상시미동 및 원거리 지진 자료로부터 구한 화천 지진관측소의 천부 횡파속도구조 Near-surface Shear-wave Velocities Derived from Microtremors and Teleseismic Data at the Hwacheon Seismic Station원문보기
화천 지진관측소의 시추주상도와 56일간 기록한 상시미동자료 및 3개 원거리 지진이벤트($M_w{\geq}6.0$)를 이용하여 천부 횡파속도(${\nu}_s$)를 구하였다. 지표에서 기록한 상시미동자료의 수평성분/수직성분 스펙트럼비로부터 10 m 두께의 토양층의 ${\nu}_s$(${\nu}^s_s$= 296 m/s)를 결정하였다. 지표로부터 시추공 센서가 설치된 96 m 깊이까지의 평균 ${\nu}_s$($\bar{\nu}_s$= 1,309 m/s)는 3개의 원거리 지진이벤트를 지표 및 시추공 센서로 기록한 자료들의 스펙트럼 상관도로 계산하였다. 이렇게 계산한 ${\nu}^s_s$와 $\bar{\nu}_s$값을 이용하여 계산한 기반암의 ${\nu}_s$는 2,150 m/s이며, 30 m까지의 평균 ${\nu}_s$는 696 m/s이다. 화천 관측소 부지는 비교적 양호한 것으로 판단되며, 이 연구를 통해 구해진 천부 ${\nu}_s$는 향후 지반의 부지증폭효과 및 지진재해의 정량적 평가에 활용될 수 있다.
화천 지진관측소의 시추주상도와 56일간 기록한 상시미동자료 및 3개 원거리 지진이벤트($M_w{\geq}6.0$)를 이용하여 천부 횡파속도(${\nu}_s$)를 구하였다. 지표에서 기록한 상시미동자료의 수평성분/수직성분 스펙트럼비로부터 10 m 두께의 토양층의 ${\nu}_s$(${\nu}^s_s$= 296 m/s)를 결정하였다. 지표로부터 시추공 센서가 설치된 96 m 깊이까지의 평균 ${\nu}_s$($\bar{\nu}_s$= 1,309 m/s)는 3개의 원거리 지진이벤트를 지표 및 시추공 센서로 기록한 자료들의 스펙트럼 상관도로 계산하였다. 이렇게 계산한 ${\nu}^s_s$와 $\bar{\nu}_s$값을 이용하여 계산한 기반암의 ${\nu}_s$는 2,150 m/s이며, 30 m까지의 평균 ${\nu}_s$는 696 m/s이다. 화천 관측소 부지는 비교적 양호한 것으로 판단되며, 이 연구를 통해 구해진 천부 ${\nu}_s$는 향후 지반의 부지증폭효과 및 지진재해의 정량적 평가에 활용될 수 있다.
We estimated near-surface shear-wave velocity (${\nu}_s$) at the Hwacheon seismic station using a geologic log of a well, microtremors recorded during a period of 56 days, and records of three teleseismic events ($M_w{\geq}6.0$). The vs of the 10-m thick soil layer (${\nu}...
We estimated near-surface shear-wave velocity (${\nu}_s$) at the Hwacheon seismic station using a geologic log of a well, microtremors recorded during a period of 56 days, and records of three teleseismic events ($M_w{\geq}6.0$). The vs of the 10-m thick soil layer (${\nu}^s_s$= 296 m/s) was determined from horizontal-to-vertical spectral ratios of microtremors recorded at the surface. The average ${\nu}_s$ ($\bar{\nu}_s$= 1,309 m/s) from the surface to the 96-m depth of a borehole sensor, was computed using spectral coherence analyses of data recorded by surface- and borehole-sensors for the three teleseismic events. Using these calculated values of ${\nu}^s_s$ and $\bar{\nu}_s$, the computed bedrock ${\nu}_s$ is 2,150 m/s and the time-averaged ${\nu}_s$ to a 30-m depth is 696 m/s. Accordingly the Hwacheon seismic station is regarded as a relatively good site. The deduced near-surface ${\nu}_s$ can be used for further quantitative evaluation of site amplification and earthquake hazard.
