[논문]한반도 및 주변지역 지진 모서리 주파수의 거리 종속성

신진수; 강태섭

doi:10.5000/eesk.2008.12.5.039

한반도 및 주변지역 지진 모서리 주파수의 거리 종속성
Distance Dependency of Corner Frequencies for Earthquakes in and around the Korean Peninsula 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.12 no.5 = no.63, 2008년, pp.39 - 45

초록
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2006년과 2007년에 한반도 및 주변지역에서 발생한 85개 지진($1.6\;{\leq}\;M_L\;{\leq}\;4.9$)의 지진원 상수에 대하여 반복 스펙트럼 역산법을 적용하여 분석하였다. 지진자료는 한반도 남부지역의 광대역관측소3성분 기록으로부터 추출한 487개의 S-파군으로 구성되어 있다. 지진파 스펙트럼 분석을 통하여 각 지진에 대한 모멘트규모를 결정하고, 이를 진원거리에 따른 모서리 주파수의 변화에 대비하였다. 모서리 주파수는 진원거리가 증가함에 따라서 감소하는 경향이 있고, 이러한 경향은 모멘트규모가 커질수록 줄어든다. 변위 스펙트럼에서 측정한 모서리 주파수를 겉보기 모서리 주파수로 정의하였다. 이러한 겉보기 모서리 주파수의 거리 종속성은 세계적으로 동부 캐나다 순상지와 발트 순상지에서 보고된 바 있으나, 아직까지 그 원인은 명확하지 않다.

Abstract ▼ AI-Helper

The source parameters of 85 events ($1.6\;{\leq}\;M_L\;{\leq}\;4.9$) that occurred in and around the Korean Peninsula during 2006 and 2007 were analyzed by an iterative spectral fitting procedure. The data set consists of 487 S-wave trains on three-component seismograms recorded at broadband seismograph stations in the southern part of the Korean Peninsula. Moment magnitudes for each event were determined using spectral analyses of the seismograms, and the results were compared with the variation in corner frequencies with hypocentral distance. Corner frequencies have a tendency to decrease with increases in hypocentral distance, and the decrease is smaller the larger the moment magnitude. We define the measured corner frequency on a displacement spectrum as the apparent corner frequency. Although it was reported that the distance dependency of the corner frequency was found in some regions, such as the eastern Canadian Shield and the Baltic Shield, the origin of the phenomenon is not certain yet.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구의 목적은 한반도 남부지역에서 발생한 소규모 지진들에 대하여 지진원상수의 유사성과 이들 사이에 존재할 수 있는 경험적인 관계를 도출하고, 이 지역에서의 지진원 특성에 대한 상관관계를 검토하는 것이다. 또한 지진원 스펙트럼 분석을 통하여 모멘트규모를 결정하여 한반도에서 일관된 지진규모 목록을 작성하기 위한 시도가 이 연구에 대한 별도의 지향점이다.
^(4-6)한반도 및 주변지역에서 발생한 지진에 대한 지진원 상수 분석 연구는 지금까지 다양하게 진행되어 왔으나^(7-11), 동일한 지진에 대하여 결정된 지진원 상수 값, 특히 응력강하량이 연구자들 사이에 다양하게 제시되어 있어서 그 원인에 대한 별도의 검토가 필요한 실정이다. 이 연구의 목적은 한반도 남부지역에서 발생한 소규모 지진들에 대하여 지진원상수의 유사성과 이들 사이에 존재할 수 있는 경험적인 관계를 도출하고, 이 지역에서의 지진원 특성에 대한 상관관계를 검토하는 것이다. 또한 지진원 스펙트럼 분석을 통하여 모멘트규모를 결정하여 한반도에서 일관된 지진규모 목록을 작성하기 위한 시도가 이 연구에 대한 별도의 지향점이다.

가설 설정

변위 스펙트럼으로부터 파악하고자 하는 대상은 진원거리가 0이 되는 단층지진원 자체의 지진원 상수이기 때문에, 그림 3의 회귀식에 의하여 겉보기 모서리 주파수(f_c)를 진원거리 0에서의 값으로 정규화한다.⁽⁶⁾ 각 지진에 대하여 정규화된 모서리 주파수를 관측점 수(Nobs)에 대하여 평균하고, 이 평균 모서리 주파수(f₀)를 진원스펙트럼의 모서리 주파수에 대한 대표값으로 가정한다(표 1).따라서 표 1에 제시된 모서리 주파수(f₀)는 통상적으로 제시되는 각 관측소에서의 겉보기 모서리 주파수(f_c)와는 다른 측면에서 이해하여야 한다.
)는 앞에서 서술한 방법으로 관측 스펙트럼을 이용하여 직접 계산할 수 있다. 각 지진에 대한 지진원상수를 결정하기 위하여 사용되는 수식은 그 동안의 다양한 선행 연구들에 소개된 바 있기 때문에 여기서 반복하지 않으며, 이에 필요한 기본적인 상수로 이 연구에서는 지진파 에너지 발산효과를 표현하기 위하여 #를 사용하였으며, 진원지의 전단파 속도와 밀도는 각각 3.5km/s와 2.7g/cm³로 가정 하였다. 또한 감쇠효과를 보정하기 위하여, 한반도 남부지역에서 발생한 지진에 대한 연구 결과⁽¹⁷⁾인 Q(f) = 229.
주어진 응력강하량에 대하여 지진에너지의 크기에 직접적인 상관이 있는 단층의 면적요소는 지진원 스펙트럼에서 모서리 주파수의 변화로 나타난다. 즉, 균질한 매질을 가정할 때, 단층 운동으로 인한 매질의 관성작용의 범위는 단층면적이 거동하는 범위에 비례한다. 따라서 단층면적이 클수록 긴 주기의 변위성분이 많이 포함되어, 지진원 변위 스펙트럼의 주파수 범위에서 저주파 성분을 많이 포함하게 된다.

