[논문]지전류 모니터링 기반 지진 감지 가능성 연구

노명근; 이희순; 안태규; 전서강; 정호준

doi:10.7582/gge.2019.22.3.107

지전류 모니터링 기반 지진 감지 가능성 연구
A Study on the Possibility of the Earthquake Detection based on Telluric Current Monitoring 원문보기

지구물리와 물리탐사 = Geophysics and geophysical exploration, v.22 no.3, 2019년, pp.107 - 115

노명근 ((주)지오룩스) , 이희순 ((주)지오룩스) , 안태규 ((주)지오룩스) , 전서강 ((주)지오룩스) , 정호준 ((주)휴먼앤어스)

초록
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최근 발생하는 경주 및 포항 일대의 지진으로 지진 감지 연구의 중요성이 높아지고 있다. 보통 지진 활동 과정에서 막대한 양의 에너지가 축적되므로 지구물리학적 관측 값의 변화가 발생한다. 지진발생 전 혹은 동시에 압전 효과(piezoelectric effect) 및 동전기 효과(electrokinetic effect) 등에 의해 지전류의 변화가 예상 가능하며, 이러한 변화치가 통상적인 지전류 잡음수준을 넘어서는 크기로 발생된다면, 지진과 관련된 전기장의 변화를 측정가능하게 된다. 본 연구에서는 지전류를 상시 모니터링 할 수 있는 지전류 모니터링 시스템을 자체 개발하고 현장 검증하였다. 지전류 모니터링 시스템의 현장 검증을 위해 포항시 일대에서 동서 방향 40 m, 남북 방향 28 m로 측선을 설치하였다. 약 1개월간 1 kHz 샘플링의 지전류 데이터를 모니터링 하였고, 관측 기간 동안 발생한 국내 지진을 토대로 지진 신호(signal)와 주변 전기적 잡음(noise)의 자료 처리를 통해 비교 분석하였다. 측정된 시계열 자료로부터 지진과 관련된 유의미한 신호가 포착되는지 검토하였으며, 본 연구를 통해 향후 지속적인 연구의 방향을 제시하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, since earthquakes have happened frequently in Gyeongju and Pohang areas in Korea, the earthquake detection research gets lots of attention. Geophysical monitoring data have been changed during the earthquake activity because the huge amount of energy is accumulated. The change of telluric current can be predicted by both of piezoelectric and electrokinetic effects before or during the earthquake occurrence, and if the change value exceeds the conventional telluric current noise, we can measure changes in the electric field associated with earthquakes. In this study, we have self-developed and verified the system that can monitor the telluric current. In order to verify our telluric current monitoring system, we installed lines of 40 m (E-W direction) and 28 m (N-S direction) on the site in Pohang. The telluric currents were sampled at 1 kHz for about a month. We have compared and analyzed the data of earthquake signals and electrical noises based on the earthquakes that occurred during the monitoring period. We have monitored if there were significant signals related to the earthquake on measured time series data. Through this study, we will suggest the direction of continuous research in the future.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Changes in the number of earthquake occurrences (KMA, 2019).
그림 Fig. 2. System diagram of installation for telluric current monitoring.
그림 Fig. 3. Location of study area and earthquakes during the monitoring period (A-E).
표 Table 1. Information of earthquakes during the monitoring period (A-E) (KMA, 2018).
그림 Fig. 4. Components of telluric current monitoring system. (a) NI PXI-1031 DC slot chassis, (b) analog board and (c) PE5 electrode.
그림 Fig. 5. Picture of study area. (a) The view of monitoring site, (b) installation of system, (c) analog board and (d) PE5 electrode.
그림 Fig. 6. Data processing program. (a) Data acquisition and (b) data analysis.
그림 Fig. 7. Time series data measured over 24 hours on October 3. (a) N-S direction and (b) E-W direction.
그림 Fig. 8. Fourier transform results of N-S direction time series data on October 3. (a) Notch filter and (b) raw data and filtered data.
그림 Fig. 9. Comparison of notch filtered time series data (October 3: blue, October 25: orange).
그림 Fig. 10. Telluric current monitoring results by date according to changes in rainfall. (a) October 3 and October 18, (b) October 25 and October 18 and (c) rainfall variation for October 2018 (KMA, 2018).
그림 Fig. 11. Comparison between non-earthquake background data and result of 10 second interval of anomaly data. The main frequency represents a 5 Hz difference.

