1. 서 론

2016년 9월과 2017년 11월에 각각 경주지진(M_L 5.8)과 포항지진(M_L 5.4) 발생으로 주변지역에 실질적인 피해가 발생하면서, 향후 발생할 수 있 는 지진동의 크기를 예측하는 지진재해도 평가 및 관련 연구에 대한 중요성 이 증대되었다. 지진재해도 평가의 신뢰성을 향상시키는 핵심적인 요소 중 에 하나는 평가 지역에 적합한 지진동 감쇄식(Ground Motion Prediction Equation : GMPE)을 개발하는 것이며, 신뢰성 높은 감쇄식 개발을 위해서 우선적으로 필요한 것이 해당지역에서 취득한 높은 품질의 지진자료라고 할 수 있다 [1]. 미국의 경우, Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER)의 주도로 2000년대 초에 미국 서부지역의 감쇄모델 개발 을 위한 “NGA-West” 연구 프로그램을 시작하였고 그 과정에서 감쇄식 개발을 위해 강진동 자료를 데이터베이스화한 NGA-West Database를 구축하였다 [2]. 이어서 동부지역에 대해서도 NGA-East Database [3]를 구축하고, NGA-West Database를 확장한 NGA_West2 Database [2]까 지 완성하여 감쇄식 개발에 활용하였다. 유럽에서도 2000년대 초반 범유럽 지역에 대한 강지진동 데이터베이스인 ISESD (Internet site for European strong-motion data; [4])를 구축하여 인터넷 사이트 를 통하여 공개하였으 며, 이후 이탈리아 및 터키에서도 각각 ITACA (ITalian ACcelerometric Archive; [5])와 T-NSMP (Turkish National Strong-Motion Project; [6])라는 강진동 데이터베이스 구축 프로젝트를 진행하였다. 이러한 강지 진동 자료들을 바탕으로 2010년부터는 범유럽 지역의 지진동 평가를 위 한 SIGMA (SeIsmic Ground Motion Assessment) 프로젝트가 시작되 면서 범유럽 지역의 단일 가속도계 강지진동 데이터베이스인 RESORCE (Reference database for seismic ground-motion in Europe; [7])가 개발 되었다.

국내에서는 1995년 “자연재해대책법” 제정 이래로 “지진재해대책법” (2008년 제정), “지진화산재해대책법”(2015년 명칭변경)에 의해서 지진 재해도 평가를 통한 국가지진위험지도를 작성하고 있다. 다만, 현재까지의 지진재해도 평가 연구들은 한반도 및 인근지역에 대한 역사지진, 계기지진 목록, 또는 지표 단층에 대한 고지진학적 조사 등 지진원 특성화와 관련된 데이터베이스 구축에 집중되어 있으며, 체계화된 국내 지진동 자료의 데이 터베이스화는 별도로 이루어지지 않고 있다 [8, 9]. 다만, 이 같은 연구 추세 는 중규모 이상의 지진발생 빈도나 2000년대 중반에서야 구축된 조밀한 디지털 관측망 등 지진관측 환경과 관련된 환경적 요인에 의한 한계 때문일 수도 있고 [10], 목적이 다른 개별적인 지진연구에서는 강진동자료에 대한 필요성이 떨어지기 때문일 수도 있다. 이러한 이유로 강진동 자료(규모 5.0 이상 지진에 의한 지진동)를 비롯한 지진동 자료가 충분하지 않았던 국내의 경우, 지진재해도 평가에 사용되는 국내 감쇄식들은 대부분 지진원, 지진파 전달, 부지특성 등의 지진학적 모델을 통해서 지진동을 추정하는 추계학적 방법을 기반으로 개발되었다 [11-13]. 반면에 미국 서부 또는 일본과 같이 강진동 자료가 충분한 지역에서 주로 적용될 수 있는 경험론적 방법을 통해 개발된 지진동 감쇄식은 Emolo et al. [14]에 의해 제안된 감쇄식이 유일 하다. 따라서 2000년대 중반 이후에 구축한 조밀한 관측망으로부터 얻은 지진동 자료들과 최근에 발생한 2016년 규모(M_L) 5.8의 경주지진이나 2017년 규모(M_L) 5.4의 포항지진 등 중규모 이상의 지진자료들을 이용하 여 기존 감쇄식을 검토하고 새로운 감쇄식을 개발할 필요가 있다. 이를 위해 서는 양질의 지진동 자료 취합과 더불어 체계적인 정리가 필요하다. 일반적 으로 지진동 감쇄식 개발을 위한 지진동 자료 데이터베이스들은 flatfile 형 태로 구축된다. flatfile이란 특정대상에 대한 정보를 하나의 레코드 라인에 모두 수록한 단순한 형태의 데이터베이스를 말한다. NGA-East Database 의 경우, 지진동 크기 정보를 비롯하여 지진원, 관측소, 데이터처리 정보 등 을 각 지진동 기록별로 나열한 flatfile 형태의 데이터베이스를 작성하였다 [3]. 국내 지진동 매개변수 자료에 대한 flatfile 형태의 자료구축은 Choi et al. [15]에 의해서 이루어진 바가 있으나, 자료처리 및 데이터베이스 구조에 대한 기초연구로 실제 지진자료는 2016년 한 해동안의 지진 이벤트에 대해 서만 구축하였기 때문에 실제 감쇄식 개발 등에 사용하기 위한 자료로는 충 분하지 않다.

