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Detecting Surface Changes Triggered by Recent Volcanic Activities at Kīlauea, Hawai'i, by using the SAR Interferometric Technique: Preliminary Report

SAR 간섭기법을 활용한 하와이 킬라우에아 화산의 2018 분화 활동 관측

  • Jo, MinJeong (Biospheric Sciences Laboratory, NASA Goddard Space Flight Center) ;
  • Osmanoglu, Batuhan (Biospheric Sciences Laboratory, NASA Goddard Space Flight Center) ;
  • Jung, Hyung-Sup (Department of Geoinformatics, University of Seoul)
  • 조민정 (미국항공우주국 고다드 우주비행센터) ;
  • ;
  • 정형섭 (서울시립대학교 공간정보공학과)
  • Received : 2018.12.06
  • Accepted : 2018.12.17
  • Published : 2018.12.31

Abstract

Recent eruptive activity at Kīlauea Volcano started on at the end of April in 2018 showed rapid ground deflation between May and June in 2018. On summit area Halema'uma'u lava lake continued to drop at high speed and Kīlauea's summit continued to deflate. GPS receivers and electronic tiltmeters detected the surface deformation greater than 2 meters. We explored the time-series surface deformation at Kīlauea Volcano, focusing on the early stage of eruptive activity, using multi-temporal COSMO-SkyMed SAR imagery. The observed maximum deformation in line-of-sight (LOS) direction was about -1.5 meter, and it indicates approximately -1.9 meter in subsiding direction by applying incidence angle. The results showed that summit began to deflate just after the event started and most of deformation occurred between early May and the end of June. Moreover, we confirmed that summit's deflation rarely happened since July 2018, which means volcanic activity entered a stable stage. The best-fit magma source model based on time-series surface deformation demonstrated that magma chambers were lying at depths between 2-3 km, and it showed a deepening trend in time. Along with the change of source depth, the center of each magma model moved toward the southwest according to the time. These results have a potential risk of including bias coming from single track observation. Therefore, to complement the initial results, we need to generate precise magma source model based on three-dimensional measurements in further research.

2018년 4월 말부터 감지되기 시작한 킬라우에아 화산의 최근 마그마 분화 활동은, 5월과 6월에 걸쳐 용암의 분출과 함께 급격한 지표 변형을 발생시켰다. 킬라우에아 정상부에 위치한 Halema'uma'u 분화구에서는 용암호의 수위가 빠르게 하강하여 대규모 지반 침하 및 지반 붕괴가 나타났으며, GPS와 경사계의 기록을 통해 약 2미터 가량의 변화를 감지할 수 있었다. 이 연구에서는 단 기간에 큰 변화를 보인 킬라우에아 분화 활동의 초기과정에 대해 다중 시기 COSMO-SkyMed SAR 영상을 이용한 시계열 지표변위 분석을 수행하고자 하였다. 전체 관측기간에 대해 측정된 최대의 지표 변위는 위성의 관측방향으로 약 -1.5미터이며, 입사각을 고려하여 수직변위로 변환할 때 약 -1.9미터의 침하를 나타낸다. 또한 대부분의 지표 변위는 분화 직후인 5월 초에서 6월말 사이에 발생하며, 7월부터는 안정기에 들어선 것을 확인할 수 있다. 시계열 지표변위를 통해 마그마 소스 모델링을 실시한 결과, 마그마 챔버가 지표로부터 2-3 km 사이에 위치하는 것으로 산출되었으며, 마그마 소스의 중심 위치는 남서부 방향으로 이동하는 것으로 관측되었다. 이러한 마그마 모델의 시계열 변화는 편향된 관측자료를 통한 초기 결과이므로 이후의 연구에서 정밀한 3차원 관측을 이용한 보완이 필요할 것으로 보여진다.

