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문제 정의
- 본 논문에서는 도호쿠 대지진에 의한 우리나라 지각의 영향을 다양한 시나리오를 통하여 분석하였다. 이를 위해서 지진 발생일(2011년 3월 11일)을 기준으로 발생 3일 전부터 이후 7일 동안(3월 8일~18일) 수집된 데이터를 이용하였다.
- 본 연구에서는 도호쿠 지진에 의한 한반도 지각의 변화를 확인하기 위하여 3월 8일부터 10일까지 총 3일간 수집된 관측데이터를 이용하여 지진발생 이전 GPS 상시관측소의 정밀좌표를 산출하였으며, 3월 12일부터 18일까지의 데이터를 이용하여 지진발생 이후 상시관측소의 정밀 좌표를 계산하였다.
- 본 연구에서는 새로운 국가 측지 기준계 확립을 위한 기초 연구로서 국토지리정보원의 GPS 상시관측소와 우리나라 주변국의 IGS 상시관측소 데이터를 이용한 지진 발생 전·후의 정밀 데이터 처리를 수행하고 다양한 분석을 시도하였다.
- 이에 따라 본 논문에서는 지진 발생 전·후 수집된 GPS 관측데이터를 이용하여 한반도 지각의 변화를 확인하였다.
제안 방법
- 기선해석을 통한 우리나라 지각변동 분석을 효과적으로 수행하기 위하여 두 가지 시나리오를 이용하여 분석을 수행하였다. 첫 번째 시나리오로 우리나라 지각의 절대적인 움직임을 확인하기 위하여 진앙과 거리가 멀어 비교적 안정적이라고 판단되는 중국, 몽골, 러시아의 IGS 상시관측소를 기준점으로 사용하여 기선해석을 수행하였으며, 두 번째 시나리오는 한반도 내의 상대적인 변화 즉, 지각의 내부적인 뒤틀림을 확인하고자 우리나라 국가 기준점인 수원 관측소를 고정하여 기선해석을 실시하였다.
- 도호쿠 지진에 의해 한반도 지각에 뒤틀림이 발생하게된 것은 진앙으로부터 관측소까지의 거리에 따라 지진의 영향이 다르기 때문으로 생각되며, 이를 확인하기 위하여 진앙으로부터 관측소까지의 거리와 변동량 사이의 관계를 규명하였다.
- 기본적으로 Bernese는 상대측위와 정밀 절대측위(PPP: Precise Point Positioning)가모두가능하지만 PPP의 경우 수 센티미터의 정확도 확보만 가능하므로 센티미터 이하의 정확도 확보를 위해서는 상대측위를 수행해야 한다. 또한 Bernese는 BPE(Bernese Processing Engine)를 이용하면 일련의 데이터 처리과정을 자동적으로 수행할 수 있으므로 본 연구에서도 BPE를 이용하여 지진 발생 전후 데이터의 상대측위를 수행하였다. 또한 이동측위방법을 사용하여 30초마다 지각의 움직임을 계산하였다.
- 이때 사용된 기준국은 시나리오1에서 기준국으로 사용된 중국, 몽골, 러시아의 IGS 관측소를 동일하게 사용하였다. 또한 여진과 관련한 변위 확인을 위하여 국내 관측소 외에 일본 관측소의 이동측위도 수행하였다. 이때 일본 관측소의 경우는 연구 대상기간에 모든 데이터가 존재하는 IGS 관측소 중 진앙으로부터 거리가 비교적 가까운 TSK2를 선택하였다(그림11).
- 또한 Bernese는 BPE(Bernese Processing Engine)를 이용하면 일련의 데이터 처리과정을 자동적으로 수행할 수 있으므로 본 연구에서도 BPE를 이용하여 지진 발생 전후 데이터의 상대측위를 수행하였다. 또한 이동측위방법을 사용하여 30초마다 지각의 움직임을 계산하였다. 이때 사용한 관측소의 좌표는 각 성분별로 0.
- 앞서 언급한 지진발생 시각과 좌표변동 확인 시각 사이에 발생한 시간지연은 진앙으로부터 관측소까지 지진파가 도달하는 시간과 관련이 있을 것으로 예상되었으며, 이를 확인하기 위해 거리에 따른 지연시간 분석을 시도하였다. 지연시간 계산을 위하여 이동측위 결과를 바탕으로 1차 함수 접합(fitting)을 수행하여 이상값(outlier)을 탐지하였으며, 이상값 탐지시각과 지진 발생시각 사이의 시간지연을 계산하였다(그림 13).
