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제 21 권 제 5 호, pp. 419~425, 2009년 10월단 보
역사 및 계기 지진 자료를 이용한 주요 항만 지역의 지진재해 위험성 Seismic Hazards near the Harbors using Historic and Instrumental Earthquake Data
김광희* · 강수영* · 장인성** · 박우선**
Kwang-Hee Kim*, Su Young Kang*, In-Sung Jang** and Woo-Sun Park**
요 지
: 최근 우리나라에서는 지진으로 인한 피해가 미미하였지만, 역사기록에 의하면 피해유발 지진이 여러 차례 발생한 바 있으므로 지진으로 인한 피해 가능성을 항상 고려하여야 한다. 우리나라 대외 교역량의 99.6% 이 상을 처리하는 항만시설의 중요성을 감안 할 때, 항만시설물의 지진 안전성 확보를 위한 설계 및 대응시스템 구 축이 반드시 필요하다. 지진위험성 평가를 위하여 계기 지진 자료를 활용하는 것이 바람직하지만, 우리나라에서 본격적인 계기지진의 역사가 과거 30년에 국한된 관계로 계기지진 자료만으로는 우리나라의 지진 특성을 적절히 파악할 수 없다. 본 연구에서는 이러한 단점을 보완하기 위하여 규모 5.0 이상의 역사지진 자료를 계기지진 자 료와 함께 활용하여 장기 광역 지진위험성 평가의 자료로 활용하였다. 역사지진자료 분석 결과에 의하면 포항항, 울산항, 인천항이, 계기지진자료 분석 결과에 의하면 옥계항, 묵호항, 동해항, 삼척항, 포항항, 울산항을 포함한 동 해안의 항이 다른 지역에 비하여 지진위험성이 크게 나타난다.핵심용어
: 항만, 지진위험성, 역사지진, 계기지진Abstract : Although earthquake damage was negligible in Korea during the last a few decades, its historic records suggest that the peninsula have experienced severe earthquake damages throughout the history. The potential for disastrous earthquakes, therefore, should always be considered. Harbors handle 99.6% of imported and exported cargo in Korea. Thus, it is necessary to secure the safety of harbors against seismic events and to establish a support system of emergency measures. Although instrumental seismic data are favored for seismic hazard estimation, their history in the peninsula is limited only to the past 30 years, which does not represent the long-term seismic characteristics of the peninsula. We use historic earthquakes with magnitude greater than 5 to observe long-term regional seismic hazards. Results of historic earthquake records indicate relatively high seismic hazard at harbors in Pohang, Ulsan and Incheon. Analysis of instrumental earthquake records reveal relatively high seismic hazard for harbors located along the East coast including Okgye, Mukho, Donghae, Samcheok, Pohang, and Ulsan.
Keywords : Harbors, Seismic Hazards, Historic Earthquakes, Instrumental Earthquakes
1. 서 론
극동아시아 지역에서는 유라시아판, 태평양판, 그리고 필 리핀판의 상호 작용으로 주로 판 경계부에서 많은 지진이 발생하고 있으며, 판 경계로부터 떨어져 있는 우리나라와 중국에서도 많은 지진이 꾸준히 발생하고 있다(Fig. 1). 우
