2011년 동일본 대지진과 쓰나미

<Tohoku earthquake in 2011> 2022년 04월 05일 작성.

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- 본론에 앞서...

1.1. 지역적 특성

 일본 및 대만 주변 지역에 영향을 미치는 판에는 태평양 판, 북아메리카 판, 필리핀 판, 유라시아 판이 있다. 특히 일본과 인접한 Kuril-Kamchatka 해구와 일본 해구는 태평양 판과 북아메리카 판의 경계로, 훗카이도와 혼슈의 동쪽 해안에서 300km 떨어진 지점에 위치한다.

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1.2. 동일본 대지진

 도호쿠 지방은 동쪽에서 서쪽으로 이동하는 태평양판이 북아메리카판 아래로 가라앉는 위치이다. 태평양판은 약 83-90mm/yr의 속도로 이동하여 하강하는데, 이는 지진을 발생시키는 주요 원인이 된다. 2011년 도호쿠 지진은 이곳에서 판이 변형되며 축적된 힘에 의해 발생한 판 경계형 지진으로, 동일본 대지진이라고도 부른다.

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2.1. 동일본 대지진의 개요

Magnitude	9.1mww
Location	38.297°N 142.373°E
Depth	24km
Origin TIme	2011-03-11 05:46:24.120 UTC

 

 2011년 3월 11일 동일본 대지진의 진원은 일본 동부의 약 130km 지점의 지하 약 24km 지점이다. 진원역은 이와테 현 난바다에서 이바라키 현 난바다에 걸친 길이 약 500km, 폭 약 200km 범위이다. 또한 판이 어긋나 미끄러져 움직인 범위는 50km가 넘는 것으로 추정된다. USGS에 따르면 당시 지진에서 방출된 에너지는 약 1.9 × 10^17 J이며, 진원이 해저 24km 깊이에 불과하였기 때문에 이는 거대한 쓰나미를 발생시켰다.

 일본 기상청에 따르면 본 지진에서는 통상보다 복잡한 형태로 3번의 큰 파괴가 연속적으로 발생하였다. 첫 번째의 강한 파괴에 해당하는 파형과 다른 독특한 파형이 발견되었고, 이는 2번째와 3번째의 파괴가 있었던 것으로 추정되었다.

다음은 사람들이 경험한 지진의 정도를 바탕으로 작성한 Intensity 지도이다.

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2.2. 지진의 원인

 

 일반적으로 이전까지의 M9 이상의 강한 지진은 비교적 젊은 해양판의 섭입에 의해 발생하였다. 반면 동일본 대지진의 원인인 태평양판은 생긴 지 오래된 판이기에 도호쿠 지방의 태평양 연안 쪽에서는 최대 M7~8의 판 경계 지진만 발생하리라 추정했었다. 또한 해구의 경우 해저 퇴적물이 판 경계 사이로 끼어 들어온다는 점 등으로 강한 점착은 어렵다고 보았기에 M9 이상의 지진은 예측하지 못한 일이었다.

 발생 원인은 아직 명확히 밝혀지지 않았으나 해구 근처에 존재를 알지 못했던 거대한 애스페리티(점착이 강한 영역)가 어긋나 움직여 강한 지진이 발생하였음에 대한 여러 가설이 존재한다. 도호쿠 지방에서는 30~40년 간격으로 M7급의 지진이 발생하고 있었는데, 이때 완전히 해소되지 않은 에너지가 점차 축적되어 M9급의 지진을 일으킨 것이라는 해석이 있다. 또한 판이 크게 엇갈려 움직이는 마찰력에 의해 판 경계가 가열되고, 포함되어 있던 물이 팽창해 마찰력이 급격하게 낮아져 축적되어 있던 에너지들이 다량 방출되었을 가능성도 있다고 한다. 이러한 다양한 가설의 상황들이 복합적으로 작용해 큰 규모의 지진이 발생했으리라 추정한다.

