

또한, 이시바시(1998) 등에 의해 가나가와현 오다와라 부근에서는 1633년부터 1923년까지 거의 등간격으로 대지진이 발생했다는 것이 지적되었고, 통계적 분석을 통해 73.0±0.9년이 주기이며 다음 발생 시기는 1998년±3.1년이라는 "가나가와현 서부 지진(神奈川県西部地震)"이 예상되어, 일본 정부와 가나가와현, 시즈오카현이 피해 예상을 하게 되었다.[349] 그러나 이 설에는 의문점도 제기되었고, 1998년이 지났음에도 예상된 지진은 발생하지 않았다.[350]

지진의 주기성을 설명하는 학설은 두 가지가 있다. 다음 지진까지의 간격은 이전 지진의 규모에 의존한다는 시간 예측 모델(time-predictable model)과, 다음 지진의 규모는 이전 지진으로부터의 간격에 의존한다는 슬립 예측 모델(slip-predictable model)이다. Shimazaki and Nakata(1980)에 따르면 시간 예측 모델이 유력하다고 여겨진다.[351]

=== 머신러닝 ===

인공 신경망 등 기계 학습 기법을 활용하여 지진 예측 모델을 개발하는 연구가 진행 중이다.

Rouet-Leduc 등(2019)은 음향 시계열 데이터에 대한 회귀 랜덤 포레스트를 훈련시켜 단층대에서 방출되는 신호를 식별하고 단층 파괴를 예측할 수 있었다고 보고했다.[159] 가장 파괴적인 지진의 희귀성으로 인해 대표적인 데이터를 얻는 것이 여전히 문제가 되지만 Rouet-Leduc 등(2019)은 더 이상의 연구를 통해 관심 있는 지진 패턴이 소규모 지진에서도 유사하다는 것을 보여주었기 때문에 그들의 모델이 파괴적인 지진의 데이터로 훈련할 필요가 없을 것이라고 추측

4. 1. 지진전조현상

지진전조현상(地震前兆現象, earthquake precursor영어)이란 다가오는 지진을 효과적으로 경고할 수 있는 전초적인 자연의 현상을 뜻한다.[423] 지진 이후 일반적으로 현상이 알아차려지긴 하지만, 이런 현상들은 몇 천 개에 달한다.[424] 심지어 일부는 고대 시대 때부터 시작되었다.[425] 약 400개의 가능한 전조현상이 학술문헌에 있고, 20개의 다른 유형으로 나뉜다.[426] 이는 고층대기물리학(Aeronomy)부터 동물학 전반에 걸쳐 있다. 그러나 그 중 아무것도 지진 예측의 목적에 맞게 신뢰성이 있다고 밝혀지지 않았다.[427]

지진이 일어나는 징조가 보이기 시작하면 일단 동물들이 평소와는 다른 이상한 행동들을 보이기 시작하며 그 외에 땅이 울린다든지 지진광이 일어난다든지 하는 전조증상이 나타나기 시작한다. 또한 급격한 지각변동이 일어나는 것으로도 알 수 있으며 산사태가 일어나는 등의 땅의 경사가 변화를 일으키거나 GPS측량이나 전파/레이저의 측량, 그리고 위성사진으로도 관측이 된다. 또한 지진의 활동으로 알 수가 있는데 대한민국과 일본을 포함한 대부분의 국가에는 전 국토는 물론 바다에도 지진계가 설치되어 있다. 그 지진계에서 확인되는 비정상적인 지각의 운동이 계속 발생되어 감지가 되거나 꾸준했던 지진파의 속도나 강도가 갑자기 변화한다면 지진의 전조 현상으로 의심한다. 또한 지구에는 전기장과 자기장이 꾸준히 자연으로 방사되는 전자기파가 있는데 지자기의 갑작스러운 변화와 전자기파의 이상 방사를 통해 지진의 전조현상을 의심할 수가 있으며 자력계나 전파계 등을 통해 관측한다. 거기에 지하수(우물/온천)의 수위, 수온, 탁도, 냄새, 그리고 라돈 함유 등의 급격한 변화를 통해 알 수도 있고 단층에 있던 가스가 갑자기 새어나오면서 악취가 발생할 경우에는 지진의 전조현상을 의심할 수가 있으며 온도계, 유량계, 수위계 그리고 화학관측을 통해 지진의 전조현상을 알 수가 있다.

도브로볼스키 등(Dobrovolsky et al, 1979)은 지진의 전조 현상이 관찰되는 유효 반경(the radius of the effective precursory manifestation zone)을 구하는 식을 다음과 같이 제안하였다. 아래 식에서, D는 유효반경 (km), M은 지진의 규모이다.[428]

:D = 10^{0.43M}

4. 1. 1. 한국의 지진 전조 현상 연구

지진 전조 현상으로 토양과 지하수 내 라돈 농도의 이상 변화 현상에 대한 연구가 꾸준히 시도되고 있다. 토양과 지하수 내 라돈의 농도 변화는 지각의 지구조론적 변형의 초기 증거가 된다. 지진 발생 전에 지역적 응력의 증가는 지각 내 암석의 미세한 균열을 형성하게 됨으로, 암석의 표면적이 증가로 인한 라돈의 발산력 증가로 토양 및 지하수 내 라돈 농도의 일시적 증가가 수반될 수 있으며, 지진의 전조 현상으로 지진 발생 전 수일~수개월 사이에 나타난다.[429]

; 라돈방사능농도의 측정을 통한 지진발생 예측에 관한 연구 (2003)

김윤신(2003) 등은 장기간 관측된 대기 및 지하수 중 라돈의 변화량과 지진 발생과의 관련성을 연구하기 위해 1999년 12월부터 2001년 6월까지 관측된 대기 및 지하수 중 라돈 농도를 평균값으로 보정한 절대편차를 산출하여 서울의 한양대학교와 동해시에 위치한 서울대학교 해양연구센터, 경주시의 서라벌대학교 지하수에서 규모 3.0 이상의 지진 발생일 전·후 각 10일간의 라돈 농도의 변화량을 조사하였다. 대기 중의 라돈 농도는 지진에 의한 라돈 변화량 외에 다른 요인(주로 기상)에 의한 라돈 농도의 변화를 배제한 것이다. 조사 결과, 서울시 대기 중 라돈 농도 분포는 지진 발생 2~6일 전부터 높은 라돈 농도 및 큰 변화폭을 나타냈으며 지진 발생시에는 낮은 농도와 작은 변화폭을 나타내었으며, 동해시 해안 지역 대기 중 라돈 농도는 지진 발생 2~4일 전까지 높은 라돈 농도 및 큰 농도 변화폭을 나타내며 지진 발생시나 발생 하루 전에 매우 낮은 라돈 농도 및 작은 변화 폭을 나타내는 것으로 조사되었다. 또한, 경주시 지하수 중 라돈 농도 분포는 지진 발생 2일 전부터 라돈 농도가 급증한 후 높은 농도가 일정 기간 지속되는 것으로 조사되었다.[431]

; 지진 전조인자로서 지하수내 라돈 및 화학성분의 상관성 연구 (2018)

정찬호 등(2018)은 지진 전조 현상 연구를 위해 대전, 청원 지역의 지하수 관측정에서 심도별(-60 m, -100 m)로 화학 성분과 라돈, 수위의 변화를 주기적으로 측정하였다. 특히, 2017년 포항 지진(규모5.4) 및 2018년 포항 지진(규모 4.6) 전후 지하수의 화학 성분, 지하수위, 라돈 농도 등의 변화를 분석하여 지진 전조 인자(因子)로서의 가능성을 해석하였다.

측정 결과, 관측정 특정심도 지하수의 수소이온농도와 전기 전도도 값이 포항 지진 발생에 따라 큰 폭으로 증가하는 등 비교적 뚜렷한 상관성을 보였다. 대전 관측정 지하수내 라돈 함량은 지진 발생 전 최저 162 Bq/L에서 지진발생 직후 573 Bq/L로 크게 증가하는 경향을 보여 지진과의 뚜렷한 상관성을 보여주었다. 결론적으로, 포항 지진 진앙지와는 많이 떨어져 있지만 대전 지역의 관측정에서 라돈 가스는 지진과 가장 뚜렷한 상관성을 보여 지진 전조 요소로서의 신뢰성할 수 있는 후보로서 가능성을 확인하였다.[432]

; '16년 경주 지진에 의한 토양 내 라돈농도의 이상변화 분석 (2018)

김진섭 등(2018)은 2016년 경주 지진의 진앙지로부터 58 km 떨어진 측정 지점에서 2014년 1월 1일부터 2017년 5월 31일까지 토양 내 라돈 농도와 환경 요인들을 연속 측정하고, 규모 5.8의 경주 지진의 발생에 따른 토양 내 라돈의 이상 변화 현상에 대하여 분석하였다. 연구진들은 2016년 경주 지진 전·후 토양 내 라돈 농도의 이상 변화를 알아보기 위해 2016년 6월 3일부터 12월 31일까지의 기간 즉, 9월 12일 발생한 경주 지진의 전·후 3개월의 기간을 설정하였다. 라돈 농도의 이상 변화를 나타낸 구간과 기온, 토양의 온도, 대기압과의 상관 관계를 분석 결과 7월과 8월 라돈 농도의 이상 변화 현상이 관측되었으며, 이들 라돈 농도의 이상 변화는 경주 지진에 의해 발생되는 토양 내 라돈의 이상 변화임을 지시한다.[433]

4. 2. 지진의 추세 및 패턴

지진 예측에 대한 다른 접근 방식은 지진으로 이어지는 추세 또는 패턴을 찾는 것이다. 이러한 추세는 복잡하고 많은 변수를 포함할 수 있으므로, 이를 이해하기 위해 고급 통계 기법이 종종 필요하다. 따라서 이러한 방법은 때때로 통계적 방법이라고 불린다. 이러한 접근 방식은 또한 더 확률적이고 더 긴 기간을 가지는 경향이 있어 지진 예보와 융합된다.

