Research Article

The Journal of Engineering Geology. June 2021. 211-222
https://doi.org/10.9720/kseg.2021.2.211

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구지역 및 자료취득 방법

  •   연구지역 지질

  •   사용장비 및 현장 측정방법

  • 자료처리 및 분석결과

  •   공명주파수 분포도

  •   충적층의 층후

  •   연일층군의 층후

  • 결 론

서 론

1978년 관측 이래 2016년 경주에서 계기관측 사상 최대 규모 5.8의 지진이 발생한지 1년여 만에 2017년 11월 15일 경상북도 포항시 흥해읍을 중심으로 두 번째로 큰 규모 5.4의 지진이 발생하였다. 지진 발생시 지반 구조 및 특성에 따라 연약한 지반 구조로 이루어져 있으면 지진파가 증폭되어 지진의 피해가 커지는데 반해 지반이 단단한 암반으로 이루어져 있으면 지진의 피해가 감소한다. 지반구조 및 특성은 다양한 방법으로 추정할 수 있다. 가장 좋은 방법은 시추를 통해 지하구조 확인 및 시추공 시험을 통해 알 수 있다. 하지만 조사지역에 대한 시추조사를 실시할 시 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라 고비용을 감수해야하는 단점이 있다. 이와 같은 문제점으로 인해 시추조사와 함께 시간, 비용 절감을 할 수 있는 상시미동 측정을 통한 연구방법이 있다.

여기서 상시미동이란 Kanai and Tanaka(1954)가 처음 도입한 개념으로 해양이나 인간 활동으로 발생하는 미소 진폭의 진동으로 1~수 십Hz 범위의 지진동을 의미한다. 상시미동을 이용한 연구방법으로는 FK(Frequency-Wavenumber spectrum), SPAC(Spatial Auto-Correlation), HVSR(Horizontal to Vertical Spectrum Ratio)방식이 있다.

그리고 국내에 HVSR과 관련된 논문들이 있다. 5가지 논문을 소개하면 기상변화와 지진계 설치 깊이가 HVSR 분석결과에 미치는 영향(Kang et al., 2020)에서는 지진계를 매설하면 강수량 변화에 상관없이 안정적인 HVSR 분석 결과를 도출한다고 하였다. 한반도 남서부의 상시미동 HVSR 연구 I: 정점주파수와 증폭효과의 특성(Jung et al., 2010)에서는 상시미동의 에너지 스펙트럼은 내륙 지역에 비해 해안 지역에서 저주파대역이 크며, 이유는 서해의 파랑과 조류, 군산의 북쪽을 지나는 금강의 영향으로 보인다고 한다고 하였다. 제주도 상시미동의 H/V 스펙트럼비 분석(Hong and Kim, 2010)에서는 제주도 화산암 두께 변화를 연구한 결과 우세주파수는 한라산 중심부로 갈수록 점진적으로 작은 값을 보이고 제주도의 기반암이 섬 중심부 아래로 휜 구조임을 반영하며 기반암 상부 현무암의 평균횡파속도를 1,800 m/s로 가정할 경우, 각 조사지의 기반암 깊이는 약 640~2,140 m 정도로 평가된다고 하였다. 초계분지의 상시미동 지진응답(Lee et al., 2017)에서는 급한 경사를 갖는 분지 외곽에 비하여 분지 내부의 관측점에서 기본 공명주파수는 최소 1.03 Hz로 낮으며 퇴적층이 두껍고 깊이는 최대 약 100 m에 이른다고 한다는 논문들이 있다.

