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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.41 No.6 pp.658-669
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2020.41.6.658

Effects of Meteorological Variations and Sensor Burial Depths on HVSR Analysis

Su Young Kang1, Kwang-Hee Kim2*, Doyoung Kim1, Byeong-Uk Jeon1, Jin-Wook Lee1
1Institute of Geologic Hazard & Industrial Resources, Pusan National University, Busan 46241, Korea
2Department of Geological Science, Pusan National University, Busan 46241, Korea
*Corresponding author: kwanghee@pusan.ac.kr Tel: +82-51-510-2250
October 15, 2020 December 17, 2020 December 18, 2020

Abstract


The horizontal-to-vertical spectral ratio (HVSR) analysis is conducted to estimate the site amplification effect and the thickness of the sedimentary layer beneath the measurement site. We investigated the effects of meteorological variations (wind and precipitation rate) and sensor burial depths on HVSR analysis. The HVSR results were unstable when seismographs were exposed on the ground. The HVSR results of ambient noise data measured under strong winds were also unstable. It is recommended to measure the ambient noise at wind speeds of <3 m s−1 . Stable HVSR results were obtained when seismographs were buried, regardless of the precipitation rates. The results of this study provide the best observations and optimal weather conditions required to acquire accurate and reliable HVSR results.



기상변화와 지진계 설치 깊이가 HVSR 분석결과에 미치는 영향

강 수영1, 김 광희2*, 김 도영1, 전 병욱1, 이 진욱1
1부산대학교 지질재해산업자원연구소, 462141, 부산광역시 금정구 부산대학로 63번길 2
2부산대학교 지질환경과학과, 462141, 부산광역시 금정구 부산대학로 63번길 2

초록


지반증폭특성과 퇴적층 두께를 분석할 때 배경잡음을 이용한 HVSR 방법을 적용할 수 있다. 본 연구는 배경잡 음을 관측할 때 풍속과 강수량의 변화가 HVSR 분석 결과에 미치는 영향을 비교 분석하였다. 지진계는 매설 깊이를 다 르게 하여 포항기상대에 설치하였다. 지진계가 지표에 노출된 상태에서 배경잡음을 관측하고 분석하면 부정확한 HVSR 결과가 도출된다. 바람이 강하게 부는 상황에서 관측한 배경잡음 또한 부정확한 HVSR 결과를 도출한다. 바람의 세기 3 ms−1 이하에서 배경잡음을 관측하여 분석하는 것이 적절하다. 지진계를 매설하면 강수량 변화에 상관없이 안정적인 HVSR 분석 결과를 도출하였다. 본 연구는 배경잡음 관측 시 지진계의 매설 깊이와 날씨의 영향을 최소화할 수 있는 설치환경과 관측환경을 제시함으로써 HVSR 분석 결과의 신뢰성과 정확성 향상을 도모한다.



    Pusan National University(PNU)

    서 론

    지진으로 인해 발생하는 지진동 크기는 지진피해와 직접 연관되며, 지진원 특성과 지진파 전파경로 감쇠 특성, 그리고 대상지역의 지반 증폭 특성에 의해 영 향을 받는다. 이 요인들 중에 지반 증폭 효과는 지진 파가 구성물질의 밀도가 낮고 지진파 전파속도가 느 린 천부층을 통과하면서 심하게 왜곡되고 증폭되는 현상을 말한다(Anderson et al., 1986;Bao et al., 2019;Borcherdt, 1970;Shearer and Orcutt, 1987). 천부 퇴적층의 두께가 두꺼울수록 이러한 현상은 심 각해지며, 이러한 부지 증폭 효과가 심각한 지역에서 는 그 효과가 심각하지 않은 주변 다른 지역에 비해 큰 피해가 발생하기도 한다. 1985년 9월 19일 멕시 코 미초아깐에서 발생한 규모 8.1의 지진은 진앙으로 부터 약 400 km 떨어진 부지 증폭 효과가 큰 퇴적층 위에 위치한 멕시코 도심지에 큰 피해를 일으키면서 부지 증폭효과의 중요성과 심각성을 상기시켰고, 이 지진은 Mexico City 지진으로 더 잘 알려져 있다 (Anderson et al., 1986;Campillo et al., 1989;Lermo and Chávez-García, 1994).

