지진에 의한 피해를 방지하기 위하여 지진 예측과 예보를 위한 다양한 연구가 전 세계적으로 시도되어 왔다. 지진예측지표 중, 지하수 수위 및 수질의 장기관측자료에서 지진 전에 나타나는 이상변동은 지질매체에 가해지는 압력의 변화와 매체 내 균열의 발달에 의한 것으로 지진의 발생 시기와 규모를 추측할 수 있는 것으로 평가되고 있다. 따라서 국외에서는 지하수 관측시스템을 지진감시 관측망의 보조관측망으로 활용하고 있으며, 실제 지진 예측에 활용되고 있다. 우리나라는 최근에서야 지하수를 활용한 지진예측연구가 시작되었으며, 그 가운데 발생한 2016년 9월의 경주지진 전후로 나타난 지하수의 변동은 많은 관심을 불러왔다. 이 연구는 지진감시 및 예측을 위해 적극적으로 지하수관측시설을 운용하고 있는 중국, 일본, 미국의 관측시설 현황 및 연구 사례를 분석, 검토하고 최근 우리나라에서 수행되기 시작한 지진예측 연구의 연구방향과 과제를 제시하고자 수행되었다. 그 결과, 앞으로 고품질의 자료를 생산할 수 있는 지진감시 전용의 단층대 지하수관측시설 구축과 주요 관측인자의 실시간 감시, 이상변동의 폭과 관측되는 거리에 대한 정밀한 평가 및 연구가 필요할 것으로 사료된다.
지진에 의한 피해를 방지하기 위하여 지진 예측과 예보를 위한 다양한 연구가 전 세계적으로 시도되어 왔다. 지진예측지표 중, 지하수 수위 및 수질의 장기관측자료에서 지진 전에 나타나는 이상변동은 지질매체에 가해지는 압력의 변화와 매체 내 균열의 발달에 의한 것으로 지진의 발생 시기와 규모를 추측할 수 있는 것으로 평가되고 있다. 따라서 국외에서는 지하수 관측시스템을 지진감시 관측망의 보조관측망으로 활용하고 있으며, 실제 지진 예측에 활용되고 있다. 우리나라는 최근에서야 지하수를 활용한 지진예측연구가 시작되었으며, 그 가운데 발생한 2016년 9월의 경주지진 전후로 나타난 지하수의 변동은 많은 관심을 불러왔다. 이 연구는 지진감시 및 예측을 위해 적극적으로 지하수관측시설을 운용하고 있는 중국, 일본, 미국의 관측시설 현황 및 연구 사례를 분석, 검토하고 최근 우리나라에서 수행되기 시작한 지진예측 연구의 연구방향과 과제를 제시하고자 수행되었다. 그 결과, 앞으로 고품질의 자료를 생산할 수 있는 지진감시 전용의 단층대 지하수관측시설 구축과 주요 관측인자의 실시간 감시, 이상변동의 폭과 관측되는 거리에 대한 정밀한 평가 및 연구가 필요할 것으로 사료된다.
To prevent the damages from earthquakes, various researches have been conducted around the world focusing on earthquake prediction and forecasting for several decades. Among various precursory phenomena, changes in groundwater level and quality are considered to be reliable for estimating the time o...
To prevent the damages from earthquakes, various researches have been conducted around the world focusing on earthquake prediction and forecasting for several decades. Among various precursory phenomena, changes in groundwater level and quality are considered to be reliable for estimating the time of earthquake occurrence and its magnitude. In effects, some countries impacted by frequent earthquakes have established and operated the groundwater monitoring network for earthquake surveillance and prediction. In Korea, recently researches have begun for using groundwater monitoring techniques for earthquake prediction. In this paper, the groundwater monitoring networks of China, Japan, and the United States were reviewed focusing on the facilities and results of researches to deduce the tasks for earthquake prediction researches using groundwater monitoring techniques in Korea. In results, research needs are suggested in the implementation of groundwater monitoring networks for specifically earthquake surveillance with the real-time monitoring and the measures to quantify the degrees of abnormal changes in the relationship of distance from the earthquake epicenter.
