서 론

지각은 지진, 단층 운동, 응력 변화, 지하 유체 이동 등 다양한 과정에 의해 지속적으로 변형한다. 이러한 미세한 변형을 정량적으로 관측하는 것은 지구조 운동의 이해뿐 아니라 지진 발생 메커니즘 해석, 활성단층 감시, 지하 구조물 안정성 평가 등 여러 분야에서 중요하다. 이를 위해 GPS, InSAR, tiltmeter, borehole strainmeter (시추공 변형률계) 등 다양한 계측 기술이 활용되고 있으며, 이 중 시추공 변형률계는 지하 암반 내부에 직접 설치되므로 지표 잡음의 영향을 상대적으로 적게 받으며 나노스트레인(nanostrain) 수준의 매우 작은 변형까지 장기간 연속적으로 기록할 수 있다는 장점이 있다(Soh and Chang, 2016).

시추공 변형률계의 높은 분해능 때문에 지구조적 변형 외에 설치 그라우트의 양생 영향, 지구 조석, 기압 변화 등 다양한 유형의 잡음(noise)도 동시에 감지되는 것이 보통이다. 이 때문에 변형률계 자료에서 지구조적 거동 효과 외의 잡음들을 필터링하여 제거하는 방법들이 연구되었으며 일부는 현재 보편적으로 활용되고 있다(Johnston et al., 1990; Roeloffs, 2010; Hodgkinson et al., 2013).

시추공 변형률계에는 상기한 잡음 외에도 지하수위 변화에 의한 잡음도 감지될 수 있다(Hsu et al., 2015). 지하수위 변화는 관측정 주변 대수층의 수두 및 공극압(pore pressure) 변화를 반영한다. 공극압 변화는 지각 변형 외적 요인인 지표 강수의 지하로의 유입 때문에 발생할 수도 있고, 지구조적 암반 변형에 기인한 공극률(또는 암반 매질의 지하수 저장능력) 변화 때문에 발생할 수도 있다. 전자의 경우는 지각 변형과 상관없는 잡음이므로 지하수위 변화에 따른 시추공 변형은 변형률계 신호에서 제거해야 하는 대상이지만, 후자의 경우는 지각 변형에 동반된 지하수위 변화이므로 의미 있는 변형률계 신호에 해당한다(Segall et al., 2003; Wang and Barbour, 2017). 따라서 지하수위 변화를 초래하는 원인이 무엇인지에 따라 변형률계 신호에 내포된 지하수위 효과를 제거 대상인 잡음인지, 유의미한 신호인지를 구분하여 처리할 필요가 있다.

기존 연구에서는 강수 또는 태풍에 의해 시추공 변형률계 자료에 유의미한 변형률 신호가 발생할 수 있으며, 이러한 수리적 성분을 통계적 모델이나 필터링 기법을 이용하여 추정, 제거할 수 있음을 보여준 사례가 보고되었다(Hsu et al., 2015; Chen et al., 2021). 그러나 인접 지하수 관측정에서 측정된 지하수위 변화를 이용하여 지하수위-변형률 관계를 정량화하고, 이를 다년간의 시추공 변형률계 자료 보정에 적용한 사례는 제한적이다. 본 연구는 이러한 연구 공백을 보완하기 위해, 한반도 남동부 지역에 설치된 지각변형 관측용 시추공 변형률계 사례를 통해 강수, 지하수위 변화, 시추공 변형률 응답 사이의 관계를 정량화하고, 이를 이용한 경험적 지하수위 보정 절차를 제시한다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. (1) 강수량과 지하수위 변동 간의 관계로부터 지하수위 변동의 주된 원인이 강수에 의함을 보이고, (2) 지하수위 변화와 시추공 변형률계 자료 사이의 관계로부터 지하수위 변화에 의한 변형률 성분을 추출하여, (3) 지하수위 변동 효과가 보정된 변형률 자료를 이용하여 장기 변형 경향을 평가한다. 이를 통해 시추공 변형률계 자료 해석의 정확도를 향상시키고, 지하수-변형 상호작용이 존재하는 관측 환경에서 활용할 수 있는 실용적 분석 절차를 제시하고자 한다.