Keywords

1. 서론

2018년 4월 중반부터 감지되기 시작한 킬라우에아 화산(Kīlauea Volcano)의 분화 활동은 5월부터 본격적인 열극의 생성과 지표변위를 발생시키기 시작하였다. 미국의 지질조사소(U.S. Geological Survery, USGS)에서 발표한 보고서에 따르면, 킬라우에아 정상의 Halema`uma`u 분화구 내에 위치한 용암호(lava lake)에서는 5월 2일을 기점으로 수위하강이 시작되었으며, Lower East Rift Zone(LERZ)의 Leilani Estates 지역에서는 최초로 열극(Fissure)이 개방되기 시작한 것으로 보고되었다. 특히, 용암호의 수위하강은 급속도로 전개되어, 5월 10일에는 관측 가능한 가시 영역을 넘어선 약 325미터 이상까지 심도가 하강하였으며, 이 후의 지속적인 하강으로 인해 5월 중순부터는 칼데라의 바닥면이 붕괴되기 시작하였다. 이에 따라 킬라우에아 정상부에서도 빠른 속도로 지표면이 침강하기 시작했으며, 정상부에 설치된 Global Positioning System(GPS) 수신기로부터 2.2 미터 이상의 차이가 감지되었다(USGS, 2018). 이러한 시공간적 변화를 가장 효과적으로 관측하기 위해서는 Synthetic Aperture Radar(SAR)영상의 간섭기법(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)을 통한 정밀한 지표 변위의 측정이 요구된다.

레이더 간섭기법은 서로 다른 시기에 취득된 SAR 영상의 위상 차이를 감지하여 지표면의 미세 변위를 측정하는 방법으로, 수십년 간 축적된 지난 연구들로부터 정확도 및 정밀도를 인정받아 지구과학 분야에 널리 활용되고 있는 기술이다. 특히, 레이더 간섭기법을 이용한 화산 연구는 1990년대 초기 Massonnet et al.(1995)이 European Space Agency(ESA)의 ERS-1 위성을 이용하여 이탈리아 에트나(Etna) 화산의 변위를 성공적으로 관측한 이후부터 발전하기 시작하여, 현재까지 국내외로부터 활발한 연구가 수행되어 왔다(Massonnet et al., 1995;Rosen et al., 1996; Amelung et al., 2000; Lundgren et al., 2003;Jung et al., 2011; Jo et al., 2015a, 2015b). 특히, 최근의 연구에서는 단일 간섭영상의 관측으로부터 발생할 수 있는 대기성분, 지형고도, 위성궤도 등으로 인한 오차를 최소화하기 위해 다중 시기 영상을 이용한 시계열분석으로 발전하였으며, 이와 더불어 단일 궤도의 SAR 영상만을 이용하는 편향된 관측을 보완하기 위해서 3차원 지표변위를 측정하는 연구들이 수행되고 있다.

이 연구에서는 최근 발생한 킬라우에아 화산의 분화 활동을 관측하기 위하여 다중 시기SAR 자료를 이용한 시계열 지표변위분석을 수행하고자 하였다. 분석에 활용된 COSMO-SkyMed SAR 자료는 3.1 cm(X-밴드)의 짧은 파장을 사용기 때문에 식생지역이나 급격한 지표 변위를 감지하는 데에 불리함이 있다. 그러나 4개의 동일 사양의 위성이 동일 궤도상에서 자료를 취득하는 방식을 채택하고 있어 1일, 3일, 8일, 그리고 16일의 짧은 재방문 주기를 가지는 장점이 있다. 또한 약 3 m의 높은 공간 해상도를 통해 이러한 단점을 보완하고 있기 때문에, 짧은 주기의 관측이 필요한 이 연구에서는 효과적인 관측결과를 기대할 수 있었다. 킬라우에아 화산의 분화 활동으로 인한 정상부의 지표변위는 GPS 관측자료로부터 5월 초에서 약 8월 초까지 지속되었으나, 대부분의 침강은 5월-6월 사이에 발생한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 급격한 변형이 진행된 분화 초기에 대해 시계열 지표변위를 측정하고, 이로부터 분화 활동 초기의 마그마 소스의 변화를 관측하고자 하였다.

