표면파 규모
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1. 개요
표면파 규모는 지진의 규모를 나타내는 척도 중 하나로, 지진파 중 표면파의 진폭과 주기를 이용하여 계산한다. 찰스 리히터가 국지 규모를 정의한 이후, 표면파와 규모의 관계가 연구되었으며, 베노 구텐베르크에 의해 표면파의 진폭과 진앙 거리를 활용한 규모 측정 방법이 제시되었다. 이후 비트 카르니크에 의해 계측식이 개선되었고, 국제 지진학 및 지구 내부 물리학 연합(IASPEI)에서 얕은 지진의 규모를 측정하는 표준적인 수법으로 권장되었다. 표면파 규모는 지진의 에너지량 증가에 따라 로그 스케일로 증가하며, 국지 규모와 유사한 값을 갖지만, 거대 지진에서는 모멘트 규모가 더 정확한 값을 제공한다. 중국에서는 1999년부터 국가 표준으로 사용되었으나, 2017년에 모멘트 규모로 대체되었다.
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모멘트 규모(Mw)는 지진 모멘트(M0)를 이용하여 지진의 크기를 나타내는 척도로, 리히터 규모 등의 한계를 극복하여 규모 4 이상의 지진에 대해 정확한 규모를 측정할 수 있으며, 현재 중대형 지진의 규모 측정에 표준적으로 사용된다. - 지진 등급 - 지진 규모
지진 규모는 지진이 방출하는 에너지의 크기를 나타내는 절대적 척도로, 지진계 기록을 통해 결정되며, 규모 1 증가 시 에너지는 약 32배 증가하고 지진 발생 빈도는 약 10배 감소한다. - 지진학 - 판 구조론
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진앙은 지진이 발생한 지표면의 지점을 의미하며, 지진파 분석을 통해 위치를 파악하고 지진 규모 및 피해 예측에 활용한다.
표면파 규모 | |
---|---|
개요 | |
종류 | 지진 규모 척도 |
정의 | |
대상 | 원거리 지진 |
측정 | 표면파의 최대 진폭 |
기호 | Ms |
특징 | |
개발자 | 베노 구텐베르크와 찰스 릭터 |
개발 년도 | 1930년대 |
적용 범위 | 중간 규모에서 큰 규모의 지진 (대략 M 5 ~ 7) |
포화 현상 | 발생. Ms 8.0 ~ 8.5 이상에서는 정확도 하락 |
사용 지역 | 주로 유럽과 중국 |
계산 | |
경험식 | Ms = log10(Amax/T) + σ(Δ) + Cs |
Amax | 표면파의 최대 수평 지면 운동 (단위: μm) |
T | Amax에 해당하는 주기 (단위: s, 보통 20초) |
Δ | 진앙 거리 (단위: 도) |
σ(Δ) | 진앙 거리에 따른 보정 항 |
Cs | 관측소별 보정 항 |
파생 척도 | |
mB | IASPEI에서 권장하는 표면파 규모 척도 |
2. 역사
찰스 리히터는 1935년에 지진 에너지량을 기준으로 한 국지 규모(릭터 규모)를 정의했고, 이후 규모와 표면파의 관계가 연구되었다. 1936년 베노 구텐베르크와 찰스 리히터는 국지 규모 사용 조건을 보충하였다.
