‡Corresponding author: +82-42-868-3266, E-mail: [email protected]
KSRS 배열 관측소의 P 파 후방위각 이상
신진수‡․김근영 한국지질자원연구원
요 약
핵실험금지조약 실천 검증을 위한 국제관측망의 주요 관측시설 가운데 하나인 KSRS 배열 관측소에서 기록 된 P파의 후방위각 이상값 특성을 분석하였다. 주파수-파수(F-K) 기법을 사용하여 총 68개의 원거리 또는 심발 지진의 초등 P파 후방위각을 결정하였다. 단주기 배열 관측 자료는 0.5, 1.0, 2.0 Hz에서 관측 후방위각을 도출 하였고 장주기 배열 관측 자료에서는 0.1, 0.2, 0.5 Hz에서 수행하였다. 얻어진 결과와 USGS PDE 목록에 제시 된 진앙위치에서 계산된 후방위각으로부터 후방위각 이상값을 결정하였다. 장주기 배열 자료 분석에서는 0.2 Hz에서 후방위각과 슬로우니스 오차의 표준편차가 3.02°와 1.84 sec/deg로 다른 주파수에서 계산된 결과보다 오차 범위가 좁았다. 단주기 배열 자료는 다른 주파수에 비교하여 1.0 Hz에서 더 좋은 결과인 각각 4.26°와 2.01 sec/deg의 후방위각과 슬로우니스 오차범위를 얻었다. 장주기와 단주기에서 후방위각과 슬로우니스 최대 오차값은 각각 11°와 5.2 sec/deg 및 7°와 7.2 sec/deg였다. 이는 타 배열 관측소에서 밝혀진 결과와 유사하거나 약간 낮은 오차 수준이다. 이론적 후방위각에 따른 관측 후방위각의 이상값은 일정한 경향을 보이지 않는 임의 적 분포를 하고 있다. 이는 KSRS 관측소 지역에 모호 경사와 같은 확실한 광역적 수평 속도 구조 변화가 존재 하지 않는 것을 반영한다. 관측 후방위각 이상의 원인은 주로 개개의 구성 관측소 하부의 불균질한 지질구조 효 과와 계산과정의 수치적 오류에 의한 것으로 여겨진다. 후방위각 이상 수준의 관점에서 KSRS는 배열 관측에 적합한 성능을 가지고 있다.
주요어: KSRS, 배열 관측소, 후방위각 이상, 오차 수준, 지질구조 효과
Jin Soo Shin and Geun Young Kim, 2011, P-wave backazimuth anomalies observed by seismic array KSRS.
Journal of the Geological Society of Korea. v. 47, no. 3, p. 255-262
ABSTRACT: P wave backazimuth and slowness anomalies are investigated at the seismic array KSRS which is a primary station of the International Monitering System for verifying compliance with the Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty. The Frequency-Wavenumbr (F-K) technique is used to determine backazimuth and slowness of the initial P wave from 68 deep or teleseismic earthquakes. The observed backazimuth and slowness from short period array data are founded for 0.5, 1.0 and 2.0 Hz. The same parameters from long period array data are founded for 0.1, 0.2 and 0.5 Hz. The observed backazimuth anomalies are determined by comparing the results with those determined from epicenters reported in USGS PDE bulletin. The standard deviations of the backazimuth and slowness residuals for 0.2 Hz long period and 1.0 Hz short period data are 3.02 deg, 1.84 sec/seg and 4.26 deg, 2.01 sec/deg, respectively, which are smaller than those of other frequences. The maximum values of backazimuth and slowness error reaches about 11°, 5.2 sec/deg and 7°, 7.2 sec/deg, respectively, for long and short period data. It is little less level than other array stations. The residuals do not vary systematically but vary randomly with theorectical backazimuth. This result suggests no existence of certain dipping Moho under KSRS array region.
The backazimuth anomalies of KSRS is attributed to non uniform geological site effects and computational errors from the technique employed. Anomalies analysis shows KSRS to meet array monitoring demands.