시추공 변형률계 자료

연구 대상 시추공 변형률계는 한반도 남동부 중생대 화강암류 지역의 지하 약 200 m에 설치되어 있으며 장기 지각 변형 및 미세 암반 거동을 관측하기 위하여 운영되고 있다. 시추공 변형률계는 내부에 장착된 4채널(CH0, CH1, CH2, CH3)의 변형률 센서를 통해 네 수평 방향(북쪽을 기준으로 시계방향 18°, 63°, 108°, 153° 방향으로 배열)의 수직변형률(normal strain)을 측정한다. 각 방향은 45° 간격으로 배열되어 있다. 전압으로 표현되는 각 채널의 출력값은 캘리브레이션 이득 상수, 방향 변환 등을 고려한 계산을 통해 면적변형률(areal strain, ϵa), 전단변형률1 (γ1), 전단변형률2 (γ2)로 변환된다. 동쪽을 x축으로, 북쪽을 y축으로 하는 직교좌표계에서 각 변형률 성분은 ϵa=ϵxx+ϵyy, γ1=ϵxx-ϵyy, γ2=2ϵxy이다. 여기서 ϵxx와 ϵyy는 각각 x방향 수직변형률, y방향 수직변형률이며, ϵxy는 전단변형률이다.

Fig. 1은 2021년부터 2023년까지의 3년간의 변형률계 자료를 보여준다. 이 자료는 설치 그라우트의 양생 효과와 지구 조석 효과가 제거된 자료이다. 3년간의 자료에서 전체적인 변화 양상을 관찰할 수 있지만 가장 두드러지는 양상은 모든 변형률 신호에서 일련의 급격한 변형률 변화가 나타난다는 점이다. 이러한 변형률의 급격한 변화는 인접 관측정에서 측정한 지하수위 변화와 상당히 일치하는 양상을 보인다. 즉, 지하수위가 급격히 상승할 때 면적변형률은 급격히 감소하며, 두 전단변형률은 증가한다. 지하수위 관측정은 변형률계 시추공으로부터 약 20 m 거리에 있으며, 스크린 심도는 0–73 m이다. 지하수위가 변형률계 설치 구간의 공극압 변화를 반영한다는 가정하에, 지하수위 상승은 변형률계 주변 암반의 공극압 증가와 관련된 것으로 해석할 수 있으며, 공극압 증가에 의해 시추공 주변 암반이 팽창하며 이에 따라 시추공 단면적이 수축된다. 따라서 시추공 단면적의 변형을 의미하는 면적변형률이 지하수위 상승에 따라 감소하는 것은 예상되는 현상이다.

Fig. 1.

Temporal variations in groundwater level (WL) and borehole strain components (areal strain: ϵa, shear strain 1: γ1, and shear strain 2: γ2) from January 2021 to January 2024. Gray vertical lines indicate periods of a major increase in groundwater level.

지하수위의 변화는 강수의 침투, 인근 지역에서의 양수 또는 주입, 지하수 유동, 암반 변형 등 다양한 원인에 의해 발생한다. 강수 침투나 양수/주입 등 지하수 유동에 의한 지하수위 변화는 측정 지역에 유체가 실제 유입/유출되어 발생하는 현상이다. 이 경우 암반 변형은 지하수위 변화에 의해 강제되는 현상이기 때문에 지구조적 암반 변형을 지시하지 않는다. 반면 암반 변형에 의한 공극률(즉, 암반 매질의 지하수 저장능력)이 변화할 때 공극수의 압출에 의해 지하수위가 변화할 수 있다. 이 경우는 암반 변형이 선행되었으므로 시추공 변형률은 지구조적으로 의미 있는 암반 변형 신호일 수 있다.

지하수위 변화의 원인을 확인하기 위하여 연구 지역에서 측정한 일일강수량과 지하수위 변화를 분석하였다. 먼저 10분 간격으로 관측된 지하수위 자료를 일평균 자료로 변환한 후, 일별 강수량 자료와 날짜 기준으로 병합하였다. 또한 강수에 대한 지하수위의 직접적인 상승 반응을 평가하기 위하여 일평균 지하수위의 1차 차분을 계산하여 일별 지하수위 변화량을 산정하였다. 강수량-지하수위 및 강수량-지하수위 변화량 사이의 시간 지연 관계를 파악하기 위하여 시차 상호상관관계 분석을 수행하였다. 각 시차(lag)에 대해 일별 강수량 시계열과 일평균 지하수위 또는 일별 지하수위 변화량 시계열 사이의 Pearson 상관계수를 계산하였다.

