대규모 지진 이후에는 여진 사건을 모니터링하기 위해 지진 발생 지점(epicenter) 근처에 지진계(seismometer)를 일시적으로 배치하는 경우가 흔하다. 이러한 여진 기록은 비정상(비고정, nonergodic) 부지(b)항 용어( site term ) 개발을 위한 유용한 자료이며, 이는 지반 운동 예측 정확도를 향상시킨다. 정상(ergodic) 부지 용어는 시간적 및 공간적으로 평균화된 부지 조건을 의미하는 반면, 비정상 부지 용어는 위치에 따라 달라지는 변이를 반영한다. 지반 운동 모델(Ground Motion Model, GMM)은 특정 부지에서 지진의 강도 지표(Intensity Measures, IM)를 예측한다. 비정상 접근법은 GMM의 예측 불확실성을 감소시켜 IM 추정의 정확도를 높인다. 정상(ergodic) GMM 방법과 달리, 비정상 접근법은 특정 부지 용어를 사용하여 국소적 변이를 포착할 수 있다. 본 연구는 여진 기록으로부터 도출한 비정상 부지 용어를 통합하여 M 5.4 포항 지진의 IM 지도를 정교화하였다. 상세한 절차는 다음을 포함한다. 1) 잔차 분석과 보간(interpolation) 기법을 포함하는 비정상 부지 용어의 개발 2) GMM과 지역 부지 증폭(site amplification) 모델을 결합하여 부지 증폭 수정 인자(site amplification modification factors)의 도출 3) 두 개의 검증 관측소(validation stations)를 사용하여 RMSE와 MAE와 같은 통계적 지표로 검증. 그 결과, 두 검증 관측소에서 비정상 부지 용어를 사용하지 않은 경우에 비해 최대지반가속도(Peak Ground Acceleration, PGA)의 예측 오차가 각각 30% 및 16% 감소하는 것으로 나타났다. 비정상 부지 용어의 평가를 위해 여진 기록을 활용하는 이점은 지진파가 한 부지에 도달하는 경로(ray path)가 여러 사건에 대해 공유되어 경로 항(path term)의 불확실성이 최소화된다는 점이다. 이러한 결과는 주요 사건 이후 관심 지역의 부지에 임시 관측소를 배치하는 것이 본진(mainshock)의 지진 강도(seismic intensity)를 정교화하는 데 중요함을 시사한다.

원격탐사의 발전은 고해상도 디지털 고도모델(Digital Elevation Models, DEMs)의 생성을 가능하게 했다. DEM으로부터 산출되는 경사 구배(slope gradient, SG), 국소 볼록성(local convexity, LC), 표면 질감(surface texture, ST)과 같은 지형학적 특징은 지하 지질 조건과 관련이 있다. 대한민국에서는 기반암 심도(bedrock depth, Dbedrock)와 토양의 평균 전단파 속도(average shear wave velocity, VSsoil)가 부지 분류(site class)를 결정하는 지표로 사용되며, 이는 내진 설계 기준에서의 부지 증폭 정도를 나타낸다. 이러한 지표는 통상적으로 지반공학 및 지구물리 조사로 측정되지만, 대규모 지역에 대한 예비 추정을 위해서는 예측 방법이 필요하다. 선행 연구에서는 SG, LC, ST를 사용하여 자동 지형 분류(automatic terrain classification, AC) 기법을 개발했으며, 이후의 연구에서는 지형 분류가 Dbedrock 및 평균 전단파 속도와 같은 지하 조건을 최대 30 m 깊이까지 효과적으로 대변한다고 보고되었다. 그러나 AC는 DEM의 지역적 특성에 본질적으로 의존하여, 지형 특성(SG, LC, ST)의 중첩된 평균(nested means)을 기준으로 영역을 구분한다. 본 연구에서는 Dbedrock 및 VSsoil 예측을 최적화하기 위해 분류 구분의 임계값을 결정하는 두 가지 지형 분류 방법을 개발하였다: 순차 최적화 분류(Sequentially Optimized Classification, SOC)와 비순차 최적화 분류(Non-Sequentially Optimized Classification, NOC). 지형 분류 방법, 지형 클래스 생성에서의 평활(smoothing) 수준, 그리고 임계값 수준에 대한 민감도 분석을 수행한 후, 지질 및 산악 지역 분포와의 비교를 통해 최적의 분류 방법을 도출하였다. 이어서 각 클래스별로 DEM 의존적 회귀 모델을 개발하여 Dbedrock 및 VSsoil 예측 정확도를 향상시켰다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다. (1) 본 연구에서 제안한 지형 클래스 지도는 충적평야 및 산악 지역의 분포를 잘 나타내며, (2) 각 클래스에 대한 DEM 보정은 대한민국에서 Dbedrock 및 VSsoil 예측의 정확도를 증가시킨다. 본 연구에서 도출한 지형 클래스 지도와 Dbedrock 및 VSsoil 지도는 내진 설계를 위한 지질 해석 및 토지이용 계획에 효과적으로 활용될 것으로 기대한다.

