📄 지구과학

An empirical vertical-to-horizontal (V/H) spectral ratio model for shallow-crustal and upper-mantle earthquakes: insights from the S-net seafloor stations in the Japan Trench region

본 연구는 S-net 해저 관측소로부터 도출된 일본 해구 지역의 해상 지반 운동에 대한 경험적 수직/수평(V/H) 스펙트럼 비 모델을 제시하며, 이는 해상의 V/H 비가 수층 감쇠로 인해 육상 값보다 현저히 낮고 파쇄 거리, 매몰 조건 및 부지 분류와 같은 요인들에 의해 강하게 영향을 받는다는 것을 밝혀낸다.

원저자: Shili Sheng, Jingyang Tan, Qinghui Lai, Qi Zhang

게시일 2026-09-30

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CC BY 4.0

원저자: Shili Sheng, Jingyang Tan, Qinghui Lai, Qi Zhang

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

지진이 발생할 때 지면은 단순히 좌우로 흔들리는 것이 아니라 위아래로도 요동칩니다. 건물, 교량, 해양 플랫폼을 설계하는 엔지니어들은 이러한 수직 운동을 반드시 고려해야 하는데, 이는 수평 흔들림만큼이나 파괴적일 수 있기 때문입니다. 이 상하 방향의 힘이 얼마나 강할지 이해하기 위해 과학자들은 수직 흔들림과 수평 흔들림 사이의 비율을 살펴봅니다. 육지에서의 이러한 관계는 잘 알려져 있지만, 대양은 다른 이야기를 들려줍니다. 물은 고체 지면이 아닙니다. 그것은 지구 지각과 해저에 설치된 센서 사이에 놓인 유체 층입니다. 이 층은 지진파가 이동하는 방식을 변화시키며, 종종 육지 기반의 모델로는 예측할 수 없는 방식으로 수직 요동을 감쇄시킵니다. 수십 년 동안 해양 구조물을 설계하는 엔지니어들은 육지 기반의 경험칙에 의존해 왔으며, 이러한 관행은 지나치게 보수적이거나 위험할 정도로 부정확할 수 있습니다.

한 연구팀은 이러한 추측을 확실한 데이터로 대체하기 위해 일본 해구(Japan Trench)를 따라 배치된 S-net이라 불리는 방대한 센서 네트워크에 집중하며 연구를 시작했습니다. 이 지역은 해양 지각이 대륙판 아래로 들어가는 강력한 지진의 핫스팟입니다. 연구진은 이 해저 스테이션들로부터 수천 개의 기록을 수집하여, 얕은 지각 지진과 상부 맨틀 내부의 깊은 지진 모두에서 발생하는 흔들림을 포착했습니다. 그들은 해저에 판 참호 속에 묻힌 센서와 해저면에 직접 놓여 있는 센서를 구분하고, 해저 자체를 진동 방식에 따라 분류함으로써 데이터를 정밀하게 분류했습니다. 이 거대한 데이터 세트를 통해 수직 흔들림과 수평 흔들림 사이의 관계를 분석함으로써, 그들은 해양 환경에 특화된 새롭고 정확한 모델을 구축하고자 했습니다.

연구 결과, 해양과 육지 사이에는 명확하고 유의미한 차이가 있음이 드러났습니다. 해저에서 측정된 수직 흔들림은 육지에서 관찰되는 것보다, 특히 지진 발생 직후 첫 1초 미만의 순간에 발생하는 빠르고 고주파인 요동에서 일관되게 훨씬 약했습니다. 물 층은 필터 역할을 하여, 센서에 도달하기 전 이 수직 에너지를 상당 부분 흡수합니다. 실제로 해상에서의 수직 흔들림은 동일한 지진에 대해 육지에서 기록된 수직 흔들림의 절반 수준에 불과한 경우가 많았습니다. 이러한 발견은 해양 구조물 설계 시 육지 기반 모델을 사용하는 것이 수직력을 과대평가하게 만들어, 잠재적으로 불필요하게 비싸거나 과도하게 무거운 구조물을 만드는 결과를 초래할 수 있음을 시사합니다.

