The Journal of Engineering Geology (지질공학)

The Korean Society of Engineering Geology (대한지질공학회)
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Relationship between Earthquake and Fluctuation of Water Level in Active Fault Zone and National Groundwater Monitoring Wells of Gyeongju Area

경주 활성단층대 및 주변 국가지하수 관측정에서 지진과 수위변동 상관관계 연구

  • Jang, Hyeon-Woo (Master Student, Department of Construction Safety and Disaster Prevention Engineering, Daejeon University) ;
  • Jeong, Chan-Ho (Professor, Department of Construction Safety and Disaster Prevention Engineering, Daejeon University) ;
  • Lee, Yong-Cheon (Ph.D. Student, Department of Construction Safety and Disaster Prevention Engineering, Daejeon University) ;
  • Lee, Yu-Jin (Ph.D. Student, Department of Construction Safety and Disaster Prevention Engineering, Daejeon University) ;
  • Hong, Jin-Woo (Master Student, Department of Construction Safety and Disaster Prevention Engineering, Daejeon University) ;
  • Kim, Cheon-Hwan (Master Student, Department of Construction Safety and Disaster Prevention Engineering, Daejeon University) ;
  • Kim, Young-Seog (Professor, Department of Geological Environmental, Bukyoung National University) ;
  • Kang, Tae-Seob (Professor, Department of Geological Environmental, Bukyoung National University)
  • 장현우 (대전대학교 건설안전방재공학과 석사과정) ;
  • 정찬호 (대전대학교 건설안전방재공학과 교수) ;
  • 이용천 (대전대학교 건설안전방재공학과 박사과정) ;
  • 이유진 (대전대학교 건설안전방재공학과 박사과정) ;
  • 홍진우 (대전대학교 건설안전방재공학과 석사과정) ;
  • 김천환 (대전대학교 건설안전방재공학과 석사과정) ;
  • 김영석 (부경대학교 지구환경과학과 교수) ;
  • 강태섭 (부경대학교 지구환경과학과 교수)
  • Received : 2020.11.18
  • Accepted : 2020.12.10
  • Published : 2020.12.31
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Abstract

The purpose of this study is to investigate the relationship of between earthquakes and fluctuation of water level in a groundwater well of the active-fault zone and 124 national groundwater monitoring wells in Gyeongju area. The spatial and temporal relationships between the fluctuation of water level and the earthquake were analyzed by the calculation of earthquake effectiveness (ε) and q-factor which are the function of earthquake magnitude and distance from epicenter. Two earthquake events of E1 (April 22, 2019, M 3.8) and E2 (June 11, 2019, M 2.5) show a close relationship with a post-seismic 83 cm decrease and a pre-seismic 76 cm increase in water level at the active fault zone of Dangu-ri, respectively. The spatial analysis of water level fluctuation data in National Groundwater Monitoring Networks caused by earthquake events shows a more distinct response in deep groundwater around fault zones than other area, and a greater change in deep groundwater than shallow groundwater. It's inferred that the decrease and increase in groundwater level are affected by the expansion of fractures and compression of rock mass due to seismic stress, respectively. The effective ranges of ε-value and q-factor of the monitoring well in Dangu-ri were calculated as 2.70E-10~5.60E-10 and 14.4~18.0, respectively.

본 연구의 목적은 경주 단구리 활성단층대에 설치된 지하수 관측정과 주변 국가지하수관측정 124개 공에서 지진발생에 따른 지하수위 변동특성을 알아보는 데 있다. 수위자료를 활용하여 시공간적 분포특성과 지진과의 상관성을 해석하였으며, 발생한 지진에 대하여 관측정의 반응에 대한 효율성(잠재성)을 나타내는 Earthquake effectiveness(ε)와 q-factor를 계산하여 유효성을 분석하였다. 관측기간 중 단구리 관측정의 지하수위 변동은 E1(2019년 4월 22일 M 3.8) 지진 발생 이후(post-seismic) 83 cm의 지하수위 하강을, E2(2019년 6월 11일 M 2.5) 지진발생 전(pre-seismic) 76 cm의 지하수위 상승을 보여주었다. 주변 국가지하수관측정의 수위자료를 이용하여 시간에 따른 공간분포 분석결과, 단층대 주변 관측정에서 수위변동이 상대적으로 높은 특성을 보인다. 그리고 충적지하수보다 암반지하수에서 더 큰 수위변동을 보여 암반 지하수가 지진 관측에 유리함을 보여준다. 이러한 수위의 상승과 하강은 지진에 의해 암반에 가해지는 인장응력에 의한 균열의 증가와 압축응력에 의한 공극의 감소와 관련된 것으로 보인다. 단구리 관측정의 Earthquake effectiveness(ε)와 q-factor의 유효범위는 각각 2.70E-10~5.60E-10, 14.4~18.0으로 산정되었다.