To prevent the damages from earthquakes, various researches have been conducted around the world focusing on earthquake prediction and forecasting for several decades. Among various precursory phenomena, changes in groundwater level and quality are considered to be reliable for estimating the time of earthquake occurrence and its magnitude. In effects, some countries impacted by frequent earthquakes have established and operated the groundwater monitoring network for earthquake surveillance and prediction. In Korea, recently researches have begun for using groundwater monitoring techniques for earthquake prediction. In this paper, the groundwater monitoring networks of China, Japan, and the United States were reviewed focusing on the facilities and results of researches to deduce the tasks for earthquake prediction researches using groundwater monitoring techniques in Korea. In results, research needs are suggested in the implementation of groundwater monitoring networks for specifically earthquake surveillance with the real-time monitoring and the measures to quantify the degrees of abnormal changes in the relationship of distance from the earthquake epicenter.
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문제 정의
이러한 배경에서 이 논문은 지진 감시 및 예측을 위해 지하수 관측시설을 설치하여 연구하고 있는 외국의 대표적 연구사례를 분석하고, 현재까지 국내에서 수행된 연구 내용을 검토하여, 국내 지진수문학 분야의 연구를 지진의 예측과 예보 단계로 끌어올리기 위해 필요한 연구 내용을 도출하고자 작성되었다.
지진 전 지하수위의 이상 변동을 응력 변동과 지표 변이에 연결시켜 설명하고 이를 지진 예측에 활용하기 위한 연구도 수행되었다. Wakita (1975)과 Kawabe (1991)는 지하수위 상승/하강 분포와 지진이 발생한 단층의 메커니즘이 대응한다고 보고하였다.
, 2009). 이 연구는 국외의 지진이 국내 지하수에 영향을 줄 수 있음을 알림과 동시에 지진을 위한 지하수 연구의 중요성을 국내에 알린 첫 사례이다. 한반도 내륙의 지하수 변동을 연구한 것은 연세대학교 연구진으로 전국에 설치된 국가지하수관측망의 자료를 기반으로 국내외 지진에 의한 영향을 분석하였다.
이 논문은 지진 감시 및 예측을 위해 지하수 관측시설을 설치하여 연구하고 있는 국가들의 연구시설과 연구 내용을 검토하고, 최근 우리나라에서 시도되고 있는 지하수관측을 통한 지진의 감시, 예측과 예보에 필요한 연구내용을 제시하고자 작성되었다. 본 논문에서 다룬 중국, 일본, 미국의 지진과 지하수의 상호작용에 대한 연구는 지하수에서 지진 발생에 의한 영향을 관측하는 것에서 시작하여, 그 패턴을 파악하고, 지진이 지하수와 대수층에 어떤 기작으로 영향을 미치는지 설명하고자 하는 연구와, 지하수 장기 관측에서 지진 전 발생한 이상변동과 변동 특징을 추출하여 이를 지진 예측에 적용시키는 연구들로 진행되어 왔다.
제안 방법
이 연구는 국외의 지진이 국내 지하수에 영향을 줄 수 있음을 알림과 동시에 지진을 위한 지하수 연구의 중요성을 국내에 알린 첫 사례이다. 한반도 내륙의 지하수 변동을 연구한 것은 연세대학교 연구진으로 전국에 설치된 국가지하수관측망의 자료를 기반으로 국내외 지진에 의한 영향을 분석하였다. Lee et al.
대상 데이터
이러한 배경에서 이 논문은 지진 감시 및 예측을 위해 지하수 관측시설을 설치하여 연구하고 있는 외국의 대표적 연구사례를 분석하고, 현재까지 국내에서 수행된 연구 내용을 검토하여, 국내 지진수문학 분야의 연구를 지진의 예측과 예보 단계로 끌어올리기 위해 필요한 연구 내용을 도출하고자 작성되었다. 국외의 연구사례로는 지진수문학의 체계적인 연구를 수행하고 있는 중국, 일본, 미국의 지하수 관측시설의 현황과 지진예측 연구 사례를 중점적으로 분석하였다.
Vertical lines are the occurrence times of fore-, main-, and after-shocks. Groundwater data were provided by K-Water and National Groundwater Information Center.
이론/모형
5). 이들 연구에서 제안된 분석기법은 Fast Fourier Transformation (FFT)법을 활용한 일주기 제거법(Lee et al., 2011a)과 이동평균기법을 사용한 경향성 제거법(Lee et al., 2013a, b), 극값 추출법(Lee and Woo, 2012) 등으로, 각기 다른 관측 간격에서 기록된 지하수 관측자료를 평가하기 위해 사용되었다.
