[보고서]마이크로사이즘 여기 및 소스에 관한 연구

조봉곤

마이크로사이즘 여기 및 소스에 관한 연구
Study on Excitation and Source of microseisms 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	전북대학교 Chonbuk National University
연구책임자	조봉곤
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2013-04
과제시작연도	2012
주관부처	교육과학기술부
과제관리전문기관	한국연구재단 National Research Foundation of Korea
등록번호	TRKO201300034430
과제고유번호	1345176840
DB 구축일자	2013-12-21
키워드	마이크로사이즘,다중모드/다중구조 알고리즘,여기 메카니즘microseisms,multimode/multistructure algorithms,excitation mechanism,Sampling behavior,Amplitude spectra,Oceanic Green's function,Spheroidal/Torsional mode,Ambient noise

초록 ▼

연구의 목적 및 내용
• 마이크로사이즘은 대부분의 지진기록에서 나타나는 주기 3초~20초 범위의 배경잡음으로서 그 기원과 메카니즘은 19세기 말 지진관측이 시작된 이래로 지진학계의 주요 관심대상이 되어왔다. 특히, 최근에는 이들 배경잡음으로부터 표면파의 추출이 가능하다
는 사실이 밝혀지면서 마이크로사이즘은 지진학계의 초미의 관심대상이 되고 있다.
• 반면에 이러한 마이크로사이즘의 생성 기원과 메카니즘에 대해서는 1950년에 영국의 Longuet-Higgins가 정상파이론을 제시한 이래 별다른 진전이 없었으며 이는 지금까지도 대부분의 마이크로사이즘 연구의 이론적 기초로 사용되어져 왔다.
• 그러나 정상파 이론은 SM과 PM의 주파수관계(2:1)는 잘 설명해 주지만 단순한 2층 구조 모델을 사용함으로써 구체적인 마이크로사이즘의 여기(excitation)메카니즘이나 관측 자료의 스펙트럼 특징을 설명할 수 없다는 한계를 가지고 있다.
• 이 연구는 이러한 기존 이론의 한계를 극복하기 위하여 UCLA 팀과 공동으로 개발한 multimode-multistructure 분석기법을 사용하여 각 모드의 (mode1~mode70까지) spectral amplitude, sampling behavior, synthetic spectrum 등을 체계적으로 분석 하여 마이크로사이즘의 기원과 여기 메카니즘을 밝히는 연구를 수행하였다.
연구결과
• 3D multimode-multistructure modal computation method의 개발
- 1D procedure는 완성되어 마이크로사이즘의 이론적 연구에 성공적으로 활용되었음
- 3D procedure는 현재 torsional mode의 합성까지 완성하여 논문을 게재하였으며 현재 spheroidal mode 부분의 완성을 위한 연구를 계속 수행중임(검증단계).
• 마이크로사이즘의 기원과 여기작용의 규명
- 원주의 KSRS 관측망을 이용하여 태풍과 같은 해양기상현상이 마이크로사이즘의 소스임을 규명하고 마이크로사이즘의 관측자료를 이용하여 이러한 해양기상현상을 추적할 수 있음을 밝힌 연구를 수행하고 그 결과를 논문 게재함.
- 마이크로사이즘을 구성하는 모드들의 amplitude spectra와 sampling behavior를 분석하고 synthetic spectrum과 observed spectrum을 비교분석하여 마이크로사이즘을 설명할 수 있는 이론적 모델을 정립하였음(국제학회에서 발표)
- 이 결과는 마이크로사이즘의 해석에 대한 새로운 이론적 토대를 제공하고 기존의 이론으로 설명하지 못한 대부분의 세부적인 관측결과를 설명할 수 있는 기반을 제시하였다는 점에서 획기적인 지진학적 연구성과라고 할 수 있으며 현재 최고수준의 국제학술지에 2편의 논문게재를 준비하고 있음(Nature or Science).
연구결과의 활용계획
• 이 연구의 주요 성과인 마이크로사이즘의 소스와 여기메카니즘 모델은 그동안 설명할 수 없었던 다양한 마이크로사이즘에 관한 문제의 해결에 획기적인 기여를 할 것으로 기대되며 특히, 다음과 같은 연구분야가 활성화 될 수 있는 계기가 될 것으로 기대됨.
- 이론적 그린함수를 이용한 해양기상현상의 소스 추적 및 특성규명 : 이는 해양기상현상에 관한 해양학-기상학-지진학의 융합연구의 계기가 될 것임.
** 특히, 배경잡음(마이크로사이즘)으로부터 full oceanic Green function의 추출에 관한 연구에 활용되어질 수 있으며 이 연구가 완성된다면 기존 지진자료의 시간적 공간적 제약이 제거되어 지진연구의 획기적인 발전이 이루어질 것으로 기대됨.