    부지 증폭효과를 연구하기 위해 많이 사용하는 두 가지 방법은 표준 스펙트럼비(SSR, Site-to-reference Spectral Ratio) 방법과 수평 대 수직 스펙트럼 비 (HVSR, HorizontaltoVertical Spectral Ratio) 방법 이다. SSR 방법은 해당 부지 지진동의 푸리에 스펙 트럼을 인근 기준 관측소(e.g. 기반암 관측소)에서 동 시에 기록한 스펙트럼으로 나누어 부지효과를 추정한 다. SSR 방법이 신뢰성 높은 부지응답 추정치를 산 출하는 것으로 알려져 있지만, 계측 비용이 높고 관 측 기간이 길며 두꺼운 퇴적층을 포함하는 분지 위 에 개발된 도시지역에서는 배경잡음 수준이 낮은 적 절한 기반암 관측소를 찾기 어렵다는 제약이 있을 수 있다(Steidl et al., 1996). 반면에 Nakamura(1989) 에 의해 처음 소개된 HVSR 방법은 배경잡음 자료의 수평성분과 수직성분의 스펙트럼 비를 구하여 공명주 파수를 추정함으로써 지표면 아래 지하구조, 부지 효 과 및 Microzonation 연구 등 광범위하게 적용되는 기법이다(Bignardi et al., 2016;Hassani and Atkinson, 2016;Kang et al., 2020;Lee et al., 2017;Nakamura, 2019;Sunaryo, 2017;Tuncel and Akgun, 2016). 배경잡음을 이용한 이 방법은 측정 소요 시간 이 비교적 짧고, 다른 지구물리학적 방법에 비해 경 제적이고 구현이 용이하며, 특히 지진 발생 빈도가 낮은 지역에 적용할 수 있다는 장점이 있다.

    2017년 11월 15일 규모 5.4의 지진이 발생한 포항 은 서쪽에는 양산단층이 위치하고, 동쪽에는 동해가 있으며, 남쪽에는 형산강이 위치한 분지형태로 이루 어져 있다. 이 지진으로 각종 기반시설의 피해 등 총 3,323 억원 규모의 직간접적 경제적 피해가 발생하였 으며, 100여 명의 인명피해도 있었다(Kim and Do, 2018). 포항지진은 2016년 발생한 규모 5.8의 경주지 진보다 지진 규모가 5.4로 작지만, 이 지진으로 발생 한 지진피해는 경주지진때보다 훨씬 컸다. 이는 경주 지진보다 얕은 깊이에서 지진이 발생하였고, 분지 내 두꺼운 퇴적층에 의해 비롯된 부지효과 때문으로 추 정할 수 있다. 포항 분지의 부지효과 연구를 위해서 배경잡음 측정 소요시간이 비교적 짧고 분석이 용이 한 HVSR 방법을 사용할 수 있다.

    HVSR 분석결과는 짧은 시간 동안 관측한 배경잡 음 자료를 사용하기 때문에 자료의 질에 의해 영향 을 받으며, 자료의 질은 배경잡음 임시 관측소의 주 변 관측환경과 설치환경에 의해 영향을 받는다 (Chatelain et al., 2008;Wathelet et al, 2020). 일반적 으로 지진관측을 위한 임시 지진관측소는 지표면 아 래 동굴이나 하수관 등이 위치하는 곳과 고속도로 및 고속철도 인근은 지진계 설치를 자제하며, 경사도 가 심한 곳을 피하는 등의 관측환경과 설치환경 기 준은 잘 알려져 있다(ANSS TIC, 2002). HVSR 방법 을 사용하기 위한 배경잡음 측정을 위한 관측소 또 한 이러한 기준들을 만족해야 한다. 특히 배경잡음을 관측하는 지진계 설치 시 지진계의 매설 유무와 지 진계 설치 바닥 조건(콘크리트, 잡초, 흙 등), 기상상 황 등 지진계의 다양한 설치조건 및 관측환경은 배 경잡음 자료의 질, 즉 HVSR 분석 결과에 영향을 줄 수 있다(Chatelain et al., 2008).

