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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.41 No.6 pp.647-657
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2020.41.6.647

Analysis of Ground-Motion Characteristics of the 2004 Offshore Uljin Earthquake through Atmospheric Infrasound Observation

Il-Young Che*, Yeo-Woong Yun, In Seub Lim
Earthquake Research Center, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 34132, Korea
*Corresponding author: che10@kigam.re.kr Tel: +82-42-868-3268
November 1, 2020 December 7, 2020 December 7, 2020

Abstract


Infrasound signals associated with the 29 May 2004 offshore Uljin earthquake (Mw 5.1) were recorded at infrasound arrays of CHNAR (epicentral distance of 321 km) and TJNAR (256 km). Back-azimuths, indicating the directions to source locations, varied more than 28o broadly for the long-lasting signals over several minutes. From the analysis of the back-projecting location method and attenuation correction for infrasound propagation, the infrasound waves were to be generated by the interaction (diffraction) between seismic waves and topography in an area of ~4,600 km2 connecting the Samcheok-Uljin-Pohang regions. The maximum sound source pressure (BSP) was estimated to be 11.1 Pa. This result was consistent with the peak sound pressure (PSP) calculated by the Rayleigh integral approximation to the peak ground acceleration (PGA) dataset. In addition, the minimum PGA that was detectable at the two arrays was estimated to be ~3.0 cm s−2. Although the earthquake occurred offshore, diffracted infrasound signals were effectively generated by ground motions when seismic surface waves passed through high-topographic regions in the eastern Korean Peninsula. The relationship between infrasound source pressure and PGA can be applicable to characterize the ground motions in areas with insufficient seismological observatories.



인프라사운드 관측을 통한 2004년 울진해역지진의 지반운동 특성 분석

제 일영*, 윤 여웅, 임 인섭
한국지질자원연구원, 지진연구센터, 34132, 대전광역시 유성구 과학로 124

초록


2004년 5월 29일 발생한 울진해역지진(Mw 5.1)과 관련된 대기 인프라사운드 신호가 철원(진앙 거리 321 km) 및 대전(256 km) 관측소에 기록되었다. 신호의 지속시간은 수 분 이상이며, 음원 방향을 지시하는 후방-방위각은 28 o 이상의 큰 변화를 보였다. 역-투사 방법과 신호 감쇄 보정 결과, 인프라사운드 신호는 삼척-울진-포항까지 연결되는 약 4,600 km2 면적의 지반운동으로 발생하였으며, 음원 최대 크기(BSP)는 11.1 Pa로 계산되었다. 이 결과는 최대지반가속 도(PGA) 자료로 계산한 음원 최대 크기(PSP)와도 부합하고 있으며, 지진 발생 당시 인프라사운드 신호 탐지를 가능케 했던 최소 지반운동은 ~3.0 cm s−2 이상으로 확인되었다. 울진해역지진이 비록 동해 해역에서 발생하였지만, 진앙과 가 까운 강원도 남부-경상북도의 고지대를 따라 전파한 표면파의 지반운동으로 회절 인프라사운드가 효과적으로 발생한 것 으로 해석된다. 인프라사운드 관측을 통한 원거리 지진 지반운동 특성 추정 방법은 지진관측망이 설치되어 있지 않거나 관측소 수가 적은 지역을 대상으로 활용이 가능할 것이다.



    서 론

    중규모 이상의 지진은 지구물리학적 전조 현상, 전 진과 여진, 그리고 본진 발생과 함께 지표 파열 등 지질학적 현상을 수반할 수 있다. 더불어 하부 대기 권에서는 지진동 에너지가 공기 중의 음파 에너지로 전달되어 소리와 함께 장주기의 대기압 변동이 발생 한다. 역사지진을 기술하고 있는 고문헌에서도 지진 피해 기록과 함께 우레(천둥)와 같은 소리를 들었다 는 기록들이 남아 있다(KMA, 2012). 역사기록뿐만 아니라, 유감 지진 발생 시 지진동 외에도 진앙 지역 에서 굉음을 들었다는 현지인의 경험도 흔하게 접할 수 있다. Sylvander et al. (2007)은 관측 실험을 통해 진앙에서 관측되는 소리의 주된 주파수 대역은 약 5- 60 Hz로 인간의 가청주파수(20-20,000 Hz)와 인프라 사운드(infrasound, 공중음파, <20 Hz) 대역의 경계라 고 보고하였다. 가청주파수 대역의 음파 에너지는 전 파할 수 있는 거리가 제한적이나, 저주파수 특성을 갖는 인프라사운드는 대기 전파 과정에서 에너지 감 쇄가 작아 장거리 전파가 가능하다. 이러한 이유로, 화산 폭발, 핵실험 등 폭발현상을 관측하기 위해 운 영되고 있는 인프라사운드 관측소에서 지진 지반운동 으로 유발된 인프라사운드 신호가 지속적으로 관측되 고 있다. 지난 20여 년 동안 인프라사운드 국제관측망 (International Monitoring System)과 지역관측망이 확 충되면서 지역별 다양한 규모의 지진에 의한 인프라 사운드 관측 자료가 수집되고 있으며, 이를 바탕으로 지진 지반운동 특성에 관한 연구가 수행되고 있다 (Le Pichon et al., 2002;Mutschlecner and Whitaker, 2005;Hernandez et al., 2018).

