중국 쓰촨성 대지진
우리는 지진으로부터 안전한가!
한국건설기술인협회, "건설기술인," 통권 87호, 2008년 7-8월호, pp. 32-35.
김소구 / 한국지진연구소 소장
중국 쓰촨성의 지진으로 엄청난 인명, 재난 피해가 발생했다. 이를 지켜보는 세계인들의 안타까움도 크다. 그렇다면 과연 우리는 지진으로부터 안전한가? 우리는 아직 지진을 강 건너 불로 인식할 정도로 안전 불감증에 빠져있다. 하지만 우리나라 역시 지진의 안전지대가 아니라는 우려가 나오고 있다. 이에 우리도 중국 대지진 피해를 거울삼아 종합적이고 총체적인 안전대책을 수립해야 한다.
지난 5월 12일 오후 2시 28분(현지 시간), 중국 쓰촨성(Sichuan) 원촨(Wenchuan)에서 규모 7.9의 대지진이 발생한 소식을 듣고 매우 놀랐다. 왜냐하면 그곳은 비록 75년 전인 1933년 8월 25일 큰 지진(규모 7.5)이 한 번은 있었지만, 대체로 큰 지진이 없었던 조용한 곳이었기 때문이다. 여기서 우리는, '지진은 일어났던 곳에서 다시 발생한다'는 반복성이 있음을 알 수 있다.
왜 그렇게 큰 지진이 발생했는지는 글로벌한 판구조론, 즉 북진 또는 북동진하는 인도판이 유라시아판과 충돌한 영향이라고 말할 수 있지만, 주변에서 새로 급격히 형성되는 응력(Stress)과 변형(Strain) 관계를 무시할 수 없다. 그리고 다시 서쪽의 티베트 블록과 소규모 쓰촨분지 블록의 충돌에 의한 마찰이 직접적인 원인이 될 수 있다. 약 3,500만 년전부터 북진운동을 시작한 인도판(5cm/year)은 최근에 와서 활동이 더 활발하여 북부 인도와 파키스탄 지역은 물론 중국대륙 및 우리나라 지진활동까지 영향을 미친다.(이종헌 주: 3500만년이라는 학술적 근거는 없다. 다만 진화론의 연대체계에서 그렇게 볼 뿐이다. 현대의 격변 지질학에 의한 정확한 설명 = 원래 대륙이 하나의 판으로 되어 있었는데 약 5000년 전에 격변적인 사건으로 판들이 갈라지면서 시속 약 60km의 빠른 속도로 이동하며 판끼리 부딪혀 산맥이 형성되었다. 그때 이후로 판들은 일년에 약 5cm의 아주 느린 속도로 이동하고 있다. 이 때 판끼리 밀려 마찰이 일어날 때 큰 에너지가 발산하는데 이것이 지진현상이다.)
쓰촨 블록과 티베트 블록의 충돌이 원인
이번 쓰촨성 원촨 대지진은 바로 쓰촨 블록과 티베트 블록이 서북부 경계에서 충돌을 일으켜 북동-남서 방향에서 북서방향으로 쓰촨분지 블록이 하강을 하면서 역단층을 일으킨 것이 직접적인 원인이라 말할 수 있다. 두쟝옌(Dujiangyan)에서 시작한 전진(Foreshock)은 원촨(Wenchuan)에서 본진(Main Shock)을 일으켜 대재앙을 초래했고, 계속해서 베이촨(Beichuan)에 이르기까지 불과 1분 안에 북동-남서 방향의 300km 분지경계를 폐허로 만들었다. 지진원은 북위 31.0도, 동경 103.4도, 깊이 14km, 그리고 규모 8.0이라고 중국 국가지진국에서 발표했다.
진앙에서 약 700km 떨어진 이창에 있는 세계 최대의 쌴샤댐(높이 187m, 길이 2300m, 저수량 약 400억톤)에 의해서 생기는 유발지진(Reservoir Induced Earthquake)과 관계가 있다는 논란이 있다. 물의 하중은 수직 혹은 전단력을 증가시키고 물의 끊임없는 침투는 공극력을 확대한다. 그리고 지하 속의 저수압(Hydrostatic Pressure)은 주변 압력보다 크지만 소성(Plastic)보다 침투하는 물이 단층을 따라 윤활유 역할을 함으로 전단력이 증가해서 결국에는 지진을 유발하게 된다. 쌴샤댐 물의 저수량은 엄청나게 큰 양이기 때문에 이번 지진과 관계가 없다고는 말할 수 없다. 지진이 실제로 분열되는 곳은 심부층 잠복단층이지만 응력 균형의 변화를 미치는 것은 블록(Block)지괴 단위라는 것을 이해해야 한다. 따라서 지상에서 700km 거리는 블록 개념으로 보면 별로 먼 거리가 아니다.
