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변형계

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목차

1. 개요

변형계는 지진동에 의한 지반의 팽창을 정밀하게 측정하는 장치로, 지각 변동이나 지구 조석에 의한 고체 지구의 변형 등을 기록하는 데 사용된다. 석영관 팽창계, 체적 변형계, 다성분 변형계 등 다양한 종류가 있으며, 특히 석영관 팽창계가 일반적이다. 기상청은 체적 변형계와 다성분 변형계를 설치하여 운영하고 있으며, 난카이 해구 주변과 같은 지진 위험 지역에 다수의 관측소를 설치하여 지진 관측에 활용하고 있다.

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변형계
개요
유형지각 변동 관측 장치
활용지각의 변형 측정
지진 예측 연구
화산 활동 모니터링
작동 원리
기본 원리재료의 변형에 따른 전기 저항 변화 측정
구성 요소변형 감지 센서
신호 처리 장치
데이터 기록 장치
종류
종류스트레인 게이지형
광섬유형
용량형
특징
스트레인 게이지형높은 정확도와 안정성
광섬유형원격 측정 가능, 내환경성 우수
용량형고분해능, 소형화 용이
활용 분야
지진 연구지진 발생 전 지각 변동 감지
단층 활동 모니터링
화산 연구화산 분화 예측
마그마 이동 감지
건설 및 토목 공학구조물 안전 진단
지반 안정성 평가
기타
참고지진조사연구추진본부
참고기상청

2. 변형계의 종류

기상청이 설치하는 변형계는 '''체적 변형계'''와 '''다성분 변형계''' 두 종류이다.[2] 체적 변형계는 암반의 팽창・수축에 따른 검출부의 체적 변화, 즉 "체적 변형"을 측정한다. 다성분 변형계는 검출부의 45도씩 다른 4개 방위의 직경 변화, 즉 "선 변형"을 측정하여 변형의 크기와 방향별 변화를 모두 측정할 수 있다.[2]

지진동에 의한 지반 팽창(수평 변형)을 정밀하게 측정하는 장치로는 팽창계(변형 지진계)가 있다.[3] 암반 2지점 사이 변형을 측정하며, 1932년 베니오프가 처음 설치하였다. 지각 변동에 의한 지반의 장기적 변형이나 지구 조석에 의한 고체 지구 변형 등도 기록할 수 있으며, 변형량은 10-9 (1km 당 1μm) 정도이다. 일본 기상청 마쓰시로 지진 관측소 등에 설치되어 있다. 가변 용량형 변형 지진계[3]나 석영관 변형 지진계 등이 있지만, 가장 일반적인 것은 석영관 팽창계이다.

외력에 의해 물체가 변형되어 체적이 변할 때, 변형 전 체적을 V, 변형에 따른 체적 변화량을 ⊿V라고 하면, 체적 변형(변형 비율)은 ⊿V/V로 표시된다.[8][9]

체적 변형계 검출부 용기 내에는 실리콘 오일이 있으며, 암반 팽창・수축에 따른 실리콘 오일 체적 변화를 측정한다.[14] 삭스・에버트슨식 체적 변형계(1970년)가 유명하며,[10][11] 직경 약 11cm, 길이 약 3m의 금속 원통형 용기이다.[12] 체적 변형계는 변형의 1성분만 감지할 수 있어, "사카타식 삼성분 왜계" 등이 고안되었다.[12]

기상청은 1976년 이후 도카이 지방이나 남칸토에 체적 변형계를 총 31곳 설치했다(지진 관측정 깊이는 50m~300m).[13][14]

원지 지진 발생 시 우물 수위가 변동하는 경우가 있는데, 1952년 도카치 지진 및 캄차카 지진 때 진원에서 멀리 떨어진 하와이 호놀룰루 우물 수위가 25cm 정도 승강한 현상은 체적 변형계 메커니즘과 유사하다.

