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한반도 남부에 위치한 속리산 지역은 1978년 9월 16일 한반도 계기지진 관측이 시작된 이래로 4번째로 큰 규모인 5.2 지진이 발생한 지역이다. 속리산 지진 발생 후 기상청(Korea Meteorological Administration; KMA), 미국 지진정보센터(National Earthquake Information Center; NEIC), 국제지진센터(International Seismological Centre; ISC)에서 각각 지진 발생 위치 및 규모를 발표하였으나, 진앙 간의 거리가 10 km 이상 차이가 나는 등의 상이한 결과를 보인다(표 1). 일반적으로 지진 위치를 결정할 때는 최소 4개 이상의 지진계에서 기록된 지진자료가 필요하다(Kim et al., 2008, 2011). 기상청 지진관측 보고에 속리산 지진을 관측한 국내 지진관측소의 위치정보와 지진파가 관측소에 도달한 도착 시간이 기록되어 있다(표 2). 속리산 지진 발생 당시 국내에서 운영 중이던 지진관측소는 2개소로(KMA, 1992, 2001), 기상청에서 정확한 지진 위치를 결정하기에 지진관측소 수가 부족하였다. 기상청과 달리 미국 지진정보센터와 국제지진센터는 지진 위치 결정에 해외 지진 관측자료를 사용하였다. 국제지진센터에서 사용한 관측소 중 가장 가까운 관측소는 일본의 SHK 관측소로 진앙으로부터 약 4.36° 떨어져 있다(ISC, 2023). 미국 지진정보센터에서 사용한 관측소 중 가장 가까운 관측소는 ATTU 관측소로 진앙과 47.82° 떨어져 있는 미국 알래스카의 애투섬에 위치한다(IRIS, 2023). 미국 지진정보센터(NEIC)와 국제지진센터(ISC) 두 기관은 비교적 먼 거리의 관측소 자료를 사용하여 지진 위치 결정에 어려움이 있었을 것이다. 따라서, 당시에 세 기관 모두 정확한 지진 위치를 결정하기에 부족한 점이 있어서 서로 다른 결과를 제시한 것으로 보인다.

지진관측망은 지진 관측자료를 송·수신하기 위해 지진관측소를 연결한 정보통신망으로 관측 목적에 따라 관측장비의 종류, 설치 범위, 설치 밀도 등을 달리한다. 국내에서 상시 운영하는 대표적인 광역 지진관측망으로 기상청이 운영하는 국가지진관측망과 한국지질자원연구원의 연구지진 관측망이 있다. 이들 관측망은 지진관측을 통한 지진 피해 감소, 주변국 핵실험 감시 등에 사용되며, 한반도 전역을 관측 대상으로 하여 약 20 ~ 30 km 간격으로 설치되어있다(NECIS, 2023). 지진이 집중되어 발생하는 지진다발지역의 경우, 비교적 규모가 작은 미소지진이 많이 발생한다. 미소지진은 소수의 지진관측소에만 관측되거나 관측되지 않아 분석 불가능한 경우가 빈번하여, 주로 임시지진관측망을 운영하여 관측한다. 임시지진관측망은 특정 목적을 가지고 짧게는 수일 길게는 수년간 설치하는 관측망으로, 관측 목적에 따라 관측 환경(장비, 범위, 밀도 등)을 변경하며 운영한다.

본 연구지역은 1978년 속리산 지진 진앙과 인접한 지역이며, 현재까지도 미소지진이 많이 발생하고 있다. KMA, NEIC, ISC 세 기관이 기록해 놓은 진앙 위치가 서로 상이하다는 것을 파악하여, 해당 진앙 범위 내의 미소지진을 분석하기 위해 연구지역을 결정하였다(그림 1). 이후 정밀 관측을 위해 속리산 지역 중 영남권에 해당하는 지역에 임시지진관측망을 설치하였다. 2019년 4월부터 2021년 4월까지 획득한 임시지진관측망 자료와 2007년 1월부터 2021년 4월까지 운영한 기상청 및 한국지질자원연구원의 광역 지진관측망 자료를 활용함으로 지진자료를 충분히 확보하려 노력하였으며, 이중차분법을 이용한 지진발생위치 재결정을 통해 지진발생위치의 상대적 정확성을 향상시켰다. 미소지진 분포를 이용하여 지하 단층 구조를 파악하였으며, 1978년 속리산 지진과 연관성을 찾기 위해 연구를 수행하였다.