Keywords

서론

2016년 9월 12일 경주에서 규모 5.8의 국내 최대지진, 2017년 11월 15일 포항에서 규모 5.4의 포항지진 등 양산단층대를 중심으로 지진발생에 대한 관심이 집중되고 있다. 그리고 2019년 한 해 동안 한반도 및 주변해역에서 발생한 지진은 총 1,045회이며, 이 중에서 규모 2.0 이상 88회, 미소지진 957회 발생하였다. 기상청 분석 자료에 의하면 규모 2.0 이상의 지진은 과거 20년 동안 발생한 규모 2.0 이상 지진의 연평균(69.9회)보다 더 많이 발생하였다. 이러한 지진발생의 규모와 빈도가 증가함에 따라 한반도는 지진재해로부터 안전지대가 아니라는 국민들의 불안감이 커지고 있다. 이러한 불안감을 해소하고자, 정부에서는 9.12 경주 지진을 계기로 지진방재 종합대책(2016), 지진경보 지연 등의 문제점을 보완한 지진방재개선대책(2018), 지진분야 전문인력 양성(2017~2019), 국민참여 지진대피 훈련(2019) 등 지진대비 정책을 수립하였다. 그러나 이러한 정책들은 지진발생시 대피 및 수습 등에 대한 정책으로 지진을 조기 예측하고, 이에 대비하는 정책과 관련 연구는 미흡한 실정이다.

지진전조 연구와 관련한 국외연구를 보면 Rikitake(1979)는 지표변형, 경사와 응력, 전진, 전도도의 이상변화, 지하수 등을 포함한 19개의 전조인자로 구분하여 지진 전 이상변동이 나타나는 시각과 지진규모의 예측가능성을 평가하였다. 1989년 중국에서 발생한 규모 7.6의 Chi-Chi 지진 발생 전후로 지하수위의 변화를 통해 지하수위의 변동과 진앙 주변의 지표 변위와의 관계를 비교한 바 있다(Chen et al., 2013). 2011년 일본에서 발생한 규모 9.0의 Tohoku 지진 발생으로 중국의 다수의 관측공에서 지하수위의 변화, 심도, 대수층 구성, 진앙과의 거리 등과의 상관성 연구도 보고되었다(Yan et al., 2014). 그리고 미국, 일본, 대만, 중국, 인도 등의 지진 다발국가에서는 지진전조를 인공지능과 결합한 연구를 통하여 지진의 발생예측과 조기경보의 기술수준까지 도달하였다. 특히 그중 지진전조인자에 대한 연구로 지하수위, 화학성분, 물 분자의 수소동위원소, 노블가스의 유출량 및 조성비 등 다양한 연구가 수행되었다(Cartigny et al., 2001; Kuo et al., 2006; Tsunomori and Tanaka, 2014; Ye et al., 2015; Sano et al., 2016; Skelton et al., 2016; Fu et al., 2017; Goto et al., 2017).

국내에서 지진전조에 대한 연구로는 9.12 경주지진 발생 전 관측정과 국가지하수관측망의 지하수위 변동을 전조현상으로 해석한 바 있으며(Lee et al., 2018), 경주지역 12개의 지하수 관측정중 일부 관측정에서 경주지진 전후 지하수위의 뚜렷한 변동을 보고하였다(Kim et al., 2018a). 대전, 청원지역의 관측정에서 지하수위, 라돈가스(Rn-222), 화학성분(HCO3-, Cl-)에 대한 지진전조인자로서의 가능성에 대해 보고된 바 있으며(Jeong et al., 2018), 국가지하수관측정의 지하수위 변동은 2016년 9월 12일과 19일에 발생한 경주지진의 영향을 받은 것으로 보고하였다(Lee, 2016).

지진전조인자로서 지하수위의 활용 효율성은 진앙과 지하수관측정과의 거리, 지진규모의 함수로 표기되는 Earthquake effectiveness(ε) 또는 q-factor로 정량화될 수 있으며, 이에 대한 연구가 수행된 바 있다(Dobrovolsky et al., 1979; Bella et al., 1998; Planinic et al., 2001; Miklavcic et al., 2008). 또한, Earthquake-effectiveness(ε)와 q-factor는 식 (1)과 식 (2)를 이용하여 계산할 수 있다.

