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문제 정의
- 이 논문에서는 토호쿠 지진 이후, 최근까지 관측된 GPS 데이터를 이용하여 장기간의 지각변동 속도 변화를 분석하였다. 이를 위하여 국토지리정보원의 GPS 관측데이터를 이용하여 2003년부터 2008년까지 6년간의 관측데이터와 지진 이후 6개월 후인 2011년 9월 7일부터 2013년 6월 말일까지 관측데이터를 이용하여 정밀 좌표를 결정하고 시계열 분석을 통해 남북, 동서, 수직 방향의 절대 속도를 산출하였다.
- 이 논문에서는 토호쿠 지진 이후의 GPS 상시관측소 별 속도 변화를 분석하기 위하여 지진 전후의 관측데이터를 분석하여 절대속도를 산출하였다. 13개 관측소의 지진 전후의 평균 속도 변화를 그림 4에 나타내었다.
- 이 논문에서는 토호쿠 지진이 발생한지 2.5년가량 지난 현재시점에서 최근까지 관측된 GPS 관측데이터를 이용하여 한반도의 지각변동 경향을 분석하여 토호쿠 지진 이후 장기적인 한반도 지각변동 경향을 상세하게 분석하였다.
제안 방법
- 관측소 좌표는 하루 간격으로 IGS08 frame으로 산출하였으며, GIPSY를 이용한 고정밀 데이터 처리 시 주요오차요인인 안테나 위상중심 변동량(PCV, Phase Center Variations)과 해수하중에 의한 지각변동량 (OTL, Ocean Tidal Loading displacements), 그리고 방위각 방향으로의 대류층 신호지연량(Azimuthal Gradients)을 보정하였다. GPS 위성과 지상 안테나의 PCV 보정을 위하여 절대보정(Absolute Calibration) 모델[11]을 적용하였으며, OTL 보정을 위하여 FES2004모델을 적용하였다.
- 관측소의 절대속도를 산출하기 위하여 GIPSY를 이용하여 하루단위로 정밀좌표를 산출하였으며, 2003년 1월 1일을 기준으로 남북, 동서, 수직 방향의 좌표 변동량으로 변환하여 시계열을 작성한 후 선형 회귀방식을 적용하여 상시관측소의 절대 속도를 계산하였다. 토호쿠 지진 전후의 절대속도를 비교하기 위하여 지진 발생 이전과 이후의 시계열을 각각 분리 하여 속도를 산출하였으며, 이전의 관측데이터 분석을 통해 추정된 현시점의 속도와 최근 관측데이터를 이용하여 산출된 속도를 비교하였다.
- 데이터 처리 시 임계고도각 (Elevation Cutoff Angle)은 10°로 하였다. 대류층 오차는 선험적(a priori) 수치[10]를 이용하여 매 10분 간격으로 random walk process를 통해 추정하였으며, GMF(Global Mapping Function)을 적용하였다.
- 수원(SUWN) 상시관측소의 2003년 1월 1일 좌표는 X –3062023.558 m, Y 4055449.047 m, Z 3841819.246 m 이며, 2003년부터 2008년까지의 시계열 분석을 통해 토호쿠 지진 이전의 속도를 산출하고, 산출된 속도를 이용하여 2013년 6월까지의 속도를 추정하였다.
- 그림 4와 표 2를 통해 토호쿠 지진 이후에 모든 관측소에서 지각변동 속도에 변화가 나타난 것을 알 수 있었다. 이 절에서는 관측소 위치에 따른 속도 변화량과의 상관성을 분석하여 토호쿠 지진의 지역적인 영향을 분석하였다.
- 이 논문에서는 토호쿠 지진 이후, 최근까지 관측된 GPS 데이터를 이용하여 장기간의 지각변동 속도 변화를 분석하였다. 이를 위하여 국토지리정보원의 GPS 관측데이터를 이용하여 2003년부터 2008년까지 6년간의 관측데이터와 지진 이후 6개월 후인 2011년 9월 7일부터 2013년 6월 말일까지 관측데이터를 이용하여 정밀 좌표를 결정하고 시계열 분석을 통해 남북, 동서, 수직 방향의 절대 속도를 산출하였다. 그결과 분석 대상이된 관측소에서 모두 속도에 변화가 관측되었었으며, 남북 방향의 경우 평균 3.
- 246 m 이며, 2003년부터 2008년까지의 시계열 분석을 통해 토호쿠 지진 이전의 속도를 산출하고, 산출된 속도를 이용하여 2013년 6월까지의 속도를 추정하였다. 지진 이후의 2011년 9월 7일부터 2013년 6월까지의 시계열 분석을 통해 지진 이후의 속도를 산출하였다. 그림 3의 실선은 선형회귀를 통해 산출한 속도이며, 점선은 과거(2003~2008년)의 시계열 분석을 통해 2013년 6월까지 추정한 속도이다.