We estimated near-surface shear-wave velocity (${\nu}_s$) at the Hwacheon seismic station using a geologic log of a well, microtremors recorded during a period of 56 days, and records of three teleseismic events ($M_w{\geq}6.0$). The vs of the 10-m thick soil layer (${\nu}^s_s$= 296 m/s) was determined from horizontal-to-vertical spectral ratios of microtremors recorded at the surface. The average ${\nu}_s$ ($\bar{\nu}_s$= 1,309 m/s) from the surface to the 96-m depth of a borehole sensor, was computed using spectral coherence analyses of data recorded by surface- and borehole-sensors for the three teleseismic events. Using these calculated values of ${\nu}^s_s$ and $\bar{\nu}_s$, the computed bedrock ${\nu}_s$ is 2,150 m/s and the time-averaged ${\nu}_s$ to a 30-m depth is 696 m/s. Accordingly the Hwacheon seismic station is regarded as a relatively good site. The deduced near-surface ${\nu}_s$ can be used for further quantitative evaluation of site amplification and earthquake hazard.
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문제 정의
2)만이 가용한 정보이다. 따라서 지표와 시추공 지진계에 기록된 상시미동과 원거리 지진 이벤트 및 제한된 시추주상도 정보만을 이용하여 지반의 vs를 구하고자 한다.
, 1996). 이 연구에서는 건설적 간섭이 일어나는 주파수로부터 시추공 지진계 설치 깊이까지의 평균속도를 구하는데 이 방법을 최초로 적용시켜 보고자 한다. 즉, 지표와 시추공 지진계에 기록된 신호/잡음비가 높은 원거리 지진 이벤트 자료의 상관도 분석을 통하여 지하 96 m까지의 평균 vs(#)를 구하고자 한다.
가설 설정
진앙거리가 30° (지표거리 약 3000 km) 이상인 이벤트 2와 3의 파선은 관측소에 거의 수직으로 입사한다고 가정할 수 있으며, 만약 상부에 매우 느린 퇴적층이 존재한다면, 약 12°의 진앙거리를 갖는 이벤트 1의 경우도 수직입사를 가정할 수 있다.
화천 관측소의 경우, 고결된 기반암에 비하여 미고결 상태인 토양층에서의 vs가 매우 작을 것이 예상되므로, 이 연구에서는 수직입사를 가정하고 (θ =0) #를 구하였다.
제안 방법
H/V 스펙트럼비 분석은 SESAME 유럽연합에서 개발된 GEOPSY 프로그램을 사용하였으며(Wathelet, 2005), 한 시간의 상시미동 자료를 25초 길이의 시간창으로 나누고 50%씩 중첩하여 계산하였고 상시미동이 아닌 기록된 이벤트 신호를 걸러내기 위하여 각 시간창에 STA/LTA(Short Time Average/Long Time Average)를 수행하였으며 그 창 길이는 각각 1초와 30초로 설정하였다. H/V 스펙트럼비는 Nakamura (1989)가 제안한 방법으로 계산하였으며, 나이퀴스트 주파수인 50Hz까지 0.
Mini-SEED 포맷 형태로 기록된 자료를 SAC (Seismic Analysis Code)포맷으로 변환하고, IRIS (Incorporated Research Institute for Seismology)에서 제공하는 SAC 프로그램을 이용하여 전처리 과정을 수행하였다. 지진계와 기록계에 의한 효과를 보정하였고, 평균값 및 편류(drift)효과를 제거하였으며, 지표에 기록된 자료는 알리아싱 방지필터를 적용하여 시추공 자료와 동일한 고르기 빈도 100 Hz로 변환하였다.
또한 동서 및 남북성분으로 기록된 지진 자료의 후방위각(back-azimuth)을 이용하여 파선방향으로 회전시킨 후, SH파가 기록된 접선성분을 # 분석에 사용하였다.
화천 관측소의 경우, 고결된 기반암에 비하여 미고결 상태인 토양층에서의 vs가 매우 작을 것이 예상되므로, 이 연구에서는 수직입사를 가정하고 (θ =0) #를 구하였다. 또한 우세주파수가 1 Hz 이하인 장주기 신호의 경우에 적용할 수 있는 PREM 속도구조모델(Dziewonski and Anderson, 1981)과 Kim (1995)이 제안한 한반도 속도구조모델로부터 구한 를 이용하여 구한 값과 비교하였다.
