1. 서 론
2. 관측 환경 및 테스트베드 지진계 설치 현황
3. 실험 및 분석 방법
3.1 상시미동 분석
3.2 가진실험
3.3 2022 10월 29일 괴산지진 지진파 분석
4. 분석 결과
4.1 시간대별 상시미동 잡음 수준
4.2 상시미동 전파 방향
4.3 상시미동 잡음의 설치 깊이에 따른 영향
4.4 가진실험 결과
4.5 지진 관측 자료 분석 결과
5. 결 론
1. 서 론
기상청은 2015년 이후 지진 발생 시 국민에게 신속히 위험을 알리는 지진 조기경보 서비스를 시행 중이다(Lim et al., 2019; KMA, 2019). 지진 조기경보 서비스는 지진의 위치, 규모, 안내 메시지 등 재난 문자로 전송된다. 2016년 경주 지진(2016.9.12., ML 5.8)과 2017년 포항 지진(2017.11.15., ML 5.4) 당시 대다수 국민은 지진 재난 문자를 수신받은 경험이 있다(Ahn & Lee, 2020). 특히, 135명의 부상자와 1,797명의 이재민이 발생하였던 포항 지진(MOIS, 2018) 시 지진 조기경보의 중요성과 효율성이 대두되었다. 최근 2021년 ML 4.9 서귀포 해역 지진, 2022년 ML 4.1 괴산 지진, 2023년 ML 3.7 인천 해역 지진 등 중규모 지진이 잇달아 발생하며 기상청 지진재난문자의 신뢰도와 기대감이 크게 높아졌다.
지진 조기경보 서비스의 핵심은 신속성과 정확도이며(Ahn & Lee, 2020), 서비스의 성능 향상을 위해 기상청은 전국의 관측망을 확대하고 있다(Cho et al., 2022a). 이는 조밀해진 관측망을 기반으로 지진 조기경보에 걸리는 시간을 단축하여 정확하고 빠른 지진파 탐지와 신속한 경보서비스를 제공하기 위함이다. 지진파 탐지는 지진계 설치 환경에 따라 좌우되는데, 관측소 주변 인공 잡음에 노출이 심한 경우 오경보의 위험이 커지게 된다. 하지만, 지진 관측환경이 좋은 공유지를 찾기는 쉽지 않은 실정이다. 따라서, 최근 신설되는 지진 관측소는 지표 잡음의 영향이 최소화되는 암반 내부에 설치하는 추세이다(Cho et al., 2022b; Jang et al., 2023).
암반 내부에 지진계를 설치할 때는 보어링 굴착 후 Posthole 방식의 지진계를 매설한다. 매설된 지진계는 지표면에 설치된 센서보다 낮은 수준의 배경 잡음을 보이기에 미소지진의 탐지에도 용이하다(KMA, 2018). 이와 같은 시추공 관측소는 현재 272개소이며, 20m에는 가속도 센서, 100m에는 속도 센서가 설치되어 운영되고 있다. 이때 시추공 관측소의 설치 깊이는 지층구성과는 상관없이 균일하며, 지표형 지진계의 별도 운영은 없다.
국내외 지진 피해 사례들을 살펴보면 지진 발생 시 지표에서의 진도는 지표 하부 지질 조건에 크게 영향을 받음을 알 수 있다. 대표적인 예로, 1985년 멕시코 시티 대지진 당시 진앙에서 350km 떨어진 멕시코 시티에서 수 천동의 건물이 붕괴 또는 손상되고 8천명 이상의 인명 피해가 발생하였는데, 당시 도시 외곽의 암반 지반에 비해 도심지 퇴적층 지반에서 지진파 증폭 현상에 의해 피해가 집중된 것으로 알려져 있다(Anderson et al., 1986). 2017년 포항 지진도 포항분지를 구성하고 있는 신생대 3기 퇴적암층과 4기 퇴적층에 의한 증폭 작용으로 상대적으로 작은 규모의 지진임에도 불구하고 큰 피해가 발생한 것으로 알려져 있다(Kang et al., 2020). 따라서, 지진재난의 대비·대응 역량을 강화하기 위한 지표면 흔들림(=진도)에 대한 정보의 제공이 요구되는 실정이다.