공백역이나 지진 활동의 정지 또는 활발화와 지진 발생과의 관련성도 논의되고 있다.

과거에 대지진을 일으켰다는 것이 알려져 있지만, 오랫동안 대지진이 발생하지 않은 지역을 제1종 공백역이라고 한다. 오모리(1907) 등에 의해 지적되기는 했지만, Fedotov(1965)와 모기(1968) 등에 의해 1960년대에 명확하게 인식되기 시작했다. 공백역의 개념에 따르면, 어떤 기간 내에는 대지진의 진원역은 서로 중복되지 않고 활동대를 채우듯이 발생한다.[339]

멕시코 오악사카주 연안에서는 오다케 등(1977)에 의해 지적되었던 공백역에서 1978년에 M7.8의 지진이 발생했다. 1973년 네무로반도 해역 지진(M7.4)은 우쓰(1972) 등에 의해 공백역으로 지적되었던 곳에서 발생했다. 그러나, 이전인 1894년의 M7.9보다 규모가 훨씬 작았기 때문에, 공백역이 완전히 해소되었는지 여부가 논의되었지만, 그 후 30년 동안은 대지진이 발생하지 않았다. 마찬가지로 멕시코 미초아칸주 연안에서는 Singh et al.(1981) 등에 의해 공백역이 지적되었고, 1981년에 M7.3의 지진이 발생했지만, 이것으로 공백역이 해소되었는지, 큰 지진이 계속될 것인지 논의된 후, 1985년에 M8.1의 멕시코 지진이 발생했다. 한편, 1994년 홋카이도 동부 해역 지진이 발생했을 당시의 에토로푸섬 해역은 1969년 이전 지진 이후 25년밖에 지나지 않았기 때문에 공백역이 아니라고 생각되었지만, 후에 발생 양식이 1969년(플레이트 경계형)과 다른 해양 플레이트 내부형임이 밝혀져 모순이 없다는 것이 알려졌다.[339]

McCann et al.(1979)과 Nishenko(1991) 등은 공백역 이론을 이용하여 환태평양 지역의 해구형 지진대의 대지진을 예측하려고 시도했지만, 예상대로 되지 않는 예가 두드러지고 있으며, 이시바시·사타케(1998), 오다케(1998), 우쓰(1998, 1999) 등과 같이 문제점을 지적하는 보고가 있다.[339]

대지진에 앞서 평소 발생하던 미소 지진 활동이 현저하게 감소하는 지역을 제2종 공백역이라고 한다. 1952년 도카치 앞바다 지진에서는 이노우에(1965)와 우쓰(1968) 등에 의해 공백역이 발생하고 있었던 것이 밝혀져 있다. 또한 1978년 멕시코 오악사카주 연안의 지진도 제2종 공백역이었던 것이 밝혀졌다. 한편, 1983년 일본해 중부 지진에서는 M4 이상으로 한정하면 1978년경부터 정지 현상이 보이지만, M2-3급을 포함하면 명확하지 않게 되는 것이 보고되고 있으며, 지진 활동이 활발한 지역에서는 임계값을 높게 설정하는 것이 좋을 경우가 있다고 여겨진다. 제2종 공백역이 생기는 물리적 원리는 충분히 해명되지 않았지만, 야마시나(2001)는 어떤 계기로 우연히 발생한 지진 활동의 불활발함이 변형률의 축적률을 증가시켜, 그것이 대지진을 촉진하고 있을 가능성을 언급하고 있다. 또한, 일단 정지된 것처럼 보여도, 큰 지진을 일으키지 않고 다시 원래 상태로 돌아가는 경우도 적지 않다.[339]

오다케(1980)와 마에다(1990)는 제2종 공백역의 발생부터 본진까지의 기간과 본진의 규모 사이에 상관관계가 있다는 것을 보고하고 있으며, 오다케(1980)는 더 나아가 공백역의 장경과도 상관관계가 있다고 하고 있다. 그러나, 기간과 공백역의 크기는 연구자에 따라 큰 차이가 있는 데다가, 본진의 진원역의 크기와 공백역의 크기는 반드시 일치하지 않고, 어느 한쪽이 더 큰 경우가 있다.[339]

위의 것 외에, 대륙 플레이트 내부에서 중소 규모의 지진 활동대 속에 생기는 정지역을 제3종 공백역으로 하는 보고도 있다(이시카와, 1990, 1995). 1995년 효고현 남부 지진, 같은 해 니가타현 중부의 지진(M5.5), 1997년의 야마구치현 북부 지진(M6.6) 등은 이러한 종류의 공백역에서 발생했다고 보고되고 있다.[339]

지진 활동도를 수식화하여 표현하는 시도도 이루어졌다. Habermann(1981, 1988)과 Wyss(1997)는 단위 시간당 지진의 평균적 발생률과 표준편차를 사용하여 활동도의 유의미한 차이를 나타내는 ζ값을 고안했다. Wiemer and Zuniga(1994), Wiemer and Wyss(1994), Katumata and Kasahara(1999)는 이것을 지도상에 표시하는 ζMAP을 발표하고 있다. 또한, 이러한 산출식은 오차 요인이 되는 여진을 고려하고 있지 않기 때문에, 데이터에서 여진을 미리 제거해둘 필요가 있다. 한편, 요시다 등(1997 등)은 이것을 단순화하고 비교 대상이 되는 기간을 임의의 적절한 길이로 하여 유연한 형태로 한 CHASE(change of seismicity)를 제안하고 있다. 지진 활동의 경과를 근사한 이론치와 실제값의 잔차를 정규 분포라고 생각하면, 큰 잔차의 빈도의 낮음을 추정할 수 있지만, 오가타(1988, 1992, 1998) 등은 ETAS 모델을 사용하여 도호쿠 지방 태평양 측 등에서 정지의 예를 보고하고 있다.[339]

대지진의 발생에 앞서, 그 진원역의 주위에서 지진 활동이 활발해지는 영역이 나타나는 경우가 있으며, 제2종 공백역을 둘러싸듯이 분포한다. 모기 키요오(1969)는 이것을 도넛 패턴이라고 명명했다. 예를 들어, 1978년 시마네현 동부 지진(M6.1)에서는 반년 전부터 미소 지진이 도넛 모양으로 분포하고, 그곳을 메우듯이 본진이 발생하고 있다(야마시타·이노우에, 1979). 또한, 1923년 관동 대지진에서는, 1894년 메이지 도쿄 지진, 1895년 이바라키현 남부 지진, 1909년 보소 반도 해역 지진, 1921년 류가사키 지진 등 약 30년 전부터 대규모 지진이 도넛 모양으로 발생하고 있다(모기, 1980)[339].

대지진의 발생에 앞서 일어나는 작은 지진을 전진이라고 하며, 자주 본진과의 관련성이 논의된다. 본진의 진원은 파괴의 시작점이며, 직접적인 전진은 이에 가까운 곳에서 일어나는 성질이 있다.[339]

1995년 효고현 남부 지진에서는, 전일에 아카시 해협에서 최대 M3.5의 지진을 포함한 지진 활동이 있었다.[340] 1978년 멕시코 오악사카주 지진에서는 1978년에 들어서서 공백역 내에서 M4급의 지진이 발생하기 시작했다. 전진은 도넛 패턴의 일부를 형성하거나, 공백역을 구획하는 지진이 되는 경우가 있다. 전진 중에는, 전단락의 1923년 관동 대지진의 예와 같이, 시간적·공간적으로 떨어진 것도 있다. 이러한 종류의 지진은 「광의의 전진」 또는 「세키야형 전진」(세키야, 1976)이라고 불린다. 또한, 군발 지진성의 것은 「전진 스웜」이라고 불린다.[339]

구텐베르크-리히터 법칙에서 규모별 빈도 분포를 나타내는 b값도, 지진 활동과의 관련성이 논의된다. 전진 활동에는 b값이 낮은 것이 있는 외에, 대지진 전에 그 진원역 부근에서 b값이 저하했다는 보고가 다수 있는 한편, b값이 상승했다는 보고도 있다. 1976년 탕산 지진에서는, 5년 전부터 b값이 상승하고, 그 후 약 2년간 0.5 정도까지 저하, 그 후 본진이 되었다(리 등, 1978). b값이 예지에 어느 정도 유효한지는 충분히 해명되어 있지 않다.[339]

