핵실험장 2017년 9월 지진 3건의 모멘트 텐서 분석과 진원 특성

초록

2017년 9월 북한 핵실험장 인근에서 발생한 M6.3, M4.6, M3.4 규모의 세 지진에 대해 동일한 관측망·구조모델·역전 알고리즘·필터링 조건으로 모멘트 텐서 역전을 수행하였다. 결과는 M6.3 사건이 폭발 성분이 우세하고, M4.6 사건은 내파(implosion) 성분이 지배적이며, M3.4 사건은 약 74%의 전단(두께) 성분과 25% 수준의 폭발 성분을 갖는 복합형임을 보여준다. 세 사건 모두 중심 깊이가 유사하고, M3.4 사건의 전단 성분은 북동향 정상단층을 시사한다.

상세 분석

본 연구는 동일한 관측 스테이션 네트워크와 1‑D 구조 모델을 고정하고, 동일한 역전 알고리즘(주파수‑시간 윈도우링, 최소제곱 최적화)과 거의 동일한 밴드패스 필터(0.02‑0.1 Hz)를 적용함으로써 세 사건 간 비교 가능성을 극대화하였다. 이러한 일관된 처리 흐름은 파형 차이에 기인한 편향을 최소화하고, 모멘트 텐서 성분의 상대적 비중을 신뢰성 있게 추정할 수 있게 한다.

M6.3 사건은 전형적인 핵실험 폭발 파형을 보이며, isotropic(폭발) 성분이 전체 모멘트의 약 80% 이상을 차지한다. 이는 핵탄두 혹은 대규모 화학 폭발에 해당하는 고압·고에너지 방출을 의미한다. 반면 M4.6 사건은 isotropic 성분이 음수이며, 이는 내파, 즉 급격한 수축 혹은 지하 매질의 급격한 압축 해소를 나타낸다. 이러한 내파는 대규모 굴착 붕괴나 인위적 시추 사고와 연관될 가능성이 있다.

M3.4 사건은 전단(두께) 성분이 74%로 가장 큰 비중을 차지하고, 나머지 25% 정도가 양의 isotropic 성분을 보인다. 전단 텐서는 두 개의 수직면을 갖는 전형적인 쌍곡선 파형을 생성하며, 여기서는 북동향(NNE‑SSW) 정방향 정상단층(fault strike ≈ 45°)을 시사한다. 이는 해당 지역이 지각 변형대와 연계된 구조적 약점을 가지고 있음을 의미한다.

깊이 해석 결과, 세 사건 모두 중심 깊이가 1.5 ~ 2.0 km 범위에 몰려 있어, 핵실험장 지하 시설의 깊이와 일치한다. 이는 인위적 사건과 자연적 단층 사건을 구분하는 데 깊이 정보가 제한적일 수 있음을 시사한다.

불확실성 분석에서는 관측 잡음, 구조 모델의 1‑D 한계, 그리고 파형 윈도우 선택이 모멘트 텐서 비율에 미치는 영향을 정량화하였다. 특히 M4.6 사건의 내파 성분은 잡음에 민감해, 신뢰 구간이 넓게 나타났다. 반면 M6.3과 M3.4 사건은 파형 신호대잡음비가 높아 비교적 안정적인 결과를 제공한다.

이러한 결과는 국제 지진 감시 체계(CTBTO)의 핵실험 감별 능력을 향상시키는 데 기여한다. 폭발·내파·전단 성분을 정량적으로 구분함으로써, 인위적 핵실험과 자연 지진을 보다 명확히 구분할 수 있다. 또한, 복합형 사건(M3.4)에서 발견된 정상단층은 지역 지진 위험 평가에도 활용될 수 있다.