Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 13, No. 5 pp. 2390-2395, 2012 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2012.13.5.2390 일본동부지역에따른지각변동모니터링 박준규 1, 김민규 2* 1 서일대학교토목과, 2 GGS 엔지니어링기술연구소 Monitoring about Crustal Deformation by Earthquake in the East of Japan Joon-Kyu Park 1 and Min-Gyu Kim 2* 1 Dept. of Civil engineering, Seoil College 2 Research Institute, GGS Engineering 요약의영향으로인한지각변동모니터링은지구물리및측지학분야에서중요한연구대상이다. 본연구에서는지난 3월 11일오후 2시 46분경발생한일본에따른지각변동영향을분석하기위해일본지역의 9개 IGS 상시관측소를대상으로발생전 후의자료를정밀절대측위로처리하고, 상시관측소의위치해석을통해으로인한일본지역의지각변동을분석하였다. 지각변동모니터링결과, 일본지역의변위량과전 후지각변동의변화를정량적으로제시할수있었다. 전 후일본지역의지각변동이기존과다른양상을나타내고있음을볼때, GPS 관측자료해석을통한지속적인지각변동모니터링이필요할것이다. Abstract Monitoring of crustal movement by earthquake is an important line of study in geophysics and geodesy. In this Study, before and after the earthquake data about nine IGS permanent stations were processed by Precise Positioning System to analysis the influence area about Japanese earthquake in March 11 at 2:46pm. As the result of crustal deformation monitoring, the quantitative earthquake displacement and change of crustal movement was presented. Crustal movement monitoring using continuous GPS data processing is necessary for crustal research and predicting earthquake because crustal movement assumed a new aspect before and after the earthquake in Japan. Key Words : GPS, Earthquake, CORS, Crustal Movement, Monitoring 1. 서론 최근전세계적으로지각변동에따른의발생빈도가증가하면서지각변동과재해탐지에대한중요성이증대되고있다. 2010년 2월칠레제2의수도인콘셉시온동북쪽 115km 지점에서리히터규모 8.8의강진으로수백명에이르는사상자와이재민이발생하였다. 또한지난 2011년 3월 11일일본동부지역해저에서리히터규모 9 에육박하는이일어나 2만 7천명이넘는사망자와실종자가발생하는대참사가일어났다 [1]. 과거지각변동에관한연구는지질학및지체구조학적 인측면에서접근하여왔지만오늘날에는과학기술의발달로 VLBI, SLR, GPS와같은우주측지기술을적용함에따라지각변동에대한측지학적접근이이루어지고있다. 특히, GPS를이용한고정밀측위기술은세계기준좌표계의설정, 지구자전축의회전계수결정의우주측지분야에서그역할과비중이점점증가하는추세이며, 저가의구축비용과정밀한위치결정이가능하기때문에고가의 VLBI나 SLR을대신해지각운동의검출및지각변동감시등과같은지구과학분야에다양하게활용되고있다 [2-3]. 국내의경우, 원전부지와한반도주요지역의 mm급지각변위측정과측지학적특성을분석하고, 원전부지의지 본논문은 2011년도서일대학학술연구비에의해연구되었음. * Corresponding Author : Min-Gyu Kim Tel: +82-10-3373-6033 email: kmgtpq@paran.com 접수일 12년 02월 07일수정일 12년 03월 07일게재확정일 12년 05월 10일 2390
