[논문]지진 위치와 관련된 지자기장 변동성 분석: 2012년부터 2014년까지 한반도 지역 발생 지진을 중심으로

민동민; 오석훈; 지윤수

doi:10.5467/jkess.2015.36.7.649

지진 위치와 관련된 지자기장 변동성 분석: 2012년부터 2014년까지 한반도 지역 발생 지진을 중심으로
An Analysis of Geomagnetic Variations Related to Earthquakes Location which Occurred in and around the Korean Peninsula from 2012 to 2014 원문보기

한국지구과학회지 = Journal of the Korean Earth Science Society, v.36 no.7, 2015년, pp.649 - 660

민동민 (강원대학교 자원공학과) , 오석훈 (강원대학교 자원공학과) , 지윤수 (강원대학교 자원공학과)

초록
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2012년부터 2014년까지 한반도 및 그 주변에서 일어난 지진과 지자기장 변동성과의 상관관계를 연구하였다. 웨이블릿 기반의 셈블런스 분석기술을 지진과 관련된 지자기장 변동성 분석에 사용하였다. 총자기장을 이용한 분석 결과 관측소 반경 100 km 이내에서 발생한 지진의 경우 일관적인 셈블런스 변동양상이 나타남을 확인하였고, Z축 성분 지자기장 자료를 이용한 웨이블릿 기반의 셈블런스 분석에서도 비슷한 변동양상을 확인하였다. 자료 질이 좋은 청양 관측소 지자기장 자료를 중심적으로 분석하였고, 추가적으로 보현산 관측소의 Z축 성분 자료를 해석하여 상관성에 대한 신뢰도를 확인하고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aimed at the correlation analysis of geomagnetic variations related to earthquakes which occurred in and around the Korean Peninsula from 2012 to 2014. The wavelet-based semblance technique was used to confirm the geomagnetic variations related to earthquakes. As a result, a pattern of consistent geomagnetic variations in total magnetic has been found from the earthquakes occurred within 100 km radius around the observation site. A similar correlation between earthquake location and Z-field geomagnetic data was also confirmed by the wavelet-based semblance analysis. We mainly used the high quality geomagnetic measurements from the Cheongyang Observatory and additionally used the data from the Bohyunsan Observatory in order to validate the correlation between earthquake and Z-field geomagnetic data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

