1. 서 론
2. 임시관측소 및 대상구간 정보
3. 여진기록 분석
3.1 수평성분 비교
3.2 수직성분 비교
3.3 주파수 비교
4. 관측소 기록을 활용한 대상구간의 진동 예측
4.1 대상구간의 토층 전달함수 계산
4.2 대상구간의 기반암 응답스펙트럼 분석
4.3 대상구간의 기반암 가속도-시간이력 산정
4.4 대상구간의 1차원 지반응답해석 수행결과
5. 결 론
1. 서 론
최근 발생한 경주지진(2016/09/12, ML = 5.8)과 포항지진(2017/11/15, ML = 5.4)으로 한반도 역시 더 이상 지진 안전지대가 아니라는 사실이 확인되면서 지진에 대한 사회적 관심이 증가하였다. 이로 인해 국내에서는 피해지역에 대한 지반 및 구조물 피해에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 최근 발표된 포항지진의 연구들을 분석한 결과, 포항관측소(PHA2)의 계측기록을 그대로 적용한 지진해석이 수행되거나 진도분석에 사용되고 있다(Eem et al., 2018; Hwang and Lee, 2018; Kim et al., 2018). 국내의 경우 시추공 관측소와 최근에 설치된 관측소를 제외하고 다수의 기존 관측소들은 시공시 지반조사가 수행되지 않았다. 포항관측소 역시 관측소 하부의 지반정보가 없으며 이에 따라 관측 기록에 어떠한 전파특성이 반영되었는지 파악하기 쉽지 않다. 즉, 포항관측소에서 계측된 지진기록이 ‘기반암 운동인지?’, ‘부지증폭이 됐는지?’, ‘포항지역을 대변할 수 있는 진동인지?’ 등의 조사가 필요하며, 이를 바탕으로 다양한 피해분석이 필요한 실정이다.
기상청에서는 2017년 11월 15일 규모 5.4의 포항지진이 발생한 이후 포항일대에 임시관측소를 설치하였으며 이를 통해 조밀한 관측소 격자를 형성하였다. 본진 이후 설치된 임시관측소의 기록은 추가로 발생하는 여진특성 및 단층활동의 움직임 등 다양한 지진 분석에 사용될 수 있다. 여진은 본진의 지진파열(earthquake rupture) 이후 추가적인 단층의 미끄러짐으로 발생하며(Mendoza and Hartzell, 1988), 이때 발생하는 지진의 규모는 지진파열의 특성(길이, 너비, 면적)에 따라 비례한다(Wells and Coppersmith, 1994). 본진과 여진은 크고 작은 단층 움직임의 연장선이고 파열단층들이 크기와 순서만 다를 뿐 유사한 성질을 지니기에 작은 지진으로부터 본진의 크기 및 지진동 특성을 예측할 수 있다(Brinkman et al., 2015; Delorey et al., 2017). 따라서 본진 이후에 설치된 임시관측소의 기록은 포항지진을 분석할 수 있는 중요한 자료이다.
포항지진으로 발생했던 다양한 피해 규명을 위한 기초단계로 대상지역에 발생한 진동의 크기 예측 및 전파특성 파악이 중요하다. 따라서, 본 연구에서는 지질구조 및 지반조사 자료와 계측기록을 활용하여 대상구간의 응답특성을 파악하고 지반응답 모사를 위한 기반암 운동을 추정하고자 한다.
2. 임시관측소 및 대상구간 정보
2017년 11월 15일 규모 5.4의 포항지진이 발생하였고 추가적으로 발생되는 여진특성 및 단층활동의 움직임을 분석하기 위하여 포항일대에 임시관측소를 설치하였다. 설치된 임시관측소 중 본 연구에서 분석된 구간을 Fig. 1에 도시하였으며 관측정보는 Table 1에 정리하였다. 임시관측소는 2017년11월 17일부터 약 1개월 동안 운영되었다. 이번에 발생한 포항지진은 지진관측 이래 처음으로 액상화 현상으로 추정되는 피해가 발견되었다. 이에 기상청과 국립재난연구원은 액상화 피해 의심지역으로 파악되는 위치에 표준관입시험, 하향식 탄성파탐사와 S-PS 검층을 수행하였다(MOIS, 2018). 지반조사가 수행된 10공 중 임시 관측소와 인접한 위치의 조사는 2 공인 것으로 나타났다. 조사된 시추공 망천리 흥해읍(MCL)과 포항기상대(PHG)의 인근 임시관측소는 각각 A와 B이다. MCL과 PHG에서 조사된 속도 결과는 Table 2에 정리하였다. MCL과 PHG의 지하수위는 지표면 하 각각 0.6와 0.5m이다.
