지진활동은 임계점에 있지 않다

초록

본 연구는 전 세계와 캘리포니아·뉴질랜드 지역의 지진 카탈로그에 공간적으로 변동하는 배경 발생률 μ(x,y)를 포함한 확장 ETAS 모델을 적용해 임계성 여부를 정량적으로 검증한다. 기존 연구에서 보고된 임계성은 배경률의 공간 변동을 무시함으로써 발생한 브랜칭 비율의 상향 편향에 기인함을 보여준다.

상세 요약

이 논문은 지진 발생을 통계적으로 기술하는 대표 모델인 ETAS(Epidemic-Type Aftershock Sequence) 모델을 확장하여, 공간적으로 이질적인 배경 발생률 μ(x,y)를 명시적으로 추정한다는 점에서 혁신적이다. 기존 ETAS 적용에서는 μ를 전역 상수 혹은 단순한 함수로 가정해 왔으며, 이는 실제 지진활동이 지각 구조, 단층 밀도, 응력 상태 등에 따라 크게 달라지는 현실을 반영하지 못한다. 저자들은 EM(Expectation‑Maximization) 알고리즘을 확장해 μ(x,y)와 브랜칭 비율 n(=k·c^p·∫… )을 동시에 최적화한다. 이를 위해 전 세계 ANSS 카탈로그, 캘리포니아 지역, 뉴질랜드 Geonet 데이터를 각각 독립적으로 학습시켰으며, 각 데이터셋에 대해 교차 검증과 pseudo‑prospective forecast 테스트를 수행했다. 핵심 결과는, 공간 변동을 고려한 모델에서는 추정된 브랜칭 비율 n이 1 이하(대부분 0.7~0.9)로, 통계적으로 유의미한 초임계 상태가 없음을 보여준다. 반면, μ를 균일하게 가정하면 n이 1을 초과하는 경우가 빈번히 나타나, 이전 연구에서 보고된 ‘임계성’이 실제가 아니라 모델링 편향에 기인함을 명확히 한다. 또한, 공간 변동을 반영한 모델이 향후 지진 발생률을 예측하는 데 있어 기존 모델보다 높은 로그우도와 정보 기준(AIC, BIC)을 기록했으며, 이는 실제 지진활동이 임계 현상이 아니라 비임계, 즉 서브크리티컬한 포아송 과정에 가깝다는 물리적 해석을 뒷받침한다. 이러한 결과는 대형 지진의 ‘예측 가능성’에 대한 기존 기대를 재조정하고, 지진 위험 평가 모델링에서 배경률의 공간 이질성을 반드시 고려해야 함을 강조한다.