Nakamura(1989)는 HVSR은 퇴적층의 증폭특성을 나타내는 공명주파수(Resonant frequency)를 찾는 데 효과적임을 제시했었다. Nakamura(1989)가 제안한 HVSR은 상시미동 자료의 수평성분과 수직성분의 스펙트럼비를 구하는 것으로, 임피던스 차이가 큰 층의 경계가 존재할 경우에 상부층의 우세주파수를 쉽게 결정할 수 있는 특징을 가진다. HVSR 방법은 두꺼운 충적층과 기반암 사이의 공명주파수에서 뚜렷한 정곡점(peak)을 보인다는 다수의 연구 결과를 통해 그 안정성이 경험적으로 인증된 바 있다(Kagami et al., 1986; Ohmachi et al., 1991; Field et al., 1993; Theodulidis and Bard, 1995; Teves-Costa et al., 1996). Lermo and Chávez-García(1993)은 한 지점에서 기록된 상시미동 자료와 지진 자료로 HVSR 분석 결과 두 자료 모두 응답 주파수와 증폭비가 일치하는 결과를 확인하였다.

그러므로 우리가 분석기법으로 택한 것은 공명주파수를 분석하는 HVSR 분석법이다. HVSR 분석법은 단일 측정점 자료를 사용하고 측정 환경에 큰 제약이 없으며, 비교적 신속하고 경제적으로 조사를 할 수 있는 장점이 있다. HVSR 분석법은 상시미동에서 측정된 탄성파 자료에서 수평성분과 수직성분의 스펙트럼 비를 구하여 퇴적층의 두께를 추정하고 해당지역의 지반특성을 분석하는 방법이다. 공명주파수를 분석하여 퇴적층 두께를 추정할 수 있고 퇴적층이나 표면층과 기반암층의 임피던스 차이가 높을 때 신뢰할 수 있는 자료 획득이 가능하다. 상시미동 측정을 통한 HVSR 기법의 스펙트럼 피크로 결정되는 공명주파수는 퇴적층이 비교적 균질하다는 가정 하에 퇴적층의 평균 S파 속도(Vs)와 퇴적층의 두께(H)로 F0=Vs/4H로 표시될 수 있다(Yamanaka et al., 1994; Walling et al., 2009).

상시미동 측정은 1차와 2차로 나누어 조사를 하였으며 1차에서는 이동식 지진계와 기록계를 활용하여 관측지점당 200 Hz 샘플률로 15분 동안 상시미동을 각 지점마다 2회씩 측정하였다. 2차조사에서는 TROMINO 상시미동 측정기를 이용하여 128 Hz 샘플률로 4분 동안 상시미동을 각 지점마다 2회씩 측정하여 총 39개의 지점을 조사하였다.

연구지역 및 자료취득 방법

연구지역 지질

연구지역의 지질은 백악기 석영반암 및 석영조면암을 기반암으로 하여 하부로부터 제 3기 연일층군, 제3기 현무암 및 제4기 충적층으로 구성되어 있다(Um et al., 1964). 연일층군의 지층들은 최하부에 육성 기원의 쇄설성 퇴적암을 일부 포함하나 주로 해성 기원의 쇄설성 퇴적암으로서 이암, 사암 및 역암으로 이루어져 있으며, 대부분의 경우 고화도가 낮아서 반고결층이나 미고결층이다(Um et al., 1964). 충적층은 주로 자갈과 모래로 구성되어 있다(Ahn et al., 2015).

연구지역에서 1960~70년대 포항분지 퇴적층 내 석유 부존 가능성 평가를 목적으로 수행된 1개의 대심도 시추공(201)(Lee et al., 1967, 1968; Lee, 1968)과 2000년대 포항시 흥해읍 일대의 암반 내 부존하는 심부 지열 탐사를 목적으로 수행된 심부지열에너지개발사업(2003~2006년)에서 시추한 4개의 대심도 시추공(BH-1, BH-2, BH-3, BH-4)(Song et al., 2006) 등 총 5개의 시추자료가 수집되었다(Fig. 8, Fig. 9).

연구지역은 2017년 포항에서 규모 5.4의 지진이 발생하여 피해가 심했던 포항시 북구 흥해읍 일대 지역을 연구지역으로 선정하였다. 연구 지역은 1차조사, 2차조사로 나누어 차량과 사람의 통행이 적은 총 39개 지점에서 상시미동을 측정하였다(Fig. 1b).