조석과 지진 활동의 관계를 묻는 논의도 있다. 윤 등(1995, 1996)은 조석력에 의한 ΔCFF를 각 지진 발생 시에 산출하고, 상관을 나타내는 파라미터 Y값을 비교하여, 대지진 전에는 Y값이 자주 커진다고 보고했다. LURR(Load-Unload Response Ratio)라고도 한다. 원리로서는, 대지진이 가까워져 응력이 높아진 지각에서는 약간의 변화가 지진으로 이어지는 것이 생각된다. 그러나, Y값이 저하한 후 대지진이 발생하거나, Y값이 일단 상승하여 통상 레벨로 돌아온 후 얼마 후에 대지진이 발생하는 등 여러 가지 패턴이 있으며, 예지에 어느 정도 유효한지에 대한 논의는 진행되지 않고 있다.[339]

그 외에도, 대지진과의 관련성이 논의되고 있는 연구가 있다. Savage(1983)는, 섭입대에서의 섭입의 과부족을 「슬립 부족(백슬립)」이 있다고 가정하여 설명하고, 이것을 모델화했다. 이 이론에 의해, 슬립 부족의 크기나 플레이트 간 커플링의 값 등으로부터 플레이트 간의 대지진을 예측할 수 있는 가능성이 논의되고 있지만, 2011년 동일본대지진에 의해 이론에 의문이 제기되는 등, 이론의 정확성을 포함하여 결론은 나오지 않고 있다.[341] 또한, 고감도 지진 관측망의 관측에 의해 발견된 심부 저주파 미동이나 이것과 관련하여 일어나는 슬로우스립 등도, 슬립 부족을 보충하는 지각 변동으로서 연구되고 있다.[342][343]

고지진을 일으키거나, 미래에 대지진을 일으킬 가능성이 있는 단층 활동 이력을 지질 조사를 통해 밝히려는 시도도 이루어지고 있다. 지표면에 가까운 단층의 경우 단층을 가로질러 도랑을 파서 단면을 조사하는 트렌치 조사가 주류이다.[346] 트렌치 조사는 산안드레아스 단층에서 시작된 방법으로, 일본에서는 1995년 효고현 남부 지진 이후 행정부가 적극적으로 지원하기 시작했다. 해저 단층의 경우에는 음파탐사로 위치를 추정한 후 양쪽에서 시추하여 연대를 결정하는 방법이 주로 사용된다.[347] 항공 사진이나 위성 원격탐사를 통해 선형구조를 검출하는 방법도 보조적으로 사용된다.

해역의 대지진에 대해서는, 지진 발생 시마다 일어나는 융기와 침강을 반영한 해안단구 등을 조사하여 지진의 이력을 추정하는 방법[347]이나, 쓰나미 퇴적물을 이용하는 방법 등이 있다.

한편, 지각 내부의 구조를 알기 위해 물리탐사의 일종인 탄성파 탐사(지진 탐사)도 실시되고 있다. 폭약 등으로 인공 지진을 일으키는 방법도 있고, 자연 지진을 이용하는 방법도 있다. 주로 지각 내부의 지진파 속도 구조(3차원 지진파 토모그래피 등)나 지진동의 크기에 영향을 미치는 표층지반 증폭률 조사가 목적으로 자주 이루어지지만, 지각 내부의 밀도나 온도 조사도 이루어지고 있다.[346]

역사지진을 통해 반복적으로 발생하는 지진의 양상을 추정하고, 통계적으로 재발 시기를 구하는 방법은 근대 지진학 초기부터 사용되어 왔다. 1905년에 이마무라 아키쓰네(今村明恒)는 간토(関東)의 역사 지진을 바탕으로 대지진이 약 100년 간격으로 발생한다는 논문을 학술지에 기고했다.[319] 1964년 국회 지진대책위원회에서 가와구치 히로시(河角廣)가 발표한 "남간토 대지진 69년 주설(南関東大地震69年周説)"은 가마쿠라의 강진 기록 등을 바탕으로 남간토 지역의 지진은 69±13년의 주기이며, 그중 26년은 다른 기간보다 강진 발생 확률이 4배 높다고 주장했다.[348] 두 주장 모두 매스미디어에서 선정적으로 보도되어 사회 문제가 되었다.[319][348]

또한, 이시바시(1998) 등에 의해 가나가와현 오다와라 부근에서는 1633년부터 1923년까지 거의 등간격으로 대지진이 발생했다는 것이 지적되었고, 통계적 분석을 통해 73.0±0.9년이 주기이며 다음 발생 시기는 1998년±3.1년이라는 "가나가와현 서부 지진(神奈川県西部地震)"이 예상되어, 일본 정부와 가나가와현, 시즈오카현이 피해 예상을 하게 되었다.[349] 그러나 이 설에는 의문점도 제기되었고, 1998년이 지났음에도 예상된 지진은 발생하지 않았다.[350]

지진의 주기성을 설명하는 학설은 두 가지가 있다. 다음 지진까지의 간격은 이전 지진의 규모에 의존한다는 시간 예측 모델(time-predictable model)과, 다음 지진의 규모는 이전 지진으로부터의 간격에 의존한다는 슬립 예측 모델(slip-predictable model)이다. Shimazaki and Nakata(1980)에 따르면 시간 예측 모델이 유력하다고 여겨진다.[351]

케일리스-보로크(V.I.Keilis-Borok) 등은 1970년대 중반부터 패턴 인식을 이용한 예측 방법을 제안했다. 이는 지진 발생의 물리적 모델을 고려하지 않고, 지형, 지질, 지진 발생 상황 등 다양한 정보를 정량화하여 독자적인 알고리즘을 구성하여 예측하는 것이다. 적중한 사례도 있지만, 실용적인 수준에는 도달하지 못했다고 여겨진다.[349] 러시아에서는 이와 유사한 "Reverse Tracing of Precursors (RTP)"나 "M8"이라는 방법이 개발되어 러시아 정부의 지진 예측에도 활용되고 있다.[352][411] 나가오 토시야스(長尾年恭) 등 도카이 대학(東海大学) 연구팀은 RTL을 응용한 RTM법을 제안하고 "지하 일기예보(地下天気図)"라고 명명하여 연구를 진행하고 있다.[353]

소르네트(Sornette, 1995, 1998)는 대지진 이전의 변형 축적에 따른 지진 등의 전조 현상의 변동이 복소수 차원을 가진 프랙탈적인 행동을 한다고 보고 이를 수리 모델화했다.[354] 이가라시(五十嵐) 등(2002, 2006)은 이 식을 준용하여 도카이(東海) 지역의 지진 활동과 수준 측량 등 다양한 전조 현상에 대해, 또 1995년 효고현 남부 지진(兵庫県南部地震) 이전에 관측된 대기 라돈 농도의 변동에 대해 각각 검토하여 수리 모델화했다.[355][356] 이 연구를 통해 수준 측량 데이터를 바탕으로 동해 지진(東海地震)이 2003-2004년에 발생한다는 정보를 발표했지만, 성공하지 못했다.[357] 유사한 것으로 전조 현상의 가장 먼 출현 범위를 기반으로 수식화한 리키타케(力武)(2001)의 "한계 거리법(限界距離法)"이 있다.[358]

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일정 기간 동안의 지진 발생 확률이나 최대 지진 규모의 형태로 지진 위험도를 표현하는 방법은 가와구치 히로시(河角廣)와 앨린 코넬(C. Allin Cornell) 등에 의해 1950년대-1960년대에 지진학계에서 받아들여지고 개량되어 왔다. 지진 위험도는 문헌에 있는 역사 지진 기록뿐만 아니라, 지질 조사를 통해 추정한 과거 지진을 대상으로 추가하고, 지반의 특성(표층 지반 증폭률), 측지학적 성과에 따른 판구조론을 고려하는 등, 다른 영역의 자료를 수집한 후 확률 계산을 한다. 표현 방법으로는 진원역에서의 지진 규모보다 오히려 각 지점에서의 지진동 요소, 즉 최대 가속도, 최대 속도, 진도 등 재해 예방에 유용한 것을 나타내는 것이 주류이며, 1990년대 이후로는 더욱 발전하여 구조물의 피해나 손실에 대해서도 다루는 경우가 증가하고 있다[351][390][391].

미국의 샌프란시스코에서는 1980년대에 위험도 지도가 작성되었고, 캘리포니아주에서는 1990년대에 주 레벨에서 위험도 지도가 작성되어 개정을 거듭했다[390][392]. 연방 레벨에서도 1990년대에 위험도 지도가 작성되었다[393]. 일본에서는 지진조사연구추진본부가 2002년에 「확률론적 지진동 예측 지도 시작판(지역 한정)」을 발표하고, 이후 수차례 개정·확장을 거듭하고 있다[394].

세계 규모에서는 1990년대의 「세계 지진 위험 평가 프로그램」(GSHAP)에서 50년에 10%의 확률로 발생하는 최대 가속도를 기준으로 구역화한 위험도 지도가 작성되었다[395].