2. 연구 지역 및 자료

킬라우에아 화산은 하와이 섬(Island of Hawai’i)의 가장 남동쪽에 위치한 순상화산으로 전세계적으로 화산활동이 가장 활발히 진행되는 지역 중의 하나이다. 킬라우에아 화산의 지표면 중 약 90%는 1,000년 이내의 화산활동에 의해 분출된 현무암질 용암이 굳어져 형성되었으며, 현재까지도 지속적인 용암 분출에 의한 새로운 지표가 생성되고 있다. 초기에는 인접한 화산인 MaunaLoa의 일부 돌출부로 여겨졌으나, 수십년 간의 연구들로부터 독립적인 마그마 시스템을 갖춘 화산체임이 밝혀졌다. 킬라우에아의 주요 분출 지역은 칼데라가 위치한 1,222미터 고도의 정상부와 East Rift Zone(ERZ)이며 특히, 최근의 분화 활동은 ERZ의 Pu`u `Ō `ō분화구에서 활발히 진행되어왔다.

킬라우에아 정상부에서는 2008년 3월 분화 활동으로부터 직경 약 35미터의 Halema`uma`u 분화구가 형성되었다. 그 이후 2013년의 분화 활동에 의해 Halema`uma`u분화구의 직경은 200미터 이상으로 확장되었으며, 2015년 중반에도 분화구 내 용암호로부터 소규모의 분출이 발생하였다(Patrick et al., 2013; Jo et al., 2015a). 이번 2018년의 분화 활동으로 인해 킬라우에아 칼데라의 대규모 붕괴가 발생했으며, Halema`uma`u 중심부의 최대 붕괴지점에서는 500미터 이상의 침하가 발생하였다(USGS,2018).

킬라우에아 정상부의 마그마 수위 하강, 지반 침하,그리고 지반 붕괴는 약 3개월의 짧은 기간에 발생한 급격한 변화이다. 따라서, 시간에 따른 변화 양상을 관측하기 위해 재방문 주기가 최대한 짧은 위성 자료를 이용하는 것이 용이하다. 이 연구에서는 Italian Space Agency의 COSMO-SkyMed X-band SAR 자료를 활용하였다. SAR 영상은 분화 활동 전후인 3월-7월 기간에 대해 19장의 영상이 수집되었다. 분화 이전인 3월, 4월에 대해서는 4장의 영상을 수집하였으며, 분화 활동이 시작된 이후에는 15장의 가용할 수 있는 최대한의 영상을 수집하였다(Tabe 1).

Table 1. Descriptions of SAR data used in this study

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Fig. 1은 연구 지역인 킬라우에아 화산 지역을 보여준다. 지도상에서 흰색 실선으로 나타낸 것과 같이 상향궤도에서 관측된 SAR 자료를 수집하였으며, 시계열 지표변위 분석 및 마그마 모델링은 킬라우에아 정상부의 소지역(노란색 점선)에 대해 실시하였다(Fig. 1). 연구지역의 광학 영상으로부터 확인할 수 있듯이 킬라우에아 정상부의 북부 및 동부지역 일부는 초목과 산림으로 덮여 있는 것을 확인할 수 있다. 연구에 사용된 X-밴드 SAR의 한계로 인해 식생지역에서는 정확한 지표 변위측정을 기대할 수 없으며, 이를 고려하여 시계열 지표 변위 분석 및 마그마 소스 모델링은 낮은 긴밀도 영역을 제거한 후 실시하도록 하였다.

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Fig. 1. The study area, Kīlauea Volcano, Hawai’i. The white solid line shows the frame of COSMO-SkyMed SAR data, and the dashed line in yellow represents the analyzed area in this study.