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Fig. 1

(a) Geological map and (b) Location map of study area ((b) Orange color: first survey, Yellow color: second survey).

사용장비 및 현장 측정방법

상시미동 측정을 위하여 1차조사는 2017년 12월 6일 Kinemetrics사의 QUANTERRA Q330 기록계와 Guralp systems의 CMG-40T broadband seismometer 지진계를 사용하였고, 2차조사는 2020년 1월 15일 MOHO S.R.L.사의 TROMINO® ZERO를 사용하였다. QUANTERRA Q330 기록계는 32 bit와 64 bit의 분해능의 6채널(또는 3채널)과 각각의 12 bit의 보조채널을 가지고 있다. CMG-40T는 0.017~100 Hz의 응답성을 가진 광대역 지진계이며 2,000 V/ms-1 민감도와 780 mW의 저전력 소비의 특성을 가지고 있다. TROMINO® ZERO는 상시미동의 동점 범위와 감도를 조절할 수 있는 3개의 유속계와 1개의 아날로그 채널을 가지고 있으며, 작동 범위는 0.1~1,024 Hz 범위를 가진다. 측정 방법으로 1차조사에서 Fig. 2aFig. 2b와 같이 지진계 설치를 위하여 40~50 cm 상부 토층을 굴착하고 6 cm 두께의 보도블럭 Plate 위에 지진계를 설치하여 관측지점당 200 Hz의 샘플률로 최소 15분 이상 동안 상시미동을 연속 기록하였으며, 2차조사에서는 토층 상부 잔디 및 자갈을 제거하고, Tromino를 설치하여 관측지점당 128 Hz의 샘플률로 4분 동안 상시미동을 총 2회 기록하였다.

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Fig. 2

Measurement location of microtremor in the survey area.

자료처리 및 분석결과

측정한 자료처리로 H/V 스펙트럼 분석은 SESAME 유럽연합에서 개발된 GEOPSY 프로그램과 MOHO S.R.L.에서 개발된 GRILLA 프로그램을 이용하여 다음 Fig. 3a, Fig. 3b, Fig. 4a, Fig. 4b와 같이 전처리하는 과정을 나타냈다. 지진계에서 획득한 상시미동 자료는 수직성분과 수평성분의 스펙트럼 분석을 통해 분석한 다음 HVSR분석을 통해 공명주파수를 획득한다. H/V 스펙트럼 비의 첫 번째 정곡점에 해당하는 주파수가 해당 부지의 고유 기본 공명주파수를 결정한다(Fig. 3c, Fig. 4c).

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Fig. 3

Analysis process of GEOPSY program.

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Fig. 4

Analysis process of GRILLA program.

총 39개 측정지점의 0.4~0.7 Hz와 1.2~1.7 Hz의 2개의 피크값을 보여 하부에 2개의 탄성파 속도 경계부가 있음을 보여주며(Fig. 5), 상시미동 측정 결과 공명주파수는 0.69 ± 0.22 Hz의 범위와 1.3 ± 0.07 Hz를 보이고 있다(Table 1).

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Fig. 5

HVSR spectrum.

Table 1.

