미국 남서부 지진 발생에 의한 지각응력 변화 모니터링: 지질공학적 방법
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2016
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-KDC
500
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학술저널
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59-60(2쪽)
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지진 메커니즘 해석의 주요 요소인 지각응력과 지진과의 상관관계 연구가 현재까지 활발하게 이루어지고 있다(Richardson et al., 1979; Zoback and Healy, 1992; King et al., 1994;Hardebeck et al., 1998; Stein, 1999). 특히 지진 발생 전후 진앙 주변의 응력 변화 규명을 통해 지각응력 변화가 단층 운동에 미치는 영향을 역추적하려는 연구가 진행되고 있다(King et al,1994; Stein, 1999; Parsons et al., 2006). 하지만 한 지역에서의 시간에 따른 응력 변화를 직접 측정하기 위해서는 반복적인 측정이 이루어져야 하며 이에는 다양한 기술적 제약이 있다. 반면에 단층 운동이 예상되는 지역에 대한 지각변형 측정이 국제적으로 여러 방법을 통해 진행되고있다. 미국 서부 지역의 경우 Plate Boundary Observatory Project의 주도로 설치된 100여 개의시추공 변형률계를 통한 지각변형 측정이 이루어지고 있다. 측정된 지각변형 자료로부터는 단층운동 발생과 연관된 연속적인 지각변형을 관찰·분석하여 시간에 따른 지각변형에 대한 정보를 얻을 수 있는 장점이 있다(Langbein et al., 2006). 본 연구에서는 응력 변화 산정을 위해 응력-변형률간의 변형학적 관계를 활용한 간단한 방법을 유도하였으며, 시추공 변형률계 자료를이용하여 시간에 따른 지각응력의 변화 양상을 관찰하고 해석하고자 하였다. 2010년 4월 4일과 7월 7일에 각각 El Mayor-Cucapah 지진(규모 7.2)과 Ocotillo California 지진(규모 5.4)이 북부 멕시코, 미국 남서부에서 발생하였으며, 두 지진에 의한 지각 변형 신호가Anza 지역에 집중되어 설치된 총 8기의 시추공 변형률계에 감지되었다. 이들 시추공 변형률계의 설치 지역은 El Mayor-Cucapah 지진 진앙지로부터는 북서방향 150 km, Ocotillo California지진 진앙지로 부터는 북서방향 20 km에 위치한다. 본 연구에서 사용한 자료는 각 지진이 발생하기 전후 24 시간 동안의 각 시추공 세 수평방향에서 측정된 시간에 따른 변형률 자료이며 이들 원시자료에는 지구조석효과, 기압 효과 그리고 시멘트 양생에 의한 변형 효과 등의 비지구조적 신호들이 포함되어 있어 이러한 잡음들이 필터링된 지구조 응력 변화에 의한 변형 성분만을 분석에 이용하였다. 먼저 각 시추공의 세 수평방향의 변형률로부터 주변형(principal strains) 방향과 그 방향에서의 주변형률의 크기를 규명한 후, 지각이 탄성물질이라는 가정 하에 시간에 따른 응력변화를 도출하였다. 수치분석 결과 시추공 변형률계 설치시 사용된 그라우팅의 강성에 의한 응력 변화에 대한 효과는 오차 범위내에서 무시할 만한 수준으로 나타나 본 연구에서는 그라우팅 존재를 무시하고 분석하였다. El Mayor-Cucapah 지진의 경우 지진 발생 이전의 지각응력은 대체로 N-S 방향으로 증가하는 경향이 나타났다. 응력의 증가량은 10-5 MPa 이내의 진폭으로 매우 미세하였다. 이러한 경향은 지진 발생과 동시에 N-S 방향으로 응력이 급강하(10-3 MPa 수준)하고 반면 E-W 방향으로 지각응력이 증가하는 양상으로 급격히 전환되었다. 이는 지진 발생 전의 누적되었던 N-S 방향에서의 응력이 지진발생에 동반되어 해소되었기 때문인 것으로 해석된다. 이러한 지각응력 방향 변화의 양상은 지진 발생 이후에 일부(8 시추공 중 3 시추공)를 제외하고 대체로 지진 발생직후 변화된 응력 방향을 유지하는 경향을 보였다. Ocotillo California 지진의 경우는 지진 발생이전의 지각응력이 El Mayor-Cucapah 지진의 경우에 비해 특정 방향을 제한하기 어려운 변화양상을 보였으나, 지진에 의한 급격한 방향의 변화가 동일하게 관찰되었다. 이 지진의 경우 N-S방향에서의 응력 저감은 약 10-4 MPa 수준이다. 시추공 변형률계를 이용한 응력변화 유추결과는 단층운동에 동반되어 유도되는 진앙지 주변으로의 쿨롱응력전파 모델 결과와 유사하게 나타나 시추공 변형률계가 지진발생에 의한 응력 변화를 납득할 수 있게 감지한 것으로 파악된다. 지진 발생 후 12시간 동안에는 지진 발생 전과 유사하게 10-5 MPa 이내의 진폭으로 응력이대체로 해소되고 있는 것으로 나타났다. 본 연구는 시추공 변형률계가 지진 관련 시간에 따른 지각응력 변화 연구에 활용될 가능성이 있다는 점을 시사한다.
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