2. 1. 팽창계 (변형 지진계)

변형계는 지하 암반의 늘어남과 줄어듦(지각 변형)을 매우 높은 감도로 관측할 수 있는 지각 변동 관측 장치이므로, 지진 관측이나 화산 관측 등에서 중요한 역할을 한다.[1] 난카이 해구 지진 등의 관측에서는 보어홀이라는 직경 약 15cm의 수직 구멍을 수백 미터 정도 굴착하여 그 바닥에 원통형 검출부를 매설한다.[2] 지하 암반은 주변에서 가해지는 힘의 영향으로 미세하게 신축하며,[2] 변형계의 검출부가 암반과 마찬가지로 변형되면 암반의 늘어남과 줄어듦을 10억분의 1의 상대 변화까지 매우 높은 정밀도로 검출·측정할 수 있다.[2] 이 상대 정밀도는 초등학교나 중학교에 있는 수영장 (길이 25m, 폭 10m, 깊이 1.5m 정도)에 물을 채우고, 거기에 직경 1cm 정도의 작은 구슬을 넣었을 때 발생하는 매우 미세한 체적 변화까지 놓치지 않을 정도이다.[2]

기상청과 시즈오카현, 산업기술종합연구소는 판 경계에서 발생하는 서서히 미끄러짐 등에 따른 아주 미세한 암반 변형을 감지하기 위해 난카이 해구를 따라 변형계를 이용한 지각 변동 관측망을 전개·설치하고 있다.[2] 각 관측점에서 기록된 데이터는 상시, 모두 전용 회선으로 기상청에 집약되어 난카이 해구 지진 관련 정보 발표에 사용된다.[2]

지진동에 의한 지반의 팽창(수평 변형)을 정밀하게 측정하는 장치이다. 암반상의 2지점 사이의 변형을 측정하며,[3] 실용적인 것은 1932년에 베니오프 (1935)에 의해 처음 설치되었다. 지각 변동에 의한 지반의 장기적인 변형이나 지구 조석에 의한 고체 지구의 변형 등도 기록할 수 있으며, 기록할 수 있는 변형의 양은 10-9 (1km 당 1μm) 정도이다. 일본에서는 기상청 마쓰시로 지진 관측소에 있는 것 등이 알려져 있다.

가변 용량형 변형 지진계[3] 등이 있지만, 가장 일반적인 것은 '''석영관 팽창계'''이다.

2. 1. 1. 석영관 팽창계

기상청 마쓰시로 지진 관측소 소갱도에 설치된 석영관 변형 지진계


석영관 팽창계는 가장 일반적인 변형계이다. 수십 미터 떨어진 두 기둥을 석영관으로 연결하고(한쪽은 고정), 기둥 사이의 거리 변화를 측정한다.[1][4] 지표면에서는 비, 바람, 온도 등의 영향을 받으므로,[5] 지하 터널 안에 설치하는 경우가 많다.[6] 화산 관측에서는 산체의 팽창・수축을 관측하는 데 사용된다.[7]

2. 2. 체적 변형계

변형계는 지하 암반의 늘어남과 줄어듦(지각 변형)을 매우 높은 감도로 관측할 수 있는 지각 변동 관측 장치로, 지진 관측이나 화산 관측 등에서 중요한 역할을 한다.[1] 난카이 해구 지진 등의 관측에서는 보어홀이라는 직경 약 15cm의 수직 구멍을 수백 미터 정도 굴착하여 그 바닥에 원통형 검출부를 매설한다.[2] 지하 암반은 주변에서 가해지는 힘의 영향으로 미세하게 신축하며,[2] 변형계의 검출부가 암반과 마찬가지로 변형되면 암반의 늘어남과 줄어듦을 10억분의 1의 상대 변화까지 매우 높은 정밀도로 검출·측정할 수 있다.[2]

기상청과 시즈오카현, 산업기술종합연구소는 판 경계에서 발생하는 서서히 미끄러짐 등에 따른 아주 미세한 암반 변형을 감지하기 위해 난카이 해구를 따라 변형계를 이용한 지각 변동 관측망을 전개·설치하고 있다.[2]

기상청이 설치하고 있는 변형계는 '''체적 변형계'''와 '''다성분 변형계'''의 2 종류이다.[2] 체적 변형계는 암반의 팽창・수축에 따른 검출부의 체적 변화 "체적 변형"을 측정한다. 외력에 의해 물체가 변형되어 체적이 변화했을 때, 변형 전의 체적을 V, 변형에 따른 체적 변화량을 ⊿V라고 하면, 체적 변형 (변형의 비율)은 ⊿V/V로 표시된다.[8][9]

체적 변형계의 검출부 용기 내에는 실리콘 오일이 있으며, 암반의 팽창・수축에 따른 실리콘 오일의 체적 변화를 측정하는 구조로 되어 있다.[14] 삭스・에버트슨식 체적 변형계 (1970년)가 특히 유명하며,[10][11] 실리콘 오일로 채워진 이 변형계는 직경 약 11cm・길이 약 3m의 금속 원통형 용기이다.[12]

