There are growing concerns that the recently implemented Earthquake Early Warning service is overestimating the rapidly provided earthquake magnitudes (M). As a result, the predicted damages unnecessarily activate earthquake protection systems for critical facilities and lifeline infrastructures that are far away. This study is conducted to improve the estimation accuracy of M by incorporating the observed S-wave seismograms in the near source region after removing the site effects of the seismograms in real time by filtering in the time domain. The ensemble of horizontal S-wave spectra from at least five seismograms without site effects is calculated and normalized to a hypocentric target distance (21.54 km) by using the distance attenuation model of Q(f)=348f0.52 and a cross-over distance of 50 km. The natural logarithmic mean of the S-wave ensemble spectra is then fitted to Brune’s source spectrum to obtain the best estimates for M and stress drop (SD) with the fitting weight of 1/standard deviation. The proposed methodology was tested on the 18 recent inland earthquakes in South Korea, and the condition of at least five records for the near-source region is sufficiently fulfilled at an epicentral distance of 30 km. The natural logarithmic standard deviation of the observed S-wave spectra of the ensemble was calculated to be 0.53 using records near the source for 1~10 Hz, compared to 0.42 using whole records. The result shows that the root-mean-square error of M and ln(SD) is approximately 0.17 and 0.6, respectively. This accuracy can provide a confidence interval of 0.4~2.3 of Peak Ground Acceleration values in the distant range.

P파와 S파의 도착시간 정보는 지진 발생위치 결정, 1차원 및 3차원 지하구조 등 지진학 연구 수행에 중요한 정보이다. 최근 지진관측소의 수가 비약적으로 증가함에 따라 관측망을 운영하면서 수동으로 지진파의 도착시간을 측정하는 것은 상당한 시간이 소요되는 일이 되었다. 본 연구에서는 진원요소에 대한 사전정보(지진 발생위치와 시간)를 확보 할 수 있는 경우 Akaike Information Criterion (AIC)을 적용하여 추가의 관측소에서 국지지진의 P파와 S파의 도착시간을 자동측정하였다. 해당 방법을 경산(DAG2) 지진관측소에 기록된 자료에 적용한 후 수동 측정한 값과 자동 측정한 값을 비교한 결과 P파의 경우 95.1%, S파의 경우 93.7%가 0.1초 이하의 차이를 보이면서 결정되는 것을 확인하였다. 자동측정결과의 높은 정확성은 향후 고밀도 지진관측망 운영에 성공적으로 적용될 수 있음을 시사한다.

지반진동은 지진원, 지각감쇠 및 지반의 증폭특성 등 3가지 주요 인자로 구성되어 있다. 이 중 지반 증폭특성은 지진원 및 지각감쇠를 신뢰성 있게 평가하기 위해 반드시 고려하여야 한다. 본 연구의 목적은 수평/수직(H/V) 스펙트럼 비를 이용하여 각 관측소의 지반증폭 특성을 평가하는 것이다. 주파수 영역에서 H/V 스펙트럼 비를 구하는 방법은 Nakamura(1989)에 의해 처음으로 제시되었으며, 초기에는 상시미동의 표면파 특성을 이해하기 위해 사용되어 왔다. 최 근에 와서 강진동의 전단파 에너지 등으로 확장되면서 지반 증폭특성 연구에 많이 이용되고 있다. 본 연구는 예당저수 지 인근에 4개의 관측소에서 관측된 6개의 가속도 지반진동을 이용하여 H/V 스펙트럼 비를 분석하였고 각 지반진동의 S파, Coda파 및 배경잡음 각각으로부터 분석된 지반증폭 특성을 상호 비교하였다. 분석결과, 4개 관측소는 각각의 우월 주파수 대역(YDS: ~11 Hz, YDU: ~4 Hz, YDD: ~7 Hz)에서 관측소 고유의 증폭특성을 보여준다. 본 연구의 도출 결과 와 다른 방법을 통해 구한 결과의 비교 평가는 국내 지반의 동적특성 및 지반분류 연구에 유익한 정보가 될 것으로 판 단된다.

천부지반에서 레일리파의 군속도와 위상속도 분산곡선을 역산하여 S파 속도구조를 구하는 방법을 비교하였다. 위상속도를 구하기 위해서 τ-p stacking 방법을 이용하였고, 군속도를 구하기 위해서 두 가지 방법, multiple filtering technique(MFT) continuous wavelet transform(CWT) 방법을 사용하였다. 고차모드가 존재하는 경우, 위상속도에서 기본모드와 고차모드를 분리하기가 용이하지 않았고, 군속도에서는 continuous wavelet transform 방법이 multiple filtering technique보다 효과적이었다. S파 속도 역산 결과, 위상속도와 군속도의 기본 모드만 역산할 경우, 신뢰구간의 깊이가 아주 얕았다. Continuous wavelet transform으로 구한 기본 모드와 1차 모드를 동시 역산할 경우, 신뢰구간의 깊이가 2배 이상 증가함을 알 수 있었다. 이는 1차 모드의 에너지가 더 깊은 층을 통과함으로 깊은 층에 대한 5파 속도 정보를 지니고 있기 때문으로 보인다. 위의 방법을 서해안 동호항의 조간대에 적용하여, continuous wavelet transform으로 구한 군속도의 기본 모드와 1차 모드를 동시 역산하여 S파 속도구조를 구하고, 해당 지역의 시추조사 결과와 비교하였다.