    지진 지반운동으로 발생하는 음압 변화 또는 인프 라사운드 신호는 다음과 같이 세 가지로 분류된다. 첫 번째는 진앙과 그 주변부에서 지진파 에너지가 대기 음파 에너지로 직접 전달되는 경우이다(Olson et al., 2003). 두 번째는, 지진파 특히 표면파가 인프 라사운드 관측소 하부를 전파하면서 일으키는 수직 지반운동에 의해 정밀음압감지기(micro-barometer) 주 변 대기압이 변동되어 발생하는 경우이다(Watada et al., 2006). 마지막으로, 레일리파 등 강지진에 의한 표면파가 산악 지역을 전파하면서 상호 작용, 즉 회 절(diffraction) 현상을 통해 인프라사운드가 발생하게 된다. 이를 이차(secondary) 혹은 회절 인프라사운드 라 정의하고 있다(Le Pichon et al., 2002). 엄밀하게 보면, 상기 인프라사운드 신호는 모두 지반운동에서 발생한 것으로 지반-대기 간 상호 작용이 발생하는 위치에 따라 분류한 것이라 볼 수 있다. 지반-대기 상호 작용에 의한 메커니즘 이외에도, Le Pichon et al. (2005)은 2004년 수마트라 지진(규모 9) 당시 지 진해일(해양파)로부터 인프라사운드가 발생할 수 있 음을 보고하였고, Evers et al. (2014)는 해저 지진(규 모 8.1)에 따른 해령 등 해저면의 지반운동으로 대기 중 인프라사운드 신호가 발생한 사례를 보고한 바 있다.

    2004년 5월 29일 울진 앞바다 동남쪽 약 70 km 지점에서 모멘트 규모(Mw) 5.1의 중규모 해역 지진 이 발생하였다(발생 시간 19:14:26(한국시간), 이하 울진해역지진). 울진해역지진은 1978년부터 시작된 국내 계기지진 관측 이래 당시 가장 큰 규모의 지진 이었다. 울진해역지진의 진원 깊이는 약 18 km이며 역단층 운동이 우세한 발진기구로 조사되었다(Kang and Baag, 2004;Park and Mori, 2005). 울진해역지 진 발생 당시, 강원도 철원과 고성 그리고 대전 등 3 개 지역에 인프라사운드 관측소가 운영 중이었다. 이 가운데, 울진해역지진과 관련된 인프라사운드 신호가 철원(진앙 거리 321 km) 및 대전(256 km) 관측소에 기록되었다. 본 연구에서는 국내 중규모 지진에서 발 생한 인프라사운드 신호에 대한 정량적인 분석을 수 행하였다. 2장에서는 철원, 대전 관측소에 기록된 인 프라사운드 신호 탐지 결과를 바탕으로 중거리(약 200-300 km)에서 관측되는 인프라사운드 신호의 특성 을 분석하였다. 3장에서는 역-투사(back-projection) 방법으로 인프라사운드 발생 음원의 위치를 결정하고, 이를 지형정보 및 최대지반가속도(PGA, Peak Ground Acceleration) 자료와 비교하였다. 4장에서는 인프라 사운드 관측 신호에 대한 전파 과정 에너지 감쇄를 보정하여 음원의 크기를 정량적으로 추정하였다. 또 한 울진해역지진 최대지반가속도 자료에 레일리 적분 을 적용하여 음원의 크기를 구하고, 이를 앞서 인프 라사운드 신호로부터 추정한 음원 크기 결과와 비교 하였다.

    인프라사운드 자료와 신호 탐지

    한국지질자원연구원은 한반도 및 주변지역에서 자 연지진 또는 인공지진(대규모 발파)에서 발생하는 지 진파와 인프라사운드 신호를 관측하기 위해 지진계와 정밀음압감지기로 구성된 센서 배열식 지진-음파 관 측소를 운영하고 있다(Che et al., 2010). 철원 관측 소(CHNAR)는 반경 약 600 m 내에 10개의 음압감지 기와 4개의 지진계로 구성되어 있다. 대전 관측소는 반경 약 150 m 내에 4개 음압감지기가 삼각형 모양 으로 배열되어 있으며, 중심에는 1개 지진관측소 (TJN)가 운영되고 있다. 2004년 울진해역지진 발생 당시 철원과 대전 관측소에서 울진해역지진에 의한 지진파와 인프라사운드 신호가 동시에 기록되었다. 대기권을 통해 지상 관측소에 도달하는 인프라사운드 신호의 파면(wave-front)은 입사 방향(음원 방향)과 입사 각도에 따라 음압감지기 간 도달 시간의 차이 가 발생한다. 따라서 입사 파면을 평면파로 가정했을 때, 도달 시간 차이와 음압감지기 간의 상대 거리로 부터 인프라사운드 파면의 음원 방향(후방-방위각, back-azimuth)과 겉보기 속도(trace velocity)를 계산할 수 있다. 본 연구에서는 센서 배열 자료처리 방법 중 의 하나인 PMCC (progressive multi-channel correlation; Cansi, 1995) 방법을 이용하여 인프라사운드 신호(파 면)의 후방-방위각과 겉보기 속도를 계산하였다. 일반 적으로 인프라사운드 자료에는 탐지하고자 하는 ‘유 의미한’ 신호 이외에도 배경잡음(background noise)이 동시에 기록되며, 배경잡음은 공간적으로 떨어져 있 는 음압감지기 간에 상관성이 낮은 특징이 있다. PMCC는 이러한 비-상관성(non-coherent) 배경잡음으 로부터 음압감지기 간에 상관성이 높은 유의미한 신 호를 추출하는 방법으로 신호-대-잡음 비가 낮은 인 프라사운드 신호를 탐지하는데 유용한 것으로 알려져 있다(Le Pichon et al., 2008).