기상청에 의한 체적 변형계는 1976년 이후 도카이 지방이나 남칸토에서 총 31곳에 설치되어 있다 (지진 관측정의 깊이는 50~300m).[13][14] 다만, 10-10 정도의 변형도 감지할 수 있을 정도로 극히 감도가 높기 때문에 강우 등의 노이즈에 의해 데이터가 변동해 버리는 경우도 있다.[15][1]

2. 3. 다성분 변형계

기상청이 설치하는 변형계에는 체적 변형계와 다성분 변형계 두 종류가 있다.[2] 체적 변형계는 암반의 팽창·수축에 따른 검출부의 체적 변화, 즉 "체적 변형"을 측정한다. 반면 다성분 변형계는 검출부에서 45도씩 다른 4개 방위의 직경 변화, 즉 "선 변형"을 측정한다. 체적 변형계는 변형 크기 변화를 측정하지만, 다성분 변형계는 변형 크기와 방향별 변화를 모두 측정할 수 있다는 장점이 있다.[2]

외력에 의해 물체가 변형되어 체적이 변할 때, 변형 전 체적을 V, 변형에 따른 체적 변화량을 ⊿V라고 하면, 체적 변형(변형의 비율)은 ⊿V/V로 표시된다.[8][9]

체적 변형계 검출부 용기 내부에는 실리콘 오일이 채워져 있으며, 암반의 팽창·수축에 따른 실리콘 오일의 체적 변화를 측정하는 구조로 되어 있다.[14] 삭스·에버트슨식 체적 변형계(1970년)가 널리 알려져 있으며,[10][11] 실리콘 오일로 채워진 이 변형계는 직경 약 11cm, 길이 약 3m의 금속 원통형 용기이다.[12] 그러나 체적 변형계는 변형의 한 성분만 감지할 수 있기 때문에, 이후 "사카타식 삼성분 변형계" 등이 개발되었다.[12]

기상청은 1976년 이후 도카이 지방과 남칸토 지역에 총 31곳의 체적 변형계를 설치했다. (지진 관측정 깊이는 50m~300m)[13][14] 이 변형계들은 10-10 정도의 미세한 변형도 감지할 수 있을 정도로 감도가 매우 높지만, 강우 등 외부 요인에 의한 데이터 변동 가능성도 존재한다.[1][15]

원지 지진 발생 시 우물 수위가 변동하는 현상이 관측되기도 하는데, 예를 들어 1952년 도카치 지진 및 캄차카 지진 발생 당시 진원에서 멀리 떨어진 하와이 호놀룰루 우물 수위가 25cm 정도 오르내렸다. 이러한 현상은 체적 변형계의 작동 원리와 유사하다.

3. 난카이 해구 주변의 변형계

변형계는 지하 암반의 늘어남과 줄어듦(지각 변형)을 매우 높은 감도로 관측할 수 있는 지각 변동 관측 장치이므로, 지진 관측이나 화산 관측 등에서 중요한 역할을 한다[1]。난카이 해구 지진 등의 관측에서는 보어홀이라는 직경 약 15cm의 수직 구멍을 수백 미터 정도 굴착하여 그 바닥에 원통형 검출부를 매설한다[2]。지하 암반은 주변에서 가해지는 힘의 영향으로 미세하게 신축하며, 변형계의 검출부가 암반과 마찬가지로 변형되면 암반의 늘어남과 줄어듦을 10억분의 1의 상대 변화까지 매우 높은 정밀도로 검출·측정할 수 있다[2]。

기상청, 시즈오카현, 산업기술종합연구소는 판 경계에서 발생하는 서서히 미끄러짐 등에 따른 아주 미세한 암반 변형을 감지하기 위해 난카이 해구를 따라 변형계를 이용한 지각 변동 관측망을 설치하고 있다[2]。각 관측점에서 기록된 데이터는 전용 회선을 통해 기상청에 상시 집약되어 난카이 해구 지진 관련 정보 발표에 사용된다[2]。

