화성 지진 분석 결과 마리네리스 협곡의 단층이 지금도 움직인다

태양계에서 가장 큰 협곡은 죽은 지형이 아니다. NASA의 InSight 착륙선이 기록한 화성 지진은 마리네리스 협곡(Valles Marineris) 깊은 땅속에서 단층이 미끄러지며 발생한 것으로 나타났다. 화성을 거의 사천 킬로미터에 걸쳐 가로지르는 이 협곡계에서 수십억 년 전에 생긴 단층이 지금 행성에 작용하는 응력으로도 여전히 끊어질 수 있다는 뜻이다.

이것이 중요한 이유는 화성에 움직이는 판이 없기 때문이다. 지구에서는 판들이 서로 맞물려 미끄러지면서 오래된 단층을 계속 살아 있게 한다. 반면 화성의 바깥 껍질은 서서히 식어가는 하나의 뚜껑처럼 행동하며, 이런 지각에서는 단층이 시간이 흐르면서 아물고 단단해질 수 있다. 새 분석은 협곡 아래 적어도 하나의 깊은 단층이 지표에서 이십에서 사십 킬로미터 아래에서 완전히 아물지 않았음을 보여준다.

학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 실린 이 연구는 임페리얼 칼리지 런던의 Jung-Hun Song이 이끌었으며, 같은 임페리얼 소속 Doyeon Kim, 컬럼비아대학교의 Folarin Kolawole 등이 참여했다. 연구의 토대는 S0976a로 분류된 단 하나의 사건으로, InSight가 화성 서반구에서 위치를 특정한 유일한 화성 지진이다.

“Valles Marineris는 태양계 전체에서 가장 장관을 이루는 지질 구조 가운데 하나이지만, 지금까지는 그 단층이 여전히 활동 중인지 확실히 알지 못했습니다”라고 Song은 말했다. “우리가 확인한 것은 이곳이 단순한 ‘죽은’ 화석 지형이 아니라는 점입니다. 협곡 깊은 곳의 단층은 처음 그것을 만든 지질 과정이 멈춘 지 오랜 시간이 지난 뒤에도 미끄러지며 화성 지진을 일으킬 수 있습니다.”

화성 반대편에서 지진계 한 대로 단층을 읽어내다

지구에서 지진학자들은 진원 주변 수십 개 관측소에 기록된 첫 진동을 비교해 단층이 어떻게 움직였는지 알아낸다. InSight에는 지진계가 한 대뿐이었고, S0976a는 행성의 거의 정반대편, 각거리로 약 146도, 지표를 따라 약 8,600킬로미터 떨어진 곳에서 발생했다. 직접파는 쓸 만한 형태로 착륙선에 도달하지 못했다. 도착한 것은 PP파와 SS파, 즉 경로 중간 지점에서 화성 표면에 한 번 반사된 압축파와 전단파였다.

연구팀은 여러 화성 내부 모델에 대해 컴퓨터로 합성한 지진파형으로 이 두 파동열을 모델링하면서, 단층 방향과 미끄러짐 방향, 그리고 50킬로미터 깊이까지의 모든 조합을 시험했다. 관측소 한 곳만으로 이것이 가능한지 확인하기 위해, 거의 같은 거리에 있는 호주의 지진계 한 대가 기록한 미국 네바다주의 규모 6.5 지진에 같은 방법을 적용했다. 그 결과 올바른 단층이 복원됐다.

S0976a에 대한 답은 주향이동 파열이었다. 캘리포니아의 샌안드레아스 단층처럼, 가파른 단층을 따라 두 지각 블록이 수평으로 엇갈려 미끄러지는 운동이다. 파형에 허용 가능한 수준으로 들어맞은 해 가운데 82.2%가 이 유형에 속했다. 파열은 약 20~40킬로미터 깊이, 즉 지각 중부에서 하부에 걸쳐 일어났으며, 55~65킬로미터 깊이에 있는 지각 바닥보다 위였다. 파형 일치 결과에 알려진 단층 지도와 고주파 파동이 들어온 방향을 결합하면, 진원은 협곡 서부의 Ius Chasma 부근으로 좁혀진다.

