Subsurface fault geometries in inland Hokkaido from geometric clustering of dense hypocenter distributions

지표면 아래의 지구 내부는 단단하고 끊김 없는 껍질이 아니다. 대신, 지각판들이 서로 맞물려 돌아가는 거대한 균열인 단층에 의해 파쇄되어 있다. 이 균열을 따라 응력이 쌓이다가 마침로 방출될 때, 그 결과로 지진이 발생한다. 지진이 어디에서 얼마나 강하게 발생할지 예측하려는 과학자들에게 이 숨겨진 균열의 정확한 모양과 방향을 아는 것은 필수적이다. 그러나 지질학자들이 지표면으로 드러나는 단층은 지도화할 수 있는 반면, 위험한 지진의 대다수는 지표에 결코 도달하지 않는 '블라인드 단층(blind faults)'에서 발생한다. 이 보이지 않는 구조물들은 지하 깊은 곳에 자리 잡고 있어, 위성 영상이나 지표 조사와 같은 전통적인 도구로는 관찰하기가 거의 불과 가능하다. 이러한 숨겨진 기하학적 구조에 대한 명확한 그림 없이는, 지각을 통해 응력이 어떻게 이동하는지 이해하거나 미래의 재난 위험을 정확하게 평가하기 어렵다.

일본 북부 섬인 홋카이도에서 이러한 과제는 특히 심각하다. 이 지역은 여러 거대한 지각판이 충돌하고 서로 미끄러져 지나가는 복잡한 접점에 위치한다. 이러한 지구조적 활동은 빈번한 지진을 발생시키지만, 많은 단층이 토양 아래 깊숙이 묻혀 있거나 두꺼운 눈과 식생에 가려져 있어 그 실체가 알려지지 않은 채 남아 있다. 이 수수께력을 풀기 위해 연구팀은 지진 그 자체에 주목했다. 지난 20년 동안 발생한 수천 건의 작은 떨림을 분석함으로써, 그들은 그 원인이 된 단층의 3차원 형태를 재구성할 수 있었다. 그들의 연구는 홋카이도 내륙 전역에 걸친 이 숨겨진 구조물들에 대한 첫 번째 종합적인 지도를 제공하며, 기존의 지표 지도가 제시했던 것과는 크게 다른, 깊고 가파른 균열의 경관을 드러냈다.

연구진은 매우 민감한 귀로 지구의 소리에 귀를 기울이는 것으로 시작했다. 그들은 2004년부터 2024년까지 홋카이도 전역에 흩어져 있는 조밀한 지진계 네트워크로부터 얻은 연속적인 기록을 수집하여, 모든 진동을 포착했다. 지진의 희미한 신호를 인식하도록 훈련된 첨단 컴퓨터 모델을 사용하여, 그들은 전통적인 방식으로는 놓쳤을 수십만 건의 지진 이벤트를 식별해 냈다. 이들 중 상당수는 인간이 느낄 수 없을 정도로 미세한 떨림이었으나, 이들이 모여 지면이 파쇄된 지점을 표시하는 상세한 점들의 구름을 형성했다. 연구팀은 이후 각 이벤트의 위치를 극도로 정밀하게 다듬었으며, 이 과정에서 지진파가 암석의 종류에 따라 서로 다른 속도로 이동한다는 사실을 보정하였다. 이 과정은 지진이 발생한 위치에 대한 매우 정확한 지도를 만들어냈으며, 결과적으로 지진 활동을 보이지 않는 단층선의 빛나는 윤곽선으로 변모시켰다.

이처럼 조밀한 지진 위치 데이터(cloud of earthquake locations)를 확보한 후, 연구팀은 단층을 나타내는 평면을 찾아내기 위해 새로운 방법을 적용했다. 그들은 지진 발생 지점들이 함께 모여 있는 방식에 주목하였는데, 이는 마치 먼지 구름이 그들이 미끄러져 내려간 균열의 형상을 따라 자연스럽게 가라앉는 것과 같았다. 이 클러스터들의 방향성을 분석함으로써, 그들은 단층의 방향과 경사도를 결정할 수 있었다. 그 결과, 홋카이도 내륙 전역에 걸친 184개의 뚜렷한 직사각형 단층 분절을 재구성해 냈다. 이 발견은 이 지역이 가파른 고각 단층들에 의해 지배되고 있으며, 대부분의 단층이 지하 6~12km 사이에 위치하고 있음을 보여주었다. 이 깊이는 매우 중요한데, 이는 지진이 암석이 흐르기보다는 부서지는 성질을 가진 지구 내부의 취성층인 상부 지각 내에 확고히 자리 잡고 있음을 의미하기 때문이다.