강수와 지하수위 사이의 시간 지연 관계를 분석한 결과, 연구 기간 동안 지하수위는 강수 발생 이후 상승하는 경향을 뚜렷하게 보였다(Fig. 2a). 특히 집중 강우가 반복된 시기에는 지하수위가 급격히 증가한 후 점진적으로 감소하는 양상이 나타나며, 이는 연구 지역의 지하수위 변동이 강수에 의한 지하수 함양 과정과 밀접하게 관련되어 있음을 보여준다. 시차 상관분석 결과, 강수량과 지하수위의 상관계수는 양의 시간 지연, 즉 강수 이후의 시차에서 최댓값을 보인다(Fig. 2b). 강수량과 절대 지하수위 사이의 상관계수는 약 5일의 지연에서 가장 크게 나타났으며 이후에는 비교적 완만하게 감소하였다. 이는 강수 후 지하수위가 즉각적으로만 반응하는 것이 아니라, 강수의 지하 침투, 대수층 내 저장 및 배수 과정의 영향으로 수일에 걸쳐 누적적으로 상승하고 유지되는 특성을 반영한다. 반면 강수량과 일별 지하수위 변화량 사이의 상관계수는 약 1일의 지연에서 가장 크게 나타났다. 이는 강수에 대한 지하수위의 직접적인 상승 반응, 즉 지하수위 상승률 증가가 강수 발생 후 약 하루 이내에 가장 뚜렷하게 나타남을 의미한다. 따라서 1일 지연은 강수에 대한 초기 수위 상승 반응을, 5일 지연은 대수층의 누적적 수리 반응과 저장 효과를 지시하는 것으로 해석할 수 있다. 이러한 결과는 연구 지역의 지하수위 변동이 주로 강수의 지하 침투와 이에 따른 공극압 증가에 의해 지배됨을 시사한다.

Fig. 2.

Relationship between rainfall and the groundwater-level response: (a) daily rainfall and groundwater level (WL) from January 2021 to January 2024, and (b) lagged correlation coefficients between rainfall and the groundwater level or the daily change in groundwater level. A positive lag in (b) indicates that the groundwater level, or the change in groundwater level, responds with a delay after rainfall occurs.

따라서 연구 지역의 지하수위는 강수에 대해 즉각적인 변화율 반응을 보인 후, 수일에 걸쳐 누적적인 수위 상승으로 이어지는 것으로 해석된다. 이러한 결과는 지하수위 변화가 변형률계 자료에 영향을 줄 수 있는 주요 환경 요인임을 시사하며, 지각변형 신호를 해석하기 위해서는 강수-지하수위 변동에 따른 비지구조적 변형 성분을 별도로 평가하고 제거할 필요가 있음을 의미한다.

시추공 변형률계 자료에서 지하수위 효과 제거 방법

화강암반에 설치된 변형률계를 고려하여 암반 변형은 공탄성(poroelastic)이라고 가정하였다. 등방성 공탄성 매질을 위한 구성방정식은 다음과 같이 표현된다(Rice and Cleary, 1976; Rojstaczer and Agnew, 1989).

여기서, ϵij, σij, p는 각각 변형률, 응력, 공극압이며, 𝛽는 압축률(compressibility), 𝜈는 포아송비(Poisson’s ratio), 𝛼는 Biot 상수, δij는 Kronecker delta (i = j이면 1, i ≠ j이면 0)이다. 실제 암반에서는 배수조건 및 경계조건에 따라 응력과 공극압이 상호 결합되어 있을 수 있지만 구성방정식에서 암반 변형률은 응력 변화에 의한 탄성변형과 공극압에 의한 변형의 선형 중첩으로 표현된다.

Fig. 1에 보인 변형률은 지하수위(또는 공극압) 변화 효과와 지구조 암반 변형이 중첩되어 있는 자료이며, 지하수위 변화에 의한 암반 변형과 그 외 지구조 효과에 의한 암반 변형은 서로 독립적이라는 가정 하에 다음과 같이 표현할 수 있다.

