비정상 확률적 강진 시뮬레이션: 일본 데이터베이스 적용

초록

본 논문은 기존 Pousse 등(2006)의 비정상 확률적 강진 시뮬레이션 방법을 최신 일본 관측 데이터와 최신 지진공학 파라미터를 이용해 개선한다. 아리아스 강도, 지속시간, 중심주파수 등 핵심 지표를 경험적 감쇠식으로 추정하고, S‑변환을 통해 중심주파수 변화를 정량화한다. 또한, 표면암석 데이터와 VS30 기반 사이트 효과, 스트레스 드롭 변동성을 포함한 새로운 함수 형태를 도입해 시뮬레이션 정확도를 높였다.

상세 분석

본 연구는 비정상 확률적(time‑varying stochastic) 방법의 핵심 구조를 재검토하고, 일본 전국에 걸친 대규모 강진 기록을 기반으로 파라미터화 과정을 정교화하였다. 첫째, 지진원 특성인 Brune 모델의 스펙트럼 형태를 유지하면서, 시간적 비정상성을 반영하기 위해 신호 스펙트로그램을 직접 이용한다. 이는 전통적인 가우시안 백색 잡음 기반 방법보다 실제 관측된 에너지 집중 현상을 더 잘 재현한다는 장점이 있다. 둘째, 시뮬레이션에 필요한 최소 파라미터인 아리아스 강도(Ia), 유의 지속시간(Ds), 중심주파수(fc)를 각각 진원 규모(M), 진원‑수신기 거리(R), 그리고 VS30 기반 사이트 조건에 대한 경험적 감쇠식으로 정의한다. 여기서 감쇠식은 기존 연구와 달리 intra‑event와 inter‑event 잔차를 별도로 분석하여, 사건별 변동성과 지역별 변동성을 동시에 고려한다. 특히, VS30에 대한 비선형 스케일링을 도입해 연약한 토양과 경질 암반 사이의 차이를 정량화하였다. 셋째, 중심주파수의 시간 변화를 추정하기 위해 S‑변환(S‑transform)을 적용하였다. S‑변환은 연속적인 시간‑주파수 해석을 제공함으로써, 지진 파형의 고주파 성분이 초기 급격히 감소하고, 저주파 성분이 지속되는 비정상적 주파수 이동을 정확히 포착한다. 넷째, 스트레스 드롭(Δσ)의 변동성을 기존의 고정값 대신 확률분포(예: 로그정규분포)로 모델링하였다. 이는 동일 규모·거리 조건에서도 강진 강도가 크게 달라지는 현상을 재현하는 데 기여한다. 마지막으로, 새로운 표면암석 데이터셋(암석‑표면 비율, Q값 등)을 활용해 고주파 감쇠와 지반 반사 효과를 보정하였다. 전체적으로, 이러한 개선은 시뮬레이션 파형의 진폭·주기·지속시간 특성이 관측 데이터와 통계적으로 일치하도록 만들며, 비선형 구조 해석에 필요한 신뢰성 높은 시간 이력 데이터를 빠르게 생성할 수 있게 한다.