하늘을 울리는 천둥을 이용해 땅속을 들여다보는 기술이 현실이 됐다. 지하에 이미 깔린 통신용 광섬유로 천둥이 만든 미세한 지진파를 포착, 지하 구조를 영상화하는 시도에 많은 관심이 모였다.
미국 펜실베이니아주립대학교 연구팀은 천둥이 지면에 전달하는 진동을 이용해 지하 약 100m까지 구조를 영상화하는 데 성공했다고 21일 밝혔다. 해당 실험 보고서 ‘뇌우가 생성한 지진파를 이용한 지구 지하 영상화(Imaging Earth’s subsurface with thunderstorm-generated seismic waves)’는 같은 날 국제 학술지 사이언스 어드밴시스에 소개됐다.
번개가 치면 주변 공기가 순간적으로 뜨거워지면서 급격히 팽창하고 충격파가 만들어진다. 이것이 바로 요란한 천둥소리다. 이 음향 에너지 일부가 지면에 전달되면 미세한 지진파가 발생한다. 이를 천둥지진이라고 지칭한 연구팀은 지하 조사에 이용할 아이디어를 떠올렸다.
연구팀이 센서로 활용한 것은 펜실베이니아주립대 유니버시티파크 캠퍼스 지하에 매설된 길이 약 4㎞의 통신용 광섬유다. 분산음향감지(DAS)를 적용하면 주변 진동에 따라 광섬유가 미세하게 늘어나거나 줄어드는 것을 레이저로 감지할 수 있다. 긴 통신 케이블을 민감한 진동 센서로 쓸 수 있다는 이야기다.
약 2년 6개월간 축적된 관측자료를 입수한 연구팀은 번개 기록을 대조하면서 신뢰도가 높은 천둥지진 458건을 골라냈다. 특히 천둥의 음향 에너지가 지면에 닿으면서 생성한 레일리파를 집중 분석했다. 레일리파는 지하 암석과 토양의 성질에 따라 이동속도가 달라 이 차이를 분석하면 보이지 않는 지하 구조를 추정할 수 있다.
연구팀은 여러 천둥지진 신호를 비교해 잡음을 줄이고 서로 다른 주파수의 파동이 지하를 어떻게 이동하는지 분석했다. 3차원 수치 시뮬레이션을 통해 천둥의 음향파가 지표에서 지진파로 변환되는 과정도 검증했다.
그 결과 캠퍼스 지하 약 100m 깊이까지 전단파 속도 구조를 영상으로 재구성할 수 있었다. 병원에서 초음파 등으로 인체 내부를 들여다보듯 파동 속도의 차이를 이용해 땅속 구조를 그려낸 것이다. 지역은 석회암이 많은 카르스트 지형인데, 천둥지진으로 만든 영상에서는 지하의 여러 저속도 구역이 포착됐다. 기존 시추 및 공학 조사에서 확인된 지질 구조도 일치했다. 위성 레이더 간섭계(InSAR)가 포착한 지표 변형과 연관된 구역도 나타났다.
연구를 이끈 놀란 로스 박사는 “이번 실험은 천둥지진을 포착하는 데 그치지 않고 실제 지하 영상화의 에너지원으로 활용했다는 데 의미가 있다”며 “기존 지진파 탐사는 자연 지진을 기다리거나 인공적으로 강한 진동을 만들어야 하지만, 뇌우는 자연이 제공하는 진동원이고 도시에는 이미 방대한 통신용 광섬유가 깔렸다”고 설명했다.
이어 “우리 기술은 향후 싱크홀과 산사태 같은 지질재해 위험 평가에 활용될 것”이라며 “나아가 지하수와 환경 조사, 건축·토목 분야의 지반 조사 등에도 큰 도움을 줄 것으로 기대된다”고 강조했다.
박지연 기자 yeon@sputnik.kr
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