3. 연구 방법

킬라우에아 정상부의 최근 분화 활동을 관측하기 위해서, 이 연구에서는 SAR 간섭영상을 기본으로 하는 시계열 지표변위 분석 및 마그마 소스 모델링을 실시하였다. 시계열 지표변위 분석을 위해서는 Small Baseline Subset(SBAS) 알고리즘을 채택하였으며(Berardino et al.,2002), 마그마 소스 모델링은 이전의 연구를 바탕으로 Yang 모델을 채택하여 수행하였다(Yang et al., 1988; Jo etal., 2015a, 2015b). 특히, 이 연구에서는 시계열 지표변위도를 이용한 다중 시기 모델링을 실시하였으며, 이로부터 킬라우에아 화산의 급격한 분화 활동에 따른 마그마소스의 변화를 살펴보고자 하였다.

SBAS 기법은 간섭쌍의 수직기선의 길이가 증가함에 따라 발생하는 긴밀도의 저하(spatial decorrelation)을 극복하기 위해 비교적 짧은 기선을 지니는 차분 간섭영상만을 이용하여 시간에 따른 지표 변위를 관측하는 방법이다. 차분간섭영상을 생성하는 영상 i와 영상 j로부터 생성된 위상차(Δθij)는 다음 식과 같이 정의될 수 있다(Berardino et al., 2002).

\(\begin{array}{c} \Delta \emptyset_{i j}(x, r)=\varnothing_{i}(x, r)-\emptyset_{j}(x, r) \\ \approx \frac{4 \pi}{\lambda}\left[d_{i}(x, r)-d_{j}(x, r)\right]+\frac{4 \pi}{\lambda} \frac{\mathrm{B}_{\perp i j} \Delta z}{r \sin \theta} \\ +\left[\emptyset_{i}^{a t m}(x, r)-\emptyset_{i}^{a t m}(x, r)\right]+\Delta n_{i j} \end{array}\)        (1)

여기서 x와 r은 azimuth 방향으로의 거리와 slant range distance를 나타내며, 네 가지 위상 성분을 포함한다. 첫 번째 위상은 지표변위에 의해서 발생하는 위상을 나타내고, 두 번째 위상은 지형고도 오차(Δz)에 의해서 발생되는 것이다. 세 번째 위상은 대기의 효과에 의해서 나타나는 위상오차이며, 마지막 항은 시간에 따른 긴밀도의 저하(temporal decorrelation)와 노이즈의 영향에 의해서 나타나는 위상오차를 의미한다. 이와 같이 관측하고자 하는 실제 지표변위 이외의 오차성분들은 SBAS알고리즘을 통해 보정할 수 있으며, 특히 각 차분간섭 영상에서 대기에 의한 신호는 시간적으로 고주파 필터와 공간적으로 저주파 필터를 적용하여 통계적으로 추정하도록 하였다(Berardino et al., 2002). 이 연구에서는 기존 SBAS 알고리즘의 문제점인 phase unwrapping 오차를 최소화하고 유한차분 근사법(finite difference approximation)을 이용하여 시간에 따른 지표변위의 노이즈 성분을 제거한 개선된 SBAS 알고리즘(Jung et al.,2008; Lee et al., 2018)을 적용하였다.

마그마 소스 모델을 산출하기 위한 연구에서는 마그마 챔버를 구형으로 가정한 Mogi 모델, 수평의 동전형태를 가정한 Sill모델, 암맥과 같이 관입된 판상의 형태를 가정한 Okada 모델 등이 적용되고 있으며, 이 연구에서는 Yang 모델을 채택하였다(Yang et al., 1988). Yang모델은 Fig. 2와 같이 장축과 단축을 갖는 회전타원체를 가정한다. Yang 모델을 구성하는 파라미터는 마그마 소스의 중심 위치 x0, y0,z0, 경사(θ), 주향(ø), 압력 변화(pressure change), 그리고 장축(a)과 단축(b)의 비율(aspect ratio,A=b/a)이다. 주향은 소스 모델의 장축의 각도로서 북쪽을 기준으로 시계방향으로 결정하며, 경사는 free surface로부터 기울어진 각도로 결정한다.