Fig. 1. 
Distribution of earthquakes from 1978 to 2021 (black open circles) and the 1978 Mt. Songnisan earthquake (cyan star) reported by the Korea Meteorological Administration (NECIS, 2023). A red square indicates the are shown in the Figure 2.

한반도는 유리시아판 동쪽의 지각활동이 비교적 안정된 판 내부에 위치하므로 판 경계부에 위치하는 일본, 대만 등의 지역에 비해 낮은 빈도의 지진이 발생한다. 그러나 1811-1812년 미국에서 발생한 규모 8.1 New Madrid 지진(Johnston, 1996) 및 멕시코 Puebla에서 발생한 규모 7.1 지진(Alberto et al., 2018; Roeslin et al., 2020) 등 판 내부에 위치하지만, 대규모의 지진이 발생하여 큰 피해가 발생한 사례가 있다. 국내에서도 1978년 홍성지진, 2007년 오대산지진, 2016년 경주지진, 2017년 포항지진 등 중규모 지진이 지속해서 발생하고 있다. 국내 지진 발생 이후 정밀 분석 결과를 보면 기존에 알려지지 않은 지하 단층에서 지진이 발생한 사례를 쉽게 찾아볼 수 있다(Kim and Park, 2010; Kim et al., 2018), 반면에 지표 단층과 유사한 주향을 따라 발생한 사례도 빈번하다(Han et al., 2017). 따라서, 특정 지역의 단층이나 지구조선은 지진 발생 구조를 암시할 수 있으므로 연구지역의 단층 구조를 파악하는 것이 큰 의미가 있다(Cheong et al., 2001).

속리산 지역은 한반도 중남부에 위치하며, 주요 단층으로 영동 분지의 경계 단층인 북북동 방향의 단층과 이를 절단하는 북서 방향의 단층군이 남동부에 발달하고, 중앙부에는 동서 방향의 단층 및 추정 단층들이 발달한다(Hwang et al., 1996). 연구지역의 단층 구조에 KMA, NEIC와 ISC 세 기관의 속리산 진앙을 도시한 결과, KMA 진앙 인근에서는 단층 구조가 확인되지 않았으며, NEIC와 ISC는 각각 동서 방향의 추정 단층과 서북서 방향의 단층 선상에 위치한다(그림 2).

Fig. 2. 
Mapped fault lines of Mt. Songnisan area (modified from Hwang et al., 1996). The stars indicate M_L 5.2 Mt. Songnisan earthquake epicenters reported by the Korea Meteorological Administration (KMA), U.S. National Earthquake Information Center (NEIC), and International Seismological Centre (ISC).

부산대학교 임시지진관측망은 2018년 영남권 지하 단층구조 모델 개발 사업을 수행하며, 영남권 전 지역에 지진관측소를 설치하였다(Pusan National University, 2022). 기상청과 한국지질자원연구원에서 운영 중인 광역 지진관측망의 관측 밀도를 향상시키기 위하여, 상시 지진관측소 사이의 거리가 비교적 먼 지점을 선정하여 광대역 임시지진관측소를 우선 설치하였다. 이후 기상청에서 발표한 국내 지진 발생 현황을 기준으로 특정 장소에서 지진이 장기간에 걸쳐 반복적으로 발생하는 것을 확인한 뒤 해당 지역을 지진다발지역으로 선정하여 미소지진 근접 정밀 감시를 위해 관측망 밀도를 높게 설계하여 단주기 임시지진관측소를 설치하였다. 속리산은 지진다발지역 중 하나며 충청권과 영남권의 경계에 위치한다. 영남권 과제를 수행하며 관측소를 설치한 결과 충청권에 속하는 속리산 서쪽 부근에는 관측소를 설치하지 못하였다. 따라서, 충분한 자료를 확보하기 위해 연구지역을 중심으로 80 km 내에 있는 기상청 지진관측망 24개소, 한국지질자원연구원 지진관측망 4개소 자료와 부산대학교 임시지진관측망 19개소 자료를 활용하여 연구를 수행하였다(그림 3).

