국내 지진계의 센서 기기 응답

1. 서 론

국내 영구지진관측망은 지진 및 심부 구조 연구에 유용하게 활용되었다. 영구지진관측망은 한 곳에서 장기간 데이터를 축적한다는 점과 언제 발생할지 모르는 지진의 지진파형을 기록할 수 있다는 점에서, 연구에 효용이 크다. 예로, 2004년 5월 29일 발생한 모멘트 규모(Mw) 5.1의 울산 앞바다 지진, 2007년 1월 20일 Mw 4.6 오대산 지진, 2009년 5월 2일 Mw 3.7 안동 지진, 2010년 2월 9일 Mw 3.1 시흥 지진, 2016년 9월 12일 Mw 5.5 경주 지진과 2017년 11월 15일 Mw 5.5 포항 지진은 발생 당시 운용 중이던 국내 지진관측망 데이터를 활용하여 지진의 물리적 성질을 얻고 발생 메커니즘이 연구될 수 있었다(Kang and Baag, 2004; Choi and Noh, 2010; Kim, W.-Y. et al., 2010; Kim and Kim, 2014; Kim, Y. et al., 2017; Kim, K.-H. et al., 2018; Woo et al., 2019; Lim et al., 2020).

2020년 1월 기준으로 기상청(Korea Meteorological Administration; KMA or KS), 한국지질자원연구원(이하 지자연; Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources; KIGAM or KG)과 한국수력원자력(이하 한수원; Korea Hydro & Nuclear Power; KHNP or KN)에서는 많은 수의 지진 관측소를 운용하고 있다(그림 1). 기상청은 관측소를 20년 동안 꾸준히 증설했으며, 현재는 133개의 지진관측소(속도계)를 운용 중이다. 기상청은 ‘국가지진종합정보시스템(이하 NECIS)’ 웹 서비스로, 파형 데이터와 지진계에 관한 정보를 제공한다. 지자연은 광대역 속도지진계 24개를 운용 중이다. 한수원은 광대역 속도지진계 13개를 운용 중이다(2017년 8월 기준). 하지만, 많은 수의 관측소 데이터가 연구에 바로 활용되기에는 문제가 있다. 첫째로 이 중 67개 관측소는 시추공에 삽입된 지진계이며, 2개의 수평 성분을 이용하기 위해서는 임의의 방향으로 회전된 방위각을 먼저 보정해 주어야 한다. Lim et al. (2018)은 광대역 속도지진계의 방위각 변화 이력을 2005년부터 2016년까지 결정하였다.

Fig. 1.

Distribution of 152 velocity instruments (as of January 2020). The map includes information on different types of sensors and loggers. In the legend, the number of instruments is indicated in a parenthesis. We note that three CMG-3T instruments have been replaced with new ones at the same location.

다른 문제는 같은 양식으로 정리된 지진계 기기 응답 파일이 없다는 점이다. 기상청 NECIS는 지진계 응답에 관한 정보를 캘리브레이션 시트(calibration sheet)의 형태로 제공하고 있다. NECIS에서 제공하는 캘리브레이션 시트는 지진계 기기 응답을 구하기 위한 정보를 포함하고 있지만, 이것에서 바로 기기 응답 파일을 만드는 데는 다음의 어려움이 있다. 캘리브레이션 시트는 스캔 된 파일이라서, 정보를 텍스트화할 필요가 있다. 또한, 다양한 지진계 제품이 이용되고 있기 때문에, 기기 응답 파일을 일괄적으로 만드는 것이 간단하지 않다(그림 1). 예로, 기상청은 Güralp 사의 CMG-3TB, CMG-40T-1, Streckeisen 사의 STS-2, STS-2.5 그리고 STS-5A 제품도 많이 사용하고 있다. 그 외에 Güralp 사의 CMG-3T, Kinemetrics 사의 SS-1와 Geotech 사의 GS-13도 적지만 사용하고 있거나 사용했다. 그 밖에, 지자연에서는 STS-2, STS-2.5, 그리고 STS-5A를, 한수원에서는 STS-2.5를 사용하고 있다. 제조사나 제품에 따라 캘리브레이션 시트의 양식과 공식이 다르다. 따라서, 캘리브레이션 시트에서 기기 응답을 같은 양식으로 정리하는 일은 모든 연구자가 각자 수행하기에는 시간을 많이 소모한다.

