지진 위치와 관련된 지자기장 변동성 분석:
2012년부터 2014년까지 한반도 지역 발생 지진을 중심으로
민동민·오석훈*·지윤수
강원대학교 자원공학과, 200-701, 강원도 춘천시 강원대학길 1
An Analysis of Geomagnetic Variations Related to Earthquakes Location which Occurred in and around the Korean Peninsula from 2012 to 2014
Dongmin Min, Seokhoon Oh*, and Yoonsoo Ji
Department of Resources Engineering, Kangwon National University, Chuncheon 200-701, Korea
Abstract: This study aimed at the correlation analysis of geomagnetic variations related to earthquakes which occurred in and around the Korean Peninsula from 2012 to 2014. The wavelet-based semblance technique was used to confirm the geomagnetic variations related to earthquakes. As a result, a pattern of consistent geomagnetic variations in total magnetic has been found from the earthquakes occurred within 100 km radius around the observation site. A similar correlation between earthquake location and Z-field geomagnetic data was also confirmed by the wavelet-based semblance analysis.
We mainly used the high quality geomagnetic measurements from the Cheongyang Observatory and additionally used the data from the Bohyunsan Observatory in order to validate the correlation between earthquake and Z-field geomagnetic data.
Keywords: geomagnetic variation, earthquake, correlation
요 약: 2012년부터 2014년까지 한반도 및 그 주변에서 일어난 지진과 지자기장 변동성과의 상관관계를 연구하였다. 웨 이블릿 기반의 셈블런스 분석기술을 지진과 관련된 지자기장 변동성 분석에 사용하였다. 총자기장을 이용한 분석 결과 관측소 반경 100 km 이내에서 발생한 지진의 경우 일관적인 셈블런스 변동양상이 나타남을 확인하였고, Z축 성분 지 자기장 자료를 이용한 웨이블릿 기반의 셈블런스 분석에서도 비슷한 변동양상을 확인하였다. 자료 질이 좋은 청양 관측 소 지자기장 자료를 중심적으로 분석하였고, 추가적으로 보현산 관측소의 Z축 성분 자료를 해석하여 상관성에 대한 신 뢰도를 확인하고자 하였다.
주요어: 지자기 변동성, 지진, 상관관계
서 론
지진의 전조 현상으로써의 지자기장 변동성에 대한 논의는 오래전부터 있었다(Rikitake and Honkura,
1985; Johnston, 1997). 지진이 발생할 때 지자기장의 ULF (Ultra Low Frequency) 대역에서의 변동성이 성공적으로 관측되고 있고(Kawate et al., 1998;
Hayakawa et al., 2000; Oh, 2009), 공통적으로 대형 지진 발생 전 짧게는 하루에서 길게는 한 달 이전에 지자기장의 변동이 나타나는 결과를 보여주었다. 이 러한 연구를 통해서 지진과 관련된 지구물리학적 전 조 혹은 동반신호로써 지자기장 변화는 비교적 명확 하고 이론적으로 개연성 있는 현상임이 확인되어있다 (Rikitake and Honkura, 1985). 다만, 실제 지구환경 에서는 그 신호가 매우 미약하여 배경 잡음 등에 의 해 드러나지 않기 때문에 대규모 지진의 경우에만
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징후가 명확히 나타나는 예를 보여 왔다(Hayakawa et al., 2000; Hatorri et al., 2002; Harada et al., 2004). 그러므로 그 동안 사용되어진 대규모 지진에 대한 지자기장 변동 분석기술을 미세규모의 지진이 많은 한반도에 적용하는 것은 적절하지 못하다고 할 수 있다(Oh, 2009, 2012; Yang et al., 2009). 문제점 을 극복하기 위하여 국내에서는 지자기 전달함수 분 석을 통한 한반도 심부의 전기적 구조를 해석하기 위한 연구가 진행되면서(Oh et al., 2002; Yang et al., 2002), 이를 지진 전조 현상 연구에 적용하려는 노력이 있었다(Yang et al., 2004; Oh, 2009). Oh (2009)는 한반도에서 발생하는 작은 규모의 지진에 의한 지자기장의 미세한 변동성을 분석하기 위해서 주성분 분석과 웨이블릿 셈블런스 기술에 기반을 둔 해석기술을 제안하였으며, 기상청에서 2009년 3월 충 북 청양에 지진 전조 현상의 관측을 목표로 설립한 청양 지자기장 관측소의 자료를 이용하여 안동지역에 서 발생한 지진(2009년 5월 2일, 규모 4.0)에 대해서 웨이블릿 기반 셈블런스 분석, 주성분 분석, 고유값 분석을 통해 지진 발생 직전의 지자기장 변동성을 성공적으로 관측하였다. Oh and Ji(2014)는 동일한 셈블런스 분석 기술을 이용하여 연속된 기간(2009- 2011)동안 한반도 및 그 주변에서 발생한 지진에 대 해서 지자기장 변동성을 성공적으로 관측하고 그 변 동성이 지자기의 수직성분에서도 감지됨을 확인한 바 가 있다.