Fig. 3. 
Seismic stations used in this study (KMA: Korea Meteorological Administration; KIGAM: Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources; PNU: Pusan National University). The radius of the black circle is 80 km.

연구지역에서 발생하는 미소지진 자료를 수집하기 위하여, 2007년 1월부터 2021년 4월까지 기상청에서 발표한 지진 119건의 P파와 S파 초동 도착 시간을 각각 6,885건, 6,702건 결정하였다. 이 중 P파 도착 시간이 명확하게 결정되는 6개소의 관측소를 선정하고, 해당 관측소에서 관측한 지진 파형을 템플릿(그림 4a)으로하였으며, Fast Matched Filter 프로그램(Beaucé et al., 2018)을 사용하여 연속지진자료(그림 4b)에서 지진 검출을 수행하였다. 지진 파형은 지하 속도구조, 지진파 전파경로, 관측 장비, 관측환경의 영향을 많이 받는다. 일정한 범위에서 지속해서 발생하는 지진을 한 관측소에서 관측하게 되면 지진파들은 유사한 경로 및 지하구조를 통과하여 관측장비에 도달하여, 유사한 파형을 지니게 된다. 이는 상호상관계수(cross-correlation coefficient)가 높을수록 비슷한 위치에서 발생한 것을 의미한다(Gibbons and Ringdal, 2006). 탬플릿 매칭을 사용하여 검출한 이벤트들에는 채석장 등의 인공지진, 배경잡음이 심하여 P파와 S파 도착 시간을 결정하지 못하는 신호, 연구지역 이외에서 발생한 지진 등이 포함되어 있다(그림 4c). 본 연구에서는 상호상관계수가 0.6 이상인 지진을 대상으로 이와 같은 신호를 선별하는 과정을 거쳐 자연지진(그림 4d)만 사용하였다.

Fig. 4. 
A typical example of the matched filter method. This method finds waveforms similar to the (a) template in the (b) seismic data. However, not only earthquake is detected but also false alarm waveform such as (c). The detected earthquake waveforms are shown in (d).

본 연구에서는 Geiger’s method (Geiger, 1910, 1912)를 바탕으로 제작된 HYPOELLIPSE (Lahr, 1999) 프로그램을 사용하여 단일 진원 위치(single event location)를 결정하고, 위치 결정의 정확성을 높이기 위해 HypoDD (Waldhauser and Ellsworth, 2000) 프로그램을 이용하여 이중 차분(double-difference)을 이용한 상대 진원 위치 재결정을 수행하였다. 단일 진원 분석은 가장 기본적이지만 가장 중요한 발생 위치 분석 방법으로, 지진관측소에 관측된 지진의 P파와 S파 도착 시간과 지하 속도구조를 이용하여 지진 위치를 분석하는 방법이다. 지진 발생 위치를 결정하기 위해 최소 4개의 관측소에서 관측한 지진파 도착 시간이 필요하며(Kim et al., 2008, 2011), 해당 방법은 실질적으로 관측한 지진파의 도착 시간과 속도 모델을 기반으로 계산한 이론적 도착 시간의 차이가 최소화되도록 지진 위치와 진원시(origin time)를 조정하여 지진 위치를 구하는 방법이다. 이론적 도착 시간을 구하는데 지하 속도 모델이 사용되는데, 일반적으로 1차원 속도 모델을 사용한다. 1차원 속도 모델은 지하를 깊이에 따라 여러층으로 나누어 각 층의 P파 속도와 Vp/Vs로 표현한 모델이며, 지하 속도구조의 횡적 변화를 포함하지 못해 실질적인 지하 구조를 표현하지 못한다는 한계가 있다. 이를 모델 오차라고 하며, 진원 위치 결정에 가장 큰 영향을 미치는 요인 중 하나이다(Gomberg, 1991). 본 연구지역은 3차원 속도모델이 따로 연구된 바가 없어 전지구속도모델(IASP91)을 한반도에 맞게 개량한 속도모델을 사용하였다(그림 5; Park, 2008). 지진 위치를 결정할 때는 우선 속도 모델을 이용한 이론적 도착 시간 및 진원 위치를 가정하고, 실제 관측한 P파 도착 시간, S파 도착 시간을 결정하여 그 차이를 구하게 된다. 이때 계산된 차이 값을 이용하여 다시 초기 진원 위치를 수정하고 동일한 방법으로 이론값과 관측값의 차이 값(root mean square; RMS)이 최소가 될 때까지 반복 계산하는 방법을 사용한다(Lee and Stewart, 1981).