Table 1. Observation information
Table 2. Velocity profiles
망천리(MCL) 지역은 본진 진앙지 인근 지점으로 시추조사 결과 이암 풍화대가 지표면 하 17.7~20.0m 심도에 분포하였다. 포항기상대(PHG)는 액상화 피해가 가장 많이 발생했던 송도동이며 지표면 하 27.0m까지 암반층이 발견되지 않았다.
본 연구의 대상구간은 지질학적으로 연안 퇴적분지인 포항분지로 잘 알려져 있으며(Sohn and Son, 2004), 육상 및 해저에는 양산단층계 및 오천단층계가 존재한다(Cheon et al., 2012). Park et al.(2015)의 조사에 따르면 포항분지는 제3기 화산암류(Cretaceous Basement and Tertiary Volcanics, CBTV) 위에 하성 역암 및 사암층(Fluvial Conglomerate and Sandstone, FCSS), 천해성 사암층(Shallow Marine Sandstone SMSS), 사암 및 이암 교호층(Interlayered Sandstone and Mudstone, ISMS), 해성 이암층(Marine Mudstone, MRMS)으로 위치한다(Fig. 2). Fig. 2에는 지반조사가 수행된 2곳, 임시관측소 A, B와 상시관측소 PHA2의 대략적인 추정 위치를 도시하였다.
조사된 자료를 바탕으로 대상구간의 정보를 분석한 결과, 진앙지 인근의 관측소 A는 얕은 분지에 위치하며 암반층은 20m 이내에 존재한다. 관측소 B는 심도가 깊은 큰 분지에 위치하고 매우 연약한 퇴적층(N≤10)이 지표면하 27m 이상에서도 계속 존재할 것으 추정된다. 반면 상시관측소 PHA2는 분지가 아닌 화산암류 위에 존재하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 PHA2의 계측기록은 기반암 운동에 가깝다고 볼 수 있다.
3. 여진기록 분석
3.1 수평성분 비교
2017년 11월 17일 이후 규모 2.0 이상의 여진은 25회 발생하였고, 본 연구에서 분석된 이벤트는 8회이며 이때의 진원 정보는 Table 3에 정리하였다. 규모가 컸던 3번의 이벤트의 각 관측소에서 기록된 수평성분은 Fig. 3에 도시하였다. 이때 임시관측소 A의 경우 EW 성분이 기록되지 않아 NS 성분만 표현하였다. 기반암 운동에 가까운 PHA2의 가속도-시간이력곡선을 분석한 결과, 12월 9일 여진 2(ML=2.3)와 12월 25일 여진 3(ML=3.5)은 한번의 주요한 가속도가 발생한 이후 진동이 감소함을 보인 반면 12월 27일 여진 6(ML=2.8)에서는 이전보다 주기가 긴 진동이 전파되었다.
Table 3. Aftershock event
Fig. 2의 지질구조상 분지 위에 위치한 임시 관측소 A, B의 경우 모든 이벤트에서 기록된 기록이 PHA2의 기록보다 더 긴 진동 주기를 보이는 것으로 확인되었다. 12월 25일 발생한 여진 3의 진앙지를 기준으로 상시 관측소 PHA2와 임시관측소 A, B의 이격거리는 각각 1.1, 8.7km로 나타났다. 이격거리를 고려한다면 진원지와 가장 가까운 A관측소의 응답은 지층 통과하며 증폭현상이 발생할 수 있으나 전달된 지진파는 반사, 산란 및 교란이 적기에 단층 움직임에 따른 진동을 가장 순수하게 전달될 것으로 추정된다. 하지만 Fig. 2의 지질 구조를 통해 전파 경로를 고려한다면 임시관측소 A는 연일층의 다양한 암반층 및 토층을 통과하는 전파가 전달되고, PHA2는 화산암류만을 통과한다. 따라서, PHA2는 A보다 이격거리가 멀지만 가장 교란이 적은 진동이 전파될 것으로 추정된다.