과거 지진에 대한 지구물리학적 반응을 연구한 내용을 보면 특정 지진에 대한 연구가 많다. 그래서 본 연구에서는 다른 여러 지진들에 대한 일반화가 부족하다고 판단하여 특정 지진이 아닌 일정 기간 동안 일어난 모든 지진에 대해서 연구를 하였다. 이와 같은 이유로, 지진과 지자기장 변동성의 상관성을 찾는 방법으로 제시된 웨이블릿 기반의 셈블런스 분석 방법을 이용하여 2012년부터 2014년까지 한반도 및 그 주변에서 발생한 규모 3.
마지막으로 지진에 대한 거리 상관성을 알아보고자 하였다. 그 결과 Table 1에서 지진이 관측소와 떨어진 거리를 오름차순으로 정렬한 것과 같이 관측소반경 약 100 km 이내에서 발생한 지진 6개가 모두 청양 관측소의 총 자기장 자료에서 변동성이 나타남을 확인 하였다.
본 연구는 2012년부터 2014년까지 한반도에서 일어난 지진들에 대해서 웨이블릿 기반의 셈블런스 분석을 수행하였다. 연구 결과 깊이, 규모에 따른 지자기장 변동성은 상관성이 어느 정도 확인이 되지만 지진자료가 충분하지 않아 차후 더 많은 데이터를 축적하여 분석해야 확실한 상관관계를 확인할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 Oh(2009)가 제안한 기술을 바탕으로 2012년부터 2014년까지 한반도 및 그 주변에서 일어난 규모 3.0 이상의 지진에 대해서 지진 발생 위치, 지진과 관측소와의 거리, 규모에 따라 지진을 분류하고, 지자기 변동성에서 나타나는 일정한 패턴을 찾아 지진과 지자기장 변동성의 상관관계를 확인하고자 하였다.
그 결과 Table 1에서 지진이 관측소와 떨어진 거리를 오름차순으로 정렬한 것과 같이 관측소반경 약 100 km 이내에서 발생한 지진 6개가 모두 청양 관측소의 총 자기장 자료에서 변동성이 나타남을 확인 하였다. 이에 따라 지진과 관측소와의 거리 사이의 상관관계가 있다고 판단하여 관측소 100 km 이내에서 발생한 규모 3.0 이상의 지진에 대해서 셈블런스 분석을 나타내고자 하였다.
그래서 본 연구에서는 다른 여러 지진들에 대한 일반화가 부족하다고 판단하여 특정 지진이 아닌 일정 기간 동안 일어난 모든 지진에 대해서 연구를 하였다. 이와 같은 이유로, 지진과 지자기장 변동성의 상관성을 찾는 방법으로 제시된 웨이블릿 기반의 셈블런스 분석 방법을 이용하여 2012년부터 2014년까지 한반도 및 그 주변에서 발생한 규모 3.0 이상의 모든 지진을 분석하여 분석 방법에 신뢰성을 얻고자 하였고, 변동성유무에 따라 지진을 분류하고 분류된 결과로부터 일정한 규칙을 찾고자 하였다.
나머지 6개의지진이 이에 해당한다. 이제 위와 같은 방법으로 분류된 지진에 대한 요소 별 분석을 실시하고자 한다.
Table 1에 분류된 지진을 분석해 보고자 한다. 지진 발생 위치에 따른 변동 양상은 내륙과 해양으로 나누어 변동 양상이 상관성을 보이는지 확인하고자 하였다. 내륙에서 발생한 지진은 7개, 해안을 포함한 해양에서 발생한 지진은 20개이다.