Abstract ▼

Purpose & contents
● Microseisms is a background seismic noise with the period of 3 s to 20 s. The origin and the mechanism of microseisms was one of the major interest of a seismological society. Recent discovery of microseisms on the use of a study of earth interior boost the interest on the microseisms
● However the study on the origin and mechanism of microseisms have not been progressed since Longuet-Higgins’ study (1950) who stated that the microseisms is generated by the standing-waves at ocean. This idea have been a theoretical
basis of microseism studies so far.
● The theory can explain well peak frequency relation (2:1) but they used a simple 2 layer model so that it was difficult to illustrate all the spectral details of the observed microseisms, the origin and mechanism of microseisms.
● To overcome this theoretical limit of the current model, with a multimode algorithm which we developed with UCLA team, we investigate the origin and mechanism of microseisms systematically by using a realistic earth model.
Result
● Development of 3D multimode/multistructure modal computation method
ㆍ A 1D procedure is completed and is successfully used for a theoretical study of microseisms.
ㆍ A 3D procedure is partially completed. A torsional mode case is completely tested and published while the spheroidal case is in the final test.
● Investigation on the origin and excitation of microseisms
ㆍ Using seismic data of the KSRS array, Oceanic process such as a Typhoons is investigated as a source of microseisms in which we showed that the seismic background noise can be used to study the oceanic process. The results are published in the SCI journal.
ㆍ Theoretical model of microseisms is successfully established by analyzing the displacement amplitude spectra, sampling behaviors and comparing the theoretical results with the observed data.
ㆍ This results be a theoretical basis of microseism interpretation which make it possible to explain the detailed observation which have not been correctly interpreted. The results are prepared to be published to the novel class journal (Nature and Science).
Expected Contribution
● One of the major achievement of this research is the development of the excitation mechanism of microseisms and source of the microseisms which can explain completely the unsolved problems on microseisms. This will boost the following research areas:
ㆍ To investigate tracking and characteristics of ocean-meteorological source of microseisms which will be a opportunity to fuse different subjects such as oceanography, meteorology, and seismology.
ㆍ To achieve the development of seismological study by using full oceanic Green’s functions, which will remove the temporal and spatial limitation if we complete successfully this research.

목차 Contents

중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
목 차 ... 2
연구계획 요약문 ... 3
연구결과 요약문 ... 4
한글요약문 ... 4
SUMMARY ... 5
연구내용 및 결과 ... 6
1. 연구개발과제의 개요 ... 6
2. 국내외 기술개발 현황 ... 10
3. 연구수행 내용 및 결과 ... 13
4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 79
5. 연구결과의 활용계획 ... 80
6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 80
7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 81
8. 참고문헌 ... 81
9. 연구성과 ... 84
10. 기타사항 ... 87

표/그림 (46)