Key words: KSRS, array station, backazimuth anomalies, residuals, geological site effects
(Jin Soo Shin and Geun Young Kim, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 305-350, Korea)
1. 서 론
여러 개의 지진관측소가 하나의 조합으로 구성된 배열 지진관측소는 주로 국지적인 지진관측망 범위 를 벗어나는 광역 또는 원거리 지역의 지진 활동관 측에 활용된다. 배열 관측 자료로부터 지진 발생 위 치는 관측망에 도달하는 지진파 전달 방향과 초동 P 파와 S파 또는 표면파의 도달 시간차에 의해서 결정 된다. 따라서 배열 관측망의 정확도는 후방위각 관 측값 오차 정도에 따라 크게 좌우된다.
배열 관측망에서 후방위각 이상은 상부 맨틀과 지각에서 속도 분포가 수평적으로 변화하는 것에 기 인한다(Hearty et al., 1977; Dainty and Battis, 1989).
또한 배열 관측망을 구성하는 각각의 관측소 하부의 속도 구조가 서로 일치하지 않는 것도 후방위각 평 가 오차를 크게 하는 원인이다(Niazi and Anderson, 1965; Lin and Roecker, 1996). 원거리 지진의 경우 에는 심부 맨틀의 수평 속도 구조 변화가 후방위각 평가에 영향을 주기도 한다(Weichert, 1972; Powell, 1975). 이들 원인에 의해서 배열 관측소의 후방위각 관측 오차가 크게는 10°~20° 정도 만들어진다. 중국 북서 산악지역에 위치한 LZDM 배열 관측소에서 판구조 운동으로 생성된 독특한 지각구조 때문에 최 대 87°의 후방위각 오차가 있는 것으로 발표되었다 (Hao and Zheong, 2010). 지각과 맨틀의 수평적 속 도 구조 이상에 기인하는 후방위각 오차는 배열 관 측자료 처리 전에 보정을 수행하면 크기를 상당히 줄일수 있다. 관측소 주변에서 발생하는 무작위 배 경잡음과 후방위각 도출에 적용되는 수치 해석 방법 등도 후방위각 오차의 원인이 된다. 이것들에 의한 오차는 크기가 속도구조 이상에 의한 것보다는 작아 서 10°이내로 알려져 있지만(Lin and Roecker, 1996) 나타나는 형태가 불규칙하기 때문에 수치적으로 보 정이 되지 않는다.
우리나라에서는 한국지질자원연구원이 원주-홍 천 지역에 대규모 배열 관측망인 KSRS 관측소를 운 영하고 있다. KSRS 관측소는 포괄적핵실험금지조 약기구(CTBTO) 국제관측망(IMS)의 주요 관측소로 19개 단주기, 6개 장주기, 1개 광대역 관측소로 구성 되어 있다(그림 1). 모든 관측소는 지하 약 100 m 깊 이에 시추공형 속도 센서가 설치되어있다. 단주기 관 측소에 설치된 지진 속도 센서는 GeoTech사의 23900
모델로 매초 기록획수는 20회이다. 단주기 관측소 배열은 동서, 남북 방향으로 각각 약 10 km, 9 km 이내에 분포한다. 광대역 관측소와 장주기 관측소에는 모두 GeoTech사의 KS-54000이 설치되어있다. 광대 역 관측소는 40회/초로 자료 기록이 되고 있는 반면 에 장주기 관측소는 동일한 장비에서 4회/초로 자 료 획득을 하여 장주기 성분만을 기록하고 있다. 장 주기 관측소 배열은 동서, 남북 방향으로 각각 약 38 km, 31 km 이내로 비교적 넓은 지역에 분포한다. 모 든 관측소의 표고차이는 최대 300 m 이내로 이번 연 구 자료처리에서는 고도 차이를 고려하지 않았다.