\(\text { Earthquake effectiveness }(\varepsilon)=10^{(1.3 M-8.19)} \times R^{(-3)}\)       (1)

\(\mathrm{q}-\text { factor }=M^{2} \times 100 / R\)       (2)

여기서, R은 지진의 규모, M은 관측정과 진앙과의 거리이다. Earthquake effectiveness(ε)와 관련된 국외 연구는 연성탄성체에서 10-8 이하일 때 지진전조현상으로 보고된 바 있다(Dobrovolsky et al., 1979). 러시아에서는 지하수의 HCO3 -, Na+ Cl-, CH4와 용천수의 유속은 Earthquake effectiveness(ε)가 10-6 이상일 때 지진의 에너지에 영향을 받은 것으로 보인다고 보고하였다(Bella et al., 1998). 국내에서는 토양내 라돈농도의 이상변화에 대해 Earthquake effectiveness(ε)와 q-factor를 적용하여 지진감시로서의 높은 잠재성을 보고하였다(Kim et al., 2018b).

본 연구에서는 경주지역 지진발생에 따른 지하수위 변동을 관측하기 위하여 단구리 활성단층대에 심도 100 m의 지하수 관측정을 설치하였다(Fig. 1). 활성단층대는 지진의 발생을 유발할 가능성이 높은 단층이며, 외부충격에 상대적으로 취약한 지질구조적 특성으로 지진에 대한 반응성이 높을 것으로 판단된다. 지하수위와 전기전도도는 LTC Levelogger를 이용하여 2019년 4월 13일부터 2020년 2월 14일까지 자동 측정하였다. 그리고 지진에 대한 반응성에 대한 효율성(잠재성)을 나타내는 Earthquake effectiveness(ε)와 q-factor를 계산하였으며, 단구리 활성단층대 주변 국가지하수관측망의 수위변동 자료를 동시에 활용하여 지하수위의 시공간적 분포특성과 지진과의 상관성을 해석하였다.

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Fig. 1. Location (a), regional geologic map(b) and enlargement geologic map (c) of rectangular area of map (b) of study area (Um et al., 1964).

연구지역 및 지질

지하수 관측을 위한 시추공의 위치는 제 4기 활성단층대로 확인된 경상북도 경주시 강동면 단구리 576번지이며, 시추심도는 지표에서 약 100 m이다. 시추코어 관찰결과 8.5~9.0 m, 9.0~9.5 m, 12~13 m, 13~16 m, 16~18 m, 20~21.6 m, 78.4~79 m, 79~81 m 총 8구간에서 파쇄대가 발달하였다. 또한, 균열 및 절리가 심한 RQD가 0~20이하인 구간이 다수 분포하고 있다. 지질도상 지표지질은 시추공을 중심으로 서쪽에는 경상계 불국사통 흑운모 화강암, 동쪽에는 경상계 신라통적색 셰일 및 회색 사암이 분포하며 단층대는 두 지질의 경계를 따라 발달하고 있다(Fig. 1). 그러나 시추공 주변 노두에서는 제3기층에 해당되는 조면암질 응회암이 확인되었으며, 시추코어의 수직적 지질분포는 충적층(지표에서 5.1 m), 풍화암(5.1~8.5 m), 화강암(8.5~32.7 m, 41~64 m, 70~76 m, 91.9~97 m), 염기성암(32.7~41 m, 64~70 m, 76~91.9 m, 97~100 m)으로 확인되었다.

연구지역 일대는 북북동-남남서 방향의 양산단층대와 북북서-남남동 방향의 울산단층대와 단층대 주변으로 발달되는 남-북, 동-서, 북동-남서, 북서-남동 방향의 2차 단층이 발달하고 있으며, Lee et al.(2015)은 연구지역에서 남쪽으로 1 km 떨어진 벽계단층에 대한 트렌치 및 연대측정 등을 통하여 양산단층의 주단층과 평행한 북북동-남남서 방향의 주향과 거의 수직에 가까운 경사를 보이며, 수평에 가까운 단층조선(011°/08°)이 관찰되는 우수향 주향이동단층으로 보고하였다. Song et al.(2020)은 벽계단층에서 북쪽으로 약 1 km 떨어진 연구지역까지 벽계단층으로부터 남-북 방향으로 연장되는 뚜렷한 선형구조를 따라 단층애로 추정된다고 보고하였다.

연구방법

지하수 측정

연구기간(2019년 4월 13일~2020년 2월 14일) 동안 관측정에서 지하수위, 전기전도도는 캐나다 Solinst Canada Ltd.사의 LTC Levelogger Edge Model 3001인 CTD-Diver를 이용하여 자동 측정하였으며, 설치심도는 지표에서 약 15 m 지점이고, 측정간격은 5분으로 설정하였다. CTD-Diver의 지하수위, 전기전도도 측정의 정확도는 각각 ±0.05% FS, ±2%이고, 측정범위는 각각 10~200 m, 0~100, 000 µS/cm이다. 지하수위는 관측정내 심도 약 2 m 지점에 설치한 Barologger로 측정한 대기압 자료를 이용하여 기압보정을 실시하였다. 본 연구에 사용된 강수량은 경주기상대 자동기상측정망(AWS)의 자료를 이용하였다.

