A Study on the Analysis of Crust Deformation on the Korean Peninsula after the Tohoku Earthquake using GNSS Observation

GNSS를 이용한 동일본대지진 이후 한반도 지각변동 해석 연구

A Study on the Analysis of Crust Deformation on the Korean Peninsula

after the Tohoku Earthquake using GNSS Observation

김희언¹⁾ · 황의홍²⁾ · 이하성³⁾ · 이덕기⁴⁾

Kim, Hee Un

Hwang Eui-Hong

Lee, HaSeong

Lee, Duk Kee

Abstract

It is known through prior research that the crust of the Korean Peninsula moves southeast at an annual average of 3 cm/year. The 2011 Great East Japan Earthquake caused a great change in the crust of the Korean Peninsula.

Since then, the frequency of earthquakes has increased on the Korean Peninsula. Therefore, by using NGII and IGS GNSS observation data of the recent 15 years, to analyze the trends of changes in the deformation of the Korean Peninsula before and after the outbreak of the Great East Japan Earthquake. Data processing utilized Bernese Software V5.2, a widely used scientific and technical software around the world. As a result, the global movement of the Korean peninsula differed by about 4mm and the direction of movement by about 10°

compared to before the Great East Japan Earthquake. As for the internal distortion of the Korean Peninsula, the East-West expansion of the Korean peninsula's crust was observed during the Great East Japan Earthquake, but it is believed that it has not fully returned to the level before the Great East Japan Earthquake.

Keywords : GNSS, Crustal Deformation, Earthquake, Time Series

초 록

한반도 지각은 남동쪽으로 연평균 3cm의 속도로 이동하고 있다고 선행연구를 통해 알려져 있다. 2011년 동일 본대지진에 의해 한반도 지각에는 큰 변동이 발생했다. 이후 한반도에서는 지진의 발생빈도가 증가하였다. 따라서 최근 15년간의 국내 및 국외 GNSS (Global Navigation Satellite System) 관측자료를 이용하여 동일본대지진 발생 시점을 기준으로 한반도 지각변동 추세를 분석하였다. 자료처리는 전 세계적으로 많이 사용되고 있는 과학 기술 용 소프트웨어 Bernese Software V5.2를 활용하였다. 그 결과 한반도는 동일본대지진 발생 전보다 이동 크기는 약 4mm, 이동 방향은 약 10° 차이가 발생했다. 한반도 내부 지각의 왜곡 현상은 동일본대지진 당시 한반도 지각의 동 서 팽창 현상이 관측되었는데 최근까지 동일본대지진 이전의 수준으로 완전히 복귀하지 않은 것으로 판단된다.

핵심어 : GNSS, 지각이동, 지진, 시계열

Received 2020. 11. 25, Revised 2020. 12. 10, Accepted 2020. 12. 21

1) Corresponding Author, Member, Researcher, Earthquake and Volcano Research Division, Earthquake and Volcano Bureau, Korea Meteorological Administration (E-mail: [email protected])

2) Senior Researcher, Earthquake and Volcano Research Division, Earthquake and Volcano Bureau, Korea Meteorological Administration (E-mail: hkawon@

korea.kr)

3) Researcher, Earthquake and Volcano Research Division, Earthquake and Volcano Bureau, Korea Meteorological Administration (E-mail: hslee321@

korea.kr)

4) Director, Earthquake and Volcano Research Division, Earthquake and Volcano Bureau, Korea Meteorological Administration (E-mail: [email protected])