현재 기상청이 운용 중인 지진계 중 시추형 지진계의 비율은 약 85% 정도이며, 이는 기상청 지진 관측망은 지진 조기경보 및 지진 정보 분석 업무에 최적화되어 있음을 뜻한다. 이와 같은 시추형 지진계는 암반 속 내부의 흔들림만이 기록되기에 대상 부지의 증폭 여부를 파악하기는 어렵다. 또한, 다수의 지진 기록을 통해서도 시추공 관측자료가 지표면보다 작다는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 시추공 관측 기록을 보정 없이 그대로 진도 서비스에 활용할 경우, 발표되는 진도가 실제 진도를 크게 과소평가할 우려가 있다.
이에 기상청은 시추공 지진파에 Borcherdt(1994)의 증폭 계수를 적용하여 지표 진도를 추정하고 있으나, 미 서부 지역을 대상으로 개발된 Borcherdt(1994) 모델이 국내 환경에서 적합한지는 검토해 볼 필요가 있을 것으로 생각된다. 보다 근본적으로는 시추공 지진계 외에 지표 지진계를 추가로 설치하여 지표면에서의 지진동을 직접 관측하는 것이 바람직하나, 지진계 확충을 위한 예산 확보도 쉽지 않은 실정이다.
현재 기상청은 조기경보 시간 단축 및 blind zone 최소화를 위해 2024년까지 200개 이상의 관측소를 신설할 예정으로 알려져 있다(KMA, 2020). 따라서, 정해진 예산 안에서 경제적인 관측망 설치를 위한 연구가 필요하다. 이때 1) 지표 잡음의 영향이 최소화; 2) 지표면 진동 추정 용이; 3) 관측소 설치비용의 경제성 등이 고려된다.
본 연구는 고밀도 지진 관측망 구축 시 지표 가속도 측정 및 조기경보 활용을 위한 효율적 관측소 설치 방법을 수립하기 위한 조사를 수행하였다. 이를 위해 특정 관측소에서 관측 깊이별 잡음의 영향을 관측하기 위한 테스트베드를 구축하였다. 기존에 설치된 20m 깊이의 가속도 지진계 및 100m 깊이의 광대역 속도 지진계 외에 지표, 1m, 2m, 9m 깊이에 가속도 지진계를 추가 설치하고 깊이별 잡음 및 2022년 괴산 지진 당시 지진파를 관측하여 테스트베드 지역에서 설치 깊이에 따른 잡음의 영향 및 지반 증폭 현상을 분석하였다.
2. 관측 환경 및 테스트베드 지진계 설치 현황
연구 대상지는 중생대 백악기 안산암질 암반에 자리잡고 있다. Fig. 1은 관측 위치 및 주변 주요 예상 잡음원을 보여 준다. 대상지는 교외 한적한 곳으로 배후에는 109.9m 높이의 뒷산(언덕)이 있고, 북측에는 터널, 동측에는 항만이 있다. 예상되는 주요 잡음원은 터널과 항만 외에도 북서쪽 도심지, 남서쪽의 터널, 남쪽의 고속도로, 동남쪽의 교량, 남쪽의 건설현장 등이 있다.
연구 대상지는 언덕 위의 부지조성 공사가 수행된 지점으로 추정된다. 남쪽의 건설현장과 동쪽의 항구는 상대적으로 느슨한 퇴적층 혹은 매립층에 위치하고 있으므로 건설현장과 항구에서의 지표발진에 의한 잡음이 지진관측소에 큰 영향을 미치지 못할 가능성도 있다. 다만, 북쪽의 터널 내부에서 발생하는 잡음은 암반 내부에서 발생하여 기반암층과 표면을 타고 지진 관측소 위치까지 전달될 것으로 예상된다. 이와 같은 잡음은 암반 내부에서 설치된 지진계에 기록될 것으로 예상되나 상세한 전파 경로까지 파악하기는 쉽지 않다.
대상 관측소는 20m에서 시추형 가속도 지진계와 100m 깊이에서 시추형 광대역 속도 지진계를 운용 중이며, 본 테스트베드 구축을 위해 지표(= 0m), 1m, 2m, 9m 깊이에 가속도 지진계를 임시로 추가 설치하였다. 지진 기록계는 Kinemetrics사의 Quanterra 330HRS, 가속도 지진계는 Episensor ES-T를 설치하였으며, 속도 지진계는 Guralp사의 CMG-3TB-A를 설치하였다.