4. 2. 1. 탄성 반발

아무리 단단한 암석이라도 완벽하게 고체는 아니다. 거대한 힘(예를 들어 서로 지나가는 두 개의 거대한 지각판 사이)이 가해지면 지구 지각은 구부러지거나 변형된다. 탄성반발 이론(Reid, 1910)에 따르면, 결국 변형(변형력)이 충분히 커지면, 보통 기존의 단층에서 무언가가 파괴된다.[127] 파괴면을 따라 미끄러짐(지진)이 발생하면 양쪽 암석은 변형이 덜 된 상태로 되돌아간다. 이 과정에서 지진파를 포함한 다양한 형태의 에너지가 방출된다.[127] 탄성 변형에 축적된 지각판의 힘이 갑작스러운 반발로 방출되는 순환이 반복된다. 단일 지진의 변위는 1미터 미만에서 약 10미터(M 8 지진의 경우)까지 다양하지만,[128] 수백 마일의 큰 주향이동단층 변위가 관측된다는 것은 장기간에 걸친 지진 순환이 존재함을 보여준다.[129]

4. 2. 2. 특징 지진

가장 많이 연구된 단층(예: 난카이 해곡 메가스러스트, 와사치 단층, 샌 안드레아스 단층)은 뚜렷한 단층 구간을 가지는 것으로 보인다.[130] ''특징 지진'' 모델은 지진이 일반적으로 이러한 단층 구간 내에서 발생한다고 가정한다.[130] 단층 구간의 길이와 기타 특성이 고정되어 있기 때문에, 단층 전체를 파열시키는 지진은 유사한 특성을 가져야 한다. 여기에는 최대 규모(파열 길이에 의해 제한됨)와 단층 구간을 파열하는 데 필요한 축적된 변형량이 포함된다. 지속적인 판 운동으로 인해 변형이 꾸준히 축적되므로, 주어진 단층 구간의 지진 활동은 비교적 규칙적인 간격으로 되풀이되는 유사한 특성의 지진이 지배할 것이다.[131] 따라서 주어진 단층 구간에 대해 이러한 특징 지진을 식별하고 그 재발률(또는 반대로 재현 주기)을 계산하면 다음 파열에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이는 지진 위험 예측에 일반적으로 사용되는 방법이다.

역사지진을 통해 반복적으로 발생하는 지진의 양상을 추정하고, 통계적으로 재발 시기를 구하는 방법은 근대 지진학 초기부터 사용되어 왔다. 1905년에 이마무라 아키쓰네(今村明恒)는 간토(関東)의 역사 지진을 바탕으로 대지진이 약 100년 간격으로 발생한다는 논문을 학술지에 기고했다.[319] 1964년 국회 지진대책위원회에서 가와구치 히로시(河角廣)가 발표한 "남간토 대지진 69년 주설(南関東大地震69年周説)"은 가마쿠라의 강진 기록 등을 바탕으로 남간토 지역의 지진은 69±13년의 주기이며, 그중 26년은 다른 기간보다 강진 발생 확률이 4배 높다고 주장했다.[348] 두 주장 모두 매스미디어에서 선정적으로 보도되어 사회 문제가 되었다.[319][348]

또한, 이시바시(1998) 등에 의해 가나가와현 오다와라 부근에서는 1633년부터 1923년까지 거의 등간격으로 대지진이 발생했다는 것이 지적되었고, 통계적 분석을 통해 73.0±0.9년이 주기이며 다음 발생 시기는 1998년±3.1년이라는 "가나가와현 서부 지진(神奈川県西部地震)"이 예상되어, 일본 정부와 가나가와현, 시즈오카현이 피해 예상을 하게 되었다.[349] 그러나 이 설에는 의문점도 제기되었고, 1998년이 지났음에도 예상된 지진은 발생하지 않았다.[350]

지진의 주기성을 설명하는 학설은 두 가지가 있다. 다음 지진까지의 간격은 이전 지진의 규모에 의존한다는 시간 예측 모델(time-predictable model)과, 다음 지진의 규모는 이전 지진으로부터의 간격에 의존한다는 슬립 예측 모델(slip-predictable model)이다. Shimazaki and Nakata(1980)에 따르면 시간 예측 모델이 유력하다고 여겨진다.[351]

4. 2. 3. 지진 공백역

과거에 대지진이 발생했지만 오랫동안 지진이 발생하지 않은 지역을 제1종 공백역이라고 한다. 1960년대에 Fedotov(1965)와 모기(1968) 등에 의해 명확하게 인식되기 시작했다. 공백역의 개념에 따르면, 어떤 기간 내에는 대지진의 진원역은 서로 중복되지 않고 활동대를 채우듯이 발생한다.[339]

멕시코 오악사카주 연안에서는 오다케 등(1977)에 의해 지적되었던 공백역에서 1978년에 M7.8의 지진이 발생했다. 1973년 네무로반도 해역 지진(M7.4)은 우쓰(1972) 등에 의해 공백역으로 지적되었던 곳에서 발생했다. 그러나, 이전인 1894년의 M7.9보다 규모가 훨씬 작았기 때문에, 공백역이 완전히 해소되었는지 여부가 논의되었지만, 그 후 30년 동안은 대지진이 발생하지 않았다. 마찬가지로 멕시코 미초아칸주 연안에서는 Singh et al.(1981) 등에 의해 공백역이 지적되었고, 1981년에 M7.3의 지진이 발생했지만, 이것으로 공백역이 해소되었는지, 큰 지진이 계속될 것인지 논의된 후, 1985년에 M8.1의 멕시코 지진이 발생했다. 한편, 1994년 홋카이도 동부 해역 지진이 발생했을 당시의 에토로푸섬 해역은 1969년 이전 지진 이후 25년밖에 지나지 않았기 때문에 공백역이 아니라고 생각되었지만, 후에 발생 양식이 1969년(플레이트 경계형)과 다른 해양 플레이트 내부형임이 밝혀져 모순이 없다는 것이 알려졌다.[339]

McCann et al.(1979)과 Nishenko(1991) 등은 공백역 이론을 이용하여 환태평양 지역의 해구형 지진대의 대지진을 예측하려고 시도했지만, 예상대로 되지 않는 예가 두드러지고 있으며, 이시바시·사타케(1998), 오다케(1998), 우쓰(1998, 1999) 등과 같이 문제점을 지적하는 보고가 있다.[339]

대지진에 앞서 평소 발생하던 미소 지진 활동이 현저하게 감소하는 지역을 제2종 공백역이라고 한다. 1952년 도카치 앞바다 지진에서는 이노우에(1965)와 우쓰(1968) 등에 의해 공백역이 발생하고 있었던 것이 밝혀져 있다. 또한 1978년 멕시코 오악사카주 연안의 지진도 제2종 공백역이었던 것이 밝혀졌다. 한편, 1983년 일본해 중부 지진에서는 M4 이상으로 한정하면 1978년경부터 정지 현상이 보이지만, M2-3급을 포함하면 명확하지 않게 되는 것이 보고되고 있으며, 지진 활동이 활발한 지역에서는 임계값을 높게 설정하는 것이 좋을 경우가 있다고 여겨진다. 제2종 공백역이 생기는 물리적 원리는 충분히 해명되지 않았지만, 야마시나(2001)는 어떤 계기로 우연히 발생한 지진 활동의 불활발함이 변형률의 축적률을 증가시켜, 그것이 대지진을 촉진하고 있을 가능성을 언급하고 있다. 또한, 일단 정지된 것처럼 보여도, 큰 지진을 일으키지 않고 다시 원래 상태로 돌아가는 경우도 적지 않다.[339]

오다케(1980)와 마에다(1990)는 제2종 공백역의 발생부터 본진까지의 기간과 본진의 규모 사이에 상관관계가 있다는 것을 보고하고 있으며, 오다케(1980)는 더 나아가 공백역의 장경과도 상관관계가 있다고 하고 있다. 그러나, 기간과 공백역의 크기는 연구자에 따라 큰 차이가 있는 데다가, 본진의 진원역의 크기와 공백역의 크기는 반드시 일치하지 않고, 어느 한쪽이 더 큰 경우가 있다.[339]

위의 것 외에, 대륙 플레이트 내부에서 중소 규모의 지진 활동대 속에 생기는 정지역을 제3종 공백역으로 하는 보고도 있다(이시카와, 1990, 1995). 1995년 효고현 남부 지진, 같은 해 니가타현 중부의 지진(M5.5), 1997년의 야마구치현 북부 지진(M6.6) 등은 이러한 종류의 공백역에서 발생했다고 보고되고 있다.[339]

4. 2. 4. 지진 활동 패턴

블라디미르 케일리스-보로크의 지휘 아래 개발된 M8 알고리즘 계열(RTP 방법 포함)은 특정한 패턴의 작은 지진을 관측했을 때, 특정 규모의 큰 지진에 대한 "확률 증가 시간"(TIP, Time of Increased Probability) 경보를 발령한다. TIP는 일반적으로 최대 1,000km에 달하는 넓은 지역에 대해 최대 5년 동안 적용된다.[145] M8은 2003년 샌 시메온(San Simeon) 지진과 홋카이도(Hokkaido) 지진이 TIP 기간 내에 발생하면서 상당한 주목을 받았다.[146] 1999년 케일리스-보로크의 연구팀은 전 세계적으로 발생하는 대규모 지진을 고려할 때, M8과 MSc 모델을 사용하여 통계적으로 유의미한 중기 예측 결과를 얻었다고 발표했다.[147] 그러나 Geller 등[148]은 30년 미만의 기간에 대한 예측 주장에 대해 회의적인 입장을 보였다. 2008년 RTP 방법에 대한 심층 연구에 따르면, 약 20건의 경보 중 2건만이 적중으로 간주될 수 있었고(그중 하나는 어쨌든 60%의 발생 확률을 가진 지진이었다),[150] "RTP는 지진 발생률의 역사적 비율을 기반으로 한 단순한 추측 방법과 통계적으로 유의미한 차이가 없다"는 결론을 내렸다.[151]

''지진 모멘트 가속 방출''(AMR, Accelerating moment release)은 대규모 지진 이전의 전진 활동이 증가할 뿐만 아니라 기하급수적으로 증가한다는 관측에 기반한다.[152] 그러나 엄격한 검증 결과, 명백한 AMR 추세는 데이터 피팅 방식과[156] 지진의 시공간적 군집화를 고려하지 않은 것에서 비롯된 것으로 나타났다.[157] 따라서 AMR 추세는 통계적으로 유의미하지 않다.