- 관측소의 절대속도를 산출하기 위하여 GIPSY를 이용하여 하루단위로 정밀좌표를 산출하였으며, 2003년 1월 1일을 기준으로 남북, 동서, 수직 방향의 좌표 변동량으로 변환하여 시계열을 작성한 후 선형 회귀방식을 적용하여 상시관측소의 절대 속도를 계산하였다. 토호쿠 지진 전후의 절대속도를 비교하기 위하여 지진 발생 이전과 이후의 시계열을 각각 분리 하여 속도를 산출하였으며, 이전의 관측데이터 분석을 통해 추정된 현시점의 속도와 최근 관측데이터를 이용하여 산출된 속도를 비교하였다. 그림 3에 수원 (SUWN) 상시관측소 좌표 시계열과 속도를 나타내었다.
대상 데이터
- 2011년 3월 11일 05시 46분경(UTC, Universal Time Coordinated) 일본 북동쪽 도호쿠(Tohoku-Oki)지역 해상에서 Mw 9 규모의 강진이 발생하였다. 이 지진으로 인하여 도호쿠 지역은 물론 인근 지역인 산리쿠 (Sanriku)와 이바라키(Ibaraki) 해안지역에 이르기까지 대형 지진과 쓰나미가 발생하였다.
- Korea National Geographic Information Institute’s 13 permanent GPS observations stations.
- 지진 이전의 각 관측소 별 속도 분석에는 2003년부터 2008년까지 6년간 축적된 관측데이터를 이용 하였다. 관측데이터는 30초 epoch의 24시간 RINEX를사용하였으며, 정밀데이터 처리를 위하여 JPL에서 개발한 GIPSY-OASIS(GPS Inferred Positioning System-Orbit Analysis and Simulation Software, 이하 GIPSY라 칭함)[10]와 JPL정밀궤도력(final products)을 이용하였다.
- [3]의 분석 결과에 의하면 토호쿠 지진은 6개월이 지나야 지진에 의한 영향이 50 % 이하로 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 지진 이후의 지각 변동 속도 산출을 위하여 지진이 발생한 날로 부터 180일 후인 2011년 9월 7일(DOY 250)부터 2013년 6월 말일(DOY 181)까지 생성된 관측데이터를 처리하였다. 지진 이전의 각 관측소 별 속도 분석에는 2003년부터 2008년까지 6년간 축적된 관측데이터를 이용 하였다.
- 따라서 지진 이후의 지각 변동 속도 산출을 위하여 지진이 발생한 날로 부터 180일 후인 2011년 9월 7일(DOY 250)부터 2013년 6월 말일(DOY 181)까지 생성된 관측데이터를 처리하였다. 지진 이전의 각 관측소 별 속도 분석에는 2003년부터 2008년까지 6년간 축적된 관측데이터를 이용 하였다. 관측데이터는 30초 epoch의 24시간 RINEX를사용하였으며, 정밀데이터 처리를 위하여 JPL에서 개발한 GIPSY-OASIS(GPS Inferred Positioning System-Orbit Analysis and Simulation Software, 이하 GIPSY라 칭함)[10]와 JPL정밀궤도력(final products)을 이용하였다.
- 토호쿠 지진 이후 한반도의 지각변동 속도 분석을 위하여 국토지리정보원에서 운영하고 있는 13개 상시관측소(제주(CHJU), 청주(CNJU), 진주(JINJ), 전주 (JUNJ), 강릉(KANR), 광주(KWNJ), 서산(SEOS), 상주 (SNJU), 서울(SOUL), 수원(SUWN), 대구(TEGN), 원주(WNJU), 울진(WULJ))를 이용하였다. 분석 대상이된 상시관측소 위치를 그림 2에 나타내었다.
데이터처리
- 속도 변화량과 지역적 특성의 상관성을 분석하기 위하여 관측소의 위치를 위도와 경도 방향으로 정렬한 후 남북, 동서, 수직 방향의 속도 변화량과의 상관계수(Correlation Coefficient)를 산출하였다. 그림 5에 위, 경도 방향에 따른 지진 전과 후의 속도를, 그림 6에 위, 경도 방향에 따른 속도 변화량과의 상관성를 나타내었다.
- 그림 3의 가로축은 년도이며, 세로축은 각각 남북 (N, North-South), 동서(E, East-West), 그리고 수직(U, Up) 방향의 좌표 변동량이다. 시계열의 상단에 있는 수치는 관측소명과 속도, 속도값에 대한 불확정성 (Uncertainty), 그리고 제곱평균(RMS, Root Mean Square) 오차를 나타낸다.