지진계 기기 응답 정보는, 비물리적인 단위로 저장된 원형데이터(raw data)를 지표의 미세한 진동에 관한 물리량(즉, 속도나 변위)으로 변환할 때 사용한다. 또한, 기기 응답 정보는 지진계가 진동수에 따라서 다르게 반응하는 것을 보정해주는 역할을 한다. 기존에는 국내 지진 관측소에 대한 기기 응답 정보가 일관성 있게 정리되어 있지 않았기 때문에, 이용 가능한 관측소나 방법론에 제한이 있었다. 즉, 계산 과정에서 기기 응답이 저절로 상쇄되는 방법이 많이 사용되었다(예로, Lim et al., 2018; Shen et al., 2019). 하지만, 지진파 진폭의 절대적인 값이 필요하거나 지진계의 코너진동수(corner frequency)보다 낮은 진동수를 사용할 때는 기기 응답 파일이 꼭 필요하다. 예를 들면, 지진의 규모나 포컬메커니즘(focal mechanism)을 결정할 때, 또는 낮은 진동수의 표면파나 원거리 지진 실체파를 이용하는 경우에는 반드시 기기 응답을 보정해 주어야 한다. 본고는 기기 응답 파일을 공유하여, 국내 지진 관측소 데이터의 활용성을 높이고자 한다.

2. 방 법

2.3 기록계의 변환 상수(L)

센서에서 나오는 연속적인 전압 신호는 기록계(logger)로 전달되어 디지털화된 뒤에 저장된다. 디지털화하는 과정에서 전압은 일정한 범위의 정수에 선형적으로 대응되어 변환된다. Kinemetrics 사의 기록계 Q330HRS의 L은 A포트와 B포트가 다르다. A포트는 1,677,720 count/V이고 B포트는 419,430 count/V이다(표 1). 속도계가 A포트에 꽂혀있다면, 함께 가동 중인 가속도계는 B포트에 꽂혀있을 것이고, 반대의 경우도 가능하다. 한수원의 속도계는 A포트에, 가속도계는 B포트에 꽂혀 있는 것을 확인하였다(personal communication with the KHNP on 6 April 2020). 우선 속도계는 A포트에 꽂혀있다고 가정하고, 기기 응답 파일을 만들었다. 만약, 반대로 꽂혀 있다면, 매우 가까운 곳에서 함께 가동 중인 속도계와 가속도계의 파형의 진폭이 다를 것이다. Q330S, Q4128과 Q330의 L은 419,430 count/V이다(표 1).

Table 1.

Scaling factor of the loggers.

Q330HRS, Q330S과 Q330은 L을, 정해진 증폭값(preamplifier)만큼 높게 설정하는 것이 가능하다. 이것은 큰 지반 움직임은 기록하지 못하는 대신에, 작은 지반 움직임을 더 미세하게 기록하기 위한 기능이다. Q330HRS는 20배 큰 값으로, Q330S과 Q330은 30배 큰 값으로 설정할 수 있다.

기록계의 캘리브레이션 시트에서는 증폭값이 어떻게 설정되어 있는지 정보를 얻지 못하였다. 따라서, 증폭값(preamplifier)의 기본 설정이 ‘1’인 것을 고려하여(personal communication with Kinemetrics, Inc on 17 March 2020), 증폭값이 ‘1’일 때의 기기 응답을 얻었다. 그리고 원거리에서 발생한 지진의 P파 진폭을 비교하였다. 원거리에서 발생한 지진의 P파는 평면파(plane wave)와 유사하기 때문에 관측소별 진폭이 비슷할 것이다. 만약 증폭값이 ‘1’이 아닌 관측소가 있다면, 그 관측소의 P파 진폭 보정값은 다른 관측소 보다 약 20배(Q330HRS) 또는 30배(Q330S, Q330) 더 클 것이다.