본 연구에서는 Oh(2009)가 제안한 기술을 바탕으 로 2012년부터 2014년까지 한반도 및 그 주변에서 일어난 규모 3.0 이상의 지진에 대해서 지진 발생 위 치, 지진과 관측소와의 거리, 규모에 따라 지진을 분 류하고, 지자기 변동성에서 나타나는 일정한 패턴을 찾아 지진과 지자기장 변동성의 상관관계를 확인하고 자 하였다.
연구 방법
시계열 자료를 분석하기 위해서 모형화에 유용한 자기상관 이동 평균 기법(ARIMA; integrated auto- regressive moving average) (Cryer and Chan, 2010) 이 많이 사용되고, 자료의 주기성을 연구하기 위해서 는 푸리에 변환 등을 이용한 주파수 영역 분석이 많 이 사용된다. 지자기 자료는 시계열 자료이므로 위의 분석 방법을 적용할 수 있지만 배경 잡음이 섞이거
나 비정상상태(non-stationary)인 경우에는 적용이 어 렵다. 최근에는 다중감쇠 방법(multitaper method)이 나 최소자승 기술에 의한 지자기 자료 복원기술을 웨이블릿 기반 셈블런스 기술과 접목한 지자기 자료 처리 방법 등이 적용되고 있다. Nordemann et al.
(2008)이 제안한 사인 함수의 계수 결정 방법은 푸리 에 변환에서 시계열 자료의 전체적인 분석정보를 얻 고, 시간영역의 특성을 반영하기 위해 주성분을 분석 한 뒤 최적화 기법에 의해 각 주성분을 반영할 수 있게 하는 것이다. 이 방법을 지자기 자료에 적용하 기 위하여 지자기 시계열 자료의 자기상관을 수행하 여 고유값을 추출한 뒤 주성분을 도출하고, 푸리에 변환을 통해 주성분의 특성을 반영하는 주파수를 얻 는다. 이를 최소 자승법을 이용하여 사인 함수를 가 정한 목적함수의 진폭, 위상을 변화시켜 가면서 가장 오차가 적은 계수와 주파수를 결정한다. 이때 주성분 은 크기순으로 분류해서 각 성분에 해당하는 시간에 대한 삼각함수들의 주파수 집합을 만들게 된다. 이와 같은 과정에서 주성분의 큰 값만을 이용하여 잡음 성분은 반영하지 않는 지자기 신호를 예측한다. 이러 한 예측 자료를 이용하면, 실제 관측 자료와 비교하 여 큰 변동성이 있는 경우에 대한 각종 해석을 미리 할 수 있게 될 것이다. 또한 주성분 분석을 통해 재 구성한 자료는 시계열 자료내의 일관된 주파수 성분 을 반영하게 되므로, 실제 측정 자료와 비교할 경우 특정 시간대에서의 주파수 이상 변동성을 파악할 수 있게 된다.
셈블런스 기법은 두 시계열 자료에 나타난 위상성 분의 동질성을 파악하는데 널리 이용되는 방법이다 (von Frese et al., 1997). 셈블런스는 일반적으로 푸 리에 변환된 주파수 영역에서 처리된다. 두 자료의 위상차에 대한 코사인 값으로 주어지며, 상관도에 따 라 −1에서 1 사이의 값을 갖는다. 하지만 푸리에 변 환에 기반을 둔 셈블런스 처리는 단기적 변동성을 갖는 비정상 신호(non-stationary signal)에 대해서는 적용성이 좋지 않다(Cooper, 2009). 이를 보완하기 위한 방법으로 시간 영역에서도 주파수 특성을 파악 할 수 있는 장점을 가진 웨이블릿 변환 기반의 셈블 런스 기법이 등장하였다. 푸리에 변환은 무한히 지속 되는 삼각함수를 기저함수로 이용하기 때문에 주파수 가 시간에 따라 변하는 비정상상태(non-stationary)에 적용 시 문제가 발생한다. 웨이블릿 변환에서는 유한 한 웨이블릿을 기저함수로 이용하여 기존의 푸리에
변환이 갖고 있던 여러 문제점을 극복하였다. 이에 대한 자세한 논의는 웨이블릿에 대한 다양한 이론서 를 참고할 수 있다(Strangand and Nguyen, 1996).