베노 구텐베르크는 표면파 주기와 진폭의 관계를 이용하여 규모를 측정할 수 있음을 확인, 1945년 표면파 규모 측정식을 제안했다.[7] 이 방식은 국지 규모 기반 로그 스케일을 사용하며, 특정 조건(주기 약 20초, 진앙 거리 20° 이상)에서 적용되었다. 1962년 Vít Kárníkde는 진앙 거리 20°~160°, 진원 깊이 50km 이내 조건으로 측정식을 개선했다.[8] 1967년 International Association of Seismology and Physics of the Earth’s Interior는 얕은 지진(진원 깊이 50km 이내) 측정에 이 방식을 권장했다.[9]
1999년 중국은 지진 규모 분류에 중화인민공화국 국가표준 (GB 17740-1999)으로 표면파 규모를 채택했지만,[10] 2017년 모멘트 규모로 대체했다.[11]
2. 1. 표면파 규모의 등장 배경
찰스 리히터가 1935년에 지진이 발생시키는 에너지량을 기준으로 한 지표값인 국지 규모(릭터 규모)를 정의한 이후, 규모와 표면파의 관계가 연구되었다. 국지 규모는 지진계가 측정한 진폭과 진앙에서 측정 지점까지의 거리로부터 규모 값을 결정하며, 그에 직접적으로는 표면파는 관여하지 않았다. 1936년에 베노 구텐베르크와 찰스 리히터는 국지 규모를 사용하는 조건을 보충하여, 지진계가 계측하는 표면파의 주기가 약 20초인 것, 진앙과 측정 지점의 각도가 20° 이상인 것을 부여하고, 이러한 조건에서 크게 벗어나는 경우에는 국지 규모로 산출한 값은 적절하지 않다고 했다.[7] 또한, 진앙과 측정 지점의 각도가 20° 이상이면 지진이 발생시키는 표면파의 진폭과 주기가 변수를 동반하지 않는 일차 방정식의 관계에 있다고 언급했다.2. 2. 표면파 규모의 정의 및 발전
찰스 리히터가 1935년에 지진이 발생시키는 에너지량을 기준으로 한 지표값인 국지 규모(리히터 규모)를 정의한 이후, 규모와 표면파의 관계가 연구되었다. 국지 규모는 지진계가 측정한 진폭과 진앙에서 측정 지점까지의 거리로부터 규모 값을 결정하며, 직접적으로 표면파는 관여하지 않았다. 1936년 베노 구텐베르크와 찰스 리히터는 국지 규모를 사용하는 조건을 보충하여, 지진계가 계측하는 표면파의 주기가 약 20초이고 진앙과 측정 지점의 각도가 20° 이상일 것을 제시하였다. 이러한 조건에서 크게 벗어나는 경우에는 국지 규모로 산출한 값은 적절하지 않다고 했다. 또한, 진앙과 측정 지점의 각도가 20° 이상이면 지진이 발생시키는 표면파의 진폭과 주기가 변수를 동반하지 않는 일차 방정식의 관계에 있다고 언급했다.베노 구텐베르크는 1945년에 표면파의 주기에서 표면파의 진폭을 산출할 수 있다는 점에 착안하여, 규모가 표면파의 진폭과 진앙 거리(각도)로부터 측정할 수 있다고 언급했다.[7] 이때, 규모의 특성·지표값은 국지 규모를 답습하여, 계측식을 지진계·관측 지점 특유의 보정을 포함하는 로그 스케일로 정의하고, 계측값을 국지 규모의 근사값으로 만들기 위해 상수의 합·곱으로 보정했다. 이 계측식을 사용하는 조건으로 표면파의 주기가 약 20초이고, 진앙 거리가 20° 이상인 것으로 했다. Vít Kárníkde는 1962년에 베노 구텐베르크의 계측식을 개선하여 표면파 규모의 계측식을 정의했다.[8] 계측식을 사용하는 조건으로 진앙 거리가 20°에서 160°의 범위이고, 진원의 깊이가 50km 이내인 것으로 했다. International Association of Seismology and Physics of the Earth’s Interior는 1967년에 진원의 깊이가 50km 이내인 얕은 지진의 규모를 계측하는 표준적인 수법으로서, 비트 카르니크가 정의한 계측식 및 표면파 규모를 권장하는 것에 합의했다.[9]
2. 3. 중국의 표면파 규모 사용
1999년부터 중국에서 지진 규모에 따른 분류를 위해 중화인민공화국 국가표준 (GB 17740-1999)으로 표면파 규모를 채택했지만[10], 2017년 더 정확한 규모 값으로 분류하기 위해 국가 기준을 갱신하여 모멘트 규모가 대신 채용되었다[11]。3. 정의
표면파 규모를 정의하는 공식은 아래와 같다.[18]
:
여기서 A는 표면파의 최대 입자변위(두 수평변위의 벡터합으로 계산)를 마이크로미터(μm) 단위로 나타낸 것이며, T는 초 단위의 주기이며 보통 20±2초를 사용하며, Δ는 도(°) 단위의 진앙과의 거리이다. 델타함수는 아래와 같다.