    Fig. 1은 PMCC 방법을 철원 및 대전 인프라사운 드 관측소 자료에 적용하여 얻어진 신호 탐지 결과 이다. 철원 관측소로부터 울진해역지진 진앙까지 거 리는 321 km, 후방-방위각은 121.4°이며, 대전 관측소 의 경우 각각 256 km와 80.7°이다. 그림에 도시된 파 형은 지진 발생 200초 전부터 1,200초(철원 관측소는 1,600초) 후까지 0.5-5.0 Hz 주파수 대역으로 필터링 한 인프라사운드 기록이다. PMCC로 탐지된 유의미 한 신호는 파형 위 패널(시간-주파수 영역)에 픽셀 단위로 표시되어 있으며, 각 패널은 탐지 신호의 진 폭, 겉보기 속도, 후방-방위각 정보를 보여주고 있다. 두 관측소 모두 시간 차이를 두고 2개의 신호군이 확인된다. 진원시로부터 약 50-100초 사이에 기록된 큰 진폭의 인프라사운드 신호는 마치 지진 파형처럼 보인다. 이 신호는 진원으로부터 전파한 지진파가 인 프라사운드 관측소 하부에 도달하면서 관측소 주변 대기를 교란하여 발생한 음압 변화로 지진파와 동일 한 위상 특성을 지닌다. 철원 관측소의 경우, 상대적 으로 고주파수이며 겉보기 속도가 6.3 km s−1인 신호 가 먼저 도달한 후 저주파수이며 겉보기 속도가 3.4 km s−1인 신호가 뒤따르고 있다. 이들 신호는 지진파 P-파와 Lg-파 위상에 대응된다. Kim et al. (2010)은 이들 인프라사운드 신호와 동일 장소에서 기록된 실 제 지진파형으로부터 전달 함수(transfer function)를 계산하고, 이를 이론적인 전달 함수와 비교하여 정밀 음압감지기의 보정(calibration) 방법에 대해 논의한 바 있다. 대전 관측소의 경우 Lg-파가 도달하는 시간 대에서 2.3 km s−1의 겉보기 속도가 계산되었다. 이는 일반적인 Lg-파의 겉보기 속도보다 작은데, 그 이유 는 빠른 지진파 속도에 비해 대전 관측소의 크기 (~150 m)가 작아서 발생한 해상도 문제로 보인다.

    진원시로부터 약 750초(철원 관측소)와 620초(대전 관측소) 이후에 수 분간 지속되는 두 번째 신호군을 확인할 수 있다(Fig. 1). 비록 신호의 진폭이 배경잡 음 진폭만큼 작으나, 다양한 센서 조합 간의 상관분 석을 적용하는 PMCC 방법의 결과로 미세한 진폭의 신호까지 탐지가 가능하였다. 지진발생 약 10분 이후 부터 도달하는 이들 신호는 관측소로부터 먼 거리에 위치하는 진앙 및 그 주변지역에서 발생한 회절 인 프라사운드로 분류될 수 있다. 철원과 대전 관측소에 기록된 회절 인프라사운드 신호의 후방-방위각 분포 는 각각 116-144° , 42-86°로 관측소-진앙 간 실제 후 방-방위각(true back-azimuth)을 포함하면서 큰 변화 를 보이고 있다. 신호의 지속시간이 길고 후방-방위 각이 넓게 분포하는 것은 인프라사운드를 발생시킨 지반운동이 진앙 혹은 국부지역으로 제한되지 않고 광범위한 지역에 분포하고 있음을 지시한다. 회절 인 프라사운드 신호의 겉보기 속도는 약 0.33-0.38 kms−1 로 대기권을 통해 전파하는 일반적인 인프라사운드 신호의 겉보기 속도에 해당한다. 따라서, 철원, 대전 관측소에서 탐지된 회절 인프라사운드 신호는 진앙 주변 광범위한 지역의 지진 지반운동에서 발생한 음 파가 대기권을 통해 지상 관측소에 도달한 결과라고 볼 수 있다.