본 연구에서는 앞에서 소개한 지진동 데이터베이스 구축 사례들을 참고 하여 향후 지진동 감쇄식 개발 등 지진재해도 평가에 활용할 수 있도록 국 내에서 발생한 지진의 관측 기록에 대한 최대지반가속도(peak ground acceleration; PGA) 및 의사스펙트럼가속도 (pseudo-spectral acceleration; PSA) 자료를 데이터베이스화 하였다. 이 과정에서 우리나라와 마찬가지로 강진동 자료가 많지 않은 안정 대륙 지역에 속하는 미국 중동부 지역의 NGA-East Database 구축 절차를 주로 참고하였다 [16]. 지진 자료는 기상 청 국가지진관측망에서 기록한 2003년부터 2019년까지 규모 3 이상 지진 에 대한 지진 파형이며, 지진 기록의 샘플율(samples per second; sps)이 100 sps 이상인 가속도계 및 속도계 자료를 처리하여 PGA 및 5% 감쇠 PSA를 계산하였다. PGA 및 PSA를 계산하기 위하여 지진계 센서의 방향 에 대하여 독립적으로 지진동의 크기를 측정하는 RotD50 [17] 방법을 이 용하였다. PSA의 계산을 0.1 Hz부터 33.33 Hz까지 34개 주파수에 대하 여 수행하였다. 최종 데이터베이스는 PGA 및 PSA 자료와 함께 지진원, 관 측소, 그리고 필터링 등의 자료 처리 정보로 이루어져 있다. 이들 정보를 한 번에 하나의 지진에 대한 특정 관측소의 기록에 대하여 이용할 수 있도록 순 차적으로 기록한 플랫 파일(flatfile) 형태로 작성하였다.

2. 지진동 매개변수 자료 및 데이터베이스 구성

지진동 자료 처리를 위하여 사용한 시간 이력 자료는 2003년 1월부터 2019년 7월까지 기상청 국가지진 관측망에서 얻은 규모 3.0 이상의 지진 에 대한 가속도계 및 속도계 수평성분 파형으로서, 국가지진정보시스템 (National Earthquake Comprehensive Information System; NECIS)에 서 제공하는 miniSEED 형식의 자료이다. 고주파수 PSA 결과를 얻기 위하 여 샘플율이 100 sps인 가속도계 및 속도계 자료만을 사용하였다. 이들 자 료를 기록한 국가지진관측망 지진관측소의 지진 센서는 광대역 속도계 (Guralp CMG-3T와 CMG-3TB, Streckeisen STS-2와 STS-2.5)와 단 주기 속도계(Kinemetrics SS-1) 및 가속도계(Kinemetrics ES-T와 ES_ DH)로 이루어져 있으며, 기록계는 Kinemetrics Q330HRS, Q330S, Q4120, Q730가 사용되었다. 자료에 포함된 지진의 수는 모두 141개이고, 관측소 는 232개가 포함되었다. 지진 및 관측소의 위치를 Fig. 1에 도시하였으며, 거리 및 규모별 지진자료의 분포를 Fig. 2에 나타내었다.