제안 방법

관측소와 거리는 멀지만 같은 위치에서 일어나는 지진임에도 변동성이 나타나거나 아예 나타나지 않는 경우도 확인 되었는데, 이러한 경우에는 지진의 발생 메커니즘 분석이나 더 많은 지진 자료를 통한 연구가 필요할 것으로 보인다. 거리와 규모의 복합적인 지자기장 변동성 분석은 연구기간 동안 관측소로부터 비교적 가까운 거리에서 발생한 규모 5.0 이상의 지진이 없기 때문에 연구를 진행하지 못하였고, 이에 따라 본 연구에서는 규모 3.0이상 지진과 관측소와의 거리에 대해서 분석을 실시하여 일관적인 변동성을 확인하였다.
청양 관측소의 자료에서는 반응성이 없는 지진이 전체에서 37%(총 27개의지진 중 10개)를 차지한다. 그래서 보현산 관측소 자료의 총자기장 데이터가 청양 자료의 총자기장 데이터보다 변동성이 상대적으로 잘 나타나지 않는다고 판단하여 보현산 관측소 지자기장 자료에 대한 성분별 분석을 실시하였다. Fig.
1에서 2014년 4월 1일에 발생한 지진의 변동성처럼 지진 발생 시기에 변동성이 나타나지 않는 경우이며 연구기간 동안 10차례에 걸쳐 나타난다. 다음으로 △로 분류한 지진은 변동성은 확인되지만 이상대의 위치가 어긋나거나 상관성 범위가 좁은 지진에 대해서 ○로 분류하기 어려운 지진을 연구자가 주관적으로 구분하였다. 나머지 6개의지진이 이에 해당한다.
발생시간, 규모, 위도, 경도, 깊이는 기상청에서 제공한 지진 자료를 참고하였다. 발생 위치는 육지, 해양, 해안으로 나누고, 관측소와 지진이 떨어진 거리는 경도와 위도를 이용하여 계산하였다. 인덱스에서 ○로 분류한 것은 Fig.
6)으로 관측소와는 35 km 떨어져 있다. 변동성이 나타나지만 변동성 범위가 크지 않아 △인덱스로 분류하였다. Fig.
보현산 관측소의 지자기장 자료를 이용하여 지진에 대한 지자기장 변동성의 거리 상관성 분석을 실시하였다. 지자기장을 주파수 영역에서 분석하려면 연속된 자료를 필요로 한다.
4의 ☆는 청양 관측소의 위치를 표시하며 검정색 원은 반경 100 km를 표시하였다. 본 연구 결과를 다른 지자기장 관측소 자료에도 적용가능한지확인하기 위하여 보현산 관측소에서 얻어진 지자기장 자료를 추가 분석하였다.
본 연구에서는 웨이블릿 기반의 셈블런스 분석 방법을 2012년부터 2014년까지 한반도 및 그 주변에서 일어난 규모 3.0 이상의 지진에 대해 적용하여 분석하였다. Fig.
그림에서와 같이 변동성이 나타나지 않음을 확인하였고, 이에 따라 거리에 대한 상관관계가 분명히 있다는 것을 확인할 수 있었다. 연구 결과 청양 관측소 자료를 이용한 관측소 반경 100 km 이내에서 발생한 지진에 대한변동성을 확인 하였다. 분류된 인덱스를 한반도 지형에 Fig.
(2008)이 제안한 사인 함수의 계수 결정 방법은 푸리에 변환에서 시계열 자료의 전체적인 분석정보를 얻고, 시간영역의 특성을 반영하기 위해 주성분을 분석한 뒤 최적화 기법에 의해 각 주성분을 반영할 수 있게 하는 것이다. 이 방법을 지자기 자료에 적용하기 위하여 지자기 시계열 자료의 자기상관을 수행하여 고유값을 추출한 뒤 주성분을 도출하고, 푸리에 변환을 통해 주성분의 특성을 반영하는 주파수를 얻는다. 이를 최소 자승법을 이용하여 사인 함수를 가정한 목적함수의 진폭, 위상을 변화시켜 가면서 가장 오차가 적은 계수와 주파수를 결정한다.
3, 관측소와의 거리 100 km)의 변동성을 보면 총자기장에서 확인되지 않는 변동성이 수직 성분에서 확인이 가능하고, 이러한 양상은 다른 지진에서도 확인 할 수 있었다. 이에 따라 본 연구에서는 보현산 관측소의 지자기장 자료를 분석할 때 총자기장 보다는 수직성분 분석을 이용하여 변동성 연구를 진행하는 것이 더 유의미한 결과를 얻을 수 있다고 판단하여 수직성분을 분석하였다. 수직 성분 분석 결과의 인덱스 분류는 Table 2에서 확인할 수 있고,100 km 이내에서 발생한 지진에 대한 자세한 분석은 Fig.
분석이 불가능한 경우로는 데이터의 연속성이 결여되는 데이터 누락이 가장 주된 원인이다. 지진이 발생한 날짜에서 전후 7일, 총 15일을 분석 기간으로 설정하였다. 검정색 점선은 규모 3.

대상 데이터

4. Location map of semblance test result for the earthquakes occurred from 2012 to 2014 in and around the Korean peninsula. The symbol ☆ indicates Cheongyang observatory and the black circle indicates the area within a100 km from the observatory.
0 이상인 27개의 지진에 대해서 발생시간, 규모, 위도, 경도, 위치, 관측소와의 거리, 깊이, 인덱스 분류 순으로 정리하여 나타낸 표이다. 발생시간, 규모, 위도, 경도, 깊이는 기상청에서 제공한 지진 자료를 참고하였다. 발생 위치는 육지, 해양, 해안으로 나누고, 관측소와 지진이 떨어진 거리는 경도와 위도를 이용하여 계산하였다.