리나라에서 지난 수 십 년간 지진으로 인한 피해가 미미 하였지만, 역사문헌 검토에 의하면 우리나라에서도 많은 피 해유발 지진이 발생한 바 있고, 최근에도 규모 5 이하의 지진이 꾸준히 발생하고 있으므로 지진으로 인한 피해 가 능성을 항상 고려하여야 한다(e.g. Chiu and Kim, 2004;
Lee and Yang, 2006). 지진은 인명과 재산 손실 등의 1차
*한국해양연구원 해양위성·관측기술연구부(Corresponding author: Kwang-Hee Kim, Ocean Satellite Remote Sensing & Observation Technology Research Department, KORDI, P.O. Box 29, Seoul, 425-600, Korea, [email protected])
**한국해양연구원 연안개발·에너지연구부(Coastal Engineering & Ocean Energy Research Department, KORDI, P.O. Box 29, Seoul, 425-600, Korea)
적 재해와 더불어 화재, 주요시설의 가동 불능, 공공서비 스의 중단, 사회적 혼란 야기 등의 2차적 재해를 수반할 수 있으므로 그 피해 규모는 다른 어떤 자연재해보다 커 질 가능성이 크지만 현재의 과학기술 수준으로는 정확한 지진단기예보가 불가능하다(e.g. Geller, 1997; 강 등, 2008). 지진피해는 진앙거리 100 km 이내의 근거리에서 주로 발생하지만, 지진파 전파특성과 지반 증폭 특성의 영 향으로 진원지로부터 100 km 이상 떨어진 위치에서 대규 모 피해를 일으키기도 한다. 1985년 9월 19일 중미의 코 코스판 섭입지역에서 규모 8.1의 지진이 발생하였고, 진원 지로부터 240 km 이상 떨어진 지역에 위치한 Mexico City에서 대규모의 지진피해가 발생하였다(Beck and Hall, 1986). 2002년 3월 31일 대만 동부의 화련 부근에서 규모 6.8의 지진이 발생하였으며, 이 지진으로 인하여 110 km 이상 떨어진 지역에 위치한 타이페이에서 건물붕괴 등의 큰 피해가 발생하기도 하였다(Chen, 2003). 두 경우 모두 지하 심부 지질구조로 인한 지진파 전파 특성과 국지적 지 반 증폭 특성의 결과였으며, 2007년 1월 20일 발생한 규 모 4.8의 오대산지진으로 인하여 우리나라에서도 유사한 강 진동이 발생하였음이 관측되기도 하였다(Kim et al., 2008).
그러므로 대상 시설물·구조물의 지진 위험성·위해성 평 가에 있어서는 비교적 가까운 거리에서 발생하는 내륙 지 진뿐 아니라 해저에서 발생하는 지진 또한 고려하여야 한 다. 특히 우리나라 주변의 해저에서는 중규모(M5)의 지진 이 비교적 자주 발생하고 있고, 일부 해저 지진은 여러 개 의 지진이 일정기간 내에 지속적으로 발생하므로 특별한 관심이 필요하지만, 그 위험성이 과소평가되어 왔다. 이러 한 해저 지진으로부터 가장 취약한 시설물 중 하나가 우
리나라 연안에 건설된 항만시설물이다.
2009년 현재 우리나라 항만법상 지정항만은 총 52개로 서 이중 무역항 28개와 연안항 24개가 있으며, 2007년 현 재, 총 접안능력 761척, 연간 하역능력이 7억 2천 7백만 톤에 이르고 있다(국토해양부, 2008). 이중 우리나라 중추 무역항인 부산항은 세계 5위의 컨테이너 처리항으로서 북 중국, 극동러시아, 일본 서북부 화물에 대한 최적의 환적 기지로 평가받고 있다. 인천항은 1883년 개항 이래 수도 권에서 발생하는 화물 적기 처리의 중추적 역할을 충실히 수행해 오고 있으며, 향후 대중국 무역항으로서의 역할과 중요성이 더욱 증대될 전망이다. 이 밖에도 광양항, 포항 항, 울산항 등의 무역항이 그 역할을 충실히 수행하고 있 다. 우리나라 대외 교역량의 99.6%를 담당하는 항만시설 의 경제적·사회적·산업적 중요성은 더 이상 언급할 필 요가 없다(한국해양수산개발원, 2009). 항만구조물에 대한 내진설계는 항만 및 어항 설계기준(해양수산부, 2005)에 따 라 수행하는데, 구조물의 중요도와 대상 지역의 지진 위험 도를 함께 고려한다. 여기서 구조물의 중요도에 따라 내진 1등급 및 내진 2등급 구조물로 구분하고, 지역별 지진 위 험도는 아래 Fig. 2과 같이 평균재현주기에 따른 가속도계
Fig. 1. Seismicity in the Far-East Asia.
Fig. 2. Seismic hazard map (Average Return period: 500 years, MOMAF, 2005). Acceleration coeffieicnet (%g) corre- sponding to 10% probability of an event in 50 years;
Dotted line: Province boundary; Map projection: UTM.