    회절 인프라사운드 발생 위치 결정

    울진해역지진에 의해 1) 인프라사운드 관측소에 도 달한 지진파로부터 생성된 인프라사운드 신호와 2) 원거리 지반운동에서 발생한 회절 인프라사운드 신호 가 관측되었다. 특히 회절 인프라사운드 신호는 지반 운동의 공간적인 분포와 크기 정보를 포함하고 있기 때문에 이로부터 원거리 지반운동의 특성을 파악하는 데 이용될 수 있다. 이 장에서는 회절 인프라사운드 신호의 발생 위치를 정량적으로 결정하였다. 역-투사 (back-projection) 방법을 PMCC 방법으로 탐지된 각 픽셀(Fig. 1)의 후방-방위각과 도달 시간 정보에 적용 하여 탐지 신호(픽셀)에 대응되는 발생 음원 위치를 결정하였다. 지표 혹은 대기 중에서 발생하는 인프라 사운드 신호는 대기 중 유효음파속도(effective sound velocity) 구조에 의해 고유한 경로(굴절 고도)를 따라 전파한 후 지상 관측소에 도달한다. 따라서 전파 경 로에 따라 음원-관측소 간의 고유한 수평전파속도 (celerity, 진앙 거리/전파 시간)가 정의되며, 이를 통 해 관측소로부터 음원까지의 거리를 추정할 수 있다. 탐지 신호(픽셀) 후방-방위각 방향의 대원(great circle) 상에 음원이 위치하며, 관측소로부터 대원 상 의 음원까지 거리는 탐지 신호의 도달 시간, 수평전 파속도 및 지진 발생 시간으로 계산이 가능하다.

    T a = T 0 + d s v s + d i v i ,
    (1)

    탐지 신호의 도달 시간 Ta와, 식 (1)의 우측과 같이, 진원시(T0)에 지진파와 인프라사운드의 전파 시간을 합한 시간이 일치하는 대원 상의 지점을 인프라사운 드 발생 음원 위치로 결정할 수 있다. 식에서 dsvs 는 진원에서 대원 상의 음원까지 거리와 지진파 전 파 속도이며, divi는 대원 상의 음원에서 관측소까 지 거리와 인프라사운드의 수평전파속도이다. 식 (1) 을 적용하기 위해서는, 지진파와 인프라사운드 전파 속도(vis, vi)가 정의되어야 한다. 지반운동이 최대일 때 인프라사운드가 발생한다고 가정하여, 진앙과 인 접한 경상북도 일원에서 관측한 지진파형에서 표면파 의 최대 진폭에 해당하는 부분의 전파 속도(vs= 3.2 km s−1 )를 측정하였다. 인프라사운드의 수평전파속 도(vi)는 지진 발생 당시의 대기 유효음파속도구조를 이용한 전파 모델링(예를 들어, 파선추적 방법)으로 구하거나, 지표 발파 등 검증자료(ground truth information)를 통해 확인할 수 있다. 본 연구에서는 지표 발파에서 발생한 인프라사운드 관측결과로부터 수평전파속도를 측정하여 역-투사 방법에 이용하였다. 강원도 강릉 인근 노천 석회석 광산 지표 발파 목록 중 울진해역지진과 가까운 일자에 기록된 지표 발파 기록을 이용하였다. 상기 노천 광산은 지반운동이 발 생한 지역과 가까이 위치(Fig. 3a)하고 있기 때문에 음원-관측소 간 평균적인 수평전파속도를 제공할 수 있다. Fig. 2는 노천 광산 지표발파에서 발생한 인프 라사운드 및 지진파 신호를 보여주고 있다. 광산으로 부터 북서 방향에 위치한 철원 관측소의 경우 수평 전파속도는 277.8 m s-1이며, 남서 방향의 대전 관측 소에서는 276.9 m s-1로 기록되는 등 수평전파속도가 유사하다. 이들 수평전파속도는 전형적인 성층권 위 상(stratospheric phase)의 수평전파속도에 해당한다 (Evers and Haak, 2007). 본 연구에서는 두 기록의 평균값인 277.4 m s-1를 수평전파속도(vi)로 사용하였 다. Fig. 2의 광산 발파 신호는 울진해역지진 발생 이틀 후(5월 31일)의 기록으로 울진해역지진(5월 29 일) 당시의 수평전파속도를 정확하게 대표하지는 못 한다. 하지만 인프라사운드의 주시(travel-time)는 계 절에 따른 대기층 온도에 주된 영향을 받기 때문에 비슷한 시기에 관측된 상기 수평전파속도를 위치 결 정에 사용하여도 큰 차이가 없을 것으로 판단하였다 (Che et al., 2011).

    역-투사 방법에서 예상되는 음원 위치 결정의 불확 실성은 후방-방위각 계산의 정확도와 대기 구조에 따 른 수평전파속도의 불확실성과 연결된다. 배열의 크 기(aperture)가 작은 대전 관측소의 경우, 이론적으로 발생할 수 있는 후방-방위각 오차는 약 2°이다(Szuberla and Olson, 2004). 만약 200 km 거리를 전파한다면 파면과 평행한 방향에서 나타나는 위치 결정의 불확 실성은 약 7 km이다. 또한, 10 m s-1의 수평전파속도 오차를 가정한다면 대원 상에서 거리 결정 불확실성 은 약 7.2 km이다.