저자: Ahdi, Sean K; Ancheta, Timothy D; Contreras, Victor; Kishida, Tadahiro; Kwak, Dong Youp; Kwok, Annie O; Parker, Grace A; Bozorgnia, Yousef; Stewart, Jonathan P

지진 지반운동 기록의 공학적 활용을 가능하게 하기 위해, 본 연구는 표준화된 전처리 절차를 수립하고 각 전처리 단계가 지반운동 자료의 특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석한다. 최근 대한민국에서 지진 관측망의 확장으로 인해 저~중 진폭의 지진 지반운동이 풍부해지고 있다. 그러나 원시 지반운동 기록에는 계측기 응답과 주변 잡음이 포함되어 있으며, 기준선 드리프트의 영향을 받는 경우가 많아 적분된 변위 시간 이력의 발산을 초래한다. 따라서 이러한 기록을 공학적 해석에 신뢰성 있게 사용하려면 계측기 응답 보정, 신호 윈도잉, 필터링, 기준선 보정을 포함하는 포괄적인 전처리 절차가 필요하다. 본 연구에서는 대한민국에서 기록된 지반운동 자료에 대해 주요 전처리 매개변수가 지반운동 특성에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해 민감도 분석을 수행하였다. 분석 결과에 기반하여, 현장 반응 해석, 동적 구조 해석 및 지진 재해도 평가에서 지반운동 기록을 효과적으로 활용하기 위한 표준화된 전처리 워크플로를 제안한다.

대규모 지진 이후에는 여진 사건을 모니터링하기 위해 지진 발생 지점(epicenter) 근처에 지진계(seismometer)를 일시적으로 배치하는 경우가 흔하다. 이러한 여진 기록은 비정상(비고정, nonergodic) 부지(b)항 용어( site term ) 개발을 위한 유용한 자료이며, 이는 지반 운동 예측 정확도를 향상시킨다. 정상(ergodic) 부지 용어는 시간적 및 공간적으로 평균화된 부지 조건을 의미하는 반면, 비정상 부지 용어는 위치에 따라 달라지는 변이를 반영한다. 지반 운동 모델(Ground Motion Model, GMM)은 특정 부지에서 지진의 강도 지표(Intensity Measures, IM)를 예측한다. 비정상 접근법은 GMM의 예측 불확실성을 감소시켜 IM 추정의 정확도를 높인다. 정상(ergodic) GMM 방법과 달리, 비정상 접근법은 특정 부지 용어를 사용하여 국소적 변이를 포착할 수 있다. 본 연구는 여진 기록으로부터 도출한 비정상 부지 용어를 통합하여 M 5.4 포항 지진의 IM 지도를 정교화하였다. 상세한 절차는 다음을 포함한다. 1) 잔차 분석과 보간(interpolation) 기법을 포함하는 비정상 부지 용어의 개발 2) GMM과 지역 부지 증폭(site amplification) 모델을 결합하여 부지 증폭 수정 인자(site amplification modification factors)의 도출 3) 두 개의 검증 관측소(validation stations)를 사용하여 RMSE와 MAE와 같은 통계적 지표로 검증. 그 결과, 두 검증 관측소에서 비정상 부지 용어를 사용하지 않은 경우에 비해 최대지반가속도(Peak Ground Acceleration, PGA)의 예측 오차가 각각 30% 및 16% 감소하는 것으로 나타났다. 비정상 부지 용어의 평가를 위해 여진 기록을 활용하는 이점은 지진파가 한 부지에 도달하는 경로(ray path)가 여러 사건에 대해 공유되어 경로 항(path term)의 불확실성이 최소화된다는 점이다. 이러한 결과는 주요 사건 이후 관심 지역의 부지에 임시 관측소를 배치하는 것이 본진(mainshock)의 지진 강도(seismic intensity)를 정교화하는 데 중요함을 시사한다.

원격탐사의 발전은 고해상도 디지털 고도모델(Digital Elevation Models, DEMs)의 생성을 가능하게 했다. DEM으로부터 산출되는 경사 구배(slope gradient, SG), 국소 볼록성(local convexity, LC), 표면 질감(surface texture, ST)과 같은 지형학적 특징은 지하 지질 조건과 관련이 있다. 대한민국에서는 기반암 심도(bedrock depth, Dbedrock)와 토양의 평균 전단파 속도(average shear wave velocity, VSsoil)가 부지 분류(site class)를 결정하는 지표로 사용되며, 이는 내진 설계 기준에서의 부지 증폭 정도를 나타낸다. 이러한 지표는 통상적으로 지반공학 및 지구물리 조사로 측정되지만, 대규모 지역에 대한 예비 추정을 위해서는 예측 방법이 필요하다. 선행 연구에서는 SG, LC, ST를 사용하여 자동 지형 분류(automatic terrain classification, AC) 기법을 개발했으며, 이후의 연구에서는 지형 분류가 Dbedrock 및 평균 전단파 속도와 같은 지하 조건을 최대 30 m 깊이까지 효과적으로 대변한다고 보고되었다. 그러나 AC는 DEM의 지역적 특성에 본질적으로 의존하여, 지형 특성(SG, LC, ST)의 중첩된 평균(nested means)을 기준으로 영역을 구분한다. 본 연구에서는 Dbedrock 및 VSsoil 예측을 최적화하기 위해 분류 구분의 임계값을 결정하는 두 가지 지형 분류 방법을 개발하였다: 순차 최적화 분류(Sequentially Optimized Classification, SOC)와 비순차 최적화 분류(Non-Sequentially Optimized Classification, NOC). 지형 분류 방법, 지형 클래스 생성에서의 평활(smoothing) 수준, 그리고 임계값 수준에 대한 민감도 분석을 수행한 후, 지질 및 산악 지역 분포와의 비교를 통해 최적의 분류 방법을 도출하였다. 이어서 각 클래스별로 DEM 의존적 회귀 모델을 개발하여 Dbedrock 및 VSsoil 예측 정확도를 향상시켰다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다. (1) 본 연구에서 제안한 지형 클래스 지도는 충적평야 및 산악 지역의 분포를 잘 나타내며, (2) 각 클래스에 대한 DEM 보정은 대한민국에서 Dbedrock 및 VSsoil 예측의 정확도를 증가시킨다. 본 연구에서 도출한 지형 클래스 지도와 Dbedrock 및 VSsoil 지도는 내진 설계를 위한 지질 해석 및 토지이용 계획에 효과적으로 활용될 것으로 기대한다.