수를 활용하게 된다.
한편, 이러한 중요 항만 시설물의 지진으로 인한 안정 성 확보 및 내진설계기법 향상을 위한 목적으로 전국 주 요 항만에 지진응답 계측시스템을 구축하고 항만 구조물 의 지진에 대한 안전성 제고 노력이 진행 중에 있다. 그 러나 우리나라 계기지진역사는 항만시설물의 지진안전성 확보를 위한 설계 및 대응시스템 구축에 필요한 자료를 제 공하기에는 충분치 않다. 본 논문에서는 선행연구를 통해 밝혀진 우리나라 역사지진과 과거 30년간의 계기지진 관 측자료를 사용하여 우리나라 주요 항만지역의 지진학적 특 성을 조사하고, 지역별 지진 위험성 정보를 제공함으로써 현재 추진 중인 항만지진계측시스템의 우선 구축 항만 선 정의 기초자료를 제공하고자 한다.
2. 본 론
지진위험성 평가를 위하여 우선 고려되어야 할 사항 중 하나가 지진발생도(seismic rate)이다. 진원주변 지진계에서 관측된 자료를 분석하여 지진의 발생위치, 시간, 그리고 규 모를 결정하게 되며, 이 정보는 기상청과 한국지질자원연 구원에서 발표하는 계기지진목록에 수록되어 있다. 이 계 기지진목록의 분석을 통하여 지진발생도 정보를 획득할 수 있다. 우리나라에서 본격적인 계기지진관측의 시작은 1978 년 이후이므로, 과거 약 30년간의 제한된 자료 사용이 가 능하다(경 등, 2009). 그러나 1978년 이후 계기지진 목록 상의 우리나라 지진발생도가 매우 낮았고, 우리나라에서 발 생하는 지진은 그 재래주기가 매우 길기 때문에 지난 30 년간의 계기지진자료 만으로는 우리나라의 장기 지진성향 을 충분히 반영할 수 없다. 이러한 단점을 보완하기 위하 여 과거 문헌에 기록되어 있는 역사지진자료를 사용하여 야 한다. 역사기록에 수록되어 있는 지진자료에는 완성도, 지 진발생시 인구분포 현황에 따른 감진보고 편중, 지진의 발 생위치와 규모 추정에 많은 불확실성이 포함되어 있음이 분명하다. 이러한 불확실성은 규모 5 이하의 소규모 지진 의 경우 더욱 클 것이다. 우리나라 역사지진 목록의 경우 규모 5 이상의 지진은 비교적 잘 수록되어 있다(e.g. Chiu and Kim, 2004; Lee and Yang, 2006). 그러므로 비교적 넓은 지역에 걸쳐 감지되고 피해를 발생시킨 규모 5 이상 의 지진자료를 사용함으로써, 장기 광역 지진위험성 평가 의 중요 자료를 제공할 수 있다. 지진위험성 평가를 위해 서는 지진발생도 이외에도 지진을 유발하는 단층의 구조 와 활동성, 지진파에너지의 감쇠, 평가 대상지역 지반증폭
효과, 구조물 혹은 건물의 취약성 등이 고려되어야 하지만, 본 연구에서는 지진발생도에 한정하여 연구를 수행한다.
2.1 역사지진목록
우리나라 지진에 관한 기록은 삼국사기, 고려사, 조선왕 조실록 등의 역사문헌에 산발적으로 수록되어 있다. Wada (1912)는 우리나라 고문헌을 검토하여 1644회의 지진기록 을 정리하여 발표하였다. 이후 Musha(1951)는 일본과 우 리나라의 지진 및 화산활동 기록을 정리하여 발표하였다. 또 한 Kim and Gao(1995)가 우리나라와 중국의 문헌을 검토 하여 역사지진목록을 발표하였고, Chiu and Kim(2004)은 Kim and Gao(1995)의 목록을 분석하여 우리나라의 지진 위험성에 관한 기초연구를 수행하였다. 가장 최근에는 Lee and Yang(2006)이 우리나라 문헌기록을 검토하고 이전 발 표목록에 누락되거나 중복 기재된 지진기록에 대한 수정 작업을 수행하였다. 본 연구에서는 가장 최근에 정리되었고, 수 록된 모든 지진의 규모가 제시된 Lee and Yang(2006)의 역사지진목록에 수록된 2,186개의 지진 기록을 이용하였 다(Fig. 3).