지진 활동을 개관할 때 나타나는 공백역이나 지진 활동의 정지 또는 활발화와 지진 발생과의 관련성도 논의되고 있다. 과거에 대지진을 일으켰다는 것이 알려져 있지만, 오랫동안 대지진이 발생하지 않은 지역을 제1종 공백역이라고 한다. 1973년 네무로 반도 해역 지진(M7.4)은 공백역으로 지적되었던 곳에서 발생했다. 1985년에 M8.1의 멕시코 지진이 발생한 멕시코 미초아칸주 연안은 공백역이 지적되었던 곳이다. 한편, 1994년 홋카이도 동부 해역 지진이 발생했을 당시의 에토로푸섬 해역은 1969년 이전 지진 이후 25년밖에 지나지 않았기 때문에 공백역이 아니라고 생각되었지만, 후에 발생 양식이 1969년(플레이트 경계형)과 다른 해양 플레이트 내부형임이 밝혀져 모순이 없다는 것이 알려졌다.[339]

대지진에 앞서 평소 발생하던 미소 지진 활동이 현저하게 감소하는 지역을 제2종 공백역이라고 한다. 1978년 멕시코 오악사카주 연안의 지진도 제2종 공백역이었던 것이 밝혀졌다. 제2종 공백역이 생기는 물리적 원리는 충분히 해명되지 않았다.[339]

대륙 플레이트 내부에서 중소 규모의 지진 활동대 속에 생기는 정지역을 제3종 공백역으로 하는 보고도 있다(이시카와, 1990, 1995). 1995년 효고현 남부 지진, 1997년의 야마구치현 북부 지진 등은 이러한 종류의 공백역에서 발생했다고 보고되고 있다.[339]

지진 활동도를 수식화하여 표현하는 시도도 이루어졌다. Wiemer and Wyss(1994)는 ζMAP을 발표하고 있다. 요시다 등(1997 등)은 CHASE(change of seismicity)를 제안하고 있다. 오가타(1988, 1992, 1998) 등은 ETAS 모델을 사용하여 도호쿠 지방 태평양 측 등에서 정지의 예를 보고하고 있다.[339]

대지진의 발생에 앞서, 그 진원역의 주위에서 지진 활동이 활발해지는 영역이 나타나는 경우가 있으며, 제2종 공백역을 둘러싸듯이 분포한다. 모기 키요오는 이것을 도넛 패턴이라고 명명했다. 1978년 시마네현 동부 지진에서는 반년 전부터 미소 지진이 도넛 모양으로 분포하고, 그곳을 메우듯이 본진이 발생하고 있다(야마시타·이노우에, 1979). 1923년 관동 대지진에서는, 1894년 메이지 도쿄 지진 등 약 30년 전부터 대규모 지진이 도넛 모양으로 발생하고 있다(모기, 1980)[339].

대지진의 발생에 앞서 일어나는 작은 지진을 전진이라고 하며, 자주 본진과의 관련성이 논의된다. 1995년 효고현 남부 지진에서는, 전일에 아카시 해협에서 최대 M3.5의 지진을 포함한 지진 활동이 있었다.[340] 전진 중에는, 1923년 관동 대지진의 예와 같이, 시간적·공간적으로 떨어진 것도 있다. 이러한 종류의 지진은 「광의의 전진」 또는 「세키야형 전진」(세키야, 1976)이라고 불린다. 군발 지진성의 것은 「전진 스웜」이라고 불린다.[339]

구텐베르크-리히터 법칙에서 규모별 빈도 분포를 나타내는 b값도, 지진 활동과의 관련성이 논의된다. 1976년 탕산 지진에서는, 5년 전부터 b값이 상승하고, 그 후 약 2년간 0.5 정도까지 저하, 그 후 본진이 되었다(리 등, 1978). b값이 예지에 어느 정도 유효한지는 충분히 해명되어 있지 않다.[339]

조석과 지진 활동의 관계를 묻는 논의도 있다. 윤 등(1995, 1996)은 조석력에 의한 ΔCFF를 각 지진 발생 시에 산출하고, 상관을 나타내는 파라미터 Y값을 비교하여, 대지진 전에는 Y값이 자주 커진다고 보고했다. LURR(Load-Unload Response Ratio)라고도 한다. 그러나, 예지에 어느 정도 유효한지에 대한 논의는 진행되지 않고 있다.[339]

Savage(1983)는, 섭입대에서의 섭입의 과부족을 「슬립 부족(백슬립)」이 있다고 가정하여 설명하고, 이것을 모델화했다. 이 이론에 의해, 슬립 부족의 크기나 플레이트 간 커플링의 값 등으로부터 플레이트 간의 대지진을 예측할 수 있는 가능성이 논의되고 있지만, 2011년 동일본대지진에 의해 이론에 의문이 제기되는 등, 이론의 정확성을 포함하여 결론은 나오지 않고 있다.[341] 고감도 지진 관측망의 관측에 의해 발견된 심부 저주파 미동이나 이것과 관련하여 일어나는 슬로우스립 등도, 슬립 부족을 보충하는 지각 변동으로서 연구되고 있다.[342][343]

4. 2. 5. 머신러닝

인공 신경망 등 기계 학습 기법을 활용하여 지진 예측 모델을 개발하는 연구가 진행 중이다.

Rouet-Leduc 등(2019)은 음향 시계열 데이터에 대한 회귀 랜덤 포레스트를 훈련시켜 단층대에서 방출되는 신호를 식별하고 단층 파괴를 예측할 수 있었다고 보고했다.[159] 가장 파괴적인 지진의 희귀성으로 인해 대표적인 데이터를 얻는 것이 여전히 문제가 되지만 Rouet-Leduc 등(2019)은 더 이상의 연구를 통해 관심 있는 지진 패턴이 소규모 지진에서도 유사하다는 것을 보여주었기 때문에 그들의 모델이 파괴적인 지진의 데이터로 훈련할 필요가 없을 것이라고 추측했다.[160]

심층 학습 또한 지진 예측에 적용되었다. Theano 및 TensorFlow 소프트웨어 라이브러리를 사용하여 DeVries 등(2018)은 이전에 확립된 쿨롱 파괴 응력 변화 방법보다 지진 여진의 공간 분포 예측에서 더 높은 정확도를 달성한 신경망을 훈련했다.[161]

Arnaud Mignan과 Marco Broccardo는 인공 신경망을 지진 예측에 적용하는 것을 분석했다. 그들은 문헌 검토에서 인공 신경망을 활용한 지진 예측 연구가 해당 분야에 대한 관심이 증가함에 따라 더 정교한 모델로 이동하고 있음을 발견했다. 또한 그들은 주목할 만한 성공률로 지진 예측에 사용된 신경망의 성능이 더 간단한 모델과 일치한다는 것을 발견했다.[162]

4. 2. 6. EMP 유발 지진

고에너지 전자기 펄스는 EMP 발생기에서 방출된 후 2~6일 이내에 지진을 유발할 수 있다.[163] 강력한 전자기적 영향이 지진 활동을 제어할 수 있다는 주장이 제기되었는데, 그 이유는 이후 나타나는 지진 활동 역학이 평소보다 훨씬 규칙적인 것으로 보이기 때문이다.[164][165]

5. 주요 예측 사례

역사적으로 주목할 만한 지진 예측 또는 예측 주장이 여러 건 있었다. 다음은 과학적으로 또는 대중적 주목도 때문에 주목할 만한 예측 또는 예측 주장으로, 과학적 또는 유사과학적 근거를 주장하는 것들이다. 많은 예측이 기밀로 유지되거나 알려지지 않은 곳에 발표되고, 주장될 때만 주목받기 때문에, 적중이 실패보다 더 많은 관심을 받는다는 점에서 선택 편향이 있을 수 있다. 여기에 나열된 예측들은 Hough의 책[50]과 Geller의 논문[166]에서 논의된다.