성능/효과
(2005)가 수행한 1964 Nankai 지진에 대한 연구 사례를 바탕으로 전조 현상으로 분류되었다(Orihara, 2014). 온천에서 수행한 연구의 불규칙한 시료 채취 및 관측 간격은 지구조석의 영향을 구분하기에는 길었고, 대기압과 강우의 효과는 보이지 않았으며, 지하수위 및 수온이 낮아지기 전 많은 강수가 있었으나 이전의 관측기록과 비교하였을 때 이에 의한 영향은 아닌 것으로 보인다. 한편, 지진에 의한 지하수위 영향을 분리하는 기법으로 Kitagawa and Matsumoto (1996)은 지진동시 지하수위 변동을 추출하기 위해 자료 필터링을 위한 상태-공간 모델링 기법을 개발하였는데, 장기 관측자료에 적용한 결과에서 지진 전조로 보이는 지하수위의 상승이 확인되었다.
8 cm의 상승이 있었음을 보고하였다. 이 과정에서 지하수위 자료에서 계절적인 강수패턴 및 온도에 기인한 장기적 경향성과 대기압 효과, 지구 조석 효과를 보정하고 강우기록과의 대조에서도 일치하는 기록이 없었기에 전조현상이 나타난 것으로 분류될 수 있었다. 변동의 발생 기작으로는 본진의 규모보다 모멘트가 작은 pre-slip에 의해 변했을 것으로 추정되었다.
후속연구
지진 동시 변화(co-seismic changes)는 지진파 특히 표면파의 전달 과정에서 발생하는 반응으로 대수층의 변형을 판단할 수 있으며, 지 진 후 변화(post-seismic changes)는 지진 동시 변화로 인해 변형되었던 대수층이 복원되는 과정과 대수층 시스템의 영구적 변형으로 인한 수리지질학적 특성의 변화를 평가할 수 있다. 지진 동시 변화 및 지진 후 변화는 지진이 영향을 주는 기작의 이해와 지진-지하수-지질매체 간의 상호관계를 평가하는 기초자료로 활용될 수 있다. 나아가, 전달된 지진파에 의해 대수층 시스템이 받는 영향에 따라 지하수위와 수질은 일시적으로 또는 영구적으로 변할 수 있고(Wakita, 1975; Roeloffs, 1998; Broadsky et al.
현재 국내에서는 지진에 의한 지하수 변동 사례가 많이 보고되지 않은 관계로, 국내 상황에 맞는 기작의 연구나 통계적인 접근, 지진 전조 현상의 추출 등을 위해서는 지하수 관측자료로부터 지진의 영향을 분리하는 자료분석법의 개발과, 이를 통한 많은 사례조사 연구가 우선되어야 할 것이다. 또한 현재는 지진관측만을 위한 심부 지하수 관측시설이 없어서 기존의 유역감시용 지하수 관측망 자료를 활용하고 있는 실정으 로, 이들 관측망을 통해 수집된 자료에서는 지진 전 지질매체 내 응력 변화 또는 지진파에 의한 지진동시 변동이 가려지기 쉬워(masking effect) 체계적인 해석에 어려움을 겪고 있는 형편이다.
지진감시용 지하수 관측 시설이 별도로 없음에도 불구하고 지하수자원 관리를 위한 장기 지하수관측자료를 활용하여 국내외 지진에 의한 지하수 변동사례를 분석하여 보고한 바 있으며, 지진 예측의 가능성을 염두에 둔 지화학적 접근도 이루어지고 있다. 특히 단층대에 설치된 부산대 양산캠퍼스 관측정에서 수행된 정밀 관측 자료에서 인근의 경주 지진 외에도 다양한 거리에서 발생한 지진의 영향이 관측된 것은 단층대에서 지진의 영향을 관측하기 쉽다는 국외의 기존 연구결과(Roeloffs, 1988, and many others)와 일치하는 것으로, 이와 유사한 수리지 질학적 특성을 지닌 지역에서의 고품질 관측이 수행된다면 지진 전조현상의 관측과 이를 통한 예측 가능성을 기대하게 한다.