Survey area frequency

Frequency 0~0.5 Hz 0.5~1 Hz 1~2 Hz 2~4 Hz 4~6 Hz 6~8 Hz 8~10 Hz
P-01 0.75 1.33
P-02 0.6 1.3 2.3 5.53 7.21
P-03 0.75 1.23 3.8 7.5
P-04 0.67 1.06 4.25 6.5
P-05 0.67 1.48 2.05 4.41 8
P-06 0.68 1.71 2.51 6.51 8.61
P-07 0.8 2.6 8.5
P-08 0.78 2.56 8.5
P-09 0.9 2.75 5
P-10 0.91 2.1 4.2 6.9 8.6
P-11 0.55 1.62 3.58
P-12 0.89 1.8 2.99
P-13 0.91 1.99 4.47 6.6
P-14 0.4 0.92 3.88 4.57
P-15 0.52 1.37
P-16 0.75 2.47 5.5
P-17 0.8 1.35 2.8 4.9
H-1 0.16 0.5 1.19 4.35
H-2 0.16 0.63 1.38 4.77
H-3 0.16 0.63 1.46 4.87 7.57
H-4 0.22 0.63 1.51 5.2
H-5 0.31 0.69 1.47 4.63 7.4
H-6 0.19 0.81 1.52 4.03
H-7 0.25 0.81 1.26 4.84 7.88
H-8 0.37 0.63 1.72 8.96
H-9 0.84 1.25 4.12
H-10 0.22 0.53 1.47
H-11 0.16 0.56 1.7
H-12 0.25 0.47 1.79 3.89 8.91
H-13 0.29 0.72 2.22 8.54
H-14 0.22 0.59 2.16
H-15 0.34 0.62 2.88
H-16 0.25 0.75 2.77
H-17 0.16 0.5 3.69
H-18 0.22 0.66 1.22 3.31
H-19 0.31 0.62 1.38 4.77
H-20 0.19 0.54 1.47 3.6
H-21 0.16 0.62 1.15 2.34
H-23 0.19 0.65 2.27

공명주파수 분포도

1차 및 2차조사를 종합하여 최대 공명주파수 분포도를 표시하면 Fig. 7과 같으며 최대 공명주파수의 범위는 0.69 ± 0.22 Hz (Fig. 6)이며, 0.69 ± 0.22 Hz 범위의 공명주파수는 연일층군을 나타내며 1.3 ± 0.07 Hz의 범위는 충적층을 나타내고 있다. 연구지역 북서쪽 일대의 공명주파수가 대체로 낮고, 남동쪽으로 갈수록 높다. 이는 탄성파 속도 경계부의 심도가 남동쪽으로 갈수록 낮게 나타나며, 연일층군의 심도분포와 대체적으로 일치하고 있음을 의미한다(Fig. 7).

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Fig. 6

Resonance frequency percentage in survey area.

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Fig. 7

Resonance frequency distribution plot in survey area (sky blue square: first, second survey area).

충적층의 층후

포항지진에 의한 액상화 위험도 평가(Kim et al., 2020) 시추공 자료들의 위치(Fig. 8)는 본 연구지역과는 1.2 km 떨어져 있으며, 연구지역의 충적층은 점성토, 자갈 섞인 실트질 모래, 자갈 섞인 모래로 이루어져 있으며, 각 층의 두께는 2.1~5.0 m 이내로 기반암의 심도는 20 m 전후이다(Fig. 9a).

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Fig. 8

The location of borehole (evaluation of liquefaction triggering for the Pohang area based on SPT and CPT tests, 2020).

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Fig. 9

Schematic of the soil profiles at each borehole position (evaluation of liquefaction triggering for the Pohang area based on SPT and CPT tests, 2020) ((a) Boring log, (b)(c) SPT value and soil profiles).

본 충적층의 SPT 값은 10~30으로(Fig. 9b, Fig. 9c) 내진설계를 위한 지반분류(Table 2)에 의해 전단파 속도를 180 m/s를 적용하였다. 식 F0=Vs/4H (Yamanaka et al., 1994; Walling et al., 2009)를 이용하여 공명주파수 1.3 ± 0.07 Hz 영역으로 충적층 층후를 구하면 Fig. 10과 같으며 약 26~30 m 정도로 본 지역의 지반조사 결과와 잘 일치하다.

Table 2.

IBC soil classification

Soil
classification
Soil profile description Average soil properties for upper 30 m
Vs30
(m/s)
Standard penetration test
(blows/30cm)
Undrained shear strength
(kpa)
SA Hard rock >1,500 - -
SB Rock 760~1,500
SC Very dense soil and soft rock 360~760 >50 >100
SD Stiff soil profile 180~360 15~50 50~100
SE Soft soil profile <180 <15 <50
SF Soils requiring site-specific evaluation

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Fig. 10

Mapping the depth to alluvium in study area (sky blue square: first, second survey area).

연일층군의 층후

심부지열에너지개발사업에서의 시추공 BH-1, 2, 3, 4와 본 연구지역은 1.3 km 떨어져 있으며, Fig. 11b와 같이 연일층군의 층후는 시추공 201에서는 110 m를 보이며 BH-1, BH-2에서는 357~359 m를 보이고 BH-3, BH-4에서는 206~217 m를 보인다. 연일층군 전단파 속도는 Parolai et al.(2002)을 참고하여 퇴적층의 깊이가 깊어질수록 전단파 속도가 커지며 200 m일 때 600 m/s로 되어있으나 연구지역은 미고결층이므로 전단파 속도를 550 m/s으로 가정하였다(Fig. 12). F0=Vs/4H (Yamanaka et al., 1994; Walling et al., 2009)를 이용하여 공명주파수 0.69 ± 0.22 Hz영역으로 연일층군의 층후를 구하면 Fig. 13과 같으며 약 170~250 m 정도로 본 지역의 지반 시추 결과와 잘 일치하다.

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Fig. 11

Geologic map and boring logs of the surveyed area (three-dimensional geologic modeling of the Pohang Basin distributed in Haedo-dong, Nam-gu, Pohang-si, Korea, 2015) ((a) Location and geologic map, (b) Stratigraphic cross-section of 5 deep bore holes in the Phohang Basin).

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Fig. 12

Average shear-wave velocity Vs vs. sediment thickness h (or depth of bedrock below the surface). Dots indicate Vs values calculaated by means of F0=Vs/4H. The black line represents the fit to the data points. VSS, very soft soil; SS, soft soil; StS, stiff soil; R, rock. The thin horizontal line indicates the sediment thickness of 30 m (new relationships between Vs, thickness of sediments, and resonance frequency calculated by the H/V ratio of seismic noise for the Cologne area (Parolai et al., 2002).

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Fig. 13

Mapping the depth to Tertiary system (Yeonil group) in study area (sky blue square: first, second survey area).

결 론

지진에 의한 피해는 지진파가 전달되는 지반의 특성에 따라 지진의 피해가 달라진다. 포항지역의 지질은 충적층과 연일층군의 미고결층으로 이루어진 연약지반이다. 이로 인해 지진이 발생했을 때 지진 발생 시 연약한 충적층 및 연일층군으로 이루어져 지진파가 증폭되어 지진 피해가 커져 포항의 피해가 컸었다. 지진피해가 크게 발생한 포항 북구 흥해읍 일대 지역의 상시미동 특성을 알아보기 위하여 총 39 지점에 상시미동 자료를 취득하여 HVSR 분석연구를 실시하였다. 연구지역인 충적층의 공명주파수 1.3 ± 0.07 Hz 주파수 대역과 연일층군의 공명주파수는 0.69 ± 0.22 Hz 주파수 대역을 보인다. F0=Vs/4H (Yamanaka et al., 1994; Walling et al., 2009)를 이용하여 충적층의 층후는 26~30 m, 연일층군의 층후는 170~250 m로 인근의 시추 자료와 비교하면 대체로 잘 일치한다.

위와 같은 결과로 볼 때 시추 자료와 상시미동 측정을 통한 HVSR 기법을 적용한 결과들은 충분히 신뢰할 수 있으며 다른 현장에 상시미동 측정을 통한 HVSR 기법 적용이 충분하다고 판단된다.

Acknowledgements

이 연구는 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원의 연구비 지원을 받아 수행된 연구임(NO. 20193210100040).

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