발생지진 도출

연구기간(2019년 4월 13일~2020년 2월 14일)중에 발생한 규모 2.0 이상 지진 중 단구리 관측정에서 약 200 km 이내에 발생한 총 21건의 지진을 선별하였다. 지진의 분포는 Fig. 2에서 보여준다. 지진에 대한 정보는 기상청(Korea Meteorological Administration), 날씨누리(http://www.weather.go.kr)의 자료를 활용하였다. 단구리 지하수 관측정과 국가지하수 관측정의 지하수위가 지진발생의 전조(혹은 후조)인자로서의 유효가능성을 확인하기 위하여, 식 (1)과 식 (2)를 사용하여 Earthquake effectiveness(ε)와 q-factor를 계산하였다.

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Fig. 2. The distribution map of earthquake events above M 2.0 within about 200km in radius from Dangu-ri observation well.

역거리 가중법

단구리 관측정 및 주변의 국가 지하수 관측정을 대상으로 지하수위 변동과 지진발생과의 상관성을 시 ‧ 공간적으로 표현하기 위해 지형통계학 분야에서 가장 보편적인 보간기법 중 하나로 사용되는 역거리 가중법 Inverse distance weighted(IDW)을 사용하였다. 이는 예측된 위치의 주변 값들을 측정하여 측정되지 않는 위치의 값을 예측하는데 사용된다(Childs, 2004). 또한 서로 가까운 것이 멀리 떨어져 있는 것들보다 더 유사하다는 가정을 전제로 구현되며, 아래의 식 (3)을 따라 계산되었다. IDW 기법으로 지진에 반응하는 지하수관측정의 지하수위변동을 공간적으로 분석하였다.

\(\hat{Z}\left(s_{0}\right)=\sum_{i=1}^{N} \lambda_{i} Z\left(s_{i}\right)\)       (3)(Kevin et al., 2001)

여기서, \(\hat{z}\left(s_{0}\right)\)는 위치 s0에 대해 예측하고자하는 값이고, N는 예측위치를 둘러싼 시료의 수이고, λi는 측정 포인트에 할당된 가중치이고, Z(si)는 위치 s에서 관측된 값이다.

결과 및 토론

지진감시를 위한 잠재성 분석

연구기간 중 규모 2.0 이상, 단구리 관측정에서 반경 200 km 이내 발생한 지진은 총 21회이며, 해역과 육지에서의 발생 횟수는 각각 10회, 11회이다. 규모는 2.0~3.9의 범위이며, 3.0 이상의 지진은 4회로 대부분 3.0 이하의 지진이 발생하였다. 관측지점에서 지진관측의 잠재성을 나타내는 인자인 Earthquake effectiveness(ε)값과 q-factor값의 범위는 각각 5.5E-13~8.3E-10, 2.3~18.8이다. 지진별 발생날짜, 규모, 진원의 깊이, 단구리 관측정에서 진앙과의 거리, Earthquake effectiveness(ε)값, q-factor 값은 Table 1에 제시되어 있다.

Table 1. The q-factors and ε values of Dangu-ri observation well for earthquakes (above M2.0) occurred within about 200km in radius

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단구리 수위변동 자료

2019년 4월부터 2020년 2월까지 단구리 관측정에서 지하수위, 전기전도도의 시계열 자료는 Fig. 3과 같다. 지하수위 변동은 강수, 지진, 양수, 발파 등 다양한 요인에 의해 영향을 받을 수 있다. 연구지역의 주변일대에는 지하수 관정이 존재하지 않아 양수로 인한 지하수위 변동은 무시할 수 있으며, 아울러 주변지역에 건설공사 현장도 없으므로 건설에 따른 굴착과 발파 등의 영향도 고려되지 않는다. 따라서 수위변동의 요인은 강수의 발생과 지진의 영향으로 한정할 수 있다. 강수와 지하수위 관계는 강수발생과 동시에 수위가 증가하는 경향을 보여준다. 지진발생에 따른 단구리 관측정에서 지하수위 변화는 E1(2019-04-22, M 3.8) 지진 발생 후에 수위 감소를, E2(2019-06-11, M 2.5) 지진 발생 전에 수위 증가가 관측 되었다(Fig. 3a). 전기전도도는 2019년 4월에 약 413 µS/cm에서 2020년 2월에 약 244 µS/cm까지 지속적으로 감소하는 경향을 보이고, E2 지진 때에만 일시적으로 증가하는 경향을 보였다(Fig. 3b).

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Fig. 3. Diagram showing fluctuation of water level and electrical conductivity, and box-whisker diagram for monthly change of water level in a monitoring well at the Dangu-ri(2049.04.13.-2020.02.14).