3. 실험 및 분석 방법
3.1 상시미동 분석
테스트베드의 상시 및 임시 지진계를 활용하여 약 3개월간 상시미동 및 지진 관측을 실시하였다. 또한, 테스트베드 지역에서 잡음의 전파 방향(backazimuth) 및 느리기(slowness)를 분석하기 위해 약 48시간 동안 8기의 이동식 지진계를 Fig. 2와 같이 직경 8미터의 2차원 원형 배열로 설치하여 상시미동을 관측하였다. 이동식 지진계는 Nanometrics사의 Trillium Compact 20s를 Centaur 기록계와 함께 설치하였다.
상시미동 잡음 수준의 설치 깊이에 따른 변화를 분석하기 위해 0, 1, 2, 9, 20m 깊이에서 기록된 상시미동 잡음 가속도 기록의 파워스펙트럼밀도를 계산하였으며, 이를 위해 Obspy 소프트웨어를(Beyreuther et al., 2010) 이용하여 McNamara와 Burland(2004)가 제안한 방법을 적용하였다. 관측된 상시미동 기록을 30분간의 time window로 분할하여 파워스펙트럼밀도를 진동 주기의 함수로 표현하였으며, 0.1, 1, 3, 10s의 진동 대역에서 잡음의 시간대별 변동 특성을 분석하였다.
3.2 가진실험
연구 대상지는 암반산지 언덕에 위치하며, 근접한 주요 지표 잡음원은 주로 연약한 퇴적층 위에 분포하고 있다. 주변 지표 잡음원에 의한 상시 잡음이 설치된 지진계에 미치는 영향은 제한적일 것으로 판단되나 인위적 잡음이 발생하는 지역이라 다양한 주변 지표 잡음원의 영향을 받을 수 있다. 이러한 경우 관측되는 잡음 기록이 설치 깊이에 따라 다를 것으로 예상되기에 주파수에 따른 진동 전파 특성을 분석할 필요가 있다. 따라서, 테스트베드 인근에서 인위적으로 지표 가진을 발생시켜 지진계 설치 깊이에 따른 잡음의 변화를 분석하고자 하였다.
지표 가진 발생을 위해서는 해머와 APS Dynamics 사의 가진기를 적용하였다. 다양한 이격거리에서 다수의 해머 타격을 통한 신호를 관측하여 설치 깊이가 관측 파형에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 해머 타격은 지진계에서 약 25m와 40m 이격 지점에서 각 위치별 80번씩 타격하였다. 진동 가진은 지진계에서 10m와 25m 이격 지점에서 각 40분씩 가진하였다. 진동 가진 프로그램은 40min/set로 설정하고, Frequency sweep 10min, 5Hz 10분, 10Hz 10분, 15Hz 10min 으로 구성하였다. 해머 타격 실험 자료는 설치 깊이에 따른 진폭의 크기를 비교하고, 가진기 자료는 깊이별 푸리에 스펙트럼을 분석하였다.
3.3 2022 10월 29일 괴산지진 지진파 분석
테스트베드 임시관측소 운영 기간 중, 2022년 10월 29일 충청북도 괴산군 북동쪽 11km 지역에서 규모 4.1의 지진이 발생하였으며, 이때 진앙 이격거리는 약 200km이다. 본 연구는 당초 상시미동 및 인공 가진 신호를 활용하여 지진계 설치 깊이가 관측된 신호에 미치는 영향을 분석하고자 하였으나, 임시지진계 운영 기간 중 실제 지진에 의한 파형이 관측되었으므로 해당 지진 기록 또한 분석에 활용하였다.
괴산지진 지진파는 깊이별 최대 가속도(PGA), 최대 속도(PGV), 및 최대 변위(PGD)를 분석하였으며, 20m 깊이의 지진계를 기준으로 푸리에 스펙트럼비 및 응답스펙트럼비를 도출하여 지진계 설치 깊이별 영향을 진동수 영역에서 분석하였다.
4. 분석 결과
4.1 시간대별 상시미동 잡음 수준
48시간 동안 연구 대상지 지표면에 설치된 속도지진계에 기록된 상시 잡음 자료를 대상으로 Fig. 3과 같이 McNamara와 Burland(2004)의 방법을 적용하여 잡음 파워스펙트럼밀도를 분석하였다. 48시간 동안 기록된 자료는 30분의 길이를 가지는 부분 기록으로 분할하여 각 부분 기록에 대하여 파워스펙트럼밀도를 계산하고 30분 파워스펙트럼밀도의 시간별 변화를 분석하였다.