이 연구에서는 다양한 방향과 거리에서 전파되어 KSRS에 기록된 지진파의 후방위각을 계산하고 USGS PDE 지진목록에 제시된 진앙위치로 부터 계산된 후 방위각과 비교하여 오차의 크기와 형태를 분석하였 다. 또한 관측된 후방위각 이상값이 KSRS 하부에서 수평적 지각 속도 구조 변화, 특히 모호면 경사와 관 계되는지를 살펴보았다.
2. 지진자료 및 계산 방법
2003년 1월부터 2010년 4월까지 KSRS에서 관측
Fig. 1. Location and configurations of short and long period seismic array KSRS.
된 원거리 지진의 후방위각을 분석하였다. 전체 지진 기록이 아닌 P파만을 후방위각과 슬로우니스(slowness) 계산에 사용하였다. 명확히 구분된 P파를 얻기 위하 여 지진의 진앙거리는 2000 km 이상으로 제한하였 다. 진앙깊이 200 km 이상인 경우에는 이보다 가까 운 거리에서 발생한 지진도 사용하였다. 이 경우는 주로 한국-중국-러시아 국경 부근에서 발생하는 심 발지진들이다. KSRS 광대역 관측소에서 P파의 최 대 진폭이 배경잡음 보다 20배 이상 되는 기록을 선 별하여 최종적으로 68개 지진 자료를 확보하였다(그 림 2). 이들은 주로 인도네시아, 통가-피지, 캄차카 지 역에서 발생한 지진들이다. 진원 위치는 미국지질조 사소(USGS) PDE 목록에서 제시된 것을 인용하였다.
목록에 제시된 진원위치와 IASP91 (Kennett, 1991) 속도구조 모델로 부터 우선 이론적 후방위각, αcal과 슬로우니스, Siasp91을 계산하였다.
지진기록에서 후방위각, αobs과 슬로우니스, Sobs를 도출하기 위한 여러가지 수치적인 방법이 꾸준히 개 발되고 있다(Rost and Thomas, 2002). 이들 가운데 배열 자료에 많이 적용되는 것은 BF (Beam Forming) 와 F-K (Frequency-Wavenumber) 방법이다. 각 관 측소 자료의 상호 상관관계로 부터 결과를 얻는 BF 방법은 정확도가 다소 높은 것으로 알려져있다(Lin and Roecker, 1996). 하지만 분석 과정에서 민감도 가 크기 때문에 지진 기록 상태에 따라 정확도가 달
라지기도 한다. F-K 방법은 주파수 영역에서 에너지 크기가 최대가 되도록 지진자료를 재배열하는 과정 을 거쳐 αobs와 Sobs를 계산한다. 주파수 영역에서 자 료가 일괄 처리되기 때문에 비교적 계산과정이 단순 하다. 여기에서는 F-K 방법으로 αobs와 Sobs를 분석하 였다.
F-K 방법에서 N개의 개별 관측소로 구성된 배열 관측소의 지진 기록 x(t—s․ri) (i=1,..N)에서 주파 수 영역에서 에너지 합 E(k—k0)는 다음과 같이 제 시된다.
(1)
여기서 |A(k—k0)|2는 배열응답함수로
(2)
이다. 식 (1) 과 (2)에서 E(k—k0)가 최대가 되는 벡 터값 s를 찾으면 방향과 크기가 각각 αobs와 Sobs가 된다.
그림 3은 KSRS 관측소의 배열응답함수를 보여준 다. 그림 3에서 단주기 관측소는 1 Hz에서, 장주기 관측소는 0.2 Hz에서 배열응답함수가 계산되었다.
Fig. 2. Distributions of 68 earthquakes epicenters marked by stars in map (A) and solid circles in backazimth-slowness diagram (B).
배열응답함수는 배열 관측소의 후방위각 분해능을 나타내는 것으로 구성하고 있는 개별관측소의 기하 학적 배치형태에 따라 모양이 결정된다. 관측소의 배열이 특정방향으로 치우치게 되면 그 방향 분해능 은 좋아지는 반면에 분해능이 좋지 않은 방향이 존 재하게 된다. 예로써 미국 Yellowknife 배열관측소 는 남북-동서의 십자형태로 배열되어 이 방향으로 분해능이 상대적으로 높다(Rost and Thomas, 2002).