단구리 관측정에서 지하수위 변동에 대한 Box-Whisker를 이용한 월별 분포를 보면, E1과 E2 지진이 발생한 2019년 4월과 6월에 UIF(Upper Inner Fence)와 LIF(Lower Inner Fence)가 다른 달에 비해 비교적 큰 범위를 보여 지하수위는 E1, E2 지진이 발생했던 4월과 6월에 비교적 상대적으로 큰 변동성을 보여준다(Fig. 3c).

Fig. 4에서는 단구리 관측정에서 지진과 관련된 지하수위 변동을 보다 정밀하게 분석한 결과는 다음과 같다: 1)E1(2019-04-22, M 3.8) 지진의 경우 지진 발생 7시간 후 지하수위가 약 71 cm 하강하는 지진발생 이후(post-seismic) 현상을 보이고, 14일 후 46 cm의 수위가 점진적으로 상승하여 회복하였다(Fig. 4a). 2) E2(2019-06-22, M 2.5) 지진의 경우 발생 6시간 전 약 77 cm의 수위가 상승하여 지진발생 이전(pre-seismic) 현상을 보이고, 12일에 걸쳐 지하수위가 61 cm를 서서히 하강하였다(Fig. 4b). 3) E3(2019-12-30, M 3.5) 지진이 발생하고 약 1.5일에 걸쳐 0.19 cm가 증가하는 지진발생 이후(post-seismic) 현상을 보이고, 약 5일간 0.18 cm의 수위를 회복하지만(Fig. 4c), E1, E2 지진과 다르게 2일간 7.5 mm의 누적강수량이 발생하고, 수위의 증가가 점진적으로 상승하는 것을 보아 수위변동의 원인이 지진의 영향인지에 대해서는 불분명하다.

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Fig. 4. Diagram showing the fluctuation of water level according to earthquake events in Fig. 3: (a)19.04.22 M 3.8, (b)19.06.11 M 2.5 (c) 19.12.30 M 3.5.

국가지하수관측망 수위변동

단구리 관측정의 지하수위 변동과 더불어 한국수자원공사 국가지하수정보센터(National Groundwater Information Center)의 사이트(www.gims.go.kr)에서 제공하는 국가지하수관측정 124개 공에서 측정된 지하수위에 대한 시계열 자료를 활용하여 지진에 따른 지하수위 변동에 대한 시공간적 분석을 수행하였다. 암반지하수와 충적지하수의 심도는 각각 17.0~168 m, 6.80~30 m의 범위이며, 평균 심도는 각각 80.9 m, 12.8 m이다. 국내 연구에서 국가지하수 관측정의 수위변동자료는 지진과의 상관성에 대해 연구한 바 있으며, 2007년 1월 규모 4.9의 오대산 지진발생으로 일부 국가지하수관측정에서 지하수위 변동과의 상관성이 있다고 발표한 바 있으며(Lee et al., 2011), 2016년 9월에 발생한 경주지진으로 경주 산내 관측소의 수위가 지진의 영향을 받은 것으로 보고되었다(Lee, 2016). 본 연구에서는 단구리 관측정의 수위변동을 보여주는 E1과 E2 지진에 대해 주변 국가지하수관측정의 지하수위 자료를 활용하여 시공간적 지하수위 변동특성을 2차원적인 보간기법인 역거리 가중법(Inverse distance weighted, IDW)를 사용하여 제시하였다.

E1(M 3.8) 지진의 영향(암반)

E1 지진발생 시각인 2019년 04월 22일 05:00로부터 24시간 전의 지하수위를 기준으로 국가지하수관측정의 수위 변동량을 D±6h, D±12h, D±24h일 때 절대값으로 계산하였다. Fig. 5는 E1 지진의 진앙으로부터 반경 180 km 이내에 있는 단구리 관측정을 포함한 국가지하수관측정에서의 시간별 지하수위 변동량을 보여준다. 단구리 관측정은 진앙으로부터 반경 약 101 km에 위치하며, 국가지하수관측정은 진앙으로부터 반경 0~75 km 구간에 9개 공, 75~100 km 구간에 10개 공, 100~125 km 구간에 11개 공, 125~150 km 구간에 15개 공, 150 km 이상 구간에 5개 공이 분포한다.

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Fig. 5. IDW analysis of the water level fluctuation in deep groundwater for the M 3.8 earthquake occurred at April 22, 2019.