1975년에 중화인민공화국에서 발생한 하이청 지진에서는 지진 전에 행정부가 경보를 발표하여 많은 주민을 대피시켜 사상자가 적었다고 전해진다.[311][312] 하지만 이 사례는 일반적으로 보기 드문 뚜렷한 전진을 근거로 경보를 발표한 특수한 사례이며, 모든 지진에 적용할 수 있는 것은 아니라고 분석되고 있다. 사실, 다음 해 1976년의 탕산 지진에서는 전조의 보고는 있었지만 결정적인 정보가 없는 채로 경보를 발표할 수 없었고, 결과적으로 20만 명 이상이 사망했다.[311][312]

그리스에서는 VAN법에 의한 지진 예측이 1990년대에 주목을 받았다. 1995년 5월-6월에 발생한 M6급의 3개의 지진을 비롯하여 연구자들은 많은 성공 사례를 보고했지만, 성공 판정 기준이 너무 느슨하다는 비판이나 행정부에 사전 통보했다는 사례에 의문을 제기하는 지적도 있어 정부는 예측을 인정하지 않았다. 그 후에도 VAN법은 계속되고 있지만, 그리스에서는 자주 지진 피해를 입고 있을 뿐만 아니라 예측의 성패와 보도의 방식이 자주 문제가 되고 있다.[313][314]

미국 캘리포니아주에 있는 인구 수십 명의 시골 마을 파크필드(Parkfield, California)에서는 19세기 이후 약 22년 간격으로 규칙적인 주기로 M6급의 이 발생하는 것이 알려져 있었다. 다음 지진이 1988년-1992년 사이일 것이라는 예측이 1980년대에 보고되자, 미국 지질조사국(USGS)·(CGS)·대학 등을 중심으로 1985년부터 "Parkfield Prediction Experiment"(파크필드 예측 실험)이라는 고밀도 관측을 실시하여 예측을 목표로 했다. 1992년과 1993년에는 NEPEC[305]이 4단계 중 최고인 A등급 경보(72시간 이내에 약 30%의 확률로 지진이 발생한다는 것을 의미)를 발표했지만, 모두 발생하지 않고 해제되었다. 진짜 지진은 예측으로부터 10년 이상 지난 2004년에 발생했지만, 경보는 발표되지 않았고 예측에 실패했다.[306][307][308][309][310]

5. 1. 1975년 하이청 지진 (중국)

1975년 중국 랴오닝성 하이청시에서 발생한 규모 7.3의 1975년 하이청 지진은 지진 예측의 대표적인 "성공 사례"로 널리 알려져 있다.[167] 중국 당국은 1974년 6월 중장기 예측을 발표하고, 주민 대피 및 야외 활동을 권고했다.[168] 지진 발생으로 가옥 절반이 파괴되거나 손상되었지만, "효과적인 예방 조치" 덕분에 160만 명 인구 중 사망자는 300명 미만이었다고 알려졌다.[168]

그러나 이러한 공식 발표와 달리, 지진 예측과 대피 과정에 대한 회의적인 시각도 존재한다. 문화 대혁명 기간이었기 때문에 기록이 혼란스러워 세부 사항 확인이 어렵고, 중장기 및 단기 예측에 사용된 방법도 명확하지 않다.[169][170] 지진 발생 하루 전 규모 4.7의 전진이 발생하여 주민들이 자발적으로 대피했을 가능성도 제기된다.[172]

2006년 연구에 따르면, 공식적인 단기 예측은 없었으며, 최종 경고 및 대피 결정은 전진 활동에 의한 것이었다.[173] 연구자들은 실제 사망자가 2,041명이라고 추산했다. 낮은 사망자 수는 지진 교육, 지역 주민의 노력, 발생 시점, 건축 양식 등 여러 요인이 복합적으로 작용한 결과였다.[173] 결론적으로, 하이청 지진은 완벽한 예측은 아니었지만, "실질적으로 실패로 끝나지 않은 최초의 대규모 지진 예측 시도"였다.[173]

5. 2. 1981년 리마 지진 (페루)

1976년, 미국 광산국(U.S. Bureau of Mines)의 물리학자 브라이언 브레이디(Brian Brady)는 페루 해안의 해저 섭입대에서의 변형력 축적이 7년에서 14년 이내에 대규모 지진을 일으킬 수 있다는 결론을 내렸다.[174] 그는 1978년 6월 내부 보고서에서 예상 기간을 "1981년 10월~11월"로, 주요 지진의 규모를 9.2±0.2로 예측했다.[175] 1980년 10월, 브레이디의 동료 W. 스펜스(W. Spence)는 아르헨티나 산후안에서 열린 과학 세미나에서 이 예측을 발표했다.[174] 1981년 1월 26일, 이 예측은 페루의 주요 일간지에 대서특필되며 널리 알려졌다.[177]

미국 지진 예측 평가 위원회(NEPEC)는 브레이디-스펜스 예측을 검토한 결과, 과학적 타당성에 대해 "확신할 수 없다"고 발표하며 예측을 심각하게 고려해서는 안 된다고 권고했다.[178] 그럼에도 브레이디는 예측을 수정하여 1981년 7월 6일, 8월 18일, 9월 24일경에 지진이 발생할 것이라고 주장했다.[180] 미국 지질조사국(USGS) 관계자는 브레이디의 이러한 행동에 대해 불만을 표했다.[181]

예측된 날짜에 지진이 발생하지 않자, 페루 신문은 "아무 일도 일어나지 않았다"고 보도했다.[183] 7월, 브레이디는 공식적으로 예측을 철회했다.[184] 이 사건으로 인한 관광 감소로 페루는 약 1억 달러의 경제적 손실을 입었다.[185]

1980년에서 1981년 사이, 페루에서는 과학적 근거가 있는 지진 예측 정보가 큰 사회적 혼란을 야기했다.[398] 브레이디의 예측은 페루 언론에 의해 대대적으로 보도되었고, 이는 부유층의 식량 비축, 학교 임시 휴교, 학생들의 내륙 전학, 칼라오(Callao) 항구의 쓰나미 소문으로 인한 대피, 인구 조사 연기, 보험 가입 급증, 외국인 입국자 수 35% 감소, 해안 고급 주택가 주택 매각 및 손해 배상 소송 등으로 이어졌다.[398] 미국 정부는 이러한 상황을 심각하게 보고 리마 주재 미국 대사와 USGS 지진국장을 통해 안전성을 보여주려 노력했다.[398] 결국 지진은 발생하지 않았고, 브레이디는 스스로 예측을 취소했다.

5. 3. 1985-1993년 파크필드 지진 (미국)

1985년부터 미국 지질조사국(USGS)과 캘리포니아 지질조사국(CGS) 등은 캘리포니아주 파크필드(Parkfield, California) 지역의 산 안드레아스 단층에서 발생하는 지진의 규칙성에 주목하여 "파크필드 지진 예측 실험"을 시작했다.[186] 1857년, 1881년, 1901년, 1922년, 1934년, 1966년에 발생한 지진 기록을 바탕으로,[187] 1934년 지진을 제외하고 약 22년(±4.3년) 주기로 M 6 규모의 지진이 발생한다는 사실을 확인했다. 이를 근거로 1988년경, 늦어도 1993년까지 지진이 발생할 확률이 95%라고 예측했다.[188]

미국 지진 예측 평가 위원회(NEPEC)도 이 예측을 승인하여,[188] 미국 지질조사국과 캘리포니아주는 정교하고 밀집된 관측 장비망을 구축하고, 지진 발생 시 재난 당국에 경고하기 위한 상세한 계획을 세웠다.[189][190] 그러나 예측했던 1993년이 지나도 지진은 발생하지 않았고, 결국 2004년 9월 28일]]에 M 6.0 지진이 발생했지만, 뚜렷한 전조 현상은 없었다.[192] 이로 인해 파크필드 지진 예측은 실패로 평가받았지만, 지진 관측 자료를 확보했다는 점에서 과학적 ''실험''은 성공적이었다는 평가도 있다.[193]

5. 4. 1983-1995년 그리스 (VAN)

1981년, 파나요티스 바로초스(Panayiotis Varotsos)가 이끄는 "VAN" 그룹은 지진과 '지진 전기 신호'(SES) 사이의 관계를 발견했다고 주장했다.[195] 1984년 그들은 1983년 1월 19일부터 1983년 9월 19일까지 발생한 23건의 지진 목록을 제시하며, 그중 18건의 지진을 성공적으로 예측했다고 주장했다.[195] 이후에도 1987년 4월 1일부터 1989년 8월 10일까지 Ms ≥ 5.5인 7건의 지진 중 6건을 예측했다는 주장(1991년)과 같이 여러 목록이 발표되었다. 1996년 그들은 1987년 1월 1일부터 1995년 6월 15일까지 발표된 모든 예측에 대한 "요약"을 발표했으며,[196] 총 94개의 예측에 달했다.[197] 이를 "MS(ATH)"를 가진 모든 지진 목록과 비교하여,[198] 그리스 대부분을 포함하는 지리적 경계 내에서[199] 그들이 예측해야 했던 14개의 지진 목록을 만들었고, 10건의 성공을 주장하며 70%의 성공률을 제시했다.[200]

VAN의 예측은 지구물리학적으로 타당하지 않고,[201] "모호하고 애매하며",[202] 예측 기준을 충족하지 못한다는 비판을 받았다.[203] VAN이 10건의 성공을 주장한 14건의 사례에 대한 비판적 검토 결과, 예측 매개변수 내에서 지진이 발생한 경우는 한 건뿐이었다.[205] VAN의 예측은 우연보다 나은 결과를 보여주지 못할 뿐만 아니라, "이전에 발생한 사건과 훨씬 더 좋은 연관성을 보여준다".[206]

