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[전력시스템에서의 지진 대비 및 안전 대책 ③] 전자기 현상을 이용한 지진예측 연구

2016-11-01

[전력시스템에서의 지진 대비 및 안전 대책 ③] 전자기 현상을 이용한 지진예측 연구 「지진예측」이란 지진 발생으로부터 수일에서 약 1개월 전에 지진을 예측하는 「단기(短期) 예측」를 의미하는 것으로, 일본과 같은 지진 다발 국가에서는 사회적으로 시급하게 요구되는 과제이다. 지진재해를 경감하기 위해서는 예측연구보다는 방재 쪽이 보다 직접적이므로 건물의 내진성을 높이는 등의 대책은 두말할 나위가 없지만, 먼저 지진예측이 실현되면 인적손실의 현저한 경감뿐 아니라 방재에 있어서도 매우 중요한 역할을 하게 되므로 지진예측 연구에 대한 국민적 관심은 점차 높아져가고 있다. 본고에서는 다양한 지진예측 연구 중 「전자기 현상」을 이용한 지진예측에 대해 알아본다. 정리 편집부 기존의 역학적 지진예측법과 전자기적 방법의 등장 과거 약 50년에 걸쳐 지진학자들이 사용해 온 역학적 지진예측법은 기본적으로는 지각의 변동을 지진계, 스트레인 게이지(Strain Gauge) 등에 의해 측정하는 것이었다. 대지진(본진)에 앞서 그 전조와 같은 작은 지진(전진: foreshock, 前震)이 발생하는 경우가 있다. 이 정보가 지진의 직전(直前) 예측에 기여한 예(중국의 하이청(海城) 지진)는 있지만, 유감스럽게도 전진을 동반한 지진 비율이 20~30%에 머물고 있기 때문에 매우 유용한 지진예측법이라고는 할 수 없다. 이 같은 상황, 그리고 과거 전조현상의 연구를 바탕으로 1998년 당시 문부성의 측지학심의회는 「지각변동의 측정(지진측정)에서는 지진예측이 불가능하다」는 보고서를 공표했다. 그 후 미디어와 지진학자들 사이에서는 ‘지진예측불가능론’이라는 강한 풍조가 생겨 ‘전조’나 ‘예측’이라는 말을 사용하는 것조차 기피하는 현상이 생겨났다. 기존의 지진관측에서는 지진 발생 후 지각 내의 거시적인 정보를 얻을 수 있으며, 지진 발생 메커니즘의 해명에 기여하고 있다. 그러나 지진관측에 의한 지진예측이 곤란하다고 한다면, 비지진(非地震) 관측을 근거로 한 새로운 방법을 모색해야 할 것이다. 이 새로운 방법으로서 ‘전자기법’이 등장하였다. 즉, △전기 △자기 △전자기(전자파) 현상의 관측에 근거하는 것으로, 한신·아와지 대지진 이후 눈에 띄는 발전을 거듭해오고 있다. 지각 내에서는 진원 주변에서의 압력상승에 따라 미소암석파괴(Micro Fracture)가 반드시 선행되며, 전기/전자공학에서는 친숙한 압전효과, 마찰전기 등의 메커니즘에 의해 전하분리(전류)가 발생하게 된다. 이러한 지각 내의 미시적인 정보가 지진예측에서는 매우 중요하다. 일단 전자기 현상이 발생하면 그 효과는 주파수에 따라 달라지지만, 수10~100km 지각 내로 전달, 지표 근처에서도 수신될 수 있다. 이 전조성(前兆性)과 원격성이 역학적 방법에 대해 전자기적 방법(비지진 관측)이 가지는 우수한 특성이라고 할 수 있다. 전자기적 방법의 분류 지진에 동반하는 전자기 현상의 관측방법은 아래와 같이 크게 2가지로 구별된다. ⑴ 지진의 진원(또는 진앙) 부근에서 발생한 전자기(또는 전자파) 현상을 직접 수신하는 방법 ⑵ 기존의 송신국 전파를 이용하여 지진에 따른 대기권 및 전리권의 교란을 파악하는 방법 ⑴의 직접적 방법에서는 지진에 따른 각종 다양한 주파수〔직류(DC)/ULF(Ultra Low Frequency, 약 1Hz 이하의 주파수), ELF/VLF, 고주파의 HF/VHF〕에서 발생하는 전자방사와 지진과의 인과관계를 탐구하는 것이다. 