산사태나 운석 충돌 가능성을 배제하다

화성에서 잡힌 지진 신호가 곧바로 단층 운동을 뜻하는 것은 아니다. 운석 충돌과 산사태도 행성을 흔들며, Valles Marineris에는 거대한 산사태 퇴적물이 줄지어 있다. 연구팀은 이런 원인을 직접 검증했다. 충돌을 흉내 낸 폭발 모델과 힘 기반 산사태 모델은 파동의 극성, 도달 시각, 상대적 세기를 재현하지 못했고, 데이터에 나타난 강한 수평 진동도 만들어내지 못했다. 또 화성에서 확인된 충돌은 주로 고주파 신호를 내는 반면, S0976a는 저주파 사건이었다.

연구진은 이어 지진 이후 NASA 화성 정찰 궤도선(Mars Reconnaissance Orbiter)의 컨텍스트 카메라(Context Camera)가 촬영한 진원 지역 영상을 모두 살펴봤다. 이런 신호를 낼 만큼 큰 산사태라면 최소 1,000만 세제곱미터의 암석을 움직이고 폭 수백 미터에서 1킬로미터에 이르는 새 퇴적물을 남겼어야 한다. 그런 흔적은 없었고, 새로운 충돌구도 없었다. 대조적으로 InSight 목록에서 그 이후 유일한 원거리 사건인 S1000a는 궤도에서 새 충돌구가 포착된 유성체 충돌로 밝혀졌다.

“이 결과가 설득력 있는 이유는 완전히 다른 여러 종류의 증거가 같은 방향을 가리키기 때문입니다”라고 Song은 말했다. “지진파는 지표 한참 아래의 단층에서 옆으로 미끄러지는 운동이 있었다는 것을 알려주고, 궤도에서 본 지질은 오랫동안 이어져 온 단층계가 가로지르는 지역임을 보여줍니다.”

그랜드캐니언보다 9배 가까이 긴 협곡

임페리얼 칼리지에 따르면 Valles Marineris는 길이가 약 3,900킬로미터, 폭이 최대 600킬로미터, 깊이는 9킬로미터가 넘는다. 최대 규모로 비교하면 그랜드캐니언보다 길이는 9배 가까이, 폭은 20배 이상, 깊이는 약 5배에 이른다. 이 협곡은 올림푸스 화산(Olympus Mons)이 자리한 거대한 화산성 융기 지대 Tharsis와 함께 형성됐으며, 지질학자들은 협곡이 열곡으로 벌어졌는지, 자체 무게로 무너졌는지, 비스듬히 찢어지며 열렸는지를 두고 오랫동안 논쟁해 왔다.

이번 화성 지진은 이 논쟁에 새로운 근거를 보탠다. 지진이 기록한 응력 패턴은 두꺼워진 지각이 중력으로 붕괴해 협곡이 만들어졌다는 모델과 맞지 않는다. 대신 늘어나는 힘과 함께 옆으로 미는 전단이 작용하며 비스듬히 찢어져 열린 협곡과 들어맞는다. 지진의 최대 압축 방향은 대략 서북서로, 화성 역사 초기인 헤스페리아기에 협곡이 초기 변형을 겪을 때 추정되는 압축 방향과도 일치한다. 수십억 년이 지난 지금도 같은 응력 방향이 같은 단층 구조에 작용하고 있는 것으로 보인다.

저자들은 이 단층들에 응력을 쌓을 수 있는 현재의 힘으로 세 가지를 꼽는다. 식어가는 행성의 느린 수축, Tharsis 융기의 무게, 그리고 침식이 협곡을 깎아내며 생기는 하중 제거다. S0976a로 InSight는 화성에서 서로 다른 세 가지 활성 단층 운동을 드러낸 셈이 됐다. Cerberus Fossae 균열 아래에서의 벌어짐, 임무 최대 화성 지진인 S1222a가 발생한 Elysium Planitia 남부 지각 경계 부근에서의 압축, 그리고 Valles Marineris 아래에서의 수평 미끄러짐이다.

“판 구조 운동이 없는 행성에서도 수십억 년 전에 만들어진 구조가 여전히 중요하며, 오늘날 지각이 어디에서 깨지는지를 좌우할 수 있음을 보여줍니다”라고 Kolawole은 말했다.

아직 풀리지 않은 문제

모든 결론은 장비 한 대가 기록한 화성 지진 하나에 기대고 있다. 관측소가 하나뿐이라 이 방법으로는 서로 직각을 이루는 두 개의 단층면 후보를 얻을 뿐, 실제로 어느 쪽이 미끄러졌는지는 알 수 없다. 또 추정된 단층 방향은 지표에서 지도화된 단일한 주요 단층군과 맞아떨어지지 않는다. 위치 추정도 일부는 지도화된 단층의 밀도에 의존하는데, 저자들은 이를 깊은 곳에서 미끄러짐이 일어나는 위치에 대한 대략적인 지침일 뿐 직접 측정한 값은 아니라고 설명한다.