데이터베이스는 지진원, 경로, 부지와 관련된 메타 정보와 파형의 자료 처리를 위한 정보, 그리고 마지막으로 지진동 크기에 대한 정보로 이루어져 있다. 지진원과 관련된 정보들은 지진 식별 번호, 규모, 진원시 및 진원으로 구성되어 있다. 경로 및 관측소 정보는 관측소의 위도와 경도 및 고도, 그리 고 관측소와 지진원의 방위각과 후방위각 정보이다. 지진원과 관측소 관련 정보는 기본적으로 NECIS에서 취득한 지진목록으로부터 추출하였으며, 진원 정보들에 대해서 별도의 출처로부터 상세 분석 자료들이 있을 경우에 는 추가로 포함하였다. 자료 처리와 관련된 정보는 miniSEED 파일로부터 추출한 SAC 파일명, 샘플율 필터링과 관련된 정보들이 기재되어 있다. 지 진동 크기와 관련된 부분은 감쇠비와 2개의 수평 성분 대한 각각의 PGA 값 과 RotD50 PGA 및 RotD50 PSA 값으로 이루어졌다. RotD50 PSA는 0.1 Hz로부터 33.33 Hz까지 로그 등간격으로 나뉘어진 34개 주파수에 대 해서 계산된 값이다.

3. 자료 처리

자료처리 절차는 NGA-East Database에 적용된 절차를 참고하여 수립 하였으며, 단계별 절차의 내용은 Fig. 3에 도시하였다.

3.1 1단계 : 지진 자료 변환 및 기본처리

가장 처음에 수행하는 절차는 자료 변환이다. NECIS에서 제공하는 지 진 자료의 형식은 miniSEED이다. miniSEED 형식은 디지털 지진 자료의 상호 교환을 위한 국제 표준 형식인 SEED (Standard for the Exchange of Earthquake Data)를 간소화한 것으로 파형 정보 이외에 진원이나 관측소 등과 같이 지진 자료를 분석하기 위하여 필수적인 메타 정보가 포함되어 있 지 않다 [18]. 따라서 먼저 miniSEED 파일을 SAC (Seismic Analysis Code; [19]) 파일로 변환하고 NECIS에 공개되어 있는 지진 목록 및 관측 소 정보를 이용하여 SAC 파일 헤더에 메타 정보를 직접 입력하였다. 이 SAC 파일을 이용하여 기본적인 자료처리를 수행히였다. 변환된 SAC 파 일 형태의 속도 및 가속도 파형에 대해서 평균과 기울기, 그리고 계기 응답 을 제거하였다. 지진동 매개변수 자료의 기본 물리량으로 가속도를 사용하 기 위하여, 속도 파형을 가속도 파형으로 변환하였다. 이들 기본 자료처리 는 SAC 소프트웨어를 이용하여 이루어졌다.