Fig. 3은 지표 상시 잡음 파워스펙트럼밀도의 수평과 수직 성분을 보여 준다. 지표에서 기록된 상시 잡음은 대부분 회색 실선으로 표현된 National Low Noise Model(NLNM)과 National High Noise Model(NHLM) 사이에 분포하는 것을 확인할 수 있다(Peterson, 1993). 본 실험에서 사용된 Nanometrics사의 Trillium Compact 20s 속도 지진계는 가용 대역이 50Hz ~ 20s 이며, T > 10s의 주기 대역에서는 잡음의 크기가 NHNM보다 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 3에서 각 곡선은 30분간의 잡음 파워스펙트럼밀도를 나타내며, 수직 성분에서는 잡음 수준의 시간대별 변동이 급격하지 않다. 수평 성분에서는 전 주기 대역에서 잡음의 수준이 시간대별로 크게 변하는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 4는 48시간 동안 관측된 창원 기상대 지표 잡음 수준의 시간대별 변동 특성을 도시하였다(시간은 UTC로 표시). T = 0.1s의 단주기 대역에서는 수직 및 수평 성분 모두에서 뚜렷한 24시간 주기의 변동 특성이 관찰되었는데, 새벽 시간에는 잡음 수준이 현저히 감소하는 전형적인 인위적 잡음의 특징을 나타내는 것을 확인하였다.
T = 10s 부근의 장주기 영역에서도 뚜렷한 24시간 주기의 변동 특성이 확인되었는데, T = 0.1s에서는 다소 경향이 다르게 나타나는 것으로 확인되었다. T = 0.1s에서는 잡음 수준이 00:00 ~ 04:00(KST 기준) 시간 동안 가장 낮고 04:00 이후에는 수준이 점점 증가하는 반면, T = 10s에서의 잡음 수준은 09:00 ~ 15:00(KST 기준) 시간 동안 월등히 높으나 다른 시간대에는 현저하게 낮아지는 경향을 보였다.
Fig. 4(c)는 대상지에서 48시간 동안의 풍속 변화를 보여 준다. 시간대별 풍속 변화는 T = 10s의 잡음 수준과 상당히 높은 상관성을 보이고 있음을 확인하였으며, 09:00 ~ 15:00(KST 기준) 시간 동안 보여진 높은 잡음 수준은 풍속의 영향인 것으로 판단된다. T = 3 s 및 T = 1 s에서의 잡음 수준은 뚜렷한 24시간 주기 특성을 보이지는 않으나 해당 주기에서도 잡음 수준의 변화는 평균 풍속의 수준 변화와 상당한 상관성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 다만 T = 0.1 s에서의 수직성분 잡음 수준은 풍속의 변화와는 상관성이 상당히 낮으며 첫날의 변동 특성이 둘째날과 상당히 유사하며 인간 활동이 활발한 시간대와 높은 상관성을 보임을 고려하면 해당 성분에서는 풍속보다는 주로 인간 활동에 의해 발생하는 인위적 잡음의 영향이 크게 작용함을 짐작할 수 있다. 수평성분 잡음 수준은 전반적으로는 수직성분과 비슷한 경향성을 보이나, 전 주기대역에서 수직성분보다 더 큰 풍속 의존성을 보이며 잡음 수준의 변동 폭 또한 수직성분보다 더 크게 나타났다. Fig. 4의 잡음 수준은 지표에 노출된 지진계로 관측하였으며 설치 방법의 특성상 바람에 직접적으로 노출되기 때문에 수평성분의 경우 풍속의 변화에 민감하게 반응한 것으로 판단된다.
4.2 상시미동 전파 방향
Fig. 5는 T = 0.02 ~ 0.05s와 T = 0.07 ~ 0.14s의 두 대역폭에 대하여 파수-진동수(frequency-wavenumber, FK) 분석을 수행하여 상시미동 잡음 신호의 전파 방향과 느리기를 추정하였다. FK 분석 결과 T > 1s 대역에서는 유의미한 결과를 얻지 못하였으며, 이는 센서 배열의 직경이 8m로 상대적으로 작음에 기인한 것으로 판단된다.
