[논문]규모 5.8 경주 지진에 의한 토양 내 라돈농도의 이상변화 분석

김진섭; 김민준; 김선웅; 이효민

doi:10.9719/eeg.2018.51.1.1

규모 5.8 경주 지진에 의한 토양 내 라돈농도의 이상변화 분석
An Analysis of Anomalous Radon Variation Caused by M5.8 Gyeong-ju Earthquake 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.51 no.1, 2018년, pp.1 - 13

김진섭 (부산대학교 지질환경과학과) , 김민준 (부산대학교 지질환경과학과) , 김선웅 (부산대학교 지질환경과학과) , 이효민 (부산대학교 지질환경과학과)

초록
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토양 내 라돈농도는 주변 환경요인들(대기온도, 대기압, 강수량, 토양온도)에 영향을 받는다. 따라서 지진에 의한 토양 내 라돈이상변화 현상을 분석하기 위해서 이들 요인에 의한 영향과 구분하여야 한다. 이번 연구에서는 환경요인에 의한 토양 내 라돈농도변화와 구분되는 2016년 9월 12일에 발생한 경주지진에 의한 라돈농도의 이상변화현상에 대하여 분석하였다. 진앙지로부터 58Km 떨어진 측정지점에서 2014년 1월 1일부터 2017년 5월 31일까지 토양 내 라돈농도와 환경요인들을 연속 측정하고, 환경요인들과의 상관성을 분석하였다. 경주 지진과 관련된 토양 내 라돈농도의 이상변화를 분석하기 위해, 계절평균농도(n)와 표준편차(${\rho}$)를 계산하고 $n{\pm}1{\rho}$와 $n{\pm}2{\rho}$의 범위를 벗어나는 구간을 분석하고 Earthquake effectiveness와 q-factor를 계산하였다. 토양 내 라돈농도는 여름철이 높고 겨울철이 낮은 계절변화 양상을 나타내었다. 대기온도와 토양의 온도는 높을수록 토양 내 라돈농도가 높아지는 양의 상관관계(각각 $R^2=0.9136$, $R^2=0.8496$)를 보였으며 대기압은 낮아질수록 토양 내 라돈농도가 높아지는 음의 상관관계($R^2=0.7825$)를 보였다. 경주 지진 전 후에 계절평균농도에서 $2{\rho}$범위를 벗어나는 토양 내 라돈농도의 이상변화현상은 A1(7/3~7/5), A2(7/18), A3(8/4~8/5), A4(10/17~10/20)의 4개 시점에 나타났다. 토양 내 라돈농도와 환경적 요인과의 상관관계와 Earthquake effectiveness와 q-factor를 적용하여 비교분석한 결과, A1, A2, A3 구간에서 나타난 라돈변화가 지진의 영향으로 나타난 이상변화일 것으로 판단된다. 라돈이상변화가 나타난 기간의 라돈농도와 환경요인과 상관계수(대기온도: $R^2=0.2314$, 토양온도: $R^2=0.1138$, 대기압: $R^2=0.0475$)는 다른 기간에 비교하여 매우 낮게 나타났다. 연도별 토양 내 라돈의 연평균농도를 비교한 결과, 경주지진이 발생한 2016년에 가장 높게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The radon concentration in soil varies with environmental factors such as atmospheric temperature and pressure, rainfall and soil temperature. The effects of these factors, therefore, should be differentiate in order to analyzed the anomalous radon variation caused by earthquake events. For these reasons, a comparative analysis between the radon variations with environmental factors and the anomalous variations caused by Gyeong-ju earthquake occurred in September 12, 2016 has been conducted. Radon concentration in soil and environmental factors were continuously measured at a monitoring ste located in 58Km away from earthquake epicenter from January 01, 2014 to May 31, 2017. The co-relationships between radon concentration and environmental factors were analyzed. The seasonal average radon concentration(n) and the standard variation(${\rho}$) was calculated, and the regions of ${\pm}1{\rho}$ and ${\pm}2{\rho}$ deviations from seasonal average concentration were investigated to find the anomalous radon variation related to Gyeong-ju earthquake. Earthquake effectiveness and q-factor were also calculated. The radon concentration indicated the seasonal variation pattern, showing high in summer and low in winter. It increases with increasing air temperature and soil temperature, and has the positive co-relationships of $R^2=0.9136$ and $R^2=0.8496$, respectively. The radon concentration decreases with increasing atmospheric pressure, and has the negative co-relationships of $R^2=0.7825$. Four regions of ${\pm}2{\rho}$ deviation from average seasonal concentration (A1: 7/3~7/5, A2: 7/18, A3: 8/4~8/5, A4: 10/17~10/20) were detected before and after Gyeong-ju earthquake. A1, A2, A3 were determined as the anomalous radon variation caused by the earthquake from co-relationship analyses with environmental factors, earthquake effectiveness and q-factor. During the period of anomalous radon variation, correlation coefficients between radon concentration and environmental factors were significantly lowered compared to other periods such as air temperature ($R^2=0.2314$), soil temperature ($R^2=0.1138$) and atmospheric pressure ($R^2=0.0475$). Annual average radon concentration was also highest at 2016, the year of Gyeong-ju earthquake.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 양산단층대에 위치한 측정지점(경주 지진의 진앙지로부터 59Km 거리)에서의 토양 내 라돈농도의 장기변화 특성과 변화 요인을 분석하고 경주 지진 전·후 토양 내 라돈농도의 이상 변화를 비교분석하여 라돈농도의 이상변화와 지진과의 연관성에 대하여 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 양산단층대에 위치한 토양 내 라돈농도 연속측정 시스템을 통해 토양 내 라돈농도와 주변 환경요인(토양온도, 대기온도, 강수량, 대기압)을 장기적으로 측정하여, 토양 내 라돈농도의 장·단기적 변화 특성과 변화 요인에 대한 분석하였다.
토양 내 라돈농도의 장기적 변화에 영향을 미치는 요인을 알아보기 위해 토양의 온도에 따른 토양 내 라돈농도를 비교해 보았다. 토양온도에 따른 토양 내 라돈농도는 토양 내 온도가 상승함에 따라 토양 내 라돈 농도 역시 상승함을 확인할 수 있다(Fig.