- 따라서 2011 도호쿠 대지진에 의한 한반도 내의 상대적인 지각 변동의 유무와 그 변동량 차이를 정확히 파악하고 보정할 필요가 있다. 이를 위하여 국내 IGS 상시관측소 중 하나로 우리나라 국가 기준점으로 사용되는 수원 관측소를 기준으로 하는 기선해석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 새로운 국가 측지 기준계 확립을 위한 기초 연구로서 국토지리정보원의 GPS 상시관측소와 우리나라 주변국의 IGS 상시관측소 데이터를 이용한 지진 발생 전·후의 정밀 데이터 처리를 수행하고 다양한 분석을 시도하였다. 이를 통해 국가 측지기준계의 갱신을 위한 한반도 지각의 왜곡현상을 확인하였으며, 정밀 데이터 처리의 결과로 계산된 지각 이동량에 대하여 다양한 수치적분석을 시도하였다.
- 반면 시나리오2의 결과는 진앙으로부터 기준점으로 사용한 수원 관측소까지의 거리인 약 1350km를 기준으로 변위의 크기가 감소하다 증가하였다. 이와 같은 두 시나리오의 좌표변동 경향을 가장 적절하게 나타내는 방정식을 유도하기 위하여 다양한 형태의 함수에 접합(fitting)을 시도하였다. 접합결과 시나리오1의 경우는 지수함수, 그리고 시나리오2는 2차 함수로 접합을 하였을 때 잔차가 각각 0.
- 이 외에 유럽의 CODE에서 제공하는 전지구 전리층 모델, 위성과 수신기의 코드 바이어스 오차에 해당하는 DCB(Differential Code Bias)를 사용하였으며, IGS에서 제공하는 GPS 위성의 궤도력 및 위성의 시계정보, 지구 자전축의 움직임과 관련된 모델을 사용하였다. 이중 GPS 위성 궤도력은 위성의 위치정보를 나타내는 것으로 정밀궤도력(precise orbit), 신속궤도력 (rapid orbit), 초신속궤도력(ultra-rapid orbit), 방송궤도력 (broadcast ephemerides)이 있으며, 본 논문에서는 가장정확도가 높은 정밀궤도력을 사용하였다. 조석에 따른 해수 하중 변동으로 인한 지각변동 현상을 나타내는 해양조석 모델로는 FES2004를 사용하였으며, IAU2000 장동모델과 JGM-3 중력모델을 이용하였다.
- 앞서 언급한 지진발생 시각과 좌표변동 확인 시각 사이에 발생한 시간지연은 진앙으로부터 관측소까지 지진파가 도달하는 시간과 관련이 있을 것으로 예상되었으며, 이를 확인하기 위해 거리에 따른 지연시간 분석을 시도하였다. 지연시간 계산을 위하여 이동측위 결과를 바탕으로 1차 함수 접합(fitting)을 수행하여 이상값(outlier)을 탐지하였으며, 이상값 탐지시각과 지진 발생시각 사이의 시간지연을 계산하였다(그림 13). 그래프를 보면 거리가 멀어짐에 따라 지연시간이 증가함을 확인할 수 있으며, 거리와 지연시간사이의 상관계수 역시 0.
- 기선해석을 통한 우리나라 지각변동 분석을 효과적으로 수행하기 위하여 두 가지 시나리오를 이용하여 분석을 수행하였다. 첫 번째 시나리오로 우리나라 지각의 절대적인 움직임을 확인하기 위하여 진앙과 거리가 멀어 비교적 안정적이라고 판단되는 중국, 몽골, 러시아의 IGS 상시관측소를 기준점으로 사용하여 기선해석을 수행하였으며, 두 번째 시나리오는 한반도 내의 상대적인 변화 즉, 지각의 내부적인 뒤틀림을 확인하고자 우리나라 국가 기준점인 수원 관측소를 고정하여 기선해석을 실시하였다. 기선 해석에서 기준국으로 사용된 국내외의 IGS 상시관측소 위치를 그림4에 나타내었다.
- 그림 7은 시나리오1의 결과 가장 작은 변위가 나타났던 제주 관측소와 가장 큰 변위를 보인 독도 관측소의 시나 리오2 결과이다. 해당 그래프 역시 지진발생 전 수집된 데이터를 이용하여 산출한 정밀좌표를 기준으로 변동량을 계산하고, 이를 지역평면좌표 변환하였다. 수원을 기준으로 하는 변위를 계산하였으므로 시나리오1의 결과에서 동쪽으로의 변위를 보였던 제주관측소는 서쪽으로 1.