그러나 이 방법으로는 지진에 따른 미약한 전자방사를 자연계의 잡음〔우주(지구 전리권/자기권)의 잡음 및 뇌방전에 따른 공전 등〕 및 인공잡음과 변별해 내기가 매우 어렵다는 결점이 있다. 한편, ⑵의 간접적인 방법에서는 기존의 송신국(VLF/LF국 및 VHF대 FM방송국 등) 전파를 활용하고 있기 때문에 송신국과 수신점을 잇는 전파경로 근처의 지진에 반응하여 사례 수를 늘리기 쉽다는 특징이 있다. [그림 1]에 다양한 관측방법을 정리하여 나타냈다. ULF 전자방사 및 전리층 교란에 대한 최신 성과 이미 지진예측의 관점에서 유망한 것으로 지목되고 있는 것이 ⑴의 ULF 전자방사와 ⑵의 전리층 교란 모니터로, 본고에서는 그 최신 성과의 대표적인 예를 소개한다. 먼저 ULF 방사에 관한 사례부터 소개한다. 이미 관동지구에는 ULF 방사 관측 네트워크가 구축되어 10년 전부터 관측이 계속되어 오고 있다. 이 기간 내의 최대 사건은 2000년도의 미야케섬(三宅島) 분화에 따른 지진활동에 앞서 출현한 ULF 전자방사이다. [그림 2]는 이즈반도(伊豆半島)에서의 ULF 방사 관측망이다. 이즈반도 및 보소반도(房總半島)에서 3성분 자력계를 이용한 어레이 관측(50 또는 12.5Hz 샘플링)을 실시하고 있다. 2000년 6월말부터 미야케섬에 지진활동이 활성화되면서 분화활동이 시작됐다. 동시에 미야케섬뿐만 아니라, 그 주변에서도 매우 활발한 군발지진활동이 발생하게 되었다. 7월 상순에는 M6급의 지진이 여러 차례 발생했다. 이 이즈반도(伊豆半島)에 전개되고 있는 지자기 어레이 관측의 데이터에 주성분 분석(Principal Component Analysis: PCA)이라는 수법을 적용한 사례를 소개한다. 공간적으로 근접한 3지점(세이코시[淸越], 카모[賀茂], 모치코시[持越])의 데이터를 사용했기 때문에 PCA 분석에서는 3개의 신호원을 분리할 수 있다. 어떤 한 관측점에서 수신된 지자기의 변화는 일반적으로, ⑴ 초고층(자기권·전리권)의 지자기 변동에 의한 영향 ⑵ 인공 노이즈 ⑶ 기타 지진활동과 관련된 변화 이 세 가지의 합성으로 간주되며, PCA 분석으로 3개 신호를 분리·추출한다. 각 관측점의 시계열 데이터를 바탕으로 주기 100초 전후의 변화에 주목해 고유치 해석을 실시하고, 그 고유치 λ_n(n=1~3), 즉 각 신호강도의 시간변화를 추적했다. 분석 결과, 제1주성분인 λ₁(제1주성분의 전력을 반영)은 지자기 활동 지수 Α_Ρ와 매우 양호한 상관관계를 나타내므로 초고층의 지자기 변동에 따른 영향으로 간주되었다. 제2주성분인 λ₂는 24시간 주기를 가지며, ‘주간은 크고 야간은 작다’라는 특징으로부터 인간활동에 기인하는 인공 노이즈로 판명되었다. [그림 3]은 제3주성분인 λ₃의 시계열 변화를 나타낸 것이다. 군발지진활동이 시작되기 전인 4월 하순부터 λ₃의 레벨이 다소 상승했으며, 특히 매그니튜드(M) 규모6의 지진(3개) 발생 수일 전부터 λ₃의 값이 현저하게 상승했던 것으로 확인됐다. 이 시계열 변화는 로마 프리에타 지진(Loma Prieta Earthquake)의 결과와 유사하다는 점에서 이 변동이 지각활동 발생의 근본적인 원인일 가능성이 매우 높다고 보고 있다. 