Integrated Detection and Classification of Low-Frequency Earthquakes Using a PhaseNet-Based Deep Learning Framework

지각 깊은 곳, 암석이 뜨겁고 압력이 엄청난 곳에서는 종종 눈에 띄지 않는 조용한 종류의 흔들림이 일어난다. 이것들은 일반적인 지진의 날카롭고 높은 음조의 파열음 대신, 느리고 울리는 맥동 형태로 에너지를 방출하는 저주파 지진이다. 일반적인 지진이 피아노의 높은 음과 유사한 주파수로 진동한다면, 이 깊은 떨림은 훨씬 낮은 음조로 웅웅거리며, 종종 시작 지점을 정확히 짚어내기 어려울 정도로 매우 점진적으로 시작된다. 과학자들은 오랫동안 이러한 미세한 떨림이 무작위적인 것이 아니라고 의심해 왔다. 이는 아마도 물이나 마그마와 같은 유체가 암석의 균열을 통해 이동하거나, 격렬한 파열을 일으키지 않고 단층선을 따라 미끄러지는 결과일 가능성이 높다. 이러한 숨겨진 움직임을 이해하는 것은 매우 중요한데, 왜냐하면 이것들이 어떻게 지각 내에 응력이 쌓이는지에 대한 단서를 제공하며, 잠재적으로 더 크고 파괴적인 지진으로 이어질 수 있기 때문이다. 그러나 이러한 신호는 약하고 배경 소음에 쉽게 섞이기 때문에, 지구의 소리를 듣는 전통적인 방식으로는 이를 완전히 놓치는 경우가 많아 심부 지각 과정에 대한 지식의 상당한 공백을 남긴다.

이 공백을 메우기 위해, 연구진은 인공지능을 이용한 새로운 청취 방법을 개발했다. 그들은 표준적인 지진을 찾기 위해 원래 설계된 시스템을 기반으로 한 컴퓨터 모델을 훈련시켜, 저주파 이벤트의 독특한 특징을 인식하도록 만들었다. 단순히 날카로운 시작과 끝을 찾는 대신, 모델은 지진 데이터에서 다섯 가지 서로 다른 가능성을 식별하도록 학습되었다: 일반 지진의 시작, 일반 지진의 종료, 저주파 이벤트의 시작, 저주파 이벤트의 종료, 그리고 배경 소음이다. 연구진은 일본에서 기록된 수천 개의 파형 데이터를 시스템에 입력함으로써, 모델이 일반적인 지진의 명확하고 날카로운 도착과 저주파 지진의 흐릿하고 길게 늘어지는 도착을 구별할 수 있도록 가르쳤다. 일단 훈련을 마치면, 이 모델은 매우 민감한 귀 역할을 하여, 지구의 진동에 대한 연속적인 기록을 스캔하고 인간 관찰자나 오래된 소프트웨어가 무시했을 법한 도착 신호들을 찾아냈다.

연구진은 이 새로운 도구를 지진 군집(swarm)이 발생하고 있는 북부 야마구치 현의 특정 활발한 지진 활동 지역에 적용했는데, 이곳의 지진은 지하 20km 이상의 깊이에서 발생하고 있었다. 결과는 놀라웠다. 이 새로운 방식은 일본 기상청이 유지하는 공식 목록보다 두 배 이상 많은 지진을 탐지해 냈다. 연구진은 표준적인 계측기로는 기록되지 않았던 수백 개의 아주 작은 이벤트들을 포함하여, 이전에는 보이지 않았던 수많은 사건들을 찾아냈다. 더 중요한 것은, 이 시스템이 단순히 사건의 수를 세는 데 그치지 않고 이를 분류했다는 점이다. 모델이 각 도착 신호에 부여한 특정 확률 점수를 분석함으로써, 연구진은 탐지된 이벤트가 저주파 지진인지 아니면 일반 지진인지를 결정하는 간단한 지표를 만들었다. 이를 통해 연구진은 이전에는 불가능했던 수준의 상세함으로 지진 군집을 지도화할 수 있었으며, 저주파 지진이 무작위로 흩어져 있는 것이 아니라 군집 내의 특정하고 더 깊은 구역에 집중되어 있음을 밝혀냈다.

그러나 이 연구는 한 가지 복잡한 문제를 드러냈다. 연구진은 새로운 지표가 자연적인 저주파 지진과 채석장의 폭파와 같은 인간이 만든 폭발을 구별하는 데 완벽하지 않다는 것을 발견했다. 실제로, 시스템이 저주파 지진으로 표시한 일부 이벤트들은 저주파의 웅웅거림을 생성한다는 점에서 채석장의 폭파와 유사한 특성을 보였다. 이러한 발견은 기술이 강력하긴 하지만, 자연적인 지질학적 과정과 인간의 활동을 분리하기 위해서는 세심한 해석이 필요하다는 점을 상기시켜 준다. 이러한 한계에도 불구하고, 이토록 방대한 양의 이전에 숨겨져 있던 이벤트를 탐지할 수 있는 능력은 군집의 거동에 대한 더 명확한 그림을 제공했다. 데이터는 지진이 시간이 지남에 따라 깊은 지각 부분에서 얕은 층으로 이동하며, 이는 암석을 통해 유체가 확산되는 패턴과 밀접하게 일치함을 보여주었다.

이러한 사건들의 공간적 분포는 유체 주도 이론에 대한 추가적인 증거를 제공했다. 저주파 지진은 지진 군집의 가장 깊고 서쪽인 부분에 밀집되어 있었는데, 이 지역의 암석 구조는 높은 유체 함량을 나타내는 징후를 보였다. 이러한 정렬은 상부 맨틀이나 하부 지각으로부터의 뜨거운 유체의 이동이 전체 군집을 몰아가는 엔진이었을 가능성을 시사한다. 연구진은 지진의 이동이 단순하고 일정한 경로를 따르는 것이 아니라, 때로는 가속되거나 느려지고, 심지어 방향을 반대로 바꾸기도 한다는 것을 관찰했는데, 이는 유체 압력, 열, 그리고 암석의 파쇄 능력 사이의 복잡한 상호작용을 의미한다. 이 연구는 새로운 탐지 방법과 상세한 지하 암석 구조 지도를 결합함으로써, 지진 군집이 암석을 약하게 만들고 미끄러지기 쉽게 만드는 지속적인 유체 공급에 의해 유지되었음을 시사한다.

궁극적으로, 이 연구는 심부 저주파 지진이 표준적인 지진 기록의 소음 속에 숨어 있는 것보다 훨씬 더 흔하고 광범위하다는 것을 입증한다. 새로운 프레임워크는 이러한 이벤트를 자동으로 모니터링할 수 있는 견고한 방법을 제공하며, 이전에는 닫혀 있었던 지구 내부를 들여다볼 수 있는 창을 열어주었다. 이 방법이 인간이 만든 소음을 완벽하게 걸러내기 위해 여전히 개선이 필요하긴 하지만, 이미 특정 지진 군집에 대한 이해를 재편하였으며, 무엇이 혼란스러운 작은 지진들의 덩어리처럼 보이는지가 실제로는 구조화된 유체 주도 과정임을 보여주었다. 기술이 발전함에 따라, 이 기술은 지구의 깊은 곳에 숨겨진 리듬을 밝혀내어, 과학자들이 우리의 행성의 지진 미래를 형성하는 느린 유체의 움직임을 더 잘 이해할 수 있도록 도울 것으로 기대된다.