해저 GPS‑Acoustic 관측으로 밝힌 난카이 해구 대형단층의 결합도 분포

초록

일본 해안경비대가 구축한 15개 해저 GPS‑Acoustic 관측망을 이용해 난카이 해구의 해저 결합도(SDR)를 직접 측정하였다. 대부분 구역이 양의 SDR을 보이며, 새롭게 확인된 고‑SDR 영역은 쓰나미 위험을, 저‑SDR 영역은 얕은 저주파 지진(VLFE) 및 침강 중인 해저산맥과 연관됨을 제시한다.

상세 분석

본 연구는 기존 육상 GPS 기반의 지오데틱 자료가 해저 결합도 분포를 충분히 포착하지 못한다는 한계를 극복하고자, GPS‑Acoustic (GPS‑A) 기술을 활용한 장기 해저 관측망을 구축하였다. 2000년대 초부터 시작된 기술 개발을 통해 연간 1 cm 수준의 정밀도와 연속적인 시간 해상도를 확보했으며, 2011년 동일본 대지진 전후의 급격한 변형을 보정하기 위해 기존 관측자료에 대한 공동진 및 사후변형 모델을 적용하였다.

관측된 15개 해저 정거장은 토쿠, 쿠마, 마리타, 토스, 아시즈, 히가시(히가시) 등으로 구분되며, 각 정거장의 동·북 방향 속도는 평균 3–6 cm/yr(표 1)이며, 95 % 신뢰구간 내에서 일관된 양의 결합도를 나타낸다. 이는 필리핀해판이 아무르판 아래로 침강하면서 축적되는 전단 변형이 해저에서도 지속되고 있음을 의미한다.

SDR 역전 모델은 해저 속도장을 기반으로 비선형 최소제곱 역전을 수행했으며, 결과는 고‑SDR 영역과 저‑SDR 영역이 해저 지형·지진학적 특성과 강하게 연관됨을 보여준다. 구역 A(규슈‑팔라우 능선 전방)와 C, E에서는 저‑SDR이 관측되었으며, 이들 지역은 얕은 저주파 지진(VLFE)과 침강 중인 해저산맥·능선이 겹치는 지점이다. 저‑SDR은 높은 유체압력 및 복잡한 균열 네트워크에 의해 결합도가 약화된 결과로 해석된다. 반면 구역 B와 F는 고‑SDR을 보이며, 최근(1944년 톤안카이, 1946년 난카이도) 및 향후(토카이) 대형 지진의 잠재적 전단 파열 영역과 일치한다. 특히 B 구역은 해저 전단면 근처까지 고‑SDR이 연장되어 있어 얕은 파열이 발생하면 대규모 쓰나미를 유발할 가능성이 크다.

또한, 고‑SDR 영역 내에서 수렴 속도(6.5 cm/yr)를 초과하는 ‘오버슈트’ 현상이 관측되었으며, 이는 지구 내부 점탄성 변형이나 수렴 속도 추정의 불확실성에 기인할 수 있다. 저‑SDR 구역은 고‑SDR 구역을 물리적으로 분리하는 역할을 하며, 과거 지진이 저‑SDR 구역에서 멈추거나 전파가 저‑SDR을 통과할 경우 더 큰 규모의 연쇄 파열이 일어날 수 있음을 시사한다.

이러한 해저 결합도 분포는 기존 육상 기반 모델이 제시한 ‘깊은’ 세분화와는 별도로 ‘얕은’ 세분화를 추가로 제시한다. 얕은 고‑SDR 패치가 쓰나미 발생 메커니즘에 직접적인 영향을 미치므로, 조기 경보 및 위험 평가에 필수적인 정보가 된다. 연구팀은 향후 수십 년에 걸친 연속 관측을 통해 결합도 변동성을 모니터링하고, 동아시아 해구 전역에서 관찰되는 유사 현상과의 비교 연구를 계획하고 있다.