1. 서 론
2. 상시미동 관측자료 획득 및 HVSR 곡선 도출
2.1 지진관측소 상시미동 관측자료 획득
2.2 HVSR 곡선 도출
3. 상시미동 HVSR 곡선 특성의 연중 변화 사례 분석
3.1 기온 관측자료
3.2 원주 KSRS 관측소(CRB)
3.3 연세대 미래캠퍼스 관측소(YSUM)
3.4 철원 관측소(CHNB)
4. 경험적 VS30 추정식 적용
5. 결론 및 토의
1. 서 론
지표면 상시미동(ambient noise)은 바람, 파도 등 자연적 요인에 더불어 인위적인 활동 등에 의한 진원에 기초하여 발생하고 지표면을 통해 전달된다. 언제 어디서나 존재하는 지표면 상시미동을 수직, 수평 방향으로 계측하고 이를 주파수 대역에서의 스펙트럼 비(horizontal-to-vertical spectral ratio, HVSR)를 통해 분석하면, 곡선의 형상을 통하여 하부지반의 공학적 특성(강성)을 역산하여 직접 획득하거나(Kim and Jeong, 2022; Bignardi et al., 2016), 또는 경험적 추정으로 지하 구조나 지반 특성과 관련된 주요 변수를 결정(Vantassel et al., 2018; Ahn et al., 2021) 할 수 있다. HVSR 곡선의 정곡점(peak) 중 대개 가장 낮은 주파수에서 나타나는 정곡점은 상부 퇴적층과 기반암 경계에 의해 발생하며, 높은 주파수 대역의 정곡점은 상부 퇴적층 내 토층 간의 대비와 관련이 있는 것으로 알려져 있다(Guéguen et al., 2000; Mihaylov et al., 2016). Nakamura (1989)에 의해 퇴적층의 공명주파수(resonant frequency) 탐색에 HVSR 기법이 제시된 이후, HVSR 기법은 지반 특성 평가에 다수 활용되며 신뢰성 높은 결과를 제공해오고 있다(Molnar et al., 2022). 판내부(intraplate)에 위치하여 유의미한 지진기록이 부족한 국내에서 HVSR 기법은 지반 고유주파수 획득에 효과적이라 할 수 있다(Bard, 2004).
상시미동에 기초한 HVSR 기법의 현장 실험 설계, 데이터 처리 및 결과 해석에 대한 포괄적 지침은 유럽의 SESAME 지침(Bard, 2004)에 의해 제안된 바 있다. SESAME 지침은 HVSR 기법의 표준화를 위한 중요한 기여를 하였으나, 초기에는 상시미동 관측환경이 HVSR 곡선 특성에 미치는 영향에 대해서는 심도 있는 논의를 수행하지 않았다. 이후 SESAME 연구팀은 Chatelain et al. (2008)의 연구를 통하여 계측기 설치 조건이 HVSR 결과의 안정성과 재현성에 결정적인 영향을 미친다는 점을 실험적으로 밝힘으로써 부적절한 실험 조건이 잘못된 해석으로 이어질 수 있음을 경고하였다. 국내에서도 관측장비 매설 깊이에 따른 지반과 계측기 간 커플링(Kang et al., 2020; Kang and Kim, 2023), 관측 시 바람과 강수(Kang et al., 2020), 인위적인 진동과의 이격거리 및 관측 신호 안정화에 걸리는 최소 시간(Yoo et al., 2022) 등 관측환경이 HVSR 결과에 미치는 영향을 지속적으로 연구해오고 있다.
관측환경 중 기온의 연중 변동은 HVSR 곡선의 특성에 영향을 미칠 수 있는 또 다른 변수로 고려될 필요가 있다. 기온 변화는 지표층 간극수 비율과 점성, 입자 간 결합 강도 등 미세 구조적 특성을 변화시켜, 파동 전달에 직접적인 관계가 있는 지반의 탄성 및 감쇠 특성에 영향을 줄 수 있다. 특히 간극수가 동결된 동결 지반과 그렇지 않은 비동결 지반은 물리적 특성이 대단히 상이하다. Al-Hunaidi et al. (1996)은 공진주 실험을 통하여 동결토와 비동결토의 전단탄성계수와 감쇠비를 비교하였고, 동결토의 전단탄성계수가 약 30~50배, 감쇠비는 약 2배에 이르는 것을 보고하였다. Ling et al. (2015) 역시 반복삼축압축실험을 통하여 시료의 전단탄성계수와 감쇠비가 온도의 증가에 따라 증가함을 확인하였다. 국내에서는 Kim et al. (2017)이 남극에서 채취한 시료를 이용하여 동결토는 비동결토에 비하여 실험 조건에 따라 전단탄성계수는 최대 17~24배, 감쇠비는 약 4배 수준인 것으로 보고하였다. 연구진은 시편 내 간극수가 온도 하락에 따른 상변화(phase change)로 동결되면서 입자 간 재배열과 결합력이 크게 증진되었기 때문으로 원인을 해석하였다. 지반의 강성과 감쇠비는 파동 전파에 직접적인 영향을 미치므로 동절기 기온 하락으로 인한 지반 동결 효과는 HVSR 곡선 특성에 영향을 미칠 것으로 예상할 수 있다.