지진은 가장 큰 피해를 초래하는 재앙
쓰촨성 대지진은, 지난 1976년 7월 28일 새벽 3시 42분 온 도시가 깊은 잠에 빠져있을 때 일어난 탕샨(Tangshan) 대지진(규모 7.5) 이후 가장 큰 피해를 가져온 재앙이다. 탕샨 대지진은 공식적으로는 사망자 수가 25만 5000명이지만, 비공식적으로는 65만 명이라고 한다. 탕샨지진이 더 많은 사망자를 낸 이유는 모든 사람이 깊은 잠에 빠진 야간에 일어났기 때문이다.
지진은 모든 재난 중에서 단위시간에 가장 큰 피해를 초래하는 재앙이다. 아무리 큰 지진이라도 지진동은 불과 1분을 초과하지 않지만, 그 피해는 엄청나다. 이번 쓰촨 대지진은 공식적으로 8만 명 이상의 사망자를 발표했지만, 30만 명 이상의 부상자와 2만 9천명의 실종자 그리고 500만 명 이상의 이재민을 포함해서 그 피해는 대폭 늘어날 것이며, 현재 5300억 위안(약 79조원) 이상의 재산손실이 있다고 발표했다. 계속해서 일어나는 여진과 지진에 의해서 생긴 자연호수(언색호)의 붕괴와 유행하는 전염병(가스 괴저병)의 전파는 지진의 재앙과 공포를 자아내고 있다.
우리나라의 지진현황과 지진의 특성
최근 '우리나라는 과연 지진으로부터 안전한가?'라는 질문을 수없이 받는다. 우선 우리나라 역사문헌을 보면 고려 그리고 조선왕조에 이르기까지 지진피해에 관한 기록이 많이 발견된다. 그리고 최근에 계기지진기록에도 우리가 피해를 본 1978년 홍성지진, 1976년 영월지진, 2004년 울산지진 그리고 2007년 도암-평창지진([표 1] 참조)을 볼 수 있다. 더욱이 서울-수도권 지역은 지난 200여년 동안 지진이 거의 없었던 지진정지기(Seismic Gap)로서 그동안 지진에너지가 응력으로 계속 쌓여 있는 곳이기 때문에 우리나라에서 가장 피해를 초래할 수 있는 지역이다.
[표 1] 국내 주요 지진
역사지진과 계기지진을 통계 분석한 결과, 지진발생 패턴으로 보았을 때 한 세대 이내에 5.0-6.0 범위의 지진이 서울-수도권 지역을 비롯해서 동남부 경주지역과 중서부-남부지역 그리고 평양-사리원지역 등에서 일어날 수 있는 확률이 높다는 것이 발견되었다.
최근 대지진이 발생하게 되면 표면파(Rayleigh와 Love파)에 의한 주변의 응력장(Stress Field)의 변화를 일으켜 편재지진(Ubiquitous Earthquake)이 주변에서 이동하며 발생한다는 새로운 학설이 나왔다. 따라서 이웃 중국과 일본에서 대지진이 자주 발생하게 되면 한반도에 언제든지 지진이 발생할 수 있다는 것을 배제할 수 없다. 그리고 [그림 1]에서 보는 것과 같이 지진은 모두 활성단층대를 따라서 일어나기 때문에 활성단층을 찾는 일은 지진피해를 피하는 데 매우 중요하다.
[그림 1] 활성 단층대
그리고 만약 지진이 서울-수도권지역에서 발생하게 되면 지반이 약한 충적토로 되어 있는 강남지역이 주로 기반암으로 구성된 강북보다 더 위험하다. 이것은 이번 쓰촨 분지에서 일어난 쓰촨 대지진이 남한보다 넓은 지역에 피해를 왜 가져왔는지를 보면 이해할 수 있다.
지진피해 최소화를 위한 대비책
지진은 아직까지 예보성공률이 30%-40% 밖에 되지 않는다. 따라서 지진으로부터 피해를 최소화하는 방법은 지진조기경보(Earthquake Early Warning System)와 내진설계기술 뿐이다.
지진조기경보체제는 지진이 발생하면 막대한 에너지를 운반하여 큰 피해를 초래하는 S파와 표면파가 도착하기 전에 S파보다 1.75배 빨리 도달하는 P파를 감지하여 운전 중인 모든 작동을 정지 혹은 서행을 명령하므로 지진피해를 최소화하는 방법이다.
지진조기경보체계는 이렇게 S파와 표면파가 도달하기 전에 P파를 먼저 탐지하여 운전중인 초고층 엘리베이터를 저층 입구에서 멈추게 하고, 달리는 KTX 열차를 정지 혹은 서행을 하게 만들고, 반도체 공장의 작업을 중단시킬 수 있다. 그밖에 가스, 석유공급시설의 밸브를 차단시키며 확학공장 등의 운전을 정지시킴으로 대형 화재를 사전에 방지할 수 있다.