FK 분석 결과 T = 0.02 ~ 0.05s 대역에서는 시간대와 무관하게 북서쪽 역방위각(250 ~ 360도)의 잡음원이 우세한 것으로 분석되었다. 이때 잡음의 속도가 느리기는 대부분 0.1 ~ 0.4km/s의 범위 내에 분포하는 것이 확인되었다. 대상지 북서쪽에는 안산암질의 언덕이 위치하며, 언덕 넘어는 도심지가 위치하는데 해당 주기에서는 북서쪽 도심지발 잡음원이 우세한 것으로 판단된다.
T = 0.07 ~ 0.14s 대역에서는 잡음 수준이 뚜렷한 24시간 주기 특성을 나타내고 있으며, 야간에는 북동쪽 역방위각(0~90도), 주간에는 남쪽 사분원 역방위각(90~180도), 저녁 시간에는 서쪽 역방위각(250~270도)의 잡음원이 우세한 것을 확인하였다. 대상지 주변 환경을 고려하였을 때 해당 진동수 대역의 잡음은 주변의 시간대별 교통량 특성과 큰 상관성을 보이는 것으로 분석되며, 야간에는 북동쪽에 위치한 터널을 지나는 차량들에 의한 잡음, 주간에는 남쪽에 위치한 도로를 통과하는 차량에 의한 잡음, 저녁 시간에는 서쪽에 위치한 터널 및 교차로를 지나는 차량에 의한 잡음이 우세한 것으로 추정된다.
본 연구에서 설치된 직경 8m의 배열로 분석 가능한 대역폭에서는 수평 방향 느리기가 대부분 0.3km/s 이하로 분포하였으며 해당 느리기와 대상지의 입지 조건 및 주변 환경을 고려하면 해당 대역에서의 상시미동은 표면파보다는 주로 체적파의 형태로 전파되는 것으로 보여진다.
4.3 상시미동 잡음의 설치 깊이에 따른 영향
지표, 1m, 2m, 9m, 20m에 설치된 가속도계 및 100m에 설치된 광대역 속도지진계에서 48시간 동안 기록된 상시미동 자료의 파워스펙트럼밀도를 계산하였다. 각 깊이에서 48시간 평균 파워스펙트럼밀도를 계산하고 20m 깊이에서의 평균 파워스펙트럼밀도 차이를 Fig. 6에 도시하였다. 암반층에 위치한 20m 깊이와 비교하면 지표, 1m, 2m 깊이에서는 전반적으로 평균 잡음 수준이 크게 나타나며, 풍화암층에 위치한 9m 깊이에서는 20m와 잡음 수준이 큰 차이가 없는 것을 확인하였다. 광대역 속도지진계가 설치된 100m 깊이에서는 T > 10s 장주기 대역에서 잡음 수준이 현저히 낮음을 확인하였다. 토사층 내에 위치한 지표, 1m, 2m에서는 T > 10s 장주기 대역 전반에서 암반층보다 잡음 수준이 높게 나타남을 확인하였으며, 단주기 영역에서는 T < 0.1s 대역에서 토사층의 동적 거동에 의한 잡음 신호의 증폭이 발생하는 것으로 분석되었다. 해당 대역에서 상시미동의 잡음 수준은 1m 깊이에서 최대로 증폭되는 것을 확인하였으며, 지표, 2m 순서로 잡음 크기가 감소하는 것을 확인하였다.
4.4 가진실험 결과
해머 가진실험에 의한 깊이별 가속도 기록의 파형을 Fig. 7에 도시하였다. 위에서부터 아래로 0m, 1m, 2m, 9m, 20m 깊이에서의 가속도 파형을 나타내고 있으며, 모든 깊이에서 4회에 걸쳐 실시한 해머 가진의 파형이 뚜렷하게 기록된 것을 확인할 수 있다. 세 번째 타격시험에서 해머 위치가 1m 깊이에 매설된 지진계에 가까웠던 관계로 해당 깊이의 파형이 크게 나타난 것을 제외하면 전반적으로는 깊이가 깊어짐에 따라 파형의 진폭이 줄어드는 경향을 확인하였다. 또한, 암반층에 위치한 9m와 20m에 비해서는 토사층 내에 위치한 지표, 1m, 2m 깊이에서 진폭이 더 큰 것을 확인하였다. 수직 성분에서는 0m, 1m, 2m 깊이에서 진폭의 차이가 크지 않았으나, 수평 성분에서는 2m 깊이에서의 진폭이 0m와 1m에 비해서 다소 줄어드는 경향을 확인하였다.