이 다음으로는 VLF 송신국 전파를 이용한 전리층 교란의 관측 사례로, 장기간 데이터를 기반으로 한 통계 해석을 소개한다. 전리층 교란 관측용 VLF/LF 네트워크는 구(舊) 우주개발사업단 프론티어 연구의 범위 내에서 구축된 것이며, 약 10년 정도의 데이터가 축적되어 있다. 여기서는 일본 국내 관측점 중의 하나인 고치(高知) 관측점에서 표준전파 JJY국(후쿠시마현, 주파수 40kHz)의 LF 전파를 수신한 데이터를 사용하고 있다. 먼저, 본 전파 경로의 Sensitive area가 결정되었다. Sensitive area란 그 영역 내의 지진을 이상 전파로 검지할 수 있는 범위를 말한다. 송신점 및 수신점 주변에 반경 200km의 원을 설정해 그 외연을 이은 영역으로서, 다음 [그림 4]와 같다. 그림으로 나타낸 지진은 그 범위 내에서 M5.0 이상의 진앙을 플롯하고 있다. 또한 지금까지 얻은 지견을 통해 VLF/LF 전파특성이 깊은 지진에는 반응하지 않는다는 사실을 확인하여 깊이 100km보다 얕은 지진만을 표시하고 있다. 야간의 LF대 송신국 전파의 전파특성은 하루마다의 지각활동을 반영하기 때문에 일별 지진활동으로서 실효 매그니튜드(Μ_eff)를 새롭게 도입했다. 어떤 하루의 Sensitive area 내에서 발생한 M2.0 이상의 모든 지진으로부터 방출 에너지를 적분해 매그니튜드로 역변환하여 Μ_eff을 정의한다. LF 데이터로는 고치(高知)에서 관측된 진폭만을 사용하며, 그 해석방법으로는 ‘야간 동요법’이 사용된다. 야간은 LT(지방시, local time)=19시~5시로 정의되어 있다. A(t)는 어느 날 어느 시각 t에서의 진폭을, <A(t)>는 같은 시각 t에서 그날의 ±10일의 평균치이다. 여기서, 다음과 같은 차분(差分)을 생각해볼 수 있다. 이 A(t)를 이용해서 다음의 진폭에 관한 2가지 물리량을 다룬다. 그것은 ⑴야간평균진폭(이하, 트렌드)과 ⑵ 진폭의 동요이다. ⑴의 트렌드는 야간에서의 진폭 평균치이며, ⑵는 dA(t)<0의 영역을 야간에 걸쳐 적분한 양이다. (1999년 6월부터 2005년 6월까지의 6년간의 데이터) [그림 5]가 전파 이상(전리층 교란)과 지진과의 인과관계를 Superimposed Epoch Analysis를 이용하여 얻은 결과이다. 이 통계수법은 지진 당일을 기준(0일)으로 하여 많은 지진의 총량을 거듭해 플롯한 것이다. 세로축은 각각의 양을 표준편차에 의해 규격화하고 있다. [그림 5]의 (a)는 트렌드에 관한 결과, [그림 5]의 (b)는 동요에 관한 결과이다. 세로축의 일수는 0일이 지진 당일, 마이너스 쪽은 지진 이전, 플러스 쪽은 지진 이후에 현상이 발생하는 것을 의미한다. [그림 5]의 (a)에서 Μ_eff≥ 6.0일 때에는 트렌드가 지진 발생 3~5일 전에 통계기준 2σ를 넘어 뚜렷하게 감소하고 있다. 다음으로 [그림 5]의 (b)를 보면, Μ_eff≥ 6.0일 때 마찬가지로 진폭의 동요가 지진 발생 전, 수일~1주일 사이에 2σ를 넘어 상승하는 것을 알 수 있다. 지진의 규모를 조금 작게 하면(Μ_eff≥ 5.5), Μ_eff≥ 6.0일 때에 비해 그다지 뚜렷하지는 않지만 비슷한 경향을 확인할 수 있다. LF파로 수신한 전리층 교란과 지진(Μ_eff≥ 6.0)과의 사이에는 강하고 명백한 인과관계가 있다는 결론이다. < Energy News >