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2.3. 쓰나미의 발생

 동일본 대지진의 경우 난바다 해저에 설치된 2개의 수압계를 통해 쓰나미를 관측하였다. 두 군데의 관측 데이터 모두 완만하게 장시간에 걸쳐 수위가 상승했는데, 이는 폭이 200km에 이르는 넓은 범위의 진원역에 걸쳐 해저가 융기했음을 의미한다. 바닷물이 솟아오른 폭이 약 200km에 이르기 때문에, 쓰나미가 해안에 도착한 후 장시간동안 수위가 높아진 상태로 유지되었다. 장시간에 걸친 수위 상승에 이어 급격한 수위 상승이 나타났는데, 이는 진원역 중 해구를 따라 해저가 좁은 범위지만 매우 높게 융기하였기 때문이다. 이렇게 발생한 높은 쓰나미는 지속 시간은 비교적 짧았지만 높은 쓰나미가 되어 밀려들었다.

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2.4. 본진 전후 상황

2.4.1. 본진 이전까지의 경위

 

 본진 발생 전 약 1달 사이에 본진의 진원 동쪽에서 슬로 슬립(slow slip)이 발생하였다. 이때 방출된 에너지는 M7에 해당하며, 이 영역에서 최대 M5의 지진이 수 차례 발생하였다.

 본진 발생 2일 전에는 슬로 슬립이 발생한 영역의 약간 서쪽에서 M7.3의 지진이 발생하였다. 슬로 슬립에 의한 판의 움직임으로부터 유발된 지진으로 추정된다. 또한 진원역이 본진 진원의 약간 북쪽이기 때문에 전진이었을 가능성이 제기되었다. 이 지진 후에 애프터 슬립(after slip) 현상도 확인되었는데 이때 방출된 에너지는 M6.8로, M7.3 지진에 대한 애프터 슬립으로는 비교적 규모가 컸다. 또한 이 애프터 슬립은 3월 9일 지진의 진원으로부터 남쪽으로 확장되어 있었고, 그 끝이 3월 11일 본진의 진원이었다.

 즉, 3월 11일 본진에 이르기까지 본진의 애스페리티 부근에서 서서히 판의 접착이 끊어지고 있었다고 추정한다.

 

2.4.2. 본진 이후의 상황

 

 여진이 다수 발생하였으며, 본진 직후에 M7 이상의 강한 여진도 3회 발생하였다. 본진의 넓은 진원역에 걸쳐 발생하였고, 이때 발생한 쓰나미로 인한 피해 또한 컸다. 지진에 의한 지각변동으로 진원역과 멀리 떨어진 곳에서도 일부 지진이 발생한 것으로 추정한다.

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2.5 .주요 피해

 최소 15,703명 사망, 4,647명 실종, 5,314명 부상, 130,927명의 이재민이 발생하였다. 혼슈의 동부 해안을 따라 최소 332,395개의 건물, 2,216개의 도로, 56개의 다리, 26개의 철도가 파괴되거나 손상되었다. 약 3090억 달러의 경제적 손실이 있었던 것으로 추산되며, 원자력 발전소 또한 원자로가 심하게 손상되는 등의 피해가 있었다.

 

 대부분의 피해는 태평양 전역에 걸친 쓰나미로 인해 발생하였다. 일본의 해안도시인 미야코시에서는 37.88m의 높은 파도가 몰려왔고, 항구도시인 센다이시 부근 저지대에서는 쓰나미로 인해 건물, 선박 등의 잔해물이 내륙으로 10km나 이동하였다. 또한 이 쓰나미는 태평양을 가로질러 16,000km 떨어진 칠레 해안에도 2m 이상 높이의 파도를 만들었다. 인도네시아에서도 2m 높이의 파도로 인해 1명이 사망하였으며 캘리포니아, 페루 등등 세계 각지에 건물 손상 등 피해를 주었다. 이 쓰나미는 남극의 Sulzberger Ice Shelf에서 거대한 얼음 조각이 갈라지는 원인으로도 작용하였다.

