지진과 단층의 법칙
지진 시간
지구의 표면에 사는 우리 인류에게 지진이란 지면의 흔들림으로 인식됩니다. 따라서, 지진의 시간적 길이를 묻는다면 흔들림을 느끼는 시간이라고 대답할 것입니다. 그러나 이것은 지진이라는 현상의 실태로부터 말하면, 극히 일부의 표현에 지나지 않습니다. 물리 현상으로서는 암석으로 구성되는 지중을 초당 몇 km로 전파하는 지진의 파도가 있는 거리를 전하는 데 걸리는 시간이라고 하는 것을 느끼고 있을 뿐입니다. 지진을 이해하기 위해서는 더 폭넓은 시간의 흐름 속에서 그 법칙성을 생각할 필요가 있습니다.
지구에서 지진이 일어날 때
지진이란, 지구의 비교적 얕은 영역에서 응력이 가해진 암석이 바릭과 깨지는 파괴 현상으로 지하의 약면인 단층이 고속으로 미끄러지는(전단 파괴하는) 것에 의해 발생합니다. 만약 고속으로 미끄러지면 지진파를 방사하여 지진동으로서 지면을 풀어주는 것입니다. 그럼 기본적인 문제로서 지구에서 지진이 일어나는 조건이란 무엇일까요? 지구는 약 46억 년 전에 다수 미행성의 충돌로 형성되었다고 생각되지만, 초기 지구 표층은 미행성의 충돌에 의해 발생하는 열로 지표면이 녹아있는 상태였다고 예측합니다. 이렇게 녹은 암석은 응력을 가해도 천천히 유동할 뿐입니다. 좀 더 정확하게는 마그마의 점성 계수 η는 온도 차에 의존하지만 10, 11 Pas 정도로 그 강성률 μ를 10 Pa 정도로 하면 완화 시간 Tc = η/μ = 10초입니다. 즉, 10초보다 빠르게 응력을 가하지 않으면 유동하여 응력을 놓치게 됩니다. 따라서 지진은 거의 발생하지 않습니다.
지진이 일어나게 된 이유는 지구 표층이 차갑게 굳어져서 딱딱한 리소스페어가 부드러운 아세노스페어의 외측(상부)에 형성되었다는 것입니다. 그 시기는, 최신의 지질학적 연구에 의한 암석 증거에서는 지구의 탄생으로부터 약 1억 년 후인 것으로 짐작하고 있습니다. 그러나 표면이 차가워지고 굳어진 것만으로는 지진이 일어나지 않습니다. 또 다른 조건은 이러한 리소스 페어에 힘이 가해졌다는 것입니다. 그 원인이 플레이트 텍토닉스입니다. 지표면은 차갑고 그 아래는 뜨겁다는 온도 차 때문에 맨틀 대류가 생깁니다. 그것으로 구동되고 해령으로 형성된 해양 플레이트는 이동하는 동안 점차 식고 무거워지면서 비교적 가벼운 대륙 플레이트 아래로 가라앉습니다. 지구 표층이 여러 판으로 나뉘어 운동하게 되면서 대지진을 일으키는 힘의 근원이 생긴 것입니다.
그러나 일단 형성된 플레이트 경계면이 그 후에도 지속해서 존재하지 않으면 플레이트 테크토닉스는 지속하지 않는 것입니다. 이것은 암석의 파괴 역학적 특성에서 중요한 부분입니다. 암석은 깨지면 강도가 내려 약해지기 때문에 거기가 깨지기 쉬운 약면이 됩니다만 그 균열이 접촉한 채 움직이지 않고 내버려 두면 서서히 고착해 강해지는 하는 성질이 있습니다. 이는 온도가 높을수록 촉진됩니다. 따라서 플레이트 경계가 약면으로서 지속하기 위해서는 현재의 지구와 같이 따뜻하지만 너무 뜨겁지 않다는 환경이 갖추어져 암석의 파괴의 효과가 힐링의 효과를 이길 필요가 있습니다. 또, 암석은 물을 포함하면 약해지기 때문에, 침몰하는 해양 플레이트 표층에 받아들여진 해수도 경계면의 지속에 효과가 있을 것입니다. 이러한 조건은 생물에게도 살기 쉬운 환경인 것 같습니다. 지구상에서는 이러한 조건이 갖추어져 플레이트 경계의 단층면에서 지진이 어느 정도 높은 빈도로 발생한다는 시스템이 완성되었다고 할 수 있습니다. 이처럼 암석이 어떻게 변형되어 깨지는지 연구하는 것이 지진과학의 큰 주제로, 그것은 지구의 46억 년의 역사를 탐구하는 주제이기도 합니다.
플레이트 나이의 시간 규모, 지하 온도 구조
침몰하는 플레이트 경계에서 발생하는 것이 도호쿠 해안 지진과 같은 바다 그루브 형 지진입니다. 해양 플레이트는 연간 몇 cm 빨리 대륙 접시 아래로 가라앉아 있기 때문에 오래된 해양 플레이트는 지구 표면에 남지 않게 됩니다. 한편, 서남일본에 침몰하는 필리핀해 플레이트는 계속 새롭게 약 2천 만세 정도입니다. 남미의 칠레 해안에서는 해령 그 자체, 갓 만든 해양 플레이트가 가라앉고 있는 곳도 있습니다. 플레이트는 낡을수록 차갑기 때문에 해양 플레이트의 나이 차이는 플레이트의 온도에 지역 차이가 있음을 의미합니다.
암석은 저온에서는 바릭과 균열 지진을 일으킵니다만, 융점을 넘지 않아도 온도가 350도 정도를 넘는 근처에서, 바릭과 깨지지 않아 지진을 일으키지 않게 됩니다. 금속이 상온에서도 구냑과 구부러지는 것과 비슷한 상태입니다. 지하에 갈수록 고온이 되기 때문에, 지진이 발생하는 깊이(지진 발생층)에는 하한이 있는 것을 의미합니다. 또한 해양 플레이트의 침몰이 진행되어 가열되면 물을 포함한 해양 플레이트는 탈수됩니다. 방출된 물의 일부는 플레이트 경계에 머물러 단층 내부의 수압(간극 수압)을 올리는 것으로, 단층면을 안쪽으로부터 밀어 넓히고 있다고 생각되고 있습니다. 그렇게 하면 마찰력이 저하되고, 단층은 슬루와 미끄러지게 됩니다. 이런 식으로 지하 온도와 암석을 깨는 방법과 단층을 미끄러지는 방법에는 명확한 관계가 있습니다.