대상 데이터
- 상시관측소 선정에는 관측소의 기하학적 위치와 데이터의 안정성이 고려되었으며, 선정된 관측소는 본 논문의 대상기간(3월 8일~18일) 동안 모든 날짜의 데이터가 존재한다. 관측 데이터는 RINEX 포맷으로 30초 간격의 24시간 관측된 자료를 사용하였다. 아래 표 1은 본 논문에 사용된 GPS 상시관측소를 정리한 내용이며, 그림 3에 자료처리를 위해 선정된 16개의 국내 GPS 상시관측소의 위치를 나타내었다.
- 이를 위해서 지진 발생일(2011년 3월 11일)을 기준으로 발생 3일 전부터 이후 7일 동안(3월 8일~18일) 수집된 데이터를 이용하였다. 국내 상시관측소로는 국토지리정보원에서 운영 하고 있는 GPS 상시관측소를 대상으로 14개를 선정하였으며, 국토해양부의 위성항법중앙사무소에서 관리하는 독도와 울릉도 관측소를 포함하였다. 국외의 상시관측소의 경우에는 IGS에 등록된 일본, 중국, 러시아, 몽골의 6개 상시관측소를 선정하였다.
- 본 연구의 GPS 데이터 처리에는 2000km 내외의 초장기 선장에 대해서도 정확한 미지정수 결정이 가능한 것으로 알려진 Bernese GPS Software V5.0을 사용하였다(이하 Bernese로 칭함). 기본적으로 Bernese는 상대측위와 정밀 절대측위(PPP: Precise Point Positioning)가모두가능하지만 PPP의 경우 수 센티미터의 정확도 확보만 가능하므로 센티미터 이하의 정확도 확보를 위해서는 상대측위를 수행해야 한다.
- 지진에 의한 한반도 지각의 변위를 정확히 파악하기 위해서는 비교적 지진의 영향을 적게 받았을 것으로 예상되는 관측소를 기준으로 하여 기선해석을 수행해야 한다. 이때 진앙으로부터 거리가 멀수록 지진의 영향을 적게 받았을 것으로 예상되지만 기선의 길이가 길어질수록 정확도가 떨어지는 기선해석의 특성을 고려하여 중국, 몽골, 러시아의 IGS 상시관측소를 기준국으로 선정하였다. 이렇게 선정된 관측소를 기준으로 기선해석을 실시하고 도호쿠 지진에 의한 한반도 지각의 절대적인 움직임을 확인하였다.
- 본 논문에서는 도호쿠 대지진에 의한 우리나라 지각의 영향을 다양한 시나리오를 통하여 분석하였다. 이를 위해서 지진 발생일(2011년 3월 11일)을 기준으로 발생 3일 전부터 이후 7일 동안(3월 8일~18일) 수집된 데이터를 이용하였다. 국내 상시관측소로는 국토지리정보원에서 운영 하고 있는 GPS 상시관측소를 대상으로 14개를 선정하였으며, 국토해양부의 위성항법중앙사무소에서 관리하는 독도와 울릉도 관측소를 포함하였다.
데이터처리
- 진앙으로부터의 거리와 변위량 사이의 보다 명확한 상관성 확인을 위하여 각 성분별 좌표변화와 거리 사이의 관계 분석을 수행하였다(그림 10). 두 시나리오 모두 동쪽 방향의 변화량은 진앙으로부터의 거리가 멀어질수록 감소하는 경향을 보였으며, 상관성 역시 -0.
이론/모형
- GPS 데이터 처리를 위해 사용한 옵션은 아래 표2와 같으며, 이중 대류권에 의한 GPS 관측값 지연은 Saastamoinen 모델과 Niell 매핑함수를 적용하였다. Saastamoinen 모델은 기체법칙(gas law)을 통해서 유도된 굴절지수를 이용하며, Niell 매핑함수는 입력 값으로 관측소의 위치와 연중시간(time of year)만 필요로 하고 지상 기상학에 독립적이고 정확하여 지상 기상학에 널리 사용된다(전재한 등, 2008; Hofmann-Wellenhof et al, 2001).
- Saastamoinen 모델은 기체법칙(gas law)을 통해서 유도된 굴절지수를 이용하며, Niell 매핑함수는 입력 값으로 관측소의 위치와 연중시간(time of year)만 필요로 하고 지상 기상학에 독립적이고 정확하여 지상 기상학에 널리 사용된다(전재한 등, 2008; Hofmann-Wellenhof et al, 2001). 이 외에 유럽의 CODE에서 제공하는 전지구 전리층 모델, 위성과 수신기의 코드 바이어스 오차에 해당하는 DCB(Differential Code Bias)를 사용하였으며, IGS에서 제공하는 GPS 위성의 궤도력 및 위성의 시계정보, 지구 자전축의 움직임과 관련된 모델을 사용하였다. 이중 GPS 위성 궤도력은 위성의 위치정보를 나타내는 것으로 정밀궤도력(precise orbit), 신속궤도력 (rapid orbit), 초신속궤도력(ultra-rapid orbit), 방송궤도력 (broadcast ephemerides)이 있으며, 본 논문에서는 가장정확도가 높은 정밀궤도력을 사용하였다.