본 연구에서는 웨이블릿 기반의 셈블런스 분석 방 법을 2012년부터 2014년까지 한반도 및 그 주변에서 일어난 규모 3.0 이상의 지진에 대해 적용하여 분석 하였다. Fig. 1은 연구기간동안 청양 관측소에서 얻 은 지자기장 자료 중 본 분석 방법으로 분석 가능한 27개의 지진 중 2014년 3월 28일과 4월 1일 발생한 지진을 분석한 그림으로, 분석 방법의 예시를 들고자 하였다. 분석이 불가능한 경우로는 데이터의 연속성 이 결여되는 데이터 누락이 가장 주된 원인이다. 지 진이 발생한 날짜에서 전후 7일, 총 15일을 분석 기 간으로 설정하였다. 검정색 점선은 규모 3.0 이상의 지진을 국제표준시각 기준으로 표시한 것이고, 초록
색 점선은 변동성 참고를 위해 관측된 규모 3.0 이하 의 지진을 표시하였다. Fig. 1(a)는 제시된 기간 동안 관측된 지자기장 결과이며, Fig. 1(c)는 관측된 지자 기장 결과를 주성분 분석하여 재구성한 값이다. Fig.
1(b)와 Fig. 1(c)는 각각 관측 값과 재구성한 값을 웨 이블릿 변환하여 나타낸 실수부이다. Fig. 1(e)는 두 자료에 대해 셈블런스 분석을 한 결과이다. Fig. 1(e) 에서 볼 수 있는 바와 같이, 전반적으로 두 자료의 셈블런스는 매우 좋은 상관성을 보인다. 그런데, 2014년 3월 28일에 지진 발생 직전부터 지진 발생 시기까지 두 자료의 셈블런스 결과가 −1에 가까운 역 상관성을 보이고 있다. 이것은 이 시기의 실제 지 자기장 자료의 위상과 주성분 분석을 통해 재구성한 자료의 위상이 다른 지역적 특성을 갖는 다는 것을 의미한다. 즉, 주성분 분석에 사용한 시계열의 일반 Fig. 1. Result of wavelet-based semblance using Cheongyang observatory data (Mar 25-Apr 8, 2014) and its reconstructed series. The earlier black dash indicates the earthquake occurred at Mar 28, 2014, with magnitude 3.3. The following black dash indicates the earthquake occurred at Apr 1. 2014. with magnitude 5.1. The green dash lines indicate earthquakes with magnitude below 3.0 for reference. (a) Observed geomagnetic total field, (b) It is CWT real part, (c) Reconstructed value from principal component analysis, (d) It is CWT real part, and (e) Wavelet semblance of the two data.
적인 위상 특성과 다른 점을 보인다는 것이다. 이러 한 경우를 본 연구에서는 지자기장의 변동성이 있다 고 판단하였다.
지진과 지자기장 변동성의 상관관계 분석
과거 지진에 대한 지구물리학적 반응을 연구한 내 용을 보면 특정 지진에 대한 연구가 많다. 그래서 본 연구에서는 다른 여러 지진들에 대한 일반화가 부족 하다고 판단하여 특정 지진이 아닌 일정 기간 동안 일어난 모든 지진에 대해서 연구를 하였다. 이와 같 은 이유로, 지진과 지자기장 변동성의 상관성을 찾는 방법으로 제시된 웨이블릿 기반의 셈블런스 분석 방 법을 이용하여 2012년부터 2014년까지 한반도 및 그 주변에서 발생한 규모 3.0 이상의 모든 지진을 분석
하여 분석 방법에 신뢰성을 얻고자 하였고, 변동성 유무에 따라 지진을 분류하고 분류된 결과로부터 일 정한 규칙을 찾고자 하였다.