    본 연구에서는 배경잡음 자료를 활용한 HVSR 방 법으로 부지효과와 분지구조 연구수행에 앞서 배경잡 음 관측을 위한 지진계의 매설 깊이와 기상상황의 변화, 특히 바람의 세기와 강수량의 변화가 HVSR 결과에 미치는 영향을 비교 분석하였다. 연구지점의 풍속과 강수량의 변화를 가장 정확하게 확인할 수 있도록 포항기상대에 지진계를 설치하여 배경잡음 자 료를 수집하였다. 지진계를 설치할 때에는 매설 깊이 를 다르게 하였고, 풍속과 강수량의 변화가 HVSR 결과에 미치는 영향을 분리하여 연구를 진행하였다. 본 연구는 배경잡음 관측 시 지진계의 매설 깊이와 날씨의 영향을 최소화할 수 있는 설치 환경과 관측 조건을 제시하여 HVSR 분석결과의 정확성과 신뢰성 을 확보하는데 도움이 될 것으로 사료된다.

    연구방법 및 자료

    수평 대 수직 스펙트럼 비(HVSR, Horizontal-to- Vertical Spectral Ratio) 방법은 3성분 지진계를 이용 해 비교적 짧은 시간의 배경잡음을 관측하고, 수평성 분 대 수직성분의 푸리에 진폭 스펙트럼비를 산출한 다. 그 결과는 상부 퇴적층과 기반암 사이의 임피던 스 차이가 큰 층의 경계에서 뚜렷한 정곡점을 보이 며, 이를 통하여 상부층의 우세주파수를 결정할 수 있다(Badrane et al., 2006;Bignardi et al., 2016;Bottelin et al., 2019;Chatelain et al., 2008;Chen et al., 2009;Field and Jacob, 1993;Haghshenas et al., 2008;Hassani and Atkinson, 2016;Hong and Kim; 2010;Kagami et al., 1986;Ohmachi et al., 1991;Teves-Costa et al., 1996;Theodulidis and Bard, 1995). HVSR 곡선에서 정곡점의 주파수를 공명주파 수로 읽으며(Nakamura, 1989;Bottelin et al., 2019), 공명주파수가 저주파수에 가까울수록 퇴적층의 심도 가 깊고, 반대로 공명주파수가 고주파수에 가까우면 퇴적층의 심도가 낮음을 의미한다(Ahn et al., 2018;Badrane et al., 2006;Hassani and Atkinson, 2016;Hong and Kim, 2010;Yun et al., 2013). HVSR 곡 선에서 공명주파수를 나타내는 정곡점은 한 개일수도 있지만, 여러 층으로 형성된 복잡한 지하구조의 부지 에서는 여러 개의 정곡점이 나타날 수 있다(Castellaro and Mulargia, 2009). 공명주파수가 결정되면 시추자 료 또는 지구물리관측자료(e.g., 전단파 속도 등)와의 상관 관계식으로 해당 부지의 퇴적층 두께를 추정할 수 있다(Bottelin et al., 2019;Chen et al., 2009;Ibs-von Seht and Wohlenberg, 1999;Lee et al., 2017;Liu et al., 2014;Parolai et al., 2002). 이렇게 결정된 퇴적층 두께의 유추결과는 해당부지의 지하구 조 연구, 부지특성 연구와 Microzonation 등 지진재 해 위험성 평가에 활용한다. 배경잡음 자료를 이용한 HVSR 기법을 이용한 퇴적층 심도 추정법은 직접적 으로 시추하여 퇴적층을 판별하는 법보다 신속하고 비용이 적게 들며, 단일 관측소 자료만으로도 해석이 가능한 장점이 있다(Castellaro and Mulargia, 2009;Hong and Kim; 2010;Lee et al., 2017).