기온에 따라 정곡점 주파수(peak frequency, f0)나 최대 진폭(Apeak) 등 HVSR 곡선의 주요 특성이 변화할 가능성이 있으나, 관련 연구 사례는 매우 제한적인 상황이다. Lotti et al. (2018)이 암반 사면에서 계측한 상시미동의 HVSR 곡선과 기온 사이의 상당한 상관관계를 확인한 바 있으나, 그 원인을 지반의 동결이 아닌 온도에 의한 바위 질량 변화가 간접적으로 영향을 미쳤을 것으로 추정하였다. Rigo et al. (2021)은 그리스에서 관측된 HVSR 곡선의 최대 진폭과 그 분산 정도는 해당 지역의 겨울철 강우량이 지반의 강성에 영향을 미쳤을 것으로 추정하고, HVSR 기법을 사용하여 지반의 강성과 퇴적층 두께를 결정할 때 주의를 기울여야 함을 강조하였다. 해당 연구는 온화한 그리스 지역의 계절적 변화에서 기온보다는 강수량에 초점을 두고 진행되었다. Kula et al. (2018)은 북극권 인근 영구 동토층의 계절적 깊이 변동이 HVSR 결과에 미치는 영향을 평가하였다. 연구에 따르면, 여름철 해빙 과정에서 지반이 부분적으로 해동됨에 따라 특정 주파수 대역에서 HVSR 곡선의 정곡점이 관측되는 반면, 겨울철에는 지반이 완전히 동결됨에 따라 정곡점 없이 곡선이 평탄해지는 뚜렷한 계절적 특징을 발견하였다. HVSR 곡선의 계절적 변동성은 지반의 온도 상승 및 해빙 시기와 밀접하게 연관되어 있으며, 지반의 동결·해빙 상태가 결과에 중요한 영향을 미침을 보여준 사례라 할 수 있다.
국내는 여름 최고기온이 섭씨 40도(℃)에 육박하고 겨울 최저기온은 영하 20℃를 하회하는 극한 기후 조건을 보인다. 도서 지역을 제외한 육지의 대표적인 62개 지점의 1991~2020년 평년값을 기준으로 우리나라의 가장 더운 월인 8월의 월평균 기온은 19.7~26.7℃ 범위로 나타나고, 가장 추운 월인 1월은 -6.9℃~3.6℃ 범위로 측정된다. 특히, 강원 홍천지방의 평균 최난월 최고기온(30.4℃)과 최한월 평균 최저기온(-10.5℃)의 차는 최대 40.9℃에 달하는 것으로 확인된다(기상청 날씨누리, https://www.weather.go.kr/w/climate/statistics/korea-char.do). 기후 변화의 영향으로 전반적인 기온이 상승하는 추세이나, 겨울철 한파 발생빈도는 증가하여 결국 기온의 극단적 변동 현상은 점차 심각해질 것으로 예상된다(Jeon and Cho, 2015). 이러한 국내 기온 특성과 변동성은 지반 동결 현상 발생 빈도와 범위를 결정짓는 주요 요인으로 작용하며, 동결토 특성과 결부되어 국내 동절기 HVSR 결과가 다른 계절과 상당한 차이를 보일 수 있음을 시사한다. 본 연구는 국내 지진관측소에서 기록된 상시미동 관측자료와 기상 관측자료를 활용한 사례 연구로, 기온 변화에 따른 동결기간 및 동결강도가 HVSR 정곡점 주파수와 최대 진폭에 미치는 영향을 관측소별로 분석하는 것을 목적으로 한다. 이를 통해 동절기 HVSR 기법 적용 시 정곡점 주파수와 진폭 변화에 대한 보정 필요성을 도출하고, 지반 특성 평가에 있어 동절기 HVSR 기법 적용에 유의해야 함을 강조하고자 한다.
2. 상시미동 관측자료 획득 및 HVSR 곡선 도출
2.1 지진관측소 상시미동 관측자료 획득
전국에 61개 상시 지진관측소를 설치·운영(https://data.kigam.re.kr/quake/observatory/stations)하고 있는 한국지질자원연구원(KIGAM)의 관측자료를 ‘KIGAM Quake’에서 제공하는 FDSNWS (Lee et al., 2024)를 이용하여 획득하였다. 관측소 별 계측기(가속도계 및 속도계)의 수직 1방향 및 수평 2방향(샘플링 주파수 100Hz) 3성분 상시미동 관측자료를 대상으로 하였다. 2020년 1월 1일부터 2024년 12월 31일까지 매 7일 자정 1시간(00:00~01:00, KST) 동안의 관측자료를 miniSEED 자료형식(http://ds.iris.edu/ds/nodes/dmc/data/formats/miniseed/)으로 수신하였다. 상시 지진관측소 부지와 계측기는 각각 펜스와 함체에 의해 보호되므로 바람과 강수(Kang et al., 2020) 및 발걸음과 같은 근거리 지진원(Yoo et al., 2022)이 관측자료에 미치는 영향이 억제되었다고 판단할 수 있다. 자료 수신 대상 관측소는 다음 기준으로 선별하였다.