제안 방법

토양 내 라돈 농도의 장기적 변화에 영향을 미치는 요인을 알아보기 위해 대기온도, 토양온도, 대기압과 강수량에 따른 토양 내 라돈농도를 비교해 보았다. 14년 1월 1일부터 17년 5월 31일까지의 기간 동안 라돈 연속측정시스템을 통해 1시간 간격으로 측정된 토양 내 라돈농도, 토양온도와 대기압은 월별 평균값으로 계산하여 변화 양상을 Fig. 3에 나타내었다. 15년과 16년의 2월~5월 사이의 데이터는 라돈측정 장비의 오작동으로 인하여 누락되었다.
경주 지진 전·후 토양 내 라돈농도의 변화에 영향을 미치는 요인을 알아보기 위해 대기압에 따른 토양 내 라돈농도를 비교해보았다.
경주 지진 전·후 토양 내 라돈농도의 이상변화를 알아보기 위해 2016년 6월 3일부터 12월 31일까지의 기간 즉, 9월 12일 발생한 경주지진의 전·후 3개월의 기간을 설정하였다.
본 연구에서는 양산단층대에 위치한 토양 내 라돈농도 연속측정 시스템을 통해 토양 내 라돈농도와 주변 환경요인(토양온도, 대기온도, 강수량, 대기압)을 장기적으로 측정하여, 토양 내 라돈농도의 장·단기적 변화 특성과 변화 요인에 대한 분석하였다. 그리고 2016년 9월 12일 경상북도 경주시에서 발생한 규모 5.8 경주 지진의 발생에 따른 토양 내 라돈의 이상변화현상에 대하여 분석하였다.
7에서 나타나듯이 4개(A1~A4)의 구간으로 나타났다. 이들 중 지진의 영향으로 이상변화를 나타낸 구간을 확인하기 위하여, 이상변화를 나타낸 A1~A4의 라돈농도와 대기온도, 토양의 온도, 대기압과의 상관관계를 적용하여 Fig. 8과 같이 비교해 보았다. 이 분석에는 라돈의 장기변화에 뚜렷한 상관관계를 나타내지 않은 강수량은 제외하였다.
지진발생빈도가 토양 내 라돈농도의 변화에 영향을 미치는지 알아보기 위해 2014년 1월부터 2017년 5월까지의 라돈평균농도와 지진횟수를 비교해 보았다. 지진발생빈도는 기상청의 공식자료를 이용하였다.
지진이 발생한 2016년 9월 12일의 전·후 3개월 동안(2016년 6월 3일~12월 31)의 대기온도, 토양온도, 대기압 및 강수량에 의한 토양 내 라돈농도에의 영향을 분석하였다.
이 라돈 측정기는 silicon alpha sensitive detector로, 외부전원의 공급 없이 배터리를 사용하여 장기간 토양 내 라돈 농도, 온도와 대기압의 연속측정이 가능하다. 측정기는 깊이 65cm에 토양가스 포집 챔버 (약 13L)를 매설하고, 챔버 내에 포집되는 토양 공기 내 라돈농도, 온도와 대기압을 1시간 간격으로 연속 측정되도록 설정하였다(Fig. 2). 강수자료는 부산지방 기상청으로 측정지점에서 가장 가까운 지역에서 측정된 자료를 사용하였다.
토양 내 라돈 농도의 장기적 변화에 영향을 미치는 요인을 알아보기 위해 대기온도, 토양온도, 대기압과 강수량에 따른 토양 내 라돈농도를 비교해 보았다. 14년 1월 1일부터 17년 5월 31일까지의 기간 동안 라돈 연속측정시스템을 통해 1시간 간격으로 측정된 토양 내 라돈농도, 토양온도와 대기압은 월별 평균값으로 계산하여 변화 양상을 Fig.
환경요인들의 영향으로 불확실한 A4구간을 제외하고, 라돈농도의 이상변화 현상으로 판단되는 A1, A2, A3 구간이 포함되고 여름철의 변화 구간에 해당되는2016년 6월 3일부터 10월 13일까지의 기간에 대한 토양 내 라돈농도와 대기온도, 토양의 온도, 대기압, 강수량과의 상관관계에 대하여 분석하였다(Fig. 4k~o).