    본 연구에서 분석한 배경잡음 자료는 포항기상관측 소에 3성분 지진계 4대의 지진계를 설치하여 수집하 였다. 포항기상대는 동해 해변으로부터 약 200 m 떨 어져 있으며, 주변은 도심지로서 생활잡음이 많은 지 역에 위치하고 있다(Fig. 1). 3대의 지진계는 지진계 의 상단이 각각 0.30 m (PT03), 0.15 m (PT06), 0.00 m (PT08)가 되도록 지면 아래에 매설하여 설치하였 고, 나머지 한 대의 지진계는 지진계 상단이 지면으 로부터 약 0.17 m (PT09) 위가 되도록 설치하였다 (Fig. 2). 배경잡음은 설치된 지진계에서 250 SPS (samples per second)로 관측하였다.

    배경잡음은 2020년 6월 9일부터 6월 24일까지 바 람과 비 등의 기상변화가 비교적 많았던 기간에 관 측하였다. 기상청의 지상기상관측지침(KMA, 2016)에 의하면 풍속은 끊임없이 매 순간 변동하기 때문에 순간과 평균값을 관측하고, 지면으로부터 높이에 따 라 풍속의 세기가 다르기 때문에 포항기상대에서는 10 m 높이의 풍속을 표준으로 한다. 또한 정시 풍속 은 해당 시각의 10분전부터 정시까지 10개의 1분 단 위 풍속의 평균값으로 한다(KMA, 2016). 연구기간동 안 기상청에서 고지한 정시 풍속은 0.0 ms−1부터 최 대풍속 6.5 ms−1까지 변화하였다(KMA, 2020). 본 연 구에서는 정시 풍속 0.0 ms−1부터 6.5 ms−1까지 0.5 ms−1 단위로 나누고, 기상청의 정시 풍속에 사용한 시간대와 동일하게 해당 시각 10분전부터 정시까지 의 10분 배경잡음 자료를 사용하여 풍속에 의한 HVSR의 영향을 분석하였다. 이때 연구기간 중 풍속 5.5 ms−1와 6.0 ms−1에 해당하는 정시 풍속 자료의 부 재로 5.5 ms−1를 5.4 ms−1로 대신하였고, 6.0 ms−1는 생 략하였다.

    강수량에 의한 HVSR의 영향을 분석하기 위해 연 구기간 중 1시간 누적 강수량(15.3 mm)이 가장 큰 시각을 포함하는 날(2020년 6월 10일 23:00-6월 11 일 11:00)을 선정하여 연구를 진행하였다. 이때 12시 간 연속 누적 강수량은 25.1 mm이다. 연구에서는 매 시각 정시 강수량(해당 시각의 1시간 누적 강수량) 자료와 동일한 시각의 60분 배경잡음 관측자료를 분 석하여 비교하였다. 또한 강수가 있었던 12시간 동안 풍속의 영향을 최대한 작게 하기 위해 이 기간 정시 풍속은 2.5 ms−1 이하로 제한하였다.

    배경잡음 관측자료는 GEOPSY Release 3.2.0 (2019)를 사용하여 HVSR을 분석하였으며, 자료처리 는 Assatourians and Atkinson (2010)Hassani and Atkinson (2016)에 의해 기술된 것을 참조하여 GEOPSY의 변수를 설정하였다. 분석에 사용한 주파 수 범위는 0.1-50.0 Hz로 Butterworth filter를 적용하 였으며, Konno-Ohmachi window (Konno and Ohmachi, 1998)를 사용하여 수평과 수직 FAS (Fourier Amplitude Spectra)를 평활화하였다.