제안 방법

2006년과 2007년에 한반도 및 주변지역에서 발생한 소규모 지진에 대하여 광대역지진관측망을 이용한 지진원 상수를 추정하였다. 전단파 변위 스펙트럼으로부터 관측된 모서리 주파수는 진원거리가 증가함에 따라서 감소하는 경향을 보여준다.
84초까지의 구간을 설정하여 양 끝단에 5%의 코사인 감쇠필터를 적용하였다. 각각의 성분을 푸리에 변환 후, 주파수 영역에서 적분을 실시하고 세 성분의 벡터 합성을 통하여⁽¹³⁾최종적인 전단파 변위 스펙트럼을 생성하였다.
사용된 모든 지진에 대한 각 관측소에서의 변위 스펙트럼을 분석하여 결정된 모서리 주파수(f_c)를 진원거리에 따라 배열하고 그 경향을 분석하였다(그림 3). 그 결과 관측된 모서리 주파수(f_c)는 진원거리가 증가함에 따라서 감소하는 경향을 보여준다.
각각의 지진과 관측소 사이의 파선을 가정하였을 때 모두 487개의 기록이 분석에 사용되었다. 스펙트럼 분석을 수행 하기 전에 지진기록의 경사, 기준선 및 계기 보정을 실시하였다. 지진기록의 세 성분에 대하여 S-파 도달시간을 수동으로 결정하고 이 시간으로부터 163.
그 결과 관측된 모서리 주파수(f_c)는 진원거리가 증가함에 따라서 감소하는 경향을 보여준다. 이러한 경향성이 방출되는 지진에너지와 연관되는지 조사하기 위하여 표 1에 제시된 지진의 모멘트 규모에 따라서 규모 3이하, 3과 4 사이 및 4 이상의 세 군으로 분류하여 다시 진원거리에 따른 경향성을 분석하였다. 각 군에 대한 진원거리와 모서리 주파수(f_c) 사이의 관계를 회귀분석하여 관측결과와 함께 그림 4에 제시하였다.
이러한 특성들이 작은 지진에 대해서도 확장될 수 있는지에 대한 연구는 Brune⁽²⁾의 진원 모델로 예측되는 전단파의 변위 스펙트럼과 원거리 영역에서 지각내 다중 반사에 의하여 발달되는 Lg파의 스펙트럼 비교를 통하여 진행되었다.^(4-6)한반도 및 주변지역에서 발생한 지진에 대한 지진원 상수 분석 연구는 지금까지 다양하게 진행되어 왔으나^(7-11), 동일한 지진에 대하여 결정된 지진원 상수 값, 특히 응력강하량이 연구자들 사이에 다양하게 제시되어 있어서 그 원인에 대한 별도의 검토가 필요한 실정이다.
스펙트럼 분석을 수행 하기 전에 지진기록의 경사, 기준선 및 계기 보정을 실시하였다. 지진기록의 세 성분에 대하여 S-파 도달시간을 수동으로 결정하고 이 시간으로부터 163.84초까지의 구간을 설정하여 양 끝단에 5%의 코사인 감쇠필터를 적용하였다. 각각의 성분을 푸리에 변환 후, 주파수 영역에서 적분을 실시하고 세 성분의 벡터 합성을 통하여⁽¹³⁾최종적인 전단파 변위 스펙트럼을 생성하였다.

대상 데이터

각각의 지진과 관측소 사이의 파선을 가정하였을 때 모두 487개의 기록이 분석에 사용되었다. 스펙트럼 분석을 수행 하기 전에 지진기록의 경사, 기준선 및 계기 보정을 실시하였다.
국내 지진관측망 분포를 중심으로 2006년과 2007년에 발생한 85개의 지진에 대하여 기상청과 한국지질자원연구원에서 운영하는 광대역 지진관측소에서 기록된 자료를 사용하였다(그림 1). 지진규모(M_L)의 범위는 한국지질자원연구원에서 발표하는 지진목록⁽¹²⁾을 기준으로1.