    Fig. 3a은 역-투사 방법으로 구한 인프라사운드 음 원 위치 결과를 수치표고자료(Digital Elevation Model, Becker et al., 2009) 위에 도시한 것이다. 철원 관측 소에서 결정된 음원 위치(적색)는 삼척-태백-울진-영 덕-포항에 이르는 동해안 내륙을 따라 남-북으로 약 146 km에 걸쳐 분포하고 있다. 대전 관측소의 경우에 도 음원(청색)이 강원도 남부에서 경상북도 영덕까지 분포하고 있다. 특징적으로, 대전 관측소에서는 울진 과 진앙 사이 해역에서도 음원이 발생한 것으로 결 정되었다. 이들 음원은 Fig. 1b에서 약 750초 이후에 도달하는 저주파수의 인프라사운드 신호에 해당한다. 해역에 분포하는 이들 음원은 수심이 얕은 해저면의 지반운동에 의해 대기 중으로 발생한 인프라사운드 신호의 발생 위치로 해석된다. 해저면-수중-대기로의 연속적인 에너지 전환 메커니즘은 지반운동이 저주파 수이고 파장이 수심보다 큰 조건에서 발생 가능한 것으로 보고되고 있다(Godin, 2008;Evers et al., 2014). 본 연구에서는 인프라사운드 음원의 대부분이 내륙에 분포하고 있기 때문에 내륙 지반운동에 대해 서만 다루고자 한다. 대전 관측소에서 결정된 해역 음원의 발생 메커니즘에 대해서는 향후 추가 자료를 확보하여 후속 연구에서 다루고자 한다. 수치표고자 료와 비교했을 때, 내륙에 분포하는 음원은 진앙과 가까우면서 동시에 강원도-경상북도에 위치하는 지형 이 높은 지역과 어느 정도 일치하는 결과를 보인다. 이러한 상관관계는 산악 지형의 지반운동으로 회절 인프라사운드가 효과적으로 발생하다는 기존 연구결 과와 일치한다(Le Pichon et al., 2002).

    Fig. 3b은 음원 위치를 계측 진도도(shake map) 위 에 도시한 것이다. 계측 진도도는 총 77개 지진관측 소를 대상으로 진원시로부터 120초 동안 원시 자료 (초당 100샘플)에서 3성분 최대지반가속도를 추출하 여 작성하였다. 관측 자료 중 이상치를 제거하기 위 해, Jo and Baag (2001)의 강지진동 감쇄 예측식을 사용하였다. 각 관측소에서 예측 값을 계산한 후, 관 측 값이 예측 값 대비 ±70% 이내에 해당하는 관측 소만 최종적으로 사용하였다. 위의 방법으로 결정된 최종 44개 관측소 자료에 대해 IDW (Inverse Distance Weighting) 보간법인 수정 Shepard 알고리즘(Tracker et al., 2010)을 적용하여 800×800 m 간격으로 한반 도 내륙에서의 계측 진도도를 구하였다. 3성분 벡터 합으로 구한 최대지반가속도는 10.5 cm s−2 (gal)로 울 진 부근에 위치한다. Fig. 3b에 나타나듯이, 남-북 방 향의 최대지반가속도 분포와 인프라사운드 음원 분포 가 어느 정도 일치하고 있으며, 음원 위치에 해당하 는 최대지반가속도 중 최소값은 약 3 cms−2이다. Fig. 3a3b 결과를 종합하면, 1) 진앙과 인접한 강원도 남부-경상북도 내륙 일원에서의 지반운동으로 인프라 사운드 신호가 발생하였으며, 2) 해발 고도가 높은 지형에서 약 3 cms−2 이상의 지반운동이 발생하는 경 우, 이로부터 생성된 인프라사운드 신호가 중거리(약 200-300 km)에서 관측이 가능함을 설명하고 있다.

    지진 지반운동과 인프라사운드 음원 크기

    지진 지반운동에 의한 인프라사운드는 지반운동의 크기에 비례하고 지형이 높은 산악 지역에서 효과적 으로 발생한다는 것을 정성적으로 확인하였다. 이 장 에서는 강원도 남부-경상북도 내륙에 분포하는 인프 라사운드 음원의 크기를 정량적으로 계산하였다. 철 원, 대전 관측소의 회절 인프라사운드 신호의 진폭 (Fig. 1)과 음원 위치(Fig. 3)를 이용하여 음원 크기 BSP (Back-projected Surface Pressure, Pa)를 구하였 다. 이와는 별개로, 최대지반가속도(Fig. 3b) 자료에 레일리 적분을 적용하여 지반운동으로부터 직접적으 로 음원 크기(PSP, Peak Surface Pressure)를 계산하 고 이를 BSP 결과와 비교하였다.