:
위의 기본 방정식을 20세기에 걸쳐 변형하거나 상수값을 보정한 다양한 방정식이 등장하였다.[15][21] 원래의 는 원지지진(Teleseism)의 지진파, 즉 지진계가 진앙으로부터 약 100 km 이상 떨어진 지점에 있는 천발지진을 위해 측정했기 때문에 진앙과의 거리가 50 km 이하거나 두 지진계의 각도가 20°보다 작을 경우 보정값이 추가로 필요하다.[15]
3. 1. 측정 방법 (중국)
중국 정부가 공식적으로 사용하는 표면파 규모 측정 방법은 다음과 같다.[3] 두 수평 변위를 동시에 혹은 주기의 1/8 이내에 측정해야 하며, 만일 두 변위의 주기가 다를 경우 아래의 가중 합계 공식을 통해 측정값을 보정한다.:
여기서 AN은 남북 변위(μm), AE는 동서 변위(μm), TN은 AN에 해당하는 주기(s), TE는 AE에 해당하는 주기(s)이다.
4. 기타 공식
체코의 지진학자 블라디미르 토비아시와 독일의 지진학자 라인하르트 미타크는 릭터 규모와 표면파 규모 사이의 관계식을 발표하였다.[22] 중국에서 사용하는 Ms 척도는 중국이 개발한 763형 장주기 지진계에 사용하기 위해 조정한 수정 표면파 규모이다.[25]
4. 1. 모스크바-프라하 공식
1967년 IASPEI가 사용을 권고한 "모스크바-프라하 공식"은 표준화된 '''Ms20'''('''Ms_20''', '''Ms(20)''') 규모 척도 계산식이다.[23] 그 외에도 최대 60초 주기의 가장 강력한 레일리파 진폭을 측정하는 광대역 개정 규모('''Ms_BB''', '''Ms(BB)''')도 있다.[24]1967년 모스크바-프라하 공식은 아래와 같다. 여기서 A는 수평 성분 표면파의 최대 진폭(단위 μm), T는 주기이다.
: (20° ≦ Δ ≦ 60°)
4. 2. 릭터 규모와의 관계식 (토비아시와 미타크)
체코의 지진학자 블라디미르 토비아시와 독일의 지진학자 라인하르트 미타크는 릭터 규모와 표면파 규모 사이의 관계식을 아래와 같이 발표하였다.[22][5]: ''M''s = -3.2 + 1.45 ''M''L
4. 3. 중국에서 사용하는 표면파 규모 공식 (CHEN 등)
CHEN 등은 중국에서 가끔씩 사용하는 표면파 규모를 계산하는 보정된 공식을 아래 세 가지 종류로 제시했다.[27]:
:
:
4. 4. 러시아의 MLH 규모
러시아 일부 지역에서 사용하는 '''MLH''' 규모는 표면파 규모이다.[26]5. 특징
표면파 규모는 국지 규모의 특성과 평가치를 따르며, 지진의 에너지량 증가에 대해 로그 스케일로 값을 증가시킨다. 따라서 어떤 지진의 규모를 표면파 규모와 국지 규모로 측정하면 거의 동일한 값을 얻을 수 있다.
표면파 규모는 국지 규모와 달리 관측 지점별 보정값을 필요로 하지 않지만, 국지 규모와 마찬가지로 규모가 큰 지진에서는 규모 값이 수렴하는 경향이 있다. 따라서 속보적인 규모 보고에는 사용되지만, 거대 지진 등에서 다시 정확한 규모를 보고할 때는 모멘트 규모가 사용된다[13][14]
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