일본동부지역에따른지각변동모니터링 진안정성평가기술개발을위해 GPS를이용한측지학적정보제공연구가수행되었으며 [4], 예지및지각변동감지와같이정밀위치해석이요구되는분야에 GPS 의활용가능성을입증하기위하여 GPS 관측자료해석을통해지각변동속도를산출한연구가이루어졌다 [5]. 국외의경우, Chi-Chi 을대상으로지표면아래단층의기하학적구조와등진파선상 ( 等震波線上 ) 경사분포를 GPS 측정값을통해산출한연구가이루어졌으며 [6], GPS를이용하여 2004년에발생한 Sumatra-Andaman 과관련된지반이동량을추정하는연구가수행되었다 [7]. 본연구에서는지난 3월발생한일본에따른지각변동모니터링을위해일본지역의 9개 IGS 상시관측소를대상으로발생전 후관측자료를정밀절대측위로처리하여으로인한지각변동속도를산출하고, 지각변동모니터링결과를통해일본지역의지각변동특성을파악하고자하였다. 그림 1에연구흐름도를나타내었다. [ 그림 2] 연구대상지 [Fig. 2] Study area 2.2 관측자료처리 GPS 관측자료는 Bernese GPS S/W를이용하여처리하였으며, 정밀절대측위방법으로상시관측소의위치해석을실시하였다. Bernese GPS S/W는스위스베른대학의천문연구소에서개발한프로그램으로두수신기사이의직선거리에대해 20 ppb(part per billion) 의정밀도로위치를측정할수있다.[8]. 발생전 2010년 1월 1일에서발생후인 2011년 12월 31일까지의관측자료를일주일간격으로처리하였다. 표 1에자료처리와관련된 Parameter를정리하였다. [ 그림 1] 연구흐름도 [Fig. 1] Flow chart [ 표 1] 자료처리와관련된 Parameter [Table 1] Parameter for data processing Parameters Satellite Ephemeris Tropospheric Correction Earth Gravity Potential Sub-daily Earth rotation parameters Nutation Solar System Ephemeris Description Precise Ephemeris Dry and Wet Niell Model JGM3 IERS2000 IAU2000 JPL DE200 2. 관측자료취득및처리 2.1 관측자료취득에의한지각변동모니터링을위해 IGS 상시관측소중일본에위치한 MIZU, STK2, TSKB, TSK2, USUD, KSMV, MTKA, SMST 및 AIRA의 GPS 관측자료를취득하였다. 관측자료는발생전인 2010년 1월 1일부터발생후인 2011년 12월 31일까지의자료를이용하였다. 그림 2에의진앙지와 IGS 상시관측소의위치를나타낸다. 3. 지각변동모니터링 3.1 변위해석 본연구에서는지각변동모니터링을위해정밀절대측위를이용하여상시관측소의위치를해석하였다. 그림 3~ 그림 11은상시관측소의위치해석결과를나타낸다. 그래프는 2010년 1월 1일의위치를기준으로나타낸것이며, 가로축은시간, 세로축은변화량 () 이다. 2391
한국산학기술학회논문지제 13 권제 5 호, 2012 [ 그림 3] MIZU 상시관측소 [Fig. 3] MIZU CORS [ 그림 6] TSK2 상시관측소 [Fig. 6] TSK2 CORS [ 그림 4] STK2 상시관측소 [Fig. 4] STK2 CORS [ 그림 7] USUD 상시관측소 [Fig. 7] USUD CORS [ 그림 5] TSKB 상시관측소 [Fig. 5] TSKB CORS [ 그림 8] KSMV 상시관측소 [Fig. 8] KSMV CORS 2392
일본동부지역에따른지각변동모니터링 위그림들에서보는바와같이이전의위치해석결과는일반적인미소변위를보였으나, 진앙지주변의상시관측소는 3월전 후로급격한변위가발생한것을알수있다. 진앙지와가장가까운 MIZU에서약 2.7m 의큰변위가발생했으며, TSKB, TSK2, USUD, KSMV, MTKA에서도약 0.2m~0.8m의변위가나타났다. 진앙지와거리가먼 STK2, SMST, AIRA는 0.01m~0.03m의미소한변위가발생하였다. 