Investigating Characteristics of Near-source Strong Ground Motions Using Pseudo-dynamic Source Models

Abstract

1905년 기상청의 근대적인 지진 관측이 시작된 이래, 2016년 9월 12일, 경주인근에서 발생한 경주지진 (지역규모, ML=5.8)은 우리나라 내륙에서 발생한 가장 큰 규모의 지진이다. 경주지진을 전후로, 2016년 4월 16일 일본 쿠마모토에서 발생한 지진 (MJma=7.3)과 2017년 11월 15일 포항에서 발생한 지진 (ML=5.4) 등 우리나라 및 우리나라 인근에서 발생한 중규모 이상의 지진으로 인하여 인적 손실, 구조물, 건축물 등의 경제적인 손실뿐만 아니라 사회적으로도 지진피해에 대한 관심이 증대되었으며, 특히 중규모 이상 지진 발생에 따른 지진 피해 경감, 지진재해도 평가, 지진 예측 등의 지진방재의 목적과 지진공학적인 측면에서 강지진의 특성을 이해하고 대비하는 것이 더욱 요구된다. 최근에는 강지진을 예측하기 위하여, 지진 단층의 파열과정에 대한 물리적인 특성에 기반하여 지진동을 모사하는 연구가 활발히 진행되고 있으며 특히, 지진피해가 집중되는 근거리에서의 강지진동의 특성을 이해하는데 활용하고 있다. 이러한 물리적 지진 모델에 기반하여 모사된 강지진동은 중대규모 지진에 의한 강지진동 자료가 극히 부족한 우리나라와 같은 지진 환경에서, 특히 근거리 지역에서의 강지진동 특성을 고려한 지진재해도 분석에 유용하게 활용될 수 있다. 이 논문은 미래에 발생 가능한 시나리오 지진의 규모와 특성을 정량화하여 지진모델을 발생시키는 물리적 기반 유사 동역학 지진원 모델을 이용하여 강지진동을 합성하고 근거리 지진파의 특성을 연구하는데 목적이 있다. 이를 위하여, 지진 발생 시 지진단층의 파열과정을 변위 (slip), 단층 파열속도 (rupture velocity, Vr), 최대 파열 속도(peak slip velocity, Vmax) 등의 주요 운동학적 (kinematic) 지진원 변수들에 기반한 확률모형으로 기술하고 동역학 지진 모델 이용하여 확률 지진모델의 입력값을 결정하는 유사 동역학지진원 모사 기법 (pseudo-dynamic source modeling)을 사용하였다. 또한, 각 지진단층의 운동학적 지진원 변수의 1점 통계량 (1-point statistics, 평균 및 분산) 및 2점 통계량 (2-point statistics, 상호상관 및 자기상관) 분석을 통하여 지진원 변수들의 통계량 변화가 지진동 특성 변화에 미치는 민감도 분석을 수행하였다. 지진원은 약 150개의 동역학 지진모델을 분석하여 1점 및 2점 통계량 분석을 통하여 미래에 발생 가능한 시나리오 지진모델에 대한 확률모델을 구축한 지진모델발생기 (rupture model generator)를 이용하였다. 지진원 단층은 모멘트 규모(Mw) 6.6 및 7.0의 주향이동 단층에 대하여 지진모델발생기에서 각각 4개의 지진원 통계 모델 (source statistics model)로 구성하였다. 모멘트 규모 6.6 및 7.0에 대한 지진파 모사 시 지진원 단층은 미래에 일어날 지진파가 가지는 인식론적 불확실성 (aleatory uncertainty)를 고려하기 위하여 각각의 지진원 통계모델별로 임의로 30개의 단층지진원 모델을 설정하였으며, 단층 평행방향 (fault parallel), 단층 직교방향 (fault normal), 수직방향(vertical)의 지진파를 모사하였다. 이때, 유사 동역학 모델의 1점, 2점 통계량 변환을 통하여 다양한 단층 지진원 모델을 생성하였다(예, 1점 통계량의 경우 Vr 및 Vmax의 표준편차 크기를 각각 0.5, 1, 2로 변화시켰으며, 2점 통계량의 경우 Slip, Vr, Vmax의 자기상관 및 상호상관 요소를 변화시켰음). 모사된 관측지점의 수는 Mw 6.6 의 경우 168개 지점이며, Mw 7.0의 경우는 400개의 관측지점이다. 근거리 지진파 특성은 근거리 펄스 (pulse)로 대표되는 방향성 효과 (directivity effect)가 중요한 요소이며 이러한 방향성 효과에 따라서 동일한 진앙거리를 가진다고 할지라도 관측된 파형의 최대지반가속도 (PGA, Peak Ground Acceleration) 및 최대지반속도 (PGV, Peak Ground Velocity) 등 지진동의 진폭 및 주파수 특성이 달라지는 상이한 지진파가 관측된다. 본 연구에서는 근거리 지진파의 특성을 연구하기 위하여 단층파열 (rupture propagation) 방향에 위치한 forward directivity 영역 및 단층 파열 방향과 반대 방향에 위치하는 backward directivity 영역에 대하여 모사된 지진동을 비교, 분석하였다. 이를 위하여, 유사 동역학 지진원 모델의 1점, 2점 통계특성을 이용하여 모사된 지진파의 최대지반속도는 지진원 변수의 1점 및 2점 통계량 변화가 없는 모델에서 얻어진 최대지반속도로 정규화하여 평균 최대지반속도의 비율(ratio)을 분석하였다. 그 결과, 지진원 1점 통계량 및 2점 통계량에 대한 지진파 진폭의 변화가 forward 영역에서 backward 영역에서 보다 크게 나타남을 알 수 있었으며, 유사 동역학 지진원 모델의 1점 및 2점 통계특성에 대한 지진파의 최대지반속도의 방위각 및 진앙거리에 따른 분석 결과에서도 지진원 1점 통계량 및 2점 통계량에 대한 지진파 진폭의 변화가 forward 영역에서 backward 영역에서 보다 크게 나타남을 알 수 있었으며, 진앙거리가 증가할수록 감소한다는 것을 알 수 있었다. 결론적으로, forward 영역에서 운동학적 (kinematic) 지진원 변수의 통계량 변화의 영향을 더 크게 받고 있음을 알 수 있었으며 특히, 지진원 변수의 통계량의 변화는 지진규모가 커질수록 더욱 지진동 예측 시 영향이 큰 것으로 분석되었다. 향후 다양한 단층의 형상, 단층 파열 변수 등에 대한 다양한 상관관계 분석을 통하여 지진원 변수가 근거리 지진원에 미치는 영향을 보다 정량적으로 분석할 수 있을 것으로 기대된다.