Table 1은 연구기간동안 발생한 지진 중 분석 가능 한 규모 3.0 이상인 27개의 지진에 대해서 발생시간, 규모, 위도, 경도, 위치, 관측소와의 거리, 깊이, 인덱 스 분류 순으로 정리하여 나타낸 표이다. 발생시간, 규모, 위도, 경도, 깊이는 기상청에서 제공한 지진 자 료를 참고하였다. 발생 위치는 육지, 해양, 해안으로 나누고, 관측소와 지진이 떨어진 거리는 경도와 위도 를 이용하여 계산하였다. 인덱스에서 ○로 분류한 것 은 Fig. 1의 2014년 3월 28일에 발생한 지진의 변동 성처럼 지진 발생 시기에 전형적인 셈블런스 이상을 보이는 지진에 대해 분류를 한 것이다. 청양 관측소 에서 관측한 지진에 대한 총자기장 이상은 27개의 지진 중 11개의 지진이 이에 해당한다. 다음으로 ×
Table 1. List of the earthquakes related with the geomagnetic variation at Cheongyang observatory from 2012 to 2014, identi- fied by semblance test. Index ○ means the test was very successful to relate the earthquake and geomagnetic variation in time series and △‚ indicates the test showing only limited correlation, And × means the test could not show any anomaly
Focal time M Lat. Lon. Location Distance
(km)
Depth
(km) Index
2012. 09. 07 02:34:46 3.6 34.60N 127.25E Interior 35 5.7 △
2013. 11. 08 21:02:41 3.2 36.23N 126.38E West Sea 45 18.9 ○
2013. 08. 01 17:22:36 3.4 36.19N 126.19E West Sea 63 20 ○
2013. 07. 13 02:02:43 3.8 36.19N 126.16E West Sea 65 16.6 ○
2012. 05. 11 12:46:05 3.9 36.03N 127.71E Interior 85 11.8 △
2014. 03. 28 10:40:44 3.3 36.47N 127.93E Interior 97 16.6 ○
2014. 09. 28 21:32:44 3.6 37.22N 126.44E West Sea 102 6.8 ×
2012. 06. 01 12:05:42 3.1 37.12N 125.95E West Sea 116 13 △
2012. 06. 23 14:42:51 3.2 36.70N 128.30E Interior 134 4.6 ○
2013. 06. 08 05:56:59 3.2 35.13N 126.96E Interior 138 15 ×
2013. 06. 25 03:56:00 3.2 38.79N 126.32E West Sea 188 12.6 ○
2014. 04. 01 04:48:35 5.1 36.92N 124.49E West Sea 220 12.6 ×
2012. 07. 26 19:24:57 3.6 37.98N 125.40E Interior 221 12.4 ○
2013. 08. 13 00:36:47 3.1 36.89N 129.40E East Coast 234 7.3 △
2014. 09. 23 15:27:58 3.6 35.81N 129.39E East Coast 236 10.9 ×
2012. 05. 30 02:48:11 3.2 36.56N 129.55E East Coast 242 17.5 △
2013. 05. 18 07:02:24 5.0 37.62N 124.61E West Sea 243 5.9 ×
2013. 05. 21 16:17:52 3.7 37.63N 124.62E West Sea 243 7.8 △
2013. 04. 21 08:21:27 5.0 35.16N 124.54E West Sea 248 4 ×
2014. 07. 03 21:57:11 3.9 35.67N 129.74E East Sea 270 16.5 ×
2013. 08. 12 04:33:48 3.4 35.66N 129.75E East Sea 272 16.3 ○
2013. 07. 01 11:24:53 3.2 35.80N 124.89E Interior 274 14.1 ×
2012. 02. 24 09:05:32 3.4 35.10N 129.85E East Sea 304 18.8 ○
2014. 09. 25 02:26:43 3.9 35.08N 129.85E East Sea 305 17.2 ×
2012. 04. 20 21:11:02 3.2 33.50N 127.30E South Sea 321 11.2 ○
2013. 09. 11 13:00:31 4.3 33.60N 125.37E South Sea 336 17.4 ×
2014. 05. 15 08:46:53 3.5 33.13N 126.21E South Sea 364 19.3 ○
로 분류한 지진은 Fig. 1에서 2014년 4월 1일에 발 생한 지진의 변동성처럼 지진 발생 시기에 변동성이 나타나지 않는 경우이며 연구기간동안 10차례에 걸 쳐 나타난다. 다음으로 △로 분류한 지진은 변동성은 확인되지만 이상대의 위치가 어긋나거나 상관성 범위 가 좁은 지진에 대해서 ○로 분류하기 어려운 지진 을 연구자가 주관적으로 구분하였다. 나머지 6개의 지진이 이에 해당한다. 이제 위와 같은 방법으로 분 류된 지진에 대한 요소별 분석을 실시하고자한다.
청양 관측소에서의 지진-지자기장 상관관계 분석 Table 1에 분류된 지진을 분석해 보고자 한다. 지 진 발생 위치에 따른 변동 양상은 내륙과 해양으로 나누어 변동 양상이 상관성을 보이는지 확인하고자 하였다. 내륙에서 발생한 지진은 7개, 해안을 포함한 해양에서 발생한 지진은 20개이다. 내륙에서 발생한 지진은 인덱스 ○, △, × 각각 3개, 2개, 2개이고, 해양에서 발생한 지진은 각각 8개, 4개, 8개이다. 해 양, 내륙 모두 세 가지의 변동성이 잘 나타남을 확인 하였고, 이에 따라 발생 위치로만 나눈 기준은 상관 성이 높지 않다고 판단된다.