3. 결 과

3.1 파일의 구성

지진계의 기기 응답은 SAC 양식으로 만들었다. SAC 양식은 영점, 극점 그리고 하나의 상수(CONSTANT)를 담고 있다. 계산에 사용되지는 않지만, 유용한 파라미터는 파일 내 ‘코멘트’의 형태로 남겨두었다. 예를 들면, INSTTYPE는 지진계의 제품명, INPUT UNIT는 기기 응답 제거 후의 파형의 단위이다(Seismic Analysis Code, 2011).

기상청 관측소 중에서는, Güralp 사의 CMG-3T가 설치된 관측소 3개, CMG-3TB가 설치된 관측소 48개, CMG-40T-1가 설치된 관측소 25개, Streckeisen 사의 STS-2(3세대)가 설치된 관측소 7개, STS-2.5가 설치된 관측소 17개, 그리고 STS-5A가 설치된 관측소 17개, 모두 117개 관측소의 기기 응답을 구하였다(표 2). STS-2가 설치된 7개 관측소(DAG2, DGY2, ULJ2, BAR, CHJ, KWJ, 그리고 SEO)의 기기 응답 파일은 명목 기기 응답으로 대신하였고(Templeton, 2017), 나머지는 모두 캘리브레이션 시트를 반영하였다(표 2).

Table 2.

Summary of the instrument responses files.

지자연 관측소 중에서는 STS-2가 설치된 관측소 11개(2세대 또는 3세대), STS-2.5가 설치된 관측소 10개, STS-5A가 설치된 관측소 1개의 기기 응답 파일을 명목 기기 응답으로 구하였다(Templeton, 2017; 표 2). 관측소별 센서와 기록계가 변경되는 시기에 맞추어서 유효 기간을 구분하였다(2019년 4월 12일까지의 변경 이력 반영; personal communication with the KIGAM). 한수원 관측소는 캘리브레이션 시트를 반영하여 STS-2.5가 설치된 관측소 13개의 기기 응답을 구하였다(표 2).

채널의 이름은 기상청, 지자연, 그리고 한수원이 사용하는 채널 이름에 맞추었다. 수직 성분(Z) 기준, 샘플링 레이트(sampling rate)가 100 Hz인 채널의 이름으로 HHZ (CMG-3T, CMG-3TB, STS-2, STS-2.5 그리고 STS-5A)와 ELZ (CMG-40T-1)를 사용하고, 20 Hz인 채널의 이름으로 BHZ 그리고 SLZ를 사용한다. 또한, HHZ와 BHZ (또는 ELZ와 SLZ)의 기기 응답 파일의 내용은 같지만, 이름이 다른 파일을 중복해 두었다. STS-2.5와 STS-5A의 캘리브레이션 시트는 센서 3성분별(U, V, 그리고 W) 기기 응답에 대한 정보를 제공한다. Z (vertical), N (north), 그리고 E (east) 파라미터는 센서 3성분의 영점, 극점 그리고 CONSTANT의 평균으로 하였다.

그림 4는 기상청 관측소 SEO3의 HHU 채널의 기기 응답을 예시로 보여준다. 약 0.01-50 Hz에서 기기 응답의 절대값(absolute of T)이 최대이면서 평탄하고, 위상(phase of T)이 0°에 가까운 것을 확인할 수 있다.

3.2 기록계 변환 상수(L)의 검증

원거리에서 발생한 지진의 P파 진폭이 모든 관측소에서 유사할 것이라고 가정하고, 기록계의 증폭값(preamplifier)이 ‘1'인지 검증하였다. 2020년 2월 9일 6시 4분(Coordinated Universal Time)에 진앙거리 40-50°에서 발생한 규모 6.2의 지진을 사용하였다(그림 2). 최근에 발생한 지진을 사용하여, 최근이면서 최대한 많은 기상청 관측소의 기록계를 검증할 수 있도록 하였다. 기기 응답을 제거한 기상청 관측소 113개(가동 중단된 기상청 4개 관측소 제외)의 파형 속 P파의 극성이 모두 양(positive)의 방향으로 일치하는 것을 확인하였다(그림 3a). 자세한 데이터 처리 과정은 부록 A에 설명해 두었다.

Fig. 2.