이론/모형

이후 조남대와 박창업⁽¹⁾은 이러한 방법을 개선한 반복계산법을 고안하였으며, 이 방법으로 이전 방법에 비하여 모서리 주파수 및 저주파 스펙트럼 수준과 응력강하량을 더욱 안정적으로 계산할 수 있게 되었다. 이 연구에서는 조남대와 박창업⁽¹⁾의 반복계산법을 사용하였다. 그림 2는 두 개의 지진에 대한 세 성분 기록과 변위 스펙트럼 분석을 통하여 도출된 관측 스펙트럼에 부합하는 이론적인 ω² 스펙트럼을 제시하고 있다.

성능/효과

지진원 스펙트럼 모델은 모서리 주파수, 지진모멘트, 단층의 면적과 파괴시 예상되는 응력강하량 등과 같은 지진원 상수들로 구성된다 Kanamori와 Anderson⁽³⁾은 큰 규모의 지진에 대한 지진원 상수들 사이의 관계를 조사하여, 지진모멘트와 단층면적 및 응력강하량 사이에 일정한 관계가 있음을 제시하였다. 즉 지진모멘트는 단층면적과 비례하며, 특정한 지역에서의 응력강하량은 지진모멘트의 크기에 관계없이 일정한 것으로 알려졌다. 그러나 이러한 결과는 규모 6 이상의 큰 지진에 대한 결과이기 때문에, 과연 그 보다 작은 지진에서도 이러한 비례관계가 성립될 수 있는지가 또 다른 문제로 대두되어 현재까지도 세계 다양한 지역에서 조사가 진행되고 있다.

후속연구

이는 지표감쇠효과에 대한 적절한 보정이 이루어지지 않았음을 의미한다. 따라서 향후 정확한 모멘트규모 결정을 위해서는 관측소별 감쇠효과에 대한 상세한 분석이 먼저 선행되어야 할 것이다.
따라서 지진의 크기가 작고 진원거리가 멀수록 그 신뢰도는 감소한다. 또한 아주 작은 지진에 대한 모서리 주파수는 기록계의 Nyquist 주파수보다 클 수 있으므로, 역산과정에서 이에 대한 별도의 점검이 필요할 것이다. 또한 적절한 모서리 주파수를 구하기 위해서는 감쇠보정에 대한 정확성이 확보되어야 한다.
이들 두 지역의 공통점은 지체구조학적으로 안정한 지역을 형성하는 선캠브리아기의 결정질 화성암과 변성암이 넓게 분포하고 있다는 점이다. 만일 이러한 공통점이 한반도에서도 적용 될 수 있고 모서리 주파수(f_c)의 거리 종속성의 특징적인 양상이라면, 지체구조적으로 다양한 성격의 지역을 별도로 분류하여 그 특징을 분석할 가치가 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	규모 포화란 무엇인가?	단층 지진원은 그 크기에 따라 주파수별 진폭값이 일정하게 유지되는 주파수 상한값이 달라진다. 주파수 상한값을 초과하는 크기의 지진에 대하여 지역규모는 그 크기를 적절히 반영하지 못하게 되며, 이러한 현상을 규모 포화(Magnitude Saturation)라고 한다. 규모의 포화는 시간영역 지진기록의 진폭을 측정함으로써 계산되는 지역규모(ML), 실체파규모(mb) 및 표면파규모 (Ms)에서 예견될 수 있는 일반적인 현상이다.
	지진동의 특성은 어떻게 표현되는가?	지진동의 특성은 지진 규모와 진원 거리에 따른 시간 또는 주파수 영역에서의 변화로 표현될 수 있다. 지진기록은 지진원으로부터 지진파가 전파하는 매질 내에서의 반사와 굴절과 같은 변화, 전파 거리 및 매질의 비탄성 특성에 따른 효과와 특정한 주파수 대역을 갖는 지진계 응답특성이 반영되는 일련의 필터링 과정에 대한 시간영역의 결과물이다.
	2006년 및 2007년 지진목록에 대한 모멘트규모 계산과정에서 몇몇 관측소의 경우, 고주파수에서 스펙트럼의 감쇠는 이론적인 진원스펙트럼을 통하여 예측된 결과보다 더 가파르게 감소되는 경향이 있는 이유는?	2006년 및 2007년 지진목록에 대한 모멘트규모 계산과정에서 몇몇 관측소의 경우, 고주파수에서 스펙트럼의 감쇠는 이론적인 진원스펙트럼을 통하여 예측된 결과보다 더 가파르게 감소되는 경향이 있었다. 이는 지표감쇠효과에 대한 적절한 보정이 이루어지지 않았음을 의미한다. 따라서 향후 정확한 모멘트규모 결정을 위해서는 관측소별 감쇠효과에 대한 상세한 분석이 먼저 선행되어야 할 것이다.

참고문헌 (18)

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김성균, "한반도남부에서의지진파감쇠: 분석방법과사용한자료에 따른 변화 비교", 지질학회지, 제43권, 2007, pp. 207-218

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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