3. 1. 관측소 목록

난카이 해구 주변의 변형계 관측점 [16]
소재지관측점명변형계 종류설치 기관
시즈오카현하마마츠시 하마나구하마마츠 미카타비체적기상청
하마마츠 미야구치다성분
하마마츠시 덴류구하마마츠 요코가와체적
하마마츠 사쿠마초다성분
가케가와시가케가와 도미베다성분
가케가와 다카텐진다성분
오마에자키시오마에자키 오야마체적
오마에자키 사쿠라무라체적
마키노하라시마키노하라 사카베체적
시마다시시마다 가와네초체적
시즈오카시 아오이구시즈오카 우루시야마체적
시즈오카 오치아이다성분
시즈오카시 시미즈구시즈오카 다누마체적
후지에다시후지에다 하나쿠라체적
후지에다 쿠라다다성분
하마마츠시 덴류구하마마츠 하루노초다성분시즈오카현
가와네혼초가와네혼초 히가시토가와다성분
미나미이즈초미나미이즈 이루마체적기상청
아타미시아타미 시모타가체적
후지시후지 우노가부치체적
이즈시이즈 고시모다체적
히가시이즈초히가시이즈 나라모토체적
나가노현우루기무라우루기 이와쿠라다성분
아이치현다하라시다하라 후쿠에초체적
다하라 다카마츠초다성분
신시로시신시로 아사야다성분
가마고리시가마고리 키요타체적
도요하시시도요하시 타메다성분산업기술종합연구소
도요타시도요타 진덴다성분
니시오시니시오 요시아키다성분
미에현쓰시쓰 아노초다성분
구마노시구마노 이소자키다성분
와카야마현다나베시다나베 혼구초다성분
구시모토초구시모토 쓰노다성분
고치현무로토시무로토미사키초다성분
스사키시스사키 오타니다성분
도사시미즈시도사시미즈 마쓰오다성분
에히메현니이하마시니이하마 구로시마다성분
세이요시세이요 우와초다성분



이 외에, 산업기술종합연구소(산총연)가 설치한 변형계 중, 오이타현 사에키시 가마에초·미야자키현 노베오카시 기타가타초의 관측점을 향후 기상청 관측 대상점에 추가할 예정이다.[17][18][19]

4. 한국의 변형계 관측 현황

(이전 출력이 비어있으므로, 수정할 내용이 없습니다. 원본 소스와 요약 정보가 제공되어야 '한국의 변형계 관측 현황' 섹션 내용을 작성하고 수정할 수 있습니다.)

4. 1. 한국의 변형계 연구 개발

(이전 출력이 비어있으므로, 수정할 내용이 없습니다. 원본 소스와 요약 정보가 제공되어야 '한국의 변형계 연구 개발' 섹션 내용을 작성하고 수정할 수 있습니다.)

참조

[1] 백과사전 日本大百科全書
[2] 웹사이트 ひずみ計とは https://www.data.jma[...] 気象庁 2023-04-01
[3] 논문 可変容量型ひずみ地震計について https://repository.k[...]
[4] 웹사이트 地殻変動観測 https://www.data.jma[...] 松代地震観測所 2023-06-01
[5] 백과사전 傾斜計
[6] 웹사이트 https://kids.gakken.[...]
[7] 웹사이트 地殻変動に関する用語 https://www.data.jma[...] 기상청 2023-06-01
[8] 백과사전 体積ひずみ
[9] 웹사이트 体積ひずみ・体積弾性係数 https://www.fem-vand[...] 2023-03-31
[10] 간행물 サックス・エバートソン型歪計の日本における設置と観測 https://www.jstage.j[...]
[11] 웹사이트 サックス・エバートソン式体積ひずみ計記録の利用とその信号分離(S144-P002)(ポスターセッション)(演旨) https://gbank.gsj.jp[...] 2023-03-31
[12] 웹사이트 地殻変動連続観測 https://www.hinet.bo[...] 防災科研 2023-03-31
[13] 백과사전 埋め込み式ひずみ計
[14] 웹사이트 たいせきひずみけい【体積ひずみ計】 https://kids.gakken.[...] 학연키즈넷 2020-11-25
[15] 웹사이트 伊豆東部の地殻活動 https://www.data.jma[...] 기상청 2021-11-18
[16] 웹사이트 南海トラフ地震に関連する情報の発表に用いるひずみ計観測点 https://www.data.jma[...] 기상청 2023-06-01
[17] 뉴스 南海トラフ巨大地震、九州にも観測網…「ひずみ計」大分県佐伯市に設置、空白域が縮小 https://www.yomiuri.[...] 2024-02-18
[18] 뉴스 高精度「ひずみ計」九州に初設置 南海トラフ巨大地震の前兆を観測へ https://news.yahoo.c[...] 2020-08-08
[19] 뉴스 延岡に「ひずみ計」設置へ 産総研 南海トラフ地震予測活用 https://www.the-miya[...] 2024-08-08
[20] 웹인용 ひずみ 地震本部 https://www.jishin.g[...] 지진조사연구추진본부 2021-05-27
[21] 웹인용 ひずみ計とは https://www.data.jma[...] 2022-01-31


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