지진계

3. 원리와 구성

지진계는 지진에 의해 발생한 지진동(지면의 움직임)을 계측하고 기록하는 기기이다. 지진계는 기본적으로 진자 운동 원리를 이용한다. 지면에 설치된 지진계는 지진동에 의해 흔들리지만, 내부에 매달린 추는 관성에 의해 정지 상태를 유지하려는 성질을 가진다. 이 추와 지면의 상대적인 움직임을 측정하여 지진동을 기록한다.

지진계는 지진동을 계측하는 센서와 그것들을 기록하는 계측 시스템으로 구성된다. 센서는 속도계와 속도계에 시간 요소를 더한 가속도계가 있는데 용도에 따라 사용한다. 보통 지진학 연구에는 속도계를 사용하고, 지진공학에는 가속도 센서를 사용한다.^[54] 기록 방식은 초기에 종이 위에 철필이나 잉크로 기록하는 방법에서, 거울을 달아 빛을 쏘아보내 사진 건판에 감광시키는 좀 더 세밀한 방법으로 바뀌었고, 최근에는 전기 신호를 디지털 방식으로 저장한다.^[52]

지진계는 3차원 공간의 XYZ 3성분 센서를 갖추고, 그것들을 직교하는 남북·동서·상하 각 방향으로 정렬하여 설치함으로써 지면의 3차원적인 움직임을 파악할 수 있도록 설치하는 것이 일반적이다. 하지만 관측 목적에 따라 1개 또는 2개의 성분만 계측하거나, 남북이나 동서와는 다른 방위에 센서를 배치하는 경우도 있다.

3. 1. 기본 원리

3. 2. 구성 요소

4. 지진계의 종류

지진계는 감도, 측정 주파수 대역, 측정 원리, 설치 장소 등에 따라 다양하게 분류된다.

지진의 흔들림은 진폭이 마이크로미터 수준에서 장주기 대진폭에 이르는 등 다양하다. 예를 들어, 사람이 알아차리지 못하는 미세 지진에서는 진폭이 수 nm(나노미터)이고 진동수는 수십 Hz이며, 땅이 갈라지는 듯한 거대 지진에서는 진폭이 수 m, 주기는 수십 초에서 300초를 넘는 정도에 이른다.^[40][41]

4. 1. 감도 및 측정 주파수 대역에 따른 분류

• 고감도 지진계: 미세한 지진에 의한 진폭을 감지한다. 무감 지진 등 미세 지진은 세계 각지에서 많이 발생하며, 이러한 정보를 축적하여 지각 구조 분석에 사용된다. 미소 지진 활동 연구는 지진의 중장기적인 예측에도 기여하고 있다.^[40][41]
• 기상청: 진원 결정 및 규모 산출을 위해 전국에 고감도 지진계를 설치.
• 방재과학기술연구소: 전국 규모의 고감도 지진 관측망(Hi-net)을 통해 지진계를 설치.
• 국립대학법인: 지역 한정 미소 지진 관측 네트워크
• 광대역 지진계: 측정 주파수 범위가 넓어 대지진 감지 및 멀리 떨어진 진원에서 전파되는 느린 흔들림까지 감지하며, 주로 지구의 심부 구조인 지각 연구 및 진원 메커니즘 분석에 사용된다.^[55] 이 종류의 지진계에서는 STS-1 또는 STS-2 지진계가 주력이다. 온도 변화 및 기압 변화에 민감하기 때문에 지하 갱도의 깊숙한 곳에 설치되는 경우가 많다.
• IRIS라는 국제 기구가 전 세계적인 광대역 지진계 관측 네트워크를 운영하고 있다.
• 일본에서는 방재과학기술연구소가 F-net을 운영하고 있다.
• 강진계: 고유 진동수가 낮은 추를 사용하여 강한 흔들림을 기록한다. ^[57][58]
• 진도계: 강진계의 일종으로, 지진동의 폭이 큰 진동을 기록할 수 있도록 특별히 설계되어 만들어졌다. 일본의 지진 진도 관측과 발표는 메이지 17년(1884년) 이래 100년 이상 모두 직원의 체감으로 이루어졌다. 진도계는 기상청이 헤이세이 3년 (1991년)에 세계 최초로 개발하여, 헤이세이 8년 (1996년) 4월부터 모든 관측을 진도계로 전환하고 체감 관측을 폐지했다.^[42]

• 기상청: 전국 약 600곳에 기상청 95형 진도계를 설치.
• 구 자치성(현 총무성) 소방청: 지자체 진도 정보 네트워크로 기상청의 계측 진도계가 설치되지 않은 시정촌에 진도계를 설치.
• 국토교통성: 소관 하천, 댐, 도로 등의 공공 토목 시설에 강진계를 설치.
• 요코하마시: 자체적으로 요코하마 시내 150곳에 강진계를 설치.
• 방재과학기술연구소: 강진 관측망(K-NET, KiK-net)이 전국에 1735대(2012년 2월 현재)를 설치.