KSRS는 구성하는 각각의 관측소가 거의 일정한 간 격을 유지하며 고리형으로 분포하기 때문에 배열응 답함수에서 보이는 것과 같이 모든 방향으로 후방위 각 분해능이 거의 일정하다.
3. 후방위각 이상 분석
F-K 기법으로 68개 지진의 αobs와 Sobs를 계산하였 다. 하나의 지진에서 단주기와 장주기 관측소 자료 를 구분하여 계산을 수행하였다. 이때 광대역 관측 소 자료는 단주기 계산과 장주기 계산 모두에 사용 되었다. 따라서 단주기 성분 계산에는 20개의 관측 소 자료가, 장주기 성분계산에서는 7개의 관측소가 사용되었다. 단주기 관측소 자료에서는 시간 창 영
역을 P파 도달시간 1초 전부터 6.4초 길이로 하고 0.5, 1.0, 2.0 Hz 주파수에 해당하는 αobs와 Sobs를 평 가하였다. 장주기 관측소 자료에서는 시간 창 영역 을 P파 도달시간 1초 전부터 32초 길이로 하였고 0.1, 0.2, 0.5 Hz 주파수에 해당하는 αobs와 Sobs를 평 가하였다. 그림 4는 2007년 9월 28일 142.7E, 22.0N 깊이 260 km에서 발생한 지진의 αobs와 Sobs이다. 이 지진의 αcal와 Siasp91는 각각 136.4o와 11.3 sec/deg 이다. 단주기 1 Hz와 장주기 0.2 Hz에서 구한 αobs와 Sobs는 각각 147.0o, 11.9 sec/deg와 142.8o, 8.5 sec/
deg이다. 계산 이상값 Sres(αobs—αcal)와 Sres(Sobs—
Siasp91l)는 단주기와 장주기에서 각각 6.4o, -2.8 sec/
deg이다. 이 지진의 관측기록은 지진파가 예상된 경 로보다 시계방향으로 약간 벗어난 각도로 도달한 것 을 보여준다.
표 1은 단주기와 장주기에 대한 각 주파수별 계산 결과를 종합한 것이다. 단주기 기록 분석결과에서는 1.0 Hz에서 αres와αres의 표준 편차가 각각 4.26와 2.01 로 0.5, 2.0 Hz에서 보다 크기가 좀 더 작았다. 장주 기 기록 분석결과에서는 0.2 Hz에서 αres와 Sres의 표 준 편차가 각각 3.02와 1.84로 0.1, 0.5 Hz에서 보다 약간 작다. 장주기 분석이 단주기 분석 결과 보다 αres
Fig. 3. Array response functions of the KSRS computed of 1.0 Hz short period data (left) and 0.2 Hz long period data (right). The logarithmic power density is color coded and maximum is normalized to 0 dB.
와 Sres변화가 조금은 변화가 덜하다. 하지만 이것으 로 장주기 분석이 단주기 분석보다 더 안정적이다 라고 판단할 수는 없다. 실제 과정에서 평가 방법, 자 료의 시간영역 창의 길이 등 최종과정에 영향을 주 는 여러가지 수치적인 원인이 있기 때문이다. 또한 여기서 대상이 되는 지진자료가 장주기 성분이 우세 한 원거리 또는 심발지진들로 구성되었기 때문에 장 주기 기록이 더 양호한 상태를 유지하고 있는 것도 장주기 분석이 보다 안정적으로 도출된 원인일 수 있다.