여진은 기록되지 않았다. 연구팀은 이것이 예상된 결과라고 주장한다. 시뮬레이션에서 InSight가 그 거리에서 50화성일 안에 상당한 규모의 여진을 단 하나라도 탐지할 확률은 0.1%에 불과했는데, 행성의 핵과 깊은 내부가 반대편에서 오는 파동을 막고 약화시키기 때문이다. 여진이 없다는 사실이 결과에 불리한 증거는 아니지만, 결과를 확인해 줄 두 번째 사건도 없다는 뜻이다.

이 연구는 협곡이 얼마나 자주 깨지는지, 그곳의 지진이 얼마나 커질 수 있는지 말해주지 못한다. S0976a는 중간 규모의 사건으로, 새로운 균열이 아니라 기존 단층의 작은 부분에서 일어난 제한적인 미끄러짐과 부합한다. 저자들은 또한 현재 응력 가운데 Tharsis 아래 지각의 휘어짐에서 오는 몫과 더 깊은 곳의 지지에서 오는 몫을 구분하지 못하며, 위치가 잘 특정된 화성 지진이 적은 것은 조용한 행성이라서일 수도 있지만 그만큼 InSight의 짧고 관측소 하나뿐인 기록 탓일 수도 있다고 지적한다.

마리네리스 협곡 화성 지진, 자주 묻는 질문

화성은 아직도 지각 활동이 있나요?

그렇다, 적어도 일부 지역에서는. InSight는 임무 기간 동안 화성 지진을 기록했으며, 개별 사건 분석을 통해 Cerberus Fossae 균열 아래, Elysium Planitia 남부, 그리고 이번에 Valles Marineris 아래에서 활성 단층 운동이 확인됐다. 화성에는 움직이는 판이 없으므로, 이 활동은 하나의 단단한 껍질 내부의 응력에서 비롯된다.

마리네리스 협곡은 그랜드캐니언보다 얼마나 큰가요?

길이는 약 3,900킬로미터, 폭은 최대 600킬로미터, 깊이는 9킬로미터가 넘는다. 그랜드캐니언보다 길이는 9배 가까이, 폭은 20배 이상, 깊이는 약 5배다.

마리네리스 협곡 화성 지진의 원인은 무엇인가요?

연구에 따르면 협곡 서부 지하 20~40킬로미터에 있는 오래된 단층에서 주향이동 파열이 일어나, 지각 블록들이 수평으로 엇갈려 미끄러졌다. 운석 충돌과 산사태는 기록된 파동을 재현하지 못했고 궤도 영상에서도 새 충돌구나 산사태가 보이지 않아 배제됐다.

화성에도 판 구조 운동이 있나요?

없다. 화성의 바깥 껍질은 수십억 년 동안 식고 수축해 온 하나의 정체된 뚜껑처럼 작동한다. 이번 연구는 그 뚜껑 안의 단층이 오늘날의 응력으로도 여전히 미끄러질 수 있음을 보여준다.

InSight는 2021년 8월 25일, 화성 표면에서 맞은 976번째 화성일에 S0976a를 기록했으며, 임무는 2022년 12월에 끝났다. 논문은 2026년 10월 15일에 발표됐다. 현재 화성에서 작동하는 지진계가 없기 때문에 기존 InSight 목록이 이 행성의 유일한 지진 기록이며, 연구팀은 이번 결과가 그 기록에 아직 얼마나 많은 정보가 담겨 있는지를 보여준다고 말한다.

같은 지진은 이미 한 차례 활용된 적이 있다. 그 파동은 화성의 핵을 통과했고, 행성의 가장 깊은 층을 파악하는 데 도움을 줬다. “단 하나의 화성 지진으로 행성의 중심에 대해서도, 가장 놀라운 지형 가운데 하나 아래에 있는 활성 단층에 대해서도 알 수 있습니다”라고 연구의 책임저자인 Kim은 말했다.

참고문헌: Song et al., “Active crustal straining and fault reactivation at Valles Marineris,” Nature Communications, 2026. DOI: 10.1038/s41467-026-78193-6

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