현재 대만, 일본, 터키 그리고 멕시코 등의 국가에서는 이 방법을 개발하여 시범 운영하고 있다. 그러나 우리나라에서는 아직 연구개발이 되지 않고 있다. 이 방법의 어려운 점은 허위 경고(False Alert) 발동을 피하고 정확한 지진조기경보를 통보할 수 있는 정확성이 부족하다는 것이다. 이런 문제 때문에 미국 캘리포니아 지역에서는 아직까지 정확성을 높이기 위해서 계속 테스트하고 있다.
우리나라의 내진설계는 국제원자력위원회(IAEA)의 규정에 의한 원자력발전소의 내진설계가 시발점이다. 필자는 한동안 원자력발전소 내진설계(Earthquake-Resistant Design)의 전문위원으로 참가하며 많은 것을 배웠다. 지진운동은 단층지역을 따라 두 블록이 충돌하면서 상하작용을 하는 역단층, 두 블록이 서로 벌어지면서 상하작용을 하는 정단층 그리고 서로 수평운동을 하며 부딪히는 주향단층 등으로 설명하지만, 어느 것도 단일운동이 아니고 이들이 서로 겹쳐서 일어나는 3차원 운동이기 때문에 내진설계를 하려면 이렇게 복잡한 지진운동을 알고 있어야 한다. 따라서 하부에서는 구조물과 지반을 격리시켜 지진동의 직접적인 피해를 줄이고 고층건물의 상부에서는 증폭되는 건물진동을 감쇠시키는 댐핑이 필요하다.
따라서 내진설계는 지진발생의 패턴과 특성에 따라 여러 개의 지진구역(Seismic Zone)으로 나누고 각 구역에서 일어나는 모든 지진의 지진활동(빈도수), 최대지진(Maximum Potential Earthquake), 지체구조력, 활단층(Active Fault), 지질구조, 지반의 고유주기(Site Period), 지반의 최대지반가속도(Maximum Ground Acceleration) 등을 고려해야 한다. 여기서 최대지진 혹은 최대지반가속도를 산출하는데 확률방법에 많이 의존한다.
지진구역의 내진설계 강화 필요
보통 재현주기(Return Period)에 해당되는 최대지진가속도나 혹은 이보다 좀 더 수학적 방법으로 어느 기간에 일어날 수 있는 초과확률(Exceeding Probability)을 %로 표현한다. 예컨대 지진위험이 심한 미국 캘리포니아와 미조리의 경우 50년 이내에 초과확률 10%를 0.4g로 적용한다. 우리나라는 1980년대 건교부(현 국토해양부) 시행으로 재현주기 500년을 바탕으로 전국을 0.11g와 0.07g 두 지진계수 구역으로 나누어 놓았다. 강원도 북부, 전라남도 남서부 그리고 제주도 지역을 0.07g 지역으로 결정하고, 너머지 전국을 0.11g 구역으로 결정해 놓고 내진설계에 적용한다.
설계지반운동의 특성은 기본적으로 응답스펙트럼(Response Spectrum)으로 표현하는데 지역의 최대지진, 지체구조력, 지반의 고유주기(Site Period), 그리고 지질과 밀접한 관계가 있다. 건물의 고유주기에 따라 지진력 감쇠(Damping)를 구조물에 적용할 수 있는 응답스펙트럼은 매우 중요하다.
현재 우리나라는 1997년도 미국에서 제정한 UBC(Uniform Building Code)에 제시한 응답스펙트럼을 설계응답 스펙트럼으로 채택하고 있다. 현재 지진계수구역에 공사현장의 지반조건에 따라 일정 상수를 설계치에 반영(KBC, 2005)해서 사용하고 있는 것으로 알고 있다. 그러나 얼마의 수치를 사용했다는 명시적(교과서적) 내진설계가 중요한 것이 아니고, 실제로 지진구역(Seismic Zone)에서의 지진빈도수와 최대 잠재지진, 지체구조력(활성단층), 지질구조와 지반 고유주기(Site Period) 등을 산출해서 구조물 특성에 맞도록 내진 값을 적용해야 한다.
더욱이 지형과 지질구조가 복잡한 우리나라에서는 대도시 인구밀집과 각종 산업시설(예, 지하구조물, 초고층구조물, 화학공장, 가스, 정유 생산시설, 반도체생산 등)이 많기 때문에 획일적인 내진설계는 불안하다. 그리고 인원이 많이 수용된 학교나 병원은 층수에 관계없이 지진구역(Zone)에 따라 내진설계를 강화할 필요가 있다고 생각한다.
[표 2] 20세기 이후 세계 대지진(사망자 1만명 이상)
