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문제 정의
- 본 연구에서는 다중 채널 상호 상관법을 통해 획득한 S파 상대 주시를 이용하여 동아시아 지역의 맨틀속도구조모델을 계산하였다. 역산 결과 태평양판과 필리핀해판을 지시하는 고속도 이상이 일본 지역 하부에 나타났으며, 제주도 형성과 관련된 것으로 판단되는 저속도 이상이 제주도 하부 200 ~ 700km 깊이까지 나타났다.
- 이 연구에서는 동아시아 지역의 S파 맨틀속도구조를 얻기 위해 진앙거리 30° 이상 90° 이하의 원거리 지진을 이용한 S파 상대 주시 토모그래피를 수행하였다.
제안 방법
- 위의 과정에는 가중치(weighting)를 반영하는 [n(n −1)/2 + 1] × [n(n −1)/2 + 1]의 대각행렬(diagonal weighting matrix), W를 적용할 수 있다. W의 구성에는 상호 상관 계수(crosscorrelation coefficient) 혹은 실측값과 이론값의 잔차(residual)를 반영하는 방법이 있지만, 실험적인 측정에 따르면 가중치에 의한 효과가 최종 해(solution)에 큰 영향을 끼치지 않으므로, 이 연구에서는 해당 과정을 생략했다. 또한 상호 상관 연산 시 발생할 수 있는 주기 놓침(cycle skipping) 현상을 줄이기 위해 반복적 상호 상관 및 중합 알고리즘(Iterative Cross-Correlation and Stack algorithm)을 적용(Lou et al.
- 다중 채널 상호 상관을 통해 획득된 45,868개의 S파 상대 주시를 이용하여 토모그래피를 수행하였다. IASP91 모델(Kennett and Engdahl, 1991)이 기준 모델로 사용되었으며 파선이론에 기초하여 파선경로와 민감도(sensitivity kernel)를 계산(VanDecar, 1991)하였다.
- IASP91 모델(Kennett and Engdahl, 1991)이 기준 모델로 사용되었으며 파선이론에 기초하여 파선경로와 민감도(sensitivity kernel)를 계산(VanDecar, 1991)하였다. 수평적으로 50 km 간격을 갖는 삼각형 형태의 격자를 구형 스플라인(spherical spline)으로 구성하였으며, 수직적으로는 0, 5, 10, 20, 35, 50, 70, 90, 120, 150, 180, 220, 260, 300, 350, 410, 470, 550, 660, 780, 900,1050, 1200, 1400 km 깊이를 기준으로 24개의 층상 구조를 구성하였다. 역산의 안정성을 위해 제동(damping)과 수평 평활화(flattening), 수직 평활화 행렬을 사용하였으며 각각의 가중치는 3.
- 수평적으로 50 km 간격을 갖는 삼각형 형태의 격자를 구형 스플라인(spherical spline)으로 구성하였으며, 수직적으로는 0, 5, 10, 20, 35, 50, 70, 90, 120, 150, 180, 220, 260, 300, 350, 410, 470, 550, 660, 780, 900,1050, 1200, 1400 km 깊이를 기준으로 24개의 층상 구조를 구성하였다. 역산의 안정성을 위해 제동(damping)과 수평 평활화(flattening), 수직 평활화 행렬을 사용하였으며 각각의 가중치는 3.0, 1.0, 1.0으로 적용하였다. 이는 해상도 테스트를 수차례 반복하여 얻은 최적의 수치이다.
- 3의 (a)와 (e)는 각각 200 km × 200 km, 400km × 400 km 크기의 격자로 구성되어 있는 격자 모델을 나타낸다. 이후 격자 속도모델을 통과하는 파선에 대한 이론적 주시를 계산하여 합성 데이터 벡터(synthetic data vector)를 구성하고, 실제 자료를 사용할 때와 동일한 역산 과정을 수행하여 테스트 결과를 얻었다.
- 이후 최소자승법을 통해 값이 수렴할 때까지 역산을 50회 반복 수행하였다.
- 진앙거리 30° 이하의 지진의 경우 실체파가 주로 물성이 불균질한 상부맨틀을 지나 이동하게 되며, 진앙거리가 90° 이상인 경우 외핵을 통과하기 때문에, 30° 이상 90° 이하 범위에서 발생한 지진만을 선정하였다.
