중국 만주지역은 백두산이라는 거대한 화산이 존재하는 지질학적, 지구물리학적으로 중요한 곳이다. 백두산은 전 세계에서 규모가 가장 큰 화산 중 하나이며, 최근 분화 조짐이 보이면서 사람들의 관심이 집중되어 있다. 본 연구는 중국 만주지역의 하부 깊이 약 100 ~ 600 km 사이의 속도구조를 파악하기 위해 S파 상대주시 토모그래피를 수행하였다. 연구에는 IRIS (Incorporated Research Institutions for Seismology)에서 제공하는 Necess Array (North East China Extended SeiSmic Array)에 기록된 2009 ~ 2011년 기간 동안 진앙거리 $30^{\circ}$ 이상 $90^{\circ}$ 미만의 지진 자료를 사용하였다. 획득한 자료들에 다중채널 상호상관법(multi-channel cross-correlation method)을 적용함으로써 상대주시를 계산하였다. 그 결과 중국 만주 지역에 분포하는 화산지대와 토모그래피 이미지에서 나타나는 저속도 이상체의 위치가 동일함을 관측하였다. 백두산 하부 100 ~ 600 km 사이에 저속도 이상이 발견되었으며 이 저속도 이상체는 백두산의 마그마 공급과 연관이 있을 것으로 판단된다. 서쪽에 다통 화산지대 동쪽 하부 300 km 부근까지, 북쪽에 우달리안치 화산지대의 경우 하부 200 km 부근 까지 저속도 이상이 발견되었다. 이 저속도 이상체는 백두산의 형성과 생성원인이 다르며, 다통 화산지대 동쪽 저속도 이상의 경우 깊은 맨틀에서의 상승류에 의해 생성되었을 가능성이 있으며, 우달리안치 화산의 경우 연약권에 상승류에 의해 생성된 것으로 판단된다.
중국 만주지역은 백두산이라는 거대한 화산이 존재하는 지질학적, 지구물리학적으로 중요한 곳이다. 백두산은 전 세계에서 규모가 가장 큰 화산 중 하나이며, 최근 분화 조짐이 보이면서 사람들의 관심이 집중되어 있다. 본 연구는 중국 만주지역의 하부 깊이 약 100 ~ 600 km 사이의 속도구조를 파악하기 위해 S파 상대주시 토모그래피를 수행하였다. 연구에는 IRIS (Incorporated Research Institutions for Seismology)에서 제공하는 Necess Array (North East China Extended SeiSmic Array)에 기록된 2009 ~ 2011년 기간 동안 진앙거리 $30^{\circ}$ 이상 $90^{\circ}$ 미만의 지진 자료를 사용하였다. 획득한 자료들에 다중채널 상호상관법(multi-channel cross-correlation method)을 적용함으로써 상대주시를 계산하였다. 그 결과 중국 만주 지역에 분포하는 화산지대와 토모그래피 이미지에서 나타나는 저속도 이상체의 위치가 동일함을 관측하였다. 백두산 하부 100 ~ 600 km 사이에 저속도 이상이 발견되었으며 이 저속도 이상체는 백두산의 마그마 공급과 연관이 있을 것으로 판단된다. 서쪽에 다통 화산지대 동쪽 하부 300 km 부근까지, 북쪽에 우달리안치 화산지대의 경우 하부 200 km 부근 까지 저속도 이상이 발견되었다. 이 저속도 이상체는 백두산의 형성과 생성원인이 다르며, 다통 화산지대 동쪽 저속도 이상의 경우 깊은 맨틀에서의 상승류에 의해 생성되었을 가능성이 있으며, 우달리안치 화산의 경우 연약권에 상승류에 의해 생성된 것으로 판단된다.
The Northeast China is an important site geologically and geophysically because of a huge volcano called Mt. Baekdu, which is one of the largest volcanoes in the world. Signs of eruption have been recently observed and people are keen to its behavior. We carried out relative travel time tomography t...