연구진은 물이 수직 운동을 감쇄한다는 점을 확인했을 뿐만 아니라, 다양한 요인들이 이 관계를 어떻게 변화시키는지도 밝혀냈습니다. 연구진은 지진으로부터의 거리가 중요하다는 것을 발견했습니다. 지진파가 해저를 통해 더 멀리 이동할수록, 수직 대 수평 흔들림의 비율은 증가하는 경향을 보였습니다. 지진의 깊이 또한 역할을 하는데, 깊은 지진은 얕은 지진과 비교하여 다른 패턴의 수직 흔들림을 보여주었습니다. 아마도 가장 중요한 점은, 해저 스테이션 자체의 상태가 측정값에 영향을 미친다는 사실입니다. 해저에 묻힌 센서는 퇴적물 위에 놓인 센서와 비교했을 때, 특히 초기 급격한 요동 동안 서로 다른 수직 흔들림 패턴을 기록했습니다. 연구팀은 또한 해저 지점들을 자연 진동 주파수에 따라 분류할 수 있는 방법을 개발하여, 서로 다른 유형의 해저가 지진에 어떻게 반응할지에 대해 더 정밀한 예측을 가능하게 했습니다.

연구진이 자신들의 새로운 해양 특화 모델을 기존의 육지용 모델과 비교했을 때, 그 차이는 극명했습니다. 육지 기반 모델은 해양 센서가 실제로 기록한 것보다 훨씬 높은 수직 흔들림을 예측했습니다. 이는 해양 환경의 물리학을 간과해서는 안 된다는 점을 확인시켜 줍니다. 이 새로운 모델은 엔지니어와 과학자들에게 맞춤형 도구를 제공하며, 해저가 지진 중에 어떻게 움직이는지에 대한 현실적인 모습을 제시합니다. 물 층이 수직 요동을 크게 줄인다는 점을 이해하고, 해저의 특정 조건과 지진으로부터의 거리를 고려함으로써, 이 연구는 세계에서 가장 지진 활동이 활발한 지역 중 하나에서 안전하고 효율적인 해양 구조물을 설계하기 위한 더 신뢰할 수 있는 토대를 제공합니다.

기술 요약: 일본 해구 지역의 천부 지각 및 상부 맨틀 지진에 대한 경험적 수직-수평(V/H) 스펙트럼 비 모델

문제 제기
해양 관측 네트워크가 전 세계적으로 확장되고 있음에도 불구하고, 해양 특화적인 지진 설계 기준에 대한 필요성이 여전히 절실히 존재한다. 해양과 육상의 지반 운동 사이에는 특히 수직 성분 진폭과 수직-수평(V/H) 스펙트럼 비 측면에서 상당한 차이가 존재한다. 선행 연구들은 수층의 억제 효과로 인해, 특히 단주기 영역에서 해양의 수직 지반 운동이 육상 운동에 비해 체계적으로 감쇠된다는 것을 보여준다. 그러나 기존의 V/H 예측 모델은 주로 육상 강진 기록을 기반으로 도출되었다. 이러한 육상 모델을 해양 환경에 적용하는 것은 타당성이 의심되며, 특히 일본 해구를 따라 설치된 광범 el한 S-net(해저 지진 및 쓰나미 관측망) 데이터를 활용하여 소스(source), 경로(path), 부지(site) 조건이 해양 V/H 비에 미치는 구체적인 영향에 대한 조사가 충분히 이루어지지 않았다.

연구 방법론
본 연구는 150개 S-net 해저 관측소에서 얻은 9,892개의 지반 운동 기록을 사용하여 일본 해구 지역의 천부 지각 및 상부 맨틀 지진에 대한 경험적 V/H 스펙트럼 비 모델을 개발하였다. 연구 방법론은 다음 단계로 구성된다:

