IEG 환경지질연구정보센터

대규모 발파를 통한 한반도 지각의 2차원적 횡파 속도구조 연구

김기영¹⁾, 홍명호¹⁾, 이정모²⁾, 문우일³⁾, 박창업³⁾, 정희옥⁴⁾

1)강원대학교 지구물리학과, [email protected]

2)경북대학교 지질학과

3)서울대학교 지구환경과학부

4)군산대학교 해양시스템공학과

Two-dimensional shear-wave velocity structures of the Korea peninsula from large explosions

Ki Young Kim¹⁾, Myung Ho Hong¹⁾, Jung Mo Lee²⁾, Wooil Moon³⁾, Chang-Eob Baag³⁾, Heeok Jung⁴⁾

1)Dept. of Geophysics, Kangwon National University

2)Dept. of Geology, Kyungpook National University

3)School of Earth & Environmental sciences, Seoul National University

4)Dept. of Ocean System Engineering, Kunsan National University

Abstract: To investigate the shear-wave velocity structures of the Korean peninsula, exploded seismic signals were recorded for 120 s along a 294-km WNW-ESE line and 150 s along a 335-km NNW-SSE line in 2002 and 2004, respectively. First arrival times of shear wave were inverted to derive the velocity tomograms. Initial shear-wave 1-D models were built using the initial P-wave velocity models used by Kim et al. and Vp/Vs ratios of the IASP91 model. The raypaths indicate existence of mid-crust interfaces at the depth of 2-3 km and 16 km. The deepest significant interface corresponding to the Moho discontinuity varies in depth from 32 km to 36 km. The refraction velocity along the interface varies from 4.4 km/s to 4.6 km/s. The velocity tomograms also indicate existence of a low-velocity zone at the depth of 7.8 km under the Okchon fold belt.

Keywords: shear-wave velocity, crustal structure, traveltime inversion, tomography

1. 서론

지진의 진앙지와 진앙깊이를 결정하거나 과거 및 현재의 지체구조운동을 규명하기 위해서는 지각 속도구조가 정확히 규명되어야 한다. 한반도의 지각 속도구조 연구 는 주로 지진자료를 분석하는 방법으로 이루어져 왔으며, 최근에는 자연지진 외에 도 대규모 발파로 발생시킨 P파를 이용하고 있으며, 한반도에서도 이를 이용한 지 각 및 상부맨틀 연구가 꾸준히 진행되고 있다(김성균, 1995; Chang and Baag, 2005;

Cho et al, 2006; Kim et al, 2007).

횡파는 점원 형태의 발파로는 잘 발생하지 않으며, 여러 위상의 간섭으로 인하여

파형이 뚜렷하지 않고, 초동 구분이 어려워 많은 연구가 이루어지지 않은 실정이다.

그러나 지각의 이방성, Vp/Vs, 포아송비 등과 같은 매질의 또 다른 물성 연구는 P파 만으로 파악할 수 없으므로 횡파 속도구조 연구는 반드시 필요하다.

따라서 이 연구는 2002년과 2004년도에 대규모 발파를 통해 획득한 자료를 이용하 여 초동주시 역산방법으로 한반도 지각의 2차원적 횡파 속도구조 규명을 목적으로 한다.

2.

지각규모의 굴절파 실험은 2002년과 2004년도 2회에 걸쳐 실시되었으며, 각각의 측 선은 서북서-동남동 방향으로 294 km의 측선 2002와 북북서-남남동 방향으로 335 km의 측선 2004로 설계하였다(Fig. 1). 인공 지진파는 깊이 80~150 m의 시추공 내에 서 500~1000 kg의 폭약으로 발생시켰으며, 측선 2002는 서산과 영동의 2개 지점에 서, 측선 2004는 연천, 증평, 영동, 고성 등 4개 지점에서 10~15분 간격으로 발파하 였다(Fig. 1). 발생된 지진파 신호는 170개의 2-Hz 단성분 이동식 지진계 (PRS-1)와 10~12 km 간격으로 배치된 26~28개의 3성분 이동식 지진계 (PRS-4)를 지표에 설치 하여, 각각 평균 1.5, 1.7 km 간격으로 수신하였다. 수신된 신호는 120-Hz의 샘플링 간격으로 약 120~150 s 동안 이동식 지진계에 수치형대로 기록하였다. 또한 발파위 치와 고도는 측지용 정밀 GPS 장비로 측정하였으며, 각 수신기 위치들은 이동식 GPS 수신기를 이용하여 측정하였다.