Fig. 8은 지진계 설치 지점과 25m 이격된 곳에서 가진기 작동 시 깊이별로 관측된 신호의 푸리에 스펙트럼을 보여 준다. 푸리에 스펙트럼은 Konno & Ohmachi(1998) 방법을 적용하여 평활화(smoothing) 하였으며, 이 때 대역폭 상수 b=40을 적용하였다. 해머 가진의 경우는 타격 시 단시간에 에너지가 집중되어 관측 기록에서 가진에 의해 야기된 신호의 깊이별 진폭 변화를 쉽게 확인할 수 있었다. 하지만, 본 실험에서는 가진기에 의해 발생된 진폭 확인이 쉽지 않다. 따라서, 푸리에 스펙트럼의 깊이별 차이를 분석하였다. 진동 가진실험은 10m 이격 지점 두 곳과 25m 이격 지점 두 곳에서 총 네 번에 걸쳐 실시하였으며, 네 번의 실험 모두에서 전반적인 경향은 유사함을 확인하였다.
전반적으로 깊이가 얕을수록 푸리에 스펙트럼의 크기가 증가하는 것으로 나타났다. 15~40Hz 대역폭은 토사층 내에 위치한 0m, 1m, 2m 깊이의 지진계에서 암반층 내의 지진계보다 푸리에 스펙트럼의 크기가 급격히 증가하는 것을 확인하였다. N-S 성분은 20Hz에서 지표와 1m의 진폭이 크게 증가하는데 해당 위치에서 지표 하부 3m 깊이까지 존재하는 토사층의 동적 거동과 지표면에서 유발되는 인위적 활동에 의한 증폭 현상으로 추정된다. 다만 E-W 성분은 1m 깊이에서 20Hz 성분이 크게 증폭되나 지표에서는 N-S 성분에 비해 증폭의 정도가 작게 나타났으며, 이는 1m 깊이에서 설치된 지진계의 E-W방향에 문제로 보여져, 해당 장비의 점검이 진행 중이다.
4.5 지진 관측 자료 분석 결과
임시지진계 운영 기간 중, 2022년 10월 29일 충청북도 괴산군 북동쪽 11km 지역에서 발생한 규모 4.1의 지진을 관측하였으며, 본진 뿐만 아니라 규모 3.5의 전진 또한 뚜렷하게 기록되었다. Fig. 9는 괴산 지진 당시 지표, 1m, 2m, 9m, 20m에서 기록된 가속도 파형을 보여 준다. 가속도 파형을 보면 규모 3.5 전진의 P파 도달 이후에 S파가 도달하고, 전진의 S파가 도달한 직후에 본진의 P파가 도달하였음을 쉽게 확인할 수 있다.
기록된 괴산지진 가속도 파형은 전반적으로 깊이에 따라 진폭이 감소하는 경향을 보이며, 1m 깊이에서 진폭이 가장 크게 기록되었다. 가속도의 깊이별 진폭 변화 경향과 N-S 성분과 비교해 보았을 때 2m 깊이에서 E-W 성분은 진폭이 과하게 작게 측정되는 것으로 판단되었으며, 이 점을 고려하여 지진계 설치 깊이의 영향을 분석하였다.
Fig. 10은 괴산지진 당시 기록된 깊이별 가속도 기록과 20m 깊이 가속도 기록의 푸리에 스펙트럼비를 보여 준다. 전체 진동수 영역에서 깊이가 얕아짐에 따라 스펙트럼의 크기가 증가하는 경향을 보여 주고 있으며, 상시미동 및 가진실험 분석 결과와 마찬가지로 20Hz 대역에서 토사층의 지반운동이 크게 증폭되는 것을 알 수 있다. 스펙트럼비에서도 최대 증폭은 1m 깊이에서 발생함이 확인되었다. 가진실험때와 마찬가지로 E-W 성분에서는 지표 지진계에서 20Hz 대역의 증폭이 다소 작게 나타났는데, 이는 앞서 언급한 바와 같이 지진계의 문제로 추정되지만 다른 방향의 경우(N-S, U-D)는 정상적으로 기록되며 장비 및 기록자료의 품질에는 이상이 없는 것으로 확인되었다.
