지진파는 지구 내부나 지표 부근에서 갑작스럽게 방출된 에너지가 매질을 따라 전달되며 만들어지는 파동이다.[1][4] 가장 대표적인 발생 원인은 지진이지만, 화산 활동, 인위적 폭발, 해저 탐사에 쓰이는 음원처럼 에너지를 순간적으로 방출하는 사건도 지진파를 만든다.[1][4] 그래서 지진파는 지진 현상만 설명하는 용어가 아니라, 지구 내부를 탐사하는 데 쓰이는 파동 전체를 가리키는 말로 이해하는 편이 더 정확하다.[2][3]
지진파를 연구하면 지구가 단단한 암석층만으로 이루어져 있는 것이 아니라, 깊이에 따라 밀도와 상태가 달라지는 층상 구조를 가진다는 점을 확인할 수 있다.[3][6] 파동의 도달 시간과 속도 변화는 내부 물질의 성질을 반영하므로, 지진파는 지구 내부 구조를 직접 볼 수 없는 상황에서 가장 중요한 관측 단서가 된다.[2][6]
1. 발생 기제
지구는 내부에서 생긴 교란이 멀리까지 퍼질 수 있는 탄성체처럼 거동한다.[3][4] 특정 지점에서 응력이 갑자기 해소되면 주변 암석이 진동하고, 그 진동이 파동의 형태로 전파되면서 지진파가 형성된다.[1][7] 이 과정은 단순한 흔들림이 아니라, 에너지가 압축과 전단의 형태로 매질을 통과하는 물리 과정이다.[2][4]
발생 원인은 크게 자연적 요인과 인위적 요인으로 나뉜다. 자연적 요인에는 단층 운동에 따른 지진, 화산 활동, 산사태처럼 대규모 질량 이동이 포함된다.[1][4] 인위적 요인에는 해저 지형이나 지각 구조를 조사하기 위해 사용하는 에어건 같은 음원이 있다.[1][6] 이런 다양한 발생원은 지진파가 지진학의 전유물이 아니라 지구과학 전반의 탐사 도구라는 점을 보여 준다.[5]
2. 체성파
체성파는 지구 내부를 통과하는 지진파로, 보통 P파와 S파를 함께 가리킨다.[1][2] 이 두 파동은 모두 암석 내부를 지나지만 입자 운동 방식이 다르며, 이 차이가 도달 시간과 기록 파형을 크게 바꾼다.[2][4] 지진학에서는 바로 이 차이를 이용해 진원의 위치와 내부 구조를 추정한다.[2][5]
P파는 압축과 팽창을 반복하며 진행하는 종파로, 입자의 진동 방향이 전파 방향과 같다.[2][4] 속도가 가장 빨라 지진 관측에서 먼저 기록되며, 액체나 고체를 모두 통과할 수 있다는 점이 특징이다.[2][3] 반면 S파는 전단에 의한 횡파로, 입자가 전파 방향에 수직으로 흔들린다.[2][4] S파는 고체에서는 잘 전달되지만 액체에서는 통과하지 못하므로, 핵 바깥의 액체성 영역 같은 구조를 추론하는 데 중요한 근거가 된다.[3][6]
체성파의 속도는 매질의 밀도와 탄성 특성에 따라 달라진다.[2][3] 그래서 같은 지진이라도 관측 지점마다 P파와 S파의 도착 시각 차이가 달라지고, 그 차이는 진원의 거리와 지구 내부의 성질을 동시에 알려 준다.[2][5] 이런 이유로 체성파는 지구 내부를 읽는 기본 신호로 취급된다.[3][6]
3. 표면파
표면파는 지구 내부를 깊게 통과하기보다 지표면을 따라 이동하는 지진파다.[1][4] 체성파보다 느리게 도달하지만 진폭이 큰 경우가 많아 지표의 흔들림과 피해를 크게 만든다.[1][4] 지진 피해가 체성파보다 표면파에서 더 두드러지는 이유가 여기에 있다.[1]