후방위각과 αres와 Sres의 분포가 그림 5, 6에 제시
되어 있다. 그림에서 단주기 에서는 1.0 Hz (그림 5), 장주기에서는 0.2 Hz (그림 6)에서의 계산된 것이 다. 단주기 결과에서 |αres|는 최대값이 10° 보다 조 금 큰 이상값을, |Sres|의 최대값은 약 6 sec/deg 이 다. 장주기 에서는 |αres|는 최대값이 10° 보다 작게,
|Sres|의 최대값은 약 8 sec/deg 정도를 보인다. αres
와 Sres변화 사이의 상관관계는 거의 없는 것으로 보 여진다.
배열 관측소의 후방위각 이상값이 관측소 하부의 지각구조, 특히 모호면의 경사구조와 관계가 있다면 정형화된 이상값 분포를 보인다. 계산에 의하면 모 Fig. 4. Frequency-Wavenumber (F-K) analysis for P arrival from earthquake occurred on September, 28, 2007 at 142.7E, 22.0N and depth 260 km. Theoretical backazimuth (136.4°) and slowness (11.3 sec/deg) values are marked by white squares. Observed backazimuths and slownesses marked by white diamonds are 47.0o, 11.9 sec/deg and 142.8o, 8.5 sec/deg, respectively for 1.0 Hz (left) and 0.2 Hz (right) data.
Table 1. Average (M) and standard deviation (Sd) of the backazimuth and slowness residuals founded by Frequency- Wavenumber (F-K) analysis.
Frequcy (Hz)
Short Period Array Long Period Array
M (αres) Sd (αres) M (Sres) Sd (Sres) M (αres) Sd (αres) M (Sres) Sd (Sres)
0.1 - - - - 0.0 5.80 2.0 2.76
0.2 - - - - 0.7 3.02 0.4 1.84
0.5 -0.4 6.80 1.5 2.58 2.4 6.19 0.2 2.19
1.0 0.3 4.26 -0.4 2.01 - - - -
2.0 -2.0 7.50 -1.9 2.54 - - - -
호의 주향방향에서 -90°~+90° 범위에서 전파되어 오는 경로에서는 αres<0 이고, 90°~270° 범위의 경우에 는 αres>0 이 된다. αres의 값이 음수에서 양수로 변하 는 각도가 경사의 방향과 일치하게 된다. 그림 7은 주향 방향이 0°이고 경사가 10°일 때 Niazi (1966)가 제시한 관계식으로 αres를 계산한 결과이다. 후방위 각 이상 αres는 모호면의 주향과 경사방향과 밀접한 관계가 있으며 파선의 맨틀입사각이 작을수록 지진 파의 전파방향은 맨틀 경사를 고려하지 않고 계산한 이론적 방향보다 크게 빗겨나서 도달해 온다. 이는 원거리이거나 심부에서 발생한 지진일 때 후방위각 관측값이 더 크게 변화하는 것을 의미한다.
이번 KSRS 배열 관측소 자료 분석에서는 αres와 Sres의 변화가 방향성을 보이지 않고 있다. 또한 P파 의 모호 입사각의 관계에서도 어떤 경향성을 보이지 않는다. KSRS에서 주로 관측소 하부 지각구조의 수 평적 불균질로 인한 파의 산란, P-SV 파형변환, 다중 반사등이 지점마다 서로 약간의 차이가 나는 것이
αres와 Sres의 주 원인으로 추측된다. 단주기 관측소 보다는 구성하고 있는 관측소의 간격이 큰 장주기 관측소에서 영향이 더 크게 나타났을 것이다. 단주 기 관측소에서는 인접한 지역에서 발생한 1 Hz 이 상의 배경잡음의 영향이 각 관측소에 서로 다른 영 향을 주어 αres와 Sres에 변화를 일으키는 주 요인으 로 추측된다.
