2019 심화교육 – 고체지구과학(지구물리) 강의노트 2

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2019-10-08 경남과학고등학교 오유신 작성

#지진과 지진파 – 주로 지진파의 전파를 중심으로

탄성파 탐사(Seismic surveying)

- 지진파(Seismic wave)를 이용해서 석유 자원이나 광물 자원 등을 쉽게 탐사할 수 있음(이 경우는 다이너마이트 등으로 인공 지진을 만들어 진행)

전지구적 지진학(Global seismology): 지구 내부 구조의 파악에 유용한 지진파

반사 & 굴절 지진학(Reflection & Refraction seismology)
> 실제 지진 탐사에서는 지진파의 반사의 현상을 더 자주 이용함

탄성파(Elastic wave, Seismic wave)

탄성 능력: 탄성적(Elastic)이라는 것은 어떤 물체가 외력이 가해져 변형되었을 때 다시 원 상태로 회복할 수 있는 능력을 가지고 있음을 말함

비탄성적(Plastic)이라는 것은 어떤 물체가 외력이 가해져 변형되었을 때 다시 원 상태로 회복할 수 있는 능력이 없음을 말함

외부에서 주어지는 응력(Stress)에 의하여 변형(Strain)이 발생하고, 이 변형이 회복되는 과정에서 탄성파가 발생

탄성파는 일반적으로 파원(Point Source)에서 방사형으로 퍼져나가는 형태로서, 이에 따른 파면의 구조는 하위헌스의 원리(Huygen’s Principle)로서 설명한다. - 다음 파면은 그 이전 파면의 각 점들을 파원으로 하는 것처럼 퍼져나감

실체파(Body wave)는 방사형으로 전방향으로 퍼져나가고(Sphere), 표면파(Surface wave)는 표면을 따라 원형으로 퍼져나간다(Circle).

이러한 것은 연못에 돌을 던졌을 때와 유사하다.

표면파가 진동수가 크고, 실체파가 진동수가 작다.

실체파의 예로는 P파, S파가 있고 표면파의 예로는 레일리파(R파)나 러브파(L파)가 있다.

파선(Ray)은 파면에 대하여 수직하게 그은 선이다.

균일한 밀도와 균일하지 않은 밀도에서의 파선과 파면
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> 상기 그림의 왼쪽은 지하 밀도가 균일한 경우로서, 굴절이 일어나지 않고 하위헌스의 원리에 따라 그대로 방사형으로 진행하는 것을 관찰할 수 있다.
그러나 상기 그림의 오른쪽에서는 지하 밀도가 균일하지 않아, 상부에서의 지진파의 전파 속도가 느리고 하부에서의 지진파의 전파속도가 빨라 결과적으로 굴절이 발생한다.
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> 상기 그림의 왼쪽은 지하 물질의 분포가 등방성을 가지는 경우로서, 모든 방향으로 균일하게 반원형의 파면이 만들어진다. 오른쪽은 지하 물질의 분포가 비등방성을 가지는 경우로서, 반원형이 아닌 반타원형의 파면이 만들어진다.

Full-space, Half-space, Quarter-space

Full-space는 3차원 직교좌표계로서 모든 x, y, z 축이 존재하는 일반적인 공간으로서, 실체파를 설명하기 위하여 도입하는 공간좌표계이다. 모든 방향으로서 축과 공간이 무한하다.

Half-space는 Semi-Infinite라 말하며, x, y축이 무한하며 z축은 연직 하방으로 깊이만을 표현한다. 지표 위쪽은 표현되지 않는다. z축은 지표면을 원점으로 한다.

Quarter-space의 경우는 Quarter-Infinite라 말하며, x, z축이 반직선이고 y축만이 무한하다. 지표 위쪽과 한쪽 지표면은 표현되지 않는다.

Direct air wave(음파)와 Direct Ground P-Wave(P파)의 차이

공기 중을 통해서 전달되는 소리 등의 탄성파는 그 전달 거리가 50m 정도로 얼마 되지 않는 한편, 지표를 통하여 전달되는 P파 등은 그 전달 거리가 훨씬 더 길다.

소리 등도 지진계에 같이 기록된다.

음파와 지진파의 전달은, 일반적으로 탄성파는 그 전달에서 매질이 단단하고 밀도가 높을수록 속도가 빠르므로(탄성파의 전파 속도는 매질의 상태에 따라 결정된다), 동일한 시간 동안 P파 등의 지진파가 음파보다 더 멀리 전달되어 있다. 아래의 그림은 동일한 시간대에 출발한 파면을 어느 시간대에 표시한 것으로서, 이런 그림을 스냅샷(Snap-shot)이라 한다.

위의 그림에서, 지표의 밀도가 대기의 밀도보다 높으므로 당연히 지진파의 전파 속도가 음파보다는 빠르다.

이런 탄성파의 속도가 매질의 상태에 따라 변하는 성질을 이용하여, 지진파 등의 속도를 이용하여 매질의 상태를 추정해볼 수 있다. 즉, 지진파의 속도는 매질의 상태 연구에 있어 상당히 중요하다(지진파의 속도를 통한 밀도 추정과 이에 따른 물질의 추정).

실제의 연구에서는 지표의 여러 위치에다가 지진계(Geophone)를 설치하여 위의 전파를 연구한다. 지진계를 통하여 진원와 진앙을 추정 가능하다. 지진계와 함께 시간을 기록하면 속도 추정에 용의하다.

스냅샷(Snap-shot)을 위한 연구

특정 위치에 들어오는 지진계의 기록(Trace/Train, 흔적)을 분석한다. Trace에서 자글자글한 기록은 잡음이다.

지진계의 거리와 시간에 따른 파형 그래프의 나열도에서 기록의 특정 파형을 연결해보면 직선 혹은 곡선의 형태 등, 다양한 형태가 나타나는데, Direct Arrivals의 경우는 반사나 굴절이 되지 않고 직접 관측소까지 온 파로서, 이는 s=vt 공식을 통해 위치와 속도의 추정이 가능함.

아래 그래프에서 기울기는 지진파의 속도(v)의 역수임. - 축이 바뀐 것에 주의해야 한다.

A Layered Half-Space

실제 지구는 깊이에 따라 밀도가 달라짐. 이를 모형화하기 위하여 z방향으로 밀도가 층층히 변하는 layered half-space를 사용함.

각 층의 속도를 v1, v2, v3, v4로, 층 내에서는 일정한 속도
(constant-velocity)를 가진다고 한다. 지층의 역전 등을 고려하지 않는다면, 하부로 내려갈수록 지진파의 전파 속도가 빨라진다. 따라서 스넬의 법칙에 의하여, 지진파가 굴절되어 아래의 전파 경로를 보이게 된다.

이들 지진파 중 일부는 지표 위쪽으로 굴절되어 올라가기도 한다.

실제로 Layered 된 층 내에서 일정한 속도(Constant-velocity)를 가지지 않음. 선형적으로 증가하는 속도를 가짐(Gradient-velocity). 따라서, 실제로는 곡선 형태로 휘어지는 형태로서 진행함.

파동(Wave)의 용어

파의 속도(velocity)는 [eqn: v=f lambda]로서 표현된다.

파의 파장(Wavelength)는 같은 상태가 반복되는 데까지 파동이 진행하는 거리이다.

파의 주파수(Frequency)는 파가 1초 동안 파장이 관측 지점을 몇 개 지나가는 가를 표현하다.

파의 주기(Period)는 파장 1개가 관측 지점을 통과하는 데 걸리는 시간(관측 지점에서 같은 상태가 반복되기까지 걸리는 시간)이다.