Geophysical investigations of the subduction zone in Peru and the 2017 Pohang earthquake in South Korea

Abstract

This thesis provides a better understanding to the subduction zone in southern Peru and the 2017 Pohang earthquake in South Korea. The southern Peru is a transitional zone from the normal-dipping to the flat slab regions. I defined the geometry of the Nazca slab using the intra-slab earthquakes and converted teleseismic phases (previous published studies). The P and S waves obtained by the double-difference tomography indicate different hydration states of the slab and mantle wedge or layer. The Pohang earthquake occurred near the enhanced geothermal power plant on 15 November 2017. One of the main goal was to suggest a physical understanding to explain the occurrence of the earthquake in a framework of the linear poroelasticity. I suggested that the timing of the earthquake is attributed to slow fluid diffusion.

I improved the availability of the permanent seismic data deployed in South Korea. The most of the broadband seismometers in South Korea (30 of 52 in 2016) are a type of borehole. While the borehole seismometers produce low human-induced noise, they might have a drawback of an uncertain orientation. I developed a new method obtaining the orientation without having to assume for an isotropic medium (i.e., anisotropic medium). This method normalizes the effect of seismic sources and determines the orientation of a seismometer. I applied the method to the Korean data in 2005--2016. Also, we anticipated that this method can be applied to more noisy environment (e.g., ocean bottom).

The ongoing research is about the Clark fault in southern California using a dense geophone array. The 129 geophones were deployed across the distance of about 2.5 km, slightly oblique to the fault. One of 42 teleseismic earthquakes was usable to compute P-wave receiver functions for imaging the fault. The width of the fault zone is inferred as about 460 m from the delayed P-wave arrivals (up to 0.6 s) and a bifurcation of a reflection branch. Deconvolution of the vertical-component signal recorded from one station distant (~1.2 km) from the fault was effective to identify phases that are reverberated in or refracted by the narrow fault zone.

페루 남부 섭입대와 모멘트 규모 5.5의 2017년 포항에서 발생한 지진을 연구하였다. 페루 남부 섭입대는 섭입한 판이 점차 편평해지는 지역이다. 섭입판 안에서 발생한 지진과 원거리 변환 위상(후자는 이전 연구 결과)을 활용해서 섭입판의 기하적 구조가 급격한 변화 없이 점진적이라는 것을 보였다. 이중 차분 토모그래피 방법을 적용하여 3차원 P파와 S파의 속도 구조를 얻었으며, 이것의 변화가 지표의 화산활동과 섭입 메커니즘에 어떤 의미를 지니는지 해석하였다. 전호분지와 배호분지 아래의 섭입판과 맨틀쐐기(또는 얇은 맨틀 층)의 수화 정도에 불균질성으로 해석하였다. 포항 지진은 심부 지열 발전소 근처에서 2017년 11월 15일에 발생했다. 공극탄성이론을 바탕으로 포항 지진이 발생한 물리적 이유를 밝혀내기 위한 연구를 하였다. 포항 지진이 발생한 시간은 느린 유체 확산으로 설명할 수 있음을 보였다.

대한민국에 설치된 영구 지진 관측 데이터의 가용성을 늘리는데 기여하였다. 광대역 지진계 대부분(2016년 기준 52개 중 30개)은 시추공에 삽입하는 형태의 지진계이다. 시추공 지진계는 인위적 잡음이 낮지만, 방위각을 알 수 없다는 단점이 있다. 비등방적 매질을 가정하면서도 방위각을 결정할 수 있는 새로운 방법을 개발하였다. 이 방법은 지진 효과를 제거하면서 지진계의 방위각을 결정한다. 2005년부터 2016년까지 대한민국에 설치된 지진계 데이터에 적용하여 방위각을 결정하였다. 또한, 이 방법이 잡음이 더 심한 환경(e.g., 해양저)에 설치된 지진계에도 일부 적용할 수 있음을 부분적으로 확인하였다.

진행 중인 연구 주제는 조밀한 지오폰(geophone) 임시 관측망을 활용한 캘리포니아 남부 클라크 단층(Clark fault)에 대한 연구이다. 129개의 지오폰이 2.5 km에 걸쳐 단층에 약간 비스듬히 설치되었다. 42개의 원거리 지진 중에서 1개가 P파 수신함수를 계산하기 적합한 것을 확인하였다. 지진파의 지연(0.6초 이내), 분기와 반사를 관찰해서 단층의 넓이가 약 460 m 임을 알아내었다. 디컨볼루션(deconvolution)하는 수직 성분을 단층에서 약 1.2 km 떨어진 하나의 지오폰으로 고정하는 것이 단층에 의해 다중 반사되는 위상을 분별하는데 도움이 되는 것을 알아내었다.