VAN은 여러 차례 대중의 공황과 광범위한 불안을 야기했다는 비판을 받았다.[220] 예측의 크고 불확정적인 매개변수[215], 예측 범위가 그리스의 광대한 지역을 포괄한다는 점,[221] 예측된 규모의 불확실성[221], 한 달 이상의 불확정적인 시간 창[222]등으로 인해 적절한 수준의 준비나 공공 경고 발표에 "실제로 활용될 수 없다"는 비판을 받았다.[223]

2006년 이후, VAN은 SES 활동과 관련된 모든 경보를 arxiv.org에 게시하여 공개했다고 주장한다. 그러나 Gerassimos Papadopoulos는 VAN 보고서가 혼란스럽고 모호하며 "성공적인 VAN 예측에 대한 주장 중 어느 것도 정당화되지 않는다"고 논평했다.[226]

5. 5. 2009년 라퀼라 지진 (이탈리아)

2009년 4월 6일 3시 32분, 이탈리아 중부 아브루초(Abruzzo) 지역에서 규모 M 6.3의 2009년 라퀼라 지진이 발생했다.[254] 라퀼라(L'Aquila) 시와 그 주변 지역에서는 약 6만 채의 건물이 붕괴되거나 심각한 피해를 입어 308명이 사망하고 6만 7500명이 집을 잃었다.[255]

이 지진과 관련하여 지암파올로 줄리아니(Giampaolo Giuliani)는 그란사소 국립연구소(Laboratori Nazionali del Gran Sasso)의 연구원으로, 라돈 가스 방출량 측정을 통해 지진을 예측했다고 알려져 있다.[257] 그는 2009년 3월 29일, 라퀼라에서 남동쪽으로 약 55km 떨어진 술모나(Sulmona) 시장에게 6~24시간 이내에 "피해를 줄" 또는 "재앙적인" 지진이 발생할 것이라고 경고했다.[260][261] 그러나 실제 지진은 술모나가 아닌 라퀼라에서 발생했고, 줄리아니는 공공 불안을 조장했다는 이유로 기소되어 공개 예측을 금지당했다.[261]

라퀼라 지진 이후, 줄리아니는 지진 발생 직전에 라돈 수치가 급격히 상승한 것을 발견했다고 주장했다.[262] 그러나 국제 지진 예측 및 민방위 위원회(International Commission on Earthquake Forecasting for Civil Protection)는 줄리아니가 본진 발생 전에 민간 당국에 유효한 예측을 전달하지 않았다는 결론을 내렸다.[264]

한편, 2009년 라퀼라 지진에서는 지진 발생 1주일 전, 지진 전문가 위원회가 "가까운 시일 내에 큰 지진이 발생할 가능성은 낮다"는 안전 선언과 같은 성명을 발표했다.[402][403][404][405] 그러나 실제로는 큰 지진이 발생하여 29명의 시민이 사망했고, 위원회 멤버 6명과 방재 당국 직원 1명 등 총 7명이 과실치사 혐의로 기소되었다.[402][403][404][405] 라퀼라 시 법원은 2012년 10월 23일 피고 전원에게 징역 6년의 형을 선고했다. 재판에서는 지진 위험을 제대로 전달하지 못한 것이 과실에 해당한다고 판시되었다.[402][403][404][405]

6. 지진 예측의 어려움 및 불가능성

지진 예측의 실적은 현재까지 실망스러운 수준이다.[265] 1970년대에는 10년 이내에 지진 예측이 가능할 것이라는 낙관론이 있었지만,[266] 1990년대에 들어서면서 이러한 기대는 크게 꺾였다.[267] 많은 과학자들이 지진 예측의 어려움에 대해 의문을 제기하기 시작했고, 1997년에는 지진이 "예측할 수 없다"는 주장이 제기되기도 했다.[148]

지진 예측이 어려운 이유는 다음과 같다.


  • 지진 발생 메커니즘의 복잡성: 1978년 초, 지진 파열은 "단층을 따라 기계적 특성의 불균질한 분포"에 의해 복잡해질 수 있다고 보고되었고,[270] 1986년에는 단층면의 기하학적 불규칙성이 "파열의 시작과 멈춤을 크게 조절하는 것으로 보인다"고 보고되었다.[271] 또한 단층의 성숙도에 따라 단층 거동에 상당한 차이가 있다는 연구 결과도 있다.[272]
  • 탄성반발 이론의 불확실성: 지진학의 핵심 개념인 탄성반발 이론에 대한 이해가 부족할 수 있다는 지적도 있다. 시뮬레이션 결과, 탄성반발 이론의 고전적인 견해와 일치하지 않는 결과가 나오기도 했다.[274]
  • 관측 데이터 부족 및 처리: 전조 현상을 포착하려면 충분한 밀도와 빈도로 관측을 실시해야 하지만, 이를 위해서는 많은 예산과 전문가가 필요하다.
  • 전조 현상의 불규칙성: 경험적으로 볼 때, 전조 현상은 지진마다 다르게 나타나기 때문에 규칙성이 부족하다.


일부 과학자들은 지진이 본질적으로 예측 불가능하다고 주장한다. 1997년에는 지구가 "어떤 작은 지진이라도 큰 사건으로 확대될 가능성이 있는" 자기조직 임계상태에 있다는 주장이 제기되었다.[275]

일본지진학회는 현재로서는 지진 예측이 매우 어렵다는 견해를 발표했지만, 미래 실현 가능성에 대해서는 여지를 남기고 있다.[315][316] IASPEI의 위원회인 「시민 보호를 위한 국제 지진 예측에 관한 검토 위원회(CCEP)」의 2009년 보고서에서도 유사한 견해가 발표되었다.[290]

동물이나 식물 등의 전조 현상(宏觀異常現象)을 이용한 연구도 있지만, 대부분 과학적인 설명이 부족하여 실용적인 지진 예측에 이용하기는 어렵다.[316][317] 지진운의 경우도 연구 보고는 있지만, 메커니즘을 설명하는 가설이 부족하고 객관적인 평가도 불충분하여 충분한 검증이 필요하다.[316][317]

지진 예측이 가능해지더라도, 예측 정보를 어떻게 공표하고 책임 소재를 어떻게 할 것인지에 대한 문제도 남아있다.[290][318]

한편, 수십 년 이상의 단위로 실시하는 확률론적 예측(장기적인 발생 확률)은 지진 위험도로서 실용화되고 있다.[390][351]

7. 연구 및 정책의 역사

7. 1. 일본

19세기 후반, 今村明恒(이마무라 아키쓰네)과 大森房吉(오모리 후사키치)의 「관동 대지진 논쟁(오모리·이마무라 논쟁)」은 근대 지진학에서 지진 예측에 관한 주목할 만한 사건 중 가장 오래된 것이다.[319] 이마무라는 관동 지역 대지진 발생 간격을 평균 100년으로 보고, 앞으로 50년 이내에 다음 대지진 발생을 대비해야 한다고 주장했다.[319] 1923년 다이쇼 관동 지진이 발생했을 때, 오모리는 "예상보다 60년 빨랐다"라고 말했다고 전해진다.[319]

전후 경제 회복과 함께 1960년경부터 지진 예측에 대한 본격적인 연구가 활발해졌다.[319] 1961년 4월, 하기와라 타카요시(萩原尊禮), 쓰보이 추우지(坪井忠二), 와타타리 키요오(和達清夫) 3명으로 구성된 “지진 예측 계획 연구 그룹”이 발족하여, 1962년에 “지진 예측 ― 현황과 그 추진 계획”(통칭 “블루프린트”)이라는 보고서를 발표했다.[319][320] 이 보고서는 10년 단위의 관측 연구를 통해 지진 예측 실용화를 위한 기초 데이터를 축적하는 것을 제안했다.[319][320]

1964년 6월 16일에 니가타 지진(新潟地震)이 발생하여 지진 예측에 대한 여론이 높아졌다.[319] 1965년 8월에 시작된 마쓰다이 군발 지진(松代群発地震)은 일본의 지진 예측 연구 성숙도를 시험하는 계기가 되었다.[319] 1969년 4월에는 지진 예측 연락회(地震予知連絡会)(예지연)가 발족하여 학문적인 입장에서 지진 활동 상황에 대처하는 기관이 되었다.[319]

1995년 효고현 남부 지진(한신·아와지 대지진)은 예측에 실패하면서 지진 예측 연구와 정책에 대한 비판이 높아졌다.[319][321] 1997년 6월에는 “지진 예측 계획의 실시 상황 등의 검토에 관하여”가 발표되었는데, 이 보고서에서는 지진 예측의 실용화가 “매우 어려운 과제임”이 제시되었다.[319][321]

시마무라 히데키(島村英紀)는 이러한 연구가 지속된 배경에는 기득권과 예산을 지키려는 관료의 체질이 있다고 지적하며, 피해를 줄이려면 건축물 대책 등 다른 방법이 더 효과적이라고 주장한다.[322] 로버트 게러(Robert Geller)는 단기 예측과 장기 예측 모두 중단하고 예측 불가능한 상황에 대처하도록 촉구해야 한다고 주장한다.[324][325]