- 이중 GPS 위성 궤도력은 위성의 위치정보를 나타내는 것으로 정밀궤도력(precise orbit), 신속궤도력 (rapid orbit), 초신속궤도력(ultra-rapid orbit), 방송궤도력 (broadcast ephemerides)이 있으며, 본 논문에서는 가장정확도가 높은 정밀궤도력을 사용하였다. 조석에 따른 해수 하중 변동으로 인한 지각변동 현상을 나타내는 해양조석 모델로는 FES2004를 사용하였으며, IAU2000 장동모델과 JGM-3 중력모델을 이용하였다.
성능/효과
- (1) 도호쿠 지진 이후 최대 5.59cm의 변위가 한반도에서 발생하였으며, 평균적으로 남-북 방향으로 0.21cm, 동-서 방향으로 2.75cm, 그리고 수직 방향으로 0.37cm 이동하였다. 이것은 한반도의 연간 이동량으로 알려진 3cm/yr와 비슷한 수준이며, 따라서 이번 지진으로 인해 한반도의 연간 이동량에 해당하는 변위가 하루 만에 발생하였다고 볼 수 있다.
- (2) 각 관측소의 좌표 변동량은 진앙과의 거리와 멀어질수록 감소하는 경향을 보인다. 특히 동-서 방향의 경우 좌표 변동량과 거리의 상관계수가 -0.
- (3) 기선해석 결과 중 수직방향의 경우 진앙으로 부터의 거리가 멀어질수록 변동량이 증가하는 경향을 보였으며, 이러한 경향은 진앙 주변의 하향 이동이 지각의 반발을 초래했기 때문으로 변위의 크기는 진원으로부터 관측소 사이의 거리에 비례한다.
- (4) 이동측위를 통해 지진발생 당시의 움직임을 확인할 수 있었으며, 지진 이후 발생한 규모 7.9의 여진 역시 확인이 가능하였다. 또한 지진발생 시각과 이동측위의 결과 좌표 변동 확인 시각 사이에 약간의 시간지연이 있었으며, 이것은 지진파의 도달시간으로 볼 수 있다.
- 또한 동-서 방향의 좌표 변동량이 모두양(+)의 값으로 나타나 16개 관측소 모두 동쪽으로 이동하였음을 알 수 있다. 각 방향에 대한 16개 관측소의 평균 좌표 변동량은 북향으로 0.21cm, 동향으로 2.75cm, 수직 방향으로 0.37cm로 나타났으며, 각 관측소에서의 3차원 절대변위량(3D norm)의 평균은 2.80cm로 계산되었다. 이것은 Freymueller(2011)가 FFM(finte fault model)을 사용하여 예상한 한반도의 변위 3cm와 유사한 결과로 볼 수 있다.
- 12cm로 가장 작았다. 결과적으로 시나리오1은 y=42.49e-2.18x로 표현가능하며, 시나리오2는 y=18.53x2-49.24x+33.11으로 나타낼 수 있다.
- 지연시간 계산을 위하여 이동측위 결과를 바탕으로 1차 함수 접합(fitting)을 수행하여 이상값(outlier)을 탐지하였으며, 이상값 탐지시각과 지진 발생시각 사이의 시간지연을 계산하였다(그림 13). 그래프를 보면 거리가 멀어짐에 따라 지연시간이 증가함을 확인할 수 있으며, 거리와 지연시간사이의 상관계수 역시 0.87로 비교적 높은 양의 상관성을 보였다. 이러한 경향은 그림 13와 같이 1차 방정식으로 표현이 가능하며, 이때 직선의 기울기를 통해 3.
- 진앙으로부터의 거리와 변위량 사이의 보다 명확한 상관성 확인을 위하여 각 성분별 좌표변화와 거리 사이의 관계 분석을 수행하였다(그림 10). 두 시나리오 모두 동쪽 방향의 변화량은 진앙으로부터의 거리가 멀어질수록 감소하는 경향을 보였으며, 상관성 역시 -0.96으로 계산되어 이 둘 사이의 연관성이 상당히 높은 것을 알 수 있다. 북쪽 방향의 좌표 변동량을 살펴보면, 두 시나리오 모두 동쪽 방향에 비해 상관성은 각각 -0.