    먼저, 음원 크기 BSP는 관측소에 기록된 인프라사 운드 신호 진폭에 대하여 대기 전파 과정에서의 에 너지 감쇄를 보정하여 얻어진 음원의 초과압력 (overpressure)을 의미한다. 에너지 감쇄 보정을 위하 여 Le Pichon et al. (2012)이 제안한 인프라사운드 대기 전파 감쇄식을 이용하였다.

    A p ( f , V e f f r a t i o ) = 1 R 10 a ( f ) R 20 + R β ( f , V e f f r a t i o ) 1 + 10 δ R σ ( f )
    (2)

    여기서, Ap는 음원으로부터 거리 R (km)을 전파했을 때 음원 진폭 크기의 감쇄 계수(attenuation coefficient) 로써, 주파수(f)와 유효음파속도 비(Veff-ratio, 특정 고 도에서의 유효음파속도와 지표면에서의 음파 속도 간 의 비)의 함수이다. 식 (2)는 근거리(near-field, 우측 첫번째 항)와 원거리(far-field, 두번째 항) 감쇄로 구 성된다. 근거리 항은 기하학적 확장과 직접파(음원-음 영대 사이) 진폭의 지수 감쇄(파라미터 α)로 정의된 다. 원거리 항은 지표면과 대기권 굴절 고도 사이에 형성된 전파 통로(wave-guide duct)를 따라 장거리 전파하는 인프라사운드 신호의 감쇄를 의미하며, 3개 파라미터(β, δ, σ)로 정의된다. 따라서 음원의 주파수 와 음원-관측소 간 유효음파속도 비로부터 감쇄 계수 (Ap)를 구할 수 있으며, 이를 관측소에서 측정한 신호 진폭에 대해 나누게 되면 원거리 음원의 크기(기준 거리 1 km)를 계산할 수 있다. 주파수와 유효음파속 도 비에 따른 상기 4개 파라미터(α, β, δ, σ) 값들 은 Le Pichon et al. (2012) 논문에 도표로 정리되어 있다.

    탐지 신호(픽셀)의 주파수는 Fig. 1과 같이 0.5-5.0 Hz 사이에 분포하고 있다. 유효음파속도 비는 대기 수치예보모델인 유럽중기예보모델(ECMWF, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, www. ecmwf.int)을 사용하여 구하였다. 각 음원(Fig. 3)으로 부터 관측소까지, 40-60 km 성층권 고도에서의 유효 음파속도와 지표면의 음파 속도로 유효음파속도 비를 계산하였다. 탐지 신호(픽셀)의 주파수와 유효음파속 도 비에 해당하는 상기 4개 파라미터를 식 (2)에 대 입하여 감쇄 계수를 구한 후 관측한 신호의 진폭을 보정하였다. 감쇄 보정으로 구한 음원 크기 결과를 5 km 간격으로 그리딩하여 2차원 BSP 분포도로 작성 하여 Fig. 4a에 도시하였다. 음원 BSP 크기(기준 거 리 1 km)는 2.2-11.1 Pa (100.9-114.9 dB)로 분포하고 있으며, 최대 크기의 음원은 삼척-태백-울진 사이에 위치(십자가)하고 있다. 그림에서 색깔로 표시된 BSP 영역은 울진해역지진 당시 철원, 대전 두 관측소에서 탐지가 가능했던 인프라사운드 발생지역을 의미하며, 면적은 약 4,600 km2로 대략 경상북도 면적의 1/4에 해당하는 넓은 지역이다.

    다음은 지반운동 자료로부터 음원의 초과압력 (PSP)을 계산하였다. 최대지반가속도 운동과 이로부 터 발생하는 초과압력의 변화는 다음과 같이 레일리 적분식으로 근사된다(Blackstock, 2000).

    p ( x , y , z ; t ) = ρ 0 S u ˙ p ( x , y ; t R / c 0 ) _ d S ,
    (3)

    여기서, p(x, y, z; t) 는 지반가속도( u ˙ )로 운동하는 면 적 S(z=0)에 의해 관측되는 초과압력 변화이며, ρ0는 공기 밀도(1.275 kg m−3), c0는 공기 중 음파 속도이 다. 면적 S를 작은 격자(dS)로 나누고 관측점(x, y, z) 과 격자(x', y') 간 거리 R로부터 t-R/c0 에 해당하는 격자 내 지반가속도값을 적용, 합산함으로써 p(x, y, z; t) 를 계산할 수 있다. 격자 내 지반가속도 입력 파형은 울진 지진관측소(ULJ)에 기록된 가속도 파형을 사용 하였다. 또한, 격자 내 파형의 최대 진폭(가속도)은 Fig. 3b에 도시된 것과 같이 각 격자점의 최대지반가 속도값으로 정규화 하였다. 면적 S의 지반운동에 대 한 레일리 적분이 유효하기 위해서 관측점의 고도(z) 가 레일리 거리(Rayleigh distance, R0=S/λ; λ는 파장) 보다 커야 한다(Blackstock, 2000). 앞서 인프라사운 드 관측 신호로 계산한 BSP는 지표로부터 기준 거리 1 km 떨어진 지점에 위치하는 음원의 초과압력을 의 미한다. 따라서 BSP(Fig. 4a)와의 비교를 위해 관측 지점의 고도(z)를 1 km로 설정하여 레일리 적분을 수 행하였다. 인프라사운드 신호 주파수가 1 Hz이고 음 파 속도(c0)가 330 m s−1로 가정할 때, 적분 면적(S)은 0.57×0.57 km2이다. 적분 면적에 대해 격자(dS) 크기 를 57×57 m2로 설정하여 레일리 적분을 수행하였다.