다중채널 탄성파 자료를 이용하여 낙동강 하구 삼각주 지역 연약지반의 지반 특성을 구하기 위하여 S파 속도와 Qs-1 구조를 구하고 이를 시추조사 결과와 비교하였다. 다중채널 신호의 분산곡선을 역산하여 S파 속도구조를 구하고 감쇠지수(attenuation coefficient)를 구하였다. 다중채널 신호 중 음원에서 가장 가까운 신호를 기준 신호로 정하고 10 Hz에서 45 Hz 사이의 주파수에 대하여 거리에 따라 기준 신호에 대한 진폭의 비가 감소하는 정도를 나타내는 기울기를 구하여 감쇠지수를 결정하였다. 이 감쇠지수를 역산하여 지반 최상부 8 m 층의 S파 속도와 함께 Qs-1를 구하였다. 이 지역의 시추조사에 의하면 이 지역의 지층은 크게 상부 4 m 실트질 모래층과 하부 4 m 실트질 점토층으로 나누어진다. 표면파 역산에 의해 구해진 S파 속도와Qs-1를 시추조사 결과와 비교해보면, 상부 실트질 모래층에서 S파 속도의 공간적 해상도는 약 80m/sec로 하부 실트질 점토층의 속도 40m/sec보다 상대적으로 높은 값을 보인다. 각 층에서 S파 속도의 공간적 해상도는 뚜렷하다. Qs-1의 공간구조는 상부 실트질 모래층에서 약 0.02를 보이고 하부 실트질 점토층에서 0.03으로 증가하는 양상을 보인다. Qs-1의 공간적 해상도는 상부 약 5 m 구간에서는 양호하나 그 보다 깊은 곳에서는 공간적 해상도가 아주 낮아지는 것을 볼 수 있다. 이 조사지역에서는 실트질 모래층에서 실트질 점토층보다 높은 S파 속도가 나타나고 낮은 Qs-1 값을 보인다. 그러나, 지반의 S파 속도와 Qs-1를 결정하는 다른 많은 요인들이 있으므로 이를 일반화하기 위해서는 연약지반의 S파 속도와Qs-1에 관한 자료와 연구가 집적되어야 할 것이다.

최근 새로운 행정수도의 이전이 예상된 남한 중부 충청지방에 대한 관심이 고조되고 있다. 우리는 이 지역에서 1996년 9월 이후 한국교원대학교 지진관측망을 설치하석 운영 중이며, 이 관측망 중 2개 관측소에서 기록된 60개의 지진자료를 바탕으로 확장 Coda 규격화법을 이용하여 QP-1 과 QS-1을 동시에 측정하였다. 부족한 자료를 보충하기 위해서 한국지질자원연구원 관측망 중 한국교원대학교 관측망과 지리적으로 인접한 1개의 관측소에서 기록된 33개의 지진자료도 함께 분석하였다. 측정된 QP-1은 (1.9±3.0)×10-3에서 (5.4±1.5)×10-4으로, QS-1은 (2.4±1.4)×10-3에서 (6.3±1.1)×10-4으로 주파수가 3.0Hz에서 24Hz로 늘어남에 따라 줄어드는 주파수 의존적 특성을 보인다. 이 값을 주파수의 지수형태로 나타내면 QP-1=0.003f-0.62, QS-1=0.006f-0.071이다. 이 값들은 지진학적으로 안정한 전 세계의 다른 지역의 값과 유사하며 남한 남동부 지역값에 비해서는 다소 약한 주파수 의존을 나타낸다. 이는 고주파수에서 높은 Q-1값 때문이다. 남한 남동부와 충청 동부지역 간의 Q-1의 차이를 평가하기 위해서는 보다 많은 관측이 요구된다.

표면파 탐사는 탄성파를 이용한 여러 가지 다른 탐사 방법과 비교하여 독특한 장점들을 가지고 있다. 그러나 이 방법은 최근에 개발되기 시작하여 아직 연구 결과가 많이 축적되지 않은 분야이다. 이 연구에서는 지반 공학적 성질이 서로 다를 것으로 예상되는 여러 지역에서 표면파 탐사자료를 획득하여 그 분산곡선의 특징을 찾아보았다. 또한 분산곡선을 역산하여 S파 속도구조를 구하여 이를 시추조사 결과와 비교하였다. 그 결과 퇴적물상이나 암석상의 변화가 S파속도의 급격한 변화와 관련되어 있음을 확인하였다. 이것은 표면파 탐사법을 이용하여 퇴적물이나 암석의 물리적 성질이 급격하게 변화하는 경계면을 구별할 수 있는 가능성을 시사한다.