3.2 수직성분 비교
A관측소가 진원 직상부에 위치한 점을 고려하여 응력파의 수직성분을 비교하였으며 이는 Fig. 4에 도시하였다. Fig. 3과 Fig. 4를 분석한 결과, 응력파의 수직성분의 최대 가속도는 수 상응하는 크기로 크게 기록되었는데 이는 진원지가 평성분과가깝기 때문으로 압축파에 의한 지반운동이 크게 작용한 결과로 판단된다. 분석된 3가지 여진의 진원심도는 10km이내이고, 임시관측소 A와 PHA2 관측소의 진앙지부터 이격거리는 각각 3, 10km이내로 매우 가까운 편이다. 즉, 먼 거리 관측소보다 압축파의 감쇠가 비교적 덜 발생하였고 그 결과 수직성분이 크게 기록된 것을 확인할 수 있다.
12월 25일 발생한 여진(Aftershock 3) 기록에서의 매우 흥미로운 현상이 발견되었다. 1.5~3초 동안 수직파가 전달되고 이후 매우 작은 미세진동이 나타나다가 약 6초 이후 다시 눈에 띄는 수직파가 도달하였다. 이때 6초에 발생한 수직파가 단층의 움직임에 의해 발생한 P파라면 이는 PHA2에서 기록에서도 두번째 강력한 펄스가 8초 전후에 나타나야 하는데 발생하지 않았다. 다른 두 여진(2, 6)의 A와 PHA2기록을 비교한 결과, A에서의 수직성분은 지속시간(duration)은 항상 PHA2보다 크게 나타났다. 이러한 특이한 지진동 특성을 통해 임시관측소 A에서는 단층의 움직임으로 발생한 진동뿐만아니라 추가적인 레일레이파가 도달한 것으로 추정된다.
3.3 주파수 비교
기록된 여진 EW-NS성분을 기하학적 평균(geometric mean)으로 응답스펙트럼을 계산하였으며 이는 Fig. 5에 도시하였다. 임시관측소의 계측기록은 중주기(0.1~0.5Hz)에서 우세한 반면 PHA2는 이보다 작은 단주기가 우세한 것으로 나타났다. 이는 퇴적암층인 연일층 위에 위치한 임시관측소는 화산암층 보다 연약한 지층을 통과하며 중주기 요소가 증폭된 것으로 파악된다. 이는 포항관측소(PHA2)와 임시관측소(A, B, C, D)의 우세 주파수 특성을 통해서도 확인된다. 추가로 임시관측소 A와 B의 경우 C와 D보다 장주기 요소를 더 포함하는 것으로 나타났다.
Fig. 6은 여진 3의 STFT(Short-Time Fourier Transform) 결과를 도시하였으며, 이를 통해 도달한 시간별 주파수 특성을 파악할 수 있다. 이때 임시 관측소 A와 B에서 3~10초 동안에는 다양한 주파수의 진동이 나타났고 이후 5 Hz이하의 저주파수특성이 30초까지 지속됨을 보였다. 반면, PHA2기록은 5~10초 사이 다양한 주파수가 확인된 이후 저주파수 진동은 10초이상 지속되지 않는 것을 확인할 수 있다. 이는 임시관측소와 포항 관측소에 전달된 진동특성의 차이가 크게 다름을 알 수 있는 결과이다. 이때 임시관측소 A, B에 계측된 기록이 PHA2기록과 크게 다른 이유가 증폭현상 때문인지, 지질구조상 분지지형으로 지진동이 집중되었는지를 정확하게 파악되지는 않는다. 하지만 임시관측소 A와 B가 연약한 퇴적암층인 연일층을 상부에 위치하며 이 구간은 지질구조상 분지지형임을 고려한다면 대상구간에는 부지증폭 이외 다른 전파 특성이 발생한 것으로 판단된다.
