발진기구
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1. 개요
발진기구는 지진 시 단층의 움직임을 나타내는 정보를 의미하며, 단층 매개변수, 초동발진기구해, CMT해 등을 통해 분석된다. 단층 매개변수는 주향, 경사각, 미끄럼각으로 구성되며, 이를 통해 정단층, 역단층, 주향이동단층 등을 분류한다. 초동발진기구해는 P파의 초기 진동을 분석하여 단층면을 추정하는 방법이며, CMT해는 장주기 지진파를 분석하여 지진의 규모와 단층의 움직임을 파악한다. 발진기구해는 지진의 종류를 신속하게 판별하여 쓰나미 예보 및 방재에 활용된다.
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| 발진기구 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 이름 | 발진 기구 |
| 설명 | 지진 발생 시 지진파를 생성하는 과정 |
| 정보 | |
| 유형 | 지진학 |
| 관련 | 지진, 단층, 지진파 |
| 설명 | 단층면의 방향, 미끄러짐 방향, 지진 모멘트 등을 포함 |
| 중요성 | 단층의 기하학적 구조 및 운동학적 특성 파악 지역의 지진 위험도 평가 |
| 표현 방법 | 비치볼 다이어그램 (Beach ball diagram) 텐서 (Tensor) |
| 활용 분야 | 판 구조론 연구 지진 예측 단층 연구 |
| 추가 설명 | 발진기구해는 지진 발생 메커니즘을 분석하는 데 중요한 도구이다. 지진 발생 시 단층의 움직임 방향과 힘의 크기를 파악할 수 있다. 이를 통해 지진 발생 원인과 과정을 이해하고 미래 지진 발생 가능성을 예측하는 데 활용할 수 있다. |
2. 단층 매개변수
발진기구해에서는 주향, 경사각, 미끄럼각 3가지 요소를 계산해서 결정하며, 이 셋을 하나로 묶어 단층 매개변수라고 부른다.[16][17]
- '''주향'''은 단층면을 지표면(수평면)까지 연장했을 때 단층면과 지표면이 만나는 직선의 방향이다. 보통 진북을 0°로 하여 시계방향으로 늘어나며 이동방향을 나타내는 화살표 오른편에 단층면이 온다. 기호는 φθ라고 쓴다.
- '''경사각'''은 단층면을 지표면(수평면)까지 연장했을 때 두 면이 이루는 각도이다. 수평면상이면 0°이며 최대 90°가 될 수 있다. 기호로는 δ라고 쓴다.
- '''미끄럼각'''은 단층면 아래쪽 지층(하반)에 대한 단층면 위쪽 지층(상반)이 미끄러진 방향이다. 주향 방향을 0°로 하여 시계반대방향으로 늘어난다. 기호로 λ라고 쓴다.
정단층, 역단층, 주향이동단층은 아래와 같이 미끄럼각으로 분류할 수 있다.
- 정단층 - 주향 성분이 없는 순수한 정단층은 미끄럼각이 270°이며, 이 숫자에서 멀어질수록 주향 성분이 커진다.
- 역단층 - 주향 성분이 없는 순수한 역단층은 미끄럼각이 90°이며, 이 숫자에서 멀어질수록 주향 성분이 커진다.
- 주향이동단층 - 정단층이나 역단층 성분이 없는 순수한 주향이동단층은 좌수향의 경우 0°, 우수향의 경우 180°이며 이 숫자에서 멀어질수록 정/역단층 성분이 커진다.
3. 초동발진기구해
각 지진관측소에서 P파의 초동이 "밀기"인지 "당기기"인지(상하로 진동하는 파동에서 첫 번째 파동이 위쪽인지 아래쪽인지)를 파악한다. 예를 들어 압축(Compression)을 받는 지역에서는 첫 진동이 진앙에서 밀려나는 식으로 느껴지고, 팽창(Dilatation)을 받는 지역에서는 진앙으로 끌려가는 듯한 진동을 느낀다.[18]
이를 바탕으로 각 관측점과 진원 사이의 상대적 위치나 속도 구조를 통해 사출각(take-off angle)과 방위각(azimuth)을 구하고, 구면에 각 장력과 압력의 분포를 그리면 진앙을 중심으로 압축과 팽창이 번갈아 나타나는 4개의 구역을 얻을 수 있다.[18] 압력과 장력의 분포는 공의 중심을 지나는 직교하는 두 평면으로 나눌 수 있는데, 이렇게 서로 직교하는 두 면을 구한 것이 초동발진기구해이다.[18] 초동해는 단층면만을 구하기 위해 사용되며, 지진 규모를 구하기 위해서는 다른 방법을 사용해야 한다.
