Contrasting frequency-dependent seismic velocity responses in Northern Nagano and Mount Fuji regions after the 2011 Mw 9.0 Tohoku-Oki earthquake

지각은 정적이고 변하지 않는 껍질이 아니라, 지구 내부의 구조적 힘(tectonic forces)의 무게 아래에서 움직이고 가라앉는, 살아 숨 쉬는 체계이다. 거대한 지진이 발생하면, 그것은 단순히 땅을 흔드는 것에 그치지 않고, 행성 전체에 에너지의 파동을 보내 암석 자체의 물리적 성질을 일시적으로 변화시킬 수 있다. 과학자들은 대규모 진동 이후 지표면을 통과하는 지진파의 속도가 변할 수 있다는 사실을 오래전부터 알고 있었다. 이는 격렬한 흔들림이 암석에 균열을 만들거나, 미세한 구멍에서 유체를 짜내거나, 지각을 지탱하는 응력을 재배치할 수 있기 때문에 발생한다. 해파와 바람이 해안에 부딪히며 생성되는 지속적인 저주파 소음인 지구의 끊임없는 낮은 울림에 귀를 기울임으로써, 연구자들은 이러한 미세한 속도 변화를 측정할 수 있다. 이는 지구가 충격으로부터 어떻게 회복되는지, 혹은 회복에 실패하는지를 확인하기 위해 행성의 맥박을 짚어보는 방법이다. 이러한 변화를 이해하는 것은 매우 중요한데, 왜냐하면 이는 화산이나 단층대 근처의 지각 등 서로 다른 부분이 응력에 어떻게 반응하는지를 밝혀내어, 향후 어떤 지점이 미래의 사건에 가장 취약할지에 대한 단서를 제공하기 때문이다.

2011년 일본 해안을 초토화한 거대한 규모 9.0의 도호쿠-오키 지진 이후, 일본 전역의 지면은 일련의 상당한 여진과 유발된 지진 활동으로 계속해서 떨렸다. 여기에는 북부 나가노의 규모 6.2 지진과 후지산 인근의 규모 6.0 지진이 포함되었다. 연구팀은 이 두 개의 서로 다른 지역이 초기 거대 충격과 그 뒤를 이은 국지적 지진들에 어떻게 반응했는지 조사하기 위해 연구를 시작했다. 그들은 두 가지 특정 영역에 집중했다: 후지산 근처의 화산 전선과 북부 나가노 지진 주변의 구조적 구역이다. 연구진은 지구의 지속적인 배경 소음을 신호처럼 활용하는 기술을 사용하여, 재난 이후 며칠과 몇 주 동안 지진파의 속도가 어떻게 변했는지를 지도화했다. 기록된 흔들림의 강도와 파동 속도의 변화를 비교함으로써, 그들은 왜 어떤 지면은 다른 곳보다 더 많이 연해 보이는지를 이해하고자 했다.

연구 결과 명확한 패턴이 드러났다. 두 지역 모두에서 지진 직후 지면의 속도가 느려졌는데, 이는 지각의 일시적인 약화를 나타낸다. 그러나 이 약화의 성격은 두 가지 서로 다른 이야기를 들려주었다. 화산 전선 근처에서는 지진파 속도가 급격히 떨어졌는데, 이는 흔들림의 강도만으로는 예측할 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 폭이었다. 이미 뜨겁고 유체가 풍부한 이 지역들은 지나가는 파동의 역동적인 응력에 매우 민나민하게 반응하는 것으로 나타났다. 연구진은 화산 지역의 지면이 매우 순응적이거나(compliant) 쉽게 교란될 수 있어서, 멀리 떨어진 도호쿠-오키 지진의 에너지조차도 뚜렷한 반응을 일으켰다는 것을 발견했다. 이는 화산 지역의 유체가 풍부하고 기계적으로 느슨한 암석이 일반적인 지각과는 다르게 작동하며, 강한 흔들림을 받을 때 현저히 유연해진다는 것을 시사한다.

반면, 북부 나가노 지진 주변 지역은 더 복잡한 양상을 보였다. 화산 지역이 고주파 파동으로 갈수록 점차 사라지는 광범위한 민감성을 보인 것과 달리, 나가노 지진 근처의 이상 현상은 다르게 행동했다. 이 국지적인 속도 저하 지점은 고주파에서 검토했을 때 더욱 뚜렷하고 좁게 한정되었다. 연구진은 이 특정한 패턴이 다른 곳에서 관찰된 광범위한 화산 민감성과 일치하지 않는다는 점에 주목했다. 데이터의 시점상 거대한 도호쿠-오키 지진의 영향과 그 뒤를 이은 국지적 규모 6.2 지진의 영향을 분리하는 것이 불가능했기 때문에, 이 국지적 이상 현상의 정확한 기원은 여전히 불확실하다. 그러나 이 현상의 독특한 공간적 분포와 주파수에 따른 변화 방식은, 이것이 먼 곳의 거대 지진보다는 국지적 지진의 흔들림에 의해 유발되었음을 강력하게 시사한다.

이러한 발견은 지구가 응력에 대해 균일하게 반응하지 않는다는 점을 강조한다. 화산 지역은 유체가 풍부한 특성을 나타내는 광범위하고 주파수 의존적인 민감성을 보이는 반면, 최근 지진이 발생한 구조적 구역은 서로 다른 이야기를 담은 날카롭고 국지적인 변화를 보일 수 있다. 연구는 지각이 주요 지진 사건에 어떻게 반응하는지를 진정으로 이해하기 위해서는, 유발된 국지적 지진의 영향, 즉 지면에 남기는 고유한 지문을 반드시 고려해야 한다고 결론짓는다. 이러한 변화가 주파수와 위치에 따라 어떻게 달라지는지를 살펴봄으로써, 연구자들은 화산의 심층적이고 유체 중심적인 반응과 단층대의 기계적 조정을 더 잘 구분할 수 있으며, 이를 통해 우리 행성이 충격으로부터 어떻게 회복되는지에 대한 더 명확한 지도를 그려낼 수 있다.