데이터 처리 및 선택: 회전각이 0.1°를 초과하거나, 파형 오류가 있거나, 0.1–20 Hz 범위에서 신호 대 잡음비(SNR)가 3 미만인 센서를 제외하도록 기록을 선별하였다. $M_w \ge 4.0$ 이고 최소 3개의 고품질 3성분 기록을 보유한 이벤트만을 유지하였다.
부지 분류: 해저 관측소의 경우 전통적인 $V_{S30}$ 데이터를 사용할 수 없으므로, 본 연구에서는 수평-수직 스펙트럼 비(HVSR) 방법을 통해 식별된 우세 주파수( $T_n$ )를 기반으로 한 부지 분류 체계(SC1–SC4)를 활용하였다. 관측소는 매몰 조건(수심 1500m 미만 해구 내 매몰 vs 수심 1500m 초과 해저면 미매몰)에 따라 추가로 분류되었다.
모델 공식화: 무작위 효과 회귀 분석(random-effects regression) 접근법을 사용하여 경험적 모델을 구축하였다. 기능적 형태는 다음을 포함한다:
- 소스 항(Source Term): 모멘트 규모( $M_w$ ), 초점 깊이( $h$ ), 단층 기구(정단층, 역단층, 주향이동단층)를 포함한다. 회귀 분석에 따라 선형 규모 항이 선택되었다.
- 경로 항(Path Term): 파쇄 거리( $R_{rup}$ )를 통해 기하학적 확산을 특징짓는다. 본 연구에서는 규모-거리 상호작용 항을 조사하였으나, 주기별 일관된 통계적 유의성이 부족하고 모델의 간결성을 유지하기 위해 최종 모델에서는 제외하였다.
- 부지 항(Site Term): 아카이케 정보 기준(AIC)을 사용하여 세 가지 공식을 테스트하였다. 최적의 공식은 부지 클래스 지표( $SC_i$ )와 부지 고유 진동수의 자연로그 값을 곱한 형태를 사용하였다.
검증: 모델 성능은 이벤트 간( $\tau$ ) 및 이벤트 내( $\sigma$ ) 잔차 분석을 통해 평가되었다. 또한, 개발된 모델을 기존의 육상 V/H 모델(Bommer et al., 2011; Pezeshk et al., 2022; Tan and Hu, 2021)과 벤치마킹하였다.

주요 기여 및 결과
본 연구는 지역화된 V/H 예측 모델을 제시하며, 해양 지반 운동 특성에 관한 몇 가지 핵심적인 발견을 도출하였다:

해양 vs 육상 차이: 해양 V/H 스펙트럼 비는 일반적으로 육상 비에 비해 현저히 낮으며, 특히 단주기 영역에서 그러하다. 해양 V/H 값은 통상 0.15에서 0.50 사이이며, 이는 육상 값의 약 절반 수준이다. 이는 수층이 고주파 수직 성분을 감쇠시킨다는 가설을 뒷받침한다.
규모 및 초점 깊이 효과: 모멘트 규모의 효과는 명확한 주기 의존성을 보인다. 초점 깊이는 주로 중·장주기 영역( $T > 0.12$ s)에서 감쇠 효과를 보이며, 깊이가 깊어질수록 V/H 비가 감소한다.
파쇄 거리 및 경로 효과: 해양 V/H 비는 파쇄 거리가 증가함에 따라 증가하는 경향이 있다. 이러한 거리 의존성은 장주기( $T > 1.0$ s)에서 더욱 뚜렷하게 나타난다.
매몰 조건: 관측소의 매몰 조건은 유의미한 영향을 미친다. $T < 0.7$ s의 경우, 매몰된 관측소가 미매몰 관측소보다 일반적으로 높은 V/H 비를 보인다. 반대로, $T > 1.0$ s에서는 매몰 여부와 관계없이 부지 클래스 SC1에서 SC4로 갈수록 V/H 비가 점진적으로 감소한다.
단층 기구: 정단층 이벤트는 역단층 및 주향이동단층 이벤트에 비해 일반적으로 높은 V/H 비를 생성한다.
모델 성능: 제안된 모델은 낮은 이벤트 내 및 전체 표준 편차를 나타낸다. 잔차 분석을 통해 모델이 규모, 초점 깊이, 파쇄 거리 및 사용된 부지 분류 파라미터에 대해 편향되지 않았음을 확인하였다.

의의
본 논문은 제안된 경험적 모델이 해양 지진 재해 평가 및 해양 구조물의 내진 설계, 특히 지반 운동의 수직 성분을 다루는 데 있어 필수적인 참조 자료를 제공한다고 주장한다. 본 연구는 육상 V/H 예측 모델이 PGA와 같은 고주파 측정값에 대해 해양 환경에서의 수직 지반 운동 비율을 체계적으로 과대평가한다는 점을 입증하였다. 결과적으로, 저자들은 육상 모델을 수정 없이 해양 환경에 직접 적용할 수 없다고 결론지었다. 광범위한 S-net 데이터셋에 근거하여 개발된 이 모델은 일본 해구 지역의 독특한 소스, 경로 및 부지 효과를 명시적으로 고려함으로써 해양 V/H 스펙트럼 비를 보다 정확하게 예측할 수 있는 기초를 제공한다.

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