이론/모형
- 관측소 좌표는 하루 간격으로 IGS08 frame으로 산출하였으며, GIPSY를 이용한 고정밀 데이터 처리 시 주요오차요인인 안테나 위상중심 변동량(PCV, Phase Center Variations)과 해수하중에 의한 지각변동량 (OTL, Ocean Tidal Loading displacements), 그리고 방위각 방향으로의 대류층 신호지연량(Azimuthal Gradients)을 보정하였다. GPS 위성과 지상 안테나의 PCV 보정을 위하여 절대보정(Absolute Calibration) 모델[11]을 적용하였으며, OTL 보정을 위하여 FES2004모델을 적용하였다. 데이터 처리 시 임계고도각 (Elevation Cutoff Angle)은 10°로 하였다.
성능/효과
- 이를 위하여 국토지리정보원의 GPS 관측데이터를 이용하여 2003년부터 2008년까지 6년간의 관측데이터와 지진 이후 6개월 후인 2011년 9월 7일부터 2013년 6월 말일까지 관측데이터를 이용하여 정밀 좌표를 결정하고 시계열 분석을 통해 남북, 동서, 수직 방향의 절대 속도를 산출하였다. 그결과 분석 대상이된 관측소에서 모두 속도에 변화가 관측되었었으며, 남북 방향의 경우 평균 3.9 mm/yr, 동서 방향의 경우 평균 7.5 mm/yr의 속도 증가가 관측되었다. 또한 관측소 위치에 따른 속도 변화량의 상관성을 분석한 결과 동북쪽에 위치한 관측소 일수록 속도 변화량이 큰 것을 알 수 있었다.
- 5 mm/yr의 속도 증가가 관측되었다. 또한 관측소 위치에 따른 속도 변화량의 상관성을 분석한 결과 동북쪽에 위치한 관측소 일수록 속도 변화량이 큰 것을 알 수 있었다. 수직 방향의경우 지진 이전에는 거의 0 mm/yr로 변화가 거의 없었으나 지진 이후 –1.
- 수직 방향을 보면 지진 발생 이전에는 대부분의 관측소에서 속도 0 mm/yr에 가까운 경향을 보였으나 지진 발생 이후에는 제주(CHJU)와 광주 (KWNJ) 관측소를 제외한 대부분의 관측소에서 음의 방향으로 속도가 증가한 것을 알 수 있다. 수직 방향으로의 속도 변화는 평균 –1.
- 지진 이후 수원(SUWN) 관측소의 속도는 남북 방향으로 –9.2±0.2 mm/yr, 동서 방향으로 31.6±0.3 mm/yr, 그리고 수직 방향으로 –2.5±0.8 mm/yr로 지진 발생 이전에 비해 수평 방향 속도는 증가하였으며, 수직 방향 속도는 감소하는 경향을 보인다.
- 13개 관측소에 대한 토호쿠 지진 이전의 속도를 표 1에 정리하였다. 표 1을 보면 남북 방향 속도가 모두 음수, 동서방향 속도는 모두 양수로 나타난 것을 알 수 있다. 평균 속도는 남북 방향으로 –13.
- 표 2과 표 1을 비교해 보면, 속도의 변화 이외에도 불확정성은 남북, 동서, 수직 방향에서 모두 증가한 것을 볼 수 있다. 이는 지진 이후 관측소 시 계열이 이전에 비해 다소 불안정한 경향이 나타났기 때문이며 특히 그림 3에서와 같이 수직방향에서 시계열의 변동폭이 크게 관측되었기 때문이다.
후속연구
- 6 mm/yr로 나타났다. 수직 방향의 경우 수평방향에 비해 GPS 측위 오차가 크기 때문에 향후 보다 상세한 분석이 필요할 것으로 판단된다. 지진 이후의 13개 관측소의 변화된 속도를 표 2에 나타내었다.
- 또한 관측소 위치에 따른 속도 변화량의 상관성을 분석한 결과 동북쪽에 위치한 관측소 일수록 속도 변화량이 큰 것을 알 수 있었다. 수직 방향의경우 지진 이전에는 거의 0 mm/yr로 변화가 거의 없었으나 지진 이후 –1.6 mm/yr의 변화가 관측되어 향후 상세한 분석이 필요할 것으로 판단된다.
- 위치한 지역일수록 동쪽으로 이동하는 속도 변화량이 증가했다는 것을 의미한다. 앞서 기술한 바와 같이 수직 방향의 경우 GPS 측위 오차가 크기 때문에 향후 보다 상세한 분석을 위한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다. 일반적으로 진앙지에 가까운 지역일수록 지각 변동 영향을 크게 받는다.
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