대표적인 표면파는 러브파와 레일리파다. 러브파는 수평 방향의 전단 운동이 두드러지며, 레일리파는 물결처럼 타원 궤적을 그리며 움직인다.[1][4] 두 파동 모두 지표 부근의 연약한 지층에서 진폭이 커질 수 있어, 지반 조건에 따라 관측 양상이 달라진다.[1][6] 이 때문에 구조물 설계나 위험 평가에서는 표면파의 특성을 별도로 고려한다.[1][6]
표면파는 지진 재해의 규모를 체감하게 만드는 동시에, 지표 물질의 탄성 특성을 파악하는 데도 활용된다.[4][6] 체성파가 내부 구조의 단서를 제공한다면, 표면파는 지표와 얕은 지각의 물성을 보여 주는 보완 신호라고 볼 수 있다.[1][6]
4. 지구 내부 구조 탐사
지진파는 지구 내부를 직접 관찰할 수 없을 때 내부를 추정하는 가장 유용한 도구다.[3][6] 파동이 서로 다른 물질을 지나면 속도가 달라지고 경로가 굴절되거나 반사되므로, 관측된 도달 시간과 파형을 해석하면 맨틀과 핵의 경계 같은 내부 층의 성질을 추정할 수 있다.[2][3] 이 원리는 의료 영상에서 파동의 전달 차이를 해석하는 방식과 비슷하지만, 지진파는 지구 규모의 거대한 구조를 대상으로 한다는 점이 다르다.[3][6]
지진파 토모그래피 같은 방법은 여러 지진 관측 자료를 결합해 맨틀과 핵의 성질을 재구성한다.[3][6] 특히 P파와 S파의 경로 차이, 속도 이상, 도달 시각의 편차는 내부 물질이 균질하지 않다는 사실을 드러낸다.[2][6] 이런 분석 덕분에 지구물리학에서는 지구의 층상 구조와 역학적 상태를 더 정밀하게 설명할 수 있다.[3][5]
해저지진계는 해양 저층이나 해양지각의 정보를 얻는 데 특히 중요하다.[1][6] 육상 관측망만으로는 놓치기 쉬운 해양 지역의 신호를 기록할 수 있기 때문이다.[1] 여기에 에어건 같은 인위적 음원을 함께 쓰면 자연 지진뿐 아니라 실험적으로 만든 신호도 해석할 수 있어, 지각과 상부 맨틀의 구조를 더 촘촘하게 살필 수 있다.[1][6]
5. 지진파 관측 및 기록
지진파는 지진계나 지진기록계로 관측한다.[2][5] 이 장비들은 지반의 미세한 움직임을 전기적 신호나 기록 곡선으로 바꾸어, 파동의 도달 시점과 진폭을 분석할 수 있게 한다.[5] 관측망이 넓을수록 진원 위치와 규모를 더 안정적으로 추정할 수 있으며, 작은 지진이나 먼 거리의 신호도 식별하기 쉬워진다.[2][5]
관측 자료는 P파와 S파의 차이를 읽는 데 특히 중요하다.[2] 먼저 도착하는 P파와 뒤따르는 S파의 시간차는 지진의 거리 계산에 쓰이고, 이후 도착하는 표면파는 진동의 강도와 지표 피해 가능성을 보여 준다.[1][2] 이런 이유로 단일 파형이 아니라 여러 종류의 지진파를 함께 해석해야 사건 전체를 제대로 이해할 수 있다.[2][5]
해저지진계와 에어건은 해양 지역 탐사에서 자주 함께 거론된다.[1][6] 해저에서 직접 자료를 얻으면 지각 두께, 해양지각의 성질, 상부 맨틀의 구조를 더 잘 파악할 수 있다.[1][6] 지진계와 해저지진계의 기록을 함께 비교하면 지진과 인공 음원의 차이도 더 또렷하게 드러난다.[2][5] 따라서 지진파 기록은 재난 대응뿐 아니라 지구 과학 연구의 기초 자료로도 활용된다.[5][6]