지질환경과학과 김광희(사진) 교수 연구팀이 17년간 축적된 지진 관측자료를 바탕으로 북한 풍계리 만탑산 일대에서 2017년 6차 지하핵실험 이후 기존 단층대가 수년에 걸쳐 점진적으로 재활성화됐음을 규명했다. 핵실험 이후 지진활동이 단기간에 잦아드는 일반적 양상과 달리, 만탑산에서는 지진활동이 수년간 증가하고 두 개의 북북서 방향 기존 단층대를 따라 점차 뚜렷하게 조직화된 것으로 확인됐다.

연구팀은 중국 청두이공대학교 판싱리(Xingli Fan) 교수팀, 중국과학원, 중국지진국, 산둥대학교 연구진과 공동으로 한국과 중국 동북부에서 관측한 연속 지진파 자료를 분석해, 북한 만탑산 주변의 장기 지진활동과 기존 단층의 점진적인 재활성화 양상을 규명했다.

이번 연구 결과는 9월 17일(미국 동부시간) 세계적 권위의 국제 학술지 『사이언스(Science)』에 ‘Nuclear tests at Mt. Mantap have reactivated intraplate faults(북한 풍계리 핵실험이 만탑산의 잠자던 단층을 다시 움직였다)’라는 논문 제목으로 게재됐다. 판싱리 교수와 김광희 교수는 공동 제1저자이자 공동 교신저자로 연구를 이끌었다.

- 논문 링크: https://doi.org/10.1126/science.adx5917 

일반적으로 지하핵실험 직후에는 다수의 작은 지진이나 붕괴 사건이 발생할 수 있다. 그러나 미국 네바다와 옛 소련 세미팔라틴스크 실험장 사례처럼 이러한 활동은 핵실험 후 수일에서 수주 사이에 감소하는 것으로 알려져 있다.

반면, 만탑산에서는 다른 양상이 확인됐다. 북한은 2006년부터 2017년까지 만탑산 풍계리 일대에서 모두 6차례 지하핵실험을 실시했으며, 특히 규모가 가장 컸던 2017년 6차 핵실험 이후 지진활동은 단기간에 그치지 않고 수년간 지속적으로 증가했다.

【만탑산 일대의 지형과 지진 분포】

배경색은 고도, 원의 크기는 지진 규모, 원의 색은 추정 진원 깊이를 나타낸다.
흰색 별은 2017년 6차·최대 지하핵실험 위치이며, 검은 점선은 기존 지질도에서 디지털화한 단층선이다.
지진은 핵실험장으로부터 북북서 방향으로 뻗은 두 개의 거의 평행한 구조를 이룬다.

연구팀은 한국과 중국 동북부에서 관측한 17년간의 연속 지진파 자료를 분석해, 2017년 핵실험 이후 지진활동이 잠잠했던 두 개의 북북서 방향 기존 단층대를 따라 집중적으로 발생하고 시간이 지날수록 더욱 뚜렷한 분포를 보였다는 사실을 확인했다.

연구팀은 반복된 핵실험이 만탑산 지각 천부에 균열과 손상을 누적시키고 주변 응력장을 변화시킨 뒤, 시간이 흐르면서 응력이 재분배되는 과정에서 이미 임계응력에 가까운 상태였던 기존 단층의 미끄러짐을 촉진한 것으로 해석했다.

핵폭발 자체가 끝난 이후에도 지하 암반 내부에서는 손상과 응력 변화의 영향이 장기간 지속될 수 있으며, 이 과정에서 잠자고 있던 기존 단층이 다시 움직이고 이에 따른 지진활동이 수년 동안 이어질 수 있다는 것이다.

【동영상 - 만탑산 지진활동의 시간적 전개】 

https://www.pusan.ac.kr/kor/ajx_json/UploadMgr/downloadRun.do?qcode=Q29tbW9uRmlsZSw0MTA4NDcsWQ== 

2013년 5월 27일부터 2025년 5월 1일까지 지진을 시간순으로 보여준다.
보라색 별은 3-6차 지하핵실험, 원은 진앙, 원의 색은 지진발생 깊이를 나타낸다.
2017년 6차 핵실험 이후 지진활동이 수년간 이어지며 단층 구조를 따라 조직적으로 발생하는 모습을 확인할 수 있다.

이번 연구는 지하핵실험 후 지진활동이 반드시 단기간에 종료되는 것이 아니라, 지질 조건과 기존 단층의 응력 상태에 따라 수년에 걸쳐 진화할 수 있음을 보여준다. 이는 핵실험 이후 발생하는 지진을 단기적 현상으로만 해석해서는 안 되며, 장기 지진목록과 물리적 맥락을 함께 고려해야 한다는 점을 시사한다.