다른 관측소보다 고도가 높은 곳에 설치된 임시관측소 C와D의 경우도 A와 B보다 진동주기가 짧은 것을 확인할 수 있다. 하지만 A와 B의 관측소는 인근에 지반조사 결과가 존재하는 반면 C와 D는 정보가 없어 정밀한 분석에 한계가 있다. 따라서 대상구간의 토층 심도를 유추할 수 있는 상시미동으로 계산된 HVSR(horizontal vertical spectral ratio)을 비교하여 Fig. 7에 도시하였다. HVSR은 수직 및 수평성분의 스펙트럼비로 대상지반의 Vs30을 유추하거나 지반의 증폭계수 및 고유주기 산정시 널리 사용되는 방법이다(Kwak et al., 2017). 이때 우세 주파수가 저주파수에 가까울수록 Vs30이 작거나 토층의 심도가 깊다고 유추할 수 있다. A와 B는 1Hz 미만 저주파수 영역에서 우세주파수가 보인 반면 C와 D는 2Hz 이상에서 최대 값이 나타났다. 이는 임시관측소 C와 D 구간의 토층 심도가 깊지 않고 비교적 단단한 지반위에 존재한다는 것을 파악할 수 있다.
4. 관측소 기록을 활용한 대상구간의 진동 예측
앞서 계측기록을 통해 대상구간의 전파특성을 분석하였지만, 계측기록만으로는 대상구간의 응답특성을 파악하기에 한계가 있다. 일반적으로 지반응답해석은 기반암 운동을 입력운동으로 사용하며 이를 통해 토층별 응답을 비교적 정확하게 예측할 수 있는 것으로 알려져 있다(Hashash et al., 2010; Hashash and Park, 2001).하지만, 대상구간과 같이 다른 지질구조를 가질 경우 일련의 처리과정이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 지반조사 결과를 활용하여 응답해석을 수행하였고 이때 상시로 운영되는 기반암에 위치한 관측소 자료를 활용하여 지질구조가 다른 대상구간의 하부 지반운동을 생성하였다. 이 방법은 deconvolution 기법을 통해 기반암을 운동을 추정하고 이를 매칭하는 방법으로 적용방법은 아래와 같다:
1단계: 대상구간의 기반암 설정 및 토층 고유주기를 계산함
2단계: 계측기록을 토층 고유주기로 나눠 설정된 기반암의 응답스펙트럼을 계산함
3단계: 계산된 기반암 응답스펙트럼을 기준으로 다른 관측소 가속도-시간이력을 스펙트럴 매칭함
본 연구에서는 제안된 방법의 절차에 따라 조사된 포항 망천리(MCL) 지역의 기반암 지진파를 생성하였다. 대상구간(A구간)의 기반암은 Table 2에 조사된 결과를 바탕으로 연암이 시작된 지표하부 20m라 정의하였다. 이때 대상구간의 기반암 운동파형은 PHA2의 계측기록을 사용하여 생성하였다.
4.1 대상구간의 토층 전달함수 계산
진원지 하부 기밤암의 지반운동을 추정하기 위해 우선 1차원 비선형 지반응답해석을 수행하여 토층 전달함수(transfer function, TF)를 계산하였으며 이는 지반응답해석 프로그램인 Deepsoil(Hashash et al., 2015)을 사용하였다. 이때 매우 작은 크기의 여진으로 발생한 응답을 분석하기에 흙의 미소변형영역에서의 토층의 전달함수를 산정하였다. 계산시 불규칙진동의 다양한 주기 특성을 반영하기 위해 계측기록을 기반으로 사용하였으며, 적용된 지진파는 총 10개로 Table 4에 정리하였다. 이때 입력 지진이력의 최대 가속도를 0.02g로 스케일링 하였다. 적용된 지진파의 크기를 고려하면 지반의 거동은 미소지진의 영역이라 지반을 탄성물성으로 모델링하여도 무방하나 정밀한 결과를 도출하기 위하여 동적곡선은 Darendeli(2001)의 모델을 사용하였다. Fig. 8은 10개의 지진 모션을 통해 얻어진 TF이며 A구간의 토층 고유주기는 0.6 sec인 것으로 나타났다.