    결 과

    포항기상대 HVSR

    날씨와 지진계 매설 깊이에 따른 영향을 비교분석 하기에 앞서 HVSR 방법으로 연구지역(포항기상대) 의 지하구조를 살펴보았다. HVSR 결과에는 정곡점 2개가 나타나고, 이는 포항기상대 하부에는 기반암 위에 매질이 서로 다른 2개의 퇴적층이 존재하는 지 하구조로 추정할 수 있다. Fig. 3은 지진계의 매설 깊이 0.30 m (PT03)에서 풍속 0.0 ms−1과 강수량 0.0 mm인 조건에서 10분 연속 배경잡음 자료를 이용한 HVSR 곡선이다. 2개의 정곡점이 나타나는 경우에는 주파수가 낮은 첫번째 정곡점은 지표면으로부터 깊은 곳에 위치한 불연속면과 관련된 공명주파수로 읽고, 주파수가 높은 두번째 정곡점은 지표면으로부터 얕은 곳에 위치한 불연속면과 관련된 공명주파수로 읽는다.

    이 논문에서는 첫번째 정곡점에서의 주파수인 첫번 째 공명주파수를 F1, 이때의 H/V 비를 A1이라 하고, 두번째 정곡점에서의 주파수인 두번째 공명주파수를 F2, 이때의 H/V 비를 A2라 하겠다. Fig. 3을 살펴보 면, 지진계 상단 기준으로 지표면으로부터 0.3 m 매 설한 PT03에서의 F1은 0.33이며, 이때 A1은 4.35이다. 또한 F2는 0.86이며, 이때 A2는 4.66이다(Fig. 3). 이 렇게 결정된 공명주파수와 H/V 비는 해당지역의 퇴 적층 두께를 추정하고, 부지효과 분석 등 지진재해 위험성 평가에 활용된다.

    바람의 영향

    HVSR 결과에 미치는 바람의 영향을 살펴보기 위 해 각기 다른 풍속에서의 HVSR을 분석한 결과는 다 음과 같다(Fig. 4, 5). Fig. 4는 정시 풍속 0.0, 3.0, 5.0, 6.5 ms−1에서의 HVSR 곡선이다. Fig. 4의 HVSR 곡선에 의하면 두 개의 정곡점이 보이며, 가로축에서 읽는 정곡점의 주파수(F1과 F2)는 비교적 일정하다. 그러나 세로축에서 읽는 정곡점에서의 H/V 비(A1, A2)는 바람의 세기에 따라 변화하고 있다. 특히 풍속 의 세기에 따라 A1의 변동이 큰 것을 확인할 수 있 다. 또한 0.0 ms−1의 풍속에서는 모든 지진계에서 비 슷한 HVSR 곡선 형태를 보이지만, 풍속의 세기가 강해질수록 각각의 HVSR 곡선은 불규칙하고, 특히 저주파수 영역에서 지진계 매설의 깊이마다 곡선의 형태가 다른 양상을 보인다. 결과적으로 Fig. 4에서 HVSR 곡선은 풍속의 세기에 따라 저주파수 영역에 서 영향을 받는 것으로 해석할 수 있다. 그러나 퇴적 층 두께 또는 부지효과 연구를 위한 HVSR 해석은 HVSR 곡선에서 정곡점의 주파수와 H/V 비의 결정 에 의해 분석하므로, 풍속 변화에 의한 HVSR 곡선 형태의 변화보다는 정곡점의 공명주파수와 H/V 비의 변동을 해석하는 것이 중요하다.

    Fig. 5는 풍속 세기 변화에 따른 각 지진계에서의 공명주파수와 H/V 비의 변화를 보여준다. F1은 바람 의 세기와 지진계 매설 깊이에 따라 0.27-0.48 Hz 범 위에서 변화하며, F2는 0.70-0.90 Hz 범위에서 변화 한다(Fig. 4a). 이때 A1은 3.06-16.28, A2는 3.61-5.38 범위에서 변화한다(Fig. 5a, b). 풍속의 변화로 공명 주파수와 H/V 비의 변동이 가장 큰 지진계의 매설 깊이는 지상에 설치한 PT09 (−0.17 m)이다. 반면에 나머지 3개의 지진계 매설 깊이에서 보이는 결과는 비슷하지만 풍속의 변화에 따른 공명주파수와 H/V 비가 가장 안정적인 지진계의 매설 깊이는 PT03 (0.30 m)이다. Fig. 5b에서 PT09 (−0.17 m)는 바람의 세기가 강하면 A1이 크게 상승함을 알 수 있으며, 다 른 지진계에서도 3.0 m/s 이상이 되면 F1, F2, A1의 변동이 점차적으로 커짐을 알 수 있다. 반면에 바람 의 세기 변화에 따른 A2는 A1의 변동보다는 상대적 으로 안정적이지만, PT09 (−0.17 m)의 경우에는 풍속 이 강해지면 변동이 커짐을 알 수 있다(Fig. 5c). 풍 속의 변화로 가장 불안정한 HVSR 결과를 보인 지상 에 설치한 PT09 (−0.17 m)를 제외하면, 풍속의 변화 로 F1은 0.33-0.48, F2는 0.75-0.89, A1은 3.06-5.09, A2는 3.61-5.27의 범위에서 변화한다. PT09 (−0.17 m)와 A1을 제외한 각 지진계에서의 F1, F2와 A2는 각각의 중간 ±20% 범위 내에서 변화한다.

    강수의 영향

    강수량과 HVSR 결과의 상관관계를 분석하기 위해 2020년 6월 10일 23시부터 6월 11일 11시까지의 배 경잡음 관측자료를 분석하였다. 이 기간 동안 강수량 은 시간당 0.0 mm부터 최대 15.3 mm까지 변화하였 고, 누적 강수량은 25.1 mm이다(KMA, 2020). 이 시 기의 배경잡음 자료를 이용한 강수량과 지진계 매설 깊이에 따른 HVSR 곡선은 Fig. 6와 같다. Fig. 6은 강수량 0.0, 2.0, 5.7, 15.3 mmh−1에서의 HVSR 곡선 으로서 각각의 지진계 매설 깊이에 상관없이 비교적 동일한 HVSR 곡선 형태로 나타났다. 모든 지진계에 서 두번째 정곡점의 H/V 비(A2)가 가장 크게 나타났 고, 공명주파수(F1과 F2) 또한 안정적인 결과를 보인 다. 그러나 지상에 설치한 PT09 (−0.17 m)와 지표면 에 설치한 PT08 (0.00 m)는 강수량이 증가하면 고주 파수 영역에 영향을 준다(Fig. 6).

    HVSR 분석은 정곡점에서의 공명주파수와 H/V 비 를 해석하므로 강수량 변화에 따른 두 정곡점에서의 공명주파수와 H/V 비의 변화를 살펴보면 Fig. 7과 같다. F1은 강수량 변화와 지진계 매설 깊이에 따라 0.37-0.45 Hz 범위에서 변화하며, F2는 0.79-0.90 Hz 범위에서 변화한다(Fig. 7a). 이때 A1은 3.27-6.10, A2 는 4.33-5.53 범위에서 변화한다(Fig. 7a, b). 강수량 변화에 따른 공명주파수와 H/V 비의 변동이 가장 큰 지진계의 매설 깊이는 −0.17 m (PT09)이다. 반면에 나머지 3개의 지진계 매설 깊이에서는 비교적 공명 주파수와 H/V 비의 변동이 크지 않다. 강수량의 변 화로 가장 불안정한 HVSR 결과를 보인 지상에 설치 한 PT09 (−0.17 m)를 제외하면, 강수량의 변화로 F1 은 0.37-0.45, F2는 0.82-0.89, A1은 3.27-4.30, A2는 4.33-5.53의 범위에서 변화한다. 결과적으로 PT09 (−0.17 m)을 제외한 각 지진계에서의 F1, F2와 A1, A2 는 각각의 중간 ±20% 범위 내에서 변화하고, 지상에 설치한 PT09 (−0.17 m)를 제외하면 지진계의 매설 깊이에 상관없이 강수량에 의한 HVSR 결과는 비교 적 안정적이다.

    토의 및 결론

    지반의 증폭특성을 분석하거나 퇴적층을 포함하는 지하구조를 추정할 때 HVSR 방법을 적용할 수 있다. 배경잡음을 이용한 HVSR 분석 방법은 비교적 짧은 시간의 자료를 이용하여 결과를 도출할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 지진계 설치환경과 관측환경에 따라 분석 결과에 차이가 있을 수 있다는 염려가 꾸 준히 제기되어 왔다(Chatelain et al., 2008). 본 연구 는 포항기상대에서 지진계의 매설 깊이를 다르게 하 여 풍속과 강수량의 변화가 HVSR 결과에 미치는 영 향을 비교 분석하였다. 이 연구를 위해 HVSR 결과 에 영향을 줄 수 있는 여러 요인 중 풍속 또는 강수 량 변화가 큰 시각의 배경잡음 자료를 사용함으로써 다른 요인을 최소화하였다. HVSR 결과에 2개의 정 곡점이 보이므로, 배경잡음 관측지점 하부에는 기반 암 위에 2개의 층이 존재하고 있다고 추정할 수 있 다. 풍속과 강수량의 변화가 2개의 공명주파수와 H/ V 비에 각각 어떠한 영향을 주는지 살펴보면, 지상에 설치한 PT09 (−0.17 m)의 HVSR 결과는 풍속 또는 강수량 변화에 모두 불안정한 결과를 도출하였다. 따 라서 HVSR 방법을 사용하기에 가장 좋지 않은 지진 계의 설치 조건은 지진계를 매설하지 않고 지상에 얹어 놓고 관측하는 방식이라 할 수 있다.

    지상에 지진계를 설치하는 조건을 제외하고, 지진 계를 매설하여 관측한 자료를 사용하면 HVSR 결과 는 풍속이 강해짐에 따라 A1의 변동이 점차적으로 커지고, 특히 풍속 3.0 m/s 이상이 되면 A1은 불안정 해진다. 여러 지진계 매설 깊이 조건 중 풍속의 변화 로 공명주파수와 H/V 비 변동이 상대적으로 가장 작 은 HVSR 결과를 도출하는 지진계의 매설 깊이는 PT03 (0.30 m)이다. 본 연구는 기상청에서 고지한 정 시 풍속 자료와 일치시키기 위해 해당 시각의 10분 배경잡음 자료를 이용해 HVSR을 분석했지만, 일반 적으로 HVSR 분석을 위해 사용되는 배경잡음 관측 자료는 10분 이상의 자료를 사용한다. 따라서 정시 풍속 시각 전후 30분씩 1시간 동안의 배경잡음을 HVSR 방법으로 분석하여 풍속 변화가 HVSR 분석 결과에 미치는 영향을 살펴보았다(Fig. 8). 지상에 설 치한 지진계(PT09)는 A1에서 불안정한 결과를 도출 하였다. 지상에 설치한 지진계를 제외한 다른 매설 깊이 조건에서 관측한 1시간 자료를 분석한 HVSR 결과는 3.0 ms−1 이하의 풍속에서 비교적 안정적이다. 10분 관측자료를 분석한 결과와 비교해보면 1시간 관측자료를 분석한 HVSR 결과가 풍속의 세기 변화 에 상대적으로 적은 영향을 받는 것으로 확인되었다. HVSR 분석은 곡선에 나타나는 공명주파수와 H/V 비를 통해 퇴적층의 두께를 유추하고, 부지효과 분석 연구를 수행한다. 본 연구에서 HVSR 분석으로 강한 풍속은 지진계 매설 깊이와 상관없이 저주파수 영역 의 H/V 비에 영향을 주는 것을 확인하였다. 또한 지 진계를 지상에 설치하거나 얕게 매설한 지진계에서의 HVSR 곡선은 고주파수 영역에서 강수량과 풍속의 영향을 받는 것을 확인하였다. 만약, 포항기상대가 아닌 다른 부지에서 동일한 연구를 수행하면서 부지 특성상 지진계를 매설하지 못하거나, 장기간의 관측 자료 중 일부를 선별해 자료를 사용하는 경우에는 HVSR 분석 시 지진계의 매설 유무 확인 후 풍속의 세기와 강수량의 변화를 고려해야 한다. 지진계를 매 설하였다면 강한 풍속으로 영향을 받을 수 있는 저 주파수 영역에서 나타나는 공명주파수를 주의해서 해 석해야 한다. 반면에 지진계를 매설하지 않았다면 풍 속과 강수량의 변화를 모두 확인하고, 특히 고주파수 영역에서 나타나는 공명주파수를 주의해서 해석해야 한다.

    본 연구결과 강한 풍속은 HVSR 결과에 영향을 주 며, 강수량의 변화는 지진계를 매설하여 관측한 자료 를 사용하면 HVSR 결과에 영향을 주지 않는다. 풍 속과 강수량 변화에 가장 안정적인 HVSR 결과를 도 출한 지진계의 매설의 깊이는 0.30 m이다. 배경잡음 관측자료는 10분 자료를 사용하는 것보다 1시간 자 료의 사용으로 얻은 HVSR 결과가 풍속변화에 상대 적으로 안정적이다. 따라서 본 연구에서는 지진계는 0.30 m 매설하여 설치하고, 3.0 ms−1 이하의 풍속에서 강수량이 없거나 적은 시간대 1시간 배경잡음 관측 자료 사용했을 때 HVSR 결과가 가장 안정적이라는 것을 확인하였다. 본 연구 결과는 배경잡음 측정 시 최적의 지진계 매설 깊이와 기상조건을 제시함으로써 HVSR 분석결과의 신뢰성과 정확성 향상에 도움이 될 것으로 사료된다.

    사 사

    실험 수행을 위한 장소와 편의를 제공해 주신 포 항기상관측소 김영환 소장님과 직원들에게 그리고 기 상청 박순천 박사님께 감사드립니다. 심사과정에서 논문을 읽고 많은 도움을 주신 두분 심사위원과 편 집위원께 감사드립니다. 본 논문은 부산대학교 기본 연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었습니다.

    Figure

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    Study area. The green square shows the location of Weather Station (Pohang Test (PT) sites) in Pohang.

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    Installation of portable seismometers. (a) PT04 (0.30 m), (b) PT06 (0.15 m), and (c) PT08 (0.00 m) underground. (d) PT09 (-0.17 m) on the ground.

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    An example of HVSR curve (solid black lines) and ±one standard deviation (dashed grey lines) at the PT03 (0.30 m) site in the Pohang weather station. The shaded vertical line and the red solid line represent the peaks determined by the processing software (GEOPSY) and the manual analysis. The red solid and dashed lines are the first (F1) and second resonance frequencies (F2), respectively. The green solid line is the first H/V ratio (A1) at the first resonance frequency (F1). The green dashed line is the second H/V ratio (A2) at the second resonance frequency (F2), respectively.

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    Examples of HVSR curves by different wind speeds and burial depths. (a) wind speed 0.0 ms−1 (b) wind speed 3.0 ms−1 (c) wind speed 5.0 ms−1 (d) wind speed 6.5 ms−1 .

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    Predominant frequencies and H/V ratios by different wind speeds. (a) The first dominant frequency (F1) and second dominant frequency (F2) are estimated in lower and higher frequency ranges, respectively. (b) H/V ratio (A1) estimated at F1. (c) H/V ratio (A2) estimated at F2.

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    Examples of HVSR curves by varying precipitation rates and burial depths. (a) precipitation of 0.0 mmh−1 (b) precipitation of 2.0 mmh−1 (c) precipitation of 5.7 mmh−1 (d) precipitation of 15.3 mmh−1 .

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    Predominant frequencies and H/V ratios by varying precipitations. (a) The first (F1) and second (F2) frequencies for seismograph burial depths of 0.30 m, 0.15 m, and 0.0 m are relatively stable. (b) H/V ratio (A1) at F1. Note unstable variations of A1 with varying precipitation rate estimated for PT09 (-0.17m). (c) H/V ratio (A2) at F2.

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    Dominant frequencies and H/V ratios by varying wind speeds using 1°©hour data. (a) Variations of the first (F1) and second (F2) frequencies with varying wind speeds. (b) H/V ratio (A1) at the first frequency with varying wind speeds. (c) H/V ratio (A2) at the second frequency with varying wind speeds.

    Table

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