여기서, Δϵtotal은 시추공에서 측정된 변형률, ΔϵWL는 지하수위 변화에 의한 변형률, Δϵtecto는 지하수위 변화 외 변형률이며, ΔWL은 지하수위 변화, A는 지하수위 변화와 변형률 간의 보정계수이다. 이상적인 등방성 공탄성 구성방정식(식 (1))에 의하면, 면적변형률의 경우 이론적으로 A=-2α(1-2ν)ρwg/E로 유도되어 암반과 유체의 물성으로 결정되는 상수이다. 그러나 실제 관측자료에서 산정되는 A는 균열 암반의 비등방적 변형특성 때문에 등방 공탄성 이론에서 지시하는 값과 차이가 발생한다. 공극압 변화에 따른 암반의 비등방적 변형 특성은 본 논문에서 제시하지 않은 각 방향의 변형률 자료에서 확인할 수도 있으며, Fig. 1의 전단변형률 성분에서도 관찰된다. 등방성 암반에서는 지하수위 또는 공극압이 급격히 상승하더라도 전단변형률에는 변화가 발생하지 않는데(식 (1)에서 δij=0), 실제 자료에서는 지하수위가 급상승할 때 전단변형률도 급변하는 양상이 나타난다. 이는 지하수위 변화에 의해 암반이 비등방적으로 변형되기 때문이다. 따라서 식 (2)의 보정계수 A는 경험적 계수로 해석하는 것이 적절하다. 시추공 변형률 자료에서 제거하고자 하는 변형률 성분은 AΔWL이며, 이를 제거함으로써 지하수위 유발 성분이 감소된 잔류 변형 신호를 추출하고자 한다.

Fig. 1에서 지하수위가 급상승할 때, 비교적 짧은 시간 동안 변형률이 거의 동시에 변화한다. 구체적으로 지하수위가 급상승하기 시작하는 시간과 변형률 신호가 급변하는 시간 간에는 평균 7.8 h의 시간 지연이 발생함을 확인하였다. 따라서 이후 분석에는 해당 시간 지연을 반영한 지하수위 변화량을 사용하였다. 지하수위가 급상승하는 짧은 시간 동안에는 비교적 장주기의 지구조 효과에 의한 암반 변형이 무시할 만큼 작아서 해당 기간 발생한 변형은 전적으로 지하수위 변화에 의해 발생한 암반 변형이라 가정하여 분석하였다. 3년간의 시계열에서 지하수위가 1 m 이상 급상승하고, 인접한 상승 이벤트와 명확히 분리되는 경우를 하나의 이벤트로 선정하였다.

선정된 총 14개의 이벤트에 대해 지하수위 변화량(ΔWL)과 이에 대응하는 세 변형률의 변화량을 각각 추출하였으며, 그 결과를 Fig. 3에 도시하였다. 세 변형률 성분 모두 지하수위 변화량과 뚜렷한 선형 관계를 보인다. 지하수위 변화가 없을 경우 지하수위에 의한 변형률 변화도 발생하지 않는다고 가정하여, 각 변형률 성분에 대한 지하수위-변형률 관계식은 원점을 통과하는 선형회귀를 통해 산정하였다. 그 결과, 면적변형률, 전단변형률1, 전단변형률2에 대한 회귀계수는 각각 -164.0, 103.6, 142.7 nanostrain/m로 계산되었으며, 결정계수 R²는 0.95–0.98의 범위를 보였다. 이는 회귀분석 결과가 의미 있으며, 지하수위 변화와 변형률 간에는 선형성 가정이 적절하다는 것을 보인다.

Fig. 3.

Relationships between groundwater-level change and strain responses.