이는 포괄적핵실험금지조약(CTBT) 검증 과정에서도 필요한 사항이다. 핵실험 이후 수년이 지난 시점에 발생하는 지진이라도 장기 관측자료와 단층 분포, 응력 변화 등을 함께 분석해야 핵실험과의 관련성 및 지진 발생 원인을 보다 정밀하게 해석할 수 있기 때문이다.

연구팀은 이번 결과가 핵실험 감시뿐만 아니라 인간 활동으로 촉발되는 지진 전반에 대한 이해에도 기여할 것으로 기대하고 있다. 지하공간 개발, 에너지 개발, 지하 유체 주입, 대규모 지하 구조물 조성 등 지각의 응력 상태를 변화시킬 수 있는 활동은 기존 단층에 영향을 줄 가능성이 있는 만큼, 장기적이고 체계적인 안전성 평가가 필요하다.

이번 논문의 공동 제1저자이자 공동 교신저자인 김광희 교수는 “이번 연구에서 특히 주목한 점은 2017년 핵실험 후 지진활동이 곧바로 잦아들지 않았다는 것”이라며 “지진은 수년간 이어졌고, 시간이 지나면서 기존 단층을 따라 점차 뚜렷한 분포를 보였다”고 설명했다.

이어 김 교수는 “핵폭발이 끝난 뒤에도 장기간 지진관측을 이어가고, 관측자료를 지속적으로 축적·보존하며 개별 지진을 장기적인 물리 과정 속에서 해석할 필요가 있다”고 말했다.

김 교수는 이번 연구가 인간 활동으로 촉발되는 지진 위험을 평가하는 데도 중요한 참고가 될 수 있다고 강조했다. “인간 활동으로 촉발된 지진이 세계 곳곳에서 보고되고 있으며, 우리나라도 2017년 포항지진을 통해 그 위험을 경험했다. 포항과 풍계리는 지진을 촉발한 과정은 다르지만, 인간 활동이 기존 단층에 미칠 영향을 신중하게 평가해야 한다는 점은 공통적”이라며 “핵실험처럼 극단적인 상황이 아니더라도 지각의 응력 상태를 바꾸는 지하공간 활용에는 각별한 주의가 필요하다. 안전성 평가는 개발 이전부터 운영과 종료 이후까지 이어져야 한다”고 강조했다.

이번 부산대 연구팀에는 연구를 기획한 김광희 교수를 비롯해 강수영 연구교수, 류란보(Lanbo Liu) 박사, 손유진 박사수료 대학원생, 주형태 박사가 저자로 참여했다.

【부산대 연구진】

왼쪽부터 손유진 박사수료 대학원생, 주형태 박사, 김광희 교수, 강수영 연구교수, 이현주 연구원

해당 연구는 기상청 연구개발사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 연구과제와 해외우수과학자유치사업, 중국 국가중점연구개발계획 및 국가자연과학기금의 지원으로 수행됐다.

한편, 김광희 교수팀은 앞서 2017년 우리나라 계기지진 관측 사상 최대 피해를 입힌 포항지진이 지열발전 유체 주입에 따른 촉발지진(인간의 활동으로 발생한 지진)일 가능성이 크다는 연구결과를 2018년 『사이언스』에 발표해 주목받은 바 있으며, 이후에도 이번 풍계리 단층 재활성화 연구를 비롯해 지진 발생 원인과 지진위험 평가에 관한 연구를 꾸준히 이어오고 있다.

*사이언스 기사 보기

https://www.science.org/content/article/north-korean-nuclear-test-sets-years-earthquakes 

[Abstract]

Underground nuclear explosions typically produce short-lived seismic sequences that decay rapidly after testing ceases. In contrast, seismicity near the Punggye-ri nuclear test site at Mt. Mantap in DPRK has persisted and intensified for years after the final large-yield explosion in 2017, evolving from diffuse activity to spatially organized distribution along fault-controlled structures. Analysis of 17 years of continuous waveform data reveals a progressive increase in seismicity and delayed reactivation of shallow faults. Earthquakes cluster beneath asymmetric topography, indicating progressive stress redistribution within a critically stressed crustal volume. These observations challenge conventional expectations, showing that under specific geological conditions, underground nuclear testing can drive multi-year fault reactivation and extend post-test seismicity well beyond the immediate aftermath of an explosion.