1) 겨울철 영하의 기온 지속시간이 충분한 위도 37도선 이상 관측소
2) 지표 계측기가 설치된 관측소
3) 파도에 의한 영향을 배제할 수 있는 내륙 관측소
상기 조건을 만족하는 관측소 중 철원(CHNB), 원주 KSRS (CRB), 연세대 미래캠퍼스(YSUM) 등 3개 지진관측소 관측자료를 본 연구의 분석 대상으로 하였다.
2.2 HVSR 곡선 도출
획득한 상시미동 관측자료의 HVSR 분석을 위해 오픈소스 Python 패키지 hvsrpy (https://github.com/jpvantassel/hvsrpy, Vantassel, 2020)를 활용하였다. hvsrpy는 SESAME 지침(Bard, 2004)의 권고사항에 따라 miniSEED 형식의 상시미동 관측자료를 일정 길이의 시간창(window)으로 분할하고, 각 시간창 내에서 수직 및 두 수평 성분의 Fourier 진폭 스펙트럼을 산출하여 각 시간창 별 HVSR 곡선을 도출한다. 본 연구에서는 hvsrpy의 기본 설정값인 150초의 시간창 길이, 50%의 시간창 간 중첩, 0.2Hz~50Hz의 분석 주파수 범위 및 기하평균(geometric mean) 수평 성분 결합 방법을 활용하였다. Konno and Ohmachi (1998)가 제안한 평활화 기법 적용을 위한 b값은 40을 적용하였다.
hvsrpy 패키지는 각 시간창에서 산출된 HVSR 곡선의 정곡점 주파수(f0,i)를 통계적으로 처리한 후 분산 정도가 큰 특정 시간창들을 배제(rejection 혹은 anti-triggering)하는 알고리즘(Cox et al., 2020)을 적용할 수 있다. 이 알고리즘은 모든 시간창 HVSR 곡선의 정곡점 주파수를 대수정규분포(log-normal distribution, LD)로 모델링하여 평균(μlnf0)과 표준편차(σlnf0)를 산출하고, 이를 모든 시간창 HVSR 곡선의 주파수별 진폭 중앙값 곡선(median curve)으로 도출한 정곡점 주파수(f0,mc)와의 차이(eμlnf0 - f0,mc)에 기초하여 분산 정도가 큰 특정 곡선들을 배제하는 방법을 활용한다. 최종적으로 배제되지 않은(accepted) 시간창 HVSR 곡선들은 유사한 f0,mc와 정곡점 주파수 평균(eμlnf0)을 도출한다. 해당 기법은 기존 정규분포(normal distribution, ND) 기반으로 도출된 정곡점 주파수의 역수로 주기(T0)를 산출할 때 발생하는 수치적 차이를 해소하고 주파수와 주기 모두에 대해 일관된 통계적 표현을 가능하게 하였다. 해당 알고리즘은 고분산 데이터(HVSR 곡선) 집합에서는 오염된 시간창을 효과적으로 제거하는 동시에, 저분산 데이터 집합에서는 양호한 시간창을 과도하게 제거하지 않음을 보였다. hvsrpy 패키지는 빠르고 편향 없는 HVSR 처리를 위한 방법을 제공하고 있으며, 특히 사용자에게는 개별 시간창의 HVSR 곡선 평가를 위한 표준편차 수준(n, 본 연구에서는 2.0 적용) 하나만을 입력으로 요구하고 있어 본 연구에서 활용하고자 하였다.
3. 상시미동 HVSR 곡선 특성의 연중 변화 사례 분석
3.1 기온 관측자료
기상청 기상자료개방포털(https://data.kma.go.kr/)을 통하여 2020년부터 2024년까지 전국 기상대의 일일 기온 정보(평균, 최저 및 최고)를 획득하였다. 각 지진관측소 관측자료 분석 시 이격거리가 가장 가까운 기상대의 일일 최저 기온 정보를 활용하였다. Fig. 1은 원주 KSRS (CRB) 관측소와 약 5.9 km 이격된 원주 기상대의 기온 관측자료를 활용한 매 동절기 11월 1일 기준 누적 최저 기온(℃·day) 그래프 예시이다. 표식으로 표현된 최고 누적 최저 기온은 영하의 기온이 시작되는 시기, 최저 누적 최저 기온은 영상의 기온이 시작되는 시기를 각각 표현한다. 최고와 최저 누적 최저 기온의 가로 및 세로의 차이는 각각 동결기간 및 동결지수(frost index)로 추위의 기간과 강도를 대변한다. 각 동절기 별 최고 및 최저 누적 최저 기온에 해당하는 일자를 도출하여 HVSR 곡선의 특성 변화 분석 시 활용하고자 하였다.