- 토모그래피 결과에 대한 공간적 해상도를 평가하기 위해 격자(checkerboard) 테스트를 수행하였다. 테스트에 사용된 모델은 ± 300 m/s의 속도 이상을 갖는 격자가 반복되어 배열되는 형태이며 Fig.
대상 데이터
- 한반도 지역은 한국지질자원연구원과 기상청 네트워크에서 제공하는 55개 관측소를 포함하며, 일본 지역은 일본지구과학방재연구소(NIED)에서 제공하는 74개의 F-net 네트워크 관측소를 포함한다. 기록 자료는 2006년 1월부터 2016년 4월 사이 해당 관측소에 기록된 규모 6.0 이상의 지진으로, 연구에 사용된 관측소와 지진의 분포는 Fig. 1에 나타낸 것과 같다. 진앙거리 30° 이하의 지진의 경우 실체파가 주로 물성이 불균질한 상부맨틀을 지나 이동하게 되며, 진앙거리가 90° 이상인 경우 외핵을 통과하기 때문에, 30° 이상 90° 이하 범위에서 발생한 지진만을 선정하였다.
- 위의 방법을 이용하여 580개 지진에 대한 45,868개의 S파 상대 주시를 계산하였으며 자료처리 과정에서 신호 대 잡음비가 낮거나 파형의 일관성이 떨어지는 자료는 제거하였다.
- 이 연구에서는 한반도와 일본 지역에 설치된 129개의 광대역 속도 관측소를 이용하였다. 한반도 지역은 한국지질자원연구원과 기상청 네트워크에서 제공하는 55개 관측소를 포함하며, 일본 지역은 일본지구과학방재연구소(NIED)에서 제공하는 74개의 F-net 네트워크 관측소를 포함한다.
- 진앙거리 30° 이하의 지진의 경우 실체파가 주로 물성이 불균질한 상부맨틀을 지나 이동하게 되며, 진앙거리가 90° 이상인 경우 외핵을 통과하기 때문에, 30° 이상 90° 이하 범위에서 발생한 지진만을 선정하였다. 지진 발생 시간과 위치, 규모에 대한 정보는 미국의 국립 지진정보센터(National Earthquake Information Center)를 통해 획득하였다. 관측소에 기록된 신호로부터 S파 파형을 부각시키기 위해 0.
- 테스트에 사용된 모델은 ± 300 m/s의 속도 이상을 갖는 격자가 반복되어 배열되는 형태이며 Fig. 3의 (a)와 (e)는 각각 200 km × 200 km, 400km × 400 km 크기의 격자로 구성되어 있는 격자 모델을 나타낸다.
이론/모형
- 4. Depth slices of S-wave velocity (Vs) obtained by inverting S-wave relative travel times using IASP91 (Kennett and Engdahl, 1991) as a reference model. The red and blue colors denote low- and high-velocity perturbations, respectively.
- 다중 채널 상호 상관을 통해 획득된 45,868개의 S파 상대 주시를 이용하여 토모그래피를 수행하였다. IASP91 모델(Kennett and Engdahl, 1991)이 기준 모델로 사용되었으며 파선이론에 기초하여 파선경로와 민감도(sensitivity kernel)를 계산(VanDecar, 1991)하였다. 수평적으로 50 km 간격을 갖는 삼각형 형태의 격자를 구형 스플라인(spherical spline)으로 구성하였으며, 수직적으로는 0, 5, 10, 20, 35, 50, 70, 90, 120, 150, 180, 220, 260, 300, 350, 410, 470, 550, 660, 780, 900,1050, 1200, 1400 km 깊이를 기준으로 24개의 층상 구조를 구성하였다.
- 지진 발생 시간과 위치, 규모에 대한 정보는 미국의 국립 지진정보센터(National Earthquake Information Center)를 통해 획득하였다. 관측소에 기록된 신호로부터 S파 파형을 부각시키기 위해 0.04 ~ 0.1 Hz의 버터워스 주파수 대역 필터(Butterworthbandpass filter)를 적용하였으며, 정확한 S파 상대 주시 계산을 위해 다중 채널 상호 상관법(Multi-Channel Cross-Correlation)을 적용하였다.