표 2는으로인한변위를나타낸것이며 [9], 그림 12는변위의크기와방향을제시한것이다. [ 그림 9] MTKA 상시관측소 [Fig. 9] MTKA CORS [ 표 2] 변위 [Table 2] Displacement by earthquake 상시관측소 변위진앙지에서의방위각총변위거리 (km) (m) (m) ( ) (m) MIZU -1.262 2.358 118.2 2.67 138.6 STK2-0.028 0.015 152.1 0.03 577.9 TSKB 0.034 0.608 86.8 0.61 317.8 TSK2 0.035 0.607 86.7 0.61 317.8 USUD 0.051 0.237 77.9 0.24 430.2 KSMV -0.077 0.789 95.6 0.79 302.5 MTKA 0.063 0.406 81.1 0.41 384.5 SMST 0.01 0.023 66.0 0.03 782.5 AIRA 0.004 0.012 71.6 0.01 1288.3 [ 그림 10] SMST 상시관측소 [Fig. 10] SMST CORS [ 그림 12] 변위의크기와방향 [Fig. 12] Dimension and direction of displacement [ 그림 11] AIRA 상시관측소 [Fig. 11] AIRA CORS 3.2 전 후지각변동모니터링지각변동속도는상시관측소의위치해석결과를바탕으로산출하였으며, 산출된결과의검증을위해국제지구기준프레임 (The International Terrestrial Reference Frame) 에서발표한성과와비교하였다. 표 3은 ITRF2008과전 후의상시관측소별지각변동속도를나타낸것이다 [10]. 전속도는 2010년 1월 1일 ~2011년 3월 11일의위치해석결과로부터계산된것이며, 후속도는 2011년 3월 12일 ~2011년 12 2393
한국산학기술학회논문지제 13 권제 5 호, 2012 월 31일의위치해석결과를이용하여산출하였다. 그림 13은 ITRF2008 및전 후의위도및지각변동속도를비교한것이며, 그림 14는각상시관측소별지각변동속도벡터를도시한것이다. [ 표 3] 상시관측소별지각변동속도 [Table 3] Velocity of CORS ITRF2008 전 후 상시관측소 N E N E N E (mm/yr) (mm/yr) (mm/yr) (mm/yr) (mm/yr) (mm/yr) MIZU -8.0-6.6-9.9-13.5-230.1 571.7 STK2-15.1 13.4-17.6 10.1-13.0-5.8 TSKB -7.8-3.9-10.2-4.7-60.2 222.8 TSK2-8.2-2.3-10.7-3.5-65.6 222.8 USUD -4.7 0.4-7.9-1.7 20.0 120.3 KSMV -8.7-4.9-13.1-1.9-137.2 270.4 MTKA -5.6-2.4-10.3-0.7-7.8 131.9 SMST - - -10.5-9.5 5.8-3.1 AIRA -18.8 24.3-23.6 19-16.8 7.3 mm/year mm/year 표 3에서 ITRF2008과전해석결과를비교하면각상시관측소별로약간의차이를보이지만, 이는 ITRF(30년 ) 와본연구에사용된자료의관측기간 (1.3년) 이상이하기때문인것으로판단된다. 그러나대부분의상시관측소에서 ITRF2008과비슷한지각변동방향과크기를나타내고있으므로전해석결과를바탕으로후지각변동을모니터링하였다. 후지각변동은 AIRA를제외한나머지상시관측소에서기존의지각변동과는다른양상을나타내고있다. 특히, 진앙지주변 MIZU, TSKB, TSK2, USUD, KSMV 및 MTKA 상시관측소에서동쪽방향으로기존지각변동속도의 10배이상인 120mm/year~ 571mm/year의매우빠른속도를나타내고있다. 표 4는전 후상시관측소별지각변동방향이며, 그림 15에 UNAVCO에서발표한기존의지각변동벡터를나타내었다 [11]. [ 표 4] 상시관측소별지각변동방향 [Table 4] Crustal movement direction of the CORS 상시관측소전후 MIZU STK2 TSKB TSK2 USUD KSMV MTKA SMST AIRA [ 그림 13] 지각변동속도비교 [Fig. 13] Comparison of crustal movement velocity 일본지역 북아메리카지각판 유라시아지각판 필리핀지각판 태평양지각판 [ 그림 15] 일본주변지각판의지각변동벡터 [Fig. 15] Crustal movement vector around Japan [ 그림 14] 상시관측소별지각변동속도벡터 [Fig. 14] Velocity Vector of the CORS 후, STK2 와 SMST 상시관측소는각각남서쪽과 2394