3.2 원주 KSRS 관측소(CRB)
원주 KSRS 관측소(이하 CRB 관측소)는 산마루 인근의 완만한 경사면에 위치(Fig. 2)하며, 지표와 지중 30 m 깊이에 가속도계가 각각 설치되어 있다.
획득한 지표 가속도계의 상시미동 관측자료를 활용하여 Fig. 3과 같이 매 7일마다 1시간 평균(중앙값) HVSR 곡선의 연중 변화를 기간을 구분하여 도시하였다. 앞서 언급한 동절기 최고 및 최저 누적 최저 기온에 해당하는 일자를 각 그래프 오른쪽 컬러바에 명시하고, 사이 기간(동결기간)의 HVSR 곡선은 색상을 추가하여 표현하였다. HVSR 곡선의 정곡점 주파수 시 최대 진폭에만 동그라미 표식을 추가하였고, 동결기간의 동그라미 표식에는 일자도 추가로 표현하였다. 그림을 통하여 동절기와 비동절기의 평균 HVSR 곡선의 형상이 변화하는 것을 확인할 수 있다. Fig. 4에는 연중 HVSR 곡선의 정곡점 주파수와 최대 진폭을 시기에 따라 도시하여 그 변동을 동결기간 누적 최저 기온의 감소와 함께 살펴보고자 하였다. 영하의 기간 지속과 함께 감소하는 누적 최저 기온을 그림에서는 반대로 증가하는 것으로 표현하였다. HVSR 곡선의 정곡점 주파수는 영하의 기온 지속과 함께 기존 약 19Hz에서 11.5~12Hz 범위로 변동되며, 최대 진폭은 2 이하의 범위에서 3을 초과하기도 하였다. 동결기간 중에도 정곡점 주파수와 최대 진폭의 변동성이 확인되는데 동결기간 동안 영상의 최저기온 일자가 포함된 영향으로 판단된다. Fig. 4(d)와 같이 누적 최저 기온이 감소하는 구간(기온 증가)에서 정곡점 주파수와 최대 진폭의 변동을 확인할 수 있다. 네 차례의 동결기간 동안 위와 같은 경향이 반복되고 있음으로 미루어 HVSR 정곡점 주파수와 최대 진폭은 영하의 기온에 직접적인 영향을 받는 것으로 평가할 수 있다. 영하의 기온이 지표층을 동결시켜 강성이 증대되는 등 상시미동 전파에 영향을 미치는 특성이 변화하여 HVSR 곡선이 변화한 것으로 추정할 수 있다.
동결로 인해 상부 지반의 강성이 증대되면 정곡점 주파수가 증가할 것으로 예상되나, CRB 관측소는 반대의 현상을 보이고 있다. Fig. 3에서 동결기간 30Hz 인근 HVSR 곡선의 진폭이 감소하는 반면, 가장 낮은 주파수 대역의 정곡점은 기존 19Hz에서 12Hz 이하로 감소하였고 최대 진폭은 증가하였다. CRB 관측소에 대한 다양한 물리탐사(크로스홀, 다운홀, 표면파) 및 시추조사 결과(Lee et al., 2024), 기반암은 3.2~7m 깊이 범위에 출현하고 있다. 30Hz 인근 주파수 대역의 정곡점은 기반암 상부 퇴적층 내 지층 간 대비에 의한 것으로 추정할 수 있다. 이 대비가 동결로 인하여 약화된 반면, 새로 출현한 정곡점은 동결로 퇴적층의 강성이 기반암과 유사한 수준까지 증가함에 따라 나타난 결과로 해석된다. 강성 변화는 기존 퇴적층-기반암 경계가 아닌 기반암 하부까지 확장된 새로운 경계면을 가진 통합 강성층이 지표면으로부터 형성되었음을 의미하며, 이는 유효 공진 깊이를 증가시켜 결과적으로 정곡점 주파수가 감소한 것으로 추정할 수 있다.
Fig. 5에는 CRB 관측소 30 m 깊이에 매설된 가속도계 상시미동 관측자료를 토대로 산출한 HVSR 곡선과 특성의 변화를 나타내었다(범례는 Fig. 4와 같음). Fig. 5(a)에서 1시간 평균 HVSR 곡선은 연중 변화가 미미하며, 최대 진폭은 1.4를 하회한다. 동절기 정곡점 주파수의 고주파 영역으로의 치우침이 감지되나 매우 낮은 최대 진폭 수준과 HVSR 곡선의 평탄한 형상을 고려하면 유의미하지 않은 것으로 판단된다. 암반에 매설된 지중 계측기의 상시미동 관측 결과는 지표 지반 동결에 따른 영향과는 무관한 것으로 보인다.
3.3 연세대 미래캠퍼스 관측소(YSUM)
연세대 미래캠퍼스 관측소(이하 YSUM 관측소) 부지는 인근 흥업 저수지 수면으로부터 약 40 m 거리에 면해 있으며(Fig. 6), 지표와 지중 30 m 깊이에 가속도계가 각각 설치되어 있다. CRB 관측소 분석과 같이 가장 가까운 기상대는 원주 기상대(약 7.2 km 이격)로 동일한 기온 정보가 분석에 활용되었다. YSUM 관측소에 대한 다양한 물리탐사(크로스홀, 다운홀, 표면파)와 시추조사 결과(Lee et al., 2024), 기반암은 2.1~7m 범위 깊이에 출현하고 있다.