The Northeast China is an important site geologically and geophysically because of a huge volcano called Mt. Baekdu, which is one of the largest volcanoes in the world. Signs of eruption have been recently observed and people are keen to its behavior. We carried out relative travel time tomography to investigate the velocity structure between 100 ~ 600 km depth beneath Northeast China. We used teleseismic data during 2009 ~ 2011 recorded in NecessArray provided by IRIS (Incorporated Research Institute for Seismology). The relative observations were obtained by using the multi-channel cross-correlation method. Based on the tomographic results, we observed that the locations beneath which low-velocity zones are observed coincide with the locations of several volcanic regions in Northeast China. A low-velocity anomaly is revealed beneath Mt. Baekdu down to 600 km depth, which is thought to the main origin of the magma supply for Mt. Baekdu. Another low velocity anomaly is observed beneath east of the Datong volcano down to around 300 km depth, which is inferred to be related to an upwelling from deep mantle. We observed a low velocity anomaly beneath the Wudalianchi volcano down to around 200 km depth, which may imply that this volcano has been formed by an upwelling from the asthenosphere.
The Northeast China is an important site geologically and geophysically because of a huge volcano called Mt. Baekdu, which is one of the largest volcanoes in the world. Signs of eruption have been recently observed and people are keen to its behavior. We carried out relative travel time tomography to investigate the velocity structure between 100 ~ 600 km depth beneath Northeast China. We used teleseismic data during 2009 ~ 2011 recorded in NecessArray provided by IRIS (Incorporated Research Institute for Seismology). The relative observations were obtained by using the multi-channel cross-correlation method. Based on the tomographic results, we observed that the locations beneath which low-velocity zones are observed coincide with the locations of several volcanic regions in Northeast China. A low-velocity anomaly is revealed beneath Mt. Baekdu down to 600 km depth, which is thought to the main origin of the magma supply for Mt. Baekdu. Another low velocity anomaly is observed beneath east of the Datong volcano down to around 300 km depth, which is inferred to be related to an upwelling from deep mantle. We observed a low velocity anomaly beneath the Wudalianchi volcano down to around 200 km depth, which may imply that this volcano has been formed by an upwelling from the asthenosphere.
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문제 정의
우리는 S파 상대주시 계산을 보다 정확히 계산하기 위하여 다중채널 상호상관법(multi-channel cross-correlation)을 적용 하였다(Vandecar and Crosson, 1990). 본 연구를 통해 중국 북동부 지역에 화산의 생성원인과 마그마 공급 메커니즘을 밝히고자 하였으며 기존 연구보다 좁은 범위의 연구지역을 설정하여 보다 정확한 지하 속도 구조 모델을 얻고자 하였다.
1). 본 연구에서는 중국 북동부 지역의 S파 맨틀 속도 구조를 얻기 위해서 진앙 거리 30o 이상 90o 이하의 원거리 지진을 사용하여 S파 상대주시 토모그래피를 수행하였다. 진앙거리 30o 이하의 지진의 경우 파선들의 대부분이 복잡한 상부맨틀을 지나기 때문에 자료로 사용하기에 부적합하며, 진앙거리 90o 이상의 지진의 경우 파선이 외핵을 통과하기 때문에 S파 추출이 불가능하다.
제안 방법
진앙거리 30o 이하의 지진의 경우 파선들의 대부분이 복잡한 상부맨틀을 지나기 때문에 자료로 사용하기에 부적합하며, 진앙거리 90o 이상의 지진의 경우 파선이 외핵을 통과하기 때문에 S파 추출이 불가능하다. 계기보정 등을 포함한 전처리 과정을 거친 후 S파 파형을 부각시키기 위해서 본 연구에서는 0.04 ~ 0.01 Hz 대역의 버터워스 주파수 대역 필터(Butterworth bandpassfilter)를 사용 하였다.
최종적인 토모그래피 결과가 어느 정도의 신뢰도를 가지는지에 대해 평가할 필요가 있다. 그래서 본 연구에서는 수평, 수직 격자 테스트를 통하여 최종적인 토모그래피 결과에 해상도를 평가하였다. 수평, 수직 격자 테스트는 격자 기준 모델을 통과하는 파선에 대한 합성 데이터 벡터를 얻은 후에 실제 역산 과정과 동일한 역산 과정을 통하여 수행했다.
본 연구에서는 중국 만주지역에 지하의 속도구조를 알아내고자 NecessArray 에 기록된 자료들을 이용하였다. 다중채널 상호상관법을 통해서 획득된 S파 상대주시를 이용하였으며 역산을 통하여 중국 북동부 지역의 맨틀 속도구조 모델을 계산하였다. 해상도 테스트를 통하여 토모그래피 결과에 대한 해상도를 평가했다.
