일본 동북지진(M 9.0) 규모 예측 가능성: 지각 에너지 흐름 모델(LSEFM) 분석

초록

본 논문은 2011년 3월 11일 발생한 동북대지진(M = 9.0)의 규모가 기존 위험지도와 확률적 방법이 제시한 7.0‑8.5 범위보다 크게 초과한 점을 지각 지진 에너지 흐름 모델(LSEFM)으로 재검토한다. 장기간 누적된 지진 에너지 데이터를 활용하면 해당 지역의 최대 가능 규모를 정확히 추정할 수 있음을 보이며, 1855년 규모 7‑8 수준의 누락된 역사적 지진을 역추정해 확인한다. 재발 주기는 최소 100년으로 추정하고, 정기적인 지진 잠재력 지도 작성의 필요성을 제안한다.

상세 분석

이 연구는 전통적인 확률적 지진 위험도(PSHA)와 달리, 지각 내부에 저장된 누적 지진 에너지를 흐름 형태로 모델링하는 LSEFM(Lithospheric Seismic Energy Flow Model)을 적용한다. LSEFM은 특정 지진구역의 과거 지진 기록을 시간 순서대로 누적 에너지(E = 10^(1.5M+4.8)) 형태로 변환하고, 이 곡선의 기울기와 변곡점을 분석해 ‘에너지 충전‑방전’ 사이클을 파악한다. 저자는 1855년 이전까지의 일본 동북부·태평양 연안 지역의 지진 데이터를 수집해 150년 이상에 걸친 누적 에너지 곡선을 구축했으며, 이때 관측된 급격한 에너지 상승 구간이 2011년 대지진 직전의 ‘에너지 임계점’과 일치함을 보여준다.

핵심적인 통계적 절차는 다음과 같다. 첫째, 각 지진의 규모를 에너지로 변환하고, 누적 합을 구한다. 둘째, 누적 곡선에 선형 회귀를 적용해 평균 충전 속도를 추정한다. 셋째, 실제 관측된 누적 에너지와 평균 충전선 사이의 편차를 분석해 ‘에너지 방전’ 즉, 대지진 발생 가능 시점을 예측한다. 이 과정에서 저자는 1855년 규모 7.2 ~ 7.8 수준의 지진이 누락되었음을 역추정했으며, 이는 이시바시(2004)의 역사적 기록과 일치한다는 점에서 모델의 검증력을 높인다.

또한, LSEFM이 제공하는 최대 가능 규모(Mmax)는 누적 에너지의 최댓값을 로그 변환해 역산한 값으로, 2011년 사건에서는 Mmax ≈ 9.1으로 예측되었다. 이는 기존 위험지도가 제시한 8.5 이하의 상한을 크게 초과한다. 저자는 이러한 차이가 ‘역사적 데이터 부족’과 ‘에너지 충전‑방전 주기 무시’에 기인한다고 주장한다.

하지만 모델에는 몇 가지 제한점도 존재한다. 첫째, 누적 에너지 계산은 규모-에너지 관계식에 의존하는데, 이 식은 지역별 변동성을 충분히 반영하지 못한다. 둘째, 과거 지진 기록의 불완전성(특히 19세기 이전)으로 인해 초기 충전 속도 추정에 불확실성이 남는다. 셋째, LSEFM은 지진 발생 메커니즘(예: 얕은 전단파 vs. 깊은 전단파)이나 단층 복합성 등을 직접 고려하지 않으며, 순수히 에너지 양에만 초점을 맞춘다. 따라서 복합적인 지진 위험 평가에서는 PSHA와 같은 확률적 접근과 병행하는 것이 바람직하다.

결론적으로, LSEFM은 장기적인 에너지 축적 패턴을 통해 대형 지진의 규모와 발생 시점을 비교적 정확히 예측할 수 있는 유용한 도구이며, 특히 데이터가 충분히 축적된 지역에서는 기존 위험지도보다 더 보수적인(높은) 위험 수준을 제시한다. 정기적인 누적 에너지 업데이트와 지진 잠재력 지도 작성은 향후 재난 대비에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.