Fig. 3. Historic earthquake epicenters (2-1904) in Korea (Lee
and Yang, 2006).
2.2 계기지진 관측 및 목록
1905년 조선총독부에서 인천관측소에 기계식 지진계를 설치함으로부터 시작된 우리나라 계기지진의 역사는 1943 년부터 1963년까지의 지진관측 공백기를 거친 후 1963년 미국 지질조사소(United States Geological Survey, USGS)가 주관하는 세계표준지진관측(World-Wide Standardized Seismograph Network, WWSSN) 사업의 일환으로 국립 중앙관상대(서울)에 세계표준지진계 1대가 설치되면서 지 진관측이 재개되었다. 이후 1978년 홍성지진(규모5.0)과 속 리산지진(규모 5.2) 발생을 계기로 장비의 현대화를 구현 하였으며, 1996년 영월지진(규모4.5)과 1997년 경주지진 (규모4.3), 그리고 1995년 일본 고베지진(규모7.2)으로 국 가지진방재체계의 미비점이 지적된 후 꾸준히 보강되어 현 재의 상태에 이르고 있다(e.g. 김 등, 2006). 국내에서는 기 상청, 한국지질자원연구원, 한국전력연구원, 한국원자력안 전기술원, 한국해양연구원과 일부 대학에서 지진관측망을 운영하며 상시 지진관측업무를 수행하고 있다. 그러나 현 재 운영되고 있는 지진관측망은 대국민 지진통보서비스, 주 변국에서 수행되는 인공지진감시, 원자력발전소 등 일부 중 요 구조물의 내진성능평가, 그 밖의 기관고유 연구 목적으 로 수행되어 왔다. 지진해일로 인한 위험성 연구가 일부 진 행되고 있기는 하지만, 연안시설물 특히 항만시설물의 지 진 하에서의 거동 파악을 위한 계측 혹은 연구는 전무하 거나 매우 미비한 실정이다. 본 연구에서는 역사지진 활동 도와 함께 최근 발생하고 있는 지진성향을 보기 위하여 기 상청에서 발표한 1979년부터 2009년 3월까지의 지진목록 을 활용하였다(Fig. 4).
2.3 지진발생도
우리나라 역사지진 발생위치는 한반도 전역에 걸쳐 분 포하고 있다. 서론에서 언급한 역사지진 자료의 한계성에 도 불구하고 우리나라에서 규모 6.7 이상의 지진이 다수 발생하여 많은 인명과 재산 피해를 야기한 바 있다는 데 는 지진학자간의 이견이 없어 보인다. 우리나라에서 발생 한 역사지진 중 가장 큰 인명피해를 유발시켰던 지진은 서 기 779년 경주에서 발생한 지진으로서 Lee and Yang(2006) 과 Chiu and Kim(2004)은 이 지진의 규모를 6.7과 7.3으 로 추정하였다. 이 지역에서는 또한 1943년 7월 1일 규모 6.0의 지진이 발생하기도 하였다(Chiu and Kim, 2004).
서울은 1394년 조선왕조의 한양 천도 이후 지난 600여 년 간 우리나라 수도로서 정치·경제·사회의 중심부 역할 을 수행하고 있다. 이 지역에서는 규모 5.0 이상의 지진이
130회, 규모 6.0 이상의 지진이 18회, 그리고 규모 7.0 이 상의 지진이 5회 발생하였다. 이 지역에서 20세기에 발생 한 지진 중 가장 큰 지진은 1906년 발생한 규모 6.0의 지 진이다 (Chiu and Kim, 2004).