CRB 관측소에 대한 분석과 마찬가지로 Fig. 7과 Fig. 8에 YSUM 관측소 지표 1시간 평균 HVSR 곡선 형상 및 특성의 연중 변화를 나타내었다. Fig. 7에서 동결기간 35Hz 대역 HVSR 곡선의 진폭이 감소하는 반면, 가장 낮은 주파수 대역에서의 정곡점(17~18Hz)은 CRB 관측소의 경우와는 달리 주파수가 변화되지 않고 그 진폭이 강화되는 것을 확인할 수 있다. 기반암 상부 퇴적층 내 지층 간 대비에 의한 것으로 추정되는 35Hz 대역의 정곡점은 동결로 인하여 약화된 반면, 가장 낮은 주파수 대역의 정곡점은 지표 퇴적층이 부분적으로 동결되며 공기층과 동결층, 동결층과 하부 비동결층과의 임피던스 대비(impedance contrast) 증가로 특정 주파수 대역에 파동 에너지가 집중되어 진폭이 증대된 것으로 추정된다. 동결 깊이 제한으로 전체 지반 시스템의 공진 주파수를 변화시키기에는 불충분하나, 파동의 반사와 전파 특성에는 유의미한 영향을 미쳐 HVSR 진폭 증가로 나타났을 개연성이 있다. CRB 관측소와 달리 정곡점 주파수가 유지되면서 진폭만 강화되는 현상은 두 관측소의 지질학적 조건과 동결 깊이 차이에서 비롯된 것으로 추정되는 바 이러한 복합적 메커니즘의 정확한 규명을 위한 추가 연구가 요구된다. CRB 관측소와 달리 기존 정곡점 주파수의 진폭이 강화되는 것은 동결된 퇴적층의 강성과 상부 기반암 강성의 대비 및 층서의 두께 차이에 기인하는 것으로 추정할 수 있으나 보다 자세한 추가 연구가 요구된다. Fig. 8에서 동결기간 정곡점 최대 진폭의 증가가 보다 자세히 확인되는데 특히, 누적 최저 기온의 증가세가 가파른 구간에서 해당 현상이 보다 명확히 발생하고 있다. 증가된 최대 진폭은 동결기간 종료와 함께 기존 수준으로 회복된다.
YSUM 관측소는 흥업 저수지에 접해 있으므로 저수율(저수위)에 관측소 하부지반의 깊이별 함수비와 포화도가 직접적이고 즉시적인 영향을 받을 것임을 예상할 수 있다. 한국농어촌공사의 농촌용수종합정보시스템(https://rawris.ekr.or.kr/)에서 흥업저수지 일자별 저수율 현황을 내려받아 Fig. 8에 굵은 실선으로 함께 도시하였다. 저수율이 감소하면 정곡점 주파수 증가하고 반대로 저수율이 증가하면 정곡점 주파수가 감소하는데 이러한 경향은 2021~2022년 기간(Fig. 8(b))에 보다 특징적으로 확인할 수 있다. 동결기간 동안 저수율은 대개 일정하게 유지되었는데, 이때는 앞서 언급한 것과 같이 급격한 동결기간 기온 하강 시(누적 최저 기온 그래프 급격한 상승) 최대 진폭 상승이 동반됨을 확인할 수 있다.
YSUM 관측소에 대한 분석을 정리하면, 정곡점 주파수는 저수율 감소에 반응하여 증가하고, 최대 진폭은 동결기간 기온 하강에 따라 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 저수율 감소는 인근 지반의 함수비와 포화도를 감소시켜 강성 증가 등 탄성 특성의 변동을 유발하며(Kula et al., 2018), 이로 인해 HVSR 곡선의 정곡점 주파수 증가에 기여(Seivane et al., 2022)하는 것으로 해석할 수 있다. 만수위의 저수율을 보이는 동결기간 중 정곡점 주파수가 유지되고 최대 진폭이 증가하는 현상은 열용량이 큰 인근 저수지 수체에서의 열 공급과 지표 동결로 인한 퇴적층 강성 및 감쇠 특성 변화 등 여러 요인이 복합적으로 작용하여 발생하는 것으로 추정된다. 복합적인 열전달 및 동결 메커니즘이 YSUM 관측소에서 HVSR 최대 진폭 증가의 주요 원인으로 작용할 가능성은 관련 추가 분석을 통해 그 상호 작용을 보다 면밀히 규명할 필요가 있다.
Fig. 9에 YSUM 관측소 30 m 깊이에 매설된 가속도계 관측자료에 기초한 HVSR 곡선과 특성의 변화를 나타내었다(범례는 Fig. 8과 같음). CRB 관측소 지중 계측기 결과와 마찬가지로 1시간 평균 HVSR 곡선은 연중 변화가 미미하며, 최대 진폭은 1.2 수준을 하회한다. 정곡점 주파수의 변화가 감지되나 매우 작은 최대 진폭 수준을 고려하면 큰 의미를 부여하기는 어려운 것으로 판단된다. 역시 암반에 매설된 지중 계측기의 상시미동 관측 결과는 지표 지반 동결에 크게 영향을 받지 않는 것으로 보인다.