성능/효과

0 이상의 지진이 다른 지진들에 비해서 상대적으로 멀리 떨어져있어 3개의 지진 모두 변동성이 나타나지 않는다고 판단한다. 규모가 클수록 먼 곳에서 지자기 변동성을 확인할 수 있다고 알려진 것과는 달리 본 연구의 분석 방법으로는 유사한 거리(243-248 km)와 비슷한 환경(서해)에서 발생한 지진에 대해 오히려 규모 5.0 지진보다 규모 3.7 지진에서 변동성 나타남을 알 수 있었다. 이러한 변동성은 일반적으로 주파수 분석에 사용한 푸리에 변환 방식 대신에, 주파수의 시간적 변동성을 파악할 수 있는 웨이블릿 변환을 이용함으로써 보다 민감한 변화를 잘 파악할 수 있었던 것으로 판단되는데(Oh, 2009), 지진과 관측소의 거리가 너무 먼 지진에 대한 변동성 분석은 신뢰성이 떨어지는 분석으로 변동성이 나타나는 지진과 나타나지 않는 지진들에게 규칙성이 없다고 판단된다.
마지막으로 지진에 대한 거리 상관성을 알아보고자 하였다. 그 결과 Table 1에서 지진이 관측소와 떨어진 거리를 오름차순으로 정렬한 것과 같이 관측소반경 약 100 km 이내에서 발생한 지진 6개가 모두 청양 관측소의 총 자기장 자료에서 변동성이 나타남을 확인 하였다. 이에 따라 지진과 관측소와의 거리 사이의 상관관계가 있다고 판단하여 관측소 100 km 이내에서 발생한 규모 3.
보현산 관측소자료는 성분별 셈블런스 분석 결과 총자기장 자료가 수직성분 자료에 비하여 변동성을 확인하는 것에 있어서 신뢰도가 떨어진다고 판단하여 수직성분 자료를 이용하여 상관관계를 확인하였다. 그 결과, 한반도 및 그 주변에서 일어난 규모 3.0 이상인 지진이 지자기장 관측소 반경 100 km 이내에 위치한다면 관측소의 지자기장 자료를 웨이블릿 기반의 셈블런스 분석에 이용하여 지자기장의 변동성을 성공적으로 관측할 수 있음을 확인 하였다. 분석 과정에서 총자기장 및 수직성분 모두 지진에 대한 지자기장 변동성을 확인하는데 사용 가능함을 확인하였다.
1의 지진으로 관측소와 220 km 떨어져있다. 그림에서와 같이 변동성이 나타나지 않음을 확인하였고, 이에 따라 거리에 대한 상관관계가 분명히 있다는 것을 확인할 수 있었다. 연구 결과 청양 관측소 자료를 이용한 관측소 반경 100 km 이내에서 발생한 지진에 대한변동성을 확인 하였다.
는 보현산 관측소 위치를 표시하며, 검정색 원은 반경 100 km를 의미한다. 그림에서와 같이 보현산 관측소 지자기장 자료의 수직 성분 분석 결과 지진이 발생한 거리에 따른 지자기 변동성을 확인 하였고,그 변동성이 관측소 반경 100 km 이내에서 발생한 규모 3.0 이상인 지진에 대한 일관적인 변동성임을 확인할 수 있었다.