역사지진기록과 계기지진기록의 구역별 지진발생도를 알 아보기 위하여 우리나라 전 지역을 0.1o×0.1o(약 10 km×
10 km) 격자로 구성한 후 각 격자 안에서 발생한 지진의 횟수를 구하였다. 역사지진기록의 진앙위치는 감진보고에 근거하므로 그 위치 결정에 있어 상당한 오차를 수반 할 수 있다. 이러한 진앙위치의 불확실성을 감안하고 지진 발 생도의 전반적인 변동을 알아보기 위하여 이동평균을 구 하여 Fig. 5에 표시하였다. 우리나라 역사지진 목록상 지 진활동도가 가장 왕성한 지역은 개성-서울-인천, 경주-포항 부근이다. 경주, 개성, 서울은 역사상 왕조의 수도가 위치 하였던 지역으로서 지진 발생 당시 다른 지역에 비하여 많 은 인구가 집중되어 있었을 것이며, 이러한 시대별-지역별 인구분포의 영향에 의한 감진보고 정도가 반영되었을 것 으로 추정된다. 평양과 경주지역은 역사지진과 계기지진 모 두에서 높은 지진발생성향을 보인다. 한반도에서 20세기에 발생한 지진 중 가장 큰 지진은 1952년 3월 19일 평양부 근에서 발생한 규모 6.3의 지진이다(Engdahl and Villaseor,
Fig. 4. Earthquake epicenters from 1979 to 2009 in Korea
(Korea Meteorological Administration earthquake cat-
alog).
2002). 역사지진의 지진 발생위치와 규모, 그리고 발생시 간 결정에는 주로 감진 보고가 사용되지만 계기지진기록 에서는 우리나라와 국외에 설치되어 있는 지진계에 기록 된 정확한 시간과 자료를 사용함으로서 정확한 발생 시간 과 위치, 그리고 규모의 결정이 가능하다. 그러므로 사람 이 거주하지 않는 산간지역이나 해저에서 발생하는 지진 도 정확한 발생 시간과 규모의 결정이 가능하다. 이러한 이 유로 계기지진 목록에는 강원도 산악지역과 동해 울진앞 바다 해저에서 비교적 많은 수의 지진이 기록되어 있다.
1979년 이후 계기지진 목록상 지진 활동이 가장 활발한 지 역은 영월지역, 동해 울진 앞바다 해역, 경주-포항 지역 등 이다. 경주-포항 지역과 울진 앞바다 해저의 경우, 활성단층 이라고 생각되는 양산단층시스템이 위치한 지역과 일치하 며, 최근 미소지진 활동을 반영하고 있다.
2.4 Relative Seismic Energy Release
지진모멘트(Seismic Moment, M0)는 지진 위험성 평가 에서 흔히 사용되는 지진 규모 단위로서 다음과 같이 정 의된다.
(1) 여기서, µ: shear modulus
A: 단층 파쇄면적 u: 단층상의 평균 변위
지진모멘트를 이용하여 지진으로 인한 에너지 방출량을 계산할 수 있지만, 우리나라에서는 지진모멘트를 체계적으 로 정리 수록한 지진목록이 아직 완성되지 않았으므로 이 를 사용하여 지진위험성 평가를 수행하기에는 무리가 있 다. 본 연구에서는 우리나라 역사지진 자료가 감진보고에 근거하므로 표면파 규모(Surface-wave magnitude)와 매우 근접하다고 가정하고, 다음과 같은 Gutenberg and Richter (1956)가 제안한 규모(MS)와 에너지(E) 간의 경험적 관계식 을 사용하여 각 지진으로 인한 에너지 방출량을 계산한다.
logE = 11.8+1.5×MS (2) 우리나라 전 지역을 0.1o×0.1o(약 10 km×10 km) 격자로 구성한 후 각 격자 내에서 발생한 총 지진에너지의 합을 구하고, 이중 최대치를 1로 하여 각 격자에 대한 상대적 지진에너지 방출량(Relative Seismic Energy Release, RSER) 을 구하여 Fig. 6에 표시하였다. Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5의 지진발생도에는 비교적 작은 규모의 지진이 많이 포함되 어있으므로 대규모 지진으로 인한 지진위험성을 정확히 표 현하지 못한다. 반면 RSER은 대상 지역에서 방출되는 지 진에너지의 절대값을 표시하지는 않지만, 그 지역의 상대 M0=µAu
Fig. 5. Seismic rate (the number of earthquakes) in 0.1°×0.1° (approximately 10 km×10 km) cells (a) from the historic earthquakes (Lee and Yang, 2006) and (b) from the modern instrumental seismicity since 1979 (Korea Meteorological Administration).