- 한국천문연구원(2011)은 한국천문연구원과 위성항법중앙사무소의 GPS 관측소 자료를 처리하여 도호쿠 대지진의 한반도 영향을 분석하였다. 분석결과에 따르면 지진 발생 직후 한반도 지각이 1cm에서 5cm까지 동쪽으로 이동하였으며 특히 진원지와 가까운 독도와 울릉도의 경우 상대적으로 영향을 더 많이 받은 것으로 나타났다. 이 외에 도호쿠 지진과 관련하여 박준규 등(2011)은 지진재해 관리를 위해 GPS를 기반으로 2011 도호쿠 대지진에 의한 일본 상시관측소의 변위를 모니터링하고, 지진 변위량을 산출하였으며, 황진상 등(2011)은 전 세계 IGS 관측소와 한반도 및 인근섬들에 위치한 GPS 관측소의 데이터를 이용하여 2011 도호쿠 지진이 GPS 상시관측소에 미친 위치변동량을 분석하였다.
- 96cm의 양의 변위가 발생하였다. 이 결과를 토대로 분석을 수행한 결과, 2011 도호쿠 대지진은 진앙 근방의 지각을 하향 이동시켰으며, 이러한 지각이동의 반동으로 진앙으로부터 멀어지는 지각이 상향 이동이 발생하였다. 이에 따라 진앙으로부터 거리가 멀어질수록 수직방향으로의 지각 변위가 증가한 것으로 보인다.
- 이러한 결과로 미루어볼 때 한반도가 도호쿠 지진의 영향권에 들었으며, 지진으로 인하여 평균 2~3cm 수준으로 동쪽으로 이동한 것을 알 수 있다. 또한 각 관측소의 좌표 변동은 진앙과의 거리 따라 크기가 다르게 나타났으며, 이로 인해 한반도 지각의 뒤틀림이 발생했다고 볼 수 있다.
- 이때 진앙으로부터 거리가 멀수록 지진의 영향을 적게 받았을 것으로 예상되지만 기선의 길이가 길어질수록 정확도가 떨어지는 기선해석의 특성을 고려하여 중국, 몽골, 러시아의 IGS 상시관측소를 기준국으로 선정하였다. 이렇게 선정된 관측소를 기준으로 기선해석을 실시하고 도호쿠 지진에 의한 한반도 지각의 절대적인 움직임을 확인하였다.
- 지진으로 인하여 지각 변위가 일어난후 그 여파로 지각이 불안정하여 생기는 현상으로 판단된다. 특히 수직 방향의 경우 일정한 패턴 없이 매일 수 밀리미터 수준으로 증가하거나 감소하는 경향이 보이며, 변동폭 역시 다른 방향에 비해 다소 크게 나타났다.
후속연구
- 한편 지진 발생 전 TSK2 관측소의 이동측위 결과를 살펴보면 일관성 없이 수준에서 좌표가 결정된 것을 확인할 수 있는데 이것은 지진의 전조현상으로 불안정한 지각의 상태가 반영된 보인다. 따라서 GPS 기술을 이용한 지진 모니터링을 통해 지진을 미리 예측하고 피해를 줄일 수 있을 것으로 생각된다.
- 또한 각 관측소의 좌표 변동은 진앙과의 거리 따라 크기가 다르게 나타났으며, 이로 인해 한반도 지각의 뒤틀림이 발생했다고 볼 수 있다. 따라서 도호쿠 지진 이후 한반도 지각의 좌표변동에 대한 장기적인 연구가 필요할 것으로 생각되며, 향후 지속적인 모니터링을 통해 국내에서 운영 중인 GPS 상시관측소의 정밀 좌표 및 지각의 이동속도를 산출해야 할 것으로 판단된다. 또한 일본열도는 크게 4개의 판이 서로 접해 있는 경계부에 위치하므로, 본 연구의 결과를 바탕으로 2011 도호쿠 대지진에 의한 지각의 영향을 총체적으로 분석하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
- 따라서 도호쿠 지진 이후 한반도 지각의 좌표변동에 대한 장기적인 연구가 필요할 것으로 생각되며, 향후 지속적인 모니터링을 통해 국내에서 운영 중인 GPS 상시관측소의 정밀 좌표 및 지각의 이동속도를 산출해야 할 것으로 판단된다. 또한 일본열도는 크게 4개의 판이 서로 접해 있는 경계부에 위치하므로, 본 연구의 결과를 바탕으로 2011 도호쿠 대지진에 의한 지각의 영향을 총체적으로 분석하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
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