Fig. 5. 
1-D velocity model used in this study (Park, 2008).

초기 진원 위치를 결정한 후 진원 위치의 상대적 정확도를 높이기 위해 HypoDD 프로그램(Waldhauser and Ellsworth, 2000)을 이용하여 지진 위치 재결정을 수행하였다. 발생 위치가 비슷한 지진들을 한 관측소에서 관측했을 시 P파와 S파의 주행 및 도착 시간과 지진 파형이 유사함을 이용한 방법으로, 진원 위치에 차이가 있으면 파형에서도 차이가 발생함을 활용하여 위치 결정의 정확성을 높이게 된다.

최근 속리산에서 발생한 미소지진의 파형과 1978년 광주관측소에서 관측한 지진 파형의 차이를 확인하기 위해 자료를 찾던 중 국가기록원 소속 나라기록관에 보관 중인 1978년 광주관측소에서 관측한 속리산 지진 기록지를 확보하였다(그림 14). 해당 지진 기록지를 직접 분석한 결과 규모 5.2 본진의 경우 규모가 커 P파 도착 시간을 확인할 수 있었지만, S파 도착 시간은 확인하기 어려웠다. 따라서, 본진 발생 약 6분 후에 기록되어 있는 지진 파형을 속리산 지진의 여진으로 추정하여 해당 지진의 PS시를 23초로 분석하였다. 이는 1992년 기상청지진연보에 기록된 본진의 21.9초와 약 1.1초의 차이가 있다(그림 14). 시간 차이가 발생한 이유 중 하나는 확보한 지진기록지의 경우 나라기록관에서 보관하고 있는 기록지가 원본이 아닌 송달 용지에 맞는 축소판으로 보관하고 있어, 자료 요청 시 축소판을 전달해 줌으로 실제 지진기록지를 보는 것만큼의 정확한 지진파의 도착 시간을 결정할 수 없기 때문이다. 또한, 2001년 기상청 지진관측보고에 따르면 당시 지진 기록지가 말려있는 드럼 모터의 전원이 일정하지 않아 회전 속도가 불규칙하였으며, 숙련된 전문인력의 부족으로 분석 결과가 적정 수준에 미달했을 것이라 보고된 기록이 있다(KMA, 2001).

파형 비교를 위해 1992년 기상청 지진관측보고에 따른 속리산 지진 발생 당시 광주관측소의 위치(위도 35.10°N 경도 126.53°E)에서 운영되고 있는 기상청 관측소를 찾아보았다. 그러나, 해당 지점에서 운영 중인 관측소를 찾지 못해 과거 지진계 이전 기록을 살펴본 결과 2000년 12월 16일 광주지방기상청 내에 설치되어 있던 지진관측소를 현재 운영되고 있는 KWJ (무등산) 관측소 위치(위도 35.1599°N 경도 126.9910°E)로 이전하였다고 기록되어 있다(KMA, 2001).

Fig. 14. 
Seismogram of Mt. Songnisan earthquake observed at 1978 Gwangju analog seismic station. The time was taken from what was recorded on the seismogram. P-wave and S-wave arrival times were determined by reading the waveforms directly.