표 Fig. 1 Relatively simple surface geology used in forming the 3-D map for the preliminary structure?hat beneath the blue-outlined region in fig. 3.2.1 The red stars show the case locations referred to in the text, with the far-left star being Location 21. When extending the structure to that beneath the ed-outlined region, the quality of the surface-geological representation is improved; upon extending to the green-outlined region, the surface geology is brought to state of the art.
표 Fig. 2 Physical phase velocities for propagating torsional and spheroidal modes for depth of penetration less than 800 km.
표 Fig. 4 Approximate group velocities of propagating torsional and spheroidal modes for depth of penetration less than 800 km.
표 Fig. 3 Attenuation parameter for propagating torsional and spheroidal modes for depth ofpenetration less than 800 km.
표 Fig 5. Theoretical seismograms for downdip propagation for propagating SH modes using both real and complex formulation.
표 Fig. 6 Theoretical seismograms for updip propagation for propagating SH modes using both real and complex formulation. For both real and complex formulation, K = 1.00.
표 Fig 7. Top left-hand panel shows that contributions from the torsional modes are dominant in theazimuthal-component seismograms uΦ(t), and the spheroidal modes are subordinate (top-right panel).
표 Fig. 8 Top panel represents the azimuthal-component seismograms uΦ(t) at s = 10, 20, 30, 50, 70, and 90 km and the bottom panel for s =800, 1000, 1200, ..., 2000 km. The seismograms on the left represent the dominant torsional modes contributions, and the subordinate spheroidal modes contributions are on the right. These seismograms are for frequency range of 0.005 Hz and 0.09 Hz. The epicentral distances s are given on the far right of each seismogram.
표 Fig. 9 Top panel represents the polar-component seismograms uΦ(t) at s = 10, 20, 30, 50, 70, and 90 km and the bottom panel for s = 800, 1000, 1200, ..., 2000 km. The seismograms on the left represent the subordiante torsional modes contributions, and the dominant spheroidal modes contributions are on the right. However, it should be noted that the torsional modes contributions become subordinate only for station-event distance s > 50 km. These seismograms are for frequency range of 0.005 Hz and 0.09 Hz. The epicentral distances s are given on the far right of each seismogram.
표 Fig. 11 Dispersion curves
표 Fig. 10 Geometry and coordinates system
표 Fig. 12 Comparison of observed data, and frequency-domain representations of computed microseisms for combined modes
표 Fig. 13 Displacement Amplitude Spectra for each mode.
표 Fig. 14. Linear relationship between the spectral cusp and ocean depth
표 Fig. 15 Modal amplitude spectra and the energy density diagrams of mode 1.
표 Fig. 16 Modal amplitude spectra and the energy density diagrams of mode 9.
표 Fig. 17 Modal amplitude spectra and the energy density diagrams of mode 19
표 Fig. 18 Modal amplitude spectra and the energy density diagrams of mode 40.
표 Fig. 19 Modal displacement Amplitude Spectra and the corresponding modal summed displacement amplitude spectrum
표 Fig. 20 Displacement amplitude Spectra for the source at ocean bottom
표 Fig. 21 Displacement amplitude Spectra for the source at ocean top
표 Fig. 22 Comparison displacement amplitude Spectra for the source at ocean top and ocean bottom.
표 Fig. 23 Comparison between the displacement amplitude Spectra for the source at ocean bottom (left) and top (right) for 0.2 km thick ocean
표 Fig. 24. Comparison between the displacement amplitude Spectra for the source at ocean bottom (left) and top (right) for 1 km thick ocean.
표 Fig. 25 Comparison between the displacement amplitude Spectra for the source at ocean bottom (left) and top (right) for 2 km thick ocean.
표 Fig. 26 Comparison between the displacement amplitude Spectra for the source at ocean bottom (left) and top (right) for 4 km thick ocean.
표 Fig. 27 Comparison between the displacement amplitude Spectra for the source at ocean bottom (left) and top (right) for 5 km thick ocean
표 Fig. 28 Comparison of ocean-wave models as a source functions to be convolved with microseism Green’s function.
표 Fig. 29 Effect of source function to synthesize the theoretical microseisms spectrum
표 Fig. 30 Index map of Atlantic hurricane cases
표 Fig. 31 Comparison with observed microseisms and theoretically generated microseisms spectra for hurricane Sandy
표 Fig. 32 Comparison with observed microseisms and theoretically generated microseisms spectra for hurricane Irene
표 Fig. 33 Index map of Pacific hurricane cases
표 Fig 34. Comparison with observed microseisms and theoretically generated microseisms spectra for hurricane Bud
표 Fig. 35 Comparison with observed microseisms and theoretically generated microseisms spectra for hurricane Daniel
표 Fig. 36 Comparison with observed microseisms and theoretically generated microseisms spectra for hurricane Dora.
표 Fig. 37 Yellow triangles denotes the broadband seismic stations in Korea and Japan used in this study. White, violet, and orange circles denotes the typhoon locations for Rammasun, Narit, and Manyi respectively. Bathymetry are presented in different color scale.
표 Fig. 38 Comparison with observed microseisms and theoretically generated microseisms spectra for Typhoon Manyi.
표 Fig. 39 Comparison with observed microseisms and theoretically generated microseisms spectra for Typhoon Rammasun.
표 Fig. 40 Comparison with observed microseisms and theoretically generated microseisms spectra for Typhoon Narit
표 Fig. 41 Index map. This shows the Korean seismic array KSRS, and the Typhoon-center racks of Sinlaku and Rammasun of 2008.
표 Fig. 43 Spectrograms
표 Fig. 42 Array response functions (ARF) of KSRS
표 Fig. 44 Comparison of computed back azimuths to the centers of the two typhoons and orresponding f-k spectra
표 Fig. 45 Slowness vectors
표 Fig. 46 Theoretical and observed phase velocity at KSRS

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