동해(일본해) 지진에 대해서는, 1978년 제정된 대규모 지진 대책 특별 조치법에 따라, 1979년부터 일본 정부가 예측 정보를 보고·발표하는 체제가 확립되었다.[417] 시즈오카현에서는 체적 변형계 데이터를 주요 기준으로 하여 “상정 동해 지진”의 전진 미끄럼(preslip)을 검출하고, 기상청이 “동해 지진에 관련된 정보”를 발표하는 체계였다.[415] “동해 지진에 관련된 정보”는 “동해 지진 예측 정보”, “동해 지진 주의 정보”, “동해 지진에 관련된 관측 정보”의 3단계로, 최고 레벨의 “동해 지진 예측 정보”가 발표되면 경계 선언이 발령되고, 경제·사회 활동이 제한되었다.[416][417]

2017년, 중앙 방재 회의는 “현 시점에서, 지진의 발생 시기나 장소·규모를 확률 높게 예측하는 과학적으로 확립된 방법은 없다”는 보고를 발표했다.[419] 이를 받아들여 일본 정부는 “동해 지진에 관련된 정보” 발표를 중지하고, 난카이 트러프 지진에 관련된 정보” 발표를 시작했다.[419]

7. 2. 세계

1961년 이케다 하야토(池田勇人)와 존 F. 케네디(John F. Kennedy)의 한일 정상회담에서 체결된 한일 과학협정의 일환으로 지진 예측 관련 세미나가 기획되어(1964년 3월 제1회 개최) 일본으로부터 지식이 유입되었다.

미국에서는 핵폭발 탐지 목적으로 미소 지진 관측 연구는 최첨단이었지만, 지진 예측은 활발하지 않았다. 1964년 알래스카 지진으로 미국에서도 지진 예측이 활발해졌다. 1970년대에 들어서면서 Earthquake Hazards Reduction Program(EHRP, 지진 재해 경감 계획)이 시작되었다. 예측을 위한 물리적 기초와 예측 방법을 연구하고, 지진 활동도가 높은 지역에서 실시하여 평가하는 동시에, 역사적·지질학적 기초의 관점에서 대지진의 반복 특징과 지진 발생 확률을 정확하게 인식하는 것을 목표로 내걸고, 이후 장기적으로 실시되고 있다. 연방 차원에서는 지질조사국 하부 기관인 National Earthquake Prediction Evaluation Council(NEPEC)이 관측으로부터 단기·장기 예측까지 담당하고 있다. 시간 비의존적인 장기적인 확률 지도인 National Seismic Hazard Map Project(NSHMP)가 제공되고 있는 외에, 여진의 확률을 나타내는 Short-Term Earthquake Probability(STEP)가 2005년부터 웹에서 공개되고 있다.[411] 캘리포니아주에서는 독자적인 계획에 기반한 연구도 이루어지고 있다.[319] 특히, 파크필드 지진은 미국의 지진 예측 테스트 사이트로 여겨지며 집중적인 관측이 이루어졌지만, 2004년 지진 예측에는 실패했다. 이로 인해 미국에서의 지진 예측에 대한 기대가 축소되었다는 견해도 있지만, 대지진 진원지 바로 근처에서 많은 데이터를 수집하여 성과를 거두었다고 평가하는 견해도 있으며, 관측은 이후에도 계속되고 있다. 한편, SCEC의 주도로 캘리포니아 지진 예측 모델(Regional Earthquake Likelihood Models, RELM)을 만드는 노력이 2000년부터 시작되었고, 이 프로젝트에서 파생되어 지진 예측 모델의 국제 실증 실험을 수행하는 CSEP가 탄생했다.[329]

구 소련에서는 1950년대 후반부터 연구가 활발해졌다고 알려져 있으며, 중앙아시아의 카자흐스탄, 키르기스스탄, 우즈베키스탄, 타지키스탄, 투르크메니스탄 외에 극동의 캄차카에서 연구 계획이 실시되었다. 서방 국가들과는 다른 분야의 연구가 많은 것이 특징이며, 초기에는 지진파 속도 변화를 테마로 한 연구가 활발해졌고, 한때 이 성과가 전해진 서방 국가에서도 지진 예측의 유력한 방법으로 간주된 시기가 있었다. 그러나 이론에 오류가 있다는 지적이 제기되면서 이 연구는 쇠퇴하였다. 대신 라돈 농도나 지전류 변화의 연구가 활발해지면서 여러 연구 계획이 실시되었다.[319] 러시아에서는 Russian Expert Council(REC) for Earthquake prediction and Earthquake Hazard Assessment라는 기관이 지진 예측에 관한 공식 정보를 관할하고 있으며, 법률에 근거하여 정부에 전달하는 역할을 맡고 있으며 실제로 정보 제공이 이루어지고 있지만, 시민들에게까지 전달되는 경우는 드물다고 한다. "Reverse Tracing of Precursors (RTP)"나 "M8" 등의 방법이 연구되고 있다.[411]

중국에서는 적어도 1960년대 후반부터 대규모 예측 계획이 실시되어 1970년대까지 계속되었다. 1970년대부터 1980년대에 걸쳐서는 宏観異常現象(거시적 이상 현상)을 중시한 연구가 많았다. 1975년에는 지진의 전조로 동물의 이상 행동을 다수 다룬 『地震問答』(지진 문답)이라는 책이 출판되었다.[319] 중국 지진국(CEA)이 연구부터 발표까지 일원적으로 담당하고 있으며, 관측 데이터를 이용하여 경험적으로 예측을 하고 있다. 지진동에 의한 조닝(지진 위험도 평가)도 이루어지고 있다. 직접적으로는 "지진 예측 관리 조례", "방진 감재법"에 의해 규정되어 있어, 예측에 관한 의견은 누구든지 지진국에 보고할 수 있는 반면, 그것을 공표하는 것은 제한되어 있어 정부의 책임으로 발표된다.[411][414]

국제적으로는 1967년 국제 학술 회의인 국제 측지학·지구물리학 연맹(IUGG) 산하 국제 지진학 및 지구 내부 물리학 협회(IASPEI) 내에 국제 지진 예측 위원회(ICEP)가 설치되었다. ICEP는 IUGG와 IASPEI 총회 때마다 지진 예측에 관한 심포지엄을 열고, 동구권의 연구를 서구권에 전달하는 역할을 담당했다. 개발도상국에서의 예측 계획 작성도 시도되었지만, 예산 확보가 되지 않아 중단되었다. 한편, 1976년에는 유네스코(UNESCO)가 “지진 위험도의 설정과 경감에 관한 정부 간 회의”를 개최하여 본격적인 검토를 시작했다. 1983년에는 UNESCO와 IASPEI가 공동으로 11개국의 전문가에 의한 토론회를 개최하여 지진 예측에 관해 연구자가 어떠해야 하는지를 검토했다.[319]

한편, 1980년경부터 UNESCO에서는 국제적인 지진 예측 실험장을 만드는 계획이 제기되었지만 순조롭게 진행되지 않았고, 나중에 고밀도의 영구적인 관측이 더 중요하다는 인식이 생긴 이후로는 보류 상태가 되고 있다. 이 계획에서 후보로 거론되었던 터키의 북아나톨리아 단층 서부에서는 일본, 미국, 독일, 영국 등이 비용을 부담하여 공동 연구를 수행하여 성과를 거두고 있다.[319]

최근에는 남캘리포니아 지진센터(Southern California Earthquake Center)(SCEC)의 토마스 H. 조던(Thomas H. Jordan) 등의 주도로 2006년부터 지진 활동 예측 가능성 공동 실험(Collaboratory for the Study of Earthquake Predictability, CSEP)이 시작되었다. 각국의 연구자들이 자신의 예측 모델(알고리즘)을 가지고 와 여러 모델을 동일한 조건하에서 검증 실험을 하여 유효성을 비교하는 것이다. 지금까지의 지진 예측 시도에서는 비교 방법이나 객관적인 기준이 확립되어 있지 않았기 때문에, 비교를 위한 표준화를 하는 것부터 시작했다. 캘리포니아, 뉴질랜드, 이탈리아, 일본 등의 실제 지진 활동을 사용하여 검증 실험이 이루어지고 있다.[329][330]

이탈리아에서는 행정적인 역할은 Protezione Civile가 담당하고, 과학적인 평가 등은 Italian National Commission for the Forecast and Prevention of Major Risks(CGR)가 담당하고 있다. 시간 비의존적인 확률 지도가 작성되고 있다. 지진 예측은 제도화되어 있지 않다.[411]

그리스에서는 Earthquake Planning and Protection Organization(EPPO)라는 기관이 지진 대책의 방침 상신과 예측의 평가를 담당한다. VAN법에 대응하기 위해 EPPO 아래에 평가 위원회가 설치되어 있다. 정부로서는 지진 예측은 제도화되어 있지 않다.[411]

8. 결론

참조

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[64] 논문 ICEF 2011, p. 335 2011
[65] 논문 Park, Dalrymple, Larsen 2007, paragraphs 1 and 32. See also Johnston, Sasai, Egbert, Mueller 2006, p. S218 "no VAN-type SES observed" and Kappler, Morrison, Egbert 2010 "no effects found that can be reasonably characterized as precursors". 2007, 2006, 2010
[66] 논문 ICEF 2011, Summary, p. 335 2011
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