토양이나 암반의 물성을 조사하기 위하여 시추공조사가 흔히 이루어진다. 그러나 시추조사의 결과는 불연속적이고 시추공과 시추공 사이의 물성은 두 시추공의 조사결과를 내삽하여 구할 수 밖 에 없다. 그러나 이러한 내삽법을 이용한 해석은 지반의 수평적 변화가 심하지 않은 경우에만 가능하다. 연약지반의 연속적인 2차원 S파 속도구조를 구하기 위하여 표면파 역산 방법을 사용하였다. 역산 결과를 해석하기 위하여 역산 결과의 해상도를 역산 결과와함께 제시하였다.

금강하구 부근의 연약지반에서 획득한 탄성파 자료(25개 shot gather)를 역산하여 2차원 S파 속도구조를 구하였다. 탐사측선위에 위치한 2개 시추홀에서 지질조사를 실시하고 표준관입시험을 실시하였다. 2차원 S파 속도구조는 대상지역의 지층이 두께 1∼3m의 상부층(S파 속도 200∼700m/sec), 두께 5∼8m의 중간 저속도층(S파 속도 100m/sec∼400m/sec)과 그 아래 S파 속도 1000m/sec 이상의 하부층으로 이루어져 있음을 보인다. 저속도층은 탐사측선의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 가면서 그 두께가 얇아지고, 기반암의 깊이도 얕아진다. S파 속도구조와 지층의 지질, 표준관입시험 값을 검토한 결과, 저속도층은 clay층과 밀접한 관련이 있는 것으로 사료된다. 이에 비해 Standard Penetrarion Test 값은 지층의 성분과는 연관성을 보이지 않고, 깊이에 따라 증가하는 것으로 나타난다. 이 연구는 표면파 역산이 연약지반의 S파 속도구조를 밝히는 데 효과적으로 사용될 수 있음을 보여준다. 또한 표면파 역산 방법은 연약지반에 흔히 존재하는 지표에 가까운 지하수면, 또는 저속도 층으로 인한 굴절파 탐사방법의 한계를 극복할 수 있는 방법을 제공한다.

내진설계기준이 국내 고유의 지반 특성을 제대로 반영하지 못하고 있어 특히 고진동수 구간에서 실제 관측된 가속도 스펙트럼 값이 내진설계기준보다 상대적으로 크게 나타나는 등 문제점이 많다고 지적되어 왔다. 지반증폭 특성을 분석할 때 여러 가지 방법이 제시되어 있으나 본 연구는 지반진동의 수평/수직 비율을 이용하는 방법을 적용하였다. 이 방법은 최근 배경잡음, S파 및 Coda파 등에 적용되어 지반의 동적인 증폭 특성연구에 많이 이용되고 있다. 본 연구는 후쿠오카 지진으로부터 관측된 지반진동의 Coda 파 및 배경잡음을 분석하였고 결과를 일련의 후쿠오카 지진의 S 파 에너지를 분석한 결과와 비교하였다. 2005년 3월 20일 발생한 후쿠오카 본진을 포함하여 규모 3.9 이상의 모두 15 개 중규모의 후속 지진으로부터 국내 관측소에 관측된 각각 267 개 지반진동 자료의 Coda 파 및 배경잡음을 분석하여 국내 8 개 주요 지진관측소 지반의 동적인 증폭특성을 분석하였다. 각각의 지진관측소마다 저 진동수 및 고진동수 특성, 관측소 고유의 우월진동수가 서로 상이하여 관측소 고유의 증폭특성을 보여주었다. 대다수 관측소는 S파 및 배경잡음 에너지를 분석한 결과와 많은 부분이 유사함을 보여 주었다. 물론 본 연구로부터 도출된 결과를 다른 방법을 적용하여 얻어진 결과와 비교할 경우 주요 국내 지진관측소지반의 동적 특성 및 지반분류 연구에 많은 정보를 제시할 수 있다.

구조물과 지반상호간의 동적 특성을 보다 신뢰성 있게 분석하여 지진재해로부터 구조물을 효과적으로 보호하기 위해 지반의 증폭특성은 반드시 고려되어야 하는 요소이다. 지반증폭 특성을 분석할 때 여러 가지 방법이 제시되어 있으나 본 연구에서는 Nakamura(1989)에 의해 제시된 방법을 적용하였다. 본 방법은 얕은 지반의 상시미동의 표면파 특성을 이해하기 위해 제시되었으나. 최근 S파 및 Coda파 등에 적용되어 지반의 동적인 증폭 특성연구에 많이 이용되고 있어 본 연구에서 S파 에너지에 적용하였다. 2005년 3월 20일 발생한 후쿠오카 본진을 포함하여 규모 3.0이상의 모두 12개 중규모의 후속 지진으로부터 국내 관측소에 관측된 255 여개의 지반진동 자료를 분석하였다. 이를 이용하여 8개 주요 국내 지진관측소 지반의 동적인 증폭특성을 분석하였다. 각각의 지진관측소마다 저진동수, 고진동수 특성, 관측소 고유의 우월진동수기 서로 상이하여 관측소 고유의 증폭특성을 보여주었다. 본 연구의 결과를 다른 분석방법을 적용하여 얻어진 결과와 비교하면 국내 지반의 동적 특성 및 지반분류 연구에 많은 정보를 줄 수 있다.