Fig. 11은 깊이별 괴산지진 지진파를 대상으로 도출한 가속도 응답스펙트럼을 보여 준다. T > 0.3s에서는 설치 깊이에 따른 응답 스펙트럼의 차이가 미미하나 T < 0.1s의 단주기 영역에서는 지표와 1m에서 응답스펙트럼이 크게 증폭됨을 알 수 있다. 3성분 모두에서 최대 증폭은 1m 깊이에서 발생하였고 토사층의 고유진동수 20Hz에 대응하는 T=0.05s에서 최대 증폭이 발생하였다. 또한, 최대 증폭이 발생한 1m 깊이에서 PGA는 20m 대비 약 50~150% 정도 증폭되었다.
5. 결 론
본 연구는 고밀도 지진 관측망 구축 시 지표 가속도 측정 및 조기경보 활용을 위한 효율적 관측소 설치 방법을 수립하기 위한 조사를 수행하였다. 테스트베드의 깊이별 상시 잡음 및 2022년 괴산 지진 당시 지진파를 관측하여 설치 깊이에 따른 잡음의 영향 및 지반 증폭 현상을 분석하였다. 또한, 지표면에 8m의 직경을 가지는 속도지진계 배열을 설치하여 관측된 상시미동 신호에 대한 잡음 수준 분석 및 FK분석을 실시하였다. 잡음 수준의 시간 의존성을 분석하고 관측소 주변 환경을 고려하여 잡음의 발진원과 전파방향 및 시간대별 특성을 분석하였다.
본 연구의 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
(1) FK 분석을 통해 상시 발생 잡음원을 분석할 수 있었다. 연구 대상지는 교외 암반 지대에 위치하여 전반적으로 상시 잡음의 영향이 크지 않았기에 뚜렷한 잡음원의 방향을 확인하긴 어려우나 표면파보다는 체적파의 형태로 주요하게 유입되는 것을 확인할 수 있었다.
(2) 시간과 환경에 따른 잡음 분석결과, 대상구간은 1초 이하 단주기 영역의 상시 잡음은 인위적 잡음의 영향이 높고 24시간 주기로 뚜렷한 잡음 수준 및 방향성의 변화가 확인되었다. 1초 이상 장주기 영역의 상시 잡음은 풍속과 높은 상관성을 보였다. 따라서 잡음 분석 시 시간과 날씨 등의 고려가 필요한 것으로 사료된다.
(3) 가진실험 결과, 20Hz 대역에서 지반운동이 크게 증폭되는 것을 확인하였으며, 이는 지표와 풍화암 사이에 3m 정도의 두께를 가지는 토사층의 동적 거동과 지표면에서의 유발되는 인위적 활동에 기인한 것으로 판단된다. 이는 지진파의 스펙트럼 분석과 유사한 결과이다.
(4) 본 현장에서 지표면보다 1m 깊이의 기록이 20Hz 대역에서 더 크게 관측되고 있다. 본 연구에서는 정밀한 지반조사가 수행되지 않았기에 상세한 원인분석은 수행되지 않았다. 향후 지반조사와 부지응답을 기초한 연구를 통해 원인이 분석될 것으로 기대된다.
(5) 지진 관측과 재해 대비·대응의 목적을 위한 지진계 설치는 매우 중요하다. 하지만 이를 위한 시추공 관측소의 최적 깊이 도출 및 환경 조사를 위한 가이드라인은 제시된 바 없다. 본 연구에서는 다양한 실험과 환경조사를 통해 잡음원 분석을 시도하였다. 그 결과 상시미동과 가진실험 결과를 대상지의 관측 환경 조사에 활용할 수 있는 것으로 나타났다.
(6) 본 연구에서 수행된 관측환경조사는 아쉽게도 한 지점에서만 수행되었다. 따라서 지진관측을 위한 최적 깊이 제안하기는 어려운 실정이다. 향후, 다수의 지역에서 다양한 환경을 고려한 연구가 진행된다면 관측소 설치 깊이, 설치 방법, 환경 조사방법에 대한 가이드라인을 제시하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