파선 이론에 기초한 파선 추적을 통해 파선의 경로를 제공하였다. 이후 토모그래피에서 사용되는 모델 격자의 셀이 주시에 끼치는 영향을 나타내는 민감도 행렬(sensitvity kernel), G를 계산하였다. 앞서 언급한 바와 같이 다중채널 상호상관법을 통해 획득된 상대주시에서 기준모델을 통해 예측된 상대주시를 빼주고, 각 파선의 경로에 대한 상대주시 잔차(residual)을 계산하여 데이터 벡터(data vector), d를 구성하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 중국 만주지역에 지하의 속도구조를 알아내고자 NecessArray 에 기록된 자료들을 이용하였다. 다중채널 상호상관법을 통해서 획득된 S파 상대주시를 이용하였으며 역산을 통하여 중국 북동부 지역의 맨틀 속도구조 모델을 계산하였다.
이 연구에서 중국에 2009년부터 2011년까지 설치되어 있었던 NecessArray라 불리는 임시 지진관측망을 사용 하였다(Fig. 1).
이론/모형
그렇기 때문에 상호상관을 통하여 구해진 지연시간이 정확하다고 말하기 어렵다. 그래서 지연시간으로부터 가장 정확한 상대주시를 구하기 위해 본 연구에서는 최소 자승법(least squares method)을 이용하였다. 그리고 식 (1)에서 관측소의 개수가 n개라면 식 (1)은 다음과 같은 조건을 갖게 된다.
본 연구에서 역산은 IASP91 모델(Kennett and Engdahl,1991)을 기준모델로 사용하였다. 파선 이론에 기초한 파선 추적을 통해 파선의 경로를 제공하였다.
아직까지 백두산의 생성 원인에 대해서 정확하게 밝혀진 것이 없으며 후속 연구가 진행되고 있는 실정이다. 우리는 S파 상대주시 계산을 보다 정확히 계산하기 위하여 다중채널 상호상관법(multi-channel cross-correlation)을 적용 하였다(Vandecar and Crosson, 1990). 본 연구를 통해 중국 북동부 지역에 화산의 생성원인과 마그마 공급 메커니즘을 밝히고자 하였으며 기존 연구보다 좁은 범위의 연구지역을 설정하여 보다 정확한 지하 속도 구조 모델을 얻고자 하였다.
성능/효과
4는 본 연구의 최종 토모그래피 결과를 깊이 별로 보여준다. 역산을 수행하여 관측값과 예측값의 차이인 잔차의 값이 초기모델에서 계산된 것과 비교하여 66% 감소하는 것을 확인하였다. 지하 100 ~ 500 km까지 관찰되는 저속도 이상과 고속도 이상은 깊어질수록 속도 이상의 크기는 약해지고, 범위는 넓어지는 모습을 볼 수 있다.
이런 현상은 해상도 테스트를 고려해 볼 때 깊이가 깊어질수록 해상도가 떨어지는 것에 기인한 것으로 생각된다. 중국 북동부 지역에 위치하는 화산지대의 위치와 토모그래피 결과에서 나타나는 저속도 이상의 위치가 상당 부분 일치하는 것을 볼 수 있다. 중국 북동부에 위치하는 큰 화산지대인 북쪽의 우달리안치 화산지대, 서쪽의 다통 화산지대 부근, 그리고 남동쪽에 위치하는 백두산 지역 하부에 저속도 이상이 분포한다.
해상도 테스트를 통하여 토모그래피 결과에 대한 해상도를 평가했다. 토모그래피 결과에서 중국 북동부 지역에 위치한 화산지대와 일치하는 지역 하부에 저속도 이상이 나타났다. 백두산 하부의 지하 600 km 부근까지 저속도 이상이 존재하는 것을 확인했다.