3.2 2단계 : 시간창 설정 및 필터링

기본적인 자료 처리 이후, 다음 절차는 시간 이력에서 시간창을 결정하고 필터링을 수행하는 것이다. 이 과정에서의 자료처리는 Matlab (MathWork, 2018b)를 이용하여 수행되었다. 이 연구에서는 PGA 및 PSA를 계산하기 위한 전체 시간창과 필터링의 모서리주파수를 결정하기 위한 잡음 시간창 의 2가지 시간창을 설정하여 자료 처리에 사용하였다. 각 시간창의 크기를 NGA-East Database에서 적용한 절차에 따라 결정하였다(Fig. 4). 잡음 시 간창은 지진파가 도달하기 전 관측소에 존재하는 배경잡음 수준을 파악하 기 위하여 필요한 시간창이며, SLg-파형의 길이와 동일하게 설정하였다. 전체 시간창은 지진파형 도달 전의 잡음 시간창을 포함하여 P 파, SLg 파, coda 파까지 포함하는 시간창이다. 각 시간창의 크기를 결정하기 위해서 는 각 파형의 도달 시간과 파형의 전파 속도 및 지속시간이 필요하다. 지진 파 전파 속도 및 지속 시간에 따른 잡음과 전체 시간창 길이의 약간의 차이 는 PGA 및 PSA 계산에 민감하게 영향을 주지 않기 때문에, P파 및 S파의 도달 시간은 Taup Toolkit [20]을 사용하여 IASP91 속도 모델 [21]을 기 반으로 계산하였다. 그밖에 Lg 파 및 coda 파의 속도 및 지속시간 등은 NGA-East Database에 제시된 값을 사용하였다.

시간창 길이를 결정한 후, 필터의 모서리주파수 결정을 위하여 잡음 시 간창과 전체 시간창에 대한 푸리에 진폭 스펙트럼(Fourier amplitude spectrum; FAS)을 계산하였다. 푸리에 변환에 앞서서 각 시간창의 시작과 끝에 코사인 테이퍼를 적용하였다. 전체 시간창에 대해서는 시작과 끝 부분 에 각각 시간창 길이의 1%를, 잡음 시간창에 대해서는 0.5초 길이에 대해서 코사인 테이퍼를 적용하였다. 주파수 영역에서 모든 파형 기록이 동일한 주 파수 간격을 갖도록 하기 위하여 시간 영역에서 영채우기를 하여 시간창의 길이를 동일하게 맞추었다. 또한 조밀한 주파수 간격을 같도록 하기 위하여 시간 이력의 자료 갯수가 2¹⁸이 되도록 영채우기를 하였다. 시간창 설정, 테 이퍼, 그리고 영채우기까지 완료한 후에 잡음 시간창과 전체 시간창에 대한 FAS를 계산하였다. 계산한 FAS를 비교하기 위해서는 적절한 평활화 처리 가 필요하다. 평활화 방법에는 선형-로그 형식 사각형 및 삼각형, 그리고 로 그 형식 Konno-Ohmachi 창 방법 등이 있으며, 자료처리 목적에 따라 적절 하게 선택할 수 있다 [22]. 이 연구에서는 NGA-East Database [3]와 동일 하게 각 FAS에 대해서 로그 형식 사각형 창 방법을 적용하여 평활화를 수 행하였다. 다음으로 전체 시간창과 잡음 시간창의 FAS 결과에 대하여 주파 수별 신호 대 잡음비를 계산하고, Fig. 5와 같이 각 시간창의 FAS 및 신호 대 잡음비를 함께 도시하여 고주파 통과와 저주파 통과 모서리주파수를 각 각 결정하였다. 기본적으로 신호 대 잡음비가 2 ~ 3 이상인 주파수 구간을 통과 대역 구간으로 고려하되, 고주파 통과 모서리주파수의 경우에는 Fig. 5와 같이 저주파수 구간에서 Brune [23]의 omega-square 모델을 따르기 시작하면서 잡음의 영향을 받지 않는 대역을 적절하게 선택하였다. 저주파 통과 모서리주파수의 경우, 고주파수 PSA에서의 잡음에 대한 신호 대 잡음 비와 비교하여 선택하는데, Fig. 5와 같이 잡음의 영향이 없는 경우에는 45 Hz를 저주파 통과 모서리주파수로 선택하였다. 필터링은 전체 시간창에 대하여 적용하며, 각 지진 기록의 수평 성분에 대하여 선택한 고주파와 저 주파 통과 모서리주파수를 이용하여 극이 5개인 비인과 버터워스(5-pole acausal Butterworth) 필터를 적용하였다.