대상 데이터

2). 강수자료는 부산지방 기상청으로 측정지점에서 가장 가까운 지역에서 측정된 자료를 사용하였다.
누락된 데이터는 이전년도(2014년) 동기간의 평균값을 적용하여 점선으로 표현하였다. 대기온도와 강수량은 부산지방 기상청 자료를 활용하였다.
라돈 연속측정시스템은 경주지진의 진앙지로부터59Km 떨어진 양상단층대에 위치한 부산대학교 내에 설치하였다(Fig. 2). 측정지점의 토양은 화강암의 풍화 잔류 토양으로 점토의 양이 적고 조립의 입자가 많이 포함되어있어 배수와 통기가 잘되는 토양이다.
본 연구에 적용된 라돈모니터링 시스템은 양산단층대에 포함되는 금정산 하부에 위치한다. 측정지점의 서편에는 금정산의 정상부인 금정봉(해발801m)이 있으며, 이를 중심으로 남북 방향으로 산악지형을 형성하고 있다.
지진발생빈도가 토양 내 라돈농도의 변화에 영향을 미치는지 알아보기 위해 2014년 1월부터 2017년 5월까지의 라돈평균농도와 지진횟수를 비교해 보았다. 지진발생빈도는 기상청의 공식자료를 이용하였다. 연도별 라돈평균농도와 연도별 지진발생빈도를 살펴보면 경주지진이 발생한 2016년의 지진발생빈도와 라돈 평균농도가 가장 높은 것을 확인할 수 있다(Fig.
본 연구에 적용된 라돈모니터링 시스템은 양산단층대에 포함되는 금정산 하부에 위치한다. 측정지점의 서편에는 금정산의 정상부인 금정봉(해발801m)이 있으며, 이를 중심으로 남북 방향으로 산악지형을 형성하고 있다. 금정산의 동과 서편에는 각각 동래 단층과 양산단층이 위치하며, 이곳을 따라 부산시 일원 주요 하천인 온천천과 낙동강이 형성되어 있다.
아다멜라이트는 동래단층을 포함하는 충적층을 중심으로 금정산의 넓은 지역에 분포하고 있다. 측정지점의 토양은 아다멜라이트로부터 유래된 잔류토양으로, 상부의 O층은 거의 없으며, A층과 B층의 구분이 명확하지 않으며, 1.5 m정도의 심도에서 C층이 발견되는 층의 발달이 미약한 인셉티졸(inceptisol)로 분류된다(Moon et al., 2009).
2). 측정지점의 토양은 화강암의 풍화 잔류 토양으로 점토의 양이 적고 조립의 입자가 많이 포함되어있어 배수와 통기가 잘되는 토양이다. 토양 내 라돈농도측정에는 프랑스 Algade사의 BRASOL BMC2 Multisensor probe를 사용하였다.

데이터처리

15년과 16년의 2월~5월 사이의 데이터는 라돈측정 장비의 오작동으로 인하여 누락되었다. 누락된 데이터는 이전년도(2014년) 동기간의 평균값을 적용하여 점선으로 표현하였다. 대기온도와 강수량은 부산지방 기상청 자료를 활용하였다.

이론/모형

, 2009; Vizzini and Brai, 2012)을 적용하였다. 그리고 측정지점에서의 지진감지에 대한 잠재성(earthquake detection potential)을 표현하는 earthquake effectiveness (Dobrovosky et al., 1979; Planinic et al., 2001; Zamazek et al., 2005)와 q factor (Miklavcic et al., 2008)를 계산하여, 지진에 따른 라돈의 이상변화 분석에 활용하였다:
토양 내 라돈농도의 이상변화와 지진과의 상관성 파악을 위해, 라돈의 계절평균으로부터 벗어나는 라돈농도의 이상변화현상을 표준편차의 크기(평균 ± 표준편차: n±1ρ, n±2ρ)에 따라 파악하는 방법(Zamazek et al., 2005; Ghosh et al., 2007; Kumar et al., 2009; Vizzini and Brai, 2012)을 적용하였다.
측정지점의 토양은 화강암의 풍화 잔류 토양으로 점토의 양이 적고 조립의 입자가 많이 포함되어있어 배수와 통기가 잘되는 토양이다. 토양 내 라돈농도측정에는 프랑스 Algade사의 BRASOL BMC2 Multisensor probe를 사용하였다. 이 라돈 측정기는 silicon alpha sensitive detector로, 외부전원의 공급 없이 배터리를 사용하여 장기간 토양 내 라돈 농도, 온도와 대기압의 연속측정이 가능하다.

성능/효과

(1) 2016년 9월 12일에 발생한 경주지진 전·후 3개월의 기간(2016년 6월 3일~2016년 12월 31일) 동안의 토양 내 라돈농도의 계절평균에서 표준편차의 2배 이상 벗어난 변화는 A1(7/3~7/5), A2(7/13), A3(8/4~8/5), A4(10/17~10/20)의 4구간으로 나타났다.
(1) 토양 내 라돈농도는 여름철이 높고 겨울철이 낮은 계절변화 양상을 나타내었다.
(2) 4개 구간의 라돈농도 변화를 환경요인(대기온도, 토양의 온도, 대기압)의 영향과 비교 분석한 결과, A1, A2, A3의 변화가 이들 환경요인과 무관한 라돈농도의 이상변화로 판단되었다.
(2) 대기온도와 토양온도가 높을수록 토양 내 라돈농가 높아지는 양의 상관관계(R²=0.9136)를 나타내었다.
(3) A1, A2, A3의 구간만을 포함한 기간(2016년 6월 3일~10월 13일)으로 축소하여 토양 내 라돈농도와 환경요인들(대기온도, 토양의 온도, 대기압, 강수량)과의 상관관계에 대하여 분석하면, 상관계수(R²)는 각각 0.2314, 0.1138, 0.00475로 매우 낮게 나타난다. 따라서 이들 라돈변화는 경주 지진에 의해 발생되는 토양 내 라돈의 이상변화임을 잘 시사한다.
(3) 대기압이 낮아질수록 토양 내 라돈농도 높아지는 음의 상관관계(R²=0.8496)를 나타내었다.
(4) ΔT(대기온도-토양온도)값은 그 차이가 클수록 토양 내 라돈농도가 높아지는 양의 상관관계(R2=0.6761)를 보였다.
(4) 경주 지진의 Earthquake effectiveness(ε)와 qfactor는 각각 1.09E-06, 57.017의 매우 큰 값으로 계산되어, 측정지점에서 경주 지진의 전조현상을 감지할 잠재성은 매우 큰 것으로 나타났다.
2014년 1월 1일부터 2017년 5월 31일까지의 장기변화와 2016년 6월 3일부터 2016년 12월 31일까지의 기간 동안의 대기온도와 토양 내 라돈농도 변화와의상관계수(R²)는 각각 0.9136(Fig. 4a)과 0.7550(Fig. 4f)으로 대기온도와 토양 내 라돈농도 변화와의 양의 상관관계가 잘 나타났다. 그러나 경주 지진 전 라돈농도의 이상변화 A1~A3를 포함한 구간인 2016년 6월 3일부터 2016년 10월 13일까지의 기간 동안의 대기온도와 토양 내 라돈농도 변화와의 상관계수(R²)는 0.
경주지진의 Earthquake effectiveness(ε)와 q-factor는 각각 1.09E-06, 57.017의 매우 큰 값으로 계산되어(Fig. 7), 측정지점에서 지진을 감지할 잠재성이 매우 큰 것으로 나타났다.
분석 결과 라돈농도가 각 구간의 평균에서 표준편차의 2배(±2ρ) 이상의 값을 가지는 이상변화 현상은 Fig. 7에서 나타나듯이 4개(A1~A4)의 구간으로 나타났다.
위와 같이 라돈농도의 이상변화 현상으로 판단되는 A1, A2, A3 구간을 포함한 약 4개월의 기간(2016년 6월 3일~ 2016년 10월 13일)에 대한 토양 내 라돈농도와 환경요인들(대기온도, 토양의 온도, 대기압)과의 상관관계에 대하여 분석한 결과, 경주지진의 전·후 3개월의 기간(2016년 6월 3일~12월 31일)의 기간에서 나타나는 상관성이 거의 나타나지 않았다(Fig. 4f~4o).
전술한 2개 기간 동안의 토양온도와 토양 내 라돈농도 변화와의 상관계수(R²)는 각각 0.8496(Fig. 4b)와0.7192(Fig. 4g)로서 양의 상관관계가 잘 나타났으나, 경주 지진 전 라돈농도의 이상변화가 나타난 구간인 2016년 6월 3일부터 2016년 10월 13일까지의 기간 동안의상관계수(R²)는 0.1138로 토양온도와 토양 내 라돈농도의 상관성이 매우 낮게 나타났다(Fig. 4l). 그리고 대기온도와 토양온도의 차이에 따른 대기 순환의 상관계수(R²)도 0.
3c). 즉,저기압이 우세한 여름철에 토양 내 라돈농도가 높게 나타나며, 고기압이 우세한 겨울철에는 라돈농도가 낮게 나타나는 계절적 변화 특성이 나타났다. 이들의 상관계수(R²)는 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	라돈의 농도 변화가 지각 변형의 초기 증거인 이유는 무엇인가?	토양과 지하수 내 라돈의 농도 변화는 지각의 지구조론적 변형의 초기 증거가 된다. 지진발생 전에 지역적 응력의 증가는 지각 암석의 미세균열을 형성하게 됨으로, 암석의 표면적이 증가로 인한 라돈의 발산력 증가로 토양 및 지하수 내 라돈 농도의 일시적 증가가 수반될 수 있으며, 지진의 전조 현상으로 수일~수개월 사이에 나타난다(Teng, 1980; Igarashi et al., 1995; Kuo et al.
	라돈농도를 지진 예측에 사용하기 위해서는 변화 요인에 대한 분석이 선행되어야 하는 이유는 무엇인가?	, 2005)과 같은 진도 5이상의 대규모 지진에 대한 라돈이상과 지진과의 상관성은 확연이 나타남으로라돈이상이 지진예측이 가능한 전조현상으로 잘 활용될 수 있음을 보여 주었다. 그러나 토양 내 라돈농도는 기후요인(대기온도, 압력과 강수량)과 토양 온·습도와 지하수의 경우에는 수리학적 변수 같은 다양한 요인에 따라 변화한다. 따라서 이들 변화요인들에 대한 분석 자료가 확보되어야만, 지진과 같은 비 지속적인 현상이 발생할 경우 수반되는 이상변화현상이 구분이 가능하다.
	지진을 예측하기 위한 연구에는 무엇이 있는가?	오늘날 지진으로 인한 피해를 줄이고 대책을 수립하기 위한 지진예측방법에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 지진을 예측하기 위한 연구는 라돈의 농도를 관찰함으로써 지진을 예측하는 연구, 암석의 전기저항의 값을 관측하여 지진을 예측하는 연구, 지진의 활동 비율변화를 관찰하여 지진을 예측하는 연구, 지평면의 수준변화를 관측하여 지진을 예측하는 연구 등이 이용되고 있다. 지진예측을 위한 전조현상으로 토양과 지하수 내 라돈농도의 이상변화현상에 대한 연구가 꾸준히 시도되고 있다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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