깊이에 대한 상관성은 4-17.5 km에서 발생한 지진 들은 일관성을 확인하지 못하였다. 하지만 18.8-20 km 깊이에 해당하는 4개의 지진에 대해서는 변동성 이 모두 잘 나타났는데 모두 해양에서 발생한 지진 으로 확인된다. Table 1에서 2012년 02월 24일과 2014년 9월 25일에 일어난 지진을 확인하면 동일한 위치에서 발생한 지진이 깊이가 얕은 지진에 대해서 는 반응성이 안 나타남을 확인할 수 있는데, 추가 연 구를 위한 보현산 관측소의 해당범위 지진 자료가 부족하여 18.8-20 km 깊이 지진에 대한 상관관계를 확신하지 못하였다. 깊이에 대한 연구는 지진 자료가 더 축적 되었을 때 확인할 수 있는 부분으로 판단 된다.
일반적으로 지자기는 경험식 0.025R ≤ M−4.5 (R:
진앙과의 거리, M: 규모)에 의하여 규모 6 정도의 지 진 발생 시 관측소가 60 km 이내에 있어야 그 변화 를 탐지 가능하며, 규모 7 정도의 지진 발생 시에는 100 km 이내에 위치하여야 한다고 알려져 있다 (Hattori et al., 2004; Hayakawa et al., 2007). 다만, 지자기는 지역적 특성을 가지고 있어 국내의 경우 한반도 지각의 전기비저항이 다른 나라의 지각에 비 해서 매우 높은 편이기 때문에 압전효과에 의거하여
다소 규모가 작은 지진이나 원거리의 지진을 포착 할 수 있는 것으로 생각할 수 있다(Oh, 2009, 2012;
Yang et al., 2009).
본 연구에서는 규모 5.0 이상의 지진이 다른 지진 들에 비해서 상대적으로 멀리 떨어져있어 3개의 지 진 모두 변동성이 나타나지 않는다고 판단한다. 규모 가 클수록 먼 곳에서 지자기 변동성을 확인 할 수 있다고 알려진 것과는 달리 본 연구의 분석 방법으 로는 유사한 거리(243-248 km)와 비슷한 환경(서해) 에서 발생한 지진에 대해 오히려 규모 5.0 지진보다 규모 3.7 지진에서 변동성 나타남을 알 수 있었다.
이러한 변동성은 일반적으로 주파수 분석에 사용한 푸리에 변환 방식 대신에, 주파수의 시간적 변동성을 파악할 수 있는 웨이블릿 변환을 이용함으로써 보다 민감한 변화를 잘 파악할 수 있었던 것으로 판단되 는데(Oh, 2009), 지진과 관측소의 거리가 너무 먼 지 진에 대한 변동성 분석은 신뢰성이 떨어지는 분석으 로 변동성이 나타나는 지진과 나타나지 않는 지진들 에게 규칙성이 없다고 판단된다. 이번 연구에서처럼 한반도 및 주변에서 발생한 규모가 5.0 이상인 지진 에 대해서 변동성이 나타나지 않는 부분은 좀 더 다 양한 지진에 대해서 거리 자료가 축적되어 이를 이 용한 연구가 필요한 부분으로 생각된다.
마지막으로 지진에 대한 거리 상관성을 알아보고자 하였다. 그 결과 Table 1에서 지진이 관측소와 떨어 진 거리를 오름차순으로 정렬한 것과 같이 관측소 반경 약 100 km 이내에서 발생한 지진 6개가 모두 청양 관측소의 총자기장 자료에서 변동성이 나타남을 확인 하였다. 이에 따라 지진과 관측소와의 거리 사 이의 상관관계가 있다고 판단하여 관측소 100 km 이 내에서 발생한 규모 3.0 이상의 지진에 대해서 셈블 런스 분석을 나타내고자 하였다.
진앙 거리에 따른 지자기장 변동성 분석
Figures 2, 3은 청양 관측소 반경 100 km 이내에서 발생한 6개의 지진에 대한 셈블런스 분석 그림을 나 타내고 있다. Fig. 2(a)는 가장 청양 관측소와 가장 가까운 지진(2012년 9월 7일, 규모 3.6)으로 관측소 와는 35 km 떨어져 있다. 변동성이 나타나지만 변동 성 범위가 크지 않아 △인덱스로 분류하였다. Fig.
2(b)는 청양 관측소와 45 km 떨어져 있는 지진(2013 년 11월 8일, 규모 3.2)으로 변동성이 확인된다. Fig.