A map showing great circle path from the Mw 6.2 teleseismic earthquake, which was used to validate the response file, to the stations shown in Fig. 1. The earthquake occurred at latitude of 5.451°S and longitude of 152.098°E at a depth of 31 km on 9 February 2020, 06:04. The distances to the stations are 40-50°, and backazimuth are 140-151°. The earthquake information is from ‘https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/search’ (last accessed on 13 March 2020). Bathymetry data is taken from Smith and Sandwell (2018).

Fig. 3.

Polarity and amplitude of 113 vertical component waveforms. Their instrument responses are removed using our files and filtered in 0.1-1.5 Hz. (a) P wave of the example earthquake (Fig. 2). The waveforms are aligned by theoretical P arrival times at 0 s (Kennett et al., 1995). (b) Maximum of the waveforms. Median is 3.0 μm/s.

Fig. 4.

Bode plot of the instrument response as an example. HHU channel of station SEO3 (STS-2.5) is used.

파형의 최댓값을 그림 3b에 나열하였다. 최댓값의 중간값(median)은 3.0 μm/s이다. 만약, 기록계의 증폭값(preamplifier)이 ‘1’이 아니라면, Q330HRS의 경우, 이보다 약 20배 큰 이상치를 보이는 관측소가 있을 것이다(Q330S 또는 Q330는 약 30배). 하지만, 그러한 이상치를 보이는 관측소는 없었다. 따라서, 기록계의 증폭값(preamplifier)은 모두 기본 설정인 ‘1’인 것으로 보인다.

기상청에서 운용하는 모든 속도계는 가속도계가 함께 운용 중이다(NECIS; last accessed on 21 April 2020). 관측소 중 Q330HRS 기록계를 사용중인 관측소의 속도계와 가속도계를 비교하여 A포트는 속도계에, B포트에는 가속도계가 꽂혀있는 경우의 예외가 있는지 확인하였지만 없음을 확인하였다. 이때, 속도계와 가속도계 둘 다 운용 중인 관측소에만 한한다. 한수원의 경우는 센서와 포트 연결 상태에 대한 정보를 직접 얻을 수 있었으며, 속도계는 모두 A포트에 꽂혀 있다(personal communication with the KHNP on 6 April 2020).

4. 결 론

국내 영구 지진 관측소(속도계)는 꾸준히 증설되어, 기상청 관측소의 경우 133개에 이른다. 이로써, 앞으로 발생할 수 있는 국내 지진을 정밀하게 연구할 수 있는 하드웨어적인 토대가 마련되었다. 하지만, 많은 데이터를 효율적으로 사용할 때 필요한, 기기 응답 파일이 없어서 데이터 활용이 어려웠다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 기상청에서 운용하는 속도 지진계 관측소 중 117개 관측소, 한국지질자원연구원의 22개 관측소, 그리고 한국수력원자력의 13개 관측소의 기기 응답 파일을 만들었다. 기록계의 변환 상수가 어떻게 설정되어 있는지 확인하기 위해 원거리 지진을 이용하여 진폭을 비교하였다. 또한, 가속도계 파형과 비교하여 Q330HRS 기록계의 A포트와 B포트의 변환 상수가 다른 것을 해결하였다. 파일은 온라인에 업로드 하여 쉽게 접근할 수 있도록 하였다(https://doi.org/10.5281/zenodo.3700312). 국내에서 발생하는 지진뿐만 아니라, 한반도 심부 구조에 대한 지진학 방법론에도 도움이 될 것으로 기대한다.

Acknowledgments

본 연구는 기상청 “한반도 지하단층 속도 구조 통합모델 개발 사업”(KMI2019-00110)의 연구비 지원에 의해 수행되었다. 지진파형 데이터를 제공해 준 기상청(국가지진종합정보시스템), 한국지질자원연구원과 한국수력원자력에 감사드린다. 캘리브레이션 시트를 제공해 준 기상청, 한국수력원자력과 Streckeisen 사에 감사드린다. 문의에 답변해주고 의견을 준 한국수력원자력 중앙연구원 홍성일과 연세대 이준형에게도 감사드린다. 편집위원장 이진용 교수님, 편집위원과 익명의 심사위원께도 감사드린다.

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