3.4 철원 관측소(CHNB)
철원 관측소(이하 CHNB 관측소)는 지표에 광대역 속도계가 단독으로 설치되어 있으며, 관측소 부지는 주변이 산지로 둘러쌓여 있는 구릉지 중앙부에 위치하고 있다(Fig. 10). 가장 가까운 기상대인 철원 기상대와의 직선거리는 약 21 km이다. CHNB 관측소 지표 1시간 상시미동 관측자료의 HVSR 평균 곡선 특성의 연중 변화를 Fig. 11과 Fig. 12에 나타내었다. CRB 관측소가 산마루 인근 경사면에 위치한 것과 달리 CHNB 관측소는 구릉지 중앙부에 있어 강우 시 빗물 유출 정도가 다를 수 있다. 더불어 YSUM 관측소 사례와 같이 관측소 하부 지반의 포화도가 HVSR 곡선에 영향을 줄 가능성이 있으므로 CHNB 인근 강수량 정보를 Fig. 12에 추가하고자 하였다. 기상청 기상자료개방포털(https://data.kma.go.kr/)을 통해 철원 기상대의 일일 강수량 정보를 획득하였고, 일 강수량이 5 mm 이상 기록된 일자의 강우 수준을 그림에 병행하여 도시하였다.
Fig. 11(a) 및 (b)에서 20Hz 이상 고주파수 대역에서 4 이상의 진폭을 가지는 정곡점이 비동결기간 일부 시점에 표시되고 있다. Fig. 12(a)와 대조하면 하절기 일일 강수 빈도와 강도 증가에 따라 정곡점 주파수와 최대 진폭이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 강수에 의한 HVSR 곡선 정곡점 주파수와 최대 진폭 변화 가능성을 추정할 수 있다. 다만 Fig. 12(b)에서도 유사한 기간 정곡점 주파수와 최대 진폭이 증가하나 일일 강수의 빈도와 강도는 크지 않다. 더욱이 Fig. 12(c)에서는 해당 기간 일일 강수 빈도가 Fig. 12(a)와 유사하나 2가지 특성에 큰 변화가 나타나지는 않는다. 본 연구에서 활용한 상시미동 관측자료가 기록된 시간은 자정 1시간(00:00~01:00, KST)으로 해당 시각의 강수 동반 여부가 중요할 수 있다. 관측자료 기록 시점 이전의 강수로 인한 하부지반 특성 변화가 아닌 빗방울의 지표면 충격으로 인한 직접적 잡음 발생이 20Hz 이상 고주파수 대역의 정곡점 주파수 출현의 요인일 수 있다. 때문에 인근 지역 강우로 인한 지하수위 증감, 강우 이전 가뭄 지속기간에 따른 빗물 침투율 등 상시미동 전달에 직·간접적으로 영향을 미칠 수 있는 다양한 요인에 대한 추가 연구가 필요해 보인다. 다만, CHNB 관측소는 철원 기상대와 약 21 km 이격되어 있어 정확한 기상 상황을 확인하기 어려운 환경이므로, 지진계와 강수계가 동일 부지에 설치된 기상청 관측소에 대한 추가 연구가 대안이 될 수 있다.
2020~2023 동결기간(Fig. 12(a), (b) 및 (c)) 정곡점 주파수는 약 7.5Hz 수준을 유지하다 소폭 증가하는 일관적인 경향을 보이고 있다. 지표면 동결로 인한 강성 증대로 정곡점 주파수가 고주파화 되는 것으로 추정할 수 있다. 같은 동결기간 최대 진폭은 간헐적인 1~2주 상승을 보이고 있는데 이는 기존 두 관측소의 동결기간 중 변화와도 일치하는 현상이다. 2023~2024 동결기간(Fig. 12(d))은 특이한 경향을 나타내는데 기온 급강하 시 정곡점 주파수가 감소하며, 동결기간 중에도 누적 최저 기온 그래프가 다소 완만하거나 감소하는 등 온화한 기간에는 기존 정곡점 주파수를 초과하기도 한다. 다만 해당 동결기간 최대 진폭은 기존 3 내외의 수준에서 1 수준까지 감소하여 HVSR 곡선의 형상이 평탄한 모양으로 정곡점이 사라지는 경향(Fig. 11(d))을 나타내었는데 이는 동결기간 이후에도 유지되는 것을 확인할 수 있다. 기존과 다른 경향을 보이는 23년 12월 말부터의 HVSR 곡선을 SESAME 지침(Bard, 2004)에서 제시한 신뢰성 기준(reliability criteria)과 명확성 기준(clarity criteria)에 적용한 결과, 명확성 기준을 충족하지 못하였다. 표면적으로 정곡점 주파수 최대 진폭 2를 기준으로 하는 세부 기준을 만족하지 못하였고, 이 외에도 명확성 기준의 6가지 세부 기준 중 1가지 기준을 제외하고는 기준에 도달하지 못하였다. SESAME 지침의 명확성 기준을 충족하지 못한 HVSR 곡선은 신뢰할 수 있는 지반 특성 정보를 제공하지 않거나 부족한 품질의 관측자료로, HVSR 분석을 통해 하부 지반의 정확한 구조적 정보를 도출할 수 없음을 의미한다. 이러한 결과는 대개 계측기의 문제, 신호의 잡음, 분석 과정에서의 오류 또는 부적절한 관측환경으로 인해 왜곡된 결과를 보여 분석에서 제외할 필요가 있다. 앞선 기간에 대해서는 명확성 기준을 충족하였던 부지이므로 어떠한 관측 환경적 문제로 자료의 신뢰성이 저하되어 있는 해당 기간에 대한 분석은 유효하지 않다.