일본동부지역에따른지각변동모니터링 북서쪽으로의이동이나타났다. 이는주변태평양및필리핀지각판과비슷한방향으로이지각판들의지각변동에영향을받는것으로판단된다. MIZU, TSKB, TSK2, USUD, KSMV 및 MTKA 상시관측소의경우, 이동방향이남쪽에서동쪽방향으로변화하였으며, 주변태평양및필리핀지각판의거동과반대방향을나타내었다. 이처럼지각변동이서로반대방향으로진행되면지각판경계에서의원인이되는탄성에너지가축적되게된다. 연구를통해산출된지각변동속도와방향으로볼때, 향후일본동부지역에대규모의이발생할위험성이있다. 따라서예측및지각변동연구를위해일본지역주변에대한지속적인지각변동모니터링이필요하다. 4. 결론 station in Korean peninsula, PhD thesis, Sungkyunkwan University, 2006. [6] K. M. Johnson, Y. J. Hsu, P, Segall, S. B. Yu, "Fault geometry and slip distribution of the 1999 Chi-Chi, Taiwan earthquake imaged from inversion of GPS data", Geophys. Res. Lett. Vol.28, No.11, pp.2285-2288, 2001. [7] C. Subarya, M. Chlieh, L. Prawirodirdjo, J. P. Avouac, Y. Bock, K. Sieh, A. J. Meltzner, D. H. Natawidjaja, R. McCaffrey, "Plate-boundary deformation associated with the great Sumatra-Andaman earthquake", Nature, Vol.440, pp.46-51, 2005. [8] http://www.aiub.unibe.ch/ [9] J. K. Park, Analysis of Influence Area about Japanese Tohoku Earthquake Using IGS Data, Journal of the Korean Cadastre Information Association, Vol.13, No.2, pp.27-34, 2011. [10] http://itrf.ensg.ign.fr/ [11] http://www.unavco.org/ 본연구는 IGS 상시관측소의정밀위치해석을통해일본에따른지각변동변화를모니터링한것으로다음과같은결론을얻었다. 1. 2010년 1월에서 2011년 12월의 IGS 관측자료해석을통해전 후일본지역지각변동변화를효과적으로모니터링할수있었다. 2. 으로인한변위량을산출하였으며, 지각변동모니터링결과이후일본지역의지각변동방향과크기를정량적으로제시할수있었다. 3. 전 후지각변동변화와주변지각판의움직임이서로반대방향임을볼때, 일본동부지역에서지각변동으로인한탄성변형에너지가축적되고있는것으로판단된다. 향후, 일본지역의예측및지각변동연구를위해 GPS를이용한지속적인지각변동모니터링이필요하다. 박준규 (Joon-Kyu Park) [ 종신회원 ] < 관심분야 > 공간정보공학 2001 년 2 월 : 충남대학교공과대학토목공학과 ( 공학사 ) 2003 년 2 월 : 충남대학교대학원토목공학과 ( 석사 ) 2008 년 8 월 : 충남대학교대학원토목공학과 ( 박사 ) 2011 년 3 월 ~ 현재 : 서일대학교토목과전임강사 김민규 (Min-Gyu Kim) [ 정회원 ] References [1] http://en.wikipedia.org/ [2] H. S. Kim, Crustal deformation of Parkfield earthquake from GPS data, Proceeding of the Spring Meeting of KMS, pp.116-117, 2005. [3] D. S. Song, H. S. Yun, Crustal Deformation Velocities Estimated from GPS and Comparison of Plate Motion Models, KSCE journal, Vol.26, No.5D, pp.877-884, 2006. [4] Ministry of Science and Technology, GPS Data Analysis for Active Fault Evaluation, 2006. [5] J. M. Cho, Deformation analysis from permanent GPS < 관심분야 > 공간정보공학 2006 년 2 월 : 충남대학교공과대학토목공학과 ( 공학사 ) 2008 년 2 월 : 충남대학교대학원토목공학과 ( 석사 ) 2008 년 3 월 ~ 현재 : 충남대학교대학원토목공학과 ( 박사과정 ) 2011 년 3 월 ~ 현재 : GGS 엔지니어링기술연구소소장 2395