그들이 만든 지도는 섬을 형성하는 지구조적 힘에 대해 명확한 이야기를 들려준다. 홋카이도 중부에서는 단층들이 긴 남북 방향의 선을 형성하며, 이는 두 주요 지질 영역이 충돌하는 경계선과 완벽하게 일치한다. 쿠릴 호(Kuril arc)가 동북 일본 호(Northeast Japan arc)를 밀어붙이고 있는 히다카 충돌대(Hidaka collision zone)라고 알려진 이 충돌 지대에서는 단층들이 가파르고 잘 조직되어 있는데, 이는 지각이 매우 구체적이고 예측 가능한 방식으로 압착되고 파쇄되고 있음을 시사한다. 홋카이 동부에서는 패턴이 바뀐다. 이곳에서 단층들은 태평양 판의 섭입에 의해 옆으로 밀려나는 지각 조각의 움직임을 반영하여 북동-남서 방향을 띤다. 이러한 방향성은 광범위한 지구조적 판의 운동과 일치하며, 숨겨진 단층들이 지역의 지질학적 동력을 이끄는 힘에 직접적으로 반응하고 있음을 확인시켜 준다.

가장 놀라운 발견 중 중 하나는 지역별 단층의 깊이였다. 대부분의 지진 활동이 상부 지각에서 발생했지만, 연구진은 중부 홋카이도 남부에서만 20km 아래로 뻗어 있는 깊은 단층들을 발견했다. 이 구역은 두 지각 호의 충돌로 인해 암석이 쌓여 올라간 지각의 가장 두꺼운 부분에 해당한다. 반면, 북쪽과 서쪽의 화산 지역은 매우 얕은 단층 구조를 보였는데, 이는 마그마와 뜨거운 유체의 열기로 인해 암석이 약해져 깊은 균열이 형성되는 것을 방지하기 때문인 것으로 보인다. 또한 이 연구는 북단 끝부분처럼 단층 패턴이 복잡하고 정의하기 어려운 구역을 강조했는데, 이곳은 지각의 느린 크리프(creep, 서행) 운동이 혼란스러운 파쇄의 혼합을 만들어낼 수 있는 곳이다.

새로운 지도의 신뢰성을 테스트하기 위해, 연구진은 지난 20년 동안 이 지역에서 발생한 8건의 주요 지진의 파열 패턴과 재구성된 단층을 비교했다. 그 결과, 6건의 사건에 대해 그들이 식별한 단층이 실제 파열면과 불과 몇 도 차이밖에 나지 않을 정도로 놀라운 정확도로 일치함을 발견했다. 여기에는 2018년 이부리 동부에서 발생한 참혹한 지진도 포함되었는데, 그들의 모델은 해당 재난을 일으킨 가파른 동향 경사 단층을 정확히 식별해 냈다. 이러한 일치성은 연구진의 방법이 대규모 지진이 발생하기 전이라도 단층의 기하학적 구조를 성공적으로 밝혀낼 수 있다는 확신을 준다. 또한 이는 그들이 지도화한 숨겨진 단층들이 향후 지진을 일으킬 가능성이 높은 바로 그 단층들임을 시사한다.

연구는 또한 현재의 응력 조건 하에서 이 단층들이 다시 미끄러질 가능성이 얼마나 되는지도 살펴보았다. 각 단층에 작용하는 힘을 계산함으로써, 연구진은 중앙 충돌 경계를 따라 있는 가파른 단층들이 파괴되기에 완벽하게 정렬되어 있음, 즉 높은 응력을 받고 있으며 언제든 깨질 준비가 되어 있다는 것을 발견했다. 이와 대조적으로, 북동쪽과 남서쪽의 화산 체인을 따라 달리는 단층들은 미끄러질 가능성이 훨씬 낮게 나타났다. 이는 화산 지역에서 지하 유체의 높은 압력이나 응력장의 변화와 같은 국지적 조건들이 단층의 파괴를 막고 있거나, 혹은 단층의 행동 방식을 변화시키고 있음을 시사한다. 이러한 구분은 위험 평가에 있어 매우 중요한데, 이는 지역의 어느 부분이 즉각적인 파열에 가장 취약한지를 식별하는 데 도움을 주기 때문이다.

새로운 지도의 성공에도 불구하고, 연구진은 그 한계를 인정한다. 이 방법은 조밀한 지진 활동의 존재 여부에 전적으로 의존하기 때문에, 이시카리 저지대나 토카치 평원처럼 지진이 거의 발생하지 않는 지역의 단층은 여전히 보이지 않는 상태로 남는다. 이는 지도가 섬의 넓은 부분을 포괄하고 있지만, 아직 모든 단층 시스템을 보여주는 것은 아님을 의미한다. 또한 단층이 평평한 직사각형 평면이라는 가정은 단순화된 모델이다. 실제로 단층은 종종 곡선형이며 복잡하다. 그러나 연구진은 이 접근 방식이 이전에는 불가능했던 수준의 세부 정보를 제공하는 견고한 1차 추정치를 제공한다고 주장한다. 지구의 보이지 않는 떨림을 명확한 기하학적 그림으로 전환함으로써, 이 연구는 홋카이도의 지진 위험을 이해하는 새로운 토대를 제공하며, 전 세계의 다른 지구조적 활성 지역에서 유사한 숨겨진 구조를 지도화할 수 있는 모델을 제시한다.