- 이 연구에서는 동아시아 지역의 S파 맨틀속도구조를 얻기 위해 진앙거리 30° 이상 90° 이하의 원거리 지진을 이용한 S파 상대 주시 토모그래피를 수행하였다. 기존 연구(Asamoriand Zhao, 2015; Liu and Zhao, 2016)에서 일본 지역에 국한되어 있던 관측소 범위를 한반도 남부지역으로 확대하였으며, 보다 정확한 S파 상대 주시 계산을 위해 다중 채널 상호 상관법(Multi-Channel Cross-Correlation)을 적용하였다(VanDecarand Crosson, 1990).
- , dt12+dt23≠dt13). 따라서 지연시간으로부터 가장 최적화된 상대 주시를 계산하기 위해 최소자승법(least squares method)을 이용한다. 관측소의 수가 n개일 때 각 관측소의 상호 상관으로 얻을 수 있는 관계식은 다음과 같이 표현된다.
- W의 구성에는 상호 상관 계수(crosscorrelation coefficient) 혹은 실측값과 이론값의 잔차(residual)를 반영하는 방법이 있지만, 실험적인 측정에 따르면 가중치에 의한 효과가 최종 해(solution)에 큰 영향을 끼치지 않으므로, 이 연구에서는 해당 과정을 생략했다. 또한 상호 상관 연산 시 발생할 수 있는 주기 놓침(cycle skipping) 현상을 줄이기 위해 반복적 상호 상관 및 중합 알고리즘(Iterative Cross-Correlation and Stack algorithm)을 적용(Lou et al., 2013)하여 좁은 범위의 시간 영역(time window)을 설정하였다.
성능/효과
- 본 연구에서는 다중 채널 상호 상관법을 통해 획득한 S파 상대 주시를 이용하여 동아시아 지역의 맨틀속도구조모델을 계산하였다. 역산 결과 태평양판과 필리핀해판을 지시하는 고속도 이상이 일본 지역 하부에 나타났으며, 제주도 형성과 관련된 것으로 판단되는 저속도 이상이 제주도 하부 200 ~ 700km 깊이까지 나타났다. 또한 울릉분지 하부에 존재하는 저속도 이상체가 한반도 동부 200 ~ 300 km 깊이까지 나타났다.
- 4는 토모그래피의 결과를 깊이 단면으로 보여준다. 쿠릴 해구(Kuril trench), 일본 해구(Japan trench), 이즈-보닌 해구(Izu-Bonin trench), 난카이 해구(Nankai trough), 류큐 해구(Ryukyu trench)와 같은 판의 경계를 따라 고속도 이상이 나타나며 깊이가 증가함에 따라 판의 이동 방향으로 고속도 이상이 이동하는 것을 확인할 수 있다. Fig.
- ,2015)와 유사한 모습을 보인다. 파선이 관측소 하부에 거의 수직으로 입사하는 원거리 지진의 특성과 해상도 테스트 결과를 고려해봤을 때 얕은 깊이(~ 100 km)에서의 수직 해상도가 다소 떨어질 것으로 판단되지만, 제주도 형성이 깊은 맨틀 물질로부터 시작되었다는 근거로 충분히 해석될 수 있다.
- 3의 (b), (c), (d)는 400 km × 400 km 격자 모델에 대한 테스트 결과를 깊이 별로 나타내며, (f), (g), (h)는 200 km× 200 km 모델에 대한 결과를 나타낸다. 파선이 관측소 하부에 거의 수직으로 입사하는 원거리 지진의 특성으로 인해 관측소가 분포하는 한반도와 일본지역을 중심으로 높은 해상도가 형성되었으며, 특히, 관측소 밀도가 높은 일본지역에서 가장 높은 해상도를 보였다. Fig.
후속연구
- 기존의 연구에서 밝혀진 바와 같이 맨틀 전이대를 따라 존재하는 태평양판이 일본 지역 하부에서 확인되었지만, 낮은 관측소 밀도로 인한 해상도 감소로 동해 지역 하부에서는 이를 확인하기 어려웠다. 따라서 이와 같은 문제점을 해결하고 모델의 정확성을 높이기 위해서는, 지각 범위에서 높은 해상도를 갖고 관측소가 제한된 지역에서도 해상도를 갖는 표면파 분산 연구가 병행되어야 한다.
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