4. 2. 측정 원리에 따른 분류

• 사이즈모 계 지진계: 지진동을 정밀하게 측정하는 지진계이다. 기계식 센서와 전기식 센서를 모두 포함한다.
• 기계식 센서: 진자의 움직임을 직접 기록하는 방식으로, 초기 지진계에 주로 사용되었다.
• 비헤르트식 지진계
• 이시모토-하기와라식 가속도계
• 기계식 SMAC형 강진계
• 전기식 센서: 진자의 움직임을 전기 신호로 변환하여 기록하는 방식으로, 현대 지진계의 주류를 이룬다.
• 도전형
• 압전형
• 귀환형 (서보형)
• 부귀환식 (피드백식)
• 힘 평형식 (포스 밸런스식)
• 변형률 게이지형
• 용량형
• 차동 트랜스형

• 비사이즈모 계 지진계: 지진 발생 여부나 간단한 흔들림 정도를 감지하는 장치이다.
• 기계식 센서
• 낙구식 감진기
• 전도봉식 감진기
• 마찰식 감진기
• 전기식 센서
• 광학식 진동 센서
• 과전류식 센서
• 용량형 센서

4. 3. 설치 장소에 따른 분류

4. 4. 한국에서 사용되는 주요 지진계

5. 지진 관측과 활용

지진계는 지진에 의해 발생한 지면의 움직임(지진동)을 계측하고 기록하는 기기이다. 지진동을 계측하는 센서와 그것을 기록하는 계측 시스템으로 구성된다. 3차원 공간의 XYZ 3성분 센서를 갖추고, 남북, 동서, 상하 각 방향으로 정렬하여 설치함으로써 지면의 3차원적인 움직임을 파악할 수 있다.^[30]

기상청에서는 각지에 설치된 지진계의 정보를 활용하여 지진 발생 시각, 진원, 규모 등을 파악하고, 쓰나미 발생을 예측한다.

5. 1. 지진 조기 경보

5. 2. 지진 피해 평가

6. 설치 환경의 영향

지진계의 설치 환경에 따라서는 본래 지반의 응답을 정확하게 기록하지 못하는 경우가 있다. 일본 국내에서 발생한 지진에서도 진도계가 주변보다 눈에 띄게 높은 결과를 내는 경우가 있다. 그 이유로는 지진계가 설치된 지반이나 노반에 의한 것(절벽 주변이나 흙탕물 지대에 설치 등)과 지진계 자체의 설치 상황에 의한 것(지진계와 토대 사이에 틈이 있거나, 지진계가 기울어져 있는 등)이 있다.

• 1995년 1월 17일 - 효고현 남부 지진: 효고현 고베시 등에서 최대 진도 7을 관측했다. 오사카부 오사카시 주오구에 있는 진도계는 진도 4를 나타냈지만, 진원에서 먼 교토부 교토시의 진도계는 진도 5를 나타냈다. 이는 기상청이 설치한 진도계가 지반이 견고한 우에마치 대지에 있어 실제보다 진도가 낮게 나왔기 때문이다. 일본도로공단이 한신 고속 11호 이케다선에 설치한 진도계는 진도 7을 나타냈다.
• 2008년 5월 8일 - 이바라키현 앞바다 지진: 이바라키현 미토시와 도치기현 모테기마치에서 최대 진도 5약을 관측했다. 모테기마치의 진도계는 1킬로미터 정도 떨어진 위치의 것이 진도 3을 나타냈다는 점, 주변 주민들로부터 체감 진도와 다르다는 등의 목소리가 있어 조사했다. 그 결과, 경사면 근처에 설치되어 있었기 때문에 1~2단계 높은 진도를 표시한다는 것을 알게 되었다. 2009년에 다른 장소로 이전했다.
• 2008년 6월 14일 - 이와테·미야기 내륙 지진: 고감도 지진 관측망의 간사이 관측 지점(이와테현 이치노세키시)에서는 최대 가속도 4022갈을 관측했지만, 관측 시설의 설계상 문제로 로킹 진동이 발생하여 자유 지반(지표면 그대로)의 가속도를 기록하지 못했다.^[50] 2013년 현재, 관측 시설은 휴지 중이다.
• 2008년 7월 24일 - 이와테현 연안 북부 지진: 이와테현 히로노초에서 최대 진도 6강을 관측했다. 그 후, 수백 미터 떨어진 위치에 가설 진도계를 설치한 결과, 기존의 것이 1단계 정도 높은 관측을 한다는 것이 판명되었다. 확인 후 진도 관측을 중단하고, 기상청에서의 사용을 중지했다.
• 2011년 3월 11일 - 동일본 대지진의 여진: 이바라키현 호코타시에 있는 진도계 1곳이 흙을 쌓아 올린 위에 설치되어 있어, 인근의 진도계보다 높은 결과가 나오는 경우가 많았다. 4월 21일에 이 진도계의 사용은 중지되었다.

7. 미래 전망

스탠퍼드 대학교의 연구원들은 도시 지역에서 지진을 감지할 수 있는 딥 러닝 알고리즘인 UrbanDenoiser를 개발했다.^[26] 이 알고리즘은 도시의 번잡한 지역에서 수집된 지진 신호에서 배경 잡음을 걸러내어 지진을 감지한다.^[26][27]

참조

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