Table 4. Input motions
4.2 대상구간의 기반암 응답스펙트럼 분석
대상구간의 기반암 운동의 응답스펙트럼은 각 이벤트별 응답스펙트럼을 앞서 계산된 토층의 전달함수(Transfer Function, TF)로 나누어 산정하였다. 각 이벤트별 지진규모가 다르기에 계산된 결과는 정규화하여 Fig. 9에 도시하였다. 대상구간의 기반암 운동으로 추정된 응답스펙트럼은 이벤트 별로 크기에 차이를 보이나 주파수 특성은 유사한 것으로 나타났다. 이를 통해 본진 이후 12월 9일부터 발생한 여진들은 크기만 다를 뿐 유사한 주기특성을 보인다는 것을 확인할 수 있다. 이는 연속되는 단층의 움직임에서 생성되는 진동의 주파수 특성은 크게 달라지지 않음을 의미한다. 또한, 이때 계산된 대상구간 기반암 응답스펙트럼의 탁월주파수는 Fig. 5에 나타낸 PHA2 결과와 차이를 보이는 것으로 나타났다. 이는 지질구조가 다른 두 지역의 암반 운동의 주기특성은 차이가 있음을 보여주는 결과이다.
4.3 대상구간의 기반암 가속도-시간이력 산정
앞서 언급한 것과 같이 PHA2와 대상구간에 지질구조 및 전달되는 지층이 다르기에 진동의 주파수 특성은 달라질 수 있다. 하지만, 진원에서 생성된 운동이 상부로 전달됨에 있어 가까운 영역에서는 시간에 따른 움직임은 크게 달라지지 않고 통과하는 매질의 고유주기에 영향을 받을 것이다. 따라서, 불규칙적인 움직임의 특성을 반영하고자 전파상 교란이 가장 적을 것으로 보여지는 PHA2의 계측기록을 사용하였다.
2단계에서 파악한 대상구간의 기반암 응답스펙트럼을 목표 응답스펙트럼으로 설정하고 PHA2의 지진기록을 이에 상응하도록 매칭 시켰다. 이때 목표 응답스펙트럼은 2 종류로 적용하였다. 첫번째는 각 이벤트별로 계산된 응답스펙트럼이고, 두번째는 정규화된 응답스펙트럼의 주기별 최대 값으로 그려진 곡선(Fig. 9의 파랑색 선)이다. 정규화된 응답스펙트럼의 주기별 최대 값은 단층에서 발생할 불규칙한 진동의 다양한 주기별 특성을 고려할 수 있을 것으로 판단된다.
매칭시 RSPMatch(Al Atik and Abrahamson, 2010) 프로그램을 사용하였다. 지진파 매칭기법은 목표 응답스펙트럼과 계측파의 응답스펙트럼의 차이를 충격 스펙트럼을 통해 매칭하는 방법으로 계측지진파의 non-stationary 특성을 손상시키지 않는다. 따라서 단층 움직임의 전파 특성상 가장 교란이 적을 것으로 보이는 PHA2 기록의 non-stationary 특성을 유지한 대상구간의 기반암 모션을 만들었으며 이는 Fig. 10에 도시하였다. A 지점의 기반암 응답스펙트럼에 상응하는 파형으로 산정결과, 기존 계측기록의 non-stationary 특성을 유지하고 있다.
4.4 대상구간의 1차원 지반응답해석 수행결과
생성된 기반암 가속도-시간이력을 입력 지진파로 적용한 1차원 비선형 지반응답해석의 결과는 관측기록과 함께 Fig. 11과 Fig. 12에 도시하였다. Fig. 13은 두 기록의 응답스펙트럼을 나타냈다. Fig. 11은 각 이벤트별 얻어진 기반암 응답스펙트럼을 매칭한 지진파를 사용한 결과이고, Fig. 12는 앞서 정규화된 기반암 응답스펙트럼의 주기별 최대 값으로 그려진 곡선을 생성한 매칭지진파의 지반응답해석 결과이다. 이때 계산된 결과는 계측기록의 시간이력 곡선을 비교하였다. 두 해석 결과 모두, 초기 6초 동안 계산된 가속도와 계측된 가속도 시간이력의 이력은 정확히 일치하지 않지만 크기와 진동특성이 어느정도 유사한 것으로 나타났다. 이때 단층이동으로 발생한 진동이 PHA2에 계측된 기록처럼 그대로 전달되었다고 가정한다면 A지점의 지진운동은 6초 이후의 추가적인 진동이 발생 않을 것으로 판단되나 A 지점의 계측기록에서는 6초 이후의 움직임이 크게 나타났고 계산결과는 이와 다르다. 이와 같은 현상은 분지지형에서 발견되는 것으로 알려져 있다(Choi et al., 2005; Furumura et al., 1997). 따라서, 대상구간에서의 전파는 기존의 지반 하부에서 전달되는 진동뿐만아니라 추가적인 진동이 지표면에 전파됨을 확인할 수 있다. Furumura et al.(1997)의 연구에 따르면 분지지형에 발생하는 지표면 진동은 입사되는 전단파와 입사각의 영향을 받기에 정밀한 분석은 3차원해석으로 모사해야 한다.