이번 연구에서는 시추주상도 정보와 1시간 동안의 상시미동 자료 및 규모 6.0 이상의 3개 지진이벤트 자료를 이용하여 화천 지진관측소의 천부 횡파속도(vs)를 구하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
Mini-SEED 포맷 형태로 기록된 자료를 SAC (Seismic Analysis Code)포맷으로 변환하고, IRIS (Incorporated Research Institute for Seismology)에서 제공하는 SAC 프로그램을 이용하여 전처리 과정을 수행하였다. 지진계와 기록계에 의한 효과를 보정하였고, 평균값 및 편류(drift)효과를 제거하였으며, 지표에 기록된 자료는 알리아싱 방지필터를 적용하여 시추공 자료와 동일한 고르기 빈도 100 Hz로 변환하였다. 또한 동서 및 남북성분으로 기록된 지진 자료의 후방위각(back-azimuth)을 이용하여 파선방향으로 회전시킨 후, SH파가 기록된 접선성분을 # 분석에 사용하였다.
대상 데이터
를 구하기 위하여 H/V 스펙트럼비 분석에는 지진 이벤트가 없는 2011년 5월 1일 새벽 1시부터 2시까지 1시간 동안 지표 지진계에 기록된 상시미동 자료를 사용하였다. 또한 시추공 센서 깊이까지의 평균 vs인 #를 계산하기 위하여 2011년 4월 18일부터 6월 15일까지 56일 동안 지표와 시추공에서 기록된 규모 6.0 이상의 원거리 지진자료 (Fig. 1)를 사용하였다.
상부 토양층의 vs인 #를 구하기 위하여 H/V 스펙트럼비 분석에는 지진 이벤트가 없는 2011년 5월 1일 새벽 1시부터 2시까지 1시간 동안 지표 지진계에 기록된 상시미동 자료를 사용하였다. 또한 시추공 센서 깊이까지의 평균 vs인 #를 계산하기 위하여 2011년 4월 18일부터 6월 15일까지 56일 동안 지표와 시추공에서 기록된 규모 6.
시추공 지진계가 설치된 깊이(D)인 96 m까지의 #를 구하기 위하여, 일본에서 2011년 4월 23일에 발생한 지진(이벤트1)과 솔로몬제도에서 2011년 4월 23일에 발생한 지진(이벤트2) 및 인도네시아에서 2011년 5월 10일에 발생한 지진(이벤트3)자료를 이용하였다. 이 지진 이벤트들의 진앙거리는 각각 1,300, 6,409, 7,732 km이며 지진발생시간, 위·경도, 규모 등의 주요 지진정보를 Table 1에 정리하였고, 그 중 지표와 시추공 지진계에 기록된 이벤트 2의 지진파형을 Fig.
화천 지진관측소에는 지하 96 m에 시추공 광대역 속도센서 (CMG-3TB)가 설치되어 있으며, Q330S 기록계에 고르기 빈도 100 Hz로 연속적으로 지진자료를 기록하고 있다. 시추공 지진계의 수직 상부 지표에 이동식 광대역 속도계(CMG-3T)와 기록계 Q330을 2011년 4월 18일부터 6월 15일까지 56일간 설치하여 고르기 빈도 200 Hz로 자료를 기록하였다.
를 분석하였다. 평활화 창길이(W)를 고르기 간격 3 샘플부터 101 샘플까지 2 샘플 간격씩 증가하며 시험하였고, 분해능과 신호/잡음비가 모두 우수한 W = 25일 때 극대값을 보이는 주파수(fo)를 #계산에 사용하였다. fo와 #는
이론/모형
H/V 스펙트럼비 분석은 SESAME 유럽연합에서 개발된 GEOPSY 프로그램을 사용하였으며(Wathelet, 2005), 한 시간의 상시미동 자료를 25초 길이의 시간창으로 나누고 50%씩 중첩하여 계산하였고 상시미동이 아닌 기록된 이벤트 신호를 걸러내기 위하여 각 시간창에 STA/LTA(Short Time Average/Long Time Average)를 수행하였으며 그 창 길이는 각각 1초와 30초로 설정하였다. H/V 스펙트럼비는 Nakamura (1989)가 제안한 방법으로 계산하였으며, 나이퀴스트 주파수인 50Hz까지 0.006 Hz 고르기 간격으로 기록된 자료를 분석하였다.