3.

초동이 비교적 뚜렷하게 기록되는 P파와는 달리 S파는 여러 위상의 간섭으로 인하 여 초동 구분이 용이하지 못하다. 따라서 정확한 S파의 초동 선택을 위하여 기록된 자료를 각각 3.45, 3.75, 4.50 km/s의 환산주시로 변환한 후, P파 초동주시의 약 1.7 배에 해당하는 주시를 안내선으로 사용하였다. 측선 2002와 측선 2004의 자료에서 선택한 S파 초동주시의 겉보기 속도는 2.8~5.5 km/s의 범위를 보인다(Fig. 2). 역산의 해가 극소값(local minima)에 수렴하는 문제를 최소화하기 위하여, 초기모델은 측선 에 인접한 지진관측소에서 수신함수(Chang et al., 2004; Chang and Baag, 2005)로 구 한 P파의 1차원 속도구조(Kim et al., 2007)와 IASP91 모델(Kennett and Engdahl, 1991)에 제시된 Vp/Vs를 사용하여, 관측소별로 1차원 S파 속도를 구하였다. 측선 2004의 초기모델은 SNU, HKU, GSU 등의 지진관측소에서 구한 1차원 속도구조를 크리깅 방법으로 2차원적 지구통계학 분석을 통하여 작성하였다. 한편, 측선 2002의 초기모델은 측선에 인접한 지진관측소 HSB, HSB, GKP 외에도 두 측선이 교차하는 영동에서의 측선 2004의 속도 역산 결과를 함께 이용하였다. 역산에 사용된 쎌의 너비는 수신기 간격과 동일하게 설정하였으며, 수직적으로는 깊이 40 km까지를 두 께가 하부로 증가하는 30 개 층으로 구성하였다. 역산시, 발파점이 적었던 측선 2002의 신뢰성을 확보하기 위하여 두 측선이 교차하는 영동 지점에서 속도구조가 동일하도록 제약조건을 설정하였다. SIRT 방식으로 20회 반복계산 후, 평균 제곱근 오차는 측선 2002와 측선 2004에서 각각 83, 108 ms 정도로 계산된다(Fig. 3).

Fig. 1. Map of the Korean peninsula and seismic profiles recorded in 2002 and 2004.

The profiles traverse the Gyeonggi massif (GM), Okchon fold belt (OFB-NZ and OFB-PZ), Yeongnam massif (YM), and Gyeongsang basin (GB). Profile 2002 extends into the Pohang basin (PB). Six shot locations and some permanent recording stations (crosses in open circles) are indicated.

Fig. 2. First arrival times of shear-wave for (a) Profile 2002 and (b) Profile 2004.

4. 자료해석

가장 뚜렷한 상부지각 내의 경계면은 측선 2004에서 260 km 이상의 연장성을 보이 는 깊이 2.0-3.0 km의 경계면으로 평균 굴절파 속도는 3.5 km/s 정도이고, 이 경계면

상부의 횡파 속도는 2.4-3.2 km/s의 범위를 갖는다(Fig. 3b). 측선 2004의 또 다른 경 계면은 깊이 약 16 km에 있으며, 굴절면의 속도는 약 3.7 km/s이다. 이 경계면은 약 175 km 정도까지 연장되어 있으며, 기존 연구에서 콘라드면으로 해석된 바 있는 10-15 km 깊이의 경계면과 일치한다(김상조・김소구, 1983; 김성균, 1995). 그러나 이 경계면은 측선 2002에서는 서북서 지역에서만 뚜렷이 나타나며, 동남동 지역에 서는 잘 나타나지 않는다. 그러나 경상분지가 존재하는 이 구간에서는 8.0 km 깊이 에 속도 3.6 km/s의 굴절면이 잘 나타나는 특징을 보인다.