3.3 3단계 : 최대지반가속도 및 응답스펙트럼 계산

필터링을 수행한 후에 최종적으로 최대지반가속도 및 응답스펙트럼을 계산하며, 이 과정에서 자료처리는 Matlab을 이용하여 수행하였다. 이 연 구에서는 지반가속도 및 응답스펙트럼을 나타내는 척도로서 RotD50 PGA 및 5% 감쇠 PSA를 사용하였다. 지진계가 기록하는 지진동의 수평 성분은 서로 직교하는 2개의 수평 방향 센서로 나뉘어지기 때문에 진원에 대한 지 진계의 방향에 따라 센서에 기록되는 지진동은 차이가 발생한다. 따라서 지 진재해도 평가 또는 내진설계를 위해 사용되는 수평 성분의 지진동을 정의 하기 위하여 수평 성분 가운데 최댓값을 사용하거나 두 수평 성분의 기하평 균을 사용한다 [24]. 이러한 진원에 대한 지진계의 방향에 의하여 발생하는 불확실성을 줄이기 위해서 Boore [17]는 지진계의 방향에 독립적으로 수 평 성분을 기술할 수 있는 RotDnn을 제안하였다. 2개의 가속도 수평 성분 의 시간 이력 파형을 각각 a₁(t) 과 a₂(t)라고 할 때 임의의 방위각(θ)만큼 회전한 축에 대한 가속도 성분은 다음과 같이 나타낼 수 있다:

식 (1)에서 모든 방위각(θ)에 대하여 a_ROT의 가속도 시간 이력을 구한 뒤에 각각 PGA 및 PSA를 계산한 다음 PGA 와 주파수별로 50 퍼센타일 에 해당하는 값을 찾아서 RotD50 PGA 및 PSA를 계산할 수 있다. 이와 같 은 방법으로 각 지진과 관측소 쌍에 대한 2개 수평 성분 지진동에 대한 RotD50 PGA와 PSA를 계산하였다.

3.4 제외 자료

자료의 가용성을 확인하는 절차는 잡음과 전체 시간창을 설정하고 FAS 까지 계산한 후에 시간 이력 파형과 FAS 결과를 동시에 확인하면서 진행하 였다. 시간 파형에서는 기본적으로 파형의 어긋남과 잡음 스파이크 등을 비 롯하여 대상이 되는 지진 신호 이외에 다른 원인에 의한 영향이 파형에 포함 되어 있는지 확인하고, 주파수 영역에서는 비정상적인 스펙트럼 형상이 나 타나는지 확인하여, 가용하지 않은 자료를 데이터베이스에서 제외하였다.

4. 지진동 데이터베이스 작성

3장에서 기술한 자료처리 절차에 각 기록에 대해서는 지진동 결과를 비 롯하여 진원, 경로, 부지 그리고 자료처리 관련 정보가 함께 포함되어 각 지 진과 관측소 정보를 순차적으로 기록하는 플랫파일(flatfile) 형태로 데이 터베이스를 작성하였다.