Fig. 13는 1차원 응답해석으로 계산된 움직임과 계측기록의 응답스펙트럼을 비교한 결과를 도시하였다. 비교결과, 생성된 기반암 운동을 사용하여 계산된 응답해석결과의 응답스펙트럼은 계측기록과 유사한 것으로 나타났다. 이는 앞서 6초 이후 진동을 모사하지 못했던 시간이력의 결과와 다소 상이한 결과로 보인다. 이에 시간에 따른 주파수 특성의 정밀한 분석을 위하여 여진3에 대한 STFT결과를 Fig. 14에 도시하였다. 분석결과, 매칭 지진파로 주요 진동 시간대 주파수 특성은 비교적 유사하나 5초 이후 진동은 모사하지 못하는 것으로 나타났다.
5. 결 론
본 연구에서는 포항지진 이후 발생한 여진기록을 통하여 대상구간의 지반운동특성을 분석하였다. 분석을 통해 얻어진 결과는 다음과 같다.
(1) 포항지역의 여진 기록을 분석한 결과, 망천리(임시관측소 A)와 포항기상대(임시관측소 B)의 지반운동은 포항관측소(PHA2)에 전달된 지진동의 파형과 주파수 특성에 큰 차이를 보였다. 임시관측소 A와 B는 지질구조상 분지지형 내부 연약한 퇴적암층인 연일층에 위치한 반면 PHA2는 진원지와 동일한 암반층으로 추정되는 3기 화산암류에 위치하였다. 따라서, PHA2와 임시관측소 A, B 기록의 파형 및 주파수 특성은 큰 차이를 보였다. 결론적으로 PHA2 기록을 일련의 보정과정 없이 그대로 망천리 지역의 지반 움직임이라 가정하는 것은 적절하지 않다고 판단된다.
(2) 본 연구에서는 진원지로부터 전파된 가장 순수한 운동을 PHA2 기록이라 가정하고 이를 바탕으로 대상구간의 기반암 운동을 생성하였다. 이때 조사된 지반정보를 통해 토층의 전달함수(TF)를 계산하고 계측기록을 역 계산하여 대상구간의 기반암 응답스펙트럼을 추정하였다. 추정된 기반암 응답스펙트럼을 목표 값으로 설정하고 지진파 매칭기법을 이용하여 이에 상응하는 기록을 생성하였다. 그 결과 임시관측소에서 계측된 지반운동의 초기 진동(주요 진동)은 비교적 유사하게 모사한 것으로 나타났다.
(3) 포항지역의 지질구조 지도와 계측된 여진기록을 통하여 대상구간의 전파 특성을 분석한 결과, 포항 망천리(MCL) 지역의 지진동 전파는 지질구조상 분지특성의 영향이 작용한 것으로 추정된다. 따라서 1차원 지반응답해석으로 이를 정확하게 모사하는 것은 한계가 있으며 공간적 영향을 고려할 수 있는 2차원 혹은 3차원 지반응답해석이 필요한 것으로 나타났다.
(4) 기존 상시관측소의 지진기록은 대상 지역의 진동특성을 정밀하게 분석하는데 한계가 있는 것으로 분석되었다. 포항지진 이후 추가로 설치된 임시관측소를 통해 조밀한 격자망이 형성되었고 이에 따라 대상구간의 전파특성을 다방면으로 분석할 수 있었다. 따라서 지진의 빈도가 높거나 대상 구간의 지형이 특이한 경우 기존보다 조밀한 관측망 설치가 필요할 것으로 사료된다.