4. 토의 및 결론
배열 관측소의 후방위각 관측 이상값 분석은 관 측자료의 건전성 검증과 보정 요소를 도출하여 관측 정밀도 향상을 위해서 수행된다. 방향성이 있는 보 정 요소는 관측소 하부의 지질구조와 연관이 되기 때문에 역으로 지질구조 해석에도 활용된다. 미국 TFSO (Niazi, 1966), Pinyon Flat (Lin and Roecker, 1996) 배열 관측소, 중국 LZDM (Hao and Zheng, 2010) 배열 관측소 등에서 관측된 후방위각 이상값으로 모 Fig. 5. The residuals of backazimth and slowness computed for short period array data. (A) Backazimuth residuals and (B) slowness residuals as a function of theoretical backazimuth, (C) backazimuth residuals as a function of incidence angle of P-wave at Moho. (D) Backazimuth residuals versus slowness residuals.
호면의 경사방향을 규명하였다. 여기에서 분석된 KSRS 후방위각 관측 이상값의 범위는 약 ±10°이나
오차의 분포가 방향성을 보이지 않기 때문에 후방위 각 이상에 가장 큰 영향을 주는 모호면의 수평적인 변화와는 관련이 없는 것으로 여겨진다. LZDM 관측소 등에서도 모호면 경사를 고려한 보정 요소를 반영하 여 관측 후방위각을 재평가 하여도 ±15~20° 범위의 후방위각 이상은 여전히 존재하였다. Pinyon Falt 관 측소에서도 유사한 결과를 보인다. 따라서 ±10~15°
범위의 후방위각 이상은 모호면 변화가 광역적인 속 도구조 이상이 아닌 다른 요인에 의해서도 존재 할 수 있는 것으로 해석할 수 있다.
Lin and Roecker (1996)에 의하면 관측 후방위각 분석 오차를 생성시키는 몇 가지 원인이 있다. 우선 추정할 수 있는 것은 각 관측소 하부 지질구조가 일 치하지 않는 것이다. 또한 각 관측소의 배경잡음 효 과가 서로 다르기 때문에 αobs와 Sobs 계산에 오차를 만들어 낸다. 사용된 지진의 진앙위치 불확실성과 계산 과정에 있는 수치적 오류 누적도 오차의 원인 이 될 수 있다. 이 요인들은 심부 맨틀에서 수평적 속 도 구조 변화 또는 경사진 모호면과 같이 큰 후방위 Fig. 6. Same as Fig. 5, but for long period array data.
Fig. 7. Theoretical backazimuth anomalies caused by Moho dipping for different values of the incidence angle indicated by the labels on solid line. The parameters of Moho dipping model are strike=0°, dip=10° and P velocity contrast(Vupper/Vlower)=0.8.
각 이상값은 만들어 내지는 않는다. KSRS에서 관측 된 후방위각 이상도 이들 원인에 의하여 생성된 것 으로 추정되지만 이에 대한 상세한 분석은 진행하지 못하였다.
KSRS에서 관측 이상값 |αres|와 |Sres|의 최대값 이 장주기 0.2 Hz 기준으로 각각 약 10°, 8 sec/deg 로 평가된 것은 다른 배열 관측소 정도와 유사하거 나 다소 낮은 수준이다. 또한 관측소 하부에 수평적 광역 속도 구조변화가 없기 때문에 전체적인 파선의 입사방향에 따라 진앙 후방위각을 보정할 필요가 없 다. KSRS 배열 관측소는 핵실험금지조약기구(CTBTO) 국제관측망(IMS)의 주요 지진관측소이다. 따라서 이 관측소 자료의 분석 정밀도를 높이는 것이 동아 시아 지역의 지진 및 핵실험 탐지에 능력 향상에 중 요한 역할을 한다. 향후 추가적으로 근거리 지진에 자료에 대한 해석을 수행하고 후방위각 이상에 영향 을 주는 요소에 대한 세밀한 분석이 필요하다.
사 사
이 연구는 한국지질자원연구원 주요사업인 ‘‘실시 간 지진관측 및 대도시 지진위험도 예측 기술 개발‘‘ 과 제의 일환으로 수행되었습니다.
참고문헌
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투 고 일 : 2011년 5월 27일 심 사 일 : 2011년 5월 30일 심사완료일 : 2011년 6월 28일