성능/효과
1) H/V 스펙트럼비 방법으로 구한 우세주파수 7.40 Hz와 시 추주상도의 상부 토양층의 두께 10 m를 이용하여 계산한 토양층의 vs는 약 296 m/s이다.
2) 지표와 시추공에서 기록한 지진자료의 상관도분석으로 구한 우세주파수 13.64 Hz와 시추공 센서의 설치 깊이 96 m까지의 평균 vs는 수직입사의 경우 1,309 m/s이다.
3) 토양층의 vs(# = 296 m/s)와 깊이 96 m까지의 평균 vs(# = 1,309 m/s)를 이용하여 계산한 기반암의 vs는 2,150 m/s이며, 이를 이용하여 구한 vs30은 696 m/s로 매우 조밀한 토사지반 또는 연암지반(Sc)에 해당된다.
후속연구
30)는 696 m/s로 건설교통부(MOCT, 2004)의 암반분류에 의하면 매우 조밀한 토사지반 또는 연암지반(Sc)에 해당된다. 따라서 화천 지진관측소의 기반암은 연암층이 존재하며, 추후 수직탄성파 탐사 등을 통한 더욱 정밀한 횡파속도구조 규명이 필요할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
부지증폭영향과 지진재해의 정량적 평가를 위해 필요한 것은 무엇인가?
일반적으로 지진파는 지하 암반층을 통과한 후 상부 토양층으로 전파하며, 부지별로 고유한 지질조건 및 지반의 물성에 따라 지반의 증폭 및 감쇠 현상이 발생한다(Sun, 2010). 이 때, 부지증폭영향과 지진재해의 정량적 평가를 위해서는 지진관측소 하부의 지반 물성에 대한 정보가 요구되며, 이를 파악하기 위해서는 천부의 속도구조 정보가 필요하다. 특히 지하 30 m까지의 횡파속도(vs)구조는 부지증폭에 중요한 영향을 미친다.
수평성분/수직성분(H/V) 스펙트럼비 방법은 언제 많이 쓰였는가?
수평성분/수직성분(H/V) 스펙트럼비 방법은 상시미동을 이용하여 지반응답을 구하는 지진학적 방법으로 많이 사용되어 왔다(Kim and Hwang, 2002; Hong and Kim, 2010; Castro et al., 1997).
참고문헌 (15)
Castro, R. R., Mucciarelli, M., Pacor, F., and Petrungaro, C., 1997, S-Wave Site-Response Estimates Using Horizontal-to-Vertical Spectral Ratios, Bull. Seismol. Soc. Am., 87, 256-260.
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Dziewonski, A. M., and D. L. Anderson, 1981, Preliminary Reference Earth Model (PREM), Phys. Earth Planet. Inter., 25, 297-356.
Hong, M. H., and Kim, K. Y., 2010, H/V Spectral-ratio Analysis of Microtremors in Jeju Island, Geophysics and Geophysical Exploration, 13(2), 144-1522.
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Kim, S. K., 1995, A Study on the Crustal Structure of the Korean peninsular, Journal of the Geological Society of Korea, 31(4), 393-403.
Kim, S. K., and Hwang, M. W., 2002, Estimation of Subsurface Structure and Ground Response by Microtremor, Journal of Korean Earth Science Society, 23(4), 380-392.
Lee, K. J., and Kim, K. Y., A Seismic Refraction Study on the Basement near the Chonbuk Ranch in Gyeongju, Journal of the Korean Geophysical Society, 3(4), 215-226.
MOCT, 2004, Seismic Design Guideline of Utility-Pipe Conduit, Ministry of Construction Transportation, 49.
Nakamura, Y., 1989, A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface, Quarterly Report of Railway Technical Research Institute, Quarterly Reports, 30, 25-30.
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Sun, C.-G., 2010, Suggestion of Additional Criteria for Site Categorization in Korea by Quantifying Regional Specific Characteristics on Seismic Response, Geophysics and Geophysical Exploration, 13(3), 203-218.
Wathelet, M., 2005, Array recordings of ambient vibrations: surface waves inversion. Ph. D. Thesis, University of Liege, Belgium, 177.
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