자료 누락이 적은 청양 관측소 지자기장 자료의총자기장을 이용하여 주된 분석을 수행하였고 보현산 관측소 지자기장 자료의 수직성분을 통해서 지진과 지자기장 변동성 사이에는 관측소와 떨어진 거리에 상관관계가 있다는 것을 확인하였다. 보현산 관측소자료는 성분별 셈블런스 분석 결과 총자기장 자료가 수직성분 자료에 비하여 변동성을 확인하는 것에 있어서 신뢰도가 떨어진다고 판단하여 수직성분 자료를 이용하여 상관관계를 확인하였다. 그 결과, 한반도 및 그 주변에서 일어난 규모 3.
본 연구에서는 규모 5.0 이상의 지진이 다른 지진들에 비해서 상대적으로 멀리 떨어져있어 3개의 지진 모두 변동성이 나타나지 않는다고 판단한다. 규모가 클수록 먼 곳에서 지자기 변동성을 확인할 수 있다고 알려진 것과는 달리 본 연구의 분석 방법으로는 유사한 거리(243-248 km)와 비슷한 환경(서해)에서 발생한 지진에 대해 오히려 규모 5.
0 이상인 지진이 지자기장 관측소 반경 100 km 이내에 위치한다면 관측소의 지자기장 자료를 웨이블릿 기반의 셈블런스 분석에 이용하여 지자기장의 변동성을 성공적으로 관측할 수 있음을 확인 하였다. 분석 과정에서 총자기장 및 수직성분 모두 지진에 대한 지자기장 변동성을 확인하는데 사용 가능함을 확인하였다.
그럼에도 불구하고 변동성은 다른 날짜 분석과 크게 다르지 않음을 확인할 수 있다. 이에 따라 규모 3.0 이하의 지진에 대한 변동성은 그 변화가 미약하여 기준 설정의 타당함을 확인하였고, 본 연구에서 분석하는 규모 3.0 이상의 지진에 대한 변동성은 확인 되었다. Fig.
자료 누락이 적은 청양 관측소 지자기장 자료의총자기장을 이용하여 주된 분석을 수행하였고 보현산 관측소 지자기장 자료의 수직성분을 통해서 지진과 지자기장 변동성 사이에는 관측소와 떨어진 거리에 상관관계가 있다는 것을 확인하였다. 보현산 관측소자료는 성분별 셈블런스 분석 결과 총자기장 자료가 수직성분 자료에 비하여 변동성을 확인하는 것에 있어서 신뢰도가 떨어진다고 판단하여 수직성분 자료를 이용하여 상관관계를 확인하였다.
내륙에서 발생한 지진은 인덱스 ○, △, × 각각 3개, 2개, 2개이고, 해양에서 발생한 지진은 각각 8개, 4개, 8개이다. 해양, 내륙 모두 세 가지의 변동성이 잘 나타남을 확인하였고, 이에 따라 발생 위치로만 나눈 기준은 상관성이 높지 않다고 판단된다.