The Korean Peninsula is considered to be in a stable seismic zone, and according to the instrumental earthquake records since 1905, earthquakes of more than a local magnitude (ML), 5.0 have taken place several times (e.g., the Ssanggyesa earthquake (ML=5.0) on June 4, 1936, and the Hongsung earthquake (ML=5.0) on October 7, 1978). However, after the Gyeongju earthquakes (ML = 5.1, ML = 5.8) on September 12, 2016, and the Pohang earthquake (ML = 5.4) on November 15, 2017, there has been a need to prepare for earthquake disasters more intensively in Korea. Moreover, understanding the characteristics of a strong ground motion is more important in assessing disasters caused by earthquakes. Ground motion prediction is an important in a seismic hazard analysis. However, the availability of recorded strong ground motion data is limited, particularly near the source regions. A simulation-based strong ground motion simulation technique for generating a rupture model and quantifying the characteristics of future scenario earthquake and their ranges was developed to investigate the characteristics of near-source ground motion. In this thesis, the process of rupture during an earthquake was described using a probabilistic model based on kinematic seismic source parameters such as the slip and rupture velocity and peak slip velocity, and pseudo-dynamic source modeling was conducted to determine the input values for the probabilistic model through kinematic source modeling. Rupture propagation modeling was applied using a rupture model generator, which is a model used for future possible scenarios earthquakes established by analyzing 1-point statistics, such as the mean and standard deviation, and 2-point statistics, such as an auto-correlation and a cross-correlation of earthquake source parameters. The main purpose of this thesis is to investigate the detailed characteristics of near-source ground motions controlled through a finite source process using pseudo-dynamic source modeling, the sensitivity of near-source strong ground motions after 1-point and 2-point perturbations of the pseudo-dynamic source statistic model was analyzed. The thirty scenario earthquakes using stochastic modeling were generated, and the slip velocity function proposed by Tinti et al. (2005) was applied to characterize the slip-rate evolution at each point along the fault. The pseudo-dynamically generated finite source models were combined with computed Greens functions (Zhu & Rivera, 2002). Three-component (fault normal, fault parallel, and vertical) synthetic seismograms (effective at up to 3 Hz) were generated at 168 stations for a Mw 6.6 event, and at 400 stations for a Mw 7.0 event. Then the pseudo-dynamically generated ground motions after perturbing a certain element of the 1-point and 2-point statistics in the pseudo-dynamic source models for the forward and backward directivity regions were compared to investigate the characteristics of the near-source characteristics. Based on our ground-motion sensitivity analysis using pseudo-dynamic source modeling, it was found that the correlation among the source parameters produces different ground motions near the source, and the magnitude depends on the near-source ground motion characteristics. In addition, the results show that the effects of the earthquake source on the near-source ground motions can vary depending on both the azimuth and source-to-site distance. The variability of the ground motion intensities derived from multiple sets of input source statistics is more dominant in the forward directivity region and at shorter source-to-site distances for both the Mw 6.6 and 7.0 events. This means that the effects of the earthquake source characteristics (1-point and 2-point statistics) are more dominant in the forward directivity region for a larger event. In conclusion, it was demonstrated that the seismic source parameters affect the ground motion simulations more sensitively at a close distance, particularly in the fault propagation direction. This pattern is also consistent for pseudo-spectral accelerations with various periods. The pseudo-dynamic source modeling method with 1-point and 2-point statistics seems to be an efficient framework for understanding the effect of earthquake source on near-source ground motion characteristics.