4. 경험적 VS30 추정식 적용
HVSR 곡선의 정곡점 주파수 및 최대 진폭에 기반하여 대표적 지반응답계수인 30 m까지의 평균 전단파속도(VS), VS30을 추정할 수 있다. 본 절에서는 Ghofrani and Atkinson (2014)이 국내와 같이 기반암이 얕은 지역(Cho et al., 2021)인 일본, 중국, 대만에 대해 제안한 다음 경험식을 활용하여 연중 정곡점 주파수와 최대 진폭의 변동에 따른 VS30 분포를 고찰하고자 하였다.
여기서, f0는 정곡점 주파수, Apeak는 최대 진폭이다.
본 연구에서 도출된 CRB, YSUM, CHNB 관측소의 정곡점 주파수와 최대 진폭(Fig. 4, Fig. 8, Fig. 12)을 활용하여 VS30을 식 (1)에 기초하여 Fig. 13과 같이 추정하였다. 동결기간에 포함된 추정값은 표식을 채워 구분하였고, CHNB 관측소의 2023년 12월부터의 데이터는 배제하였다. 그림에서 정곡점 주파수 및 최대 진폭의 변동에 따라 VS30 추정값이 동일 관측소임에도 변화하는 것을 확인할 수 있다. CHNB 관측소의 경우 300 m/s 중반에서 500 m/s 중반까지 추정 VS30 값이 분포하고 있다. 다른 두 관측소와 달리 연중 정곡점 주파수 변동의 폭이 일부 강수기간(30Hz 이상)을 제외하고는 크지 않아 다소 좁은 영역에 추정값이 집중되어 있다. CRB 관측소는 500~1,000 m/s 범위에 값이 분포하며, 초입과 말미를 제외한 동결기간 VS30 추정값은 12Hz 대역에서 최대 진폭의 변화와 함께 500 m/s에서 700 m/s 중반까지 변화한다(19Hz 대역의 결과는 다수의 빈 표식이 중복). YSUM 관측소는 동결기간 17~18Hz 대역에서 400 m/s 중반부터 약 800m/s 범위까지 VS30이 추정되고, 비동결기간은 증가된 정곡점 주파수 대역에서 값을 도출하고 있다. YSUM 관측소와 CRB 관측소는 동결기간 최대 진폭의 증가에 따라 추정 VS30 값이 감소한다. 동결기간 지표층 동결에 따라 VS30 증가를 추정하는 것이 타당하나 Ghofrani and Atkinson (2014)의 경험식은 동결에 따른 효과는 반영하지 않는 것으로 파악된다. 동결기간 도출된 정곡점 주파수와 최대 진폭의 기존 경험식 활용에 주의를 기울일 필요가 있음을 확인할 수 있다.
Table 1에는 기존 문헌(Lee et al., 2024)에 보고된 CRB, YSUM 두 관측소에 대한 VS30 값을 나타내었다. Fig. 13의 추정값 분포와 비교할 경우, 시추가 병행된 물리탐사(크로스홀과 다운홀)는 보다 큰 값을 보이고, 표면파탐사(MASW)는 추정 범위에 포함되는 유사한 값을 가진다. 특히 CRB 관측소에 대해 Ahn et al. (2021)이 지진파에 기초한 HVSR 기법으로 추정한 값은 576 m/s로 본 연구 500~1,000 m/s의 추정 범위에 포함된다. 지진파의 P-wave 특성을 분석하여 VS30을 추정하는 연구(Kim et al., 2020)의 결과도 추정 범위에 포함된다. 지진파 기반 HVSR 기법과 P-wave 분석 기법, 표면파 탐사의 결과는 지표면으로 전달되는 파동을 계측하는 기법이라는 공통 분모에 기초하여 유사한 결과를 도출하는 것으로 판단된다. 그럼에도 기존 문헌에 보고된 지진파 기반의 VS30 추정 기법은 단일의 값들을 도출하는데 반해, 본 연구에서 연중 정곡점 주파수와 최대 진폭의 변동에 기초하여 추정한 VS30 값은 큰 폭의 범위를 가진다. 이를 통해 기온, 강수 등 연중 환경의 변화에 따라 지반의 특성이 특정한 범위를 가지며 변동하는 것을 알 수 있다.