1920년대 시다 도시 등의 지진학자들이 P파 초기 진동의 4사분면 분포를 발견하면서, 이는 지진의 단층면을 유추하는 결정적인 단서가 되어 많은 지진의 초동기구해를 구하려는 시도가 있었다. 하지만 초동해를 구하기 위해서는 수십 곳 이상의 관측점에서 관측한 명확한 P파 초기 진동 파형이 필요하며, 해의 정확도도 관측점의 분포에 크게 의존하기 때문에 관측 지점들과 먼 지역의 지진은 초동해를 구하기 어려웠다.
1970년대 장주기 지진계가 등장하고 계산 환경이 발전하면서 CMT해 계산 방법이 정립되어, 규모가 큰 지진의 발진기구해는 CMT해를 이용하는 경우가 많아졌다. 특히 규모가 큰 지진은 P파 초기 진동이 불분명한 경우도 많고, 초기 단층 파괴와 주진동의 메커니즘이 달라 초동해로는 지진의 단층면해를 명확히 알 수 없어 CMT를 주로 사용한다. 그러나 규모 4 미만의 지진은 장주기 진동의 폭이 작아 CMT해 계산이 어려워 초동해를 통한 발진기구 계산을 하는 경우가 많다.
4. CMT해
CMT는 센트로이드/모멘트/텐서해(Centroid/Moment/Tensor)의 약자로, 아래 3가지 요소를 동시에 표현하는 단층면해이다.[19]
- '''센트로이드''' (Centroid) - 움직인 단층 내에서 운동량이 가장 컸던 지점.
- '''모멘트''' (Moment) - 움직인 단층의 면적과 운동량(에너지)를 나타내는 지진 모멘트 / 모멘트 규모.
- '''텐서''' (Tensor) - 단층이 이동한 방향을 나타내는 단층 매개변수.
CMT해로 추정되는 지진의 '장력', '압력' 분포는 종종 완전한 4사분면을 나타내지 못해 추정 단층면과 약간의 차이가 발생하는 경우가 있다. 이 다른 수치를 "비-이중 결합관계 성분비"(비 D.C. 성분비)라고 하며 종종 단층 운동의 복잡한 정도나 특수성(화산성 지진 등)을 추정하는데 쓰인다. 비이중결합관계 성분비는 선형보상벡터쌍극자(compensated linear vector dipole, CLVD)라고 부르기도 한다. 또한 발진기구해로 계산한 각 관측점의 이론적인 파형과 실제 관측파형의 차이를 주요 감소(VR)이라고 하며 CMT해의 정확도를 측정하는데 쓰인다.
CMT해는 주기 수십 초에서 수백 초의 장주기 지진동을 해석하여 지진 시작부터 종료까지 거의 전 시간을 통해 단층이 미끄러지는 모습(발진기구)를 추정할 수 있고 그 규모(모멘트 규모)도 구할 수 있다. 다만 장주기 지진파가 충분히 강한 크기로 발산되는 규모 M4 이상의 지진에서만 계산할 수 있다.
모멘트 텐서 해는 소위 "비치볼" 다이어그램을 사용하여 그래픽으로 표시된다. 단일 단층면에서 단일 방향의 움직임으로 지진이 발생할 때 방사되는 에너지 패턴은 "이중 커플"로 모델링될 수 있으며, 이는 2차 텐서의 특수한 경우로 수학적으로 설명된다. 응력 및 변형과 유사하며 모멘트 텐서라고 한다.
단층 운동으로 인해 발생하지 않는 지진은 에너지 방사 패턴이 매우 다르다. 예를 들어 지하 핵실험의 경우 지진 모멘트 텐서는 등방성이며, 이러한 차이점으로 인해 그러한 폭발을 지진 반응과 쉽게 구별할 수 있다. 이는 포괄적 핵실험 금지 조약을 위한 지진과 폭발을 구별하는 모니터링의 필수적인 부분이다.
5. 모멘트 텐서 해의 도식 표현("비치볼" 플롯)
모멘트 텐서 해는 "비치볼" 다이어그램을 사용하여 그림으로 표현된다. 하나의 단층면에서 한 방향으로 움직여 지진이 발생할 때 방출되는 에너지 패턴은 "이중 커플"로 모델링할 수 있다. 이는 수학적으로 2차 텐서의 특수한 경우로 설명되며, 응력 및 변형과 유사하며 모멘트 텐서라고 한다.