E1 지진발생 전후 시간대별 1 cm 이상의 수위변동을 보인 관측정의 비율은 D-12h (78%), D-6h (84%), D-0 (80%), D+6h(96%), D+12h (92%), D+24h (88%)이며, D+6h일 때 가장 많은 관측정에서 수위변동을 보였다(Table 2). E1 지진 발생 전의 최대 수위변동은 D-12h일 때, 18번 국가지하수관측정(진앙으로부터 반경 104 km)에서 19 cm의 수위하강을 보이고, 지진 발생 이후 최대 변동량은 D+24h일 때, 단구리 관측정에서 89 cm의 수위하강이 발생하였다. 수위변동을 보인 관측정의 평균비율은 단구리 관측정을 포함하는 반경 100~125 km의 구간에서 94%로 가장 높았다(Table 2). Fig. 5와 같이 E1 지진 발생 전후 진앙으로부터 반경 100~150 km의 구간의 양산단층대와 울산단층대 주변 지하수 관측정에서 높은 수위변동을 보여주며, 이는 단층대의 특성상 지진발생에 따른 응력으로 인해 파쇄대나 균열의 확장 또는 발달의 영향으로 판단된다.

Table 2. Monitoring wells showing the fluctuation of groundwater level according to time series before and after an earthquake event(19.04.22 M 3.8)

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E2(M2.5)지진의 영향(암반)

E2 지진발생 시각인 2019년 06월 11일 23:00로부터 24시간 전의 지하수위를 기준으로 국가지하수관측정 의 수위 변동량을 D±6h, D±12h, D±24h일 때 절대값으로 계산하였다. Fig. 6은 E2 지진의 진앙으로부터 반경 120 km 이내에 있는 단구리 관측정을 포함한 국가지하수관측정에서의 시간별 지하수위 변동량을 보여준다. 단구리 관측정은 진앙으로부터 반경 약 35 km에 위치하며, 국가지하수 관측정은 진앙으로부터 반경 0~35 km 구간에 6개 공, 35~70 km 구간에 13개 공, 70~100 km 구간에 14개 공, 100 km 이상 구간은 4개 공이 분포한다.

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Fig. 6. IDW analysis of deep groundwater for the M 2.5 earthquake occurred at June 11, 2019.

E2 지진의 경우 진앙으로부터 반경 약 120 km 이내의 국가지하수관측정(암반)에서 지진발생 전후 시간대에 따른 1 cm 이상의 변화를 보인 관측정의 비율은 D-12h (78%), D-6h (86%), D-0h (78%), D+6h (84%), D+12h (92%), D+24h(84%)이다(Table 3). E2 지진 발생 전 최대 수위변동은 D-6h일 때, 단구리 관측정(진앙으로부터 반경 35.0 km)에서 75 cm의 수위상승을 보이고, 지진 발생 후 최대 변동량은 D+24h일 때, 23번 국가지하수관측정(진앙으로부터 반경 89.4 km)에서 지진발생 전부터 서서히 증가하여 최대 87 cm의 수위상승을 보였다.

Table 3. Monitoring wells showing the fluctuation of groundwater level according to time series before and after an earthquake event(19.06.11 M2.5)

진앙 기준 반경 100 km 이상 구간 관측정에서 평균변동률이 88%로 가장 높은 수위변동이 확인되었다(Table 3). Fig. 6에서 보여주는 바와 같이 지하수위의 큰 변동은 진앙 중심과 양산단층대 및 울산단층대 주변 관측정에서 보여주며, 23번 국가지하수관측정에서도 큰 변동 특성을 보인다. 진앙과의 거리와 수위변동 사이에 상관성이 낮은 것은 충적층의 두께, 매질의 이방성 및 불균질성, 지진 응력의 비선형성 등에 기인하는 것으로 보인다(Wang and Chia, 2008).

E1(M3.8) 지진의 영향(충격)

E2 지진발생에 따른 수위관측에 사용된 국가지하수관측정(충적)은 총 33정이며, 국가지하수관측정(충적)의 심도는 6.8~41.3 m의 범위이다. 관측정은 진앙으로부터 0~75 km 구간에 3개 공, 75~100 km 구간에 6개 공, 100~125 km 구간에 7개 공, 125~150 km 구간에 8개 공, 150 km 이상 구간은 9개 공이 분포한다. 지진 발생 전보다 지진발생 후에 수위변동을 보이는 관측정이 상대적으로 높은 비율을 보이며, 지진 발생 후 최대 변동량은 8번 국가지하수관측정(진앙으로부터 반경 157 km)에서 42 cm (D+6h)의 수위하강을 보였다. 시간에 따른 수위변동은 지진발생 후 D+6h일 때부터 수위변동을 보이는 관측정의 수가 증가하는 추세를 보였다(Table 4). 또한 양산단층대 주변 충적지하수에서 수위변동이 주로 발생하였다(Fig. 7).

Table 4. monitoring wells showing the fluctuation of groundwater level according to time series before and after an earthquake event(19.04.22 M3.8)

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Fig. 7. IDW analysis of shallow groundwater for the M 3.8 earthquake(April 22,2019).