이벤트 선택에 따른 회귀분석 결과의 안정성을 평가하기 위해 leave-one-out 회귀분석을 수행하였다. 총 14개 이벤트 중 한 이벤트씩 순차적으로 제거하면서 각 경우에 회귀분석을 수행하여 그 평균과 표준편차를 구한 결과, 면적변형률, 전단변형률1, 전단변형률2의 회귀계수는 각각 -164.1 ± 3.3, 103.6 ± 1.4, 142.7 ± 2.3 nanostrain/m로 나타나 전체 자료를 사용한 회귀계수와 매우 유사하다. 이는 산정된 지하수위 보정계수가 특정 단일 이벤트에 의해 지배되지 않음을 지시한다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 3에 제시한 관계식을 이용하여 지하수위 변화를 지하수위에 의해 유도된 변형률 변화로 변환하였다. 이후 이를 보정 전 변형률 자료에서 제거하여 지하수위 변화의 영향을 보정한 변형률 시계열을 산출하였다.

Fig. 4는 각각 면적변형률, 전단변형률1, 전단변형률2 시계열 자료에 대해 지하수위 변화 때문에 야기되는 변형률 성분을 제거해 준 결과를 보정 전 자료와 비교한 것이다. 보정 전 자료에서는 지하수위 변화에 따른 단기간의 급격한 상승/하강이 반복적으로 나타나지만, 보정 후 자료에서는 이러한 반복적 급변 패턴이 거의 제거되었다. 특히 면적변형률의 경우 지하수위 상승에 의한 급격한 수축 신호가 대부분 제거되어 장주기 변화 경향이 더 명확하게 나타난다. 전단변형률1과 전단변형률2 역시 단기 진동 성분이 감소하면서 전체 시계열의 연속성과 안정성이 향상되었다. 즉, 보정 후 시계열의 단기 변동성이 감소하고, 배경 추세의 식별성이 향상되었다. 이는 제안된 방법이 단순히 특정 지하수위 변동 효과를 제거하는 수준이 아니라, 장기 지각 변형 해석에 필요한 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 실질적으로 개선함을 의미한다.

Fig. 4.

Comparison of uncorrected and groundwater-level-corrected borehole strain components. Gray curves indicate the original strain records, and black curves indicate the strain records after the removal of groundwater-level-induced components.

지하수위 보정 효과를 정량적으로 평가하기 위해, 보정 전후의 각 변형률 성분과 지하수위 사이의 Pearson 상관계수를 계산하였다(Table 1). 변형률 자료의 결측 구간은 별도의 보간 없이 해당 구간의 자료를 제외한 유효자료만을 사용하여 상관계수 산정에 인위적인 영향을 주지 않도록 하였다. Pearson 상관계수는 두 시계열 사이의 선형 상관성의 강도와 방향을 나타낸다. 보정 전에는 세 변형률 성분 모두 지하수위와 뚜렷한 상관관계를 보인다. 면적변형률은 지하수위와 음의 상관관계(r = -0.561)를, 전단변형률1과 전단변형률2는 양의 상관관계(각각 r = 0.678, 0.417)를 보였다. 보정 후 면적변형률과 전단변형률1의 상관계수는 각각 0.003 및 -0.023으로 거의 0에 수렴한다. 이는 면적변형률과 전단변형률1 성분에 포함된 지하수위 관련 변형률 성분이 보정 과정을 통해 효과적으로 제거되었음을 의미한다. 반면 전단변형률2의 경우 보정 후 상관계수가 0에 수렴하지 않고 -0.288로 반대 부호의 상관계수를 보인다. 이는 전단변형률2 성분의 지하수위 급상승 효과는 보정식에 의해 효과적으로 제거되었으나, 전체 분석 기간에 걸친 장주기 또는 배경 변동까지 하나의 고정 보정계수로 완전히 설명하기는 어렵다는 것을 의미한다. 따라서 전단변형률2의 보정 결과는 이벤트 규모 지하수위 효과 제거에는 유효하지만, 전체 시계열에 대해서는 일부 잔류 상관성 또는 과보정 가능성이 있는 것으로 해석된다.

보정 후 변형률 자료의 장기 변화 특성

Fig. 4에 보이는 지하수위 변동에 따른 잡음이 제거된 자료를 검토한 결과, 면적변형률은 2021년 후반기부터 2022년 초까지 다소 감소하는 추세를 보였으며, 그 이후 거의 일정한 변형률을 유지하다가 2023년 하반기부터 점진적으로 다시 감소하는 패턴을 보였다. 면적변형률의 감소는 시추공 단면적의 수축을 의미한다. 두 전단변형률은 2023년 중반까지 다소 증가 또는 감소되는 패턴을 보이다가 2023년 후반부터 지속적인 감소세를 보인다. 전단변형률의 변화는 특정 방향으로의 비등방적 변형이 함께 진행되고 있음을 지시한다.

비등방성 변형의 정도와 방향을 파악하기 위하여 탄성이론의 원리에 따라 변형률계 신호가 나타내는 최대, 최소 주변형률의 크기와 방향을 계산하였다. 최대, 최소 주변형률(각각 ϵ1, ϵ2)은 다음과 같다.

여기서, +는 최대주변형률을, −는 최소변형률에 해당한다. 최대 압축이 발생하는 방향, 즉 ϵ2의 방향은 다음의 식으로 계산한다.

여기서, θ2는 북을 기준으로 시계방향 각도이다.

식 (3)과 (4)을 이용하여 구한 ϵ1, ϵ2의 크기와 θ2의 결과는 Fig. 5에 보인다. 2021년에는 ϵ1과 ϵ2 모두 비교적 작은 범위 내에서 변동한다. 2022년 초 이후 ϵ2는 점진적으로 감소하여 압축 변형이 누적되는 경향을 보인다. 전체적으로 최소 주변형률(ϵ2)은 최대주변형률(ϵ1)보다 더 큰 변화를 보인다. 이러한 경향은 2023년에 더욱 뚜렷해지며, 2023년 말에는 ϵ2가 약 -1,800 × 10^-9 까지 감소한다. 반면 ϵ1은 전반적으로 작은 변동 폭을 유지하는 경향을 보인다. 2023년 하반기의 ϵ2 감소 경향은 ϵ2방향으로의 압축 변형이 우세해졌음을 지시한다. 그러나 이 해석은 단일 시추공 변형률계 자료에 기반하므로, 관측된 변형률 변화가 지구조적 변형 누적을 확정적으로 지시한다고 단정하기는 어렵다. 그 원인을 좀 더 명확히 규명하기 위해서는 인근의 다른 독립적인 자료(GNSS, 지진활동 등)와의 비교가 필요하다.

주변형률 시계열에는 몇 차례 급격한 변화가 관찰된다. 특히 2022년 초, 2023년 초, 2023년 중반 부근에서 ϵ2이 순간적으로 감소하는 구간이 나타난다. 이는 실제 지구조적 압축성 변형을 의미할 수도 있지만, 변형의 단기적 압축과 복원 형태로 볼 때 계측이나 주변 환경 요인(장비의 재설정이나 주변 지역 양수 등에 의한 암반 변형)에 의한 응답일 가능성도 있다. 그 원인은 명확히 밝혀지지 않았다.

최대 압축 방향(ϵ2 방향)은 2021년에 큰 변동성을 보이나 이는 ϵ1과 ϵ2 간의 크기 차이가 작고 각 변형률의 작은 변동에 의해 나타난 현상이다. 반면 ϵ1과 ϵ2사이의 유의미한 차이가 발생하는 2022년 이후에는 대체로 N30–60°E 범위 내에서 안정적으로 나타난다. 이 결과는 2022년 이후 관측 지점에서 비교적 일정한 방향성을 갖는 압축성 변형률 변화가 관찰되었음을 보여준다. 최대 압축 방향이 장기간 안정적으로 유지된다는 점은 암반 변형장이 단기 잡음보다는 장기적인 변형 과정과 관련될 가능성을 시사하지만, 독립 자료를 통한 검증이 필요하다.

Fig. 5.

Temporal variations in the principal strains and the maximum compression azimuth.

토 론

본 연구에서 제시한 지하수위 효과 제거 방법은 지하수위 변화에 동반된 변형률 응답을 비교적 직관적이고 경험적으로 보정하기 위한 것이다. 즉, 강수 유발 지하수위 변동이 뚜렷하며 지하수위 자료를 변형률계 설치 심도의 공극압 지시자로 사용할 수 있는 관측 환경에서 적용할 수 있는 방법으로 이해하는 것이 적절할 것이다. 보정계수는 암반의 고유한 공탄성 물성을 의미하는 것이 아니라, 관측정과 변형률계 사이의 수리적 연결성, 변형 이방성을 유도하는 균열의 분포, 지질 구조 등이 함께 반영된 일종의 경험계수이며 순전히 본 연구 사이트에서 관찰된 지하수위 변화와 변형률계 응답 사이의 경험적 관계에 기반한다. 따라서 본 연구에서 제시한 방법을 다른 수리지질 환경에 직접 적용하기는 어렵다. 다른 환경에 적용하기 위해서는 사이트별로 지하수위-변형률 관계, 시간 지연, 보정계수의 안정성, 수리적 연결성 등을 별도로 평가할 필요가 있다.

변형률계에 반영된 지하수위 변화 효과를 효율적으로 파악하기 위하여 본 연구에서는 단시간에 급상승하는 지하수위 변화 이벤트와 그에 상응하는 변형률계 신호를 보정 요소로 활용하였다. 지하수위 급상승 구간 동안 변형률계 자료에 지구조적 신호의 포함 여부는 별도로 파악하지 않았다. 만일 지하수위 변화와 지구조적 변형이 동시에 발생하는 경우에는(Segall et al., 2003) 지하수위 보정 과정에서 실제 지구조 신호의 일부가 함께 제거되는 과보정 가능성을 완전히 배제하기 어렵다. 그러나 보정에 사용한 지하수위 급상승 구간이 최대 수일에 한정되므로 해당 기간의 지구조적 변형 크기는 상당히 제한적일 것으로 추정된다.

지하수위 유발 성분을 제거한 후의 잔류 변형률 전체가 광역적인 배경 지구조 변형을 지시한다고 볼 수는 없다. 보정 후 자료에는 지하수위와 변형률 사이의 비선형 관계, 시간에 따른 보정계수와 시간 지연의 변화, 관측정과 변형률계 설치 구간 사이의 불완전한 수리적 연결성, 그리고 수리적으로 활성인 균열의 공극압 변화 등으로 인해 제거되지 않은 수리적 성분이 남아 있을 수 있다(Longuevergne et al., 2009; Hsu et al., 2015). 또한 온도 변화, 인근 지역의 지하수 양수/주입이나 지하수 유동 변화, 계측기의 장기 드리프트와 영점 변화, 장비 점검 또는 재설정, 변형률계와 주변 암반 사이의 결합 상태 변화 등도 장주기 또는 단계적인 변형률 변화를 유발할 수 있다(Roeloffs, 2010; Hodgkinson et al., 2013). 한편, 잔류 변형률이 지구조적 기원이라 하더라도 반드시 광역적인 지각 변형장만을 반영하는 것은 아니다. 관측 지점 인근의 단층이나 균열대에서 발생하는 국지적 응력 재분배, 단층 크리프, 또는 소규모 지진에 수반된 변형이 변형률계에 기록될 수도 있다(Johnston et al., 1994; Linde et al., 1996). 따라서 보정 후 관찰되는 장기 변화와 비교적 안정적인 변형 방향에는 광역적인 지구조 변형, 주변 단층과 균열에 의한 국지적 변형, 그리고 완전히 제거되지 않은 비지구조적 성분이 함께 포함될 가능성이 있다. 이러한 성분들을 단일 변형률계 자료만으로 구분하기는 어려우므로, 향후에는 인근 GNSS 관측, 다른 변형률계 자료, 지진활동, 온도 및 지하수 이용 자료 등 독립적인 관측 결과와 비교하여 잔류 변형률의 원인과 지구조적 의미를 검증할 필요가 있다.

결 론

본 연구에서는 한반도 남동부 지역의 지각변형 관측용 시추공에 설치된 고해상도 시추공 변형률계 자료를 대상으로, 지하수위 변화가 변형률 자료에 미치는 영향을 평가하고 이를 제거하기 위한 경험적 보정 절차를 제시하였다. 2021년부터 2023년까지의 강수량, 지하수위, 면적변형률, 전단변형률 자료를 분석한 결과, 연구 지역의 변형률 자료에는 지구조적 변형 신호 외에도 강수에 의해 유발된 지하수위 변화 성분이 뚜렷하게 포함되어 있음을 확인하였다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다.

첫째, 연구 지역의 지하수위 변동은 강수와 밀접한 관련성을 보였다. 강수 이후 지하수위가 상승하는 양상이 반복적으로 관찰되었으며, 강수량과 일별 지하수위 변화량 사이의 상관성은 강수 발생 후 약 1일의 시간 지연에서 가장 뚜렷하게 나타났다. 이는 연구 기간 동안 관측된 주요 지하수위 변동이 지구조적 암반 변형보다는 강수의 지하 침투 및 이에 따른 공극압 증가에 의해 주로 발생하였음을 의미한다. 따라서 이러한 지하수위 유발 변형 성분은 장기 지각변형 해석을 위해 제거해야 할 비지구조적 잡음 성분으로 볼 수 있다.

둘째, 지하수위 급상승 구간에서 변형률계 자료는 지하수위 변화에 대해 체계적인 응답을 보였다. 지하수위가 상승할 때 면적변형률은 감소하고, 두 전단변형률은 각각 일정한 방향으로 변화하였다. 이는 공극압 증가에 따른 시추공 주변 암반의 공탄성 변형이 변형률계에 기록된 결과로 해석된다. 지하수위 변화량과 각 변형률 변화량 사이에는 비교적 명확한 선형 관계가 확인되었으며, 이 관계를 이용하여 지하수위 유발 변형률 성분을 산정하는 경험적 보정식을 도출하였다.

셋째, 도출된 보정식을 전처리 변형률 자료에 적용한 결과, 지하수위 변동에 따른 단기적인 급변 변형률 성분이 현저히 감소하였다. 특히 면적변형률 자료에서는 지하수위 상승 시 동반되던 급격한 수축 신호가 대부분 제거되었고, 전단변형률 자료에서도 단기 변동성이 감소하여 시계열의 연속성과 안정성이 향상되었다. 이는 제안된 보정 방법이 단순히 개별 지하수위 변동 효과를 제거하는 데 그치지 않고, 장기 변형 해석에 필요한 배경 추세를 더 명확하게 드러내는 데 효과적임을 보여준다.

넷째, 보정된 변형률 자료를 이용하여 주변형률과 최대 압축 방향을 계산한 결과, 연구 기간 동안 장기적인 압축성 변형률 변화로 해석될 수 있는 경향이 관찰되었다. 특히 2022년 이후 최소 주변형률의 감소가 발생했으며, 2023년 하반기에는 이러한 감소 경향이 더욱 뚜렷하게 나타났다. 반면 최대 주변형률의 변화 폭은 상대적으로 작아, 관측된 장기 변형은 특정 방향성을 갖는 비등방성 압축 변형의 성격을 보인다.

결론적으로, 본 연구는 강수에 의해 유발된 지하수위 변화를 적절히 보정하지 않을 경우 장기 지각변형 해석에 어려움이 발생할 수 있음을 보여준다. 또한 지하수위 급상승 이벤트를 이용한 경험적 보정 방법은 관측 지점의 수리-역학적 특성을 반영하여 지하수위 유발 변형률 성분을 효과적으로 제거할 수 있는 실용적인 접근법임을 확인하였다. 이러한 방법은 지하수위 변동이 뚜렷한 지역에서 시추공 변형률계 자료의 신뢰도를 향상시키고, 장기 암반거동 및 지각변형 모니터링 자료의 해석 신뢰도를 높이는 데 활용될 수 있다.

다만 본 연구에서 제시한 보정식은 본 연구 사이트에서 관찰된 지하수위 변화와 변형률계 응답 사이의 경험적 관계에 기반하므로, 다른 지역이나 다른 수리지질 환경에 직접 적용하기에는 한계가 있다. 특히 관측정과 변형률계 사이의 수리적 연결성, 지하수위 변화와 변형률 응답 사이의 시간 지연, 보정계수의 안정성은 관측 지점마다 달라질 수 있다. 따라서 본 방법은 강수 유발 지하수위 변동이 뚜렷한 관측 환경에서 적용 가능한 경험적 보정 절차로 이해되어야 하며, 향후에는 다점 변형률 관측, 다른 독립적인 자료와의 비교를 통해 보정 방법의 적용성을 추가적으로 평가할 필요가 있다.