플랫파일에서 각 행은 하나의 지진에 대한 특정 관측소에서의 기록을 나 타내며, PGA 및 PSA를 RotD50 통해 나타내었기 때문에 2개의 수평 성분 이 짝을 이루어 같이 기술되어 하나의 기록 연번(record serial number; RSN)를 부여받게 된다. 진원시는 한국표준시(Korean standard time; KST) 기준이므로 협정세계시(universal time coordinated; UTC)로 변환 이 필요할 경우에는 9시간을 빼주어야 한다. 지진의 규모와 진원은 NECIS 의 지진 목록에서 제공하는 값을 기본으로 사용하며, 규모 단위는 지역규모 (M_L)이다. 추가적으로 NECIS의 정보 외에 진원에 대한 정보가 있는 경우 에 대하여 별도 열에 표기하였다. 자료 처리 정보에는 각 수평 성분에 대한 필터링 정보와 더불어서 가용 주파수 영역을 포함하였다. 필터의 모서리주 파수 근처에서 FAS가 필터링으로 인한 영향을 받기 때문에 이를 감안할 필 요가 있다 [25]. Butterworth 필터의 경우, 모서리주파수에서는 필터링 후 에 응답이 약 0.7 배(-3 dB) 정도로 줄어들기 때문에 필터에 의해서 영향을 받지 않는 영역을 가용 주파수 영역으로 설정하였으며, NGA-East와 동일 하게 각 모서리주파수에서 1.25배 통과 대역 내에서 가용 주파수 영역을 설 정하였다 [2]. Fig. 6에 필터링 전후의 FAS를 도시하였으며, 적용된 필터의 모서리주파수와 모서리주파수에 대해 각 1.25배 통과 대역 내에 설정된 가 용 주파수 영역을 표시하였다. Fig. 6에서 확인할 수 있는 것처럼, 가용 주파 수 영역에서 필터링 전후의 FAS는 거의 동일하게 나타난다. PGA의 경우 는 RotD50 PGA 뿐만 아니라 지진계 방향의 회전 없이 지진계에 기록된 원 시 자료 파형에 필터를 적용한 후에 계산한 원시기록 PGA 값도 플랫파일 에 포함하였다. RotD50 PSA는 0.1 Hz부터 33.33 Hz까지 로그 등간격으 로 나뉘어진 34개 주파수에 대해서 계산된 값이며, RotD50 PGA와 PSA 의 단위는 중력가속도(g)를 사용하였다.

위와 같은 과정을 통해서 최종적으로 141개 지진, 232개 관측소에서 취 득한 21,590개 수평 성분에 대하여 10,795개 쌍의 RotD50 PGA 및 5% 감쇠 PSA 자료를 작성하였으며, 작성된 플랫파일은 Figshare를 통해 제공 된다 [26]. 플랫파일에 포함된 지진의 규모는 M_L 3.0에서 M_L 5.8 까지 이 며, 3.0 ≤ M_L < 4.0의 지진이 122개로 대부분을 차지하며, 4.0 ≤ M_L < 5.0의 지진과 5.0 ≤ M_L < 6.0의 지진이 각각 13개와 6개가 포함되어 있다. 이 연구를 통하여 작성한 플랫파일을 이용하여 규모와 거리에 따라서 PGA 및 PSA를 Fig. 7에 도시하였으며, 기존 한반도 지역에 대하여 제안된 감쇄 식 가운데 관측 자료를 기반으로 개발된 Emolo et al. [14]의 감쇄식을 함께 나타내었다. PGA 및 PSA 값들은 규모 및 거리에 따라서 구분되는 양상을 잘 보여주며, 감쇄식과도 어느 정도 부합하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같 이 개발된 플랫파일은 기존 감쇄식의 검증에 적용하거나 새로운 지진동 감 쇄식의 개발에 활용될 수 있다. 또한, 지속적으로 플랫파일을 개선하여 지 진원 또는 관측소에 대한 추가적인 정보(지진원의 응력강하량, 관측소의 지 반특성 등)를 포함하게 되면, 이러한 정보를 바탕으로 지진동 감쇄식에 포 함된 불확실성을 개선함으로써 지진재해도 평가의 신뢰성을 높이는데 기 여할 수 있다.

5. 요약 및 결론

국내 지진동 감쇄식 개발과 이를 통한 지진재해도 평가에 활용할 수 있 는 지진동 데이터베이스를 구축하였다. 지진재해도 평가의 중요성이 증대 됨에 따라 이에 대한 기반 연구들이 활발하지만, 상대적으로 지진동 매개변 수 자료의 체계적인 관리에 대한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다. 이 연 구는 국내에서 처음으로 수행된 2000년 이후 지진동 매개변수 자료에 대한 데이터베이스화 시도로서, 향후 지진재해도 평가와 관련하여 지진동 감쇄 식 개발 및 지반특성 연구 등에 중요하게 활용될 수 있다. 이 연구를 통하여 얻은 결과를 다음과 같이 요약할 수 있다: