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한반도 남서부의 상시미동 HVSR 연구 I: 정점주파수와 증폭효과의 특성
The Microtremor HVSRs in the SW Korean Peninsula I: Characteristics of the HVSR Peak Frequency and Amplification 원문보기

한국지구과학회지 = Journal of the Korean Earth Science Society, v.31 no.6, 2010년, pp.541 - 554  

정희옥 (군산대학교 해양건설공학과) ,  김형준 (전북대학교 지구환경과학과) ,  조봉곤 (전북대학교 지구환경과학과) ,  박남률 (군산대학교 해양건설공학과)

초록
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한반도 남서부 지역의 상시미동의 특성을 알아보기 위하여, 해안 지역(군산 136 지점)과 내륙 지역(전주 117 지점)에서 15분 씩 상시미동 자료를 획득하여 수평 대 수직 스펙트럼 비(HVSR, Horizontal to Vertical Spectral Ratio) 분석을 실시하였다. 상시미동의 에너지 스펙트럼은 내륙 지역에 비해 해안 지역에서 저주파 대역의 에너지가 크다. 이것은 서해의 파랑과 조류, 군산의 북쪽을 지나는 금강의 영향으로 보인다. 상시미동을 24시간 관측한 결과, 인간 활동과 연관된 상시미동 에너지는 변하나 상시미동 HVSR의 정점주파수($F_0$)는 변함이 없어, 하루 중 어느 시간에 관측해도 $F_0$의 안정된 값을 구할 수 있음을 시사한다. 관측점의 상시미동 피크를 싱글피크(single peak), 더블피크(double peak), 브로드피크(broad peak), 노피크(no peak)의 4 종류로 분류한 결과, 전체 관측점의 90 % 이상에서 정점주파수를 구할 수 있었다. 상시미동 $F_0$ 분포도는 기반암의 깊이가 얕은 구릉지에서 높은 주파수를, 하천 부근과 매립지에서 낮은 주파수를 보여 지형과 높은 상관관계를 보였다. 상시미동 $F_0$의 진폭($A_0$)은 전주지역에서는 하천의 하류에서 약 4 정도, 군산지역의 최근 매립지에서 대단히 높은 값(10 이상)을 나타낸다. 지진 발생시 매립지의 피해를 줄이기 위해서는 매립지의 부지반응에 대한 연구와 이에 따른 재해대책이 요구된다.

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Fifteen min-microtremor data sets were collected at 136 sites from a coastal area of Kunsan and 117 sites from an inland area of Jeonju located in SW Korea, and were analyzed for the HVSR (Horizontal to Vertical Spectral Ratio) of the sites. The microtremor spectra of the coastal area have stronger ...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • HVSR을 구하는 통계처리 과정은 다음과 같다. 각 지점에서 15분 동안 획득한 상시미동 자료를 30초 간격으로 나누어 30개의 표본을 만든다. 각 구간 사이에는 6초의 겹쳐지는 부분을 둔다.
  • 자료획득에는 2개의 3성분 지진계(단주기 CMG40T와 광대역 Trillium compact)를 사용하였다. 각 지점에서 15분 씩 자료를 획득하였다.
  • 상시미동 HVSR은 3성분 지진계에서 얻은 상시미동의 수직 성분과 2개의 수평 성분을 각각 푸리에 변환한 후, 주파수 영역에서 2개의 수평 성분을 합성한 후 수직 성분으로 나누어줌으로서 구할 수 있다. 광대역 지진계로 획득한 자료는 0.8 Hz high pass filter를 사용하여 본 연구에 해당되지 않는 주파수 영역을 제거하였다. 불특정 원음에 의해 발생하는 상시 미동을 이용하여 지반의 특성을 구하기 위해서는 여러 가지 표본을 분석하여 평균과 표준편차를 구해 안정된 값을 얻는 것이 중요하다.
  • 기반암과 토양층의 임피던스 차이는 HVSR 피크의 증폭 정도를 결정하며, 이 차이가 클수록 증폭 효과가 커진다. 군산의 최근 매립지인 군장산업단지의 자료 밀도가 크지 않아 선형 배열로 분석하였다(Fig. 8). Fig 8A는 군장산업단지의 3개의 선형 배열(a-a', b-b', c-c')에 대한 분석이 나타나있으며, 3개의 선형 배열을 따라 F0 값의 변화를 보여준다.
  • 이 지역에서도 매립 시기는 서로 달라, 군산 시내는 1900년대 말, 월명산 서쪽의 농경지는 일제 강점기, 연구지역 가장 서쪽의 군장산업단지는 1970년 대 이후 조성되었다. 연구지역 전체를 간척 시기를 고려하여 4개의 소구역으로 분류하였다. 총 조사지역 136 지점중, 46 지점은 구릉지(hillside)에, 24 지점은 구릉지 서쪽 농경지(rice field)에, 54 지점은 개발된 도심 지역(downtown)에, 12 지점은 군산 서쪽, 가장 최근 간척으로 이루어진 매립지(coastal reclaimed land)에 속한다(Fig.
  • 상시미동을 이용한 부지반응에 대한 가장 종합적인 연구는 SESAME(Site Effects assessment using AMbient Excitations) project이다. 이 project는 저비용으로 도심의 지진재해 경감을 목적으로, 상시미동을 이용한 부지반응을 이론, 수치모델, 그리고 실험적 방법으로 평가하였다. 여기에는 유럽의 9개국이 참가하여 지진 자료와 상시미동 자료를 공유하여 연구를 수행, 발표하였다.
  • 각 표본의 HVSR 평균과 표준편차를 구한 후, 평균에 표준편차를 더한 최고값과, 표준편차를 뺀 최저값을 정의한다. 이렇게 구한 HVSR 값의 안정성을 살펴보기 위하여, 표본의 길이를 5초에서 60초 까지 변화시키면서 HVSR 값이 어떻게 변하는지 알아보았다. Fig.
  • 연구지역 대부분에 도시가 발달되어 있고, 구릉지의 지반은 주로 풍화토와풍화암층으로, 전주천과 삼천천 주변의 지반은 퇴적토나 매립토로 구성되어 있다. 지반의 구성 물질 (퇴적토 또는 풍화토)에 따른 F0의 특성을 살펴보기 위하여 전주 지역을 구릉지(hillside)와 도심(downtown), 2 개의 소구역으로 나누었다.
  • 지진재해는 인류가 겪는 자연재해 중 그 규모가 가장 큰 재해 중의 하나이다. 지진에 의한 피해규모는 지진의 규모, 진원으로부터 피해지역의 기반암까지 지진파 이동경로, 그리고 피해지역 토양층(본 논문에서 토양층은 지표에서 기반암까지의 지층을 의미한다)의 특징에 의해 결정된다. 지진파의 이동경로 중 마지막 부분인 토양층은 지반운동에 매우 큰 영향을 미친다.
  • 한반도 남서부 해안 지역과 내륙 지역에서 상시미동을 획득하고, HVSR 분석을 실시하여 스펙트럼과 정점주파수의 특성, HVSR 증폭효과 등에 대해 비교 연구하였다. 연구 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

  • 이 project는 저비용으로 도심의 지진재해 경감을 목적으로, 상시미동을 이용한 부지반응을 이론, 수치모델, 그리고 실험적 방법으로 평가하였다. 여기에는 유럽의 9개국이 참가하여 지진 자료와 상시미동 자료를 공유하여 연구를 수행, 발표하였다. 이와 같은 연구의 공통적 결과는 어느 지역의 F0와 지반의 고유 주파수는 그 지역의 상시미동을 구성하는 파가 어떠한 파인가에 관계없이 기반암과 토양층의 임피던스 차이가 분명할 때 아주 잘 일치하고, HVSR 피크가 뚜렷한 모습을 보여준다는 것이다(e.
  • 상시미동은 인간 활동뿐만 아니라, 바람과 파도와 같은 자연 현상에 의해서도 만들어 진다. 연구지역은 한반도 남서부에 위치하는 전주와 군산으로, 군산은 금강과 서해안에 접해 있고 전주에는 큰 강이 흐르지 않아, 두 개의 서로 다른 자연 환경에서 발생하는 상시미동과 상시미동 HVSR의 특성을 연구하는데 적합한 지역이라 할 수 있다. 총 자료는 253개로 전주 지역에서는 117 지점, 군산에서는 136 지점에서 자료를 획득하였다(Fig.
  • 자료획득에는 2개의 3성분 지진계(단주기 CMG40T와 광대역 Trillium compact)를 사용하였다. 각 지점에서 15분 씩 자료를 획득하였다.
  • 연구지역은 한반도 남서부에 위치하는 전주와 군산으로, 군산은 금강과 서해안에 접해 있고 전주에는 큰 강이 흐르지 않아, 두 개의 서로 다른 자연 환경에서 발생하는 상시미동과 상시미동 HVSR의 특성을 연구하는데 적합한 지역이라 할 수 있다. 총 자료는 253개로 전주 지역에서는 117 지점, 군산에서는 136 지점에서 자료를 획득하였다(Fig. 1).
  • 연구지역 전체를 간척 시기를 고려하여 4개의 소구역으로 분류하였다. 총 조사지역 136 지점중, 46 지점은 구릉지(hillside)에, 24 지점은 구릉지 서쪽 농경지(rice field)에, 54 지점은 개발된 도심 지역(downtown)에, 12 지점은 군산 서쪽, 가장 최근 간척으로 이루어진 매립지(coastal reclaimed land)에 속한다(Fig. 1C). 매립지 안에 존재하는 과거의 섬들(밝은 녹색으로 둘러싸인 부분)은 지반의 특성상 구릉지로 분류되었다.

이론/모형

  • 정점주파수를 분명하게 결정하기 위해서는 HVSR 의 피크가 뚜렷해야한다. 본 논문에서는 SESAME(2004)의 준거에 의거하여 HVSR의 F0를 결정하였다. HVSR 정점주파수의 결정 준거는 크게 두 가지이다.
  • 불특정 원음에 의해 발생하는 상시 미동을 이용하여 지반의 특성을 구하기 위해서는 여러 가지 표본을 분석하여 평균과 표준편차를 구해 안정된 값을 얻는 것이 중요하다. 본 연구에서는 유럽연합에서 주로 사용하는 프로그램 GEOPSY(2010)을 이용하였다. HVSR을 구하는 통계처리 과정은 다음과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지진에 의한 피해규모는 무엇에 의해 결정 되는가? 지진재해는 인류가 겪는 자연재해 중 그 규모가 가장 큰 재해 중의 하나이다. 지진에 의한 피해규모는 지진의 규모, 진원으로부터 피해지역의 기반암까지 지진파 이동경로, 그리고 피해지역 토양층(본 논문에서 토양층은 지표에서 기반암까지의 지층을 의미한다)의 특징에 의해 결정된다. 지진파의 이동경로 중 마지막 부분인 토양층은 지반운동에 매우 큰 영향을 미친다.
한반도 남서부 해안 지역과 내륙 지역에서 상시미동을 획득하고, HVSR 분석을 실시하여 스펙트럼과정점주파수의 특성, HVSR 증폭효과 등에 대해 비교 연구한 결과는 어떠한가? 1. 연안 지역과 내륙 지역의 상시미동 스펙트럼 분석결과 연안 지역은 스펙트럼 피크가 2-5 Hz에 내륙 지역은 ~12 Hz에 나타난다. 내륙 지역에 비해 연안 지역에서 저주파 대역에서 에너지가 크게 나타나는 것은 바다의 파랑과 조류, 그리고 금강의 영향으로 사료된다. 2. 연안과 내륙 모두, 상시미동 에너지 스펙트럼은 하루를 주기로 변하나, HVSR의 F0는 시간에 따라 변하지 않는 안정성을 보인다. 이것은 하루 중 어느 시간에 자료를 수집하더라도 안정적인 F0를 구할 수있다는 것을 의미한다. 3. 연안과 내륙 모두, 전체 자료의 90 % 이상 F0를 구할 수 있었으며, 이것은 본 연구지역과 유사한 한반도 대부분의 지역에서 상시미동을 이용하여 지반응답 특성을 구할 수 있다는 것을 시사한다. 4. 연안과 내륙 모두, F0가 지형 및 지표지질과 뚜렷한 상관관계를 나타낸다. 군산의 대부분 지역에서 F0가 1-4 Hz로 전주의 4-8 Hz 보다 낮아, 간척으로 생성된 군산 지역의 토양층 두께가 두껍고, 횡파의 평균 속도가 낮음을 나타낸다. 5. 상시미동 HVSR의 증폭값은 전주의 대부분 지역에서 3 이하이며, 하천의 하류 부근에서 3-6 정도의 값이 산발적으로 나타난다. 군산 지역은 최근 매립지에서 1-2 Hz 대역에서 매우 큰 값(6-12)을 보여, 간척지의 부지반응에 대한 높은 관심과 지진 재해경감을 위한 노력이 요구된다.
지진재해은 어떤 재해인가? 지진재해는 인류가 겪는 자연재해 중 그 규모가 가장 큰 재해 중의 하나이다. 지진에 의한 피해규모는 지진의 규모, 진원으로부터 피해지역의 기반암까지 지진파 이동경로, 그리고 피해지역 토양층(본 논문에서 토양층은 지표에서 기반암까지의 지층을 의미한다)의 특징에 의해 결정된다.
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