 

 지진과 쓰나미로 인해 인근 여러 원자력 발전소에서 사고가 발생하였다. 특히 후쿠시마 제1 원자력 발전소의 냉각 시스템 고장으로 대량의 방사성 동위원소가 누출되었다. 일본의 동부 및 동북부 지역에서는 액상화 현상도 나타났다. 지진에 따른 진동으로는 직접 피해를 입지 않았던 건물도 액상화로 기울어지고, 지바 현의 도시에서는 전체의 4분의 3에 해당하는 지역에서 피해가 확인되었다. 당시 소방청에 의하면 화재 발생 건수는 380건이었는데, 일반적인 화재에 더해 ’쓰나미 화재‘가 발생하였다. 게센누마 시에서 쓰나미로 석유 탱크가 쓰러져 목재류에 중유가 스며들었고, 이것이 대규모 화재로 이어졌다.

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지진 이후...

 일본 정부는 2차례 추경을 편성하여 재해복구에 대응하였다. 직접적인 피해 중 인프라 교통망 분야의 복구는 비교적 빨랐으나 이재민 생활의 정상화와 방대한 폐기물의 처리에는 시간이 소요되었다고 한다. 일본과 태평양 주변 국가들에는 쓰나미 경고 시스템이 작동되고 있다. 일본 부근에서 발생한 쓰나미가 일본 해안에 도착하는 시간은 매우 짧기 때문에 경고 후에 완전히 대피 하기에는 어렵지만 경고 시스템을 통해 많은 인명을 구할 수 있다. 또한 앞으로는 슬로 슬립 등을 검출함으로써 대규모 지진이 발생 확률이 높아졌음을 알리는 시스템을 만들 것이라고 한다.

 2011년 동일본 대지진을 기점으로 내진 기준 등 지진에 대한 대비 또한 개정되었다. 일본 소방청은 동일본 대지진이 발생한 뒤인 2011년 12월에 ’동일본 대지진에 근거한 위험물 시설 등의 지진, 쓰나미 대책에 관한 검토 보고서‘를 공표했다. 이 보고서에서는 쓰나미의 침수 깊이가 3m가 넘는다고 예상되는 옥외 저장 탱크에는 석유 유출을 막기 위한 긴급 차단 밸브를 설치해야 한다는 점 등이 보고되었다. 고가교 등의 도로 내진 기준 또한 2012년 2월에 개정되었으며 2013년 빌딩이 어느 정도의 장주기 지진동을 받으면 쓰러지는지를 조사하는 실험이 세계 최초로 이루어졌다. 이처럼 구체적인 대책이 계속 검토되며 더욱 엄격한 내진 기준이 만들어지고 있다.

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본 글은 다음 자료를 바탕으로 작성되었습니다.

 

[1] Usgs national earthquake information center, pde. ANSS Comprehensive Earthquake Catalogue. Accessed April 5, 2022, from https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/official20110311054624120_30

[2] Barbot, S. Frictional and structural controls of seismic super-cycles at the Japan trench. Earth Planets Space 72, 63 (2020). https://doi.org/10.1186/s40623-020-01185-3

[3] T.nishikawa. (2019). The Slow Earthquake Spectrum in the Japan Trench Illuminated by the S-Net Seafloor Observatories. SCIENCE, 365(6455), 808–813. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aax5618?cookieSet=1

[4] Yushiro fujii. (2011). Tsunami Source of the 2011 off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake. Earth Planets Space, 63, 815–820.

[5] NASA. Earth Observatory. Accessed April 5, 2022, from https://earthobservatory.nasa.gov/images/148036/ten-years-after-the-tsunami

[6] Noaa. (2021, March 11). On This Day: 2011 Tohoku Earthquake and Tsunami. Retrieved April 5, 2022, from https://www.ncei.noaa.gov/news/day-2011-japan-earthquake-and-tsunami

[7] 일본 기상청. (2011, March 13). “「平成23年（2011年）東北地方太平洋沖地震」について（第15報）”. Accessed April 5, 2022, from https://www.jma.go.jp/jma/press/1103/13b/201103131255.html

[8] 뉴턴프레스. Newton Highlight 106. 2017. (주)아이뉴턴

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