Table 1.
VS30 of the two seismic stations (Lee et al., 2024)
| Station code | VS30 (m/s) | ||||
| Measurements | Estimations | ||||
| Exploration | Seismic records | ||||
| Crosshole test | Downhole test |
Multichannel Analysis of Surface Waves |
HVSR (Ahn et al., 2021) |
P-wave (Kim et al., 2020) | |
| CRB | 1,616 | 1,059 | 666 | 576 | 729 |
| YSUM | 1,953 | 1,109 | 633 | - | |
5. 결론 및 토의
본 연구에서는 국내 3곳 지진관측소(CRB, YSUM, CHNB)의 상시미동 관측자료와 기상 정보 등을 활용하여, 연중 기온 변동이 HVSR 곡선의 정곡점 주파수와 최대 진폭에 미치는 영향을 사례 연구 방식으로 분석하였다. 연구 과정에서 기온 변화 외에도 지반의 포화도에 직접 영향을 미치는 요인들인 인근 저수지 저수량과 강수량을 병행하여 분석하였다.
동절기 영하의 기온이 지속될 경우, 지표 퇴적층의 동결로 탄성 및 감쇠 특성이 변화하면서 HVSR 곡선의 정곡점 주파수와 최대 진폭이 변동하는 경향을 확인하였다. CRB 관측소는 상부 퇴적층 동결로 하부 기반암과 강성이 유사해지며 기존 약 19Hz의 정곡점 주파수가 11.5~12Hz로 감소하고 최대 진폭은 증가하는 현상이 분석되었다. 반면, YSUM 관측소는 동절기 정곡점 주파수는 안정적으로 유지되면서 최대 진폭만 증가하는 특징을 보였다. CHNB 관측소는 동결기간 정곡점 주파수와 최대 진폭이 소폭 증가하는 현상을 나타내었다. 세 관측소에 대한 사례 분석 결과, 영하의 기온 지속 시 HVSR 곡선의 정곡점 주파수 변화와 최대 진폭의 증가가 유발되었는데, 이는 동결 및 해빙 과정에서 지반의 탄성 및 감쇠 특성이 변화되고 변화된 특성에 기반한 파동 전달의 결과로 해석할 수 있다. 최대 진폭 증가는 수평 성분 우세 혹은 수직 성분 열세로 나타날 수 있으므로 추가 연구로 보다 면밀한 메커니즘을 파악할 필요가 있다. 한편, 지표 계측기와 달리 지중 계측기 관측자료에 기초한 연중 HVSR 곡선은 다른 경향을 띄었는데, 지중 30 m 깊이에 설치된 계측기 관측자료에 의한 HVSR 곡선은 연중 변동성이 미미하였으며 최대 진폭도 1.4 이하의 낮은 값을 유지하였다.
기온 외에도 지반의 포화도는 탄성과 감쇠 특성에 영향을 미칠 수 있어 인접 저수지 저수율과 강수량을 병행하여 분석한 결과, YSUM 관측소에서는 저수율(저수위)의 감소가 인근 지반의 함수비와 포화도를 낮추어 지반 강성을 증가시키고 이로 인해 정곡점 주파수가 증가하는 경향이 확인되었다. CHNB 관측소에서는 하절기 일일 강수 빈도와 강도 증가에 따라 정곡점 주파수와 최대 진폭이 증가하는 경향을 일부 확인할 수 있었으나, 강수에 의한 하부지반 포화도 증가에 따른 영향인지 빗방울의 지표면 직접 충격으로 인한 영향인지에 대한 추가 연구가 요구되었다. 마지막으로 HVSR 곡선의 정곡점 주파수와 최대 진폭을 활용한 경험적 VS30 추정은 동일 부지라 하더라도 연중 관측 환경에 따라 지반 특성이 넓은 범위로 분포할 수 있음을 보여주었다. 특히, 최대 진폭을 동시에 활용하는 경험식은 동결기간 증가하는 최대 진폭에 의해 실제와 달리 감소된 VS30을 추정하므로 사용에 주의가 요구되었다.
본 연구의 결과는 HVSR 기법을 활용한 지반 특성 평가에 있어, 상시미동 관측 시 기온 등 환경에 대한 보정 필요성을 시사하며 추가적인 연구가 요구됨을 제안한다. 향후 연구에서는 기온에 따른 동결 깊이 측정, 동결기간 HVSR 곡선에 역산 기법 적용을 통한 전단파속도 추정 등 보다 정량적인 분석을 통해 기온, 강수량, 저수율 등 다양한 환경 요인이 HVSR 곡선에 미치는 복합적 영향을 계량할 필요가 있다. 또한, 일조량, 강우 유출, 파동 전달에 직접적 관계가 있는 지형의 HVSR 곡선에 대한 영향을 고려한 종합적 연구가 수행된다면, HVSR 기법에 기초한 지반 특성 평가에 있어 보다 정밀한 보정이 가능할 것으로 기대된다.