국외 연구사례에서도 보이듯이, 지하수 변동 모니터링은 지진으로 발생되는 재난과 피해를 경감하고 예방하기 위해 분명히 효과적인 기술이다. 그럼에도 불구하고, 적절한 지진 감시와 예측을 달성하기 위해서는, 지하수 관측영역과 지진이 발생되는 지역, 즉 단층대와 관측공과의 연관성 뿐 아니라, 지진 에너지가 전달되는 지질매체와 지하수 관측공의 구조적 연결성, 지진 발생 전후로 지질매체와 지하수간에 발생하는 수리 화학적 반응과 특성 변화, 지하수의 변화를 감지할 수 있는 관측시스템, 관측빈도, 관측장비의 민감도와 이러한 변화를 자연적 또는 인위적인 여타 요인으로부터 분리추출 할 수 있는 분석 기법 등이 복합적으로 개발되어야 한다. 이러한 세부적인 기술개발을 바탕으로 지진 발생에 따른 지진-지하수-지질매체 간의 상호관계와 변동 및 영향 등의 체계적인 융합연구가 이루어진다면, 지진 감시와 예측을 통한 자연재난을 극복하기 위해 의미있는 과학기술적 성과를 도출할 수 있을 것으로 기대한다.
그럼에도 불구하고, 적절한 지진 감시와 예측을 달성하기 위해서는, 지하수 관측영역과 지진이 발생되는 지역, 즉 단층대와 관측공과의 연관성 뿐 아니라, 지진 에너지가 전달되는 지질매체와 지하수 관측공의 구조적 연결성, 지진 발생 전후로 지질매체와 지하수간에 발생하는 수리 화학적 반응과 특성 변화, 지하수의 변화를 감지할 수 있는 관측시스템, 관측빈도, 관측장비의 민감도와 이러한 변화를 자연적 또는 인위적인 여타 요인으로부터 분리추출 할 수 있는 분석 기법 등이 복합적으로 개발되어야 한다. 이러한 세부적인 기술개발을 바탕으로 지진 발생에 따른 지진-지하수-지질매체 간의 상호관계와 변동 및 영향 등의 체계적인 융합연구가 이루어진다면, 지진 감시와 예측을 통한 자연재난을 극복하기 위해 의미있는 과학기술적 성과를 도출할 수 있을 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국외 연구 사례에서 도출한 지하수에 나타나는 지진 전조현상의 특징은 무엇인가?
가. 지하수위, 특히 피압대수층의 지하수위는 응력변화의 영향을 잘 반영하며, 지하수위 관측간격을 줄일수록 지진계의 관측 그래프와 유사해진다.
나. 단층대를 따라 설치된 지하수 관측시설에서 지진 전 또는 지진에 의한 영향이 잘 관측된다.
다. 같은 지역에 설치되어 있어도 지진의 영향에 민 감한 관정과 반응이 보이지 않는 관정이 존재한다.
라. 다양한 인자가 영향을 미칠 수 있는 지하수위에 비해, 라돈과 같은 수질 인자에서 지진 전 이상변동을 구별하는 것이 상대적으로 용이하다.
마. 발생할 지진의 규모가 클수록 지진 이전에 나타나는 이상변동의 폭과 변동이 관측되는 영향범위가 증가한다.
바. 같은 관정에서 여러 지진 또는 반복되는 지진에 의한 효과를 관측할 수 있으며, 이때 지하수위 변동의 방향(상승 또는 하강)은 일치하는 경우가 많다.
지진 예측 연구란 무엇인가?
지진 예측 연구는 지진의 전조현상을 찾아 앞으로 발생할 지진의 발생 시기와 위치, 규모를 평가하는 것이다. 지진 발생 전에 변화가 나타난다고 알려진 지구 물리학적·지구화학적·수리지질학적 인자는 다양하며, 이에 대하여 Rikitake (1979)는 282건의 지진 연구 사례를 분석하여 응력과 지층경사(tilt and strain) 및 전진(foreshock)을 포함한 15개 항목을 전조현상으로 구분하고, 지진 전 이상변동이 나타나는 시각과 지진 규모의 예측가능성 여부를 평가하였다.
지진 전에 나타나는 이상변동의 원인은 무엇인가?
지진에 의한 피해를 방지하기 위하여 지진 예측과 예보를 위한 다양한 연구가 전 세계적으로 시도되어 왔다. 지진예측지표 중, 지하수 수위 및 수질의 장기관측자료에서 지진 전에 나타나는 이상변동은 지질매체에 가해지는 압력의 변화와 매체 내 균열의 발달에 의한 것으로 지진의 발생 시기와 규모를 추측할 수 있는 것으로 평가되고 있다. 따라서 국외에서는 지하수 관측시스템을 지진감시 관측망의 보조관측망으로 활용하고 있으며, 실제 지진 예측에 활용되고 있다.
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