AI 본문요약
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문제 정의

, 2017)을 기준으로 삼았다. 본 연구는 지전류 모니터링 자료를 기반으로 지진 감지 분석의 가능성을 파악하는 것에 주안점을 둔 국내에서 처음으로 시도되는 연구이다. 따라서 개발한 지전류 장비의 현장 테스트를 위해 포항 지역에 설치하여 약 1개월간 모니터링을 수행하였다.
8(b)의 결과와 같이 원자료보다 필터를 거친 자료가 진폭이 작아지고 있는 양상을 볼 수 있다. 주변 전력선으로 인한 60 Hz와 고조파의 주파수대역 진폭이 크므로, 이를 제거하여 배경자료를 생성하고, 배경자료에 기반한 지전류 이상대 분석을 실시하고자 하였다.
지진 감지를 위해 사용된 지전류 모니터링 시스템은 국내에서는 처음 개발되는 것이고 국제적으로도 대부분 측정 장비들은 연구를 위해 제작된 것으로 자세한 사양이 알려져 있지는 않다. 최근 Blum et al. (2017)의 논문에 미국 Boulder 일원에 기존의 운영되던 USGS 자기장 모니터링 사이트에 추가로 지전류 모니터링을 제작 설치한 내용을 보고 하였으며, 이 논문에 비교적 상세한 규격이 있고 성공적으로 지전류 모니터링을 수행하고 있어서 이를 제작의 기준으로 삼았다.

제안 방법

경상북도 포항 지역에서의 지진 감지를 위해 지전류 모니터링 시스템을 구축하여 약 1개월간 현장 검증하였다. 연구 지역에 동서 방향 40 m, 남북 방향 28 m 측선을 설치하였다.
본 연구는 지전류 모니터링 자료를 기반으로 지진 감지 분석의 가능성을 파악하는 것에 주안점을 둔 국내에서 처음으로 시도되는 연구이다. 따라서 개발한 지전류 장비의 현장 테스트를 위해 포항 지역에 설치하여 약 1개월간 모니터링을 수행하였다.
발생 시각은 05시 53분 46초로 잡음이 적은 시간대에 발생하였다. 따라서 동일한 시간대의 10월 03일 자료와 10월 25일 자료에 대한 시계열 분석을 통해 지진에 대한 변화양상을 비교하였다.
아날로그 보드는 외부입력(DC Jack DC 24V (100 mA)), 내부입력(DC +5V, -5V)으로 출력된다. 마지막으로 비분극 전극은 캐나다 Phoenix사에서 개발한 PE5 모델로 휴대성이 간편하며 양질의 전위 측정값을 제공한다. 세부 규격으로는 크기 13 cm × 7.
연구 지역에서 지전류 모니터링은 약 1개월간 진행되었으며, 본 시스템은 미국 USGS에서 최근 설치된 지전류 모니터링 사이트의 규격을 기본으로 하였다. 미국 시스템은 10 Hz 샘플링이지만, 본 시스템은 그보다 높은 1 kHz 샘플링으로 테스트를 수행하였다. 데이터 샘플링은 일본에서 다양한 주파수 대역(VLF: 1 ~ 9 kHz, ULF: 0.
특히 연구 지역인 포항시 흥해읍 일대에서 가장 가까운 곳에서 발생한 지진 위치는 경북 경주시 남남서쪽으로 약 40 km 이격된 지역에서 발생한 지진(번호 E)이다. 발생 위치와 규모가 다른 지진 자료를 지전류 모니터링 자료와의 상관성을 파악하고자 데이터 처리를 통해 지진 감지 분석에 활용하였다.
본 연구에서 측정된 자료가 Fig. 9와 같은 지전류 이상대가 지진이 없는 날에도 측정이 되었는지 확인하기 위해 강수량 및 날씨를 고려한 3일을 선정하여 변화양상을 비교하였다. Fig.
본 연구에서는 Fig. 10에 나타난 변화양상을 비교하기 위해 배경자료와 지전류값 이상대 자료의 10초간 측정한 자료를 선정하여 푸리에 변환(Fourier transform)을 실시하였다. 푸리에 변환 전 60 Hz와 고조파 영향을 제거하기 위해 노치필터를 적용하였다.
본 연구에서는 상대적으로 잡음이 적은 지역을 선정하였으나 전력선에서 발생하는 60 Hz와 고조파(Harmonics)의 영향이 남아 이를 제거하기 위해 노치필터(Notch filter)를 적용하였다. Fig.
8은 10월 03일 동서 방향으로 측정된 자료에 대해 푸리에 변환(Fourier transform)을 실시한 결과이다. 샘플길이는 24시간, 샘플링 간격은 1 kHz로 하여 매트랩(MATLAB) 프로그램을 이용하여 푸리에 변환을 실시하였다.
연구 지역에 동서 방향 40 m, 남북 방향 28 m 측선을 설치하였다. 약 1개월간 1 kHz 샘플링의 지전류 데이터를 모니터링 하였고, 관측 기간 동안 발생한 국내 지진을 토대로 지진 신호(Signal)와 주변 전기적 잡음(Noise)의 자료 처리를 통해 지진 감지 분석 가능성 연구를 수행하였다.
연구 지역에서 약 1개월간의 안정적인 지전류 모니터링 시스템 운영을 위해 주변 인공적인 전기적 잡음의 영향을 최소화하였으며, AC 전원 공급을 통해 지속적인 모니터링이 가능하도록 수행하였다. 연구 지역은 수풀이 우거지고, 주변이 논밭으로 이루어진 평평한 지형 특성을 가진다(Fig.
연구 지역에서 지전류 모니터링은 약 1개월간 진행되었으며, 본 시스템은 미국 USGS에서 최근 설치된 지전류 모니터링 사이트의 규격을 기본으로 하였다. 미국 시스템은 10 Hz 샘플링이지만, 본 시스템은 그보다 높은 1 kHz 샘플링으로 테스트를 수행하였다.
2), 접지전극(Earth electrode)을 추가 설치하였다. 전극은 온도와 습도 등의 변화로 인한 영향을 최소화하기 위해 약 30 cm 정도 깊이에 위치시키고, 지면과의 접지 효과를 높이기 위해 소금물과 토양을 혼합한 겔(Gel) 형태로 압착하여 매설하였다. 연구 지역은 논과 밭으로 이루어진 지역이지만, 주변에 철로가 위치하고 있어 자료해석 시 그 영향을 고려하였다.
이는 국내 전력선의 주파수가 60 Hz로서 이 영향으로 측정값에 영향을 준 것으로 예상된다. 측정 자료는 노치필터를 실시하여 60 Hz의 진폭을 제거하여 측정 자료를 비교하였다. Fig.
이 결과를 통해 연구 지역에 대한 배경이 되는 각 방향의 전위차는 오전 3시에서 5시까지 측정된 값이 될 것으로 사료되고, 본 연구에서는 배경자료라고 명명하였다. 측정된 자료에 대한 노이즈 제거를 위해 주파수 대역으로 변환하여 변화 양상을 확인하였다.
7은 10월 03일에 24시간 동안 측정된 자료이다. 측정은 중심 전극에서 동서남북 각 방향으로 측정된 자료를 이용하여 남북 방향과 동서 방향의 전위차를 구하여 자료 값을 나타내었다. Fig.
10에 나타난 변화양상을 비교하기 위해 배경자료와 지전류값 이상대 자료의 10초간 측정한 자료를 선정하여 푸리에 변환(Fourier transform)을 실시하였다. 푸리에 변환 전 60 Hz와 고조파 영향을 제거하기 위해 노치필터를 적용하였다. Fig.
각 나라마다 지전류 모니터링 측정 주파수가 서로 상이한데, 우리나라 상황에서는 처음 시도되는 것이라 다양한 테스트를 수행하는 것이 좋을 것으로 판단되며, 데이터 저장 장치 및 전송 등 복잡한 문제들이 얽혀있어 향후 연구를 통해 해결해야될 부분으로 사료된다. 현장에서 양질의 자료를 확보하기 위해 별도의 자료 취득 프로그램을 개발하여 즉각적인 자료 확인을 수행하였으며, 비분극 전극으로부터 도출되는 전압측정 결과를 실시간으로 확인하였다(Fig. 6(a)).
각 나라마다 지전류 모니터링 측정 주파수가 서로 상이한데, 우리나라 상황에서는 처음 시도되는 것이라 다양한 테스트를 수행하는 것이 좋을 것으로 판단되며, 데이터 저장 장치 및 전송 등 복잡한 문제들이 얽혀있어 향후 연구를 통해 해결해야될 부분으로 사료된다. 현장에서 양질의 자료를 확보하기 위해 별도의 자료 취득 프로그램을 개발하여 즉각적인 자료 확인을 수행하였으며, 비분극 전극으로부터 도출되는 전압측정 결과를 실시간으로 확인하였다(Fig. 6(a)).

대상 데이터

0이상의 지진까지 다양하게 발생하였다. ㈜지오룩스에서 자체 개발한 지전류 모니터링 시스템은 포항시 흥해읍 일대에 동서 방향 40 m, 남북 방향 28 m 측선을 설정하였으며(Fig. 2), 접지전극(Earth electrode)을 추가 설치하였다. 전극은 온도와 습도 등의 변화로 인한 영향을 최소화하기 위해 약 30 cm 정도 깊이에 위치시키고, 지면과의 접지 효과를 높이기 위해 소금물과 토양을 혼합한 겔(Gel) 형태로 압착하여 매설하였다.
미국 시스템은 10 Hz 샘플링이지만, 본 시스템은 그보다 높은 1 kHz 샘플링으로 테스트를 수행하였다. 데이터 샘플링은 일본에서 다양한 주파수 대역(VLF: 1 ~ 9 kHz, ULF: 0.01 ~ 0.7 Hz 등)의 지전류 데이터 모니터링으로 지진전조 현상을 분석한 사례를 참고하였다 (Fujinawa et al., 2011). 각 나라마다 지전류 모니터링 측정 주파수가 서로 상이한데, 우리나라 상황에서는 처음 시도되는 것이라 다양한 테스트를 수행하는 것이 좋을 것으로 판단되며, 데이터 저장 장치 및 전송 등 복잡한 문제들이 얽혀있어 향후 연구를 통해 해결해야될 부분으로 사료된다.
본 연구에서는 최근 기상청에서 발표한 정보를 수집하여 지진이 많이 발생한 지역을 선정하여 탐사를 진행하였다. 포항에서 최근 여진 포함하여 100회 이상의 지진이 발생하였고, 규모도 2.
경상북도 포항 지역에서의 지진 감지를 위해 지전류 모니터링 시스템을 구축하여 약 1개월간 현장 검증하였다. 연구 지역에 동서 방향 40 m, 남북 방향 28 m 측선을 설치하였다. 약 1개월간 1 kHz 샘플링의 지전류 데이터를 모니터링 하였고, 관측 기간 동안 발생한 국내 지진을 토대로 지진 신호(Signal)와 주변 전기적 잡음(Noise)의 자료 처리를 통해 지진 감지 분석 가능성 연구를 수행하였다.
연구 지역인 포항시 흥해읍을 기준으로 가장 가까운 진앙지는 경주지역에서 발생한 규모 2.3(번호 E)의 지진으로 거리는 약 40 km 이격된 지역이다. 발생 시각은 05시 53분 46초로 잡음이 적은 시간대에 발생하였다.
지전류 변화양상에 대한 자료 분석은 10월 02일부터 10월 30일까지 발생한 지진 정보(Table 1)를 참조하였다. 연구 지역인 포항시 흥해읍을 기준으로 가장 가까운 진앙지는 경주지역에서 발생한 규모 2.3(번호 E)의 지진으로 거리는 약 40 km에 떨어진 지역이다. 발생 시각은 05시 53분 46초로 잡음이 적은 시간대에 발생하였다.
지전류 변화양상에 대한 자료 분석은 10월 02일부터 10월 30일까지 발생한 지진 정보(Table 1)를 참조하였다. 연구 지역인 포항시 흥해읍을 기준으로 가장 가까운 진앙지는 경주지역에서 발생한 규모 2.
3), 기상청에서 발표한 내용을 토대로 정리한 지진 정보는 Table 1과 같다. 특히 연구 지역인 포항시 흥해읍 일대에서 가장 가까운 곳에서 발생한 지진 위치는 경북 경주시 남남서쪽으로 약 40 km 이격된 지역에서 발생한 지진(번호 E)이다. 발생 위치와 규모가 다른 지진 자료를 지전류 모니터링 자료와의 상관성을 파악하고자 데이터 처리를 통해 지진 감지 분석에 활용하였다.

데이터처리

푸리에 변환 전 60 Hz와 고조파 영향을 제거하기 위해 노치필터를 적용하였다. Fig. 11과 같은 결과를 얻고, 이를 분석하기 위해 10 Hz구간 이하 주파수 대역을 비교하였다. 일본과 이탈리아에서는 ULF 및 VLF 대역에서 지진 전조가 관측된다고 하였지만, 국내에서는 처음 시도한 측정으로서 1개월간의 측정으로 이러한 변화양상을 관측하기 어렵다고 판단하여 평소 측정된 새벽의 잡음이 적은 배경자료와 지진 전에 발생한 변화양상 자료에 대한 주요 주파수 비교를 실시하였다.
6(a)). 측정된 자료는 시계열 분석과 주파수 분석을 위해 매트랩(Matlab)을 기반으로 변환 프로그램을 제작하여 활용하였다 (Fig. 6(b)).

이론/모형

자체 개발한 장비의 규격은 미국 Boulder에 USGS에서 지전류 모니터링을 제작 설치한 내용(Blum et al., 2017)을 기준으로 삼았다. 본 연구는 지전류 모니터링 자료를 기반으로 지진 감지 분석의 가능성을 파악하는 것에 주안점을 둔 국내에서 처음으로 시도되는 연구이다.
현장에서 양질의 자료를 확보하기 위해 별도의 자료 취득 프로그램을 개발하여 즉각적인 자료 확인을 수행하였으며, 비분극 전극으로부터 도출되는 전압측정 결과를 실시간으로 확인하였다. 측정된 자료는 시계열 분석과 주파수 분석을 위해 매트랩(Matlab)을 기반으로 변환 프로그램을 제작하여 활용하였다.

성능/효과

Fig. 8(a)는 원자료를 주파수 대역으로 변환한 결과로서, 60 Hz와 고조파로 인해 진폭(amplitude)이 커지는 것을 볼 수 있다. 이는 국내 전력선의 주파수가 60 Hz로서 이 영향으로 측정값에 영향을 준 것으로 예상된다.
본 연구에서는 E지점에서의 지진 발생 시각(10월 25일 05:53:46)보다 대략 두 시간 전에 지전류 데이터에서 진폭 변화가 두 차례 나타나 이를 10초간 자료를 1 kHz 샘플링으로 푸리에 변환을 한 결과 진폭 변화가 있는 자료가 새벽의 영향이 적은 자료와 주파수 및 진폭의 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

, 2011). 각 나라마다 지전류 모니터링 측정 주파수가 서로 상이한데, 우리나라 상황에서는 처음 시도되는 것이라 다양한 테스트를 수행하는 것이 좋을 것으로 판단되며, 데이터 저장 장치 및 전송 등 복잡한 문제들이 얽혀있어 향후 연구를 통해 해결해야될 부분으로 사료된다. 현장에서 양질의 자료를 확보하기 위해 별도의 자료 취득 프로그램을 개발하여 즉각적인 자료 확인을 수행하였으며, 비분극 전극으로부터 도출되는 전압측정 결과를 실시간으로 확인하였다(Fig.
11과 같이 배경 자료는 주요 주파수가 5 Hz가 나타났지만, 변화 양상이 나타나는 자료에서는 주요 주파수가 10 Hz로 변화하였고, 진폭이 약간 커지는 양상을 확인할 수 있다. 그러나 본 연구결과는 1개월간 측정된 자료로서 지진에 대한 변화양상인지를 특정하기 어렵고, 지역적(Locality) 특성을 반영하고 있어 추가적인 연구가 필요하다. 이를 위해 전기적 잡음이 최소화된 지역에서 장기간의 지전류 모니터링을 수행하여 다양한 지진 자료를 분석하는 것이 지진 감지 연구의 가능성을 더욱 높여줄 것으로 기대된다.
10(c)와 같이 적은 양이지만 강수량에 따른 지전류 변화가 거의 없는 것으로 보인다. 그러나 장기간 모니터링을 통한 강수량 변화에 따른 지전류 변화도 연구해야 할 것으로 사료된다.
주변에 전력 공급 및 차량 등의 영향이 거의 없는 시간대에 변화가 나타나 지진전조 현상으로 유추할 수 있지만, 1개월간 측정된 자료로 지진 전조 현상을 분석하기에는 측정된 자료량 및 지진 발생 횟수가 적어 지전류 이상대를 특정하기에 어려움이 있다. 따라서 전기적 잡음이 최소화된 지역에서 장기간의 지전류 모니터링을 수행하여 다양한 지진자료를 분석하는 것이 지진 감지 연구의 가능성을 더욱 높여줄 것으로 기대된다.
그러나 본 연구결과는 1개월간 측정된 자료로서 지진에 대한 변화양상인지를 특정하기 어렵고, 지역적(Locality) 특성을 반영하고 있어 추가적인 연구가 필요하다. 이를 위해 전기적 잡음이 최소화된 지역에서 장기간의 지전류 모니터링을 수행하여 다양한 지진 자료를 분석하는 것이 지진 감지 연구의 가능성을 더욱 높여줄 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	한국의 지진 감지 연구의 중요성이 높아진 이유는 무엇인가?	0이상의 지진 발생으로 지진에 대한 위험성이 대두되었다. 특히 과거 1978년 ~ 1998년까지 연평균 19.2회로 지진의 발생 횟수가 크지 않았지만 디지털 계측기가 보급된 1999년 ~ 2018년까지 연평균 약 59회로 지진 발생 횟수가 크게 증가하였다. 특히 2017년의 경우 규모 2.0이상의 지진 발생 횟수는 223회이며 규모 3.0이상일 경우는 19회로 연평균 발생 발생하였다(Fig. 1).
	한국이 지진에 안전한 지역으로 간주되었던 이유는?	한국은 지진학적으로 판 내부에 위치해 상대적으로 지진에 안전한 지역으로 간주되었으나 최근 규모 4.0이상의 지진 발생으로 지진에 대한 위험성이 대두되었다.
	지전류 모니터링이란?	대표적으로 압전 효과 (Piezoelectric effect) 및 동전기 효과(Electrokinetic effect)에 의해 1차적으로 전류값의 변화가 발생하기에 전기장을 측정하는 것이 효과적이라 판단되어 지전류변화 모니터링 연구를 수행하였다. 지전류 모니터링(Telluric current monitoring)은 지전류에 의해 발생한 전위차를 연속적인 시계열로 측정함으로써 지하의 전기적 변화를 조사하는 방법이다. 전위전극은 보통 비분극 전극을 사용하며, 측정점에서 측정된 전위차를 기준점에서 동시에 측정된 전위차로 정규화시킴으로써 시간에 따른 신호의 세기 변화를 보정해 준다.

저자의 다른 논문 :

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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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