    Fig. 4b는 인프라사운드 음원 분포(Fig. 3)를 포함 하는 영역 내에서 상기 레일리 적분을 수행하여 구 한 PSP 분포도이다. PSP는 최대지반가속도값을 사용 하기 때문에 계측 진도도(Fig. 3b)와 유사한 남-북 방 향으로 연장된 음압 분포를 보인다. 최대 초과압력은 울진 인근(십자가)에서 12.3 Pa (115.8 dB)로 계산되 었으며, 이는 앞서 BSP의 최대 음원의 위치 및 크기 (11.1 Pa) 결과와 유사하다. PSP (Fig. 4b) 결과와 인 프라사운드 음원 분포(Fig. 3)를 비교하였을 때, 울진 해역지진 발생 당시 철원, 대전 관측소에서 탐지 가 능한 음원의 크기(PSP)는 최소 3.5 Pa 이상임을 확인 할 수 있다. 앞장에서 언급되었듯이 상기 최소 음원 에 해당하는 최대지반가속도는 약 3.0 cm s−2이다.

    본 연구에서 사용한 적분 조건(ρ0, c0, S, R0)을 식 (3)에 적용하면, 지표(x', y')로부터 1 km 직상부에서 계산되는 최대 PSP (Pa, 전체진폭(peak-to-peak amplitude))는 다음과 같이 최대지반가속도( u ˙ ) 편진 폭(0-to-peak amplitude)) 함수로 근사된다(Walker et al., 2013).

    P S P ( x , y ) = 138 max { | u ˙ p ( x , y , t ) | } ,
    (4)

    인프라사운드 신호로부터 BSP를 구하고 그 결과가 PSP와 동일하다고 가정한다면, 식 (4)로부터 음원 지 역의 지반가속도를 역으로 추정이 가능하리라 본다. 단, Fig. 4a에 나타나듯이, BSP가 ‘지역적으로’ 분산 된 특징을 보이는 것은 음원의 크기가 최대지반가속 도뿐만 아니라 인프라사운드 관측소 분포와 진앙 거 리, 음원 지역의 지형적 특성, 장거리 전파 효과 등 에 의해서도 영향을 받는다는 것을 의미한다. 따라서 인프라사운드 신호 크기와 최대지반가속도 간의 신뢰 도 높은 관계식을 구하기 위해서는 상기 영향에 따 른 인프라사운드 신호 특성 변화에 대한 연구가 추 가로 수행될 필요가 있다.

    결론 및 토의

    2004년 5월 29일, 중규모(Mw 5.1) 울진해역지진이 동반한 지반운동에 의해 지진파 에너지가 음파 에너 지로 전달되어 대기 중 인프라사운드 신호가 발생하 였다. 진앙 거리 약 250-320 km에서 관측된 인프라 사운드 신호에는 1) 지진파가 인프라사운드 관측소 하부를 전파하면서 지표 근처의 대기를 교란시켜 발 생시킨 음파, 그리고 2) 지진 표면파와 고도가 높은 지형과의 상호 작용에 의해 발생한 회절 인프라사운 드 신호를 포함하고 있다. 회절 인프라사운드는 지반 운동이 강하고 지형이 높은 산악 지역에서 보다 효 과적으로 발생한다는 것을 확인하였다. 회절 인프라 사운드 발생 음원은 지리적으로 삼척-울진-영덕-포항 을 잇는 남-북 방향으로 분포하고 있으며 발생 면적 은 약 4,600 km2에 이른다.

    인프라사운드 탐지 신호로 구한 음원의 크기(BSP) 와 최대지반가속도 자료로 계산한 음원의 크기(PSP) 를 비교했을 때, 남-북 방향으로 음원이 분포하는 등 전체적으로 유사한 결과를 보였다. 또한, 두 결과 모 두 최대 크기 음원이 울진-태백-삼척 사이에 위치하 고 있는 것으로 계산되었다. BSP에서 최대 음원은 약 11.1 Pa이며, PSP 결과에서는 12.3 Pa로 결정되 어 음원 크기 계산에서도 높은 유사성을 보였다. 이 들 최대 크기의 음파가 발생한 지역의 최대지반가속 도는 10.5 cm s−2로 확인되었다. PSP 결과로 볼 때, 울진해역지진 발생 당시 철원, 대전 관측소에서 탐지 가능했던 음원의 크기는 약 3.5 Pa 이상이었으며, 이 는 최대지반가속도 3.0 cm s−2에 해당한다.