E2(M2.5) 지진의 영향(충적)

E2 지진발생에 따른 수위관측에 사용된 관측정은 총 30정이며, 관측정의 심도는 6.8~41.3 m의 범위이다. 0~35 km 구간에 7개 공, 35~70 km 구간에 10개 공, 70~100 km 구간에 12개 공, 100 km 이상 구간에 1개 공이 분포되어 있다. 지진 발생 전 최대 변동량은 25번 국가지하수관측정(진앙으로부터 반경 65.0 km)에서 18 cm (D-6h)의 수위하강을 보였다. 지진 발생 후 시간에 따라 수위변동을 보이는 관측정이 증가하는 경향을 보인다(Table 5). 암반지하수의 민감한 수위변동 시기와는 상반된 차이를 보이며, 단층대와의 거리에 따른 상관성을 보이지 않는다(Fig. 8).

Table 5. Monitoring wells showing the fluctuation of groundwater accordint to time series before and after an earth-quake event(19.06.11 M2.5)

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Fig. 8. IDW analysis of shallow groundwater for the M 2.5 earthquake(June 11,2019).

경주 단구리의 지하수위 변동요인

지진은 대수층을 포함하는 지각에 응력 및 변형을 가하고, 이 과정은 대수층 시스템 내에 유체 압력에 영향을 미친다. 또한, 관정을 통해 대기와 연결된 대수층이 지진파로 유발되는 팽창과 수축에 의해 지하수위가 반응하며, 지하수위는 지각 응력의 변화에 민감한 지시자로서 정량적으로 해석이 가능한 인자로 고려된다(Quilty et al., 1995; Roeloffs et al., 1995; Kitagawa et al., 2006; Shi et al., 2014). 또한, 단층대를 따라 설치된 지하수 모니터링은 지진에 대한 반응을 관찰하기에 용이하며(Kovach et al., 1975; Wang et al., 1979; Roeloffs, 1988), 단층대 주변의 응력상태는 지진에 의해 변하는 것으로 알려져 있다(Lin et al., 2007). 파쇄대가 발달한 암석에서는 지진으로 인해 막히거나, 넓어지거나, 좁아지거나, 새로운 균열이 발생하여 투수성에 영향을 미치는 것으로 보고되었다(Fleeger et al., 1999). 활성단층대에 설치된 경주 단구리 관측정은 E1 지진 발생전에 3~4 cm의 수위하강을 보이나, 지진 발생 후(post-seismic) 89 cm의 수위가 하강하여 높은 변동량을 보인다. E2 지진 발생시 지진발생 전(pre-seismic) 수위가 상승하여 지진발생 후 약 15일간에 걸쳐 약 79%의 수위를 회복하였다. 단구리 관측정에서 순간적인 수위 변화는 지진 발생에 따른 응력으로 파쇄대나 균열 등의 확장 또는 발달, 그리고 암반의 압축에 의한 영향으로 판단된다.

암반 지하수와 충적 지하수의 수위변동 비교

E1 지진(2019년 4월 22일 M 3.8) 발생 시 5 cm 이상의 수위변동을 보이는 암반지하수의 비율은 D+12h일 때 30%로 가장 높은 비율을 보이는 반면에 충적지하수는 D+24h일 때 30%로 가장 많은 관측공이 반응하였다. E1 지진의 경우 D+6h일 때 암반지하수와 충적지하수에서 수위변동을 보이는 관측정의 수가 급격하게 증가하여 뚜렷한 지진 발생 후(post-seismic) 현상을 보이고, 암반 지하수의 경우 D+24h일 때를 제외하고 충적지하수보다 수위변동이 관측된 관측정의 수가 상대적으로 높아 지진에 대한 높은 반응성을 보였다(Table 6).

Table 6. The number of a monitoring well showing fluctuations of water level according to time elapsing before and after earthquake event.

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E2 지진(2019년 6월 11일 M 2.5) 발생시 5 cm 이상의 수위변동을 보이는 암반지하수는 평균변동률 27%로, 전반적으로 E1 지진에 비해 지진발생 전 수위가 더 민감하게 반응하였다. 또한 수위변동을 보이는 충적지하수의 경우 평균변동률이 18%로, 암반지하수에 비해 수위변동을 보이는 관측정이 적으며, 암반지하수와 같이 지진 발생 전(pre-seismic) 현상을 보였다.

