과학자들은 물리적 모델링을 사용하여 지난 천년 동안의 지진 활동의 역사를 재구성했으며 남부 캘리포니아의 많은 중요한 단층이 현재 비정상적으로 높은 지각 응력을 축적하고 있음을 발견했습니다. 이 에너지는 주로 샌안드레아스 단층과 샌재신토 단층을 따라 집중되어 있으며, 이 두 곳은 태평양판과 북아메리카판 사이의 상대 운동을 함께 지탱합니다. 로스앤젤레스 북동쪽에 있는 Cajon Pass에서는 두 개의 단층이 복잡한 구조적 교차점으로 수렴됩니다. 이 단층은 한 단층의 파열이 다른 단층으로 "교차"될 수 있기 때문에 오랫동안 지진학자들의 관심을 끌었습니다.
로스앤젤레스 지역에서는 1857년 규모 7.9의 포트 테혼(Fort Tejon) 지진 이후 비슷한 규모의 큰 지진이 발생하지 않았지만, 깊은 지각의 응력은 천천히 계속해서 증가하고 있습니다. 이 장기간의 "상대적 평온"은 연구자의 눈에 안전을 의미하는 것이 아니라 잠재적인 위험이 증가한다는 신호입니다. 최신 연구는 베른 대학교 물리학 연구소 우주 연구 및 행성 과학과의 Liliana Burkhard 박사가 주도했으며 마노아에 있는 하와이 대학교, 미국 지질 조사국 패서디나 지진 과학 센터, 샌디에이고 캘리포니아 대학교의 스크립스 해양학 연구소와 같은 기관과 협력하여 완료되었습니다.
연구팀은 3차원 공간과 시간에서 단층의 진화를 시뮬레이션하기 위해 '4차원' 지진 주기 물리적 모델을 구축하고 약 1000년 동안의 일련의 지진 사건을 모델에 입력했습니다. 이 역사적 기록은 방사성 탄소 연대 측정, 나무 나이테 이상, 역사적 표면 파열 기록 등 다양한 지질학적, 환경적 단서로부터 유래하며, 대규모 지진의 시간과 규모를 최대한 복원합니다. 이 모델은 각 지진으로 인해 발생한 인접한 단층 부분의 응력 분포 변화를 연속적으로 추적하고, 지진 간격 동안 응력이 지속적으로 축적되는 것을 기록하며, 대규모 지진 후 지각의 더 깊은 부분에서 느린 이완 과정을 시뮬레이션합니다.
모델링 결과는 남부 캘리포니아의 관련 단층에 대한 현재 구조적 스트레스가 지난 천년 동안 최고 수준에 도달했거나 초과했음을 보여줍니다. 이 연구는 Cajon Pass가 전형적인 "지진 문"이라는 점을 구체적으로 지적했습니다. 즉, 이 단층 교차 영역은 대규모 파열이 특정 단층에서 멈출지 아니면 두 세트의 단층 시스템을 거쳐 더 큰 규모의 연결 이벤트로 발전할지 여부를 결정적인 순간에 결정합니다. 역사적으로 두 가지 상황이 발생했습니다. 1812년 Wrightwood 지진이 Cajon Pass를 통과하여 San Andres 및 San Jacinto 단층을 지속적으로 파열시켰습니다. 1857년 포트 테존(Fort Tejon) 지진은 이곳에서 끝났고 샌재신토 단층(San Jacinto Fault)에는 계속 영향을 미치지 않았습니다.
Burkhard는 Cajon Pass가 단순히 지진을 "차단"하거나 "채널"하는 것이 아니라 변화하는 스트레스 상태에 반응한다고 지적했습니다. 이번 연구에서는 파열이 '지진 관문'을 넘을 수 있는지 여부를 결정하는 열쇠는 특정 단층에 대한 응력뿐만 아니라 두 단층 시스템의 응력이 동시에 증가하는지 여부에도 있다는 사실을 발견했습니다. 샌안드레아스 단층과 샌재신토 단층이 동시에 높은 응력 상태에 있고 응력 크기가 비슷한 경우 두 단층에 걸친 대규모 단층 형성에 더 유리합니다. 반대로, 두 응력이 동기화되지 않으면 파단이 교차점에서 종료될 가능성이 더 높습니다.
현재 모델은 San Jacinto-Bernardino 구간의 쿨롱 응력을 약 3.6MPa로 추정하며, 이는 천년 간의 시뮬레이션에서 볼 수 있는 것보다 높습니다. 산안드레아스 단층에 인접한 모하비 남부 구간의 응력은 약 2.8MPa로 역시 높은 수준으로 전자와 크게 다르지 않다. 두 개의 단층 부분이 동시에 높은 하중을 받고 비슷한 응력을 갖는 이 패턴은 과거 기록의 두 단층 세트에 걸쳐 대규모 파열 사건과 일치하는 경우가 많았기 때문에 연구팀은 미래의 지역 지진 시나리오에 대해 특히 주의를 기울였습니다.
미래의 대규모 지진이 산안드레아스 또는 샌재신토 단층의 한쪽에서 발생하여 Cajon Pass를 가로질러 두 단층 세트를 성공적으로 연결한다면 그 영향은 단일 단층에 국한된 사건보다 훨씬 클 것입니다. 위협받는 지역에는 로스앤젤레스 광역 지역, 샌버나디노, 리버사이드, 코첼라 밸리 등 미국에서 가장 인구 밀도가 높고 인프라 집약적인 지역이 포함됩니다. 카훈 고개 자체는 많은 고속도로, 철도 및 에너지 전송 간선을 연결하는 중요한 교통 동맥입니다. 돌파구가 생기면 운송 및 에너지 네트워크에 심각한 영향을 미칠 것입니다.
다음 대규모 남부 캘리포니아 지진이 언제, 어떻게 발생할지는 응용 지구과학에서 가장 시급한 문제 중 하나라고 Burkhard는 말했습니다. 팀이 개발한 물리적 모델은 현재 단층 시스템의 스트레스 상태에 대한 보다 명확한 정량적 그림을 제공하며, 이 분석 프레임워크는 잠재적인 지진 위험을 평가하기 위해 캘리포니아뿐만 아니라 전 세계의 다른 복잡한 단층 교차 지역에도 적용 가능합니다. 또한 그녀는 이번 연구가 지진 발생 시점을 직접 예측하는 것은 아니지만 현재 시스템이 '임계 부하' 상태에 있으며, 재난 예방 및 감소 계획에 다양한 가능한 시나리오가 포함되어야 한다고 강조했다.
연구자들에 따르면, 유사한 물리적 모델링 방법을 통해 사람들은 장기적인 지각 응력의 축적 과정과 주요 단층 교차 지역의 "게이팅" 효과를 더 잘 이해할 수 있으며, 이를 통해 위험 평가, 인프라 부지 선택 및 강화, 비상 대비를 위한 과학적 기반을 제공할 수 있습니다. 관련 논문은 "Cajon Pass and the Southern San Andreas Fault System: Earthquake Cyclic Stress Accumulation and Current Loading Conditions"라는 제목으로 "Journal of Geophysical Research: Solid Earth"에 게재되었습니다. 이 계획은 베른 대학교와 여러 미국 연구 기관이 공동으로 서명했으며 캘리포니아 주립 지진 센터와 국립 과학 재단의 자금 지원을 받았습니다.