Squares and triangles indicate the locations of trading ports and coastal ports, respectively.
적 지진위험성을 간단히 그리고 시각적으로 명확하게 표 시하고 있다. 또한 본 연구에서 사용하는 역사지진 목록은 인구 분포에 따른 감진 보고의 편중이 심하므로, 경우에 따 라서는 소규모 지진의 발생보고가 없는 지역에서 대규모 지진이 발생하기도 하였다. 이 경우 RSER을 사용함으로 써 대규모 지진에 대한 적절한 가중치를 부여하는 효과도 있다.
역사지진 자료에 근거한 RSER이 Fig. 6(a)에 표시되어 있다. 포항항과 울산항 지역에서 상대적으로 많은 양의 에 너지가 지진으로 방출되었으며, 인천항과 여수항, 광양항 지역에서도 많은 양의 에너지가 지진으로 방출되었다. 기 상청 발표 계기지진목록에 근거한 RSER이 Fig. 6(b)에 표 시되어 있으며, 최근 발생한 영월지진, 동해지진, 오대산지 진 등의 영향으로 옥계항, 묵호항, 동해항, 삼척항, 포항항, 울 산항 등을 포함한 동해안의 항만시설이 다른 지역의 시설 에 비하여 지진위험에 크게 노출되어 있다.
3. 결 론
주요 무역항과 연안항 주변의 지진 활동도와 지진에너 지 분포를 조사하기 위하여 서기 2년부터 1904년까지의 문 헌 자료에 근거한 역사지진목록과 1978년 이후 기상청에
서 발표한 계기지진 자료를 살펴보았다. 우리나라에서 발 생하는 지진은 전형적인 판내부 지진으로서 그 재래주기 가 매우 길어서, 최근 30년간의 계기지진 자료만으로는 우 리나라 장기 지진성향을 적절히 표현할 수 없다. 이러한 단 점을 보완하기 위하여 역사지진 자료를 활용하여야 한다. 역 사지진 목록의 활용에 있어서도 자료의 불완전성과 인구 분포에 따른 감진보고의 차이가 예상되므로 지진에너지의 상대적 분포를 고찰하였다. 역사지진자료를 분석한 결과에 의하면 포항항, 울산항, 인천항, 여수항, 광양항에서 상대 적으로 지진위험성이 크게 나타난다. 계기지진자료의 경우 옥계항, 묵호항, 동해항, 삼척항, 포항항, 울산항 등을 포 함한 동해안 지역에서 상대적으로 지진위험성이 크게 나 타난다. 현재 추진중인 항만 지진계측시스템의 우선구축항 만 선정에 있어 이러한 결과가 반영되어야 한다.
지진위험성 평가를 위해서는 본 연구에서 고려한 지진 발생 현황과 더불어 단층 특성, 지진파 에너지 전파 효과, 지 반증폭 효과, 구조물의 취약성 등이 고려되어야 하며, 항 만시설물의 지진피해 위험성 평가를 위해서는 각 항만의 하역능력, 여객수송능력, 배후지역의 인구 및 시설 분포, 사 회·경제적 중요성 등 또한 고려되어야 한다. 본 연구 결 과는 현재 수행중인 주요 항만의 안전성 제고를 위한 노 력에 지진학적 기초 자료를 제공한다.
Fig. 6. Relative seismic energy release (a) from the historic earthquakes (Lee and Yang, 2006) and (b) from the modern instrumental
seismicity (Korea Meteorological Administration). Squares and triangles indicate the locations of trading ports and coastal
ports, respectively.
감사의 글
본 연구는 항만 지진응답 계측시스템 구축 및 활용기술 개발 연구사업 결과의 일부로서, 국토해양부의 지원에 의 해 수행되었습니다.
참고문헌