지진 파형은 지하 속도구조, 지진파의 전파경로, 관측장비, 관측환경(배경잡음 수준 등)에 영향을 많이 받는다. 일정한 범위에서 지속적으로 발생하는 지진을 한 관측소에서 관측하게 되면 지진파들은 유사한 경로 및 지하 구조를 통과하여 지진계에 도달하며, 지진관측 시 주변 관측환경이 같아 해당 지진들은 유사한 파형을 지니게 된다. 따라서, 관측소의 이전에 의한 관측환경의 변화로 인해 1978년 광주관측소 파형과 현재 운영되고 있는 무등산 관측소에 관측되는 파형의 직접적인 비교가 불가능하였다.

파형의 직접적인 비교를 위해서는 1978년 당시 광주관측소 위치에 지진계를 재설치한 후 속리산 부근에서 발생하는 지진을 관측하여 자료를 확보해야 한다. 해당 방법을 통해 자료를 확보하게 되면 해당 파형들의 직접적인 비교가 가능해지고, 파형의 유사성 및 PS시의 차이를 알 수 있게 되므로 속리산 지진 발생 위치 특정에 오차를 줄일 수 있다.

속리산 지역에서 2007년 1월부터 2021년 4월까지 발생한 지진을 활용하여 지하 단층 구조를 분석하였다. 기상청에서 발표한 119건 지진을 탬플릿으로 추가로 274건의 미소지진을 검출하였으며, 총 393건의 지진을 분석에 사용하였다. 검출된 지진을 활용하여 지진 위치 결정을 수행한 결과 연구지역 중부와 남서부에서 지진이 집중적으로 발생하는 것을 확인하였으며, 지하 단층 구조 정밀 분석을 위해 단층면해 분석과 HypoDD를 이용한 지진 위치 재결정을 수행하였다. 정밀 분석 결과 연구지역 중부와 남서부에 서북서-동남동과 동-서 주향의 기존에 알려지지 않은 지하 단층이 존재함을 인지하였다(그림 15).

Fig. 15. 
Comparison of earthquake distribution with mapped faults.

연구지역 중부의 지진다발지역은 연구지역 동남쪽의 서북서 방향의 단층과 중부의 동-서 방향의 추정 단층의 방향성 또는 연장선과 일치하지만, 지진 발생지역에서는 해당 방향의 단층이 조사된 바가 없다. 따라서, 해당 지역은 단층면해와 지진분포의 주향이 일치하는 서북서-동남동 방향의 지하 단층(blind fault)에서 발생한 것으로 분석된다. 연구지역 남서부의 지진다발지역의 경우 서북서-동남동 방향의 단층면해와 지진분포가 일치하는 경향을 보이나, 단층면해 분석이 가능한 지진의 수가 적어 정확한 단층의 기하를 제시하기에는 어려움이 있다. 따라서, 정밀 분석을 위해 추가적인 자료 수집이 필요하다.

KMA, NEIC와 ISC에서 기록한 속리산 진앙 위치와 지진분포를 같이 도시한 결과 KMA 속리산 진앙 위치 인근에는 현재까지 지진이 관측된 바 없고, NEIC와 ISC 속리산 진앙 위치 인근에서는 미소지진이 지속해서 발생하는 것으로 분석되므로, 속리산 지진은 NEIC와 ISC 발표 진앙 인근에서 발생하였을 것으로 분석된다. 하지만 최근 발생하고 있는 미소지진 현황만으로 1978년 속리산 지진 발생 위치를 특정하기에는 한계가 있다.

최근 속리산에서 발생하고 있는 지진과 1978년 속리산 지진의 파형을 비교하기 위해 당시 운영되던 광주관측소에서 관측한 속리산 지진 기록지를 확보하였다. 직접적인 파형 비교를 위해 광주관측소 위치에서 운영되고 있는 지진관측소를 찾아보았으나, 해당 관측소가 2000년에 이전됨으로 인해 관측환경의 변화로 파형의 비교가 불가능하였다. 따라서, 1978년 광주관측소 위치에 지진관측소를 재설치하여 현재 속리산에서 발생하고 있는 지진의 파형을 1978년 광주관측소 자료와 비교하면 속리산 지진 발생 위치 특정에 오차를 줄일 수 있다.