결과적으로 암반지하수와 충적지하수의 수위변동은 암반지하수가 전반적으로 충적지하수보다 지진에 대한 반응도가 높게 나타나 암반지하수가 지진감시에 더 유효한 것으로 판단된다. 지진발생에 따른 암반지하수와 충적지하수의 수위변동차이는 암반지하수의 경우 피압대수층이 충적지하수의 자유면 대수층에 비해 지진 영향이 상대적으로 민감하다고 보고된 바와 같이(Chia et al., 2008; Woo et al., 2015), 지반변위, 응력등 지질학적 환경에 의해 충적지하수보다 더 민감하게 반응하는 것으로 판단된다.

단구리 관측정에서의 유효범위 산정

연구기간동안 발생한 21개의 지진 중 7개는 ±24시간 내에 강수가 발생하여 지진 또는 강수의 영향으로 인한 수위변동을 보여주는지에 대해 명확하지 않아 제외하였으며, 그 외 지진(14개)에 대한 Earthquake effectiveness(ε), q-factor과의 단구리 관측정에서 시간에 따른 변동량과의 상관성 분석을 실시하였다(Fig. 9).

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Fig. 9. Correlation between effectiveness of earthquake and q-factor and fluctuations of water level in a monitoring well at Dangu-ri.

Fig. 9에서 낮은 수위변동량을 보이는 지진의 Earthquake effectiveness(ε)와 q-factor값은 좌측 하단에 주로 분포하며, 지진으로 인한 높은 수위변동을 보인 E1과 E2 지진은 우측 상단에 도시되어 뚜렷한 차이를 보여준다. 단구리 관측정에서의 Earthquake effectiveness(ε)와 q-factor와의 상관계수는 각각 0.754와 0.509로 정의 상관관계를 보이고, Earthquake effectiveness(ε)가 q-factor보다 높은 상관성을 보인다. 단구리 관측정에서 수위변동에 영향을 미치는 지진에 대한 Earthquake effectiveness(ε)와 q-factor와의 유효범위는 각각 2.70E-10~5.60E-10, 14.4~18.0로 산정된다. 다만 산정된 값은 지질 특성을 고려한 지진감쇠식과 지진 발생 빈도가 낮은 한계 등의 요소는 반영되지 않았다.

결론

경주 단구리 활성단층대의 지하수 관측정, 주변 국가지하수관측정에서의 수위변동과 지진과의 상관성에 대한 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 단구리 관측정에서 지하수위 변동과 높은 상관성을 보이는 지진은 E1(2019년 4월 22일 M 3.8) 지진과 E2(2019년 6월 11일 M 2.5) 지진이다.

(2) E1 지진발생 전후 지하수위 최대 변동량은 18번 국가지하수관측정에서 19 cm (D-12h)의 수위하강을, 단구리 관측정에서 89 cm (D+24h)의 수위상승을 보였다. 수위변동에 가장 민감한 구간은 진앙으로부터 반경 100~125 km이며, 평균변동률은 94%이다. E1 지진 발생 후 D+6h일 때 암반지하수가 충적지하수보다 수위변동이 관측된 관정 수가 상대적으로 많으며, 암반지하수와 충적지하수 모두 지진 발생 후(post-seismic) 현상을 보였다.

(3) E2 지진발생 전후 암반지하수에서 최대 변동량은 경주 단구리 관측정에서 75 cm (D-6h)의 수위상승을, 23번 국가지하수관측정에서 87 cm (D+24h)의 수위상승을 보였다. 수위변동에 가장 민감한 구간은 진앙으로부터 반경 100km 이상이며, 평균변동률은 88%이다.

(4) 암반지하수와 충적지하수의 수위변동의 비교는 E1 지진 발생시 암반지하수와 충적지하수 모두 지진 발생 후(post-seismic) 현상을 보인다. E2 지진 발생시 암반지하수는 지진발생 전(pre-seismic) 현상을 보이나, 충적지하수는 지진발생 후(post-seismic) 현상을 보인다.

(5) 5cm 이상의 수위변동은 충적 지하수층 관측정보다 암반지하수 관측정에서 상대적으로 많이 관측되며, 단층대에 인접한 관측정에서 더 큰 변화를 보였다. 따라서 단층대에 인접한 암반지하수 관측정과 활성단층대 관측정에서 지하수위가 지진에 대한 반응성이 높아 지진감시에 더 효과적인 것으로 판단된다.

(6) 단구리 관측정에서 Earthquake effectiveness(ε), q-factor와의 상관계수는 각각 0.754와 0.503로 정의 상관관계를 보이고, Earthquake effectiveness(ε)가 더 높은 상관성을 보인다. 단구리 관측정에서 지진별 수위변동에 대한 Earthquake effectiveness(ε), q-factor와의 유효범위는 각각 2.70E-10~5.60E-10, 14.4~18.0으로 산정되었다.

사사

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원(과제번호: 20201510100020)과 한국연구재단의 지원(과제번호: 2017008815)을 받아 수행되었습니다.

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