2(c)는 청양 관측소와 63 km 떨어진 곳에서 발생한
지진(2013년 8월 1일, 규모 3.4)으로 변동성 확인 범 위(15일)동안 같은 지점에서 규모 3.0 미만의 지진이 14차례 있었다. 그럼에도 불구하고 변동성은 다른 날 짜 분석과 크게 다르지 않음을 확인할 수 있다. 이에 따라 규모 3.0 이하의 지진에 대한 변동성은 그 변화 가 미약하여 기준 설정의 타당함을 확인하였고, 본 연구에서 분석하는 규모 3.0 이상의 지진에 대한 변 동성은 확인 되었다. Fig. 3a는 청양 관측소와 65 km 떨어져있는 지진(2013년 7월 13일, 규모 3.8)으로 그림에서와 같이 변동성이 확인되었다. Fig. 3(b)는
관측소와 85 km 떨어진 곳에서 발생한 지진(2012년 5월 11일, 규모 3.9)으로 변동성이 확연하게 나타나지 않아 △인덱스로 분류하였다. Fig. 3(c)는 관측소와 97 km 떨어진 곳에서 발생한 지진(2014년 3월 28일, 규모 3.3)으로 Fig. 1 그림과 같은 그림으로 앞선 분 석과 마찬가지로 변동성이 확인된다. 같은 Fig 3(c)에 서 2014년 4월 1일에 발생한 지진은 규모 5.1의 지 진으로 관측소와 220 km 떨어져있다. 그림에서와 같 이 변동성이 나타나지 않음을 확인하였고, 이에 따라 거리에 대한 상관관계가 분명히 있다는 것을 확인 Fig. 2. Result of wavelet-based semblance of geomagnetic field at Cheongyang observatory in (a) Aug 31-Sep 14, 2012, (b) Nov 1-Nov 15, 2013 and (c) July 25-Aug 8, 2013. The black dash lines in (a)-(c) indicate the earthquakes occurred at Sep 7, 2012 with magnitude 3.6, Nov 8, 2013 with magnitude 3.2, and Aug 1, 2013 with magnitude 3.4 respectively.
할 수 있었다. 연구 결과 청양 관측소 자료를 이용한 관측소 반경 100 km 이내에서 발생한 지진에 대한 변동성을 확인 하였다. 분류된 인덱스를 한반도 지형 에 Fig. 4처럼 표시하였다. Fig. 4를 통하여 내륙과 해양에서 발생한 지진에 대한 변동성, 관측소와 지진 이 떨어진 거리에 따른 변동성을 한 번에 확인할 수 있다. Fig. 4의 ☆는 청양 관측소의 위치를 표시하며 검정색 원은 반경 100 km를 표시하였다. 본 연구 결 과를 다른 지자기장 관측소 자료에도 적용가능한지
확인하기 위하여 보현산 관측소에서 얻어진 지자기장 자료를 추가 분석하였다.
보현산 관측소의 지자기장 수직 성분 변동성 분석 보현산 관측소의 지자기장 자료를 이용하여 지진에 대한 지자기장 변동성의 거리 상관성 분석을 실시하 였다. 지자기장을 주파수 영역에서 분석하려면 연속 된 자료를 필요로 한다. 하지만 보현산 관측소 자료 는 중간에 누락된 부분이 상대적으로 많아 청양 관 Fig. 3. Result of wavelet-based semblance of geomagnetic field at Cheongyang observatory in (a) July 6-July 20, 2013, (b) May 04-May 18. 2012, and (c) Mar 25-Apr 8, 2014. The black dash lines in (a)-(c) indicate the earthquakes occurred at July 13, 2013 with magnitude 3.8, May 11, 2012 with magnitude 3.9, and Mar 28, 2014 with magnitude 3.3 respectively. The fol- lowing black dash in (c) indicates the earthquake occurred at Apr 1, 2014 with magnitude 5.1.
측소 자료를 이용하여 분석한 27개의 지진 중 13개 의 지진에 대해서만 분석 할 수 있었다. 분석 방법은 청양 관측소 자료의 총자기장 분석 방법과 동일하다.