    Mutschlecner and Whitaker (2005)은 중-대규모(ML 4.4-7.5) 지진에서 관측한 인프라사운드 신호로부터 지진 규모와 인프라사운드 신호 진폭 간의 관계식을 제안하였다. 또한 원거리(~4,000 km)에서 관측 가능 한 인프라사운드를 발생시키기 위해서는 10-20 cm s−2 이상의 지반운동이 필요함을 제시하였다. 본 연구의 경우, 관측소가 음원과 상대적으로 가까운 250-320 km에 위치하고 있어 약 3.0 cm s−2의 최대지반가속도 운동만으로도 인프라사운드 신호를 관측할 수 있었다. 이는 진앙을 기준으로 관측소 분포가 가깝고 조밀할 수록 보다 작은 규모의 지진 지반운동을 탐지할 수 있음을 의미한다. 본 연구에서는 인프라사운드 신호 의 진폭과 지반운동의 크기 간의 관계만을 분석하였 다. 향후 다양한 종류의 지진 지반운동 유발 인프라 사운드 관측 자료가 축적된다면, 진원 깊이, 지진원 발진기구 등 지진원 차이에 의한 인프라사운드 신호 의 특성을 파악할 수 있을 것이며, 이를 통한 원거리 지반운동의 특성을 보다 정량적으로 추정할 수 있는 관계식 개발이 가능할 것이다.

    본 연구에서는 원거리에서 관측한 인프라사운드 신 호로부터 진앙을 포함한 광범위한 지역에서의 지반운 동의 크기를 계산할 수 있는 가능성을 제시하였다. 현재 국내에는 신속 지진 재해 대응을 목적으로 관 측소 간격이 조밀한 국가지진관측망이 운영되고 있어 지진관측자료만으로도 정량적인 계측 진도도 작성이 가능하다. 반면, 본 연구에서 다루고 있는 인프라사 운드 신호 진폭과 지반운동 특성 간의 정량적 관계 (식)는 전 지구적으로 지진관측 시설이 빈약하거나 없는 지역을 대상으로 지반운동 특성을 파악하는데 도움이 될 수 있다. 더 나아가, 태양계 행성 대기권 에서 인프라사운드 신호를 원격으로 탐지함으로써 행 성 진동(quakes)의 위치와 활동도(Garcia et al., 2005) 를 추적하는 분야로도 확장될 수 있으리라 본다.

    사 사

    유럽중기예보모델 (ECMWF)을 제공한 CTBTO/ PTS (Provisional Technical Secretariat)에 감사드립니 다. 본 연구는 한국지질자원연구원 주요사업인 ‘지진 활동 추적 및 관측자료 통합관리기술 개발(GP2020- 017)’ 과제의 일환으로 수행되었습니다.

    Figure

    JKESS-41-6-647_F1.gif

    PMCC detection results for infrasound signals observed from the offshore Uljin earthquake, recorded at (a) CHNAR and (b) TJNAR array. Selected waveforms are band-pass filtered in the frequency range of 0.5-5.0 Hz and aligned with respect to the earthquake origin time. Three panels above the waveforms display back-azimuth, trace velocity, and relative amplitude of detected signals (bottom to top).

    JKESS-41-6-647_F2.gif

    An example of seismic and infrasound signals generated from a surface explosion at an open-pit limestone mine in Gangwon Province (location of the mine is plotted in Fig. 3a). This event occurred on May 31, two days after the offshore Uljin earthquake, providing a representative seasonal celerity of infrasound propagation at the end of May. Upper two waveforms are beam-formed infrasound signals at CHNAR and TJNAR arrays. Yellow boxes indicate the arrival of infrasound signals generated from the surface explosion. Lower two waveforms are seismic signals (grey boxes) related to the surface explosion and recorded at KSA and CHNB seismic stations. Time zero on the x-axis is set to the origin time of the surface explosion.

    JKESS-41-6-647_F3.gif

    Infrasound source location results by the back-projection method, and comparison with (a) digital elevation model (DEM) and (b) peak ground acceleration (PGA). Red and blue crosses are source locations determined by using the infrasound detections at CHNAR and TJNAR, respectively. In (a), only elevation higher than 400 m are color coded to highlight the correlation with the distribution of source locations. Location of the limestone mine is marked with a square, from which surface explosion is used to estimate the reference celerity of infrasound propagations. Beach-ball indicates the focal mechanism solution of the offshore Uljin earthquake, indicating predominant thrust fault mechanism (Park and Mori, 2005).

    JKESS-41-6-647_F4.gif

    Infrasound source pressures (Pa) coupled from ground motions of the offshore Uljin earthquake in 2004. (a) Back-projected Source Pressures (BSP) calculated by using infrasound observations, incorporating attenuation correction for infrasound propagation in the atmosphere. (b) Peak Source Pressures (PSP) calculated by applying Rayleigh integral approximation to the peak ground acceleration (PGA) dataset. White crosses indicate the location of maximum source pressure of 11.1 Pa in (a) BSP and 12.3 Pa in (b) PSP.

    Table

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