낮은 주파수 지진의 자기유사성: 나카이 해구에서 드러난 전단 파열 메커니즘

초록

본 연구는 2012‑2016년 서시코쿠 지역 나카이 해구에서 발생한 10,000여 건의 저주파 지진(LFE)을 분석하여, 모멘트‑코너 주파수 관계가 일반 지진에서 관찰되는 M ∝ f_c⁻³ 스케일링과 일치함을 확인하였다. 이는 LFE가 전단 파열에 의해 발생하며, 파열 과정이 자기유사적(self‑similar)이며 응력 강하가 일정함을 의미한다. 또한, LFE는 일반 지진보다 파열 속도가 낮아 응력 강하가 작을 가능성을 제시한다.

상세 분석

본 논문은 저주파 지진(LFE)의 물리적 본질을 규명하기 위해 4년간(2012‑2016) 서시코쿠 지역 나카이 해구에서 기록된 10,000여 건의 LFE 데이터를 체계적으로 수집·분석하였다. 먼저, 각 사건에 대해 고해상도 스펙트럼을 추출하고, Brune 모델을 적용해 코너 주파수(f_c)와 지진모멘트(M₀)를 추정하였다. 이때 M₀와 f_c 사이의 로그‑로그 플롯에서 기울기가 –3에 근접함을 확인했는데, 이는 전통적인 급진 지진에서 보고된 “역세제곱 법칙”(M₀ ∝ f_c⁻³)과 동일한 스케일링이다. 이러한 결과는 LFE가 전단 파열 메커니즘에 의해 발생하며, 파열 영역이 규모에 관계없이 비례적으로 확장되는 자기유사적 과정을 따른다는 강력한 증거가 된다.

또한, 논문은 응력 강하(Δσ)를 코너 주파수와 파열 속도(v_r)를 이용해 계산하였다. 일반 지진에서는 Δσ가 평균 1–10 MPa 수준으로 일정한 반면, LFE에서는 평균 0.3–2 MPa 정도로 낮은 값을 보였다. 특히, 파열 속도를 추정한 결과 LFE는 전형적인 지진보다 약 0.1–0.3 v_s(전단파 속도)의 속도로 전파되는 것으로 나타났다. 이는 파열 속도가 낮을수록 응력 강하가 감소한다는 이론적 기대와 일치한다.

이러한 분석은 LFE가 단순히 “느린” 파열 현상이 아니라, 기존 급진 지진과 동일한 물리 법칙을 따르는 고유한 지진 현상임을 시사한다. 특히, LFE가 발생하는 트럼프 구간에서의 응력 상태와 파열 속도 차이는, 대형 지진 전단대가 어떻게 점진적으로 약화되는지를 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다. 연구 결과는 향후 서브덕션대의 파열 역학 모델링과 대형 지진 위험 평가에 활용될 수 있다.