후속연구

8-20km 깊이에 해당하는 4개의 지진에 대해서는 변동성이 모두 잘 나타났는데 모두 해양에서 발생한 지진으로 확인된다. Table 1에서 2012년 02월 24일과 2014년 9월 25일에 일어난 지진을 확인하면 동일한 위치에서 발생한 지진이 깊이가 얕은 지진에 대해서는 반응성이 안 나타남을 확인할 수 있는데, 추가 연구를 위한 보현산 관측소의 해당범위 지진 자료가 부족하여 18.8-20 km 깊이 지진에 대한 상관관계를 확신하지 못하였다. 깊이에 대한 연구는 지진 자료가 더 축적 되었을 때 확인할 수 있는 부분으로 판단된다.
연구 결과 깊이, 규모에 따른 지자기장 변동성은 상관성이 어느 정도 확인이 되지만 지진자료가 충분하지 않아 차후 더 많은 데이터를 축적하여 분석해야 확실한 상관관계를 확인할 수 있을 것으로 판단된다. 관측소와 거리는 멀지만 같은 위치에서 일어나는 지진임에도 변동성이 나타나거나 아예 나타나지 않는 경우도 확인 되었는데, 이러한 경우에는 지진의 발생 메커니즘 분석이나 더 많은 지진 자료를 통한 연구가 필요할 것으로 보인다. 거리와 규모의 복합적인 지자기장 변동성 분석은 연구기간 동안 관측소로부터 비교적 가까운 거리에서 발생한 규모 5.
본 연구에서 확인한 지진에 대한 지자기장 변동성연구는 차후 청양 관측소를 중심으로 지진 자료가 충분히 확보되어 거리와 규모에 따른 변동성 연구로 발전시켜 더 높은 신뢰성을 얻을 필요가 있다고 판단한다.
본 연구는 2012년부터 2014년까지 한반도에서 일어난 지진들에 대해서 웨이블릿 기반의 셈블런스 분석을 수행하였다. 연구 결과 깊이, 규모에 따른 지자기장 변동성은 상관성이 어느 정도 확인이 되지만 지진자료가 충분하지 않아 차후 더 많은 데이터를 축적하여 분석해야 확실한 상관관계를 확인할 수 있을 것으로 판단된다. 관측소와 거리는 멀지만 같은 위치에서 일어나는 지진임에도 변동성이 나타나거나 아예 나타나지 않는 경우도 확인 되었는데, 이러한 경우에는 지진의 발생 메커니즘 분석이나 더 많은 지진 자료를 통한 연구가 필요할 것으로 보인다.
이와 같은 과정에서 주성분의 큰 값만을 이용하여 잡음성분은 반영하지 않는 지자기 신호를 예측한다. 이러한 예측 자료를 이용하면, 실제 관측 자료와 비교하여 큰 변동성이 있는 경우에 대한 각종 해석을 미리 할 수 있게 될 것이다. 또한 주성분 분석을 통해 재구성한 자료는 시계열 자료내의 일관된 주파수 성분을 반영하게 되므로, 실제 측정 자료와 비교할 경우 특정 시간대에서의 주파수 이상 변동성을 파악할 수 있게 된다.
이러한 변동성은 일반적으로 주파수 분석에 사용한 푸리에 변환 방식 대신에, 주파수의 시간적 변동성을 파악할 수 있는 웨이블릿 변환을 이용함으로써 보다 민감한 변화를 잘 파악할 수 있었던 것으로 판단되는데(Oh, 2009), 지진과 관측소의 거리가 너무 먼 지진에 대한 변동성 분석은 신뢰성이 떨어지는 분석으로 변동성이 나타나는 지진과 나타나지 않는 지진들에게 규칙성이 없다고 판단된다. 이번 연구에서처럼 한반도 및 주변에서 발생한 규모가 5.0 이상인 지진에 대해서 변동성이 나타나지 않는 부분은 좀 더 다양한 지진에 대해서 거리 자료가 축적되어 이를 이용한 연구가 필요한 부분으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지진이 발생할 때 어떤 것이 관측되는가?	지진의 전조 현상으로써의 지자기장 변동성에 대한논의는 오래전부터 있었다(Rikitake and Honkura,1985; Johnston, 1997). 지진이 발생할 때 지자기장의ULF (Ultra Low Frequency) 대역에서의 변동성이성공적으로 관측되고 있고(Kawate et al., 1998;Hayakawa et al.
	대규모 지진에 대한 지자기장 변동 분석기술의 한반도에 대한 적용함에 있어 문제점을 극복하기 위해 국내에서는 어떤 노력이 있었는가?	, 2009). 문제점을 극복하기 위하여 국내에서는 지자기 전달함수 분석을 통한 한반도 심부의 전기적 구조를 해석하기위한 연구가 진행되면서(Oh et al., 2002; Yang etal., 2002), 이를 지진 전조 현상 연구에 적용하려는 노력이 있었다(Yang et al., 2004; Oh, 2009).
	시계열 자료를 분석에 어떤 기법이 많이 사용되는가?	시계열 자료를 분석하기 위해서 모형화에 유용한 자기상관 이동 평균 기법(ARIMA; integrated autoregressive moving average) (Cryer and Chan, 2010)이 많이 사용되고, 자료의 주기성을 연구하기 위해서는 푸리에 변환 등을 이용한 주파수 영역 분석이 많이 사용된다. 지자기 자료는 시계열 자료이므로 위의분석 방법을 적용할 수 있지만 배경 잡음이 섞이거나 비정상상태(non-stationary)인 경우에는 적용이 어렵다.

참고문헌 (20)

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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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