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Fig. 2. Coordinate system and geometry of spheroid source model (modified from Battaglia et al., 2013).

4. 연구 결과

1) 시계열 지표변위 관측

시계열분석을 통해 관측한 킬라우에아 화산 정상부의 지표 변위는 Fig. 3에서 살펴볼 수 있다. 관측 시작점인 3월 27일 영상을 기준으로 이후 각 영상 취득 시기에 대해 18개의 지표변위도를 산출하였다. 이 때 전체 간섭 영상들로부터 평균 긴밀도가 낮은 영역은 긴밀도 0.4를 기준으로 마스킹하였다. Fig. 3에서 볼 수 있듯이, 관측 시작일 이후 39일째인 5월 5일부터 침하 방향의 지표 변화가 인지되기 시작하며, 이것은 5월 1일부터 정상부지반 하강이 발생하기 시작했다는 기존의 보고서 사항과 일치하는 결과이다(USGS, 2018). 또한, 지표변위는 칼데라 중심부로부터 점차 영역이 확장되는 것을 확인할 수 있으며, 변위량 또한 점진적인 증가를 보이고 있다. 관측일 후반부에서는 각 시기에 따라 지표변위가 큰 차이를 보이지 않으며, 이로부터 킬라우에아 정상부의 분화 활동이 안정기 내지는 휴식기에 들어선 것을 추정할 수 있다.

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Fig. 3. Time-series surface deformation maps derived from SBAS analysis.

Fig. 4은 전체 관측기간인 7월 24일까지의 총 지표변위를 나타낸다. 앞서 기술한 바와 같이 칼데라 외곽의 북부 및 동부는 식생의 분포로 인해 낮은 긴밀도를 보이며, 칼데라 내부에서는 급격한 침강과 바닥면의 붕괴로 인해 거의 모든 지역이 매우 낮은 긴밀도를 보인다. 바닥면의 붕괴가 발생하지 않은 칼데라 내부 가장자리에서 측정한 최대 지표 변위는 위성의 관측방향으로 약-1.5 미터이다. 이는 연구에 활용된 COSMO-SkyMedSAR 영상의 입사각인 38.8도를 고려할 때 약 1.9 미터의 침하를 나타낸다.

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Fig. 4. Cumulated surface deformation for the observation periods. The caldera region has been enlarged.

Fig. 5의 시계열 지표 변위 측정결과로부터 킬라우에아 정상부의 지표 변화는 5월 초에 시작되어 7월 이후 안정기에 들어선 것을 확인할 수 있다. 각 측정점 a, b, 그리고 c의 위치는 Fig. 4의 누적변위도 상에서 확인할 수 있으며, 칼데라의 중심부로 갈수록 지표변위의 변화량이 증가하는 양상을 확인할 수 있다.

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Fig. 5. Time-series LOS deformation at the point a-c on the map in Figure 3

2) 마그마 분화 모델 산출

이 연구에서는 킬라우에아 화산의 마그마 소스 모델을 추정하기 위하여, 지표변위 측정 값을 이용한 역산모델링을 실시하였다. 마그마 소스는 회전 타원체를 가정한 Yang 모델을 채택하였으며, 모델링을 위해 지각의 특성은 등방성(isotropic), 균질성(homogeneous), 그리고 탄성체(elastic)임을 가정하였다. 포아 비(Poisson’sratio)는 대표적인 지각 구성 물질에 적용되는 값인 0.25를 가정하였다. 또한, 최적의 마그마 소스 모델을 결정하기 위해서 몬테카를로 시뮬레이션 방법을 이용하였으며, 측정값이 포함할 수 있는 오차를 고려하여 각 반복 시기마다 입력 값에 랜덤 노이즈를 더하는 방법을 실시하였다. 모델링은 킬라우에아 화산의 분화 활동이 시작된 이후인 5월 5일의 지표변위로부터 실시하였다.