https://doi.org/10.7848/ksgpc.2020.38.6.689 Original article

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://

1. 서 론

지각은 주로 판의 이동 및 조산운동, 지진 등에 의해 변형이 발생한다 . 일본은 판의 경계 지역에 위치하고 있어 지진 및 화 산활동이 자주 일어나는 반면에 한반도의 경우 유라시아 판 내부 동쪽에 위치해 있다. 경계부와는 거리가 있어 지진에 비 교적 안전한 지역으로 알려져 있다(Kim et al., 2015). 선행 연 구에 따르면 한반도는 매년 약 3cm 씩 남동방향으로 이동하 는데(Song and Yun, 2006; Lee, 2005) 이는 판의 전체적인 이동으로 인한 것으로 일정하다고 할 수 있으며 한반도의 경 우는 지진과 같은 조산운동에 대해서 급격한 변동을 예상할 수 있다(Lim, 2011). 2011년 3월 11일 일본 도호쿠 지방 해 역에서 리히터 규모 9.0의 대규모 지진이 발생하면서 한반도 는 순간적으로 동쪽으로 약 1cm에서 최대 약 5cm가 움직였 으며(Won, 2012), 이때 지역별로 서로 다른 크기와 방향으로 움직임이 발생하였다. 이러한 지각 이동은 한반도 지각의 응력 변화를 일으켰을 가능성이 있다(Kim, 2012). 또한 Hong의 연 구 결과에 따르면 동일본대지진 이후 한반도 주변에서 간헐적 으로 지진 발생 횟수가 증가하였고, 이는 한반도의 응력장이 아직 회복 안 된 것으로 판단할 수 있다는 연구 결과를 발표했 다(Hong et al., 2015). 이에 대해 여러 논문에서는 현재 한반 도가 동일본대지진 이후, 원 지점으로 복귀하고 있다는 분석 결과와 아직 이전의 수준으로 복귀하지 않았다는 다양한 분 석 결과가 있다(Ha et al., 2013). 또한 동일본대지진 이후 규모 4 이상의 중규모 지진의 발생빈도가 증가하였다. 2005년부터 2010년까지 규모 4 이상의 지진은 총 4번 발생했으나. 동일본 대지진 이후 시점인 2012년부터 2019년까지는 총 13번 발생 했다(Korea Meteorological Administration, 2020). 3배 이상 의 중규모 지진의 빈도수가 증가하였으므로 한반도 현재 안정 적인 상태라고 볼 수 없다. 따라서 한반도 지각의 움직임에 대 한 지속적인 모니터링이 필요하다.

지각의 움직임을 모니터링하는 것은 세계적으로 꽤 오랜 시 간 동안 지진예지를 위한 주요 기법으로 활용되었다(Maciuk and Szombara, 2018). 과거 지각변동에 관한 연구는 레벨링, EDM (Electronic Distance Measurement), 삼각측량 등을 활 용한 지질학 및 지체구조학적 각변위 측정과 측지학적 특성 분 석으로 연구되었으나(Park and Kim, 2012) 이는 노동력에 비 해 저효율성, 저정밀성, 그리고 장기간 관측으로 인해 이상치 나 지진예지를 제때 검출하지 못한다는 단점이 있다(Gu et al., 2009). 하지만 GNSS의 경우 장기적인 안정성을 보여주고, 실 시간으로 변위 및 수평 변형성분을 산출할 수 있으며 높은 정

인 정보를 쉽게 얻을 수 있어 지각의 움직임을 모니터링하는 데 유용하다. GNSS 관측자료를 통해 2008년 쓰촨성 대지진 발생 이전 수평 지각이동의 움직임이 발견되기도 하였다(Gu

화산활동과 같은 지각변동을 비롯한 여러 요인을 모니터링 하 고 있다. 뉴질랜드의 GeoNet (Geological hazard information for New Zealand), 미국의 USGS (United States Geological Survey), 영국의 BGS (British Geological Survey)등이 대표적 이다. 국내에서는 대표적으로 국토지리정보원, 지질자원연구 원, 한국천문연구원 등에서 GNSS를 운용하고 있으며 기상청 에서는 매년 한반도의 움직임을 GNSS 자료를 통해 관찰하고 있다.

지진 직후 한반도 지각의 움직임에 대한 연구(Kim and Bae, 2012, Jeong, 2014)는 많은 수행되었으나 이후 최근까지의 지 각변동 수준에 대한 연구는 미미한 실정이다. 따라서 본 논문 에서는 2011년 동일본대지진이 현재까지 한반도 지각의 움직 임에 어떠한 영향을 끼쳤는지 분석하기 위해 한반도 전역에 분 포된 GNSS 상시관측소를 이용하여 동일본대지진 전과 지진 후 최근까지의 지각변동을 모니터링 하였다. 좀 더 정확한 분 석을 위해 IGS (International GNSS Service) 상시관측소를 이 용하여 한반도의 전지구적 움직임을 분석하였고, 한반도 내부 지각의 왜곡 현상을 분석하기 위해 수원(SUWN)관측소를 기 준점으로 하여 자료처리를 수행하였다.

2. 본 론

2.1 연구 자료

본 논문의 목적은 2011년 동일본대지진이 현재까지 한반 도의 지각변동 특성을 어떻게 변화시켰는지 분석하는 것이 다. 이를 위해 논문에서는 지진 발생 연도(2011년)을 제외하 고 2005년부터 2019년(총 5,110일)의 데이터를 이용하였다.

국내 데이터로는 한반도에 고르게 분포되어있는 GNSS 상 시 관측소 데이터를 사용하였다. 국외 데이터로는 고정밀 위성항법시스템 업무를 수행하는 국제 연합 기관 IGS 관측 소 데이터를 활용하였다. 관측데이터는 RINEX (Receiver Independent Exchange format)를 사용하였으며 30초 간격 의 24시간 자료를 활용하였다.

우리나라는 1995년부터 상시 관측소가 운영되고 있으며

현재는 8개 부처에서 약 100여 개의 관측소를 설치하여 분

산 운용하고 있다. 한반도의 지각변동 추세를 분석하기 위

해서는 장기간의 안정적인 GNSS 데이터가 필요하다. 따라

IGS 관측소 설치 및 운영기준을 토대로 GNSS 상시관측소 를 설치하고 운영하고 있는 국토지리정보원의 데이터를 활 용하였다 . IGS 관측소의 경우 총 10개소를 사용하였다. IGS 관측소 선정 기준은 한반도를 기준으로 하여 기하학적으로 고르게 분포되어있으며, GPS (Global Positioning System) 와 GLONASS (GLObal Navigation Satellite System) 자료 를 수신하는 관측소들이다. 최소 3년 이상 오랜기간 안정적 으로 운용되고 있어야 한다. 또한 관측일자별로 데이터가 존 재하지 않을 경우와, 자료처리시 제외될 경우를 대비하여 선 정하였다.

Table 1. Organizational Data Collection Status Organization Station Period Data format

Domestic NGII

ANSG, BOEN, BONH, CHAN, CHCN, CHEN, CHJU, CHLW, CHNG, CHSG, CHUL, CHWN, CHYG, CNJU, DANJ, DOND, DONH, GANH,

GOCH, GOJE, GOSG, GSAN, HADG, HCHN,

HONC, INCH, INJE, JAHG, JEJU, JIND, JINJ,

JUNG, JUNJ, KANR, KIMC, KUNW, KUSN, KWNJ, MUJU, NAMW,

NONS, PAJU, PUSN, SEJN, SEOS, SMAN, SNJU, SONC, SOUL, SUWN, TABK, TEGN, WNJU, WOLS, WULJ, YANP, YECH, YODK, YOIN, YONK, YOWL

~ 2010 2005 2012 ·

~ 2019 RINEX

(30s, 1day)

IGS

BJFS, DARW, HERT, LHAZ, MAS1, MATE,

NKLG, STJO, TLSE, TOW2

한반도에 있는 GNSS 상시 관측소 데이터는 국토지리정보원 으로부터 획득한 자료로, 지진 발생 연도인 2011년을 제외하 고 2005년부터 2019년까지 총 14년간의 데이터를 처리하고 분석하였다.

Fig. 1과 2는 각각 논문에서 활용된 IGS 관측소와 국토지리 원 관측소의 위치를 나타낸 그림이다.

Fig. 1. IGS stations used in paper

Fig. 2. Domestic stations used in paper

2.2 연구 방법

2.2.1 자료처리 소프트웨어

GNSS 자료처리는 학술연구용 소프트웨어인 Bernese

Software V5.2를 사용하였다. Bernese는 스위스 베른대학 천문

연구소(Astronomical Institute of the University of Bern, AIUB)

에서 개발한 대표적인 고정밀 과학 기술용 GNSS 데이터 처리

소프트웨어이다. Bernese는 수천 킬로미터 초장기선에 대해서

정확한 모호정수 결정이 가능하다. 또한 여러 단계에 걸쳐 복

잡한 과정으로 진행되는 데이터 처리와 이를 위한 많은 양의

데이터를 자동으로 수행할 수 있는 BPE (Bernese Processing

Engine)가 개발되어 자동적으로 GNSS 데이터 처리가 가능하

다. 본 논문에서는 이를 통해 국토지리정보원 61개와 IGS 10개

의 상시 관측소를 연결하여 기선해석을 수행하였다. Table 2는

Bernese 데이터 처리 과정 중에 사용된 기본 옵션을 정리한 것

이다.

Table 2. Option of the Bernese Software V5.2

Reference frame IGS14

Troposphere model Dry/Wet GMF

Gravity model EGM2008_SMALL

Nutation model IAU2000R06

Celestial ephemeris JPL DE405

Cut-off angle 10°

2.2.2 분석 방법

데이터 처리 방법으로는 절대 측위와 상대측위를 사용할 수 있다 . 절대 측위는 관측점의 수신기에서 수신한 GNSS 위성들 의 신호를 이용해 독립적으로 관측점의 위치를 결정하는 방법 으로 수 센티미터 정도의 정확도를 갖는다. 이는 주로 항법이나 항해에 이용된다. 상대측위는 기지점을 기준으로 미지점의 좌 표를 결정하는 방법으로 밀리미터 수준의 정확도를 갖고 위치 결정을 한다. 이는 주로 측지 및 측량에 활용된다. 본 논문에서 는 한반도 지각의 움직임을 정밀하게 분석해야 한다. 따라서 밀 리미터 수준의 정확도를 갖는 상대측위 방법을 사용하는 것이 목적에 맞는 방법이라 판단되었다.

본 논문에서는 한반도의 지각변동 추세를 확인하기 위해 두 가지 방법으로 자료처리를 수행하였다. 첫 번째로는 한반도 지 각의 전체적인 움직임을 파악하기 위해 전 세계적으로 분포된 IGS 관측소를 기지점으로 하는 상대측위를 진행하였다. 두 번 째는 한반도 내부 지각의 뒤틀림을 확인하기 위해 우리나라 국 가 기준계 원점인 수원(SUWN) 관측소를 기지점으로 하여 국 내 다른 상시 관측소에 대한 상대측위를 수행하여 각각의 관측 소가 갖는 공간적인 움직임을 분석하였다. 자료처리는 지진 발 생 시점인 2011년을 기준으로 전후로 나누어 분석하였다.

2.3 분석 결과

Bernese의 수십 개의 독립된 프로그램 중 GPSEST와 ADDNEQ2를 이용해 최종 지각변동량을 산출한다. GPSEST 는 모호정수를 추정하고 이를 통해 정규방정식을 계산한다.

그리고 여기서 계산 된 정규방정식을 이용해 ADDNEQ2로 계산된 정규방정식을 이용해 최종해를 계산한다(Dach et al., 2015). 이때 고정 관측소들을 최소제약조건으로 한다. 이렇게 산출된 3차원 직각좌표를 평면 직각좌표로 변환하고 관측소 별 지표 변위 속도와 방향을 계산하였다. 결과 그림은 ArcGIS 를 활용한 공간분석의 방법인 크리깅을 이용하여 표현하였다.

1) 시계열 데이터

관측소 자료의 정확도를 높이기 위해 매년 상시관측소의 수

원으로부터 제공받아 자료처리에 적용하였다. 안테나, 수신기 등을 교체하면 Fig.3과 같이 수직방향에서 변위가 발생한다. 이 러한 변위는 데이터의 연속성에 문제가 발생할 수 있으므로 자 료처리시 업데이트를 해야한다.

Fig. 3. Up component variation at SONC station

Fig. 4은 일간해를 수평성분과 수직성분으로 변환하여 시계 열로 나타낸 것이다. 관측소는 선행연구의 결과와 마찬가지로 남동방향으로 움직이는 것을 확인할 수 있다.

2) 한반도 지각의 전 지구적 움직임 관측

한반도 지각의 전체적인 움직임을 분석하기 위해 IGS 관측 소를 기준으로 하여 국토지리정보원의 61개의 상시 관측소를 미지점으로 하고 기선해석을 수행하였다. 연도별로 해당 연도 에 운영되던 모든 관측소를 대상으로 전체의 평균 속도를 산정 하고 지각변동량을 계산하였다(Table 3).

Table 3. Velocity and direction by year year Velocities(mm/yr) Direction(°) 2005 24.1±1.1 111.5±2.7 2006 28.1±1.3 120.3±2.5 2007 29.2±3.1 131.3±2.7 2008 29.7±1.9 126.5±3.1 2009 28.9±2.0 124.5±4.0 2010 33.3±1.6 118.1±2.0 2012 28.8±1.7 104.6±2.4 2013 39.1±1.7 120.7±2.5 2014 30.7±1.6 103.7±1.8 2015 30.7±1.7 109.1±2.3 2016 30.2±1.6 108.0±3.0 2017 26.3±1.1 117.4±2.8 2018 32.9±1.5 113.7±4.2 2019 37.6±2.7 113.6±3.8

Fig. 5은 동일본대지진이 발생하기 전 시점인 2005년부터 2010년까지의 각각의 관측소들의 지각변동량을 벡터로 표현 하였다 . 2005년부터 2010년까지 한반도는 남동 방향으로 연 평균 약 2.88cm 이동하였다. 우리나라에서 비교적 서쪽에 위 치한 충남의 천안(CHEN)관측소가 연평균 4.65cm로 한반도 내에서 최대로 이동한 관측소인 것으로 확인되었다. 또한 전 체적으로 북쪽보다는 남쪽의 움직임이 더 큰 것을 확인해 볼 수 있다.

Fig. 6는 2011년 3월 8일부터 14일까지의 데이터로 이는 동 일본대지진 발생 전후 3일간의 데이터를 처리한 것이다. 그 결 과 동서 관측소 모두 동쪽으로 이동하였고 평균 2.80cm 정도 의 변위량을 나타내었다. 국내 GNSS 상시 관측소 중 지진의 진 앙과 가장 근접한 울릉도(ULLE) 관측소가 약 5.3cm의 크기 로 가장 많이 움직였다. 지진 발생으로 연평균에 해당하는 크

기의 움직임이 하루만에 발생하였다.

Fig. 5. Displacement of NGII stations(before earthquake)

Fig. 6. Displacement of NGII stations(Tohoku earthquake) Fig. 7은 지진 발생 이후 2012년부터 2019년도까지의 좌표 변동을 계산한 결과로 연평균 3.5cm 크기로 움직였다. 이는 지 진 발생 전과 비슷한 수준이다. 이 시점에는 지리적으로 동쪽에 위치한 울산(WOLS) 관측소가 약 연평균 4.63cm 크기로 최대 로 많이 이동하였다. 또한 지진 발생 전 가장 적게 움직인 관측 소와 가장 많이 움직인 관측소의 차이가 줄어들었다. 지진 발 생 이후 북쪽의 동쪽 지역의 움직임이 더 커진 것을 확인할 수 있는데, 이는 지진 이후 진앙지와 가까운 지역의 움직임이 아직 남아 있는 것으로 추측해볼 수 있다. 지진 발생 이전과 이동속 도는 유사하나 진행 방향이 연평균 약 10°움직였다(Table 4).

Table 4. Difference between velocites and direction Velocities(mm/yr) Direction(° ) 2005 to 2010 28.9±2.0 122.0±3.0 2012 to 2019 32.1±1.6 111.6±2.5

Fig. 7. Displacement of NGII stations(after earthquake) 3) 한반도 지각의 내부적 왜곡 관측

한반도 내의 상시 관측소는 모두 같은 크기와 방향으로 움직 이지 않는다. 따라서 한반도 내부의 지각 뒤틀림 및 왜곡 현상 을 명확하게 분석하기 위해 우리나라 국가 기준점으로 사용되 는 수원 관측소를 고정점으로 하여 상대적 변위를 계산하였다.

Fig. 11은 동일본대지진이 발생하기 전 수원 관측소를 기준 으로 기선해석 한 결과이다. 제주 지역을 제외한 동서 지역 모 두 비슷하게 수원 관측소를 기준으로 동쪽으로 이동하였다. 크 기는 연평균 최대 1.6cm만큼 움직였다.

Fig. 8. Displacement of NGII stations that SUWN fixed (before earthquake)

Fig. 9는 동일본대지진 발생 당시 수원 관측소를 기준으로 뚜 렷하게 동서 지역이 서로 팽창하는 모습을 확인할 수 있다. 수

0.5cm, 동쪽 지역은 동쪽으로 약 0.6-1cm의 크기로 움직였으 며 제주의 경우 서쪽으로 약 1.09cm 이동하였다. 지진의 진앙 과 가까운 울릉도는 동쪽으로 2.31cm 움직였다. 이러한 결과 를 통해 동일본대지진의 영향으로 한반도 지각에 내부적 왜곡 이 발생했을 수 있다고 볼 수 있다.

Fig. 9. Displacement of NGII stations that SUWN fixed (Tohoku earthquake)

Fig. 10의 결과를 보면 동일본대지진 이후 동쪽 지역은 동쪽 으로 연평균 최대 0.6cm 움직였으며, 상대적으로 작은 움직임 이지만 서쪽 지역은 서쪽으로 움직이는 경향을 보인다. 지진 이 후 크기는 미미하지만 이전의 상태와는 다른 것을 확인할 수 있 다. 이를 통해 한반도는 아직 지진 지전 수준까지 복귀하지 않 은 것으로 판단된다.

Fig. 10. Displacement of NGII stations that SUWN fixed

(after earthquake)

해본 결과이다. 동일본대지진에 의해 변위가 작았던 서쪽 지역 에 있는 서산(SEOS)과 청양(CHYG) 관측소(Fig. 12)의 경우 비교적 안정적이지만 변위가 컸던 동부 지역의 강릉(KANR)과 인제(INJE) 관측소(Fig. 13)는 변위가 지속적으로 증가하는 경 향을 보였다. 이를 통해 한반도의 동서 지역 간의 변화 추이가 다른 것을 확인할 수 있다.

Fig. 12. West area stations

Fig. 13. East area stations

3. 요약 및 결론

최근 한반도의 지각에는 간헐적으로 지진이 발생하였으며 이에 따른 연구 결과로는 2011년 동일본대지진에 따른 영향 이라는 연구 결과들이 있었다. 본 논문에서는 최근 14년간의 GNSS 자료를 통해 한반도의 지각변동량에 관한 연구를 수행 했다. 그 결과 동일본대지진 전후의 한반도 전체적인 지각 이동 크기는 연평균 약 4mm, 이동 방향은 약 10° 정도 차이가 발생 하였다. 또한 한반도 내부 지각의 왜곡 현상에 대한 자료처리 결 과를 분석해본 결과 동일본대지진 이전 동서 지역 간 이동 방향 은 비슷하나 지진 발생 이후 상대적으로 동쪽 지역의 이동 크기 가 크게 관측되었다. 동일본대지진 발생 당시 한반도에서는 뚜 렷한 지각의 동서 팽창 현상 관측되었으며 진앙과 가까운 강릉 과 인제지역은 변위가 지속적으로 증가하는 경향을 보임에 따 라 한반도 지각은 아직 동일본대지진 발생 이전의 수준으로 복 귀하지 않고 아직 불안정한 상태인 것으로 판단되어 지속적인 모니터링이 필요하다.

감사의 글

이 연구는 「지진·지진해일·화산 감시 및 예측 기술 개발」과제 (과제번호: 1365003180)의 일환으로 수행되었습니다.

Fig. 11. East displacement of the East area and West area

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