이 토모그래피 단면의 가장 깊은 경계면으로는, 속도 4.4-4.6 km/s인 굴절면이 약 32-36 km 깊이에 나타난다. 모호면으로 해석되는 이 경계면은 측선 2002의 서북서 와 측선 2004의 북북서쪽으로 얕아지며, 각각 118 km와 108 km 이상의 연장성을 보인다. 특히, 측선 2002의 동남동 방향에서는 모호면이 깊이 약 29 km까지 경사진 형태로 발달한 모습을 보이는데 이는 주시곡선 상에서 약 5.5 km/s의 높은 겉보기 속도를 보이는 것과 일치한다(Fig. 2a). 이러한 특징은 동해 대륙연변부의 대륙융기 가 일어나는 동안 마그마 성분이 지각하부에 녹아 붙어 형성되어 있을 가능성이 있 다(Kim et al., 2003; Cho et al., 2004; Chang and Baag, 2005; Kim et al., 2007).

한편, 측선 2004에는 옥천계 지역에서 속도 3.5 km/s, 두께 6.8 km의 저속도층이 나 타나고 있으며, 이 발파수가 적었던 측선 2002 자료에서도 약하게 나타나고 있다.

이 저속도층은 깊이 약 16 km에 나타나는 지각내부 경계면 상부에 발달하고 있다.

Fig. 3. Velocity tomograms for (a) Profile 2002 from two shots and (b) Profile 2004 from four shots. Raypaths are superimposed on the tomograms.

사사

이 논문은 기상청 기상지진기술개발사업(CATER 2006-5201)의 지원으로 수행되었습 니다.

참고문헌

김상조, 김소구, 1983, 지진파를 이용한 남한의 지각구조 연구, 광산지질, 16, 5-16.

김성균, 1995, 한반도의 지각구조에 관한 연구, 지질학회지, 31, 393-403.

Chang, S. J. and Baag, C. E., 2005, Crustal structure in Southern Korea form joint analysis of teleseismic receiver functions and surface wave dispersion, Bull. Seism. Soc. Am., 95, 1516-1534.

Chang, S. J., Baag, C. E., and C. A. Langston, 2004, Jonit analysis of teleseismic receiver functions and surface wave dispersion using the genetic algorithm, Bull. Seism. Soc. Am., 94, 691-704.

Cho, H. M., Baag, C. E., Lee, J. M., Moon, W., Jung,, H., Kim, K. Y. and I. Asudeh, 2006, Crustal velocity structure across the southern Korean Peninsula from seismic refraction survey, Geophysical Research Latters, 33, L06307.

Kennett, B. L. N., and E. R. Engdahl, 1991, Traveltimes for global earthquake location and phase identification, Geophysical Journal International, 105, 429-465.

Kim, H. J., Jou, H. T., Cho, H. M., Bijiwaard, H., Sato, T., Hong, J. K., Yoo, H. S., Baag, C.

E., 2003, Crustal structure of the continental margin of Korea in the East Sea (Japan Sea):

evidene for rifting affected by the hotter than normal mantle, Tectonophysics, 364, 25-42.

Kim, K. Y., Lee, J, M., Moon, W., Baag, C. E., Jung, H., Hong, M. H., 2007, Crustal structures of the southern Korean peninsula from seismic waves generated by large explosions in 2002 and 2004, Pure and Applied geophysics, 164, 97-113.