Fig. 6는 시계열 지표변에 따라 산출된 마그마 모델의 시간에 따른 깊이 변화를 나타낸다. 선행 연구들로부터 킬라우에아 화산의 천부 마그마 소스는 1-5 km 심도에 서로 연결된 3-4개의 독립된 챔버로 구성되어 있는 것으로 알려져 있다(Montgomery-Brown et al., 2010;Poland et al., 2009; Baker and Amelung, 2012). 이 연구에서는 2018년도 분화활동을 발생시킨 마그마 챔버가 지표로부터 2-3 km 사이의 심도에 위치한 것으로 산출되었으며, 이는 선행연구들에서 제시된 심도 2.5-4 km에 위치한 마그마 소스와 유사한 깊이임을 알 수 있다(Jo etal., 2015a; Baker and Amelung, 2012).

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Fig. 6. Time-series depth change of the magma source.

Fig. 7은 시간에 따른 마그마 모델의 위치 변화를 나타낸다. Fig. 7에서 제시한 X, Y 위치는 Fig. 1의 연구지역에서 노란색 점선으로 표시한 지표변위 관측지역에서의 위치를 나타내며, 기준 위치인 0 Km는 분석 영역의 좌하단(lower-left corner)을 나타낸다. 화산의 분화 직후인 관측 39일부터 최종 관측일까지 마그마 소스의 위치 변화는 1 km 이내로 큰 변화를 보이지 않았다. 그러나 Fig. 7의 오른쪽 확대된 그림을 통해서 마그마 소스의 중심 위치가 시간의 경과에 따라 남서부로 이동하는 경향을 발견할 수 있었다.

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Fig. 7. Time-series variation of magma source locations. The coordinates of lower-left corner (Origin) are -155.36 (longitude) and 19.29 (latitude).

시계열 지표변위에 따른 마그마 소스 모델의 산출 결과를 종합해 볼 때, 초기의 분화 과정에서 상승한 마그마 소스가 시간이 지남에 따라 하강하는 현상을 관측할 수 있었다. 이와 함께 마그마 챔버의 깊이가 깊어질수록 마그마 소스의 중심 위치가 남서부로 이동하는 경향을 확인할 수 있었다. 그러나 분화 직후의 마그마 모델은 심도 및 위치 값의 편차가 상대적으로 크게 측정되었기 때문에, 모델의 해석에 분화 초기 관측결과의 불확실성을 고려해야 할 것이다. 이러한 결과는 단일 트랙의 영상자료를 통해 관측한 초기결과로서, 편향된 지표변위 관측값만을 통해서는 밀한 마그마 모델을 산출하기에 어려움이 있다. 이후의 연구에서 이를 보완한 3차원 지표변위를 측정함으로써 정밀한 마그마 모델을 제시할 수 있을 것이다.

5. 결론 및 토의

이 연구에서는 2018년 발생한 킬라우에아 화산의 분화활동에 대하여 COSMO-SkyMed X-밴드 SAR 위성자료를 이용한 시계열 지표변위 분석을 수행하였으며, 이로부터 마그마 소스의 변화 특성을 관측하고자 하였다. 시계열 지표변위 관측 결과, 분화활동이 시작된 직후인 5월 초부터 6월 말까지 지속적으로 지표변위의 변화량이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 칼데라의 가장자리에서 최대 약 -1.9 미터의 침하방향의 지표 변화량을 관측하였다. 시계열 지표변위를 통해 마그마 소스 모델을 산출한 결과, 분화의 초기부터 시간의 경과에 따라 마그마 소스의 심도가 깊어지고 중심 위치가 남서부 방향으로 이동하는 경향을 살펴볼 수 있다. 그러나 편향된 자료만을 통해서는 정확한 분석을 수행할 수 없으므로, 이후의 연구에서 3차원 지표변위 관측을 통해 초기결과를 보완한 분석을 수행할 필요성이 있다.

사사

이 논문은 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행되었습니다(NRF-2018R1D1A1A09037641).

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