백두산 하부의 지하 600 km 부근까지 저속도 이상이 존재하는 것을 확인했다. 해상도 테스트의 결과를 생각해보면 본 연구의 결과로 백두산의 마그마 공급 메커니즘에 대한 명확한 설명을 하기에는 부족함이 있으나 맨틀 전이대까지 저속도 이상이 존재하는 것으로 볼 때 만주에 존재하는 다른 화산들에 비해 다른 생성 요인이 있음을 추론할 수 있었다. 다통 화산지대 부근의 경우 백두산의 마그마 근원과 이어져 있는 것으로 볼 수 있지만 해상도의 제약으로 인해 단정 지을 수 없으며,오히려 그 서쪽의 깊은 맨틀에 존재하는, 약하지만 넓은 범위의 저속도 이상과 연결되어 있는 것으로 추측된다.
맨틀 전이대에서의 상승작용이 백두산 화산의 마그마 공급에 영향을 주고 있다고 판단할 수 있다. 해상도 테스트의 결과를 생각해보면 본 연구의 결과로 백두산의 마그마 공급 메커니즘에 대해 설명하기에는 무리가 있으나 맨틀 전이대까지 저속도 이상이 존재하는 것으로 볼 때 중국 북동부 지역에 존재하는 다른 화산들에 비해 다른 생성요인이 있음을 추론 할 수 있었다. 다통 화산지대 동쪽부근의 경우 백두산의 마그마 근원과 이어져 있는 것처럼 볼 수 있으나 해상도의 제약으로 인해 단정 지을 수는 없다.
상대적으로 다른 방향의지진보다 남동쪽의 판의 경계부, 즉 파푸아 뉴기니 부근에서 발생한 지진을 많이 사용하게 되었다. 해상도가 좋기 위해서는 연구지역을 중심으로 다양한 방향에서의 파선 입사가 이루어져야 하지만 본 연구에서는 남동쪽 방향의 지진이 많은 양을 차지하여 격자 테스트 결과에서 격자가 남동쪽으로 신장되는모습을 보였다. 수직 격자 테스트에서도 A-A’, B-B’의 결과에서는 격자들의 형태가 잘 복원되는 좋은 해상도를 가지지만 C-C’의 결과에서는 격자가 잘 복원되지 못하고 신장되는 현상이 발견된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
다중채널 상호상관법이란 무엇인가?
다중채널 상호상관법은 동일한 지진에서 발생한 지진파가 여러 관측소에 도달했을 때 각 관측소에 기록된 동일한 지진의 파형의 상호상관을 통해서 원거리 지진에 대한 각 관측소의 상대 주시를 결정하는 반자동 방법이다(VanDecar andCrosson, 1990). 절대주시 측정은 각 사람의 주관에 따라 좌우되는 문제점을 가지고 있는 것에 반해 상대주시 측정의 경우 각 관측소의 평균주시를 기준으로 정해지고, 상호 상관을 통해 계산되기 때문에 절대 주시를 사용할 때 보다 훨씬 더 정밀하고 객관적인 측정이 가능하다.
다중채널 상호상관법에서 지연시간(lag time)은 무엇인가?
절대주시 측정은 각 사람의 주관에 따라 좌우되는 문제점을 가지고 있는 것에 반해 상대주시 측정의 경우 각 관측소의 평균주시를 기준으로 정해지고, 상호 상관을 통해 계산되기 때문에 절대 주시를 사용할 때 보다 훨씬 더 정밀하고 객관적인 측정이 가능하다. 다중채널 상호상관법은 파형의 유사성을 이용하여 상호상관을 통해 상관함수의 값이 최대가 되는 시간을 찾는다. 이것을 지연시간(lag time)이라고 하며 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.
상대주시 측정의 장점은 무엇인가?
다중채널 상호상관법은 동일한 지진에서 발생한 지진파가 여러 관측소에 도달했을 때 각 관측소에 기록된 동일한 지진의 파형의 상호상관을 통해서 원거리 지진에 대한 각 관측소의 상대 주시를 결정하는 반자동 방법이다(VanDecar andCrosson, 1990). 절대주시 측정은 각 사람의 주관에 따라 좌우되는 문제점을 가지고 있는 것에 반해 상대주시 측정의 경우 각 관측소의 평균주시를 기준으로 정해지고, 상호 상관을 통해 계산되기 때문에 절대 주시를 사용할 때 보다 훨씬 더 정밀하고 객관적인 측정이 가능하다. 다중채널 상호상관법은 파형의 유사성을 이용하여 상호상관을 통해 상관함수의 값이 최대가 되는 시간을 찾는다.
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