이전 연구(Oh and Ji, 2014)에 따르면 총 지자기장 분석 결과를 검증하고 확인하는데 성분별 지자기 변 동성이 상호 체크가 가능하다. 총자기장 분석 결과 Table 2의 보현산 관측소 자료의 인덱스 분류를 보면 분석한 전체 지진 중 53%(총 13개의 지진 중 7개)가 변동성이 나타나지 않는다. 청양 관측소의 자료에서 는 반응성이 없는 지진이 전체에서 37%(총 27개의 지진 중 10개)를 차지한다. 그래서 보현산 관측소 자 료의 총자기장 데이터가 청양 자료의 총자기장 데이 터보다 변동성이 상대적으로 잘 나타나지 않는다고 판단하여 보현산 관측소 지자기장 자료에 대한 성분 별 분석을 실시하였다. Fig. 5는 2014년 3월 28일과 4월 1일에 일어난 지진에 대한 보현산 관측소 지자 기장 자료의 성분별(X, Y, Z) 및 총자기장 셈블런스 분석 결과 그림이다. 2014년 3월 28일에 일어난 지 진(규모 3.3, 관측소와의 거리 100 km)의 변동성을 보면 총자기장에서 확인되지 않는 변동성이 수직 성 분에서 확인이 가능하고, 이러한 양상은 다른 지진에 서도 확인 할 수 있었다. 이에 따라 본 연구에서는 보현산 관측소의 지자기장 자료를 분석할 때 총자기 장 보다는 수직성분 분석을 이용하여 변동성 연구를 진행하는 것이 더 유의미한 결과를 얻을 수 있다고 판단하여 수직성분을 분석하였다. 수직 성분 분석 결 Table 2. Same as Table 1 but at Bohyunsan observatory. Index-F and Index-Z present the indices based on total magnetic field and vertical component respectively
Focal time M Lat. Lon. Location Distance
(km)
Depth
(km) Index-F Index-Z
2014. 09. 23 15:27:58 3.6 35.81 129.39 East Coast 54 10.9 × △
2012. 06. 23 14:42:51 3.2 36.70 128.30 East Sea 85 4.6 ○ ○
2014. 07. 03 21:57:11 3.9 35.67 129.74 East Sea 88 16.5 × ○
2014. 03. 28 10:40:44 3.3 36.47 127.93 Interior 100 16.6 × ○
2014. 09. 25 02:26:43 3.9 35.08 129.85 Interior 144 17.2 × ×
2012. 09. 07 02:34:46 3.6 36.40 127.25 Interior 157 5.7 △ ○
2013. 06. 08 05:56:59 3.2 35.13 126.96 Interior 215 15 × ○
2014. 09. 28 21:32:44 3.6 37.22 126.44 Interior 255 6.8 △ ○
2012. 04. 20 21:11:02 3.2 33.50 127.30 South Sea 333 11.2 ○ △
2012. 07. 26 19:24:57 3.6 37.98 125.40 South Sea 376 12.4 ○ ×
2014. 04. 01 04:48:35 5.1 36.92 124.49 West Sea 409 12.6 × △
2013. 04. 21 08:21:27 5.0 35.16 124.54 West Sea 415 4 × △
2014. 05. 15 08:46:53 3.5 33.13 126.21 West Sea 421 19.3 ○ △
Fig. 4. Location map of semblance test result for the earth- quakes occurred from 2012 to 2014 in and around the Korean peninsula. The symbol ☆ indicates Cheongyang observatory and the black circle indicates the area within a 100 km from the observatory. The symbols ○, △, and × are same as the indices in Table 1.
과의 인덱스 분류는 Table 2에서 확인 할 수 있고, 100 km 이내에서 발생한 지진에 대한 자세한 분석은 Fig. 6에서 나타내었다.
Fig. 6은 Table 2에 분류된 보현산 관측소 100 km 이내에서 발생한 지진을 거리 순서대로 나열한 수직 성분 셈블런스 분석 결과 그림이다. Fig. 6(a)는 2014 년 9월 16일부터 30일까지 셈블런스 분석 결과이다.
2014년 9월 23일에 발생한 지진은 관측소와 54 km 떨어져 있는 지진으로 지자기 변동성이 잘 나타나는 것을 알 수 있다. 같은 Fig. 6(a)에서 25일 발생한 지 진은 관측소와 144 km 떨어진 지점에서 발생했고 변 동성이 없는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 수직 성분의 변동성 분석에서도 거리에 따른 변동성 유무
를 확인할 수 있었다. Fig. 6(b)는 2012년 6월 23일 발생 한 지진을 분석하였고 총자기장과 수직 성분 모두 변동성이 나타나는 것을 확인하였다. Fig. 6(c) 는 214년 7월 3일 발생한 지진으로 관측소와는 88 km가 떨어져있고 총자기장에서 나타나지 않는 변동 성이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 6(d)는 2014년 3월 25일부터 4월 8일까지 분석 결과로 관측 소와는 100 km 떨어져있고 총자기장 분석에서는 나 타나지 않는 변동성을 확인할 수 있다. 보현산 관측 소 지자기장 자료의 수직 성분 분석 결과 또한 Fig.