단층 운동으로 인해 발생하지 않는 지진은 에너지 방사 패턴이 매우 다르다. 예를 들어 지하 핵실험의 경우 지진 모멘트 텐서는 등방성이며, 이러한 차이점으로 인해 그러한 폭발을 지진 반응과 쉽게 구별할 수 있다. 이는 포괄적 핵실험 금지 조약을 위한 지진과 폭발을 구별하는 모니터링의 필수적인 부분이다.
지진 데이터는 하위 반구 정사영법을 사용하여 도표로 작성된다. 방위각과 발사각은 개별 지진 기록의 위치를 표시하는 데 사용된다. 발사각은 지진 진원에서 나오는 지진파가 수직에서 이루는 각도를 나타낸다. 이러한 각도는 발사각과 진원과 관측소 사이의 거리 간의 관계를 설명하는 표준 표에서 계산된다. 관례에 따라 채워진 기호는 P파의 초기 운동이 위(압축파)로 기록된 관측소의 데이터를 표시하고, 속이 빈 기호는 아래(인장파)로 기록된 관측소, 움직임을 감지하기에 너무 약한 도착 신호가 있는 관측소는 십자 기호로 표시한다. 충분한 관측이 있으면 압축과 인장 관측을 나누는 잘 제약된 두 개의 직교 대원을 그릴 수 있으며, 이것이 절점면이다. 명확한 초기 운동이 없는 관측소는 일반적으로 이러한 면에 가깝게 위치한다. 관례에 따라 압축 사분면은 색상으로 채워지고 인장 사분면은 흰색으로 남는다. 두 절점면은 N(중립)축에서 교차한다. P축과 T축도 종종 표시된다. N축과 함께 이 세 방향은 각각 지진과 관련된 최대, 최소 및 중간 주 압축 응력의 방향과 일치한다. P축은 흰색 세그먼트의 중앙에 표시되고 T축은 색상이 채워진 세그먼트의 중앙에 표시된다.
지진을 유발하는 단층면은 절점면 중 하나와 평행하며, 다른 하나는 보조면이라고 한다. 단층 메커니즘만으로는 절점면 중 어느 것이 단층면인지 결정할 수 없다. 모호성을 제거하려면 다른 지질학적 또는 지구물리학적 증거가 필요하다. 단층의 한쪽 면이 다른 면에 대해 움직이는 방향인 미끄럼 벡터는 단층면 내에 있으며, N축에서 90도 떨어져 있다.
예를 들어, 2004년 인도양 지진에서 모멘트 텐서 해는 두 개의 절점면을 제공하며, 하나는 북동쪽으로 6도 기울어져 있고 다른 하나는 남서쪽으로 84도 기울어져 있다. 이 경우 지진은 역사적인 지진 위치와 판 구조 모델에 의해 정의된 섭입 슬래브의 방향이므로 얕게 북동쪽으로 기울어진 면과 자신 있게 관련될 수 있다.[3]
단층면 해는 단층면의 표면 발현이 없거나 해양이 단층 흔적을 덮고 있는 깊이의 지진원 부피에서 단층의 유형을 정의하는 데 유용하다. 해저 확장 가설의 성공적인 테스트의 간단한 예는 해양 변환 단층[4]을 따라 움직임의 감각이 해양 능선의 오프셋에 대한 고전적인 지질학적 해석에서 예상되는 것과 반대라는 것을 입증하는 것이었다. 이는 해양 단층의 지진에 대한 단층면 해를 구성하여 수행되었으며, 단층과 평행한 하나의 절점면과 능선에서 해저 확장의 아이디어가 요구하는 방향으로의 미끄럼이 있는 주향 이동 성질의 비치볼 플롯(그림 참조)을 보여주었다.[5]
단층면 해는 또한 일부 섭입 슬래브의 깊은 지진대가 압축을 받고 다른 지진대는 인장을 받는다는 것을 발견하는 데 중요한 역할을 했다.[6][7]
6. 발진기구해 계산 프로그램
지진 모멘트 텐서(발진기구해)를 계산하는 여러 프로그램 중 MATLAB 기반 툴박스인 BBC를 사용하여 발진기구 그림을 준비할 수 있다. 이 소프트웨어는 서로 다른 관측소에 도착하는 첫 번째 움직임 극성 데이터를 표시한다. 마우스를 사용하여 압축과 팽창을 구분하면 최종 다이어그램이 자동으로 준비된다.[8]
참조
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Mechanism of earthquakes and nature of faulting on the mid-oceanic ridges
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The state of stress in subducting slabs as revealed by earthquakes analysed by moment tensor inversion
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