7에서와 같이 인덱스 분류 결과를 지도에 표시하였다.
는 보현산 관측소 위치를 표시하며, 검정색 원은 반 경 100 km를 의미한다. 그림에서와 같이 보현산 관 Fig. 5. Result of wavelet-based semblance using (a) X, (b) Y, (c) Z, and (d) F component of Bohyunsan observatory data from Mar 25-Apr 8, 2014. The earlier black dash indicates the earthquake occurred at Mar 28, 2014, with magnitude 3.3. The follow black dash indicates the earthquake occurred at Apr 1, 2014, with magnitude 5.1.
측소 지자기장 자료의 수직 성분 분석 결과 지진이 발생한 거리에 따른 지자기 변동성을 확인 하였고, 그 변동성이 관측소 반경 100 km 이내에서 발생한 규모 3.0 이상인 지진에 대한 일관적인 변동성임을 확인할 수 있었다.
결 론
본 연구는 2012년부터 2014년까지 한반도에서 일 어난 지진들에 대해서 웨이블릿 기반의 셈블런스 분 석을 수행하였다. 연구 결과 깊이, 규모에 따른 지자 기장 변동성은 상관성이 어느 정도 확인이 되지만
지진자료가 충분하지 않아 차후 더 많은 데이터를 축적하여 분석해야 확실한 상관관계를 확인할 수 있 을 것으로 판단된다. 관측소와 거리는 멀지만 같은 위치에서 일어나는 지진임에도 변동성이 나타나거나 아예 나타나지 않는 경우도 확인 되었는데, 이러한 경우에는 지진의 발생 메커니즘 분석이나 더 많은 지진 자료를 통한 연구가 필요할 것으로 보인다. 거 리와 규모의 복합적인 지자기장 변동성 분석은 연구 기간동안 관측소로부터 비교적 가까운 거리에서 발생 한 규모 5.0 이상의 지진이 없기 때문에 연구를 진행 하지 못하였고, 이에 따라 본 연구에서는 규모 3.0 이상 지진과 관측소와의 거리에 대해서 분석을 실시 Fig. 6. Result of wavelet-based semblance of geomagnetic Z-field at Bohyunsan observatory in (a) Sep 16-Sep 30, 2014, (b) Jun 16-Jun 30. 2012, (c) June 26-July 10, 2014, (d) Mar 25-May 8, 2014. The black dash lines in (a)-(d) indicate the earth- quakes occurred at Sep 25. 2014 with magnitude 3.9, Sep 25. 2014 with magnitude 3.9, Sep 28. 2014 with magnitude 3.6, Jun 23. 2012 with magnitude 3.2, July 3. 2014. with magnitude 3.9, Mar 28. 2014 with magnitude 3.3, Apr 1. 2014 with magni- tude 5.1.
하여 일관적인 변동성을 확인하였다.
자료 누락이 적은 청양 관측소 지자기장 자료의 총자기장을 이용하여 주된 분석을 수행하였고 보현산 관측소 지자기장 자료의 수직성분을 통해서 지진과 지자기장 변동성 사이에는 관측소와 떨어진 거리에 상관관계가 있다는 것을 확인하였다. 보현산 관측소 자료는 성분별 셈블런스 분석 결과 총자기장 자료가 수직성분 자료에 비하여 변동성을 확인하는 것에 있 어서 신뢰도가 떨어진다고 판단하여 수직성분 자료를 이용하여 상관관계를 확인하였다. 그 결과, 한반도 및 그 주변에서 일어난 규모 3.0 이상인 지진이 지자 기장 관측소 반경 100 km 이내에 위치한다면 관측소 의 지자기장 자료를 웨이블릿 기반의 셈블런스 분석 에 이용하여 지자기장의 변동성을 성공적으로 관측할 수 있음을 확인 하였다. 분석 과정에서 총자기장 및 수직성분 모두 지진에 대한 지자기장 변동성을 확인 하는데 사용 가능함을 확인하였다.
본 연구에서 확인한 지진에 대한 지자기장 변동성
연구는 차후 청양 관측소를 중심으로 지진 자료가 충분히 확보되어 거리와 규모에 따른 변동성 연구로 발전시켜 더 높은 신뢰성을 얻을 필요가 있다고 판 단한다.
사 사
본 연구는 기상청 지진기술개발사업(KMIPA 2015- 3031)의 지원으로 수행되었고, 연구를 지원해 주신 관계기관에 감사드립니다.
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Manuscript received: October 1, 2015 Revised manuscript received: November 20, 2015 Manuscript accepted: December 4, 2015
